CN107809192B - 电机驱动装置、电机组件及负载驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机驱动装置及应用其的电机组件及负载驱动装置。所述电机驱动装置包括起动控制电路及桥式电路，所述桥式电路包括第一桥臂及第二桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一及第二双向电子开关，所述第二桥臂包括串联连接的第三及第四双向电子开关，所述第一及第二桥臂并联连接于交流电源的第一端及第二端之间，第一及第二双向电子开关的连接点与第三及第四双向电子开关的连接点之间连接所述同步电机，所述起动控制电路在电机起动阶段控制所述第一及第四双向电子开关和第二及第三双向电子开关交替导通，以在交流电源的每一周期内向所述同步电机提供持续驱动力。上述电机驱动装置起动转矩大、转矩连贯。

Description

电机驱动装置、电机组件及负载驱动装置

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种驱动单相同步电机的电机驱动装置及应用该电机驱动装置的电机组件及负载驱动装置。

背景技术

单相同步电机具有体积小、重量轻、效率高、能耗低、结构简单、工作可靠、维护方便等优点，能够适应电机小型轻量化和高输出功率的发展要求，因而越来越多地被应用于家用电器、电动工具、医疗器械以及轻工设备中。请参考图1，为现有的单相同步电机的驱动电路图，起动控制电路15与电机12连接于交流电源11的两端，以驱动电机12的运转，所述起动控制电路15中包括有一个与所述电机12串联连接于交流电源两端11的双向开关。图2为图1所示单相同步电机的电机电压的波形图，从图2中可以看出电机11在全通运行阶段前经历的起动阶段中，电机电压半波串存在空缺，导致电机起动转矩小、转矩不连贯，不适合起动较大起动转矩和转动惯量的负载。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种能够提供较大起动转矩的电机驱动装置及应用该电机驱动装置的电机组件及负载驱动装置。

本发明的实施例提供一种电机驱动装置，用于驱动同步电机的转子相对于定子转动，所述电机驱动装置包括起动控制电路及桥式电路，所述桥式电路包括第一桥臂及第二桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一及第二双向电子开关，所述第二桥臂包括串联连接的第三及第四双向电子开关，所述第一及第二桥臂并联连接于交流电源的第一端及第二端之间，第一及第二双向电子开关的连接点与第三及第四双向电子开关的连接点之间连接所述同步电机，所述起动控制电路在电机起动阶段控制所述第一及第四双向电子开关和第二及第三双向电子开关交替导通，以在交流电源的每一周期内向所述同步电机提供持续驱动力。

作为一种优选方案，所述起动控制电路包括波数发生器，所述波数发生器提供正负交变、波头时间不断减少的波数脉冲，在电机起动阶段，所述波数脉冲为第一电平时，所述起动控制电路在交流电源为正半波时触发所述第一及第四双向电子开关导通，在交流电源为负半波时触发所述第二及第三双向电子开关导通；所述波数脉冲为第二电平时，所述起动控制电路在交流电源为正半波时触发所述第二及第三双向电子开关导通，在交流电源为负半波时触发所述第一及第四双向电子开关导通。

作为一种优选方案，所述起动控制电路包括整形电路、倍频电路、同或门及第一与门，所述整形电路提供与交流电源正半波或负半波同频同相位的正或反相的矩形同步工作脉冲，矩形同步工作脉冲经所述倍频电路形成二倍频同步工作脉冲，所述矩形同步工作脉冲与所述波数发生器提供的正负交变、波头时间不断减少的波数脉冲经所述同或门输出触发信号，所述同或门输出的触发信号及二倍频同步工作脉冲通过第一与门输出触发所述第一电子开关及第四电子开关的触发信号。

作为一种优选方案，所述起动控制电路还包括第一非门及第二与门，所述同或门输出的触发信号经所述第一非门反相后，与二倍频同步工作脉冲通过第二与门输出触发所述第二双向电子开关及第三双向电子开关的触发信号。

作为一种优选方案，所述倍频电路包括双向触发器、延时器及单稳态触发器，矩形同步工作脉冲经所述双向触发器形成二倍频同步工作脉冲，再经延时器调节初始相位、经单稳态触发器调节脉宽，得到初始相位可调的二倍频同步工作脉冲。

作为一种优选方案，所述波数发生器的输入端连接所述整形电路，所述波数发生器包括第一输出端口，所述第一输出端口与同或门相连，用于向所述同或门提供正负交变、波头时间不断减少的波数脉冲。

作为一种优选方案，所述波数发生器包括第二输出端口，所述第二输出端口与所述第一与门相连，用于输出转子复位信号至所述第一与门及第二与门。

作为一种优选方案，所述起动控制电路还包括或门，所述波数发生器包括第三输出端口，所述或门包括第一及第二输入端，所述第三输出端口输出电机正常运行所需的运行信号至所述或门的第二输入端，所述或门的第一输入端连接所述第一与门的输出端，所述或门的输出端输出触发所述第一电子开关及第四电子开关的触发信号。

作为一种优选方案，所述波数发生器包括第三输出端口，所述第三输出端口输出电机正常运行所需的运行信号，所述起动控制电路还包括第二非门，所述运行信号通过所述第二非门输送至所述第二与门。

作为一种优选方案，所述起动控制电路还包括连接至或门输出端的第一驱动电路及第二驱动电路，所述第一驱动电路的第一输出端连接第一双向电子开关的控制端，所述第一驱动电路的第二输出端连接第一及第二双向电子开关的连接点，所述第二驱动电路的第一输出端连接所述第四双向电子开关的控制端，所述第二驱动电路的第二输出端接地；所述起动控制电路还包括连接至第二与门输出端的第三驱动电路及第四驱动电路，所述第三驱动电路的第一输出端连接第二电子开关的控制端，所述第二驱动电路的第二输出端连接接地，所述第四驱动电路的第一输出端连接所述第三双向电子开关的控制端，所述第四驱动电路的第二输出端连接所述第三及第四双向电子开关的连接点。

作为一种优选方案，所述电机驱动装置还包括延时控制电路、电压检测电路和电流检测电路，所述电压检测电路检测交流电源的电压，所述电流检测电路检测流过桥式电路的电流，所述延时控制电路与所述延时器相连，根据电压检测电路和电流检测电路的信号调节延时时间以调节二倍频同步工作脉冲的初始相位。

作为一种优选方案，所述起动控制电路包括整形电路、位置传感器、倍频电路、D触发器、同或门及第一与门，所述整形电路提供与交流电源正半波或负半波同频同相位的正或反相矩形同步工作脉冲，矩形同步工作脉冲经所述倍频电路形成二倍频同步工作脉冲，所述位置传感器测得对应转子磁极旋转的转子同步脉冲，在电机起动阶段，所述转子同步脉冲为正负交变、交变周期时间不断减少的矩形脉冲，所述转子同步脉冲经D触发器及二倍频同步工作脉冲触发，使其上升、下降沿与矩形同步工作脉冲上升、下降沿重合，又与矩形工作脉冲经同或门输出触发信号，所述同或门输出的触发信号与二倍频同步工作脉冲经第一与门输出触发第一电子开关及第四电子开关的触发信号。

作为一种优选方案，所述起动控制电路还包括第一非门及第二与门，所述同或门输出的触发信号经所述第一非门反相后，与二倍频同步工作脉冲通过第二与门输出触发第二电子开关及第三电子开关的触发信号。

作为一种优选方案，所述起动控制电路还包括全通信号发生器、或门和第二非门，所述或门包括第一、第二输入端及一输出端，所述全通信号发生器连接所述位置传感器，所述全通信号发生器在位置传感器输出的转子同步脉冲周期小于二倍矩形同步工作脉冲周期时输出全通信号，所述全通信号发生器的输出端连接或门的第二输入端及第二非门的输入端，所述或门的第一输入端连接所述第一与门的输出端，所述或门的输出端输出触发所述第一及第四双向电子开关的触发信号，所述第二非门的输出端连接所述第二与门。

作为一种优选方案，所述起动控制电路和桥式电路集成于一个集成电路内，所述集成电路包括第一至第四端子，所述第一及第二端子用于连接交流电源的第一端及第二端，所述第三端子连接第一及第二双向电子开关的连接点，所述第四端子连接第三及第四双向电子开关的连接点。

作为一种优选方案，所述起动控制电路由标准逻辑电路、ASIC、厚膜电路、MCU、FPGA或可编程逻辑器件实现。

本发明的实施例还提供一种电机组件，包括电机及连接于电机与交流电源之间的如上任一项所述的电机驱动装置。

本发明的实施例还提供一种负载驱动装置，包括如上所述的电机组件及由所述电机组件驱动的负载。

电机起动阶段，所述起动控制电路在交流电源的正半波及负半波时均会产生驱动信号控制第一至第四双向电子开关中相应开关的导通，使电机电压波形整齐、齐全、稳定，大大提高了起动转矩、降低了起动失败及振动噪声。应用上述电机驱动装置的电机组件及负载驱动装置起动转矩大、转矩连贯。

附图说明

附图中：

图1是现有的单相同步电机的驱动电路图。

图2是图1所示现有单相同步电机的电机电压的波形图。

图3是本发明实施方式的电机组件的功能方框图。

图4是本发明一实施方式的电机的示意图。

图5a-图5c是图3中双向电子开关的具体实施方式的电路图。

图6是本发明一实施方式的电机驱动装置的具体功能方框图。

图7是图6中电机驱动装置控制电机起动过程的波形图。

图8是本发明另一实施方式的电机驱动装置的具体功能方框图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接仅仅是为便于清晰描述，而并不限定连接方式。

请参阅图3，本发明一实施方式的电机组件100包括电机10及用于控制电机10定向起动的电机驱动装置30，所述电机驱动装置30连接于交流电源60及电机10之间。所述电机10可直接驱动负载50，也可通过负载连接机构驱动负载50。本实施方式中，电机10为单相同步电机，其他实施方式中，电机10可为单相永磁同步电机或单相励磁同步电机。本实施方式中，所述负载连接机构为离合器40，该离合器40可为弹簧离合器、离心离合器、摩擦离合器或电磁离合器。本实施方式中，以负载50为风机的扇叶为例进行说明，其他实施方式中，负载50可为水泵的叶轮或其他设备。本实施方式中，所述电机驱动装置30可使电机在每次起动时均沿着一固定方向起动。图4示出依据本发明一实施方式的电机10。所述电机10包括定子和可相对定子旋转的转子114。定子具有定子铁心112及绕设于定子铁心112上的定子绕组116。定子铁心112可由纯铁、铸铁、铸钢、电工钢、硅钢等软磁材料制成。转子114具有永磁铁，定子绕组116与交流电源60连接时转子14在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是转子的极对数。

定子的磁极和转子114的磁极之间具有不均匀气隙118，使得转子114在静止时其极轴R相对于定子的极轴S偏移一个角度α，以允许电机10在电机驱动装置30的作用下每次通电时转子可以具有启动转矩。本实施方式中，定子和转子均具有两个磁极。可以理解的，在更多实施方式中，定子和转子的磁极数也可以不相等，且具有更多磁极，例如四个、六个等。

本实施方式中，所述电机驱动装置30为一个四端口集成电路，其包括壳体、自壳体伸出的四个端子I1、I2、M1、M2，以及封装于壳体内的起动控制电路20及桥式电路70，所述起动控制电路20及桥式电路70设于半导体基片上。所述桥式电路70包括第一桥臂及第二桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一双向电子开关K1及第二双向电子开关K2，所述第二桥臂包括串联连接的第三双向电子开关K3及第四双向电子开关K4，所述第一及第二桥臂并联连接于交流电源60的第一端及第二端之间。所述第一及第二双向电子开关K1、K2的连接点与第三及第四双向电子开关K3、K4的连接点分别连接端子M1及M2，所述端子M1及M2之间连接电机10，所述第一及第二桥臂的两个连接点分别连接端子I1及I2。所述端子I1通过一开关K0连接交流电源60的第一端，所述开关K0为所述电机组件100的电源开关。所述端子I2连接交流电源的第二端。所述交流电源60可以是市电交流电源，具有例如50赫兹或60赫兹的标称频率，标称电压可以是110伏、220伏或230伏等。所述交流电源60的第一端及第二端可以分别是交流电源的火线及零线，也可以分别是交流电源的零线及火线。所述第一至第四双向电子开关K1-K4可以是双向晶闸管T1(图5a)或正反并联的MOS管、三极管，也可由两个单向晶闸管S1及S2正反并联组成(图5b)，还可由单向晶闸管S3及二极管D1-D4连接成图5c所示的电路组成，图5c中，所述单相晶闸管S3的阳极连接二极管D1、D2的阴极，单相晶闸管S3的阴极连接二极管D3、D4的阳极，二极管D1的阳极与二极管D3的阴极连接，二极管D2的阳极与二极管D4的阴极连接。在图5a及图5b所示的电路中，所述双向晶闸管T1的两端以及并联连接的两个单向晶闸管S1及S2两端还可以并联一由电阻R及电容C串联连接的电路。

请参考图6，所述起动控制电路20包括六个输出端G1-G4以及M1、M2，所述输出端G1-G4分别连接至所述双向电子开关K1-K4的控制端，所述输出端M1、M2即为所述电机驱动装置30的端子M1及M2，其中，端子M1还连接至所述第一双向电子开关K1与所述第二双向电子开关K2的连接点，所述端子M2还连接至所述第三双向电子开关K3及第四双向电子开关K4的连接点。所述起动控制电路20在电机起动阶段控制第一及第四双向电子开关K1、K4和第二及第三双向电子开关K2、K3的导通状态，以向电机提供全波头的交流电源，即在交流电源的正半波周期与负半波周期，所述电机10均接受交流电源的驱动。

所述起动控制电路20内包括波数发生器24，所述波数发生器24在电机起动阶段提供正负交变、波头时间不断减少的波数脉冲，所述波数脉冲为第一电平时，如高电平时，所述起动控制电路20在交流电源为正半波时触发所述第一及第四双向电子开关K1、K4导通，在交流电源为负半波时触发所述第二及第三双向电子开关K2、K3导通；所述波数脉冲为第二电平时，如低电平时，所述起动控制电路20在交流电源为正半波时触发所述第二及第三双向电子开关K2、K3导通，在交流电源为负半波时触发所述第一及第四双向电子开关K1、K4导通。

所述起动控制电路20还包括整形电路22、倍频电路25、同或门26、第一与门34、第二与门32、第一非门28、第二非门29、或门36、滤波稳压电路21、第一至第四驱动电路41-44、电流检测电路37、电压检测电路38及延时控制电路39。所述倍频电路25包括双向触发器251、延时器252及单稳态触发器253。所述端子I1通过一电阻R1连接稳压管Z1的阴极，所述稳压管Z1的阳极连接端子I2，所述稳压管Z1的阴极通过二极管D5连接滤波稳压电路21。交流电源60输出的交流电经电阻R1、稳压管Z1、二极管D5、滤波稳压电路21提供电压值为大多数电路普遍使用的稳定的3伏到18伏之间的电压(例如5V)并提供给各控制电路作为直流工作电源VCC。

所述稳压管Z1的阴极还连接所述整形电路22，交流电源60输出的交流电经电阻R1、稳压管Z1、整形电路22提供与交流电源正半波或负半波同频同相位的正或反相的矩形同步工作脉冲，所述二极管D5可阻止直流工作电源VCC影响矩形同步工作脉冲。所述整形电路22连接所述倍频电路25，矩形同步工作脉冲经所述倍频电路25形成二倍频同步工作脉冲。所述倍频电路25包括依次连接的双向触发器251、延时器252及单稳态触发器253。所述双向触发器251还连接所述整形电路22，所述整形电路22输出的矩形同步工作脉冲经所述双向触发器251形成二倍频同步工作脉冲，再经延时器252调节初始相位、经单稳态触发器253调节脉宽，最终得到初始相位可调的二倍频同步工作脉冲。二倍频同步工作脉冲初始相位的调节可根据电流检测电路37和电压检测电路38检测的信号调节。

所述电流检测电路37连接于桥式电路70与端子I2之间，用于检测流过所述桥式电路70的电流，所述电压检测电路38与端子I1连接，用于检测提供至所述桥式电路70的电压。所述电流检测电路37和电压检测电路38均通过所述延时控制电路39连接所述延时器252。所述延时控制电路39根据电流检测电路37、电压检测电路38检测的电流及电压信号调节二倍频同步工作脉冲的相位，电机因为所驱动负载的不同，电路中的电流及电压会不同，通过对电流及电压的检测可以获知负载的状况，比如是重载还是轻载，并据此调节所述起动控制电路20发出的触发所述第一至第四双向电子开关的驱动脉冲的初始相位的大小。

所述波数发生器24可为计数器译码器，所述波数发生器24的输入端连接所述整形电路22的输出以接收矩形同步工作脉冲，所述波数发生器24包括三个输出端口1-3，所述输出端口1用于在电机起动时输出使电机转子停在指定位置的定位信号及电机起动所需的起动信号；所述输出端口2输出转子复位信号；所述输出端口3输出电机正常运行所需的运行信号。所述波数发生器24输出定位信号、转子复位信号、起动信号及运行信号的时段根据电机的起动运行需要进行译码设定。各信号时段的起止时间总与整形电路22提供的矩形同步工作脉冲的上下沿重合，这样可以保证电机导通波头的完整，减小振动噪声。

所述整形电路22的输出端连接所述同或门26的第一输入端，所述波数发生器24的输出端口1连接所述同或门26的第二输入端，所述同或门26的输出端连接所述第一非门28的输入端，所述第一与门34的第一输入端连接所述单稳态触发器253的输出端，所述第一与门34的第二输入端连接所述同或门26的输出端，所述第一与门34的第三输入端连接波数发生器24的输出端口2，所述第一与门34的输出端连接或门36的第一输入端，所述或门36的第二输入端连接所述波数发生器24的输出端口3。所述第二与门32的第一输入端连接所述单稳态触发器253的输出端，所述第二与门32的第二输入端连接所述第一非门28的输出端，所述第二与门32的第三输入端连接所述波数发生器24的第二输出端口2。所述波数发生器的第三输出端口3连接所述第二非门29的输入端，所述第二与门32的第四输入端连接所述第二非门29的输出端。所述或门36的输出端分别连接第一驱动电路41及第四驱动电路44，所述第一驱动电路41的两个输出端分别作为所述起动控制电路20的输出端G1、M1；所述第四驱动电路44的其中一输出端作为所述起动控制电路20的输出端G4，另一输出端接地。所述第二与门32的输出端连接所述第二驱动电路42及第三驱动电路43，所述第二驱动电路42的其中一输出端作为所述起动控制电路20的输出端G2，另一输出端接地。所述第三驱动电路43的两个输出端分别作为所述起动控制电路20的输出端G3、M2。

请一并参阅图7，现对所述电机驱动装置30的工作原理进行说明。

本实施方式中以电机10顺时针旋转为例进行说明，电机起动时，交流电源60输出大小和方向随时间按照正弦规律变化的电压，如图7中的交流电源波形，交流电源电压经电阻R1降压、稳压管Z1稳压得到与交流电源正半波同步的脉动直流电压，此脉动直流电压经二极管D1及滤波稳压电路21后提供所述电机驱动装置30所需的直流工作电源VCC，还经整形电路22后提供与交流电源正半波同步的矩形同步工作脉冲。

电机起动时，所述波数发生器24的输出端口1输出使电机转子停在指定位置的定位信号及启动所需的周期逐步变小的启动信号。所述定位信号与所述矩形同步工作脉冲经同或门26运算后输出触发信号，本实施方式中，所述触发信号经所述第一与门34、或门36及第一、第四驱动电路41、44后产生用于触发所述第一及第四双向电子开关K1、K4的驱动信号，所述触发信号还经第一非门28、第二与门32、第二及第三驱动电路42、43后产生触发双向电子开关K2、K3的驱动信号。

所述触发信号、二倍频同步工作脉冲及波数发生器24输出端口2发出的复位信号经第一与门34进行运算，此阶段，所述波数发生器输出端口2的电平为高电平，所述第一与门34输出的信号电平由所述触发信号及二倍频同步工作脉冲经与运算确定。所述第一与门34输出的信号与波数发生器24输出端口3输出的全通信号经或门进行运算，此阶段，所述输出端口3未输出全通信号，输出端口3的电平为低电平，所述或门36输出的信号仍为由所述触发信号及二倍频同步工作脉冲经与运算确定。所述或门36输出的信号经第一驱动电路41产生驱动第一双向电子开关的驱动信号G1、M1，经第四驱动电路44驱动后产生驱动所述第四双向电子开关K4的驱动信号G4。从波形图中可以看出，转子定位阶段，交流电源正半波时，所述起动控制电路20输出触发所述第一及第四双向电子开关K1、K4的驱动信号，使流过电机的电流方向为从端子M1流向端子M2。

所述同或门26输出的触发信号经第一非门28进行反相后，再与二倍频同步工作脉冲经第二与门32、第二及第三驱动电路42、43后控制所述第二及第三双向电子开关K2、K3的开通及关闭。所述第二驱动电路42产生驱动第二双向电子开关K2的驱动信号G2，所述第三驱动电路43产生驱动第三双向电子开关K3的驱动信号G3、M2。所述驱动信号M1、M2分别为所述第一双向电子开关K1及第三双向电子开关K3提供虚地电压。经过第一非门28及第二与门32的逻辑运算，从波形图中可以看出，转子定位阶段，交流电源为负半波时，所述起动控制电路20输出触发第二及第三双向电子开关K2、K3的驱动信号，使流过电机的电流方向仍为从端子M1流向端子M2。

综上，根据交流电源的交替变换，通过交替控制第一及第四双向电子开关K1、K4的组合以及第二及第三双向电子开关K2、K3的组合交替导通，在转子定位阶段始终使流过电机的电流方向为从端子M1流向端子M2，以使转子定位，使转子定位的目的是使转子的确定磁极停在预定的位置，偏离起动死点。

随后，所述波数发生器24的输出端口1发出低电平的信号，所述波数发生器24的输出端口2输出低电平的转子复位信号，使所述第一与门34及第二与门32均输出低电平信号，所述波数发生器24的输出端口3也输出低电平的信号，所述或门36也输出低电平的信号，所述起动控制电路20不向所述桥式电路60发送驱动信号，确保转子进行复位，使转子复位的目的是使转子的确定磁极停在预定的起动位置。

转子复位后，电机进入起动阶段，所述波数发生器24的输出端口1提供正负交变、交变周期时间不断减少的矩形脉冲，所述输出端口2提供高电平信号，所述输出端口3提供低电平信号。根据上述的电路结构及各信号的电平状态，在波数脉冲为高电平时，所述起动控制电路20在交流电源为正半波时触发所述第一及第四双向电子开关K1、K4导通，使流过电机的电流方向为从端子M1流向端子M2；在交流电源为负半波时触发所述第二及第三双向电子开关K2及K3导通，使流过电机的电流方向仍为从端子M1流向端子M2。在所述波数脉冲为低电平时，所述起动控制电路20在交流电源为正半波时触发所述第二及第三双向电子开关K2、K3导通，使流过电机的电流方向为从端子M2流向端子M1；在交流电源为负半波时触发所述第一及第四双向电子开关K1、K4导通，使流过电机的电流方向为从端子M2流向端子M1。本领域技术人员可以理解，所述波数发生器24的输出端口1提供正负交变、交变周期时间不断减少的矩形脉冲基本上与转子起动阶段的转子磁极位置对应，比如，正脉冲对应转子的N极，负脉冲对应转子的S极，而且随着转子起动后的逐步加速，每个脉冲持续的时间不断减少。而且，在转子的磁极位置为N极时，流过电机电流的方向始终为从端子M1流向端子M2，在转子的磁极位置为S极时，流过电机电流的方向始终为从端子M2流向端子M1。

当波数发生器24的输出端口2提供的波数脉冲的高电平或低电平脉冲宽度小于二倍电源周期时，此时转子速度也超过了二分之一同步速，所述波数发生器24的输出端口3输出电机正常运行所需的高电平运行信号，所述运行信号经第二非门29反相后输送至所述第二与门32，所述第二与门32输出低电平信号，使所述第二及第三双向开关K2、K3保持断开，所述高电平的运行信号还输送至所述或门36，使所述或门36输出的电平恒为高电平，所述第一及第四双向电子开关K1、K4保持导通，使加到电机10上的电压为交流电源电压，将转子速度直接拉入与定子绕组的正向旋转磁场方向一致、转速相同的同步速。本领域技术人员可以理解，在本发明的其他实施方式中，在电机全通运行阶段，也可以控制第二及第三双向电子开关K2、K3保持导通，控制第一及第四双向电子开关K1、K4保持断开。

本领域技术人员可以理解，所述波数发生器24的输出端口1在发送起动信号前发送定位信号可以使转子停在预定的位置，使转子避开起动死点，如果电机的定子的磁极和转子的磁极之间具有不均匀气隙，使得转子在静止时处于启动位置，即转子极轴相对于定子极轴偏移一个角度，以允许电机在电机驱动装置30的作用下每次通电时转子都可以具有启动转矩，所述波数发生器24的输出端口1可以在发送起动信号前不发送定位信号，所述波数发生器24的输出端口2也无需发送转子复位信号。

本领域技术人员可以理解，也可以在电机驱动装置30中设置位置传感器，使桥式电路70按照位置传感器感测到的转子的磁极位置控制流过电机的电流方向，使转子能够按照预定的方向起动。

请参考图8，为本发明实施方式的根据位置传感器检测的转子位置控制电机起动的方框图。图8所示实施方式与图3所示实施方式的主要区别在于，图8所示实施方式中不设波数发生器24，也不需要定位、复位，而在电机驱动装置30中增设位置传感器82、D触发器84及全通信号发生器86，所述转子位置传感器82较佳的可以为霍尔传感器，用于测得对应转子磁极旋转的转子同步脉冲，所述位置传感器82的输出端连接所述全通信号发生器86，所述全通信号发生器86的输出端连接或门36的第二输入端。所述位置传感器82的输出端还连接所述D触发器84的D端，所述D触发器84的CP端连接所述双向触发器251的输出端，所述D触发器84的Q端连接所述同或门26的第二输入端。所述位置传感器82测得对应转子磁极旋转的转子同步脉冲(可参照波数发生器24的输出端口2输出的起动信号)，经D触发器84及二倍频同步工作脉冲触发，使其上升、下降沿与矩形同步工作脉冲的上升、下降沿重合，此脉冲与矩形同步工作脉冲经同或门26输出触发信号，本实施方式中，所述触发信号与图6所示实施例相同，经所述第一与门34、或门36及第一、第四驱动电路41、44后产生用于触发所述第一及第四双向电子开关K1、K4的驱动信号，所述触发信号还经第一非门28、第二与门32、第二及第三驱动电路42、43后产生触发双向电子开关K2、K3的驱动信号。所述第一至第四双向电子开关K1-K4在电机起动阶段控制流过电机的电流方向的原理与图6所示实施方式的原理相同，在此不再赘述。

所述全通信号发生器86判断位置传感器82输出的脉冲周期小于二倍矩形同步工作脉冲周期时输出全通信号，使转子进入运行阶段。

本发明的实施方式中，所述起动控制电路20有效地实时控制第一至第四双向电子开关K1-K4的导通与截止，在交流电源的正半波及负半波时均产生对应的驱动信号有效控制加载到电机中的电流流向，使电机电压波形无空缺、整齐、齐全、稳定，大大提高了电机的起动转矩、降低了起动失败及振动噪声。而且，应用上述电机驱动装置30的电机组件100及负载驱动装置起动转矩大、转矩连贯，电机组件100能够起动较大起动转矩和转动惯量的负载。

本实施方式中，所述电机驱动装置30采用正逻辑电路实现，同理也可采用负逻辑电路实现。

所述电机驱动装置30上可装有散热片，以为电机驱动装置30进行散热。

本发明实施方式所述的电机驱动装置30提供了确定的转子起动起始时所述第一至第四双向电子开关K1-K4导通的电源半波方向及半波串的换向方式，可使电机按指定方向起动，并可以平稳的转入同步转速旋转及提供较大的启动转矩。本发明实施例提供的电机驱动装置30除用标准逻辑电路实现外，亦可由ASIC、厚膜电路、MCU、FPGA、可编程逻辑器件实现，这些均应在本申请保护范围内。当然，使用集成电路的形式，可方便安装、减小电路尺寸、降低电路成本、并提高电路的可靠性。

请再次参阅图3，上述电机组件100的起动转矩及转动惯量大，可以直接驱动负载50起动运行。当然，也可以在电机及负载之间采用离合器40，电机10起动时，先让电机10轻载起动，待电机转子达到一定转速时再用离合器40带动负载50起动。采用离合器的驱动方式，离合器高速运行时闭合力远大于低速时的闭合力，且允许电机有较长的起动过程。

本发明实施方式可用在单相同步电机驱动的风机、水泵等各种负载系统中。在风机如排气扇、油烟机等和水泵如循环泵、排水泵等流体驱动装置的应用中，可允许受转子驱动的叶轮/风扇采用弯曲型叶片，从而提高风机、水泵的效率。

本发明解决了同步电机定向起动以及大转矩带负载起动的问题，且结构简单、震动噪声小、使用寿命长。

其他实施方式中，可视实际情况，将部分逻辑电路集成在集成电路中，例如，可以在集成电路中仅集成起动控制电路20，而将桥式电路70设于集成电路外部。再例如，还可以根据设计需要，将所述电机驱动装置30全部以分立元件设置于印刷电路板上。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，以及用反逻辑电路实现本控制思想的，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (17)

1.一种电机驱动装置，用于驱动同步电机的转子相对于定子转动，所述电机驱动装置包括起动控制电路及桥式电路，所述桥式电路包括第一桥臂及第二桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一及第二双向电子开关，所述第二桥臂包括串联连接的第三及第四双向电子开关，所述第一及第二桥臂并联连接于交流电源的第一端及第二端之间，第一及第二双向电子开关的连接点与第三及第四双向电子开关的连接点之间连接所述同步电机，所述起动控制电路在电机起动阶段控制所述第一及第四双向电子开关和第二及第三双向电子开关交替导通，以在交流电源的每一周期内向所述同步电机提供持续驱动力，所述起动控制电路包括波数发生器，所述波数发生器提供正负交变、波头时间不断减少的波数脉冲，在电机起动阶段，所述波数脉冲为第一电平时，所述起动控制电路在交流电源为正半波时触发所述第一及第四双向电子开关导通，在交流电源为负半波时触发所述第二及第三双向电子开关导通；所述波数脉冲为第二电平时，所述起动控制电路在交流电源为正半波时触发所述第二及第三双向电子开关导通，在交流电源为负半波时触发所述第一及第四双向电子开关导通。

2.如权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路包括整形电路、倍频电路、同或门及第一与门，所述整形电路提供与交流电源正半波或负半波同频同相位的正或反相的矩形同步工作脉冲，矩形同步工作脉冲经所述倍频电路形成二倍频同步工作脉冲，所述矩形同步工作脉冲与所述波数发生器提供的正负交变、波头时间不断减少的波数脉冲经所述同或门输出触发信号，所述同或门输出的触发信号及二倍频同步工作脉冲通过第一与门输出触发所述第一电子开关及第四电子开关的触发信号。

3.如权利要求2所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路还包括第一非门及第二与门，所述同或门输出的触发信号经所述第一非门反相后，与二倍频同步工作脉冲通过第二与门输出触发所述第二双向电子开关及第三双向电子开关的触发信号。

4.如权利要求3所述的电机驱动装置，其特征在于，所述倍频电路包括双向触发器、延时器及单稳态触发器，矩形同步工作脉冲经所述双向触发器形成二倍频同步工作脉冲，再经延时器调节初始相位、经单稳态触发器调节脉宽，得到初始相位可调的二倍频同步工作脉冲。

5.如权利要求2所述的电机驱动装置，其特征在于，所述波数发生器的输入端连接所述整形电路，所述波数发生器包括第一输出端口，所述第一输出端口与同或门相连，用于向所述同或门提供正负交变、波头时间不断减少的波数脉冲。

6.如权利要求4所述的电机驱动装置，其特征在于，所述波数发生器包括第二输出端口，所述第二输出端口与所述第一与门相连，用于输出转子复位信号至所述第一与门及第二与门。

7.如权利要求6所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路还包括或门，所述波数发生器包括第三输出端口，所述或门包括第一及第二输入端，所述第三输出端口输出电机正常运行所需的运行信号至所述或门的第二输入端，所述或门的第一输入端连接所述第一与门的输出端，所述或门的输出端输出触发所述第一电子开关及第四电子开关的触发信号。

8.如权利要求3所述的电机驱动装置，其特征在于，所述波数发生器包括第三输出端口，所述第三输出端口输出电机正常运行所需的运行信号，所述起动控制电路还包括第二非门，所述运行信号通过所述第二非门输送至所述第二与门。

9.如权利要求7所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路还包括连接至或门输出端的第一驱动电路及第二驱动电路，所述第一驱动电路的第一输出端连接第一双向电子开关的控制端，所述第一驱动电路的第二输出端连接第一及第二双向电子开关的连接点，所述第二驱动电路的第一输出端连接所述第四双向电子开关的控制端，所述第二驱动电路的第二输出端接地；所述起动控制电路还包括连接至第二与门输出端的第三驱动电路及第四驱动电路，所述第三驱动电路的第一输出端连接第二电子开关的控制端，所述第二驱动电路的第二输出端连接接地，所述第四驱动电路的第一输出端连接所述第三双向电子开关的控制端，所述第四驱动电路的第二输出端连接所述第三及第四双向电子开关的连接点。

10.如权利要求2所述的电机驱动装置，其特征在于，所述电机驱动装置还包括延时控制电路、电压检测电路和电流检测电路，所述电压检测电路检测交流电源的电压，所述电流检测电路检测流过桥式电路的电流，所述延时控制电路与所述延时器相连，根据电压检测电路和电流检测电路的信号调节延时时间以调节二倍频同步工作脉冲的初始相位。

11.如权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路包括整形电路、位置传感器、倍频电路、D触发器、同或门及第一与门，所述整形电路提供与交流电源正半波或负半波同频同相位的正或反相矩形同步工作脉冲，矩形同步工作脉冲经所述倍频电路形成二倍频同步工作脉冲，所述位置传感器测得对应转子磁极旋转的转子同步脉冲，在电机起动阶段，所述转子同步脉冲为正负交变、交变周期时间不断减少的矩形脉冲，所述转子同步脉冲经D触发器及二倍频同步工作脉冲触发，使其上升、下降沿与矩形同步工作脉冲上升、下降沿重合，又与矩形工作脉冲经同或门输出触发信号，所述同或门输出的触发信号与二倍频同步工作脉冲经第一与门输出触发第一电子开关及第四电子开关的触发信号。

12.如权利要求11所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路还包括第一非门及第二与门，所述同或门输出的触发信号经所述第一非门反相后，与二倍频同步工作脉冲通过第二与门输出触发第二电子开关及第三电子开关的触发信号。

13.如权利要求12所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路还包括全通信号发生器、或门和第二非门，所述或门包括第一、第二输入端及一输出端，所述全通信号发生器连接所述位置传感器，所述全通信号发生器在位置传感器输出的转子同步脉冲周期小于二倍矩形同步工作脉冲周期时输出全通信号，所述全通信号发生器的输出端连接或门的第二输入端及第二非门的输入端，所述或门的第一输入端连接所述第一与门的输出端，所述或门的输出端输出触发所述第一及第四双向电子开关的触发信号，所述第二非门的输出端连接所述第二与门。

14.如权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路和桥式电路集成于一个集成电路内，所述集成电路包括第一至第四端子，所述第一及第二端子用于连接交流电源的第一端及第二端，所述第三端子连接第一及第二双向电子开关的连接点，所述第四端子连接第三及第四双向电子开关的连接点。

15.如权利要求14所述的电机驱动装置，其特征在于，所述起动控制电路由标准逻辑电路、ASIC、厚膜电路、MCU、FPGA或可编程逻辑器件实现。

16.一种电机组件，包括电机及连接与电机与交流电源之间的如权利要求1-15中任一项所述的电机驱动装置。

17.一种负载驱动装置，包括如权利要求16所述的电机组件及由所述电机组件驱动的负载。

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