CN103259469A - 一种电子换向无刷直流单相风机电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子换向无刷直流单相风机电路及其控制方法，包括用于给电机和开关电源供电的交流整流电路、用于产生低压电源供给控制器和外围器件的开关电源电路、用于控制电机电流交变的逆变换向电路、用于提供当前转子的位置信息的转子位置传感器电路、用于电机绕组电流反馈的电流采样电路和用于完成电机的换向、电流的调节的控制器。本发明的有益效果是：由于采用电子开关器件，电机换向过程中没有任何机械运动，换向安静、可靠。由于使用了永磁转子，因此，普通直流电机的励磁绕组将不再需要，减小了损耗。整个电路和控制，简单可靠，提高了整机的性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种风机电路及其实现方法，更具体说，它涉及一种电子换向无刷直流单相风机电路及其控制方法。
背景技术
无刷直流电机是相对于传统的有刷直流电机而言。传统的有刷直流电机，其运行需要机械换向，通常是依靠电刷。电刷换向时，由于电刷和转子之间的机械摩擦，会减少电刷寿命，并且可能会产生电火花。无刷直流电机的出现就是为了弥补机械换向的不足，使用半导体开关器件代替机械换向器，并在控制器的作用下完成电机的换向。
无刷直流电机由绕线的定子、永磁的转子和控制板组成。目前定子绕线方式多采用三相对称星形接法，类似与三相异步电机。转子使用永磁的钕铁硼或铁氧体等磁性材料，转子转动时会在定子内产生交变的感应电动势。为了检测转子的位置，在电机里会安装霍尔位置传感器。控制板由半导体开关器件和集成电路构成。无刷直流电机的一个不足是，必须要增加电子控制器才能运转。无刷直流电机的控制器，需要根据转子的位置，来控制开关器件，完成电机的换向。同时，通过调节电机两端的输入电压，实现调速。因此，控制器的设计是否可靠合理，直接关系到整机的性能和可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，简单可靠的电子换向无刷直流单相风机电路及其控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。这种电子换向无刷直流单相风机电路，包括用于给电机和开关电源供电的交流整流电路、用于产生低压电源供给控制器和外围器件的开关电源电路、用于控制电机电流交变的逆变换向电路、用于提供当前转子的位置信息的转子位置传感器电路、用于电机绕组电流反馈的电流采样电路和用于完成电机的换向、电流的调节的控制器。
作为优选：所述交流整流电路由电磁滤波器、桥式整流器和电容滤波器组成。
作为优选：所述转子位置传感器电路由安装在永磁转子处的霍尔位置传感器组成，霍尔位置传感器信号端接至控制器的I/O口。
作为优选：所述电流采样电路由用于检测电机定子绕组电流的采样电阻信号接入到控制器的A/D口，通过控制器的A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。
作为优选：所述逆变换向电路包括由四个半导体功率开关器件V1、V2、V3、V4构成的H桥电路；功率开关器件由N沟道MOSFET构成，并且集成反向续流二极管；每一个桥臂的上管连接到整流滤波后的直流电源，桥臂的下管经采样电阻接地；电机绕组的两根线分别接到两个桥臂的中间。
作为优选：所述控制器的I/O口通过驱动电路分别连接四个开关器件V1、V2、V3、V4；当控制器I/O口输出导通电平，通过驱动电路将连接的开关器件置于开通状态；当控制器I/O口输出关断电平，通过驱动电路将连接的开关器件置于关断状态。
这种电子换向无刷直流单相风机电路的控制方法：
控制器开始工作时，首先检测霍尔传感器的信号，确定当前转子所在的位置；当检测到霍尔信号为高电平，控制V1，V4导通，便会有电流从VDC经V1、绕组、V4到地，给电机注入激励；在定子绕组内有电流经过后，线圈会产生磁场；定子的磁场和转子的磁场产生相互作用，推动转子前进；
在转子位置不发生N、S交替时，V4一直导通，V1进行脉宽调制；在V1开通期间，电流经过V1、绕组、V4、采样电阻到地；在V1关断期间，绕组由于电感量较大，内部仍积蓄有较多能量，电流继续从绕组、V4、V2，再到绕组，形成一个闭合的续流回路，线圈继续通电产生磁场，对转子产生推力；在到下一个调制周期后，V1继续导通一定时间，继续补充给电机的激励；在导通预定时间后关断，重复续流的过程；
在转子旋转到发生N、S交替时，霍尔传感器会检测到，并发生电平翻转，通知控制器；控制器得到该信号后，关闭V1、V4，打开V2，V3，强制电机电流方向发生改变，将定子的磁场也同时发生翻转，继续跟随转子的磁场，从而对转子产生持续的推动力；V2，V3导通期间，同样是V2进行脉宽调制，V3常开，过程跟V1，V4完全相同；
如上循环往复，控制器根据传感器的信号，控制V1、V4或者V2、V3导通，使电机绕组不断产生正负交替的电流，完成换向。
本发明的有益效果是：由于采用电子开关器件，电机换向过程中没有任何机械运动，换向安静、可靠。由于使用了永磁转子，因此，普通直流电机的励磁绕组将不再需要，减小了损耗。相对于传统电机，无刷直流电机具有高效率、低噪音、长寿命和调速范围广等优点，尤其是没有了机械换向后，不会产生电火花，可适用在有防爆要求的场合。通过对电流信号的采样，控制器将实际电流跟期望的电流值进行对比，进而可以决定下一个周期上管导通的时间比，用以确定是否需要增加或者减小对电机的激励。这样的好处是，可以得到平滑的输出转矩和增加开关管工作的可靠性。控制器通过合理的算法，可以调节换向的时间点与霍尔信号跳变的时间关系，提前切换到另外一对角线上的开关管导通，使得在发生霍尔跳变时，绕组电流得到大幅减小。整个电路和控制，简单可靠，提高了整机的性能和可靠性。
附图说明
图1为整流滤波降压电路原理图；
图2为控制器驱动控制逆变换向电路；
图3为逆变换向电路工作原理图；
图4为霍尔位置信号与电机电流的对应关系图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。
参考图1，交流市电经过EMC电磁滤波后，经二极管桥式整流和电容滤波，得到直流电源。该直流电源电压为市电有效值的1.4倍，即在220V供电中，该电压为310V。在控制器和外围电路中，供电通常都是低压。因此需要将整流后的低压进行降压处理。开关电源就实现了从高压到低压的转换。
继续参考图2，所述为信号检测和半导体开关器件控制电路。
在永磁转子处，安装有用于检测转子位置的霍尔位置传感器，传感器的信号接到控制器的I/O口。同时，用于检测电机定子绕组电流的采样电阻信号也接入到控制器的A/D口，通过控制器的A/D转换器，将模拟电压信号转换成数字信号。
H桥的四个开关器件，中间经过驱动电路后与控制器的I/O口相连。当控制器I/O口输出导通电平，信号通过驱动电路，驱动开关器件开通；同样，控制器可以输出关闭信号，在经过驱动电路后，将开关管置于关断状态。
参考图3，为逆变换向电路。
控制器开始工作时，首先会检测霍尔传感器的信号，确定当前转子所在的位置。然后控制H桥其中某一对角线的开通。比如，检测到霍尔信号为高电平，控制V1，V4导通，便会有电流从VDC经V1、绕组、V4到地，给电机注入激励。在定子绕组内有电流经过后，线圈会产生磁场。定子的磁场和转子的磁场产生相互作用，推动转子前进。
如上所说，如果适当控制给电机的激励，便可以控制电机绕组的电流，因此可以控制V1的导通时间同导通加关断总时间所成的比例，通常称为PWM脉宽调制，进而控制输入给电机的激励。
PWM，脉宽调制技术，即在给定的时间内，控制导通的时间所占总时间的比例。如果开通时间为0%，即完全不开通；开通时间100%，即完全开通。
控制器给出的控制信号，通常不能直接驱动开关管，因此需要增加驱动电路。驱动电路可以将控制器输出的TTL逻辑信号转变为MOSFET开通所需要的Vgs电压信号，触发MOSFET导通和关断。
在转子位置不发生N、S交替时，V4一直导通，V1进行脉宽调制。在V1开通期间，电流经过V1、绕组、V4、采样电阻到地。在V1关断期间，绕组由于电感量较大，内部仍积蓄有较多能量，电流继续从绕组、V4、V2，再到绕组，形成一个闭合的续流回路，线圈继续通电产生磁场，对转子产生推力。在到下一个调制周期后，V1继续导通一定时间，继续补充给电机的激励。在导通预定时间后关断，重复续流的过程。
在转子旋转到发生N、S交替时，霍尔传感器会检测到，并发生电平翻转，通知控制器。控制器得到该信号后，关闭V1、V4，打开V2，V3，强制电机电流方向发生改变，将定子的磁场也同时发生翻转，继续跟随转子的磁场，从而对转子产生持续的推动力。V2，V3导通期间，同样是V2进行脉宽调制，V3常开，过程跟V1，V4完全相同。
这样，控制器根据传感器的信号，控制V1、V4或者V2、V3导通，使电机绕组不断产生正负交替的电流，完成换向。
通过对电流信号的采样，控制器将实际电流跟期望的电流值进行对比，进而可以决定下一个周期上管导通的时间比，用以确定是否需要增加或者减小对电机的激励。这样的好处是，可以得到平滑的输出转矩和增加开关管工作的可靠性。
参考图4，说明了霍尔位置信号与电机电流的对应关系。
当霍尔发生信号跳变时，说明发生了N、S交替，这时候电机绕组电流也应对应发生交替。
在实际中，由于电机绕组的电感较大，换向时，电流不会发生参考图4中的突变。实际电流应该是缓慢上升或者下降。
控制器通过合理的算法，可以调节换向的时间点与霍尔信号跳变的时间关系，提前切换到另外一对角线上的开关管导通，使得在发生霍尔跳变时，绕组电流得到大幅减小。
Claims (7)
1.一种电子换向无刷直流单相风机电路，其特征在于：包括用于给电机和开关电源供电的交流整流电路、用于产生低压电源供给控制器和外围器件的开关电源电路、用于控制电机电流交变的功率逆变电路、用于提供当前转子的位置信息的转子位置传感器电路、用于电机绕组电流反馈的电流采样电路和用于完成电机的换向、电流的调节的控制器。
2.根据权利要求1所述的电子换向无刷直流单相风机电路，其特征在于：所述交流整流电路由电磁滤波器、桥式整流器和电容滤波器组成。
3.根据权利要求1所述的电子换向无刷直流单相风机电路，其特征在于：所述转子位置传感器电路由安装在永磁转子处的霍尔位置传感器组成，霍尔位置传感器信号端接至控制器的I/O口。
4.根据权利要求1所述的电子换向无刷直流单相风机电路，其特征在于：所述电流采样电路由用于检测电机定子绕组电流的采样电阻信号接入到控制器的A/D口，通过控制器的A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。
5.根据权利要求1所述的电子换向无刷直流单相风机电路，其特征在于：所述功率逆变电路包括由四个半导体功率开关器件V1、V2、V3、V4构成的H桥电路；功率开关器件由N沟道MOSFET构成，并且集成反向续流二极管；每一个桥臂的上管连接到整流滤波后的直流电源，桥臂的下管经采样电阻接地；电机绕组的两根线分别接到两个桥臂的中间。
6.根据权利要求1所述的电子换向无刷直流单相风机电路，其特征在于：所述控制器的I/O口通过驱动电路分别连接四个开关器件V1、V2、V3、V4；当控制器I/O口输出导通电平，通过驱动电路将连接的开关器件置于开通状态；当控制器I/O口输出关断电平，通过驱动电路将连接的开关器件置于关断状态。
7.一种采用如权利要求1所述的电子换向无刷直流单相风机电路的控制方法，其特征在于：控制器开始工作时，首先检测霍尔传感器的信号，确定当前转子所在的位置；当检测到霍尔信号为高电平，控制V1，V4导通，便会有电流从VDC经V1、绕组、V4到地，给电机注入激励；在定子绕组内有电流经过后，线圈会产生磁场；定子的磁场和转子的磁场产生相互作用，推动转子前进；在转子位置不发生N、S交替时，V4一直导通，V1进行脉宽调制；在V1开通期间，电流经过V1、绕组、V4、采样电阻到地；在V1关断期间，绕组由于电感量较大，内部仍积蓄有较多能量，电流继续从绕组、V4、V2，再到绕组，形成一个闭合的续流回路，线圈继续通电产生磁场，对转子产生推力；在到下一个调制周期后，V1继续导通一定时间，继续补充给电机的激励；在导通预定时间后关断，重复续流的过程；在转子旋转到发生N、S交替时，霍尔传感器会检测到，并发生电平翻转，通知控制器；控制器得到该信号后，关闭V1、V4，打开V2，V3，强制电机电流方向发生改变，将定子的磁场也同时发生翻转，继续跟随转子的磁场，从而对转子产生持续的推动力；V2，V3导通期间，同样是V2进行脉宽调制，V3常开，过程跟V1，V4完全相同；如上循环往复，控制器根据传感器的信号，控制V1、V4或者V2、V3导通，使电机绕组不断产生正负交替的电流，完成换向。
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