一种电机的驱动方法及系统与流程

本申请涉及电子技术领域，特别是涉及一种电机的驱动方法及系统。

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。

单相同步电机的定子绕组在接通交变电源时，会产生与电压频率一致的脉动磁场，根据双旋转磁场理论，该脉动磁场可以分解成一正一反两个转速相同、方向相反的旋转磁场，这两个旋转磁场的幅值各为脉动磁场幅值的一半，当转子磁极正对定子磁极静止时，这两个旋转磁场在转子中会产生两个大小相等、方向相反的同步速转矩，使得合成转矩为0，转子无法自动旋转，即单相同步电机无法自动启动。

在现有技术中，通常采用在单相同步电机的定子绕组和转子绕组之间设置不均匀气隙的方式，使转子磁极停在预启动位置，此时两个旋转磁场对转子产生的合成转矩不为0，从而在通电时转子能够自动旋转，实现单相同步电机在通电时的自动启动。

但是，由于在接通电源时脉动磁场的起始相位是随机的，无法确定转子受到的合成转矩的方向，导致在启动时转子可能顺时针旋转也可能逆时针旋转，同时由于转子的存在往往不能在一个交流电源周期内进入同步，因此采用该现有技术的单相同步电机在启动时存在旋转方向不定、启动失败及振动噪声的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供一种电机的驱动方法及系统，以解决单相同步电机在启动时的旋转方向不定、振动噪声大、以及电源启动频率高导致的失步的问题。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种电机的驱动方法，用于控制同步电机的启动，包括：

在电机启动时，将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，使所述单相同步电机通电启动；

当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电。

优选的，所述将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，包括：

向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数。

优选的，所述逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数，包括：

控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

优选的，所述当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，包括：

在所述正半波串和所述负半波串的所述波头数减少到1时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，进入同步运行状态。

优选的，还包括：

在所述单相同步电机启动前，向所述单相同步电机提供定位的若干个定位波头串，所述定位波头串用于使所述单相同步电机的转子按指定磁极停在启动预设位置。

优选的，所述定位波头串为正向波头串或者负向波头串。

本发明还提供一种电机的驱动系统，用于控制同步电机的启动，包括：

通电启动模块，用于在电机启动时，将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，使所述单相同步电机通电启动；

全通电模块，用于当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电。

优选的，所述通电启动模块，具体用于：

向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数。

优选的，所述通电启动模块控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

优选的，所述全通电模块，具体用于：

在所述正半波串和所述负半波串的所述波头数减少到1时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，进入同步运行状态。

优选的，还包括：

定位模块，用于在所述单相同步电机启动前，向所述单相同步电机提供定位的若干个定位波头串，所述定位波头串用于使所述单相同步电机的转子按指定磁极停在启动预设位置。

优选的，所述定位波头串为正向波头串或者负向波头串。

由以上本申请提供的技术方案可见，相对于现有技术，本申请方案在需要启动单相同步电机时，将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，就可以控制转子受到磁场转矩的方向，使单相同步电机正向启动或者反向启动，这样就可以解决单相同步电机在启动时的旋转方向不定的问题；进一步的，正/负半波串的波头数逐步减少，也使定子磁场转速逐步加快，当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，最终实现全通电，使所述单相同步电机平稳的进入同步速运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a与图1b为本申请实施例提供的一种单相同步电机的电机驱动装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的单相永磁同步电机的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种电机的驱动方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种电机的驱动方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种电机的驱动系统的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种电机的驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。

图1为本申请实施例提供的一种单相同步电机带负载系统的结构示意图。

参照图1所示，本申请实施例提供的单相同步电机的电机驱动系统，用于实现对单相同步电机的定位、启动、运行控制，包括：

电机驱动系统1，用于对交流电源向所述单相同步电机输出的交流电压进行波头数控制，形成包括正半波串和负半波串交替变化，波头数逐步减少的电压，再将所述正半波串或者所述负半波串输出到所述单相同步电机10，控制所述单相同步电机10的定位、启动，并在所述单相同步电机10启动后，向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串，使电机进入同步运转。

在本申请实施例中，交流电源用于向所述单相同步电机供电，所述单相同步电机为单相永磁(或励磁)同步电动机，并采用定子、转子铁芯不均匀磁路(如附加槽、附加极、附加孔等)，以使电机转子磁极可以停在预定起始位置上，图1a)为在单相同步电机的上部连接电机驱动系统的接线图，图1b)为在单相同步电机的下部连接电机驱动系统的接线图。

在图1a)与图1b)中，在所述单相同步电机10和负载50之间还设置有离合器40，所述离合器40用于在所述单相同步电机10的转子转速接近同步后，再带动所述负载50启动，若负载启动转矩及转动惯量较小，也可不用离合器，而由电机10直接带动负载50启动。本实施方式中，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。

电机驱动系统1可用卡子、螺钉等固定装置固定在单相同步电机的壳体内部或外部。

图2为本发明实施例提供的单相永磁同步电机的结构示意图。所述单相永磁同步电机10包括定子和可相对定子旋转的转子14。定子具有定子磁芯12及绕设于定子磁芯12上的定子绕组16。定子磁芯12可由纯铁、铸铁、铸钢、电工钢、硅钢片、铁氧体等软磁材料制成。转子14具有永磁铁，定子绕组16与交流电源串接时转子14在稳态阶段以60f/p圈/分钟的同步转速恒速运行，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14的磁极之间具有不均匀气隙18，使得转子14在静止时其极轴r相对于定子的极轴s偏移一个角度α，以允许单相永磁同步电机10在电机驱动系统的作用下每次通电时转子可以具有起动转矩。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，单相永磁同步电机10的定子绕组16和电机驱动系统串联于交流电源两端。所述电机驱动系统1可使单相永磁同步电机10在每次启动时均能实现电机转子初始定位、定子磁场沿着一固定方向逐步加速起动、直至并网同步速运行。

图3为本申请实施例提供的一种电机的驱动方法的流程示意图。

参照图3所示，本申请实施例提供的电机的驱动方法，用于控制同步电机的启动，包括：

s101：在电机启动时，将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，使所述单相同步电机通电启动；

在本申请实施例中，交流电源用于向所述单相同步电机供电，而本方案对交流电源向所述单相同步电机输出的交流电压进行波头数控制，形成包括正半波串和负半波串交替变化的电压，再将所述正半波串或者所述负半波串输出到所述单相同步电机，控制所述单相同步电机正向或者反向启动。

在这里，正半波串和负半波串可以通过对交流电源进行限幅整流形成单向脉动电压，然后对单向脉动电压进行稳压滤波和整形，生成与交流电源正半波同步的矩形工作脉冲，再根据矩形工作脉冲生成正半波串和负半波串，其中，正半波串和负半波串的波头数均可采用预设的波头算法计数。

将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，是指向所述单相同步电机交替输出所述交流电源的正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数，比如控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

s102：当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电。

在本申请实施例中，在所述单相同步电机启动后，向所述单相同步电机交替输出波头数逐步减少的正半波串和负半波串，直至正半波串和负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，使电机进入同步运转。

优选的，所述当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，包括：在所述正半波串和所述负半波串的所述波头数减少到1时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，进入同步运行状态。

本申请实施例在解决旋转方向不定的问题时，采用了在电源开通时提供确定的起始半波方向的方案，为了进一步实现启动方向的控制，本申请还在启动时确定转子的磁极位置，方案如下：

图4为本申请实施例提供的另一种电机的驱动方法的流程示意图。

参照图4所示，本申请实施例提供的电机的驱动方法，用于控制同步电机的启动。

s201：在所述单相同步电机启动前，向所述单相同步电机提供定位的若干个定位波头串，所述定位波头串用于使所述单相同步电机的转子按指定磁极停在启动预设位置。

在本申请实施例中，为了使转子指定磁极停止在预设位置，在所述单相同步电机启动前，可以向所述单相同步电机输出定位波头串，所述定位波头串用于使所述单相同步电机的转子停在预设位置；设备断电时亦可设在指定半波关闭，以使转子停在预期位置。优选地，所述定位波头串为正向波头串或者负向波头串，且通常定位波头串所占时间及定位间隔时间为电机转子机械时间常数的0.5-5倍。

比如：首先控制将所述交流电源施加到电机上的电压为一定数量的正向波头串，以使同步电机转子磁极n极指向确定的电枢磁极，此时通过控制正向波头串的波头数及波头导通角，可控制电机定位电流及力矩，然后停电，停电时间约为转子机械时间常数的0.5～5倍，以使转子n极在静止定位力矩作用下回到预设位置。

可以理解的是，若电机在停转时采用正向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出正波头串，则电机会正向启动并运行；若电机在停转时采用负向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出负半波串，则电机也会正向启动并运行；若电机在停转时采用正向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出负波头串，则电机会反向启动并运行；若电机在停转时采用负向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出正半波串，则电机也会反向启动并运行。因此定位波头串及电机启动时发出的正半波串或者负半波串可以随需要设定。

s202：在电机启动时，将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，使所述单相同步电机通电启动。

在本申请实施例中，交流电源用于向所述单相同步电机供电，而本方案对交流电源向所述单相同步电机输出的交流电压进行波头数控制，形成包括正半波串和负半波串交替变化的电压，再将所述正半波串或者所述负半波串输出到所述单相同步电机，控制所述单相同步电机正向或者反向启动。

在这里，正半波串和负半波串可以通过对交流电源进行限幅整流形成单向脉动电压，然后对单向脉动电压进行稳压滤波和整形，生成与交流电源正半波同步的矩形工作脉冲，再根据矩形工作脉冲生成正半波串和负半波串，其中，正半波串和负半波串的波头数均可采用预设的波头算法计数。

将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，是指向所述单相同步电机交替输出所述交流电源的正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数，比如控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

s203：当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电。

在本申请实施例中，在所述单相同步电机启动后，向所述单相同步电机交替输出波头数逐步减少的正半波串和负半波串，直至正半波串和负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，使电机进入同步运转。

优选的，所述当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，包括：在所述正半波串和所述负半波串的所述波头数减少到1时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，进入同步运行状态。

图5为本申请实施例提供的一种电机的驱动系统的结构示意图。

参照图5所示，本申请实施例提供的电机的驱动系统，用于控制同步电机的启动，包括：

通电启动模块21，用于在电机启动时，将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，使所述单相同步电机通电启动。

优选的，所述通电启动模块21，具体用于：向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数。

优选的，所述通电启动模块21控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

在本申请实施例中，交流电源用于向所述单相同步电机供电，而本方案对交流电源向所述单相同步电机输出的交流电压进行波头数控制，形成包括正半波串和负半波串交替变化的电压，再将所述正半波串或者所述负半波串输出到所述单相同步电机，控制所述单相同步电机正向或者反向启动。

在这里，正半波串和负半波串可以通过对交流电源进行限幅整流形成单向脉动电压，然后对单向脉动电压进行稳压滤波和整形，生成与交流电源正半波同步的矩形工作脉冲，再根据矩形工作脉冲生成正半波串和负半波串，其中，正半波串和负半波串的波头数均可采用预设的波头算法计数。

将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，是指向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数，比如控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

全通电模块22，用于当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电。

在本申请实施例中，在所述单相同步电机启动后，向所述单相同步电机交替输出波头数逐步减少的正半波串和负半波串，直至正半波串和负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，使电机进入同步运转。

优选的，所述全通电模块22，具体用于：在所述正半波串和所述负半波串的所述波头数减少到1时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，进入同步运行状态。

本申请实施例提供的电机的驱动系统，可以采用上述方法实施例中的电机的驱动方法，具体功能可以参照上述方法实施例中的步骤描述，此处不再赘述。

图6为本申请实施例提供的另一种电机的驱动系统的结构示意图。

参照图6所示，本申请实施例提供的电机的驱动系统，用于控制同步电机的启动，包括：

定位模块30，用于在所述单相同步电机启动前，向所述单相同步电机提供定位的若干个定位波头串，所述定位波头串用于使所述单相同步电机的转子按指定磁极停在启动预设位置。

优选的，所述定位波头串为正向波头串或者负向波头串。

在本申请实施例中，为了使转子指定磁极停止在预设位置，在所述单相同步电机启动前，可以向所述单相同步电机输出定位波头串，所述定位波头串用于使所述单相同步电机的转子停在预设位置；设备断电时亦可设在指定半波关闭，以使转子停在预期位置。优选地，所述定位波头串为正向波头串或者负向波头串，且通常定位波头串所占时间及定位间隔时间为电机转子机械时间常数的0.5-5倍。

比如：首先控制将所述交流电源施加到电机上的电压为一定数量的正向波头串，以使同步电机转子磁极n极指向确定的电枢磁极，此时通过控制正向波头串的波头数及波头导通角，可控制电机定位电流及力矩，然后停电，停电时间约为转子机械时间常数的0.5～5倍，以使转子n极在静止定位力矩作用下回到预设位置。

可以理解的是，若电机在停转时采用正向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出正波头串，则电机会正向启动并运行；若电机在停转时采用负向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出负半波串，则电机也会正向启动并运行；若电机在停转时采用正向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出负波头串，则电机会反向启动并运行；若电机在停转时采用负向波头串定位转子的预设位置，那么在启动开始时先发出正半波串，则电机也会反向启动并运行。因此定位波头串及电机启动时发出的正半波串或者负半波串可以随需要设定。

通电启动模块31，用于在电机启动时，将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，使所述单相同步电机通电启动.

优选的，所述通电启动模块31，具体用于：向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数。

优选的，所述通电启动模块31控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

在本申请实施例中，交流电源用于向所述单相同步电机供电，而本方案对交流电源向所述单相同步电机输出的交流电压进行波头数控制，形成包括正半波串和负半波串交替变化的电压，再将所述正半波串或者所述负半波串输出到所述单相同步电机，控制所述单相同步电机正向或者反向启动。

在这里，正半波串和负半波串可以通过对交流电源进行限幅整流形成单向脉动电压，然后对单向脉动电压进行稳压滤波和整形，生成与交流电源正半波同步的矩形工作脉冲，再根据矩形工作脉冲生成正半波串和负半波串，其中，正半波串和负半波串的波头数均可采用预设的波头算法计数。

将指定波数规律的交流电源的正半波串或者负半波串输出到单相同步电机，是指向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串，并在交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数，比如控制所述正半波串和所述负半波串的波头数以等差或非等差递减。

全通电模块32，用于当所述正/负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电。

在本申请实施例中，在所述单相同步电机启动后，向所述单相同步电机交替输出波头数逐步减少的正半波串和负半波串，直至正半波串和负半波串的波头数减少至一预定数值时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，使电机进入同步运转。

优选的，所述全通电模块32，具体用于：在所述正半波串和所述负半波串的所述波头数减少到1时，为所述单相同步电机接通所述交流电源，使所述单相同步电机全通电，进入同步运行状态。

由于传统的单相同步电机的转子磁极n、s指向是随机的，接通电源时，电流的起始相位也是随机的，无法确保转子磁极受力为指定旋转方向，同时施加电源的频率也是固定的，无法根据转子的磁极位置，施加所需的正半波串或者负半波串，因此在启动时存在旋转方向不定以及启动失败等问题。

在本申请实施例中，可以在控制所述单相同步电机启动时，将所述交流电源的正半波串或者负半波串施加到所述单相同步电机，从而能够在电机启动时使电机转子磁极定位，并提供确定的起始半波串方向，所述单相同步电机接收所述交流电源输出所述正半波串和所述负半波串，可使电机按指定方向逐步加速启动并平稳的转入同步旋转。

同时，现有技术在启动单相同步电机时，对大惯量、重转矩负载，因转子磁极的转速跟不上电枢磁场的转速，则会失步，造成转子停转或振动及启动失败。

而本申请实施例中，向所述单相同步电机交替输出所述正半波串和所述负半波串时，还可以在所述交流电源交替输出所述正半波串和所述负半波串的过程中，逐渐减少交替输出的所述正半波串和所述负半波串的波头数，使定子磁场的转速由低向高逐步变化，在所述波头数减少到1时，为所述单相同步电机接通所述交流电源。这样，既可以实现单相同步电机的定向启动，而且启动转矩大，进入同步平滑可靠、不缺波，可以减少启动过程的振动、噪声与失步。

本申请实施例提供的电机的驱动系统，可以采用上述方法实施例中的电机的驱动方法，具体功能可以参照上述方法实施例中的步骤描述，此处不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。