CN100456605C

CN100456605C - 电机驱动装置及包括该装置的设备

Info

Publication number: CN100456605C
Application number: CNB028098684A
Authority: CN
Inventors: 八十原正浩; 坪内俊树; 杉浦贤治
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: JP4055372B2; MY131111A; US6710559B2; CN1509513A; DE60206496T2; JP2002354887A; EP1393430A1; DE60206496D1; WO2002097955A1; EP1393430B1; US20020190674A1

Abstract

一个电机驱动装置包括(a)一个在电角度为150度宽度内给三相线圈(11、13、15)馈电的广角馈电装置(1)，和(b)一个控制三相线圈(11、13、15)馈电量的馈电控制器(2)。在重叠时段，即在该重叠时段三相线圈(11、13、15)中相邻两线圈具有相同的馈进条件时，一定量的第一值馈进给线圈(11、13、15)。在非重叠时段，一定量的第二值馈进给线圈(11、13、15)。这种结构使电机在运行时减少转矩波动、振动和噪音。同时，电机可产生更高输出和高效率地运行。

Description

电机驱动装置及包括该装置的设备

技术领域

本发明涉及一种用于驱动无刷直流电机的电机驱动装置，可用于如空调器、空气吸尘器、热水供给装置和如复印机、打印机、光媒体设备、和硬盘设备等的信息装置。其还涉及一种用来驱动感应电机和磁阻电机或类似电机的驱动装置。更具体地，其涉及一种在很大程度上能够减少电机运行中转矩波动、振动和噪音的电机驱动装置。本发明还提供一种包括该电机驱动装置的设备。

背景技术

无刷直流电机被广泛地用来作为一种空调器和信息装置的驱动电机。这是因为它具有的诸如使用寿命长、稳定性高、和速度控制简单等优点。图9是一个传统电机驱动装置的电路示意图，图10示出了图9中根据电机旋转角(电角度)的电路各部分的信号波形。

如图9所示，无刷直流电机驱动装置(以下简称“电机”)，一般来说，通过由霍尔元件形成的多个位置检测器901、903和905检测转子位置。三相分配器890从位置检测器接收位置信号Hu、Hv和Hw，并且输出三相分配信号UH0、UL0、VH0、VL0、WH0和WL0。这些信号由脉宽调制器(PWM)840调整为具有相应于由速度设置器860设置的信号S的脉冲宽带信号。门极驱动器830控制形成供电器820的六个开关，馈电装置820根据调制器840输出的输出信号和三相分配器890输出的输出信号顺序地打开或关闭。因此，给设置在定子上的三相线圈811、813和815供电，相应于转子位置被顺序地转换，如图10所示信号U、V、W，从而转动电机。图11示出在电机中产生的转矩。

图11所示转矩描述如下。如果我们注意U相线圈811，信号U和中性点信号N间的差分信号U-N施加给线圈811。差分信号U-N是一个长方形的波信号，如图11所示。当U相线圈811的后电动势呈现为一个如信号Ue的正弦波时，由于线圈811，转矩大致正比于差分信号U-N和信号Ue的乘积，转矩变成如图11所示转矩Tu。同样，由于V相线圈813和W相线圈815，转矩形成的转矩变为如图11所示Tv和Tw。整个电机产生的转矩为转矩‘高峰’值，是各相转矩的和。

转矩‘高峰’波动具有如图11所示的一定尺寸的波动。当电机转动时，波动会引起振动，而振动会与安装有电机的设备产生共振，因而产生噪音。振动阻碍装置被精确地控制，因而阻碍整个装置运行质量的改善。

发明内容

本发明提出了上述问题，旨在提供一种简单结构的电机驱动装置，其可当电机被驱动时，限制转矩波动、振动和噪音的产生。这种电机驱动装置也可以以较高的功率和较高的效率驱动一物体。

本发明的电机驱动装置由下列部件组成：

一个具有三相线圈(11、13、15)的电机(10)，其中该三相线圈中各相线圈的一个终端被相互连接形成中性点；一个广角馈电装置(1)，用于向所述三相线圈(11、13、15)馈电；以及一个馈电量控制器(2)，用于控制馈进给所述三相线圈(11、13、15)的馈电量；其特征在于：在150度的电角度宽度内向所述三相线圈(11、13、15)馈电；该广角馈电装置(1)检测一个重叠时段，在该重叠时段所述三相线圈(11、13、15)中的相邻两驱动线圈为相同的馈进条件，该馈电量控制器(2)以如下方式进行控制，在重叠时段中将第一值馈进给所述驱动线圈(11、13、15)，而在非重叠时段的时段中将第二值馈进给所述驱动线圈(11、13、15)，其中，该第一值与第二值的比值设定为sin(π/3)∶1。

本发明的空调器，包括鼓风机风扇电机，其使用上述的电机驱动装置。

本发明的清洁器，包括一鼓风机风扇电机，其使用上述的电机驱动装置。

本发明的热水供给器，包括使用上述的电机驱动装置的燃烧风扇电机。

本发明的复印机，包括上述的电机驱动装置。

本发明的打印机，包括上述的电机驱动装置。

本发明的光媒体设备，包括上述的电机驱动装置。

本发明的硬盘设备，包括上述的电机驱动装置。

上面讨论的这种结构使本发明的电机驱动装置能很大程度地减少电机运行时的转矩波动、振动和噪音。

附图说明

图1为一个根据本发明第一典型实施例的电机驱动装置的电路示意图；

图2示出了一个安置在如图1所示电机驱动装置内的广角馈进信号发生器的运行；

图3示出了在图1所示电机驱动装置内一个重叠时段检测信号OL是如何被输出的；

图4示出了图1所示电机驱动装置各个相线圈终端的馈进波形；

图5示出了图1所示电机驱动装置各个相线圈的馈进波形；

图6示出了图1所示电机驱动装置内转矩是如何产生的；

图7示出了根据本发明第二典型实施例的一个空调器的结构；

图8示出了根据本发明第三典型实施例的一个装置的示意图；

图9示出了一个传统电机驱动装置的电路示意图；

图10示出了如图9所示的电机驱动装置的运行；

图11示出了如图9所示的电机驱动装置内转矩是如何产生的。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的典型实施例进行描述。

第一典型实施例

在图1，三相驱动线圈，即为U相线圈11、V相线圈13和W相线圈15，按如下方式被连接到馈电装置20。馈电装置20形成一个带有三个场效应晶体管(FET)21、23和25的一个上臂，并形成一个带有三个FET22，24和26的一个下臂。U相线圈11的第一终端被连接到FET21和FET22的接点。V相线圈13的第一终端被连接到FET23和FET24的接点。W相线圈15的第一终端被连接到FET25和FET26的接点。三相线圈的各个第二终端被相互连接，因而形成中性点N。

一个直流电源(未示出)将Vdc施加到馈电装置20上并通过馈电装置20给三相线圈供电。

位置检测器101、103和105由霍尔元件或霍尔IC形成，检测移动器相对于每个相线圈11、13和15的位置。(移动器未示出。它是线性类型电机的一个元件，并且相应转动电机的转子，以下简称‘转子’来代替‘移动器’)。广角馈进信号发生器90从检测器101、103和105接收位置检测信号Hu、Hv和Hw，并且输出信号UH0、UL0、VH0、VL0、WH0和WL0。如图2所示，这些信号在电角度保持在150度时，停留在电平‘H’。当这些信号停留在电平‘H’时，组成馈电装置20的晶体管21、22、23、24、25和26处于打开的状态。相反，当这些信号停留在电平‘L’时，晶体管处于关闭的状态。当电角度保持在30度时，信号UH0和UL0分享电平L的一个阶段。在电角度为150度时，信号UH0和UL0对电平‘H’是一种相互补充的关系。信号VH0和VL0，信号WH0和WL0之间的关系与信号UH0和UL0的相同。并且，信号UH0，VH0和WH0在电角度上相互间有120度的相位差。信号UL0，VL0和WL0相互间也有120度的相位差。

脉宽调制器(PWM)40具有与门41、43和45。这些与门的第一输入终端接收信号UH0、VH0和WH0。它们的第二输入终端通常彼此被连接并且与比较器50的一个输出端相接合，该比较器50在电压上比较信号L0和三角波振荡器47产生的三角波信号CY。信号L0根据由速度装置60提供的速度指示信号S提供。同时，三角波信号CY在脉宽调制器中作为一个载波信号，它的频率范围从几千赫兹到几百千赫兹，其频率比信号S和信号L0的频率要高出很多。

信号L0由选择器80，从第一值L1或第二值L2中选择一个而获得。第一值L1或第二值L2都是根据速度设置器60提供的信号S而产生的。这种选择方法是由广角馈进信号发生器90提供的重叠时段检测信号OL而决定的。

第一值L1由包括电阻器71和72的电平设置器70通过分压而获得。第二值L2直接由信号S获得。电阻器71和72的值被设置为L1与L2的比为sin(π/3)∶1(大约0.866∶1)。

门极驱动器30有缓冲器31、32、33、34、35和36。缓冲器31、33和35从与门41、43和45接收输出信号G1H、G2H和G3H。缓冲器32、34和36分别从广角馈进信号发生器90接收信号UL0、VL0和WL0。每一个缓冲器输出一个信号给晶体管21、22、23、24、25和26各自的门极。

上述元件20、30、40、90、101、103和105组成广角馈电装置1。上述元件47、50、60、70和80组成馈电量控制器2。

根据第一实施例，电机驱动装置的运行参照图2-图6进行描述。图2示出了广角馈进信号发生器90的运行。如图2所示，发生器90输出信号UH0、UL0、VH0、VL0、WH0、WL0。当电角度保持在150度时，这些输出信号停留在电平‘H’上。这些信号由各自位置检测器101、103和105检测来的位置检测信号Hu、Hv和Hw产生。

一般来说，信号Hu、Hv和Hw相互间有120度电角度的相位差。因此，如果这些信号在理论上组合在一起，当电角度为150度时，就有可能产生停留在电平‘H’的信号。然而，测量至少信号Hu、Hv和Hw之一的一个循环(例如信号Hu)，然后以每相隔15度的电角度来等分这个循环。如果信号Hu经历这些过程后，由电插值法得来的信号HcI产生了。然后，信号HcI被用来产生停留在电平H上的信号UH0、UL0、VH0、VL0、WH0、WL0，同时电角度保持在150度。图2示出了此运行的时序表。

不需提及的是，所有信号Hu、Hv和Hw可以被使用和组合，从而得到具有较高频率的复合信号。这个信号的一个循环可以被使用。然而，当需要考虑安装检测器101、103和105的机械精确度时，无论是绝对的或是相对的，实践上用得更多的是使用三个信号中的一个信号。循环并不总是在每相隔15度的电角度时被隔开，循环可被更小的间隔来分割。在第一实施例中，信号Hu以每15度的间隔设置有分割插入，这样产生了信号Hcl然后使用。

当电机10由如图2所示的时序表所产生的信号UH0、UL0、VH0、VL0、WH0、WL0驱动时，各相线圈的终端U、V、W以下列条件馈进功率：(a)在电角度上彼此具有120度的相位差；(b)一个馈电(施加电压)150度和停顿30度的循环。

当设置这种馈电装置形成时，相邻两相线圈在相同的馈进条件下(都是相邻相线圈以正馈进方向馈进或以负馈进方向馈进)的重叠时段顺序地产生了，同时电角度以30度相位差的间隔保持在30度。如图3所示，在这些重叠时段，重叠时段检测信号OL保留在电平‘H’上。

在第一实施例中，当信号OL停留在电平‘H’时，电平设置器70和选择器80运行，使来自速度设置器60的信号S与sin(π/3)(大约0.866)的乘积为第一值L1，该第一值L1被作为信号L0处理。PWM调制器根据L1的值来运行。在非重叠时段的时段时，信号OL停留在电平L时。当信号OL停留在电平L时，本身是信号S的第二值L2被作为信号L0处理。PWM调制器根据L2的值来运行。

结果，给电机10的各相线圈的每一个终端U，V，W的馈电形成如图4所示的波形。在重叠时段，小于150度的馈进时段的非重叠时段的馈进功率sin(π/3)(大约0.866)被馈进。

当线圈终端U，V，W在上述馈进波形驱动下，图5所示波形(N)值出现各相线圈11，13和15的中性点。此时，根据中性点N和各线圈终端U、V、W之间的压差，给各相线圈馈电。例如，根据图5所示信号U-N的波形，给U相线圈11馈电。

信号U-N依次获取下列值，这些值为近似值，并且为一个正弦波信号

。其中θ＝nπ/6，n＝任意整数。这些值为：“-(2/3)sin(π/3)”，“-(1/2)”，“-(1/3)sinπ/3”，“0(无馈进)”，“(1/3)sin(π/3)”，“(1/2)”和“(2/3)sin(π/3)”。

信号U-N沿着正弦波依次获取上述值的原因是，第一值L1与第二值L2的选取比例设置为“sin(π/3)∶1”，通过重叠时段检测信号OL，选择值被转换，因而给各相线圈馈电。

对V相线圈13和W相线圈15进行同样的操作。尽管未在图中显示，信号V-N和W-N也沿着正弦波信号取值，并且形成步进状的波形。当每一个相线圈被如此馈进波形所驱动时，转矩波动被控制得与那些由正弦波所驱动的转矩波动一样少。

图6示出当一个相线圈有形成正弦波的后电驱动势时，转矩是如何产生的。为简便起见，图6仅仅示出U相后电电动势Ue的波形。图6中，转矩Tu、Tv和Tw由U相线圈11，V相线圈13和W相线圈15得来。例如，转矩Tu的值是后电动势波形Ue的一个瞬时值和信号U-N的一个瞬时值乘积。所有Tu、Tv和Tw转矩之和为电机总输出转矩。总输出转矩如图6所示为转矩“高峰”值(实线)。

图6中，为了比较，点画线叠加在转矩“高峰”上，点画线值表示由图11所示的传统电机驱动装置产生的转矩。此比较证实本发明的电机驱动装置产生的转矩在运行当中在很大程度上具有较小的转矩波动，并且波动不到传统电机波动的一半多。同时，转矩的平均值得到改善。

如上所讨论，第一实施例具有下列特征：

(1)各个相线圈11、13和15由广角馈电装置1在150度的电角度宽度内馈电。

(2)在相邻两线圈以相同方式馈电的重叠时段，由馈电量控制器2将一定的馈电量设置为第一值L1，在非重叠时段，将一定的馈电量馈电量控制器设置为第二值L2。

(3)第一值L1和第二值L2的比例设置为sin(π/3)∶1。

特征1到特征3允许转矩波动在很大程度上得到减少，同时，产生的转矩平均值得到改善。

第一实施例中，不同的信号可被电路硬件处理，例如模拟电路和数字电路，或者通过使用微处理器和数字信号处理器(DSP)的软件进行处理。更不用说的是，信号处理器可被集成到Ic和LSI中。

在第一实施例中，给形成馈电装置20的每一个晶体管提供的一定的电量是由PWM调制器来控制的。即根据所需的工作周期来控制开-关的转换。然而，其他方法也是可行的。例如，双极晶体管被用来作为组成馈电装置20的晶体管，并且双极晶体管的活度得到控制。换句话说，集电极和发射极间的电压得到控制。

电机10不必是一个无刷的直流电机，它可以是一种感应电机，一个磁阻电机或是一个步进电机，只要它有三相线圈。

第二典型实施例

图7示出根据本发明第二实施例的一个空调器的结构。更具体地说，图7示出了在鼓风机风扇电机中使用本发明电机驱动装置的空调器户外单元结构，。

在图7中，户外单元201分为压缩机室206和由设置在底盘202上的隔板204分隔的热交换器室209。在压缩机室206放置了压缩机205。在热交换机室209放置了热交换器207和冷却热交换器207的鼓风风扇电机208。在隔板204上，放置了包含电子设备的盒子210。

风扇电机208由一个安置在一个无刷直流电机转动轴上的鼓风风扇组成，并且由安置在盒子210内的电机驱动器203驱动。驱动风扇电机208使鼓风风扇旋转以便冷却热交换器部分209。

电机驱动装置包括风扇电机208和电机驱动器203。实施例1可被用于这种电机驱动装置。电机线圈的馈进功率可被近似为一个正弦波，以使电机在低扭矩波动下被驱动。同时，产生的平均转矩得到改善。如此，当本发明电机驱动装置在风扇电机中使用时，安置有风扇电机的装置可在低噪音下、小振动和高效率的条件下运行。本发明实施电机驱动的装置几个较佳的实例如下。

首先，电机驱动装置不仅适用于户外单元也适用于有空调器的室内单元。它适室内单元在非常安静和具有较小振动的情况下运行。

其次，本发明适用于空气吸尘器。本发明的电机驱动装置使空气吸尘器在非常安静和具有较小振动的情况下运行，以便空气吸尘器可更好地在卧室操作。

另外，本发明适用于热水供给装置例如燃气热水供给装置或燃油热水供给装置。热水供给装置，其中燃烧风扇使用这种装置，可在本质上安静、振动小和高效率的条件下运行。

第三典型实施例

图8是一个示出本发明第三实施例装置的示意图。在图8中，装置301由壳体302、安装在壳体302上的电机307、驱动电机307的电机驱动器305、驱动电机驱动器305的供电装置308、和负载309组成，负载309是一些如由电机307作为源动力而驱动的机械装置。电机307和驱动器305组成电机驱动装置303。在第三实施例301里，电机307通过电机驱动器305由供电装置308来驱动。电机307产生转动转矩并且通过输出轴将转矩传递给负载309。

在第一实施例所述的电机驱动装置被用来作为电机驱动装置303。实际上，装置301可以是一台复印机，打印机，光媒体设备和硬盘设备。

如果是复印机，本发明的电机驱动装置可被用来作为旋转光导鼓的鼓电机。电机驱动装置使复印机在较低振动和低噪音的情况下运行，并且产生高精确的复印效果。

如果是激光打印机，本发明的电机驱动装置可被用来作为扫描激光的多边镜扫描电机。电机驱动装置使打印机在较低振动和低噪音的情况下运行，并且产生高精确的打印效果。

如果是光媒体设备，本发明的电机驱动装置可被用来作为旋转CD-ROM磁盘，DVD，光盘，迷你磁盘等的主轴电机。电机驱动装置使光媒体设备在较低振动和低噪音的情况下运行，并且以高精确度进行数据的读/写。

如果是硬盘设备，本发明的电机驱动装置可被用来作为旋转磁盘等的主轴电机。电机驱动装置使硬盘设备在较低振动和低噪音的情况下运行，并且以高密度进行数据的读/写。

如上述讨论，根据本发明，三相线圈馈进功率可近似为一个正弦波，电机可在低转矩波动下转动。实际上，本发明的电机转矩波动变得不到传统电机的一半。同时，产生的转矩平均值得到改善。换句话说，具有较简单结构的电机驱动装置可以很好地产生较小的振动，较低噪音，并且具有较高输出和较高运行效率。

这种电机装置可降低安装电机的装置与电机自身的共振。较小振动意味着旋转得更均匀更平滑。因此，可实现更精确地控制，从而提高不同装置的性能。

工业应用

本发明的电机驱动装置可以减少电机运行时的转矩波动，振动和噪音。这种装置可应用于空调器，空气吸尘器，热水供给器，复印机，打印机，光媒体设备或硬盘设备，提高上述设备的性能。

Claims

1.一个电机驱动装置，包括：

一个具有三相线圈(11、13、15)的电机(10)，其中该三相线圈中各相线圈的一个终端被相互连接形成中性点；

一个广角馈电装置(1)，用于向所述三相线圈(11、13、15)馈电；以及

一个馈电量控制器(2)，用于控制馈进给所述三相线圈(11、13、15)的馈电量；

其特征在于：

在150度的电角度宽度内向所述三相线圈(11、13、15)馈电；

该广角馈电装置(1)检测一个重叠时段，在该重叠时段所述三相线圈(11、13、15)中的相邻两驱动线圈为相同的馈进条件，

该馈电量控制器(2)以如下方式进行控制，在重叠时段中将第一值馈进给所述驱动线圈(11、13、15)，而在非重叠时段的时段中将第二值馈进给所述驱动线圈(11、13、15)，

其中，该第一值与第二值的比值设定为sin(π/3)∶1。

2.如权利要求1所述的电机驱动装置，其中该电机(10)为一个无刷直流电机。

3.如权利要求1所述的电机驱动装置，其中该电机(10)为一个感应电机。

4.如权利要求1所述的电机驱动装置，其中该电机(10)为一个磁阻电机。

5.如权利要求1所述的电机驱动装置，其中该电机(10)为一个步进电机。

6.一台空调器，包括鼓风机风扇电机，其使用如权利要求1至5任一项所述的电机驱动装置。

7.一个清洁器，包括一鼓风机风扇电机，其使用如权利要求1至5任一项所述的电机驱动装置。

8.一个热水供给器，包括使用如权利要求1至5任一项所述的电机驱动装置的燃烧风扇电机。

9.一台复印机，包括如权利要求1至5任一项所述的电机驱动装置。

10.一个打印机，包括如权利要求1至5任一项所述的电机驱动装置。

11.一台光媒体设备，包括如权利要求1至5任一项所述的电机驱动装置。

12.一个硬盘设备，包括如权利要求1至5任一项所述的电机驱动装置。