CN101960712B - 逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

一种逆变器装置，在2分流方式中，能够在不增加分流电阻的情况下实现准确的无传感器矢量控制。该逆变器装置具备：逆变器主电路，将由进行相反的导通/关断动作的两个开关元件与直流电源串联连接而成的三个臂连接为三相桥状，将三相PWM方式的三相模拟交流电压施加到电动机上；分流电阻，与逆变器主电路的三个臂中的至少两个臂串联地与直流电源连接；以及控制单元，以指定周期检测流入分流电阻的电流，基于该检测的电流，控制逆变器主电路的各个开关元件的导通/关断动作；控制单元将开关元件的导通时间连续为指定值以下的特定角度范围所对应的约180°前的时间检测的电流值替换用作该特定角度范围的电流值。

Description

逆变器装置
技术领域
本发明涉及利用不使用磁极位置传感器的无传感器矢量方式控制电动机的逆变器(inverter)装置。
背景技术
一直以来，在通过无传感器矢量控制来操纵无刷电机(电动机)的情况下，根据流过逆变器主电路的相电流计算电压指令值、角频率以及相位，作为检测该相电流的装置使用小型并且便宜的分流电阻。使用该分流电阻的方式有两种，一种是图6所示的使用一个分流电阻的方式(1分流方式)(例如参照专利文献1)，另一种是图1所示的为了检测两相的相电流使用两个分流电阻的方式(2分流方式)。
(1分流方式)
图6表示前者的1分流方式的逆变器装置100的电路结构图。3是三相PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)方式的逆变器主电路，将从直流电源部4供应的电压转换为任意的可变电压、可变频率的三相模拟交流电压并输出，供应给电动机(例如同步电动机)6。即，逆变器主电路3包括U相用的上臂开关元件7u、U相用的下臂开关元件8u、V相用的上臂开关元件7v、V相用的下臂开关元件8v、W相用的上臂开关元件7w和W相用的下臂开关元件8w，各开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w中，使流入电动机6的线圈的电流回流的二极管反向并联连接。
另外，所述的开关元件使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅型双极性晶体管)(以下也是同样的)。
开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w在输入基极的脉冲信号为“H”电平时变为导通(on)，为“L”电平时变为关断(off)。并且，采用分流电阻101与直流母线连接，直流母线电流Idc(分流电流)流入该分流电阻101的结构。
控制装置102基于自身输出的脉冲信号U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar，将通过分流电阻101检测的直流母线电流Idc分配到各相，由此推算流入电动机6的三相电流，即U相电流Iu、V相电流Iv和W相电流Iw。
图7表示逆变器装置100的三相PWM方式所用的载波(carrier)的一个周期内(1个载波频率)的图6的各开关元件的导通/关断状态与直流母线电流Idc(分流电流)。例如，在图7的圆圈2与圆圈3的期间内检测直流母线电流Idc。
在期间圆圈3中，U相用的上臂开关元件7u为导通，V相用的上臂开关元件7v为导通，W相用的下臂开关元件8w为导通，因此W相的电流Iw(符号为负)被推算为期间圆圈3中检测的直流母线电流Idc。
在期间圆圈2中，U相用的上臂开关元件7u为导通，V相用的下臂开关元件8v为导通，W相用的下臂开关元件8w为导通，因此U相的电流Iu(符号为负)被推算为期间圆圈2中检测的直流母线电流Idc。
另外，根据U相电流Iu、V相电流Iv和W相电流Iw的和为零，也推算出U相电流Iu。
控制装置102使用推算的三相的电流Iu、Iv、Iw，基于相位与角频率指令值ω(速度指令)计算旋转坐标系的电压指令值、角频率推算值以及相位(例如专利文献3中所示的处理)，根据它们将旋转坐标系的电压指令值转换为三相电压指令值，进而对其进行脉宽调制，输出分别控制开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w的脉冲信号U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar。
(2分流方式)
图1表示后者的2分流方式的逆变器装置200的电路结构图。同样，3是三相PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)方式的逆变器主电路，将从直流电源部4供应的电压转换为任意的可变电压、可变频率的三相模拟交流电压并输出，供应给电动机(例如同步电动机)6。即，逆变器主电路3包括U相用的上臂开关元件7u、U相用的下臂开关元件8u、V相用的上臂开关元件7v、V相用的下臂开关元件8v、W相用的上臂开关元件7w和W相用的下臂开关元件8w，同样，各开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w中，使流入电动机6的线圈的电流回流的二极管反向并联连接。
开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w同样在输入基极的脉冲信号为“H”电平时变为导通，为“L”电平时变为关断。并且，在此情况下，采用分流电阻11、12与U相用的下臂及V相用的下臂连接，U相电流Iu流入分流电阻11，V相电流Iv流入分流电阻12的结构。
控制装置201从分流电阻11检测U相电流Iu，从分流电阻12检测V相电流Iv。另外，如前所述，根据U相电流Iu、V相电流Iv和W相电流Iw的和为零，推算出W相电流Iw。
控制装置201使用检测及推算的三相的电流Iu、Iv、Iw，基于相位与角频率指令值ω(速度指令)计算旋转坐标系的电压指令值、角频率推算值以及相位(上述的专利文献3中所示的处理)，根据它们将旋转坐标系的电压指令值转换为三相电压指令值，进而对其进行脉宽调制，输出分别控制开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w的脉冲信号U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar。
专利文献1：日本特开2007-312511号公报
专利文献2：日本特许第3674578号公报
专利文献3：日本特开2000-262088号公报
如上所述在任意一种方式中都得到各臂相的电流并实现无传感器矢量控制，但在上述的1分流方式中，在上臂的导通期间挨得很近的区域中，图7的圆圈2或圆圈3的区域变窄，通过分流电阻检测的电流中产生振铃(ringing)(信号剧烈变化时电路的电感或反射产生的波形混乱)，因此变得无法检测正确的电流值，其结果是变得只能检测一相的电流。这样，存在仅通过该一相的电流无法计算矢量控制中使用的d-q电流的问题。
另一方面，图8中表示上述的2分流方式中逆变器装置200的载波的一个周期(一个载波频率)内的图1的各开关元件的导通/关断状态。图8的左侧表示相位为30°时各开关元件的导通/关断状态，中央表示相位为60°时各开关元件的导通/关断状态，右侧表示相位为90°时各开关元件的导通/关断状态。
从该图8可知，在占空比(duty)为100％的高负载状态下，相位90°处U相用的下臂开关元件8u在一个载波频率的整个区域中均关断，因此在相位90°附近变得无法检测U相的电流Iu。同样，在相位210°附近V相的电流Iv变得无法检测，在相位330°附近W相的电流Iw变得无法检测。这种情况并不限于100％的占空比，在接近100％的值(例如85％～95％的值以上)时也是同样的。
图9是在2分流方式中检测出实际流入分流电阻的U相的电流Iu及V相的电流Iv的图。可以看出，对于U相的电流Iu而言在相位90°附近的前后，或者对于V相的电流Iv而言在相位210°附近的前后，分别无法检测正确的电流值。在此之后的相位中，同样也无法检测正确的电流值。
这样，在使用分流电阻的相电流的检测方式中，在特定的相位处变得无法检测电流，因此例如在1分流方式中采用增减一部分相的导通期间以检测电流的方法，或者推算无法检测的相的电流的方法(参照上述专利文献1)。
另外，在2分流方式中只能检测特定的两相，因此需要采用对三相均设置分流电阻并根据相位改变检测的相等方法，A/D转换变得复杂，另外电阻部件的数目也增加，存在发热增大等问题(例如参照专利文献2)。
发明内容
本发明为了解决相关的以往技术的问题而作，其目的是在上述2分流方式中，能够在不增加分流电阻的情况下实现准确的无传感器矢量控制。
第1发明的特征在于，包括：逆变器主电路，将由进行相反的导通/关断动作的两个开关元件与直流电源串联连接而成的三个臂连接为三相桥状，将三相PWM方式的三相模拟交流电压施加到电动机上；分流电阻，与该逆变器主电路的三个臂中的至少两个臂串联地与所述直流电源连接；以及控制单元，以指定周期检测流入所述分流电阻的电流，基于该检测的电流，控制所述逆变器主电路的各个开关元件的导通/关断动作；所述控制单元将所述开关元件的导通时间连续为指定值以下的特定角度范围所对应的约180°前的时间检测的电流值替换用作该特定角度范围的电流值。
第2发明的特征在于，包括：逆变器主电路，将由进行相反的导通/关断动作的两个开关元件与直流电源串联连接而成的三个臂连接为三相桥状，将三相PWM方式的三相模拟交流电压施加到电动机上；分流电阻，与该逆变器主电路的三个臂中的至少两个臂串联地与所述直流电源连接；以及控制单元，以指定周期检测流入所述分流电阻的电流，基于该检测的电流，控制所述逆变器主电路的各个开关元件的导通/关断动作；所述控制单元根据所述开关元件的导通时间连续为指定值以下的特定角度范围所对应的约180°前的附近的多个流入分流电阻的电流值，通过运算计算出现在的电流值，将该计算出的值替换用作所述特定角度范围的电流值。
发明效果
根据本发明，在根据电压指令值判断出无法检测正确的电流值的情况下，将以前检测的电流值中，如约180°前的相位的电流那样，极性相反，并且具有相同或大致相同的绝对值的电流值用作现在的电流值，因此在所谓的2分流方式中，能够在不进一步增加分流电阻的情况下实现准确的无传感器矢量控制。
进而，如第2发明那样，根据约180°前的相位的多个电流值通过运算计算出现在的电流值，则能够更加正确地求出现在的电流值。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的逆变器装置的电路结构图。
图2是图1的逆变器装置中的控制装置的功能模块图。
图3是说明图2的控制装置的动作的流程图。
图4(a)是某个特定相电流保存存储器的结构图，(b)是说明图3的步骤S3的流程图。
图5是说明图2的控制装置的动作的电压指令值100％占空比时三相调制的特性图。
图6是以往的1分流方式的逆变器装置的电路结构图。
图7是表示图6的逆变器装置的1个载波频率内的各开关元件的导通/关断状态与直流母线电流的图。
图8表示图1的逆变器装置的1个载波频率内的各开关元件的导通/关断状态。
图9是表示图1的2分流方式中的分流电阻的电流检测波形的图。
符号说明：
1逆变器装置；3逆变器主电路；4直流电源部；6电动机；7u、8u、7v、8v、7w、8w开关元件；11、12分流电阻；13控制装置。
具体实施方式
下面基于附图详细描述本发明的实施方式。实施例的逆变器装置1例如是驱动汽车空调器的压缩机电机的装置，电路结构与图1所示的结构相同。另外，图2是图1的控制装置(控制单元)13的功能模块图。
从图1开始重新说明，3是三相PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)方式的逆变器主电路，将从直流电源部4供应的电压转换为任意的可变电压、可变频率的三相模拟交流电压并输出，供应给电动机(例如同步电动机)6。对于电动机6的无传感器矢量控制，在三相(U相、V相、W相)线圈中的两个线圈中流过电流，每隔60度电角度切换一次通电的线圈，从未通电的开放相检测诱发电压，由此检测其过零(ゼロクロス)的时机，能够每隔60度检测一次转子的位置。例如，在从U相向V相通电的区间中能够检测开放相W相的过零。
逆变器主电路3包括U相用的上臂开关元件7u、U相用的下臂开关元件8u、V相用的上臂开关元件7v、V相用的下臂开关元件8v、W相用的上臂开关元件7w和W相用的下臂开关元件8w，各开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w中，使流入电动机6的线圈的电流回流的二极管反向并联连接。
开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w在输入基极的脉冲信号为“H”电平时变为导通，为“L”电平时变为关断。并且，在此情况下，采用分流电阻11、12与U相用的下臂及V相用的下臂连接，U相电流Iu流入分流电阻11，V相电流Iv流入分流电阻12的结构。
接着，在图2中，此情况的控制装置13由电流检测部21、电流转换部22、控制部23、电压转换部24以及PWM控制部26等构成。电流检测部21以指定周期检测流过分流电阻11的U相电流Iu，并检测流过分流电阻12的V相电流Iv。另外，如前所述，根据U相电流Iu、V相电流Iv和W相电流Iw的和为零，推算出W相电流Iw(2分流方式)。
电流转换部22基于三相PWM方式的逆变器主电路3的相位θ，将三相电流Iu、Iv、Iw转换为旋转坐标(γ-δ)系的电流Iδ、Iγ。该旋转坐标(γ-δ)系是前述专利文献3中记载的γ-δ轴(控制轴)，是以旋转磁场的角频率推算值旋转的正交坐标系。
控制部23包括速度/电流控制部23A和速度/相位推算部23B，速度/电流控制部23A基于从外部输入的转子的角频率指令值ω和从电流转换部22输出的旋转坐标系的电流Iδ、Iγ，计算三相PWM方式的逆变器主电路3的旋转坐标系的电压指令值Vδ、Vγ。另外，速度/相位推算部23B基于所述旋转坐标系的电流Iδ、Iγ和电压指令值Vδ、Vγ，计算三相PWM方式的逆变器主电路3的角频率推算值ω*以及相位θ。该控制部23的基本处理与前述专利文献3中记载的相同。
如前所述，在2分流方式中，电压指令值变为占空比100％的高负载状态后，如图8那样在相位90°处U相用的下臂开关元件8u在1个载波频率的整个区域中关断，因此在相位90°附近变得无法检测U相的电流Iu。同样，在相位210°附近变得无法检测V相的电流Iv，在相位330°附近变得无法检测W相的电流Iw。
另一方面，从现在起180°前的相位的电流值与现在的电流值极性相反，并且为大致相同的绝对值。另外，180°前的附近相位的电流值与现在的电流值极性相反，并且为大致相同的绝对值。因此，在本发明的实施方式中，在后述的电压指令值Vv、Vu、Vw的占空比超过稍小于100％(例如85％。或者85％～95％中的任一值。以下同)的值H·Duty的情况下，电流检测部21不进行U相电流Iu、V相电流Iv的检测和W相电流Iw的推算。并且，电流检测部21根据从现在的相位起180°前的相位或180°前的附近相位的电流值来计算现在的电流值。
例如，在图5的相位P2处电压指令值的占空比超过H·Duty的情况下，判断为变得无法检测U相电流Iu，采用从此处起180°前的相位P3(或者其附近的相位)的U相电流Iu，认为其极性反转了的相同值的相电流Iu为现在流动的相电流。V相电流Iv和W相电流Iw也是如此。
在此情况下，电流检测部21认为在相位P2以前的采样时由速度/相位推算部23B推算的角频率推算值ω*也与现在相同(即，假设以相同的速度转动)，认为以该角频率持续到下一个采样，从而掌握现在(P2)的相位θ。并且，根据该P2的相位确定180°前的相位或180°前的附近的相位P3。
电流转换部22基于上述相位θ，将推算的三相电流Iu、Iv、Iw转换为旋转坐标(γ-δ)系的电流Iδ、Iγ。并且，速度/电流控制部23A基于从外部输入的转子的角频率指令值ω和从电流转换部22输出的旋转坐标系的电流Iδ、Iγ，计算三相PWM方式的逆变器主电路3的旋转坐标系的电压指令值Vδ、Vγ。另外，速度/相位推算部23B基于所述旋转坐标系的电流Iδ、Iγ和电压指令值Vδ、Vγ，计算三相PWM方式的逆变器主电路3的角频率推算值ω*以及相位θ。
电压转换部24基于三相PWM方式的逆变器主电路3的相位θ将旋转坐标系的电压指令值Vδ、Vγ转换为三相电压指令值，即U相的电压指令值Vu、V相的电压指令值Vv、W相的电压指令值Vw。
PWM控制部26对三相电压指令值Vu、Vv、Vw进行脉宽调制(占空比)，输出分别控制开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w的脉冲信号U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar。
图3是表示以上动作的控制装置13的流程图。即，在步骤S 1中电流检测部21以指定周期检测流过分流电阻11的U相电流Iu，并检测流过分流电阻12的V相电流Iv。另外，如前所述，根据U相电流Iu、V相电流Iv和W相电流Iw的和为零，推算出W相电流Iw。
接着，电流检测部21在步骤S2中判断电压指令值Vv、Vu、Vw的PMW占空比是否为指定值H·Duty(前述的85％)以上，在小于H·Duty的情况下进入步骤S4，在位于H·Duty以上的情况下进入步骤S3。
在该步骤S3中电流检测部21根据从现在的相位起180°前的相位或180°前的附近的相位的电流值计算现在的U相电流Iu、V相电流Iv和W相电流Iw。在此情况下，采用180°前的相位或180°前的附近的相位的电流值，认为其极性反转了的相同值的电流为现在流动的电流。
具体而言，在控制装置13内，为每个相电流设置保存该相电流的相电流保存存储器，该相电流保存存储器中以图4(a)所示的方式成对保存电动机6的转子的推算角度以及检测出的相电流的值，这些数据随着电动机6的旋转以覆盖的方式依次被重写。
在图4(b)的步骤S31中，控制装置13根据现在的推算角度θ求出180°前的角度θp。在步骤S32中，判断相电流保存存储器内是否保存(存储)有与该角度θp一致的推算角度θ。
如果保存有一致的角度，则将与该角度对应的检测相电流-Iu(θp)作为推算相电流Iu’(θ)。
另一方面，如果未保存一致的角度，则在步骤S34中，将与该角度θp前后的角度对应的检测相电流Iu(θ1)、Iu(θ2)从相电流保存存储器中检索读出。
在步骤S35中，基于步骤S34中求出的检测相电流的值进行线性插值的运算，最终求出推算相电流Iu’(θ)。
接着，进入步骤S4，电流转换部22基于三相PWM方式的逆变器主电路3的相位θ，将三相电流Iu、Iv、Iw转换为旋转坐标(γ-δ)系的电流Iδ、Iγ。
接着，进入步骤S5，控制部23的速度/相位推算部23B基于上述旋转坐标系的电流Iδ、Iγ和电压指令值Vδ、Vγ，计算三相PWM方式的逆变器主电路3的角频率推算值ω*以及相位θ。
接着，在步骤S6中控制部23的速度/电流控制部23A输入从外部输入的转子的角频率指令值ω，在步骤S7中基于从电流转换部22输出的旋转坐标系的电流Iδ、Iγ，计算三相PWM方式的逆变器主电路3的旋转坐标系的电压指令值Vδ、Vγ。
接着，在步骤S8中电压转换部24基于三相PWM方式的逆变器主电路3的相位θ将旋转坐标系的电压指令值Vδ、Vγ转换为三相电压指令值，即U相的电压指令值Vu、V相的电压指令值Vv、W相的电压指令值Vw。
接着，在步骤S9中PWM控制部26对三相电压指令值Vu、Vv、Vw进行脉宽调制(占空比)，输出分别控制开关元件7u、8u、7v、8v、7w、8w的脉冲信号U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar。
这样，控制装置13在根据电压指令值判断出无法检测电流值的情况下，根据以前检测的电流值中180°前的相位或该180°前的附近的相位的电流值，即与现在的电流极性相反，并且具有相同或大致相同的绝对值的电流值计算现在的电流值，因此在所谓的2分流方式中，能够在不进一步增加分流电阻的情况下实现准确的无传感器矢量控制。
特别地，认为上次采样时计算的角频率推算值也与现在相同，从而推算现在的相位，由此，确定以前的相位的工作也能准确地进行。
另外，在上述的实施方式中，根据180°前的相位或其附近相位的电流值计算现在的电流值，但并不限定于此，也可以基于例如180°前的前后两个相位的电流值，或者180°前及其附近相位的更多的多个相位的电流值，从这些值按照指定计算式(运算)计算现在的电流值。通过这样做，能够更为正确地进行现在的电流值的推算。

Claims (2)

1.一种逆变器装置，其特征在于，包括：
逆变器主电路，将由进行相反的导通/关断动作的两个开关元件与直流电源串联连接而成的三个臂连接为三相桥状，将三相PWM方式的三相模拟交流电压施加到电动机上；
分流电阻，与所述逆变器主电路的三个臂中的至少两个臂串联地与所述直流电源连接；以及
控制单元，以指定周期检测流入所述分流电阻的电流，基于该检测出的电流，控制所述逆变器主电路的各个所述开关元件的导通/关断动作；
所述控制单元包括：
电流检测部，根据从现在的相位起180°前的相位或者180°前的附近相位的电流值，计算现在的三相电流；
电流转换部，将所述三相电流转换为旋转坐标系的电流；
控制部，至少基于所述旋转坐标系电流计算所述逆变器主电路的角频率推算值以及相位，并且基于所述旋转坐标系的电流计算旋转坐标系的电压指令值；
电压转换部，基于所述逆变器主电路的所述相位，将旋转坐标系的所述电压指令值转换为三相电压指令值；以及
PWM控制部，对所述三相电压指令值进行脉宽调制，输出分别控制所述开关元件的脉冲信号，
所述控制单元将所述开关元件的导通时间连续为指定值以下的特定角度范围所对应的约180°前的时间检测出的电流值替换用作该特定角度范围的电流值。
2.一种逆变器装置，其特征在于，包括：
逆变器主电路，将由进行相反的导通/关断动作的两个开关元件与直流电源串联连接而成的三个臂连接为三相桥状，将三相PWM方式的三相模拟交流电压施加到电动机上；
分流电阻，与所述逆变器主电路的三个臂中的至少两个臂串联地与所述直流电源连接；以及
控制单元，以指定周期检测流入所述分流电阻的电流，基于该检测出的电流，控制所述逆变器主电路的各个所述开关元件的导通/关断动作；
所述控制单元包括：
电流检测部，根据从现在的相位起180°前的相位或者180°前的附近相位的电流值，计算现在的三相电流；
电流转换部，将所述三相电流转换为旋转坐标系的电流；
控制部，至少基于所述旋转坐标系电流计算所述逆变器主电路的角频率推算值以及相位，并且基于所述旋转坐标系的电流计算旋转坐标系的电压指令值；
电压转换部，基于所述逆变器主电路的所述相位，将旋转坐标系的所述电压指令值转换为三相电压指令值；以及
PWM控制部，对所述三相电压指令值进行脉宽调制，输出分别控制所述开关元件的脉冲信号，
所述控制单元根据所述开关元件的导通时间连续为指定值以下的特定角度范围所对应的约180°前的附近的多个流入分流电阻的电流值，通过运算计算出现在的电流值，并将该计算出的值替换用作所述特定角度范围的电流值。
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