CN102195561A - 电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有使用PWM控制的电流反馈控制功能的电动机驱动装置。其包括：输出三角波的载波信号的载波信号发生器；与载波信号的定时配合，输出电流检测触发信号以和电流控制触发信号的定时发生器；检测一定区间的平均电流值的电动机电流检测器；比较电流指令值和平均电流值并输出电压指令值的电流控制器；和比较载波信号和电压指令值并输出PWM信号的PWM控制器。其中，定时发生器在载波信号的每N周期(N为正整数)输出电流检测触发信号和电流控制触发信号，电动机电流检测器将平均电流值的平均区间作为载波信号的N周期。

Description

电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及具有电流反馈控制功能的电动机驱动装置。

背景技术

为了伺服电机的高速·高应答控制，从模拟电路的时代起通常进行使用电动机驱动装置的电流控制。近年来，随着微型计算机和LSI技术的进步，电流控制也在向数字化方向发展，能够进行通过模拟控制在设计和成本上都难以实现的复杂的控制，对使用伺服电机的设备的高性能·高功能化做出了极大的贡献。

通常，电流控制是检测电动机的三相电流，将其以追从电流指令值得方式作成三相电压指令并向由多个半导体开关构成的变换器输出，将由变换器供给的直流电压通过多个半导体开关的导通/断开的组合，对电动机施加所要求的三相交流电压。

作为变换器的驱动方式，近年来，通常为PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)控制。PWM控制是通过多个半导体开关由直流电压产生三相交流电压的方式，根据载波频率和电压指令值输出半导体开关的导通/断开信号，在电动机的线间施加脉冲形的电压。通过半导体开关的导通/断开控制其脉冲宽度，由此，可使施加给电动机的执行电压值呈正弦波形。这种PWM控制虽然是载波频率越高越能精细控制，但存在转换的损失和电动机驱动装置的发热等问题，通常在几kHz到几十kHz左右。

近年来，从电动机的小型化和提高应答性的观点出发，电气的定时常数小的电动机正在增多，在保持目前对应的载波频率的状态下，出现电流波动变大，声音和电动机的发热等的问题。另外，在载波频率变高的情况下，不仅存在所述发热的问题，还存在以下问题。即，以载波信号的峰值/谷值为基准所实施的电流控制的周期变短，现有的运算装置能力不足，需要高性能的运算装置。显然，成本增加，从而失去市场的竞争力。

作为提高载波频率时的其他手段，例如，考虑如下的方式。即，代替载波信号的峰值/谷值，只用载波信号的峰值或者只用谷值进行电流检测，使电流控制周期达到载波周期的两倍。通过采用这样的构成，由于能够延长电流控制周期，从而能够减轻运算负担。但是，该情况下，在电流检测值中，电流检测误差增加，受其影响，会产生力矩波动和速度波动。

图5是表示仅使用载波信号的峰值进行电流检测的现有例的图，图6是表示仅使用载波信号的谷值进行电流检测的现有例的图。由图5可知，利用载波信号的峰值的电流检测值13相对于平均电流20始终具有正的电流检出误差19。另外，由图6可知，利用载波信号的谷值的电流检测值13相对于平均电流20始终具有负的电流检出误差19。这种电流检出误差19成为如上述的波动产生的原因。

为了解决这种课题，目前，例如在日本专利申请特开2008-182832号公报(专利文献1)中，提出了下面的技术。即，在该技术中，按照载波周期的(2n+1)/2(n为正整数)倍进行电流检测和电流控制。由此，在减轻运算负荷的同时，通过对载波信号的峰值/谷值交替地进行电流检测，除去电流检测值的成为电流检测误差的偏差成分。

但是，在像上述的专利文献1那样的技术中，由于使电流检测和电流控制周期成为载波周期的奇数倍，存在电流控制的应答性恶化的问题。通常，载波频率提高时，为提高前的载波频率的整数倍。因此，例如，若载波为5kHz，提高至作为整数倍例如两倍的10kHz。该情况下，以载波为5kHz计，在提高载波频率之前的峰值/谷值方式下的电流控制周期为100μs，提高到10kHz的情况下，若使用如专利文献1的现有技术，则电流控制周期最短，为150μs，电流控制周期比载波频率提高之前增长。其结果，对于如上述专利文献1的技术，存在不仅提高了载波频率而且电流应答性也会下降的问题。

另外，对于如上述专利文献1的技术，在改变载波频率的情况下，电流控制周期也会发生变化。因此，需要预先在每个载波频率都能够切换有关运算装置内部的电流控制的运算。通常，这种对应存在使运算装置的内部结构更加复杂，运算负荷更大的课题。

发明内容

本发明是为解决上述现有的课题而提出的，目的在于提供一种在提高了载波频率的情况下，也能够维持电流控制的应答性，且也可抑制运算负荷的增加的电动机驱动装置。

本发明的电动机驱动装置具有使用PWM控制的电流反馈控制功能。其包括：输出三角波的载波信号的载波信号发生器；与载波信号的定时配合，输出电流检测触发信号以和电流控制触发信号的定时发生器；检测一定区间的平均电流值的电动机电流检测器；比较电流指令值和平均电流值并输出电压指令值的电流控制器；和比较载波信号和电压指令值并输出PWM信号的PWM控制器。而且，定时发生器在载波信号的每N周期(N为正整数)输出电流检测触发信号和电流控制触发信号，电动机电流检测器将平均电流值的平均区间作为载波信号的N周期。

即，本电动机驱动装置在载波信号的每N周期，即仅在载波信号的峰值，或者仅在载波信号的谷值进行电流检测和电流控制。而且构成为使电流检测触发信号和电流控制触发信号的输出周期和电动机电流检测器中的平均时间一致，因此，即使在载波周期变短的情况下也能够减轻运算负荷。另外，通过使电流检测器的平均时间成为载波信号的N周期，对电流检测误差没有影响，且能够抑制扭矩波动和速度波动的产生。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式中的电动机驱动装置的方块图；

图2是表示本发明的实施方式中的电流控制部的详细的构成的方块图；

图3A是表示比较例中的动作的定时图；

图3B是表示本发明的实施方式中的动作的定时图；

图4是表示本发明的实施方式中的载波信号和电动机实际电流值的图；

图5是表示仅使用载波信号的峰值进行电流检测的现有例的图；

图6是表示仅使用载波信号的谷值进行电流检测的现有例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的电动机驱动装置进行说明。

图1是表示本发明的实施方式中的电动机驱动装置的方块图。如图1所示，本电动机驱动装置100与电动机200连接，并驱动电动机200。电动机驱动装置100具有电流反馈控制功能。为了实现该功能，在电动机200中检测驱动电动机200的电流，所检测的电动机实际电流值18供给电动机驱动装置100。另外，在电动机驱动装置100中，例如，由外部的上位机等通知电流指令值15。电动机驱动装置100以使基于实际电流值18的电流值追随电流指令值15的方式进行电流反馈控制。

电动机驱动装置100包括进行电流反馈控制的电流控制部110和驱动电动机200的驱动部120。

电流控制部110生成用于以使基于实际电流值18的电流追随电流指令值15的方式进行控制的PWM信号17。PWM信号17是以成为对应驱动量的脉冲宽度的方式进行脉冲宽度调制(以下适当称为PWM)的信号。

驱动部120包括含有多个半导体开关的变换器。变换器根据PWM信号17的脉冲使各个半导体开关进行导通/断开。由此，变换器供给的直流电压被转换成所期望的驱动交流电压32，转换后的驱动交流电压32被施加给电动机200。即，电动机驱动装置100通过PWM控制对多个半导体开关进行切换，由此从直流电压生成用于驱动电动机200的驱动交流电压32。

为了进行这种PWM控制，电流控制部110具有PWM处理功能。

图2是表示本发明的实施方式中的电流控制部110的详细的构成的方块图。如图2所示，电流控制部110具备载波信号发生器1、定时发生器2、电动机电流检测器3、电流控制器4、PWM控制器5。

载波信号发生器1生成并输出用于生成PWM脉冲信号的载波信号11。载波信号11是具有成为最高值的峰值位置和成为最低值的谷值位置的三角波的信号。由载波信号发生器1生成的载波信号11被供给定时发生器2和PWM控制器5。

定时发生器2与供给的载波信号11的定时配合，生成并输出电流检测触发信号12和电流控制触发信号14。更具体而言，例如载波信号11与成为谷值的定时配合，并在同一定时输出电流检测触发信号12和电流控制触发信号14。电流检测触发信号12供给电动机电流检测器3。另外，电流控制触发信号14供给电流控制器4。

与电流检测触发信号12同时从电动机200向电动机电流检测器3供给电动机实际电流值18。电动机电流检测器3依次检测电动机实际电流值18，与电流检测触发信号12的定时配合，将依次检测的电动机实际电流值18的平均值作为平均电流值13输出。平均电流值13是将规定的定时宽度作为平均区间，并在该区间依次检测出的电动机实际电流值18的平均值。这样，电动机电流检测器3检测一定区间的平均电流值13并向电流控制器4输出。

与电流控制触发信号14和平均电流值13同时向电流控制器4供给电流指令值15。电流控制器4对电流指令值15和平均电流值13进行比较，根据该比较结果，生成并输出电压指令值16。例如，在平均电流值13比电流指令值15小的情况下，电流控制器4生成使平均电流值13增大的电压指令值16。相反，在平均电流值13比电流指令值15大的情况下，电流控制器4生成使平均电流值13减小的电压指令值16。根据电流控制器4这样的处理，执行如平均电流值13追随电流指令值15那样的电流反馈控制。另外，电流控制器4响应电流控制触发信号14的定时，开始有关这种电流控制的运算。而且，在运算结束的时刻，输出基于运算结果的电压指令值16。从电流控制器4输出的电压指令值16被供给PWM控制器5。

PWM控制器5对载波信号11和电压指令值16进行比较，生成并输出与该比较结果相应的脉冲宽度的PWM信号17。即，例如，以载波信号11的谷值的定时为中心生成脉冲的情况下，电压指令值16越接近载波信号11的谷值的水平，生成宽度越窄的脉冲，相反，越接近峰值的水平生成宽度越宽的脉冲。这样所生成的PWM信号17被供给驱动部120。而且，在驱动部120中，根据PWM信号17使变换器的各个半导体开关导通/断开。

如上所述，电动机驱动装置100具有使用了PWM控制的电流反馈控制功能。

下面，对本实施方式的电动机驱动装置100的动作进行说明。在此，以电动机的精确控制为目的，列举整数倍地变更载波频率的例子进行说明。具体而言，对作为比较例的载波频率，举出变更为2倍的载波频率并适用于本实施方式的一例进行说明。

图3A是表示比较例中的动作的定时图。另外，图3B是表示本发明的实施方式中的动作的定时图。在图3A和图3B中，表示有作为三角波的载波信号11、与载波信号11的定时配合地生成的电流检测触发信号12和电流控制触发信号14。另外，由图3A和图3B可知，相对于比较例的载波信号11，将本实施方式的载波信号11的载波频率设定为2倍，即将周期减半。

另外，在此，如图3B所示，列举定时发生器2按照载波信号11的每一个周期，输出电流检测触发信号12和电流控制触发信号14的一个例子。也可以构成为，作为输出电流检测触发信号12和电流控制触发信号14的定时，按照载波信号的每N周期(N为正整数)进行输出。

首先，在如图3A所示的比较例中，在载波信号11的峰值和谷值(以下记为峰值/谷值)稍前的定时，输出电流检测触发信号12并检测电动机实际电流值18。然后，在峰值/谷值的定时，输出电流控制触发信号14，进行电流控制。

相对于这种比较例，在本实施方式中，如图3B所示，在载波信号11的谷值的定时，输出电流检测触发信号12并检测电动机实际电流值18。而且，在相同的谷值的定时，输出电流控制触发信号14进行电流控制。

如图3A和图3B所示，电流控制的周期在本实施方式中和比较例相同，由于和载波周期变更之前没有变化，因此能够维持电流应答性。

另外，图3B所示的本实施方式中的定时的动作中，将电动机电流检测器3的电流检测平均时间作为载波信号11的一个周期。即，在图3B中，在载波信号11的谷值的定时输出电流检测触发信号12。而且，将用于求出电动机实际电流值18的平均值的平均区间作为从载波信号11的谷值至下一个谷值的一个周期。电动机电流检测器3输出这样求得的平均电流值13。在本实施方式中，通过这样将电流检测的平均时间作为载波信号11的一个周期，抑制平均电流值13中所包含的电流检测误差。

图4是表示本发明的实施方式中的载波信号11和电动机实际电流值18的图。在图4中，用实线表示电动机实际电流值18，用虚线表示电动机实际电流值18的实际的平均电流20，用圆点表示平均电流值13。如图4所示，在本实施方式中，电动机电流检测器3检测的平均电流值13和平均电流20相同，能够使图5和图6所示的电流检测误差19大致为0。

电动机电流检测器3为∑Δ(西格玛三角)方式的情况下，始终进行通常电流检测，在输入电流检测触发信号12时，能够检测从该时开到仅在通过抽取(decimation)设定的区间之前的平均电流。由于抽取的设定能够在硬件不变而通过参数的设定进行变更，因此通过与载波信号11的一个周期的定时配合进行抽取的设定，因此能够容易地实现本方式。由此，不会产生扭矩波动和速度波动，可以实现稳定的电动机控制。

如以上的说明，根据本实施方式，即使在提高了载波频率的情况下，也可减小电流波动，且能够维持电流应答性，进而，能够减轻运算装置的运算负荷。

另外，在上述的说明中，虽然列举在载波信号11的谷值输出电流检测触发信号12和电流控制触发信号14的一个例子进行了说明，但在载波信号11的峰值进行也会有相同的效果。进而，不必恰好在峰值和谷值输出电流检测触发信号12和电流控制触发信号14，也可以在峰值和谷值的正中间等。另外，电流检测触发信号12和电流控制触发信号14的输出定时也可以是错开的。重要的是使电流检测触发信号12和电流控制触发信号14的输出周期和电动机电流检测器3中的作为平均时间的平均区间一致，只要其关系成立，就能够得到在此说明的效果。

另外，在上述的说明中，虽然对作为载波信号11的每一个周期的N＝1的情况进行了说明，但N＝2、3等的情况也具有同样的效果。即，作为输出电流检测触发信号12和电流控制触发信号14的输出周期，也可以按照载波信号11的每N周期(N为正整数)进行输出。而且，可以与该输出周期N配合，将通过电动机电流检测器3检测平均电流值13的平均区间设定为载波信号11的N周期。

以上，本发明的电动机驱动装置的构成为，定时发生器按照载波信号的每N周期(N为正整数)输出电流检测触发信号和电流控制触发信号，电动机电流检测器将平均电流值的平均区间设为载波信号的N周期。通过这种构成，在提高了载波频率的情况下，也能维持电路控制的应答性，且能够抑制运算负荷的增大。

工业上的可利用性

本发明的电动机驱动装置，在相对于载波信号的频率运算装置的处理能力较低的情况、和被要求静音的用途等中均有用。

Claims (1)

1.一种电动机驱动装置，具有使用PWM控制的电流反馈控制功能，其特征在于，包括：

输出三角波的载波信号的载波信号发生器；

与载波信号的定时配合，输出电流检测触发信号和电流控制触发信号的定时发生器；

检测一定区间的平均电流值的电动机电流检测器；

比较电流指令值和所述平均电流值并输出电压指令值的电流控制器；

比较所述载波信号和所述电压指令值并输出PWM信号的PWM控制器，

所述定时发生器在所述载波信号的每N周期(N为正整数)输出所述电流检测触发信号和所述电流控制触发信号，

所述电动机电流检测器将所述平均电流值的平均区间作为所述载波信号的N周期。

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