CN102282754B - 电动机驱动装置和使用该电动机驱动装置的电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机驱动装置和使用该电动机驱动装置的电设备，基于从切换判定部(11)输出的第一或第二波形信号驱动无刷DC电动机(4)，该切换判定部(11)进行切换以使在判定为转子(4a)的速度比规定速度低的情况下输出第一波形发生部(6)的第一波形信号，在判定为转子(4a)的速度比规定速度高的情况下输出第二波形发生部(10)的第二波形信号，由此，即使在高速/高负载下也能够使驱动稳定，扩大驱动范围。

Description

电动机驱动装置和使用该电动机驱动装置的电设备

技术领域

本发明涉及驱动无刷DC电动机的电动机驱动装置和使用该电动机驱动装置的电设备。

背景技术

现有的电动机驱动装置，例如专利文献1所公开的那样，根据电流值或驱动速度切换为速度反馈驱动或速度开环驱动的任一种来驱动电动机。图12表示专利文献1记载的现有的电动机驱动装置。

图12中，直流电源201向逆变器202输入直流电。逆变器202通过三相桥接6个开关元件而构成。逆变器202将输入的直流电转换为规定的频率的交流电，输入到无刷DC电动机203。

位置检测部204基于逆变器202的输出端子的电压取得通过无刷DC电动机203的旋转产生的感应电压的信息。基于该信息，位置检测部204检测出无刷DC电动机203的转子203a的相对位置。控制电路205将从位置检测部204输出的信号作为输入，产生逆变器202的开关元件的驱动信号。

位置运算部206基于位置检测部204的信号运算无刷DC电动机203的转子203a的磁极位置的信息。自控驱动部207和他控驱动部210一起输出表示切换在无刷DC电动机203的三相绕组流过的电流的时刻(timing，定时)的信号。这些定时信号是用于驱动无刷DC电动机203的信号。自控驱动部207输出的这些定时信号通过反馈控制驱动无刷DC电动机203，是基于从位置运算部206得到的转子203a的磁极位置和速度指令部213得到的信号。另一方面，他控驱动部210输出的这些定时信号通过开环控制驱动无刷DC电动机203，是基于速度指令部213得到的信号。选择部211选择从自控驱动部207输入的信号，或从他控驱动部210输入的这些定时信号的任一个输出。即，选择部211选择是通过自控驱动部207来驱动无刷DC电动机203，还是通过他控驱动部210来驱动。驱动控制部212基于从选择部211输出的信号，输出逆变器202的开关元件的驱动信号。

上述现有电动机驱动装置在高速驱动或高负载驱动无刷DC电动机203的情况下，从反馈控制的自动驱动切换为开环控制的被动驱动。由此，无刷DC电动机203的驱动范围从低速下的驱动扩大到高速下的驱动，或从低负载下的驱动扩大到高负载下的驱动。

但是，上述现有的结构中，在高速或高负载(以下，记为高速/高负载)下的驱动的情况，通过开环控制驱动无刷DC电动机203。因此，在负载小的情况下能够得到稳定的驱动性能，但是，在负载大的情况下，具有驱动状态不稳定的问题。

专利文献1：日本特开2003-219681号公报

发明内容

本发明解决上述现有问题，即使在高速/高负载驱动无刷DC电动机的情况下，通过得到稳定的驱动性能，也能够扩大驱动范围。由此，提供一种抑制外因引起的不稳定状态，可靠性高的电动机驱动装置。

本发明的电动机驱动装置是驱动包括转子和具有三相绕组的定子的无刷DC电动机的电动机驱动装置。另外，本发明具有向三相绕组供给电力的逆变器和取得无刷DC电动机的端子电压的端子电压取得部。此外，本发明具有输出导电角为120度以上150度以下的波形的第一波形信号的第一波形发生部。而且，本发明具有固定占空比只使频率改变地设定频率的频率设定部。另外，本发明具有输出与端子电压取得部取得的端子电压具有规定关系的波形且在由频率设定部设定的频率下导电角为120度以上不足180度的波形的第二波形的第二波形发生部。而且，本发明具有进行切换以使在判定为转子的速度比规定速度低的情况下输出第一波形信号，在判定为转子的速度比规定速度高的情况下输出第二波形信号的切换判定部。而且，本发明具有基于从切换判定部输出的第一或第二波形信号，将指示逆变器向三相绕组供给电力的供给时刻的驱动信号输出到逆变器的驱动部。

根据这种结构，无刷DC电动机在速度低的情况下，进行基于导电角为120度以上150度以下的波形的第一波形信号的驱动。另一方面，无刷DC电动机在速度高的情况下，进行根据转子的位置和设定的频率的，基于导电角为120度以上不足180度的波形的第二波形信号的驱动。

因此，本发明的电动机驱动装置即使在高速/高负载的驱动下，驱动也稳定，能够扩大驱动范围。由此，能够提供一种抑制外因引起的不稳定状态的，可靠性高的电动机驱动装置。

附图说明

图1是本发明实施方式1的电动机驱动装置的框图。

图2是同实施方式的电动机驱动装置的时间图。

图3是说明同实施方式的电动机驱动装置的最佳的导电角的图。

图4是同实施方式的电动机驱动装置的其它时间图。

图5是表示同实施方式的无刷DC电动机的同步驱动时的转矩与相位的关系的图。

图6是说明同实施方式的无刷DC电动机的相电流与端子电压的相位关系的图。

图7A是说明同实施方式的无刷DC电动机的相位关系的图。

图7B是说明同实施方式的无刷DC电动机的其它的相位关系的图。

图8是表示同实施方式的电动机驱动装置的第二波形发生部的动作的流程图。

图9是表示同实施方式的无刷DC电动机的转速与占空比(Duty)的关系的图。

图10是同实施方式的电动机驱动装置的转速和占空比的时间图。

图11是同实施方式的无刷DC电动机的重要部位截面图。

图12是现有的电动机驱动装置的框图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是本发明实施方式1的电动机驱动装置的框图。图1中，交流电源1是一般的市用电源，在日本是有效值100V的50或60Hz的电源。电动机驱动装置22连接于交流电源1，驱动无刷DC电动机4。下面，对电动机驱动装置22进行说明。

整流平滑电路2以交流电源1作为输入将交流电整流平滑为直流电，其由桥接的4个整流二极管2a～2d和平滑电容器2e、2f构成。在本实施方式中，整流平滑电路2由倍压整流电路构成，但也可以由全波整流电路构成。而且，本实施方式中，交流电源1是单相交流电源，但在交流电源1为三相交流电源的情况下，整流平滑电路2由三相整流平滑电路构成。

逆变器3将来自整流平滑电路2的直流电转换为交流电。逆变器3将6个开关元件3a～3f进行三相桥接而构成。另外，6个回流电流用二极管3g～3l沿逆方向连接于各开关元件3a～3f。

无刷DC电动机4由具有永久磁铁的转子4a和具有三相绕组的定子4b构成。无刷DC电动机4通过由逆变器3产生的三相交流电流在定子4b的三相绕组中流动，使转子4a旋转。

位置检测部5在本实施方式中取得无刷DC电动机4的端子电压。即，检测出无刷DC电动机4的转子4a的磁极相对位置。具体而言，位置检测部5基于在定子4b的三相绕组发生的感应电压检测转子4a的相对的旋转位置。另外，作为其它的位置检测方法，可以列举对电动机电流(相电流或母线电流)的检测结果进行向量运算并进行磁极位置的推定的方法。

另外，位置检测部5例如通过取得逆变器3的端子电压，检测无刷DC电动机4的相电流的电流零交叉(電流ゼロクロス)。具体而言，位置检测部5检测在逆变器3的回流电流用二极管(例如，二极管3h)流过的电流的有无，即检测电流的流向从正切换到负或从负切换到正的点即零交叉点(Zero Cross Point)。位置检测部5将该零交叉点作为无刷DC电动机4的相电流的零交叉点进行检测。像这样，位置检测部5检测无刷DC电动机4的磁极位置和相电流的零交叉点。

第一波形发生部6生成用于驱动逆变器3的开关元件3a～3f的第一波形信号。第一波形信号是导电角为120度以上150度以下的矩形波的信号。为了平滑地驱动具有三相绕组的无刷DC电动机4，需要导电角在120度以上。另一方面，位置检测部5为了基于感应电压检测位置，作为开关元件的接通/切断(ON/OFF)的间隔需要30度以上的间隔。因此，导电角将从180度减去30度得到的150度作为上限。另外，第一波形信号在矩形波以外也可以列举以矩形波为基准的波形。例如为使波形的上升沿/下降沿具有倾斜的梯形波。

第一波形发生部6基于由位置检测部5检测到的转子4a的位置信息，生成第一波形信号。第一波形发生部6为了保持转速一定，还进行脉冲宽度调制(PWM)占空比控制。由此，能够以基于旋转位置的最佳的占空比，高效地驱动无刷DC电动机4。

频率设定部8固定占空比仅使频率变化来设定频率。频率限制部9在从频率设定部8输入的频率不超过上限频率的情况下，将输入的频率输出到第二波形发生部10，反之，在从频率设定部8输入的频率超过上限频率的情况下，将上限频率输出到第二波形发生部10。

第二波形发生部10基于来自频率限制部9的频率和来自位置检测部5的位置信息，生成用于驱动逆变器3的开关元件3a～3f的第二波形信号。第二波形信号是导电角为120度以上不足180度的矩形波的信号。与第一波形发生部6同样地，因为无刷DC电动机4具有三相绕组，所以需要导电角为120度以上。另一方面，在第二波形发生部10不需要开关元件的接通/切断的间隔，所以取上限为不足180度。考虑位置检测部5检测零交叉(Zero Cross)，适当地设置切断时间。例如，可以在检测零交叉后设置导电角5度的量的切断时间。另外，第二波形信号只要是基于矩形波的波形即可。例如，可以为正弦波或畸变波。另外，本实施方式中，占空比为最大或接近最大的状态(90～100％的固定的占空比)。

速度检测部7基于位置检测部5检测出的位置信息检测无刷DC电动机4的速度(即旋转速度)。例如，通过测量在固定周期发生的来自位置检测部5的信号，能够简单地进行检测。

切换判定部11判定转子4a的旋转速度是低速还是高速，将输入到驱动部12的波形信号切换为第一波形信号或第二波形信号。具体而言，在速度低的情况下选择第一波形信号输出，在速度高的情况下选择第二波形信号输出。在此，旋转速度是高还是低的判定能够基于由速度检测部7检测出的实际的速度进行。另外，速度是高还是低的判定也能够基于设定转速和占空比进行。例如，因为在占空比为最大(一般为100％)的情况下速度最高，所以切换判定部11将波形信号切换为第二波形信号。

驱动部12基于从切换判定部11输出的波形信号，输出指示逆变器3向无刷DC电动机4的三相绕组供给电力的供给时刻的驱动信号。具体而言，驱动信号使逆变器3的开关元件3a～3f为接通或切断(以下记为接通/切断)。由此，向定子4b施加最佳的交流电，使转子4a旋转，驱动无刷DC电动机4。

上限频率设定部13基于第一波形信号设定与驱动无刷DC电动机4时的最大转速(即占空比为100％时的转速)相对应的上限频率。即，基于最大转速设定上限转速，设定对应于该上限转速的上限频率。本实施方式中，上限频率(即无刷DC电动机4的上限转速)对应上述最大转速的1.5倍设定。例如，在最大转速为50r/s的情况下，设定上限转速为75r/s。上限频率设定部13将对应该上限转速75r/s的频率作为上限频率进行设定。另外，该上限频率利用于频率限制部9的频率限制。

该上限频率的设定如下进行。在通过频率设定部8和第二波形发生部10驱动无刷DC电动机4的情况下，无刷DC电动机4被作为转子4a追随逆变器3的换流的同步电动机驱动。因此，由于转子4a相对换流延迟，成为感应电压的相相位相对相电流的相位延迟的状态。即，当以感应电压的相位为基准进行考虑时，以电动机的相电流的相位相对感应电压的相位提前的状态(即弱磁通)驱动无刷DC电动机4。因此，相比第一波形发生部6的占空比100％下的驱动，能够更高速旋转。但是，当该提前角(进角)增大时(即，转子4a相对换流大幅延迟时)，电动机脱离同步，转子失调(脱調，step out)。因此，通过预先设定成上限频率比该引起失调的转速，提高电动机驱动装置22的可靠性。

上限频率变更部14首先检测第二波形发生部10的驱动经过了一定时间(例如30分钟)。接着，上限频率变更部14对切换判定部11作出将无刷DC电动机4的驱动从第二波形发生器10的驱动强制地切换为第一波形发生部6的驱动的指示。另外，上限频率变更部14对上限频率设定部13的上限频率进行再设定。

另外，位置检测部5通过取得例如逆变器3的端子电压而检测转子4a的位置。具体而言，检测出流过逆变器3的回流电流用二极管(例如，二极管3h)的电流的有无，即检测出电流的流向从正切换向负，或从负切换向正的点(即零交叉点)，作为转子4a的位置。另外，位置检测部5的输出相当于输出逆变器3的端子电压相对阈值是高还是低的信号。因此，位置检测部5的输出能够作为以第一波形发生部6为基准的无刷DC电动机4的感应电压的零交叉点利用。

接着，对使用了本实施方式的电动机驱动装置22的电设备进行说明。作为电设备的一例，对冰箱21进行说明。

冰箱21装载有压缩机17，无刷DC电动机4的转子4a的旋转运动通过曲轴(未图示)被转换为往复运动。通过连接于曲轴的活塞(未图示)在气缸(未图示)内进行往复运动，压缩气缸内的制冷剂。即，压缩机17由无刷DC电动机4、曲轴、活塞、气缸构成。

压缩机17的压缩方式(机构方式)能够使用旋转(rotary)型或涡旋(scroll)型等任意方式。本实施方式中，对往复(reciprocal)型的情况进行说明。往复型压缩机17惯性大。因此，在同步驱动压缩机17的无刷DC电动机4的情况下，压缩机17的驱动稳定。

用于压缩机17的制冷剂一般为R134a等，但本实施方式中使用R600a。R600a相比R134a，虽然地球温暖化系数小，但是制冷能力低。本实施方式中，压缩机17由往复型压缩机构成，并且为了确保制冷能力，增大了气缸容积。气缸容积大的压缩机17因为惯性大，所以即使在电源电压降低的情况下，也能通过惯性使无刷DC电动机4旋转。由此，旋转速度的变动减小，能够进行更稳定的同步驱动。但是，气缸容积大的压缩机17由于负载大，所以在现有的电动机驱动装置中难以驱动。本实施方式的电动机驱动装置22因为特别扩大了高负载下的驱动范围，所以最适合驱动使用了R600a的压缩机17。

压缩机17压缩的制冷剂，依次通过冷凝器18、减压器19、蒸发器20，再次返回压缩机17，构成制冷循环。此时，由于在冷凝器18进行放热，在蒸发器20进行吸热，所以能够进行冷却或加热。装载该制冷循环构成冰箱21。在此，作为其它的电设备的例子，空调在空气冷凝器18或蒸发器20具备通风机。

对如上构成的电动机驱动装置22，说明其动作。首先，对无刷DC电动机4的速度低的情况下(低速时)的动作进行说明。图2是本实施方式的电动机驱动装置22的时间图。特别是，图2是使低速时的逆变器3驱动的信号的时间图。使逆变器3驱动的信号是为了设置逆变器3的开关元件3a～3f为接通/切断而从驱动部12输出的驱动信号。在这种情况下，该驱动信号基于第一波形信号得到。第一波形信号基于位置检测部5的输出，从第一波形发生部6输出。

图2中，信号U、V、W、X、Y、Z分别是用于将开关元件3a、3c、3e、3b、3d、3f接通/切断的驱动信号。波形Iu、Iv、Iw分别是定子4b的绕组的U相、V相、W相的电流的波形。在此，低速时的驱动中，基于位置检测部5的信号在每120度的区间依次进行换流。信号U、V、W进行根据PWM控制的占空比控制。另外，如图2所示，U相、V相、W相的电流的波形即波形Iu、Iv、Iw成为锯齿波的波形。在这种情况下，基于位置检测部5的输出以最佳的时刻进行换流。因此，无刷DC电动机4被最高效地驱动。

接着，使用图3对最佳的导电角进行说明。图3是说明本实施方式的电动机驱动装置22的最佳的导电角的图。特别是，图3表示低速时的导电角与效率的关系。图3中，线A表示电路效率，线B表示电动机效率，线C表示综合效率(电路效率A和电动机效率B之积)。如图3所示，当使导电角比120度大时，电动机效率B提高。这是因为，由于导电角变大，电动机的相电流的有效值降低(即功率因数提高)，伴随电动机的铜耗减少而使电动机效率B提高。但是，当设置导电角比120度大时，存在开关次数增加，开关损耗增加的情况。在这样的情况下，电路效率A降低。根据该电路效率A与电动机效率B的关系，存在综合效率C最好的导电角。本实施方式中，130度是综合效率C最好的导电角。

接着，对无刷DC电动机4的速度高的情况(高速时)的动作进行说明。图4是本实施方式的电动机驱动装置22的时间图。特别是，图4是使高速时的逆变器3驱动的驱动信号的时间图。在这种情况下，该驱动信号基于第二波形信号得到。第二波形信号基于频率设定部8的输出，从第二波形发生部10输出。

图4的信号U、V、W、X、Y、Z和波形Iu、Iv、Iw与图2相同。各信号U、V、W、X、Y、Z基于频率设定部8的输出，输出规定频率进行换流。这种情况的导电角为120度以上不足180度。图4表示导电角为150度的情况。通过提高导电角，各相的电流的波形Iu、Iv、Iw拟似地接近正弦波。

通过固定占空比地提高频率，旋转速度相比现有大幅提高。在提高了该旋转速度的状态下，作为同步电动机被驱动，伴随驱动频率的上升，电流也增大。在这种情况下，通过将导电角扩大至不足最大的180度，来抑制峰值电流。因此，无刷DC电动机4即使以更高电流驱动，也能与过电流保护无关地进行动作。

在此，对由第二波形发生部10生成的第二波形信号进行说明。图5是表示同步驱动无刷DC电动机4的情况的，转矩与相位的关系的图。图5中，横轴表示电动机的转矩，纵轴表示以感应电压的相位为基准的相位差，其表示在相位为正的情况下，相对感应电压的相位提前。另外，表示同步驱动的稳定状态的图5的，线D1表示无刷DC电动机4的相电流的相位，线E1表示无刷DC电动机4的端子电压的相位。在此，由于相电流的相位比端子电压的相位提前，所以判定为通过同步驱动以高速驱动无刷DC电动机4。如从图5所示的相电流的相位和端子电压的相位的关系可明确，相对负载转矩，相电流的相位的变化小。另一方面，因为端子电压的相位直线变化，所以与负载转矩相应地，相电流和端子电压的相位差大致线性变化。

像这样，在同步驱动中，无刷DC电动机4的驱动以对应于驱动速度和负载的，适宜的相电流的相位与端子电压的相位的关系稳定。图6表示在这种情况下的端子电压的相位与相电流的相位的关系。特别是，图6是在d-q平面上表示负载的相电流的相位与端子电压的相位的关系的向量图。

在同步驱动中，端子电压向量Vt在负载增加的情况下，一边大小大致保持一定，一边相位向提前方向推移。如果用图6进行说明，则端子电压向量Vt沿箭头F的方向旋转。另一方面，电流向量I在负载增加的情况下，一边相位大致保持一定，一边伴随负载的增加而大小发生变化(例如，伴随负载增加，电流增加)。如果用图6进行说明，则电流向量I沿箭头G的方向延伸。像这样，电压向量和电流向量根据驱动环境(输入电压、负载转矩、驱动速度等)以适宜的状态决定各向量的相位关系。

在此，对在以开环同步驱动无刷DC电动机4的情况下的，某负载或速度的，相位的时间的变化用图进行说明。图7A、图7B是用于说明无刷DC电动机4的相位关系的图。特别是图7A、图7B表示无刷DC电动机4的相电流的相位与端子电压的相位的关系。图7A、图7B中，横轴表示时间，纵轴表示以感应电压的相位为基准的相位(即，与感应电压的相位差)。在两图中，线D2表示相电流的相位，线E2表示端子电压的相位，线H2表示相电流的相位与端子电压的相位的相位差。而且，图7A表示低负载下的驱动状态，图7B表示高负载下的驱动状态。另外，由于根据与感应电压的相位之差，图7A、图7B都是相电流的相位比端子电压的相位提前，所以判断为无刷DC电动机4通过同步驱动进行非常高速的驱动。

如图7A所示，在相对驱动速度负载小的情况下的同步驱动中，转子4a仅延迟相对换流与负载相称的角度的量。即，当从转子4a观察时，换流为提前相位，保持规定的关系。即，当从感应电压观察时，端子电压和相电流的相位为提前相位，保持规定的关系。因为这是与弱磁通控制相同的状态，所以能够进行高速的驱动。

另一方面，如图7B所示，在相对驱动速度负载大的情况下，通过使转子4a相对换流延迟而形成弱磁通状态，转子4a以与换流周期同步的方式进行加速。之后，通过转子4a的加速，根据端子电压的提前相位的减少，相电流减少，转子4a减速。反复该状态，转子4a反复进行该加速和减速。由此，其结果为驱动状态(驱动速度)不稳定。即，如图7B所示，相对以固定周期进行的换流，无刷DC电动机4的旋转发生变动。因此，在以感应电压的相位为基准的情况下，端子电压的相位变动。在这样的驱动状态下，无刷DC电动机4的旋转发生变动，随之产生波动音。另外，因为电流脉动，所以判断为过电流，产生停止无刷DC电动机4的可能性。

因此，在开环同步驱动无刷DC电动机4的情况下，在负载小的状态下，无刷DC电动机4被稳定驱动，但是在负载大的状态下，产生如上所述的问题。即，在开环同步驱动无刷DC电动机4的情况下，不能进行高速/高负载下的驱动，不能扩大驱动范围。

于是，本实施方式的电动机驱动装置22以将相电流的相位和端子电压的相位保持在图5所示的与负载相称的相位关系的状态下，驱动无刷DC电动机4。下面叙述保持这种相电流的相位与端子电压的相位的相位关系的方法。

电动机驱动装置22检测端子电压的基准相位(即驱动信号的换流基准位置)和相电流的相位的基准点，并基于此对开环的同步驱动的换流时刻(固定周期的换流)进行修正，决定保持了相电流的相位与端子电压的相位的相位关系的换流时刻。具体而言，第二波形发生部10决定保持了上述相位关系的换流时刻。端子电压的基准相位对应于位置检测部5检测的转子4a的位置。因此，基于该换流时刻生成的波形即第二波形信号，成为与位置检测部检测出的转子的位置有规定关系的波形。第二波形发生部10将生成的第二波形信号向驱动部12输出。用图8的流程图对该第二波形发生部10的动作进行说明。

首先，在步骤101，判断某开关元件是否为接通，即等待该开关元件的接通时刻。本实施方式中，等待U相上侧的开关元件即逆变器3的开关元件3a的接通时刻。在开关元件3a为接通的情况下(步骤101的“是(Yes)”)，进入步骤102。在步骤102使计时用的定时器启动，进入步骤103。

在步骤103，通过位置检测部5判定特定相的峰值(spike)是否切断。即，判定特定相的峰值电压是否从端子电压降低开关元件的电压降低量，且是否从此降低至0V附近。本实施方式中，特定相是U相，判定U相的端子电压是否降低至0V附近。即，在切断U相下侧的开关元件即逆变器3的开关元件3b后，回流电流用二极管3g中流过的电流不流动的时刻为特定相进行了峰值切断的时刻。该时刻的判定是判定电流流动的流向从负切换到正的时刻即电流零交叉时刻。在峰值电压降低至0V附近即特定相进行了峰值切断的情况下(步骤103的“是”)，进入步骤104。

在步骤104中，使在步骤102启动的定时器停止，储存定时器计数值，进入步骤105。即，测量从接通开关元件3a开始直到电流流过回流电流用二极管3g期间发生的峰值电压切断为止的时间，进入步骤105。

在步骤105，计算在步骤104测量的时间与至此的平均时间的差值，进入步骤106。在步骤106，基于在步骤105计算的差值，运算换流时刻的修正量，进入步骤107。

在此，所谓换流时刻的修正，是指相对由频率设定部8设定的频率即基于指令速度的基本的换流周期，修正换流时刻。因此，在附加大的修正量的情况下，会引起过电流或失调。因此，在运算修正量时，在附加低通滤波器等的基础上进行运算，抑制换流时刻的急剧的变动。由此，即使在由噪声等影响而误检测出电流零交叉的情况下，对修正量的影响也变小，驱动的稳定性进一步提高。而且，因为修正量的运算中抑制了急剧的变化，所以使无刷DC电动机4加减速的换流时刻的变化也变得缓慢。因此，即使在指令速度大幅变更，频率设定部8的频率(换流周期)大幅改变的情况下，换流时刻的变化也变得缓慢，加减速变得平滑。

具体而言，该换流时刻的修正是指使相电流的相位与端子电压相位的相位差总是接近平均时间。例如，如果由于负载变大而转子4a的旋转速度降低，则相电流的相位当以端子电压的相位为基准时向延迟方向移动。因此，相比从端子电压的基准相位到相电流的基准相位的平均时间，在步骤104计量的时间变长。在这种情况下，第二波形发生部10对换流时刻进行修正，以使换流时刻比基于旋转速度(转速)的换流周期的时刻延迟。即，因为由于相电流的相位延迟而测量时间增长，所以第二波形发生部10使换流时刻延迟并使端子电压的相位延迟，使与相电流的相位的相位差接近平均时间。

反之，如果通过负载变小而转子4a的旋转速度提高，则相电流的相位当以端子电压的相位为基准时向提前方向移动。因此，相比从端子电压的基准相位到相电流的基准相位的平均时间，测量时间缩短。在这种情况下，第二波形发生部10对换流时刻进行修正，以暂时使设置换流时刻比基于转速的换流周期的时刻快。即，因为通过相电流的相位变快而使测量时间变短，所以第二波形发生部10将换流时刻提前使端子电压的相位提前，使相电流的相位的相位差接近平均时间。

进一步，第二波形发生部10将换流时刻的修正作为特定相(例如，只是U相上侧的开关元件)的任意时刻(例如，转子4a的一转一次)，其它相的换流以基于作为目标的转速的换流周期时序地(時間的に)进行。由此，根据负载最佳地保持相电流的相位与端子电压的相位的相位关系，保持无刷DC电动机4的驱动速度。

接着，在步骤107，加上在步骤104测量的时间，更新平均时间，进入步骤108。在步骤108，相对基于在频率设定部8设定的频率(驱动速度)的开关元件的换流周期，通过附加修正量决定换流时刻。

即，通过对由频率设定部8设定的频率附加修正量，以电流相位为基准决定换流时刻，以使相电流的相位与端子电压的相位总是为平均相位差。因此，在负载变大的情况下，作为相电流的相位与换流时刻之差的相位差变小。与之相对地，相比作为修正的基准的平均时间变小、负载变大之前，以相位差变小的状态为基准驱动无刷DC电动机4。由此，通过以更大的提前角驱动无刷DC电动机4，提高弱磁效应，而使输出转矩增大，确保必要的输出转矩。

反之，在负载变小的情况下，作为相电流的相位和换流时刻之差的相位差变大。与之相对地，相比作为修正的基准的平均时间变大、负载变小之前，以相位差变大的状态为基准驱动无刷DC电动机4。由此，通过以更小的提前角驱动无刷DC电动机4，降低弱磁效应，而使输出转矩减小，不输出必要以上的转矩。如上所述，确保必要的输出，并且进行没有多余的输出的驱动。

另一方面，在步骤103，在特定相的峰值没有切断的情况下(步骤103的“否(No)”)，进入步骤109。在步骤109，判断某开关元件是否接通，即是否进行了换流。在此，某开关元件是指在可产生峰值的区间结束的时刻，开关元件的接通/切断变化的开关，在本实施方式中是U相上侧的开关元件3a。在此，在开关元件3a未接通的情况下(步骤109的“否”)，再次返回步骤103。在开关元件3a接通的情况下(步骤109的“是”)，因为没有产生峰值，所以进入步骤110。在步骤110，换流时刻的修正量取为0，进入步骤108。在这种情况下，因为修正量为0，所以在步骤108，基于转速的换流周期的时刻直接被决定为下次的换流时刻。

另外，所谓峰值未发生的状态，是指相对端子电压的相位，相电流的相位充分提前的状态。即，因为负载小、充分确保了必要的转矩，所以是不进行修正地稳定驱动无刷DC电动机4的状态。

另一方面，在步骤101，在某开关元件(本实施方式中为开关元件3a)未接通的情况下(步骤101的“否”)，进入步骤111。在步骤111，换流时刻的修正量取为0，进入步骤108。在这种情况下，因为修正量为0，所以在步骤108，基于转速的换流周期的时刻被决定为下次的换流时刻。

另外，本实施方式中，因为只在U相上侧的开关元件3a的接通时刻进行换流周期的修正，所以对在电角1周期中1次的修正的情况进行说明。但是，只要考虑电动机驱动装置22的用途和无刷DC电动机4的惯性等设定修正的时刻即可。例如，也可以进行转子4a的1转1次的修正，或电角1周期中2次的修正、每次各开关元件接通的时刻的修正。

接着，对切换判定部11的切换动作进行说明。图9是表示本实施方式的无刷DC电动机4的，转速与占空比的关系的图。

图9中，在无刷DC电动机4的转速即转子4a的转速为50r/s以下的情况下，基于第一波形发生部6的第一波形信号驱动无刷DC电动机4。通过反馈控制，根据转速将占空比调整为最高效的值。

转速为50r/s且占空比为100％，基于第一波形发生部6的驱动不能在此以上旋转。即，达到界限。在该状态下，上限频率设定部13基于该50r/s，将其1.5倍即75r/s设定为上限频率(上限转速)。当超越频率设定部8设定的75r/s时，频率限制部9依照该上限频率75r/s，不输出在此以上的频率。另外，在转速50r/s到75r/s之间，固定占空比，只提高频率(即换流周期)，驱动无刷DC电动机4。

接着，对上限频率变更部14的动作进行说明。本实施方式的电动机驱动装置22适用于驱动装载于冰箱21或空调等的压缩机17的无刷DC电动机4的情况。这是因为，电动机驱动装置22能够在宽的驱动范围下驱动转矩小且高效率的无刷DC电动机4。例如，在冰箱21的箱内温度稳定，无刷DC电动机4的旋转可为低速的情况下，能够进行高效率的驱动。另一方面，即使是在箱内温度变高，需要高速的驱动的情况下也能够应付。这与空调的情况也相同。

在此，冰箱21或空调等的压缩机17虽然很少负载急剧变化，但是存在经过长时间负载发生变化的情况。在这种情况下，需要变更上限频率。下面，对这种情况下的动作进行说明。

图10是本实施方式的电动机驱动装置22的，转速和占空比的时间图。在图10中，在时刻t0启动无刷DC电动机4。在此，无刷DC电动机4的目标转速取为80r/s。无刷DC电动机4基于位置检测部5和第一波形发生部6的反馈控制，提高占空比进行驱动，随之转速也上升。

在时刻t1，占空比最大，为100％，在基于位置检测部5和第一波形发生部6的反馈控制的驱动下，不能更高地提高转速。这种情况的无刷DC电动机4的转速为50r/s。上限频率设定部13基于该转速即50r/s，设定对应其1.5倍即75r/s的上限频率。

在时刻t1，切换判定部11将无刷DC电动机4的驱动从位置检测部5和第一波形发生部6的驱动切换到频率设定部8和第二波形发生部10的驱动。之后，通过固定占空比(100％)提高频率设定部8的频率，提高无刷DC电动机4的转速。像这样，从时刻t1到时刻t2期间，转速上升。在时刻t2，目标转速也如最初为80r/s，但上限频率设定部13设定的上限频率为对应于转速75r/s的频率。因此，通过频率限制部9限制转速为75r/s。

接着，在从时刻t2经过了一定时间(例如，30分钟)的时刻t3，在冰箱21等的情况下，负载可能改变。因此，通过如下所述的方式进行最大转速的确认和上限频率的再设定。

首先，上限频率变更部14检测从时刻t2经过了一定时间(本实施方式的情况下为30分钟)。接着，上限频率变更部14对切换判定部11作出将无刷DC电动机4的驱动从第二波形发生部10的驱动切换到第一波形发生部6的驱动的指示。在这种情况下，无刷DC电动机4因为被第一波形发生部6驱动，所以转速下降。速度检测部7检测此时的转速，这是通过第一波形发生部6可驱动的最大转速。

相比时刻t2的负载，在时刻t3的负载变小的情况下，通过上限频率变更部14被切换为第一波形发生部6的驱动的时刻的无刷DC电动机4的转速(最大转速)，相比时刻t1的转速上升。本实施方式中，确认该最大转速为55r/s，其相比时刻t1的转速50r/s上升。基于该最大转速，上限频率设定部13再设定上限频率。即，设定对应于55r/s的1.5倍即82.5r/s的上限频率。

之后，与从时刻t1到时刻t2的驱动同样地，切换判定部11通过切换为频率设定部8和第二波形发生部10的驱动，再次提高频率设定部8的频率，由此提高转速。这次，因为对应于上限频率的转速为82.5r/s，所以无刷DC电动机4以最初的目标转速80r/s继续驱动。通过这样的方式，通过对负载的变动每一定时间再次检测负载，再设定上限频率，进行对应于负载的最佳的驱动。

接着，对本实施方式的无刷DC电动机4的构造进行说明。图11是本实施方式的无刷DC电动机4的转子的，表示相对旋转轴垂直截面的截面图。

转子4a由铁心4g和4个磁铁4c～4f构成。铁心4g通过重叠将0.35～0.5mm程度的薄的硅钢板冲压的板而构成。磁铁4c～4f常用圆弧形状的铁酸盐类永久磁铁，如图所示，圆弧形状的凹部以朝向外方的方式中心对称配置。另一方面，作为磁铁4c～4f，在使用钕等稀土类永久磁铁的情况下，也存在平板形状的情况。

这种构造的转子4a中，将从转子4a的中心朝向一个磁铁(例如，4f)的中央的轴设为d轴，将从转子4a的中心朝向一个磁铁(例如，4f)和与之邻接的磁铁(例如，4c)之间的轴设为q轴。d轴方向的电感Ld和q轴方向的电感Lq具有逆显极性(逆突極性)，是不同的。即，作为电动机，除了磁铁的磁通的转矩(磁铁转矩)以外，也能有效使用利用逆显极性的转矩(磁阻转矩)。因此，作为电动机，能够更有效地利用转矩。其结果是，本实施方式能够得到高效的电动机。

另外，在本实施方式的控制中，在进行频率设定部8和第二波形发生部10的驱动时，相电流为提前相位。因此，由于大为利用磁阻转矩，所以相比没有逆显极性的电动机，能够以更高的转速进行驱动。

另外，本实施方式的无刷DC电动机4具有在铁心4g埋入永久磁铁4c～4f而成的转子4a，且具有显极性。另外，除了永久磁铁的磁铁转矩以外，使用显极性引起的磁阻转矩。由此，不仅提高低速时的效率，而且进一步提高高速驱动性能。另外，如果永久磁铁采用钕等稀土类磁铁增大磁铁转矩的比例，或增大电感Ld、Lq之差来增大磁阻转矩的比例，则能够通过改变最佳的导电角来提高效率。

接着，将本实施方式的电动机驱动装置22用于冰箱21或空调，对驱动压缩机17的情况进行说明。根据现有的电动机驱动装置，为了对应高速/高负载下的驱动，需要利用通过减少绕组的卷绕数来确保必要转矩的无刷DC电动机。这样的无刷DC电动机，电动机的噪音很大。若使用本实施方式的电动机驱动装置22，则即使利用增加绕组的卷绕量来减小转矩的无刷DC电动机4，也能够以高速/高负载进行驱动。由此，转速低的情况的占空比能够比使用现有的电动机驱动装置的情况大。因此，能够降低电动机的噪音，特别是载波噪声(相当于PWM控制下的频率。例如，3kHz)。

另外，通过使压缩机17为往复压缩机，因为惯性更大、高速下的转矩脉动更小，所以能够稳定地在高速下动作。另外，在将压缩机17装载于冰箱21的情况下，因为冰箱21负载的变动不急剧，所以相电流的相位和端子电压的相位的相位差的变化小，能够进行更稳定的驱动。

另外，通过频率限制部9，不在驱动界限以上进行驱动，所以能够确保高速驱动的可靠性。由此，无刷DC电动机4不会因失调等而停止。特别是冰箱21由于保管食品，所以需要经常冷却箱内，能够防止由于压缩机17的预料外的停止而箱内不变冷的情况。

另外，因为通过上限频率变更部14，能够再设定上限频率，所以即使在由于经过时间而负载变化的情况下，也能够再设定为适宜的最高转速。冰箱21和空调等的冷却系统的压缩机17的驱动，负载的变化非常缓慢。因此，也不需要频繁修正最大转速，而通过经过一定的时间来修正最大转速是有效的。

此外，在使用本实施方式的电动机驱动装置22驱动空调器的压缩机17的情况下，进一步能够在从供冷时的最低负载到供热时的最大负载，对应更宽的驱动范围，并且尤其能够降低额定以下的低负载的消耗电力。

本发明的电动机驱动装置是驱动包括转子和具有三相绕组的定子的无刷DC电动机的电动机驱动装置。另外，本发明具有向三相绕组供给电力的逆变器和取得无刷DC电动机的端子电压的端子电压取得部。此外，本发明具有输出导电角为120度以上150度以下的波形的第一波形信号的第一波形发生部。而且，本发明具有固定占空比只使频率改变地设定频率的频率设定部。另外，本发明具有输出与端子电压取得部取得的端子电压具有规定关系的波形且在由频率设定部设定的频率下导电角为120度以上不足180度的波形的第二波形信号的第二波形发生部。而且，本发明具有进行切换以使在判定为转子的速度比规定速度低的情况下输出第一波形信号，在判定为转子的速度比规定速度高的情况下输出第二波形信号的切换判定部。而且，本发明具有基于从切换判定部输出的第一或第二波形信号，将指示逆变器向三相绕组供给电力的供给时刻的驱动信号输出到逆变器的驱动部。

由此，能够确保用于以规定的速度驱动无刷DC电动机所需的转矩，能够进一步提高同步驱动的高速下的驱动的稳定性。

另外，本发明中，第一波形发生部还具备检测转子的位置的位置检测部，基于从位置检测部输出的转子的位置，输出第一波形信号。由此，边通过位置检测部检测无刷DC电动机的转子的相对位置边进行速度反馈控制，所以能够高效率地驱动电动机驱动装置。

另外，本发明中，位置检测部通过检测端子电压取得部取得的端子电压的零交叉点进行转子的位置的检测。由此，能够采用将转子的位置检测转换为端子电压的零交叉点检测这种廉价的结构。

另外，本发明还具有频率限制部，其被输入频率设定部设定的频率，在频率为上限频率以下的情况下将输入的频率向第二波形发生器输出，在频率超过上限频率的情况下将上限频率向第二波形发生部输出。由此，防止驱动界限以上的驱动，所以能够确保高速驱动下的可靠性。另外，由此，能够防止由于失调等引起的停止而将冰箱等的冷却进行非预期的停止而不制冷的情况。

另外，本发明还具有上限频率设定部，其基于第一波形信号的最大频率设定上限频率并输出到频率限制部。由此，即使在由于时间的经过而负载变化的情况下，也能够进行对应于驱动状沉的适宜的最大驱动频率的设定，能够最大限地利用对应于负载的高速驱动能力。

另外，本发明还具有上限频率变更部，其在从进行第二波形信号的驱动经过规定时间后，通过暂时从第二波形信号的驱动切换为第一波形信号的驱动，再次设定上限频率。由此，即使由于时间的经过而负载变化，也能够再次设定为适宜的最大转速。

另外，本发明中，无刷DC电动机的转子通过在铁心埋入永久磁铁而构成，而且具有显极性。由此，除了永久磁铁的磁铁转矩以外，能够使用显极性带来的磁阻转矩，能够进一步提高低速时的效率和高速驱动性能。

另外，本发明中，无刷DC电动机驱动压缩机。由此，利用增加绕组的缠绕量降低转矩的无刷DC电动机，能够降低电动机的噪音，特别是伴音。

另外，本发明中，压缩机是往复压缩机。由此，由于惯性更大，高速下的转矩波动更小，所以能够使其稳定地在高速下动作。

另外，本发明中，压缩机所使用的制冷剂是R600a。由此，为了得到冷冻能力，增大气缸容积，从而惯性增大，而且，能够进行因速度和负载而难以变动的稳定的驱动。

另外，本发明是使用上述结构的电动机驱动装置的电设备。由此，在作为电设备用于冰箱的情况下，因为负载变动不急剧，所以能够进行更稳定的驱动。另外，在作为电设备用于空调器的情况下，能够对应从供冷时的最低负载到供热时的最大负载的宽幅度的驱动范围，并且特别地能够降低额定电压以下的低负载下的耗电。

产业上的可利用性

本发明的电动机驱动装置实现无刷DC电动机的高速/高负载下的驱动的稳定性，并且扩大驱动范围。由此，不仅能够适用于冰箱或空调器，还能够适用于自动售货机或陈列橱、热泵供水器的压缩机的高效率化。另外，也可以适用于洗衣机或吸尘器、泵等使用无刷DC电动机的电设备的节能化。

附图符号说明

3逆变器

4无刷DC电动机

4a转子

4b定子

4c、4d、4e、4f磁铁(永久磁铁)

4g铁心

5位置检测部(端子电压取得部)

6第一波形发生部

8频率设定部

9频率限制部

10第二波形发生部

11切换判定部

12驱动部

13上限频率设定部

14上限频率变更部

17压缩机

21冰箱(电设备)

22电动机驱动装置

Claims (11)

1.一种电动机驱动装置，其驱动包括转子和具有三相绕组的定子的无刷DC电动机，该电动机驱动装置的特征在于，包括：

逆变器，其由三相桥接的开关元件和与各个所述开关元件分别连接的回流用二极管构成，向所述三相绕组供给电力；

端子电压取得部，其取得所述无刷DC电动机的端子电压；

第一波形发生部，其输出导电角为120度以上150度以下的波形的第一波形信号；

频率设定部，其固定占空比只使频率改变地设定频率；

第二波形发生部，其输出与所述端子电压取得部取得的所述端子电压具有规定的相位关系的波形且在由所述频率设定部设定的频率下导电角为120度以上不足180度的波形的第二波形信号；

切换判定部，其进行切换，以使在判定为所述转子的速度比规定速度低的情况下输出所述第一波形信号，在判定为所述转子的速度比所述规定速度高的情况下输出所述第二波形信号；和

驱动部，其基于从所述切换判定部输出的第一或第二波形信号，将指示所述逆变器向所述三相绕组供给电力的供给时刻的驱动信号输出到所述逆变器，

根据所述端子电压取得部取得的、构成所述逆变器的开关元件中的特定的开关元件切断后在所述回流用二极管中的与所述特定的开关元件连接的回流用二极管中流过电流的、电压的峰值期间与峰值期间的平均值的差，对由所述频率设定部设定的所述频率进行修正。

2.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

还具备检测所述转子的位置的位置检测部，所述第一波形发生部基于从所述位置检测部输出的所述转子的位置，输出所述第一波形信号。

3.如权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于：

所述位置检测部通过检测所述端子电压取得部取得的所述端子电压的零交叉点进行所述转子的位置的检测。

4.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

还具有频率限制部，其被输入所述频率设定部设定的频率，在所述频率为上限频率以下的情况下将所述输入的频率向所述第二波形发生部输出，在所述频率超过上限频率的情况下将所述上限频率向所述第二波形发生部输出。

5.如权利要求4所述的电动机驱动装置，其特征在于：

还具有上限频率设定部，其基于所述第一波形信号的最大频率设定所述上限频率并输出到所述频率限制部。

6.如权利要求5所述的电动机驱动装置，其特征在于：

还具有上限频率变更部，其在从进行所述第二波形信号的驱动经过规定时间后，通过暂时从所述第二波形信号的驱动切换为所述第一波形信号的驱动，再次设定所述上限频率。

7.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

所述无刷DC电动机的转子通过在铁芯埋入永久磁铁而构成，而且具有显极性。

8.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

所述无刷DC电动机驱动压缩机。

9.如权利要求8所述的电动机驱动装置，其特征在于：

所述压缩机是往复压缩机。

10.如权利要求8所述的电动机驱动装置，其特征在于：

所述压缩机所使用的制冷剂是R600a。

11.一种电设备，其特征在于：

具备由权利要求1～6中任一项所述的电动机驱动装置驱动的无刷DC电动机。