CN103684123A - 电动机控制装置及电动机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机控制装置及电动机控制方法，根据电动机的转速使效率最优化。电动机控制装置（100）具有通电模式输出部（150）和逆变电路（130）。通电模式输出部（150）循环地输出多个通电模式。逆变电路（130）按照所输出的通电模式选择性地连接电动机（M）所具有的各线圈（Lu、Lv、Lw）与整流电路（110）。通电模式输出部（150）根据电动机（M）的转速使通电模式的输出定时延迟。

Description

电动机控制装置及电动机控制方法

技术领域

本发明涉及能够根据电动机的转速使效率最优化的电动机控制装置及电动机控制方法。

背景技术

以往，风扇电动机使用能够进行大范围的速度控制的无刷电动机。无刷电动机如下述专利文献1中所公开，具有多个霍尔元件，并使用霍尔元件所输出的信号来检测转子的旋转位置。

无刷电动机中的定子线圈的通电模式根据转子的旋转位置来确定。在此，通电模式是指按照转子的旋转位置来表示与电源连接的定子线圈以及在与电源连接的定子线圈中流过的电流的方向的模式。定子线圈以根据转子的旋转位置所确定的通电模式被通电。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002－191186号公报

发明内容

本发明所要解决的问题

然而，若从多个霍尔元件中的某一霍尔元件输出的信号发生变化，则定子线圈的通电模式同时发生改变。通常，从霍尔元件输出的信号发生变化的定时随着转子的转速减慢而提前。

因此，在以往的无刷电动机中，转速越低，由霍尔元件进行的转子的位置检测定时越提前，通电模式在比最优的切换定时更早的时间被切换。因此，在低速的转速区域中，在定子线圈中产生的磁力难以被转子有效地利用，导致效率下降，针对输出的消耗电力增加。

为了补偿在低速的转速区域中产生的检测转子位置的定时的偏移，可考虑使霍尔元件的配置向转子的旋转方向偏移与该定时的偏移量相对应的量。但是，这样的话，可变速运转的风扇电动机的效率则无法根据其转速始终进行最优化。

本发明是为了消除如上所述的以往的技术的不良情况而做出的，其目的是提供一种能够根据电动机的转速使效率最优化的电动机控制装置及电动机控制方法。

用于解决问题的手段

用于实现上述目的的本发明涉及的电动机控制装置具有通电模式输出部以及逆变电路。

通电模式输出部循环地输出多个通电模式。逆变电路按照所输出的通电模式选择性地连接电动机所具有的各线圈与电源。通电模式输出部根据电动机的转速使通电模式的输出定时延迟。

在本发明涉及的电动机控制装置中，电动机的转速越慢，越使从当前的通电模式向下一个通电模式的切换延迟，从而以与其转速相对应的最优的效率使电动机旋转。

用于实现上述目的的本发明涉及的电动机控制方法包括：根据电动机的转子的旋转位置来选择通电模式的第一步骤；运算转子的转速的第二步骤；根据转子的转速来运算延迟时间的第三步骤；以及将选择出的通电模式延迟所运算出的延迟时间而输出的第四步骤，所述电动机控制方法重复进行第一步骤至第四步骤并使电动机连续地旋转。

与上述的电动机控制装置同样地，在本发明涉及的电动机控制方法中，电动机的转速越慢，越使从当前的通电模式向下一个通电模式的切换延迟，从而以与其转速相对应的最优的效率使电动机旋转。

发明效果

根据以上述方式构成的本发明，由于根据电动机的转速使通电模式的输出定时延迟，因此能够根据电动机的转速使效率最优化。

附图说明

图1是本实施方式涉及的电动机控制装置的结构图。

图2是示出图1所示的通电模式输出部的结构的框图。

图3是用于说明图1所示的传感器部所输出的信号的图。

图4是用于说明通电模式和传感器部所输出的信号之间的关系的图。

图5是用于说明通电模式和定子线圈的通电方向之间的关系的图。

图6是用于说明通电模式的输出定时的图。

图7是本实施方式涉及的电动机控制装置的动作流程图。

图8是以往的电动机控制装置的特性和本实施方式涉及的电动机控制装置的特性的测量结果。

图9是对图8的测量结果进行可视化后的曲线图。

图10是以往的电动机控制装置和本实施方式涉及的电动机控制装置分别在相同的条件下驱动相同的电动机时的电流波形图。

附图标记说明

100：电动机控制装置

110：整流电路

120：交流电源（三相）

130：逆变电路

140A、140B、140C：臂电路

142A、142B、142C：连接线

145：驱动电路

150：通电模式输出部

152：转速运算部

154：延迟时间运算部

156：通电模式选择部

158：通电模式输出定时调整部

C：平滑电容器

TR1～TR6：晶体管

H1、H2、H3：传感器部

具体实施方式

以下，对本发明涉及的电动机控制装置和电动机控制方法的实施方式进行说明。

〔电动机控制装置的结构〕

图1是本实施方式涉及的电动机控制装置的结构图。

电动机控制装置100具有：包括平滑电容器C的整流电路110；以及与电动机M连接的逆变电路130。

如图所示，整流电路110具有桥接的六个二极管D1～D6，六个二极管D1～D6对从交流电源（三相）120流出的电流进行全波整流。被六个二极管D1～D6进行了全波整流的电流通过平滑电容器C被进行平滑化，由此全波整流后的直流电流的脉动下降。整流电路110构成电动机M的电源。

逆变电路130与整流电路110并联连接。逆变电路130具有对由整流电路110整流后的直流电流进行转换的三个臂电路140A、140B、140C。

臂电路140A串联连接一对晶体管TR1和TR4，并将电动机M的定子线圈Lu与一对晶体管TR1和TR4彼此之间的连接线142A连接。臂电路140B串联连接一对晶体管TR2和TR5，并将电动机M的定子线圈Lw与一对晶体管TR2和TR5彼此之间的连接线142B连接。臂电路140C串联连接一对晶体管TR3和TR6，并将电动机M的定子线圈Lv与一对晶体管TR3和TR6彼此之间的连接线142C连接。

三个臂电路140A、140B、140C与整流电路110的平滑电容器C并联连接。在六个晶体管TR1、TR4、TR2、TR5、TR3、TR6的集电极－发射极之间反向连接有二极管D。在六个晶体管TR1、TR4、TR2、TR5、TR3、TR6的栅极上分别连接有对这些晶体管进行转换的驱动电路145。

本实施方式中例示的电动机M是无刷电动机。电动机M的定子MS具有星形连接的三个定子线圈Lu、Lv、Lw。电动机M的转子MR具有分成N极和S极两个极而磁化的圆筒形的磁铁，并利用由定子线圈Lu、Lv、Lw形成的磁场进行旋转。

在转子MR的周围，沿着转子MR的旋转方向配置有三个传感器部H1、H2、H3。三个传感器部H1、H2、H3以保持120°的相位差的方式被配置。传感器部H1、H2、H3例如如图3所示，在与转子MR的N极相对时输出高电平信号，在与其S极相对时输出低电平信号。在N极和S极的边界，高电平信号和低电平信号被切换。传感器部H1、H2、H3作为检测转子MR的旋转位置的旋转位置检测传感器发挥功能。此外，传感器部H1、H2、H3在本实施方式中设定为霍尔元件。但是，也可以使用霍尔元件以外的传感器，只要能够检测转子MR的旋转位置即可。也可以将定子线圈Lu、Lv、Lw设为旋转位置检测传感器而代替传感器部。

传感器部H1、H2、H3还能够检测转子MR的转速。传感器部H1、H2、H3输出与转子MR的转速相对应的脉宽的脉冲信号。传感器部H1、H2、H3还作为检测转子MR的转速的转速检测传感器发挥功能。

电动机控制装置100包括通电模式输出部150，传感器部H1、H2、H3与通电模式输出部150连接。通电模式输出部150向各个驱动电路145循环地输出多个通电模式。通电模式输出部150根据电动机M的转速使通电模式的输出定时延迟。更具体而言，电动机M的转速越慢，通电模式输出部150使通电模式的输出定时延迟更多的时间。此外，逆变电路130按照通电模式选择性地连接电动机M所具有的各定子线圈Lu、Lv、Lw与整流电路110。

通电模式是按照转子MR的旋转位置来表示与整流电路110连接的定子线圈Lu、Lv、Lw以及在与整流电路110连接的定子线圈Lu、Lv、Lw中流过的电流的方向的模式。后面将对通电模式的具体例进行详细说明。

图2是表示图1所示的通电模式输出部150的结构的框图。通电模式输出部150具有转速运算部152、延迟时间运算部154、通电模式选择部156、以及通电模式输出定时调整部158。

转速运算部152基于由传感器部H1、H2、H3输出的脉冲信号来运算转子MR的转速。

延迟时间运算部154根据运算出的转子MR的转速来运算用于使通电模式的输出定时延迟的延迟时间。延迟时间运算部154具有记录了转子MR的转速和针对转子MR的转速的延迟时间的表格。在转子MR的转速为额定转速时，延迟时间为0，转子MR的转速每次从该额定转速以一定比例减少时，延迟时间每次增加tmsec。因此，延迟时间运算部154随着转子MR的转速从额定转速减慢，阶段性地延长延迟时间。

此外，延迟时间运算部154也可以不具有如上所述的表格，而是运算与转子MR的转速相应的延迟时间。在这种情况下，延迟时间运算部154随着转子MR的转速从额定转速变慢，连续地延长延迟时间。

通电模式选择部156根据由三个传感器部H1、H2、H3所检测出的转子MR的旋转位置来选择通电模式。

如图3所示，三个传感器部H1、H2、H3根据转子MR的旋转位置，分别输出高电平、低电平的信号。通电模式选择部156输入由三个传感器部H1、H2、H3分别输出的高电平、低电平的信号，并识别转子MR的旋转位置。三个传感器部H1、H2、H3各自输出相位偏移了120°电角的高电平、低电平的信号，因此通电模式选择部156能够每隔60°识别转子MR的旋转位置。

例如，在传感器部H1输出低电平信号、传感器部H2输出低电平信号、传感器部H3输出高电平信号时，通电模式选择部156选择通电模式1。另外，在传感器部H1输出高电平信号、传感器部H2输出高电平信号、传感器部H3输出低电平信号时，通电模式选择部156选择通电模式4。

三个传感器部H1、H2、H3分别输出的高电平、低电平的信号的组合如图4所示，有六种模式。与这六种模式的每个模式相对应，设定有通电模式1～6。因此，通电模式选择部156能够通过识别由三个传感器部H1、H2、H3所检测出的转子MR的旋转位置，来选择与转子MR的旋转位置相对应的通电模式。通电模式按照1、2、3、4、5、6、1、2、…的顺序转移。通电模式从1变到6时，转子MR旋转1转。因此，转子MR每旋转1转，通电模式选择部156使通电模式1～6循环而进行选择。

图5是用于说明通电模式和定子线圈的通电方向之间的关系的图。如图所示，在从通电模式输出定时调整部158输出通电模式1的情况下，通电方向为U＋、V－。因此，图1所示的晶体管TR1和TR5通过驱动电路145被转换，在从整流电路110至晶体管TR1、定子线圈Lu、定子线圈Lw、晶体管TR5以及整流电路110的闭合电路中流通有电流。另外，在从通电模式输出定时调整部158输出通电模式2的情况下，通电方向为U＋、W－。因此，晶体管TR1和TR6通过驱动电路145被转换，在从整流电路110至晶体管TR1、定子线圈Lu、定子线圈Lv、晶体管TR6以及整流电路110的闭合电路中流通有电流。另外，在从通电模式输出定时调整部158输出通电模式3的情况下，通电方向为V＋、W－。因此，晶体管TR2和TR6通过驱动电路145被转换，在从整流电路110至晶体管TR2、定子线圈Lw、定子线圈Lv、晶体管TR6以及整流电路110的闭合电路中流通有电流。对于通电模式4～6也是同样的，在以与通电模式1～3同样的构思形成的闭合电路中流通有电流。此外，形成闭合电路的晶体管通过驱动电路145被进行PWM控制。

通电模式输出定时调整部158使由通电模式选择部156选择出的通电模式延迟由延迟时间运算部154运算出的延迟时间量，并输出至逆变电路130。例如，如图7所示，在将通电模式从1向2切换的情况下，在转子MR的转速为高速时，在不使通电模式2的指示延迟的情况下将通电模式输出至驱动电路145。在转子MR的转速为中速时，使通电模式2的指示延迟t1msec后输出至驱动电路145。在转子MR的转速为低速时，使通电模式2的指示延迟t2msec后输出至驱动电路145。将通电模式从2向3等切换的情况也是同样的。

〔电动机控制装置的动作〕

接下来，对图1所示的电动机控制装置100的动作进行说明。图7是电动机控制装置100的动作流程图。此外，该动作流程图的处理步骤表示电动机控制方法的步骤。

首先，通电模式选择部156从三个传感器部H1、H2、H3的信号中选择通电模式。由于三个传感器部H1、H2、H3的信号的组合表示转子MR的旋转位置，因此通电模式选择部156将根据转子MR的旋转位置选择通电模式(步骤S100)。

接下来，转速运算部152基于由三个传感器部H1、H2、H3所输出的脉冲信号来运算转子MR（电动机M）的转速（步骤S101）。

延迟时间运算部154基于由转速运算部152运算出的转子MR（电动机M）的转速，运算用于调整输出通电模式的定时的延迟时间（步骤S102）。

通电模式输出定时调整部158使由通电模式选择部156选择出的通电模式延迟由延迟时间运算部154运算出的延迟时间后，将通电模式输出。例如，如图6所示，在转子MR的转速为中速的情况下，与转子MR的转速为高速的情况相比，使通电模式延迟t1msec后，将通电模式输出，在转子MR的转速为低速的情况下，与转子MR的转速为高速的情况相比，使通电模式延迟t2msec后，将通电模式输出。当使通电模式的输出延迟时，由逆变电路130进行的通电模式的切换被延迟，因此，能够消除由传感器部H1、H2、H3引起的检测定时的误差（步骤S103）。

电动机控制装置100通过反复执行上述的步骤S100至步骤S103的处理，使电动机M旋转。

〔由电动机控制装置实现的效果〕

如上所述，本实施方式涉及的电动机控制装置100即使在以往必须切换通电模式的条件已具备，在电动机的转速很慢时也故意使切换通电模式的定时延迟。因此，能够很容易地消除由于在电动机的转速很慢时与电动机的转速很快时相比、通电模式相对较快地被切换而引起的不良情况。

图8是以往的电动机控制装置的特性和本实施方式涉及的电动机控制装置的特性的测量结果。另外，图9是对图8的测量结果进行可视化后的曲线图。

电动机控制装置的特性的测量是对将两个风扇电动机串联连接并使两个风扇电动机的转速不同而进行送风的类型的风扇电动机进行的。在这些图中，被记载为前段和后段是指，位于该风扇电动机的送风方向风上侧的风扇电动机为前段，位于送风方向风下侧的风扇电动机为后段。

观察这些图可知，随着从电动机以高速旋转的、占空比较大的状态向电动机以低速旋转的、占空比较小的状态转移，前段和后段的电动机的电力下降率逐渐增加。因此，在使电动机以相同的转速旋转的情况下，与以往的电动机控制装置相比，在本实施方式的电动机控制装置中，流经定子线圈的电流可以更小。因此，对电动机的输出的消耗电力减小。尤其如图9所示可知，通过使通电模式的输出定时错开，中低速区域的效率大幅上升。

图10是以往的电动机控制装置和本实施方式涉及的电动机控制装置分别驱动相同的电动机时的电流波形图。

对比该电流波形图可知，尽管以相同的速度驱动相同的负载，但电流的峰值下降43％（以往产品为233mA、本发明产品为152mA），本发明产品的电动机的效率比以往的电动机的效率大幅提高。

如上所述，根据本发明涉及的电动机控制装置和电动机控制方法，由于根据电动机的转速使通电模式的输出定时发生电气延迟，因此能够根据电动机的转速使效率最优化。

另外，在上述实施方式中，举例说明了三相电动机，但本发明的思想对单相电动机、两相电动机、五相电动机等各种相数的电动机都能够应用。另外，在上述实施方式中，对转子的极数为两级的情况进行了举例说明，但对于三极以上的极数的电动机也能够应用本发明的思想。另外，对槽数为各种数目的电动机也能够应用本发明。

Claims (11)

1.一种电动机控制装置，其特征在于，具有：

通电模式输出部，循环地输出多个通电模式；以及

逆变电路，按照所输出的通电模式选择性地连接电动机所具有的各线圈与电源，

所述通电模式输出部根据所述电动机的转速使所述通电模式的输出定时延迟。

2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机的转速越慢，所述通电模式输出部使所述通电模式的输出定时延迟更多的时间。

3.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述通电模式输出部具有：

通电模式选择部，根据由旋转位置检测传感器检测出的所述电动机的转子的旋转位置来选择通电模式；

延迟时间运算部，根据由转速检测传感器检测出的所述转子的转速来运算用于使所述通电模式的输出定时延迟的延迟时间；以及

通电模式输出定时调整部，使选择出的通电模式延迟所运算出的延迟时间量而输出。

4.如权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，

随着所述转子的转速变慢，所述延迟时间运算部阶段性地延长所述延迟时间。

5.如权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，

随着所述转子的转速变慢，所述延迟时间运算部连续地延长所述延迟时间。

6.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述通电模式是按照所述转子的旋转位置来表示与所述电源连接的所述线圈以及在与所述电源连接的所述线圈中流过的电流的方向的模式，

所述转子每旋转一圈，所述通电模式输出部循环地输出多个通电模式。

7.一种电动机控制方法，其特征在于，包括：

根据电动机的转子的旋转位置来选择通电模式的第一步骤；

运算所述转子的转速的第二步骤；

根据所述转子的转速来运算延迟时间的第三步骤；以及

将选择出的通电模式延迟所运算出的延迟时间而输出的第四步骤，

所述电动机控制方法重复进行所述第一步骤至所述第四步骤并使所述电动机连续地旋转。

8.如权利要求7所述的电动机控制方法，其特征在于，

所述转子的转速越慢，所述延迟时间越长。

9.如权利要求8所述的电动机控制方法，其特征在于，

随着所述转子的转速变慢，所述延迟时间阶段性地延长。

10.如权利要求8所述的电动机控制方法，其特征在于，

随着所述转子的转速变慢，所述延迟时间连续地延长。

11.如权利要求7所述的电动机控制方法，其特征在于，

所述通电模式是按照所述转子的位置来表示与电源连接的所述电动机的线圈以及在与所述电源连接的所述线圈中流过的电流的方向的模式，

所述转子每旋转一圈，多个通电模式进行循环。

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