CN104009691A - 马达控制装置及采用它的空调机 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题为提供降由低风扇和转子的共振引起的声音的高效的马达控制装置。本发明的马达控制装置具备：将直流电力变换为可变电压可变频率的交流电力，对3相马达进行驱动控制的逆变器；运算对3相马达施加的电压的矢量控制部；生成矢量控制部的马达电流的符号信息的马达电流符号信息生成部；从马达电流符号信息生成部生成的马达电流的符号信息生成死区时间失真补偿的值的死区时间失真补偿生成部；将矢量控制部运算的施加电压与死区时间失真补偿生成部运算的死区时间失真补偿的值相加的死区时间失真补偿加法部；根据死区时间失真补偿加法部的信号对逆变器进行脉宽控制的PWM脉冲生成部，死区时间失真补偿的值在电流过零点附近阶段性地变化。

Description

马达控制装置及采用它的空调机
技术领域
本发明涉及马达控制装置的控制方法及采用该控制方法的空调机。具体地说，涉及起因于风扇用的马达的声音的降低。
背景技术
以往，空调机所使用的小型风扇马达存在以转子和风扇的共振为原因而在特定转速下发生噪音的问题。为了解决由该共振引起的噪音的问题，在转子部设置防振橡胶，或者在风扇的轴衬设置防振橡胶，来降低声音。
作为该共振音的原因之一可以举出周期性的电流波形的失真，作为电流波形的失真之一可以认为是逆变器的死区时间失真。在进行PWM的逆变器使用的各种开关元件及驱动电路中存在开关迟滞，因而，在开关元件的控制中需要用于防止上下臂短路的余裕期间即死区时间的设定。而后，通过该死区时间的影响，在逆变器的输出中产生失真，即死区时间失真。
因而，以往的脉宽调制逆变器（以下称为PWM逆变器）中，例如专利文献1所述的那样，在PWM逆变器输出的各相设置电流检测器，根据从这些电流检测器获得的各相电流的极性，补正向PWM逆变器主电路的各相臂的正侧和负侧的开关元件施加的栅极信号，来补正由死区时间引起的电压失真。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭60-207464号公报
发明内容
但是，为了降低风扇和转子的共振音而设置防振橡胶的方法存在以下问题：马达、风扇的构造变得复杂，成本变高。
另外，通过专利文献1公开的死区时间失真的补正，虽然可以改善死区时间失真，可以如指令值那样实现电流的有效值，但是存在以下的缺点，由于PWM周期量的误差、电流检测误差引起的电流过零点的误差，补正在时间上偏移，风扇和转子的共振音变大。
因而，本发明解决这样的问题点，其课题是提供降低由风扇和转子的共振引起的声音的高效率的马达控制装置。
本发明的马达控制装置具备：将直流电力变换为可变电压可变频率的交流电力，对3相马达进行驱动控制的逆变器；运算对3相马达施加的电压的矢量控制部；生成矢量控制部的马达电流的符号信息的马达电流符号信息生成部；从马达电流符号信息生成部生成的马达电流的符号信息生成死区时间失真补偿的值的死区时间失真补偿生成部；将矢量控制部运算的施加电压与死区时间失真补偿生成部运算的死区时间失真补偿的值相加的死区时间失真补偿加法部；根据死区时间失真补偿加法部的信号对逆变器进行脉宽控制的PWM脉冲生成部，死区时间失真补偿的值在电流过零点附近阶段性地变化。
根据本发明，能够提供降低由风扇和转子的共振引起的声音的马达控制装置。
附图说明
图1是表示本发明第1实施例的马达控制装置的内部构成、以及该直流马达控制装置、电源、3相交流同步电动机和负载的关联的图。
图2是表示相对于转速和声音频率的风扇噪音的特性的图。
图3是说明死区时间失真的图。
图4是说明以往的死区时间失真补偿的图。
图5是说明以往的死区时间失真补偿的问题点的图。
图6是本发明第1实施例中，使死区时间失真补偿阶段性地发生变化时的图。
图7是本发明第1实施例中，使死区时间失真补偿线性地发生变化时的图。
图8是表示本发明的第4实施例的空调机的构成的图。
（符号说明）
11、108：马达控制装置；12：直流电源；13：马达、3相马达、3相交流同步电动机；14：负载、风扇；15：逆变器、电力变换电路；16：直流母线电流检测电路；17：控制装置；18：矢量控制部；19：马达电流符号信息生成部；20：死区时间失真补偿生成部；21：死区时间失真补偿加法部；22：PWM脉冲生成部；51：电力变换主电路；52：栅极驱动器；100：空调机；101：室外机；102：室内机；103：配管；104：压缩机；105：热交换器（室外的热交换器）；106：室外风扇；107：室外风扇马达；109：热交换器（室内的热交换器）；110：送风机。
具体实施方式
以下参照附图，说明用于实施本发明的方式。首先，参照图1～图7说明本发明的第1实施例的马达控制装置。
图1是表示本发明的第1实施例的马达控制装置11的内部的构成、以及该马达控制装置11、直流电源12、3相交流同步电动机（适当简称为“马达”或者“3相马达”）13和负载（风扇）14的关联的图。
在图1中，马达控制装置11构成为具备作为DC-AC电力变换器的逆变器15、以及控制逆变器15的控制装置17。
另外，控制装置17构成为具备PWM（Pulse Width Modulation：脉宽调制）脉冲生成部22、矢量控制部18、马达电流符号信息生成部19、死区时间失真补偿运算部20、以及死区时间失真补偿加法部21。
第1实施例的马达控制装置11的特征是在电流过零点的前后使死区时间失真补偿阶段性地发生变化而施加。通过该方法，降低由马达13和作为负载的风扇14的共振引起的噪音。
在说明以除去由该共振引起的噪音的方法为特征的第1实施例的马达控制装置11的细节之前，先说明由马达和风扇的共振引起噪音，然后，再详细说明图1的第1实施例的马达控制装置11。
对通过马达13（图1）驱动风扇14（图1）时发生的噪音进行说明。图2是表示风扇14的噪音相对于转速的特性的一个例子的图。在图2中，横轴表示转速[min-1]，纵轴表示声音频率，颜色的浓度表示噪音[dB]。另外，转速[min-1]是指转速/分。另外，相当于rpm（rotation per minute，每分钟转数）。另外，以下，例如将520转速/分简化表示为520min-1。数据是转速每隔10min-1而取得的数据。可知颜色浓的地方出现在声音频率280Hz、310Hz附近，但是存在声音大的转速和声音小的转速。这里，声音大的转速是指780min-1、520min-1、390min-1、270min-1、130min-1附近。其还具有以下特征，与高旋转相比，低旋转的风扇发生的声音的合计小，所以即使310Hz的频率的噪音的绝对值小，听觉上也变得恶劣。
如果将转速780min-1设为基准，则由于马达为3相交流同步电动机，所以如果马达的极数为8极，则马达的电气频率为52Hz[780/{60×（2/8）}]。将该52Hz作为基本频率，可知由6次分量312Hz附近的激振扭矩而发生声音。如果展开这样的考虑方法，则520、390、310、260、190、160、130、110min-1顺序成为9次、12次、15次、18次、24次、30次、36次、42次。图中，通过虚线的直线表示各个次数的频率和风扇转速的关系，该直线和声音的共振频率（图中的实线）的交叉点表示发生共振音的转速和此时的频率。
从而，为了消除风扇14和马达（马达的转子）13的共振音，要采取对这些高次分量的对策。
再详细说明图1的本发明的第1实施例的马达控制装置11的构成。
如上所述，图1是表示本发明的第1实施例的马达控制装置11的构成、以及直流电源12、马达13和风扇（负载）14的关联的图。
在图1中，马达控制装置11从直流电源12接受直流电力，变换为3相交流电力。另外，马达（3相交流同步电动机）13从马达控制装置11被供给3相交流电力，被驱动控制而旋转，对风扇14进行旋转驱动。
接着，详细说明马达控制装置11。在图1中，如上所述，马达控制装置11构成为具备将直流电力变换为可变电压可变频率的3相交流电力的逆变器15（电力变换器）和控制逆变器15的控制装置17。另外，逆变器15的直流电源具备直流母线电流检测电路16。
另外，逆变器15构成为具备：由IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管）等的半导体开关元件和反并联连接的二极管元件构成的电力变换主电路51；根据来自后述的PWM脉冲生成部24的PWM脉冲信号17A，发生给电力变换主电路51的IGBT（Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、Swn）的栅极信号的栅极驱动器52。
IGBT串联连接而构成支路（leg）的IGBT（Sup，Sun）连接在直流电源12之间，各自的上臂（Sup）和下臂（Sun）的连接点成为U相的交流输出端子。
同样串联连接而构成支路的IGBT（Svp，Svn）连接在直流电源12之间，各自的上臂（Svp）和下臂（Svn）的连接点成为V相的交流输出端子。
另外，串联连接而构成支路的IGBT（Swp，Swn）连接在直流电源12之间，各自的上臂（Swp）和下臂（Swn）的连接点成为W相的交流输出端子。
通过控制装置17经由栅极驱动器52适当地控制以上的IGBT（Sup，Sun，Svp，Svn，Swp，Swn），直流电源12的直流电力从上述的U相、V相、W相的交流输出端子输出为可变电压可变频率的3相交流电力。
另外，控制装置17构成为具备PWM（Pulse Width Modulation：脉宽调制）脉冲生成部22、矢量控制部18、马达电流符号信息生成部19、死区时间失真补偿运算部20、以及死区时间失真补偿加法部21。
矢量控制部18根据通过直流母线电流检测电路16检测到的直流母线电流信息（适宜地表达为“相电流的信息”）16A，算出给永磁同步马达13的基波施加电压指令18B和永磁同步马达13的马达电流的信息18A。
另外，马达电流符号信息生成部19根据马达电流信息18A制成马达电流符号信息19A，向死区时间失真补偿生成部20输出。
另外，死区时间失真补偿生成部20根据马达电流符号信息19A，运算死区时间失真补偿的值19A，向死区时间失真补偿加法部20输出。死区时间失真补偿的运算方法将在后面叙述。
另外，死区时间失真补偿加法部20将基波施加电压指令18B与死区时间失真补偿的值20A进行加法运算，输出施加电压指令21A。
另外，PWM脉冲生成部22根据施加电压指令21A和在内部具有的载波信号，变换为PWM脉冲信号17A。
另外，矢量控制部18的矢量控制例如可以通过采用“‘高速用永磁同步马达的新矢量控制方式的检讨’电学论D、Vol.129（2009）No.1pp.36-45”、“‘面向家电设备的无位置传感器的永磁同步马达的简易矢量控制’电学论D、Vol.124（2004）No.11pp.1133-1140”所示的方式来实现。
直流母线电流检测电路16与直流电源12的负侧的直流母线连接，取得U相、V相、W相的脉动电流混载的相电流信息。所取得的相电流信息作为直流母线电流信息（相电流的信息）16A向矢量控制部18输出。
另外，相电流信息的取得方法可以是例如日本特开2004-48886号公开的方式等。
在关于死区时间失真补偿的运算方法说明本发明的运算方法之前，用图3说明不进行死区时间失真补偿的例子。在不进行死区时间失真补偿的情况下，如图3那样，指令电压成为正弦波，但是马达相电流为正的期间，由于死区时间，下臂回流的时间增加，实际的施加电压降低。马达相电流为负的期间，由于死区时间，上臂回流的时间增加，实际的施加电压提高。这是死区时间失真，成为马达电流的失真。尤其在指令电压的振幅低的情况下，发生电流不正常流过等的问题。
用图1及图4说明以往的死区时间失真补偿的运算方法。如图4那样，马达电流符号信息生成部19根据马达电流信息18A判定马达电流的正负，制成马达电流符号信息19A。对于指令电压，死区时间失真补偿生成部20以在马达相电流为正的期间将电压指令用PWM的计数来提高死区时间的1/2相等量，在马达相电流为负的期间将电压指令用PWM的计数来降低死区时间的1/2相等量的方式，来生成死区时间失真补偿的值20A。这样，实际的施加电压可以设为正弦波。
根据以往的死区时间失真补偿的运算方法，存在如下缺点，由于PWM周期量的误差、电流检测误差引起的电流过零点的误差，马达电流符号信息19A在时间上偏移，如图5那样，在电流过零点附近，施加电压偏移，该偏移比进行死区时间失真补偿前更大，风扇和转子的共振音变大。
本发明的第1实施例中，如图6那样，死区时间失真补偿生成部20使死区时间失真补偿值20A在电流过零点附近阶段性地发生变化。这样，可以吸收由于PWM周期量的误差、电流检测误差引起的电流过零点的误差，可以减小以由于PWM周期量的误差、电流检测误差引起的电流过零点的误差为原因而发生的施加电压的偏移。从而，可降低风扇和转子的共振音。
另外，也可以使阶段性地变化的宽度变小而图7那样直线地变化。
另外，也可以以更加顺滑变化的方式曲线状地变化。
如上所述，根据第1实施例，可以降低以死区时间失真补偿为原因的风扇和转子的共振音。
接着，说明第2实施例。与图4的以往的死区时间失真补偿值的运算中将死区时间失真补偿值的大小设为一定值而提供的实施例相对地，第2实施例根据指令电压的振幅，使死区时间失真补偿值的大小可变。
转速、负载变大，指令电压的振幅变大时，死区时间失真相对地变小，即使减小死区时间失真补偿值，对控制的影响也变小。通过减小死区时间失真补偿值，可以减小图5所示的施加电压的偏移，因此可以降低风扇和转子的共振音。
也可以取代指令电压振幅，采用风扇马达的转速、马达电流的大小、电压调制率等的至少一个。
如上所述，根据第2实施例，可以降低以死区时间失真补偿为原因的风扇和转子的共振音。
接着，说明第3实施例。第3实施例兼备第1实施例的特征和第2实施例的特征，与图6的第1实施例的死区时间失真补偿值的运算中将死区时间失真补偿值的大小设为一定值而提供的实施例相对地，根据指令电压的振幅，使死区时间失真补偿值的大小可变。
转速、负载变大，指令电压的振幅变大时，死区时间失真相对地变小，即使减小死区时间失真补偿值，对控制的影响也变小。通过减小死区时间失真补偿值，与第1实施例相比，可以进一步降低风扇和转子的共振音。
也可以取代指令电压振幅，采用风扇马达的转速、马达电流的大小、电压调制率等的至少一个。
如上所述，根据第3实施例，可以降低以死区时间失真补偿为原因的风扇和转子的共振音。
接着，说明第4实施例。在本实施例中，将第1实施例到第3实施例说明的马达控制装置11应用到空调机100的室外机101的风扇的马达控制装置108。
图8是表示本发明第4实施例的空调机100的构成例的图。图8中，空调机100构成为具备与室外空气进行热交换的室外机101、与室内进行热交换的室内机102、以及连接两者的配管103。
室外机101构成为具备：压缩制冷剂的压缩机104；与室外空气进行热交换的热交换机105；向该热交换机105送风的室外风扇106；使该室外风扇106旋转的室外风扇马达107；驱动该室外风扇马达107的马达控制装置108。另外，对马达控制装置108应用第1实施例到第4实施例的马达控制装置11，室外风扇马达107相当于3相马达13，室外风扇106相当于负载14。
另外，室内机102构成为具备与室内进行热交换的热交换机109和向室内送风的送风机110。
第4实施例中，如上所述，对空调机100应用第1实施例到第3实施例的马达控制装置11。即，在对逆变器15进行控制的控制装置17中，使死区时间失真补偿值阶段性地变化，或者使死区时间失真补偿值的大小以指令电压振幅的大小变化，从而降低风扇14和转子（马达13）的共振音。
根据第4实施例，可以不使用室外风扇马达107的转子部的防振橡胶、风扇部的防振橡胶，廉价制作可降低声音的安静的空调机100。
以上，参照附图详述了本发明的实施例，但是本发明不限于这些实施例及其变形，只要是不脱离本发明的要旨的范围内的设计变更等即可，以下举例。
上述的本实施例的各构成、功能、处理部、处理单元等也可以例如通过用集成电路来设计其一部分或全部等而由硬件实现。另外，也可以通过程序可变更的软件实现。另外，也可以混载硬件和软件。
另外，考虑到为了说明的需要而示出了控制线、信息线，并不一定限定为产品上表示了全部控制线、信息线。实际上，也可以认为几乎全部的构成相互连接。
某实施例的构成的一部分可以置换为其他实施例的构成，另外，也可以在某实施例的构成中增加其他实施例的构成。另外，可以对各实施例的构成的一部分进行其他构成的追加、删除、置换。
另外，为了明确说明，主要进行了以驱动风扇作为负载的情况的说明，但是，对于起因于构造的共振频率的声音的降低本发明是有效，作为负载并不限于风扇。
基于直流母线电流检测电路16的相电流信息的取得可以采用日本特开2004-48886号所公开的方式等一般的方式，检测方式没有特别指定。
矢量控制部18可以采用“‘高速用永磁同步马达的新矢量控制方式的检讨’电学论D、Vol.129（2009）No.1pp.36-45”、“‘面向家电设备的无位置传感器永磁同步马达的简易矢量控制’电学论D、Vol.124（2004）No.11pp.1133-1140”中提案的方式等一般的矢量控制来实现，控制方式没有特别指定。
此外，采用IGBT作为电力变换主电路51的开关元件，但是也可以采用其他半导体元件的开关元件，例如也可以是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）。另外，作为元件的组成，可以是采用SiC（SiliconCarbide：碳化硅）、GaN（Gallium Nitride：氮化镓）的半导体元件。
图1中的栅极驱动器52的主要功能是提高PWM脉冲生成部22的信号的驱动能力，因此，若使PWM脉冲生成部22的输出部具有充分的驱动能力、或者在PWM脉冲生成部22内置栅极驱动器52的功能，则也可以使逆变器15不具备栅极驱动器52。

Claims (5)

1.一种马达控制装置，其特征在于，具备：
逆变器，与直流电源连接，将直流电源的直流电力变换为可变电压可变频率的交流电力，并对马达进行驱动控制；
矢量控制部，运算对上述马达施加的电压，上述马达对负载进行旋转驱动；
马达电流符号信息生成部，生成上述矢量控制部的马达电流的符号信息；
死区时间失真补偿生成部，根据上述马达电流符号信息生成部所生成的马达电流的符号信息，生成死区时间失真补偿的值；
死区时间失真补偿加法部，对上述矢量控制部运算的施加电压与上述死区时间失真补偿生成部运算的死区时间失真补偿的值进行加法运算；以及
PWM脉冲生成部，根据上述死区时间失真补偿加法部的信号，对上述逆变器进行脉宽控制，
上述死区时间失真补偿的值在电流过零点附近阶段性地变化。
2.一种马达控制装置，其特征在于，具备：
逆变器，与直流电源连接，将直流电源的直流电力变换为可变电压可变频率的交流电力，并对马达进行驱动控制；
矢量控制部，运算对上述马达施加的电压，上述马达对负载进行旋转驱动；
马达电流符号信息生成部，生成上述矢量控制部的马达电流的符号信息；
死区时间失真补偿生成部，根据上述马达电流符号信息生成部所生成的马达电流的符号信息，生成死区时间失真补偿的值；
死区时间失真补偿加法部，对上述矢量控制部运算的施加电压与上述死区时间失真补偿生成部运算的死区时间失真补偿的值进行加法运算；以及
PWM脉冲生成部，根据上述死区时间失真补偿加法部的信号，对上述逆变器进行脉宽控制，
至少通过指令电压的振幅、马达的转速或电压调制率使上述死区时间失真补偿的值的大小可变。
3.一种马达控制装置，其特征在于，具备：
逆变器，与直流电源连接，将直流电源的直流电力变换为可变电压可变频率的交流电力，并对马达进行驱动控制；
矢量控制部，运算对上述马达施加的电压，上述马达对负载进行旋转驱动；
马达电流符号信息生成部，生成上述矢量控制部的马达电流的符号信息；
死区时间失真补偿生成部，根据上述马达电流符号信息生成部所生成的马达电流的符号信息，生成死区时间失真补偿的值；
死区时间失真补偿加法部，对上述矢量控制部运算的施加电压与上述死区时间失真补偿生成部运算的死区时间失真补偿的值进行加法运算；以及
PWM脉冲生成部，根据上述死区时间失真补偿加法部的信号，对上述逆变器进行脉宽控制，
至少通过指令电压的振幅、马达的转速或电压调制率使上述死区时间失真补偿的值的大小可变，并且，上述死区时间失真补偿的值在电流过零点附近阶段性地变化。
4.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，
上述马达的负载是风扇。
5.一种空调机，其特征在于，
搭载了权利要求1至4的任一项所述的马达控制装置。
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