CN104025451A - 致动器控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能高精度地使致动器的输出追随来自上位控制部的指令输入的致动器控制装置。在电动机控制装置(100)中，微型计算机(10)设定无刷直流电动机(50)的上位目标转速。为了使无刷直流电动机(50)的实际转速追随上位目标转速，在输入至转速控制电路(20)的指令输入要素(21)之前，中间控制部(30)作成使上位目标转速增大或减小后的疑似上位目标转速，并将其输入至指令输入要素(21)。指令输入要素(21)接收到疑似上位目标转速的输入并输出与疑似上位目标转速不同值的下位目标转速。致动器控制要素(22)接收到下位目标转速的输入，并通过PI控制对无刷直流电动机(50)进行控制。追随要素(23)使无刷直流电动机(50)的实际转速追随下位目标转速。

Description

致动器控制装置

技术领域

本发明涉及致动器控制装置，特别地涉及适于电动机的控制的致动器控制装置。

背景技术

例如，在使用供来自微机的指令输入的指令输入电路的波动较大的IC以对电动机等致动器进行控制的情况下，产生致动器的输出不追随微机所要求的指令这样的情况。

作为解决该问题的技术，例如，若提到电动机，则已知有一种专利文献1(日本专利特开昭58-99279号公报)的现有技术公开的速度控制装置。在该速度控制装置中，在包括速度检测器及速度调节器的速度调节回路设有由电流检测器及电流调节器构成的电流辅助控制回路，并以电动机的实际速度为目标速度的方式进行控制。

此外，在该专利文献中，提出了一种通过推定出电流值而从现有技术的电流辅助控制回路去除了电流检测器及电流调节器之后的价格便宜的速度控制装置。

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，前者也如专利文献1所指出的那样伴随着必须根据电动机的电流容量选择电流检测器及电流调节器这样的不方便，后者在电流辅助控制回路中反馈电流值的推定值，从而包含了与实测值的误差，因此，难以认为使电动机输出高精度地追随来自上位控制部的指令输入。

本发明的技术问题在于提供了一种即便在使用指令波动较大的IC来控制致动器的情况下、也能使致动器的输出高精度地追随来自上位控制部的指令输入的致动器控制装置。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明第一技术方案的致动器控制装置包括上位控制部、下位控制部及中间控制部。上位控制部对与致动器的驱动相关的规定控制因素的上位目标值进行设定。下位控制部具有指令输入要素、致动器控制要素及追随要素。指令输入要素通过中间控制部接收到上位目标值的输入并输出规定控制因素的下位目标值，该下位目标值的值与上位目标值不同。致动器控制要素接收到下位目标值的输入并对致动器进行控制。追随要素使致动器中的规定控制因素的实际值追随下位目标值。中间控制部使致动器中的规定控制因素的实际值追随上位目标值。该上位目标值经由中间控制部而输入至下位控制部的指令输入要素。

在该致动器控制装置中，上位控制部所要求的致动器的规定控制因素的目标值与实际值的差减小。

本发明第二技术方案的致动器控制装置是在第一技术方案的致动器控制装置的基础上，中间控制部为了使规定控制因素的实际值与上位目标值一致而使输入至指令输入要素的上位目标值增减。

在该致动器控制装置中，上位控制部所要求的致动器的规定控制因素的目标值与实际值的差进一步减小。

本发明第三技术方案的致动器控制装置是在第一技术方案或第二技术方案的致动器控制装置的基础上，输入至追随要素的值和输入至中间控制部的值是相同的因素。另外，追随要素及中间控制部分别构成用于对规定控制因素的实际值进行反馈的闭合回路。

在该致动器控制装置中，只要监视相同的控制因素即可，因此，能通过检测电路等的兼用化来实现零件成本的降低及印刷基板的小型化。

本发明第四技术方案的致动器控制装置是在第一技术方案至第三技术方案中任一技术方案的致动器控制装置的基础上，利用中间控制部使规定控制因素的实际值追随上位目标值的追随速度比利用追随要素使规定控制因素的实际值追随下位目标值的追随速度慢。

在该致动器控制装置中，采用了等待之前的控制的结果并追随上位目标值的结构，因此，能防止因朝上位目标值的追随控制和朝下位目标值的追随控制同时进行而产生的振荡(旋转速度在上下方向上变动而引起振动的现象)。

本发明第五技术方案的致动器控制装置是在第一技术方案至第四技术方案中任一技术方案的致动器控制装置的基础上，下位控制部的指令输入要素、致动器控制要素及追随要素被模块化在一个封装件内。

在该致动器控制装置中，通过将指令输入要素、致动器控制要素及追随要素模块化在一个封装件内，能实现下位控制部的小型化及低成本化。

本发明第六技术方案的致动器控制装置是在第一技术方案至第五技术方案中任一技术方案的致动器控制装置的基础上，中间控制部包含于上位控制部。

在该致动器控制装置中，在例如上位控制部、下位控制部、中间控制部安装于一块印刷基板上的情况下，通过以包含于上位控制部的方式构成中间控制部，上位控制部稍许变大，但由于减少了安装件整体在印刷基板上所占据的占有面积，因此，能实现印刷基板的小型化。

本发明第七技术方案的致动器控制装置是在第一技术方案至第六技术方案中任一技术方案的致动器控制装置的基础上，致动器是电动机。另外，规定控制因素是电动机的转速。

在该致动器控制装置中，为了使电动机的实际转速与上位目标值一致，中间控制部在输入至指令输入要素之前、使上位目标值增减，因此，上位控制部所要求的电动机的转速与实际转速的差减小。

发明效果

在本发明第一技术方案或第二技术方案的致动器控制装置中，上位控制部所要求的致动器的规定控制因素的目标值与实际值的差减小。

在本发明第三技术方案的致动器控制装置中，只要监视相同的控制因素即可，因此，能通过检测电路等的兼用化来实现零件成本的降低及印刷基板的小型化。

在本发明第四技术方案的致动器控制装置中，采用了等待之前的控制的结果并使其追随上位目标值的结构，因此，能防止振荡。

在本发明第五技术方案的致动器控制装置中，通过将指令输入要素、致动器控制要素及追随要素模块化在一个封装件内，能实现下位控制部的小型化及低成本化。

在本发明第六技术方案的致动器控制装置中，在上位控制部、下位控制部、中间控制部安装于一块印刷基板上的情况下，由于减少了安装件整体在印刷基板上所占据的占有面积，因此，能实现印刷基板的小型化。

在本发明第七技术方案的致动器控制装置中，为了使电动机的实际转速与上位目标值一致，中间控制部在输入至指令输入要素之前、使上位目标值增减，因此，上位控制部所要求的电动机的转速与实际转速的差减小。

附图说明

图1是本发明一实施方式的电动机控制装置的电路图。

图2是电动机控制装置的控制框图。

图3是表示由电动机控制装置控制的电动机的转速响应性的图表。

图4是第一变形例的电动机控制装置的控制框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下实施方式是本发明的具体例子，并不限定本发明的技术范围。

(1)概要

图1是本发明一实施方式的电动机控制装置100的电路图。在图1中，电动机控制装置100是用逆变器40对无刷直流电动机50进行旋转控制的致动器控制装置。无刷直流电动机50用于对装设于热泵式空调机的室内单元的室内风扇15进行驱动。

无刷直流电动机50是三相无刷直流电动机，其包括定子52、转子53及转子位置检测传感器54。定子52包括被星形连接着的U相、V相及W相的驱动线圈Lu、Lv、Lw。各驱动线圈Lu、Lv、Lw的一端分别与从逆变器40延伸出的U相、V相及W相的各配线的驱动线圈端子TU、TV、TW连接。各驱动线圈Lu、Lv、Lw的另一端彼此作为端子TN连接在一起。这些三相驱动线圈Lu、Lv、Lw因转子53旋转而产生基于其旋转速度和转子53的位置的感应电压。

转子53包括由N极及S极构成的多极永磁体，并相对于定子52以转轴为中心进行旋转。转子53的旋转通过位于与该转轴同一轴心上的输出轴(未图示)而被输出至室内风扇15。

转子位置检测传感器54对转子53的旋转位置进行检测。在定子52组装有霍尔元件，转子位置检测传感器54与该霍尔元件相反应地输出检测信号。

(2)电动机控制装置100的结构

如图1所示，电动机控制装置100包括：电源供给部，该电源供给部由商用电源91、整流部17及平滑电容19构成为直流电源；微型计算机10；转速控制电路20；栅极驱动电路26；中间控制部30；以及逆变器40。这些构件安装于例如一块印刷基板上。

(2－1)整流部17

整流部17由四个二极管D1a、D1b、D2a、D2b构成为电桥状。具体而言，二极管D1a与D1b、二极管D2a与D2b分别被互相串联连接。二极管D1a、D2a的各阴极端子均与平滑电容19的正极侧端子连接，并作为整流部17的正侧输出端子起作用。二极管D1b、D2b的各阳极端子均与平滑电容19的负极侧端子连接，并作为整流部17的负侧输出端子起作用。

二极管D1a及二极管D1b的连接点与商用电源91的一个极连接。二极管D2a及二极管D2b的连接点与商用电源91的另一个极连接。整流部17对从商用电源91输出的交流电压进行整流而生成直流电源，并将其供给至平滑电容19。

(2－2)平滑电容19

平滑电容19的一端与整流部17的正侧输出端子连接，另一端与整流部17的负侧输出端子连接。平滑电容19对由整流部17整流后的电压进行平滑。

由平滑电容19平滑后的电压(平滑后电压)被朝与平滑电容19的输出侧连接的逆变器40施加。换言之，商用电源91、整流部17及平滑电容19构成对逆变器40供电的电源供给部。

另外，作为电容的种类，可列举出电解电容、陶瓷电容、钽电容等，但在本实施方式中，采用了电解电容作为平滑电容19。

(2－3)逆变器40

逆变器40与平滑电容19的输出侧连接。在图1中，逆变器40包括多个IGBT(绝缘栅极型双极晶体管、以下简称为晶体管)Q3a、Q3b、Q4a、Q4b、Q5a、Q5b及多个回流用二极管D3a、D3b、D4a、D4b、D5a、D5b。

晶体管Q3a和Q3b、晶体管Q4a和Q4b、晶体管Q5a和Q5b分别彼此串联连接，各二极管D3a～D5b与各晶体管Q3a～Q5b并联连接，以使晶体管的集电极端子和二极管的阴极端子连接，另外，使晶体管的发射极端子和二极管的阳极端子连接。

逆变器40通过被施加来自平滑电容19的平滑后电压、且在由栅极驱动电路26指示的时间点使各晶体管Q3a～Q5b进行导通及断开，而生成用于对无刷直流电动机50进行驱动的驱动电压SU、SV、SW。该驱动电压SU、SV、SW从各晶体管Q3a和Q3b、各晶体管Q4a和Q4b、各晶体管Q5a和Q5b的各连接点NU、NV、NW输出至无刷直流电动机50。

(2－4)栅极驱动电路26

栅极驱动电路26根据来自转速控制电路20的指令Vpwm使逆变器40的各晶体管Q3a～Q5b的导通及断开的状态变化。具体而言，栅极驱动电路26以具有由转速控制电路20确定的占空比的脉冲状的驱动电压SU、SV、SW从逆变器40输出至无刷直流电动机50的方式生成施加于各晶体管Q3a～Q5b的栅极的栅极控制电压Gu、Gx、Gv、Gy、Gw、Gz。生成的栅极控制电压Gu、Gx、Gv、Gy、Gw、Gz施加于各个晶体管Q3a～Q5b的栅极端子。

另外，本实施方式的逆变器40是电压型逆变器，但并不限定于此，也可以是矩阵变流器、电流型逆变器。

(2－5)微型计算机10

微型计算机10与转速控制电路20连接。另外，微型计算机10例如也与对热泵式空调机进行统一控制的未图示的系统控制部连接，并根据各设备中是否有异常来对无刷直流电动机50的驱动进行控制。因此，微型计算机10作为上位控制部起作用。另外，和逆变器40不同的电源以与无刷直流电动机50的驱动状态无关的方式始终供给至该微型计算机10。

图2是电动机控制装置100的控制框图。在图2中，上位控制部即微型计算机10设定上位目标值tg1，并通过后述中间控制部30输入至下位控制部即转速控制电路20。此处，上位目标值tg1是无刷直流电动机50的目标转速。

(2－6)转速控制电路20

下位控制部即转速控制电路20与微型计算机10及栅极驱动电路26连接。转速控制电路20是根据从微型计算机10经由中间控制部30而输送来的包括转速指令在内的运转指令Vfg对无刷直流电动机50进行驱动的电路。

在下位控制部即转速控制电路20中包含有指令输入要素21、致动器控制要素22及追随要素23。指令输入要素21经由后述中间控制部30的调节部302接收到上位目标值tg1的输入。另外，为了使控制对象的实际值与上位目标值tg1一致，在输入至指令输入要素21之前，中间控制部30的调节部302作成使上位目标值tg1增大或减小后的疑似上位目标值tg1s，并将该疑似上位目标值tg1s输入至指令输入要素21。指令输入要素21对疑似上位目标值tg1s进行用于与内部运算相适应的处理。此时，因处理电路的波动而输出与疑似上位目标值tg1s不同的值。将该值称为下位目标值tg2。

例如在指令输入要素21中，即便在输入侧将无刷直流电动机50的目标转速设定为1000r/m，也会因处理电路的波动而输出950r/m。即，上位目标值tg1＝1000r/m，下位目标值tg2＝950r/m。此外，下位目标值tg2在与从追随要素23输送来的实际转速之间进行完减法处理之后，被输入至致动器控制要素22。

另外，作为处理电路的波动，可考虑是因构成指令输入要素的零件的特性波动、输入值的检测周期的波动、转速控制电路的确定控制周期用的振荡电路波动等而引起的。

致动器控制要素22是对无刷直流电动机50的转速进行控制的控制部，当输入减法处理的结果时，对转速进行PI控制，以确定施加于无刷直流电动机50的电压。一般来说，通过使逆变器40的各晶体管的导通及断开的状态变化来对无刷直流电动机50的转速进行控制。致动器控制要素22通过将包括驱动电压SU、SV、SW的占空比的指令电压Vpwm输入至栅极驱动电路26来对栅极驱动电路26进行控制，并以脉冲状的驱动电压从逆变器40输出至无刷直流电动机50的方式生成施加于各晶体管的栅极的栅极控制电压。

追随要素23使无刷直流电动机50的实际转速追随下位目标值tg2。追随要素23包括转速运算部231以作为反馈要素。转速运算部231使用转子位置检测传感器54检测出的转子位置对无刷直流电动机50的当前转速进行运算。

运算结果在与下位目标值tg2之间进行完减法处理之后、被输入至致动器控制要素22。这样，追随要素23构成用于反馈实际转速的闭合回路，下位控制部即转速控制电路20具有用于反馈无刷直流电动机50的实际转速的闭合回路。

(2－7)中间控制部30

中间控制部30使无刷直流电动机50的实际转速追随上位目标值tg1。中间控制部30包括转速运算部301和调节部302。转速运算部301是反馈要素，其使用转子位置检测传感器54检测出的转子位置对无刷直流电动机50的当前转速进行运算。为了使无刷直流电动机50的实际转速与上位目标值tg1一致，在输入至指令输入要素21之前，调节部302使上位目标值tg1增大或减小。该增大或减小后的值、即疑似上位目标值tg1s被输入至指令输入要素21。这样，中间控制部30构成用于反馈无刷直流电动机50的实际转速的闭合回路。

另外，中间控制部30使无刷直流电动机50的实际转速朝上位目标值tg1追随的追随速度被设定得比追随要素23使无刷直流电动机50的实际转速朝下位目标值tg2追随的追随速度慢，通过例如对追随速度施加十倍左右的差，从而能在下位控制部20收敛后用中间控制部30吸收指令输入要素21的波动。

如上所述，为了使无刷直流电动机50的实际转速与上位目标值tg1一致，在输入至指令输入要素21之前，中间控制部30使上位目标值tg1增大或减小，以吸收指令输入要素的波动，因此，微型计算机10所要求的无刷直流电动机50的转速与实际转速的差变小，即便指令输入要素21存在波动，也能正确地追随上位目标值tg1。

若将该效果举例为数值来具体地进行说明的话则为：目前，即便将无刷直流电动机50的目标转速设定为1000r/m，也会因指令输入要素21的处理电路的波动而输出比本来的目标值小的950r/m，因此，致动器控制要素22进行控制以使无刷直流电动机50的转速朝950r/m收敛。然而，在本实施方式中，为了使无刷直流电动机50的实际转速与目标转速1000r/m一致，中间控制部30通过例如使目标转速tg1s从tg1起增大而设为1050r/m，从而将指令输入要素21的输出tg2设为1000r/m，因此，致动器要素22以使无刷直流电动机50的转速朝1000r/m收敛的方式进行控制，使上位控制部即微型计算机10所要求的无刷直流电动机50的转速与实际的转速一致。这点也可由申请人的实验来确定。

图3是表示由电动机控制装置100控制的电动机的转速响应性的一例的图表。在图3中，横轴表示时间，纵轴表示转速，虚线的曲线表示由现有电动机控制装置控制的电动机的转速响应性，实线的曲线表示由本实施方式的电动机控制装置控制的电动机的转速响应性。

如图3那样，由现有电动机控制装置控制的电动机的转速与时间经过一起在相对于目标值残留有相当于波动的一定偏差的状态下收敛。与此相对，由本实施方式的电动机控制装置控制的电动机的转速与时间经过一起靠近目标值。

(3)特征

(3－1)

在电动机控制装置100中，微型计算机10设定无刷直流电动机50的上位目标转速。转速控制电路20的指令输入要素21通过中间控制部30接收到上位目标转速的输入，并输出与上位目标转速不同值的下位目标转速。致动器控制要素22接收到下位目标转速的输入，并通过PI控制对无刷直流电动机50进行控制。追随要素23使无刷直流电动机50的实际转速追随下位目标转速。中间控制部30使无刷直流电动机50的实际转速追随上位目标转速。此时，为了使无刷直流电动机50的实际转速与上位目标转速一致，在输入至指令输入要素21之前，中间控制部30作成使上位目标转速增大或减小后的疑似上位目标转速，并将该疑似上位目标转速输入至指令输入要素21。其结果是，在该电动机控制装置100中，微型计算机10要求的无刷直流电动机50的目标转速与实际转速的差变小。

(3－2)

在电动机控制装置100中，中间控制部30使无刷直流电动机50的实际转速朝上位目标转速追随的追随速度被设定得比追随要素23使无刷直流电动机50的实际转速朝下位目标转速追随的追随速度慢。即，采用等待之前的控制结果并追随上位目标转速的结构，因此，能防止振荡(转速上下变动而引起振动的现象)。

(3－3)

在电动机控制装置100中，转速控制电路20具有用于反馈无刷直流电动机50的实际转速的闭合回路。这样，中间控制部30构成用于反馈无刷直流电动机50的实际转速的闭合回路。此时，朝转速控制电路20和中间控制部30输入的值是相同的因素即实际转速。

(4)变形例

(4－1)第一变形例

在上述实施方式中，如图2所示，追随要素23及中间控制部30分别包括反馈要素，但并不限定于此。以下，参照图4进行说明。

图4是第一变形例的电动机控制装置100的控制框图。在图4中，追随要素23及中间控制部30兼用作反馈要素即转速运算部231。藉此，能实现电动机控制装置100的小型化及低成本化。

另外，中间控制部30中的控制因素与追随要素23相同地是无刷直流电动机50的转速，但在调节部302中，有时被调节为能在其与上位目标值tg1之间进行减法处理的值。在该情况下，控制因素是相同的，但值不同。

(4－2)第二变形例

转速控制电路20中的指令输入要素21、致动器控制要素22及追随要素23被模块化在一个封装件内。藉此，能实现转速控制电路20的小型化及低成本化。

(4－3)第三变形例

中间控制部30也可包含于上位控制部即微型计算机10。藉此，例如在微型计算机10、转速控制电路20、栅极驱动电路26、中间控制部30及逆变器40安装于一块印刷基板上的情况下，通过将中间控制部30包含于微型计算机10，并用软件实现中间控制部30，可减小安装件整体在印刷基板上占据的占有面积，因此，能实现印刷基板的小型化。

另外，在使用第二变形例那样的模块化后的电路的情况下，通过用微型计算机10的软件来实现中间控制部30，通过改变软件的控制常数，也能应对模块化后的电路的规格变更等，增大了扩展性。

工业上的可利用性

如上所述，本发明的电动机控制装置能使无刷直流电动机的输出高精度地追随来自微型计算机的指令输入，因此，并不限于装设于热泵式空调机的室内单元的室内风扇，对于装设于空调机的室外单元的室外风扇、装设于热泵式供热水机的热源单元的室外风扇也是有用的。

(符号说明)

10  微型计算机(上位控制部)

20  转速控制电路(下部控制部)

21  指令输入要素

22  致动器控制要素

23  追随要素

30  中间控制部

100 电动机控制装置(致动器控制装置)

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开昭58－99279号公报

Claims (7)

1.一种致动器控制装置(100)，其特征在于，包括：

上位控制部(10)，该上位控制部(10)对与致动器的驱动相关的规定控制因素的上位目标值(tg1)进行设定；

下位控制部(20)，该下位控制部(20)具有指令输入要素(21)、致动器控制要素(22)及追随要素(23)，其中，所述指令输入要素(21)接收到所述上位目标值的输入并输出所述规定控制因素的下位目标值(tg2)，该下位目标值(tg2)的值与所述上位目标值不同，所述致动器控制要素(22)接收到所述下位目标值的输入并对所述致动器进行控制，所述追随要素(23)使所述致动器中的所述规定控制因素的实际值追随所述下位目标值；以及

中间控制部(30)，该中间控制部(30)使所述致动器中的所述规定控制因素的实际值追随所述上位目标值，

所述上位目标值经由所述中间控制部而输入至所述下位控制部的所述指令输入要素。

2.如权利要求1所述的致动器控制装置(100)，其特征在于，

所述中间控制部(30)为了使所述规定控制因素的实际值与所述上位目标值一致而使输入至所述指令输入要素(21)的所述上位目标值增减。

3.如权利要求1或2所述的致动器控制装置(100)，其特征在于，

输入至所述追随要素(23)的值和输入至所述中间控制部(30)的值是相同的因素，

所述追随要素(23)及所述中间控制部(30)分别构成用于反馈所述规定控制因素的实际值的闭合回路。

4.如权利要求1至3中任一项所述的致动器控制装置(100)，其特征在于，

利用所述中间控制部(30)使所述规定控制因素的实际值追随所述上位目标值的追随速度比利用所述追随要素(23)使所述规定控制因素的实际值追随所述下位目标值的追随速度慢。

5.如权利要求1至4中任一项所述的致动器控制装置(100)，其特征在于，

所述下位控制部(20)的所述指令输入要素(21)、所述致动器控制要素(22)及所述追随要素(23)被模块化在一个封装件内。

6.如权利要求1至5中任一项所述的致动器控制装置(100)，其特征在于，

所述中间控制部(30)包含于所述上位控制部(10)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的致动器控制装置(100)，其特征在于，

所述致动器是电动机，

所述规定控制因素是所述电动机的转速。