CN104426438B

CN104426438B - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN104426438B
Application number: CN201410432781.1A
Authority: CN
Inventors: 中村德男
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: EP2843825B1; JP2015049047A; CN104426438A; US9337757B2; EP2843825A3; US20150061559A1; EP2843825A2

Abstract

本发明提供一种使用根据磁阻效应元件的输出得到的模拟的角度检测输出来切换三相的驱动电力的电动机控制装置。来自第一磁检测部(11)和第二磁检测部(12)的输出向作为差动放大器的第一至第四输出电路(21、22、23、24)赋予，由此能得到正负彼此翻转的近似于正弦波的检测输出(S1、S2)和正负彼此翻转的近似于余弦波的检测输出(S3、S4)。这些检测输出(S1～S4)向开关电路(31)赋予，从检测输出(S1～S4)得到每90度周期的部分检测输出。通过偏置施加电路(33)向各个部分检测输出施加偏置电压，得到近似于一次函数的角度检测输出。使用该角度检测输出来决定三相的驱动电流的供给时机。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及使用与旋转轴的旋转角度成比例的近似于一次函数的模拟输出来控制三相的驱动电力的电动机控制装置。

背景技术

在控制三相电动机的电动机控制装置中，与电动机的旋转相位对应而向电动机线圈施加U相、V相及W相这三相的驱动电力。

以下的专利文献1所记载的电动机控制装置在运算处理装置中运算电动机控制信号，并利用被赋予了该电动机控制信号的逻辑电路来运算三相电动机的各相的驱动信号。基于该驱动信号来控制预驱动电路，从而对三相电动机进行驱动控制。

【专利文献1】WO2012/102113 A1

专利文献1所记载的电动机控制装置通过数字运算来生成驱动三相电动机的驱动信号，因此电路结构复杂。而且，由于数字运算需要时间，因此若欲使电动机以高速旋转，则产生数字运算无法追随转速的问题。

发明内容

本发明为了解决上述以往的课题而提出，其目的在于提供一种能够使用通过简单的电路结构得到的模拟输出来切换三相的驱动电力、且能够追随高速旋转的电动机控制装置。

本发明涉及的电动机控制装置设有：向电动机线圈施加三相的驱动电力的电动机驱动器；检测旋转轴的旋转角度的角度检测装置，所述电动机控制装置的特征在于，

所述角度检测装置具有：伴随着所述旋转轴的旋转而形成的旋转磁场；得到作为所述旋转磁场的旋转角度的函数的近似于正弦波的检测输出的第一磁检测部；得到近似于余弦波的检测输出的第二磁检测部；根据所述近似于正弦波的检测输出和所述近似于余弦波的检测输出来形成近似于一次函数的模拟的角度检测输出的模拟混合器，

在所述电动机驱动器设有：根据所述角度检测输出来检测所述旋转轴的120度的旋转角度的分割检测部；使时机与由所述分割检测部检测到的每120度的分割信号对应而向所述电动机线圈施加三相的驱动电力的驱动电路。

本发明的电动机控制装置使用基于第一磁检测部和第二磁检测部的检测输出而得到的模拟的角度检测输出，或者使用增益调整后的模拟的角度检测输出，按照旋转轴的每120度的旋转来切换三相的驱动电力。因此，电路结构简单，而且，即使在旋转轴的转速高的情况下，也能够追随其旋转速度而生成三相的驱动电力。

本发明优选的是，在所述电动机驱动器设有基于所述角度检测输出而使三相的驱动电力的占空比变化的脉冲控制电路。

通过使三相的驱动电力的占空比变化，由此在向各相切换时，能够减轻旋转驱动转矩的脉动。而且，由于使用模拟的角度检测输出来直接控制三相电力，因此能够使电路结构简单，能够使旋转轴顺畅地旋转。

本发明中，在所述模拟混合器设有：从根据所述第一磁检测部和所述第二磁检测部得到的模拟的检测输出中提取近似于一次函数的部分检测输出的开关电路；向任一个所述部分检测输出施加偏置电力而使多个所述部分检测输出连续来作为角度检测输出的偏置施加电路。

通过设置开关电路和偏置施加电路，由此能够生成在360度的角度范围内连续的模拟的角度检测输出。

本发明可以构成为，所述电动机控制装置具有：

从所述第一磁检测部得到第一检测输出及相对于所述第一检测输出翻转了正负的极性的第二检测输出的输出电路；

从所述第二磁检测部得到第三检测输出及相对于所述第三检测输出翻转了正负的极性的第四检测输出的输出电路；

对所述第一检测输出、所述第二检测输出、所述第三检测输出及所述第四检测输出中的任意检测输出进行比较的比较器，

基于来自所述比较器的比较输出来决定所述开关电路的切换时机。

例如，通过所述开关电路将第一检测输出、第二检测输出、第三检测输出及第四检测输出分别按照90度的周期进行提取来得到所述部分检测输出。这种情况下，第一检测输出、第二检测输出、第三检测输出及第四检测输出在以振幅的中点为起点±45度的范围内被提取。

本发明中，所述第一磁检测部和第二磁检测部由包含磁阻效应元件的桥接电路构成，在所述第一磁检测部所包含的第一磁阻效应元件和所述第二磁检测部所包含的第二磁阻效应元件中，灵敏度轴的方向相互正交。

【发明效果】

本发明的电动机控制装置生成模拟的角度检测输出，通过该角度检测输出得到每120度的时机来切换三相的驱动电力。因此，能够使电路结构简单。而且，不需要复杂的运算，因此即使在旋转轴的转速高的情况下，也能够得到追随着旋转轴的旋转速度的角度检测输出，能够高精度地控制三相的驱动电力。

附图说明

图1是本发明的实施方式的电动机控制装置的外观图。

图2是表示设于电动机控制装置的旋转检测部的结构的俯视图。

图3是表示角度检测装置的电路结构的电路框图。

图4是表示来自第一磁检测部和第二磁检测部的四种检测输出的线图。

图5是表示对来自第一磁检测部和第二磁检测部的检测输出进行提取而得到的部分检测输出的线图。

图6是表示使部分检测输出连续后的角度检测输出的线图。

图7是表示图6所示的角度检测输出与一次函数的误差的分布的线图。

图8是表示三相电动机的旋转驱动部的说明图。

图9是电动机驱动器的电路结构图。

图10是表示角度检测输出和三相的驱动电力的线图。

【符号说明】

1 角度检测装置

2 旋转体

3 检测基板

5 电动机控制装置

6 旋转轴

7 旋转驱动部

8 旋转检测部

11 第一磁检测部

12 第二磁检测部

21 第一输出电路

22 第二输出电路

23 第三输出电路

24 第四输出电路

30 模拟混合器

31 开关电路

32a、32b 比较器

33 偏置施加电路

41 转子磁体

42 定子磁轭

43 电动机磁体

45 电动机驱动器

H 外部磁场

M1、M2 磁体

P 灵敏度轴

R(+s)、R(-s) 第一磁阻效应元件

R(+c)、R(-c) 第一磁阻效应元件

S1、S2、S3、S4 检测输出

S1c、S2c、S3c、S4c 部分检测输出

具体实施方式

图1所示的电动机控制装置5具有旋转轴6、对旋转轴6进行驱动的旋转驱动部7、检测旋转轴6的旋转的旋转检测部8。

如图8所示，旋转驱动部7构成无刷电动机的驱动部，具有与旋转轴6一起旋转的转子磁体41。在转子磁体41的内侧，三相的定子磁轭42相对于旋转方向以120度的角度配置，且在各定子磁轭42上连接有U相、V相及W相的电动机线圈43。

旋转检测部8构成角度检测装置1的一部分。利用由角度检测装置1得到的角度检测输出来控制电动机驱动器45，从该电动机驱动器45向电动机线圈43施加三相的驱动电力。

如图2所示，在设于电动机控制装置5的旋转检测部8设有与电动机的旋转轴6一起旋转的旋转体2，在旋转体2的内侧且在定子侧固定有检测基板3。

在旋转体2上以180度的角度间隔安装有两个磁体M1、M2。磁体M1的N极朝向磁体M2，磁体M2的S极朝向磁体M1，从磁体M1朝向磁体M2形成磁场H。

旋转体2与电动机的旋转轴6一起向顺时针方向(CW)旋转。其结果是，在旋转体2的内侧，形成磁场H向顺时针方向旋转的旋转磁场。

在检测基板3上搭载有第一磁阻效应元件R(+s)、R(-s)和第二磁阻效应元件R(+c)、R(-c)来作为磁检测元件。在图2中，虽然检测基板3和磁阻效应元件图示得较大，但是实际的检测基板3和磁阻效应元件具有与磁体M1、M2的旋转轨迹的直径相比极小的尺寸，在旋转体2旋转时，向检测基板3上的各磁阻效应元件施加相同方向的旋转磁场。

需要说明的是，也可以将磁体M1、M2固定在定子侧来使得检测基板3能够与旋转轴6一起旋转。

在第一磁阻效应元件R(+s)、R(-s)和第二磁阻效应元件R(+c)、R(-c)中，灵敏度轴P的方向相互正交。第一磁阻效应元件设置有两种，R(+s)的灵敏度轴P的方向为X2方向，R(-s)的灵敏度轴P的方向为X1方向。第二磁阻效应元件设置有两种，R(+c)的灵敏度轴P的方向为Y2方向，R(-c)的灵敏度轴P的方向为Y1方向。

磁阻效应元件是利用了巨磁阻效应的GMR元件、利用了隧道效应的TMR元件、或AMR元件。

如图2所示，磁阻效应元件具有电极部4、4和位于电极部4、4之间的元件部5。元件部5在X-Y平面的平面内形成为曲流图案(meander pattern)，通过将固定磁性层/非磁性层/自由磁性层层叠而构成。固定磁性层的固定磁化方向与所述灵敏度轴P的方向一致。自由磁性层根据外部磁场H的方向而改变磁化的方向。

磁阻效应元件的电阻根据固定磁化方向与自由磁性层的磁化的方向的相对角度而变化。当外部磁场H向灵敏度轴P的方向施加时，磁阻效应元件的电阻值成为最小，当外部磁场H向灵敏度轴P的相反方向施加时，电阻值成为最大。当外部磁场H向与灵敏度轴P正交的方向施加时，磁阻效应元件的电阻值成为中点的值。

固定磁性层通过与反铁磁性层重叠并在磁场中被实施热处理而固定磁化方向。或者也可以将固定磁性层设置为作为磁性层/非磁性中间层/磁性层的层叠费里结构而将各磁性层反平行地磁化固定而成的自钉扎型。这种情况下，通过对单方的磁性层进行磁场中成膜，由此将磁化固定。

如图3所示，在角度检测装置1中，在检测基板3上构成第一磁检测部11和第二磁检测部12。

第一磁检测部11是由灵敏度轴P的方向相差180度的第一磁阻效应元件R(+s)、R(-s)构成的全桥接电路。第二磁检测部12是由灵敏度轴P的方向相差180度的第二磁阻效应元件R(+c)、R(-c)构成的全桥接电路。

如图3所示，第一磁检测部11的全桥接电路的中点输出(中点输出电压)11a和11b向第一输出电路21和第二输出电路22赋予。第一输出电路21是差动放大器，中点输出11a与(+)输入部连接，中点输出11b与(-)输入部连接。第二输出电路22也是差动放大器，中点输出11b与(+)输入部连接，中点输出11a与(-)输入部连接。

第二磁检测部12的全桥接电路的中点输出(中点输出电压)12a和12b向第三输出电路23和第四输出电路24赋予。第三输出电路23是差动放大器，中点输出12a与(+)输入部连接，中点输出12b与(-)输入部连接。第四输出电路24也是差动放大器，中点输出12b与(+)输入部连接，中点输出12a与(-)输入部连接。

当图2所示的旋转体2向顺时针方向(CW)旋转时，从第一输出电路21得到第一检测输出S1，从第二输出电路22得到第二检测输出S2。从第三输出电路23得到第三检测输出S3，从第四输出电路24得到第四检测输出S4。

图4示出第一至第四检测输出S1～S4的输出波形。横轴表示旋转角度(θ)，纵轴表示输出强度(电压)。

第一检测输出S1与第二检测输出S2的极性(电压的正负)翻转，第三检测输出S3与第四检测输出S4的极性也翻转。第一检测输出S1与第三检测输出S3的相位相差90度，第二检测输出S2与第四检测输出S4的相位也相差90度。第一检测输出S1和第三检测输出S3中的一方是具有近似于正弦波的三角函数波的变化的输出，另一方是具有近似于余弦波的三角函数波的变化的输出。

图4的横轴表示旋转体2的旋转角度θ，该旋转角度θ以将图2所示的磁体M1的宽度中心与基准线Z一致的情况设为原点(0度)的方式来表示。图2示出旋转中的旋转体2的磁体M1以原点(基准轴Z)为起点向顺时针方向(CW)前进了45度的状态，此时的第一至第四检测输出S1～S4的输出强度成为图4中横轴为45度时的输出强度。在横轴为45度时，第一检测输出S1的输出强度和第二检测输出S2的输出强度成为中点的值，第三检测输出S3的输出强度成为极大值，第四检测输出S4的输出强度成为极小值。

图4所示的第一至第四检测输出S1～S4的输出波形的强度的绝对值及振幅取决于电源电压Vdd及在作为差动放大器的输出电路21、22、23、24上设定的增益等。第一至第四检测输出S1～S4是将来自检测旋转磁场的第一磁检测部11和第二磁检测部12的检测输出的变化直接反映出来的模拟输出。

如图3所示，第一至第四检测输出S1～S4向模拟混合器30赋予。模拟混合器30具有开关电路31、比较器32a、32b、以及偏置施加电路33。

第一比较器32a对第一检测输出S1与第四检测输出S4的强度的大小进行比较，并将其结果向开关电路31赋予。第二比较器32b对第一检测输出S1与第三检测输出S3的强度的大小进行比较，并将其结果向开关电路31赋予。

开关电路31基于比较器32a、32b的比较结果来进行开关动作，将第一至第四检测输出S1～S4中的任一方作为所选择的部分检测输出而提取。

第一比较器32a的比较结果、第二比较器32b的比较结果、以及基于该比较结果而由开关电路31提取的检测输出如以下的表1所示那样。

【表1】

在图5中，示出通过开关电路31的开关动作而提取出的部分检测输出S1c、S4c、S2c、S3c。

如表1所示，通过由第一比较器32a和第二比较器32b分别对两个检测输出进行比较并由开关电路31进行开关动作，由此如图5所示，在旋转体2向顺时针方向旋转360度期间，以90度为周期而提取四个检测输出。

在角度θ为0～90度的期间，如表1的第一栏所示，第一检测输出S1以其振幅(电压幅度)的中间点为基准而在前后45度的范围内被提取，得到图5所示的部分检测输出S1c。在角度θ为90～180度的期间，如表1的第二栏所示，第四检测输出S4以其振幅(电压幅度)的中间点为基准而在前后45度的范围被提取，得到图5所示的部分检测输出S4c。同样，在角度θ为180～270度的期间，得到部分检测输出S2c，在角度θ为270～360度的期间，得到部分检测输出S3c。

部分检测输出S1c、S4c、S2c、S3c由于在以近似于正弦波或余弦波的检测输出中的振幅的中点为基准的前后±45度的范围内被提取出来，因此输出强度的变化大致接近于一次函数。

第一比较器32a和第二比较器32b为了得到图5所示的部分检测输出而生成用于按90度对检测输出进行分割的信号。这只要能够实现即可，进行比较的检测输出没有限定为表1所示的例子。

例如，在S3＞S1且S3＞S2的比较条件下，也可以在角度θ为0～90度的范围内对第一检测输出S1进行提取而得到部分检测输出S1c。

由开关电路31提取出的部分检测输出S1c、S4c、S2c、S3c向偏置施加电路33赋予。在偏置施加电路33中，向部分检测输出S1c、S4c、S2c、S3c施加正或负的偏置电压，如图6所示，能得到部分检测输出S1c、S4c、S2c、S3c连续的近似于一次函数的角度检测输出Sθ。在所述表1的最右栏中，将为了得到图6所示的角度检测输出而向部分检测输出S1c、S4c、S2c、S3c施加的偏置电压用数值表示。

偏置施加电路由电阻器和可变电阻器等构成，以使图5所示的部分检测输出S4c的起始端与部分检测输出S1c的终端连续的方式，对部分检测输出S4c施加偏置电压。同样，向部分检测输出S2c、S3c施加偏置电压。而且，向最初得到的部分检测输出S1c施加正或负的偏置电压，由此如图6所示，能够使角度θ为0度时的输出的起点与输出电压的0点一致。

图6所示的角度检测输出Sθ的变化近似于一次函数。图7示出图6所示的角度检测输出与一次函数的强度误差。角度检测输出Sθ的相对于一次函数的误差为±0.5％左右。

在本发明的实施方式的角度检测装置1中，通过将从第一磁检测部11和第二磁检测部12得到的模拟输出直接使用或者进行增益调整后使用，由此能够瞬时得到近似于一次函数的角度检测输出Sθ。由此，即使在旋转体2与电动机直接连结而旋转的情况下，也能够高精度地检测旋转角度。

需要说明的是，在图2和图3所示的角度检测装置1中，第一磁检测部11是由第一磁阻效应元件R(+s)、R(-s)构成的全桥接电路，第二磁检测部12是由第二磁阻效应元件R(+c)、R(-c)构成的全桥接电路。

但是，在本发明中，第一磁检测部11可以是将作为第一磁阻效应元件的R(+s)和R(-s)中的任一方与固定电阻组合而成的全桥接电路，也可以是使用了R(+s)和R(-s)中的任一方的半桥接电路。这对于第二磁检测部12也同样。

另外，在图3所示的模拟混合器30中，向由开关电路31提取出的各个部分检测输出施加偏置电力，但即使在向经过第一至第四输出电路21、22、23、24后的第一至第四检测输出S1～S4预先施加偏置电力后，由开关电路31提取出部分检测输出，也能够从开关电路31得到连续的角度检测输出Sθ。

如图9所示，在电动机驱动器45设有驱动电路46，从驱动电路46对电动机线圈43施加三相的驱动电力。

在电动机驱动器45设有三相比较器47，由图3所示的角度检测装置1生成的角度检测输出Sθ向三相比较器47赋予。三相比较器47作为分割检测部而发挥功能，在三相比较器47中，将角度检测输出Sθ与图6所示的两个阈值L1、L2进行比较。阈值L1是与旋转轴6及旋转体2的旋转角度θ成为120度时的角度检测输出Sθ的输出强度对应的电压，阈值L2是与旋转轴6及旋转体2的旋转角度θ成为240度时的角度检测输出Sθ的输出强度对应的电压。

从三相比较器47向分割开关电路48赋予分割信号。在从角度检测装置1输出的角度检测输出Sθ的强度为零时，从三相比较器47向分割开关电路48赋予分割信号Sd0，在角度检测输出Sθ与阈值L1一致时，赋予分割信号Sd1，在角度检测输出Sθ的强度与阈值L2一致时，赋予分割信号Sd2。

当分割信号Sd0、Sd1、Sd2向分割开关电路48赋予时，通过分割开关电路48来切换从驱动电路46向电动机线圈43施加的驱动电力的供给时机。如图10所示，当从三相比较器47向分割开关电路48赋予分割信号Sd0时，从驱动电路46对于电动机线圈43设定180度的时间宽度的U相的驱动电力的供给区间。当赋予分割信号Sd1时，对于电动机线圈43设定180度的时间宽度的V相的驱动电力的供给区间，当赋予分割信号Sd2时，对于电动机线圈43设定180度的时间宽度的W相的驱动电力的供给区间。

在图9所示的电动机驱动器45中，图6所示的角度检测输出Sθ向脉冲宽度调制电路(脉冲控制电路)50赋予。从电源电路49施加的电动机驱动电力通过脉冲宽度调制电路50改变占空比而向驱动电路46赋予。

在脉冲宽度调制电路50中，通过参照角度检测输出Sθ来检测U相的驱动电力被赋予的供给区间的区间内的角度变化(时间变化)。并且，以在U相的供给区间的最初使驱动电力减少、然后使驱动电力增加、进而使驱动电力降低的方式调整电力。该驱动电力被进行模拟/数字转换。其结果是，由分割开关电路48切换而从驱动电路46向电动机线圈43施加的U相的驱动电力如图10所示那样成为脉冲组P的电力，电力供给的占空比在供给区间的中央变大且在前后减小。该脉冲组P在全部的U相的驱动电力的供给区间中同样地生成。而且，关于V相的驱动电力和W相的驱动电力的供给区间，也同样地通过脉冲宽度调制电路50来控制电力供给的占空比。

通过向电动机线圈43施加U相、V相及W相的驱动电力，而驱动转子磁体41向顺时针方向(CW)旋转。每120度切换而施加的U相、V相及W相的驱动电力是脉冲组P，在各个驱动电力的供给区间中，实质的电流量逐渐增加且逐渐减少。因此，能够减少各相的驱动电力的切换时的脉动(ripple)。

在该电动机控制装置5中，作为模拟输出的角度检测输出Sθ向三相比较器47赋予，分割信号向分割开关电路48赋予，由此如图10所示，决定U相、V相及W相的驱动电力的供给时机和供给区间。供给时机为每120度，供给区间为180度的时间宽度。并且，在各相的驱动电力的供给区间的区间内，参照角度检测输出Sθ的绝对角度的变化(图6所示的Sθ的倾斜角度)，在供给区间内的中间部和前后部分使驱动电力的占空比变化。通过该控制动作，能够实现无脉动的电动机的旋转。

该电动机控制装置利用根据磁阻效应元件的检测输出而生成的模拟值的角度检测输出Sθ来控制三相的各相的驱动电力，因此即使旋转轴6以高转速进行旋转，也能够追随该转速而进行旋转控制。

Claims

1.一种电动机控制装置，其设有：

向电动机线圈施加三相的驱动电力的电动机驱动器；

检测旋转轴的旋转角度的角度检测装置，

所述电动机控制装置的特征在于，

在所述模拟混合器设有：从根据所述第一磁检测部和所述第二磁检测部得到的模拟的检测输出中提取近似于一次函数的部分检测输出的开关电路；向任一个所述部分检测输出施加偏置电力而使多个所述部分检测输出连续来作为角度检测输出的偏置施加电路，

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中，

在所述电动机驱动器设有基于所述角度检测输出而使三相的驱动电力的占空比变化的脉冲控制电路。

3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中，

所述电动机控制装置具有：

4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其中，

通过所述开关电路将所述第一检测输出、所述第二检测输出、所述第三检测输出及所述第四检测输出分别按照90度的周期进行提取来得到所述部分检测输出。

5.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其中，

所述第一检测输出、所述第二检测输出、所述第三检测输出及所述第四检测输出在以振幅的中点为起点±45度的范围内被提取。

6.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中，

所述第一磁检测部和第二磁检测部由包含磁阻效应元件的桥接电路构成，在所述第一磁检测部所包含的第一磁阻效应元件和所述第二磁检测部所包含的第二磁阻效应元件中，灵敏度轴的方向相互正交。