CN107636953A - 直流无刷马达控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种直流无刷马达控制装置，其对使负压产生风扇旋转的三相直流无刷马达的定子的绕组供给电流，所述直流无刷马达控制装置具备：整流部，其对电压为300伏特以下的交流电进行整流；升压部，其将整流部整流后的电流的电压升压为360伏特以上；三相桥式逆变器部，其将升压部升压后的电流供给至三相直流无刷马达的绕组；以及控制部，其根据磁极位置检测部所检测的磁极位置，控制三相桥式逆变器部的通电状态，由此控制转子的转速，其中，所述磁极位置检测部检测三相直流无刷马达的转子的磁极位置。

Description

直流无刷马达控制装置
技术领域
本发明涉及直流无刷马达控制装置。
背景技术
以往，已知装设有转换电路的电动吸尘器，该转换电路选择自如地切换升压运行模式与不进行升压动作的非升压运行模式。(例如，专利文献1)。由此，能够使该电动吸尘器只在必要时升压，因此能够使电动吸尘器的每充电一次的电池使用时间维持很长。即，作为效果主张节能。
另外，升压运行模式与电动吸尘器的模式“强”、“中”、“弱”对应，非升压运行模式与电动吸尘器的模式“功率”对应。
现有技术文献
专利文献：
专利文献1：日本公开公报：特开2003-135345号
发明内容
发明要解决的课题
然而，在实际吸尘时，大多始终持续产生较强的吸引力，就专利文献1而言，大多始终持续选择“功率”模式。在该情况下，存在能够切换升压运行模式和非升压运行模式的转换电路失去意义的问题。
并且，虽然节能的观点也很重要，但是小型且价格低廉的产品也在市场上被需求。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于根据实际用户的用法提供小型且价格低廉的产品。
用于解决课题的手段
本发明的实施方式中的直流无刷马达控制装置对使负压产生风扇旋转的三相直流无刷马达的定子的绕组供给电流，所述直流无刷马达控制装置具备：整流部，其对电压为300伏特以下的交流电进行整流；升压部，其将所述整流部整流后的电流的电压升压为360伏特以上；三相桥式逆变器部，其将所述升压部升压后的电流供给至所述三相直流无刷马达的所述绕组；以及控制部，其根据磁极位置检测部所检测的磁极位置，控制所述三相桥式逆变器部的通电状态，由此控制所述三相直流无刷马达的转子的转速，其中，所述磁极位置检测部检测所述转子的磁极位置。
发明效果
根据本发明的实施方式，能够提供一种通用性以及成本降低效果高的直流无刷马达控制装置。
附图说明
图1是示出本实施方式所涉及的吸引装置的外观的一例的图。
图2是示出本实施方式所涉及的吸引装置的功能结构的一例的图。
图3是示出本实施方式所涉及的吸引装置所具备的三相桥式逆变器部以及三相直流无刷马达的结构的一例的图。
图4是示出三相直流无刷马达的结构的一例的图。
图5是示出三相桥式逆变器部的电压波形的一例的图。
图6是示出MCU所控制的转子的转速与目标转速之间的关系的一例的图。
图7是示出磁极位置检测部所检测的磁极位置的移动周期的一例的图。
图8是例示MCU的两个动作模式的图。
图9是示出升压部的结构的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式所涉及的吸引装置1进行说明。
图1是示出本实施方式所涉及的吸引装置1的外观的一例的图。吸引装置1具备操作开关13。
图2是示出本实施方式所涉及的吸引装置1的功能结构的一例的图。
吸引装置1具备操作开关13、直流无刷马达控制装置15、三相直流无刷马达20、整流部29、升压部30、第1DC-DC转换器31以及第2DC-DC转换器32。吸引装置1通过利用三相直流无刷马达20使负压产生用风扇(未图示)旋转而产生负压。直流无刷马达控制装置15具备控制部16和三相桥式逆变器部40。控制部16具备MCU(Micro Controller Unit，微处理单元)17和驱动器18。MCU17具备检测对操作开关13进行的操作的未图示的操作检测部。三相直流无刷马达20具备磁极位置检测部25。直流无刷马达控制装置15对使负压产生风扇旋转的三相直流无刷马达20的定子的绕组21、22、23供给电流。
整流部29对电压为300伏特以下的交流电进行整流。具体而言，整流部29与商用交流电源连接。该商用交流电源包括标称电压为100V的100V系列电源和标称电压为230V的230V系列电源。例如，整流部29与100V系列商用交流电源或230V系列商用交流电源连接。在该情况下，整流部29对100V系列交流电或230V系列交流电进行整流。
升压部30将整流部29整流后的电流的电压升压为360伏特以上。由此，直流无刷马达控制装置15能够通过360伏特以上的供给电压来控制三相桥式逆变器部40。其中，升压后的电压也可以为360伏特以外。
三相桥式逆变器部40将升压部29升压后的电流分别供给至三相直流无刷马达20所具备的后述的绕组21、绕组22以及绕组23。
直流无刷马达控制装置15具备第2DC-DC转换器32。第2DC-DC转换器32将升压部30升压后的电流的电压降压为5伏特以下。第2DC-DC转换器32为降压部的一例。在该一例中，第2DC-DC转换器32将升压部30升压后的电流的电压降压为作为控制部16的动作电压的3.3伏特。
控制部16通过第2DC-DC转换器32降压成5伏特以下的电流进行动作。由此，直流无刷马达控制装置15能够使控制部16所具备的MCU17以及磁极位置检测部25利用通过第2DC-DC转换器32降压后的供给电压来进行动作。在该一例中，控制部16通过第2DC-DC转换器32降压成3.3伏特的电流进行动作。
图3是示出本实施方式所涉及的吸引装置1所具备的三相桥式逆变器部40以及三相直流无刷马达20的结构的一例的图。
三相桥式逆变器部40具备包括臂41、臂42以及臂43。臂41具备场效应晶体管411和场效应晶体管412。臂42具备场效应晶体管421和场效应晶体管422。臂43具备场效应晶体管431和场效应晶体管432。
三相直流无刷马达20具备绕组21、绕组22、绕组23、转子24、磁极位置检测部25-1、磁极位置检测部25-2、磁极位置检测部25-3以及永磁铁241。另外，前述的磁极位置检测部25是磁极位置检测部25-1、磁极位置检测部25-2以及磁极位置检测部25-3的总称。以下，在不需要区别磁极位置检测部25-1、磁极位置检测部25-2以及磁极位置检测部25-3的前提下，统称为磁极位置检测部25来进行说明。
图4是示出三相直流无刷马达20的结构的一例的图。
图5是示出由三相桥式逆变器部40控制场效应晶体管411、场效应晶体管421以及场效应晶体管431的电压波形的一例的图。另外，场效应晶体管411、场效应晶体管421以及场效应晶体管431分别为第1开关元件的一例。并且，场效应晶体管412、场效应晶体管422以及场效应晶体管432分别为第2开关元件的一例。
以下，在不需要区别场效应晶体管411、场效应晶体管421以及场效应晶体管431的前提下，统称为第1开关元件来进行说明。以下，在不需要区别场效应晶体管412、场效应晶体管422以及场效应晶体管432的前提下，统称为第2开关元件来进行说明。
图5(A)是在三相直流无刷马达20所具备的转子24的转速为规定的转速以上的情况下三相桥式逆变器部40控制第1开关元件的电压波形的一例。另外，由MCU17根据磁极位置检测部25所检测的磁极位置来计算出转子24的转速。在转子24的转速为规定的转速以上的情况下，三相桥式逆变器部40从磁极位置检测部25所检测的磁极位置到达基准位置的时刻开始，依次通过包含第1状态S1、第2状态S2、第3状态S3、第4状态S4的多个状态来控制第1开关元件的通电状态。即，控制部16根据磁极位置检测部25所检测的磁极位置来控制三相桥式逆变器部40的通电状态，由此控制转子24的转速，其中，该磁极位置检测部25检测三相直流无刷马达20的转子24的磁极位置。
在第1状态S1下，第1开关元件和第2开关元件均为断开状态。在第2状态S2下，第1开关元件维持接通状态，第2开关元件维持断开状态。在第3状态S3下，第1开关元件和第2开关元件均为断开状态。在第4状态S4下，第1开关元件维持断开状态，第2开关元件维持接通状态。以下，将基于图5(A)所示的电压波形对第1开关元件进行的控制称作单脉冲控制。直流无刷马达控制装置15能够通过单脉冲控制来降低切换损耗。
图5(B)是在三相直流无刷马达20所具备的转子24的转速小于规定的转速的情况下三相桥式逆变器部40控制第1开关元件的电压波形的一例。在该一例中，规定的转速是20000[r/m](revolution per minutes)。在转子24的转速小于规定的转速的情况下，三相桥式逆变器部40从磁极位置检测部25所检测的磁极位置到达基准位置的时刻开始，依次通过多个状态来控制第1开关元件的通电状态，该多个状态包含第1状态S1、第5状态S5、第3状态S3以及第4状态S4。在第5状态S5下，第2开关元件维持断开状态，并且第1开关元件交替切换接通状态和断开状态。以下，将基于图5(B)所示的电压波形对第1开关元件进行的控制称作PWM(Pulse Width Modulation)控制。
图6是示出MCU17通过三相桥式逆变器部40进行控制的转子24的转速与目标转速之间的关系的一例的图。在计算出的转子24的转速小于规定的转速的期间，MCU17通过三相桥式逆变器部40基于图5(B)所示的电压波形控制第1开关元件。另一方面，在计算出的转子24的转速为规定的转速以上的情况下，MCU17通过三相桥式逆变器部40基于图5(A)所示的电压波形控制第1开关元件。由此，直流无刷马达控制装置15能够通过进行在低速域控制性良好的PWM控制和在高速域效率良好的单脉冲控制来兼顾控制性和效率。
MCU17根据通过操作开关13接受的操作而从存储部12中读出表示与该操作相应的级别的目标转速的信息。目标转速的级别例如为级别1～级别5这五级。这些目标转速的级别分别与和各目标转速相应的吸引装置1的吸入功率相对应。MCU17使三相桥式逆变器部40控制第1开关元件，以使读出的目标转速与计算出的转子24的转速一致。由此，直流无刷马达控制装置15能够以适合于吸引装置1的使用状况的级别的转速来控制三相直流无刷马达20。例如，在吸引装置1为吸尘器的情况下，直流无刷马达控制装置15能够以分别适合于地板或榻榻米、地毯等地面状况的级别的转速来控制三相直流无刷马达20。
MCU17在按照目标转速的级别改变转子24的转速时，按照转子24的目标转速改变单脉冲控制下的第2状态的持续时间。由此，直流无刷马达控制装置15能够在单脉冲控制下控制转子的转速。另外，在此所说的持续时间为按照转子24的转速发生变化的时间，而不是指绝对时间。并且，MCU17在改变第2状态的持续时间时，以改变第1开关元件而不改变第2开关元件的方式进行控制。
另外，吸引装置1也可以具备作为三相直流无刷马达20的动作电源的电池。该电池例如也可以为镍-镉电池、镍-氢电池或锂离子电池等二次电池。在三相直流无刷马达20通过电池进行动作的情况下，MCU17也可以根据电池的剩余电量改变转子24的目标转速。
具体而言，在电池的剩余电量小于规定的阈值的情况下，MCU17降低转子24的目标转速而控制转子24的转速。规定的阈值可以为表示特定的剩余电量的值，也可以为规定的比例。在该一例中，规定的阈值为规定的比例。规定的比例例如是电池的容量的20％。由此，直流无刷马达控制装置15能够在二次电池的剩余电量较少的情况下延长吸引装置1的可使用时间。并且，在电池的剩余电量小于规定的阈值的情况下，MCU17也可以进行将目标转速保持为规定值的其他处理等。通过这样构成，直流无刷马达控制装置15能够在二次电池的剩余电量较少的情况下延长吸引装置1的可使用时间。
并且，MCU17也可以根据电池的剩余电量为规定的阈值以上还是小于规定的阈值来进行切换转子24的目标转速的控制。具体而言，在电池的剩余电量为规定的阈值以上的情况下，MCU17不改变转子24的目标转速而控制转子24的转速。并且，在电池的剩余电量小于规定的阈值的情况下，MCU17降低转子24的目标转速而控制转子24的转速。通过这样构成，直流无刷马达控制装置15在电池的剩余电量为规定的阈值以上的情况下，能够保持规定的吸引力，在电池的剩余电量小于规定的阈值的情况下，能够延长动作时间。即，直流无刷马达控制装置15能够按照电池的剩余电量进行例如功率保持模式与节能模式之间的切换。
图7是示出磁极位置检测部25所检测的磁极位置的移动周期的一例的图。MCU17根据磁极位置检测部25所检测的磁极位置的移动周期而判定是否取得从磁极位置检测部25提供的表示磁极位置的信号而作为用于判定磁极位置的信号。在该图中，电角的一个周期所需的时间按照转子24的转速的变化而发生变化。具体而言，在转子24高速旋转的情况下，电角的一个周期所需的时间比低速旋转的情况短。并且，只要转子24的转速的变化速度在规定范围内，则电角的一个周期所需的时间的变化也在规定范围内。即，作为一例，只要在以20000[r/m]左右以上高速旋转的转子24旋转数圈程度的极短的时间内，则电角的一个周期所需的时间的变化就会极小。因此，MCU17能够通过计算电角的一个周期所需的时间来推断从计算出的时刻经过极短的时间之后的电角的一个周期所需的时间幅度。即，MCU17能够推断在哪一时刻产生表示磁极位置的信号。MCU17将表示磁极位置的信号中的在推断出的电角的一个周期所需的时间幅度内的时刻产生的表示磁极位置的信号判定为非噪声。MCU17判定取得被判定为非噪声的表示磁极位置的信号而作为用于判定磁极位置的信号。并且，MCU17将表示磁极位置的信号中的在推断出的电角的一个周期所需的时间幅度外的时刻产生的表示磁极位置的信号判定为噪声。MCU17判定不将被判定为噪声的表示磁极位置的信号作为用于判定磁极位置的信号而取得。
并且，MCU17还能够根据磁极位置检测部25所检测的磁极位置的移动周期和转子24的目标转速对转子24的转速进行反馈控制。例如，MCU17通过图8所示的两个动作模式中的任一动作模式进行动作。图8是例示MCU17的两个动作模式的图。两个动作模式例如是电流保持模式和转速保持模式。在MCU17的动作模式为电流保持模式的情况下，MCU17通过分别供给至绕组21、绕组22、绕组23的电流值的反馈而控制转子24的转速。具体而言，通过电流传感器(未图示)对被供给至绕组21、绕组22、绕组23的电流值进行检测。在该情况下，MCU17根据电流传感器所检测的绕组21、绕组22、绕组23的电流值与目标电流值之间的差分而计算出被供给至绕组21、绕组22、绕组23的电流值。并且，MCU17将计算出的电流值的电流供给至绕组21、绕组22、绕组23。
并且，在MCU17的动作模式为转速保持模式的情况下，MCU17通过转子24的转速的反馈而控制转子24的转速。具体而言，MCU17根据通过磁极位置检测部25检测出的磁极位置的变化周期而计算转子24的转速。并且，MCU17根据计算出的转子24的转速与目标转速之间的差分而计算出供给至绕组21、绕组22、绕组23的电压波形。并且，MCU17将计算出的电压波形的电流供给至绕组21、绕组22、绕组23。在磁极位置检测部25所检测的磁极位置的移动周期所示的转子24的转速超过与操作检测部所检测的操作对应的目标转速的情况下，MCU17进行这些转速的控制。由此，直流无刷马达控制装置15能够通过反馈而抑制因转子24的转速意外地从作为目标上限值的目标转速上升而引起的发热。
并且，在转子24的转速发生变化时，通过转子24的旋转而产生的声音的频率就会发生变化。一般情况下，在吸引装置1发出的声音的频率发生变化时，与频率恒定的情况相比，声音刺耳而容易听到。该直流无刷马达控制装置15能够通过进行转速反馈或电流反馈控制而抑制转子24的转速的变动。因此，直流无刷马达控制装置15能够抑制吸引装置1发出的声音的频率发生变化。因此，直流无刷马达控制装置15能够降低吸引装置1发出的声音刺耳的程度。
在此，在该一例中，操作检测部所检测的操作是选择吸引装置的吸引力的等级的操作。如图6所示，在存储部中，表示转子24的目标转速的信息被划分成与操作检测部所检测的操作表示的吸引装置1的吸引力的等级对应的多个等级的转速而被存储。MCU17从存储部12中读出表示与按照操作检测部检测出的操作的吸引力的等级对应的等级的目标转速的信息。MCU17使转子24的转速与读出的目标转速一致。由此，直流无刷马达控制装置15能够将吸引装置1利用吸引力进行的操作提供给用户。
图9是示出升压部30的结构的一例的图。升压部30具备升压线圈、升压电容器、开关元件以及开关控制元件。在本实施方式中，升压部30还具备检测线圈和分压电阻。开关控制元件对检测线圈的电压变化和分压电阻的电压变化进行监控，并切换开关元件的接通状态与断开状态。在升压部30中，由开关控制元件切换开关元件的接通状态以及断开状态而反复进行升压线圈以及升压电容器的充放电，由此使从整流部29供给的电流的电压升压。
对于构成这些升压线圈、升压电容器以及开关元件的元件，选择与在升压动作中流动的电流值相应的额定值的元件。升压线圈、升压电容器以及开关元件的与电流值相关的元件额定值为第1元件额定值和第2元件额定值中的任意一个元件额定值，该第1元件额定值为被输入至整流部29的交流电压小于规定的电压时的元件额定值，该第2元件额定值为被输入至整流部29的交流电压为规定的电压以上时的元件额定值。另外，在本实施方式中，规定的电压为200伏特。具体而言，升压线圈、升压电容器以及开关元件的与电流值相关的元件额定值有100V系列元件额定值和230V系列元件额定值。开关控制元件的与电流值相关的元件额定值为第1元件额定值。
在此，在升压部30的升压动作中，向升压线圈、升压电容器以及开关元件流过与升压部30的其他元件相比比较大的电流。并且，在升压部30的升压动作中，若升压部30的输出电压与电源电压无关地恒定，则电源电压越低时向升压线圈、升压电容器以及开关元件流动的电流越大。例如，在电源电压为100V系列时向升压线圈、升压电容器以及开关元件流动的电流比在电源电压为230V系列时向这些各部流动的电流大。由此，100V系列元件额定值的元件被设计成流过比230V系列元件额定值的元件更大的电流。因此，100V系列元件额定值的元件一般比230V系列元件额定值的元件大，价格也高。由此，优选在利用100V系列电源电压进行动作的装置和利用230V系列电源电压进行动作的装置中，将升压线圈、升压电容器以及开关元件的元件额定值设成与各自的电源电压相应的元件额定值。具体而言，对于利用100V系列电源电压进行动作的装置的升压部30选择100V系列元件额定值的升压线圈、升压电容器以及开关元件。对于利用230V系列电源电压进行动作的装置的升压部30选择230V系列元件额定值的升压线圈、升压电容器以及开关元件。由此，相比于对于利用230V系列电源电压进行动作的装置的升压部30选择100V系列元件额定值的升压线圈、升压电容器以及开关元件的情况，能够使升压部30小型且价格低廉。
另一方面，若使元件共同化，则价格通过大量生产的效果等而降低。因此，对于构成升压部30的元件中的即使在电源电压发生变化时所流动的电流的变化也比较小的元件，在100V系列和230V系列时选择相同的元件。例如，升压部30的开关控制元件和检测线圈中流动的电流比升压线圈、升压电容器以及开关元件中流动的电流小。因此，开关控制元件和检测线圈的在电源电压为100V系列时和230V系列时流动的电流之差比较小。因此，升压部30的元件中的开关控制元件和检测线圈在电源电压为100V系列时和230V系列时选择共同的元件。
即，对于构成升压部30的元件中的流过大电流的元件，选择与电源电压相应的元件额定值的元件，对于流过小电流的元件，与电源电压无关地选择共同的元件额定值的元件。由此，直流无刷马达控制装置15能够兼顾基于选择价格低廉的元件的价格降低和基于使元件共同化的价格降低，从而降低装置整体的价格。另外，吸引装置1为吸引装置的一例。
符号说明
1…吸引装置、12…存储部、13…操作开关、15…直流无刷马达控制装置、16…控制部、17…MCU、18…驱动器、20…三相直流无刷马达、21、22、23…绕组、24…转子、25、25-1、25-2、25-3…磁极位置检测部、29…整流部、30…升压部、31…第1DC-DC转换器、32…第2DC-DC转换器、40…三相桥式逆变器部、241…永磁铁、411、412、421、422、431、432…场效应晶体管。

Claims (4)

1.一种直流无刷马达控制装置，其对使负压产生风扇旋转的三相直流无刷马达的定子的绕组供给电流，其中，
所述直流无刷马达控制装置具备：
整流部，其对电压为300伏特以下的交流电进行整流；
升压部，其将所述整流部整流后的电流的电压升压为360伏特以上；
三相桥式逆变器部，其将所述升压部升压后的电流供给至所述三相直流无刷马达的所述绕组；以及
控制部，其根据磁极位置检测部所检测的磁极位置，控制所述三相桥式逆变器部的通电状态，由此控制所述三相直流无刷马达的转子的转速，其中，所述磁极位置检测部检测所述转子的磁极位置。
2.根据权利要求1所述的直流无刷马达控制装置，其中，
所述升压部具备升压线圈、升压电容器、开关元件以及开关控制元件，所述升压部通过所述开关控制元件切换所述开关元件的接通状态以及断开状态而反复进行所述升压线圈以及所述升压电容器的充放电来进行升压，所述升压线圈、所述升压电容器以及所述开关元件的与电流值相关的元件额定值为被输入至所述整流部的交流电压小于规定的电压时的第1元件额定值和被输入至所述整流部的交流电压为规定的电压以上时的第2元件额定值中的任意一个元件额定值，所述开关控制元件的与电流值相关的元件额定值为所述第1元件额定值。
3.根据权利要求2所述的直流无刷马达控制装置，其中，
所述规定的电压为200伏特。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的直流无刷马达控制装置，其中，
所述直流无刷马达控制装置具备降压部，所述降压部将所述升压部升压后的电流的电压降压为5伏特以下，
所述控制部通过由所述降压部降压为5伏特以下的电流进行动作。
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