CN107666265B - 马达控制用设备 - Google Patents

Abstract

本实施方式的马达控制用设备具备：PWM生成部，生成朝对开关磁阻马达的绕组进行通电的驱动电路输出的PWM信号；矩形波生成部，根据上述马达的旋转位置，在各相的1个驱动期间内对上述驱动电路输出1个脉冲以上的矩形波信号；以及驱动信号切换部，进行切换，以便当上述马达的转速为阈值以下时，进行基于上述PWM信号的PWM驱动，当上述转速超过上述阈值时，进行基于上述矩形波信号的矩形波驱动，上述PWM生成部使开始生成上述PWM信号的载波的定时与上述矩形波信号的上升同步。

Description

马达控制用设备

技术领域

本发明的实施方式涉及将开关磁阻马达作为控制对象的马达控制用设备。

背景技术

作为马达，具有使用了磁铁的有刷DC马达、无刷DC马达、不使用磁铁的感应马达、开关磁阻马达等。以下，将开关磁阻马达称作SR马达。SR马达不使用磁铁，因此具有的优点为，(1)简单的构造、廉价且坚固，(2)能够高速旋转，(3)能够在高温环境下使用，以及(4)容易循环利用等。

另一方面，SR马达具有的缺点为，(1)由于为凸极构造，因此扭矩脉动较大、驱动噪音较大，(2)功率因数较差，(3)需要严格要求间隙等、铁板的制作精度，(4)需要专用的驱动电路，以及(5)由于较强的非线形性，因此难以进行控制等。在驱动SR马达时，需要根据旋转角来切换通电相，能够根据通电定时、电流波形对产生扭矩进行控制。

例如，在日本特开平9-182490号公报中提出有如下技术：为了降低SR马达的缺点之一即驱动噪音，在根据决定对马达的绕组进行励磁的定时的信号的导通来许可向绕组的通电，并且根据PWM信号对在绕组中流动的电流值进行控制的构成中，使PWM信号的启动定时与决定励磁定时的信号从截止向导通的上升同步。

但是，在上述技术中，在马达以高速旋转的区域中变得无法完全控制电流。例如，在定子凸极数为12、转子凸极数为8的3相SR马达的情况下，为了使其旋转一周而需要将通电相切换24次。通电相的切换时间在6000rpm时为416.7μs，在60000rpm时为41.7μs。在PWM频率为20kHz的情况下，在6000rpm时能够输出8个脉冲，但是在60000rpm时只能够输出1个脉冲。

发明内容

因此，提供一种马达控制用设备，在开关磁阻马达以高速旋转的区域中也能够充分地控制电流。

本实施方式的马达控制用设备具备：PWM生成部，生成向对开关磁阻马达的绕组进行通电的驱动电路输出的PWM信号；矩形波生成部，根据上述马达的旋转位置，在各相的1个驱动期间内对上述驱动电路输出1个脉冲以上的矩形波信号；以及驱动信号切换部，进行切换，以便当上述马达的转速为阈值以下时、进行基于上述PWM信号的PWM驱动，当上述转速超过上述阈值时、进行基于上述矩形波信号的矩形波驱动，上述PWM生成部使开始生成上述PWM信号的载波的定时与上述矩形波信号的上升同步。

附图说明

图1是表示一个实施方式的马达控制用设备的主要部分的功能框图。

图2是表示PWM输出部的动作的时间图。

图3是表示矩形波输出部的动作的时间图。

图4是表示驱动信号切换部的构成的功能框图。

图5是表示驱动信号切换部的动作内容的流程图。

图6是表示输出模式的一览的图。

图7是表示SR马达的一般的驱动电路的图。

图8是表示驱动电路的正电压施加模式的图。

图9是表示驱动电路的回流模式的图。

图10是表示驱动电路的负电压施加模式的图。

图11是表示SR马达的构造的立体图。

图12是对SR马达的动作原理进行说明的图。

图13是表示定子为6极、转子为4极的SR马达的转子位置与电感之间的关系的图。

图14是表示与电角的变化相对应的各相的电感的变化的图。

图15是表示对应于PWM信号与矩形波信号不同步、各相的PWM载波为共同的情况的波形的图。

图16是表示本实施方式的作用的时间图(其1)。

图17是表示本实施方式的作用的时间图(其2)。

图18是表示本实施方式的作用的时间图(其3)。

图19是表示本实施方式的作用的时间图(其4)。

图20是表示本实施方式的作用的时间图(其5)。

图21是表示本实施方式的作用的时间图(其6)。

图22是表示本实施方式的作用的时间图(其7)。

图23是表示在每相绕组的电感不同的情况下输出相同波形的矩形波脉冲时的电流波形的时间图。

图24是表示本实施方式的作用的时间图(其8)。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。图11是表示SR马达的构造的立体图。SR马达1具有向截面形状大致为圆环的定子铁心2的内周侧突出的形状的多个凸极部3，在这些凸极部3上卷装有各相的绕组4。在定子铁心2的中空部配置有截面形状大致为十字状的转子铁心5。即，SR马达1为在定子铁心2与转子铁心5的双方具有凹凸的双凸极构造。

图12是对SR马达的动作原理进行说明的图。当对定子绕组进行通电时，在定子侧的凸极部与转子侧的凸极部对齐的朝向上作用扭矩、旋转力。在双方的凸极部对齐时磁阻成为最小，扭矩成为零。即，在被通电的凸极部中，产生要使磁阻降低的力学作用。

SR马达的扭矩T一般如(1)式那样表示。

T＝I²/2(dL/dθ)…(1)

此处，T：扭矩，I：电流，L：电感，θ：转子位置。根据该(1)式可知，如果在电感相对于转子位置增加的期间向绕组流动电流，则能够获得正的扭矩。

图13表示定子为6极、转子为4极的SR马达的转子位置与电感之间的关系。当将U相的定子凸极与转子凸极对齐的状态设为机械角0°时，U相电感在该状态下成为最大，在按照机械角旋转了±45°、即按照电角旋转了±180°的状态下成为最小。在U相中，在电角-180°～0°的范围内产生正的扭矩，在0°～180°的范围内产生负的扭矩。因而，在对U相通电之后，在到达U相电感成为最大的电角0°之前将通电切换到V相，在到达V相电感成为最大的电角120°之前将通电切换到W相。如此，通过将通电相按照U→V→W→U→…进行切换，由此能够使转子沿着CW方向旋转。图14表示与电角的变化相对应的各相电感的变化。

图7表示SR马达的一般的驱动电路。SR马达的驱动电路11具备一端与直流电源12的正侧端子连接的各相的正侧开关S1、以及一端与直流电源12的负侧端子连接的各相的负侧开关S2，在开关S1以及S2的另一端之间连接有各相绕组4。开关S1以及S2例如由MOSFET等半导体元件构成。此外，在直流电源12的正侧端子上连接有二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与开关S2的另一端连接。在直流电源12的负侧端子上连接有二极管D2的阳极，二极管D2的阴极与开关S1的另一端连接。

图8～图10表示驱动电路11的各通电模式。通过如图8所示那样使上下的开关S1以及S2导通，由此对绕组4施加正电压且流动电流。当从该状态起如图9所示那样仅使上侧的开关S1截止时，电流经由下侧的二极管D2回流。同样，通过从在绕组中流动有电流的状态起如图10所示那样使上下的开关S1以及S2截止，由此经由上下的二极管D1以及D2对绕组施加负电压，电流被向电源再生。

图1是表示马达控制用设备13的主要部分的功能框图。马达控制用设备13为了生成向驱动电路11输出的驱动信号而具备矩形波输出部14以及PWM输出部15。另外，各相均为相同的构成，因此此处对U相进行说明。

在矩形波输出部14中，将由未图示的CPU赋予的输出波形的指令值与SR马达1的电角进行比较而生成矩形波信号。设定于比较部16的指令值A、N，分别与矩形波信号的输出开始时刻的电角、输出结束时刻的电角相对应。即，通过赋予指令值A、N来设定矩形波信号的输出期间。设定于比较部17B以及17C的指令值A、B、C，决定在上述输出期间内输出的脉冲波形。比较部16、17B以及17C的输出信号均朝波形合成部18输入，波形合成部18通过取得输入信号的异或来输出矩形波信号SNCU。

在输出图1中例示的波形时，如图3所示那样将指令值B、C设定为(A＜B)、(C＜N)。由此，在电角A使由比较部17输出的信号QUBOV、QUCOV全部上升。与此相伴随，由波形合成部18输出的矩形波信号SNCU也上升。

从该状态起，当在电角B信号QUBOV下降时，矩形波信号SNCU也下降。接着，当在电角C信号QUCOV下降时，矩形波信号SNCU上升，当在电角N信号QUCOV下降时，矩形波信号SNCU也下降。如此，在波形合成部18中输入信号被合成的结果为，矩形波信号SNCU在电角A-B间以及C-N间成为高电平的波形。矩形波输出部14通过采用上述构成，由此当在1个驱动期间内输出多个矩形波脉冲时，也能够按照每相来单独地设定上升、下降的定时，而输出不同的波形。

另一方面，PWM输出部15具备生成作为PWM载波的锯齿状波的计数器19。计数器19的计数值被输入到减法器20以及数据锁存器21。数据锁存器21将由矩形波输出部14的比较部16输出的信号QUNOV的上升沿作为触发，锁存所输入的计数值。并且，减法器20从计数器19的计数值减去数据锁存器21所锁存的计数值，并将其减法运算值输入到比较部22。即，经由减法器20输出的载波的数据值在矩形波信号的输出开始定时成为零。

比较部22通过对上述载波的数据值与由CPU设定的占空指令值进行比较来生成PWM信号SRU，并将该信号SRU朝“与”门23的输入端子的一方输入。朝“与”门23的输入端子的另一方输入信号QUNOV。因而，在信号QUNOV示出高电平的期间，输出PWM信号SRU。图2表示从U端子输出的PWM信号的一例。

在“与”门23的输出侧配置有3个选择器24～26。朝选择器24输入“与”门23的输出信号(0)以及矩形波信号SNCU(1)，朝选择器25以及26输入选择器24的输出信号(0)以及信号QUNOV(1)。选择器25朝驱动电路11的U相上侧的开关S1U输出控制信号，选择器26朝驱动电路11的U相下侧的开关S2X输出控制信号。

选择器24为，如果输出模式为“PWM”且选择信号为“0”，则选择PWM信号SRU，如果输出模式为“矩形波”且选择信号为“1”，则选择矩形波信号SNCU。选择器25为，如果输出模式为“上侧回流”且选择信号为“0”，则选择选择器24侧，如果输出模式不为“上侧回流”且选择信号为“1”，则选择信号QUNOV。选择器26为，如果输出模式为“下侧回流”且选择信号为“0”，则选择选择器24侧，如果输出模式不为“下侧回流”且选择信号为“1”，则选择信号QUNOV。

如图6所示，门信号的输出模式为6种、即P(1)～P(3)以及R(1)～R(3)。在如输出模式P(1)、R(1)那样，输出上下均为相同波形的PWM信号、矩形波信号的情况下，图9所示的回流模式消失。当在输出模式R(2)以及R(3)中存在回流模式的情况下，在上侧或者下侧的一方，由矩形波输出部14仅输出遍及信号输出期间的1个脉冲。在PWM输出模式的情况下，PWM信号的最初的上升定时与由矩形波输出部14生成的矩形波信号的上升同步。输出模式的切换能够由CPU设定，但也能够通过将PWM频率、电角周期以及矩形波输出的脉冲数进行比较，由此通过硬件自动地进行切换。

接着，参照图4以及图5对通过上述硬件进行切换的构成进行说明。图4是表示驱动信号切换部31的构成的功能框图，图5是表示与图4所示的构成相对应的动作内容的流程图。驱动信号切换部31具备俘获自由计数器32的计数值的俘获部33A以及33B。俘获部33A以及33B均具有此次值寄存器34、上次值寄存器35以及减法器36。

俘获部33A为，在PWM载波的计数值成为最大的定时，从此次值寄存器34朝上次值寄存器35传输数据，并且，在此次值寄存器34中存储自由计数器32的计数值。减法器36从此次值寄存器34的寄存器值减去上次值寄存器35的寄存器值。由此，俘获部33A俘获与PWM载波的频率相当的计数数据(S1)。

另一方面，在俘获部33B侧，通过乘法器37对表示SR马达1的旋转角、电角的数据值乘以由矩形波输出部14生成的矩形波信号的脉冲数，生成乘法波形数据。并且，在俘获部33B中，在上述乘法波形数据值成为最大的定时，从此次值寄存器34朝上次值寄存器35传输数据，并且在此次值寄存器34中存储自由计数器32的计数值。因而，俘获部33B俘获与(马达旋转角)×(矩形波脉冲数)相当的计数数据(S2)。

俘获部33A以及33B的输出数据被输入到幅值比较器38。该比较器38为，如果俘获数据B为数据A以下(S3；是)，则输出选择矩形波模式的信号“1”(S4)，当数据B超过数据A时(否)，输出选择PWM模式的信号“0”(S5)。俘获部33A、33B以及比较器38相当于频率比较部。

例如，在定子凸极数为12、转子凸极数为8的3相SR马达的情况下，为了使其旋转一周而需要将通电相切换24次。当将1个通电期间中的脉冲数设为7时，在PWM频率为20kHz的情况下，当马达的转速上升而达到大约7100rpm(＝20kHz×60/(7脉冲×24))时，从PWM模式切换成矩形波模式。

接着，参照图15至图24对本实施方式的作用进行说明。但是，在图15中表示的波形不与本实施方式对应，而是对应于PWM信号与矩形波信号不同步且各相的PWM载波为共同的情况的波形。图中的励磁角指令被赋予的定时与矩形波信号的输出开始定时一致。与此相对，在图15所示的情形下，PWM信号的输出开始定时延迟，因此实际的相电流的上升比本来的相电流的上升延迟。

根据本实施方式，如图16所示，各相的PWM载波在矩形波信号的输出开始定时、励磁角指令的定时被复位，因此，PWM信号的输出开始定时与矩形波信号的输出开始定时一致。由此，图15所示那样的相电流的上升的延迟消失。另外，图中的“参考”相当于占空指令值。

图17与输出模式P(2)对应，在上侧截止的期间成为回流模式。图18与输出模式P(1)对应，不存在回流模式。图19是在输出模式R(1)下将输出脉冲数设为“1”的情况，是提前角为0°、通电角为120°的1个脉冲矩形波输出的波形。此外，图20对应于与图19相同的输出模式，是提前角为30°、通电角为150°的1个脉冲矩形波输出的波形。图21是与在输出模式R(2)下提前角为30°的情况对应的波形，图22是与在输出模式R(1)下提前角为30°的情况对应的波形。

图23表示在各相绕组的电感不同的情况下、输出了相同波形的矩形波脉冲时的电流波形。在该图中，使电感的斜度相等，因此在V相产生的扭矩变得小于在U相产生的扭矩。如此，为了抑制由每相的电感的偏差引起的扭矩波动，如图24所示，在矩形波输出部14中对于每相设定适当的波形是较为有效的。

如以上那样，根据本实施方式，PWM生成部15生成朝对SR马达1的绕组进行通电的驱动电路11输出的PWM信号，矩形波生成部14根据SR马达1的旋转位置在各相的1个驱动期间内对驱动电路11输出1个脉冲以上的矩形波信号。PWM生成部15使开始生成PWM信号的载波的定时与矩形波信号的上升同步。

驱动信号切换部31进行切换，以便当SR马达1的转速为阈值以下时，进行基于PWM信号的PWM驱动，当上述转速超过阈值时，进行基于矩形波信号的矩形波驱动。由此，即使在SR马达1以高速旋转的区域中，也能够通过矩形波驱动对所希望的电流进行通电，能够抑制扭矩变动地切换PWM驱动与矩形波驱动。

在该情况下，驱动信号切换部31具备将对SR马达1的电角频率乘以矩形波生成部14输出的矩形波信号的脉冲数而得到的频率、与PWM载波的频率进行比较的俘获部33A、33B以及比较器38，并根据其比较结果来切换驱动方式。因而，能够根据矩形波信号的脉冲数来适当地评价切换驱动方式的转速。

此外，使矩形波生成部14能够按照每相独立地设定在1个驱动期间内输出的脉冲波形，因此能够抑制由每相的电感的偏差引起的扭矩波动。进而，矩形波生成部14在驱动信号切换部31选择PWM驱动的期间、在1个驱动期间内仅输出1个脉冲。能够避免不需要地生成多个矩形波脉冲。

(其他实施方式)

SR马达1的凸极数、PWM载波的频率等，根据个别的设计来适当变更即可。

使矩形波生成部14能够针对每相独立地设定在1个驱动期间内输出的脉冲波形的构成，根据需要采用即可。

关于使开始生成PWM信号的载波的定时与矩形波信号的上升同步的方式，除此以外，也可以采用在矩形波信号的输出开始定时开始计数器19的计数动作、或者对计数器19进行复位的构成等。

对本发明的几个实施方式进行了说明，这些实施方式是作为例子来提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于专利请求范围所记载的发明和与其等同的范围中。

Claims (4)

1.一种马达控制用设备，具备：

PWM生成部，生成朝对开关磁阻马达的绕组进行通电的驱动电路输出的PWM信号；

矩形波生成部，根据上述马达的旋转位置，在各相的1个驱动期间内对上述驱动电路输出1个脉冲以上的矩形波信号；以及

驱动信号切换部，进行切换，以便当上述马达的转速为阈值以下时，进行基于上述PWM信号的PWM驱动，当上述转速超过上述阈值时，进行基于上述矩形波信号的矩形波驱动，

上述PWM生成部使开始生成上述PWM信号的载波的定时与上述矩形波信号的上升同步，

上述驱动信号切换部具备频率比较部，该频率比较部将和对上述马达的电角频率乘以上述矩形波生成部输出的矩形波信号的脉冲数而得到的频率相当的脉冲计数值、与和上述PWM信号的载波频率相当的计数值进行比较，上述驱动信号切换部根据上述比较结果来切换驱动方式。

2.如权利要求1所述的马达控制用设备，其中，

上述矩形波生成部能够针对每相独立地设定在上述1个驱动期间内输出的脉冲波形。

3.如权利要求1所述的马达控制用设备，其中，

上述矩形波生成部在上述驱动信号切换部选择上述PWM驱动的期间，在上述1个驱动期间内仅输出1个脉冲。

4.如权利要求2所述的马达控制用设备，其中，

上述矩形波生成部在上述驱动信号切换部选择上述PWM驱动的期间，在上述1个驱动期间内仅输出1个脉冲。

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