CN109560742A - 马达驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种马达驱动系统，具备：开口绕组构造的马达，三相绕组分别独立，具备6个输出端子；交流直流转换电路，将交流电源的交流电压转换成直流；一次侧逆变器，与上述6个输出端子中的3个输出端子连接，被供给由交流直流转换电路转换后的直流电压；二次侧逆变器，与上述输出端子中的剩余的3个输出端子连接，正侧电源线或者负侧电源线中的一方与一次侧逆变器共通地连接；电容器，连接于二次侧逆变器的正侧电源线与负侧电源线之间；以及控制部，基于PWM控制中的一次侧以及二次侧逆变器各自的线间占空比，对向马达通电的电流及旋转速度进行控制，并且基于对于一次侧逆变器以及二次侧逆变器的全相共通的占空比，对电容器的充电电压进行控制。

Description

马达驱动系统

技术领域

本发明的实施方式涉及驱动开口绕组构造的马达的系统。

背景技术

例如，在驱动永久磁铁同步马达等交流马达时，需要使用逆变器将直流电源转换成三相交流电力。但是，随着马达大容量化而在逆变器中流动的电流也增加，因此，构成逆变器的功率器件产生发热等问题。

对于该问题，在非专利文献1、专利文献1等中提出有如下系统：使三相马达的绕组不接线为星形而成为开放状态，并在三相绕组的两端分别连接逆变器而进行驱动。根据该系统，通过使用两台逆变器，由此能够对三相绕组的两端施加的电压能够扩展到2倍程度，因此，能够更高速地驱动马达。或者，通过增加绕组的匝数，由此能够以较少的电流驱动输出较高的扭矩的马达。

开口绕组马达的驱动系统，根据其电路构成而大多采用图8至图10所示的三种形态。在图8所示的构成中，虽然需要设置2个相互绝缘的直流电源，但具有能够使逆变器的直流电压成为2倍，在原理上不流动向三相绕组共通地流动的零轴电流这样的优点。在图9所示的构成中，两台逆变器共有直流环电压。在该构成中，电源可以为一个，但存在经由彼此的逆变器的直流部流动零轴电流的问题。在图10所示的构成中，通过电容器构成一方的逆变器的电源，因此，电源仍可以为一个。但是，为了对上述电容器进行充电而需要进行无功功率的控制。

非专利文献1：2002年5月，电气学会D部门论文志Vol.122，No.5，p430-438，“使用了开口绕组交流电动机与两台空间电压矢量调制逆变器的高效率低噪声电动机驱动方式”，川畑良尚、那须基志、川畑隆夫

专利文献1：国际公开第WO2016125557号小册子

在图8所示的构成中，存在用于生成2个被绝缘的直流电源的电路大型化的问题。此外，在图9所示的共有直流环的构成中，当为了提高电压利用率而进行由通常的三相逆变器进行的3次高次谐波的施加时，存在在三相中流动相同方向的电流、即零轴电流的问题。因此，电压利用率被限制为直流电压的86.6％。此外，在图10所示的构成中，在为了对二次侧的电容器进行充电而对无功功率进行控制时，存在在使一次侧-二次侧逆变器间的电压最大化的180度相位差电容器无法进行充电，有效的电压会降低的问题。

发明内容

因此，提供一种马达驱动系统，在驱动开口绕组构造马达时，能够不使电源电路大型化而提高效率。

实施方式的马达驱动系统具备：

开口绕组构造的马达，三相绕组分别独立，且具备6个输出端子；

交流直流转换电路，将交流电源的交流电压转换成直流；

一次侧逆变器，与上述马达的6个输出端子中的3个输出端子连接，被供给由上述交流直流转换电路转换后的直流电压；

二次侧逆变器，与上述马达的输出端子中的剩余的3个输出端子连接，正侧电源线或者负侧电源线中的一方与上述一次侧逆变器共通地连接；

电容器，连接于该二次侧逆变器的正侧电源线与负侧电源线之间；以及

控制部，基于PWM控制中的上述一次侧逆变器以及上述二次侧逆变器各自的线间占空比，对向上述马达通电的电流以及旋转速度进行控制，并且，基于对于上述一次侧逆变器以及上述二次侧逆变器的全相共通的占空比，对上述电容器的充电电压进行控制。

附图说明

图1是表示第1实施方式中的马达驱动系统的电路构成的图。

图2是表示开口绕组构造马达的共模电感的图。

图3是表示2个逆变器进行同时开关的情况下的等价电路的图。

图4是表示二次侧直流电压控制部的内部构成的功能框图。

图5是表示对马达驱动系统的动作进行了模拟的各信号波形的图。

图6是表示第2实施方式中的马达驱动系统的电路构成的图。

图7是表示第3实施方式中的空调机的构成的图。

图8是表示驱动开口绕组构造马达的构成的现有例的图(其一)。

图9是表示驱动开口绕组构造马达的构成的现有例的图(其二)。

图10是表示驱动开口绕组构造马达的构成的现有例的图(其三)。

具体实施方式

(第1实施方式)

以下，参照图1至图5对第1实施方式进行说明。图1是表示本实施方式的马达驱动系统的电路构成的图。马达M可以假定为三相的永久磁铁同步马达、感应电机等，但在本实施方式中设为永久磁铁同步马达。马达M的三相绕组分别互不接线而两个端子成为开放状态。即，马达M具备6个绕组端子Ua、Va、Wa、Ub、Vb、Wb。

一次侧逆变器1以及二次侧逆变器2分别是将开关元件即N沟道MOSFET3进行三相桥接而构成的。在一次侧逆变器1的正侧电源线、负侧电源线上连接有直流电源4。直流电源4可以是将交流电源转换成直流而得到的。在二次侧逆变器1的正侧电源线、负侧电源线上连接有电容器5。而且，一次侧逆变器1的负侧电源线与二次侧逆变器2的负侧电源线被共通地连接。逆变器1的各相输出端子分别与马达M的绕组端子Ua、Va、Wa连接，逆变器2的各相输出端子分别与马达M的绕组端子Ub、Vb、Wb连接。

位置传感器6是检测马达M的转子旋转位置、旋转速度的传感器，电流传感器7(U、V、W)是检测马达M的各相电流Iu、Iv、Iw的传感器。电压传感器8、9分别检测直流电源4的电压V_DC1、电容器5的电压V_DC2。

从驱动马达的系统中的上位的控制装置向控制装置11赋予速度指令值ω_Ref，该控制装置11进行控制以使检测到的马达速度ω与速度指令值ω_Ref一致。控制装置11基于电流传感器7检测到的各相电流Iu、Iv、Iw、以及电压传感器8、9检测到的直流电压V_DC1、V_DC2，生成向构成逆变器1以及2的各FET3的栅极赋予的开关信号。

电流检测坐标转换部12通过(1)式将各相电流Iu、Iv、Iw转换成用于矢量控制的d、q以及0的各轴坐标的电流Id、Iq、I0。

【数式1】

速度位置检测部13根据位置传感器6检测到的信号来检测马达速度ω以及转子旋转位置θ。旋转位置θ被输入至电流检测坐标转换部12以及dq0三相转换部17。此外，速度位置检测部13也可以构成为，根据马达M的电压、电流来推断速度以及位置。速度控制部14根据所输入的速度指令ω_Ref与速度ω，例如通过对二者之差进行PI运算，由此输出q轴电流指令I_qRef。d轴电流指令生成部15根据直流电压V_DC1与dq轴的电压振幅V_dq，例如同样地通过对二者之差进行PI运算，由此生成用于弱磁场控制的d轴电流指令值I_dRef。

电流控制部16根据所输入的d、q、0轴的电流指令I_dRef、I_qRef、I_0Ref、以及检测到的电流Id、Iq、I0，输出d、q、0轴电压指令Vq、Vd、V0。dq0三相转换部17通过(2)式将各轴电压指令Vq、Vd、V0转换成2个逆变器1以及2的三相电压指令值V_u1、V_v1、V_w1、V_u2、V_v2、V_w2。

【数式2】

二次侧直流电压控制部18以使二次侧逆变器2的直流电压、即电容器5的电压V_DC2追随所输入的直流电压指令值V_DC2Ref的方式，对逆变器1以及逆变器2的三相电压指令值V_u1、V_v1、V_w1、V_u2、V_v2、V_w2进行调整，除以直流电压V_DC2而如后述那样进行修正，作为各相的负载(デューティ：Duty)D_u1’、D_v1’、D_w1’、D_u2’、D_v2’、D_w2’输出。负载D_u1’～D_w2’被输入至调制部19。调制部19根据所输入的负载D_u1’～D_w2’，生成向构成逆变器1以及2的各FET3的栅极赋予的开关信号、PWM信号U1±、V1±、W1±、U2±、V2±、W2±并输出。

接着，参照图2至图5对本实施方式的作用进行说明。为了使开口绕组马达M动作，通过2个逆变器1以及2对各端子Ua、Va、Wa、Ub、Vb、Wb施加电压。作为进行速度控制以及电流控制的结果而得到的电压，由dq0三相转换部17通过(2)式分割成向逆变器1以及2的电压指令。在(2)式中，按照θ_inv2＝0进行转换而得到的电压成为向一次侧逆变器1的电压指令V_u1、V_v1、V_w1。而且，例如，按照反相位即θ_inv2＝π进行转换而得到的电压成为向二次侧逆变器2的电压指令V_u2、V_v2、V_w2。通过调制部19将这6个电压指令值转换成对于上下臂的合计12个开关信号。如此，通过2个逆变器1以及2对马达M施加反相位的电压，由此能够增加每一相的电压振幅，能够使马达M更高速地旋转。

此处，对本实施方式的二次侧逆变器的直流电压V_DC2的控制进行说明。如图2所示，将开口绕组马达M的三相电感的共模成分设为L_CM。该电感L_CM虽然也基于马达的绕组构造，但为每一相的电感的几％～10％程度。

当考虑到逆变器1以及2的三相输出相同电压的定时、即进行同时开关的情况下的等价电路时，成为图3所示的共模等价电路。在一次侧逆变器1的上侧FET3进行同时开关的情况下，构成使用了电感L_CM的降压斩波电路。此外，在二次侧逆变器2的下侧FET3进行同时开关的情况下，构成使用了电感L_CM的升压斩波电路。

而且，通过这2个斩波电路升降压后的电压对二次侧逆变器2的电容器5进行充电，使其成为电压V_DC2。当将图3中的构成降压斩波器的一次侧逆变器1的上侧开关负载定义为D_back、构成升压斩波器的二次侧逆变器2的开关负载定义为D_boost时，电容器5的电压V_DC2通过(3)式表示。

V_DC2＝V_DC1D_back(1-D_boost)……(3)

在D_back＝D_boost＝0.5时V_DC2＝V_DC1，向逆变器1以及2供给的电压相等，随着D_back以及D_boost增加而二次侧电压V_DC2升压。如此，通过使一次侧逆变器1的三相同时开关量、以及二次侧逆变器2的三相同时开关量变化，能够对电容器5的电压V_DC2进行控制。

其次，对电压V_DC2的控制方法进行说明。图4表示二次侧直流电压控制部18的内部构成。二次侧直流电压控制部18具备PI运算部18a、负载生成部18b、加法器18c以及减法器18d。PI运算部18a通过对二次侧电压指令值V_DCRef2与二次侧电压V_DC2之差进行PI(Proportional-Integral)运算，由此生成占空比修正值ΔD。

负载生成部18b将由dq0三相转换部17生成的一次侧逆变器1、二次侧逆变器2的三相电压指令值V_u1、V_v1、V_w1、V_u2、V_v2、V_w2除以各自的直流电压V_DC1、V_DC2，由此对各相负载指令值D_u1、D_v1、D_w1、D_u2、D_v2、D_w2进行运算。而且，通过加法器18将一次侧逆变器1的负载指令值与负载修正值ΔD相加而作为指令值D_u1’、D_v1’、D_w1’。由此，能够使图3所示的由一次侧逆变器1的共模电感L_CM构成的降压斩波器的负载D_back增加。另一方面，对于二次侧逆变器2的负载指令值D_u2、D_v2、D_w2，通过减去负载修正值ΔD而作为指令值D_u2’、D_v2’、D_w2’。由此，使二次侧逆变器2的下侧FET3的开关负载增加。于是，图3所示的升压斩波的负载D_boost增加，二次侧电压V_DC2升压。

图5是对通过本实施方式的构成来驱动开口绕组马达M，并且对二次侧的电容器电压V_DC2进行控制的状态进行了模拟的波形。一次侧电压V_DC1为约280V，二次侧的电压指令值V_DCRef2被设定为400V。如此，能够在使电压V_DC2升压的同时驱动马达M。当观察逆变器1以及2的U相负载D_u1’、D_u2’时，D_u1’的振幅较大。其原因在于，虽然逆变器2的直流电压V_DC2升压，但逆变器1的直流电压V_DC1未被升压。此外，通过升压控制使直流电压V_DC2达到400V，由此逆变器2的U相负载D_u2’平均地降低。

根据以上的作用，通过对向二次侧逆变器2供给的电容器电压V_DC2进行升压，由此能够对开口绕组马达M施加更高的电压，能够使马达M旋转至更高速。

如以上那样，根据本实施方式，在通过一次侧逆变器1以及二次侧逆变器2对三相绕组分别独立且具备6个输出端子Ua～Wb的开口绕组构造的马达M进行驱动的构成中，对一次侧逆变器1连接直流电源4，对二次侧逆变器2连接电容器5。控制装置11基于PWM控制中的逆变器1以及2各自的线间占空比，对向马达M通电的电流以及旋转速度进行控制，并且，基于对于逆变器1以及2的全相共通的占空比，对电容器5的电压V_DC2进行控制。通过如此地构成，能够在对马达M进行驱动控制的同时对二次侧电压V_DC2进行升压控制，能够使马达M旋转至更高速。

具体而言，控制装置11为，当基于电容器5的电压的检测值V_DC2与所输入的电压指令值V_DCRef2之差，对作为共通的占空比的修正值ΔD进行运算时，将向一次侧逆变器1输出的PWM信号的占空比与修正值ΔD相加，将向二次侧逆变器2输出的PWM信号的占空比减去修正值ΔD。由此，能够根据修正值ΔD对二次侧电压V_DC2进行升压控制。

(第2实施方式)

以下，对于与第1实施方式相同的部分标注相同的符号并省略说明，仅对不同的部分进行说明。在第1实施方式中，一次侧逆变器1的负侧电源线与二次侧逆变器2的负侧电源线被共通地连接。与此相对，在图6所示的第2实施方式的马达驱动系统中，逆变器1以及2的正侧电源线被共通地连接。其他构成与第1实施方式相同。

根据如以上那样构成的第2实施方式，仅是作为基准的直流电压从负侧替换为正侧，能够获得与第1实施方式相同的效果。

(第3实施方式)

图7表示应用了本实施方式的马达驱动系统的空调机30的构成。构成热泵系统31的压缩机32是将压缩部33与马达M收纳在同一个铁制密闭容器35内而构成的，马达M的转子轴与压缩部33连结。而且，压缩机32、四通阀36、室内侧热交换器37、减压装置38、室外侧热交换器39通过作为热传递介质流路的管以构成闭环的方式连接。另外，压缩机32例如是回转型的压缩机。空调机30具有上述热泵系统31而构成。

在供暖时，四通阀36处于实线所示的状态，由压缩机32的压缩部33压缩后的高温制冷剂，从四通阀36朝室内侧热交换器37供给而冷凝，之后，通过减压装置38减压，成为低温而朝室外侧热交换器39流动，并在此处蒸发而返回到压缩机32。另一方面，在制冷时，四通阀36被切换成虚线所示的状态。因此，由压缩机32的压缩部33压缩后的高温制冷剂，从四通阀6朝室外侧热交换器39供给而冷凝，之后，通过减压装置38减压，成为低温而朝室内侧热交换器37流动，并在此处蒸发而返回到压缩机32。而且，构成为，通过风扇40、41对室内侧、室外侧的各热交换器37、39进行送风，通过该送风高效地进行各热交换器37、39与室内空气、室外空气的热交换。

通过将本实施方式的马达驱动系统应用于空调机30，由此在使室温急剧地上升下降的高输出运转中，通过使二次侧电压V_DC2升压而使马达M以高速进行旋转。另一方面，在室温达到指定的温度的状态下的低输出运转中，使二次侧电压V_DC2与一次侧电压V_DC1相同。由此，能够高效地进行空调运转。

(其他实施方式)

也可以仅配置两相量的电流传感器7，剩余一相的电流通过运算求出。

电流传感器7可以是分流电阻、也可以是CT。

交流电源也可以为单相。

开关元件并不限定于MOSFET，也可以使用其他的IGBT、功率晶体管、SiC、GaN等宽带隙半导体等。

并不限定于空调机，也可以应用于其他产品等。

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而提示的，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的各种方式加以实施，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 (2)

1.一种马达驱动系统，具备：

开口绕组构造的马达，三相绕组分别独立，且具备6个输出端子；

交流直流转换电路，将交流电源的交流电压转换成直流；

一次侧逆变器，与上述马达的6个输出端子中的3个输出端子连接，被供给由上述交流直流转换电路转换后的直流电压；

二次侧逆变器，与上述马达的输出端子中的剩余的3个输出端子连接，正侧电源线或者负侧电源线中的一方与上述一次侧逆变器共通地连接；

电容器，连接于该二次侧逆变器的正侧电源线与负侧电源线之间；以及

控制部，基于PWM控制中的上述一次侧逆变器以及上述二次侧逆变器各自的线间占空比，对向上述马达通电的电流以及旋转速度进行控制，并且，基于对于上述一次侧逆变器以及上述二次侧逆变器的全相共通的占空比，对上述电容器的充电电压进行控制。

2.如权利要求1所述的马达驱动系统，其中，

上述控制部基于上述电容器的电压的检测值与所输入的上述电压的指令值之差，对上述共通的占空比进行运算，

将向上述一次侧逆变器输出的PWM信号的占空比与上述共通的占空比相加，

将向上述二次侧逆变器输出的PWM信号的占空比减去上述共通的占空比。