CN1130005C - 无刷直流电机控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电机控制方法，该方法根据由逆变器施加工作电压的无刷直流电机定子绕组连接点处的第1中性点电压，及与无刷直流电机定子绕组并联的电阻连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机转子的旋转位置，按测出的旋转位置控制逆变器，其中，对旋转位置检测信号进行计数并据此算出目前的电气相位角，按算出的电气角相位控制逆变器，输出正弦波状的脉冲宽度调制电压，故不用霍尔元件等就能测出转子的旋转位置，且能防止发生换向时的不良情况。

Description

无刷直流电机控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及无刷直流电机控制方法及其装置，更详细地说，涉及根据由逆变器施加工作用电压的无刷直流电机的定子绕组连接点处的第1中性点电压，以及与无刷直流电机的定子绕组并联的电阻的连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机的转子的旋转位置，并根据测出的旋转位置控制逆变器的无刷直流电机控制方法及其装置。

背景技术

历来已知，为了控制无刷直流电机，必须检测转子的旋转位置，并根据旋转位置检测信号，控制向无刷直流电机供给动作用电压用的逆变器。作为检测转子的旋转位置用的装置，已知使用有霍尔元件的传感器等的装置(参照日本发明专利公开1997年第149679号公报)。

此外，一般采用使逆变器的电压波形为矩形波的方法。

但是，例如采用无刷直流电机作为空调装置压缩机的驱动源时，因为压缩机的内部环境恶劣，所以很难采用检测转子的旋转位置用的、使用有霍尔元件的传感器等的装置。即，采用检测转子的旋转位置用的、使用有霍尔元件的传感器等的装置的无刷直流电机，其应用范围受到限制。此外，有时还会发生因霍尔元件的安装精度低引起的旋转位置检测信号发生误差这样的不良情况。

如果要消除这样的不良情况，可以考虑采用这样的装置：该装置的逆变器波形为120度通电波形，通过检测非通电区间发生的电动机感应电压，来检测转子的旋转位置。但是，因为采用120度通电波形，故转子的永久磁铁的磁通利用效率低，而且由于换向时转矩发生波动，故存在效率下降及噪声成问题等不良情况。此外，将逆变器波形取为矩形波来驱动无刷直流电机时，来自旋转位置检测器的输出信号的积分波形变成如图16所示的波形，逆变器电压换向时出现不平滑的变化点，该变化点如果位于过零点，会引起旋转位置检测信号误差，导致无刷直流电机控制性能恶化。

此外，为了解决换向时如上所述的不良情况，也可以使逆变器的电压波形为正弦波，但为了进行正弦波调制，需要检测正确的旋转位置用的位置检测器，即，需要每圈产生1024个脉冲程度的昂贵的编码器等，而且，如果将编码器配置在压缩机内部则可靠性不能保证，所以应用范围受到限制。

本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于，提供一种不使用霍尔元件等就能测出转子的旋转位置，而且能防止换向时发生不良情况的无刷直流电机控制方法及其装置。

发明的公开

权利要求1的无刷直流电机控制方法，该方法根据由逆变器施加工作电压的无刷直流电机定子绕组的连接点处的第1中性点电压，以及与无刷直流电机的定子绕组并联的电阻的连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机的转子的旋转位置，并根据测出的旋转位置控制逆变器，在该过程中，

对旋转位置检测信号进行计数，并算出目前的电气角相位，根据旋转位置检测信号的计数值及算出的电气角相位，控制逆变器，以便输出正弦波状的脉冲宽度调制电压。

权利要求2的无刷直流电机控制方法，该方法对旋转位置检测信号进行计数，并根据旋转位置检测信号的边缘处的基准定时器值和目前的定时器值，算出目前的电气角相位。

权利要求3的无刷直流电机控制装置，这是根据由逆变器施加工作电压的无刷直流电机定子绕组的连接点处的第1中性点电压，以及与无刷直流电机的定子绕组并联的电阻的连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机的转子的旋转位置，并根据测出的旋转位置控制逆变器的装置，具有：

对旋转位置检测信号进行计数的旋转位置检测信号计数装置；算出目前的电气角相位的电气角相位运算装置；根据旋转位置检测信号的计数值及算出的电气角相位，控制逆变器，以便输出正弦波状的脉冲宽度调制电压的逆变器控制装置。

权利要求4的无刷直流电机控制装置，作为所述电气角相位运算装置，是采用根据旋转位置检测信号的边缘处的基准定时器值与目前的定时器值，来算出目前的电气角相位的装置。

权利要求5的无刷直流电机控制装置，作为所述电气角相位运算装置，采用包含在旋转位置检测信号的边缘保持定时器值，并将其作为所述基准定时器值的基准定时器值设定装置的装置。

权利要求6的无刷直流电机控制装置，作为所述电气角相位运算装置，采用包含在旋转位置检测信号的边缘利用最优先中断处理进行读出，并将该读出的定时器值作为所述基准定时器值的基准定时器值设定装置的装置。

如果采用权利要求1的无刷直流电机控制方法，因为根据经逆变器施加工作电压的无刷直流电机定子绕组的连接点处的第1中性点电压，以及与无刷直流电机的定子绕组并联的电阻的连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机的转子的旋转位置，并根据测出的旋转位置控制逆变器，在该过程中，

对旋转位置检测信号进行计数，并算出目前的电气角相位，根据旋转位置检测信号的计数值及算出的电气角相位，控制逆变器，输出正弦波状的脉冲宽度调制电压，所以，不使用霍尔元件等，就能测出转子的旋转位置，并能从旋转位置检测信号获得正确的电气角相位，对逆变器进行正弦波脉冲宽度调制，将换向时不良情况的发生防患于未然，高效率驱动无刷直流电机。

如果是权利要求2的无刷直流电机控制方法，因为对旋转位置检测信号进行计数，并根据旋转位置检测信号的边缘处的基准定时器值和目前的定时器值算出目前的电气角相位，所以能从2个定时器值方便地算出目前的电气角相位，并能达到与权利要求1相同的作用。

如果是权利要求3的无刷直流电机控制装置，在根据经逆变器施加工作电压的无刷直流电机定子绕组的连接点处的第1中性点电压，以及与无刷直流电机的定子绕组并联的电阻的连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机的转子的旋转位置，并根据测出的旋转位置控制逆变器的过程中，

就可以利用旋转位置检测信号计数装置对旋转位置检测信号进行计数，利用电气角相位运算装置算出目前的电气角相位，并利用逆变器控制装置，根据旋转位置检测信号的计数值及算出的电气角相位控制逆变器，输出正弦波状的脉冲宽度调制电压。

所以，不使用霍尔元件等，就能测出转子的旋转位置，并能从旋转位置检测信号获得正确的电气角相位，对逆变器进行正弦波脉冲宽度调制，将换向时不良情况的发生防患于未然，高效率驱动无刷直流电机。

如果是权利要求4的无刷直流电机控制装置，因为作为所述电气角相位运算装置，采用根据旋转位置检测信号的边缘处的基准定时器值与目前的定时器值，来算出目前的电气角相位的装置，因此，能从2个定时器值方便地算出目前的电气角相位，并能达到与权利要求3相同的作用。

如果是权利要求5的无刷直流电机控制装置，因为作为所述电气角相位运算装置，采用包含有在旋转位置检测信号的边缘保持定时器值，并将其作为所述基准定时器值的基准定时器值设定装置的装置，因此，能方便且可靠地设定基准定时器值，并能达到与权利要求3权利要求4相同的作用。

如果是权利要求6的无刷直流电机控制装置，因为作为所述电气角相位运算装置，采用包含在旋转位置检测信号的边缘利用最优先中断处理进行读出，并将该读出的定时器值作为所述基准定时器值的基准定时器值设定装置的装置，因此，能方便且可靠地设定基准定时器值，并能达到与权利要求3权利要求4相同的作用。

附图的简单说明

图1为示出本发明无刷直流电机控制装置一实施形态的方框图。

图2为说明载波周期中断处理之一部分的流程图。

图3为说明载波周期中断处理之其余部分的流程图。

图4为说明旋转位置检测信号的中断处理的流程图。

图5为说明电压矢量V1-V6的图。

图6为示出电气角与应使用的电压矢量之关系的图。

图7为说明旋转位置检测信号与载波中断、输出波形之关系的图。

图8为放大示出图7的一部分的图。

图9为放大示出图7的一部分的图。

图10为说明相位修正角的修正处理的示意图。

图11为说明输出波形模式更新之一例的图。

图12为说明输出波形模式更新之另一例的图。

图13为示出本发明的调制波形与积分信号之关系的图。

图14为说明用软件读入基准点定时器值时的处理之一部分的流程图。

图15为说明用软件读入基准点定时器值时的处理之其余部分的流程图。

图16为示出传统的调制波形与积分信号之关系的图。

实施发明的最佳形态

以下参照附图，对本发明无刷直流电机控制方法及其装置的实施形态进行详细说明。

图1为示出本发明无刷直流电机控制装置一实施形态的方框图。

无刷直流电机控制装置将来自三相逆变器2的输出电压施加在无刷直流电机1的定子绕组上。这样，通过无刷直流电机1驱动压缩机3。

此外，将无刷直流电机1的定子绕组连接点处的第1中性点电压及相对无刷直流电机1的定子绕组并联的电阻(未图示)的连接点处的第2中性点电压供给位置检测器4。该位置检测器4将上述两中性点电压作为输入，对两中性点电压的电压差进行积分后输出积分信号，同时检测积分信号的过零点作为旋转位置检测信号加以输出。

所述积分信号供给电平检测器5，以输出电平检测信号。此外，所述旋转位置检测信号被供给周期测定定时器6。

该周期测定定时器6的值被供给捕获寄存器7及周期运算部8。捕获寄存器7从周期测定定时器6取入旋转位置检测信号的边缘处的定时器值并加以暂时保存。此外，周期运算部8例如算出从旋转位置检测信号的边缘到下一旋转位置检测信号的边缘为止的定时器值，并从该定时器值算出周期。

从周期运算部8输出的周期运算结果被供给速度运算部9，从速度运算部9输出的目前速度(目前频率)与指令频率一起提供给减法运算部10，从减法运算部10输出的频率差提供给电压速度控制部11，从电压速度控制部11输出的电压指令提供给正弦波PWM控制部12。

从电平检测器5输出的电平检测信号供给电平检测部13，来自从电平检测部13的输出信号供给最大效率控制部14。最大效率控制部14输出的相位修正角供给相位指令部15，从相位指令部15输出的相位指令、捕获寄存器7的内容(例如捕获值Ta)及目前定时器值Tb供给角度运算部16，角度运算部16输出的角度指令供给正弦波PWM控制部12。此外，将来自电平检测部13的复位信号供给电平检测器5，同时将最大效率控制部14输出的比较电平设定信号供给电平检测器5。电平检测部13取入来自电平检测器5的电平检测信号加以暂时保存，同时使电平检测器5复位，准备由电平检测器5进行下一次电平检测。最大效率控制部14例如进行相位修正角控制，以达到预先设定的积分信号电平。即进行控制，当积分信号比预先设定的电平小时，使相位修正角提前，反之，比设定电平大时，使相位修正角延迟，同时再根据相位指令部15输出的相位指令，输出达到最大效率用的相位指令指示信号。角度运算部16将相位指令、捕获值及目前的定时器值作为输入，求出角度指令并将其输出。

于是，从上述正弦波PWM控制部12输出的逆变器波形信号经驱动部17供给三相逆变器2。

接着说明图2至图4所示的流程图。另外，图2、图3为说明载波周期中断处理的流程图，图4为说明利用旋转位置检测信号进行中断处理的流程图。

首先说明载波周期中断处理。

在步骤SP1，读出周期测定定时器6的值Tb，在步骤SP2，从定时器值Tb减去旋转位置检测信号边缘处周期测定定时器6的值的保持值Ta，算出目前角度定时器值，并在步骤SP3，判定目前角度定时器值是否在与60度对应的定时器值(以下称为60°定时器值)以下。如果目前角度定时器值为60°定时器值以下，则在步骤SP4，将旋转位置检测信号模式设定为波形矢量模式。相反，如果目前角度定时器值比60°定时器值大，则在步骤SP5，将目前角度定时器值减去60°定时器值后，设定为新的目前角度定时器值，并在步骤SP6，使旋转位置检测信号模式递增1，设定为波形矢量模式。

进行步骤SP4或步骤SP6的处理之后，在步骤SP7，将60°乘目前角度定时器值再除以60°定时器值，算出目前角度，在步骤SP8，设定电压控制率。

接着，在步骤SP9，判定相位修正角是否未到60°。相位修正角未到60°时，在步骤SP10，判定目前角度是否未到相位修正角，目前角度未到相位修正角时，在步骤SP11，使波形矢量模式相对旋转位置检测信号的编号前进2个号码。在步骤SP10判定目前角度为相位修正角以上时，则在步骤SP12，使波形矢量模式相对旋转位置检测信号的编号前进3个号码。

在步骤SP9判定相位修正角为60°以上时，在步骤SP13，判定相位修正角是否未到120°。相位修正角未到120°时，在步骤SP14，将相位修正角减去60°后的角度作为新的相位修正角，并在步骤SP15，判定目前角度是否未到相位修正角。目前角度未到相位修正角时，在步骤SP16，使波形矢量模式相对旋转位置检测信号的编号前进1个号码。在步骤SP15，判定目前角度为相位修正角以上时，在步骤SP17，使波形矢量模式相对旋转位置检测信号的编号前进2个号码。

当在步骤SP13判定相位修正角为120°以上时，在步骤SP18，将相位修正角减去120°后的角度作为新的相位修正角，并在步骤SP19，判定目前角度是否未到相位修正角。目前角度未到相位修正角时，进行后面将叙述的步骤SP21的判定。在步骤SP19，判定目前角度为相位修正角以上时，在步骤SP20，使波形矢量模式相对旋转位置检测信号的编号前进1个号码。

在进行步骤SP11的处理、步骤SP12的处理、步骤SP16的处理、步骤SP17的处理及步骤SP20的处理之中的任一处理时，或者，在步骤SP19中，判定目前角度未到相位修正角时，在步骤SP21，判定目前角度是否未到相位修正角。目前角度未到相位修正角时，在步骤SP22，目前角度上加上60°并减去相位修正角后所得的角度作为电压矢量角度φ6。当在步骤SP21，判定目前角度为相位修正角以上时，在步骤SP23，将从目前角度中减去相位修正角后的角度作为电压矢量角度φ6。

进行了步骤SP22的处理或步骤SP23的处理时，在步骤SP24，将从60°减去Φ6后的角度作为电压矢量角度Φ4，在步骤SP25，将电压控制率、sinΦ4及载波定时器值T0相乘作为电压矢量定时器值τ4，在步骤SP26，将电压率、sinΦ6及载波定时器值T0相乘作为电压矢量定时器值τ6，在步骤SP27，将载波定时器值T0减去τ4及τ6，并用2除减后结果所得的值作为电压矢量定时器值τ0及τ7，在步骤SP28，设定脉冲宽度调制时间，这样就结束一系列的处理。

接着，对利用旋转位置检测信号进行的中断处理进行说明。

在步骤SP1，使位置信号模式进1，在步骤SP2，进行周期运算，在步骤SP3，进行速度运算，在步骤SP4，进行电压速度控制，同时输出电压控制率，在步骤SP5，进行利用相位的最大效率控制，同时输出相位修正角，就这样结束一系列的处理。

另外，进行PWM控制时所使用的电压矢量V1-V6如图5所示，电压矢量V0、V7为0矢量。此外，τ0、τ4、τ6及τ7分别为电压矢量V0、V4、V6及V7的持续时间。

作更详细的说明。

图6为示出Φ与应使用的电压矢量之关系的图。

从该图6可知，在角度Φ为0-π/3的范围内，采用电压矢量V4、V6，在角度Φ为π/3-2π/3的范围内，采用电压矢量V2、V6，在角度Φ为2π/3-π的范围内，采用电压矢量V2、V3，在角度Φ为π-4π/3的范围内，采用电压矢量V1、V3，在角度Φ为4π/3-5π/3的范围内，采用电压矢量V1、V5，在角度Φ为5π/3-2π的范围内，采用电压矢量V4、V5。此外，为了防止在任何范围合成电压矢量的大小变得过大，同时采用0矢量V0、V7。

图7为说明旋转位置检测信号、载波中断(脉冲宽度调制的每一周期发生的中断)及输出波形之关系的图。

图8、图9为放大图7的一部分的图。

每当如图7(C)所示发生载波中断时，进行如图2及图3所示的流程图的处理。如果如图7(B)所示获得旋转位置检测信号，则在旋转位置检测信号的边缘进行图4所示的流程图的处理。根据进行图4所示的流程图的处理而获得的相位修正角，如图7(A)所示切换输出波形矢量模式。

图8、图9均以旋转位置检测信号的下降边为基准点Ta，算出目前角度定时器值Tb-Ta。然后判定目前角度定时器值Tb-Ta与60°定时器值(电气角60°份额的过去的平均定时器值)的大小。当目前角度定时器值Tb-Ta为60°定时器值以下时，如图8所示，不改变目前角度定时器值Tb-Ta，将该角度使用于目前角度计算。相反，当目前角度定时器值Tb-Ta比60°定时器值大时，如图9所示，将目前角度定时器值Tb-Ta减去60°定时器值后，作为新的目前定时器值使用，进而更新输出波形矢量模式。

图10为说明相位修正角的修正处理(步骤SP9、步骤SP13、步骤SP14、步骤SP18的处理)的示意图。

图10(A)所示为相位修正角不到60°时的情况，图10(B)所示为相位修正角为60°以上但不到120°时的情况，图10(C)所示为相位修正角为120°以上时的情况。

在图10(A)的情况下，原封不动地采用相位修正角，在图10(B)的情况下，将从相位修正角中减去60°后的角度作为新的相位修正角加以采用，在图10(C)的情况下，将从相位修正角中减去120°后的角度作为新的相位修正角加以采用。此外，在图10(B)及图10(C)的情况下，分别将偏移减去角度的位置作为新的基准点Ta。

图11、图12为说明输出波形模式的更新(步骤SP19、步骤SP20的处理)的图。

图11所示为目前角度不到相位修正角时的情况，因为由相位修正角决定的时刻为模式切换点，所以仍然维持目前的输出波形矢量模式。此外，图12所示为目前角度比相位修正角大时的情况，因为由相位修正角决定的时刻(在目前角度之前角度的时刻)为模式切换点，所以，输出波形矢量模式进1。

当图11、图12的处理应用于图10(B)时，因为在图10(B)的处理中，输出波形矢量模式已进1，故与步骤SP16、步骤SP17的处理对应，而应用于图10(A)时，因为图10(A)的处理中，输出波形矢量模式已进2，故与步骤SP11、步骤SP12的处理对应。

以上概括来说，在旋转位置检测信号边缘的定时点，由捕获寄存器7取入自由运行的周期测定定时器6的值并加以保持。但也可以用最优先中断处理读出该值。

设这样保持或取入的定时器值为图8、图9所示的基准点(基准点定时器值)Ta。

在脉冲宽度调制的每一周期，算出周期测定定时器6的值Tb与基准点定时器值Ta之差，就能获得与目前的电气相位角相当的目前角度定时器值。

然后，将该目前角度定时器值与60°定时器值进行比较，如果目前角度定时器值在60°定时器值以下，因为如图8所示，目前角度定时器值在输出波形矢量模式的更新点之前，所以将旋转位置检测信号模式设定为输出波形矢量模式。相反，如果目前角度定时器值比60°定时器值大，则因为如图9所示，目前角度定时器值在输出波形矢量模式的更新点之后，故更新目前角度定时器值，同时将旋转位置检测信号模式递增1，设定为输出波形矢量模式。

然后，设定电压控制率，如图10所示，判定相位修正角为0-60°的范围，还是60°-120°的范围，或是120°-180°的范围，并按各范围，原封不动地采用相位修正角或对相位修正角进行修正。然后，例如如图11、图12所示，将目前角度与相位修正角进行比较，并根据比较结果，或者原封不动地采用输出波形矢量模式或使其前进，前进时设定进几。

再计算电压矢量角度，并计算电压矢量定时器值，设定脉冲宽度调制的定时器。因此，如图13(A)所示，对逆变器2进行正弦波脉冲宽度调制，可以如图13(B)所示，预先防止发生换向时的不良情况，高效率驱动无刷直流电机1。当然，不必在条件恶劣的压缩机内部设置霍尔元件等，而且能正确测出无刷直流电机1的转子的旋转位置。

图14、图15为说明用软件读出基准点定时器值时的处理的流程图。另外，图14的处理是旋转位置检测信号中断处理1(最优先中断处理)，图15的处理是旋转位置检测信号中断处理2(优先级低的中断处理)。

在图14的流程图的步骤SP1中，读出基准点定时器值Ta，在步骤SP2，要求旋转位置检测信号中断处理2，到此一系列的处理结束。

在图15的流程图的步骤SP1中，使位置信号模式进1，在步骤SP2，进行周期运算，在步骤SP3，进行速度运算，在步骤SP4，进行电压速度控制，并输出电压控制率，在步骤SP5，进行利用相位的最大效率控制，同时输出相位修正角，到此，一系列的处理结束。

因此，采用图14、图15的流程图的处理时，也能达到与使用捕获寄存器7来保存基准点定时器值时一样的作用。当然，在发生软件多中断时，也能正确测出旋转位置检测信号边缘的定时，因此，能高精度获得位置信号的基准点，进而能达到高精度的正弦波调制。

这样，随着采用正弦波调制，积分信号的畸变消失，所以能使积分信号级差收缩得较小，可进一步提高电动机效率。因此，与进行等幅脉冲宽度调制时相比，能获得相等以上的控制性能，并能实现节能。

另外，本发明并不受上述实施形态的限制，例如，可以将速度控制输出作为相位修正角，将最大效率控制输出作为电压控制率，这样来进行控制，此外，作为最大效率控制部、电平检测器及电平检测部，可以采用其它构成，还有，也可以不根据位置信号中断来进行速度控制及最大效率控制。

产业上应用的可能性

本发明不必另外设置位置检测装置，就能实现无刷直流电机的速度控制及最大效率控制，能很好应用于以无刷直流电机为驱动源的各种装置。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机控制方法，该方法根据由逆变器(2)施加工作电压的无刷直流电机(1)的定子绕组的连接点处的第1中性点电压，以及与无刷直流电机(1)的定子绕组并联的电阻的连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机(1)的转子的旋转位置，并根据测出的旋转位置控制逆变器(2)，其特征在于，

对旋转位置检测信号进行计数，并算出目前的电气角相位，根据旋转位置检测信号的计数值及算出的电气角相位，控制逆变器(2)，以便输出正弦波状的脉冲宽度调制电压。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于，对旋转位置检测信号进行计数，并根据旋转位置检测信号的边缘处的基准定时器值和目前的定时器值，算出目前的电气角相位。

3.一种无刷直流电机控制装置，该装置根据由逆变器(2)施加工作电压的无刷直流电机(1)的定子绕组的连接点处的第1中性点电压，以及与无刷直流电机(1)的定子绕组并联的电阻的连接点处的第2中性点电压，检测无刷直流电机(1)的转子的旋转位置，并根据测出的旋转位置控制逆变器(2)，其特征在于，具有：

对旋转位置检测信号进行计数的旋转位置检测信号计数装置；算出目前的电气角相位的电气角相位运算装置；根据旋转位置检测信号的计数值及算出的电气角相位，控制逆变器，以便输出正弦波状的脉冲宽度调制电压的逆变器控制装置。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述电气角相位运算装置，是根据旋转位置检测信号的边缘处的基准定时器值与目前的定时器值，来算出目前的电气角相位的电气角运算装置。

5.根据权利要求3或4所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述电气角相位运算装置，包含在旋转位置检测信号的边缘保持定时器值，并将其作为所述基准定时器值的基准定时器值设定装置。

6.根据权利要求3或4所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述电气角相位运算装置，包含在旋转位置检测信号的边缘利用最优先中断处理进行读出，并将读出的定时器值作为所述基准定时器值的基准定时器值设定装置。

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