CN115997340A

CN115997340A - 马达驱动装置

Info

Publication number: CN115997340A
Application number: CN202080104456.6A
Authority: CN
Inventors: 野木雅也; 吉村公志
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2023-04-21
Also published as: EP4195495A1; US20230188076A1; EP4195495A4; WO2022029940A1; JP7326629B2; JPWO2022029940A1

Abstract

本发明涉及一种马达驱动装置，具备第1逆变器、第2逆变器以及控制器。该控制器为，在马达启动时，通过从上述第1逆变器以及上述第2逆变器向上述马达的各相绕组供给直流励磁电流的直流励磁，使上述马达的转子向初始位置转动，在该转动之后，以上述转子的转速成为目标速度的方式对上述第1逆变器以及上述第2逆变器的开关进行PWM控制。并且，上述控制器进行上述各相绕组中的零轴电流几乎成为零的上述直流励磁。

Description

马达驱动装置

技术领域

本发明涉及一种马达驱动装置，该马达具有相互处于非连接状态的多个相绕组。

背景技术

作为驱动压缩机等的马达，使用具有多个相绕组的永久磁铁同步马达(也称作DC无刷马达)。此外，驱动压缩机的马达内置在压缩机内。由于压缩机的内部成为高温高压，因此无法内置对马达的旋转位置即转子位置进行检测的传感器。因此，这种马达成为根据对逆变器的输出进行响应的马达绕组电流推断转子位置的无传感器驱动。此外，作为永久磁铁同步马达的一例，已知有具有相互处于非连接状态的多个相绕组的开放式绕组马达(Open-Winding Motor)。

驱动开放式绕组马达(简称为马达)的马达驱动装置为，具备对向马达的各相绕组的一端的通电进行控制的第1逆变器以及对向马达的各相绕组的另一端的通电进行控制的第2逆变器，通过这些第1逆变器以及第2逆变器的开关来驱动马达。尤其地，在启动马达时，通过从第1逆变器以及第2逆变器向马达的各相绕组以规定的路径流动直流励磁电流的所谓直流励磁，进行使马达的转子向预先确定的初始位置转动并使其固定在该位置的初始定位。在该定位之后，进行从第1逆变器以及第2逆变器向各相绕组供给励磁成分电流的强制换流，并完成启动。然后，在启动完成之后，检测在各相绕组中流动的电流，基于该检测电流来检测或者推断转子的转速以及转子位置，被以其转速成为目标速度的方式对第1逆变器以及第2逆变器的开关进行PWM控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4906836号

发明内容

发明要解决的课题

作为驱动上述开放式绕组马达时特有的问题，随着马达的通电而流动无助于马达的驱动的零轴电流。存在如下课题：在启动的初始定位时，随着在各相绕组中流动直流励磁电流，零轴电流增加而马达损失增大。

本发明的实施方式的目的在于提供一种马达驱动装置，能够降低马达启动时的马达损失。

用于解决课题的手段

技术方案1的马达驱动装置为，对多个相绕组相互以非连接状态配置的马达进行驱动，具备：第1逆变器，对向上述各相绕组的一端的通电进行控制；第2逆变器，对向上述各相绕组的另一端的通电进行控制；以及控制器，在上述马达的启动时，通过从上述第1逆变器以及上述第2逆变器向上述各相绕组供给直流励磁电流的直流励磁，使上述马达的转子向初始位置转动，在该转动之后，以上述转子的转速成为目标速度的方式对上述第1逆变器以及上述第2逆变器的开关进行PWM控制。并且，上述控制器进行上述相绕组中的零轴电流几乎为零的上述直流励磁。

附图说明

图1是表示一个实施方式的构成的框图。

图2是表示该实施方式的控制器的控制的流程图。

图3是表示该实施方式的直流励磁的相位的图。

图4是表示该实施方式的直流励磁的相位的其他例子的图。

图5是表示通过图4的直流励磁而流动的电流的路径的图。

具体实施方式

以下，参照附图对一个实施方式的马达驱动装置进行说明。

如图1所示，3相交流电源1连接有驱动电路2，该驱动电路2连接有马达3以及控制器4。

马达3是具有相互处于非连接状态的多个相绕组Lu、Lv、Lw的压缩机驱动用的三相永久磁铁同步马达、即所谓的开放式绕组马达(Open-Winding Motor)，包括安装有相绕组Lu、Lv、Lw的定子41、埋设有多个例如两个永久磁铁M1、M2的转子42以及支承该转子42的转子轴43。

上述驱动电路2包括：直流电源部10，对3相交流电源1的3相交流电压进行全波整流而使其平滑并输出；逆变器(第1逆变器)20，对该直流电源部10的输出端与开放式绕组马达1M的相绕组Lu、Lv、Lw的一端之间的通电进行控制；以及逆变器(第2逆变器)30，对上述直流电源部10的输出端与开放式绕组马达1M的相绕组Lu、Lv、Lw的另一端之间的通电进行控制。采用将直流电源部10作为逆变器20、30共用的直流电源的电源共用方式。

逆变器20具有开关元件例如IGBT21、22的串联电路、IGBT23、24的串联电路、IGBT25、26的串联电路，通过IGBT21～26的开关(接通、断开)对IGBT21、22的相互连接点与相绕组Lu的一端之间的通电、IGBT23、24的相互连接点与相绕组Lv的一端之间的通电、IGBT25、26的相互连接点与相绕组Lw的一端之间的通电进行控制。IGBT21～26反并联有再生二极管(也称作续流二极管)21a～26a。

与逆变器20相同，逆变器30具有开关元件例如IGBT31、32的串联电路、IGBT33、34的串联电路、IGBT35、36的串联电路，通过IGBT31～36的开关(接通、断开)对IGBT31、32的相互连接点与相绕组Lu的另一端之间的通电、IGBT33、34的相互连接点与相绕组Lv的另一端之间的通电、IGBT35、36的相互连接点与相绕组Lw的另一端之间的通电进行控制。IGBT31～36反并联有再生二极管31a～36a。

另外，逆变器20实际上是所谓的IPM(Intelligent Power Module)，该IPM是将使上述3个串联电路相互并联而构成的主电路以及驱动该主电路的IGBT21～26的驱动电路等周边电路收纳在单个封装中而成的模块。逆变器30也是相同构成的IPM。

在逆变器20与相绕组Lu、Lv、Lw的一端之间的3个通电线上配置有电流传感器11u、11v、11w。这些电流传感器11u、11v、11w检测在相绕组Lu、Lv、Lw中流动的相电流Iu、Iv、Iw。这些电流传感器11u、11v、11w的检测信号被发送到控制器4。

控制器4由微型计算机及其周边电路构成，对基于驱动电路2的马达驱动进行无传感器·矢量控制，包括转速检测部51、第1控制部52、第2控制部53以及第3控制部54。

转速检测部51基于由电流传感器11u、11v、11w检测到的相电流Iu、Iv、Iw，检测(推断)马达3中的转子42的转速(角速度)。

第1控制部52为，在马达3启动时，通过从逆变器20、30向马达3的相绕组Lu、Lv、Lw以规定的路径供给直流励磁电流Idu、Idv、Idw的直流励磁，进行使马达3的转子42向预先确定的初始位置(规定的旋转机械角)转动的初始定位。尤其地，第1控制部52为，在马达3启动时，进行使相绕组Lu、Lv、Lw中的零轴电流(也称作零相电流)Iz几乎成为零的直流励磁。用于进行该直流励磁的直流励磁电流Idu、Idv、Idw，与通过第2控制部53的后述的PWM控制而在相绕组Lu、Lv、Lw中流动的相电流Iu、Iv、Iw中的相绕组Lu、Lv、Lw的零轴电流Iz几乎成为零的相位的相电流Iu、Iv、Iw相等。零轴电流Iz几乎成为零的相位的相电流Iu、Iv、Iw是指，一个相电流成为零而剩余两个相电流在正侧与负侧相互成为几乎相同值的相位的相电流Iu、Iv、Iw。在将任意一个相电流成为最大值时的电角设为基准的0度的情况下，一个相电流成为零而剩余两个相电流在正侧与负侧相互成为相同值的相位的电角为30度、90度、150度、210度、270度、330度。以下，关于相位的表述是指使用了该基准的电角。

第2控制部53为，在通过上述直流励磁而转子42向初始位置转动之后，通过从逆变器20、30向相绕组Lu、Lv、Lw供给励磁成分电流(d轴电流)的强制换流，使马达3的转子42旋转而完成马达3的启动。

第3控制部54为，在基于上述强制换流的马达3的启动完成之后，对逆变器20、30的开关进行PWM控制(脉冲宽度调制控制)，以使由转速检测部51检测到的转子42的转速成为从外部指示的目标速度。

图2的流程图表示该控制器4执行的控制。流程图中的步骤S1、S2……简称为S1、S2……。

在马达3启动时(S1的“是”)，控制器4为了使马达3的转子42向预先确定的初始位置转动，而在相绕组Lu、Lv、Lw中的零轴电流Iz几乎成为零的相位进行直流励磁(S2)。即，控制器4对逆变器20、30的开关进行控制，以便在一个相绕组中不流动直流励磁电流，在另一个相绕组中流动一个方向的直流励磁电流，在剩余的一个相绕组中流动其他方向的直流励磁电流。

在通过该直流励磁使转子42向初始位置转动之后，控制器4通过从逆变器20、30向相绕组Lu、Lv、Lw供给励磁成分电流的强制换流(S3)，使马达3的转子42旋转而完成马达3的启动。在该启动完成之后，控制器4对逆变器20、30的开关进行PWM控制(脉冲宽度调制控制)，以使由转速检测部51检测出的转子42的转速成为目标速度(S4)。

如图3所示，通过PWM控制而在相绕组Lu、Lv、Lw流动的运转中的相电流Iu、Iv、Iw相互错开120度的相位而变化。实线表示相电流Iu，虚线表示相电流Iv，单点划线表示相电流Iw，双点划线表示零轴电流Iz。在图3中，将U相的相电流Iu成为最大值时的电角表示为基准的0度。零轴电流Iz以各相电流的3倍周期呈正弦波状变化，在该各相电流的1个周期中包括6个零交叉点。这些零交叉点的相位为30度、90度、150度、210度、270度、330度。在这些相位的每个相位，形成一个相电流成为零而剩余两个相电流在正侧与负侧相互成为相同值的通电模式。即，与一个相绕组相连的逆变器20、30的各开关元件断开，与另一个相绕组相连的逆变器20的上侧的一个开关元件接通而逆变器30的下侧的一个开关元件接通，与剩余一个相绕组相连的逆变器30的上侧的一个开关元件接通而逆变器20的下侧的一个开关元件接通。

直流励磁用的直流励磁电流Idu、Idv、Idw，与在相绕组Lu、Lv、Lw中流动的相电流Iu、Iv、Iw中的一个相电流成为零而剩余两个相电流在正侧与负侧相互成为相同值的相位例如30度的相电流Iu、Iv、Iw相等。在该30度的相位，直流励磁电流Idv成为零，直流励磁电流Idu、Idw在正侧与负侧相互成为相同值。在图1中用虚线箭头表示该直流励磁电流Idu、Idw流动的路径。

直流励磁电流Idu为，通过逆变器20的上侧的IGBT21的接通以及逆变器30的下侧的IGBT32的接通，从直流电源部10的正侧输出端(+)通过逆变器20的上侧的IGBT21而流向相绕组Lu的一端，并从该相绕组Lu的另一端通过逆变器30的下侧的IGBT32而流向直流电源部10的负侧输出端(-)。

直流励磁电流Idw为，通过逆变器30的上侧的IGBT35的接通以及逆变器20的下侧的IGBT26的接通，从直流电源部10的正侧输出端(+)通过逆变器30的上侧的IGBT35而流向相绕组Lw的另一端，并从该相绕组Lw的一端通过逆变器20的下侧的IGBT26而流向直流电源部10的负侧输出端(-)。

直流励磁电流Idv成为零、直流励磁电流Idu、Idw以正侧与负侧的相互相同值平衡，因此从直流电源部10的负侧输出端(-)的线通过逆变器20、30而朝向相绕组Lu、Lv、Lw的零轴电流Iz成为零。由于零轴电流Iz成为零，因此能够降低直流励磁时的马达损失。

假设如图4所示，当在相位45度进行直流励磁时，直流励磁电流Idv成为从零向正侧偏离的值，直流励磁电流Idu、Idw成为在正侧与负侧相互不同的值。在图5中用虚线箭头表示该直流励磁电流Idu、Idv、Idw流动的路径。

直流励磁电流Idv为，通过逆变器20的上侧的IGBT25的接通以及逆变器30的下侧的IGBT34的接通，从直流电源部10的正侧输出端(+)通过逆变器20的上侧的IGBT25而流向相绕组Lv的一端，并从该相绕组Lv的另一端通过逆变器30的下侧的IGBT34而流向直流电源部10的负侧输出端(-)。

直流励磁电流Idw为，通过逆变器30的上侧的IGBT35的接通以及逆变器20的下侧的IGBT26的接通，从直流电源部10的正侧输出端(+)通过逆变器30的上侧的IGBT35而流向相绕组Lw的另一端，并从该相绕组Lw的一端通过逆变器20的下侧的IGBT26而流向直流电源部10的负侧输出端(-)。此外，通过了开关元件26的直流励磁电流Idw中的比直流励磁电流Idu、Idv的合成成分大的电流成分Idw′，成为通过逆变器30的下侧的IGBT36的再生二极管36a而朝向相绕组Lw的零轴电流Iz。在这样的通电中，由于零轴电流Iz变大，因此马达损失增加。在本实施方式中，能够消除这样的不良情况。

另外，在相电流Iu、Iv、Iw中，一个相电流成为零而剩余两个相电流在正侧与负侧相互成为几乎相同值的相位不仅为30度，而且为90度、150度、210度、270度、330度。在90度的相位，直流励磁电流Idu成为零，直流励磁电流Idv、Idw以正侧与负侧的相互几乎相同值平衡。在150度的相位，直流励磁电流Idw成为零，直流励磁电流Idv、Idu以正侧与负侧的几乎相同值平衡。只要在这些30度、90度、150度、210度、270度、330度的相位的任一个相位进行直流励磁即可。

另外，马达损失与零轴电流的大小成比例。此外，零轴电流相对于通常的正弦波的马达驱动周期，以3倍的频率呈大致正弦波状变化。因此，零轴电流成为零的状态成为最高效率，但即使在零轴电流成为零的附近的相位进行通电，也能够充分改善马达效率。因而，即使不完全使零轴电流成为零，通过进行30度、90度、150度、210度、270度、330度附近的相位、例如±5度范围内的PWM控制的输出，也能够提高马达的效率。在这些相位的通电中，直流励磁电流Idu几乎为零，直流励磁电流Idv、Idw在正侧与负侧相互成为几乎相同值，虽然稍微产生零轴电流Iz，但其值较小，因此损失较小、马达的效率不会降低太多。

另外，上述实施方式以及变形例是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式以及变形例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、变形例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。

符号的说明

1、3相交流电源；2：驱动电路；3：开放式绕组马达；4：控制器；10：直流电源部；20：逆变器(第1逆变器)；30：逆变器(第2逆变器)；41：定子；42：转子；Lu、Lv、Lw：相绕组。

Claims

1.一种马达驱动装置，对多个相绕组相互以非连接状态配置的马达进行驱动，其特征在于，具备：

第1逆变器，对向上述各相绕组的一端的通电进行控制；

第2逆变器，对向上述各相绕组的另一端的通电进行控制；以及

控制器，在上述马达启动时，通过从上述第1逆变器以及上述第2逆变器向上述各相绕组供给直流励磁电流的直流励磁，使上述马达的转子向初始位置转动，在该转动之后，以上述转子的转速成为目标速度的方式对上述第1逆变器以及上述第2逆变器的开关进行PWM控制，

上述控制器进行上述相绕组中的零轴电流几乎成为零的上述直流励磁。

2.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于，

上述直流励磁电流是与通过上述PWM控制而在上述各相绕组中流动的各相电流中的、上述各相绕组中的上述零轴电流成为零的相位的各相电流相等的多个直流励磁电流。

3.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于，

上述直流励磁电流与在上述各相绕组中流动的各相电流中的、任一个相电流成为零而剩余的相电流在正侧与负侧相互成为几乎相同值的相位的相电流相等。

4.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于，

上述各相绕组为3个相绕组，

上述控制器对上述第1逆变器以及上述第2逆变器的开关进行控制，以便在上述3个相绕组中的一个相绕组中不流动直流励磁电流，在另一个相绕组中流动一个方向的直流励磁电流，在剩余一个相绕组中流动其他方向的直流励磁电流。

5.根据权利要求3所述的马达驱动装置，其特征在于，

上述各相绕组为3个相绕组，

上述直流励磁电流是与通过上述PWM控制而在上述各相绕组中流动的3个相电流中的、一个相电流成为零而剩余两个相电流在正侧与负侧相互成为几乎相同值的相位的3个相电流相等的3个直流励磁电流。

6.根据权利要求4所述的马达驱动装置，其特征在于，

上述一个相电流成为零而上述剩余两个相电流在正侧与负侧相互成为几乎相同值的相位为30度、90度、150度、210度、270度、330度。

7.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于，

上述控制器为，

在上述马达启动时，通过从上述第1逆变器以及第2逆变器向上述各相绕组供给直流励磁电流的直流励磁，使上述马达的转子向初始位置转动，

在该转动之后，通过从上述第1逆变器以及第2逆变器向上述各相绕组供给励磁成分电流的强制换流，使上述转子旋转而完成上述马达的启动，

在该启动完成之后，基于在上述各相绕组中流动的上述各相电流来检测上述转子的转速，并以检测到的转速成为上述目标速度的方式对上述第1逆变器以及第2逆变器的上述开关进行上述PWM控制。