CN116508253A - 电动机驱动装置和使用该电动机驱动装置的冷藏库 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动无刷DC电动机(5)的电动机驱动装置(13)。电动机驱动装置(13)包括：位置检测部(6)，其根据无刷DC电动机(5)的感应电压的值和阈值，检测无刷DC电动机(5)的位置，生成表示无刷DC电动机(5)的位置的位置信息；PWM生成部(10)，其根据位置信息用PWM驱动无刷DC电动机(5)；和阈值变更部(11)，其根据PWM占空比的导通期间和关断期间来切换位置检测部(6)的阈值。位置检测部(6)根据PWM的占空比的导通比率，在PWM的导通期间或关断期间对位置检测的时刻进行切换。

Description

电动机驱动装置和使用该电动机驱动装置的冷藏库

技术领域

本发明涉及驱动无刷DC电动机的电动机驱动装置和使用该电动机驱动装置的冷藏库。

背景技术

专利文献1公开根据指令的占空比、指令的电动机转速、检测出的占空比和检测出的电动机转速中的一个参数的增减而阶段性地增减载波频率的电动机的驱动装置。该电动机驱动装置包括：供给通过PWM方式可变地控制占空比的电源电压的逆变电路；生成PWM信号的PWM生成电路；以PWM信号的特定相位工作从而检测转子的旋转位置的位置检测电路；和将基于PWM信号的通电控制信号向逆变电路送出的逆变控制电路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-165603号公报

发明内容

本发明提供一种不依赖于逆变器控制的状态，能够根据壳体的共振引起的噪音和振动、INV电路损失的发热、节能等自由选择载波频率的驱动装置。

本发明的一个方式中的电动机驱动装置驱动无刷DC电动机。电动机驱动装置包括：位置检测部，其根据无刷DC电动机的感应电压的值和阈值，检测无刷DC电动机的位置，生成表示无刷DC电动机的位置的位置信息；PWM生成部，其根据位置信息用PWM驱动无刷DC电动机；和阈值变更部，其根据PWM占空比的导通期间和关断期间来切换位置检测部的阈值。位置检测部根据PWM占空比的导通比率，在PWM的导通期间或关断期间对位置检测的时刻进行切换。

本发明的一个方式中的电动机驱动装置在于，即使是相同的导通比率，也能够不按照因PWM的载波频率而增减的PWM的导通时间而进行位置检测。因此，能够自由选择符合产品目的例如减少无刷DC电动机运转的壳体的共振和INV的电路损耗等的PWM的载波频率来驱动无刷DC电动机。

附图说明

图1是表示实施方式1中的电动机驱动装置和冷藏库的控制系统的结构的框图。

图2是实施方式1中的PWM生成部决定的PWM导通比率的时序图。

图3A是实施方式1中的开关元件4a的导通/关断的时序图。

图3B是实施方式1中的开关元件4b的导通/关断的时序图。

图3C是实施方式1中的开关元件4c的导通/关断的时序图。

图3D是实施方式1中的开关元件4d的导通/关断的时序图。

图3E是实施方式1中的开关元件4e的导通/关断的时序图。

图3F是实施方式1中的开关元件4f的导通/关断的时序图。

具体实施方式

(成为本发明的基础的知识见解等)

在发明人等想到本发明的当时，已有一种技术，其根据无刷DC电动机的速度或PWM的占空比使载波频率增减，稳定地无传感器驱动无刷DC电动机。

但是，为了实现低速下的运转，需要确保PWM的导通时间，并且需要降低载波频率。发明人等发现了一个技术问题，即，根据逆变器的状态设定载波频率，与无刷DC电动机驱动的壳体固有的共振频率一致，从而产生噪音和振动。为了解决该技术问题，发明人等构成了本发明的主题。

因此，本发明提供一种不按照因PWM的载波频率而增减的PWM的导通时间而能够进行位置检测的电动机驱动装置。

以下，参照附图详细地说明实施方式。但是，有时会省略非必要的详细说明。例如，存在省略对于已经公知的事项的详细说明、或者对于实质上相同的结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明变得必要程度以上的冗长，便于本领域技术人员的理解。

此外，附图和以下的说明是为了本领域技术人员充分地理解本发明而提供的，并不是意图由此对权利要求的范围中记载的主题加以限定。

(实施方式1)

以下，使用图1、图2、图3A～图3F说明实施方式1。

[1-1.结构]

[1-1-1.使用电动机驱动装置的冷藏库的结构]

图1是本发明的实施方式1中的电动机驱动装置的框图。在图1中，交流电源1是一般工频电源，在日本是有效值为100V的50Hz或60Hz的电源。

整流电路2是将交流电源1作为输入并将交流电力整流为直流电力的电路，由桥接的4个整流二极管2a～2d构成。

平滑部3与整流电路2的输出侧连接，使整流电路2输出平滑。在本实施方式中，由平滑电容器或电抗器构成，但在本实施方式中，为了简化电路结构，仅由平滑电容器构成。

另外，在使用电抗器的情况下，只要插入交流电源1和电容器之间即可，整流二极管2a～2d的前后均可以。

逆变器4将来自平滑部3的直流电转换为交流电。逆变器4是通过将6个开关元件4a～4f进行三相桥接而构成的。另外，6个回流电流用二极管4g～4l在反方向上与各开关元件4a～4f连接。

无刷DC电动机5由具有永磁铁的转子5a和具有三相绕组的定子5b构成。无刷DC电动机5通过由逆变器4产生的三相交流电流流过定子5b的三相绕组，从而使转子5a旋转。另外，无刷DC电动机5的极数根据所要求的特性而决定，在本实施方式中为4极。

位置检测部6根据在定子5b的三相绕组中产生的感应电压检测转子5a的磁极位置。在本实施方式中，取得无刷DC电动机5的端子电压，检测无刷DC电动机5的转子5a的磁极相对位置。具体而言，位置检测部6将在定子5b的三相绕组中产生的感应电压和基准的电压作为阈值进行比较，检测零交叉，并检测转子5a的相对旋转位置。

速度检测部7根据位置检测部6检测的位置信息，计算无刷DC电动机5的当前的驱动速度和过去旋转一圈的平均速度。在本实施方式中，测量距检测感应电压的零交叉的时间，根据该时间进行当前的速度的计算。另外，检测感应电压零交叉的间隔将其作为区间经过时间，计算区间经过时间的过去旋转一圈部分之和，根据结果计算旋转一圈的平均速度。计算时刻是在位置检测部6检测到感应电压零交叉时进行的。

电压检测部8检测从平滑部3向逆变器4输入的直流的母线电压的值。一般来讲，母线电压是比检测微电脑等的电压的元件的耐电压高的电压，所以用电阻分压并取得母线电压使其变成耐电压以下。按比例计算所取得的电压值并取得原来的电压。用电阻分压并取得母线电压的方法其结构简单，成本低廉。在本实施方式中，也用电阻分压来取得母线电压。将取得的电压值向PWM生成部10和位置检测部6输出。

PWM生成部10在于，在每次由位置检测部6检测感应电压的零交叉时，将由速度检测部7检测出的旋转一圈的平均速度与从外部输入的目标速度进行比较，控制无刷DC电动机5的速度。具体而言，PWM生成部10设定PWM的导通比率，以使如果目标速度比旋转一圈的平均速度高，则提高施加在无刷DC电动机5上的电压。反之，PWM生成部10设定PWM的导通比率，以使如果目标速度比旋转一圈的平均速度低，则降低施加在无刷DC电动机5上的电压。PWM生成部10设定PWM的导通比率，以使如果目标电压与旋转一圈的平均速度一致，则维持施加在无刷DC电动机5上的电压。

另外，PWM生成部10输出通电120度的矩形波。PWM生成部10根据由位置检测部6检测出的位置检测出的时刻和由速度检测部7计算出的旋转一圈的平均速度计算出时刻，切换开关元件4a～4f的导通。由于无刷DC电动机5为三相电动机，所以通电相的通电期间按电角每60度组合变化。一相的通电期间基本上在120度通电后重复60度关断。

开关元件4a、4c、4e分别错开120度依次通电。开关元件4b、4d、4f也同样分别错开120度依次通电。开关元件4a与开关元件4b、开关元件4c与开关元件4d、开关元件4e与开关元件4f错开180度通电。由此，在无刷DC电动机5内形成旋转磁场，转子5a旋转。

阈值变更部11和驱动部12接收PWM生成部10生成的PWM波形的信号。

阈值变更部11根据接收到的PWM波形，决定作为感应电压的零交叉的基准的电压的切换和在PWM的导通期间还是在关断期间进行位置检测。

阈值变更部11根据从PWM生成部10接收到的PWM的信号，变更是在PWM的导通期间进行位置检测还是在PMW的关断期间进行位置检测，根据是在PWM的导通期间进行位置检测还是在PWM的关断期间进行位置检测来变更作为感应电压的零交叉基准的电压。PWM的导通期间的位置检测的基准电压也可以从三相量的端子电压制作假想中点，还可以取得直流母线电压作为其电压。在本实施方式中采用假想中点。根据感应电压来检测无刷DC电动机5的位置的方式其结构简单且成本更低。

也可以根据从平滑部3输入到逆变器4的母线电压来决定PWM的关断期间的位置检测的基准电压。具体而言，采用比阳极的电压低规定值的值，或者比阴极的电压高规定值的值。分别对阳极和阴极进行加减计算的规定值既可以是相等的值，也可以根据状况采用不同的值。

在对阳极和阴极进行加减计算的规定值为相等的值的情况下，管理变得容易。另外，在对阳极和阴极进行加减计算的规定值为不同的值的情况下，与采用相等的值的情况相比，能够更精确地进行检测。在对阳极和阴极进行加减计算的规定值固定在相等的值的情况下，采用最大电流流向逆变器4的开关元件4a～4f时的电压降和回流电流用二极管4g～4l的电压降中更大的一个。

在本实施方式中，为了以更低廉的成本构成，对阳极和阴极进行加减计算的规定值采用相等的值。对于在PWM的关断期间进行位置检测时的基准电压，在逆变器4的开关元件的4a、4c、4e进行开关的情况下，采用比阴极高规定值的值，在开关元件4b、4d、4f进行开关的情况下，采用比阳极低规定值的值。

阈值变更部11根据PWM的导通时间来决定在PWM的导通期间还是在PWM的关断期间进行检测。在本实施方式中，阈值变更部11以PWM周期的50％为基准，切换是在PWM的导通期间检测还是在PWM的关断期间检测。通过采用50％，能够以简单的结构实现。

另外，从PWM的导通期间向PWM的关断期间的检测的切换和从PWM的关断期间向PWM的导通期间的检测的切换的PWM的导通时间存在滞后性，能够降低因控制的高频率的切换而带来的复杂性。

如此，阈值变更部11决定作为感应电压零交叉的基准的电压和检测的时刻，并发送到位置检测部6。

驱动部12根据PWM生成部10生成的PWM波形，使逆变器4的开关元件4a～4f导通或关断(以下记为导通/关断)。

电动机驱动装置13包括整流电路2、平滑部3、逆变器4、位置检测部6、速度检测部7、电压检测部8、PWM生成部10和驱动部12。电动机驱动装置13与交流电源1连接，驱动无刷DC电动机5。位置检测部6、速度检测部7、电压检测部8、PWM生成部10和驱动部12也可以由执行程序的处理器来实现。例如，电动机驱动装置13也可以包括处理器和保存了程序的存储器。当处理器执行程序时，可以根据无刷DC电动机5的感应电压的值和阈值检测无刷DC电动机5的位置，生成表示无刷DC电动机5的位置的位置信息，根据位置信息用PWM驱动无刷DC电动机5，根据PWM占空比的导通期间和关断期间来切换阈值，根据PWM占空比的导通比率在PWM的导通期间或关断期间对位置检测的时刻进行切换。

压缩机17的压缩方式(机构方式)使用回旋式或涡旋式等任意的方式。在本实施方式中采用往复式，作为压缩构件的制冷剂的泄漏少，能够在低速下高效地进行压缩。

由于压缩机17是往复式的压缩机，所以通过与无刷DC电动机5的转子5a连接的曲轴(未图示)，将旋转运动转换为往复运动。与曲轴连接的活塞(未图示)在缸(未图示)内往复运动，对缸内的制冷剂进行压缩。

压缩机17被密闭，内部的气氛充满油并且为高温，所以不能使用传感器。因此，切换PWM的导通期间的位置检测和关断期间的位置检测，根据需要切换阈值，从而能够根据无刷DC电动机5的感应电压的零交叉，精确地检测无刷DC电动机5的磁极位置。而且，能够减少电力浪费而进行运转。

在压缩机17中被压缩的制冷剂依次通过冷凝器19、减压器20、蒸发器21再次返回压缩机17，构成制冷循环。此时，在冷凝器19中进行散热，在蒸发器21中进行吸热，所以能够进行冷却或加热。

冷藏库22装载由压缩机17、冷凝器19、减压器20、蒸发器21构成制冷循环，通过将由蒸发器21冷却后的空气输送到冷藏室或冷冻室来冷却壳体内部。

如果保存在内部的食品被充分地冷却，则只要根据从冷藏库22的外部侵入的热量的量相应地进行冷却即可，所以冷藏库22所需的制冷能力变小。为了缩小制冷能力，来自外部指令的目标速度降低。其结果是，无刷DC电动机5所需的施加电压降低，PWM的导通比率降低。在PWM导通比率降低的状态下，在PWM的关断期间进行位置检测，从而能够稳定地进行运转。

另外，因在冷藏库22的内部新投入食品等而需要制冷能力时，PWM的导通比率上升。即使在PWM的导通比率上升的状态下，通过变更阈值并变更时刻以在PWM的导通期间进行位置检测，也能够进行稳定的运转。

如此，切换位置检测的PWM的导通期间和关断期间，改变感应电压零交叉的阈值，由此，即使在从冷藏库充分冷却的状态投入温热的食品而需要制冷能力的情况下，也能够稳定地持续冷却。即，能够根据冷藏库的状态选择最佳的冷却方法。

[1-2.动作]

下面，对采用以上方式构成的电动机驱动装置13的动作进行说明。

[1-2-1.PWM导通期间和关断期间的检测的切换动作]

根据图2说明阈值变更部11切换PWM导通期间和关断期间的检测的动作。在图2中，纵轴为PWM的导通比率，横轴为时间。切换PWM的导通期间和关断期间的检测的PWM的导通比率以50％为中心设置5％的滞后。从PWM的关断期间的检测到导通期间的检测为PWM的导通比率为55％以上时。从PWM的导通期间的检测到关断期间的检测为PWM的导通比率为45％以下时。

无刷DC电动机5起动(T100)，PWM的导通比率逐渐上升。起动时PWM的导通比率非常小，所以电动机驱动装置13在PWM的关断期间进行位置检测。当PWM的导通比率为55％时(T101)，电动机驱动装置13在PWM的导通期间切换进行位置检测。并且，为了达到目标速度，假设在PWM的导通比率上升的途中目标速度下降(T102)。

其结果是，PWM的导通比率逐渐减少，当变为45％时(T103)，电动机驱动装置13切换为PWM关断期间的检测。由于无刷DC电动机5旋转一圈的平均速度达到目标速度(T104)，PWM的导通比率恒定。

如此，电动机驱动装置13在PWM的导通时间比较长时(导通比率超过55％时)，在PWM的导通期间进行位置检测，在PWM的关断时间比较长时(导通比率不满45％时)，在PWM的关断期间进行位置检测。因PWM的导通状态变长，由此，在PWM的导通期间在端子电压产生的振铃状的噪声衰减，能够检测稳定的电压。

同样，因PWM的关断状态变长，由此，在PWM的关断期间在端子电压产生的振铃状的噪声衰减，能够检测稳定的电压。由于能够检测稳定的电压，所以位置检测部6能够不受低速并且缩短的PWM的导通时间的影响而进行位置检测。由此，无需低速降低PWM的载波频率，能够自由地选择。

PWM导通期间的无刷DC电动机5的磁极位置的检测是在PWM的导通期间的无刷DC电动机5的端子电压中出现的感应电压与由电压检测部8检测的母线电压的一半值一致的时刻实施的。PWM关断期间的无刷DC电动机5的磁极位置的检测是在PWM关断期间的无刷DC电动机5的端子电压中出现的感应电压与根据逆变器4的开关状态而决定的值一致的时刻实施的。

但是，在PWM的导通比率为45％～55％的情况下，按照位置检测的时刻继续当前的状态。由此，能够抑制控制的频繁切换。

[1-2-2.决定PWM的关断期间的位置检测的基准电压]

使用图3A～图3F说明阈值变更部11决定PWM的关断期间的位置检测的基准电压的动作。图3A的纵轴表示开关元件4a的导通或关断的状态，横轴表示时间。图3B～图3F分别表示开关元件4b～4f的状态，与图3A同样，纵轴表示导通或关断的状态，横轴表示时间。

在开关元件4a继续导通的期间(T200～T201)，开关元件4d根据PWM的导通比率反复进行开关的导通/关断。此时，在PWM导通比率为45％以下且在PWM的关断期间，位置检测部6进行无刷DC电动机5的磁极位置的检测。

此处，由于开关元件4d与母线电压的阴极侧连接，所以当关断开关时，流向无刷DC电动机5的电流继续流动，并且流经与母线电压的阳极侧连接的回流电流用二极管4i。分别与开关元件4d和回流电流用二极管4i连接的无刷DC电动机5的端子间的电压是从母线电压的电压值下降了相当于回流电流用二极管4i的电压降部分的值。

另一方面，由于开关元件4a保持导通的状态，所以与开关元件4a连接的无刷DC电动机5的端子的电压值是从母线电压的值减少相当于开关元件4a的电压降部分的值。

在与开关元件4c和开关元件4f连接的无刷DC电动机5的端子间出现感应电压。该端子间电压的基准是从母线电压的阳极侧减少了相当于元件的电压降部分的值。在本实施方式中，预先计算规定的值作为电压降部分，并进行简化。电压降部分为母线电压的1/100左右，即使固定，精度也几乎不变。

另外，接下来开关元件导通的是开关元件4f，所以感应电压单调地减少。即，在感应电压变成零交叉之前，感应电压隐藏在变成零交叉基准的电压中而不出现，能够在零交叉之后检测感应电压。由此，能够在零交叉发生之前抑制噪声的影响。

接着继续导通的开关元件是开关元件4f，反复发生开/关的开关元件是开关元件4a(T201～T202)。

由于开关元件4a与母线电压的阳极侧连接，所以在开关元件4a关断时，与之前(T200～T201)相反，端子电压在母线电压的阴极侧变化。

同样，由于开关元件4f与阴极侧连接，所以在导通的期间，变成电压贴附在阴极侧的状态。即，在开关元件4a～4f反复进行导通/关断时，在与阳极侧连接的情况下，PWM关断期间的基准电压是在阴极侧加上规定值，在与阴极侧连接的情况下，PWM关断期间的基准电压是从阳极侧减去规定值。

在图3A～图3F中，在开关元件4a和开关元件4d(T200～T201)、开关元件4c和开关元件4f(T202～T203)、开关元件4e和开关元件4b(T204～T205)中，PWM关断期间的位置检测的基准电压是从阳极侧减去规定值。

在图3A～图3F中，在开关元件4b和开关元件4c(T203～T204)、开关元件4d和开关元件4e(T205～T206)、开关元件4f和开关元件4a(T201～T202)中，PWM关断期间的位置检测的基准电压是在阴极侧加上规定值。

另外，开关元件4a和开关元件4f(T201～T202)之后通电的开关元件的组合在于，开关元件4a停止通电，开关元件4c重新开始通电(T202～T203)。

由于重新开始的开关元件与母线电压的阳极侧连接，所以在开关元件4a和开关元件4f的组合中(T201～T202)期待的感应电压(与开关元件4c和开关元件4d连接的无刷DC电动机5的端子电压)单调地增加。

与此同样，在重新开始通电的开关元件为开关元件4a和开关元件4e(T200～T201和T204～T205)的情况下，由于其与母线电压的阳极侧连接，所以在之前的通电(T205～T206和T203～T204)中期待的感应电压单调地增加。

另一方面，在重新开始通电的开关元件为开关元件4b、开关元件4d、开关元件4f(T203～T204、T205～T206、T201～T202)的情况下，由于其与母线电压的阴极侧连接，所以在之前的通电(T202～T203、T204～T205、T200～T201)中期待的感应电压单调地减少。

在本实施方式中，对于用于使无刷DC电动机5旋转的旋转磁场的120度的各个通电中的后半部分的60度，分别反复使开关元件4a～4f导通/关断。由此，根据感应电压的变化方向和基准电压的组合，在PWM关断期间出现的感应电压始终被基准电压隐藏直至发生零交叉，在发生零交叉后出现感应电压，所以能够降低噪声的影响并进行正确的位置检测。

[1-3.效果等]

如以上所述，在本实施方式中，电动机驱动装置13驱动无刷DC电动机5。电动机驱动装置13包括：位置检测部6，其根据无刷DC电动机5的感应电压的值和阈值检测无刷DC电动机5的磁极位置，生成表示无刷DC电动机5的磁极位置的位置信息；PWM生成部10，其根据位置信息用PWM驱动无刷DC电动机5；和阈值变更部11，其根据PWM占空比的导通期间和关断期间来切换位置检测部6的阈值。位置检测部6根据PWM占空比的导通比率在PWM的导通期间或关断期间对位置检测的时刻进行切换。

由此，即使是相同的导通比率，也能够不考虑因PWM的载波频率而增减的PWM的导通时间而进行位置检测。因此，能够自由选择符合产品目的例如减少无刷DC电动机运转的壳体的共振和INV的电路损耗等的PWM的载波频率来驱动无刷DC电动机。

如本实施方式那样，无刷DC电动机5驱动的负载是压缩机17。由此，即使是不能使用传感器的压缩机17内部的无刷DC电动机5，也能够精确地进行位置检测。

因此，能够在压缩机的运转中减少电力浪费。另外，还能够在大的负荷范围内稳定地运转。

如本实施方式那样，冷藏库22包括驱动压缩机17的电动机驱动装置13。

由此，在冷藏库22处于充分冷却的状态下，即使在冷藏库内投入了温热的食品，也能够稳定地运转。因此，能够根据冷藏库的食品的状态选择最佳的冷却方法。

工业上的可利用性

本发明能够适用于，根据逆变器的状态设定载波频率从而与无刷DC电动机驱动的壳体固有的共振频率一致并且产生噪音和振动的电动机驱动装置和使用该装置的冷藏库。具体而言，本发明能够适用于家用冷藏库、商用冷藏库、陈列柜等。

附图标记说明

1 交流电源

2 整流电路

2a～2d整流二极管

3 平滑部

4 逆变器

4a～4f开关元件

4g～4l回流电流用二极管

5无刷DC电动机

5a 转子

5b 定子

6 位置检测部

7 速度检测部

8 电压检测部

10 PWM生成部

11 阈值变更部

12 驱动部

13 电动机驱动装置

17 压缩机

19 冷凝器

20 减压器

21 蒸发器

22 冷藏库。

Claims (3)

1.一种电动机驱动装置，其驱动无刷DC电动机，所述电动机驱动装置的特征在于：包括：

位置检测部，其根据所述无刷DC电动机的感应电压的值和阈值，检测所述无刷DC电动机的位置，生成表示所述无刷DC电动机的位置的位置信息；

PWM生成部，其根据所述位置信息用PWM驱动所述无刷DC电动机；和

阈值变更部，其根据PWM占空比是处于导通期间还是处于关断期间来切换所述位置检测部的所述阈值，

所述位置检测部根据PWM占空比的导通比率在PWM的导通期间或关断期间对位置检测的时刻进行切换。

2.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

所述无刷DC电动机驱动的负载是压缩机。

3.一种冷藏库，其特征在于：

包括权利要求2所述的电动机驱动装置。