CN116827208A - 马达控制装置以及马达控制方法 - Google Patents

马达控制装置以及马达控制方法 Download PDF

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谷口智哉
家坂聪
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

提供能够提高通电相切换时的电流的上升速率的马达控制装置以及马达控制方法。马达控制装置根据基于马达的运转指令(ωr *)生成的脉冲宽度调制信号(SPWM)控制以120度通电对马达(300)进行通电的逆变器电路，具备：比较电路(132)，比较根据运转指令以及马达的运转状态生成的电流指令(I*)、和逆变器电路的直流母线电流(I)；时钟信号生成电路(133)，以预定周期生成时钟信号；以及脉冲宽度调制信号生成电路(130)，根据比较电路的输出信号(S0)和时钟信号(S1)，生成脉冲宽度调制信号。

Description

马达控制装置以及马达控制方法
技术领域
本发明涉及控制马达的运转的马达控制装置以及马达控制方法。
背景技术
无刷马达、交流马达一般而言通过由逆变器电路以及马达控制装置构成的马达驱动系统驱动。马达控制装置通过控制逆变器电路的开关，控制马达的运转(速度、转矩等)。
作为利用逆变器电路的马达通电方式，有120度通电(矩形波驱动)和180度通电(正弦波驱动)。120度通电相比于180度通电，马达控制装置的结构更简易，所以在要求设备的小型化以及低成本化的家电领域等中广泛使用。
作为与利用120度通电的马达控制有关的以往技术，已知专利文献1记载的技术。
在该以往技术中，对通过将矩形波状的逆变器输入电流检测值通过低通滤波器而抽出的直流分量、和速度控制器生成的电流指令的差进行比例积分(PI)运算，进而通过比较器比较运算值和预定频率的基准信号(三角波)。由此，生成与电流指令对应的占空比的PWM信号(参照专利文献1的图2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-147561号公报
发明内容
在上述以往技术中，存在在逆变器电路的上下支臂中通电相切换时，刚刚切换之后的电流的上升慢这样的问题。
因此，本发明提供能够提高通电相切换时的电流的上升速率的马达控制装置以及马达控制方法。
为了解决上述课题，本发明的马达控制装置根据基于马达的运转指令生成的脉冲宽度调制信号，控制以120度通电对马达通电的逆变器电路，所述马达控制装置具备：比较电路，比较根据运转指令以及马达的运转状态生成的电流指令、和逆变器电路的直流母线电流；时钟信号生成电路，以预定周期生成时钟信号；以及脉冲宽度调制信号生成电路，根据比较电路的输出信号和时钟信号，生成脉冲宽度调制信号。
另外，本发明的马达控制方法是根据基于马达的运转指令生成的脉冲宽度调制信号，控制以120度通电对马达通电的逆变器电路的方法，所述方法以预定的周期将脉冲宽度调制信号设定为高电平以及低电平中的一方，在1个周期内，根据比较根据运转指令以及马达的运转状态生成的电流指令、和逆变器电路的直流母线电流而得的结果，将脉冲宽度调制信号设定为高电平以及低电平中的另一方。
根据本发明，通电相切换时的电流的上升速率提高。
上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明将更加明确。
附图说明
图1是示出作为实施例1的马达控制装置的结构的电路图。
图2是示出实施例1的马达控制装置中的PWM信号生成电路的动作的时序图。
图3是示出实施例1中的直流母线电流I的时间变化的波形图。
图4是示出比较例中的直流母线电流I的时间变化的波形图。
图5是示出作为实施例2的马达控制装置的结构的电路图。
(符号说明)
10：直流电源；20：分流电阻；30：磁极传感器；110：速度控制器；111：速度控制器；120：电流/电压变换器；130：PWM信号生成电路；131：锁存电路；132：比较电路；133：时钟信号生成电路；140：栅极驱动电路；150：磁极位置检测电路；160：速度测量器；300：马达。
具体实施方式
以下，通过下述的实施例1～2，使用附图说明本发明的实施方式。在各图中，参照编号相同的部分表示具备同一构成要素或者类似的功能的构成要素。
【实施例1】
图1是示出作为本发明的实施例1的马达控制装置的结构的电路图。
如图1所示，通过由多个(在图1中为6个)半导体开关元件的三相全桥电路构成的逆变器电路，以120度通电方式对马达300通电。逆变器电路通过控制各半导体开关元件的开关，将来自直流电源10的直流电力变换为矩形波状的交流电力，输出给马达300。
直流电源10既可以是电池，也可以是AC/DC转换器、DC/DC转换器。
此外，逆变器电路中的U相上支臂用半导体开关元件SWUP和U相下支臂用半导体开关元件SWUN的串联连接点、V相上支臂用半导体开关元件SWVP和V相下支臂用半导体开关元件SWVN的串联连接点、以及W相上支臂用半导体开关元件SWWP和W相下支臂用半导体开关元件SWWN的串联连接点分别与马达300的U相端子、V相端子、以及W相端子连接。由此，从逆变器电路向马达300输出矩形波状的交流电力。
在本实施例1中，作为半导体开关元件，使用绝缘栅双极型晶体管(以下记载为“IGBT”)。此外，也可以代替IGBT，而使用MOSFET等其他电力用半导体开关元件。
在本实施例1中，作为马达300，使用转子由永久磁铁构成的三相无刷马达。此外，不限于无刷马达，也可以使用其他永久磁铁同步马达。
以下，说明本实施例1所涉及的马达控制装置。
栅极驱动电路140根据马达300的转子的磁极位置信号θr和脉冲宽度调制(以下记载为“PWM”)信号SPWM，生成对逆变器电路中的半导体开关元件的控制端子(在本实施例1中为“栅极端子”)提供的控制信号(在本实施例1中为“栅极驱动信号”)。
通过栅极驱动电路140驱动的半导体开关元件SWUP、SWUN、SWVP、SWVN、SWWP、SWWN的导通/截止(ON/OFF)动作样式与公知的120度通电相同(参照后述图3)。
磁极位置检测电路150根据磁极传感器30输出的磁极检测信号SH，生成磁极位置信号θr。此外，在马达300中，设置三相量即3个磁极传感器30。此外，在本实施例1中，作为磁极传感器30，使用霍尔元件。
栅极驱动电路140根据磁极位置信号θr，在逆变器电路的上支臂以及下支臂各个中，在通电期间设为电气角120度，生成用于以电气角每120度依次切换U、V、W相内的通电相的控制信号。进而，栅极驱动电路140通过PWM信号SPWM对该控制信号进行PWM调制，将PWM调制后的控制信号提供给半导体开关元件的控制端子。
此外，栅极驱动电路140通过公知的电路生成各控制信号。例如，能够通过输入磁极位置信号θr并输出表示半导体开关元件SWUP、SWUN、SWVP、SWVN、SWWP、SWWN的导通/截止动作样式的2值信号的逻辑电路，生成用于依次切换通电相的控制信号。另外，能够通过以表示半导体开关元件SWUP、SWUN、SWVP、SWVN、SWWP、SWWN的导通/截止动作样式的2值信号、和作为2值信号的PWM信号SPWM为输入的逻辑与栅极电路，生成PWM调制后的控制信号。
通过PWM信号生成电路130，生成PWM信号SPWM。PWM信号生成电路130由锁存电路131、比较电路132、以及时钟信号生成电路133构成。
比较电路132比较电流指令I*和逆变器电路中的直流母线电流I，输出如果I小于I*则成为低电平、并且在I等于I*时成为高电平的信号S0。
此外，在本实施例中，按照正逻辑处置信号，但也可以按照负逻辑处置信号。在负逻辑中，本实施例中的信号的高电平以及低电平分别成为低电平以及高电平。
电流指令I*是马达速度ωr成为速度指令ωr *的情况下的马达电流值。直流母线电流I在PWM信号SPWM的导通期间流过，在截止期间成为零。在流过直流母线电流I时，直流母线电流I的值等于在马达300的通电相中流过的马达电流的大小。因此，通过以使直流母线电流I的值接近电流指令I*的方式生成PWM信号SPWM，能够使马达速度ωr接近速度指令ωr *。即，能够控制马达的速度。
此外，在本实施例1中，通过分流电阻20测量直流母线电流I。此外，虽然在图1中未图示，也可以设置放大分流电阻20的电压而得到直流母线电流I的检测值的放大器。
通过未图示的上位控制装置，生成速度指令ωr *。速度控制器110根据速度指令ωr *、和通过速度测量器160测量的马达速度ωr，生成电压指令V*。在本实施例1中，速度控制器110由比例积分(PI)运算电路构成，通过PI运算，生成使速度指令ωr *和马达速度ωr的偏差接近零的电压指令V*。
此外，在本实施例1中，速度测量器160由时间微分运算器构成，通过磁极位置检测电路150生成的磁极位置信号θr的时间微分(dθr/dt)，测量马达速度ωr。
电流/电压变换器120将速度控制器110生成的电压指令V*变换为电流指令I*。在本实施例1中，电流/电压变换器120通过利用乘法电路对电压指令V*乘以预定的增益，将电压指令V*变换为电流指令I*。
时钟信号生成电路133生成以预定周期成为高电平的时钟信号S1。时钟信号生成电路133具有公知的电路结构。例如，由生成三角波、锯齿等周期波形电压的波形生成电路、和比较该周期波形电压和预定的电压值的比较电路构成。这些波形生成电路、比较电路例如能够使用运算放大器来构成。
锁存电路131根据比较电路132的输出信号S0和时钟信号S1，生成PWM信号SPWM。
锁存电路131在输入了时钟信号S1(高电平)时，使输出从低电平迁移到高电平，并且在比较电路132的输出信号S0为低电平的期间，将输出维持为高电平。在马达电流的大小成为电流指令I*，直流母线电流I成为电流指令I*时，S0从低电平迁移到高电平。此时，锁存电路131使维持为高电平的输出迁移到低电平。这样，锁存电路131生成用于将马达电流控制为电流指令I*的PWM信号SPWM。
在马达300的通电相切换时，对在切换前未流过电流的相的定子绕组施加逆变器电路的输出电压，所以马达电流以及直流母线电流I从零以与定子绕组的电感对应的斜率(di/dt)上升。因此，在通电相切换时，在直流母线电流I从零上升至I*的期间，比较电路132的输出信号S0被维持为低电平。因此，锁存电路131将输出维持为高电平，所以PWM信号SPWM的占空比成为1(100％)。由此，能够提高马达电流的上升速率。
此外，作为锁存电路131，能够应用触发器电路(FF)。在本实施例1中，应用RS触发器电路。因此，将S1以及S0分别设为置位信号以及复位信号。
此外，在本实施例中，按照正逻辑处置信号，但也可以按照负逻辑处置信号。在负逻辑中，将S1以及S0分别设为复位信号以及置位信号。
图2是示出本实施例1的马达控制装置中的PWM信号生成电路130的动作的时序图。此外，在图中，一并记载直流母线电流I的波形以及PWM信号的占空比D。此外，图2中的时间范围是从某个通电相切换时间点至接下来的通电相切换前的时间点的期间(电气角小于60度)。
在图2中，从上到下示出直流母线电流I的波形、输入到锁存电路131(图1)的信号S0(复位信号)以及时钟信号S1(置位信号)的各时序图、锁存电路131输出的PWM信号SPWM的时序图、SPWM的占空比D的时间变化。
在通电相切换时间点，信号S0是低电平L，所以通过以预定周期TCLK生成的时钟信号S1被置位为高电平H的SPWM在直流母线电流I达到电流指令I*之前维持为H。因此，导通时间TON相对开关周期TSW的比值即占空比D成为DMAX(＝TON1/TSW)，TON1以及TSW都等于TCLK，所以成为DMAX＝1(在图2中用百分率(％)表示D)。由此，能够提高通电相刚刚切换之后的马达电流的上升速率。
在I达到I*后，S0成为H，所以SPWM被复位为L。因此，I成为截止，但马达电流以环流模式持续流过。
接下来，在对锁存电路131输入了S1时，SPWM被置位为H。因此，I流出。此时，马达电流以环流模式持续流过，所以I急剧地上升。I在上升后的时间点接近I*，但小于I*，再次增加至I*。在I再次达到I*后，S0成为H，所以SPWM被复位为L。
以后，通过S1以及S0反复SPWM的置位以及复位。因此，占空比D成为DS(＝TON2/TSW)，TON2<TCLK并且TSW＝TCLK，所以成为DS<DMAX(＝1(在图2中为100％))。因此，持续流过大小为I*的矩形波状的I。因此，马达电流的大小被控制为I*。
图3是示出本实施例1中的直流母线电流I的时间变化的波形图。此外，一并记载构成逆变器电路的半导体开关元件SWUP、SWUN、SWVP、SWVN、SWWP、SWWN的动作状态的时间变化以及PWM信号SPWM的占空比D的时间变化。
另外，图4是示出比较例中的直流母线电流I的时间变化的波形图。与图3同样地，一并记载SWUP、SWUN、SWVP、SWVN、SWWP、SWWN的动作状态的时间变化以及占空比D的时间变化。
图3以及图4中的时间范围与电气角420度的量相当。在图3以及图4中，针对电气角每60度的量附记纵向的虚线。
如图3以及图4所示，SWUP、SWUN、SWVP、SWVN、SWWP、SWWN的动作与公知的120度通电方式相同(在图3以及图4中，120度的通电宽度中的PWM信号省略图示)。因此，针对电气角每60度切换通电相。因此，在图3以及图4中，通电相被切换7次(＝420度/60度)。
图3所示的D的时间变化与图2所示的D相同。即，在通电相切换时，D＝DMAX(＝100％)，在I达到I*后，D＝DS<DMAX。
相对于此，在比较例中，如图4所示，D在时间上不变化，D＝DS。
如图3以及图4所示，根据本实施例1，通电相刚刚切换之后的马达电流的上升速率提高。因此，在马达的通电中，马达电流的大小成为等于电流指令的固定值。因此，马达的效率提高。
另外，根据本实施例1，如上所述能够通过比较简单的电路，构成马达控制装置。因此，能够降低构成马达控制装置的电路规模。
此外，本实施例1所涉及的马达控制装置也可以通过半导体集成电路构成。在该情况下，具备电流控制功能的同时抑制半导体芯片尺寸增大。
进而，在本实施例1中，如上所述，以时钟信号S1的预定周期TCLK(图2)将脉冲宽度调制信号SPWM设定为高电平H，在1个周期内，根据通过比较电路132比较电流指令I*和直流母线电流I的结果，将SPWM设定为低电平L。由此，能够以使马达电流等于I*的方式控制逆变器电路，并且能够提高马达电流的上升速率。马达控制装置也可以通过控制用微型计算机执行预定的控制程序而具备这样的功能。
在该情况下，成为比较简单的控制程序，所以针对微型计算机不要求高性能。因此，马达控制装置无需增大成本而能够具备电流控制功能。
此外，马达的磁极位置也可以通过所谓无传感器方式检测。
另外，也可以代替图1中的速度控制器，而应用根据转矩指令等其他运转指令以及转矩等的其他运转状态制作电压指令的控制器。此外，如本实施例1所述，通过使用速度控制器，本实施例1所涉及的马达控制装置与具备速度控制器的以往的马达控制装置的互换性提高。
【实施例2】
图5是示出作为本发明的实施例2的马达控制装置的结构的电路图。
以下，主要说明与实施例1不同的点。
在本实施例2中，与实施例1不同，速度控制器111生成电流指令I*。因此，速度控制器111生成的电流指令I*被输入给比较电路132。因此，不需要实施例1(图1)中的电流/电压变换器120。
在本实施例2中，速度控制器111由比例积分(PI)运算电路构成，通过PI运算，生成使通过未图示的上位控制装置生成的速度指令ωr *和马达速度ωr的偏差接近零的电流指令I*。
根据本实施例2，能够降低构成马达控制装置的电路规模。另外，在使用控制用微型计算机的情况下，能够简化控制程序。
此外，本发明不限定于上述实施例，而包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的例子，不一定限定于具备所说明的所有结构。另外，关于各实施例的结构的一部分，能够删除、追加其他结构、与其他结构置换。

Claims (7)

1.一种马达控制装置，根据基于马达的运转指令生成的脉冲宽度调制信号，控制以120度通电对马达进行通电的逆变器电路，其特征在于，所述马达控制装置具备：
比较电路，比较根据所述运转指令以及所述马达的运转状态生成的电流指令、和所述逆变器电路的直流母线电流；
时钟信号生成电路，以预定周期生成时钟信号；以及
脉冲宽度调制信号生成电路，根据所述比较电路的输出信号和所述时钟信号，生成所述脉冲宽度调制信号。
2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，
所述运转指令是速度指令，所述运转状态是速度。
3.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，
所述脉冲宽度调制信号生成电路由锁存电路构成，
所述锁存电路根据所述时钟信号，将所述脉冲宽度调制信号设定为高电平以及低电平中的一方，根据所述比较电路的所述输出信号，将所述脉冲宽度调制信号设定为所述高电平以及所述低电平中的另一方。
4.根据权利要求3所述的马达控制装置，其特征在于，
所述锁存电路是触发器电路，
将所述时钟信号设为置位信号以及复位信号中的一方，将所述比较电路的所述输出信号设为所述置位信号以及所述复位信号中的另一方。
5.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，具备：
速度控制器，根据所述运转指令和所述运转状态生成电压指令；以及
电流/电压变换器，将所述电压指令变换为所述电流指令。
6.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，
所述马达控制装置具备根据所述运转指令和所述运转状态生成所述电流指令的速度控制器。
7.一种马达控制方法，根据基于马达的运转指令生成的脉冲宽度调制信号，控制以120度通电对马达进行通电的逆变器电路，其特征在于，
以预定的周期将所述脉冲宽度调制信号设定为高电平以及低电平中的一方，
在所述周期内，根据比较根据所述运转指令以及所述马达的运转状态生成的电流指令、和所述逆变器电路的直流母线电流而得的结果，将所述脉冲宽度调制信号设定为所述高电平以及所述低电平中的另一方。
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