CN1190001C - 电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种电动机驱动装置，设有检测电动机端电压的电压检测装置、存储对应于电动机旋转子位置的电动机端电压数值模型的模型存储装置、由被检测出的端电压数值与模型数值推定旋转子位置的旋转子位置推定装置、对应于推定的旋转子位置输出用于驱动开关元件的门信号从而通电驱动电动机的通电控制装置、校正模型存储装置中存储的模型的模型校正装置。模型校正装置由电动机端电压的数值以及检测出该电动机端电压数值的时间点与感应电压的零交点的时间差校正模型存储装置中存储的模型。这样，相对于电动机运转条件的变动，通过进行自动的设定，能够实现低振动、低噪音、高效率的电动机驱动。

Description

电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及使用以任意频率驱动用于空气调节器等的电动机的反相器的无位置传感器方式的电动机驱动装置。

背景技术

一般地，以任意频率驱动空气调节器中的压缩机等的电动机的电动机驱动装置，设有将多个开关元件和并列连接各开关元件的环流二极管3相桥式构成的反相器。特别是广泛使用通过相对于连接反相器的电动机未设置编码器等位置传感器(该方式称作“无位置传感器方式”)，检测电动机的转动体磁极位置(下面称作“旋转子位置”)的电动机驱动装置。

例如，作为无位置传感器方式，对各相通过使上侧开关元件和下侧开关元件二者成为切断状态，形成不通电状态，设定电流为零的期间，在该期间被检测的旋转子磁极感应的感应电压与给定的设定值比较，基于该比较结果检测旋转子的位置。基于该检测出的旋转子的位置切换外加电压使电动机旋转。这就是所谓“120度通电”的通电方式，流入电动机的相电流成为矩形波状。作为这种方式，在特开平2-32790号公报、特开昭59-25038号公报等中有公开了的方法。

而且，揭示了通过A/D变换读取电流为零期间被检测出的感应电压的数值，基于该感应电压的时间变化，推定旋转子位置的方式。作为这种方式，在特开平7-123773号公报等中有公开了的方法。

另外，作为实现更广角通电的方法，揭示了下述方法：作为不检测感应电压的零交推定旋转子的位置，驱动直流无电刷电动机，实现120度以上的广角通电的高效率低振动的电动机驱动装置，具有下述结构：通过电压输出电路检测同相开关元件在无感时间内的端电压，电流符号变化检测部检测由上述端电压变化了相电流符号的时间，基于由电流符号变化检测部输出的相电流符号变化时间与相外加电压的相位，外加电压控制电路向开关元件调制电路输入相外加电压指令(特愿平10-195396号：“电动机控制装置”)。

这些以往的电动机驱动装置中，120度通电方式的电动机驱动装置，电流波形形成通电角为120度的矩形波，因而电流以电度角每60度大幅变化，以其为起因的噪音，即镶齿成分的噪音变得非常大。另外，为了最大地发挥电动机的效率，必须通过与电动机的感应电压相同形状的电流进行驱动，但由于是矩形波状的电流，因而不能实现效率的最大化。

另外，在直接A/D变换无通电区间内的电动机端电压并基于该数值推定旋转子位置的电动机驱动装置中，使用相对于上述端电压时间的变化率决定相的切换点。因此，为了检测出相对于上述端电压时间的变化，必须充分的、广泛的无通电区间，这样以比120度大的角度驱动通电角就很困难。另外，通过电动机的磁极产生的感应电压的数值不是直线类1次形状的场合，与推定的旋转子位置产生很大误差，效率大幅降低，同时振动、噪音也增大。特别是根据磁阻大的电动机的种类，感应电压的波形不是直线形状，成为具有由镶齿成分构成的高次成分的形状，简单地假设为直线确定换向时间的场合，相位误差变大，驱动性能降低。而且，由于电动机的运转条件，例如温度等，电动机常数(感应系数、电阻等)发生变化，由该误差得到的旋转子位置的推定值也具有误差。

另外，通过使通电角为比120度大的角度以实现效率提高和振动噪音降低的电动机装置，也例如如实公昭59-15269号公报中公开了的“无电刷电动机驱动电路”进行了使用，但使通电角变化为比120度大的角度的场合，由于输出电压变化，因而出现旋转速度波动。

发明内容

本发明的目的在于为了解决上述课题，提供相对于运转条件的变动，始终以最合适的设定自动地运转的低振动、低噪音、高效率的电动机驱动装置。

本发明的第1种电动机驱动装置是作为输入直流电源，交流驱动电动机的电动机驱动装置，设有多个开关元件、检测电动机端电压的电压检测装置、存储对应于电动机旋转子位置的电动机端电压模型的模型存储装置、由被检测出的端电压数值与模型存储装置中存储的模型数值推定电动机旋转子位置的旋转子位置推定装置、对应于推定的旋转子位置输出用于驱动开关元件的门信号从而通电驱动电动机的通电控制装置、校正模型存储装置中存储了的模型的模型校正装置。特别是模型校正装置由检测出的电动机端电压的数值，以及检测出该端电压数值的时间点与感应电压的零交点的时间差校正模型存储装置中存储的模型。这样，由端电压与模型推定旋转子位置进行控制，因此使控制简单化，同时可以进行广角度通电，另外，根据电动机的实际状况校正模型，因此能够实现相对于运转条件的变动始终以最适合的设定低振动、低噪音、高效率的电动机驱动。

本发明的第2种电动机驱动装置是作为输入直流电源，交流驱动电动机的电动机驱动装置，设有多个开关元件、检测电动机端电压的电压检测装置、存储对应于电动机旋转子位置的端电压数值模型的模型存储装置、校正上述模型存储装置中存储的模型的模型校正装置、由被检测出的端电压数值与模型存储装置中存储的模型数值推定旋转子位置的旋转子位置推定装置、对应于推定的旋转子位置输出用于驱动开关元件的门信号从而通电驱动电动机的通电控制装置。特别是通电控制装置，在变更通电角时，对应于该通电角变更输出至开关元件的门信号的脉冲宽度。这样能够实现顺利的通电角变更时的运转。

在第1和第2种电动机驱动装置中，优选未进行模型校正操作时以120度以上、180度以下的通电角驱动。这样，未进行模型校正操作时作为广角通电能够实现高效率、低振动、低噪音。

而且，第1和第2种电动机驱动装置也可以设置在通电控制装置中设定通电角的通电宽度设定装置。该通电宽度设定装置在模型校正装置进行模型校正的场合，将此时的通电角设定为比未进行模型校正操作时小的角度，使之能够确保可检测出感应电压零交点的无通电区间。这样，能够确实检测出用于模型校正的感应电压的零交点，从而能够始终正确把握模型。

另外，在第1和第2种电动机驱动装置中，也可以使模型校正装置在启动时或以给定周期进行模型校正。这样，通过定期校正模型，相对于电动机驱动环境的变化最小限度地降低效率，能够实现稳定的电动机驱动装置。

另外，在第2种电动机驱动装置中，通电控制装置按照通电宽度设定装置的设定变更通电角时，为了伴随通电角的变化，至电动机的输出不发生变化，优选对应于通电角连续地变更输出至开关元件的脉冲宽度。

在本发明的电动机驱动装置中，模型存储装置是对应于旋转子位置存储电动机端电压数值模型的装置。在后述的实施例中，将端电压对用旋转角度表示的旋转子位置θ作近似曲线，将特定的旋转子位置θ1～θ4作为折点，将这些位置的端电压作为参数X1～X4，而且作为参数X相对于旋转速度ω进行直线变化，将该变差系数作为参数FX1～FX4，将这些参数X和参数FX作为模型的数值进行存储。但是，并不只限于这些。另外，用旋转角度表示旋转子位置，但是当然也可以用旋转时间差表示。

旋转子位置推定装置是推定旋转子位置的装置，由通过电压检测装置检测出的电动机端电压和上述模型的数值推定旋转子位置。通过由模型推定旋转子位置进行控制，不需要始终实时确定旋转子位置的操作，从而使控制简单化，同时使处理高速化。

另外，模型校正装置是使上述模型的数值与驱动过程中的实际状况一致进行校正的装置，检测出端电压的时间点与感应电压的零交点的时间差表示用旋转时间表示的旋转子位置，即为该时间点的旋转子位置的确定值。这样通过由端电压和旋转子位置的确定值校正上述模型，从而使模型与电动机的实际情况一致。在实施例中，如上所述，用旋转角度表示旋转子位置，此时，旋转子位置的确定值，由端电压实时检测出无通电区间的感应电压的零交点，由旋转子的现位置相对于上述零交点的时间的相对位置和旋转速度作为角度表示的旋转子位置θ进行确定。该模型校正中必需只能检测出上述零交点的广范围的无通电区间，在以高效率驱动等为目的的广角通电的驱动时，模型校正变得困难，因此以狭角通电，例如120度通电的驱动状态进行模型校正。另外，不必说在旋转子位置的推定中不需要检测出上述零交点。

附图说明

图1是表示本发明的电动机驱动装置的一个实施例结构的方框图。

图2使表示本实施例的电动机端电压(包括感应电压)的波形实例的图。

图3是表示本实施例的端电压模型的一个实例的图。

图4是表示与本实施例的旋转速度对应的端电压模型的参数变化的一个实例的图。

图5是表示本实施例中通电时的端电压的波形实例的图。

图6是表示本实施例的模型校正装置的模型校正操作的一个实例的图。

图7是表示本实施例通电时的驱动电压的波形实例的图。

图8是表示本实施例通电时的端电压的波形实例的图。

图9是表示本实施例的模型校正装置的模型校正操作的流程图。

图10是表示切换本实施例的通电角时占空系数转移的图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的电动机驱动装置的优选实施例进行说明。

图1是表示本发明的电动机驱动装置结构的方框图。

图1中，将来自交流电源1的输入用整流电路2整流成直流的直流电压，通过由电动机驱动装置3中的开关元件5a～5f和环流二极管6a～6f对构成的反相器变换成3相交流电压，这样驱动无电刷DC电动机的电动机4。

在电动机驱动装置3中，电压检测装置7a～7c检测电动机4的端电压。旋转子位置推定装置8使用电压检测装置7a～7b检测出的电动机4的端电压推定电动机4的旋转子位置。通电控制装置9根据推定的旋转子位置的信息，对应用于驱动电动机4的驱动信号，输出用于驱动开关元件5a～5f的信号。另外，通电控制装置9根据由上述推定的旋转子位置推定的电动机4的旋转子速度和由外部给予的目标速度的偏差的信息控制开关元件5a～5f的通电，使旋转子速度成为目标速度。模型存储装置11存储模型数值作为定义表示旋转子位置与电动机端电压关系的模型的信息。

旋转子位置推定装置8使用电压检测装置7a～7c检测出的端电压、模型存储装置11中存储的电动机端电压的模型值推定电动机的旋转子位置。另外，模型校正装置12为了定期校正模型存储装置11中存储的模型，向通电宽度设定装置13中输出为检测电动机感应电压的零交而成为必须的通电角。而且，通电宽度设定装置13控制通电控制装置9，使之实现由模型校正装置12输入的、模型校正中必需的通电角。模型校正装置12使用感应电压的零交点和电动机端电压值的信息对模型进行校正。

下面，对旋转子位置推定装置8的运转进行说明。

图2是表示电动机通电时某一相端电压实例的波形图。停止对该相的PWM输出状态的无通电时，在对其它相的PWM信号为ON的时间中，该相的感应电压作为端电压如图2所示进行表现。

在一般的无电刷电动机的电动机驱动装置中，检测该感应电压与电动机假象中性点电位或直流部电压VDC1/2电压的交叉点作为上述零交点，将该零交点作为旋转子位置的基准点，始终确定旋转子位置进行换流操作等。相对于此，在本实施例的电动机驱动装置中，推定旋转子位置进行控制。也就是说，通过A/D变换检测端电压后，比较该数值与模型存储装置11中存储的感应电压的模型值，从而推定电动机的旋转子位置进行决定。

例如，如图2所示，认为在时刻A检测出的端电压为VA的场合。现在，作为由模型存储装置11中存储的电动机端电压得到的感应电压数值的模型，设定图3所示的模型。在本实施例中，给予对应旋转子位置θ的感应电压的模型，如下所示通过由旋转子位置θ和参数X组成的模型数值进行定义。转子旋转角度，即对应于旋转子位置θ，感应电压的数值用3条直线近似表示，而且，如图4所示，认为模型的参数X1、X2、X3、X4对应于电动机的旋转速度ω成直线变化。使电动机的旋转速度ω为RA，由端电压VA、旋转速度ω(＝RA)，使用与它们对应的其它参数FX1～FX4，用下式表示参数X1～X4。

X1＝FX1×RA

X2＝FX2×RA

X3＝FX3×RA

X4＝FX4×RA此时，对应于端电压VA的数值，通过下式能够得到旋转子位置θ。

VA＜X2的场合

θ＝θ2-(θ2-θ1)×(X2-VA)/(X2-X1)

X2＜VA＜X3的场合

θ＝θ2+(θ3-θ2)×(VA-X2)/(X3-X2)

VA＞X3的场合

θ＝θ3+(θ4-θ3)×(VA-X3)/(X4-X3)这样能够由被检测出的端电压VA和旋转速度ω推定旋转子位置θ。

下面对模型校正装置12的操作进行说明。

本实施例的电动机驱动装置以某一旋转速度(RB)驱动电动机场合的端电压的波形如图5所示。图5的场合，观测感应电压的零交点，同时观测零交点前后的端电压以及相对于其的旋转子位置。此时，相对于模型中各旋转子位置θ1、θ2、θ3、θ4，使用观测的端电压确定参数X1、X2、X3、X4。然后，由确定了的X1、X2、X3、X4和此时的旋转速度RB通过下式确定参数FX1、FX2、FX3、FX4。

FX1＝X1/RB

FX2＝X2/RB

FX3＝X3/RB

FX4＝X4/RB

例如，如图6所示，与旋转速度ω的数值为RB时的旋转子位置θ4对应的端电压数值，由上次的检测值X4’变化为这次的检测值X4的场合，涉及X4的模型参数由用“校正前X4”表示的直线校正为用“校正后X4”表示的直线。也就是说，涉及X4的参数由FX4’(＝X4’/RB)校正为FX4(＝X4/RB)。被校正了的参数存储在模型存储装置11中。

按照以上步骤，能够由观测的端电压的数值以及来自感应电压零交点的旋转子位置校正模型存储装置11中存储的模型，这样，对应于电动机驱动时旋转环境的变化引起的模型变动，能够始终实现正确旋转子位置的推定。

下面，对通电宽度设定装置13的操作进行说明。

如上所述，模型校正装置12根据观测的端电压校正模型存储装置11中存储的模型。该场合下，由于必需此时的相位基准值，因而必需感应电压的零交点。因此，在进行模型校正的操作时，必须确保只要可以检测出零交点的无通电区间。另一方面，在未进行模型校正操作时(通常运转时)，为了提高效率、减少振动和噪音，希望尽可能地以广角运转。也就是说，希望在进行模型校正的操作时以120度通电进行驱动，在通常运转时通电角通过比120度大的广角通电进行通电。

为了实现这一目的，本实施例的电动机驱动装置中设定通电宽度设定装置13，使之在通常运转时实现广角通电，另外，在进行模型校正的操作时实现120度角通电。按照这种设定，通电宽度设定装置13通过图7所示的通电方式，在通常运转时通过图7(B)的广角通电方式，另外在进行模型校正的操作时通过图7(A)的通电方式，进行对开关元件通电的控制。此时的电动机端电压如图8所示，由各种无通电区间的端电压推定电动机的旋转子位置。

该模型校正的处理，例如在电动机启动时或以每隔1分钟的一定周期进行。这样，对应于电动机温度上升等环境变化产生的电动机感应电压常数的变化等，可以正确地推定电动机的旋转子位置。从而，即使运转环境变化，也能够确实进行高效率、低振动、低噪音的电动机驱动。

下面按照流程图说明上述模型校正的操作。

图9是表示模型校正操作的流程图。首先，通过电压检测装置7a～7c检测电动机4的端电压(感应电压)(步骤1)，并将检测出的端电压存储在存储器中(步骤2)。其次，使用检测出的端电压，基于模型存储装置11中存储的模型推定电动机4的旋转子位置(步骤3)。然后，根据当前的操作模式分成2套操作(步骤4)。在操作模式中包括表示模型校正操作中的“零交点检测模式”和表示通常运转操作中的“广角通电模式”。在零交点检测模式中，检测感应电压的零交点，再根据其进行模型校正。另一方面，在通常运转时，没有必要检测出感应电压的零交点，因此通过在效率方面、振动噪音方面有利的某一广角通电进行驱动(广角通电模式)。这两种操作模式的切换通过定时器进行控制，从而以一定周期由通常的广角通电模式切换至零交点检测模式。

在当前模式为零交点检测模式的场合，判断是否已经检测出零交点(步骤5)。在未检测出零交点的场合下，不进行校正操作(步骤6)，只设定通电角(步骤7)，转移至进行下一次。在步骤7中，为了可以检测出零交点，通电角设定为通过120度通电进行通电。反复进行上述处理(步骤1～步骤7)，在检测出零交点的场合，使用已经检测出的存储在存储器中的端电压(感应电压)数值以及检测出该端电压的时刻与检测出零交点时刻的时间差的信息进行模型校正(步骤6)。模型校正按照已经说明的，通过校正参数FX1、FX2、FX3、FX4进行。

另一方面，在当前模式为广角通电模式的场合，在步骤8中设定通电角，使之以在效率方面、振动噪音方面最合适的通电角，例如以150度通电进行通电。

通电宽度设定装置13与模型校正装置12连动。也就是说，在模型校正装置12进行模型校正操作时(检测零交点模式的操作时)，通电宽度设定装置13将通电角设定为可检测出感应电压零交点的120度通电用通电角，在模型校正装置12进行通常运转时(广角通电模式的操作时)，通电宽度设定装置13将通电角设定为广角通电用通电角。在切换该通电角时，如图10所示，连续地变更通电角。

切换该通电角时，输出电压的平均值由于通电角而变化，因而出现电动机旋转速度变动的现象。为了防止这种现象，如图10所示，通电控制装置9在连续切换通电角的同时连续地变更输出脉冲的占空。这样，防止了输出电压的变动，实现了稳定的电动机旋转速度控制。例如，通电角由120度变化为φ的场合，该输出脉冲的占空由通电角为120度时的占空(d2)变化为通过下式求出的占空(d1)。

d1＝d2×120/φ这样，输出电压没有变动，能够实现稳定的电动机驱动装置。

另外，通电控制装置9也可以通过专用的硬电路实现，另外也可以通过用微型计算机进行的软件实现。

本发明对特定的实施方式进行了说明，但对本领域技术人员来说，明显存在其它大量的变形例、修正和其它应用。因此，本发明并不只限于这里的特定公开，只能够通过权利要求书的范围进行限定。

Claims (9)

1、一种电动机驱动装置，作为输入直流电源交流驱动电动机的电动机驱动装置，其特征在于，设有多个开关元件、检测电动机端电压的电压检测装置、存储对应于电动机旋转子位置的电动机端电压模型的模型存储装置、由被检测出的端电压数值与上述模型存储装置中存储的模型数值推定电动机旋转子位置的旋转子位置推定装置、对应于推定的旋转子位置输出用于驱动上述开关元件的门信号从而通电驱动电动机的通电控制装置、校正上述模型存储装置中存储的模型的模型校正装置，该模型校正装置由检测出的电动机的端电压数值，以及检测出该端电压数值的时间点与感应电压的零交点的时间差校正上述模型存储装置中存储的模型。

2、如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，在未进行模型校正操作时，以120度以上、180度以下的通电角进行驱动。

3、如权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，还设有在通电控制装置中设定通电角的通电宽度设定装置，通电宽度设定装置在模型校正装置进行模型校正的场合，将此时的通电角设定为比未进行模型校正操作时小的角度，使之能够确保可检测出感应电压零交点的无通电区间。

4、如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，上述模型校正装置在启动时或以给定周期进行模型校正。

5、一种电动机驱动装置，作为输入直流电源交流驱动电动机的电动机驱动装置，其特征在于，设有多个开关元件、检测电动机端电压的电压检测装置、存储对应于电动机旋转子位置的端电压数值模型的模型存储装置、校正上述模型存储装置中存储的模型的模型校正装置、由被检测出的端电压数值与上述模型存储装置中存储的模型数值推定旋转子位置的旋转子位置推定装置、对应于推定的旋转子位置输出用于驱动上述开关元件的门信号从而通电驱动电动机的通电控制装置，该通电控制装置，在变更通电角时，对应于该通电角变更输出至上述开关元件的门信号的脉冲宽度。

6、如权利要求5所述的电动机驱动装置，其特征在于，在未进行模型校正操作时，以120度以上、180度以下的通电角进行驱动。

7、如权利要求6所述的电动机驱动装置，其特征在于，还设有在通电控制装置中设定通电角的通电宽度设定装置，通电宽度设定装置在模型校正装置进行模型校正的场合，将此时的通电角设定为比未进行模型校正操作时小的角度，使之能够确保可检测出感应电压零交点的无通电区间。

8、如权利要求5所述的电动机驱动装置，其特征在于，上述模型校正装置在启动时或以给定周期进行模型校正。

9、如权利要求5所述的电动机驱动装置，其特征在于，通电控制装置在变更通电角时，为了伴随通电角的变更，至电动机的输出不发生变化，连续变更输出至开关元件的脉冲宽度。

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