CN1282300C - 电机控制装置及电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种电机控制装置和电机控制方法，即使进行降低对电机的施加电压的控制，也可以实现对转子位置的稳定估计。该电机控制装置根据由逆变器(32)驱动的无刷DC电机(29)的非通电相的感应电压来估计转子(31)的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的PWM开关信号输出到逆变器(32)，控制对无刷DC电机(29)的施加电压，该电机控制装置包括控制部(34)，该控制部调整PWM开关信号的载频，以使在生成具有应对施加电压的占空率的开关信号时，该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上。

Description

电机控制装置及电机控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制装置及电机控制方法，特别涉及估计转子位置的电机控制装置及电机控制方法。
背景技术
以往，已知根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到逆变器，控制对电机的施加电压的电机控制装置(例如，参照专利文献1)。
作为上述电机，已知无刷DC电机，它一般采用不设置检测转子位置的传感器，而检测感应电压并估计转子位置的控制方式(无传感器控制方式)。而且，在电机控制装置中，例如采用对逆变器进行控制的120度通电矩形波驱动方式，以使在电机上三相的交流电压以120度进行通电，从而检测在逆变器的输出端的无通电相上出现的感应电压来估计转子的位置。
作为根据感应电压来估计转子位置的部件，用包含比较器的转子位置检测电路来比较检测出的感应电压和基准电压，微计算机输入转子位置检测电路的输出信号，估计转子的位置。
感应电压作为应对开关信号的脉冲状的电压出现，在转子位置检测电路中，根据这种脉冲状的电压的导通期间内的电压值来进行与基准电压的比较。
在这种电机控制装置中，在电源状况差，施加在逆变器上的直流电压上升时，或在电机的转数下降时，为了降低对电机的施加电压，进行开关信号的载频固定不变，缩短开关信号的脉冲宽度的控制，即进行降低开关信号的占空率的控制。
【专利文献1】
(日本)特开2002 186274号公报
但是，在上述电机控制装置中，为了降低对电机的施加电压，在缩短开关信号的脉冲宽度并进行降低占空率的控制时，存在应对开关信号的脉冲状的感应电压的脉冲宽度也变短，在这种感应电压的脉冲宽度过短时，不能根据转子位置检测电路的特性来应对输入并响应，不能估计转子位置的问题。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种电机控制装置及电机控制方法，即使进行降低对电机的施加电压的控制，也可以实现转子位置的稳定估计。
为了解决上述课题，本发明的电机控制装置根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，该电机控制装置包括：控制部，在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，调整所述开关信号的载频，以使该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上。
此外，本发明的电机控制装置根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，该电机控制装置包括：控制部，在所述开关信号的占空率中设定阈值，同时在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，调整所述开关信号的载频，以使在该开关信号的占空率低于所述阈值的情况下，该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上，所述控制部在使所述开关信号的载频固定并且在调整所述开关信号的脉冲宽度情况下的脉冲宽度为规定的脉冲宽度以上的占空率范围内设定所述阈值。
在这种情况下，所述设定部件可在使所述开关信号的载频固定并且在调整所述开关信号的脉冲宽度情况下的脉冲宽度为规定的脉冲宽度以上的占空率范围内设定所述阈值。
此外，所述频率调整部件可使所述载频随着所述占空率的下降而连续地下降。
而且，所述频率调整部件可使所述载频随着所述占空率的下降而分级下降。
此外，所述频率调整部件可具有磁滞，以便在所述载频从第1频率变化到比第1频率低的第2频率时、以及从所述第2频率变化到所述第1频率时占空率有所不同。
本发明的电机控制方法根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，其中，在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，调整所述开关信号的载频，以使该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上。
本发明的电机控制方法根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，其中，在所述开关信号的占空率中设定阈值，该阈值被设定在使所述开关信号的载频固定并且在调整所述开关信号的脉冲宽度情况下的脉冲宽度为规定的脉冲宽度以上的占空率范围内，在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，在该开关信号的占空率低于所述阈值的情况下，调整所述载频，以使该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上。
附图说明
图1是表示本发明的电机控制装置的第1实施方式的电路图。
图2是表示配有内置了图1的电机的压缩机的空调机的制冷剂回路图。
图3是表示电机的输入端子的相电压的示意波形图，图3(a)是U相电压波形，图3(b)是V相电压波形，图3(c)是W相电压波形，图3(d)是三相的感应电压波形。
图4是表示第1实施方式的应对占空率的载频及对电机的施加电压的说明图。
图5是表示第2实施方式的应对占空率的载频的说明图。
图6是表示作为变形例的应对占空率的载频的说明图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
[1]第1实施方式
图1是表示本发明的电机控制装置的第1实施方式的电路图。图2是表示配有内置了图1的电机的压缩机的空调机的制冷剂回路图。
如图2所示，空调机10有室外机11和室内机12，室外机11的室外制冷剂配管14和室内机12的室内制冷剂配管15通过连结配管24、25来连结。
室外机11被配置在室外。在室外制冷剂配管14中配设压缩机16，同时在该压缩机16的吸入侧配设储压器17，在压缩机16的排出侧配设四通阀18，在该四通阀18侧配设室外热交换器19。在室外热交换器19中，将从室外热交换器19向室外送风的室外风扇20相邻配置。该室外风扇20由室内风扇电机20A驱动。该室外风扇20例如是螺旋浆风扇。压缩机16是逆变器驱动型压缩机。在该压缩机16中，内置作为由逆变器驱动的电机的无刷DC电机29。
室内机12被设置在室内，在室内制冷剂配管15上依次配设室内热交换器21和电子膨胀阀22。在该室内热交换器21上，将从室内热交换器21向室内送风的室内风扇23相邻配置。该室内风扇23由室内风扇电机23A驱动。该室内风扇23例如是交叉流动(クロスフロ一)风扇。
通过切换室外机11的四通阀18，将空调机10设定为制冷运转或供暖运转。即，在将四通阀18切换到制冷侧时，制冷剂如实线箭头那样流动，室外热交换器19成为冷凝器，室内热交换器21成为蒸发器而成为制冷运转状态，室内机12的室内热交换器21对室内制冷。而在将四通阀18切换到供暖侧时，制冷剂如虚线箭头那样流动，室内热交换器21成为冷凝器，室外热交换器19成为蒸发器而成为供暖运转状态，室内机12的室内热交换器21对室内供暖。
如图1所示，内置于上述压缩机16内的无刷DC电机29是三相电机，有配有定子绕组30u、30v及30w的定子30，以及配有永久磁铁的转子31。该无刷DC电机29由配有逆变器32、转子位置检测电路33和微计算机构成的控制部34的电机控制装置100驱动。通常，压缩机16的无刷DC电机29按照空调负载进行转数控制。
上述逆变器32例如是将作为6个开关元件的晶体管38u、38v、38w、38x、38y及38z进行三相电桥连接的逆变器。在这些晶体管38u、38v、38w、38x、38y及38z的各发射极端子39和各集电极端子40之间，连接续流二极管42。
而且，逆变器32通过将从控制部34的PWM(Pulse Width Modulation)端子35输出的脉宽调制的开关信号(以下称为‘PWM开关信号’)输入到晶体管38u、38v、38w、38x、38y、38z的各基极端子41来动作。
通过该逆变器32的动作，变换了交流电源(未图示)的交流电力的直流电力被变换成具有固定频率和电压的接受了脉宽调制的三相交流电力，向无刷DC电机29的定子绕组30u、30v、30w施加三相的交流电压Vu、Vv、Vw。这里，Vu表示U相电压，Vv表示V相电压，Vw表示W相电压。
在本实施方式中，电机控制装置100以对逆变器32进行控制的120度通电矩形波驱动方式来驱动无刷DC电机29，以使在无刷DC电机29中三相的交流电压以120度进行通电。
这里，将晶体管38u、38v及38w称为逆变器32的上臂晶体管组，将晶体管38x、38y及38z称为逆变器32的下臂晶体管组。而且，晶体管38u和38x、晶体管38v和38y、晶体管38w和38z分别形成对，各自的连接点分别连接到星形连接的无刷DC电机29的定子绕组30u、30v、30w。
转子位置检测电路33检测无刷DC电机29的输入端子电压的无通电相的感应电压，将表示转子31位置的信号输出到控制部34。
该转子位置检测电路33配有比较器51和光电耦合器52。比较器51的输入端子51a通过各电阻53、54、55连接到无刷DC电机29的U相、V相、W相的输入端子(逆变器32的U相、V相、W相的输出端子)。此外，在输入端子51b上，连接生成直流的基准电压Vref的基准电压电源56。比较器51的输出端子51c通过电阻57连接到光电耦合器52的输入端子52a，光电耦合器52的输出端子52b连接到控制部34的输入端子36。
比较器51将通过电阻53、54、55检测出的表示感应电压的输入信号和基准电压Vref进行比较，在输入信号比基准电压Vref高的情况下，输出H电平(例如，5[V])的信号，而在低的情况下，输出L电平(例如，0.6[V])的信号。
光电耦合器52被设置用于保护微计算机的控制部34，将比较器51输出的H电平或L电平的信号输出到控制部34。
控制部34比较无刷DC电机29的当前转数和目标转数，根据该比较结果求出应该施加在无刷DC电机29上的施加电压和施加电压的频率，而且求出PWM开关信号的占空率。
此外，控制部34根据来自转子位置检测电路33的输出信号来估计转子的位置，根据该估计结果求出应该施加在无刷DC电机29上的各相施加电压的相位。
然后，控制部34根据求出的施加电压的频率、PWM开关信号的占空率及施加电压的相位，生成PWM开关信号，通过PWM端子35输出到逆变器32。
图3是表示无刷DC电机29的输入端子的相电压的示意波形图。图3(a)是U相电压波形，图3(b)是V相电压波形，图3(c)是W相电压波形，图3(d)是三相的感应电压波形。
例如，参照图3(a)来说明时，在U相电压Vu的一个周期中，设有PWM开关信号被输入到逆变器32，无刷DC电机29上施加电压的120度电角度的通电期间Ta、Tc，以及PWM开关信号没有输入到逆变器32而成为无通电相的60度电角度的无通电期间Tb、Td。在这些无通电期间Ta、Td中，产生应对转子31的位置的感应电压。如图3(b)所示，V相电压Vv与U相电压Vu相比其相位偏差120度，如图3(c)所示，W相电压Vw与V相电压Vv相比其相位偏差120度。而且，三相合计的感应电压、即在转子位置检测电路33的比较器51的输入端子51a上产生的电压波形如图3(d)所示，为脉冲状的三角波。
从控制部34输出到逆变器32的PWM开关信号的载频和脉冲宽度、以及作为感应电压表现的脉冲状电压的频率及脉冲宽度大致相同。因此，如果PWM开关信号的载频变化，则作为感应电压表现的脉冲状电压的频率也同样地变化，如果PWM开关信号的脉冲宽度变化，则感应电压的脉冲宽度也同样地变化。例如，如果PWM开关信号的脉冲宽度缩短，则感应电压的脉冲宽度也同样地缩短。
如果输入的脉冲宽度比规定的脉冲宽度(例如，5[μs])短，则带有比较器51和光电耦合器52的转子位置检测电路33因电路的响应特性而不能跟踪输入端子51a的输入信号。即，如果输入端子51a的输入信号、即PWM开关信号的脉冲宽度比规定的脉冲宽度(例如，5[μs])短，则转子位置检测电路33不能响应输入，输出信号不稳定。因此，就控制部34正确地估计转子31的位置来说，对该转子位置检测电路33的输入信号(脉冲)必须在规定的脉冲宽度(例如，5[μs])以上。
在本实施方式中，控制部34调整PWM开关信号的载频，以使在生成具有应对无刷DC电机29的施加电压的脉冲宽度的PWM开关信号时，PWM开关信号的占空率在规定的脉冲宽度(例如，5[μs])以上。
具体地说，参照图4所示的应对占空率的载频和表示无刷DC电机29的施加电压的说明图进行说明时，首先，控制部34在PWM开关信号的占空率中设定阈值A。
这里，将阈值A设定在使PWM开关信号的载频B固定(例如，5[kHz])并调整PWM开关信号的脉冲宽度情况下的脉冲宽度达到规定的脉冲宽度(例如，5[μs])以上的占空率范围内。
例如，在PWM开关信号的载频B为5[kHz]、PWM开关信号的占空率为5[％]时，由于脉冲宽度为10[μs]，所以将阈值A例如设定为5[％]。
然后，控制部34调整载频B，以使在生成具有应对无刷DC电机29的施加电压(线电压或相电压)C的占空率的PWM开关信号时，在PWM开关信号的占空率低于阈值A时，防止PWM开关信号的脉冲宽度比规定的脉冲宽度(例如，5[μs])短，可达到规定的脉冲宽度以上。
更具体地说，控制部34随着占空率的下降而使载频B连续地下降，以使在生成具有应对无刷DC电机29的施加电压(线电压或相电压)C的占空率的PWM开关信号时，在PWM开关信号的占空率低于阈值A(例如，5[％])时，即在生成的PWM开关信号的占空率比阈值A(例如，5[％])小的占空率范围X内时，防止PWM开关信号的脉冲宽度比规定的脉冲宽度(例如，5[μs])短，可达到规定的脉冲宽度以上。
例如，控制部34在生成的PWM开关信号的占空率低于阈值A时，将PWM开关信号的脉冲宽度固定在规定的脉冲宽度(例如，5[μs])以上的脉冲宽度(例如，10[μs])，随着占空率的下降使载频B连续地下降。此时，可将固定的脉冲宽度设定成与占空率为阈值A(例如，5[％])的脉冲宽度相同宽度。
这里，即使是同一占空率，如果载频B下降，则PWM开关信号的脉冲宽度也变长。例如，在生成占空率为5[％]的PWM开关信号时，在载频B’为5[kHz]时，脉冲宽度为10[μs]。在载频B’是2.5[kHz]时脉冲宽度为20[μs]。即，随着载频B’的下降，PWM开关信号的脉冲宽度变长。
因此，根据本第1实施方式，控制部34在逆变器32上施加的直流电压上升时，或降低无刷DC电机29的转数时，为了降低对无刷DC电机29的施加电压，在将PWM开关信号的占空率控制到低于阈值A时，表示输入到转子位置检测电路33的感应电压的输入信号的脉冲宽度不低于规定的脉冲宽度，所以即使进行降低对无刷DC电机29的施加电压的控制，也可以稳定估计转子位置。
此外，控制部34在生成具有应对无刷DC电机29的施加电压C的占空率的PWM开关信号时，在PWM开关信号的占空率超过阈值A(例如，5[％])时，即在生成的PWM开关信号的占空率在比阈值A(例如，5[％])大的占空率范围Y内时，由于开关信号的脉冲宽度不比规定的脉冲宽度(例如，5[μs])短，所以使载频B固定(例如，5[kHz])。
这里，控制部34进行控制，以使在驱动无刷DC电机29时，转数不为0。即，控制部34为了避免施加电压在0[V]附近，设有在无刷DC电机29上施加的最低施加电压，在驱动无刷DC电机29时进行控制，以使不低于该最低施加电压。因此，由于施加电压不为0[V]或在0[V]附近，所以防止载频极度地下降。因此，可稳定估计转子位置。
[2]第2实施方式
在上述第1实施方式中，说明了控制部34随着占空率的下降而使载频B连续下降的情况，而在本第2实施方式中，控制部随着占空率的下降而使载频分级地下降。再有，系统的构成与第1实施方式的图1和图2相同，因而省略说明。
图5是表示应对占空率的载频的说明图。
首先，与第1实施方式的图4同样，控制部34按PWM开关信号的占空率设定阈值A(例如，5[％])。
然后，控制部34随着占空率的下降而使载频B’分级地下降，以使在生成具有应对无刷DC电机29的施加电压(线电压或相电压)C的占空率的PWM开关信号时，在PWM开关信号的占空率低于阈值A时，即在生成的PWM开关信号的占空率比阈值A(例如，5[％])小的占空率范围X内时，防止PWM开关信号的脉冲宽度比规定的脉冲宽度(例如，5[μs])短，可达到规定的脉冲宽度以上。
具体地说，控制部34使载频B’随着占空率的下降而分级地下降，从第1频率B1(例如，5[kHz])下降到比该第1频率B1低的第2频率B2(例如，2.5[kHz])。例如，在PWM开关信号的占空率低于阈值A时，以该阈值A为界，将载频B’从第1频率B1(例如，5[kHz])下降到比该第1频率B1低的第2频率B2(例如，2.5[kHz])。
因此，在逆变器32上施加的直流电压上升时，或降低无刷DC电机29的转数时，为了降低对无刷DC电机29的施加电压，在将PWM开关信号的占空率控制到低于阈值A时，通过分级地降低载频B’，从而PWM开关信号的脉冲宽度增长，表示输入到转子位置检测电路33的感应电压的输入信号的脉冲宽度不低于规定的脉冲宽度，所以即使进行降低对无刷DC电机29的施加电压的控制，也可以稳定估计转子位置。
这里，控制部34具有磁滞(微分)Δ并进行控制，以便在载频B’从第1频率变化到比该第1频率B1低的第2频率B2时，以及从第2频率B2变化到第1频率时占空率所有不同。
具体地说，控制部34具有磁滞Δ并进行控制，以使从第1频率B1变化到第2频率B2时的占空率A比从第2频率B2变化到第1频率B1的占空率A’低。
由此，在将载频B’分级切换的边界中，防止产生摆动。由此，可以更稳定估计转子位置。
此时，设定占空率A和占空率A’的磁滞Δ，以使相对于占空率A时的施加电压(线电压或相电压)，占空率A’时的施加电压达到不引起摆动的规定倍数(例如，1.5倍)。
此外，为了避免施加电压达到0[V]附近，设置施加在无刷DC电机29上的最低施加电压，在驱动无刷DC电机29时，进行控制，以使不低于该最低施加电压，所以脉冲宽度不极端地缩短，可以稳定估计转子位置。
在以上的说明中，作为随着占空率的下降而将载频B’从第1频率B1分级下降到比该第1频率B1低的第2频率B2的控制，说明了以阈值A为界，将载频B’从第1频率B仅下降一级的第2频率B2的情况，但例如图6所示，也可以按阈值A为界，将其随着占空率的下降而多级(例如，两级)下降。这种情况下，在图6中，降低占空率A”的情况下，载频B’从频率B2下降到频率B3，而此时B2是第1频率，B3是第2频率。而且，也可以具有磁滞来进行控制，以使从第1频率B2变化到第2频率B3时的占空率A”比从第2频率B3变化到第1频率B2的占空率A”’低。
此外，在以上的说明中，说明了电机控制装置驱动压缩机的电机的情况，但只要在无传感器控制方式下根据感应电压来估计转子位置，无论哪种电机都可采用。例如，可在驱动室外风扇电机和室内风扇电机等情况下采用。
根据本发明，即使进行降低对电机的施加电压的控制，也可以稳定估计转子的位置。

Claims (7)

1.一种电机控制装置，根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，其特征在于，该电机控制装置包括：
控制部，在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，调整所述开关信号的载频，以使该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上。
2.一种电机控制装置，根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，其特征在于，该电机控制装置包括：
控制部，在所述开关信号的占空率中设定阈值，同时在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，调整所述开关信号的载频，以使在该开关信号的占空率低于所述阈值的情况下，该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上，
所述控制部在使所述开关信号的载频固定并且在调整所述开关信号的脉冲宽度情况下的脉冲宽度为规定的脉冲宽度以上的占空率范围内设定所述阈值。
3.如权利要求1至2任何一项所述的电机控制装置，其特征在于：
所述控制部使所述载频随着所述占空率的下降而连续地下降。
4.如权利要求1至2任何一项所述的电机控制装置，其特征在于：
还包括频率调整部件，所述频率调整部件使所述载频随着所述占空率的下降而分级下降。
5.如权利要求4所述的电机控制装置，其特征在于：
所述控制部具有磁滞，以便在所述载频从第1频率变化到比第1频率低的第2频率时、以及从所述第2频率变化到所述第1频率时占空率有所不同。
6.一种电机控制方法，根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，其特征在于：
在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，调整所述开关信号的载频，以使该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上。
7.一种电机控制方法，根据由逆变器驱动的电机的非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据该估计结果，将脉宽调制的开关信号输出到所述逆变器，控制对所述电机的施加电压，其特征在于：
在所述开关信号的占空率中设定阈值，该阈值被设定在使所述开关信号的载频固定并且在调整所述开关信号的脉冲宽度情况下的脉冲宽度为规定的脉冲宽度以上的占空率范围内，在生成具有应对所述施加电压的占空率的所述开关信号时，在该开关信号的占空率低于所述阈值的情况下，调整所述载频，以使该开关信号的脉冲宽度在规定的脉冲宽度以上。
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