CN1492573A - 直流无刷电动机的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流无刷电动机的控制装置及方法。可以在供给直流无刷电动机3相电流的相转换区间，使因相电流暂时减少而引起的转矩脉动最小化。该装置包括电功率转换装置和控制部。电功率转换装置将工业用交流电源转换为多相交流电。控制部根据直流无刷电动机转子位置信息和在电功率转换装置负极流动的消弧相电流的消失时刻，检测出相转换区间，为使在相转换区间内的非转换相的平均电压保持稳定，供给补偿电压，控制电功率转换装置。控制方法中，首先供给非转换相电流、驱动电动机，由检测出驱动的电动机转子的位置信息，检测出相转换的起始时刻。相转换一开始，供给用于使相转换时产生的转矩脉动最小化的补偿电压，由出现在电功率转换装置负极(－)的消弧相电流消失，检测出相转换的结束时刻后，停止供给补偿电压，再开始供给非转换相电流。

Description

直流无刷电动机的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电动机的控制装置及方法，更具体地说，是涉及一种用于使转矩脉动(torque ripple)最小化的直流无刷电动机的控制装置及方法。

背景技术

直流无刷电动机使用开关元件构成的整流电路，代替电刷、整流子等机械元件。这种直流无刷电动机的特征是不需要更换磨损的电刷，而且，电子干扰(electromagnetic interference)和噪音也小。以下用图1说明这种直流无刷电动机控制装置的结构。

图1所示为现有的直流无刷电动机的控制装置的方框图。如图1所示，由换流器104，电容器108，以及换相器106构成的电功率转换装置，将由交流电源装置102供给的交流电转换成脉冲式3相交流电之后，送给直流无刷电动机110。由换相器106供给直流无刷电动机110的3相交流电(U.V.W)的各相电流，由电流传感器112a、112b检测。检测出的相电流信息传送到控制部114，作为产生换相器控制信号的依据。直流无刷电动机110转子的位置和速度由位置/速度检测部116检测，检测出的转子位置信息也送入控制部114，作为产生换相器控制信号的依据。控制部114参照从外部输入的速度控制信号、相电流信息，转子位置等信息，按速度控制信号的要求，控制电动机110的转速。换相器控制信号用于控制从换相器106输出的3相交流电源(U.V.W)的相转换时刻以及相电流的大小。

驱动这种现有的直流无刷电动机110时，在进行3相交流电(U.V.W)的相转换时刻，由于相电流暂时减少而产生转矩脉动。直流无刷电动机的转矩，可以用感应电压和电流的乘积表示。由于在相转换区间电流暂时减少而产生转矩脉动。而该转矩脉动是产生噪音和振动的原因。所以，希望提供一种使转矩脉动最小化的控制装置及方法。

为了使直流无刷电动机的转矩脉动最小化，必须准确地检测出相转换区间，补偿不足的电压。如果不能准确地检测出相转换区间，就会引起电流补偿不足或补偿过多。所以，为了使转矩脉动最小化，准确地检测出相转换区间是非常重要的。现有的方法检测直流无刷电动机的相转换区间，是使用电流传感器检测出相电流的方法。但是，如图1所示，为检测各相电流，要使用2个电流传感器，这样就提高了制造成本，增加了生产者和消费者的负担。

发明内容

因此，本发明的目的是：为使在供给直流无刷电动机的3相电流的相转换区间，产生相电流暂时减小所致的转矩脉动最小化，要准确地预测并检测出3相交流电的相转换时刻和区间，并对检测出的在相转换区间减少的电流进行补偿。

为达上述目的，本发明直流无刷电动机的控制装置包含电功率转换装置和控制部。电功率转换装置将工业用交流电源转换成多相交流电。控制部根据直流无刷电动机转子的位置信息和在电功率转换装置负极流动的消弧相电流消失时刻，检测出相转换区间，为使在相转换区间内的非转换相的平均电压保持稳定，供给补偿电压，控制电功率转换装置。

另外，将工业用交流电源转换为多相交流电的电功率转换装置供给本发明直流无刷电动机电功率的控制方法，首先供给非转换相电流后，驱动电动机，由转动中的电动机转子的位置信息开始，检测出相转换的起始点，相转换一开始，就要供给使相转换的转矩脉动最小化的补偿电压。在电功率转换装置的负极(-)出现的消弧相电流消失时，检测出相转换的结束时刻，停止供给补偿电压后，再供给非转换相电流。

附图说明

图1是现有的直流无刷电动机的控制装置的方框图。

图2是本发明的直流无刷电动机的控制装置的方框图。

图3是图2所示本发明直流无刷电动机的控制装置的控制部结构的方框图。

图4是图3控制信号转换部结构的方框图。

图5是图2所示本发明直流无刷电动机的控制装置的换相器结构的电路图。

图6是直流无刷电动机的控制装置后端部单极的脉冲宽度调制方式的波形图。

图7A至图7D是在相转换器区间内的换相器内部电流流动的电路图。

图8是本发明直流无刷电动机控制方法的流程图。

符号说明：

204-换流器；206-换相器；208-电容器；210-直流无刷电动机；212-电流传感器；214-控制部；216-位置/速度检测部；302-加法器；304-速度控制部；306-加法器；308-电流控制器；310-控制信号转换部；314-换相器控制部；316-相转换检测部；402-放大器；404-第2放大器；406-信号发生器；408-加法器；410-开关；412-限幅器。

具体实施方式

以下用图2至图8说明本发明直流无刷电动机的控制装置及方法。

图2是本发明直流无刷电动机控制装置的方框图。如图所示，由换流器204、电容器208以及换相器206组成的电功率转换装置，将交流电源装置202供给的交流电转换成直流电，并转换成3相交流电(U.V.W)后供给直流无刷电动机210。换流器204将交流电变成直流电，换相器206将直流电变换成脉冲式3相交流电(U.V.W)，供给直流无刷电动机210。

在换流器204和换相器206之间的直流端的电容器(DC-linkcapacitor)208的负极(-)流动的电流，由单一的电流传感器212检测，并将检测出的电流信息传送到控制部214。位置/速度检测部216检测出直流无刷电动机转子的速度和位置，将该信息也送入控制部214。控制部214以所提供的电流量信息和位置/速度信息为依据，跟踪从外部输入的速度控制信号值控制直流无刷电动机210的转速。为此，换相器206产生换相器控制信号，控制从换相器206输出的3相交流电(U.V.W)的相转换时刻及各相的电流。图2所示本发明的直流无刷电动机控制装置，最明显的特征是使用单一的电流传感器212，就能检测出在直流端电容器208负极(-)的电流。

图3所示为图2所示本发明直流无刷电动机的控制部214的结构方框图。如图所示，速度控制信号和现在的速度信息由加法器302运算后，送给速度控制部304。速度控制部304为使直流无刷电动机210的转速跟踪速度控制信号值，产生电流命令。该电流命令和由电流传感器212检测出的电流信息由加法器306运算后，送给电流控制部308，电流控制部308产生用于直流无刷电动机210的相电流跟踪电流命令的第1电流控制信号(A)。相转换检测部316根据由位置/速度检测部216检测出的位置信息和由电流传感器212检测出的电流信息，检测出相转换区间后，产生相转换检测信号(D)。该相转换检测信号(D)与由电流控制部308产生的第1电流控制信号(A)一起，输入到控制信号转换部310。

控制信号转换部310转换由电流控制部308产生的第1电流控制信号(A)，在内部产生第2电流控制信号(B)(图中未示)。相转换检测部316的相转换检测信号(D)将第1电流控制信号(A)和第2电流控制信号(B)中的某一个信号作为第3电流控制信号(C)输出。从控制信号转换部310输出的第3电流控制信号(C)决定由换相器控制部314产生的换相控制信号的脉冲幅度。

图4是图3的控制信号转换部310结构的方框图。如图所示，控制信号转换部310，将从电流控制部308产生的第1电流控制信号(A)和在内部产生的第2电流控制信号(B)中的某一个信号，通过开关410输入到限幅器412。由放大器402产生的Amax的1/2信号和由信号发生器406产生的Keω/2V_DC信号在加法器408中相加后，产生第2电流控制信号(B)。输入到第2放大器404的Amax信号是第1电流控制信号(A)的最大值，本发明中的值是1。

用于选择第1和第2电流控制信号(A、B)中的某一个信号的开关410，根据相转换检测部316产生的相转换检测信号(D)进行开关控制。在非相转换区间中，相转换检出部316使开关410的接点与S1端子连接，第1电流控制信号(A)通过限幅器412作为第3电流控制信号(C)输出。另外，相转换检测部316在相转换区间内，使开关410的接点与S2端子连接，这样，第2电流控制信号(B)通过限幅器412作为第3电流控制信号(C)输出。第3电流控制信号(C)输入换相器控制部314，作为换相器控制信号的依据，限幅器412将第3电流控制信号(C)的大小值控制在一定的范围(例如：1)以下。

第1电流控制信号(A)是用于产生正常相电流的。第2电流控制信号(B)是用于在相转换区间，为使非转换相的平均电压保持稳定，而用于产生补偿电流的。使用后端部的单极的脉冲宽度调制方式时，在2相通电区间，附加在第1电流控制信号(A)的通电相的平均电压V1如下式：

$V1=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DC}}A--\left(1\right)$

在上述(1)式中，V_DC是直流端的电容器208两端之间的电压，A是第1电流控制信号的大小，满足0＜A＜1的条件。

使用后端部单极的脉冲宽度调制方式时，在相转换区间内，附加在非转换相的平均电压V2如下式：

$V1=(2A-1)\frac{1}{3}{V}_{\mathrm{DC}}-\frac{1}{3}\left(K_e\mathrm{\ω}\right)--\left(2\right)$

在上述(2)式中，Ke是反电动势常数，ω是转子的转速，V_DC是直流端的电容器208两端之间的电压，A是第1电流控制信号的大小，满足0＜A＜1的条件。

为使非转相的平均电压保持稳定，必须使V1＝V2的条件成立，满足这个条件的第2电流控制信号(B)的大小如下式：

$B=\frac{1}{2}+\frac{3}{4}A+\frac{K_e\mathrm{\ω}}{{2V}_{\mathrm{DC}}}----\left(3\right)$

在上述(3)式中，B的大小满足0＜B＜1的条件。

第2电流控制信号(B)只在正确的相转换区间内供给时，对平均电压进行正确的补偿。假设在相转换区间结束之前，第2电流控制信号(B)的供给一中断，会使补偿不足，而如果相转换区间结束后还继续供给第2电流控制信号(B)，由于补偿过多，就不能使转矩脉动最小化。

本发明直流无刷电动机的控制装置及方法中，由转子的位置信息检测出相转换区间的起始点，由直流端电容器的负极流动的消弧相电流消失时刻，检测出相转换区间的结束时刻，只在该相转换区间内供给补偿电流，使转矩脉动最小化。以下用附图详细说明检测出相转换区间结束时刻的检测方法。

图5是图2所示本发明直流无刷电动机控制装置的3相全桥式换相器206结构的电路图。对应下述图6的3相交流信号，分别设有各自的开关元件，即由晶体管Q1～Q6控制相电流的转换。

图6所示为直流无刷电动机控制装置后端部的单极的脉冲宽度调制方式，用于驱动换相器206的换相控制信号的示图。在后端部的单极的脉冲宽度调制方式中，如图6所示那样，在120°通电区间内，后端部(out-going phase)的60°区间内，由单一的开关元件的开/关(单极的)调制脉冲的幅度。

观察图6中60°处，通过晶体管Q2的供给相电流的点弧时刻和通过晶体管Q1供给脉冲宽度调制相电流的第1脉冲不是同步的。由于这种的不同步，非转换相的平均电压是变动的。为使转矩脉动最小化，要使点弧相电流的点弧时刻和脉冲宽度调制相电流的第1脉冲起始时刻是同步的。

图7A至图7D所示为在相转换区间的换相器内部的电流流动图，所示为从U-V相(0°～60°区间)转换到U-W相(60°～120°之间)为止的电流的流动。图7A所示为在U-V相(0°～60°区间)的换相器206电流的流动。在这个区间，晶体管Q1、Q6导通，U-V相电流流动。

在这种状态下，由于晶体管Q6导通，晶体管Q2也导通，如图7B和图7C所示那样，开始从U-A相向U-W相转换。图7B及图7C所示为在相转换区间的消弧相电流702和点弧相电流704的流动图。图7B的场合，晶体管Q1、Q2两个都是导通的状态，在这种场合，直流端电容器208的负极(-)出现新的点弧相(W)的电流704。在图7C的场合，晶体管Q1是不导通的。晶体管Q2仍然是导通的状态，这种场合，在直流端电容器208的负极(-)只出现消弧相(V)的电流706。点弧相(W)的电流708，不涉及电容器208的负极(-)，是通过二极管D4流动的。这种电流的流动与将通电的二个开关元件同时开/关的双极的脉冲宽度调制方式的场合也类似。但是，后端部单极的脉冲宽度调制方式和双极脉冲宽度调制方式，如果在换相器直流端的负极设置电流传感器，就能在相转换区间内检测出消弧相的相电流。由于检测出消弧相电消失时刻，就可以正确地检测出相转换区间结束的时刻。在这种场合，由于可以只检测在直流端电容器208的负极(-)出现的电流，所以只用一个电流传感器就可以检测出相转换结束的时刻。在这样求出的相转换区间内，将第2电流控制信号(B)代替第1电流控制信号(A)，输入换相器控制部314，这样，使在相转换区间的非转换相的平均电压的变动引起的转矩脉动为最小化。

图7D所示为相转换结束状态下换相器206的电流流动，晶体管Q1、Q2都为导通状态。这时，在直流端电容器208的负极(-)出现相转换结束的非转换相电流。

图8为本发明直流无刷电动机控制方法的流程图。如图所示，供给非转换相电流后驱动电动机210(802)，利用转子的位置信息，监视是否开始相转换(804)，在相转换开始之前一直供给非转换相电流。相转换一开始(806)，为使相转换的转矩脉动最小化，供给补偿电压(808)。由在直流端电容器208的负极(-)出现消弧相电流的消失，检测出相转换结束的时刻(810)，停止供给补偿电压，再开始供给非转相电流(812)。

(发明的效果)

如上所述那样，本发明直流无刷电动机的控制装置和方法，由转子的位置信息，检测出相转换区间的起始点，由直流端电容的负极出现的消弧相电流的消失时刻，检测出相转换区间结束时刻，只需在相转换区间内供给补偿电压，使直流无刷电动机的3相交流电在相转换时产生的转矩脉动最小化。

Claims (21)

1.一种直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

包括：将工业用交流电源转换为多相交流电源的电功率转换装置、

根据所述直流无刷电动机转子位置的信息和在所述电功率转换装置负极流动的消弧相电流的消失时刻，检测出相转换区间，为此在相转换区间内的非转换相的平均电压保持稳定，供给补偿电压，控制所述电功率转换装置的控制部。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

所述电功率转换装置包括：将所述工业用交流电源转换为直流的换流器、

将所述直流电源转换为所述多相交流电源的换相器、

连接所述换流器和换相器的直流端电容器。

3.根据权利要求2所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

包括：检测出在所述换相器直流端负极出现的电流，并将检测出的电流信息提供给所述控制部的单一的电流传感器。

4.根据权利要求1所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

所述换相器是3相全桥式换相器。

5.根据权利要求1所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

所述控制部包括：用于检测相转换区间的相转换检测部、在非转换区间，产生用于供给非转换相电流的第1电流控制信号、在相转换区间，供给所述补偿电流，产生第2电流控制信号的控制信号转换部。

6.根据权利要求5所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

所述第2电流控制信号(B)的定义如下式：

$B=\frac{1}{2}+\frac{3}{4}A+\frac{K_e\mathrm{\ω}}{{2V}_{\mathrm{DC}}}$

在所述公式中，B满足0＜B＜1的条件，A是第1电流控制信号的大小，A的值满足0＜A＜1，Ke是反电动势常数、ω是转子的转速、V_DC是加在直流端的电容器两端间的电压。

7.根据权利要求1所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

所述控制部包括：根据从外部输入的速度控制信号和现在的速度信息，使所述直流无刷电动机的转速，跟踪所述速度控制信号的值，产生电流命令的速度控制部、

以所述电流命令和所述电流传感器检测出的电流信息为依据，使所述直流无刷电动机的相电流跟踪所述电流命令，产生第1电流控制信号的电流控制部、

输入所述第1电流控制信号，产生所述第2电流控制信号，对应从所述相转换检测部产生的所述相转换检测信号，将所述第1和第2电流控制信号中的某一个信号输出的控制信号转换部、

对应从所述控制信号转换部输出的电流控制信号，产生用于控制所述换相器的控制信号的换相器控制部。

8.根据权利要求7所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

所述控制信号转换部包括：在两端分别输入所述第1及第2电流控

制信号，根据所述相转换检测部产生的相转换检测信号进行控制，将第1及第2电流控制信号中的某一个信号输出的开关、

将所述开关输出的电流控制信号的大小值控制在事先设定的值以下的限幅器。

9.根据权利要求1所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在于：

从所述电功率转换装置输出的多相交流电源是3相交流电。

10.根据权利要求1所述的直流无刷电动机的控制装置，其特征在

于：

所述电功率转换装置是使后端部的单极的脉冲宽度调制方式和双极的脉冲宽度调制方式中的某一个方式动作的装置。

11.一种直流无刷电动机控制装置的相转换检测装置，该装置包括将工业用交流电源转换为多相交流电源的电功率转换装置，其特征在于：

由所述直流无刷电动机的转子的位置信息，检测出相转换的起始点，由所述电功率转换装置负极流动的消弧相电流的消失时刻，检测出相转换的结束时刻。

12.根据权利要求11所述的直流无刷电动机的相转换检测装置，其特征在于：

所述电功率转换装置包括：将所述工业用交流电源转换为直流的换流器、

将所述直流电源转换为所述多相交流电源的换相器、

连接所述换流器和换相器的直流端电容器。

13.根据权利要求12所述的直流无刷电动机的相转换检测装置，其特征在于：

包括：检测出在所述换相器直流端负极出现的电流，将检测出的电流信息提供给所述控制部的单一的电流传感器。

14.根据权利要求11所述的直流无刷电动机的相转换检测装置，其特征在于：

所述换相器是3相全桥式换相器。

15.根据权利要求11所述的直流无刷电动机的相转换检测装置，其特征在于：

从所述电功率转换装置输出的多相交流电源是3相交流电。

16.根据权利要求11所述的直流无刷电动机的相转换检测装置，其特征在于：

所述电功率转换装置使后端部的单极的脉冲宽度调制方式和双极的脉冲宽度调制方式中的某一个方式动作。

17.一种直流无刷电动机的控制方法，将工业用交流电源转换为多相交流电源的电功率转换装置供给直流无刷电动机电功率的控制方法中，其特征在于：

包括：供给非转换相电流，驱动电动机的阶段、

由转子的位置信息，检测出相转换的起始点的阶段、

相转换一开始，为使相转换产生的转矩脉动最小化，供给补偿电流的阶段；

从所述电功率转换装置的负极(-)出现的消弧相电流消失时刻，检测出相转换的结束时刻后，停止供给所述补偿电流的阶段。

18.根据权利要求17所述的直流无刷电动机的控制方法，其特征在于：

所述换相器是3相全桥式换相器。

19.根据权利要求17所述的直流无刷电动机的控制方法，其特征在于：

对所述电功率转换装置的负极出现的电流用单一的电流传感器检测。

20.根据权利要求17所述的直流无刷电动机的控制方法，其特征在于：

由所述电功率转换装置输出的多相交流电源是三相交流电。

21.根据权利要求17所述的直流无刷电动机的控制方法，其特征在于：

所述电功率转换装置使后端部的单极的脉冲宽度调制方式和双极的脉冲宽度调制方式中的某一个方式动作。

Images