CN1518206A - 无刷直流电机的控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种无刷直流电机控制装置，它提供了可以对流过无刷直流电机线圈的相电流的相位差进行补偿，使之与反电动势相位相同那样地进行控制的控制装置以及控制方法，它包括将市电交流电源转换成多相交流电源提供给无刷直流电机的功率转换装置，控制部算出无刷直流电机的理想的相转换时间和上述相电流的实际的相转换时间，上述实际转换时间追踪上述理想的相转换时间那样地进行控制。

Description

无刷直流电机的控制装置及方法
技术领域
本发明是关于电机的控制装置及方法的发明，更详细地说为了使无刷直流电机的转矩脉动最小，而发明的控制装置及方法。
背景技术
无刷直流电机，代替电刷和整流子等的机械要素，采用由整流元件构成的整流电路。这种无刷直流电机没有由于磨损而更换电刷的必要，特征是电子伤害、驱动噪音小。
无刷直流电机接受将市电交流电源转变成脉冲形态的多相交流电源(一般3相)的功率转换装置而来的电源供给。控制无刷直流电机的速度的控制装置根据从功率转换装置供给无刷直流电机的多相交流电源的相电流信息和转子位置以及速度信息控制无刷直流电机的旋转速度。控制装置跟踪从外部输入的速度命令而控制无刷直流电机的旋转速度。
这样的现行的无刷直流电机的控制方法，将在直流电机各相产生的反电动势与基准电压比较，产生反电动势检出信号，根据这个反电动势检出信号控制功率转换装置。但是无刷直流电机的负荷非常高，高速运转等，无刷直流电机的线圈的电气时间常数L/R增加时，在线圈里流过的电流相位可能比附加的电压延迟。无刷直流电机的线圈流过的电流的相位延迟积累以后，无刷直流电机受到过度电流供给，使无刷直流电机发热量增加，这成为无刷直流电机效率降低的原因。
发明内容
所以，本发明鉴于上述的现行的问题点，对无刷直流电机的线圈流过的电流的相位差进行补偿，为了控制其与反电动势同相之目的，提供一种无刷直流电机的控制装置以及方法。
为了达成上述的目的，本发明的无刷直流电机的控制装置包括将市电交流电源转换成多相交流电源提供给无刷直流电机的功率转换装置。电流检出部检出无刷直流电机的相电流。控制部算出无刷直流电机的理想的相转换时间和上述相电流的实际的相转换时间，为了使上述实际相转换时间跟踪上述理想转换时间而进行控制。
由本发明无刷直流电机的控制方法，算出无刷直流电机的理想的相转换时间，算出相电流的实际相转换时间，为了实际的相转换时间跟踪上述理想的相转换时间而进行控制。
而且，由本发明的无刷直流电机的控制装置，包含将市电交流电源转换成多相交流电源提供给无刷直流电机的功率转换装置。位置检出部检出无刷直流电机的反电动势的零交叉点。控制部算出无刷直流电机的理想的相转换时间和上述相电流的实际的相转换时间，在相电流超前时，使实际的相装换时间延长，在相电流落后时，使实际的相转换实际缩短，为了实际相转换时间跟踪理想转换时间而进行控制。
附图说明
图1是本发明无刷直流电机的控制装置的示意流程图。
图2是与无刷直流电机的驱动关联的电压及电流的特性示意波形图。
图3是相电流超前或滞后时的示意图。
图4是本发明的无刷直流电机的控制装置中，相电流超前时，相电流超前/滞后的判别方法的说明图。
图5是本发明的无刷直流电机的控制装置中，相电流滞后时，相电流超前/滞后的判别方法的说明图。
图6是本发明无刷直流电机的控制方法的示意流程图。
图7是本发明无刷直流电机的控制装置的其他实施方式的示意方块图。
符号说明
102电源装置
104变流器
108电容器
106转换器
110直流电机
112电流检出部
114控制部
114a存储器
116位置检出部
实施方式
以下，基于图1至图7对本发明的无刷直流电机的控制装置以及理想的方法的实施方式进行说明。
图1是本发明无刷直流电机控制装置示意方块图。如此图所示，变流器104、电容器108、以及转换器106组成的功率转换装置，将从交流电源装置102供给的交流电源转换成脉冲形态的3相交流电源，供给无刷直流电机110。从转换器106供给无刷直流电机110的3相交流电源(U、V、W)的各自的相电流之中，U相及V相电流被电流检出部112检出。被电流检出部112检出的U相及V相电流的信息提供给控制部114，成为转换器控制信号的主要部分。无刷直流电机110的转子的位置和速度被位置检出部116检出，被检出的转子的位置信息也提供给控制部114，成为转换器控制信号的主要部分。位置检出部116，检出由无刷直流电机110的相电压诱发的反电动势的零交叉点(zero crossing point)，由此获得转子的位置信息。控制部114参照从电流检出部112输入的相电流信息和从位置检出部116输入的转子的位置信息，控制无刷直流电机110的旋转速度。控制部114，为了控制从转换器106输出的3相交流电源(U、V、W)的相转换(phase commutation)时间点以及相电流大小，输出转换器控制信号，无刷直流电机110的旋转速度跟踪速度命令那样进行控制。控制部114内置作为数据记忆装置的存储器114a，在这个存储器114a中，记忆着当时的无刷直流电机110的相转换时间和在0～60度的区间检出的二个以上的相电流值。控制部114参照在存储器114a中记忆的相转换时间和相电流对反电动势和相电流的相位差进行补正。
图2是与无刷直流电机的驱动关联的电压及电流的特性示意波形图，分别表示了无刷直流电机110的驱动电压202、反电动势204以及相电流206。如此图所示，反电动势204通过零交叉点208的时间点208与新的相电流206的供给被开始的时间点210之间存在一定时间的相转换期间。120度通电型的情况下，理想的相转换时间是以电角度0度为中心，相当于30度前后的区间。本发明的无刷直流电机的控制装置中，为了判别反电动势和相电流的相位差，算出之后的相位转换时间，要检出电角度0度以后的点弧相电流的点弧时间点。在图2中，从点弧角0度到点弧时间点的相转换基间(t30°)相当于电角度30度大小，是理想状态。相当于电角度0～30度的区间的时间可以从驱动电压202的频率算出。控制部114将电角度30度换算成时间，作为理想的相装换时间(t30°)记忆在存储器114a中。
无刷直流电机的负荷非常高、在高速运行等，无刷直流电机的线圈的电气时间常数(L/R)增加时，由附加的电压，流过线圈的电流的相位也会与理想的情况不符。即，相电流的相位对于反电动势的相位变得超前或者滞后。为了使无刷直流电机110的驱动效率最佳化，使反电动势与相电流一致是重要的，但是相电流的相位对于反电动势的相位无论是超前还是滞后，都不能得到最佳的驱动效率。所以，为了取得无刷直流电机110的最佳驱动效率，对于反电动势的相电流的超前/滞后进行判别，对其相位进行补偿是理想的。
图3表示的相电流是超前还是之后的情况的图，此处的超前是指相位超前，滞后是指相位滞后。图3的A表示的是超前的相电流302，被点弧的相电流302的点弧时间点以电角度20度领先。这种情况，相转换时间(tc1)比理想的相转换时间(t30°)短，为使相电流302与反电动势的相位一致，必须延长相转换时间(tc1)。图3的B表示的是滞后的相电流304，被点弧的相电流304的点弧时间点在电角度30度之后。这种情况，由于相转换时间(tc2)比理想的相转换时间(t30°)长，为了使相电流304与反电动势的相位一致，必须缩短相转换时间(tc2)。
图4及图5，在本发明的无刷直流电机的控制装置中，说明相电流的超前/滞后的判别方法，图4是相电流超前的情况，图5是相电流滞后的情况。首先如图4所示，一个基本的相转换从电角度0度开始。本发明的无刷直流电机的控制装置在电角度0～60度的区间，周期性地测定相电流404的值，比较测定值的大小，判别相电流404的超前/滞后。如图4所示，在相电流404的0～60度的区间，在t1、t2、t3的时间点测定的电流值(I1、I2、I3)是减少的趋势(I1＞I2＞I3)可以看出相电流404超前。相反，图5所示，相电流504在0～60度的区间在t4、t5、t6时间点测定的电流值(I4、I5、I6)是增加趋势(I4、＜I5、＜I6)，可见相电流504是滞后的。相电流404、504的0～60度的区间，电流值的检出间隔越稠密，对与超前/滞后的测定越精确。从图4及图5可以看出，相电流404、504超前或者滞后，直流端电流402、502也同样超前或者滞后。所以可以取代相电流404、504，由直流端电流402、502来判别相电流404、504的超前或者滞后。
图6表示的是本发明的无刷直流电机的控制方法，是判别相电流的超前/滞后，对相位差进行补正的方法的示意流程图。如此图所示，从当时无刷直流电机110的驱动电压202的频率算出理想的相转换时间(t30°)(602)。检出反电动势204的零交叉点208，算出从这个零交叉点208到点弧相电流206的点弧时间点210的时间的实际的相转换时间(tc)(604)。算出实际的相转换时间(tc)后，检出判别相电流的超前/滞后的相位(606)。如图4及图5所示，相电流405、504的电角度0～60度的区间，设置一定的间隔，检出2个以上的相电流值(I1、＞I2、＞I3)或者(I4、I5、I6)，通过对被检出的相电流(I1、I2、I3)或者(I4、I5、I6)判别是减少的趋势还是增加的趋势，判别相电流的超前/滞后。被检出的相电流(I1、I2、I3)或者(I4、I5、I6)是减少的趋势则是超前，增加的趋势则是滞后。而被检出的相电流(I1、I2、I3)或者(I4、I5、I6)固定，则与反电动势同相。
如果对反电动势的相电流404的相位超前(608)(参照图4)，当时算出的实际的相转换时间(tc1)只延长β而设定相转换时间(tc1)(610)。如果对反电动势404的相电流404的相位超前，延长实际的相转换时间(tc1)，通过使被点弧的新的相电流604的供给时间点的延迟，使反电动势和相电流404的相位一致。所以，只要将实际的相转换时间(tc1)延长β，就可以使之与最终的理想的相转换时间(t30°)一致。
如果对反电动势的相电流的相位是滞后(612)(参照图5)，只要将当时算出的实际的相转换时间(tc2)缩短β，再设定相转换时间(tc2)。即，如果对反电动势相电流504的相位滞后，使实际的相转换时间(tc2)缩短，通过提前被点弧的新的相电流504的供给开始时间点，使反电动势和相电流504的相位一致。反电动势和相电流404、504的相位一致意味着实际的相转换时间(tc)与理想的相转换时间(t30°)是一样的。
如果反电动势与相电流同相，即可使用当时算出的相转换时间(tc)，驱动无刷直流电机110(616)。这样，相转换时间被补正为理想值(t30°)，从反电动势的各零交叉点开始，用相转换时间(t30°)经过的时间点，就可以进行相转换(614)。
图7表示的是由本发明无刷直流电机的控制装置的其它的实施例的方框图。如此图所示，电流检出部712检出在直流端电容器108的阴极出现的直流端电流，将这个值提供给控制部114。如图4及5所示，如果相电流404、504是超前或滞后，那么直流端电流402、502也是超前或滞后，是一样的。所以，代替无刷直流电机110的相电流404、504，从直流端电流402、502可以判别相电流404、504的超前/滞后。
如以上的说明，本发明的无刷直流电机的控制装置通过对无刷直流电机的反电动势与相电流的相位差的补正，使之相位相同，使得无刷直流电机在相位转换区间发生的转矩脉动最小。

Claims (20)

1.一种无刷直流电机控制装置，其特征在于：
包括将市电电源转换成多相交流电源，提供给无刷直流电机的功率转换装置，
检出上述无刷直流电机的相电流的电流检出部，
算出上述无刷直流电机的理想的相转换时间与上述相电流的实际相转换时间，为了上述实际的相转换时间跟踪上述理想的相转换时间而进行控制的控制部。
2.权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述控制装置还包括检出上述无刷直流电机的反电动势的零交叉点的位置检出部，上述理想的相转换时间对应上述相电流的电角度0～30度的区间的时间，上述实际的相转换时间从上述零交叉点到点弧相电流的点弧时间点的时间。
3.权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述控制部，在上述相电流超前时，使上述实际的相转换时间延长，上述相电流滞后时，使实际的相转换时间缩短。
4.权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
在上述相电流的电角度0～60度的区间，由上述相电流检出部至少检出2个相电流值，对被检出的2个以上的相电流的大小进行比较，判别上述相电流的超前/滞后。
5.权利要求4所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
被检出的2个以上的相电流是减少的趋势时，判别为上述相电流超前，被检出的2个以上的相电流为增加的趋势时，判别为上述相电流滞后。
6.权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述相电流检出部，检出从上述功率转换装置向上述无刷直流电机提供的多相交流电源的相电流。
7.权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述功率转换装置包括上述将市电交流电源转换成直流的变流器，
将上述直流电源转换成上述多相交流电源的转换器，
连接上述变流器和转换器的直流端电容器，
上述相电流检出部检出在上述直流端电容器的阴极出现的相电流。
8.权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述多相交流电源是脉冲形态的3相交流电。
9.一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于：
包括算出上述无刷直流电机的理想的相转换时间的步骤，
算出上述相电流的实际的相转换时间
为了上述实际的相转换时间追踪上述理想的相转换时间而进行控制的步骤。
10.权利要求9所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：
还包括检出上述无刷直流电机的反电动势的零交叉点的位置检出部，上述理想的相转换时间是对应上述相电流的电角度0～30度的区间的时间，上述实际的相转换时间从上述零交叉点到点弧相电流的点弧时间点的时间。
11.权利要求9所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：
上述相电流超前时，使上述实际的相转换时间延长，上述相电流滞后时，使实际的相转换时间缩短。
12.权利要求9所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：
在上述相电流的电角度0～60度的区间，至少检出2个以上的相电流值，比较被检出的2个以上的相电流值的大小，判别上述相电流的超前/滞后。
13.权利要求12所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：
如果上述被检出的2个以上的相电流值是减少的趋势，判别为上述相电流超前，如果上述被检出的2个以上的相电流值是相电流超前的趋势，判别为相电流滞后。
14.一种无刷直流电机控制装置，其特征在于：
包括将市电电源转换成多相交流电源，提供给无刷直流电机的功率转换装置，
检出上述无刷直流电机的反电动势的零交叉点的位置检出部，
检出上述无刷直流电机的相电流的电流检出部，
算出上述无刷直流电机的理想的相转换时间与上述相电流的实际相转换时间，上述相电流超前时，延长上述实际的相转换时间，上述相电流滞后时，使上述实际的相转换时间缩短，为了上述实际的相转换时间跟踪上述理想的相转换时间而进行控制的控制部。
15.权利要求14所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述理想的相转换时间对应上述相电流的电角度0～30度的区间的时间，上述实际的相转换时间从上述零交叉点到点弧相电流的点弧时间点的时间。
16.权利要求14所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
在上述相电流的电角度0～60度的区间，由上述相电流检出部至少检出2个相电流值，对被检出的2个以上的相电流的大小进行比较，判别上述相电流的超前/滞后。
17.权利要求16所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
被检出的2个以上的相电流是减少的趋势时，判别为上述相电流超前，被检出的2个以上的相电流为增加的趋势时，判别为上述相电流滞后。
18.权利要求14所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述相电流检出部，检出从上述功率转换装置向上述无刷直流电机提供的多相交流电源的相电流。
19.权利要求14所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述功率转换装置包括上述将市电交流电源转换成直流的变流器，
将上述直流电源转换成上述多相交流电源的转换器，
连接上述变流器和转换器的直流端电容器，
上述相电流检出部检出在上述直流端电容器的阴极出现的相电流。
20.权利要求14所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于：
上述多相交流电源是脉冲形态的3相交流电。
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