CN1574589A

CN1574589A - 马达控制装置

Info

Publication number: CN1574589A
Application number: CNA2004100383698A
Authority: CN
Inventors: 坂本启二; 前田尚志
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: EP1480329A3; US7126306B2; US20050001581A1; JP2004350455A; EP1480329A2; CN100373758C; JP3721368B2

Abstract

3相交流马达，各相线圈是独立构成的。马达控制装置，给各相线圈(U、V、W相)、提供将具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流相加到了基本正弦波电流上的电流(IU，IV，IW)。亦即，为IU＝I·sinωt+Ia·sin3ωt IV＝I·sin (ωt+2/3π)+Ia·sin3ωt IW＝I·sin(ωt+4/3π)+Ia·sin3ωt而且，具有3倍基本正弦波电流的频率的电流的振幅Ia，做成为比基本正弦波电流的振幅I还小的规定的值。

Description

马达控制装置

技术领域

本发明，是关于3相交流马达的控制装置。

背景技术

传统上，在3相交流马达中，是在各相中流过基本频率的正弦波电流来驱动该马达。马达能输出的最大力矩，由各相中所流正弦波电流的峰值电流值、即振幅的大小来决定。

为了提高电压利用效率，众所周知的控制方法是：在发往各相的基本频率的电压指令上叠加3倍基本频率的电压指令来作为电压指令，做成PWM信号，来驱动逆变器(参见特开平6-133558号公报、特开平11-69899号公报)。

在上述专利文献所记载的发明中，是通过在基本正弦波电压上叠加3倍基本正弦波频率的电压作为各相电压指令、来提高电压利用效率的，但是，各相中所流的电流是正弦波，最大电流值是正弦波的峰值，除了增大这个峰值即振幅之外不能增大力矩。

发明内容

本发明，是3相的各线圈独立构成的同步马达或感应马达等3相交流马达的控制装置，给各相线圈提供将基本正弦波电流和具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流相加过的电流来进行驱动控制。给每相独立地，由一套串连连接第1、第2开关元件组成的第1串联电路和串连连接第3、第4开关元件组成的第2串联电路，供给将上述基本正弦波电流和具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流相加过的电流。

具体说，将把具有3倍该基本正弦波电流频率的电流相加在上述基本正弦波电流上的指令值、以及反相过该指令值的反相指令值与三角波进行比较，求取开关控制信号，根据由上述指令值所求得的开关信号、对上述第1、第2开关元件进行开/关控制，根据由上述反相指令值所求得的开关信号、对上述第3、第4开关元件进行开/关控制，在各相的线圈中流过把具有3倍该基本正弦波电流频率的电流相加在了上述基本正弦波电流上的电流。另外，将具有3倍该基本正弦波电流频率的电流的振幅，做成比基本正弦波电流的振幅小。

若依据本发明，可以提供不增大基本频率的正弦波电流的峰值、也可以增大马达的输出力矩的马达控制装置。

附图说明

本发明的上述的以及其他的目的和特征，从参照附图的以下实施例子的说明中会更加清楚。这些图中：

图1，是将本发明适用于使用永磁铁的同步马达时的动作原理说明图。

图2，是表示在定子线圈中流过基本正弦波电流时、和将3倍该基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上流过定子线圈时的、在各相线圈中所流电流的波形图。

图3，是将本发明适用于感应马达时的动作原理说明图。

图4，是本发明的马达控制装置的一实施方式的主要部分框图。

图5，是图4的马达控制电路中的开关控制电路的详细框图。

图6，是说明在图5的开关控制电路中、比较指令值和三角波来做成开关控制信号的图。

图7，是表示传统的3相马达的驱动方法的一个例子图。

具体实施方式

在图1中，U+、U-，V+、V-，W+、W-是U，V，W相的定子线圈，N，S表示转子的磁极

假定U相线圈与Θ，磁铁的强度为M，U相线圈中交链的磁通φU，用

φU＝M·sinΘ

表示。

同样，V，W相线圈中交链的磁通φV，φW，表示为：

φV＝M·sin(θ+2/3π)

φW＝M·sin(θ+4/3π)

为了在具有这样的磁通分布的U，V，W相线圈中流过电流来产生一定的力矩，在各相线圈流过电流为：

IU＝I·sinθ

IV＝I·sin(θ+2/3π)

IW＝I·sin(θ+4/3π)

此时发生的力矩为：

发生力矩＝IU·φU+IV·φV+IW·φW

＝(3/2)·I·M

可以得到与线圈和磁通的角度Θ无关的一定力矩。

另一方面，本发明，是将流过上述各相线圈的电流，做成为将具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流叠加到基本正弦波电流上。亦即，U，V，W各相的电流IU，IV，IW，为：

IU＝I·sinθ+Ia·sin3θ

IV＝I·sin(θ+2/3π)+I]·sin3θ

IW＝I·sin(θ+4/3π)+Ia·sin3θ

再者，对于基本正弦波电流的振幅I，具有3倍基本正弦波电流频率的电流的振幅Ia，做成比基本正弦波电流的振幅I还小的规定值。这时发生的力矩：

发生力矩＝IU·φU+IV·φV+IW·φW

＝{I·sinθ+Ia·sin3θ}×M·sinθ

+{I·sin(θ+2/3π)+Ia·sin3θ}×M·sin(θ+2/3π)

+{I·sin(θ+4/3π)+Ia·sin3θ}×M·sin(θ+4/3π)

＝(2/3)·M·I

+Ia·M·sin3θ×{sinθ+sin(θ+2/3π)+sin(θ+4/3π)}

此处，{sinθ+sin(θ+2/3π)+sin(θ+4/3π)}＝0，所以，

发生力矩＝(2/3)·M·I

可以产生与用只有基本正弦波的电流驱动的场合相同的力矩。

但是，如果观察流过基本正弦波电流时、和将3倍该基本正弦波频率的电流叠加到该基本正弦波上流过时的、在各相线圈中所流电流的波形，就是如图2所示的波形。再者，在图2中，3倍基本正弦波频率的电流的振幅Ia，则为：

Ia＝(1-√3/2)·I

在图2中符号S1是基本正弦波的电流的「I·sinΘ」的波形，符号S2是将3倍基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波的电流上的「I·sinΘ+Ia·sin3Θ」的电流的波形。另外，符号S3是3倍基本正弦波的电流的波形。

如由图2所表明的，将3倍基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上的电流{I·sinΘ+Ia·sin3Θ}的最大振幅，要比基本正弦波的电流I·sinΘ的最大振幅小。

这说明，在各相线圈中流过基本正弦波的电流时、和将3倍该基本正弦波频率的电流叠加到该基本正弦波电流上流过电流时，发生的力矩虽然是同样的，但是，叠加了3倍频率的电流时的这方，可以将各相线圈所流过电流的峰值做小。反过来讲，这就意味着：如果电流的振幅值(电流的峰值)是一样的话，流过将其3倍频率的电流叠加到基本正弦波的电流上的电流时的这方，能够发生大的力矩。

另外，图3，是将本发明适用于感应马达时的动作原理说明图。在图3中，用U，V，W表示定子线圈，用r，s，t表示转子线圈。感应马达，由定子线圈的电流产生的磁通，在转子中感应电流，发生力矩。此处，令定子的U相线圈和转子的r相线圈所形成的角度为Θ，U，V，W相定子线圈的电流IU，IV，IW为：

IU＝I·sinωt++Ia·sin3ωt

IV＝I·sin(ωt+2/3π)+Ia·sin3ωt

IW＝I·sin(ωt+4/3π)+Ia·sin3ωt

则转子线圈r从定子线圈U，V，W接受的磁通φr为：

φr＝M·IU·cosθ+M·IV·cos(θ+2/3π)+M·IW·cos(θ+4/3π)

＝M·{I·sinωt+Ia·sin3ωt}×cosθ

+M·{I·sin(ωt+2/3π)+Ia·sin3 ωt}·cos(θ+2/3π)

+M·{I·sin(ωt+4/3π)+Ia·sin3ωt}·cos(θ+4/3π)

＝M·I·{sinωt·cosθ+sin(ωt+2/3π)·cos(θ+2/3π)

+sin(ωt+4/3π)·cos(θ+4/3π)}

+M·Ia·sin3ωt{cosθ+cos(θ+2/3π)+cos(θ+4/3π)}

此处，{cosθ+cos(θ+2/3π)+cos(θ+4/3π)}＝0，所以，

φr＝＝M·I·{sinωt·cosθ+sin(ωt+2/3π)·cos(θ+2/3π)+sin(ωt+4/3π)·cos(θ+4/3π)}

再者，M是常数。

如上所述，转子的r相线圈接受的磁通，只是定子线圈中所流的基本正弦波的电流成分，不受3倍基本正弦波频率的电流分量的影响。同样，转子的s、t相线圈接受的磁通φs、φt也是由基本正弦波的电流成分产生的。因此，发生的力矩也和在定子的各线圈中只流过基本正弦波的电流时一样。于是，如图2所示，电流的振幅，比起仅是基本正弦波的电流的振幅来、将3倍基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上时的电流振幅这方还要小，所以，这就意味着，如果让相同峰值的电流流过定子线圈，将3倍基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上流过时的这方，可以产生大的力矩。

图4，是将3倍该基本正弦波频率的电流叠加到上述基本正弦波的电流上、流入马达的定子线圈、来驱动马达的本实施方式的主要部分方框图。

本发明的马达驱动方式，在将各相的定子线圈独立来进行控制这点上具有特点。

图7，是传统的PWM控制的马达控制的主要部分框图。在传统的马达驱动控制的场合，如图7所示，定子的U，V，W相的线圈是被互相连接着的(在图7所示的例子中，是连接着各相线圈的中点)，由从开关控制电路20所输出的PWM脉冲信号、开关逆变电路的开关元件Tu1、Tu2，Tv1、Tv2，Tw1、Tw2、以使电流流入各相线圈。

在图7所示的传统的驱动方式中，由于3相的各线圈电流的总和为0，所以即使是用中点来连接各相线圈也没有问题，但是，在本发明中，由于是将3倍基本正弦波的频率的电流叠加到基本正弦波电流上流过线圈来进行驱动的，所以，3相电流的和不为0。因此，如图4所示将定子的U，V，W相的线圈独立起来、线圈间不连接。于是，为了使电流流入该独立的各相线圈，备有1对串联连接2个开关元件的串联电路。现在对使电流流入U相线圈的电路进行说明。在直流电源间顺方向串联连接开关元件Tu1和开关元件Tu2，另外，将2二极管D反方向地分别并联到各开关元件Tu1、Tu2。与这个串联电路一样，在直流电源间顺方向串联连接开关元件Tu3和开关元件Tu4，将2二极管D反方向地分别并联到各开关元件Tu3、Tu4。

而后，将开关元件Tu1和开关元件Tu2的连接点和U相线圈的一边的端子连接，将开关元件Tu3和开关元件Tu4的连接点和U相线圈的另一边的端子连接。对另外的V相，W相也如法炮制，每相拥有1对串联连接2个开关元件的串联电路，该串联电路的2个开关元件的接点被分别连接到对应线圈的端子。

由来自开关控制电路10的信号、来开关这些开关元件Tu1～Tu4，Tv1～Tv4，Tw1～Tw4，控制使其在各相的线圈中流过将3倍该基本正弦波电流频率的电流叠加到基本正弦波电流上的电流。图5是开关控制电路10的详细框图。对于U，V，W各相，分别是用由2个比较器11和反相电路12以及2个反相电路13组成的同一形态的电路构成。

U相的指令值IUc(＝I·sinωt+Ia·sin3ωt))，在比较器11与三角波进行比较，作为来自该比较器11的比较结果的输出信号的开关控制信号，被输出到开关元件Tu1，与此同时，将由反相电路13将该开关控制信号反相过的反相开关控制信号，输出到开关元件Tu2。另外，将由反相电路12将指令值IUc反相过的反相指令值、在比较器11与三角波进行比较，作为其比较结果的输出信号的开关控制信号，被输出到开关元件Tu3，与此同时，将由反相电路13将该开关控制信号反相过的反相开关控制信号，输出到开关元件Tu4。

同样，送往V相的指令值IVc(＝I·sin(ωt+2/3π)+Ia·sin3ωt))与三角波的比较结果的开关控制信号，被输出到开关元件Tv1，与此同时，其反相开关控制信号，被输出到开关元件Tv2。另外，将指令值IVc反相过的反相指令值与三角波的比较结果的开关控制信号，输出到开关元件Tv3，与此同时，将该反相开关控制信号，输出到开关元件Tv4。

进而，送往W相的指令值IWc(＝I·sin(ωt+4/3π)+Ia·sin3ωt)和与三角波的比较结果的开关控制信号，被输出到开关元件Tw1，与此同时，其反相开关控制信号，被输出到开关元件Tw2。另外，将指令值IWc反相过的反相指令值与三角波的比较结果的开关控制信号，输出到开关元件Tw3，与此同时，将该反相开关控制信号，输出到开关元件Tw4。

图6，是由比较器11进行的指令值和三角波的比较和输出信号的说明图。在该图6中，以U相为例进行了说明。表示出了比较U相的指令值IUc(＝I·sinωt+Ia·sin3ωt))和三角波、以及将由反相电路12将指令值IUc反相过的指令值与三角波进行比较后、做成输出信号的例子。

将三角波与U相的指令值IUc进行比较、而当指令值比三角波大的时候，输出将开关元件置成“开”的开关控制信号(高电平的信号)，反之，当指令值比三角波小的时候，输出将开关元件置成“关”的开关控制信号(低电平的信号)，这个开关控制信号，被输出到开关元件Tu1。另外，用反相电路13将该信号反相过的反相开关控制信号，被输出到开关元件Tu2。

另外，将三角波与用反相电路12将U相的指令值IUc反相过的反相指令值进行比较，同样，当这个反相指令值比三角波大的时候，输出将开关元件置成“开”的开关控制信号(高电平的信号)，反之当指令值比三角波小的时候，输出将开关元件置成“关”的开关控制信号(低电平的信号)，这个开关控制信号被输出到开关元件Tu3。另外，用反相电路13将该开关控制信号反相过的反相开关控制信号，被输出到开关元件Tu4。对于V相、W相也是一样的。

下面来说明本实施方式的动作。在将3倍该基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上、做成各相的指令值之前，和传统的是同样的。而后，一旦将这个各相的指令值输入到开关控制电路10，开关控制电路10在比较器11将各指令值以及将该指令值反相过的反相指令值与三角波进行比较，如上所述的那样输出开关控制信号。

U，V，W相的指令值IUc，IVc，IWc和三角波的比较结果的开关控制信号，分别被输入到开关元件Tu1、Tv1、Tw1，开关控制信号为“开”信号(高电平的信号)时，开通这些开关元件。另外，将这个开关控制信号反相过的信号，输入到开关元件Tu2，Tv2，Tw2，这个反相开关控制信号为“开”信号(高电平的信号)时，开通这些开关元件。结果，开关元件Tu1和Tu2，Tv1和Tv2，Tw1和Tw2一同开通，而不会短路直流电源的两端。

另外，同样，U，V，W相的指令值IUc，IVc，Iwc的反相指令值和三角波的比较结果的开关控制信号，分别被输入到开关元件Tu3、Tv3、Tw3，其反相开关控制信号，被输入到Tu4，Tv4，Tw4。这种场合，开关元件Tu3和Tu4，Tv3和Tv4，Tw3和Tw4也一同开通，而不会短路直流电源的两端。

如图6所示举出将指令值IUc(＝I·sinωt+Ia·sin3ωt))输入到U相的例子来说明在线圈所流电流的流动。如上所述，由送往U相的指令值IUc的开关控制信号，如图6所示来开/关控制开关元件Tu1～Tu4，在开关元件Tu1和Tu4变成“开”的区间(t1～t2，t3～t4，t5～t6，t7～t8)内，让电流从直流电源的正端子经开关元件Tu1、U相线圈、开关元件Tu4流到直流电源的负端子。据此，按照指令值流过将3倍基本频率的电流叠加到基本频率的电流上的电流。其他的区间不流电流。再者，开关元件Tu3，Tu2都为“开”状态，经由这些开关元件在U相线圈流动电流时，是向反方向的旋转指令的时侯。

如上所述，当将3倍基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上流入定子线圈时，由于各相的电流总和不为「0」，所以，本发明，通过将各相的线圈独立、将3倍基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上流入各相的线圈，而使其可产生大的力矩。如，对于基本频率的电流的振幅I，在将3倍基本频率的电流的振幅Ia做成Ia＝0.16×I、叠加到基本正弦波电流上、来驱动本实施方式的场合，该电流的最大值为0.87×I、电流少了13％。但是，发生的力矩却与不叠加3倍频率的电流时是同样的。

本发明，通过将3倍基本正弦波频率的电流叠加到基本正弦波电流上流入各相的线圈，与传统只用基本正弦波的电流驱动的场合相比较，即使是用同样的峰值电流也能使其发生大的力矩。

Claims

1.一种马达控制装置，其是3相的各线圈独立构成的3相交流马达的控制装置，其特征在于，

上述的马达控制装置，是给各相的线圈提供将基本正弦波电流和具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流相加过的电流来进行驱动控制。

2.权利要求项1中记载的马达控制装置，其特征为：

上述交流马达，是同步马达。

3.权利要求项1中记载的马达控制装置，其特征为：

上述交流马达，是感应马达。

4.权利要求项1中记载的马达控制装置，其特征为：

给每相独立地，通过一套串联连接第1、第2开关元件组成的第1串联电路和串联连接第3、第4开关元件组成的第2串联电路，供给将上述基本正弦波电流和具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流相加过的电流。

5.权利要求项4中记载的马达控制装置，其特征为：

将把具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流相加到上述基本正弦波电流上的指令值、以及将该指令值反相过的反相指令值，与三角波进行比较，求取开关控制信号，根据由上述指令值求得的开关信号，对上述第1、第2开关元件进行开/关控制，根据由上述反相指令值求得的开关信号，对上述第3、第4开关元件进行开/关控制，将具有3倍该基本正弦波电流的频率的电流叠加到上述基本正弦波电流上使之流入各相的线圈。

6.权利要求项1中记载的马达控制装置，其特征为：

具有3倍上述基本正弦波电流的频率的电流的振幅，是比基本正弦波电流的振幅小的规定的振幅。