CN1750383A - 电动机控制设备 - Google Patents

Abstract

一种电动机控制设备能够简易且可靠地确定同步电动机的启动的完成，而且该确定不需要具有高处理能力的运算单元。在电动机(1)处于静止状态下，当接收到含有预定目标转速的操作命令时，根据启动电压设定装置(16)所设置的启动电压(V)和启动相位设定装置(13)所设定的启动相位(θ)产生PWM信号，从而启动电动机(1)。电动机启动后，启动转速设置装置(12)执行提高启动转速(ωs)的处理。当启动转速(ωs)达到预定值并小于目标转速时，可确认启动已完成，启动操作转换到正常操作。

Description

电动机控制设备

技术领域

本发明涉及一种电动机控制设备，该设备改进了用来驱动空调等机器的压缩机的同步电动机的启动处理。

技术背景

揭示于JP-A-200A-54295的是一种无传感器电动机控制设备，它含有用于检测检测流过同步电动机的线圈的电流的装置，用于检测提供给线圈的电流与电压之间的相位差的装置，用于根据所述相位差检测同步电动机的启动完成的装置。在此控制设备中，检测同步电动机启动后电流和电压的相位差，如果检测到的相位差的变化大于预定值，则重复该检测，同时改变提供给线圈的电力的电压和频率。当相位差的变化减小到预定范围内时，则确定启动完成。

然而，这种电动机控制设备的缺点在于，需要很多时间来确定启动完成，这是因为只要检测到的相位值大于预定值，就必须重复检测，此外还有一个缺陷是，由于不得不执行错综复杂的确定处理，所以要求需要具有高处理性能的运算单元。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够简便并可靠地确定同步电动机的启动完成的电动机控制设备，该设备不需要具有高处理性能的运算单元。

根据本发明，提供了一种电动机控制设备，它包括根据电压和电压相位引起PWM信号的PWM信号发生装置，所述电压和电压相位由电压设定装置和电压相位设定装置分别设定；变换器装置，用于依据PWM信号把直流电功率转换成预定的伪(pseudo)交流电功率，并把此交流电功率输出到诸如无刷直流电动机等同步电动机。该电动机控制设备还包括启动装置，在同步电动机处于静止状态时，所述启动装置用于在接收到操作命令(其中已指定预定目标转速)时以预定电压和电压相位启动电动机，并在电动机启动后逐步提高电动机速度；以及操作转换装置，用于在电动机速度达到小于目标转速的预定值时，把启动操作变为正常操作。

依据本发明，在电动机处于静止的状态下接收到指定预定目标转速的操作命令时，以预定的电压和电压相位使电动机启动。在启动后，电动机速度逐渐增大，当电动机速度达到小于目标转速的预定值时，确定启动完成，启动操作变为正常操作。这样，只要一次就足以确定启动完成且该确定既容易执行又可靠。由于确定启动完成不需要高处理性能的运算单元，所以可以减少控制设备的成本。

从以下描述和附图中可清楚地了解本发明的上述目的、其他目的、结构特征、功能和优点。

附图说明

通过下文的详细描述和附图可充分理解本发明，该附图只是为了说明，而不是对本发明的限制，在这里：

图1是依据本发明一个实施例的电动机控制设备的框图。

图2是参考电枢磁通的旋转坐标轴系统的电动机矢量图。

图3是图1所示电动机控制设备所实现的电动机启动方法的流程图。

本发明的较佳实施方式

参考图1，说明根据本发明一个实施例的电动机控制设备。

图1中，电动机1是包括电枢的直流无刷电动机，它包括三相绕组或线圈Uc、Vc、Wc和包括永磁体的转子。电动机1由变换器部分2提供给三相线圈Uc、Vc、Wc的伪交流电而旋转驱动。

变换器部分2包括由IGBT等构成的三对开关元件2a，2d；2b，2e；2c，2f，这些开关元件与包括电池或类似装置的直流电源3并联连接。通过PWM信号发生部分11所提供的PWM信号接通或断开变换器部分2的六个开关元件2a-2f，从而把直流电转换成伪交流电功率，并把此交流电功率输出到电动机1的三相线圈Uc、Vc、Wc。

电流传感器4a、4b检测流过电动机的三相线圈Uc、Vc、Wc的两个电流。本实施例中，检测流过U-和W-相线圈Uc、Wc的U-和W-相电流Iu、Iw。就电流传感器4a、4b而言，众所周知，它可以由每个包括线圈、霍尔元件和其他类似装置的电流传感器构成。

电流/电流相位检测装置5根据电流传感器4a、4b检测到的U-和W-相的电流Iu、Iw进行计算以检测电流(电流峰值)I和电流相位δ。下文将说明计算电流I和电流相位δ的方法。

如果如上所述以I和δ来分别表示电流值和电流相位，那么U-、V-、和W-相的电流Iu、Iv和Iw可如下所示：Iu＝I×cos(δ)，Iv＝I×cos{δ-(2/3)π}，Iw＝I×cos{δ+(2/3)π}。因此，如果知道了流过三相线圈Uc、Vc、Wc中的两个电流，就可以确定电流I和电流相位δ。

当检测了U-和W-相的电流Iu、Iw时，可以根据Iv＝-Iu-Iw的关系和下列公式(上述公式导出的)来确定电流I和电流相位δ：

I＝√{(2/3)×(Iu²+Iv²+Iw²)，

Cos(δ)＝Iu/I，和

Sin(δ)＝(Iv-Iw)/(√3×I)。

同时，由这种方法确定的电流相位δ会受谐波分量的影响，引起波形紊乱。因此期望通过使用已知的LPF(低通滤波器)或类似装置的滤波来进行波形整形，以除去谐波分量。当然，这种滤波可以通过利用FIR滤波器、IIR滤波器或类似装置的数字计算来进行。

角速度检测装置6根据电流/电流相位检测部分5所确定的电流相位δ计算感应电压ωψ的角速度ω(参照图2)。更具体地说，角速度ω(弧度/秒)由以下公式计算得出：

ω＝{δ(t)-δ(t-1)}/Δt

这里Δt(秒)表示得到电流相位δ的周期；δ(t-1)是在时间t-1时所得到的电流相位，以及δ(t)是在时间t时所得到的电流相位。

其间，如果Δt很短，那么用这种方法得到的角速度ω在每个周期上的变化很大，因此，在确定角速度ω时，期望通过采用LPF(低通滤波器)或类似装置的公知滤波来进行处理，以减少变化。当然，这种滤波可以通过利用FIR滤波器、IIR滤波器或类似装置的数字计算来实现。

相位差设定部分7根据电流/电流相位检测部分5检测到的电流I、角速度检测装置6检测到的角速度ω和目标电流相位超前角β来计算电压和电流间的相位差α。下面，通过图2说明电压和电流的相位差α的计算方法。

图2是参照电枢磁通的旋转坐标轴系统(虚数d和q轴)里的电动机矢量图。图2中，Ia代表在以转子的极点(pole)N作为参考位置时确定的电流峰值。可以用以下公式确定电流Ia的d-和q-轴分量Id、Iq：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Id}\\ \mathrm{Iq}\end{array}\right)=\√(2/3)\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\φ}& \cos \{\mathrm{\φ}-(2\mathrm{\π}/3)\}& \cos \{\mathrm{\φ}+(2\mathrm{\π}/3)\}\\ -\sin \mathrm{\φ}& -\sin \{\mathrm{\φ}-(2\mathrm{\π}/3)\}& -\sin \{\mathrm{\φ}+(2\mathrm{\π}/3)\}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right)$

这里的φ代表电枢芯的坐标位置与坐标上的U-相线圈的位置间的角度或角度差。

电流Ia可以表达为Ia＝√(Id²+Iq²)＝I，该电流和前文所提到的电流I相等，与坐标上的较φ无关。

这里，因为采用电枢磁通作为参考，所以角度φ是不知道的。另一方面，满足了Ia＝I的关系，目标电流相位超前角以β表示，从而可以从由下面的公式，根据电流I和电流相位超前角β确定d-轴分量Id和q轴分量Iq。

Id＝-I×sin(β)，Iq＝I×cos(β)

如果d轴感应系数是Ld，q轴感应系数是Lq，电动机1的线圈电阻是Ra，旋转磁体的磁磁通是Ψa，感应电压是ωΨ，这些都是电动机常数，则根据以下公式，根据矢量计算确定总的电枢链接磁通Ψ和电压Va(相应于后面所述的电压V)：

Ψ＝Ψa+(Ld×Id)+(Lq×Iq)

Va＝ωΨ+(Ra×Ia)

这样，相对虚数q轴的电压相位超前角γ可以由计算得出，因此想要得到的电压与电流间的相位差α就可以从公式α＝γ-β得出。更好的办法是执行PI控制、P控制或类似控制，用以消除在相位差α上的突变，因为该突变会影响下文所述的电压相位θ并引起失调(step-out)。

其间，代替刚才所述的计算，相位差α同样可以由电流I和角速度(电动机转速)ω决定。如果采用这种方法来检测相位差，考虑到电流和角速度结合的各种各样的情况，预先制定了上述的算式或者实验替代这种算式，其计算和实验的结果以相位差数据表的格式被预先存储在存储器里。在确定相位差时，想要得到的相位差α，根据其对应的电流I和角速度ω作为参量，从相位差数据表中选出。

电压相位设定装置8通过根据电流/电流相位检测装置5检测到的电流相位δ和由相位差设定装置7设定的相位差α进行计算来设定电压相位θ。此外电压相位θ被用作为当PWM信号发生装置11发生用于正常操作的PWM信号时的电压相位。电压相位设定装置8还具有通过PI控制、P控制或类似控制发生下文所述的相位差αs的功能，所述αs作为逐步逼近相位差α的当前相位差。当转换到正常操作时，相位差αs通过第一个开关18由启动相位设定装置13输入。

当通过加法器9提供包含在操作命令中的转速信号(感应电压的角速度ω)时，电压设定装置10根据此转速信号进行PI控制、P控制或类似控制，从而设定电压(电压峰值)V，所述电压V依据目标转速进行变化。同时，安排在电压设定装置10上游的加法器9将角速度检测装置6所检测的角速度ω反馈到包含在操作命令中的转速信号，从而使转速信号正确，然后该信号被输入到电压设定装置10。

在正常操作中，PWM信号发生装置11通过第三和第二开关20、19接收的电压V和电压相位θ，它们分别由电压设定装置10和电压相位设定装置8所设定，根据电压V和电压相位θ，发生了PWM信号，并且该信号被输入到变换器装置2的开关元件2a-2f中。在启动操作中，PWM信号发生装置11通过第三和第二开关20、19接收启动电压Vs和启动相位(启动操作的电压相位)θs，它们分别由启动电压设定装置15和启动相位设定装置13所设定，根据此启动电压Vs和启动相位θs，发生了PWM信号，并且该信号被输入到变换器装置2的开关元件2a-2f中。

当电动机1处于静止状态时，启动转速设定装置12设定启动转速(指在启动时或启动后的电动机转速)ωs为零。当提供包含预定目标转速的操作命令时，启动转速设定装置12按照公式ωs＝at来设定随时间推移以恒定角加速度a被加速的启动转速ωs。角加速度a保持恒定的原因是，当加速度被作用在恒定的角加速度α上时，由电动机1的旋转轴的惯性(惯性力矩)发生的加载力矩可以是恒定的。当启动转速ωs达到小于加速后的目标转速的预定值时，启动转速设定装置12输出一个开关转换信号CS，使启动操作转换到正常操作并送至第一、第二、第三开关18-20。

根据启动转速设定装置12提供的启动转速ωs，启动相位设定装置13根据公式θs＝θ(t-1)+(ωs×Δt)进行了计算，以设定启动相位(在启动操作时的电压相位)θs。在启动的时候，启动相位θs用于作为PWM信号发生装置11发生PWM信号时的电压相位。而且，启动相位设定装置13具有以下功能，即检测在启动转速ωs达到并小于目标转速的预定值时观察到的电流和电压间的相位差αs并把该相位差通过第一开关18输出到电压相位设定装置8作为当前相位差。

在电动机1静止时，启动电流设定装置14设定启动电流Is为零，并且在装置14接收到含有预定目标转速的操作命令时把相应于最大转矩的电流值设定为启动电流Is。由于启动电动机1所需要的转矩是未知的，所以引起流过变换器2的开关元件2a-2f的电流最大值被设定成启动电流Is。

在通过加法器15提供启动电流设定装置14所设定的电流Is时，根据启动电流Is，启动电压设定装置16执行PI控制、P控制或类似控制，从而设定启动电压Vs(启动时的电压峰值)。被安排在启动电压设定装置16上游的加法器15将由电流/电流相位检测装置5所检测的电流I反馈到启动电流Is，并使启动电流Is准确，该启动电流被输入到启动电压设定装置16。

例如，根据电流/电流相位检测装置5所检测的电流I、角速度检测装置所检测的角速度ω和电压设定装置10所设定的电压V，如果电压V相对于角速度ω(对应于转速)过高或过低时，失调检测装置17就会检测失调。失调检测信号作为传递操作命令被送至一个控制电路(说明略)。当发生失调时，控制电路就会发出一个命令停止电动机。

在启动和正常运作进行之间，第一、第二、第三开关18-20用于改变信号的路径。在启动操作时，即电动机启动前或启动时，采用实线来表示开关的连接点的位置，反之则用虚线表示。如上所述，当由启动切换到正常运作时，对应于由启动转速设定部分定部分12所提供的开关转换信号CS，第一至第三开关18-20由实线位置转变到了虚线位置。当由正常运作切换到停止模式时，对应于启动转速设定部分定部分12所提供的开关转换信号CS，这些开关由虚线位置转变到了实线位置。

下文中，通过图1所示的电动机控制设备实现电动机启动的方法将参照图3进行说明。

当包含预定的目标转速的操作命令在电动机1为静止的状态中输入时，启动电流Is通过上文所提及过的步骤在启动电流设定部分14里被设定。以启动电流Is为基础，启动电压设定部分16和启动转速设定部分12分别设定了启动电压Vs和启动转速ωs。然后，基于启动转速ωs(图3中的步骤S1和S2)，启动相位θs由启动相位设定部分13设定。

接着，通过第三和第二开关20、19分别输入启动电压Vs和启动相位θs到PWM信号发生装置11。以启动电压Vs和启动相位θs为基础，PWM信号发生装置11产生了用以启动的PWM信号，然后，该信号被提供到逆变器部分2的开关元件2a-2f中，从而完成电动机1的启动操作。

如上所述，电动机1启动后，通过启动转速设定部分12来完成对启动转速ωs的提速。而且，在电动机1启动时，设定流过逆变器部分2的开关元件2a-2f的电流最大值为启动电流Is。这样，即使电动机1用于驱动空调的压缩机，以致于启动时达到最大负荷；或者即使启动后负荷马上变化，电动机1的启动也可以毫无困难地被实现。

当启动转速ωs达到小于目标转速的预定值，引起启动操作转换到正常操作的开关转换信号CS被传送至第一到第三开关18-20，从而使这些开关18-20的接点由实线位置变化至虚线位置。由启动相位设定部分13检测转换时的电流和电压的相位差αs，通过第一开关18(图3中的步骤S3-S5)，并作为当前相位差被传送到电压相位设定部分8。

完成了至正常操作的转换，在电流/电流相位检测部分5所检测的电流相位δ的基础上，角速度ω由角速度检测部分6检测。然后，以角速度ω、电流I等为基础，由相位差设定部分7设置电压和电流间的相位差α。接着，电压相位θ基于相位差α和电流相位δ被设定，而电压V由电压设定部分10设定(如图3中的步骤S6、S7)。

然后，电压V通过第三开关20被送至PWM信号发生部分11，电压相位θ通过第二开关19也被送达那里。以电压V和电压相位θ为基础，用于正常运作的PWM信号由PWM信号发生部分11产生，并且被送达逆变器部分2的开关元件2a-2f中，从而完成电动机1的正常操作。

如上所述，当电动机1的启动操作转换到正常操作，此时电流和电压间的的相位差αs被作为当前相位差通过第一开关18传送到电压相位设定部分8。如果此时的相位差αs与相位差设定部分7所设置的相位差α之间有间隙，那么此间隙将引起失步。为消除这个影响，电压相位设定部分8不采用相位差设定部分7所设定的相位差α作为电压相位θ来计算，而是通过执行把当前的相位差αs逐步逼近由相位差设定部分7所设定的相位差α作为所要求的电压相位θ来计算。

完成了从启动操作到正常操作的转换后，以电流/电流相位检测部分5所检测的电流I为基础，通过失步检测部分7检测失步的存在/不存在，角速度检测部分6检测角速度ω，电压设定部分10设置电压峰值V。如果那里出现失步，例如，如果电压峰值V相对于角速度ω(对应于转速)太小或太大，失步检测信号被送达至控制电路(未图示)用以传递操作命令。这样，当失步发生时(图3的步骤S8、S9)，控制电路就会发出一个命令停止电动机1。

这种方式中，根据以上所述的电动机控制设备，在电动机1为静止的条件下，包含预定目标转速的操作命令被接收时，基于启动电压设定部分16所设定的启动电压Vs和启动相位设定部分13所设置的启动相位θs，产生PWM信号，从而启动了电动机1。启动以后，由启动转速设定部分12执行提高启动转速ωs的处理。当启动转速ωs达到小于目标转速的预定值时，可以确定启动已经完成，启动操作转换到了正常操作。因此，只需一次就可以确认启动的完成，所以此种确认是容易实施而且是可靠的。此外，由于对此启动完成的确认不需要高处理能力的运算单元，所以可以减少控制设备的成本。

即使电动机1用于驱动空调的压缩机从而在启动时承受了最大的负载，以及即使在启动以后负载立刻变化，电动机1也可以不出故障地完成启动，因为在电动机1启动时，可能引起的流过逆变器部分2的开关元件2a-2f的电流的最大值被设置为启动电流Is。

而且，当启动操作转换到正常操作时，那时的电流和电压间的相位差αs被作为当前相位差从启动相位设定部分13传送到电压相位设定部分8，并在执行使当前相位差αs逐步逼近相位差设定部分7所设置的相位差α处理的同时，计算得出设置所需要的电压相位θ。这样有可能可以防止由当前相位差αs和相位差设定部分7所设置的相位差α之间的间隙所引起的失步。

上述实施例中，电动机1采用了直流无刷电动机，然而，其他类型的同步电动机例如磁阻电动机也能够通过类似于实施例中所描述的控制方式被驱动，从而得到类似的功能和优点。

Claims (3)

1.一种电动机控制设备，包括，根据电压和电压相位引起PWM信号的PWM信号产生装置，所述电压和电压相位由电压设定装置和电压相位设定装置分别设定；变换器装置，用于依据PWM信号把直流电功率转换成预定的伪交流电功率，并把此交流电功率输出到同步电动机，其特征在于，该电动机控制设备还包括：

启动装置，在同步电动机处于静止状态时，所述启动装置用于在接收到操作命令时以预定电压和电压相位启动电动机，其中，预定目标转速是指定的，并在电动机启动后逐步提高电动机速度；以及

操作转换装置，用于在电动机速度达到小于目标转速的预定值时，把启动操作变为正常操作。

2.依据权利要求1的电动机控制设备，其特征在于，所述启动装置包括启动电压设定装置，它以流过所述变换器装置的所引起的最大电流值为基础来设定启动电压；和启动相位设定装置，它以电动机速度为基础来设置启动相位。

3.依据权利要求2的电动机控制设备，其特征在于还包括：

相位差设定装置，它以流过电动机的电流和电动机转速为基础来设置电流和电压间的相位差，

其中，所述的启动相位设定装置具有在启动操作转换到正常操作时检测电流和电压间相位差的功能，并将该相位差作为当前相位差传送到所述电压相位设定装置，以及

所述电压相位设定装置具有由所述启动相位设定装置所接收的当前相位差逐步逼近由所述相位差设定装置所设置的相位差的功能。

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