TWI495252B - A motor drive and a power machine using it - Google Patents

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TWI495252B
TWI495252B TW099100548A TW99100548A TWI495252B TW I495252 B TWI495252 B TW I495252B TW 099100548 A TW099100548 A TW 099100548A TW 99100548 A TW99100548 A TW 99100548A TW I495252 B TWI495252 B TW I495252B
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Yoshinori Takeoka
Hidehisa Tanaka
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Panasonic Corp
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Description

馬達驅動裝置及使用其之電力機器 發明領域
本發明係有關於用以驅動DC無刷馬達之馬達驅動裝置、及使用其之電力機器。
 發明背景
習知馬達驅動裝置如日本專利公開公報2003-219681號(專利文獻1)所揭示，按電流值或驅動速度，切換成速度反饋驅動或速度開環驅動之任一者，來驅動馬達。第12圖顯示專利文獻1所記載之習知馬達驅動裝置。
在第12圖中，直流電源201將直流電力輸入至反相器202。反相器202藉將6個切換(switching)元件3相橋接而構成。反相器202將輸入之直流電力轉換成預定頻率之交流電力，將之輸入至DC無刷馬達203。
位置檢測部204依據反相器202之輸出端子之電壓，取得以DC無刷馬達203之旋轉產生之感應電壓的資訊。以此資訊為基礎，位置檢測部204檢測DC無刷馬達203之轉子203a之相對位置。控制電路205將從位置檢測部204所輸出之信號作為輸入，產生反相器202之切換元件之控制信號。
位置運算部206依據位置檢測部204之信號，運算DC無刷馬達203之轉子203a之磁極位置的資訊。自動控制驅動部207及人工控制驅動部210皆輸出顯示切換流至DC無刷馬達203之3相繞組之電流的時間之信號。該等時間信號係用 以驅動DC無刷馬達203之信號。自動控制驅動部207輸出之該等時間信號係以反饋控制驅動DC無刷馬達203者，係依據從位置運算部206而得之轉子203a之磁極位置及速度指令部213而得的信號。另一方面，人工控制驅動部210輸出之該等時間信號係以開環控制驅動DC無刷馬達203者，係依據速度指令部213而得之信號。選擇部211係選擇從自動控制驅動部207所輸入之信號或從人工控制驅動部210所輸入之該等時間信號之任一者而輸出。亦即，選擇部211選擇將DC無刷馬達203以自動控制驅動部207驅動或以人工控制驅動部210驅動。驅動控制部212依據從選擇部211所輸出之信號，輸出反相器202之切換元件之控制信號。
上述習知馬達驅動裝置於以高速驅動DC無刷馬達203時或以高負荷驅動時，從反饋控制之自動控制驅動切換成開環控制之人工控制驅動。藉此，DC無刷馬達203之驅動範圍從低速之驅動擴大至高速之驅動或從低負荷之驅動擴大至高負荷之驅動。
然而，上述習知結構係高速或高負荷(以下記載為高速/高負荷)之驅動時，以開環控制驅動DC無刷馬達203。因此，雖於負荷小時，可獲得穩定之驅動性能，但負荷大時，則有驅動狀態不穩定之課題。
 發明概要
本發明係解決上述課題者，即使以高速/高負荷驅動DC無刷馬達時，亦可獲得穩定之驅動性能，藉此，可擴大驅 動範圍。藉此，提供抑制外在主要因素引起之不穩定狀態，且可靠度高之馬達驅動裝置。
本發明之馬達驅動裝置係用以驅動由轉子及具有3相繞組之定子構成之DC無刷馬達的馬達驅動裝置。再者，本發明包含有將電力供給至3相繞組之反相器及取得DC無刷馬達之端子電壓之端子電壓取得部。又，本發明包含有輸出傳導角為120度以上150度以下之波形之第1波形信號的第1波形產生部。進一步，本發明包含有負載一定，僅使頻率變化而設定之頻率設定部。又，本發明包含有輸出第2波形信號之第2波形產生部，該第2波形信號係與端子電壓取得部所取得之端子電壓具有預定關係之波形，且為以頻率設定部所設定之頻率，傳導角係120度以上不到180度之波形者。再者，本發明包含有切換判定部，該切換判定部係於判定轉子之速度低於預定速度時，切換成輸出第1波形信號，於判定轉子之速度高於預定速度時，切換成輸出第2波形信號者。又，本發明包含有依據從切換判定部所輸出之第1或第2波形信號，將用以指示反相器供給至3相繞組之電力之供給時間的驅動信號輸出至反相器之驅動部。
根據此結構，DC無刷馬達於速度低時，可進行依據傳導角為120度以上150度以下之波形之第1波形信號的驅動。另一方面，DC無刷馬達於速度高時，可進行依據與轉子之位置及所設定之頻率對應的傳導角為120度以上不到180度之波形之第2波形信號的驅動。
因而，本發明之馬達驅動裝置即使為高速/高負荷之驅 動，驅動仍穩定，可擴大驅動範圍。藉此，可提供抑制外部主要因素引起之不穩定狀態，且可靠度高之馬達驅動裝置。
圖式簡單說明
第1圖係本發明第1實施形態之馬達驅動裝置之塊圖。
第2圖係第1實施形態之馬達驅動裝置之時間圖。
第3圖係說明第1實施形態之馬達驅動裝置之最適合傳導角的圖。
第4圖係第1實施形態之馬達驅動裝置之另一時間圖。
第5圖係顯示第1實施形態DC無刷馬達之同步驅動時之轉矩與相位之關係的圖。
第6圖係說明第1實施形態DC無刷馬達之相電流與端子電壓之相位關係的圖。
第7A圖係說明第1實施形態DC無刷馬達之相位關係之圖。
第7B圖係說明第1實施形態DC無刷馬達之另一相位關係之圖。
第8圖係顯示第1實施形態馬達驅動裝置之第2波形產生部之動作的流程圖。
第9圖係顯示第1實施形態DC無刷馬達之轉速與負載之關係的圖。
第10圖係第1實施形態之馬達驅動裝置之轉速與負載之時間圖。
第11圖係第1實施形態之DC無刷馬達之主要部份截面 圖。
第12圖係習知馬達驅動裝置之塊圖。
 較佳實施例之詳細說明
以下，就本發明實施形態，一面參照圖式，一面說明。
(第1實施形態)
第1圖係本發明第1實施形態之馬達驅動裝置之塊圖。在第1圖中，交流電源1係一般之商用電源，在日本，為有效值100V之50Hz或60Hz之電源，馬達驅動裝置22連接於交流電源1，以驅動DC無刷馬達4。以下，就馬達驅動裝置22作說明。
整流平流電路2係以交流電源1作為輸入，將交流電力整流平流成直流電力者，由橋接之4個整流二極體2a~2d、平流電容器2e、2f構成。在本實施形態中，整流平流電路2以倍電壓整流電路構成，整流平流電路2亦可以全波整流電路構成。再者，在本實施形態中，交流電源1係單相交流電源，當交流電源1係3相交流電源時，整流平流電路2亦可以3相整流平流電路構成。
反相器3將整流平流電路2之直流電力轉換成交流電力。反相器3將6個切換元件3a~3f3相橋接而構成。又，6個回流電流用二極體3g~3l係在反方向連接於各切換元件3a~3f。
DC無刷馬達4由具有永久磁鐵之轉子4a及具有3相繞組之定子4b構成。DC無刷馬達4藉以反相器3所作成之3相 交流電流流至定子4b之3相繞組，而使轉子4a旋轉。
位置檢測部5在本實施形態中，取得DC無刷馬達4之端子電壓。亦即，檢測DC無刷馬達4之轉子4a之磁極相對位置。具體言之，位置檢測部5依據於定子4b之3相繞組產生之感應電壓，檢測轉子4a之相對旋轉位置。此外，另一位置檢測方法有對馬達電流(相電流或匯流排電流)之檢測結果進行向量運算，進行磁極位置之推定的方法。
又，位置檢測部5藉取得反相器3之端子電壓，檢測DC無刷馬達4之相電流之電流零交越。具體言之，位置檢測部5檢測流至反相器3之回流電流用二極體(例如二極體3h)之電流之有無，亦即電流之流動從正切換成負或從負切換成正之點、即零交越點。位置檢測部5檢測此零交越點作為DC無刷馬達4之相電流之零交越點。如此，位置檢測部5檢測DC無刷馬達4之磁極位置及相電流之零交越點。
第1波形產生部6生成用以驅動反相器3之切換元件3a~3f之第1波形信號。第1波形信號係傳導角為120度以上150度以下之矩形波之信號。為使具有3相繞組之DC無刷馬達4平順地驅動，傳導角需120度以上。另一方面，位置檢測部5為依據感應電壓，檢測位置，切換元件之啟動與關閉之間隔需要30度以上之間隔。因此，傳導角以從180度減30度之150度為上限。此外，第1波形信號有即使為矩形波以外，仍以矩形波為基準之波形。舉例言之，亦可為使波形之上升/衰減具傾斜之梯形波。
第1波形產生部6以以位置檢測部5檢測出之轉子4a之 位置資訊為基礎，生成第1波形信號。第1波形產生部6進而為將轉速保持一定，而進行脈衝寬度調變(PWM)負載控制。藉此，可以依據旋轉位置之最適合負載，以良好效率驅動DC無刷馬達4。
頻率設定部8使負載一定，僅使頻率變化而設定頻率。頻率限制部9當從頻率設定部8所輸入之頻率未超過上限頻率時，將輸入之頻率輸出至第2波形產生部10，反之，當超過上限頻率時，則將上限頻率輸出至第2波形產生部10。
第2波形產生部10以頻率限制部9之頻率及位置檢測部5之位置資訊為基礎，生成用以驅動反相器3之切換元件3a~3f之第2波形信號。第2波形信號係傳導角為120度以上不到180度之矩形波之信號。與第1波形產生部6同樣地，由於DC無刷馬達4具有3相繞組，故傳導角需120度以上。另一方面，由於第2波形產生部10不需切換元件之啟動與關閉之間隔，故上限不到180度。位置檢測部5考慮檢測零交越，而設定適宜關閉時間。舉例言之，可檢測零交越後，設置傳導角5度量之關閉時間。此外，第2波形信號為以矩形波為基準之波形即可。舉例言之，亦可為正弦波或變形波。又，在本實施形態，負載為最大或接近最大之狀態(90~100%之固定負載)。
速度檢測部7依據位置檢測部5所檢測出之位置資訊，檢測DC無刷馬達4之速度(即，旋轉速度)。舉例言之，藉測量以一定週期產生之位置檢測部5之信號，可簡單地檢測。
切換判定部11判定轉子4a之旋轉速度為低速或高速， 而將要輸入至驅動部12之波形信號切換成第1波形信號或第2波形信號。具體言之，於速度低時，選擇第1波形信號，於速度高時，則選擇第2波形信號來輸出。在此，旋轉速度低或高之判定可依據以速度檢測部7檢測出之實際速度進行。此外，速度低或高之判定亦可依據設定轉速或負載進行。舉例言之，由於負載最大(一般為100%)時，速度最高，故切換判定部11將波形信號切換成第2波形信號。
驅動部12依據從切換判定部11所輸出之波形信號，輸出用以指示反相器3供給至DC無刷馬達4之3相繞組之電力之供給時間的驅動信號。具體言之，驅動信號將反相器3之切換元件3a~3f啟動或關閉(以下記載為啟動/關閉)。藉此，對定子4b施加最適合之交流電力，轉子4a旋轉，而可驅動DC無刷馬達4。
上限頻率設定部13依據第1波形信號，設定對應於驅動DC無刷馬達4時之最大轉速(即，負載為100%之轉速)之上限頻率。亦即，以最大轉速為基礎，設定上限轉速，而設定對應於此上限轉速之上限頻率。在本實施形態中，上限頻率(即，DC無刷馬達4之上限轉速)對應於上述最大轉速之1.5倍而設定。舉例言之，當最大轉速為50r/s時，上限轉速設定為75r/s。上限頻率設定部13將對應於此上限轉速75r/s之頻率設定作為上限頻率。此外，此上限頻率利用於頻率限制部9之頻率限制。
此上限頻率之設定如下進行。以頻率設定部8及第2波形產生部10，驅動DC無刷馬達4時，DC無刷馬達4作為於反 相器3之換向附有轉子4a之同步馬達來驅動。因此，藉轉子4a相對於換向延遲，感應電壓之相位呈相對於相電流之相位延遲之狀態。即，當以感應電壓之相位為基準來考量時，在馬達之相電流之相位相對於感應電壓之相位超前之狀態(即，弱磁)下，驅動DC無刷馬達4。因此，相較於第1波形產生部6之負載100%之驅動，可以更高速旋轉。然而，當此超前角增大時(即，相對於換向，轉子4a大幅延遲時)，馬達脫離同步，轉子4a失去同步。因而，藉將上限頻率預先設定成低於導致此失去同步之轉速，馬達驅動裝置22之可靠度提高。
上限頻率變更部14首先檢測第2波形產生部10之驅動已經過一定時間(例如30分鐘)。接著，上限頻率變更部14對切換判定部11指示將DC無刷馬達4之驅動從第2波形產生部10之驅動強制地切換成第1波形產生部6之驅動。又，上限頻率變更部14再設定上限頻率設定部13之上限頻率。
此外，位置檢測部5藉取得反相器3之端子電壓，檢測轉子4a之位置。具體言之，檢測流至反相器3之回流電流用二極體(例如二極體3h)之電流之有無、亦即電流之流動從正切換成負或從負切換成正之點(即，零交越點)，作為轉子4a之位置。又，位置檢測部5之輸出相當於輸出反相器3之端子電壓相對閾值高或低的信號。因此，位置檢測部5之輸出可利用作為第1波形產生部6作為基準之DC無刷馬達4之感應電壓的零交越點。
接著，就使用本實施形態之馬達驅動裝置22之電力機 器作說明。電力機器之一例就冰箱21作說明。
於冰箱21搭載有壓縮機17，DC無刷馬達4之轉子4a之旋轉運動以曲軸(圖中未示)轉換成來回運動。連接於曲軸之活塞(圖中未示)藉在氣缸(圖中未示)內來回運動，將氣缸內之冷媒壓縮。亦即，以DC無刷馬達4、曲軸、活塞、氣缸構成壓縮機17。
壓縮機17之壓縮方式(機構方式)可使用旋轉式或渦卷式等任意方式。在本實施形態中，就往復式作說明。往復式壓縮機17之慣性大。因此，將壓縮機17之DC無刷馬達4同步驅動時，壓縮機17之驅動穩定。
用於壓縮機17之冷媒一般為R134a等，在本實施形態中，冷媒使用R600a。R600a之地球暖化係數較R134a小，而冷凍能力低。在本實施形態中，壓縮機17以往復式壓縮機構成，同時，為確保冷凍能力，令氣缸容積大。由於氣缸容積大之壓縮機17慣性大，即使電源電壓降低時，DC無刷馬達4亦可以慣性旋轉。藉此，旋轉速度之變動減少，而可進行更穩定之同步驅動。然而，由於氣缸容積大之壓縮機17負荷大，故習知馬達驅動裝置驅動困難。本實施形態之馬達驅動裝置22由於可特別擴大高負荷之驅動範圍，故最適合驅動使用R600a之壓縮機17。
業經以壓縮機17壓縮之冷媒構成依序通過冷凝器18、減壓器19、蒸發器20，再返回至壓縮機17之冷凍循環。此時，由於冷凝器18進行散熱，蒸發器20進行吸熱，故可進行冷卻或加熱。搭載此冷凍循環，可構成冰箱21。在此， 另一電力機器之例係於冷凝器18或蒸發器20具有送風機者為空氣調節機。
就如以上構成之馬達驅動裝置22，說明其動作。首先，就DC無刷馬達4之速度低時(低速時)之動作作說明。第2圖係本實施形態之馬達驅動裝置22之時間圖。第2圖特別是驅動低速時之反相器3之信號之時間圖。使反相器3驅動之信號係指為將反相器3之切換元件3a~3f啟動/關閉，而從驅動部12輸出之驅動信號。此時，此驅動信號依據第1波形信號而得。第1波形信號依據位置檢測部5之輸出，從第1波形產生部6輸出。
在第2圖中，信號U、V、W、X、Y、Z係分別用以將切換元件3a、3c、3e、3b、3d、3f啟動/關閉之驅動信號。波形Iu、Iv、Iw分別係定子4b之繞組之U相、V相、W相之電流之波形。在此，低速時之驅動依據位置檢測部5之信號，在每120度之區間依序進行換向。信號U、V、W進行PWM之負載控制。又，為U相、V相、W相之電流波形之波形Iu、Iv、Iw如第2圖所示，形成鋸形波之波形。此時，依據位置檢測部5之輸出，在最適合之時間進行換向。因此，DC無刷馬達4可以最良好效率驅動。
接著，就最適合之傳導角，使用第3圖來說明。第3圖係說明本實施形態之馬達驅動裝置22之最適合傳導角的圖。第3圖特別顯示低速時之傳導角與效率之關係。在第3圖中，線A顯示電路效率，線B顯示馬達效率，線C顯示總合效率(電路效率A與馬達效率B之積)。如第3圖所示，當使 傳導角大於120度時，馬達效率B提高。此是因藉傳導角增大，馬達之相電流之有效值降低(即，功率因素上升)，隨著馬達之銅損減少，馬達效率B上升之故。然而，當使傳導角大於120度時，切換次數增加，而有切換損失增加之情形。當為此種情形，電路效率A降低。從此電路效率A與馬達效率B之關係可知，總合效率C達最佳之傳導角存在。在本實施形態，130度係總合效率達最佳之傳導角。
接著，就DC無刷馬達4之速度高時(高速時)之動作作說明。第4圖係本實施形態之馬達驅動裝置22之時間圖。第4圖係特別使高速時之反相器3驅動之驅動信號的時間圖。此時，此驅動信號依據第2波形信號而得。第2波形信號依據頻率設定部8之輸出，從第2波形產生部10輸出。
第4圖之信號U、V、W、X、Y、Z及波形Iu、Iv、Iw與第2圖相同。各信號U、V、W、X、Y、Z依據頻率設定部8之輸出，輸出預定頻率，進行換向。此時之導電角度係120度以上，不到180度。第4圖顯示導電角度係150度之情形。藉提高導電角度，各相之電流之波形Iu、Iv、Iw假性地接近正弦波。
藉令負載一定，提高頻率，旋轉速度可較習知大幅提高。在此旋轉速度提高之狀態下，作為同步馬達來驅動，隨著驅動頻率之上升，電流亦增加。此時，藉將導電角度擴大至最大之不到180度，可抑制峰值電流。因而，DC無刷馬達4即使以高電流驅動，不管過電流保護，仍可運作。
在此，就以第2波形產生部10生成之第2波形信號作說 明。第5圖係顯示同步驅動DC無刷馬達4時之轉矩與相位之關係的圖。在第5圖，橫軸顯示馬達之轉矩，縱軸顯示以感應電壓之相位為基準之相位差，顯示相位為正時，相對於感應電壓之相位超前。又，顯示同步驅動之穩定狀態之第5圖之線D1顯示DC無刷馬達4之相電流之相位，線E1顯示DC無刷馬達4之端子電壓之相位。在此，從相電流之相位較端子電壓之相位超前可知，在同步驅動以高速驅動DC無刷馬達4。從第5圖所示之相電流之相位與端子電壓之相位的關係可明瞭，相對於負荷轉矩，相電流之相位之變化少。另一方面，由於端子電壓之相位直線變化，故按負荷轉矩，相電流與端子電壓之相位差大致以線形變化。
如此，在同步驅動，DC無刷馬達4之驅動在按驅動速度及負荷之適當相電流相位及端子電壓之相位的關係穩定。於第6圖顯示此時之端子電壓之相位及相電流之相位的關係。第6圖係特別將負荷之相電流相位與端子電壓相位之關係顯示於d-q平面上的向量圖。
在同步驅動中，端子電壓向量Vt於負荷增加時，大小大致保持一定，相位於超前方向變遷。使用第6圖來說明，端子電壓向量Vt於箭號F之方向旋轉。另一方面，電流向量I於負荷增加時，大致保持一定相位，隨著負荷之增加，大小變化(例如，隨著負荷增加，電流增加)。使用第6圖加以說明，電流向量I於箭號G之方向延伸。如此，電壓向量及電流向量在隨著驅動環境(輸入電壓、負荷轉矩、驅動速度等)適當之狀態下，訂定各向量之相位關係。
在此，以開環將DC無刷馬達4同步驅動時，就某負荷或速度之相位之時間變化，使用圖式來說明。第7A圖、第7B圖係用以說明DC無刷馬達4之相位關係的圖。第7A圖、第7B圖特別顯示DC無刷馬達4之相電流之相位與端子電壓之相位的關係。在第7A圖、第7B圖，橫軸顯示時間，縱軸顯示以感應電壓之相位為基準之相位(即，與感應電壓之相位差)。在兩圖中，線D2顯示相電流之相位，線E2顯示端子電壓之相位，線H2顯示相電流之相位與端子電壓之相位的相位差。第7A圖顯示低負荷之驅動狀態，第7B圖顯示高負荷之驅動狀態。又，從與感應電壓相位之差可知，由於第7A圖、第7B圖皆是相電流之相位較端子電壓之相位超前，故DC無刷馬達4可以同步驅動非常高速地驅動。
如第7A圖所示，在相對於驅動速度，負荷小時之同步驅動，轉子4a相對於換向，延遲與負荷平衡之角度量。即，從轉子4a來看，換向形成超前相位，而可保持預定關係。亦即，從感應電壓來看，端子電壓及相電流之相位形成超前相位，而可保持預定關係。由於此為與弱磁控制相同之狀態，而可進行高速之驅動。
另一方面，如第7B圖所示，相對於驅動速度，負荷大時，相對於換向，轉子4a延遲，而呈弱磁狀態，轉子4a加速成與換向週期同步。之後，因以轉子4a之加速，端子電壓之超前相位之減少，相電流減少，轉子4a減速。反覆進行此狀態，轉子4a反覆此加速與減速。藉此，最終，驅動狀態(驅動速度)不穩定。即，如第7B圖所示，相對於以一 定週期進行之換向，DC無刷馬達4之旋轉變動。因此，以感應電壓之相位為基準時，端子電壓之相位變動。在此種驅動狀態下，DC無刷馬達4之旋轉變動，大小起伏聲音隨之產生。又，由於電流跳動，故判斷為過電流，而產生停止DC無刷馬達4之可能性。
因而，以開環將DC無刷馬達4同步驅動時，在負荷小之狀態下，穩定地驅動DC無刷馬達4，而在負荷大之狀態下，產生如上述之弊端。亦即，以開環將DC無刷馬達4同步驅動時，無法進行高速/高負荷之驅動，而無法擴大驅動範圍。
是故，本實施形態之馬達驅動裝置22在將相電流之相位與端子電壓之相位保持在與第5圖所示之負荷平衡之相位關係的狀態下，驅動DC無刷馬達4。以下，就保持此種相電流之相位與端子電壓之相位的相位關係之方法，加以敘述。
馬達驅動裝置22檢測端子電壓之基準相位(即，驅動信號之換向基準位置)與相電流之相位之基準點，依據此，對開環之同步驅動之換向時間(一定週期之換向)進行修正，決定保持相電流之相位與端子電壓之相位的相位關係之換向時間。具體言之，第2波形產生部10決定保持上述相位關係之換向時間。端子電壓之基準相位對應於位置檢測部5檢測之轉子4a之位置。因而，依據此換向時間所生成之波形、即第2波形信號形成與位置檢測部所檢測出之轉子之位置具預定關係的波形。第2波形產生部10將所生成之第2波形 信號輸出至驅動部12。就此第2波形產生部10之動作，使用第8圖之流程圖來說明。
首先，在步驟101，等待某切換元件是否已啟動，亦即，等待該切換元件之啟動時間。在本實施形態，等待U相上側之切換元件、即反相器3之切換元件3a之啟動時間。於切換元件3a啟動時(步驟101之Yes)時，前進至步驟102。在步驟102，使時間測量用定時器開啟，前進至步驟S103。
在步驟103，以位置檢測部5，判定特定相之峰值是否已關閉。亦即，判定特定相之峰值電壓是否自端子電壓從切換元件之電壓降低部份，降低至0V附近。在本實施形態，特定相係U相，判定U相之端子電壓是否降低至0V附近。亦即，U相下側之切換元件、亦即反相器3之切換元件3b關閉後，流至回流電流用二極體3g之電流不再流動之時間係特定相關閉峰值之時間。此時間之判定係判定電流之流動方向從負切換成正之時間、即電流之零交越時間。於峰值電壓降低至0V附近、亦即特定相關閉峰值時(步驟103之Yes)，前進至步驟104。
在步驟104，使在步驟102開啟之定時器停止，儲存定時器計數值後，前進至步驟105。亦即，測量切換元件3a啟動後，至電流流至回流電流用二極體3g之期間產生之峰值電壓關閉為止的時間後，前進至步驟105。
在步驟105，計算在步驟104所測量之時間與至目前為止之平均時間之差分後，前進至步驟106。在步驟106，依據在步驟105所計算之差分，運算換向時間之修正量後，前 進至步驟107。
在此，換向時間之修正係指對依據以頻率設定部8設定之頻率、亦即指令速度之基本換向週期，修正換向時間。因而，附加大量修正量時，導致過電流或失去同步。因此，運算修正量時，不僅附加低通濾波器等，而且進行運算，抑制換向時間之急遽變動。藉此，即使於因雜訊等之影響，而錯誤檢測電流之零交越時，對修正量之影響小，驅動之穩定性更提高。再者，由於在修正量之運算，抑制了急遽之變化，故使DC無刷馬達4加速減速之換向時間之變化亦趨緩。因此，即使於指令速度大幅變更，頻率設定部8之頻率(換向週期)大幅改變時，換向時間之變化亦緩慢，加速減速平順。
此換向時間之修正具體言之，係使相電流之相位與端子電壓之相位的相位差平常接近平均時間。舉例言之，當因負荷增大，轉子4a之旋轉速度降低時，相電流之相位以端子電壓之相位為基準時，於延遲方向移動。因此，在步驟104所測量之時間較從端子電壓之基準相位至相電流之基準相位之平均時間長。此時，第2波形產生部10修正換向時間，俾使換向時間較依據旋轉速度(轉速)之換向週期之時間延遲。亦即，由於因相電流之相位延遲，測量時間增長，故第2波形產生部10使換向時間延遲，而使端子電壓之相位延遲，使與相電流之相位之相位差接近平均時間。
反之，因負荷縮小，轉子4a之旋轉速度提高時，相電流之相位以端子電壓之相位為基準時，於超前方向移動。 因此，測量時間較從端子電壓之基準相位至相電流之基準相位之平均時間短。此時，第2波形產生部10暫時修正換向時間，俾使換向時間較依據轉速之換向週期之時間快。亦即，由於因相電流之相位超前，測量時間縮短，故第2波形產生部10使換向時間早，使端子電壓之相位超前，而使相電流之相位之相位差接近平均時間。
再者，第2波形產生部10令換向時間之修正為特定相(例如僅為U相上側之切換元件)之任意時間(例如在轉子4a之1次旋轉為1次)，其他相之換向以依據作為目標之轉速之換向週期，時間性地進行。藉此，按負荷，相電流之相位與端子電壓之相位的相位關係可保持在最適合，而可保持DC無刷馬達4之驅動速度。
接著，在步驟107，加上在步驟104所測量之時間，更新平均時間後，前進至步驟108。在步驟108，藉對依據以頻率設定部8所設定之頻率(驅動速度)之切換元件的換向週期，附加修正量，而決定換向時間。
亦即，換向時間係藉對以頻率設定部8所設定之頻率附加修正量，以電流相位為基準而決定，俾使相電流之相位與端子電壓之相位平常呈平均相位差。因而，當負荷增大時，為相電流相位與換向時間之差之相位差縮減。相對於此，作為修正之基準之平均時間縮小，與負荷增大前比較，以相位差縮減之狀態為基準，驅動DC無刷馬達4。藉此，可以更大之超前角驅動DC無刷馬達4，藉弱磁效果之提高，輸出轉矩增大，而可確保必要之輸出轉矩。
反之，當負荷縮小時，為相電流之相位與換向時間之差的相位差擴大。相對於此，作為修正之基準之平均時間增大，與負荷縮小前比較，以相位差擴大之狀態為基準，驅動DC無刷馬達4。藉此，可以更小之超前角，驅動DC無刷馬達4，藉弱磁效果之減低，輸出轉矩減少，而無法輸出必要以上之轉矩。從以上，可確保必要之輸出，並且進行無多餘之輸出之驅動。
另一方面，在步驟103，當特定相之峰值未關閉時(步驟103之No)，前進至步驟109。在步驟109，判定某一切換元件是否已啟動、亦即是否已進行換向。在此，某一切換元件係指在可產生峰值之區間結束之時間，切換元件之啟動/關閉變化者，在本實施形態中，為U相上側之切換元件3a。在此，當切換元件3a未啟動時(步驟109之No)，再返回至步驟103。當切換元件3a啟動時(步驟109之Yes)，由於未產生峰值，故前進至步驟110。在步驟110，令換向時間之修正量為0，前進至步驟108。此時，由於修正量為0，故在步驟108，將依據轉速之換向週期之時間逕自決定作為下次之換向時間。
此外，未產生峰值之狀態係指相對於端子電壓之相位，相電流之相位充分超前之狀態。亦即，由於負荷小，而充分確保了必要之轉矩，故為在不進行修正下，穩定地驅動DC無刷馬達4之狀態。
另一方面，在步驟101，當某一切換元件(在本實施形態為切換元件3a)未啟動時(步驟101之No)，前進至步驟111。 在步驟111，令換向時間之修正量為0後，前進至步驟108。此時，由於修正量係0，故在步驟108，將依據轉速之換向週期之時間決定作為下次之換向時間。
此外，在本實施形態，由於僅在U相上側之切換元件3a之啟動時間，進行換向週期之修正，故就於電角度1週期中進行1次修正之情形作了說明。然而，考慮馬達驅動裝置22之用途或DC無刷馬達4之慣性等，設定修正之時間即可。舉例言之，亦可於轉子4a之1次旋轉進行1次修正、於電角度1週期中進行2次修正，或在各切換元件啟動之每次時間進行修正。
接著，就切換判定部11之切換動作作說明。第9圖係顯示本實施形態之DC無刷馬達4之轉速與負載之關係的圖。
在第9圖中，當DC無刷馬達4之轉速、亦即轉子4a之轉速為50r/s以下時，依據第1波形產生部6之第1波形信號，驅動DC無刷馬達4。負載可以反饋控制，按轉速，調整成效率最佳之值。
在轉速為50r/s，負載係100%，依據第1波形產生部6之驅動，無法再進一步旋轉。即，到達界限。在此狀態，上限頻率設定部13以此50r/s為基礎，將其1.5倍之75r/s設定為上限頻率(上限轉速)。當頻率設定部8之設定超過75r/s時，頻率限制部9依此上限頻率75r/s，不輸出超過上限之頻率。此外，從轉速50r/s至75r/s之間，負載一定，僅提高頻率(即，換向週期)，驅動DC無刷馬達4。
接著，就上限頻率變更部14之動作作說明。本實施形 態之馬達驅動裝置22適合驅動搭載於冰箱21或空氣調節機等之壓縮機17之DC無刷馬達4的情形。此係因馬達驅動裝置22可在大驅動範圍驅動轉矩小，而高效率之DC無刷馬達4之故。舉例言之，當冰箱21之內部溫度穩定，DC無刷馬達4之旋轉為低速即可時，可進行高效率之驅動。另一方面，於冰箱內部溫度增高，需高速之驅動時亦可因應。此在空氣調節機時亦相同。
在此，冰箱21或空氣調節機等之壓縮機17雖然負荷急遽地變化之情形少，但有經過長時間，負荷變化之情形。此時，產生變更上限頻率之必要。就此時之動作說明如下。
第10圖係本實施形態之馬達驅動裝置22之轉速與負載之時間圖。在第10圖，於時刻t0，DC無刷馬達4發動。在此，DC無刷馬達4之目標轉速為80r/s。DC無刷馬達4依據位置檢測部5與第1波形產生部6之反饋控制，提高負載來驅動，轉速亦隨之提高。
在時刻t1，負載達最大之100%，在依據位置檢測部5與第1波形產生部6之反饋控制之驅動，轉速無法再提高。此時之DC無刷馬達4之轉速為50r/s。上限頻率設定部13以此轉速、亦即50r/s為基礎，設定對應於其1.5倍之75r/s的上限頻率。
在時刻t1，切換判定剖11將DC無刷馬達4之驅動從位置檢測部5與第1波形產生部6之驅動切換成頻率設定部8與第2波形產生部10之驅動。之後，負載一定(100%)，將頻率設定部8之頻率提高，藉此，提高DC無刷馬達4之轉速。如 此進行，時刻t1至時刻t2之間，轉速提高。在時刻t2，目標轉速如最初為80r/s，而以上限頻率設定部13所設定之上限頻率為對應於轉速75r/s之頻率。因而，以頻率限制部9將轉速限制在75r/s。
接著，在從時刻t2經過一定時間(例如30分)之時刻t3，當為冰箱21等時，有負荷改變之可能性。因此，如以下敘述般進行，進行最大轉速之確認及上限頻率之再設定。
首先，上限頻率變更部14檢測從時刻t2經過一定時間(本實施形態為30分)。接著，上限頻率變更部14對切換判定部11指示，將DC無刷馬達4之驅動從第2波形產生部10之驅動切換成第1波形產生部6之驅動。此時，由於DC無刷馬達4以第1波形產生部6驅動，故轉速降低。速度檢測部7檢測此時間點之轉速，此為可以第1波形產生部6驅動之最大轉速。
當時刻t3之負荷較時刻t2之負荷小時，在以上限頻率變更部14切換成第1波形產生部6之驅動之時間點之DC無刷馬達4的轉速(最大轉速)較時刻t1之轉速上升。在本實施形態中，此最大轉速確認為55r/s，此較時刻t1之轉速50r/s上升。依據此最大轉速，上限頻率設定部13再設定上限頻率。亦即，設定對應於為55r/s之1.5倍之82.5r/s的上限頻率。
之後，與從時刻t1至時刻t2之驅動同樣地，切換判定部11切換成頻率設定部8及第2波形產生部10之驅動，再藉提高頻率設定部8之轉速，提高轉速。此次由於對應於上限頻率之轉速為82.5r/s，故DC無刷馬達4可以最初之目標轉速 80r/s繼續驅動。如此進行，對負荷之變動，每隔一定時間，再度檢測負荷，藉此，可再設定上限頻率，進行按負荷之最適合驅動。
接著，就本實施形態之DC無刷馬達4之構造作說明。第11圖係對本實施形態之DC無刷馬達4之轉子之轉軸顯示垂直截面的截面圖。
轉子4a由鐵心4g及4片磁鐵4c~4f構成。鐵心4g係重疊鑿穿0.35~0.5mm左右之薄矽鋼板者而構成。磁鐵4c~4f慣用圓弧形鐵氧體系永久磁鐵，如圖所示，圓弧形凹部以朝向外側之狀態配置成中心對稱。另一方面，磁鐵4c~4f使用釹等稀土類之永久磁鐵時，亦有呈平板形之情形。
在此種構造之轉子4a中，令從轉子4a之中心朝向1個磁鐵(例如4f)中央之軸為d軸，令從轉子4a之中心朝向1個磁鐵(例如4f)及與其相鄰之磁鐵(例如4c)間之軸為q軸。d軸方向之電感Ld與q軸方向之電感Lq具有逆凸極性，而為不同之電感。亦即，此作為馬達，除了磁鐵之磁束的轉矩(磁轉矩)以外，可有效地使用利用了逆凸極性之轉矩(磁阻轉矩)。因而，馬達可更有效地利用轉矩。結果，本實施形態可獲得高效率之馬達。
又，在本實施形態之控制，當進行頻率設定部8及第2波形產生部10之驅動時，相電流形成超前相位。因此，由於大幅利用此磁阻轉矩，故可以較無逆凸極性之馬達高之旋轉驅動。
又，本實施形態之DC無刷馬達4具有於鐵心4g埋入永 久磁鐵4c~4f而構成之轉子4a，並具凸極性。又，除了永久磁鐵之磁轉矩外，亦使用凸極性之磁阻轉矩。藉此，低速時之效率當然提高，高速驅動性能亦進而提高。又，於永久磁鐵採用釹等稀土類磁鐵，使磁轉矩之比例增多，或增大電感Ld、Lq之差，使磁阻轉矩之比例增多時，藉改變最適合之傳導角，可提高效率。
接著，就將本實施形態之馬達驅動裝置22用於冰箱21或空氣調節機，驅動壓縮機17之情形作說明。若為習知馬達驅動裝置，為因應高速/高負荷之驅動，需利用藉減少繞組之匝數，而確保了必要轉矩之DC無刷馬達。此種DC無刷馬達之馬達噪音等大。若使用本實施形態之馬達驅動裝置22，即使利用增加繞組之匝量，轉矩下降之DC無刷馬達4，亦可以高速/高負荷驅動。藉此，轉速低時之負載可大於使用習知馬達驅動裝置之情形。因此，可減低馬達之噪音、特別是載波音(相當於PWM控制之頻率。例如3kHz)。
又，由於藉令壓縮機17為往復式壓縮機，慣性更大，高速之轉矩跳動小，故可穩定地運作至高速。又，將壓縮機17搭載於冰箱21時，冰箱21之負荷變動並不急遽，故相電流之相位與端子電壓之相位之相位差的變化小，可進行更穩定之驅動。
又，由於以頻率限制部9，在驅動界限以上便無法驅動，故確保了高速驅動之可靠度。藉此，DC無刷馬達4不致因失去同步等而停止。特別是由於冰箱21保管食品，故平常需預先將冰箱內部冷卻，而可防止因壓縮機17之無預 警之停止，冰箱內部不再冰冷。
又，由於可以上限頻率變更部14再設定上限頻率，故因時間之經過，負荷變化時，亦可再設定成適當之最高轉速。在冰箱21或空氣調節機等之冷卻系統之壓縮機17的驅動，負荷之變化非常緩慢。因此，也不需頻繁地修正最大轉速，以一定之時間經過修正最大轉速為有效。
此外，使用本實施形態之馬達驅動裝置22，驅動空氣調節機之壓縮機17時，可進一步因應從冷氣時之最低負荷至暖氣時之最大負荷之廣大的驅動範圍，並且特別可減低額定以下之低負荷之耗費電力。
如以上所說明，本發明係用以驅動由轉子及具有3相繞組之定子構成之DC無刷馬達的馬達驅動裝置。再者，本發明包含有將電力供給至3相繞組之反相器及取得DC無刷馬達之端子電壓之端子電壓取得部。又，本發明包含有輸出傳導角為120度以上150度以下之波形之第1波形信號的第1波形產生部。進一步，本發明包含有負載一定，僅使頻率變化而設定之頻率設定部。又，本發明包含有輸出第2波形信號之第2波形產生部，該第2波形信號係與端子電壓取得部所取得之端子電壓具有預定關係之波形，且為以頻率設定部所設定之頻率，傳導角係120度以上不到180度之波形者。再者，本發明包含有切換判定部，該切換判定部係於判定轉子之速度低於預定速度時，切換成輸出第1波形信號，於判定轉子之速度高於預定速度時，切換成輸出第2波形信號者。又，本發明包含有依據從切換判定部所輸出之 第1或第2波形信號，將用以指示反相器供給至3相繞組之電力之供給時間的驅動信號輸出至反相器之驅動部。
藉此，可確保以預定速度驅動DC無刷馬達所需之轉矩，而可更提高同步驅動之高速之驅動的穩定性。
又，本發明第1波形產生部包含有檢測轉子之位置之位置檢測部；依據從位置檢測部所輸出之轉子之位置，輸出第1波形信號。藉此，由於進行維持以位置檢測部檢測DC無刷馬達之轉子之相對位置之狀態的速度反饋控制，故可以高效率驅動馬達。
又，本發明之位置檢測部藉檢測端子電壓取得部所取得之端子電壓之零交越點，進行轉子之位置之檢測。藉此，可為將轉子之位置檢測稱為端子電壓之零交越點檢測之低價結構。
又，本發明更包含有頻率限制部，該頻率限制部係輸入頻率設定部所設定之頻率，當頻率在上限頻率以下時，將輸入之頻率輸出至第2波形產生部，當頻率超過上限頻率時，則將上限頻率輸出至第2波形產生部者。藉此，由於防止驅動界限以上之驅動，故可確保高速驅動之可靠度。又，藉此，可防止因失去同步等之停止，冰箱等之冷卻無預警停止而不再冰冷。
又，本發明更包含有上限頻率設定部，該上限頻率設定部係依據第1波形信號之最大頻率，設定上限頻率，並將之輸出至頻率限制部者。藉此，因時間經過，負荷變化時，可進行按驅動狀況之適當最大驅動頻率之設定，而可將按 負荷之高速驅動能力利用至最大限度。
又，本發明更包含有上限頻率變更部，該上限頻率變更部係在由第2波形信號所進行之驅動經過預定時間之後，從第2波形信號之驅動暫時切換成第1波形信號之驅動，藉此再度設定上限頻率者。藉此，即使因時間經過，負荷變化，亦可再設定成適當之最大轉速。
又，本發明之DC無刷馬達之轉子係於鐵心埋入永久磁鐵而構成，進而，具有凸極性。藉此，除了可使用永久磁鐵之磁轉矩外，亦可使用凸極性之磁阻轉矩，而可提高低速時之效率及進而提高高速驅動性能。
又，本發明之DC無刷馬達可驅動壓縮機。藉此，利用增加繞組之匝量，轉矩下降之DC無刷馬達，而可減低馬達之噪音，特別是載波聲音。
又，本發明之壓縮機係往復式壓縮機。藉此，由於慣性更大，高速之轉矩跳動小，故可穩定地運作至高速。
又，本發明在壓縮機使用之冷媒係R600a。藉此，為獲得冷凍能力，使氣缸容積大，慣性增大，進而，可進行不易因速度或負荷而變動之穩定驅動。
又，本發明係使用上述結構之馬達驅動裝置之電力機器。藉此，電力機器用於冰箱時，由於負荷變動不急遽，故可進行更穩定之驅動。又，電力機器用於空氣調節機時，可因應從冷氣時之最低負荷至暖氣時之最大負荷廣大範圍之驅動範圍，並且特別可減低額定以下之低負荷之耗費電力。
1‧‧‧交流電源
2‧‧‧整流平流電路
2a-2d‧‧‧整流二極體
2e,2f‧‧‧平流電容器
3,202‧‧‧反相器
3a-3f‧‧‧切換元件
3g-3l‧‧‧回流電流用二極體
4,203‧‧‧DC無刷馬達
4a,203a‧‧‧轉子
4b‧‧‧定子
4c-4f‧‧‧磁鐵
4g‧‧‧鐵心
5,204‧‧‧位置檢測部
6‧‧‧第1波形產生部
7‧‧‧速度檢測部
8‧‧‧頻率設定部
9‧‧‧頻率限制部
10‧‧‧第2波形產生部
11‧‧‧切換判定部
12‧‧‧驅動部
13‧‧‧上限頻率設定部
14‧‧‧上限頻率變更部
17‧‧‧壓縮機
18‧‧‧冷凝器
19‧‧‧減壓器
20‧‧‧蒸發器
21‧‧‧冰箱
22‧‧‧馬達驅動裝置
201‧‧‧直流電源
202‧‧‧反相器
205‧‧‧控制電路
206‧‧‧位置運算部
207‧‧‧自動控制驅動部
210‧‧‧人工控制驅動部
211‧‧‧選擇部
212‧‧‧驅動控制部
213‧‧‧速度指令部
U,V,W,X,Y,Z‧‧‧信號
Iu,Iv,Iw‧‧‧波形
D1,D2,E1,E2,H2‧‧‧線
Vt‧‧‧端子電壓向量
F,G‧‧‧箭號
I‧‧‧電流向量
P,Q‧‧‧峰值波形
t0-t3‧‧‧時刻
Ld,Lq‧‧‧電感
第1圖係本發明第1實施形態之馬達驅動裝置之塊圖。
第2圖係第1實施形態之馬達驅動裝置之時間圖。
第3圖係說明第1實施形態之馬達驅動裝置之最適合傳導角的圖。
第4圖係第1實施形態之馬達驅動裝置之另一時間圖。
第5圖係顯示第1實施形態DC無刷馬達之同步驅動時之轉矩與相位之關係的圖。
第6圖係說明第1實施形態DC無刷馬達之相電流與端子電壓之相位關係的圖。
第7A圖係說明第1實施形態DC無刷馬達之相位關係之圖。
第7B圖係說明第1實施形態DC無刷馬達之另一相位關係之圖。
第8圖係顯示第1實施形態馬達驅動裝置之第2波形產生部之動作的流程圖。
第9圖係顯示第1實施形態DC無刷馬達之轉速與負載之關係的圖。
第10圖係第1實施形態之馬達驅動裝置之轉速與負載之時間圖。
第11圖係第1實施形態之DC無刷馬達之主要部份截面圖。
第12圖係習知馬達驅動裝置之塊圖。
1‧‧‧交流電源
2‧‧‧整流平流電路
2a-2d‧‧‧整流二極體
2e,2f‧‧‧平流電容器
3‧‧‧反相器
3a-3f‧‧‧切換元件
3g-3l‧‧‧回流電流用二極體
4‧‧‧DC無刷馬達
4a‧‧‧轉子
4b‧‧‧定子
5‧‧‧位置檢測部
6‧‧‧第1波形產生部
7‧‧‧速度檢測部
8‧‧‧頻率設定部
9‧‧‧頻率限制部
10‧‧‧第2波形產生部
11‧‧‧切換判定部
12‧‧‧驅動部
13‧‧‧上限頻率設定部
14‧‧‧上限頻率變更部
17‧‧‧壓縮機
18‧‧‧冷凝器
19‧‧‧減壓器
20‧‧‧蒸發器
21‧‧‧冰箱
22‧‧‧馬達驅動裝置

Claims (11)

  1. 一種馬達驅動裝置，係用以驅動由轉子及具有3相繞組之定子構成之DC無刷馬達者，其包含有：反相器，由3相橋接的切換元件與分別連接於前述切換元件的回流電流用二極體構成，且將電力供給至前述3相繞組；端子電壓取得部，取得前述DC無刷馬達之端子電壓；第1波形產生部，輸出傳導角為120度以上150度以下之波形之第1波形信號；頻率設定部，以負載一定，僅使頻率變化進行設定；第2波形產生部，輸出第2波形信號，該第2波形信號係與前述端子電壓取得部所取得之前述端子電壓具有預定相位關係之波形，且為以前述頻率設定部所設定之頻率，傳導角係120度以上不到180度之波形；切換判定部，於判定前述轉子之速度低於預定速度時，切換成輸出前述第1波形信號，於判定前述轉子之速度高於前述預定速度時，切換成輸出前述第2波形信號；及驅動部，依據從前述切換判定部所輸出之第1或第2波形信號，將用以指示前述反相器供給至前述3相繞組之電力之供給時間的驅動信號輸出至前述反相器；又，依據前述端子電壓取得部所取得的電壓之峰值期間、與峰值期間的平均值二者之差，修正由前述頻率 設定部所設定的前述頻率，前述電壓的峰值期間是在構成前述反向器的切換元件中之特定切換元件關閉後，電流流至前述回流電流用二極體中與前述特定切換元件相連接之回流電流用二極體之電壓的峰值期間。
  2. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其更包含有：位置檢測部，檢測前述轉子之位置；前述第1波形產生部依據從前述位置檢測部所輸出之前述轉子之位置，輸出前述第1波形信號。
  3. 如申請專利範圍第2項之馬達驅動裝置，其中前述位置檢測部藉檢測前述端子電壓取得部所取得之前述端子電壓之零交越點，進行前述轉子之位置之檢測。
  4. 如申請專利圍第1項之馬達驅動裝置，其更包含有：頻率限制部，輸入前述頻率設定部所設定之頻率，當前述頻率在上限頻率以下時，將前述輸入之頻率輸出至前述第2波形產生部，當前述頻率超過前述上限頻率時，則將前述上限頻率輸出至前述第2波形產生部。
  5. 如申請專利範圍第4項之馬達驅動裝置，其更包含有：上限頻率設定部，依據前述第1波形信號之最大頻率，設定前述上限頻率，並將之輸出至前述頻率限制部。
  6. 如申請專利範圍第5項之馬達驅動裝置，其更包含有：上限頻率變更部，在由前述第2波形信號所進行之驅動經過預定時間之後，從前述第2波形信號之驅動暫時切換成前述第1波形信號之驅動，藉此再度設定前述上限頻率。
  7. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述DC無刷馬達之轉子係於鐵心埋入永久磁鐵而構成，進而，具有凸極性。
  8. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述DC無刷馬達可驅動壓縮機。
  9. 如申請專利範圍第8項之馬達驅動裝置，其中前述壓縮機係往復式壓縮機。
  10. 如申請專利範圍第8項之馬達驅動裝置，其中在前述壓縮機使用之冷媒係R600a。
  11. 一種電力機器，係包含有以申請專利範圍第1~6項中任一項之馬達驅動裝置驅動之DC無刷馬達者。
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