TWI571042B

TWI571042B - Motor drive device and motor drive method

Info

Publication number: TWI571042B
Application number: TW104120610A
Authority: TW
Inventors: 小湊真一; 會澤敏満; 関原聡一; 飛鳥井正; 王申; 大村直起
Original assignee: 東芝股份有限公司
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2017-02-11
Also published as: TW201611509A; KR101728948B1; JP6290019B2; KR20160007358A; JP2016019448A

Description

馬達驅動裝置及馬達驅動方法

本發明之實施形態係關於藉由無位置感測器方式以正弦波驅動多相之永久磁石型馬達之馬達驅動裝置及方法。

無位置感測器驅動方式係利用馬達之定子繞組所產生之感應電壓而檢測轉子之旋轉位置，並基於此旋轉位置對定子繞組輸出驅動電壓。於1相之通電電氣角度成為120°之所謂矩形波驅動之情形時，因停止驅動電壓之輸出之區間存在60°之電氣角度，故可於該區間檢測感應電壓。

另一方面，於可低振動且低噪音地驅動馬達之正弦波驅動之情形時，因長時間輸出驅動電壓，而難以進行感應電壓之檢測。例如，於日本國專利特開2001-190085號公報(專利文獻1)中，揭示有於預測各相之感應電壓波形經過電壓極性變化之零交叉點時，使馬達之驅動停止，以能夠於該停止期間內實際檢測零交叉點之方式調節速度之技術。

然而，於專利文獻1之技術中，關於如何決定預測為感應電壓波形經由零交叉點之時機則並未明確。

因此，本發明提供一種可準確地決定使驅動電路之動作停止固定期間之時機，以調節驅動電壓之相位之馬達驅動裝置及馬達驅動方法。

根據實施形態之馬達驅動裝置，電流極性檢測機構檢測多相之永久磁石型馬達之定子繞組中所流動之電流之極性，電壓極性檢測機構檢測於固定繞組所產生之感應電壓之極性。又，電壓相位調節機構係以電流極性之變化時序，使以正弦波驅動馬達之驅動電路之動作停止固定時間，並基於在該停止期間內由電壓極性檢測機構所檢測出之感應電壓之極性，調節經由驅動電路而輸出至馬達之驅動電壓之相位。

1‧‧‧逆變器電路

2‧‧‧IGBT(開關元件)

2U‧‧‧IGBT(開關元件)

2V‧‧‧IGBT(開關元件)

2W‧‧‧IGBT(開關元件)

2X‧‧‧IGBT(開關元件)

2Y‧‧‧IGBT(開關元件)

2Z‧‧‧IGBT(開關元件)

3‧‧‧飛輪二極體

3U‧‧‧飛輪二極體

3V‧‧‧飛輪二極體

3W‧‧‧飛輪二極體

3X‧‧‧飛輪二極體

3Y‧‧‧飛輪二極體

3Z‧‧‧飛輪二極體

4a‧‧‧直流電源線

4b‧‧‧直流電源線

5‧‧‧平滑電容器

6‧‧‧馬達(永久磁石型馬達)

7U‧‧‧定子繞組

7V‧‧‧定子繞組

7W‧‧‧定子繞組

11‧‧‧控制裝置

12‧‧‧感應電壓極性檢測電路(電壓極性檢測機構)

13‧‧‧電流極性檢測電路13(電流極性檢測機構)

14‧‧‧驅動信號生成部

15U‧‧‧比較器

15V‧‧‧比較器

15W‧‧‧比較器

16U‧‧‧比較器

16V‧‧‧比較器

16W‧‧‧比較器

17U‧‧‧電阻元件

17V‧‧‧電阻元件

17W‧‧‧電阻元件

18U‧‧‧電阻元件

18V‧‧‧電阻元件

18W‧‧‧電阻元件

19‧‧‧電阻元件

20‧‧‧電阻元件

21‧‧‧NOT閘極

22U‧‧‧比較器

22V‧‧‧比較器

22W‧‧‧比較器

23U‧‧‧正反器

24U‧‧‧電阻元件

24V‧‧‧電阻元件

24W‧‧‧電阻元件

25W‧‧‧二極體

26‧‧‧電阻元件

27‧‧‧二極體

28‧‧‧旋轉位置推斷部

29‧‧‧電流相位判定部

30‧‧‧啟動控制部

31‧‧‧信號輸出部

32‧‧‧速度運算部

33‧‧‧減法器

34‧‧‧電壓Duty運算部

35‧‧‧空白區間生成部(電壓相位調節機構)

36‧‧‧相位調節部

37‧‧‧載波生成部

38‧‧‧正弦波圖案生成部

39‧‧‧PWM生成部

40‧‧‧矩形波圖案生成部

41‧‧‧感應電壓極性判定電路

42U‧‧‧電阻元件

42V‧‧‧電阻元件

42W‧‧‧電阻元件

CK‧‧‧時脈端子

Q‧‧‧輸出端子

直流電圧Vdc‧‧‧直流電壓Vdc

電圧Duty指令‧‧‧電壓Duty指令

速度指令‧‧‧速度指令

圖1係表示第1實施形態、且表示之馬達控制裝置之電性構成之圖。

圖2(a)~(c)係說明電流極性檢測電路之動作之圖。

圖3(a)~(c)係表示PWM載波、UVW各相之上側及下側驅動信號、以及PWM同步信號之各波形之時序圖。

圖4係表示產生PWM中斷之計時器之動作的流程圖。

圖5係表示驅動信號生成部之動作之流程圖(其1)。

圖6係表示驅動信號生成部之動作之流程圖(其2)。

圖7(a)~(e)係表示設置滯後相位判定旗標之情形時之各信號波形之時序圖。

圖8(a)~(e)係表示設置感應電壓零交叉判定之情形時之各信號波形之時序圖。

圖9(a)~(e)係表示設置超前相位判定旗標之情形時之各信號波形之時序圖。

圖10(a)~(d)係說明相位調節部之動作(滯後相位判定之情形時)之時序圖。

圖11係表示第2實施形態、且表示感應電壓極性檢測電路之構成之一部分之圖。

(第1實施形態)

以下，參照圖1至圖10對第1實施形態進行說明。如圖1所示，逆變器電路1(驅動電路)係以將6個IGBT2(U，V，W/X，Y，Z)進行3相橋式連接而構成。於IGBT2(開關元件)集極-射極之間，連接有飛輪二極體(free wheel diode)3(U，V，W/X，Y，Z)。於逆變器電路1之直流電源線4a、4b間，連接有平滑電容器5，以供給電壓Vdc之直流電源。逆變器電路1之各相輸出端子例如分別連接於作為無刷DC馬達(永久磁石型馬達)之馬達6之各相定子繞組7U、7V、7W。

逆變器電路1係由控制裝置11開關控制。控制裝置11具備：感應電壓極性檢測電路12(電壓極性檢測機構)、電流極性檢測電路13(電流極性檢測機構)、及驅動信號生成部14，且其作為IC(Integrated Circuit：積體電路)而構成。於感應電壓極性檢測電路12設有一組針對各相之比較器15及D正反器16。於逆變器電路1之各相輸出端子與接地之間，連接有電阻元件17及18之串聯電路。電阻元件17及18之共通連接點連接於所對應之相之比較器15之非反相輸入端子。

又，於直流電源Vdc與接地之間，連接有電阻元件19及20之串聯電路。被賦予虛擬中性點電位之電阻元件19及20之共通連接點共通地連接於比較器15之反相輸入端子。比較器15之輸出端子連接於D正反器16之輸入端子D。對D正反器16之時脈端子CK，經由NOT閘極21共通地賦予自驅動信號生成部14輸出之PWM同步信號。PWM同步信號係與圖4所示之PWM中斷產生同步之信號。

於電流極性檢測電路13亦設有一組針對各相之比較器22及D正反器23。比較器22U之非反相輸入端子係經由電阻元件24U而被電源拉昇。又，上述非反相輸入端子經由順向之二極體25U而連接於IGBT2X之集極。同樣，比較器22V之非反相輸入端子經由順向之二極體25V而連接於IGBT2Y之集極。比較器22W之非反相輸入端子經由順向之二極體25W而連接於IGBT2Z之集極。又，比較器22之反相輸入端子經由共通之電阻元件26而被電源拉昇。且，上述反相輸入端子係經由順向之二極體27而連接於直流電源線4b。

比較器22之輸出端子連接於D正反器23之輸入端子D。又，對各D正反器23U、23V、23W之時脈端子CK，共通地輸入上述PWM同步信號。

構成感應電壓極性檢測電路12之各相之D正反器16之輸出端子Q分別連接於驅動信號生成部14所具備之旋轉位置推斷部28之輸入端子。且，構成電流極性檢測電路13之各相之D正反器23之輸出端子Q分別連接於驅動信號生成部14所具備之電流相位判定部29之輸入端子。

旋轉位置推斷部28係基於自感應電壓極性檢測電路12輸入之信號來判定感應電壓之相位(極性)。旋轉位置推斷部28係當輸入信號為低位準時，則判定為極性(-)，當輸入信號為高位準時，則判定為極性(+)。且，旋轉位置推斷部28係藉由對輸入信號由低變高之狀態或由高變低之狀態之捕捉，而檢測感應電壓之零交叉點。進而，旋轉位置推斷部28係基於自後述之速度運算部32輸入之速度資訊而推斷馬達之旋轉位置。

對啟動控制部30自外部輸入接通/斷開信號，當該信號自斷開切換為接通時，則經由信號輸出部31進行最初之藉由直流激磁之馬達定位。接著，輸出波形振幅以正弦波之電壓率變化之三相驅動信號，藉由強制換流(forced commutation)啟動馬達6。對啟動控制部30輸入經速度運算部32運算出之馬達6之旋轉速度，並於此旋轉速度超過特定值且上昇時，停止強制換流動作。速度運算部32係基於自電流相位判定部29輸出之馬達電流之零交叉點檢測時刻之時間差而運算馬達之旋轉速度ω。

又，圖1中一併顯示有與自外部對信號輸出部31輸入電壓Duty指令及馬達6之速度指令之情形相對應之構成。於後者之情形時，輸入之速度指令被輸入至減法器33，與經速度運算部32運算出之旋轉速度之差值被輸入至電壓Duty運算部34。電壓Duty運算部34係例如將對所輸入之速度差值進行PI控制運算而得者作為速度指令而輸入至信號生成部31。

旋轉位置推斷部28之輸出信號中之感應電壓之相位(極性)判定信號，被輸入至空白區間生成部35(電壓相位調節機構)。經速度運算部32運算出之旋轉速度與由其推斷之旋轉位置信號，被輸入至相位調節部36(電壓相位調節機構)。亦對空白區間生成部35輸入電流相位判定部29之輸出信號。空白區間生成部35將旨在使利用逆變器電路1之馬達6之驅動暫時停止之信號，輸入至信號輸出部31。又，空白區間生成部35將自旋轉位置推斷部28輸入之感應電壓之相位(極性)判定信號，輸入至相位調節部36。

相位調節部36係基於自旋轉位置推斷部28輸入之所推斷之旋轉位置信號、經速度運算部32運算出之旋轉速度、及自空白區間生成部35輸入之感應電壓之相位(極性)判定信號，而生成電壓相位。相位調節部36將生成之電壓相位輸入至信號輸出部31。如後述般，相位調節部36係以於判定為「滯後相位」之情形時提高旋轉速度、於判定為「超前相位」之情形時則降低旋轉速度之方式，求得馬達電壓之相位。

信號輸出部31具備：載波生成部37、正弦波圖案生成部38、及PWM生成部39。PWM生成部39將自載波生成部37輸入之三角波之載波與自正弦波圖案生成部38輸入之與馬達6之旋轉位置相應之正弦波電壓指令進行比較，而生成3相PWM信號。PWM生成部39將所生成之 3相PWM信號作為閘極驅動信號而輸出至構成逆變器電路1之各IGBT2之閘極。上述旋轉位置相當於自相位調節部36輸入之電壓相位。

另，亦可構成為使信號輸出部31具備圖中之以波線表示之矩形波圖案生成部40，而以矩形波代替正弦波進行啟動馬達6時之強制換流。

圖2顯示電流極性檢測電路13之動作。(a)於上橋臂側之例如IGBT2U接通，逆變器電路1之U相輸出端子成為電源電壓Vdc之狀態下，二極體25成為逆向偏壓。藉此，比較器22U之非反相輸入端子成為上拉電壓(高位準)。又，因二極體27導通，故反相輸入端子成為順向電壓Vf(0.6V)。藉此，比較器22U之輸出信號成為高位準。

(b)若下橋臂側之例如IGBT2X接通，且電流極性為(+)(電流自U相輸出端子流向中性點之方向)，則U相輸出端子成為負電壓(自接地電位僅下降IGBT2X之接通電壓之電壓)。因此，比較器22U之非反相輸入端子成為對上述負電壓加上二極體25之順向電壓Vf而得者，且其低於反相輸入端子之電位。因此，比較器22U之輸出信號成為低位準。

(c)若下橋臂側之IGBT2X接通，且電流極性為(-)，則U相輸出端子成為正電壓(自接地電位僅上昇IGBT2X之接通電壓之電壓)。因此，比較器22U之非反相輸入端子成為對上述正電壓加上二極體25之順向電壓Vf而得者，且其高於反相輸入端子之電位。藉此，比較器22U之輸出信號成為高位準。

亦即，於下橋臂側之IGBT2接通期間，若電流極性為(+)，則比較器22之輸出信號成為低位準，若電流極性為(-)，則比較器22之輸出信號成為高位準。藉此可檢測相電流之極性。

於本實施形態中，藉由2相調變，以正弦波驅動馬達6，於任意之相電流之極性變化之零交叉時刻(zero crossing timing)，停止逆變器電路1對於馬達6之驅動，並於該停止期間內檢測感應電壓之極性。且，以下，有將馬達6之驅動停止稱為「空白」，將驅動停止期間稱為「空白期間」之情形。

圖3係表示(a)PWM載波(三角波)，(b)U、V、W各相之上側及下側驅動信號，(c)PWM同步信號之各波形者。於該例中，於U-W相間進行2相調變之期間，使U相之驅動停止，U相上下均斷開，V相僅下側接通，W相上下均受到PWM控制。PWM脈衝係以將三角波之底部作為中心而根據能率而朝兩方延伸之方式被輸出。PWM同步信號成為於三角波之峰值處上昇，且於其底部下降之半週期寬之脈衝波形。

於圖中所示之(A)時刻，因馬達6之W相端子之電位Vw為Vdc，V相端子之電位Vv為零，故中性點之電位成為Vdc/2。又，藉由停止藉由逆變器電路1之驅動，U相輸出端子為高阻抗狀態，而於馬達6之定子繞組7U產生感應電壓Eu。此時，U相端子之電位Vu成為Vu=Vdc/2+Eu

因此，只要將時刻(A)之電位Vu與中性點電位Vdc/2進行比較，即可檢測感應電壓之極性。因此，對正反器16之時脈端子CK賦予PWM同步信號之反相信號。

接著，參照圖4至圖10對本實施形態之作用進行說明。圖4係表示使每個載波週期產生PWM中斷之處理之流程圖。首先，重置PWM週期計時器(S1)，更新該計時器之計數值(S2)。接著，返回至步驟S2，直至上述計數值成為1個週期之設定值以上為止(S3：否)。若上述計數值成為1個週期之設定值以上(S3：是)，則使產生PWM中斷(S4)。

圖5及圖6係以流程圖表示藉由驅動信號生成部14之硬邏輯下之動作者。該流程圖係每當產生PWM中斷(每個PWM週期)時即被執行(S11：是)。首先，由電流相位判定部29進行馬達電流(相電流)之極性檢測(S12)。將該極性檢測設為與PWM同步信號之上昇時序同步地進行。若檢測馬達電流之零交叉點時刻(檢測與前次所檢測出之極性不同之極性)(S13：是)，則設置空白開始旗標(S14)，並啟動空白期間計測計時器(S15)。

接著，判斷當前是否處於空白期間內(S16)。又，若於步驟S13中判斷為「否」，則移行至步驟S16。若於步驟S13中判斷為「是」，則由旋轉位置推斷部28針對與檢測出零交叉點之電流之相對應之相，檢測感應電壓之極性(S17)。

此處，若檢測出感應電壓之零交叉點(極性之變化)(S18：是)，則可視為其與電流之零交叉點一致。因此，重置至此所推斷出之轉子之旋轉角(S19)，並設置表示已檢測出感應電壓之零交叉點之零交叉判定旗標(S20)。接著，停止空白期間計測計時器(S21)，並清除空白開始旗標(空白期間結束)(S22)。接著，由速度運算部32算出馬達6之旋轉速度ω(S23)。

且，若於步驟S18中判斷為「否」，則判斷感應電壓之極性是否為(+)(S24)。若極性為(+)(是)，則設置滯後相位判定旗標(S25)，並移行至步驟S21。另一方面，若於步驟S24中判斷為「否」，則參照空白期間計測計時器，算出與空白開始至當前為止之經過時間相當之旋轉角(S26)。接著，判斷所算出之旋轉角是否為空白期間所容許之最大設定角度以上(S27)。

於步驟S27中，若當前之旋轉角未達最大設定角度(否)，則存在尚在檢測感應電壓之零交叉點之可能性。因此，移行至後述之步驟S31。另一方面，若當前之旋轉角為最大設定角度以上(是)，則已至檢測期間之界限。因此，於該時點確定感應電壓之極性(-)，設置超前相位判定旗標(S28)，並移行至步驟S21。

於接續步驟S23之後之步驟S29中，若已設置感應電壓零交叉判定旗標(是)，則以步驟S23中所算出之旋轉速度ω更新算出馬達電壓相位之速度ω(com)(S30)。又，基於速度ω(com)算出馬達電壓相位(S31)。

又，於步驟S29中，若尚未設置感應電壓零交叉判定旗標(否)，則確認滯後相位判定旗標(S32)之設置。若已設置滯後相位判定旗標(是)，則以使旋轉速度提高之方式，以對旋轉速度ω加上△ω而得者更新用於算出馬達電壓相位之速度ω(com)(S33)。其後，移行至步驟S31。

另一方面，若尚未設置滯後相位判定旗標(S32：否)，則成為超前相位判定。因此，於以使旋轉速度降低之方式，以自旋轉速度ω減去△ω而得者更新速度ω(com)後(S34)，移行至步驟S31。又，於步驟S16中判定為「否」之情形時，亦移行至步驟S31。

圖7係表示設置滯後相位判定標示之情形時之各信號波形。於馬達電流增大之過程中，若藉由極性自(+)變為(-)而檢測零交叉點，則使所對應之相之驅動停止，而開始「空白」。若於下一PWM同步信號之下降時刻所檢測出之感應電壓之極性為(+)，則感應電壓之零交叉點位於電流之零交叉點之前。因此，於該時點，直接於步驟S16設置滯後相位判定標示。

圖8係表示設置感應電壓零交叉判定標示之情形時之各信號波形。檢測馬達電流之零交叉點，若於已開始「空白」之下一PWM同步信號之下降時刻所檢測出之感應電壓之極性為(-)，則有檢測出感應電壓之零交叉點之可能性。於下一檢測週期中，當於步驟S13中判定為「否」，於步驟S16中判定為「是」，而再度檢測感應電壓之極性(S17)時，則藉由極性變為(+)，而檢測出零交叉點(設為本實施形態之目標之相位條件)。因此，於步驟S20中設置感應電壓零交叉判定標示。

亦即，於本實施形態中，若檢測出馬達電流之零交叉點，則開始「空白」，若於自該時點直至經過固定時間之期間為止檢測出感應電壓之零交叉點，則視為兩者之零交叉點一致(電流與電壓為同相)(因實際上檢測到兩者完全一致極為不易)。

圖9係表示設置超前相位判定標示之情形時之各信號波形。檢測馬達電流之零交叉點，若於已開始「空白」之下一PWM同步信號之下降時刻所檢測出之感應電壓之極性為(-)，則與圖8所示之情形同樣地，繼續進行極性檢測。但，若連續進行極性(-)之檢測，而於步驟S27之相當於「空白期間之最大設定角度」之時間內未檢測出極性(+)，則感應電壓之零交叉點到來之時刻為更靠後之時刻，而判定電流相位超前。因此，於步驟S28中設置超前相位判定標示。

圖10係說明相位調節部36之動作(滯後相位判定之情形時)之時序圖。若於時刻t(n-2)開始「空白」，檢測出感應電壓之極性(+)，並設置滯後相位判定標示，則於步驟S33中，對旋轉速度ω(n-2)加上△ω。於步驟S31中，基於旋轉速度{ω(n-2)+△ω}而算出電壓相位。另，速度調節值△ω係使事先使實機動作而選取之最適當之值。

於下一時刻t(n-1)，亦同樣設置滯後相位判定標示，對旋轉速度ω(n-1)加上△ω，旋轉速度進一步提高。接著，於下一時刻t(n)，於空白期間內檢測出感應電壓之零交叉點，於步驟S29中判斷為「是」，基於旋轉速度ω(n)算出電壓相位(S30、S31)。於成為超前相位之情形時，減去△ω而使得旋轉速度降低，藉以進行調節。

如以上般根據本實施形態，電流極性檢測部13檢測馬達6之定子繞組7中所流動之相電流之極性，感應電壓極性檢測電路12檢測於定子繞組7所產生之感應電壓之極性。接著，空白區間生成部35以相電流之極性變化時序，使以正弦波驅動馬達6之逆變器電路1之一部分之動作停止固定期間。相位調節部36基於在該停止期間內由感應電壓極性檢測電路12所檢測出之感應電壓之極性，調節經由逆變器電路1而輸出至馬達6之驅動電壓之相位。因此，可準確地決定使逆變器電路1之動作停止固定期間之時機，從而穩定地檢測感應電壓之極性，調節驅動電壓之相位。

接著，由如下之比較器22構成電流極性檢測部13，該比較器22中之輸入端子被分別拉昇，且經由順向之二極體25、27而與配置於逆變器電路1之下橋臂側之IGBT2X、2Y、2Z之兩端連接。因此，可藉由簡單之構成檢測相電流之極性。

又，相位調節部36係以相電流之極性變化時序與感應電壓之極性變化時序能夠維持設為目標之相位條件之方式，調節馬達6之旋轉速度。具體而言，以使相電流之極性變化時序與感應電壓之極性變化時序一致(電流與電壓成為同相)之方式，調節馬達6之旋轉速度。因此，可以較高之效率驅動馬達6。

(第2實施形態)

圖11係第2實施形態，且對與第1實施形態相同之部分附加相同符號，而省略相關說明，以下，對不同之部分進行說明。於第2實施形態中，不同之處在於感應電壓極性判定電路41之構成。亦即，馬達6之U、V、W之各相端子分別連接有電阻元件42U、42V、42W之一端。且，使電阻元件42U、42V、42W之另一端共通地連接於比較器15(僅圖示U相)之反相輸入端子。藉此，對上述反相輸入端子賦予與馬達6之實際中性點電壓大致相等之電壓。如此般地構成之第2實施形態亦可獲得與第1實施形態相同之效果。

雖已說明本發明之若干實施形態，但該等實施形態係作為範例而提示者，而並非用以限定本發明之範圍。該等新穎之實施形態可以其他各種形態予以實施，且可於不脫離本發明之主旨之範圍內，進行各種省略、置換、變更。該等實施形態或其等之變形包含本發明之範圍或主旨，且包含於專利申請範圍所記載之發明及與其均等之範圍內。

電流極性檢測機構之構成並非限定於電流極性檢測電路13之構成，只要可檢測相電流之極性，則可採用任意之構成。

永久磁石型馬達之相數並非限定於「3」。

開關元件並非限定於IGBT2，而亦可使用MOSFET或雙極電晶體等。

亦可由微電腦構成驅動信號生成部，並使軟體執行圖4及圖5所示之處理中之可置換之部分。

設為目標之相位條件未必限定於施加電壓與相電流成為同相者，而亦可根據馬達之驅動條件，以能夠成為超前相位或滯後相位之方式進行調節。

並非限定於2相調變方式，亦可適用於3相以上之調變方式。