CN101080867A - 电动机驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于能够准确且可靠地检测出转子的旋转位置而不受重叠在感应电压上的噪声的影响。为了达到上述目的,本发明采用这样的解决方案,即,一种电动机驱动装置,分别向对应于DC无刷电动机的各相的定子绕组供给预定的驱动信号,由此,对转子进行旋转驱动,其中,具有:驱动信号生成单元,根据脉冲状控制信号以开关元件对直流电进行开关,由此生成所述驱动信号;控制信号生成单元,间歇地生成所述脉冲状控制信号而控制所述驱动信号生成单元,根据在停止生成所述脉冲状控制信号的期间从定子绕组取得的信号,检测出转子的旋转状态,由此,生成所述脉冲状控制信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动机驱动装置。
背景技术
众所周知,作为DC无刷电动机的驱动方式,具有120°通电方式和PWM(Pulse Width Modulation:脉冲调宽调制)正弦波通电方式,作为不使用位置传感器(旋转编码器、分解器或霍尔元件等)来检测120°通电方式的DC无刷电动机的旋转位置的方法,有利用非通电区间(期间)的感应电压的方法。
例如,在特开平9-266690号公报中公开了一种120°通电方式的无传感器DC无刷电动机的驱动装置。该驱动装置检测出在非通电区间(期间)产生的感应电压的零交叉点,由此,检测出DC无刷电动机的转子的旋转位置,并稳定地驱动无传感器DC无刷电动机。
此外,在特开2002-218787号公报中记载了如下技术:在以120°通电方式驱动DC无刷电动机的情况下,控制对DC无刷电动机通电的驱动电流的相位,由此,抑制因蓄积在电动机绕组中的磁能释放而产生的尖峰电压使非通电区间(期间)变短,由此,可以更稳定地检测出在非通电区间产生的反电动势和基准电压的交点即转子的旋转位置。
专利文献1特开平9-266690号公报
专利文献2特开2002-218787号公报
在利用非通电区间的感应电压检测出旋转位置的所述现有技术中,在例如几千rpm左右的转速区域效果很好,但是,在超过几万rpm的高转速区域,当在感应电压中重叠有噪声和控制电路是微机等数字电路时,由于输入信号的采样数变少而变得不稳定,所以并不有效。即,在DC无刷电动机的驱动中,由于转速越高旋转周期越短,所以需要更准确地检测出转子的旋转位置,但是,由于随着转速增高,非通电区间变短,并且,由输入到驱动电路的脉冲状控制信号引起的信号成分(高频成分)作为噪声重叠在该较短的非通电区间的感应电压上,所以,不能够准确且可靠地取得感应电压。
此外,可以考虑通过使用滤波器(例如低通滤波器)除去所述噪声来取得感应电压,但是,由于因使用滤波器而导致感应电压的相位从原来的相位发生变化,所以,在转子的旋转位置的检测上会产生误差,因而产生不能够正确地检测出旋转位置的问题。此外,当驱动DC无刷电动机以便在超过几万rpm的高转速区域使转速大幅度变化时,该误差是很严重的问题。进而,当转速的范围较宽时,还具有在上述滤波器的设计上很困难的问题。
此外,随着转速的提高,非通电区间也变短,所以,如特开2002-218787号公报所公开的技术那样对驱动电流的相位进行控制而使非通电区间长时间化,这在超过几万rpm的转速区域并不有效。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的,其目的在于能够准确且可靠地检测出转子的旋转位置而不受重叠在感应电压上的噪声的影响。
为了达到上述目的,本发明采用这样的解决方案,即,一种电动机驱动装置,分别向对应于DC无刷电动机的各相的定子绕组供给预定的驱动信号,由此,对转子进行旋转驱动,其中,具有:驱动信号生成单元,根据脉冲状控制信号由开关元件对直流电进行开关,由此,生成所述驱动信号;控制信号生成单元,间歇地生成所述脉冲状控制信号,控制所述驱动信号生成单元,根据在所有各相停止生成所述脉冲状控制信号的期间从定子绕组取得的感应电压,检测出转子的旋转位置和旋转速度,由此,生成所述脉冲状控制信号。
根据本发明,基于在停止生成脉冲状控制信号的期间从定子绕组所取得的感应电压检测出转子的旋转状态,并基于该旋转状态生成脉冲状控制信号,因此能准确且可靠地检测出转子的旋转状态,因而,基于这样正确检测出的旋转状态生成脉冲状控制信号,从而能可靠且高精度地驱动DC无刷电动机。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的电动机驱动装置的功能结构和作为驱动对象的DC无刷电动机的框图。
图2是表示本发明一实施方式的微机5的控制动作的控制框图。
图3是表示图2中的相位检测部的详细处理的控制框图。
图4是表示本发明一实施方式的电动机驱动装置的动作时序的时序图。
具体实施方式
下面,参照附图对本发明的一实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式的电动机驱动装置的功能结构和作为驱动对象的DC无刷电动机的框图。在该图中,附图标记1是变换器电路,2是直流电源,3是直流电压检测部,4是交流电压检测部,5、6是电流计,7是微机,X是3相DC无刷电动机,Y是透平,Z是压缩机。
在这些构成要素中,变换器电路1和直流电源2构成本实施方式的驱动信号生成单元,另外,直流电压检测部3、交流电压检测部4、电流计5、6、微机7构成本实施方式的控制信号生成单元。
3相DC无刷电动机X是本电动机驱动装置的驱动对象,由分别与3相中的各相(U相、V相、W相)对应的定子绕组(U相绕组Mu、V相绕组Mv、W相绕组Mw)和用永久磁铁构成的转子构成。透平Y将这种3相DC无刷电动机X的旋转轴为公共旋转轴,利用从外部供给的气体进行旋转驱动,由此,使压缩机Z运转。
即,在本电极驱动装置中,在利用透平Y的驱动力进行旋转的3相DC无刷电动机X处于较低的转速区域的状态下,切断对3相DC无刷电动机X的通电而使驱动中止,当3相DC无刷电动机X处于转速超过几万rpm的高转速区域时,开始对3相DC无刷电动机X通电,由此,使转速高速加速,并使转速上升到几十万rpm。此外,本电动机驱动装置以PWM正弦波通电方式驱动3相DC无刷电动机X。
对于变换器电路1来说,与3相交流对应地设置3组串联连接的一对开关电路,如图所示,利用分别与3相交流的U相、V相、W相对应的PWM(Pulse Width Modulation)信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2对直流电进行开关,由此,生成3相驱动信号Bu、Bv、Bw,并分别从各相输出端(U相输出端、V相输出端、W相输出端)输出各驱动信号Bu、Bv、Bw。
该变换器电路1的各相输出端分别与3相DC无刷电动机X的各定子绕组(U相绕组Mu、V相绕组Mv、W相绕组Mw)相连接。直流电源2向这样的变换器电路1提供直流电。此外,上述开关电路由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)等半导体开关元件和与该半导体开关元件以相反极性并联连接的回流二极管构成。
直流电压检测部3是由以串联连接状态插入在基准点n和变换器电路1的输入端之间的1对电阻器构成的电阻分压器,将利用各电阻器对变换器电路1相对基准点n的输入直流电压进行分压后的直流检测电压Vdn输出给微机5。交流电压检测部4是由以串联连接状态分别插入在基准点n和变换器电路1的各相输出端(U相输出端、V相输出端、W相输出端)之间的3对电阻器构成的电阻分压器,将利用各电阻器对变换器电路1的各相输出端相对基准点n的电压分别进行分压后的交流检测电压Vun、Vvn、Vwn输出给微机7。此外,电流计5检测出流过U相绕组Mu的电流(U相电流iu),并发送给微机7,电流计6检测出流过W相绕组Mw的电流(W相电流iw),并发送给微机7。
微机7根据从外部输入的速度指令ω’、上述直流检测电压Vdn和交流检测电压Vun、Vvn、Vwn,间歇地生成与PWM正弦波通电方式对应的作为脉冲状控制信号的PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2,并向变换器电路1供给。
即,对于微机7来说,以与3相DC无刷电动机X的旋转同步的生成周期,依次连续地生成PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2,由此,控制变换器电路1,另一方面,按照3相DC无刷电动机X的运转状态,按每1圈或每2圈使PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2的生成处理停止预定期间(停止期间T)。此外,微机7根据在使PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2的生成中断的所述停止期间T所取得的交流检测电压Vun、Vvn、Vwn,检测出3相DC无刷电动机X的运转状态,由此,生成PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2。此外,关于上述停止期间T的设定方法,将在后面详细叙述。
在这里,由于在所述停止期间T不向变换器电路1供给PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2,所以,不在变换器电路1的各相输出端输出驱动信号Bu、Bv、Bw(即,3相DC无刷电动机X处于非通电状态),因此,变换器电路1的各相输出端的电压成为由于3相DC无刷电动机X的转子而在各定子绕组(U相绕组Mu、V相绕组Mv、W相绕组Mw)中感应的感应电压Cu、Cv、Cw。
即,在停止期间T,从交流检测部4输出的交流检测电压Vun、Vvn、Vwn不是基于驱动信号Bu、Bv、Bw的电压,而是基于感应电压Cu、Cv、Cw的电压。
接着,参照图2~图4对这样构成的本电动机驱动装置的整个动作进行说明。
图2是表示微机7的控制功能的控制框图。并且,该控制功能可以通过安装在微机7中的控制程序来实现。如该图所示,微机7的控制功能由相位检测部8、PWM(Pulse Width Modulation)停止期间生成部9、减法部10、13、PI增益设定部11、15、限幅器12、16、感应电流运算部14、加法部17、除法部18和PWM(Pulse WidthModulation)信号生成部19构成。微机7根据这样构成的控制功能来控制变换器电路1。
相位检测部8根据由上述交流检测部4供给的交流检测电压Vun、Vvn、Vwn运算出3相DC无刷电动机X的转子的角速度ωTS、相位角推定值θTS和感应电压Vm,如图3所示,由交流电压变换部8a、3相/2相变换部8b、相位角运算部8c和相位角推定部8d构成,相位角推定部8d由角速度运算部8d1和推定相位角运算部8d2功能构成。
交流电压变换部8a将上述交流检测电压Vun、Vvn、Vwn代入下式(1)~(4)中,由此,计算出U相电压vu和W相电压vw,并提供给3相/2相变换部8b。
Vuv=Vun-Vvn (1)
Vwv=Vwn-Vvn (2)
vu=0.6666Vuv-0.3333Vvn (3)
vw=0.6666Vwv-0.3333Vvn (4)
3相/2相变换部8b将上述U相电压vu和W相电压vw代入下式(5)中,由此,计算出固定在定子上的静止正交坐标系(由α轴和β轴构成的正交坐标系)上的电压即α轴电压vα和β轴电压vβ,并提供给相位角运算部8c和角速度运算部8d1。
(公式1)
从PWM停止期间生成部9向相位角运算部8c供给指示上述停止期间T的停止信号D,相位角运算部8c根据该停止信号D和上述α轴电压vα及β轴电压vβ计算出停止期间T的瞬时相位角θn。即,相位角运算部8c仅在停止期间T将α轴电压vα和β轴电压vβ代入下式(6)中,由此,计算出瞬时相位角θn,并将其提供给推定相位角运算部8d2。
如上所述,由于停止期间T的交流检测电压Vun、Vvn、Vwn是对感应电压Cu、Cv、Cw进行分压后的电压,所以,瞬时相位角θn根据感应电压Cu、Cv、Cw准确示出转子的旋转位置。此外,由于该瞬时相位角θn是根据α轴电压vα和β轴电压vβ计算出来的,所以,当然表示所述静止正交坐标系上的转子的旋转角的瞬时值。
(公式2)
θn=tan-1(vβ/vα) …(6)
也从PWM停止期间生成部9向角速度运算部8d1供给上述停止信号D,角速度运算部8d1将上述α轴电压vα和β轴电压vβ代入式(7)中,由此,计算出停止期间T的感应电压Vm,并将其输出给加法部17,并且,通过将该停止期间T的感应电压Vm代入式(8)中,由此,计算出停止期间T的转子的角速度ωn,并将其向推定相位角运算部8d2和加法部10供给。此外,该式(8)中的常数Ke是感应电压常数。
(公式3)
(公式4)
ωn=Vm/Ke …(8)
推定相位角运算部8d2将从所述相位角运算部8c供给的停止期间T的转子的瞬时相位角θ以及从角速度运算部8d1供给的停止期间T的转子的角速度ωn代入下式(9)~(12)中,由此,计算出从停止期间T到下一个停止期间T的期间的瞬时相位角的推定值(推定瞬时相位角θTS),并将其提供给PWM信号生成部19。
即,推定相位角运算部8d2将从最新值的停止期间T得到的角速度ωn和从此前的停止期间T得到的角速度ωn-1代入式(9)中,由此,计算出转子的加速度a的最新值。在这里,式(9)中的常数Tpwm是停止期间T的产生周期(PWM停止周期),但是,如后面所述那样,该PWM停止周期Tpwm可以由PWM停止期间生成部7改变设定。
(公式5)
a=(ωn-ωn-1)/Tpwm …(9)
ωn:当前的PWM停止期间的ω
ωn-1:前一次的PWM停止期间的ω
进而,在推定相位角运算部8d2中,将角速度ωn作为初始值,利用式(10)对由式(9)求得的加速度a进行积分,求出微机7中的交流检测电压Vun、Vvn、Vwn的每一个采样周期Ts的推定瞬时角速度(校正推定瞬时角速度ωTS),进而,将瞬时相位角θn作为初始值,并将该校正推定瞬时角速度ωTS代入式(11)中进行积分,从而计算出推定瞬时相位角θTS。
(公式6)
ωTS=∫a·dTs …(10)
其中,积分的初始值是ωn
(公式7)
θTS=∫ωTS·dTs …(11)
其中,积分的初始值是θn
对于这样的相位检测部8,PWM停止期间T生成部7根据从相位检测部8供给的角速度ωTS设定所述停止期间T,生成指示该停止期间T的上述停止信号D,将其供给到相位检测部6、感应电流运算部14和PWM信号生成部19。即,PWM停止期间生成部7根据按每个停止期间T从相位检测部6供给的角速度ω的变化,判定3相DC无刷电动机X是否处于加速状态,在处于加速状态时,按转子的每转1圈设定停止期间T,当处于匀速状态时,按转子每转2圈设定1次停止期间T,并输出表示这样的停止期间T的时序的停止信号D。
这样,根据3相无刷电动机X是否处于加速状态,按转子每转1圈或每转2圈设定停止期间T,因此,产生周期即所述PWM停止周期Tpwm根据转子的旋转速度而变化。此外,将停止期间T的长度设定成相当于相对转子的1圈(360°)为预定的角度比例、例如30°的时间,因而根据转子的旋转速度而变化。
此外,本实施方式中的PWM停止期间生成部7在进行停止期间T的时序设定时,除了构成变换器电路1的各回流二极管的回流期间,从而消除回流期间的回流电流的影响。
减法部10从由外部供给的速度指令ω’中减去从角速度运算部8d2供给的转子的角速度ωTS,由此,计算出转子的角速度ω相对速度指令ω’的误差速度Δω,并将其供给到PI增益设定部11中。PI增益设定部11以预定的PI增益对所述误差速度Δω进行比例积分处理,由此,生成电流I,并将其供给到限幅器12中。限幅器12将所述电流I限制在预定的范围值内,由此,将其作为电流I’供给到减法部13中。减法部13从所述电流I’中减去由感应电流运算部14供给的感应电流Im,由此,生成误差电流ΔI,并将其供给到PI增益设定部15中。
感应电流运算部14将由电流计5供给的U相电流iu和从电流计6供给的W相电流iw代入下式(12)中,由此,计算出固定在定子上的静止正交坐标系(由α轴和β轴构成的正交坐标系)上的电流即α轴电流Iα和β轴电流Iβ,进而,将该α轴电流Iα和β轴电流Iβ代入下式(13)中,由此,算出感应电流Im,并将其供给到上述减法运算部13中。
(公式8)
(公式9)
PI增益设定部15以预定的PI增益对上述误差电流ΔI进行比例积分处理,由此,生成电压V,并将其供给到限幅器16中。限幅器16将电压V限制在预定的范围值内,将其作为电压V’供给到加法部17中。加法部17在该电压V’上加上从角度运算部8d1供给的感应电压Vm,生成电压Vs,并将其供给到除法部18中。除法部18用从直流电压检测部3供给的直流检测电压Vdn除该电压Vs,由此,生成速度控制值S,并将其供给到PWM信号生成部19中。
PWM信号生成部19根据上述速度控制值S和从推定相位角运算部8d2供给的作为角度控制值的推定瞬时相位角θTS生成PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2,并将其供给到变换器电路1中。在这里,从PWM停止期间生成部9向PWM信号生成部19供给停止信号D,PWM信号生成部19根据该停止信号D,仅在停止期间T以外的期间进行PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2的生成处理,而在停止期间使TPWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2的生成停止。
图4是表示3相DC无刷电动机X处于加速运转状态时的停止期间T和PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2的生成时序的关系的时序图。当PWM停止期间生成部7根据按每个停止期间T从相位检测部6供给的角速度ωTS判定为3相DC无刷电动机X处于加速运转状态时,按转子每转1圈设定停止期间T。
由于感应电压Vm与转子的旋转同步地以正弦波状变化,所以,感应电压Vm的变动周期和转子的旋转周期相同。在3相DC无刷电动机X处于加速运转状态时,PWM停止期间生成部7按转子的每1圈即按感应电压Vm的每个变动周期设定预定时间宽度的停止期间T,其结果是,PWM信号生成部19使停止期间T的PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2的生成停止。
与此相对,由于相位检测部8基于生成PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2所引起的噪声未起到干扰作用的停止期间T的交流检测电压Vun、Vvn、Vwn,计算出感应电压Vm、角速度ω和推定瞬时相位角θTS,所以,这些感应电压Vm、角速度ω和推定瞬时相位角θTS正确地表示转子的旋转状态。
即,根据这样的感应电压Vm和角速度ω等所计算出的速度控制值S正确地反映了转子的旋转状态,此外,推定相位角θTS是正确地反映了转子的旋转状态的角度控制值,在停止期间T以外的期间根据该角度控制值和速度控制值S所生成的PWM信号Au1、Au2、Av1、Av2、Aw1、Aw2准确地控制变换器电路1,从而可靠且高精度地驱动3相DC无刷电动机X。因此,根据本电动机驱动装置,能够准确且可靠地检测出转子的转动位置,因而,能够准确且可靠地驱动3相DC无刷电动机X。
此外,本发明不限于上述实施方式,例如,可以考虑如下变形。
(1)在所述实施方式的电动机驱动装置中,对以PWM正弦波通电方式驱动3相DC无刷电动机X的情况进行了说明,但是,本发明不限于此,也可以适用于以120°通电方式驱动3相DC无刷电动机X的情况。
(2)所述实施方式的PWM停止期间生成部7在3相DC无刷电动机X处于加速状态时,按转子的每1圈设定停止期间T,在处于匀速状态时,按转子的每2圈设定一次停止期间T,但是,停止期间T的设定方法不限于此。停止期间T的设定方法例如可以根据所要求的3相DC无刷电动机X的运转性能而变更。
(3)所述实施方式中,由变换器电路1和直流电源2构成驱动信号生成单元,另外,由直流电压检测部3、交流电压检测部4、电流计5、6和微机7构成控制信号生成单元,但是,驱动信号生成单元和控制信号生成单元的结构不限于此。特别是,虽然所述实施方式的微机7对变换器电路1进行PWM控制,但是控制方式不限于该PWM控制方式。
(4)在所述实施方式中,对在3相DC无刷电动机X的转速超过几万rpm的高转速区域进行工作的电动机驱动装置进行了说明,但是,本发明的优越性不限于这样高转速区域。
Claims (16)
1.一种电动机驱动装置,分别向对应于DC无刷电动机的各相的定子绕组供给预定的驱动信号,由此,对转子进行旋转驱动,其特征在于,具有:
驱动信号生成单元,根据脉冲状控制信号由开关元件对直流电进行开关,由此,生成所述驱动信号;
控制信号生成单元,间歇地生成所述脉冲状控制信号,对所述驱动信号生成单元进行控制,根据在所有各相停止生成所述脉冲状控制信号的期间从定子绕组取得的感应电压,检测转子的旋转位置以及旋转速度,由此,生成所述脉冲状控制信号。
2.如权利要求1的电动机驱动装置,其特征在于:
驱动信号生成单元由输出直流电的直流电源和根据脉冲状控制信号对直流电进行开关并生成驱动信号的变换器电路构成。
3.如权利要求1的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成PWM信号作为脉冲状控制信号。
4.如权利要求2的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成PWM信号作为脉冲状控制信号。
5.如权利要求1的电动机驱动装置,其特征在于:
在驱动信号生成单元的开关元件上并联连接有回流二极管的情况下,控制信号生成单元在停止脉冲状控制信号的生成的期间,根据在除所述回流二极管的回流期间之外的期间从定子绕组取得的信号,检测出转子的旋转状态。
6.如权利要求2的电动机驱动装置,其特征在于:
在驱动信号生成单元的开关元件上并联连接有回流二极管的情况下,控制信号生成单元在使脉冲状控制信号的生成停止的期间,根据在除所述回流二极管的回流期间之外的期间从定子绕组取得的信号,检测出转子的旋转状态。
7.如权利要求3的电动机驱动装置,其特征在于:
在驱动信号生成单元的开关元件上并联连接有回流二极管的情况下,控制信号生成单元在使脉冲状控制信号的生成停止的期间,根据在除所述回流二极管的回流期间之外的期间从定子绕组取得的信号,检测出转子的旋转状态。
8.如权利要求4的电动机驱动装置,其特征在于:
在驱动信号生成单元的开关元件上并联连接有回流二极管的情况下,控制信号生成单元在使脉冲状控制信号的生成停止的期间,根据在除所述回流二极管的回流期间之外的期间从定子绕组取得的信号,检测出转子的旋转状态。
9.如权利要求1的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
10.如权利要求2的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
11.如权利要求3的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
12.如权利要求4的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
13.如权利要求5的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
14.如权利要求6的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
15.如权利要求7的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
16.如权利要求8的电动机驱动装置,其特征在于:
控制信号生成单元生成与PWM正弦波通电方式对应的脉冲状控制信号。
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