電動機驅(qū)動裝置以及無刷電動的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電動機驅(qū)動裝置以及無刷電動機。本發(fā)明的電動機驅(qū)動裝置是搭載有根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制對電動機繞組施加的電流的所謂的矢量控制的電動機驅(qū)動裝置。本電動機驅(qū)動裝置例如從上級控制器經(jīng)由指令輸入端被輸入占空比指令值。本電動機驅(qū)動裝置求出使所輸入的該占空比指令值與從逆變器輸出的驅(qū)動脈沖的占空比相等的電流指令或速度指令作為指令值。然后，本電動機驅(qū)動裝置基于求出的指令值來進行矢量控制。
【專利說明】電動機驅(qū)動裝直以及無刷電動機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于對無刷電動機進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的電動機驅(qū)動裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在面向空調(diào)用風(fēng)扇電動機等家電設(shè)備的無刷電動機中，近年來，在電動機內(nèi)部 內(nèi)置有電動機驅(qū)動裝置的電動機正得到實際應(yīng)用。電動機驅(qū)動裝置構(gòu)成為包括逆變器 (inverter)、CPU(中央處理單元）、霍爾元件等位置傳感器等電路部件。在這種結(jié)構(gòu)中，CPU 生成對逆變器的開關(guān)信號，以矩形波電壓或正弦波電壓向電動機繞組通電。這樣，電動機驅(qū) 動裝置對電動機進行驅(qū)動。
[0003] 另外，用于控制電動機驅(qū)動裝置的上級側(cè)的控制器根據(jù)從電動機驅(qū)動裝置側(cè)接收 到的表示實際轉(zhuǎn)速的信號等來調(diào)整向電動機驅(qū)動裝置輸入的占空比指令，使得速度、風(fēng)量 等成為期望的值。
[0004] 圖9是表示這種以往的電動機驅(qū)動裝置98的結(jié)構(gòu)例的框圖。通過整流電路21將 交流電源11直流化，經(jīng)平滑電容器22平滑化之后，該直流電壓被提供至電動機驅(qū)動裝置98 內(nèi)具備的三相的逆變器23。逆變器23將該直流電壓交流化為任意的電壓，交流化所得的交 流電壓被提供至電動機19。位置傳感器32檢測電動機19的轉(zhuǎn)子的位置，作為位置檢測信 號Ps來輸出。位置檢測信號Ps被提供至位置檢測部34來算出轉(zhuǎn)子的位置，作為電動機位 置信號Pd被提供至FG輸出部54。FG輸出部54根據(jù)電動機位置信號Pd，輸出表不電動機 實際速度的FG脈沖信號FG。
[0005] 另外，從FG輸出部54向上級控制器12側(cè)的上級速度控制部51提供FG脈沖信號 FG。上級速度控制部51根據(jù)FG脈沖信號FG來調(diào)整占空比指令值Ef并輸出到電動機驅(qū)動 裝置98,使得速度、風(fēng)量等成為期望的值。
[0006] 電動機驅(qū)動裝置98將從上級控制器12接收到的占空比指令值1/提供至電壓控 制部57。電壓控制部57根據(jù)所輸入的占空比指令值Ef以及電動機位置信號Pd來求出三 相的電壓指令值νΛν ν'ν/的值，輸出到PWM控制部59。PWM控制部59生成將與電壓指令 值Vu' Vv' V/的值相應(yīng)的占空比的脈沖按時間序列排列所得的開關(guān)信號。然后，逆變器23 對電動機繞組施加與該開關(guān)信號相應(yīng)的占空比的驅(qū)動脈沖Uo、Vo、Wo。通過像這樣進行動 作，基于脈寬調(diào)制（PWM)，根據(jù)驅(qū)動脈沖Uo、Vo、Wo模擬地生成矩形波電壓或正弦波電壓，對 電動機繞組施加該電壓來驅(qū)動電動機19。
[0007] 此外，作為這種電動機驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)例，例如在日本專利申請?zhí)亻_2001-292589 號公報中公開了具有以下結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇電動機：以與占空比指令相應(yīng)的驅(qū)動脈沖來驅(qū)動逆變 器。
[0008] 另外，作為比前述的施加矩形波電壓的矩形波驅(qū)動方式、施加正弦波電壓的正弦 波驅(qū)動方式性能更高的控制方式，眾所周知一種根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制電動機繞組電流的 所謂的矢量控制方式。在矢量控制中，能夠?qū)νㄟ^永磁體產(chǎn)生的磁體轉(zhuǎn)矩方向的電流（q軸 電流）和通過永磁體產(chǎn)生的磁通方向的電流（d軸電流）彼此獨立地進行控制。因此，與矩 形波驅(qū)動方式、正弦波驅(qū)動方式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、低噪聲、高速響應(yīng)。
[0009] 作為使用了這種矢量控制方式的電動機驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)例，例如在日本專利申請 特開2004-40906號公報中公開了一種同步電動機的矢量控制裝置。
[0010] 圖10是構(gòu)成為通過這種矢量控制來控制電動機速度的以往的電動機驅(qū)動裝置99 的框圖。圖10所示的以往的電動機驅(qū)動裝置99也是利用逆變器23來驅(qū)動電動機19的結(jié) 構(gòu)。在圖10中，電動機位置信號Pd被提供至微分器60。微分器60通過對該電動機位置信 號Pd進行微分來算出轉(zhuǎn)子的速度。這樣算出的速度作為表示轉(zhuǎn)子的實際速度的電動機速 度信號Sp被提供至速度控制部56。
[0011] 速度控制部56根據(jù)速度指令值Sp#和電動機速度信號Sp來算出電流指令值Γ。 電流控制部53根據(jù)電流指令值Γ、由電流檢測器31檢測出的表示電動機的繞組電流的電 流檢測信號Id以及電動機位置信號Pd來求出三相的電壓指令值vu' νΛ v/并輸出到PWM 控制部59。在此，電流控制部53構(gòu)成為基于矢量控制方式的結(jié)構(gòu)，在電流控制部53內(nèi)，將 電流分離成轉(zhuǎn)矩方向的q軸電流和與其正交的d軸電流來進行處理。然后，電流控制部53 接受作為電流指令值Γ的電流的指令，算出用于向電動機繞組供給電力的電壓指令值νΛ 氺 氺 νν > vw 〇
[0012] 圖10所示的以往的電動機驅(qū)動裝置99構(gòu)成為使用這種矢量控制方式，實現(xiàn)了高 效率、低噪聲、高速響應(yīng)。
[0013] 然而，在想要直接引入矢量控制的情況下，需要如圖10所示的以往的電動機驅(qū)動 裝置99那樣，使用作為電流指令值Γ這樣的電流的指令來進行控制。因此，例如，在想要 對如圖9所示那樣的結(jié)構(gòu)引入矢量控制的情況下，需要將來自上級側(cè)的指令從占空比指令 變更為電流指令，從而存在不僅是電動機驅(qū)動裝置連上級控制器也必須變更這樣的問題。
[0014] 在國際公開第2007/132889號中，在引入矢量控制時，進行了將位于電動機內(nèi)部 的逆變器電路移至外部的室內(nèi)控制基板上、通過室內(nèi)控制基板上的微型計算機來進行由電 動機內(nèi)部的CPU進行的開關(guān)信號的生成等大幅的變更。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的電動機驅(qū)動裝置是搭載有根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制對電動機繞組施加的 電流的所謂的矢量控制的電動機驅(qū)動裝置。本電動機驅(qū)動裝置求出使所輸入的占空比指令 值與從逆變器輸出的驅(qū)動脈沖的占空比相等的電流指令或速度指令作為指令值。然后，本 電動機驅(qū)動裝置基于求出的指令值來進行矢量控制。因此，根據(jù)本電動機驅(qū)動裝置，能夠在 進行矢量控制的同時，將逆變器的輸出占空比控制為上級控制器所期望的占空比。
[0016] 由此，能夠提供一種不變更上級側(cè)的控制器而僅以電動機控制電路部的變更來搭 載矢量控制的無刷電動機的電動機驅(qū)動裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是包括本發(fā)明的實施方式1中的電動機驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0018] 圖2是內(nèi)置有本發(fā)明中的電動機驅(qū)動裝置的無刷電動機的截面圖。
[0019] 圖3是表示本發(fā)明的實施方式1中的電流指令計算部和電流控制部的詳細結(jié)構(gòu)的 框圖。
[0020] 圖4是包括本發(fā)明的實施方式2中的電動機驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0021] 圖5是表示本發(fā)明的實施方式2中的速度指令計算部、速度控制部以及電流控制 部的詳細結(jié)構(gòu)的框圖。
[0022] 圖6是表示本發(fā)明的實施方式3中的電流指令計算部和電流控制部的詳細結(jié)構(gòu)的 框圖。
[0023] 圖7是無刷電動機的等效電路圖。
[0024] 圖8是表示本發(fā)明的實施方式4中的電流指令計算部和電流控制部的詳細結(jié)構(gòu)的 框圖。
[0025] 圖9是包括以往的電動機驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0026] 圖10是通過矢量控制來控制電動機速度的情況下的以往的電動機驅(qū)動裝置的框 圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。此外，本發(fā)明并不限定于這些實施方 式。
[0028] (實施方式1)
[0029] 圖1是包括具備本發(fā)明的實施方式1中的電動機驅(qū)動裝置111的無刷電動機101 的電動機驅(qū)動系統(tǒng)的框圖。此處的電動機驅(qū)動裝置111構(gòu)成為使用基于占空比指令求出的 電流指令進行矢量控制。
[0030] 如圖1所示，本實施方式中的電動機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成為包括無刷電動機101以及對 該無刷電動機101進行控制的上級控制器12。另外，在本實施方式中，無刷電動機101構(gòu)成 為安裝有作為電動機驅(qū)動裝置111而發(fā)揮功能的電路部件。即，如圖1所示，在無刷電動機 101中，電動機驅(qū)動裝置111對電動機19進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
[0031] 在圖1中，通過整流電路21將交流電源11直流化，經(jīng)平滑電容器22平滑化之后， 該直流電壓被提供至電動機驅(qū)動裝置111內(nèi)具備的三相的逆變器。三相的逆變器將該直流 電壓交流化為任意的電壓，交流化所得的交流電壓被提供至電動機19。在本實施方式中，像 這樣以相位相互相差120度的U相、V相、W相這三相來驅(qū)動電動機19。
[0032] 圖2是表示本實施方式中的電動機19的構(gòu)造例的截面圖。如圖2所示，電動機19 具備轉(zhuǎn)子19r和定子19s。轉(zhuǎn)子19ι以軸19rl為中心地具有永磁體19r2。定子19s是在 定子芯19s 1上纏繞電動機繞組19c而構(gòu)成的。
[0033] 并且，在本實施方式中，如上所述，將作為電動機驅(qū)動裝置111而發(fā)揮功能的電路 部件191內(nèi)置于電動機19內(nèi)來構(gòu)成無刷電動機101。這些電路部件191安裝于電路基板 192,例如，為了檢測轉(zhuǎn)子191的旋轉(zhuǎn)位置，位置傳感器32也被安裝于電路基板192。在這種 構(gòu)造中，通過利用交流電力對電動機繞組19c進行通電驅(qū)動，轉(zhuǎn)子19r以旋轉(zhuǎn)自如的方式被 軸承193支承而旋轉(zhuǎn)。并且，位置傳感器32檢測轉(zhuǎn)子19r的位置，將表示所檢測出的位置 的位置檢測信號Ps輸出到電動機驅(qū)動裝置111。
[0034] 接著，上級控制器12例如設(shè)置于搭載了無刷電動機101的設(shè)備等，對無刷電 動機101的動作等進行控制。為了進行這種控制，上級控制器12具備由CPU (Central Processing Unit:中央處理單兀）或 DSP(Digital Signal Processor:數(shù)字信號處理器） 等構(gòu)成的上級速度控制部51。從這種上級速度控制部51經(jīng)由信號傳輸線將用于對電動機 19進行旋轉(zhuǎn)控制的指令通知給電動機驅(qū)動裝置111。另外，從電動機驅(qū)動裝置111向該上 級速度控制部51提供表示實際轉(zhuǎn)速的FG脈沖信號FG。
[0035] 在本實施方式中，作為來自上級控制器12的指令，占空比指令值Ef被通知至電動 機驅(qū)動裝置111的指令輸入端14,該占空比指令值礦指示基于逆變器的PWM調(diào)制對電動機 繞組19c施加的驅(qū)動脈沖的占空比。即，上級速度控制部51根據(jù)FG脈沖信號FG調(diào)整占空 比指令值1/來對電動機19中的旋轉(zhuǎn)進行控制，使得速度、風(fēng)量等成為期望的值。在此，占 空比是指在驅(qū)動脈沖等的脈沖信號中脈寬相對于脈沖周期寬度的比率。例如，在占空比指 令值Ef示出90%時，輸出一個周期中的脈寬為90%這樣的驅(qū)動脈沖。
[0036] 接著，說明電動機驅(qū)動裝置111的結(jié)構(gòu)。電動機驅(qū)動裝置111具備電流指令計算 部52、電流控制部53、PWM控制部59、逆變器23、位置檢測部34以及FG輸出部54。而且， 如上所述，從配置于電動機19的位置傳感器32向電動機驅(qū)動裝置111提供傳感器信號Ps。
[0037] 在電動機驅(qū)動裝置111中，傳感器信號Ps被提供至位置檢測部34。位置檢測部 34使用該傳感器信號Ps來算出轉(zhuǎn)子19r的位置，作為電動機位置信號Pd輸出。電動機位 置信號Pd被提供至FG輸出部54和電流控制部53。FG輸出部54基于該電動機位置信號 Pd，生成作為表示電動機19的實際轉(zhuǎn)速的信號的FG脈沖信號FG。在此，F(xiàn)G脈沖信號FG是 被稱為FG信號的與電動機的轉(zhuǎn)速成比例的頻率的脈沖信號。該FG脈沖信號FG被傳輸至 上級控制器12。
[0038] 另外，從上級控制器12通知的占空比指令值礦經(jīng)由指令輸入端14被提供至電流 指令計算部52。電流指令計算部52算出電流指令值Γ，該電流指令值Γ是使從逆變器23 輸出的驅(qū)動脈沖Uo、Vo、Wo的占空比為從上級控制器12側(cè)輸入的占空比指令值Ef所示的 占空比的值。即，電流指令計算部52作為生成使占空比指令值Ef與驅(qū)動脈沖Uo、Vo、Wo的 占空比相等那樣的指令值的指令生成部而發(fā)揮功能，作為指令值，生成作為電流指令的電 流指令值Γ。
[0039] 電流控制部53根據(jù)電流指令值Γ、由電流檢測器31檢測出的電動機繞組電流值 Idet以及由位置檢測部34算出的電動機位置信號Pd來求出電壓指令值Vu'V/、Vw%輸出 到PWM控制部59。
[0040] PWM控制部59按每相生成與從電流控制部53提供的電壓指令值Vu' Vv' V/對應(yīng) 的電壓指令信號。然后，PWM控制部59將所生成的電壓指令信號作為調(diào)制信號來分別進行 脈寬調(diào)制，以由脈寬調(diào)制后的脈沖的列構(gòu)成的驅(qū)動脈沖信號PWu、PWv、PWw輸出。
[0041] 逆變器23基于驅(qū)動脈沖信號？111、?1^?1?，按每相進行向電動機繞組19(3的通電， 對電動機繞組19c進行通電驅(qū)動。逆變器23按各相分別具備電源正極側(cè)的開關(guān)元件和負 極側(cè)的開關(guān)元件。然后，當(dāng)根據(jù)驅(qū)動脈沖信號PWu、PWv、PWw的脈沖定時來接通斷開開關(guān)元 件時，從電源經(jīng)由接通的開關(guān)元件來從各驅(qū)動輸出對電動機繞組19c提供驅(qū)動脈沖Uo、Vo、 Wo。在此，在本實施方式中，當(dāng)將驅(qū)動脈沖Uo、Vo、Wo的占空比設(shè)為占空比D時，進行反饋控 制使得占空比D為占空比指令值D'因此，本實施方式中的逆變器23以占空比指令值Ef的 占空比的驅(qū)動脈沖Uo、Vo、Wo對電動機繞組19c進行通電驅(qū)動。另外，若改變角度，驅(qū)動脈 沖Uo、Vo、Wo是以電壓指令信號進行脈寬調(diào)制所得的信號，因此本實施方式中的逆變器23 等效于對電動機繞組19c分別提供與電壓指令值Vu\ V/、Vw#對應(yīng)的驅(qū)動電壓來對其進行 通電驅(qū)動。
[0042] 接著，進一步詳細地說明電流指令計算部52和電流控制部53。圖3是表示本實施 方式中的電流指令計算部52和電流控制部53的詳細結(jié)構(gòu)的框圖。在本實施方式中，通過 將電流指令計算部52構(gòu)成為圖3所示的結(jié)構(gòu)，來算出對電流控制部53提供的電流指令值 Γ，以使得占空比指令值礦與作為逆變器23的實際輸出的驅(qū)動脈沖Uo、Vo、Wo的占空比之 差為零。
[0043] 相電壓的振幅Vph amp與d軸電壓vd、q軸電壓之間的關(guān)系以下面的（式1)表示。

【權(quán)利要求】
1. 一種電動機驅(qū)動裝置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制對電動機繞組施加的電流，該電動機 驅(qū)動裝置的特征在于， 生成使所輸入的占空比指令值與從逆變器輸出的驅(qū)動脈沖的占空比相等的指令值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機驅(qū)動裝置，其特征在于， 上述指令值為電流指令。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機驅(qū)動裝置，其特征在于， 上述指令值為速度指令。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機驅(qū)動裝置，其特征在于， 通過進行反饋控制使得所輸入的上述占空比指令值與上述驅(qū)動脈沖的上述占空比之 間的偏差為零，來生成上述指令值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動機驅(qū)動裝置，其特征在于， 通過基于電動機等效電路的逆模型進行計算來生成上述電流指令。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動機驅(qū)動裝置，其特征在于， 通過將進行反饋控制使得上述占空比指令值與上述驅(qū)動脈沖的上述占空比之間的偏 差為零時的反饋控制的操作量和基于電動機等效電路的逆模型計算出的電流值相加，來生 成上述電流指令。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機驅(qū)動裝置，其特征在于，具備： 指令輸入端，其被輸入上述占空比指令值，該占空比指令值用于指示驅(qū)動上述電動機 繞組的上述驅(qū)動脈沖的占空比； 指令生成部，其生成使輸入到上述指令輸入端的上述占空比指令值與上述逆變器輸出 的上述驅(qū)動脈沖的占空比相等的上述指令值； 電流控制部，其算出用于對上述電動機繞組進行通電控制的電壓指令，使得以按照上 述指令值的電流向上述電動機繞組通電；以及 上述逆變器，其對上述電動機繞組施加以與上述電壓指令相應(yīng)的占空比進行PWM調(diào)制 所得的上述驅(qū)動脈沖。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電動機驅(qū)動裝置，其特征在于， 上述電流控制部按照上述指令值，基于將上述電動機的電流分離為正交的d軸電流和 q軸電流來進行控制的電流矢量控制，來對上述電動機繞組進行通電控制。
9. 一種無刷電動機，內(nèi)置有根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機驅(qū)動裝置。
【文檔編號】H02P21/00GK104104294SQ201410143423
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月11日
【發(fā)明者】園田大輔, 加藤康司, 橫內(nèi)保行, 阪本充弘 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社