马达控制元件及电气设备的制作方法

专利名称：马达控制元件及电气设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来驱动控制马达的马达控制元件及使用该马达控制元件的电气设备。
背景技术：
以往，为了驱动控制马达，使用微处理器或DSP (Digital Signal Processor)。在
使用微处理器或DSP将软件编码的情况下，软件的设计者由于需要将有关矢量控制的许多功能块软件化，所以需要熟练技术，开发日数及规格要求的达成度受技术者的技能、 软件的编程、编码的经验值影响。为了解决这样的问题，开发了将马达的控制顺序全部硬件化的技术。例如，开 发了多个动作控制模块由ζ转换的数字硬件构成、通过以设定的顺序使定序器执行这些动 作控制模块等来控制马达的技术。在此情况下，不需要开发软件，设定参数变少，所以 能够简单地控制马达，并且能够比由软件构成更高速地执行。但是，在这样的技术中， 由于用来进行控制动作的模块被硬件化，所以使用元件的用户不能追加想要的特有的功 能，难以在需要特有的处理的产品中使用。

发明内容
根据技术方案，以马达控制元件作为对象，该马达控制元件设有多个功能部， 该多个功能部具备指令电压生成部，生成指令d轴电压、指令q轴电压；电压运算处 理部，基于上述指令电压生成部生成的指令d轴电压、指令q轴电压，对由开关元件构 成、用来驱动马达的逆变器输出通电信号；电流检测部，通过上述电压运算处理部对逆 变器输出通电信号，检测流过上述马达的绕线的电流；输入电流运算部，基于上述电流 检测部的检测电流，求出作为励磁成分的电流的d轴电流和作为转矩成分电流的q轴电 流；速度信息生成部，基于马达常数、上述指令电压生成部的d轴电压、q轴电压、上述 输入电流运算部的d轴电流、q轴电流中的至少某一个参数，推测上述马达的旋转速度， 或者检测上述马达的旋转速度，输出旋转速度信号；以及位置信息生成部，基于上述速 度信息生成部输出的旋转速度信号输出转子的位置信息；构成为，经由上述逆变器驱动 控制上述马达。该马达控制元件具备执行由使用者或制造者等提供的控制软件的处理器；上述 多个功能部中至少一部分由硬件构成。由上述硬件构成的功能部具备输入用寄存器、输出用寄存器、内部变量寄存 器、内部常数寄存器等的至少一个参数保持部；上述参数保持部构成为，能够从上述处 理器进行读出/写入。由上述硬件构成的功能部构成为，沿着预先设定的顺序动作。在上述中，所谓 马达常数，表示马达电阻值、电感值、感应电压系数。


图1是表示第1实施方式的马达控制系统的功能块图。图2是3分路检测方式的电流检测部的电结构图。图3是马达控制阶段的状态变迁图。图4是表示控制动作指令和动作处理例的表。图5是表示控制动作指令的设定例的表。图6是表示输入输出处理和其顺序的图。图7是表示控制软件的主处理的流程图。图8是表示控制软件的中断处理的流程图。图9是表示第2实施方式的对应于图1的图。图10是表示第3实施方式的对应于图1的图。图11是1分路检测方式的电流检测部的电结构图。图12是表示电压矢量、通电式样与直流电流的控制对应的图。图13是α β坐标系中的电压矢量的说明图。图14是表示3分路检测方式和1分路检测方式的切换处理的流程图。图15是表示第4实施方式的块图。图16是第4实施方式的动作说明图。
具体实施例方式(第1实施方式)以下，参照图1至图8对第1实施方式进行说明。图1通过功能块表示矢量控制马达的旋转的马达控制系统的结构。马达1例如 由三相IPM (Interior Permanent Magnet)马达构成。在矢量控制技术中，将流到电枢绕线
中的电流分离为永久磁铁的磁束方向、和与其正交的方向，独立地调节它们而控制磁束 和产生转矩。在电流控制技术中，该控制使用用与马达1的转子一起旋转的dq坐标系表 示的d轴电流(励磁电流)、q轴电流(转矩成分电流)进行。如图1所示，马达控制元件2在功能上具备速度控制部3、电流控制部4、dq/ α β坐标转换器5、α β/UVW坐标转换器6、PWM信号形成部7、电流检测部8、A/ D转换部9、UVW/α β坐标转换器10、α β/dq坐标转换器11、位置推测部12、SIN/ COS运算部13，在稳定状态下以上述标号顺序进行顺序控制动作。另外，由处理器P执行的控制软件实现的结构部如图中虚线所示，由硬件H实 现的结构部在图中用实线表示。速度控制部3是将减法器14与基于该减法器14的减法结 果进行PID控制的PID控制器15连接而构成的，PID控制器15输出指令d轴电流Idref、 指令q轴电流Iqref。此外，电流控制部4由减法器16d、16q、PID控制器17d、17q构成。减法器16d
从由速度控制部3给出的指令d轴电流Idref减去d轴电流Id而求出d轴电流偏差Δ Id。 减法器16q从由速度控制部3给出的指令q轴电流Iqref减去q轴电流Iq而求出q轴电流 偏差Δ Iq。PID控制器17d执行对d轴电流偏差Δ Id的PID运算，生成用d_q坐标系表 示的指令d轴电压Vd。此外，PID控制部17q执行对q轴电流偏差Δ Iq的PID运算，生成用d_q坐标系表示的指令q轴电压Vq。dq/ α β坐标转换器5将指令d轴电压Vd及指令q轴电压Vq转换为用α - β坐 标系表示的值，进而，α β/UVW坐标转换器6将由该α-β坐标系表示的值转换为定子 的各相指令电压Vu、Vv> V w。另外，在dq/α β坐标转换部5的坐标转换的计算中， 使用转子的推测旋转角度θ e。另外，对于α β /UVW坐标转换器6，还给出后述的逆变器电路20的DC电源 电压Vdc，也考虑该电源电压Vdc而输出各相指令电压Vu、Vv> Vw。各相指令电压Vu、Vv> Vw被输入到PWM信号形成部7中。PWM信号形成 部7形成用来供给与指令d轴电压Vd及指令q轴电压Vq —致的电压的脉冲宽度调制后 的栅极驱动信号。马达控制元件2通过将该栅极驱动信号施加在逆变器电路20上而驱动马达1。图 2概略地表示电流检测部的电结构。如该图2所示，逆变器电路20是将IGBT21 (21uu> 21ud、21vu、21vd、21wu、21wd)(开关元件)3相桥接、作为硬件Ha构成的电压型逆变 器，在下臂侧的IGBT21ud、21vd、21wd与负侧的直流电源线之间分别连接着分路电阻 Ru、Rv、Rw。在各IGBT21上分别逆并联连接着回流二极管D。在本实施方式中，根据各分路电阻Ru、Rv、Rw的端子电压检测流到马达1的 各相(U相、V相、W相)中的电流Iu、Iv、Iw,由此构成3分路型的电流检测部8 (标 号 A3)。将由PWM信号形成部7形成的栅极驱动信号传递给构成逆变器电路20的各 IGBT21,由此生成与各相指令电压Vu、Vv> Vw—致的PWM调制后的三相交流电压， 施加在马达1的电枢绕线上。电流检测部8检测电流Iu、Iv、Iw,而A/D转换部9将这些电流Iu、Iv、Iw进 行A/D转换，UVW/ α β坐标转换器10将A/D转换后的电流Iu、Iv、Iw转换为2相电 流I α、I β。 α β /dq坐标转换器11将这些2相电流I α、I β转换为d轴电流Id、q轴 电流Iq。 α、β表示固定在马达1的定子的2轴坐标系的坐标轴。当进行该α β/dq 坐标转换器11的坐标转换的计算时，使用后述的转子的推测旋转角度9e(a轴与d轴的 相位差的推测值)。位置推测部12将其功能分为旋转角推测例程18、位置推测例程19，输入d轴电 流Id、q轴电流Iq及指令d轴电压Vd，利用该输入值推测作为转子的旋转角度θ (旋转 位置)的推测值的推测旋转角度9e(推测旋转位置)、和作为旋转速度ω的推测值的推 测旋转速度《e。在位置推测部12中，存储有作为马达1的电路常数的电枢绕线的d轴 电感Ld、q轴电感Lq及绕线电阻值R的各值。处理器P在位置推测部12的旋转角推测例程18中，利用这些输入值及电路常 数，基于下述(1)式通过软件计算d轴方向的感应电压推测值Ed。Ed = Vd-R · Id-Ld · s · Id+ωε · Lq · Iq ... (1)这里，s表示微分运算符。处理器P在位置推测部12的旋转角推测例程18中， 执行对应于该感应电压推测值Ed的PID运算，输出转子的推测旋转速度(相当于旋转 速度信号)。如果使用该推测方法进行后述的速度控制，则d轴方向的感应电压推测值 Ed收敛于零。位置推测例程19由处理器P执行的积分例程的软件构成，将求出的推测旋转速度积分而输出推测旋转角度θ e(相当于转子的位置信息)。将推测旋转速度传 递给速度控制部3。处理器P将推测旋转角度θ e输出 给SIN/COS运算部13。SIN/COS运算部13进行对应于推测旋转角度θ e的三角函数运 算，或者参照三角函数表，将该三角函数值施加在dq/α β坐标转换器5及α β/dq坐标 转换器11上，进行反馈控制。将从外部的控制装置(未图示)输出的指令旋转速度《ref付与速度控制部3。 减法器14从指令旋转速度《ref减去由位置推测部12推测的推测旋转速度《e，求出速 度偏差Δ ω，付与PID控制器15。PID控制器15执行基于速度偏差Δ ω的PID运算， 生成指令q轴电流Iqref。将这些指令d轴电流Idref、指令q轴电流Iqref付与电流控制 部4。电流控制部4进行控制，以使马达1的d轴电流Id及q轴电流Iq分别与指令d轴 电流Idref、指令q轴电流Iqref—致。进行这样的控制的结果是，推测旋转速度与指 令旋转速度《ref—致。在上述结构中，通过减法器16d、16q及PID控制器17d、17q的PID运算进行反
馈控制。由此，进行控制，以使d轴电流Id及q轴电流Iq分别与指令d轴电流Idref、 指令q轴电流Iqref—致。它们中的速度控制部3、位置检测部12通过处理器P执行控制软件而进行其动 作，其他的电流控制部4、dq/ α β坐标转换器5、α β /UVW坐标转换器6、PWM形 成部7、电流检测部8、A/D转换部9、UVW/α β坐标转换器10、α β/dq坐标转换器 11、SIN/COS运算部13由硬件H构成。此外，逆变器电路20 (逆变器)由与马达控制 元件2不同的硬件H构成。硬件H使用能够变更、改变逻辑电路的PLD (Programmable Logic Device)、 FPGA (Field-Programmable Gate Array)等通过硬件记述语言等的记述而设计，在量产时
被作为不能进行通过软件的控制算法改变的半导体设备硬件化，沿着预先设定的顺序动 作。此外，该硬件H除了从处理器P进行参数设定及触发设定(开始指示、停止指示) 以外，可以根据需要独立动作而构成。马达控制元件2的制造者对于其使用者容易发挥独创力的块或将来容易伴随着 设计变更的功能部，能够用处理器P能够实现的软件构建而提供。特别是，在以输入对 输出为1对1、多对多等的关系进行矢量控制处理的功能部、不能考虑使用者的技术诀窍 的功能部，可以进行硬件化。在构成硬件H的各功能部Al A4的结构部4 11、13内，虽然没有图示但确 保有能够从处理器P访问(读出/写入)的寄存器，该寄存器能够保持处理器P与硬件H 之间的输入输出参数、以及各结构部4 11、13内部使用的内部常数及内部变量。另外，速度控制部3、电流控制部4构成指令电压生成部Al。dq/αβ坐标转 换器5、α β/UVW坐标转换器6、PWM形成部7构成电压运算处理部A2。UVW/ α β 坐标转换器10、α β/dq坐标转换器11构成输入电流运算部Α4。旋转角推测例程18构 成速度信息生成部A5，位置推测例程19构成位置信息生成部A6。这些块Al A6分 别相当于功能部。另外，在本实施方式中电流检测部8构成为电流检测部A3，但也可以 是A/D转换部9既构成为电流检测部A3也构成为输入电流运算部A4。以下，作为本实施方式的马达控制元件的使用例，参照图3至图8对从马达的停止状态到转移到稳定旋转状态的控制的流程进行说明。另外，马达控制元件2的使用者 通过使用该控制方法能够稳定驱动马达1，但由于在利用硬件H的同时能够自由改变控制 软件而构成，所以能够应用到各式各样的应用例中。 图3表示马达从停止状态到稳定旋转状态的状态变迁图，表示马达控制元件2的 应用例。为了使马达1初始动作，需要监视马达1的动作，按照马达1的状态进行需要 的处理。所以，将马达1的初始动作分割为多个阶段进行控制。这是因为，按照马达1 的控制阶段，所需要的处理不同。在图3所示的状态变迁图中，马达1的控制阶段被分为 停止/零电流检测阶段、定位阶段、强制换流阶段、强制稳定切换阶段、稳定阶段。在 各阶段中，仅执行对应于该阶段的软件和硬件H的动作处理。马达1在停止/零电流检测阶段中为停止状态。在该阶段中，求出在停止状态 中连续电流零时的A/D转换结果，作为马达1的电流的偏移值(零电流检测)。在接着 的定位阶段中，使电流流到马达1的线圈中，使转子的位置固定在零附近。如果定位时 间经过，则转移到下个阶段。在强制换流阶段中，使转子旋转。在该阶段中，不是通过矢量控制的反馈处 理，而通过强制施加旋转磁场，转子追随于此旋转。在角速度指令值达到了最低频率的 情况下，转移到下个阶段。在强制稳定切换阶段中，马达1进行从强制换流向稳定状态的切换处理。不论 转子的位置如何都将驱动的马达1匹配于转子的位置而驱动。在经过了强制稳定切换时 间的情况下，转移到接着的稳定阶段。图4通过表表示控制动作指令和动作处理例。如图4所示，控制动作指令分为 多个，能够根据该指令切换处理器P的控制动作及硬件H的控制动作的有效/无效。另 夕卜，该图4所示的控制动作指令中的触发生成部是生成为了管理输入输出处理而使用的 触发的功能部，由软件或硬件H实现。控制动作指令“0”为能够指令使各功能部的顺序处理变为无效而各功能部独立 动作的模式的命令。控制动作指令“1”为能够指令使所有功能部的控制动作为有效而 使各功能部的顺序处理为有效的模式的命令。控制动作指令“2”为能够指令仅使上述说明的功能部中的电流控制部4的控制 动作为无效而使其他功能部的顺序处理为有效的模式的命令。控制动作指令“3”为能 够指令仅使PWM信号形成部7、A/D转换部9 (电流检测部8)的控制动作为有效的模式 的命令。图5通过表表示控制动作指令的设定例。如图5所示，表示在停止状态/零电流检测状态(停止/零电流检测阶段)中使 用控制动作指令“3”作为命令，在其后的定位状态(定位阶段)、强制换流状态(强制 换流阶段)、强制稳定切换状态(强制稳定切换阶段)、稳定状态(稳定阶段)中使用控 制动作指令“1”作为命令。在图5中，也表示输出控制动作(反馈控制动作)的有效 /无效、零电流检测动作的有效/无效、相位插补许可/不许可的设定例。在停止状态/零电流检测状态中，通过使输出控制动作(反馈控制动作)无效化 而停止PWM控制动作。此外，仅在零电流检测状态下使零电流检测有效化，设定为使 其仅在强制换流状态下许可相位插补。该图4及图5那样的控制动作设定表存储在由控制软件参照的存储器内，处理器P能够根据控制软件，一边监视马达1的动作状态一边参 照控制动作设定表来控制马达1的动作。 图6对动作处理和其变迁表示概略的流程。如图6所示，各动作被分配给输出处理及输入处理，执行这些处理。作为输 出处理，分为电流控制处理、SIN/COS运算处理、输出坐标轴转换处理、输出相转换处 理、输出控制处理、触发生成处理这6种。作为输入处理，分为A/D转换处理、输入相 转换处理、输入坐标轴转换处理这3种。这些动作除了在控制动作指令中进行了无效设 定的动作以外，按照决定的顺序执行。<触发发生中断处理>说明触发发生中断处理的概要。上述处理从在控制动作指令的命令中进行了有 效设定的动作开始，如果与输出关联的动作全部结束，则待机用来执行输入处理的启动 触发。如果发生输入处理的启动触发，则对输入处理从A/D转换处理起依次执行。输 入处理通过启动触发开始动作。然后，通过控制动作指令的命令执行输出处理。这样反 复进行控制动作。图7及图8的流程图主要表示处理器P进行的控制软件的处理的概要。<主处理>在图7所示的主例程中，处理器P按照一定时间重复控制(Tl T6)。该一定 时间，通过中断处理时间(中断处理次数X中断间隔)设定。处理器P按照该一定时间 执行由用户制作的控制软件的动作(T3)、阶段的切换(T4)及通用处理(T5)、阶段处理 (T6)。该阶段处理是停止/零电流检测处理、定位处理、强制换流处理、强制稳定切换 处理、稳定处理的某种处理。<中断处理>图8所示的中断处理在本实施方式中按照PWM信号的周期进行。在该中断处理 中，将中断处理次数增加(Ul)，将最新的A/D转换结果代入到寄存器中(U2)。接着， 处理器P通过执行控制软件而处理角度计算处理(U3)及速度控制处理(U4)等。在各阶段处理中，判断是否是该阶段处理(U5 U9)，将对应于该阶段处理的 控制动作指令设定设置为命令(U10 U15)。处理器P在将控制动作指令设置为命令之 后，将输出处理指令设为开启(U16)，对硬件H赋予动作的开始指令。于是，硬件H执 行被指定的输入输出处理(U17)。在硬件H执行了输入输出处理之后，将中断请求清空 (U18)。以下，表示对硬件H设定的参数设定的应用例。<应用例1 短路制动控制，再生制动控制>为了实现短路制动，需要将指令d轴电压Vd、指令q轴电压Vq设为0。在此 情况下，从处理器P使软件的速度控制部3、硬件H的电流控制部4的动作无效化，将指 令d轴电压Vd、指令q轴电压Vq的参数设定值都直接设为0，设定在该电压值输入寄存 器中。于是，硬件H能够通过直接驱动控制逆变器电路20来实现短路制动。同样，处 理器P通过调节指令dq轴电压Vd、Vq的参数设定值能够实现再生制动。<应用例2:自由运转>为了实现自由运转(free ran)，需要将指令d轴电流Idref、指令q轴电流Iqref都设为O。在此情况下，从处理器P使软件的速度控制部3的动作无效化，将指令d轴电流 Idref、指令q轴电流Iqref的参数设定值都直接设为0，设定在电流值输入寄存器中。于 是，能够从硬件H经由逆变器电路20使马达1自由运转。如这样的应用例1、应用例2所示，处理器P能够分别将指令d轴电流Idref作为 指令d轴电流值、将指令q轴电流Iqref作为指令q轴电流值写入到电流值输入寄存器中、 将指令d轴电压Vd作为指令d轴电压值、将指令q轴电压Vq作为指令q轴电压值写入 到电压值输入寄存器中，所以能够简单地实现各种功能(例如短路制动、再生制动、自 由运转等)。如以上说明，根据本实施方式，电流控制部4、dq/αβ坐标转换部5、α β/ UVW坐标转换器6、PWM形成部7、电流检测部8、A/D转换部9、UVW/α β坐标转 换器10、α β /dq坐标转换器11、SIN/COS运算部13由硬件H构成。该硬件H作为对 使用者通用的固定处理部分构成，由此能够实现高速化。并且，由于位置推测部12、速 度控制部3由软件构成，所以马达控制元件2的使用者能够容易地进行改变，能够提高使 用者的控制方法的自由度。使用者通过构成控制软件以补偿硬件H的动作，能够控制马 达1，所以使用者能够构成实现各种应用的马达控制装置(电气设备)。由于能够由处理器P切换硬件H的各部分的动作的有效/无效，所以使用者能够 容易地构成各种控制软件。由于处理器P通过对硬件H的寄存器写入对应于控制的指令值，能够选择多个 控制动作，所以处理器P能够简单地指令控制动作。以往，马达1的控制处理如果不能以规定频率(例如8kHz、16kHz)、在规定秒 (例如64微秒)期间中全部执行规定处理，则难以进行准确且精密的控制。在马达1的 驱动控制的技术领域中，仅由基本的控制处理就消耗了大半的时间(例如40微秒左右)。 并且，在开关频率较低的情况下容易发生刺耳的噪声，所以希望使上述规定频率为高频率化。例如，如果不进行硬件H的处理而仅通过控制软件还构建上述硬件H的处理， 使用者想要附加产品固有的应用而作为产品提供，则在剩余的较少的时间中附加应用方 面产生限制。此外，如果为了避免这样的不良状况而降低上述规定频率，则成为产生刺 耳的马达驱动音的原因。根据本实施方式，由于除了处理器P以外还使用硬件H构成，所以能够大幅地 缩短处理时间，使用者能够附加想要的应用而作为产品提供。由此，能够大幅地提高马 达的控制分解度，容易不发生刺耳的马达驱动音而驱动控制马达1。根据本实施方式，由于将马达控制元件2的功能部Al A6中的一部分作为硬 件H、将其他部分作为处理器P执行的软件而构成，所以处理器P通过对硬件H设定参 数，能够使硬件H和处理器P执行的软件同时动作。S卩，如果将所有的功能部Al A6用处理器P执行的软件、或硬件H构成，则 成为进行按照规定的流程的顺序处理，结果使处理时间需要所需以上。 如本实施方式所示，由于将马达控制元件2中的一部分通过硬件H、将其他通 过处理器P执行的软件而构成，所以能够同时进行矢量控制运算处理，能够使处理高速 化。即，在维持处理的高速化的同时，使用者的功能追加的自由度提高。这是包括以下所述实施方式的实施方式共同的效果。(第2实施方式) 图9是表示本发明的第2实施方式的图，与上述实施方式不同的地方是没有将电 流控制部作为硬件H设置，而用处理器P能够执行的软件构成。另外，由于将马达控制 元件的结构与上述实施方式进行了变更，所以附图中的标号代替上述实施方式的马达控 制元件2而设为马达控制元件22。在上述实施方式中，仅将速度控制部3和位置推测部12通过处理器P执行的控 制软件实现，但在本实施方式中能够将电流控制部4也作为软件构成。这是因为，如果 使用硬件H的电流控制部4，则有控制难以追随于高速旋转动作的情况，通过使处理器 P能够直接通过控制软件设定指令d、q轴电压Vd、Vq,容易使控制追随于高速旋转动 作。此外，这是因为有在电流控制部4的构成方法中也包括对应于使用者的使用用 途的技术诀窍的情况，是为了满足不需要电流控制部4的作为硬件H的供给的用户的要 求。即，速度控制部3、电流控制部4为根据使用用途而发挥使用者的技术诀窍等的功能 部。根据本实施方式，电流控制部4也可以由软件构成，所以用户的设计自由度提高。(第3实施方式)图10至图14是表示本发明的第3实施方式的图，与上述实施方式不同的地方 是，可切换3分路检测方式和1分路检测方式而构成、可从软件进行切换设定而构成。对 于与上述实施方式相同的部分赋予相同的标号而省略说明，以下以不同的部分为中心进 行说明。在本实施方式中，如图10所示，设有代替马达控制元件2的马达控制元件30。 如该图10所示，代替3分路型的电流检测部8，设有具备1分路型检测方式和3分路型检 测方式的电流检测方式的两方式、能够以该两方式检测电流的电流检测部25、以及将该 电流检测部25的检测结果进行A/D转换的A/D转换部29。此外，代替α β/UVW坐标转换器6而设有采用对应于两检测方式的驱动方式 的信号生成部23。构成为，使切换1分路型和3分路型的驱动方式的切换器23a对信号 生成部23赋予指示信号，通过该切换器23a对信号生成部23切换指示，信号生成部23 切换1分路型和3分路型，将各相指令电压Vu、Vv、Vw输出给PWM信号形成部24。 PWM信号形成部24具备与PWM信号形成部7同样的功能。关于3分路型的功能已在 第1实施方式中说明，所以省略说明。图11对于1分路型检测方式的电流检测方式表示概略的电结构图，以下对1分 路型检测方式概略地说明。如图11所示，代替上述实施方式的电流检测用电阻Ru、Rv、 Rw而在GND电源节点串联地配置有分路电阻Ra。图10中的信号生成部23的1分路型驱动部通过所谓空间矢量法按照PWM周 期选择构成电压指令矢量Vr的基本矢量和零矢量，执行PWM修正处理，将信号输出给 PWM信号形成部24。PWM信号形成部24从信号生成部23输入信号，生成对逆变器电 路20的各栅极赋予的驱动信号。按照各相，将上臂侧的IGBT21UU、21vu> 21wu开启的驱动状态用“1”表示， 将下臂侧的IGBT21ud、21vd、21wd开启的驱动状态用“0”表示，通过将其以U相、V相、W相的顺序排列，能够表示逆变器电路20能够输出的两个零矢量和6个基本电压矢量。在图12 中，考虑 6 个基本电压矢量(100)、(011)、(010)、(101)、(001)、 (110)、和零矢量(111)、(000)的合计8个通电式样。另外，如图13所示，6个基本电 压矢 量在α β坐标中相互具有60°的相位差。此时，如果将图11所示的电流Iu、Iv、Iw的箭头方向定义为正方向，则在8个 通电式样的通电时，流到检测用电阻Ra中的直流电流成为图12所示那样。由该图12 可知，在根据IGBT21的开启和关闭的组合决定的8个驱动状态中的对应于6个基本矢量 的驱动状态时，等于+Iu、-Iu、+Iv、-Iv、+Iw> -Iw的某个的电流流到电阻Ra中。因 而，在处理器P中，能够基于由电流检测部25检测到的电流和当前的逆变器20的驱动状 态检测图12所示的相电流。PWM信号形成部24通过空间矢量法，按照PWM周期，选择两个相邻的相位差 60°的基本电压矢量和1个零矢量，将它们组合以使开关次数变少，对逆变器电路20输 出信号。在某个PWM周期中，为了检测全部相的电流Iu、Iv、Iw,在该周期中需要存 在对应于不能为同相位或反相位的关系的两种基本矢量的驱动期间。由此，能够对应于各基本矢量而检测不同的2相的电流，剩余的一相的电流可 以根据Iu+Iv+Iw = 0的关系式通过运算求出。该检测方式与在上述实施方式中说明的3 分路检测方式相比硬件的电路结构变得简单，所以是优选的。图14表示1分路检测方式和3分路检测方式的切换顺序，概略地表示进行了 A/ D转换的触发中断后的处理。如图14所示，如果A/D转换的触发中断产生，则电流检测部25进行电流检测 处理，位置检测部12进行角度计算处理，速度控制部3进行速度控制(VI V3)。然 后，电流控制部4进行电流控制处理，SIN/COS运算部13进行运算，dq/α转换部5进 行dq/ α β转换处理(V4 V6)。然后，在硬件H内，切换部23a通过参照驱动切换寄 存器，判断是1分路驱动电流检测方式还是3分路驱动电流检测方式(V7)，信号生成部 23进行配合于该方式的α β/UVW转换处理(V8、V9)，对PWM信号形成部24输出该 结果。然后，PWM形成部24生成PWM信号(VlO)，对逆变器电路20输出PWM信 号。接着，触发生成部生成触发并输出(VII)，如果有中断，则A/D转换部29(电流检 测部25)通过参照驱动切换寄存器而判断是1分路驱动电流检测方式还是3分路驱动电流 检测方式(V12)，进行配合于该方式的A/D转换处理(V13、V14)。接着，UVW/α β 坐标转换部10进行UVW/ α β转换处理(V15)，α β/dq坐标转换部11进行α β /dq转 换处理(V16)，重复上述控制。信号生成部23、A/D转换部29 (电流检测部25)通过参照该硬件H内的驱动切换 寄存器，能够分别切换1分路驱动电流检测方式、3分路驱动电流检测方式而进行驱动、 电流检测。根据本实施方式，从处理器P写入到驱动切换寄存器中，信号生成部23、A/D 转换部29能够切换为对应于该驱动切换寄存器的驱动电流检测方式而进行驱动、电流检 测，能够容易地切换驱动方式、电流检测方式。
(第4实施方式)图15及图16是表示本发明的第4实施方式的图，与上述实施方式不同的地方 是，马达控制元件通过具备多个相同的电路而具备多个控制信道、能够通过多个信道管 理多个马达。对于与上述实施方式相同的部分赋予相同的标号而省略说明，以不同的部 分为中心进行说明。图15表示将多个马达连接在马达控制元件的输出上的连接形态。如该图15所 示，代替马达控制元件2的马达控制元件26具有多信道功能，具备多个输出电路(驱 动电路MDO、MDU MD2 (MD MotorDriver))及多个输入电路(A/D转换部ADO、 AD1、AD2)。这些多个驱动电路分别具备输入输出接口，具备多个在上述实施方式中表 示的硬件结构(例如图1的硬件H的结构)。S卩，具备多个相同结构的硬件H。此外，在处理器P2侧搭载有存储器，在该存储器中存储有多个控制软件SoftO、 SoftU Soft2。处理器P2能够执行控制软件SoftO、SoftU Soft2的某个。如图16所 示，通过处理器P2执行1个控制软件SoftO，能够有选择地驱动控制多个驱动电路MDO、 MDU MD2,再用1个驱动电路MDO有选择地驱动控制多个马达1、1、……。具体而言，在上述实施方式中说明的触发产生中断处理中，从输出处理结束到 开始输入处理发生待机时间。所以，能够利用该空闲时间多任务地执行其他信道的输入 输出处理。根据本实施方式，通过硬件H2具备多个相同的驱动电路MDO、MDU MD2而 具备多个控制信道，能够控制多个马达1、1、……，所以能够实现马达控制时间的缩 短，并且通用性也提高。以下，举出具体例。电气设备有使用两个或两个以上微型计算机的结构。例 如，有洗衣机使用使洗衣槽旋转的马达和压缩机用马达、空调机使用压缩机用马达和室 外机用风扇马达等的情况。在这样的电气设备中，一般作为马达控制元件需要设计两个 以上控制元件，但如果使用本实施方式的结构，则马达控制元件26能够单独驱动控制多 个马达1、1、……。<控制动作指令的参数、参照用参数的例子> 以下，表示控制动作指令的参数和参照用参数的一例。需要注意的是，如果这 些参数设定值既有能够在上述实施方式中使用的参数，也有如后述其他实施方式所示那 样能够通过连接外接部件(编码器等)而设定或参照的参数。作为处理器P在控制软件中使用的变量参数，准备主周期定时计数器、复位待 机时间计数器、复位参数、AD输入值、驱动旋转速度、旋转位置指令值、马达控制指令 值、前次马达控制指令值、启动d轴电流指令值、启动q轴电流指令值、强制换流时的驱 动转速加减速限制、稳定时的驱动转速加速限制、稳定时的驱动转速减速限制、直流励 磁时间的长度、强制稳定切换待机时间、初始马达位置、马达阶段、马达阶段履历、马 达阶段变迁、阶段内计数器、中断处理马达阶段、命令(马达开启关闭标志、角速度的 PI运算标志、编码器输入标志)、马达角速度指令值、指令d轴电流值Idref、指令q轴电 流值Iqref、旋转位置指令值、马达状态(EMG状态、过电流状态、Vdc电压状态)、d轴 电流基准值、q轴电流基准值、q轴电流指令值(积分值)、马达角速度、马达角速度积 分值、马达角速度偏差、马达角速度、马达电角、编码器计数值、编码器计数值保存、编码器计数值偏差等、与马达1的动作有关的参数。此外，作为处理 器P在控制软件中使用的常数参数，准备主脉冲、启动q轴电流 指令值、启动d轴电流指令值、马达绕线电阻、马达q轴电感、马达d轴电感、马达感应 电压、马达极数、最大输入电流值、电流错误值、d轴电流限制值、q轴电流限制值、最 大启动电流值、PWM周期、PWM载波频率、DC最大电压、DC电压限制、最大频率、 限制频率、最小频率、驱动器控制期间、频率控制比例增益、频率控制比例积分增益、 分解器轴倍角、编码器脉冲数、脉冲计数、强制换流时的加速减速限制、稳定时的加速 限制、稳定时的减速限制、直流励磁时间的长度、强制恒常切换后待机时间的长度、处 理间隔、主函数循环处理、正转/反转、复位后等待时间等、与马达1的动作有关的参 数。此外，作为硬件H存储在寄存器中，能够从外部读出或/及写入的变量参数，准 备动作控制模式、动作指定、动作处理选择、旋转速度、指令d轴电流值(电流值输入寄 存器)、指令q轴电流值(电流值输入寄存器)、d轴电流值、q轴电流值、指令d轴电压 值(电压值输入寄存器)、指令q轴电压值(电压值输入寄存器)、马达相位、d轴基准 值、q轴基准值、CPU启动触发选择、U相电流A/D转换结果、V相电流A/D转换结 果、W相电流A/D转换结果、DC电源电压值Vdc等。此外，作为硬件H存储在寄存器中，能够从外部读出或/及写入的常数参数， 准备马达控制信道模式选择寄存器、端口输出模式寄存器、MD控制寄存器、模式选择寄 存器、MD输出设定寄存器、触发控制寄存器、触发输出模式设定寄存器、紧急(EMG) 解除寄存器、紧急控制寄存器、无感时间寄存器、硬件的有效/无效、MD输出控制 (MDOUT)、流控制、PWM周期速率、PWM周期、PWM周期寄存器、处理重复次数、 启动触发模式、错误中断的许可/禁止、强制结束、d轴电流控制PID积分项系数、d轴 电流控制PID比例项系数、d轴电流控制PID微分项系数、q轴电流控制PID积分项系 数、q轴电流控制PID比例项系数、q轴电流控制PID微分项系数、在2相调制中的轴 PWM许可时的切换速度、最小脉冲宽度、监视器控制、A/D转换时间、MD控制EMG 恢复、软件程序寄存器、A/D模式设定寄存器、MD触发用程序号码选择寄存器、MD触 发用程序寄存器、MD触发用中断选择寄存器等。这些变量、常数参数是使用者能够根据需要而在上述实施方式或后述的其他实 施方式中使用的参数，可立即对应于硬件的重组、规格变更等而构成，优选的是能够由 控制软件进行设定或/及参照。(其他实施方式)本发明并不限定于上述实施方式，例如可以进行以下所示的变形或扩展。只要多个功能部Al A6(结构部4 15、16d、16q、17d、17q)中的至少一部 分由硬件H构成就可以。表示了位置推测部12作为软件装入的实施方式，但该马达控制元件2的使用者 也可以代替位置推测部12而外装分解器、回转式编码器等的各种角度传感器而作为位置 检测部使用。也可以设置霍尔IC作为位置检测部。在此情况下，使用者不需要制作位 置推测部12。此外，由于这些可以配合马达应用的用途而选择，所以使用者的设计自由 度提高。这是位置推测部12没有作为硬件构成在马达控制元件2内的理由之一。
BP,在使用者将角度传感器外装在马达控制元件2上而构成在马达1中的情况下，也有按照元件的使用者而位置推测技术诀窍不同的情况，所以速度信息生成部A5、 位置信息生成部A6也可以构成为，不由硬件构成在马达控制元件2内部中、而通过处理 器P能够执行的控制软件来实现。也可以是，当由硬件H构成的功能部沿着预先设定的顺序动作时，对处理器P 发出中断信号，处理器P如果受理了所产生的中断信号，则启动规定的控制软件而进行 处理。通过这样构成，能够使硬件H以及处理器P执行的软件同时动作。例如，在将代替位置推测部12的位置检测部通过角度传感器用硬件构成的情况 下，当由硬件H构成的电流检测部8产生PWM中断信号、或A/D转换部9产生AD转 换结束中断、处理器P受理该中断信号时，通过软件实现速度运算部3的功能。于是， 能够同时处理UVW/ α β坐标转换器10及dq/ α β坐标转换器11的通过硬件H的运算 处理、和速度运算部3的通过软件的运算处理，能够使矢量控制高速化。此外，对于指令电压生成部Al，也可以构成为，指令d轴电压Vd、指令q轴电 压Vq的输出方法由于也存在使用者的技术诀窍，所以也不由硬件构成而通过控制软件实 现。在上述功能部Al A6的某个功能是可以通过处理器P执行控制软件实现的功 能的情况、该功能部Al A6也由硬件构成的情况下，该功能部Al A6也可以可与在 硬件H内构成的功能部Al A6切换而构成。具体而言，可以举出电流控制部4由硬件H构成的情况。如上述实施方式所示， 电流控制部4既可以在硬件H内也可以由控制软件构成，但构成为，通过控制软件和硬件 H都将该功能构成在马达控制元件2内，通过用开关等切换或选择子例程等来切换。例 如，也可以构成高次谐波抑制电流控制等。由此，使用者的设计自由度提高。此外，表示了处理器P从控制软件将对于指令d轴电压Vd、指令q轴电压Vq的 电压值输入寄存器的设定值写入的实施方式，但也可以是，处理器P使电流控制部4的动 作无效化，使电流控制部4对dq/α β坐标转换器5输出指令d轴电压Vd、指令q轴电 压Vq的动作停止，使用PID控制部15的构成例程(控制软件)，将指令d轴电压Vd、 指令q轴电压Vq写入到电压值输入寄存器中。在第1及第2实施方式中，将dq/α β坐标转换部5、α β/UVW坐标转换器 6、PWM信号形成部7作为电压运算处理部Α2都构成为硬件H，但也可以将其中的一部 分硬件化。同样，在电流检测部A3、输入电流运算部Α4中也可以将结构部8 11中的 一部分硬件化。在第3实施方式中，将dq/α β坐标转换部5、信号生成部23、PWM形成部24 作为电压运算处理部Α2都构成为硬件H，但也可以将其中的一部分硬件化。同样，在电 流检测部A3、输入电流运算部Α4中也可以将结构部25、9 11中的一部分硬件化。
权利要求
1.一种马达控制元件，其特征在于， 设有多个功能部，该多个功能部具备指令电压生成部，生成指令d轴电压、指令q轴电压；电压运算处理部，基于上述指令电压生成部生成的指令d轴电压、指令q轴电压，对 由开关元件构成、用来驱动马达的逆变器输出通电信号；电流检测部，通过上述电压运算处理部对逆变器输出通电信号，检测流过上述马达 的绕线的电流；输入电流运算部，基于上述电流检测部的检测电流，求出作为励磁成分电流的d轴 电流和作为转矩成分电流的q轴电流；速度信息生成部，基于马达常数、上述指令电压生成部的d轴电压、q轴电压、上述 输入电流运算部的d轴电流、q轴电流中的至少某一个参数，推测上述马达的旋转速度， 或者检测上述马达的旋转速度，输出旋转速度信号；以及位置信息生成部，基于上述速度信息生成部输出的旋转速度信号输出转子的位置信息；该马达控制元件构成为，经由上述逆变器驱动控制上述马达， 具备执行由使用者或制造者等提供的控制软件的处理器；上述多个功能部中的至少一部分由硬件构成，并且由上述硬件构成的功能部具备输 入用寄存器、输出用寄存器、内部变量寄存器、内部常数寄存器等的至少一个参数保持 部；上述参数保持部构成为，能够从上述处理器进行读出/写入； 由上述硬件构成的功能部构成为，沿着预先设定的顺序动作。
2.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，上述多个功能部构成为，由上述处理器切换动作的有效/无效。
3.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，上述功能部是通过上述处理器执行控制软件而实现的结构；通过上述处理器执行控制软件实现的功能部构成为，能够与构成在上述硬件内的功 能部进行切换。
4.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，上述多个功能部中的至少上述电压运算处理部由硬件构成；上述电压运算处理部具备驱动切换寄存器，该驱动切换寄存器作为上述参数保持部 保持将1分路驱动电流检测方式、3分路驱动电流检测方式进行切换设定的标志，上述电 压运算处理部从上述处理器直接写入上述驱动切换寄存器，根据上述驱动切换寄存器的 设定值，切换1分路驱动时及3分路驱动时的各自的电流检测的定时。
5.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于， 上述指令电压生成部具备速度控制部，以上述马达的旋转速度与从外部施加的指令旋转速度一致的方式，生 成指令d轴电流及指令q轴电流；以及电流控制部，以由上述输入电流运算部求出的上述d轴电流及上述q轴电流与上述速 度控制部生成的上述指令d轴电流及上述指令q轴电流分别一致的方式，生成指令d轴电压及指令q轴电压；上述电流控制部由上述硬件构成，具备电流值输入寄存器，该电流值输入寄存器作 为上述参数保持部保持指令d轴电流值及指令q轴电流值，上述电流控制部从上述处理器 向电流值输入寄存器直接写入该指令值。
6.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，上述电压运算处理部由上述硬件构成，具备电压值输入寄存器，该电压值输入寄存器作为上述参数保持部保持指令d轴电 压值及指令q轴电压值；上述电压运算处理部构成为，从上述处理器对电压值输入寄存器直接写入该指令值。
7.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，该马达控制元件构成为，上述处理器通过将对应于控制的指令值写入上述功能部的 硬件的参数保持部中，来选择多个控制动作。
8.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，上述电压运算处理部由上述硬件构成，该硬件包括dq/α β坐标转换器，将上述 指令d轴电压及上述指令q轴电压转换为用α-β坐标系表示的值；α β/UVW坐标转换 器，将由上述dq/a β坐标转换器用α-β坐标系表示的值转换为定子的各相指令电压； 以及PWM信号形成部，输入由上述α β/UVW坐标转换器转换后的各相指令电压，形 成用来供给与指令d轴电压及指令q轴电压一致的电压的脉冲宽度调制后的栅极驱动信 号，作为通电信号输出给上述逆变器；上述电流检测部由包括将流过上述马达的电流值进行A/D转换的A/D转换部的上述 硬件构成；上述处理器在停止状态下，对上述硬件设定控制动作指令，该控制动作指令为使上 述PWM信号形成部及包括上述A/D转换部的上述电流检测部的控制动作有效，并且使 上述dq/a β坐标转换器及上述α β/UVW坐标转换器的控制动作无效，对上述硬件进行使反馈控制动作及零电流检测动作无效并不许可相位插补的设定， 来停止PWM控制动作。
9.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，上述电压运算处理部由硬件构成，该硬件包括dq/a β坐标转换器，将上述指令d 轴电压及上述指令q轴电压转换为用α-β坐标系表示的值；α β/UVW坐标转换器， 将由上述dq/a β坐标转换器用α-β坐标系表示的值转换为定子的各相指令电压；以及 PWM信号形成部，输入由上述α β/UVW坐标转换器转换后的各相指令电压，形成用来 供给与指令d轴电压及指令q轴电压一致的电压的脉冲宽度调制后的栅极驱动信号，作为 通电信号输出给上述逆变器；上述电流检测部由包括将流过上述马达的电流值进行A/D转换的A/D转换部的硬件 构成；上述处理器在零电流检测状态下，对上述硬件设定控制动作指令，该控制动作指令 为使上述PWM信号形成部及包括上述A/D转换部的上述电流检测部的控制动作有效， 使上述dq/a β坐标转换器及上述α β/UVW坐标转换器的控制动作无效，对上述硬件进行使反馈控制动作无效、许可相位插补、使零电流检测动作有效的设 定，来进行零电流检测。
10.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于， 上述马达具备转子；上述电压运算处理部、上述电流检测部、上述输入电流运算部都由硬件构成； 上述处理器在定位状态下，通过对上述硬件设定使上述电压运算处理部、上述电 流检测部、上述输入电流运算部的控制动作有效的控制动作指令，使上述电压运算处理 部、上述电流检测部、上述输入电流运算部的顺序处理有效，对上述硬件进行使反馈控制动作有效、使零电流检测动作无效、不许可相位插补的 设定，使上述马达的转子位置固定在零附近。
11.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于， 上述马达具备转子；上述电压运算处理部、上述电流检测部、上述输入电流运算部都由硬件构成； 上述处理器在强制换流阶段中，通过对上述硬件设定使上述电压运算处理部、上述 电流检测部、上述输入电流运算部的控制动作有效的控制动作指令，使上述电压运算处 理部、上述电流检测部、上述输入电流运算部的顺序处理有效，通过对上述硬件进行使反馈控制动作有效、使零电流检测动作无效、许可相位插补 的设定而强制地施加旋转磁场，转子追随于此而旋转。
12.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于， 上述马达具备转子；上述电压运算处理部、上述电流检测部、上述输入电流运算部都由硬件构成； 上述处理器在强制稳定切换阶段中，通过对上述硬件设定使上述电压运算处理部、 上述电流检测部、上述输入电流运算部的控制动作有效的控制动作指令，使上述电压运 算处理部、上述电流检测部、上述输入电流运算部的顺序处理有效，通过对上述硬件进行使反馈控制动作有效、使零电流检测动作无效、不许可相位插 补的设定，并对上述马达进行配合于转子的位置的驱动，不施加强制的旋转磁场地转移 到稳定状态。
13.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于， 上述马达具备转子；上述电压运算处理部、上述电流检测部、上述输入电流运算部都由硬件构成； 上述处理器在强制稳定切换阶段中，通过对上述硬件设定使上述电压运算处理部、 上述电流检测部、上述输入电流运算部的控制动作有效的控制动作指令，使上述电压运 算处理部、上述电流检测部、上述输入电流运算部的顺序处理有效，通过对上述硬件进行使反馈控制动作有效、使零电流检测动作无效、不许可相位插 补的设定，并配合于转子的位置对上述马达进行驱动，进行稳定地驱动。
14.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，具备 速度控制部，由软件构成；以及电流控制部，由上述硬件构成；上述处理器通过使上述速度控制部及上述电流控制部的动作无效化、将上述指令d轴电压及指令q轴电压的参数设定值都设为0并写入设定到作为上述参数保持部的电压值 输入寄存器中，进行短路制动控制。
15.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于， 上述指令电压生成部包括速度控制部，由软件构成，并且生成指令d轴电流及指令q轴电流；以及 电流控制部，由上述硬件构成，并且基于上述速度控制部的指令d轴电流及指令q轴 电流生成上述指令d轴电压及上述指令q轴电压；上述处理器通过使上述速度控制部及上述电流控制部的动作都无效化、调节上述指 令d轴电压及上述指令q轴电压的参数设定值并写入设定到作为上述参数保持部的电压值 输入寄存器中，而再生制动控制上述马达。
16.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于， 上述指令电压生成部包括速度控制部，生成指令d轴电流及指令q轴电流；以及电流控制部，由上述硬件构成，并且基于上述指令d轴电流及上述指令q轴电流生成 上述指令d轴电压及上述指令q轴电压；上述处理器通过使上述速度控制部的动作无效化、将上述指令d轴电流及上述指令 q轴电流的参数设定值都直接设为0并写入设定到作为上述参数保持部的电流值输入寄存 器中，使上述电流控制部动作，由此使上述马达自由运转。
17.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，至少上述电压运算处理部、上述电流检测部及上述输入电流运算部由硬件构成； 上述速度信息生成部、上述位置信息生成部、上述指令电压生成部形成为，能够由 上述处理器执行的控制软件构成。
18.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，上述硬件通过具备多个相同的电路而具备多个信道，从而控制多个马达。
19.如权利要求1所述的马达控制元件，其特征在于，由上述硬件构成的功能部当沿着预先设定的顺序动作时对上述处理器发出中断信号；上述处理器如果受理了上述发出的中断信号，则启动规定的控制软件而进行处理。
20.—种电气设备，其特征在于，具备马达、逆变器、以及权利要求1所述的马达控制元件。
全文摘要
一种马达控制元件，具备执行由使用者或制造者等提供的控制软件的处理器，上述多个功能部中的至少一部分由硬件构成。由硬件构成的功能部具备输入用寄存器、输出用寄存器、内部变量寄存器、内部常数寄存器等的至少一个参数保持部，参数保持部构成为，能够从处理器进行读出/写入。由硬件构成的功能部构成为，沿着预先设定的顺序动作。
文档编号H02P21/14GK102025312SQ201010275239
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月6日 优先权日2009年9月16日
发明者会泽敏满, 关原聪一, 前川佐理, 李树婷, 永井一信, 铃木信行, 长谷川幸久 申请人:株式会社东芝