专利名称：马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过PWM(pulse width modulation :脉宽调制)方式来控制对多相的线圈的通电的马达。其中，尤其涉及控制施加于各相的电压的通电波形的技术。
背景技术：
作为马达的控制方式，一般采用通电波形为矩形状的通电方式(矩形波通电)、通电波形为正弦曲线状的通电方式(正弦波通电)。在为矩形波通电的情况下，由于接通或断开开关元件的频率低，所以有开关损耗小的优点。但是，感应电压的利用率低，容易产生振动或噪音。另一方面，在为正弦波通电的情况下，就能提高感应电压的利用率，降低振动或噪音。但是，由于高频率地接通或断开开关元件，所以存在开关损耗大的缺点。因此，还提出有将通电波形设为梯形的通电方式(梯形波通电)(例如，公开于日本特开2006-6067号公报、日本特开2003-18878号公报)。梯形波与矩形波相比，其波形近似于正弦曲线。因此，通过对马达进行梯形波通电而使其动作，就能降低马达的振动或噪音。此外，梯形波通电与正弦波通电相比，由于其接通或断开开关元件的频率低，所以还能降低开关损耗。日本特开2003-18878号公报公开有根据马达的旋转速度来使通电宽度或通电相位变化的控制方法。日本特开2003-18878号公报公开有使用霍尔传感器来实际测定马达的旋转速度的控制方法。如日本特开2006-6067号公报以及日本特开2003-18878号公报所公开的那样，通过对马达进行梯形波通电，与对马达进行矩形波通电以及正弦波通电相比，就能较平衡地实现马达中的噪音和振动的降低以及开关损耗的降低。
发明内容
本申请公开的马达包括转子、定子、逆变电路和控制电路。所述转子以旋转轴为中心进行旋转并且包括构成多个磁极的磁铁。所述定子与所述转子隔有间隙地相对并且包括构成多个相的线圈。所述逆变电路将驱动电流供给到所述线圈的各相。所述控制电路包括波形切换设定部、比较部和通电信号形成部。所述控制电路按照预定的输入信号通过PWM方式控制所述逆变电路，以预定的旋转速度来驱动所述转子。所述波形切换设定部为了切换到第I通电方式和第2通电方式，输出预先设定的预定的基准值。在所述第I通电方式中，通电时的施加电压的波形是矩形。在所述第2通电方式中，通电时的施加电压的波形是梯形或正弦曲线状。所述比较部对所述输入信号和所述基准值进行比较，输出比较结果信号。所述通电信号形成部根据从所述比较部输出的所述比较结果信号来切换所述第I通电方式和所述第2通电方式。
图I是示出本发明的马达的结构的概要图的优选的一个例子。图2是示出第I实施方式的马达的结 构的框图的优选的一个例子。图3A是矩形波通电的波形图。图3B是梯形波通电的波形图。图4A是霍尔信号的时序图。图4B是矩形波通电下的通电信号的时序图。图4C是梯形波通电下的通电信号的时序图。图5是与进角值对应的马达效率的曲线图的优选的一个例子。图6A是霍尔信号的时序图。图6B是矩形波通电下的通电信号的时序图。图6C是梯形波通电下的通电信号的时序图。图6D是梯形波通电下的施加电压的波形图。图7是示出第2实施方式的马达的结构的框图的优选的一个例子。图8是示出第3实施方式的马达的结构的框图的优选的一个例子。
具体实施例方式以下，参考附图详细说明本发明的实施方式。但是，以下的说明在本质上不过是示例，本发明不限于其适用物或其用途。<第I实施方式>图I示出第I实施方式的马达I的概要的优选的一个例子。马达I例如是用于空调的送风扇等的无刷DC马达。马达I包括轴2、转子3、定子4、霍尔元件5 (位置检测单元的具体例子)和电路基板6。转子3经由轴2可自如旋转地支承于马达壳体7。转子3随着轴2以旋转轴J为中心进行旋转。转子3被形成为以旋转轴J为中心的圆筒形状。转子3包括构成多个磁极的磁铁3a。关于磁铁3a的磁极，N极和S极交替配置于以旋转轴J为中心的周方向。定子4以与转子3隔有间隙地相对的状态配置于马达壳体7内。定子4包括多个线圈4a。多个线圈4a例如由U相、V相、W相的多个相构成。线圈4a配置于定子4的周方向，根据马达I的规格采用Y接线或A接线进行接线。通过电流供给布线8从电路基板6按照预定顺序将驱动电流供给到各相的线圈4a。通过驱动电流的供给，各相的线圈4a被依次励磁。在被励磁的线圈4a和磁铁3a之间产生转矩，转子3通过该转矩的作用而旋转。霍尔元件5配置于转子3的附近。例如以电气角120度的间隔配置有3个霍尔元件5。霍尔元件5检测伴随着转子3的旋转的磁极变化。霍尔元件5检测出的霍尔信号被送到配置于马达壳体7内的电路基板6。电路基板6与外部的装置9电连接。电源通过外部的装置9供给到电路基板6。电路基板6包括逆变电路20以及控制电路30。在图2中，示出马达I的框图的优选的一个例子，该框图示出了逆变电路20和控制电路30的详细结构。逆变电路20包括6个开关元件22。开关元件22可以由晶体管构成，在本实施方式中，作为晶体管的一个例子，例如由MOS场效应晶体管来实现。开关元件22包括上游侧开关元件22a和下游侧开关元件22b。上游侧开关元件22a以及下游侧开关元件22b串联连接而构成一个元件组。而且，这些元件组并联有3个。在各元件组的上游侧开关元件22a和下游侧开关元件22b之间分别电连接有电流供给布线8。具体而言，各上游侧开关元件22a的漏极连接于驱动用电压Vm的输入端子，各上游侧开关元件22a的源极连接于下游侧开关元件22b。各上游侧开关元件22a以及各下游侧开关元件22b通过控制施加于栅极的电压，被切换为接通或断开。电流供给布线8的一端连接于上游侧开关元件22a和下游侧开关元件22b的节点。电流供给布线8的另一端连接于线圈4a。开关元件22根据从控制电 路30输出的通电信号被切换为接通或断开。从电源将驱动用的电压Vm施加于逆变电路20。而且，在预定的定时，上游侧开关元件22a中的某一个和下游侧开关元件22b的某一个成为接通状态。由此，在各相的线圈3a上施加驱动电压，来供给驱动电流。在逆变电流20上连接有分流电阻25。分流电阻25在开关元件组的下游侧与开关元件组串联连接。具体而言，分流电阻25与下游侧开关元件22b的源极串联连接。控制电路30可以不使用微控制器，而是对IC进行组合而构成。有时通过以IC构成控制电路30比以微控制器构成控制电路30更便宜。从电源将控制用的电压Vcc施加到控制电路30的大部分区域(图2的虚线内的区域)。从马达I的外部将速度指令电压Vsp (输入信号的具体例子)输入到控制电路30。控制电路30按照速度指令电压Vsp通过PWM方式控制逆变电路20。由此，以基于速度指令电压Vsp的预定的转速来驱动转子3。另外，速度指令电压Vsp并不表示旋转速度的实际测定值。例如，假定将马达I用于驱动空调的风扇的情形。此时，在用户进行了改变风量的操作时，就需要改变马达I的转速。速度指令电压Vsp是与这样的操作联动地输入到控制电路30的指示信号。控制电路30具有如下功能改变通电时的施加电压的波形(也称为通电波形)，切换通电方式。具体而言，控制电路30能够切换至通电波形为矩形的矩形波通电方式(第I通电方式)和通电波形为梯形的梯形波通电方式(第2通电方式)。图3A是矩形波通电的通电波形的波形图。图3B是梯形波通电的通电波形的波形图。在矩形波通电中，例如，进行通电期间具有120度的电气角的“120度通电”、通电期间具有150度的电气角的“150度通电”、通电期间具有180度的电气角的“180度通电”等。梯形波通电中的波形是以这些矩形波通电的通电波形为基础而生成的。根据使用马达的设备的用途和规格，存在即使产生噪音或振动也能容许的转速的区域(也称为噪音容许区域)。因此，控制电路30在普通的转速区域中对马达I进行有利于降低噪音等的梯形波通电，在噪音容许区域中对马达I进行有利于降低开关损耗的矩形波通电。例如，控制电路30在预定的低速旋转的区域对马达I进行梯形波通电，在预定的高速旋转的区域对马达I进行矩形波通电。此外，控制电路30也可以在预定的低速旋转的区域对马达I进行矩形波通电，在预定的高速旋转的区域对马达I进行梯形波通电。S卩，马达I通过控制电路30，根据转子3的转速切换至最适合的通电方式。通过这样切换矩形波通电和梯形波通电的结构，与始终进行矩形波通电和梯形波通电中的某一个的情形相比，就能更平衡地降低在马达中产生的噪音等和开关损耗。控制电路30包括PWM控制部32、旋转位置计算部33、波形切换设定部34、比较部35、相位校正部36、输入电压调节部37、定时控制部38、通电信号形成部39、上桥臂驱动电路40和下桥臂驱动电路41。 PWM控制部32具有如下功能生成基于所要求的转子3的转速的PWM信号。具体地，在比较器44中比较从三角波震荡电路43输出的三角波和速度指令电压Vsp。PWM控制部32根据比较器44的比较结果来生成PWM信号。PWM控制部32将生成的PWM信号输出到定时控制部38。旋转位置计算部33具有如下功能与霍尔元件5协同动作来实际测定转子3的旋转位置。具体而言，将从霍尔元件5输出的霍尔信号输入到旋转位置计算部33。旋转位置计算部33根据霍尔信号计算转子3的旋转位置。将计算出的转子3的旋转位置的信息作为旋转位置信号输出到定时控制部38。波形切换设定部34具有如下功能输出用于通电方式的切换的基准值。具体而言，波形切换设定部34中存储有预先输入的基准值的信息。所存储的基准值的信息输出到比较部35。在第I实施方式中，将与速度指令电压Vsp对应的预定电压值用作基准值。比较部35具有如下功能将速度指令电压Vsp和基准值进行比较，输出与其比较结果相关的信号(比较结果信号)。例如，如果速度指令电压Vsp在基准值以上，则比较器35输出用于选择矩形波通电的第I信号。此外，如果速度指令电压Vsp小于基准值，则比较器35输出用于选择梯形波通电的第2信号。第I信号等的比较结果信号输出到相位校正部36和通电信号形成部39。当转子3的旋转速度变化时，通电波形的相位会产生偏差。此外，即使在转子3正在旋转时切换通电方式，也会在通电波形的相位上产生偏差。这是由于，在矩形波通电和台形波通电中，通电波形的形状和通电期间不同。图4A是示出霍尔信号的时序图。图4B是示出矩形通电时的通电信号的时序图。图4C是示出梯形波通电时的通电信号的时序图。另外，梯形波通电的上升以及下降的部分由于形成倾斜波，所以通过PWM控制来调制脉冲宽度。图4C所示的通电信号以4级的脉冲进行调制，调制级数不限于“4”，例如，即使采用8级等也能进行调制。梯形波通电中的通电波形的上升沿与矩形波通电中的通电波形的上升沿相比，其相位提前(进角)。因此，例如，在从梯形波通电切换至矩形波通电时，如果照原样使用梯形波通电的相位，则如图4B的二点划线所示，矩形波通电提前该进角的量。如图4B所示，矩形波通电的通电宽度换算为电气角则是150°。另一方面，如图4C所示，梯形波通电的矩形部分的通电宽度换算为电气角则是150°。梯形波通电中的通电宽度是将电气角为150°的矩形部分和在矩形部分的前后进行了脉冲宽度调制的电气角为7.5°的调制部分进行重合后的、电气角为165°的通电宽度。由此，梯形波通电中的通电波形的上升沿与矩形波通电中的通电波形的上升沿的位置不同。在这种状态下，当切换矩形波通电和梯形波通电时，通电波形的相位产生偏差。由于通电波形的相位产生偏差，因此，转子3的转速急剧上升或下降，产生噪音以及振动。此外，如图5所示，在转速恒定的情况下，示出了与进角值对应的马达效率的结果是，最合适的进角值在矩形波通电和梯形波通电中是不同的。另外，图5所示的曲线图是一个例子，有时矩形波通电和梯形波通电的特性会根据马达的规格或负载而变动。由此，虽然在矩形波通电中是电气角为150°的通电宽度，但是，优选在梯形波通电中，在电气角为135°的矩形波通电前后设有电气角为15°的脉冲宽度调制部等，按照马达的规格校正为最合适的电气角(校正通电波形的相位)。相位校正部36具有如下功能与输入电压调节部37协同动作，来校正通电波形的相位的偏差。输入电压调节部37存储与速度指令电压Vsp对应的速度校正信息。速度校正信息是速度指令电压Vsp、即与旋转速度对应的适当的相位的校正量相关的信息。作为具体的相位校正动作，首先，将速度指令电压Vsp输入到输入电压调节部37。输入电压调节部37为了将输入的速度指令电压Vsp输出到相位校正部36而将其调节为最合适的电压，作为进角设定电压而输出到相位校正部36。将比较结果信号从比较部3 5输入到相位校正部36。相位校正部36参考比较结果信号来判断是矩形波通电还是梯形波通电。在相位校正部36中预先设定有速度校正信息以及波形校正信息。速度校正信息是速度指令电压Vsp、即与旋转速度所对应的适当的相位的校正量相关的信息。波形校正信息是与通电波形所对应的适当的相位的校正量相关的信息。相位校正部36根据波形校正信息和速度校正信息来生成与综合的相位的校正相关的校正信息。与在相位校正部36中生成的校正信息相关的校正信号被输出到定时控制部38。定时控制部38具有如下功能根据从PWM控制部32输出的PWM信号以及从旋转位置计算部33输出的旋转位置信号来控制通电的定时。定时控制部38根据PWM信号和旋转位置信号来生成与在线圈组的各相开始通电的定时相关的定时信息。而且,定时控制部38具有如下功能根据从相位校正部36输出的校正信号,校正所生成的定时信息。因此，即使存在转子3的转速的变化或通电方式的切换，也可将通电波形校正到适当的相位。这样，就可发挥稳定的马达性能。校正后的定时信息作为定时信号而输出到通电信号形成部39。将比较结果信号从比较部35输入到通电信号形成部39。通电信号形成部39根据比较结果信号和定时信号来生成通电信号。通电信号形成部39按照比较结果信号来生成矩形波通电以及梯形波通电中的某一个通电方式的通电信号。因此，当将不同的比较结果信号输入到通电信号形成部39时，通电方式发生切换。通电信号形成部39将生成的通电信号输出到上桥臂驱动电路40以及下桥臂驱动电路41。上桥臂驱动电路40以及下桥臂驱动电路41分别按照通电信号来控制开关元件22。具体而言，上桥臂驱动电路40在与通电信号同步的定时将预定的上游侧开关元件22a设为接通或断开。下桥臂驱动电路41在与通电信号同步的定时将预定的下游侧开关元件22b设为接通或断开。图6A是示出霍尔信号的时序图。图6B是示出针对图6A的霍尔信号的矩形波通电中的通电信号的时序图。图6C是针对图A的霍尔信号的梯形波通电中的通电信号的时序图。图6D是示出与图6C对应的线圈组的各相上的施加电压的波形图。另外，图6C的阴影部分示出对脉冲宽度进行调制的部分(参考图4C)。图6B以及图6C中的UH、VH、WH是分别输入到3弧的上游侧开关元件22a的通电信号。图6B以及图6C中的UL、VL、WL是分别输入到3个下游侧开关元件22b的通电信号。图6A 图6C所示的时序图是优选的通电信号的一个例子。图6D所示的波形图是线圈组的施加电压的优选的一个例子。马达I可以在旋转中根据转速切换通电方式。因此，就能较平衡地实现噪音以及振动的降低和开关损耗的降低。由于通电方式的切换是根据速度指令电压Vsp来进行的，所以不需要高精度的运算处理。因此，能够简化控制电路30，使其较为便宜。此外，在旋转中切换通电方式时，通过校正通电信号的相位，可以防止因相位的偏差而引起的噪音以及振动。此外，在切换了通电方式时，根据通电方式来校正为不同的最合适的进角值，提高了马达效率。例如,马达I适于伴随转速变化的转矩变动小的设备。〈第2实施方式>在第I实施方式中示出在输入信号中使用了速度指令电压Vsp的例子。第2实施方式不出将分流电压VRs用于输入信号的优选的一个例子。另外,第2实施方式的基本结构与第I实施方式相同。因此，在相同功能的结构中使用相同符号而省略其说明。在图7中示出了框图的优选的一例，该框图示出了第2实施方式的马达IA的详细情况。如图7所示，马达IA的控制电路30包括分流电压生成部51。分流电压生成部51根据在分流电阻25中流过的电流来检测施加于分流电阻25的电压。马达IA的驱动电流与转子3的转矩的变动联动地变动。流过分流电阻25的电流以及施加于分流电阻25的电压与该驱动电流的变动联动地变动。但是，施加于分流电阻25的电压始终变动。分流电压生成部51根据施加于分流电阻25的电压的预定期间的峰值来生成一定的分流电压VRs。也可以根据需要对分流电压VRs进行放大。分流电压VRs被施加于比较部35的输入端子(在图7中以箭头记号A来表示)。第2实施方式的波形切换设定部34与第I实施方式不同，是分流电压VRs用的。具体而言，波形切换设定部34中预先存储有与分流电压VRs对应的预定电压值的信息。第2实施方式的比较部35与第I实施方式不同，是分流电压VRs用的。具体而言，将分流电压VRs作为输入电压输入到比较部35，比较部35对分流电压VRs和基准值进行比较，输出其比较结果信号。马达IA例如适于转矩变动较大的设备。即，分流电阻25的端子电流根据转子3的转矩而变动。分流电压生成部51检测分流电阻25的端子电流，生成分流电压VRs。比较部35对分流电压VRs和基准值进行比较，将比较结果发送到通电信号形成部39。通电信号形成部39根据从比较部35发送来的比较结果来选择通电方式，将基于选择出的通电方式的通电信号输出到逆变电路20。通过这样的结构，能够根据转矩的变动在适当的定时切换通电方式。〈第3实施方式>在第3实施方式中，示出优选将速度指令电压Vsp和分流电压VRs这二者用于输入信号的一个例子。另外，第3实施方式的基本结构与第I实施方式等相同。因此，在相同功能的结构上使用相同符号而省略其说明。在图8中示出框图的优选的一个例子，该框图示出了第3实施方式的马达IB的详细情况。如图8所示，马达IB的控制电路30包括分流电压生成部51。进而，波形切换设定 部34、比较部35分别包括分流电压用和速度指令电压用这两个功能。具体而言，马达IB的波形切换设定部34包括分流电压用的第I波形切换设定部34a和速度指令电压用的第2波形切换设定部34b。第I波形切换设定部34a与第2实施方式的波形切换设定部34的结构相同。第2波形切换设定部34b与第I实施方式的波形切换设定部34的结构相同。
此外，马达IB的比较部35包括分流电压用的第I比较部35a和速度指令电压用的第2比较部35b。第I比较部35a与第2实施方式的比较部35的结构相同。第2比较部35b与第I实施方式的比较部35的结构相同。第I比较部35a以及第2比较部35b各自得到的比较结果信号被输入到AND电路61中。在AND电路61中，根据该比较结果信号来选择通电方式。例如，在从第I比较部35a以及第2比较部35b这二者输出第I信号的情况下，AND电路61输出第I信号。而且，在其他情况下，AND电路61输出第2信号。通电信号形成部39输入来自AND电路61的信号，切换第I通电方式和第2通电方式。即，根据从第I比较部35a以及第2比较部35b这二者输入的比较结果信号来切换通电方式。马达IB根据转子3的旋转速度的变动来使驱动电流变动，此外，适于驱动电流根据转子3的转矩的变动而变动的设备。例如，在即使驱动电流随着转子3的转矩的上升而增力口，旋转速度也较低，可以不用注意噪音等情况下，如果从梯形波通电切换到矩形波通电，就能降低开关损耗。另外，本发明的马达不限于上述实施方式，也包括此外的各种结构。例如，第2通电方式中的施加电压的波形不限于梯形，也可以是正弦曲线状。位置检测单元不限于霍尔元件，也可以是霍尔IC或解析器等。马达I在转子3的旋转中能够切换为矩形波通电的第I通电方式、梯形波通电或正弦波通电的第2通电方式。即，马达I能够根据来自外部的命令或表示马达的状态等的各种输入信号来切换到最合适的通电方式。因此，与始终进行矩形波通电或梯形波通电的情况相比，能较平衡地实现振动、噪音以及开关损耗的降低。而且，通电方式的切换不是根据实际测定值，而是根据预定的输入信号和预先设定的预定的基准值的比较结果来进行的，所以不需要高精度的运算处理。因此，就能简化控制电路，使其较为便宜。另外，能够防止转速的急剧变化，抑制噪音以及振动。此外，针对马达特性，进行效率高的动作。另外，作为预定的输入信号，通过使用从外部输入的速度指令电压，在与旋转速度的变动相应的适当的定时切换通电方式。并且，作为预定的输入信号，通过使用从分流电阻得到的分流电压，能够根据转矩的变动在适当的定时切换通电方式。再者，作为预定的输入信号，通过使用速度指令电压以及分流电压，就能根据旋转速度和转矩双方的变动在适当的定时切换通电方式。
权利要求
1.一种马达，该马达包括转子、定子、逆变电路和控制电路， 所述转子以旋转轴为中心进行旋转并且包括构成多个磁极的磁铁， 所述定子与所述转子隔有间隙地相对并且包括构成多个相的线圈， 所述逆变电路将驱动电流供给到所述线圈的各相， 所述控制电路包括波形切换设定部、比较部和通电信号形成部， 所述控制电路按照预定的输入信号，通过脉冲宽度调制方式控制所述逆变电路，以预定的旋转速度来驱动所述转子， 所述波形切换设定部为了切换至第I通电方式和第2通电方式，将预先设定的预定的基准值输出到所述比较部， 在所述第I通电方式中，通电时的施加电压的波形是矩形状的， 在所述第2通电方式中，通电时的施加电压的波形是梯形状或正弦曲线状的， 所述比较部对所述输入信号和所述基准值进行比较，输出比较结果信号， 所述通电信号形成部根据从所述比较部输出的所述比较结果信号来切换所述第I通电方式和所述第2通电方式。
2.根据权利要求I所述的马达，其中， 该马达包括检测伴随着所述转子的旋转的磁极变化的位置检测单元， 所述控制电路包括旋转位置计算部、定时控制部和相位校正部， 所述旋转位置计算部根据从所述位置检测单元输入的信号来计算所述转子的旋转位置，将计算出的信息的信号输出到所述定时控制部， 所述定时控制部根据从所述旋转位置计算部输入的信号来控制通电的定时， 所述相位校正部根据所述输入信号和所述比较结果信号来校正相位的偏差。
3.根据权利要求I或2所述的马达，其中， 所述输入信号是从外部输入的速度指令电压。
4.根据权利要求I或2所述的马达，其中， 在所述逆变电路上连接有分流电阻， 所述控制电路具有分流电压生成部， 所述分流电压生成部检测施加于所述分流电阻的电流，生成预定的分流电压， 所述输入信号是所述分流电压。
5.根据权利要求4所述的马达，其中， 所述输入信号是所述分流电压和从外部输入的速度指令电压， 所述波形切换设定部包括第I波形切换设定部和第2波形切换设定部，该第I波形切换设定部预先存储与所述分流电压对应的预定电压值的信息，该第2波形切换设定部存储基准值的信息， 所述比较部包括第I比较部和第2比较部，该第I比较部对所述分流电压和所述预定电压值进行比较，该第2比较部对所述速度指令电压和所述基准值进行比较， 所述通电信号形成部根据从所述第I比较部和所述第2比较部双方输出的比较结果信号，切换所述第I通电方式和所述第2通电方式。
全文摘要
本发明提供马达。马达(1)包括逆变电路(20)和控制电路(30)。逆变电路(20)将驱动电流供给到线圈的各相。控制电路(30)按照预定的输入信号，通过PWM方式控制逆变电路(20)，以预定的旋转速度来驱动转子(3)。控制电路(30)包括波形切换设定部(34)、比较部(35)和通电信号形成部(39)。波形切换设定部(34)输出预先设定的预定的基准值。比较部(35)对所述输入信号和所述基准值进行比较。通电信号形成部(39)根据从比较部(35)输出的比较结果信号来切换至施加电压的波形为矩形的第1通电方式和施加电压的波形为梯形或正弦曲线状的第2通电方式。
文档编号H02P6/16GK102624298SQ201210018000
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月19日 优先权日2011年1月25日
发明者加藤健一 申请人:日本电产高科电机控股公司