电动机驱动装置以及制冷设备的制作方法

本发明涉及电动机驱动装置以及具备该电动机驱动装置的制冷装置，尤其涉及将交流电源变换为直流电压，并且使用将直流电压变换为交流电压的逆变器来驱动电动机的电动机驱动装置以及具备该电动机驱动装置的制冷装置，该电动机驱动装置抑制由于直流电压的电压纹波的影响而产生的电动机电流的畸变，减低电动机的转矩纹波以及振动、噪音。

背景技术：

以往，具备将来自交流电源的交流电压变换为直流电压的整流电路以及将来自该整流电路的直流电压变换为交流电压的逆变器的电动机驱动装置广泛用于空调等制冷设备、工业装置。

在该电动机驱动装置中，在将单向或者3相的交流电压通过二极管整流电路变换为直流电压的情况下，在直流电压中产生相对于输入到整流电路的交流电源频率fs具有2倍或6倍的频率分量的电压纹波。如果增大与整流电路的输出侧连接的平滑电容器容量则能够使该电压纹波减小，但是如果增大平滑电容器容量，则存在电动机驱动装置的成本和体积增加的课题。

当在直流电压中存在电压纹波的情况下，由于直流电压的检测延迟和逆变控制器的运算延迟等影响，在逆变器的输出电压中包含直流电压纹波频率ωrip分量，因此产生电动机电流畸变。

尤其是如果逆变器的输出频率与直流电压纹波频率接近，则在通过逆变器驱动的电动机的绕线的电阻值r、电感l小的情况下，由于两个频率的“差的频率分量”，产生电动机电流畸变和大的脉动电流，产生电动机的输出转矩进行脉动的差拍现象。

关于该差拍现象的抑制方式，例如在专利文献1中公开了下述方法，检测旋转坐标系的γ-δ轴电流的高频分量，运算3相的相电流差拍(畸变)分量，将该运算值放大，从而修正3相的电压指令值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4120868号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，在专利文献1中记载的方法中，为了提取旋转坐标系的γ-δ轴电流的高频分量，需要高通滤波器。因此，在存在电源频率(50hz、60hz)等的差异或者频率误差等的情况下，为了提高抑制效果，需要微调对高通滤波器设定的增益等。另外，在通过微型计算机或者dsp(数字信号处理器)等离散控制器来实现高通滤波器的情况下，无法忽视离散控制的控制(运算)周期引起的时间延迟等的影响。

于是，本发明提供一种电动机驱动装置以及制冷设备，该电动机驱动装置根据直流电压的检测信号推定直流电压的纹波频率，在对于特定频率具有增益的正弦波传递函数控制器(以下称作“s控制器”)中设定推定出的纹波频率，不需要高通滤波器或专用检测电路等追加结构，同时能够抑制电动机的输出转矩的差拍现象。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的电动机驱动装置在输入侧连接交流电源，在输出侧连接电动机，其具备：将来自所述交流电源的交流电压变换为直流电压的整流电路；使该整流电路输出的直流电压平滑的由薄膜电容器或者200微法拉以下的电容器构成的平滑电容器；检测该平滑电容器的两端电压并输出直流电压信号的电压检测单元；将所述平滑电容器输出的直流电压变换为交流电压的逆变器电路；检测该逆变器电路的直流电流或交流电流并输出电流信号的电流检测单元；以及基于所述直流电压信号和所述电流信号来控制所述逆变器电路的控制器，所述控制器具有：生成用于控制所述电动机的电压指令值的电压控制器；运算所述直流电压信号中包含的纹波频率的纹波频率运算器；以及通过在所述纹波频率附近具有增益的s控制器对基于所述电流信号的信号进行处理，输出修正量的高次谐波抑制器，所述控制器基于通过所述修正量对所述电压指令值进行修正而得到的信号，控制所述逆变器电路。

发明的效果

根据本发明，不采用大容量的平滑电容器，另外不需要专用检测电路等追加结构，就能提供抑制了直流电压纹波引起的电动机电流的畸变，且抑制了电动机的输出转矩的差拍现象的电动机驱动装置以及制冷设备。

附图说明

图1是实施例1的电动机驱动装置的结构图。

图2是实施例1的控制器的功能框图。

图3是实施例1的电动机驱动装置的控制轴、电动机旋转轴。

图4是实施例1的电动机驱动装置的速度与相位推定器的结构图。

图5是实施例1的电动机驱动装置的直流电压检测电路以及a/d变换器的结构图。

图6是实施例1的电动机驱动装置的直流电压信号波形和电动机的qc轴电流波形。

图7是实施例1的电动机驱动装置的高次谐波抑制器的结构图。

图8是表示实施例1的电动机驱动装置的s控制器的增益特性和相位特性的图。

图9是实施例1的电动机驱动装置的纹波频率运算器的结构图。

图10是实施例1的电动机驱动装置的电动机的qc轴电流波形和直流电压纹波频率的波形。

图11是实施例2的制冷设备的结构图。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施例。

实施例1

使用图1至图10说明本发明的实施例1的电动机驱动装置。

图1是表示本实施例的电动机驱动装置100的整体结构的图。如此处所示，电动机驱动装置100连接了交流电源1和电动机6，主要具备整流电路2、平滑电容器3、逆变器电路4、控制器5、电流检测电路7以及直流电压检测电路8。整流电路2与交流电源1连接，将来自交流电源1的交流电压变换为直流电压。平滑电容器3与整流电路2的直流输出端子连接，使整流电路2的输出即直流电压平滑。逆变器电路4按照从控制器5输入的pwm信号使igbt、功率mos等半导体开关元件进行接通/断开动作，将平滑电容器3的输出即直流电压变换为交流电压来输出，从而控制电动机6的转速或转矩。

此处，本实施例的平滑电容器3使用数十至200μf(微法拉)程度的薄膜电容器等长寿命小型电容器来取代通常的大容量的电解电容器。通过减小电容器容量，虽然直流电压中纹波分量增大，但是能够谋求电动机驱动装置100的小型化、低成本化以及长寿命化。

电流检测电路7通过设置在平滑电容器3与逆变器电路4之间的分流电阻来检测逆变器电路4的直流电流(母线电流)，并输出母线电流信号ish。直流电压检测电路8检测平滑电容器3两端的直流电压，输出直流电压信号edc。另外，控制器5基于从上位系统输入的速度指令值ω*以及电流检测电路7和直流电压检测电路8的输出，生成用于控制逆变器电路4的pwm信号。而且，控制器5使用微型计算机或dsp等半导体运算元件。

图2是运算对电动机6施加的电压指令信号，生成用于控制逆变器电路4的pwm控制信号的控制器5的功能框图，各功能通过cpu(计算机)以及运算程序来实现。如此出所示，控制器5通过dq矢量控制来运算施加给电动机6的电压指令信号(vu*、vv*、vw*)，生成作为逆变器电路4的控制信号的pwm信号，如图2所示，控制器5具备速度控制器10、d轴电流指令生成器11、电压控制器12、2轴/3相变换器13、速度与相位推定器14、3相/2轴变换器15、电流再现运算器16、高次谐波抑制器17、纹波频率运算器18以及pwm控制器19。

它们中，电流再现运算器16使用电流检测电路7输出的母线电流信号ish和2轴/3相变换器13输出的3相电压指令值vu*、vv*、vw*来再现逆变器电路4的输出电流iu、iv、iw。而且，图2中，为了降低成本，采用由母线电流信号ish再现3相的输出电流iu、iv、iw的方式，但是还可以使用电流传感器等电流检测单元来检测作为逆变器电路4的输出的交流电流，该情况下，将该电流检测单元检测到的3相电流输入到3相/2轴变换器15即可。

图3是表示本实施例的电动机驱动装置100的控制轴和电动机旋转轴的图在该图中，dc-qc轴是控制系统的推定轴，d-q轴是电动机旋转轴，将d-q轴与dc-qc轴的轴误差定义为δθc。此时，3相/2轴变换器15使用通过电流再现运算器16再现的3相的输出电流iu、iv、iw以及速度与相位推定器14推定出的相位信息θdc，基于式1和式2，来运算dc轴电流检测值idc和qc轴电流检测值iqc。

[数1]

[数2]

速度控制器10按照来自外部的速度指令值ω*与电动机旋转速度推定值ω1的偏差，输出q轴电流指令值iq*。另外，d轴电流指令生成器11输出使电动机电流最小化的d轴电流指令值id*。

在电压控制器12中，使用上述的d轴电流指令值id*、q轴电流指令值iq*、dc轴电流检测值idc、qc轴电流检测值iqc、速度指令值ω*以及预先登记的电动机常数(绕线电阻r、q轴电感ld和lq等)，运算用于控制电动机6的dc轴电压指令值vdc和qc轴电压指令值vqc。电压控制器12进行的电压控制是众所周知的控制，省略详细说明。

接着，详细说明用于实现无电动机位置传感器控制的速度与相位推定方法。

图4是图2的速度与相位推定器14的详细功能框图。该速度与相位推定器14通过无电动机转子位置传感器控制法，来推定转子位置和旋转速度，具体地，速度与相位推定器14具备用于运算电动机轴(d-q轴)与控制系统轴(dc-qc轴)的轴误差δθc的轴误差运算器21、推定电动机旋转速度推定值ω1的速度推定器22、运算控制系统的相位信息θdc的相位运算器23，并且保持轴误差δθc与指令值(＝0)的一致。

轴误差运算器21根据上述的dc轴电压指令值vdc、qc轴指令电压值vqc、dc轴电流值idc、qc轴电流值iqc、电动机常数24以及后述的电动机旋转速度推定值ω1，使用以下的式3来运算轴误差δθc。

[数3]

速度推定器22使用所谓pi控制器来处理轴误差运算器21输出的轴误差δθc，输出电动机旋转速度推定值ω1。此处，pi控制器进行pll(phase-lockedloop锁相环)控制，使得消除由轴误差运算器21所推定的轴误差δθc。另外，在相位运算器23中，对电动机旋转速度推定值ω1进行积分来运算控制系统的相位信息θdc并输出。

通过使用以上说明的速度与相位推定器14，得到电动机旋转速度推定值ω1和相位信息θdc，因此能省略电动机6的转子位置传感器，能降低整个系统的成本。当然，也可以采用编码器等转子位置传感器来始终检测转子的速度和位置信息。

接着以上说明的本实施例的电动机控制的基本原理，说明直流电压纹波引起的电动机电流畸变。

图5表示图1所示的直流电压检测电路8的电路结构和控制器5中内置的a/d变换器30的连接。如此处所示，由于在直流电压检测电路8中存在由电阻8r和电容器8c构成的低通滤波器，因此与实际的直流电压相比延迟的电压被输入a/d变换器30。并且，a/d变换器30按照触发信号将输入的模拟信号开始变换为数字信号，并将变换后的数字信号暂时保存在缓冲存储器31中，因此在a/d变换器30中产生触发周期(控制周期)的1周期量的时间延迟。

在图6的上图中，表示了平滑电容器3两端的直流电压中的实际的直流电压波形41和控制器5检测到的直流电压信号波形42的一例。能够确认由于上述时间延迟的影响，与实际的直流电压波形41相比，检测到的直流电压信号波形42延迟。在通过使用静电容量大的电容器能够减少直流电压edc的纹波分量的情况下，时间延迟的影响小，但如果像本实施例那样采用200μf以下的小型的平滑电容器3，则由于直流电压纹波分量增大，时间延迟的影响增大。具体地说，如图6的下图所示，在电动机6的qc轴电流波形43中也出现与直流电压纹波频率ωrip相同频率的交流分量，产生了电动机转矩纹波。

因此，本实施例中，为了抑制直流电压纹波引起的电动机的dq轴电流的特定频率的交流分量，追加了图2所示的高次谐波抑制器17。

使用图7说明该高次谐波抑制器17的详细结构。如此处所示，在高次谐波抑制器17中，在d轴高次谐波抑制器52，通过s控制器51运算dc轴电流检测值idc与指令值(＝0)的偏差来输出dc轴电压指令值vdc的修正量vdh，并且在q轴高次谐波抑制器54中，通过s控制器53运算qc轴电流检测值iqc与指令值(＝0)的偏差来输出qc轴电压指令值vqc的修正量vqh。而且，s控制器51、53中利用式4的传递函数。

[数4]

此处，s：拉普拉斯算子，ω0：中心频率，k1、k2、k3：控制增益。

在式4的传递函数中设有三个增益(k1、k2、k3)。通过这些增益的调整，能够调整与特定的中心频率ω0对应的增益的大小、带宽以及相位特性。

图8中表示s控制器51、53的增益特性61和相位特性62。根据图8的上图可知，在特定的中心频率ω0具有大的增益是s控制器的特征。换言之，在s控制器的输出中仅出现在式4的传递函数中设定的中心频率ω0的分量。尤其是在中心频率ω0附近，在图8所示的相位特性62中相位存在90°至﹣90°的急剧变化，因此不论输入信号的相位如何，能够使输出信号的大小一致。

另外，如图7所示，在s控制器51、53中输入来自纹波频率运算器18的直流电压纹波频率ωrip，将其登记为中心频率ω0。由此，s控制器51、53从输入信号仅提取直流电压纹波频率ωrip的分量并输出。

本来，关于直流电压纹波频率ωrip，按照交流电源频率fs(50/60hz)和交流相数预先设定即可，但是为了事先进行设定，在产品出货时或设置时需要进行调整电源频率的作业。另外，在实际的交流系统中，电源频率在微小的范围内变动，因此在事先登记的直流电压纹波频率ωrip与实际的纹波频率不同的情况下，差拍现象的抑制效果有可能降低。

因此，本实施例的纹波频率运算器18构成为根据直流电压信号edc运算直流电压纹波频率ωrip，并适当地将其发送给高次谐波抑制器17。而且，还如图2所示那样，直流电压信号edc是pwm控制器19所需的检测信号，因此不需要追加纹波频率运算器18专用的直流电压检测电路8。

接着，使用图9的功能框图详细说明图2的纹波频率运算器18的功能。如此处所示，纹波频率运算器18主要具备积分器70、sin/cos运算器71、乘法器72、移动平均73、atan运算器74、差分运算75以及低通滤波器(lpf)76。

积分器70对固定的输入值(2π(55×6))进行积分，生成相位θr。此处，设定固定的输入值中包含的“55”，使得对应于50hz和60hz这两种电源频率的中间值(55hz)，“6”是考虑到在将3相交流电压变换为直流电压的情况下会产生具有交流电源频率fs的6次的频率分量的电压纹波。在sin/cos运算器71中，对于积分器70输出的相位θr进行正弦运算以及余弦运算，计算sin(θr)和cos(θr)。另一方面，对于直流电压信号edc，通过减去由lpf76输出的低频分量，仅取出纹波分量edc_rip。此处，lpf76的截止频率是电源频率的中间值(55hz)的2倍左右即可。取出的edc的纹波分量edc_rip可通过式5来表达。

[数5]

edc_rip＝edc_rip1×sin(θrip)+edc_riph…式5

此处，edc_rip1：纹波的一次分量的振幅，θrip：纹波的一次分量的相位，edc_riph：纹波的一次分量以外的高次频率分量。

如果在式5表达的纹波分量edc_rip的两边乘以sin(θr)或cos(θr)，则如以下的式6、式7所示，出现与θr﹣θrip、θr、θr+θrip有关的三种不同的频率分量。

[数6]

[数7]

式6、式7中出现的频率分量中，与θr、θr+θrip有关的频率分量由于频率非常高，因此能通过低通滤波器、移动平均处理简单地去除。本实施例中，如图9所示，使用移动平均73来处理式6、式7的输出。而且，将移动平均73的移动时间的长度设定为电源频率的中间值(55hz)的整数倍的频率的周期。

接着，针对移动平均处理后的两个信号，即仅残留与θr﹣θrip有关的频率分量的信号，使用atan运算74进行反正切运算，从而求出经过了移动平均73的低频的(θr﹣θrip)。并且，通过(θr﹣θrip)的微分(离散控制系中为差分)运算处理，能够计算出固定的输入值(2π(55×6))与纹波频率的差分频率。最后，对通过差分运算75求出的差分频率相加固定的输入值(2π(55×6))，输出直流电压纹波频率ωrip。

如以上所说明的那样，能够通过图9所示的简单的运算处理，根据直流电压信号edc计算出直流电压纹波频率ωrip。而且，如果将计算出的纹波频率ωrip设定为高次谐波抑制器17内的s控制器51、53的中心频率ω0，则能够抑制交流电源频率fs的变动的影响。

而且，如图2所示，通过高次谐波抑制器17的输出即修正量(vdh、vqh)对电压控制器12的输出即电压指令值(vdc、vqc)进行修正，能够计算出抑制直流电压纹波频率ωrip的影响的电动机电压指令(vdc*、vqc*)。而且，2轴/3相变换器13使用该电动机电压指令(vdc*、vqc*)和来自速度与相位推定器14的相位信息θdc，基于以下的式8以及式9，计算3相指令电压(vu*、vv*、vw*)。

[数8]

[数9]

最后，pwm控制器19使用来自2轴/3相变换器13的3相指令电压(vu*、vv*、vw*)和来自直流电压检测电路8的直流电压信号edc，通过pwm控制器19计算调制率，生成逆变器电路4的pwm信号。逆变器电路4的半导体开关元件按照pwm信号进行接通/断开动作，从各相的输出端子输出脉冲状的电压(振幅值为直流电压，宽度根据pwm信号而变化)。

图10是表示本实施例的高次谐波抑制器17和纹波频率运算器18的效果的实际验证结果。根据时间轴从2.75s至3.0s的推移，能够确认通过高次谐波抑制器17的动作将电动机6的qc轴电流波形81的振幅抑制为一半以下。另外，根据时间轴上3.0s以后的推移，能够确认即使在3相交流电源的电源频率fs从50hz急剧变化到51hz时，纹波频率运算器18输出的直流电压纹波频率ωrip的波形82也会迅速地跟踪交流电源频率fs的变化，其反映在高次谐波抑制器17中，因此能够抑制交流电源频率fs的急剧变化对q轴电流波形81造成的影响。

如以上所说明的那样，根据本实施例，不采用大容量的平滑电容器，另外不需要专用检测电路等追加结构就能够提供一种抑制直流电压纹波引起的电动机电流的畸变，并且抑制电动机的输出转矩的差拍现象的电动机驱动装置。

实施例2

图11表示本发明的实施例2的空调机、制冷机等制冷设备的结构图。

制冷设备200是调节空气温度的装置，通过制冷剂配管206将室外机与室内机进行连接而构成。此处室外机具备进行制冷剂与空气的换热的室外换热器202、向该室外换热器202输送空气的室外风扇204以及对制冷剂进行压缩并使其循环的压缩机205。

另外，压缩机205具有在内部具备永磁同步电动机的压缩机用电动机208，通过电动机驱动装置207驱动压缩机用电动机208从而驱动压缩机。电动机驱动装置207将交流电源的交流电压变换为直流电压后提供给电动机驱动用逆变器，从而驱动电动机。

压缩机205没有图示详细结构，采用旋转压缩机或涡旋压缩机等，在内部具备压缩机构部，该压缩机构部由压缩机用电动机208驱动。如果是涡旋压缩机，则压缩机构部通过固定涡旋盘和旋回涡旋盘来构成，相对于固定涡旋盘，旋回涡旋盘进行旋回运动，从而在涡旋盘间形成压缩室。

通过使用实施例1的电动机驱动装置100来作为该电动机驱动装置207，即便存在直流电压的电压纹波，也能够抑制电动机电流的畸变，确保高控制性能。另外，作为制冷设备，当使用实施例1的电动机驱动装置100时，能够降低产品的振动、噪音。

符号的说明

100：电动机驱动装置

1：交流电源

2：整流电路

3：平滑电容器

4：逆变器电路

5：控制器

6：电动机

7：电流检测电路

8：直流电压检测电路

8r：电阻

8c：电容器

10：速度控制器

11：d轴电流指令生成器

12：电压控制器

13：2轴/3相变换器

14：速度与相位推定器

15：3相/2轴变换器

16：电流再现运算器

17：高次谐波抑制器

18：纹波频率运算器

19：pwm控制器

21：轴误差运算器

22：速度推定器

23：相位运算器

24：电动机常数

30：a/d变换器

31：缓冲存储器

41：直流电压波形

42：直流电压信号波形

43：q轴电流波形

51、53：s控制器

52：d轴高次谐波抑制器

54：q轴高次谐波抑制器

61：s控制器的增益特性

62：s控制器的相位特性

70：积分器

71：sin/cos运算器

72：乘法器

73：移动平均

74：atan运算器

75：差分运算

76：低通滤波器

200：制冷设备

201、202：换热器

203、204：风扇

205：压缩机

206：配管

207：电动机驱动装置

208：压缩机用电动机。