专利名称：驱动直流无刷电动机的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及驱动直流无刷电动机的方法和装置，其中通过改变向电动机驱动绕组提供的斩波驱动电流的占空比来调节转速。
直流无刷电动机通常装有一组开关元件，用于转换提供到不同相的用于产生旋转磁场的驱动绕组的驱动电流。通过根据与磁性转子位置相关的信息，ON/OFF(开/关)控制开关元件组来驱动电动机，以便产生旋转磁场以及因此使磁性转子产生转矩。当要控制磁性转子的转速时，用于ON/OFF控制开关元件的控制信号是断续的，以便向驱动绕组提供脉冲式斩波驱动电流。通过改变斩波驱动电流的占空比来改变磁性转子的速度，从而调节提供到驱动绕组的有效功率。
驱动电流的换相包括对于重复的连续的各个周期进行电流转换控制，其中电流首先提供到两个相邻的驱动绕组(两相)，然后，提供到这些驱动绕组的其中之一以及与其相邻的另一个驱动绕组(下一相)。因此，取一个三相Y连接的驱动绕组的情况作为实例并且从驱动电流IA通过第一相驱动绕组的起始点出发分析驱动电流的流动，发现在对应于一个换相周期的驱动电流IA流动周期的前半周的过程中，驱动电流Ic通过第三相驱动绕组，而在对应于一个换相周期的驱动电流IA流动周期的后半个周期的过程中，驱动电流IB通过第二相驱动绕组。因此，当进行驱动电流斩波时，可能有这样的情况，即取决于斩波频率，在与驱动电流IA流动周期的前后半个周期对应的换相周期的过程中，在提供的有效电流数值之间可能出现差值。例如可能发生，在一个换相周期内产生四个斩波驱动电流峰值，但是在下一个换相周期的过程中仅产生三个斩波驱动电流峰值。当这种情况发生时，在交替的换相周期内提供的有效电流峰值有升有降。这就使得电动机速度波动。
解决这一问题的一种可能的方法是将斩波频率提到一定数值，保证在每个换相周期内提供具有基本相同的有效功率数值。然而，当斩波频率设得较高时，为了防止电动机效率下降，需要使斩波驱动电流脉冲的上升沿和下降沿很陡。但这会急剧增加噪声分量，干扰附近电子装置的运行。在要将电动机与用在空调、冷却和制冷设备中的压缩机结合使用的情况下，增加斩波频率也不是良好的解决方案。这是因为在高的斩波频率下，在这些应用场合下，电动机驱动绕组暴露于含氯氟烃或其它制冷气体环境，该气体环境可能通过一定程度的漏电流，引起电击的危险。因此，对斩波频率能提到多高是有限制的，总而言之，电动机速度脉动的问题利用这种方式并没能完全克服。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于驱动直流无刷电动机的方法和装置，其能克服现有技术的上述缺点。
本发明的另一目的是提供一种用于驱动直流无刷电动机的方法和装置，其能在没有显著增加斩波频率的情况下降低由于驱动电流斩波引起的旋转脉动和还能抑制由于斩波产生的噪声分量。
为了实现这些目的，本发明提供一种用于驱动具有磁性转子和驱动绕组的直流无刷电动机的方法，它检测磁性转子的位置并根据检测的结果对提供到驱动绕组上的斩波驱动电流进行换相，该方法包含的步骤有确定斩波驱动电流的斩波周期，使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)。
本发明还提供一种用于驱动具有磁性转子和驱动绕组的直流无刷电动机的装置，该装置包含位置检测电路，用于检测磁性转子的旋转位置；换相装置，具有开关元件，用于向驱动绕组提供驱动电流；以及控制装置，响应于位置检测电路的检测结果，提供换相控制信号，用于ON/OFF控制换相装置的开关装置，以便对提供到驱动绕组上的斩波驱动电流进行换相，该控制装置控制斩波驱动电流的斩波周期，使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)。
用于检测磁性转子的旋转位置的位置检测电路。可以由在驱动绕组中的感应电压来检测旋转位置。另外，其构成可以包括磁或光探测器，利用探测器的输出检测磁性转子的旋转位置。
当转速设定时，可以采用一种结构，其中根据设定的转速周期来计算斩波频率。当没有进行转速设定时，可以采用一种结构，其中检测实际的旋转速度并根据检测的旋转速度计算斩波频率，得到斩波驱动电流的斩波周期，使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)。
另外，可以采用一种结构，其中限定各分散的指令值，对应于每个分散的指令值限定斩波频率，以及由各分散的指令值选择出一个指令值，使之能设定对应的斩波频率。
由于控制脉冲式斩波驱动电流的斩波周期，使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)，使得在每个换相周期中提供斩波驱动电流的有效功率数值是相同的。由于这样提供斩波驱动电流，不会引起在各换相周期中提供的斩波驱动电流的有效功率数值的变化，在不增加斩波频率的情况下，可以防止直流无刷电动机的转速脉动。作为进一步的效果，还可以降低噪声值和提高电动机效率。由于斩波频率没有显著增加，此外，可以降低驱动绕组的漏电流。
通过参照附图对各优选实施例的详细介绍将会更好地理解本发明，本发明的其它目的和优点变得更明显。
图1是表示作为本发明的一个实施例的用于驱动直流无刷电动机的装置结构的方块图。
图2是表示用于解释该装置运行的，在图1所示装置的不同部分的波形示意图。
图3是用于解释斩波驱动电流波形和换相周期之间相来关系的示意图。
图4是表示作为本发明另一个实施例的用于驱动直流无刷电动机的装置结构的方块图。
图5是表示作为本发明再一个实施例的用于驱动直流无刷电动机的装置结构的方块图。
如图1所示，三相Y接的四极直流无刷民动机10具有A相驱动绕组11、B相驱动绕组12、C相驱动绕组13和四极永磁转子14。直流无刷电动机10用于驱动空调机的压缩机。由于该电动机整体包含在压缩机(未表示)中，驱动绕组11-13暴露于充满在压缩机内部的制冷气体环境中。该直流无刷电动机10具有常规结构，因而这里对它的结构不再详细介绍。
直流无刷电动机10由作为本发明的一个实施例的驱动装置20提供的斩波驱动电流驱动。驱动装置20装有换相部分21，用于向驱动绕组11-13提供所需的驱动电流。如图所示，换相部分21包含按常规方式连接的开关晶体管22-27和二极管28-33。
标叫40标注具有常规电路结构的位置检测电路，其由因永磁转子14旋转在驱动绕组11-13中感应的反电动势(BEMF)电压的状态来鉴别永磁式转子14的旋转位置，更确切说是它的磁极的位置，并输出非传感的信号ZA、ZB、ZC的检测结果。这个实施例采用了一种常规结构，其中将驱动绕组11-13的连接端A、B、C处的端电压VA。VB、VC输入到位置检测电路40，位置检测电路40根据该输入端电压再输出一组代表永磁式转子14的旋转位置的非传感信号ZA-ZC。位置检测电路40并不限于这种结构，可以按某些其它的常规方式构成利用磁或光传感器装置来检测与永磁式转子14相关的旋转位置信息。
标号50标注控制信号发生部分，其输出一组用于ON/OFF控制换相部分21的开关晶体管22-27的换相控制信号U-Z，以便根据永磁式转子14的检测位置，按照对永磁式转子14的旋转要求，将来自直流电源34的直流电流进行换句提供到驱动绕组11上。为了能够控制直流无刷电动机10的转速，设立控制信号发生部分50，其能根据用于设定斩波频率的频率设定信号和用于设定通过对驱动电流斩波成为脉冲得到的脉冲式斩波驱动电流的占空比的占空比设定信号，对通过驱动绕组11-13的驱动电流进行斩波。控制信号发生部分50分别由外部转接的第一控制端50A和第二控制端50B接收频率设定信号和占空比设定信号。
在图1所示实施例中，当开关晶体管22、23、24中的一个受控处于ON态时，就对这个开关晶体管进行斩波控制。
按照上述方式构成的控制信号发生部分50响应于来自位置检测电路40的非传感信号ZA-ZC，输出一组用于ON/OFF控制换相部分21的开关晶体管22-27的换相控制信号U-Z，以便使由外部向第一和第二控制端50A和50B提供的设定信号指示频率和占空比的斩波驱动电流，根据在每个阶段的永磁式转子14的旋转位置提供到所需的驱动绕组。换相控制信号U-Z施加到相关开关晶体管的基极。由于提供上述功能的控制信号发生部分50的上述地构在本技术领域是公知的，这里对它的电路将不再详细介绍。
为了能使直流无刷电动机10能运行在所需的转速上，驱动装置20装有速度指令输出部分60，利用该部分，操作人员可以输入指示所需转速的指令值。根据输入的速度指令值Nt，速度指令输入部分60向斩波频率计算部分70和占空比计算部分80输出Nt指示的所需速度信号Ts。斩波频率计算部分70利用所需的速度信号TS，根据在该时间的速度指令值Nt来计算适当的斩波频率。斩波频率被定在3千赫附近、例如在该斩波频率下，n(＝1、2…)个斩波驱动电流的周期与当永磁式转子14按转速Nt旋转时提供到驱动绕组11-13上的斩波驱动电流的每个换相周期相重合。因此，在三相四极直流无刷电动机10的情况下，计算斩波周期Tc，建立关系式Tc＝Tr/(6×n)(1)其中Tr是当永磁式转子14按照指令速度No旋转时的旋转周期。在斩波频率计算部分70中的计算结果作为频率设定信号FS输出到控制信号发生部分50的第一控制端50A。
占空比计算部分80不仅输入有所需的速度信号Ts，而且还输入在转速计算部分90中根据一组非传感信号ZA-ZC计算的并代表在每一瞬间的直流无刷电动机10的实际速度Na的实际速度的信号AS。占空比计算部分80利用所需的速度信号TS和实际的速度信号AS来计算在速度指令值Nt和实际速度Na之间的差值以及使该速度差ΔN变为零所需的斩波驱动电流的占空比。占空比计算部分80向控制信号发生部分50的第二控制端50B输出代表计算的占空比的占空比设定信号DS。
下面参照图2将解释在图1中表示的驱动装置20的工作情况。
图2表示各换相控制信号U-Z的波形，各信号由控制信号发生部分50输出到用于对提供到驱动绕组11-13的斩波驱动电流进行换相的换相部分21的开关晶体管22-27的基极。在图2中，参考符号Tr代表当直流无刷电动机10按照由所需速度的信号TS代表的速度指令值Nt旋转时该直流无刷电动机10的一个旋转周期。参考符号Tt的每个阶段代表由于换相部分21的开关晶体管22-27的开关转换操作产生的通到驱动绕组11-13的驱动电流换相的一个周期的持续时间。由于这个实施例的装置驱动一个三相、四极直流无刷电动机，换相周期Tt是旋转周期Tr的1/6。换句话说，换相部分21根据非传感信号ZA-ZC，在各时间点T1、T2、T3对通到驱动绕组11-13上的驱动电流进行换相。
在图2中所示的实例中，从时间点T1开始斩波方式，在这种方式下，换相控制信号U的电平根据频率设定信号FS的周期重复地在0和1之间转换，而在这一时间，换相控制信号Y的电平已经连续地维持在1。因此，按照换相控制信号U斩波的驱动电流通过驱动绕组11和12，并且继续通过，直到标志一个换相周期Tt的终止的时间点T2。正如前面解释的，换相控制信号U的斩波周期是根据斩波频率计算部分70中的计算结果设定的。在所讨论的实例中，该斩波周期是当n＝3和旋转周期Tr＝1/18时由方程(1)所得到的数值。因此，在由T1到T2的换相周期Tt内，严格的3个周期的斩波驱动电流通过驱动绕组11和12。利用占空比设定信号DS确定斩波驱动电流的占空比，该信号控制提供的斩波驱动电流的有效功率值，以便达到由所需速度信号TS指示的速度Nt。
在时间点T2，换相控制信号Y的电平变为0，换相控制信号Z的电平变为1。因此，开关晶体管26关断，开关晶体管27导通，因此，在从时间点T2到T3之间的换相周期过程中，使斩波驱动电流通过驱动绕组11和13。与前述的换相周期相似，在时间点T2和T3之间的换相周期Tt过程中严格的3个周期的斩波驱动电流通过驱动绕组11、13。在下一个和后续的换相周期的过程中提供的驱动电流导通情况相似。
因此，由于这一事实，即斩波频率(周期)是根据方程(1)确定的，即按照相同数量的斩波驱动电流周期与每个换相周期相重合的方式确定的，在每个换向周期中，虽然驱动电流被斩波还是能够得到相同的有效功率值。因此，与现有技术不同，由于在各换相周期中间，提供的斩波驱动电流的有效功率值没有产生变化，提供的斩波驱动电流不会引起电动机速度脉动。一个进一步的效果是可以降低噪声值和提高电动机效率。由于斩波频率不必显著增加，此外防止了由制冷剂环绕的驱动绕组的漏电流，因此消除了电击的危险。
在图2中，第一和第四斩波驱动电流脉冲的上升沿落在每个换相周期的始端和终端。然而，这仅是一个示例，通过将斩波驱动电流的3个周期与每个换相周期以任选方式相配合，例如由图3所示，也可以实现在每个换相周期内得到相同有效功率值的预期效果。此外，在换相部分21中的电流斩波当然可以不仅利用开关晶体管22、23、24而且也可以利用开关晶体管25、26、27来进行。
图4表示本发明装置的另一实施例。图4中的驱动装置100不具有用于对直流无刷电动机10的速度设定值输入的装置。与图1中所示的驱动装置20不同之点在于，通过利用占空比指令输入部分110来设定斩波驱动电流的占空比可以改变直流无刷电动机10的速度，以及不同点还在于斩波频率计算部分70根据来自旋转速度计算部分90的实际速度信号AS计算驱动电流斩波频率，以便即当直流无刷电动机10的速度脉冲时，也能维持斩波周期和换相周期之间的所需相互关系。由于驱动装置100以与驱动装置20相同的方式构成，驱动装置100中与驱动装置20相同的那些组成部分使用与驱动装置20的对应部分相同的标号来表示，这里将不再介绍。
驱动装置100的控制信号发生部分50由占空比指令输入部分110经过第二控制端50B接收占空比设定信号DS，借此设定斩波驱动电流的占空比，直流无刷电动机10的永磁式转子14按照与设定的占空比相对应的速度旋转。正如在图1中的驱动装置20的情况一样，斩波频率计算部分70根据每一阶段的实际速度Na来确定斩波频率。图4中所示的斩波频率计算部分70与图1所示的斩波频率计算部分70的区别仅在于它由实际速度的信号AS而不是由所需的速度信号TS来计算所需的斩波频率。
在驱动装置100的情况下，直流无刷电动机10的速度取决于经过占空比指令输入部分110输入的占空比指令值，但斩波周期Tc由在实际速度Na下的旋转周期Ta按下式来计算Tc＝Ta/(6×n)(2)其中n是自然数。因此，提供的斩波驱动电流的有效功率值在每个换相周期中也是相同的。因此，有效地防止了电动机速度的脉动。
图5表示本发明装置的再一实施例。图5中的驱动装置200与图1中的驱动装置20的不同之点在于，它具有一个斩波频率存储器210，其中预先存储与规定状态相匹配的斩波频率，以及速度指令输入部分60可以用于从各个与该匹配频率相关联的速度指令值中选择一个速度指令值，更具体地说，在驱动装置200的情况下，斩波频率存储器210存储多个预先确定的固定的频率，以及速度指令输入部分60用于从各个与各固定的频率相关联的电动机速度中间选择一个电动机速度。速度指令输入部分60向斩波频率存储器210输出代表所选择的速度指令值的所需速度信号TS，借此选择作为斩波频率的所需速度信号TS的信息相对应的固定频率，以及斩波频率存储器210向控制信号发生部分50的第一控制端50A输出代表所选择的频率的频率选择信号FF。由于驱动装置200是按与驱动装置20一样的方式构成的，与驱动装置20相同的那些驱动装置200的组成部分使用与驱动装置20的对应部分相同的标号标注，这里不再解释。
在动装置200中，像在驱动装置20中一样，所需速度的信号TS也输入到占空比计算部分80，该部分80反馈控制直流无刷电动机10的速度，使其维持在由所需速度的信号TS指示的数值下。虽然，频率设定是分散的，然而仍然能够在每个换相周期内得到相同的斩波驱动电流的有效功率值。由于驱动装置200确定多个固定的斩波频率，这些频率的第一个都根据电动机速度指令来采用，因而能够用比图1所示的驱动装置20更简单的结构实现。
权利要求
1.一种驱动直流无刷电动机的装置，该电动机具有磁性转子和驱动绕组，该装置包含位置检测电路，用于检测磁性转子的旋转位置，换相装置，具有开关元件，适用于向驱动绕组提供斩波驱动电流；以及控制装置，用于响应于位置检测电路的检测结果，提供用于ON/OFF控制换相装置的开关装置的换相控制信号，以便对通到驱动绕组的斩波驱动电流进行换相，控制装置，用于控制斩波驱动电流的斩波周期，使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)。
2.如权利要求1所述的装置，其中位置检测电路由在驱动绕组中感应的电压来检测磁性转子的旋转位置。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述的控制装置包含用于设定直流无刷电动机转速的转速设定装置以及占空比确定装置，用于响应于转速设定装置根据设定的转速确定斩波驱动电流的占空比；计算装置，用于响应转速设定装置计算斩波驱动电流的斩波频率，使n(＝1、2…)个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合；以及用于响应于占空比确定装置和计算装置产生换相控制信号的装置。
4.如权利要求1所述的装置，还包含实际转速检测装置，用于检测直流无刷电动机的转速，根据由实际转速检测装置检测的实际转速来确定斩波驱动电流的斩波频率。
5.如权利要求1所述的装置，其中的换相控制装置包含选择和指令装置，用于在预先设定的多个分散的直流无刷电动机转速中选择出一个转速并作为一个指令输入；占空比确定装置，用于响应于选择和指令装置，根据作为一个指令输入的转速信号确定斩波驱动电流的占空比；数据存储装置，用于预先存储斩波驱动电流的斩波频率，每个斩波频率数据对应于各分散的直流无刷电动机转速的其中之一，并用于响应于选择和指令装置，输出所需的斩波频率数据；以及用于响应于占空比确定装置和数据存储装置，产生换相控制信号的装置。
6.一种驱动直流无刷电动机的方法，该电动机具有磁性转子和驱动绕组，通过检测磁性转子位置，根据检测结果，对提供到驱动绕组上的斩波驱动电流进行换相，该方法包含的步骤有决定斩波驱动电流的斩波周期，使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)。
7.一种驱动直流无刷电动机的方法，该电动机具有磁性转子和驱动绕组，通过检测磁性转子的位置和根据检测结果，对提供到驱动绕组上的斩波驱动电流进行换相，该方法包含的步骤有检测直流无刷电动机的转速，根据检测结果决定斩波驱动电流的斩波周期。使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n为自然数)。
8.一种驱动直流无刷电动机的方法，该电动机具有磁性转子和驱动绕组，通过检测磁性转子的位置和根据检测结果对提供到驱动绕组上的斩波驱动电流进行换相，该方法包含的步骤有根据所需的直流无刷电动机的转速确定斩波驱动电流的占空比，以及根据所需的转速决定斩波驱动电流的斩波周期，使n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)。
全文摘要
在一种用于驱动直流无刷电动机的装置中，利用斩波驱动电流提供给电动机绕组，设定斩波频率，以便得到一定的斩波驱动电流的斩波周期，即n个斩波周期与斩波驱动电流的每个换相周期相重合(n是自然数)。因此，在未显示增加驱动电流斩波频率的情况下降低转速的脉动。
文档编号H02P6/00GK1156346SQ96112788
公开日1997年8月6日 申请日期1996年10月18日 优先权日1996年10月18日
发明者武川顺之, 高木伸和 申请人:株式会社杰克赛尔