专利名称：电动机控制装置、空气调节机的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有基于电阻的相电压检测电路，进行180度通电控制的电动机控制装置的高效率控制。
背景技术：
例如，在驱动在空气调节机的室外机内设置的室外风扇的情况下，有时在通过逆变器启动电动机前，风扇由于风而任意旋转(空转)。此时，当通过使用了一个分流电阻的电路以无速度传感矢量控制(senseless vector controlling)进行电动机的驱动时， 在逆变器的开关元件不被接通关断(0N/0FF)的状态下，无法确定由于电动机的感应电压产生的电流是怎样的电流。其原因是，该磁极位置的推定，是通过根据逆变器进行开关 (switching)的定时以逻辑方式导出当前流过分流电阻的电流是怎样的电流的方法来进行的。因此，在专利文献1中提出了在使用一个分流电阻进行的无速度传感矢量控制之夕卜，设置检测电动机的相电压的单元，在通过逆变器的开关驱动电动机前检测电动机的转子的旋转方向、旋转速度、磁极位置的电动机的控制装置。根据专利文献1，追加在风扇由于风等干扰任意转动的情况下检测电动机的感应电压的电路，在逆变器进行开关前检测转子磁极位置、旋转速度和旋转方向，由此，即使在起动时有干扰也能够控制为希望的旋转速度。一般的三相交流电动机的PWM控制是三相调制，但是在1987年3月的社团法人电气学会发行的书籍“半导体电力变换电路”的第110、111、125页等的解说中记载了一种二相调制，其利用电动机电流不通过相电压决定而通过相间电压决定的事实，通过一边确保相间电压一边在每一预定期间使逆变器的开关元件始终接通(ON)，可以使各相电压的每一相以π/3(60度)的电角度依次固定为高位电源电平或者低位电源电平，来减小逆变器的开关损失。下面，把上述二相调制方式称为固定相60度切换方式。图2表示三相调制方式的电压波形，图3表示固定相60度切换方式的电压波形。另外，通过下面的专利文献2、3提出了，使每一相以2 π /3 (120度)的电角度依次固定为高位电源电平或者低位电源电平来减小逆变器的开关损失，在相电压的振幅小的情况下停止该二相调制方式，对电动机施加三相电压。以下，把上述二相调制方式称为固定相 120度切换方式，特别将把固定相固定在直流电压的高电位的方式称为上固定相120度切换方式，将把固定相固定在直流电压的低电位的方式称为下固定相120度切换方式。图4、 图5表示各个调制方式的三相的电压波形。专利文献2是一种逆变器控制方法，其特征在于，为减小泄漏电流的最大值，根据旋转速度，在低速区切换为减小泄漏电流的最大值的调制方式，在中、高速区切换为确保速度稳定性的调制方式。专利文献3是一种控制方法，其特征在于，为实现高效率运行，按照转矩和转速的图(map)或者iq电流、id电流的二维坐标来切换调制方式。
如专利文献1那样，在作为检测电动机的相电压的手段而使用电阻的控制方式的情况下，当在通常运行时产生相电压时，在相电压检测电阻中流过电流，发生损失。通过相电压检测电阻发生的损失、逆变器的开关损失，根据调制方式和调制率而变化。专利文献1的技术，因为未考虑相电压检测电阻的损失、开关损失随调制方式而变化，所以无法高效率运行。专利文献2的技术，以减小泄漏电流的最大值为目的来改变调制方式，未考虑相电压检测电路的损失、开关损失随调制方式而变化，所以无法高效率运行。而且因为根据转速改变调制方式，所以在逆变器的直流电压变化的情况下无法高效率运行。专利文献3的技术以减小损失为目的来改变调制方式，但是因为未考虑相电压检测电路的损失，所以在选择了固定相120度切换方式的情况下，未明示上固定相120度切换方式还是下固定相120度切换方式。而且，因为根据转速和转矩、或者iq电流和id电流来改变调制方式，所以在逆变器的直流电压变化的情况下无法高效率运行。而且，因为用二维坐标决定调制方式的切换点，所以需要大的存储容量。专利文献2和3共同的课题是切换调制方式的点根据电动机的规格变化。这使得在每次改变电动机的规格时要改变切换点，需要设计的工时。专利文献1 日本特开2007-166695号公报专利文献2 日本特开2006-217673号公报专利文献3 日本特开2005-2^676号公报
发明内容
本发明的目的是，提供能够应对逆变器的直流电压的变化或者各种规格的电动机的、存储容量小的高效率的电动机控制装置。具有检测直流电压的直流电压检测单元、和通过检测电动机的相电压来检测电动机相位的相电压检测单元，具有两种以上的调制方式，根据调制率选择损失小的调制方式， 由此实现上述本发明的目的。另外，具有检测直流电压的直流电压检测单元、和通过检测电动机的相电压来检测电动机相位的相电压检测单元，具有两种以上的调制方式，在调制率低时选择下120°固定二相调制，在调制率高时选择60°固定二相调制，由此实现上述本发明的目的。另外，具有检测直流电压的直流电压检测单元、和通过检测电动机的相电压来检测电动机相位的相电压检测单元，具有两种以上的调制方式，在转速比预定的阈值低时选择三相调制，在转速比预定的阈值高而且调制率低时选择下120°固定二相调制，在转速比预定的阈值高而且调制率高时选择60°固定二相调制，由此实现上述本发明的目的。根据本发明，能够实现可以应对逆变器的直流电压的变化或者各种规格的电动机的、存储容量小的高效率的电动机控制装置。
图1是表示实施例的装置的整体结构的框图。图2是三相调制的电压波形。
图3是固定相60°切换方式二相调制的电压波形。图4是上固定相120°切换方式二相调制的电压波形。图5是下固定相120°切换方式二相调制的电压波形。图6是表示调制方式和调制率和相电压检测电路的损失的图表。图7是表示调制方式和调制率和电路的损失的图表。图8是表示自举电路的框图。图9是表示能够控制直流电压的变换器的框图。图10是表示能够控制直流电压、在直流部中具有电抗器的变换器的框图。图11是表示具有全波倍压开关的变换器的框图。符号说明1 直流电源2 逆变器3 同步电动机4 控制器5 电流检测器6 相电压检测器101 工频电源102 电抗器103 二极管桥104滤波电容器105 双向开关106过零检测器107直流电压检测器108 短路开关109 电流检测器110全波倍压切换开关201栅极驱动电源202自举二极管203 自举电容器204下臂驱动器用电容器205 上臂驱动器206下臂驱动器207上臂开关元件208下臂开关元件209上臂回流二极管210下臂回流二极管401电动机电流再现器402 电动机施加电压运算器403调制率运算器
404调制方式选择器405PWM信号发生器406转速/旋转方向运算器407变换器控制单元
具体实施例方式下面具体说明本发明的电动机控制装置。实施例1图1是表示本发明的电动机控制装置的实施例的电路结构图。本实施例的控制装置由以下各部构成直流电源1、从直流电源1变换为三相交流的逆变器2、作为逆变器的控制对象的三相同步电动机3、运算电动机的交流施加电压并变换为脉宽调制波信号(PWM信号)后输出的控制器4、检测直流电源1向逆变器2供给的母线电流的电流检测器5、检测三相同步电动机3的相电压的相电压检测器6、和检测直流电源1的直流电压的直流电压检测器7。控制器4具有电动机电流再现器401、电动机施加电压运算器402、调制率运算器 403、调制方式选择器404、PWM信号发生器405、转速/旋转方向运算器406。电流检测器5检测直流电源1向逆变器2供给的母线电流10，电动机电流再现器 401根据IO再现流过三相同步电动机3的三相交流电流Iu、Iv、Iw。电动机施加电压运算器402根据三相交流电流Iu、Iv、Iw和电动机指令转速f*运算应该向三相同步电动机3施加的三相交流指令电压ViA Vv*, W。调制率运算器403根据由直流电压检测器7检测出的直流电压Vd和电动机施加电压运算器402运算调制率Wu调制方式选择器404比较W1 和存储的阈值来选择调制方式。PWM信号发生器405根据上述三相交流指令电压ViA Vv*, Vw*,以通过调制方式选择器404选择的调制方式发生脉宽调制信号(PWM信号)u+、u_、v\ V_、w+、w_。转速/旋转方向运算器406根据通过相电压检测器6检测出的Vu’、Vv’、Vw’运算启动逆变器前的三相同步电动机3的转速和旋转方向。作为电流检测单元举分流电阻为例，但是代替分流电阻而使用电流传感器也能够实现上述的启动方法。通常的控制，特别是电动机施加电压的运算，例如用与日本特开2002-272194号公报中记载的方法同样的方法来进行。另外，在上述方法以外也可以使用电动机电流的三相或者两相来计算三相交流指令电压。说明转子由于干扰等而任意转动(空转)的情况下通过相电压检测器6检测干扰时的旋转方向以及转速的方法。三相电动机3，在逆变器2开关(switching)前，电动机由于干扰而转动，由此，在各相中产生感应电压Vu、Vv, Vw。当用相电压检测器6检测该感应电压并计算线间电压时，因为成为正弦波，所以能够计算电动机的转速、旋转方向、相位。接着，说明调制率运算器403的计算方法。调制率是信号波的振幅与载波的振幅的比，所以在逆变器的PWM控制中，信号波成为在电动机上施加的正弦波，而载波成为以直流电压的1/2为振幅的方波。因此，当把在电动机上施加的正弦波的振幅作为V ，把直流电压作为Vd时，调制率Wi用下式计算。kh = Vs*/ (Vd/2)...(公式 1)
由相电压检测电阻引起的损失、逆变器的开关损失根据调制方式和调制率而变化。图6表示直流电压为^OV时，各调制方式中的调制率和损失的关系。损失的关系为上120°固定二相调制>上下60°固定二相调制>三相调制>下120°固定二相调制的顺序。另外，在进行上下60°固定二相调制、三相调制的情况下，损失中调制率的影响小。在进行下120°固定二相调制的情况下，低调制率时损失小，调制率越高越接近三相调制时的损失。在进行上120°固定二相调制的情况下，低调制率时损失大，调制率越高越接近三相调制时的损失。开关损失也根据调制方式而变化。这取决于在电流大时是否进行开关。比较三相调制和二相调制时，因为三相调制的开关数为二相调制的3/2，而且电流大的情况下开关多，所以三相调制的损失大。接着，即使在二相调制中，当比较120°固定二相调制和上下60°固定二相调制时，在调制率小时几乎相同，在调制率大时电流大、进行开关，所以下 120°固定二相调制比上下60°固定二相调制损失变大。图7表示包含相电压检测电阻和SW损失的电路损失与调制率的关系。在调制率高时，在图7的例子中，在调制率为0.8时从下120°固定二相调制切换为上下60°固定二相调制时，总能够实现高效率运行。切换的调制率，根据逆变器电路的损失的大小和相电压检测电阻的损失的大小的关系来决定，最好在0. 6 0. 9之间切换。实施例2一般在逆变器的功率器件中使用IGBT或者M0S-FET，但是在其栅极驱动中使用图 8所示那样的被称为自举(bootstrap)电路的电路方式。这是下臂开关元件208导通或者下臂回流二极管210导通，相电压与直流电压低电位侧电气连接，经由自举二极管202从栅极驱动用电源201向自举电容器203充电的电路。通过在自举电容器203中充电的电压， 驱动器205能够动作，使上臂开关元件207导通。在上臂开关元件207导通或者上臂回流二极管209导通的情况下，相电压与直流电压高电位侧电气连接，但是栅极驱动用电源201 和自举电容器203由自举二极管202切断。如上所述，对该电容器充电，是在下臂开关元件 207导通时或者下臂回流二极管210导通时(在电动机电流为正时开关)，但是在选择了二相调制的情况下，发生下臂开关元件207和下臂回流二极管210都不导通的期间，有自举电容器的电压降低的问题。当自举电容器的电压降低时，开关元件的栅极电位降低，开关元件的正向电压增大，导通损失增多，效率降低，在最坏的情况下达到开关元件的热损坏。这点越是在电动机低速旋转时，下臂开关元件和下臂回流二极管都不导通的期间越长，问题越显著。因此，在电动机低速旋转时总是进行执行下臂开关元件的开关的三相调制，在高转速时使效率优先地进行二相调制。在二相调制时，如实施例1那样根据调制率选择下120°固定二相调制和上下60°固定二相调制。根据该实施例，能够从低速旋转进行稳定的电路驱动，实现高效率运行。从三相调制向下120°固定二相调制切换的转速的最佳值，根据自举电容器的容量、驱动器的消耗电力、电动机的极数而变化，但是在考虑到自举电容器为数十μ F、消耗电力为数mA、4极电动机的情况下，最好在从IOOmirT1到^OmirT1进行切换。实施例3说明置换图1的直流电源1而使用图9的变换器电路的情况下的实施例。图9的变换器电路具有工频电源101、与交流电源串联连接的电抗器102、对交流进行整流的二极管桥103、抑制在直流电源中包含的脉动成分的滤波电容器104和双向开关105。双向开关因为已经提出了各种结构所以这里省略说明。通过变换器控制单元407，使双向开关与用过零检测器106检测出的交流电压波形同步地进行短路动作，由此控制交流电流，进行功率因数改善、高次谐波抑制、直流电压的控制。该控制用日本特开平7-7946号或者日本特开2006-180700号或者其他提出的各种方法进行即可。根据本实施例，因为直流电压任意变化，所以更好地发挥了根据调制率来选择调制方式的本发明的优点。另外，在图9的变换器电路中，电抗器与交流电源连接，但是也可以使用图10那样的在直流部中具有电抗器的变换器电路。实施例4说明置换图1的直流电源1而使用图11的变换器电路的情况下的实施例。图11 的变换器电路具有倍压电容器104a、104b和全波倍压切换开关110。该变换器电路像日本特开平11-206130号、日本特开2000-188867号那样进行控制即可。根据本实施例，因为直流电压变化大，所以更好地发挥了根据调制率来选择调制方式的本发明的优点。实施例5当在风扇电动机的控制装置中使用实施例1 4时，即使关于在电动机有可能由于风等干扰而任意旋转的用途中使用的电动机，也能够实现高效率的控制装置。实施例6当在空气调节机的室外风扇电动机的控制装置中使用实施例1 4时，能够实现高效率的空气调节机。
权利要求
1.一种电动机控制装置，具有从直流电源驱动三相电动机的逆变器，该电动机控制装置的特征在于，具有检测上述直流电源的直流电压的直流电压检测单元；和通过检测上述电动机的相电压来检测电动机相位的相电压检测单元， 具有两种以上的调制方式，根据调制率选择损失小的调制方式。
2.一种电动机控制装置，具有从直流电源驱动三相电动机的逆变器，该电动机控制装置的特征在于，具有检测上述直流电源的直流电压的直流电压检测单元；和通过检测上述电动机的相电压来检测电动机相位的相电压检测单元， 具有两种以上的调制方式，在调制率低时选择下120°固定二相调制，在调制率高时选择60°固定二相调制。
3.一种电动机控制装置，具有从直流电源驱动三相电动机的逆变器，该电动机控制装置的特征在于，具有检测上述直流电源的直流电压的直流电压检测单元；和通过检测上述电动机的相电压来检测电动机相位的相电压检测单元， 具有三种以上的调制方式，在转速比预定的阈值低时选择三相调制，在转速比预定的阈值高而且调制率低时选择下120°固定二相调制，在转速比预定的阈值高而且调制率高时选择60°固定二相调制。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的电动机控制装置，其中， 作为上述直流电源，配备控制直流电压的变换器。
5.根据权利要求1 3中任一项所述的电动机控制装置，其中， 作为上述直流电源，配备具有全波倍压切换电路的变换器。
6.根据权利要求1 3中任一项所述的电动机控制装置，其中， 上述三相电动机是风扇电动机。
7.一种空气调节机，其特征在于，安装了权利要求1 3中任一项所述的电动机控制装置。
全文摘要
本发明提供一种电动机控制装置、空气调节机。在具有相电压检测电路的电动机控制装置中，有通常控制时的相电压检测电路的损失。因此，提供能够应对逆变器的直流电压的变化或者各种规格的电动机的、存储容量小的高效率的电动机控制装置。为了解决上述课题，根据调制率选择相电压检测电路的损失和逆变器的开关损失低的调制方式来进行控制。另外，在调制率小时进行下120°固定二相调制，在调制率大时进行上下60°固定二相调制。另外，在转速小时进行三相调制，在转速大而且调制率小时进行下120°固定二相调制，在转速大而且调制率大时进行上下60°固定二相调制。
文档编号H02P6/18GK102480259SQ20111026151
公开日2012年5月30日 申请日期2011年8月30日 优先权日2010年11月19日
发明者右之子知惠, 奥山敦, 田村建司, 田村正博, 船山裕治 申请人:日立空调·家用电器株式会社