电动机控制装置和冰箱的制作方法

电动机控制装置和冰箱的制作方法
【专利摘要】本发明提供电动机控制装置和冰箱。与电动机的转速无关地抑制周期性负载变动，使电动机的旋转稳定。电动机控制装置具备电力变换电路、电流检测部、负载变动检测部、调整部。电力变换电路通过将直流电变换为交流电，而向驱动机构部的电动机供给交流电。电流检测部检测流过电力变换电路或电动机的电流。负载变动检测部根据电流，检测电动机的负载的周期性变动。调整部根据变动控制电力变换电路，从而调整交流电的交流电压的相位。变动的周期是电动机的机械角的1个周期的整数倍。交流电压的相位具有相对于电动机的磁极位置增加的第一分量、与变动同步地变化的第二分量。
【专利说明】电动机控制装置和冰箱
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制电动机的技术。
【背景技术】
[0002]已知对逆变器的输出频率或输出电压进行修正使得抑制扭矩脉动，在运转频率为预定以下的情况下增大修正比例的技术、与电动机电流的峰值及其变化对应地控制逆变器的输出电压和输出频率的技术(例如专利文献1、2)。
[0003]专利文献1:日本特开2005-65449号公报
[0004]专利文献2:日本特开2009-27871号公报

【发明内容】

[0005]在上述那样的具有修正逆变器的输出频率或输出电压的结构的电动机控制装置中，没有考虑到电动机转速提高而感应电压增大从而限制逆变器的输出电压的情况，即在弱磁场区域中抑制扭矩脉动。
[0006]另外，在上述那样的具有检测流过电动机的电流的峰值而与负载扭矩对应地控制逆变器输出电压使得电动机电流相位大致与q轴同相的结构的电动机控制装置中，没有考虑到例如应用于磁阻电动机等电流最小的电流相位与q轴不同的电动机的情况。
[0007]为了解决上述问题，本发明的一个形式是一种电动机控制装置，其具备电力变换电路、电流检测部、负载变动检测部和调整部。电力变换电路通过将直流电变换为交流电，而向驱动机构部的电动机供给交流电。电流检测部检测流过电力变换电路或电动机的电流。负载变动检测部根据电流，检测电动机的负载的周期性变动。调整部通过根据变动控制电力变换电路，来调整交流电的交流电压的相位。变动的周期是电动机的机械角I个周期的整数倍。交流电压的相位具有相对于电动机的磁极位置增加的第一分量和与变动同步地变化的第二分量。
[0008]根据本发明，能够与电动机的转速无关地抑制周期性负载变动而使电动机的旋转稳定。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1表示实施例1的驱动装置的结构。
[0010]图2表示实施例1的电力变换电路5的结构。
[0011]图3表示实轴和控制轴的关系。
[0012]图4表示作为固定坐标系的三相轴和控制轴的关系。
[0013]图5是表示压缩机510的平面图。
[0014]图6是表示压缩机510的主视图。
[0015]图7表示周期性负载扭矩的变动。
[0016]图8表示控制部2的结构。[0017]图9表示PLL控制器13的结构。
[0018]图10表示速度控制器14的结构。
[0019]图11表示负载扭矩的变动的仿真结果。
[0020]图12表示弱磁场区域中的感应电压和速度变动幅度。
[0021]图13表示周期扭矩推定部30的结构。
[0022]图14表示电压相位调整器7的结构。
[0023]图15表示电压指令相位。
[0024]图16表不从电力变换电路5输出的电压相位的时间变化。
[0025]图17表示电压相位调整器7a的变形例。
[0026]图18表示控制部2的第一变形例。
[0027]图19表示控制部2的第二变形例。
[0028]图20表示控制部2的第三变形例。
[0029]图21表示实施例2的冰箱的结构。
[0030]图22表示实施例2的电力变换电路5a的结构。
[0031]图23表示电动机6的与转速对应的效率。
[0032]图24表示实施例2的控制部和电力变换电路的变形例。
[0033]图25表示调整后的直流电压指令值的时间变化。
【具体实施方式】
[0034]以下，使用【专利附图】

【附图说明】本发明的实施例。
[0035]实施例1
[0036]在本实施例中，说明作为本发明的电动机控制装置的应用例的驱动装置。驱动装置具备被电动机驱动的压缩机构部。
[0037]<整体结构>
[0038]图1表示实施例1的驱动装置的结构。驱动装置具备电动机控制装置1、压缩机510。压缩机510具备电动机(motor)6、压缩机构部500。电动机控制装置I具备使用直流电压源输出三相交流电压的电力变换电路5、检测流过电动机6或电力变换电路5的电流的电流检测部12、根据由电流检测部12检测出的电流信息运算向电动机6施加的电压指令值的控制部2。后面详细说明控制部2。电动机6被电力变换电路5控制。压缩机构部500经由传动轴502与电动机6连接。
[0039]<电力变换电路5的结构>
[0040]图2表示实施例1的电力变换电路5的结构。电力变换电路5具备逆变器21、直流电压源20、驱动器电路23。逆变器21由3对开关元件22 (例如IGBT (Insulated GateBipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)、M0S_FET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor:金属氧化物半导体场效应晶体管)等半导体开关元件)构成。构成各对的2个开关元件22串联连接，构成上下臂。3个对分别构成U相、V相、W相的上下臂。各相的上下臂的连接点向电动机6布线。驱动器电路23根据由控制部2生成的三相交流电压指令值(Vu*、Vv*、Vw*)，输出脉冲状的驱动信号24a?24f。构成3对的开关元件22分别与驱动信号24a?24f对应地进行开关动作。电力变换电路5对直流电压源20进行开关而输出电压，由此能够向电动机6施加任意频率的三相交流电压，由此对电动机6进行可变速驱动。
[0041]在电力变换电路5内的直流侧附加分流电阻25的情况下，能够在用于在流过过大电流时保护开关元件22的过电流保护电路、后述的单路分流(single shunt)电流检测方式等中利用该分流电阻25。
[0042]<电动机6的坐标轴的定义>
[0043]本实施例使用在转子中具有永磁铁的永磁铁电动机作为电动机6。因此，假设控制轴的位置和转子的位置基本上同步。通过无位置传感器控制，根据流过电动机6的电流和电动机施加电压等信息，推定转子的旋转角度位置信息。这时，定义由以转子的磁通方向的位置为d轴，以及由此开始电气上向旋转方向前进90度的q轴构成的d_q轴(旋转坐标系)。
[0044]图3表示实轴和控制轴的关系。针对d_q轴，将控制上的虚拟转子位置设为dc轴，由此开始电气上向旋转方向前进90度设为qc轴，定义作为由dc轴和qc轴构成的旋转坐标系的dc-qc轴。在本实施例中，基本上在该dc-qc轴上控制电压、电流。另外，在以后的说明中，将d_q轴称为实轴，将dc-qc轴称为控制轴，将控制轴相对于实轴的误差称为轴误差(Δ Θ C)。
[0045]图4表示三相轴和控制轴的关系。由U轴、V轴、W轴构成的三相轴是固定坐标系。以U相为基准，定义作为dc轴的旋转角度位置的磁极位置(0dc)。dc轴向图中的箭头方向(逆时针方向)旋转，通过对旋转频率进行积分，能够得到磁极位置(9dc)。旋转频率是后述的逆变器频率指令值(ω I)。
[0046]<压缩机510的结构>
[0047]图5是表不压缩机510的平面图，图6是表不压缩机510的主视图。压缩机510是以电动机6为动力源驱动活塞501的往复压缩机(往复式压缩机)。压缩机510具备支承机构513、电动机6、压缩机构部500。
[0048]电动机6被支承机构513支承，通过来自电力变换电路5的交流电流而旋转。电动机6具备定子511、转子512。定子511具有流过来自电动机控制装置I的交流电流的线圈。转子512具有永磁铁。
[0049]压缩机构部500具备活塞501、传动轴502、曲轴503、汽缸504、吸入口 505、阀506、喷出口 507、支承机构513。传动轴502与电动机6的转子512连接，与转子512 —起旋转。曲轴503与传动轴502连接，将传动轴502的旋转运动变换为活塞501的直线运动。与电动机6的旋转对应地，活塞501往返运动，由此进行吸入、压缩、喷出这样的一连串的工序。在压缩动作中，首先压缩机构部500从设置在汽缸504中的吸入口 505向汽缸504内吸入制冷剂。然后，压缩机构部500关闭阀506而进行汽缸504内的制冷剂的压缩，从喷出口 507喷出压缩后的制冷剂。
[0050]在一连串的工序中，活塞501的压力变化。如果从驱动活塞501的电动机6看，则这表示负载扭矩周期性地变化。图7表示周期性负载扭矩的变动。该图表示电动机6的机械角的I圈旋转中的负载扭矩相对于转子的旋转角度位置的变化。在此，表示电动机6是4极电动机的情况，因此电气角2个周期相当于机械角I个周期。转子位置和活塞501的位置关系根据组合而决定，但在该图中，活塞501的下死点为机械角的0°，表示出负载扭矩相对于活塞位置的变化。随着压缩工序的进展，负载扭矩变大，在喷出工序中，其特征在于负载扭矩急剧地变小。在图中，表示负载变动特别大的期间。从该图可知在I圈旋转中负载扭矩变动的情况。在每次电动机6旋转时负载扭矩变动，因此如果从电动机6看则负载扭矩周期性地变动。
[0051]例如即使使用相同的压缩机构部500，根据电动机6的转速、吸入口 505、喷出口507的压力、吸入口 505和喷出口 507的压力差等，负载扭矩的变动也变化。阀506的开闭定时和活塞的位置的关系根据阀506的结构而变化。例如在使用了通过吸入口 505和汽缸504内的压力差而动作的简单的阀的情况下，根据压力条件，阀506的开闭定时变化。即，在一圈旋转中负载扭矩最大的活塞位置也变化。这样，周期性的负载扭矩由于各种原因而变化，因此为了在大的动作范围中，抑制周期性的负载变动而稳定地驱动电动机6，而应用反馈控制。
[0052]在本实施例中，以压缩机构部500的活塞501直线地运动的往复式为例子进行说明，但作为压缩机构的其他压缩方式，有通过活塞旋转而进行压缩的旋转式、由旋窝状的回旋翼构成的螺旋式等。周期性的负载变动的特性根据各个压缩方式而不同，但在任意一个压缩方式中，都存在因压缩工序造成的负载变动。因此，同样能够将本实施例的电动机控制装置I应用于压缩方式不同的压缩机构中，能够得到与本实施例同样的效果。
[0053]<电流检测部12的结构>
[0054]电流检测部12检测流过电动机6或电力变换电路5的三相的交流电流中的流过U相和W相的电流。也可以检测出全部相的交流电流，但根据基尔霍夫定律，如果检测出三相中的2相，则能够根据检测出的2相计算出另一相。
[0055]另外，作为检测流过电动机6或电力变换电路5的交流电流的其他检测方式，例如，也可以使用单路分流电流检测方式，其根据流过附加在电力变换电路5内的直流侧的分流电阻25的直流电流，检测电力变换电路5内的交流侧的电流。该检测方式利用了根据构成电力变换电路5的开关元件22的通电状态，与电力变换电路5的各相的交流电流同等的电流流过分流电阻25的情况。流过分流电阻25的电流随着时间变化，因此必须以驱动信号24a?24f变化的定时为基准在适当的定时进行电流检测。另外，在电流检测部12中，也可以使用单路分流电流检测方式。
[0056]<控制部2的结构>
[0057]图8表示控制部2的结构。控制部2具备:将三相轴上的交流电流检测值(Iu和Iw)坐标变换为控制轴上的电流值的3 Φ/dq变换器8 ;使用控制轴上的电流检测值(Idc和Iqc)和施加到电动机6的电压指令值(Vd**和Vq**)运算实轴和控制轴的轴误差(Λ Θ c)的轴误差运算器10;为了使轴误差(Λ 0C)追随轴误差指令值(Λ Θ*:通常为0)，而调整施加到电动机6的电压的频率即逆变器频率指令值(ω I)的PLL控制器13 ;根据d轴电流检测值(Id**)和q轴电流检测值(Iq**)和逆变器频率指令值(ω I )，计算d轴电压指令值(Vd*)和q轴电压指令值(Vq*)的电压指令值生成器3 ;根据推定的负载扭矩，调整dc-qc轴上的电压指令值(Vd*和Vq*)的相位，计算电压指令值(Vd**和Vq**)的电压相位调整器7 ;将dc-qc轴上的电压指令值(Vd*和Vq*)从控制轴坐标变换为三相轴的dq/3 Φ变换器4 ;推定周期性变动的负载扭矩的周期扭矩推定部30。如上述的实轴和控制轴的关系的图所示那样，轴误差(Λ Θ c)是控制轴相对于实轴的误差。[0058]控制部2还具备:从频率指令值(ω*)减去逆变器频率指令值(ω I)的减法器Ilb ;根据减法器Ilb的输出计算q轴电流指令值(Iq*)的速度控制器14 ;从由上位控制系统等给出的轴电流指令值(Id*)减去d轴电流检测值(Idc)的减法器52a ;从q轴电流检测值(Iq*)减去q轴电流检测值(Iqc)的减法器52b ;根据减法器52a的输出计算d轴电流检测值(Id**)的电流控制器15a ;根据减法器52b的输出计算q轴电流检测值(Iq**)的电流控制器15b ;从轴误差指令值(Δ Θ *)减去轴误差(Δ Θ c)的减法器54 ;对逆变器频率指令值(ω I)进行积分而计算磁极位置(Θ dc)的积分器9 ;将三相交流轴的电动机电流检测值(Iu、Iw)坐标变换为dc-qc轴的3 Φ/dq变换器8。
[0059]可以由依照软件执行处理的微型计算机(微计算机)、DSP等微处理器构成控制部2的各部，也可以由半导体集成电路等硬件构成。
[0060]以下，说明电动机控制装置I的各构成要素的细节。首先，说明用于驱动电动机6的电动机控制方法的基本动作，然后说明如压缩机构部500那样有脉动扭矩的情况下的问题点。在此，将周期性地变动的负载扭矩称为脉冲扭矩，将用于抑制脉动扭矩的电动机控制称为脉动扭矩控制。
[0061]<没有脉动扭矩控制的情况下的电动机控制方法>
[0062]控制部2为了驱动电动机6，如上述那样使用dc-qc轴(旋转坐标系)而进行控制。需要从三相交流轴坐标变换到旋转坐标，但在旋转坐标上，有将电压、电流作为直流量进行处理的优点。因此，3 Φ/dq变换器8使用磁极位置(0dc)，将由电流检测部12检测出的三相交流轴的电动机电流检测值(Iu、Iw)坐标变换到dc-qc轴，由此得到d轴和q轴的电流检测值(Idc、lqc)。另外，dq/3(t变换器4使用磁极位置(0dc)，将通过电压指令值生成器3和电压相位调整器7生成的dc-qc轴上的电压指令值(Vd林、Vq林)坐标变换为三相交流电压指令值(Vu*、Vv*> Vw*)。
[0063]电压指令值生成器3取得从上位控制系统等得到的d轴和q轴的电流指令值(Id*、Iq*)、频率指令值(ω*)或后述的逆变器频率指令值(ω I),如下式这样进行向量计算，由此得到d轴电压指令值(Vd*)和q轴电压指令值(Vq*)。
[0064][公式I]
[0065]Vd*=RX Id*_co*XLqX Iq*
[0066]Vq*=RX Iq*+co*XLdX Id*+co*+Ke
[0067]在此，R是电动机6的线圈电阻值，Ld是d轴的电感，Lq是q轴的电感，Ke是感应电压常数。
[0068]公式I 一般称为向量控制。该向量控制将流过电动机6的电流分离为磁场分量和扭矩分量进行运算，控制电压的相位和大小使得电动机电流相位成为预定的相位。
[0069]本实施例的电动机6为非凸极型的永磁铁电动机。即，d轴和q轴的电感值相同。即，不考虑由于d轴和q轴的电感的差产生的磁阻扭矩。因此，电动机6的产生扭矩与流过q轴的电流成正比。因此，在本实施例中，将d轴电流指令值(Id*)设定为O。另外，在凸极型的情况下，除了因q轴电流产生的扭矩以外，还有因d轴和q轴的电感的差造成的磁阻扭矩。因此，通过考虑到磁阻扭矩而设定d轴电流指令值(Id*)，能够用小的q轴电流产生相同的扭矩。
[0070]轴误差运算器10使用控制轴上的电流检测值(Idc和Iqc)和施加到电动机6的电压指令值(Vd**和Vq**)，根据下式运算实轴和控制轴的轴误差(Λ Θ C)。
[0071][公式2]
【权利要求】
1.一种电动机控制装置，其特征在于，具备: 电力变换电路，其将直流电变换为交流电，由此向驱动机构部的电动机供给上述交流电； 电流检测部，其检测流过上述电力变换电路或上述电动机的电流； 负载变动检测部，其根据上述电流，检测上述电动机的负载的周期性变动； 调整部，其通过根据上述变动控制上述电力变换电路，来调整上述交流电的交流电压的相位，其中 上述变动的周期是上述电动机的机械角I周期的整数倍， 上述交流电压的相位具有相对于上述电动机的磁极位置增加的第一分量和与上述变动同步地变化的第二分量。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述电动机的转速是上述电动机的感应电压为上述直流电的直流电压以上的情况下的转速。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述调整部在上述变动的周期中的上述负载为预定值以上的期间，将上述交流电压的相位的上述第一分量加上上述第二分量。
4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述调整部在使用与上述期间对应的上述电动机的旋转角度的范围，而上述电动机的旋转角度在上述范围内的情况下，将上述交流电压的相位的上述第一分量加上上述第二分量。
5.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于， 还具备:直流电压调整部，其通过根据上述变动控制上述直流电的直流电压，而与上述变动同步地使上述直流电压变化。
6.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述第一分量与上述磁极位置成正比地增加。
7.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述电力变换电路具有开关元件。
8.—种冰箱,其特征在于,具备: 压缩机构部，其对制冷剂进行压缩； 电动机，其驱动上述压缩机构部； 电力变换电路，其将直流电变换为交流电，由此向上述电动机供给上述交流电； 电流检测部，其检测流过上述电力变换电路或上述电动机的电流； 负载变动检测部，其根据上述电流，检测上述电动机的负载的周期性变动； 调整部，其通过根据上述变动控制上述电力变换电路，来调整上述交流电的交流电压的相位，其中 上述变动的周期是上述电动机的机械角I周期的整数倍， 上述交流电压的相位具有相对于上述电动机的磁极位置增加的第一分量和与上述变动同步地变化的第二分量。
【文档编号】H02P27/06GK103560745SQ201310150529
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2012年4月27日
【发明者】铃木尚礼, 清水裕一, 石渡宽人, 能登原保夫 申请人:株式会社日立制作所