电动机驱动装置以及无刷电动的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电动机驱动装置以及无刷电动机。本发明的电动机驱动装置是搭载有根据转子的位置来控制对电动机绕组施加的电流的所谓的矢量控制的电动机驱动装置。本电动机驱动装置例如从上级控制器经由指令输入端被输入占空比指令值。本电动机驱动装置求出使所输入的该占空比指令值与从逆变器输出的驱动脉冲的占空比相等的电流指令或速度指令作为指令值。然后，本电动机驱动装置基于求出的指令值来进行矢量控制。
【专利说明】电动机驱动装直以及无刷电动机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于对无刷电动机进行旋转驱动的电动机驱动装置。
【背景技术】
[0002] 在面向空调用风扇电动机等家电设备的无刷电动机中，近年来，在电动机内部 内置有电动机驱动装置的电动机正得到实际应用。电动机驱动装置构成为包括逆变器 (inverter)、CPU(中央处理单元）、霍尔元件等位置传感器等电路部件。在这种结构中，CPU 生成对逆变器的开关信号，以矩形波电压或正弦波电压向电动机绕组通电。这样，电动机驱 动装置对电动机进行驱动。
[0003] 另外，用于控制电动机驱动装置的上级侧的控制器根据从电动机驱动装置侧接收 到的表示实际转速的信号等来调整向电动机驱动装置输入的占空比指令，使得速度、风量 等成为期望的值。
[0004] 图9是表示这种以往的电动机驱动装置98的结构例的框图。通过整流电路21将 交流电源11直流化，经平滑电容器22平滑化之后，该直流电压被提供至电动机驱动装置98 内具备的三相的逆变器23。逆变器23将该直流电压交流化为任意的电压，交流化所得的交 流电压被提供至电动机19。位置传感器32检测电动机19的转子的位置，作为位置检测信 号Ps来输出。位置检测信号Ps被提供至位置检测部34来算出转子的位置，作为电动机位 置信号Pd被提供至FG输出部54。FG输出部54根据电动机位置信号Pd，输出表不电动机 实际速度的FG脉冲信号FG。
[0005] 另外，从FG输出部54向上级控制器12侧的上级速度控制部51提供FG脉冲信号 FG。上级速度控制部51根据FG脉冲信号FG来调整占空比指令值Ef并输出到电动机驱动 装置98,使得速度、风量等成为期望的值。
[0006] 电动机驱动装置98将从上级控制器12接收到的占空比指令值1/提供至电压控 制部57。电压控制部57根据所输入的占空比指令值Ef以及电动机位置信号Pd来求出三 相的电压指令值νΛν ν'ν/的值，输出到PWM控制部59。PWM控制部59生成将与电压指令 值Vu' Vv' V/的值相应的占空比的脉冲按时间序列排列所得的开关信号。然后，逆变器23 对电动机绕组施加与该开关信号相应的占空比的驱动脉冲Uo、Vo、Wo。通过像这样进行动 作，基于脉宽调制（PWM)，根据驱动脉冲Uo、Vo、Wo模拟地生成矩形波电压或正弦波电压，对 电动机绕组施加该电压来驱动电动机19。
[0007] 此外，作为这种电动机驱动装置的结构例，例如在日本专利申请特开2001-292589 号公报中公开了具有以下结构的风扇电动机：以与占空比指令相应的驱动脉冲来驱动逆变 器。
[0008] 另外，作为比前述的施加矩形波电压的矩形波驱动方式、施加正弦波电压的正弦 波驱动方式性能更高的控制方式，众所周知一种根据转子的位置来控制电动机绕组电流的 所谓的矢量控制方式。在矢量控制中，能够对通过永磁体产生的磁体转矩方向的电流（q轴 电流）和通过永磁体产生的磁通方向的电流（d轴电流）彼此独立地进行控制。因此，与矩 形波驱动方式、正弦波驱动方式相比，能够实现高效率、低噪声、高速响应。
[0009] 作为使用了这种矢量控制方式的电动机驱动装置的结构例，例如在日本专利申请 特开2004-40906号公报中公开了一种同步电动机的矢量控制装置。
[0010] 图10是构成为通过这种矢量控制来控制电动机速度的以往的电动机驱动装置99 的框图。图10所示的以往的电动机驱动装置99也是利用逆变器23来驱动电动机19的结 构。在图10中，电动机位置信号Pd被提供至微分器60。微分器60通过对该电动机位置信 号Pd进行微分来算出转子的速度。这样算出的速度作为表示转子的实际速度的电动机速 度信号Sp被提供至速度控制部56。
[0011] 速度控制部56根据速度指令值Sp#和电动机速度信号Sp来算出电流指令值Γ。 电流控制部53根据电流指令值Γ、由电流检测器31检测出的表示电动机的绕组电流的电 流检测信号Id以及电动机位置信号Pd来求出三相的电压指令值vu' νΛ v/并输出到PWM 控制部59。在此，电流控制部53构成为基于矢量控制方式的结构，在电流控制部53内，将 电流分离成转矩方向的q轴电流和与其正交的d轴电流来进行处理。然后，电流控制部53 接受作为电流指令值Γ的电流的指令，算出用于向电动机绕组供给电力的电压指令值νΛ 氺 氺 νν > vw 〇
[0012] 图10所示的以往的电动机驱动装置99构成为使用这种矢量控制方式，实现了高 效率、低噪声、高速响应。
[0013] 然而，在想要直接引入矢量控制的情况下，需要如图10所示的以往的电动机驱动 装置99那样，使用作为电流指令值Γ这样的电流的指令来进行控制。因此，例如，在想要 对如图9所示那样的结构引入矢量控制的情况下，需要将来自上级侧的指令从占空比指令 变更为电流指令，从而存在不仅是电动机驱动装置连上级控制器也必须变更这样的问题。
[0014] 在国际公开第2007/132889号中，在引入矢量控制时，进行了将位于电动机内部 的逆变器电路移至外部的室内控制基板上、通过室内控制基板上的微型计算机来进行由电 动机内部的CPU进行的开关信号的生成等大幅的变更。
【发明内容】
[0015] 本发明的电动机驱动装置是搭载有根据转子的位置来控制对电动机绕组施加的 电流的所谓的矢量控制的电动机驱动装置。本电动机驱动装置求出使所输入的占空比指令 值与从逆变器输出的驱动脉冲的占空比相等的电流指令或速度指令作为指令值。然后，本 电动机驱动装置基于求出的指令值来进行矢量控制。因此，根据本电动机驱动装置，能够在 进行矢量控制的同时，将逆变器的输出占空比控制为上级控制器所期望的占空比。
[0016] 由此，能够提供一种不变更上级侧的控制器而仅以电动机控制电路部的变更来搭 载矢量控制的无刷电动机的电动机驱动装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是包括本发明的实施方式1中的电动机驱动装置的结构的框图。
[0018] 图2是内置有本发明中的电动机驱动装置的无刷电动机的截面图。
[0019] 图3是表示本发明的实施方式1中的电流指令计算部和电流控制部的详细结构的 框图。
[0020] 图4是包括本发明的实施方式2中的电动机驱动装置的结构的框图。
[0021] 图5是表示本发明的实施方式2中的速度指令计算部、速度控制部以及电流控制 部的详细结构的框图。
[0022] 图6是表示本发明的实施方式3中的电流指令计算部和电流控制部的详细结构的 框图。
[0023] 图7是无刷电动机的等效电路图。
[0024] 图8是表示本发明的实施方式4中的电流指令计算部和电流控制部的详细结构的 框图。
[0025] 图9是包括以往的电动机驱动装置的结构的框图。
[0026] 图10是通过矢量控制来控制电动机速度的情况下的以往的电动机驱动装置的框 图。
【具体实施方式】
[0027] 下面，参照附图来说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于这些实施方 式。
[0028] (实施方式1)
[0029] 图1是包括具备本发明的实施方式1中的电动机驱动装置111的无刷电动机101 的电动机驱动系统的框图。此处的电动机驱动装置111构成为使用基于占空比指令求出的 电流指令进行矢量控制。
[0030] 如图1所示，本实施方式中的电动机驱动系统构成为包括无刷电动机101以及对 该无刷电动机101进行控制的上级控制器12。另外，在本实施方式中，无刷电动机101构成 为安装有作为电动机驱动装置111而发挥功能的电路部件。即，如图1所示，在无刷电动机 101中，电动机驱动装置111对电动机19进行旋转驱动。
[0031] 在图1中，通过整流电路21将交流电源11直流化，经平滑电容器22平滑化之后， 该直流电压被提供至电动机驱动装置111内具备的三相的逆变器。三相的逆变器将该直流 电压交流化为任意的电压，交流化所得的交流电压被提供至电动机19。在本实施方式中，像 这样以相位相互相差120度的U相、V相、W相这三相来驱动电动机19。
[0032] 图2是表示本实施方式中的电动机19的构造例的截面图。如图2所示，电动机19 具备转子19r和定子19s。转子19ι以轴19rl为中心地具有永磁体19r2。定子19s是在 定子芯19s 1上缠绕电动机绕组19c而构成的。
[0033] 并且，在本实施方式中，如上所述，将作为电动机驱动装置111而发挥功能的电路 部件191内置于电动机19内来构成无刷电动机101。这些电路部件191安装于电路基板 192,例如，为了检测转子191的旋转位置，位置传感器32也被安装于电路基板192。在这种 构造中，通过利用交流电力对电动机绕组19c进行通电驱动，转子19r以旋转自如的方式被 轴承193支承而旋转。并且，位置传感器32检测转子19r的位置，将表示所检测出的位置 的位置检测信号Ps输出到电动机驱动装置111。
[0034] 接着，上级控制器12例如设置于搭载了无刷电动机101的设备等，对无刷电 动机101的动作等进行控制。为了进行这种控制，上级控制器12具备由CPU (Central Processing Unit:中央处理单兀）或 DSP(Digital Signal Processor:数字信号处理器） 等构成的上级速度控制部51。从这种上级速度控制部51经由信号传输线将用于对电动机 19进行旋转控制的指令通知给电动机驱动装置111。另外，从电动机驱动装置111向该上 级速度控制部51提供表示实际转速的FG脉冲信号FG。
[0035] 在本实施方式中，作为来自上级控制器12的指令，占空比指令值Ef被通知至电动 机驱动装置111的指令输入端14,该占空比指令值矿指示基于逆变器的PWM调制对电动机 绕组19c施加的驱动脉冲的占空比。即，上级速度控制部51根据FG脉冲信号FG调整占空 比指令值1/来对电动机19中的旋转进行控制，使得速度、风量等成为期望的值。在此，占 空比是指在驱动脉冲等的脉冲信号中脉宽相对于脉冲周期宽度的比率。例如，在占空比指 令值Ef示出90%时，输出一个周期中的脉宽为90%这样的驱动脉冲。
[0036] 接着，说明电动机驱动装置111的结构。电动机驱动装置111具备电流指令计算 部52、电流控制部53、PWM控制部59、逆变器23、位置检测部34以及FG输出部54。而且， 如上所述，从配置于电动机19的位置传感器32向电动机驱动装置111提供传感器信号Ps。
[0037] 在电动机驱动装置111中，传感器信号Ps被提供至位置检测部34。位置检测部 34使用该传感器信号Ps来算出转子19r的位置，作为电动机位置信号Pd输出。电动机位 置信号Pd被提供至FG输出部54和电流控制部53。FG输出部54基于该电动机位置信号 Pd，生成作为表示电动机19的实际转速的信号的FG脉冲信号FG。在此，FG脉冲信号FG是 被称为FG信号的与电动机的转速成比例的频率的脉冲信号。该FG脉冲信号FG被传输至 上级控制器12。
[0038] 另外，从上级控制器12通知的占空比指令值矿经由指令输入端14被提供至电流 指令计算部52。电流指令计算部52算出电流指令值Γ，该电流指令值Γ是使从逆变器23 输出的驱动脉冲Uo、Vo、Wo的占空比为从上级控制器12侧输入的占空比指令值Ef所示的 占空比的值。即，电流指令计算部52作为生成使占空比指令值Ef与驱动脉冲Uo、Vo、Wo的 占空比相等那样的指令值的指令生成部而发挥功能，作为指令值，生成作为电流指令的电 流指令值Γ。
[0039] 电流控制部53根据电流指令值Γ、由电流检测器31检测出的电动机绕组电流值 Idet以及由位置检测部34算出的电动机位置信号Pd来求出电压指令值Vu'V/、Vw%输出 到PWM控制部59。
[0040] PWM控制部59按每相生成与从电流控制部53提供的电压指令值Vu' Vv' V/对应 的电压指令信号。然后，PWM控制部59将所生成的电压指令信号作为调制信号来分别进行 脉宽调制，以由脉宽调制后的脉冲的列构成的驱动脉冲信号PWu、PWv、PWw输出。
[0041] 逆变器23基于驱动脉冲信号？111、?1^?1?，按每相进行向电动机绕组19(3的通电， 对电动机绕组19c进行通电驱动。逆变器23按各相分别具备电源正极侧的开关元件和负 极侧的开关元件。然后，当根据驱动脉冲信号PWu、PWv、PWw的脉冲定时来接通断开开关元 件时，从电源经由接通的开关元件来从各驱动输出对电动机绕组19c提供驱动脉冲Uo、Vo、 Wo。在此，在本实施方式中，当将驱动脉冲Uo、Vo、Wo的占空比设为占空比D时，进行反馈控 制使得占空比D为占空比指令值D'因此，本实施方式中的逆变器23以占空比指令值Ef的 占空比的驱动脉冲Uo、Vo、Wo对电动机绕组19c进行通电驱动。另外，若改变角度，驱动脉 冲Uo、Vo、Wo是以电压指令信号进行脉宽调制所得的信号，因此本实施方式中的逆变器23 等效于对电动机绕组19c分别提供与电压指令值Vu\ V/、Vw#对应的驱动电压来对其进行 通电驱动。
[0042] 接着，进一步详细地说明电流指令计算部52和电流控制部53。图3是表示本实施 方式中的电流指令计算部52和电流控制部53的详细结构的框图。在本实施方式中，通过 将电流指令计算部52构成为图3所示的结构，来算出对电流控制部53提供的电流指令值 Γ，以使得占空比指令值矿与作为逆变器23的实际输出的驱动脉冲Uo、Vo、Wo的占空比之 差为零。
[0043] 相电压的振幅Vph amp与d轴电压vd、q轴电压之间的关系以下面的（式1)表示。
【权利要求】
1. 一种电动机驱动装置，根据转子的位置来控制对电动机绕组施加的电流，该电动机 驱动装置的特征在于， 生成使所输入的占空比指令值与从逆变器输出的驱动脉冲的占空比相等的指令值。
2. 根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于， 上述指令值为电流指令。
3. 根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于， 上述指令值为速度指令。
4. 根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于， 通过进行反馈控制使得所输入的上述占空比指令值与上述驱动脉冲的上述占空比之 间的偏差为零，来生成上述指令值。
5. 根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于， 通过基于电动机等效电路的逆模型进行计算来生成上述电流指令。
6. 根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于， 通过将进行反馈控制使得上述占空比指令值与上述驱动脉冲的上述占空比之间的偏 差为零时的反馈控制的操作量和基于电动机等效电路的逆模型计算出的电流值相加，来生 成上述电流指令。
7. 根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，具备： 指令输入端，其被输入上述占空比指令值，该占空比指令值用于指示驱动上述电动机 绕组的上述驱动脉冲的占空比； 指令生成部，其生成使输入到上述指令输入端的上述占空比指令值与上述逆变器输出 的上述驱动脉冲的占空比相等的上述指令值； 电流控制部，其算出用于对上述电动机绕组进行通电控制的电压指令，使得以按照上 述指令值的电流向上述电动机绕组通电；以及 上述逆变器，其对上述电动机绕组施加以与上述电压指令相应的占空比进行PWM调制 所得的上述驱动脉冲。
8. 根据权利要求7所述的电动机驱动装置，其特征在于， 上述电流控制部按照上述指令值，基于将上述电动机的电流分离为正交的d轴电流和 q轴电流来进行控制的电流矢量控制，来对上述电动机绕组进行通电控制。
9. 一种无刷电动机，内置有根据权利要求1所述的电动机驱动装置。
【文档编号】H02P21/00GK104104294SQ201410143423
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2013年4月11日
【发明者】园田大辅, 加藤康司, 横内保行, 阪本充弘 申请人:松下电器产业株式会社