專利名稱：直流無刷電動機驅動設備和使用該設備的空氣調節(jié)器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種其中使用逆變器的直流(DC)無刷電動機驅動設備，特別是，本發(fā)明涉及一種DC無刷電動機驅動設備，和一種使用該設備的空氣調節(jié)器，其中利用在定子繞組兩端之間感應的速度正比電動勢，探測電樞繞組(轉子繞組)與定子繞組之間的相對位置(在下文，稱為“磁極位置”)，以便控制其轉數(shù)。
例如，在Japanese Patent Publication No.Sho 59-36519(1984)中，敘述了一種DC無刷電動機驅動設備的常規(guī)例子，其中通過探測轉子的磁極位置，即由于在DC無刷電動機的定子繞組兩端之間感應的速度正比電動勢(感應電壓)所引起的磁性轉子(在下文，僅稱為“轉子”)與定子繞組之間的相對位置，來執(zhí)行對其轉數(shù)的控制。
在這個例子中，把定子繞組兩端之間產(chǎn)生的三相感應電壓轉換成三個三角形信號，各信號相對各感應電壓具有約90°的位置關系，這三個三角形信號被引入星形連接的電阻器，以便由比較器對星形連接的中性點的電壓與這三個三角形信號的電壓之間進行比較。并且，與從這些比較器獲得的脈沖信號相對應，控制一組以此減縮逆變器的半導體開關元件，從而旋轉DC無刷電動機。
在根據(jù)這種常規(guī)技術的DC無刷電動機中，三角形信號是由定子繞組的端電壓通過主濾波器而得到的，各三角形信號相對各定子繞組兩端之間的各端電壓具有約90°的相位差，然而在這種情況下，必須這樣設置主濾波器的轉移函數(shù)，以便在感應電壓的基本頻率的預定范圍之內(與電動機的轉數(shù)有關)，能保持約90°的相位差。而且，當用主濾波器不能由此充足地消除比感應電壓的基本頻率具有較高頻率的噪聲或其他類似信號時，并且于是如果不可能由此獲得具有平滑波形的三角形信號，則另外增加低通濾波器，以便由此消除高頻信號，例如噪聲或其他類似信號。
根據(jù)這樣獲得的上述脈沖信號，假定或獲得轉子與定子繞組之間的相對位置，從而有可能根據(jù)這種假定的結果，執(zhí)行DC無刷電動機的轉速的控制。
另外，在根據(jù)上述常規(guī)技術的DC無刷電動機驅動設備中，主濾波器用于獲得三角形信號，各三角形信號相對各感應電壓具有約90°的相位關系。然而，這些濾波器各具有這樣的頻率特性，當作為輸入信號的感應電壓的基本頻率變低時，由該濾波器獲得的三角形信號的相位差變大。為了在穩(wěn)定條件下以良好效率驅動DC無刷電動機，必須設置頻率特性，以便在感應電壓的基本頻率的預定范圍之內，保持約90°的相位差，然而，例如，在希望展延或擴展感應電壓的基本頻率的范圍的情況下(即希望展延或擴展DC無刷電動機的轉數(shù)的可變范圍)，有一個問題，即不可能根據(jù)濾波器的頻率特性，使感應電壓與三角形信號之間的相位差保持在約90°。
而且，如圖2所示，對于Japanese Patent Publication No.Sho59-36519(1984)，DC無刷電動機的端電壓變成這樣，即在梯形波形之上疊加一個尖峰波形。并且，用主濾波器不能充足地消除噪聲或其他類似信號，它們比這些尖峰波形和感應電壓的基本頻率具有較高的頻率，而且如果三角形信號其波形不平滑，則不可能精確地假定或獲得轉子與定子繞組之間的相對位置，于是在上述比較三角形信號和參考信號的比較器的輸出級，另外增加低通濾波器，從而消除高頻信號，例如噪聲或其他類似信號。
然而，為了使三角形信號的波形平滑，足夠可以使濾波器的時間常數(shù)大，但是這樣引起信號的時間延遲，因此濾波器的時間常數(shù)設置具有上限。另外，在DC無刷電動機中，尖峰電壓的波形根據(jù)電動機的負載改變，但是濾波器的時間常數(shù)設置具有上限，于是有一個問題，由于三角形信號的波形變化所引起，使三角形信號的相位表現(xiàn)波動，所以不可能使感應電壓與三角形信號之間的相位差保持在90°。
這樣，當用濾波器來假定或獲得轉子與定子繞組之間的相對位置時，由于頻率特性和濾波器時間常數(shù)設置的限制，特別當在寬范圍轉數(shù)下驅動DC無刷電動機時，或當在寬范圍負載條件下操作DC無刷電動機時，引起假定轉子與定子繞組之間的相對關系的精度降低，因此難以在穩(wěn)定條件下以良好效率驅動DC無刷電動機。
為了解決上述這樣的問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種DC無刷電動機驅動設備和一種使用這種設備的空氣調節(jié)器，即使在寬范圍轉數(shù)下驅動DC無刷電動機的情況下，或在寬范圍負載條件下驅動DC無刷電動機的情況下，也能夠在穩(wěn)定條件下以良好效率驅動DC無刷電動機。
為了解決上述這樣的問題，本發(fā)明的另一個目的是提供一種DC無刷電動機驅動設備和一種使用這種設備的空氣調節(jié)器，當起動DC無刷電動機或在輕負載條件下操作DC無刷電動機時，能夠確實地探測逆變器的一組半導體開關元件的換向定時，從而能夠實現(xiàn)其穩(wěn)定操作控制。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，在一種DC無刷電動機驅動設備中，設置一個轉子磁極位置探測電路，通過把定子繞組兩端之間產(chǎn)生的三相感應電壓，與其中按星形連接構成多個半導體開關元件的逆變器的DC電源電壓相比較，或與從所述定子繞組的中性點獲得的預定電壓的參考電壓相比較，以對各個相產(chǎn)生磁極位置檢測信號，其中接通間隔轉換的定時是通過相對定子繞組中未接通的任何一個繞組，參考磁極位置探測信號，從而旋轉轉子而獲得的。
而且，根據(jù)本發(fā)明，在續(xù)流電流流過續(xù)流二極管的時間期間，驅動部分不參考所述磁極位置檢測信號。
此外，根據(jù)本發(fā)明，順序地檢測從上述轉子磁極位置檢測電路所獲得的磁極位置檢測信號的電平，從而獲得從電平的改變時點變到下一個接通間隔的定時。
此外，根據(jù)本發(fā)明，為了實現(xiàn)上述目的，設置裝置，以使逆變器驅動信號的PWM信號的頻率可變，從而能夠在起動或輕負載下驅動DC無刷電動機時與在正常穩(wěn)定條件下驅動時之間，使PWM信號的頻率不同。
而且，根據(jù)本發(fā)明，這樣的裝置這樣來構成，以便當PWM信號的接通變?yōu)榈扔陬A先設置的預定時間時，交換PWM信號的頻率。
此外，根據(jù)本發(fā)明，上述裝置這樣構成，以便檢測逆變器的DC電源電壓，根據(jù)檢測結果來交換PWM信號的頻率。


圖1是電路結構圖，表示根據(jù)本發(fā)明的DC無刷電動機驅動設備和使用該設備的空氣調節(jié)器的第一實施例；圖2(a)至圖2(c)是時間圖，表示在各接通間隔期間，圖1所示各部分的信號或電壓；圖3表示在圖2(a)至圖2(c)所示的接通間隔(1)和(2)期間，逆變器的驅動信號與磁極位置檢測信號之間的定時；圖4(a)和圖4(b)是說明逆變器的驅動信號的PWM信號的最小接通時間的視圖，該信號在微型電子計算機中產(chǎn)生；圖5(a)至圖5(c)是表示在圖1所示的第一實施例中，逆變器的驅動信號的PWM信號的頻率交換的視圖；以及圖6是電路結構圖，表示根據(jù)本發(fā)明的DC無刷電動機驅動設備和使用該設備的空氣調節(jié)器的第二實施例。
在下文，將參考附圖完全地說明根據(jù)本發(fā)明的實施例。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的直流(DC)無刷電動機驅動設備的第一實施例的電路圖，其中標號1表示微型電子計算機，標號2表示轉子磁極的位置檢測電路，標號3表示轉子，標號4a和4b表示參考電壓的檢測電阻器，標號5a-5f表示續(xù)流或回流二極管，標號6a-6f表示半導體開關元件，標號7a-7c表示定子繞組，標號8a-8c表示比較器，標號9a-9c表示負載電阻器，標號10a-10f表示電動機端電壓的檢測電阻器，標號11表示逆變器，以及標號12表示DC無刷電動機。
在該圖中，逆變器11用橋形連接的半導體開關元件6a-6f和與其并聯(lián)連接的續(xù)流二極管5a-5f構成，并且對該逆變器11施加DC電源電壓Vd。而且，轉子3和定子繞組7a-7c構成DC無刷電動機12，并且對DC無刷電動機12的各個相中的各定子繞組7a-7c，從逆變器11按預定定時供給驅動電流，逆變器11由微型電子計算機1輸出的驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-驅動。這里，驅動信號U+驅動半導體開關元件6a接通/斷開，并且在下文，分別地，驅動信號U-驅動半導體開關元件6d接通/斷開，驅動信號V+驅動半導體開關元件6b接通/斷開，驅動信號V-驅動半導體開關元件6e接通/斷開，驅動信號W+驅動半導體開關元件6c接通/斷開，以及驅動信號W-驅動半導體開關元件6f接通/斷開。
轉子磁極的位置檢測電路2用比較器8a-8c、負載電阻器9a-9c和電動機端電壓Vu、Vv、Vw的檢測電阻器10a-10f構成，并且它檢測DC無刷電動機12各個端的電壓Vu、Vv和Vw，從而分別產(chǎn)生與這些端電壓相對應的位置檢測信號U、V和W，以供給微型電子計算機1。在本轉子磁極位置檢測電路2中，在定子繞組7a端產(chǎn)生的電動機端電壓Vu由檢測電阻器10a和10b檢測，并且供給比較器8a，在定子繞組7b端產(chǎn)生的電動機端電壓Vv由檢測電阻器10c和10d檢測，并且供給比較器8b，以及在定子繞組7c端產(chǎn)生的電動機端電壓Vw由檢測電阻器10e和10f檢測，并且供給比較器8c。而且，對這些比較器8a-8c供給參考電壓Vd/2，它是DC電源電壓Vd的一半(1/2)，DC電源電壓Vd由檢測電阻器4a和4b檢測，從而使參考電壓Vd/2分別與檢測的電動機端電壓Vu、Vv和Vw比較。各個比較結果以位置檢測信號U、V和W獲得，通過與比較器8a-8c的輸出端連接的負載電阻器9a、9b和9c，這些位置檢測信號各具有高電平或低電平，從而供給微型電子計算機1。
然而，在空氣調節(jié)器中，DC無刷電動機12在其制冷循環(huán)期間，起一臺壓縮機的驅動電動機作用，雖然在圖中未示出。
微型電子計算機1根據(jù)這些位置檢測信號U、V和W，對逆變器11產(chǎn)生驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-，并且這些驅動信號的波形在圖2(a)中表示。在圖2中，DC無刷電動機12的接通或激勵時限或間隔用(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)…來表示。在逆變器11中正電源端側的半導體元件6a-6c共同地稱為上臂，而在負電源端側的半導體元件6d-6f稱為下臂，并且這里假定能由上臂和下臂兩者的半導體元件執(zhí)行斬波，并且斬波按時間順序，即半導體開關6e、6a、6f、6b、6d和6c來執(zhí)行，而且重復這個順序。先前用來執(zhí)行斬波的開關元件在下一個接通時限期間保持接通狀態(tài)，并且，在保持其斷開狀態(tài)四(4)個接通時限之后，使其驅動執(zhí)行斬波。因此，如圖2(a)所示，隨接通時限推進，驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-改變。
然而，這個斬波的負載比(因此，驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的斬波的各循環(huán)中的接通時限)可變，并且通過控制這個負載比，控制DC無刷電動機12的轉數(shù)。
當逆變器11這樣驅動的時候，DC無刷電動機12的接通相一個一個地改變。這里，定子繞組7a為U相，定子繞組7b為V相，以及定子繞組7c為W相。在圖2(a)所示的例子中，例如在接通時限(1)期間，半導體開關元件6c和6e受驅動信號W+和V-驅動，于是驅動電流流過定子繞組7c和7b，因此DC無刷電動機12的接通相是V和W。同樣，在接通時限(2)期間，由于半導體開關元件6a和6e受驅動信號U+和V-驅動，于是DC無刷電動機12的接通相是U和V，…，以及在接通時限(6)期間，由于半導體開關元件6a和6e受W+和U-驅動，于是DC無刷電動機12的接通相是W和U。在完成接通時限(6)中的這個驅動之后，再次返回到接通時限(1)，并且其后重復這個過程。
如上所述，當分別把驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-供給半導體開關元件6a、6d、6b、6e、6c和6f時，電動機各個相的端電壓由電壓Vu、Vv和Vw表示，如圖2(b)所示。
也就是，在接通時限(1)期間，接通相是V和W相，于是半導體開關元件6e由驅動信號V-執(zhí)行斬波，同時半導體元件6c由恒定電平的驅動信號W+保持在接通狀態(tài)，因此驅動電流從半導體開關元件6c通過定子繞組7c和7b流入半導體開關元件6e，然而半導體開關元件6a和6f保持在斷開狀態(tài)，于是無驅動電流供入定子繞組7a。從而，U相為非接通(或非激勵)狀態(tài)，并且如圖2(b)所示，這個非接通相U的電動機端電壓變成這樣形式，即在隨旋轉轉子3靠近定子繞組7a而逐漸增加的感應電壓上，疊加由于流過定子繞組7c和7b的驅動電流所引起的間歇波形的電壓。
相反，由于半導體開關元件6c由驅動信號W+保持在接通狀態(tài)，所以如圖2(b)所示，接通狀態(tài)的相W的電動機端電壓Vw變?yōu)楹虳C電源電壓Vd相等的電壓，同時由于半導體開關元件6e由驅動信號V-執(zhí)行斬波，所以如圖2(b)所示，接通狀態(tài)的相V的電動機端電壓Vv在半導體開關元件6e為接通狀態(tài)時變?yōu)榱?0)，而在半導體開關元件6e為斷開狀態(tài)時變?yōu)閂d，從而得到脈沖形電壓，它與驅動信號V-反相，并且具有幅值Vd。
而且，電動機端電壓Vu是對定子繞組7a的感應電壓加定子繞組7a-7c相互連接點(即定子繞組的中性點)的電壓，即其上疊加Vd/2值的電壓，因此，這個電動機端電壓Vu的間歇波形變?yōu)榕c電動機端電壓Vv同相，因此它與驅動信號V-反相。
這些電動機端電壓Vu、Vv和Vw分別由檢測電阻器10a和10b、檢測電阻器10c和10d及檢測電阻器10e和10f檢測，并且由比較器8a、8b和8c使它們與參考電壓Vd/2比較。如圖2(c)所示，由比較器8b，能獲得轉子3的磁極位置檢測信號V，它是和轉子端電壓Vv同相的間歇信號，同時如圖2(c)所示，由比較器8c，能獲得磁極位置檢測信號W，它和電動機端電壓Vw具有相同的恒定幅值。而且，在接通時限(1)期間，圖2(b)所示的電動機端電壓Vu的感應電壓從零(0)到Vd幾乎線性地增加值。由于這個原因，如果用比較器8a把這個電動機端電壓Vu與參考電壓Vd/2比較，則能獲得磁極位置檢測信號U，它在這個接通間隔(1)內的第一半時限T1期間，是和電動機端電壓Vu同相的間歇信號，而在第二或后半時限T2期間，保持和這個間歇波相同的恒定幅值。
這樣，獲得接通間隔(1)內的磁極位置檢測信號U、V和W，并且在微型電子計算機1內部，由這些信號和當時產(chǎn)生的并被斬波的驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-中的一個，檢測轉子3的磁極位置，從而檢測變?yōu)橄乱粋€接通間隔(2)內的驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的定時，然而這些信號將參考圖3說明。這里，在圖3中，用擴展的時間，表示了在接通間隔(1)和(2)之內，驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-與磁極位置檢測信號U、V和W之間的定時關系。
在該圖中，當考慮接通間隔(1)時，時限Tb與時限Tc之間的分界是接通間隔(1)的中點，因此T1＝Ta+Tb及T2＝Tc。而且，時限Ta是時限T1中驅動信號V-的第一個循環(huán)，并且是產(chǎn)生后文將要敘述的尖峰電壓的時限。
如上所述，在時限Tb內，驅動信號V-與磁極位置檢測信號U之間的關系相互相反，并且在時限Tc內，磁極位置檢測信號U保持高電平。于是，現(xiàn)在假定高電平用“1”表示，低電平用“0”表示，則在驅動信號V-的“1”的定時期間，磁極位置檢測信號U的電平如下在時限Tb內為“0”，在時限Tc內為“1”因此，當在驅動信號V-的“1”的定時期間，一個一個地檢測磁極位置檢測信號U的電平，有可能把這個檢測電平從“0”轉為“1”的時點認為是從時限Tb轉到時限Tc的時點。由此，顯然接通間隔(1)的中點，即轉子的磁極例如相對定子繞組7a達到一個特定位置。這樣，有可能檢測轉子與定子繞組之間的相對位置關系。
并且，例如，從接通間隔(1)的開始時間位置起，從預定值(例如，零(0))開始，對驅動信號V-的脈沖數(shù)累加計數(shù)，并且當磁極位置檢測信號U的電平從“0”反轉到“1”時，從累加計數(shù)到該時點的數(shù)開始，起動遞減計數(shù)，則當計數(shù)遞減到初始的預定值時，可以說通過了時限Tc，因此把時點設置為下一個接通間隔的初始時點。
按上述方式，有可能檢測接通間隔(1)變?yōu)榻油ㄩg隔(2)的時點，并且驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-如圖2(a)所示變化。
以上說明了在接通間隔(1)期間，轉子3的磁極位置的檢測，然而在下文，將說明在接通間隔(2)期間，轉子3的磁極位置的檢測。
如上所述，在圖1中，在接通間隔(2)期間，接通相是U和V，并且如圖2(a)所示，半導體開關元件6a由驅動信號U+執(zhí)行斬波，同時半導體開關元件6e由驅動信號V-保持在接通狀態(tài)，而且剩余半導體開關元件6b、6c、6d和6f保持在斷開狀態(tài)。因此，在DC無刷電動機12中，被斬波的驅動電流從半導體開關元件6a通過定子繞組7a和7b流到半導體開關元件6e，從而在定子繞組7c兩端之間產(chǎn)生感應電壓。
在這種情況下，如圖2(b)所示，DC無刷電動機12的U相的電動機端電壓Vu是脈沖電壓，它和驅動信號U+同相，并且具有Vd的幅值，同時如圖2(b)所示，由于半導體開關元件6e保持在接通狀態(tài)，所以DC無刷電動機12的V相的電動機端電壓保持為零(0)。相反，轉子3的磁極相對定子繞組7c偏移越遠，定子繞組7c兩端之間產(chǎn)生的感應電壓從約Vd/2的值線性降低，因此如圖2(b)所示，電動機端電壓Vw變?yōu)榘堰@個電壓疊加在定子繞組7a和7b的中性點N上的電壓，即具有幅值Vd/2，并且其相位與電動機端電壓Vu同步的脈沖電壓。
于是，當把電動機端電壓Vu、Vv和Vw供給轉子磁極位置檢測電路2時，由比較器8a、8b和8c分別把這些電壓與參考電壓Vd/2比較，從而如圖2(c)所示，獲得相位與驅動信號U+同步的脈沖形磁極位置檢測信號U，電平為“0”的磁極位置檢測信號V，和脈沖形波形的磁極位置檢測信號W，它在接通間隔(2)的第一半時限T1期間，相位和驅動信號U+同步，并且在第二半時限T2期間，為電平“0”。這些信號供給微型電子計算機1。
其次，參考圖3，將由接通間隔(2)期間的磁極位置檢測信號U、V和W，說明轉子3的磁極位置檢測。
在該圖中，同樣在接通間隔(2)之內，有具有時限Ta和時限Tb的第一半時限T1，并且第二半時限T2由時限Tc表示。這個時限Ta和先前接通間隔(1)的情況相同，它表示接通間隔(2)期間產(chǎn)生尖峰電壓的驅動信號U+的第一個循環(huán)的時限。
這里，在時限Tb內，考慮驅動信號U+與磁極位置檢測信號W之間的關系，當驅動信號U+為“1”時，磁極位置檢測信號W也為“1”，并且在時限Tc內，當驅動信號U+為“1”時，磁極位置檢測信號W為“0”。因此，在驅動信號U+為“1”的每個時點，檢測磁極位置檢測信號W的電平，顯然當這個電平從“1”變?yōu)椤?”時，到達接通間隔的中點，即轉子3的磁極例如相對定子繞組7a到達特定位置，這樣，有可能檢測轉子與定子繞組之間的相對位置關系。
于是，例如，從接通間隔(2)的開始時點開始，對驅動信號U+的脈沖數(shù)累加計數(shù)，當上述檢測電平從“1”變?yōu)椤?”時，變?yōu)檫f減計數(shù)，于是有可能把計數(shù)值回到初始預定值的時點設置為接通間隔(2)變?yōu)榻油ㄩg隔(3)的時點。
在下文，同樣利用接通間隔(3)、(4)、(5)和(6)，以及非接通相的非激勵定子繞組兩端之間的感應電壓，有可能檢測轉子3的磁極的位置，從而檢測接通間隔轉換的時點。并且重復接通間隔(1)-(8)。
在這種情況下，如圖2(a)和圖2(c)顯而易見，有可能檢測接通間隔的中點，特別是，在接通間隔(3)內，磁極位置檢測信號V的檢測電平從“0”反轉為“1”，在接通間隔(4)內，磁極位置檢測信號U的檢測電平從“1”反轉為“0”，在接通間隔(5)內，磁極位置檢測信號W的檢測電平從“0”反轉為“1”，以及在接通間隔(6)內，磁極位置檢測信號V的檢測電平從“1”反轉為“0”，等等。
在上述磁極檢測法中，在每隔一個接通間隔(1)、(3)和(5)內，包括感應電壓的磁極位置檢測信號U、V和W，和用于斬波的驅動信號V-、W-和U-，就其波形關系來說相同，并且在每種情況下，把由于這樣驅動信號所引起的磁極位置檢測信號的檢測電平從“0”變?yōu)椤?”的時點(即在相同圖形下從“0”變?yōu)椤?”)，確定為變?yōu)橄乱粋€接通間隔的時點，同時在另外的每隔一個接通間隔(2)、(4)和(6)內，包括感應電壓的磁極位置檢測信號U、V和W，和用于斬波的驅動信號U+、V+和W+，就其波形關系來說相同，并且在每種情況下，把由于這樣驅動信號所引起的磁極位置檢測信號的檢測電平從“1”變?yōu)椤?”的時點(即在相同圖形下從“1”變?yōu)椤?”)，確定為變?yōu)橄乱粋€接通間隔的時點。
與此相反，通過利用所有磁極位置檢測信號U、V和W，使得圖形對于六(6)個接通間隔(1)至(6)中的每個不同，從而有可能在接通間隔(1)-(6)中唯一地確定哪一個是下一個接通間隔。
也就是，在圖3中，假定現(xiàn)在在接通間隔(1)內，在時限Tb期間，在驅動信號V-為“1”的時點，磁極位置檢測信號U為“0”，同時磁極位置檢測信號V為“0”，以及磁極位置檢測信號W為“1”。這里，假定在驅動信號V-為“1”的時點，由磁極位置檢測信號U、V和W的電平所組成的圖形是(U，V，W)，于是在這種情況下，這個圖形是(0，0，1)。同樣，根據(jù)圖3，在接通間隔(1)的時限Tc期間，該圖形是(1，0，1)。因此，通過檢測從(0，0，1)到(1，0，1)的改變，有可能檢測變?yōu)橄乱粋€接通間隔的時點。
在下文，而且同樣，在接通間隔(1)-(6)內的圖形變化如下表1所示。
表1
在圖1中，在微型電子計算機1內部，分別存儲接通間隔(1)-(6)所固有的表示上述圖形和變化順序的信息，并且按上述方式檢測從轉子磁極位置檢測電路2供給的磁極位置檢測信號U、V和W的電平，從而保證得到它們中的哪一個處在當前接通間隔，以及確定哪一個是下一個接通間隔。當檢測到上述圖形變化時，間隔變?yōu)橄乱粋€接通間隔，這種改變確定在上述時點，從這個時點開始測量。
這樣，在各接通間隔內，通過利用三相的磁極位置檢測信號U、V和W的檢測電平的圖形(U，V，W)，與先前說明的在各接通間隔內，利用磁極位置檢測信號U、V和W中一相的檢測電平的情況比較，就其耐噪聲性來說優(yōu)越。
然而，在上述例子中，在圖2和圖3中，接通間隔能使得T1＝T2，然而不僅限于此，還有可能使得T2＝α·T1(然而，0＜α＜1)。也就是，通過使T2＜T1，與以上說明的情況比較，變?yōu)橄乱粋€接通間隔的定時提前，并且這樣做，可能情況是能提高電動機的效率。
另外，為了執(zhí)行如上所述這樣的磁極位置的精確檢測，在圖1中，必須考慮續(xù)流或回流電流流過逆變器11的作用。在緊接變化之后的預定時限期間，當變?yōu)橄乱粋€接通間隔時，續(xù)流電流流入續(xù)流二極管5a-5f中任何一個，并且流過續(xù)流電流的二極管轉為導電狀態(tài)。
并且，當續(xù)流電流流過上臂的續(xù)流二極管5a、5b和5c時的情況下，在續(xù)流電流的流通路徑中，幅值幾乎等于DC電源電壓Vd的尖峰電壓作為電動機端電壓Vu、Vv和Vw出現(xiàn)。在圖2(b)中，這些尖峰電壓分別在接通間隔(1)的開始部分，表示為電動機端電壓Vu上電壓Vd的部分，其上處理為陰影線，在接通間隔(3)的開始部分，表示為電動機端電壓Vv上電壓Vd的部分，其上處理為陰影線，以及在接通間隔(5)的開始部分，表示為電動機端電壓Vw上電壓Vd的部分，其上處理為陰影線。而且，在續(xù)流電流流過下臂的續(xù)流二極管5d、5e和5f時的情況下，在續(xù)流電流的流通通路中，幅值幾乎等于零(0)的尖峰電壓作為電動機端電壓Vu、Vv和Vw出現(xiàn)。在圖2(b)中，這些尖峰電壓分別在接通間隔(2)的開始部分，表示為電動機端電壓Vu上電壓0的部分，其上處理為陰影線，在接通間隔(4)的開始部分，表示為電動機端電壓Vv上電壓0的部分，其上處理為陰影線，以及在接通間隔(6)的開始部分，表示為電動機端電壓Vw上電壓Vd的部分，其上處理為陰影線。
然而，在圖3中，在接通間隔(1)內，磁極位置檢測信號U在時限Ta的第一半部分為“1”，是由于在圖2(b)所示的接通間隔(1)內，在電動機端電壓Vu上出現(xiàn)了尖峰電壓，并且在接通間隔(2)，磁極位置檢測信號W在時限Ta的第二或后半部分為“0”，是由于在圖2(b)所示的接通間隔(2)內，在電動機端電壓Vw上出現(xiàn)了尖峰電壓。
如圖3顯而易見，在磁極位置檢測信號U、V和W上具有這樣的尖峰電壓，使得接通間隔之內第一半時限Ta內的電平和相同接通間隔內第二半時限Tc內的電平相同。因此，在各接通間隔內，當通過檢測時限Tc內磁極位置檢測信號的電平，試圖確定變?yōu)橄乱粋€接通間隔的定時時，這個電平首先由于該尖峰電壓而出現(xiàn)在接通間隔內，因此這個接通間隔改變的開始時點被錯誤地確定為磁極的檢測位置。由于這個原因，由這個時點確定變?yōu)橄乱粋€接通間隔的時點，因此降低了磁極位置檢測的精確性。如上所述，在用三(3)個磁極位置檢測信號U、V和W的檢測電平的圖形(U，V，W)來檢測相同磁極位置的方法中，這種情況也為真，并且例如，如圖3所示，在各接通間隔內，時限Ta內的圖形變?yōu)榈扔跁r限Tc內的圖形。因此，同樣在這種情況下，當試圖檢測圖形在時限Tc內改變的時點時，錯誤地把接通間隔的開始時點確定為這個時點。
因此，為了能夠不受尖峰電壓的不良影響來檢測磁極位置檢測信號的電平，這樣安排為在驅動信號的第一循環(huán)內，不能檢測磁極位置檢測信號的電平。
以上是第一實施例的基本操作。
然而，從對逆變器11輸出驅動信號的時間開始，直到能夠對轉子磁極位置檢測電路的比較器的輸出脈沖信號的電平進行檢測的時間為止，微型電子計算機1需要預定時限。例如，以圖3所示接通間隔(1)為例說明，如圖4(a)所示，微型電子計算機1在輸出驅動信號V-的一個脈沖時，根據(jù)這個脈沖的上升沿，檢測從比較器8a輸出的磁極位置檢測信號U的電平，然而，這個電平的檢測定時tD從驅動信號V-的脈沖的上升沿被延遲預定時間T。這樣的時間例如約為13μsec(在下文，T＝13μsec)。此外，ΔT意指磁極位置檢測信號U的傳輸延遲。
另外，由驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-斬波時的負載比(因此，斬波時的接通時間)可變(因此，它們是用驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-斬波時的PWM(脈沖寬度調制)信號，因此，在下文，這些信號在斬波時稱為PWM信號)，并且通過改變負載比，有可能對DC無刷電動機12的轉數(shù)執(zhí)行控制，其中轉數(shù)越小，負載比越小，即斬波時的接通時間(也就是PWM信號的接通時間)變短。并且，當驅動信號V-的PWM信號的脈沖寬度比從上述上升沿直到電平檢測定時tD的時間T短時，磁極位置檢測信號U的脈沖寬度也變?yōu)榈扔谶@個PWM信號的脈沖寬度，即短寬度，因此，如圖4(b)所示，不可能精確地檢測磁極位置檢測信號U的電平。
為了防止這種情況，驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的PWM信號的脈沖寬度應該大于T＝13μsec。
然而，如果對PWM信號的接通時間設置下限，那么在DC無刷電動機12以低轉數(shù)旋轉的情況下，例如在其起動操作或在輕負載下操作時，不可能與此相應地設置PWM信號的負載比。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，為了解決這樣的問題，同時對PWM信號的接通時間設置下限，這樣來交換PWM信號的頻率，即使當DC無刷電動機12在低轉數(shù)下旋轉時，例如，在其起動操作或在輕負載下操作時，也使PWM信號的負載比與此相應地設置。
在下文，將說明本第一實施例中PWM信號的頻率的交換，然而，如上所述，通過考慮微型電子計算機1的處理時間，微型電子計算機1輸出的驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的最小接通時間變?yōu)?3μsec。
首先，參考圖5，將說明從DC無刷電動機12開始旋轉的時間，直到其在正常穩(wěn)定操作條件下的時間的操作。
現(xiàn)在，假定在DC無刷電動機12正常穩(wěn)定操作時，驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的PWM信號的頻率是3.3kHz，微型電子計算機1把PWM信號的頻率設置為3.3kHz的一半(1/2)，即1.65kHz，如圖5(a)所示，從而把PWM信號的接通時間設置為約13μsec。與在正常穩(wěn)定操作下驅動時，PWM信號的頻率為3.3kHz，并且接通時間為13μsec的情況比較，在這種情況下負載比較小。從而，與PWM信號的頻率為3.3kHz，并且接通時間為13μsec時比較，DC無刷電動機12更平滑地起動。
在這個起動操作之后，微型電子計算機1一直監(jiān)視所產(chǎn)生的PWM信號的這個接通時間，并且伴隨DC無刷電動機12的轉數(shù)的增加，PWM信號的負載比增加，同時其接通時間逐漸變長。并且，如圖5(b)所示，當檢測到這個PWM信號的接通時間變?yōu)槠饎訒r的接通時間的兩倍(2)時，也就是，當檢測到它約為13×2＝26μsec時，微型電子計算機1把PWM信號的頻率換成3.3kHz，它是1.65kHz的兩倍，同時保持此時的PWM信號的負載比。從而，如圖5(c)所示，在這種情況下接通時間約為13μsec。之后，這個3.3kHz的PWM信號其負載比隨DC無刷電動機12的轉數(shù)增加而變大，因此接通時間變長。
這樣，當起動DC無刷電動機12時，為了能夠正確地檢測磁極位置檢測信號的電平，有可能把最小接通時間保持為PWM信號的接通時間，并且還可能把負載比設置得充足低。而且，即使在正常穩(wěn)定操作下也與上述相同，并且還增加PWM信號的頻率，因此總可能使DC無刷電動機12從其起動開始一直正確地檢測磁極位置檢測信號的電平。于是，對換向定時的檢測變得確定，從而能夠穩(wěn)定控制其轉數(shù)，并且在正常穩(wěn)定操作下，增加PWM信號的頻率，從而能夠根據(jù)DC無刷電動機12的負載實現(xiàn)平滑旋轉。
而且，當PWM信號的頻率從圖5(b)所示的情況變?yōu)閳D5(c)所示的情況時，其負載比無變化，因此從逆變器11的半導體開關元件6a-6f供給DC無刷電動機12的驅動電流的平均值不變，因此，當交換PWM信號的頻率時，DC無刷電動機12中無異常旋轉出現(xiàn)。
此外，當操作進入輕負載條件下時，同樣使DC無刷電動機的轉數(shù)降低，并且與此相伴，PWM信號的負載比變小，從而使PWM信號的接通時間縮短。并且，如圖5(c)所示，當PWM信號的接通時間變?yōu)榧s13μsec，并且轉數(shù)進一步減小時，PWM信號的頻率從3.3kHz減小到1.65kHz，同時保持當時的負載比。因此，PWM信號的接通時間變?yōu)?6μsec，從而能夠進一步減小DC無刷電動機12的轉數(shù)，直到這個接通時間變?yōu)?3μsec。這樣，能獲得與上述相同的效果。
其次，將說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的DC無刷電動機驅動設備和使用該設備的空氣調節(jié)器的第二實施例的電路圖，其中標號13表示DC電壓檢測器，并且與圖1所示那些元件相同的元件附有同樣標號，以便省略對其重復說明。
在該空氣調節(jié)器中，一般使用不同的工業(yè)AC電源，例如100V和200V，作為其工業(yè)AC電源。于是，如圖6所示，在本第二實施例中，使其這樣構成，即在圖l所示結構中增加DC電壓檢測器13，其中逆變器11的DC電源電壓Vd由這個DC電壓檢測器13檢測，從而確定圖中未示出的工業(yè)AC電源的種類(例如，100V的工業(yè)AC電源或200V的工業(yè)AC電源)，在這個電源下，根據(jù)其輸出的檢測，微型電子計算機l操作，并且根據(jù)這個確定結果，當DC無刷電動機12起動時，以及當它在輕負載條件下操作時，使PWM信號的頻率不同。除上述外的結構和操作和圖1所示的第一實施例的結構和操作相同。
另外，在用高壓例如200V的工業(yè)AC電源作為其工業(yè)AC電源的情況下，DC電源電壓Vd由對該工業(yè)AC電源的AC電壓的全波整流和平滑產(chǎn)生，因此DC電源電壓變?yōu)榧s等于200×
=283V，它是使用100V工業(yè)AC電源的約兩(2)倍，因此，電流流過逆變器11的各個半導體開關元件6a-6f，它比使用或施加100V工業(yè)AC電源時流過的電流大。于是，即使當使用200V的工業(yè)AC電源時，如果驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的PWM信號的接通時間的下限設置為13μsec，則當起動DC無刷電動機12時，和/或當在輕負載條件下操作它時，流過比使用100V工業(yè)AC電源時流過的電流要大的電流。當然，如果消除這個下限，能使PWM信號的接通時間小，然而如果這樣做，會出現(xiàn)一種情況，其中不能由這樣的PWM信號檢測磁極位置檢測信號U、V和W的電平。
根據(jù)本第二實施例，為了解決這樣的問題，同時如上述設置PWM信號的接通時間的下限，目的是減小起動DC無刷電動機12時，和/或在輕負載下操作它時的電流，并且由PWM信號的頻率來實現(xiàn)。這里，作為它的一個例子，假定工業(yè)AC電源是100V和200V中的任何一個。
于是，在圖6中，當圖中未示出的電源開關接通時，DC電壓檢測器13檢測逆變器11的DC電源電壓Vd，并且根據(jù)檢測輸出，微型電子計算機1判定圖中未示出的工業(yè)AC電源是100V還是200V。這里，如上所述，在使用或施加100V的工業(yè)AC電源的情況下，DC電源電壓Vd約為140V，而在工業(yè)AC電源是200V的情況下，它約為280V，因此，例如把判定電平設置為200V，根據(jù)DC電壓檢測器13的輸出的檢測，有可能檢測使用或施加了哪種類型的工業(yè)AC電源。
并且，當根據(jù)DC電壓檢測器13的檢測輸出，判定使用的工業(yè)AC電源是100V的電源時，微型電子計算機1把為逆變器11產(chǎn)生的驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的PWM信號的頻率設置為預定頻率(這里，如上所述，設置為3.3kHz)，從而起動DC無刷電動機12。然而，同樣在這種情況下，這些PWM信號的最小接通時間設置為這樣長度，在這個長度下，根據(jù)驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-，能確實地檢測位置檢測信號U、V和W的電平(這里，如上所述，設置為13μsec)。
而且，當根據(jù)DC電壓檢測器13的檢測輸出，判定使用或施加的工業(yè)AC電源是200V的電源時，微型電子計算機1把產(chǎn)生的驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-的PWM信號的頻率設置為1.65kHz，它是預定頻率(3.3kHz)的一半(1/2)，從而由此起動DC無刷電動機12。而且，在這種情況下，這些PWM信號的最小接通時間設置為13μsec。
這樣，在起動DC無刷電動機12時，通過把PWM信號的頻率設置為上述預定頻率(3.3kHz)的一半(1/2)，則與該結構中的預定頻率比較，有可能使其起動時供給DC無刷電動機12的驅動電流減小到一半(1/2)，從而能夠防止從同步起動到檢測其位置的操作的轉變的失敗，并且防止由于起動轉矩過大所引起的聲音，以及防止其振動的增加。
其后，增加DC無刷電動機12的轉數(shù)，并且與此相伴隨，還增加PWM信號的接通時間，然而當這個接通時間達到預定值時(例如26μsec，但是它可以比這個值大)，把PWM信號的頻率換成上述預定頻率(＝3.3kHz)，同時保持當時的負載比。從而，有可能在其平滑旋轉下獲得對DC無刷電動機12的驅動。
在使用或施加200V工業(yè)AC電源的情況下，設置這樣頻率的操作和圖5所示的先前第一實施例的操作相同。而且，在使用200V工業(yè)AC電壓源的情況下，在輕負載條件下操作時，同樣使PWM信號的頻率為預定頻率的一半(1/2)。
如上所述，在本實施例中，在使用或施加高壓工業(yè)AC電源的條件下，有可能減小起動DC無刷電動機12時的驅動電流，并且還有可能在其正常穩(wěn)定操作下，平滑地獲得DC無刷電動機12的旋轉。
在這樣的第二實施例中，假定使用或施加的工業(yè)AC電源是100V和200V中的任何一種，然而根據(jù)本發(fā)明，不僅限于此，當使用大于三(3)種的不同電壓的工業(yè)AC電源時，情況相同，并且根據(jù)這些工業(yè)AC電源的關系，可以對它們的各自設置起動時PWM信號的頻率。此外，為了根據(jù)驅動信號U+、U-、V+、V-和W+、W-，確實地檢測位置檢測信號U、V和W的電平，PWM信號的最小接通時間不應僅限于上述13μsec，而是可以根據(jù)微型電子計算機1的處理時間，任意地設置為任何值。
而且，在上述各個實施例中，PWM信號的頻率分兩步可變，然而，有可能分三步或更多步可變。例如，在分兩步改變的情況下，如果起動DC無刷電動機12的頻率設置為1.65kHz，并且在其正常操作條件下設置為3.3kHz，則PWM信號的最小接通時間設置為13μsec，并且在其起動之后，當PWM信號的接通時間變?yōu)?0μsec時，頻率變?yōu)榧s2.56kHz。同時通過結構保持負載比。從而，PWM信號的接通時間變?yōu)樽钚r間，即13μsec。其后，增加DC無刷電動機的轉數(shù)，同時通過結構使PWM信號的頻率設置為2.56kHz，并且當PWM信號的接通時間變?yōu)榧s16.8μsec時，使PWM信號的頻率設置為3.3kHz，同時保持當時的負載比。從而，PWM信號的接通時間變?yōu)榧s13μsec。
此外，在上述實施例中，使其這樣構造，即從檢測電阻器4a和4b獲得轉子磁極位置檢測電路2的參考電壓Vd/2，然而，與此代替，有可能通過使用預定檢測電阻器，從DC無刷電動機12的定子繞組7a-7b的中性點N獲得參考電壓。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，即使在DC無刷電動機的起動和輕負載條件下操作時，通過減小驅動逆變器的PWM信號的頻率，有可能使PWM信號的接通時間確保時間長度，以根據(jù)所述PWM信號，確實地檢測無刷電動機的磁極位置，從而能夠確實地檢測換向時間，以便獲得DC無刷電動機的穩(wěn)定控制。
而且，根據(jù)本發(fā)明，即使逆變器的DC電源電壓不同，由于有可能利用簡單方法，例如降低驅動逆變器的PWM信號的頻率，來減小起動DC無刷電動機和/或在輕負載條件下操作它時的驅動電流，因此有可能防止由于起動轉矩過大所引起的從同步起動到檢測位置操作的轉換的失敗，防止由于起動轉矩過大所引起的聲音，以及防止其振動的增加，并且還有可能確實地檢測逆變器的換向定時，從而能夠實現(xiàn)DC無刷電動機的穩(wěn)定控制，以及能夠響應寬范圍輸入電源電壓和其寬范圍負載，實現(xiàn)穩(wěn)定驅動。
而且，根據(jù)本發(fā)明的空氣調節(jié)器，通過降低起動時的PWM信號的頻率，有可能減小其起動操作時的電源電流和漏泄電流，以及能夠響應寬范圍輸入電源電壓和其寬范圍負載，實現(xiàn)穩(wěn)定驅動。
權利要求
1.一種DC無刷電動機驅動設備，包括一個逆變器，具有六個三相橋形連接的半導體開關元件，與其各自并聯(lián)并反向連接一個續(xù)流二極管；一個驅動器部分，用于產(chǎn)生驅動信號，以驅動所述半導體開關元件的接通和斷開，從而對所述DC無刷電動機的各個相產(chǎn)生驅動電流，所述DC無刷電動機具有多個星形連接的定子繞組，其中性點不接地，和一個磁性轉子，該設備還包括一個轉子磁極位置檢測電路，檢測在各所述定子繞組兩端之間產(chǎn)生的速度正比電動勢，以與預定電平的參考電壓比較，從而對各相產(chǎn)生磁極位置檢測信號，其中所述驅動部分根據(jù)所述磁極位置檢測信號，產(chǎn)生所述逆變器的所述半導體開關元件的驅動信號；以及所述驅動部分在所述定子繞組中任何兩相接通的時限期間，通過參考從所述轉子磁極位置檢測電路獲得的所述磁極位置檢測信號，檢測各所述半導體開關元件的開關定時，從而產(chǎn)生使所述DC無刷電動機旋轉的所述驅動信號。
2.如權利要求1限定的DC無刷電動機驅動設備，其中所述參考電壓由所述逆變器的DC電源電壓產(chǎn)生，并且它是具有所述DC電源電壓的一半(1/2)值的電壓。
3.如權利要求1限定的DC無刷電動機驅動設備，其中所述參考電壓是所述定子繞組的中性點的電壓。
4.如權利要求1至3中任何一項限定的DC無刷電動機驅動設備，其中所參考的所述磁極位置檢測信號，是通過把未接通的任何一相的所述定子繞組兩端之間的端電壓，與所述轉子磁極位置檢測電路中的所述參考電壓相比較而獲得的磁極位置檢測信號。
5.如權利要求1至4中任何一項限定的DC無刷電動機驅動設備，其中所述驅動部分在續(xù)流電流流過所述續(xù)流二極管的時間期間，不參考所述磁極位置檢測信號。
6.如權利要求1或2限定的DC無刷電動機驅動設備，其中所述驅動器部分在所述定子繞組中任何兩相接通的時限期間，通過參考由比較未接通一相的所述定子繞組兩端之間的端電壓而獲得的所述磁極位置檢測信號，測量從所述DC無刷電動機換向的時間開始，直到這個磁極位置檢測信號改變的時間為止之間的時限，從而獲得從所述測量時限變?yōu)橄乱粋€接通時限的時點。
7.一種空氣調節(jié)器，其中應用DC無刷電動機作為用于驅動壓縮機的電動機，所述DC無刷電動機備有如權利要求1至6中任何一項限定的DC無刷電動機驅動設備。
8.一種DC無刷電動機驅動設備，包括一個驅動器部分，用于產(chǎn)生逆變器驅動信號；一個逆變器，具有六個三相橋形連接的半導體開關元件，并且通過用所述逆變器驅動信號來驅動所述半導體開關元件，以產(chǎn)生供給DC無刷電動機的定子繞組的電動機驅動信號；和多個比較器，各用于把所述DC無刷電動機的定子繞組的各相兩端之間的電動機端電壓，與所述逆變器的DC電源電壓的一半的參考電壓相比較，其中在所述DC無刷電動機的各接通間隔內，所述逆變器驅動信號包括一個由所述逆變器的所述半導體開關元件中任何一個斬波的PWM信號，并且所述驅動器部分根據(jù)所述逆變器驅動信號的定時，檢測從所述比較器輸出的位置檢測信號的電平，從而設置換向定時，以根據(jù)其檢測結果，交換所述DC無刷電動機的接通間隔，其中，還設有使所述PWM信號的頻率可變的裝置。
9.如權利要求8限定的DC無刷電動機驅動設備，當所述逆變器驅動信號的所述PWM信號的接通時間變?yōu)榈扔陬A先確定的預定時間時，所述裝置交換所述PWM信號的頻率。
10.如權利要求9限定的DC無刷電動機驅動設備，所述裝置包括一個第一裝置，用于檢測所述逆變器的DC電源電壓；和一個第二裝置，根據(jù)所述第一裝置的檢測結果，用于交換所述逆變器驅動信號的所述PWM信號的頻率。
11.一種空氣調節(jié)器，其中應用DC無刷電動機作為用于驅動壓縮機的電動機，所述DC無刷電動機備有如權利要求8至10中任何一項限定的DC無刷電動機驅動設備。
全文摘要
為了當在其起動或輕負載條件下操作DC無刷電動機時,確實地檢測逆變器的換向定時,微型電子計算機1產(chǎn)生驅動信號U+,…,W－,以便以每個接通間隔的預定順序,由這些驅動信號的PWM信號驅動逆變器1的開關元件6a至6f,從而對DC無刷電動機12供給驅動電流,其中根據(jù)PWM信號,通過檢測磁極位置檢測信號的電平,來檢測接通間隔之間交換的定時(即換向定時)。
文檔編號H02P6/20GK1271992SQ0010707
公開日2000年11月1日 申請日期2000年4月27日 優(yōu)先權日1999年4月27日
發(fā)明者和久井豊光, 加藤浩二, 奧山敦, 寺內英樹, 牧田稔, 金子喜作, 巖崎真之, 田村建司 申請人:株式會社日立制作所