專利名稱：Dc無電刷電動機的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DC無電刷電動機的控制裝置。
背景技術(shù)：
以往，作為在無傳感器DC無電刷電動機等的電動機運轉(zhuǎn)區(qū)域中不存在空白區(qū)域，或在整個轉(zhuǎn)速區(qū)域中能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的變頻控制系統(tǒng)的提供方法，變頻控制系統(tǒng)包括具備具有多個磁極的轉(zhuǎn)子的電動機；為了驅(qū)動電動機，而根據(jù)驅(qū)動信號對該電動機施加變頻輸出電壓的變頻裝置；檢測電動機的磁極位置的磁極位置檢測電路；根據(jù)磁極位置和所定的載波頻率，生成驅(qū)動信號，并向變頻裝置傳送的變頻控制裝置，在該變頻控制系統(tǒng)中，提出當所定的載波頻率變?yōu)樽冾l輸出電壓頻率的整數(shù)倍時，將該所定的載波頻率變更為其他載波頻率，以生成所述驅(qū)動信號的變頻控制裝置；或在根據(jù)磁極位置運算出的電動機的轉(zhuǎn)速與所定的載波頻率成所定比例時，將所定的載波頻率變更為根據(jù)所定比例而設定的其他頻率，以生成驅(qū)動信號的變頻控制裝置的方案。并且，也提出一種控制方法的方案，其特征在于，從所定的載波頻率和變頻輸出電壓的整數(shù)倍一致的狀態(tài)，轉(zhuǎn)移到所定的載波頻率和變頻輸出電壓的整數(shù)倍不一致的狀態(tài)時，將所定的載波頻率變更為根據(jù)該狀態(tài)而設定的其他載波頻率，以生成驅(qū)動信號(例如，參照專利文獻1)。
另外，作為為了抑制振動、噪音而選定適當?shù)妮d波頻率的方法，提出一種控制方法的方案，其特征在于預先選定載波頻率，用實驗求出相對轉(zhuǎn)速的最佳載波頻率特性，在PWM載波頻率轉(zhuǎn)換電路內(nèi)進行數(shù)據(jù)庫化并保存。根據(jù)表示載波頻率控制模式一例的圖，設定為在比較低的轉(zhuǎn)速區(qū)域中增大載波頻率，在其以外的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)減小載波頻率。另外，根據(jù)表示載波頻率的控制模式的另一例，則為增大低轉(zhuǎn)速區(qū)域的載波頻率并保持恒定，隨著變?yōu)槠湟酝獾母咿D(zhuǎn)速區(qū)域，直線地降低載波頻率的例子；或在低轉(zhuǎn)速區(qū)域中增大載波頻率，隨著轉(zhuǎn)速的增加，階段性地降低載波頻率的例子，這些控制模式都是作為通過使轉(zhuǎn)速和載波頻率一致而防止共振的方法，從而被提出的(例如參照專利文獻2)。
(專利文獻1)特開2002-101684號公報(0015～0024、圖1)(專利文獻2)特開2001-186787號公報(0052～0054、圖1)在特開2002-101684號公報的方式中，其特征在于，在載波頻率變?yōu)殡妱訖C轉(zhuǎn)速或變頻輸出電壓頻率的所定比例時，將所定的載波頻率變更為根據(jù)所定比例而設定的其他載波頻率，以生成驅(qū)動信號，但是，由于變頻電壓的頻率變?yōu)樗ū壤龝r的轉(zhuǎn)速和共振時的轉(zhuǎn)速沒有界限，故導致噪音的增大。另外，對于所定的比例，只是成為整數(shù)倍，由于沒有涉及其數(shù)學式或數(shù)值的根據(jù)，所以，在最佳地設計電動機轉(zhuǎn)速和載波頻率方面，其公開是不夠充分的。
在特開2001-186787號公報的方式中，利用實驗的方法求出相對轉(zhuǎn)速的最佳載波頻率特性的發(fā)明，但是，存在相對轉(zhuǎn)速的最佳載波頻率特性不明確的問題。另外，根據(jù)載波頻率控制模式的例子，示出在電動機轉(zhuǎn)速為低速的區(qū)域中，增大載波頻率，隨著轉(zhuǎn)速的增加，減小載波頻率的例子，但是在電動機轉(zhuǎn)速為比較高速的區(qū)域中，利用低速設備時，位置檢測精度惡化，控制變?yōu)椴环€(wěn)定，故必須用高價的高速設備。還有，由于在電動機轉(zhuǎn)速為比較低速的區(qū)域中增大載波頻率大，故導致變頻效率的惡化、噪音增大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述的問題，其目的在于，對成為DC無電刷電動機不穩(wěn)定因素的轉(zhuǎn)速與載波頻率的關(guān)系，明確其機理，通過將成為不穩(wěn)定因素的轉(zhuǎn)速和載波頻率數(shù)學公式化，從而即使在利用低速設備時，也容易實現(xiàn)在轉(zhuǎn)速的全區(qū)域中穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
首先，結(jié)合圖1～圖6，研究上述問題的機理。圖1是DC無電刷電動機的基本驅(qū)動控制框圖，其由DC無電刷電動機11；包括開關(guān)元件，并利用該開關(guān)元件的開閉，根據(jù)PWM信號將直流電壓變換為交流電壓之后，供給到DC無電刷電動機11的直流交流變換機構(gòu)12；檢測DC無電刷電動機11的感應電壓的感應電壓檢測機構(gòu)13；根據(jù)感應電壓檢測機構(gòu)13所輸出的磁極位置信息，輸出電壓波形的電壓控制機構(gòu)14；和根據(jù)電壓控制機構(gòu)14的輸出，生成PWM信號的PWM控制機構(gòu)15構(gòu)成。
DC無電刷電動機11包括具有多個磁極的轉(zhuǎn)子；和相對該轉(zhuǎn)子生成磁場的多個定子繞組，感應電壓檢測機構(gòu)13獲取由DC無電刷電動機11轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而在定子繞組上產(chǎn)生的感應電壓，將根據(jù)其感應電壓的變化即轉(zhuǎn)子的磁極位置變化而獲得的磁極位置信息和轉(zhuǎn)速信息輸出到電壓控制機構(gòu)14。PWM控制機構(gòu)15根據(jù)由電壓控制機構(gòu)14輸出的電壓波形的輸出，向直流交流變換機構(gòu)12輸出PWM信號，從而由生成的交流電壓來控制DC無電刷電動機11。
在這里，已知該PWM信號的載波頻率(以下稱載波頻率)對DC無電刷電動機11的感應電壓波形有影響，對DC無電刷電動機11的轉(zhuǎn)子的磁極位置檢測精度也有影響。特別是，若在具有n個磁極的DC無電刷電動機11的轉(zhuǎn)速fm(以下稱轉(zhuǎn)速)與載波頻率fc中，和fm＝fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))一致，即轉(zhuǎn)速變?yōu)楹洼d波頻率同步的轉(zhuǎn)速(以下稱同步轉(zhuǎn)速41)，則即使提高或降低PWM信號的DUTY，也會發(fā)生不會進行PWM驅(qū)動信號的轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)速不提高或不降低的現(xiàn)象。結(jié)果，在超過同步轉(zhuǎn)速41時，在PWM信號的DUTY大的狀態(tài)下或小的狀態(tài)下進行PWM信號的轉(zhuǎn)換，故轉(zhuǎn)速急劇上升或急劇下降，從而發(fā)生DC無電刷電動機11的轉(zhuǎn)速控制不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
在圖2中表示進行上下支路PWM交替中斷時同步轉(zhuǎn)速41中的動作，圖4中表示進行上支路PWM交替中斷時同步轉(zhuǎn)速41中的動作。在圖2的最初的電角60°區(qū)間21中，A、B、C、D、E表示感應電壓波形，T0、T1、T2、T3、T4、T5、Ta、Tb、Tc、Td、Te表示時間，其中，Ta、Tb、Tc、Td、Te表示與作為直流電壓16的半電壓的VDC/2交叉的時間(以下稱零交叉點)，φa、φ2、φd、φe表示相位角。另外，在下一電角60°區(qū)間22中也同樣，A′、B′、C′、D′、E′表示感應電壓波形，T0′、T1′、T2′、T3′、T4′、T5′、Ta′、Tb′、Tc′、Td′、Te′表示時間，其中，Ta′、Tb′、Tc′、Td′、Te′表示與作為直流電壓16的半電壓的VDC/2交叉的時間(以下稱零交叉點)，φa′、φ2′、φd′、φe′表示相位角。
下面，結(jié)合圖2說明在上下支路PWM交替中斷、且fm＝fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中，m為奇數(shù)時的動作。由于m為奇數(shù)時，其動作相同，故在這里只特別說明m＝5的情形。在這里，上支路PWM信號23和下支路PWM信號24是通過比較從電壓控制機構(gòu)14輸出的指示電壓25和載波信號26而生成的。在最初的電角60°區(qū)間21中，感應電壓波形E的零交叉點為時間Te，到相位轉(zhuǎn)換為止，相位角被設定為φe。在下一電角60°區(qū)間22中，感應電壓波形E′的零交叉點為時間Te′，到相位轉(zhuǎn)換為止，相位角被設定為φe′。在這里，在控制算法上，φe＝φe′。
在這里，由于DC無電刷電動機11的負荷變動等，從感應電壓波形E變?yōu)楦袘妷翰ㄐ蜠時，在最初的電角60°區(qū)間21中，零交叉點變?yōu)闀r間Td、相位角變?yōu)棣誨。在下一電角60°區(qū)間22中也同樣，感應電壓波形變?yōu)镈′、零交叉點變?yōu)闀r間Td′、相位角變?yōu)棣誨′，φd＝φd′，由于相位轉(zhuǎn)換時間T5和T5′隨著感應電壓波形而變化，故沒有控制上的問題。這是在感應電壓檢測可能區(qū)域a27中，存在感應電壓波形D、感應電壓波形E、感應電壓波形D′、感應電壓波形E′的零交叉點的情形。
另一方面，在為感應電壓波形B、感應電壓波形C時，最初的電角60°區(qū)間21的零交叉點為原來時間Tb、Tc，但是，由于零交叉點不在感應電壓檢測可能區(qū)域a27中，故將零交叉點推定為時間T2。一般地，多為T2＝(T1+T3)/2，T3-T2＝T2-T1。這樣，即使在零交叉點位于感應電壓檢測可能區(qū)域a27以外區(qū)域時，或在由于電動機負荷變動，而從感應電壓波形C變動為感應電壓波形B時，或者在感應電壓波形B變動為感應電壓波形C時，也將零交叉點推定為T2，和原來的感應電壓波形沒有關(guān)系，設定為相位角φ2。
在下一電角60°區(qū)間22中同樣，相位角變?yōu)棣?＝φ2′。從而，即使感應電壓波形變動，最初的電角60°區(qū)間21和下一電角60°區(qū)間22的時間也不變。此時，從感應電壓波形C變?yōu)楦袘妷翰ㄐ蜝時的電動機變?yōu)檫^勵磁狀態(tài)，從感應電壓波形B變?yōu)楦袘妷翰ㄐ蜟時的電動機變?yōu)槿鮿畲艩顟B(tài)。在過勵磁狀態(tài)下，感應電壓波形相對相電流波形變?yōu)槌跋辔唬谌鮿畲艩顟B(tài)下，感應電壓波形相對相電流波形變?yōu)闇笙辔?，這些情況下，導致相電流的峰值電流、振動、噪音增大。另外，陷入這種同步轉(zhuǎn)速41時，為了提高轉(zhuǎn)速，即使提高指示電壓25，如果零交叉點位于感應電壓檢測可能區(qū)域a27以外的區(qū)域內(nèi)，則轉(zhuǎn)速也不會提高。另外，在更進入過勵磁狀態(tài)，感應電壓波形B變?yōu)楦袘妷翰ㄐ蜛時，或提高指示電壓25而變?yōu)門b＜＝T1時，在零交叉點的時間Ta中，相位角變?yōu)棣誥＝φ2，轉(zhuǎn)速急劇上升5～10Hz，從而噪音、振動增大。
另一方面，在更進入弱磁場狀態(tài)，且感應電壓波形C變?yōu)楦袘妷翰ㄐ蜠時，或降低指示電壓25而成為Tc≥T3時，在零交叉點的時間Td中，相位角變?yōu)棣誥＝φ2，轉(zhuǎn)速急劇下降5～10Hz，從而噪音、振動增大。在這里，轉(zhuǎn)速提高時的波動量Δfm u可以利用電動機的轉(zhuǎn)速fm、載波頻率fc和作為PWM信號接通時的時間比率的DUTY時間的三個參數(shù)，表示為Δfm u＝2/{2/fm-3·n·(1-DUTY)/fc}-fm。電動機轉(zhuǎn)速降低時也同樣，可以表示為Δfm d＝fm-2/{2/fm+3·n·(1-DUTY)/fc}。
(其中假設相位角φ在最初的電角60°區(qū)間21和下一電角60°區(qū)間22中相等。)在圖3中表示波動量與載波頻率的關(guān)系。如圖3所示，表示為了將提高或降低時的波動量Δfm u、Δfm d抑制在所定的范圍Δfm u 0、Δfm d0以內(nèi)，載波頻率有必要為fc0或其以上。這樣，在上下支路PWM交替中斷中，m為奇數(shù)時的同步轉(zhuǎn)速41特別稱為強共振點。
在上支路PWM中斷或在下支路PWM中斷中，在fm＝fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中，m為偶數(shù)時，發(fā)生上述現(xiàn)象，此時的同步轉(zhuǎn)速41特別稱為強共振點。在圖4中，雖然只表示m＝6的上支路PWM中斷的情形，但是，只要在m為偶數(shù)時，為上支路PWM中斷或下支路PWM中斷，其動作就完全相同。另外，由于上下支路PWM交替中斷中的符號與動作相同，故省略其說明。
并且，在DC無電刷電動機11的高轉(zhuǎn)速區(qū)域中，感應電壓的零交叉點隱藏在變頻輸出電壓區(qū)域內(nèi)，從而有時不能檢測。特別是在fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中的k＜5時，控制陷入不穩(wěn)定的狀態(tài)，發(fā)生失調(diào)現(xiàn)象。
在圖5中表示上下支路PWM交替中斷的情況下感應電壓檢測可能區(qū)域a27窄的以往例，在圖6中表示上支路PWM交替中斷的情況下的感應電壓檢測可能區(qū)域a27窄的以往例。圖5中表示上下支路PWM交替中斷、且fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中的k＝4時的情形。相位轉(zhuǎn)換時間T5之后，在時間T0′的期間內(nèi)，存在感應電壓檢測空白期間(以后稱空白期間28)。
在空白期間28中，雖然原來在時間T5中進行相位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為下支路PWM中斷，但實際上，相位轉(zhuǎn)換后載波一個周期份繼續(xù)上支路PWM中斷。在一般的微型計算機中，空白期間28為載波頻率的一個周期份。因此，感應電壓檢測可能區(qū)域a27從時間T1′變?yōu)門3′，作為期間，2a窄，不能正確地檢測磁極位置，故控制陷入不穩(wěn)定，發(fā)生失調(diào)現(xiàn)象。在這里，雖然說明了fm＝fc×2/(3·n·k)中k＝0的情形，但是，只要k＜5，就會由于感應電壓檢測可能區(qū)域a27的期間不滿3a，而無法進行正確的磁極位置檢測。
即使上支路PWM中斷或下支路PWM中斷中，在fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中k＜5時，也會發(fā)生上述的現(xiàn)象。在圖6中，雖然表示了k＝4的上支路PWM中斷的情形，但是，只要k＜5，和上下支路PWM交替中斷中同樣，感應電壓檢測可能區(qū)域a27的期間，在電角60°區(qū)間為2a，狹窄，故不能進行正確的磁極位置檢測。
因此在以往，為了提高最高轉(zhuǎn)速，使載波頻率fc適應fm max，在fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中，有必要將k設定得高，以使k≥5。可是在這種情況下，電動機轉(zhuǎn)速為低速時，不僅導致變頻效率的降低和噪音的增大，還存在不得不使用高成本的高速設備的問題。
因此，為了解決上述問題，如圖7所示，本發(fā)明的DC無電刷電動機的控制裝置包括具有n個磁極的DC無電刷電動機11；包含開關(guān)元件，并利用開關(guān)元件的開閉，根據(jù)PWM信號將直流電壓16變換為交流電壓之后，供給到DC無電刷電動機11的直流交流變換機構(gòu)12；檢測DC無電刷電動機11的感應電壓的感應電壓檢測機構(gòu)13；根據(jù)從感應電壓檢測機構(gòu)13輸出的磁極位置信息，輸出電壓波形的電壓控制機構(gòu)14；為了轉(zhuǎn)換載波頻率7，而預先設定的載波頻率轉(zhuǎn)換表71；轉(zhuǎn)換載波頻率7的載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72；和根據(jù)感應電壓檢測機構(gòu)13和載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72的輸出，生成PWM信號的PWM控制機構(gòu)15。并且，根據(jù)由感應電壓檢測機構(gòu)13得到的轉(zhuǎn)速信息和以所定條件預先設定在載波頻率轉(zhuǎn)換表71內(nèi)的表格內(nèi)容，轉(zhuǎn)換載波頻率7的裝置。


圖1是DC無電刷電動機的基本驅(qū)動控制框圖。
圖2是在上下支路PWM交替中斷時，轉(zhuǎn)速與載波頻率同步的例子(m＝5)。
圖3是表示電動機轉(zhuǎn)速的波動量與載波頻率關(guān)系的曲線。
圖4是在上支路PWM中斷時，轉(zhuǎn)速與載波頻率同步的例子(m＝6)。
圖5是在上下支路PWM交替中斷時，感應電壓檢測可能區(qū)域窄的例子(k＝4)。
圖6是在上支路PWM中斷時，感應電壓檢測可能區(qū)域窄的例子(k＝4)。
圖7是實施方式1所記載的DC無電刷電動機的驅(qū)動控制框圖。
圖8是實施方式1所記載的DC無電刷電動機的載波頻率轉(zhuǎn)換表。
圖9是在上下支路PWM交替中斷時的實施例(m＝k＝6)。
圖10是在上支路PWM中斷時的實施例(m＝k＝5)。
圖中11-DC無電刷電動機，12-直流交流變換機構(gòu)，13-感應電壓檢測機構(gòu)，14-電壓控制機構(gòu)，15-PWM控制機構(gòu)，16-直流電壓，21-最初的電角60°區(qū)間，22-下一電角60°區(qū)間，23-上支路PWM信號，24-下支路PWM信號，25-指示電壓，26-載波信號，27-感應電壓檢測可能區(qū)域a，28-空白期間，41-同步轉(zhuǎn)速，42-高轉(zhuǎn)速區(qū)域，71-載波頻率轉(zhuǎn)換表，72-載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)，81-第一載波頻率fc1下的第一同步轉(zhuǎn)速fr1(fc1)，82-第二載波頻率fc2下的第一同步轉(zhuǎn)速fr1(fc2)，83-第一載波頻率fc1下的最高轉(zhuǎn)速，84-第二載波頻率fc2下的最高轉(zhuǎn)速。
發(fā)明的
具體實施例方式
本發(fā)明根據(jù)由感應電壓檢測機構(gòu)13得到的轉(zhuǎn)速信息和以所定條件預先設定在載波頻率轉(zhuǎn)換表71內(nèi)的表格內(nèi)容，轉(zhuǎn)換載波頻率的。載波頻率轉(zhuǎn)換表71設定轉(zhuǎn)速和載波頻率，以使轉(zhuǎn)速fm和載波頻率fc下的轉(zhuǎn)速fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))不相等。特別是在上下支路PWM交替中斷時，m為奇數(shù)。特別是上支路PWM中斷或下支路PMW中斷時，m為偶數(shù)。
另外，由于通過利用如上所述地設定過的載波頻率轉(zhuǎn)換表71，可以回避同步轉(zhuǎn)速41，故可以將電動機轉(zhuǎn)速提高或降低時的電動機轉(zhuǎn)速波動量抑制在所定范圍內(nèi)。并且，將載波頻率轉(zhuǎn)換表的各載波頻率中的DC無電刷電動機11的最高轉(zhuǎn)速設定為fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))或其以下。特別是在上下支路PWM交替中斷時，k＞5。特別是在上支路PWM中斷或下支路PWM中斷時，k≥5。
下面，說明本發(fā)明的DC無電刷電動機控制方法的實施方式。而且，本發(fā)明并未由該實施方式限定。
(實施方式1)結(jié)合圖7、圖8說明實施方式1的DC無電刷電動機的控制方法。圖7是實施方式1的DC無電刷電動機的驅(qū)動控制框圖。在圖7中，DC無電刷電動機的控制裝置由具有n個磁極的DC無電刷電動機11；包含開關(guān)元件，利用該開關(guān)元件的開閉，根據(jù)PWM信號將直流電壓16變換為交流電壓之后，供給到DC無電刷電動機11的直流交流變換機構(gòu)12；檢測DC無電刷電動機11的感應電壓的感應電壓檢測機構(gòu)13；根據(jù)從感應電壓檢測機構(gòu)13輸出的磁極位置信息，輸出電壓波形的電壓控制機構(gòu)14；為了轉(zhuǎn)換所述PWM信號的載波頻率7，而預先設定完的載波頻率轉(zhuǎn)換表71；轉(zhuǎn)換載波頻率7的載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72；和根據(jù)感應電壓檢測機構(gòu)13和載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72的輸出，以生成PWM信號的PWM控制機構(gòu)15。
圖8表示以所定條件，在載波頻率轉(zhuǎn)換表71中設定完的表格內(nèi)容的一例。在圖8中，fc1是第一載波頻率，fc2是第二載波頻率，fc3是第三載波頻率，fc4是第四載波頻率，fr1(fc1)是在第一載波頻率fc1中轉(zhuǎn)速變?yōu)椴环€(wěn)定的第一同步轉(zhuǎn)速81，可表示為fr1(fc1)＝fc1×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))同樣，fr1(fc2)是第二載波頻率fc2的第一同步轉(zhuǎn)速82。另外，fm max是第一載波頻率fc1中的最高轉(zhuǎn)速83，可以表示為fm max(fc1)＝fc1·2/(3·n·k)(k為自然數(shù))同樣，fm max(fc2)是第二載波頻率fc2中的最高轉(zhuǎn)速84。
下面，說明DC無電刷電動機11的控制動作。首先，檢測DC無電刷電動機11旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的感應電壓的感應電壓檢測機構(gòu)13，向電壓控制機構(gòu)14和載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72輸出磁極位置信息和轉(zhuǎn)速信息。PWM控制機構(gòu)15根據(jù)由電壓控制機構(gòu)14輸出的電壓波形和轉(zhuǎn)換載波頻率7的載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72的輸出，向直流交流變換機構(gòu)12輸出PWM信號。另外，載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72根據(jù)從感應電壓檢測機構(gòu)13輸出的轉(zhuǎn)速信息和載波頻率轉(zhuǎn)換表71，選擇預先設定的載波頻率7并向PWM控制機構(gòu)15輸出。
在這里，如圖8所示，載波頻率轉(zhuǎn)換表71將轉(zhuǎn)速區(qū)域分割為多個，從轉(zhuǎn)速fm0到fm1為第一轉(zhuǎn)速區(qū)域，從轉(zhuǎn)速fm1到fm2為第二轉(zhuǎn)速區(qū)域，從轉(zhuǎn)速fm2到fm3為第三轉(zhuǎn)速區(qū)域，從轉(zhuǎn)速fm3到fm4為第四轉(zhuǎn)速區(qū)域，從轉(zhuǎn)速fm4到fm5為第五轉(zhuǎn)速區(qū)域；設定為DC無電刷電動機11的轉(zhuǎn)速在第一轉(zhuǎn)速區(qū)域中，為了回避第一載波頻率fc1的第一同步轉(zhuǎn)速fr1(fc1)(81)，而選擇載波頻率fc2；在第二轉(zhuǎn)速區(qū)域中，為了回避第二載波頻率fc2的第一同步轉(zhuǎn)速fr1(fc2)(82)，而選擇載波頻率fc1；在第三轉(zhuǎn)速區(qū)域60中，為了回避第一載波頻率fc1的最高轉(zhuǎn)速fm max(fc1)(83)，而選擇載波頻率fc2。
另外，本控制應用在空調(diào)機的壓縮機驅(qū)動用DC無電刷電動機時，對轉(zhuǎn)速fm1和第一載波頻率fc1的第一同步轉(zhuǎn)速fr1(fc1)(81)，給予Δf＝fm1-fr1(fc1)的界限，通常Δf＝2～3Hz，對轉(zhuǎn)速fm2和第一載波頻率fc1的最高轉(zhuǎn)速fm max(fc1)(83)，則給予Δf′＝fm2+fmmax(fc1)的界限，通常Δf′＝5～6Hz。
因此，第一載波頻率fc1是根據(jù)如下的兩個條件來設定的。一個是由同步轉(zhuǎn)速41來設定的fc1＝(fm1-Δf)×(3·n·m)/2(m為自然數(shù))，另一個是由最高轉(zhuǎn)速來設定的fc1＝(fm2+Δf′)×(3·n·5)/2。對第二載波頻率也同樣，fc2＝(fm1+Δf)×(3·n·m)/2(m為自然數(shù))，fc2＝(fm3+Δf′)×(3·n·5)/2。由于第三、第四載波頻率也同樣，故省略敘述。
另一方面，載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72，在將由感應電壓檢測機構(gòu)13得到的轉(zhuǎn)速信息在第一轉(zhuǎn)速區(qū)域中變更為第二載波頻率fc2；在第二轉(zhuǎn)速區(qū)域中變更為第一載波頻率fc1；在第三轉(zhuǎn)速區(qū)域中變更為第二載波頻率fc2之后，輸出到PWM控制機構(gòu)15，而使得直流交流變換機構(gòu)12驅(qū)動。
另外，載波頻率轉(zhuǎn)換表71除了上述的轉(zhuǎn)速區(qū)域和載波頻率以外，還設定如圖8所示的多種模式的轉(zhuǎn)速和載波頻率，在轉(zhuǎn)速和那些模式一致時，載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)72利用相對那些轉(zhuǎn)速而預先設定在載波頻率轉(zhuǎn)換表71中的載波頻率，輸出到PWM控制機構(gòu)15，驅(qū)動直流交流變換機構(gòu)12。
通過利用如上所述地設定載波頻率轉(zhuǎn)換表71，從而可以進行DC無電刷電動機11的控制，以使轉(zhuǎn)速不會等于fm＝fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))。另外，由于通過如上所述地設定載波頻率轉(zhuǎn)換表71，可以回避同步轉(zhuǎn)速41，故可以將電動機轉(zhuǎn)速上升或降低時的電動機轉(zhuǎn)速得波動量抑制在所定范圍之內(nèi)。另外，電動機轉(zhuǎn)速上升或降低時的電動機轉(zhuǎn)速得波動量Δfm u、Δfm d如前所述可以表示為Δfm u＝2/{2/fm-3·n·(1-DUTY)/fc}-fmΔfm d＝fm-2/{2/fm+3·n·(1-DUTY)/fc}；具有圖3所示的特性。
并且，可以進行DC無電刷電動機的控制，以使DC無電刷電動機11的最高轉(zhuǎn)速為fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))或其以下。
如上所說明得，根據(jù)實施方式1的DC無電刷電動機控制裝置，通過如上所述地設定載波頻率轉(zhuǎn)換表71，將成為DC無電刷電動機11得不穩(wěn)定因素的轉(zhuǎn)速和載波頻率的關(guān)系數(shù)學公式化，從而即使利用低速設備，也可以容易地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速全范圍內(nèi)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
(實施方式2)結(jié)合圖7、圖8、圖9說明本發(fā)明的實施方式2。圖7、圖8和實施方式1相同。圖9是上下支路PWM交替中斷的情形，雖然是在fm＝fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中，m＝6的情形，但是，只要m為偶數(shù)，其動作就都相同。符號和現(xiàn)有例相同。
轉(zhuǎn)速變?yōu)椴环€(wěn)定的同步轉(zhuǎn)速41分別存在于每一個載波頻率中，同步轉(zhuǎn)速41變?yōu)閒r(fc)＝fc·2/(3·n·m)(m為自然數(shù))。特別是在上下支路PWM交替中斷時，如上述的發(fā)明所要解決的問題中所說明的，m為奇數(shù)時變?yōu)閺姽舱顸c，所以，在fm＝fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中，回避m變?yōu)槠鏀?shù)的強共振點而通過設定載波頻率轉(zhuǎn)換表71，可以進行DC無電刷電動機11的穩(wěn)定的控制。
在這里，作為m為偶數(shù)時的一例，結(jié)合圖9說明在fm＝fc·2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中m＝6的情形。由于在感應電壓波形A、感應電壓波形D、感應電壓波形E時和現(xiàn)有例相同，零交叉點位于感應電壓檢測可能區(qū)域a27內(nèi)，所以在控制上沒有問題。
另一方面，在為感應電壓波形B、感應電壓波形C時，最初的電角60°區(qū)間21中的零交叉點的原來時間是Tb、Tc，但由于零交叉點位于感應電壓檢測可能區(qū)域a27以外，故在這個區(qū)間中，將零交叉點推定為T2。一般地，多為T2＝(T1+T3)/2、T3-T2＝T2-T1。這樣，在作為零交叉點的時間Tb、Tc存在于感應電壓檢測可能區(qū)域a27以外時，即使在由于電動機負荷的變動而導致感應電壓波形C變?yōu)楦袘妷翰ㄐ蜝的情況下，因為將零交叉點推定為時間T2，故和原來的感應電壓波形沒有關(guān)系而將相位角設定為φ2。
在下一電角60°區(qū)間22中也同樣，相位角設定為φ2′＝φ2，但是，由于作為感應電壓波形B′、感應電壓波形C′的零交叉點的時間Tb′、Tc′存在于感應電壓檢測可能區(qū)域a27內(nèi)，所以，如圖9所示，在下一電角60°區(qū)間22中，通過將相位轉(zhuǎn)換時間設定為相位角φ2′，從而自載波頻率和轉(zhuǎn)速的同步中脫離。
另外，如上所述，由于通過設定載波頻率轉(zhuǎn)換表71，可以回避同步轉(zhuǎn)速41，故可以將轉(zhuǎn)速上升或下降時的波動量抑制在所定范圍之內(nèi)。
因此，PWM信號為上下PWM時，在fm＝fc·2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中，通過特別回避m變?yōu)槠鏀?shù)的強共振點來設定載波頻率轉(zhuǎn)換表，從而即使在利用低速設備的情況下，也可以在轉(zhuǎn)速全范圍內(nèi)容易地實現(xiàn)穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。
(實施方式3)結(jié)合圖7、圖8和圖10說明本發(fā)明的實施方式3。圖7、圖8和實施方式1相同。圖10是表示上支路PWM中斷時的動作，雖然是在fm＝fc×2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中m＝5的情形，但是，只要m為奇數(shù)，其動作都相同。
在上支路PWM中斷時，如上述的發(fā)明所要解決的問題中所說明的，成為m為偶數(shù)時的強共振點，所以，在fm＝fc·2/(3·n·m)(m為自然數(shù))中，通過特別回避成為m為偶數(shù)時的強共振點，設定載波頻率轉(zhuǎn)換表，從而進行DC無電刷電動機的穩(wěn)定控制。
另外，如上所述，由于通過設定載波頻率轉(zhuǎn)換表71，可以回避同步轉(zhuǎn)速41，故可以將轉(zhuǎn)速上升或下降時的波動量抑制在所定范圍之內(nèi)。在這里，作為m為奇數(shù)時的一例，圖10中示出m＝5的情形，但由于其內(nèi)容和實施方式2相同，故省略說明。
(實施方式4)結(jié)合圖7、圖8、圖9說明本發(fā)明的實施方式4。圖7、圖8和實施方式1相同。圖9是上下支路PWM交替中斷的情形，是在fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中k＝5的情形。
此時，感應電壓檢測可能區(qū)域a27從T1′到T2′、從T3′到T4′，擴大為4a，可以正確地進行磁極位置的檢測。但是，在k＝5時，如發(fā)明所要解決的問題中所說明的，相當于強共振點，所以，在上下支路PWM交替中斷時，在fm＝fc·2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中，最高轉(zhuǎn)速為k＞5。
因此，在上下支路PWM交替中斷時，在載波頻率轉(zhuǎn)換表71中，通過在fm＝fc·2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中將最高轉(zhuǎn)速設定為k＞5，確保感應電壓檢測可能區(qū)域a27，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制，同時如實施方式1所示，通過將載波頻率轉(zhuǎn)換為fc1、fc2，可以提高最高轉(zhuǎn)速。
(實施方式5)結(jié)合圖7、圖8和圖10說明本發(fā)明的實施方式5。圖7、圖8和實施方式5相同。圖10是表示上支路PWM中斷中，在fm＝fc×2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中，k＝5的情形。此時，感應電壓檢測可能區(qū)域a27從T1′到T3′、從T4′到T5′擴大為3a的期間，可以進行磁極位置的檢測。
因此，在上支路PWM中斷時，在載波頻率轉(zhuǎn)換表71中，在fm＝fc·2/(3·n·k)(k為自然數(shù))中，通過將最高轉(zhuǎn)速設定為k≥5，從而確保感應電壓檢測可能區(qū)域a27，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制，同時，如實施方式1所示，通過將載波頻率轉(zhuǎn)換為fc1、fc2，可以提高最高轉(zhuǎn)速。
(發(fā)明的效果)如上所說明的，由于本發(fā)明在由感應電壓檢測機構(gòu)所獲得的轉(zhuǎn)速達到載波頻率轉(zhuǎn)換表中設定的轉(zhuǎn)速時可以轉(zhuǎn)換載波頻率，故在DC無電刷電動機的轉(zhuǎn)速全范圍內(nèi)可以實現(xiàn)穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，同時，在控制上不需要高速設備，故可以低價地提供本控制裝置。
權(quán)利要求
1.一種DC無電刷電動機控制裝置，其中包括直流交流變換機構(gòu)，其包含開關(guān)元件，并利用開關(guān)元件的開閉，根據(jù)PWM信號將直流電壓變換為交流電壓之后，供給到具有n個磁極的DC無電刷電動機；感應電壓檢測機構(gòu)，其檢測所述DC無電刷電動機感應電壓；電壓控制機構(gòu)，其根據(jù)所述感應電壓檢測機構(gòu)所輸出的感應位置信息，輸出電壓波形；載波頻率轉(zhuǎn)換表，其是為了轉(zhuǎn)換所述PWM信號的載波頻率而預先設定的；載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)，轉(zhuǎn)換所述載波頻率；和PWM控制機構(gòu)，根據(jù)感應電壓檢測機構(gòu)和所述載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)的輸出，生成PWM信號，其特征在于，所述載波頻率轉(zhuǎn)換表具有以所定條件預先設定的表格內(nèi)容，根據(jù)所述載波頻率轉(zhuǎn)換表，由所述載波頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)來生成所述PWM信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC無電刷電動機控制裝置，其特征在于，所述所定條件，是將所述DC無電刷電動機的轉(zhuǎn)速和所述載波頻率設定為使具有n個磁極的DC無電刷電動機的轉(zhuǎn)速不會等于PWM信號的載波頻率的2/(3·n·m)倍(m為自然數(shù))。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC無電刷電動機控制裝置，其特征在于，所述所定條件，是將所述DC無電刷電動機的轉(zhuǎn)速和所述載波頻率設定為從包含所述DC無電刷電動機的轉(zhuǎn)速、所述PWM信號的載波頻率和PWM信號的DUTY的物理量來計算具有n個磁極的DC無電刷電動機的轉(zhuǎn)速上升或下降時的波動量，并將所述波動量抑制在所定范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC無電刷電動機控制裝置，其特征在于，所述所定條件，是將所述DC無電刷電動機的轉(zhuǎn)速和所述載波頻率設定為使具有n個磁極的DC無電刷電動機的最高轉(zhuǎn)速為PWM信號的載波頻率的2/(3·n·k)倍(k為自然數(shù))或其以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC無電刷電動機控制裝置，其特征在于，在上下支路PWM交替中斷時，所述自然數(shù)m為奇數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC無電刷電動機控制裝置，其特征在于，在上支路PWM中斷或下支路PWM中斷時，所述自然數(shù)m為偶數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的DC無電刷電動機控制裝置，其特征在于，在上下支路PWM交替中斷時，所述自然數(shù)k，k＞5。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的DC無電刷電動機控制裝置，其特征在于，在上支路PWM中斷或下支路PWM中斷時，所述自然數(shù)k，k≥5。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于，對成為DC無電刷電動機不穩(wěn)定因素的轉(zhuǎn)速與載波頻率的關(guān)系，明確其機理，提供一種通過將成為不穩(wěn)定因素的轉(zhuǎn)速和載波頻率數(shù)學公式化，從而即使在利用低速設備時，也容易實現(xiàn)在轉(zhuǎn)速的全區(qū)域中穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的DC無電刷電動機控制裝置。本發(fā)明根據(jù)電動機感應電壓檢測中所獲得的轉(zhuǎn)速信息和預先以所定條件而設定在載波頻率轉(zhuǎn)換表里的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換載波頻率。由此，可以以低價的低速設備來實現(xiàn)在DC無電刷電動機的運轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)不存在空白區(qū)域，并能在轉(zhuǎn)速全區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的控制。
文檔編號H02P6/18GK1574601SQ20041004586
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月26日
發(fā)明者長谷川博基, 東光英, 谷祐二 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社