專利名稱：餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種家用餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置中，一般通過單相感應(yīng)電機(jī)對泵進(jìn)行驅(qū)動，再通過轉(zhuǎn)速變化檢測出負(fù)載變化(其中的一例可參考日本專利公報特開平8-19506)。
但是，在單相感應(yīng)電機(jī)中，雖然是根據(jù)與同步速度的轉(zhuǎn)速差來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，但是因負(fù)載變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速變化基本上很少，實際上很難從轉(zhuǎn)速變化檢測泵吸入空氣等時的負(fù)載變化。另外，在最近采用的通過變頻器和永久磁鐵同步電機(jī)對泵進(jìn)行驅(qū)動的控制方式中，轉(zhuǎn)速基本上不發(fā)生變化，因此要從轉(zhuǎn)速檢測出負(fù)載變化幾乎是不可能的。另外，使用永久磁鐵同步電機(jī)水泵電機(jī)、采用V/f控制的場合下，還存在著在負(fù)載發(fā)生變化時容易發(fā)生失步的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，其目的在于通過檢測電機(jī)電流后由變頻器電路進(jìn)行無傳感器正弦波驅(qū)動，來降低電機(jī)噪聲，且無需位置傳感器，使水泵電機(jī)實現(xiàn)小型、薄型、低成本，提高電機(jī)的可靠性另外，從電機(jī)電流檢測出與轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的電流，然后檢測出負(fù)載變化。
此外，其目的在于通過相對于永久磁鐵同步電機(jī)的電機(jī)感應(yīng)電壓將電機(jī)電流相位設(shè)定為最佳，來提高電機(jī)效率，轉(zhuǎn)矩變化時也不會發(fā)生失步，實現(xiàn)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
為了解決上述的現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的餐具清洗機(jī)電機(jī)驅(qū)動裝置通過整流電路把交流電力變換成直流電力，驅(qū)動清洗泵或者排水泵的電機(jī)由變頻器電路進(jìn)行驅(qū)動，變頻器電路的輸出電流由電流檢測裝置進(jìn)行檢測，通過對變頻器電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制實現(xiàn)無傳感器正弦波驅(qū)動，以達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。其中的電機(jī)負(fù)載狀態(tài)由電流檢測裝置加以檢測。
此外，將電機(jī)感應(yīng)電壓和變頻器電路輸出電流相位設(shè)置成基本同相，或者使變頻器電路輸出電流相位滯后于電機(jī)感應(yīng)電壓。
本發(fā)明產(chǎn)生的技術(shù)效果如下。本發(fā)明餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置通過電流檢測裝置檢測出變頻器電路的輸出電流，對變頻器電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制以達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，實行無傳感器正弦波驅(qū)動，通過電流檢測裝置檢測出與電機(jī)轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的電流來檢測出負(fù)載狀態(tài)。因此，采用低價格的電流檢測裝置就能實現(xiàn)無傳感器正弦波驅(qū)動和負(fù)載狀態(tài)的檢測，可以減少正弦波驅(qū)動時產(chǎn)生的電機(jī)噪聲，無需設(shè)置位置傳感器，使電機(jī)實現(xiàn)小型化，且能夠檢測出吸入空氣時轉(zhuǎn)矩減少或者清洗槽內(nèi)的水位因漏水而下降的情況。
另外，通過將電機(jī)感應(yīng)電壓和變頻器電路輸出電流相位設(shè)置成基本同相，或者使變頻器電路輸出電流相位滯后于電機(jī)感應(yīng)電壓，不易出現(xiàn)失步現(xiàn)象，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)控制。
下面將本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下。第1方案的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置包括交流電源；將所述交流電源的交流電力變換成直流電力的整流電路；將所述整流電路的直流電力變換成交流電力的變頻器電路；在所述變頻器電路的驅(qū)動下對清洗泵或者排水泵進(jìn)行驅(qū)動的電機(jī)；用于檢測所述變頻器電路的輸出電流的電流檢測裝置；以及通過所述電流檢測裝置的輸出信號對所述變頻器電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制、并對所述電機(jī)進(jìn)行無傳感器驅(qū)動使之達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的控制裝置。其中，所述電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)由所述電流檢測裝置進(jìn)行檢測。這樣，通過所述電流檢測裝置的輸出信號可以對所述變頻器電路進(jìn)行無傳感器正弦波驅(qū)動，而且能夠檢測出水泵電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，從而可以降低電機(jī)噪聲，省去位置傳感器，使電機(jī)實現(xiàn)小型化，吸入空氣時的轉(zhuǎn)矩減少現(xiàn)象或者因漏水引起的清洗槽內(nèi)的水位下降現(xiàn)象也能檢測出來。
第2方案為，第1方案中的變頻器電路由包括6個晶體管和6個二極管的3相全波橋式變頻器電路構(gòu)成，所述電流檢測裝置包括與所述3相全波橋式變頻器電路的下臂晶體管的負(fù)電位側(cè)端子分別連接的分流電阻，通過檢測出所述分流電阻中流過的電流來檢測出所述變頻器電路的輸出電流。這樣，通過低價格的分流電阻就能構(gòu)成電流檢測裝置，電流檢測裝置可以小型化，而且電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)也能檢測出來，可以實現(xiàn)一種低成本、高可靠性的負(fù)載狀態(tài)檢測裝置。
第3方案為，從第1方案中的電流檢測裝置檢測到的變頻器電路電流檢測出電機(jī)負(fù)載狀態(tài)，進(jìn)而檢測出清洗泵或者排水泵中吸入空氣的狀態(tài)。這樣，通過檢測吸入空氣的狀況就能對排水狀態(tài)進(jìn)行檢測，排水時間及排水時的電機(jī)轉(zhuǎn)速也就能進(jìn)行控制。
第4方案為，從第1方案中的電流檢測裝置檢測到的變頻器電路電流檢測出電機(jī)負(fù)載狀態(tài)，進(jìn)而檢測出清洗槽水位下降的狀態(tài)。這樣，通過對清洗槽的水位下降情況進(jìn)行檢測，就可以檢測出漏水或者進(jìn)水不佳等故障。
第5方案為，第1方案中的所述控制裝置將變頻器電路的輸出電流和電機(jī)的感應(yīng)電壓的相位控制成基本同相，并通過電機(jī)電流檢測出負(fù)載狀態(tài)。這樣，通過檢測電機(jī)電流就能夠檢測出電機(jī)轉(zhuǎn)矩，經(jīng)而檢測出泵吸入空氣或者清洗槽的水位下降時引起的轉(zhuǎn)矩下降現(xiàn)象。
第6方案為，第1方案中的所述控制裝置將變頻器電路的輸出電壓和輸出電流的相位或者無功電流控制成規(guī)定值，并通過所述變頻器電路的有功電流檢測出電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)。這樣，通過檢測有功電流就能夠檢測出電機(jī)的輸出成分，通過電機(jī)輸出成分的下降就可以檢測出泵吸入空氣或者清洗槽的水位發(fā)生下降等現(xiàn)象。
第7的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于包括交流電源；將所述交流電源的交流電力變換成直流電力的整流電路；將所述整流電路的直流電力變換成交流電力的變頻器電路；在所述變頻器電路驅(qū)動下對清洗泵或者排水泵進(jìn)行驅(qū)動的電機(jī)；用于檢測所述變頻器電路的輸出電流的電流檢測裝置；和通過所述電流檢測裝置的輸出信號對所述變頻器電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制、并對所述電機(jī)實行無傳感器驅(qū)動使之達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的控制裝置。其中，所述電機(jī)的電流相位被設(shè)定為相對于所述電機(jī)的感應(yīng)電壓有相位延遲。這樣，即使轉(zhuǎn)矩增加時引起轉(zhuǎn)子相位發(fā)生延遲時，轉(zhuǎn)矩電流也會自然地增加，失步就不易發(fā)生，從而可以實現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動。
附圖解釋

圖1為本發(fā)明第1實施例中的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的方框圖，圖2為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的變頻器電路的示意圖，圖3為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的電流檢測時序圖，圖4為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置中的由非倒相放大器構(gòu)成的電流檢測電路的示意圖，圖5為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置中的由倒相放大器構(gòu)成的電流檢測電路的示意圖，圖6為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置中的控制裝置的方框圖，圖7為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的控制矢量圖，圖8為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置中的感應(yīng)電壓與電流同相時的控制矢量圖，圖9為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的各種波形和時序圖，圖10為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置中的電機(jī)控制程序的流程圖，圖11為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的電機(jī)控制程序的載波信號中斷子程序的流程圖，圖12為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的電機(jī)控制程序中的轉(zhuǎn)速控制子程序的流程圖，圖13為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的起動控制時序圖，圖14為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的截面圖，圖15為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置在水位下降時的電機(jī)電流變化示意圖，圖16為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置在吸入空氣時的控制時序圖，圖17為本發(fā)明第2實施例中的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的控制裝置方框圖，圖18為該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的感應(yīng)電壓和電流的滯后角控制矢量圖，圖19為表示該餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的控制裝置中的泵電機(jī)轉(zhuǎn)速與無功電流、施加電壓常數(shù)之間的關(guān)系的控制特性圖。
上述附圖中，1為交流電源，2為整流電路，3為變頻器電路，4為電機(jī)，5為電流檢測裝置，6為控制裝置。
具體實施例方式
(實施例1)圖1為本發(fā)明第1實施例中的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置的方框圖。
在圖1中，交流電源1將交流電力加到整流電路2上，由整流電路2變換成直流電力，再由變頻器電路3將直流電力變換成3相交流電力，驅(qū)動電機(jī)4。在整流電路2中，電容器21a、21b串聯(lián)連接在全波整流電路20的直流輸出端子之間，電容器21a、21b的連接點與交流電源輸入端子中的一個相連接，構(gòu)成直流倍壓電路，以提高加到變頻器電路3上的施加電壓。電流檢測裝置5與變頻器電路3的負(fù)電壓側(cè)相連接，通過檢測出在變頻器電路3的3個相中的各個下臂中流過的電流，檢測出變頻器電路3的輸出電流亦即電機(jī)4的各相電流。
電流檢測裝置5由連接在變頻器電路3的下臂晶體管的發(fā)射極端子上的分流電阻50a、50b、50c和電流檢測電路51構(gòu)成。電流檢測電路51用于檢測各個分流電阻50a、50b、50c上的電壓下降情況。
控制裝置6從電流檢測裝置5的輸出信號計算出變頻器電路3的輸出電流，進(jìn)而輸出與設(shè)定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的規(guī)定頻率和規(guī)定電壓，驅(qū)動電機(jī)4旋轉(zhuǎn)。通過根據(jù)電機(jī)負(fù)載相對于變頻器電路的輸出電壓控制輸出電流的相位或者無功電流，以設(shè)定的同步速度驅(qū)動電機(jī)4旋轉(zhuǎn)。
圖2為變頻器電路3的詳細(xì)電路圖，由6個晶體管和6個二極管構(gòu)成3相全波橋式變頻器電路。這里，為避免重復(fù)，只對3個相臂中的1個即U相臂30A進(jìn)行解釋。由絕緣柵雙極晶體管(下面簡稱為IGBT)構(gòu)成的上臂晶體管31a1和反向并聯(lián)二極管32a1形成一個并聯(lián)連接體，IGBT下臂晶體管31a2和反向并聯(lián)二極管32a2也形成一個并聯(lián)連接體，這兩個并聯(lián)連接體互相串聯(lián)連接。上臂晶體管31a1的集電極端子則與直流電源的正電位端子Lp相連接，上臂晶體管31a1的發(fā)射極端子與輸出端子U相連接；下臂晶體管31a2的發(fā)射極端子通過構(gòu)成電流檢測裝置5的分流電阻50a與直流電源的負(fù)電位側(cè)端子Ln相連接。
上臂晶體管31a1由上臂柵極驅(qū)動電路33a1根據(jù)上臂驅(qū)動信號Up加以驅(qū)動，下臂晶體管31a2由下臂柵極驅(qū)動電路33a2根據(jù)下臂驅(qū)動信號Un進(jìn)行導(dǎo)通/截止開關(guān)控制。上臂柵極驅(qū)動電路33a1的內(nèi)部設(shè)有由微分信號置位/復(fù)位的RS觸發(fā)器電路，在上臂驅(qū)動信號Up的上升沿使上臂晶體管31a1導(dǎo)通，在上臂驅(qū)動信號Up的下降沿使上臂晶體管31a1截止。下臂柵極驅(qū)動電路33a2中用不著RS觸發(fā)器電路，故內(nèi)部沒有設(shè)置RS觸發(fā)器電路。
IGBT的柵極施加電壓需要達(dá)到10～15V。下臂晶體管31a2導(dǎo)通時，由于從15V的直流電源的+端子B1經(jīng)過自舉電阻34a、自舉二極管35a對自舉電容器36a已經(jīng)進(jìn)行充電，因此通過自舉電容器36a中蓄積的能量可以使上臂晶體管31a1實現(xiàn)導(dǎo)通/截止切換。另外，在下臂的反向并聯(lián)二極管32a2導(dǎo)通時，也同樣對自舉電容器36a進(jìn)行充電。
V相臂30B、W相臂30C的連接情況相類似，各臂的下臂晶體管的發(fā)射極端子與構(gòu)成電流檢測裝置5的分流電阻50b、50c相連接，分流電阻50b、50c的另一個端子與直流電源的負(fù)電位端子Ln相連接。下臂晶體管由IGBT或者大功率MOSFET構(gòu)成，由于通過控制柵極電壓就能實現(xiàn)開關(guān)控制，因此具有以下的特征。即，將與IGBT的發(fā)射極端子或者與大功率MOSFET的源極端子相連接的分流電阻的電阻值選定為使其兩端的電壓為1V或更低的話，對開關(guān)操作幾乎不會產(chǎn)生影響，通過電壓控制就能實現(xiàn)導(dǎo)通截止切換控制。通過檢測分流電阻50a、50b、50c上的電壓veu、vev、vew就可以檢測出變頻器電路的輸出電流亦即電機(jī)電流。
圖3中示出了變頻器電路輸出電流的檢測時機(jī)。其中，通過三角波調(diào)制進(jìn)行脈寬調(diào)制控制，且為了減少開關(guān)噪聲的影響，將上、下臂IGBT的開關(guān)時機(jī)錯開后進(jìn)行高速A/D變換，由微電腦等電機(jī)控制處理器進(jìn)行電流檢測。
在圖3中，ck為在三角波調(diào)制信號Vt的峰值亦即時間t3產(chǎn)生的同步信號，vu為U相電壓控制信號。通過將三角波變調(diào)信號Vt和U相電壓控制信號vu加以比較，產(chǎn)生出U相上臂晶體管31a1的驅(qū)動信號Up和U相下臂晶體管31a2的驅(qū)動信號Un。t1～t2區(qū)間及t5～t6區(qū)間為上、下臂晶體管均不導(dǎo)通的期間，被稱為死區(qū)時間Δt。A/D變換時機(jī)可以選在上臂晶體管截止而下臂晶體管導(dǎo)通的時間t3進(jìn)行，或者在從時間t3至t4之間的范圍內(nèi)進(jìn)行，上述的t4為把t3延遲死區(qū)時間Δt后的時刻。
圖4為本發(fā)明中的電流檢測電路的具體實施例。其中，由分流電阻50a、50b、50c檢測出的電流信號通過非倒相放大器進(jìn)行放大，進(jìn)行電平變換，變換到能夠由設(shè)置在微電腦等內(nèi)部的A/D變換電路檢測出來的直流電壓電平。
電流檢測電路51a、51b、51c的電路相同，故這里只對電流檢測電路51a進(jìn)行解釋。分流電阻50a上發(fā)生的電壓veu的峰值對應(yīng)于變頻器電路3的U相輸出電流，分流電阻電壓對于電流檢測電路的接地電位而言會發(fā)生正向或負(fù)向的變化。由于微電腦等內(nèi)部設(shè)置的A/D變換電路工作在規(guī)定的直流電壓下，故需要進(jìn)行放大，使電平發(fā)生移位，從而能夠以直流電壓的中心值發(fā)生變化。換句話說，需要將電機(jī)電流信號調(diào)整為在A/D變換電路的輸入動態(tài)范圍內(nèi)發(fā)生變化。
分流電阻50a與電容器500a呈并聯(lián)連接，與電阻501a、502a呈串聯(lián)連接，電阻502a上拉連接至電流檢測電路51a的直流電源(Vcc)上。電阻501a(電阻值為R2)和電阻502a(電阻值為R1)的連接點與運算放大器503a的+輸入端子相連接，運算放大器503a的輸出端子和—輸入端子之間連接有反饋電阻504a(電阻值為R4)，—輸入端子和接地電位之間連接電阻505a(電阻值為R3)，構(gòu)成非倒相放大器。當(dāng)分流電阻電阻值為Ro、電流為I時，veu＝Ro×I，電阻501a和電阻502a的分壓比k為k＝R2/(R1+R2)，反饋放大率K為K＝R4/R3。電流檢測電路51a的輸出電壓vau可由下面的公式1來表示。
公式1vau＝K·veu(l-k)+K·k·Vcc＝Ro·I·(K-0.5)+0.5·Vcc這里，如果將分壓比k和反饋放大率K的積即k×K設(shè)定為k×K＝0.5的話，就能變換出以直流電源電壓Vcc的1/2為中心、且與電流I相對應(yīng)的電壓信號。
舉例來說，當(dāng)分壓比k＝0.1、反饋放大率K＝5、分流電阻值Ro＝0.2Ω、Vcc＝5V時，電流檢測電路51a的輸出電壓可由vau＝0.9×I+2.5來表示。亦即，在A/D變換電路的直流電壓為5V的場合下，其中心值2.5V相當(dāng)于0A，其動態(tài)范圍為±2.5V，可以檢測出±2.5A以內(nèi)的電流。電阻506a和二極管507a、508a對A/D變換電路起到過電壓保護(hù)作用。
圖5為本發(fā)明中的電流檢測電路的另一個實施例，該實施例中通過倒相放大器來放大電流信號，進(jìn)行電壓電平變換。這里，為簡明起見，只示出了U相電流檢測電路51a1。
圖5中的電路的連接方式與圖4中所示的實施例有所不同，電阻502a下拉連接至負(fù)電源Ve上，運算放大器503a作為倒相放大器來使用。圖4中所示的接地電阻505a可以省略。此刻，由于反饋放大率K是反饋電阻504a(R4)除于輸入電阻501a(R2)出的商，分流電阻電壓下降值veu和輸出電壓vau之間的關(guān)系可由下面的公式2來表示。
公式2vau=R4R1·Ve-R4R2·veu]]>=-0.5·Ve-0.5R1R2·veu]]>這里，如果將反饋電阻504a和電阻502a之比R4/R1設(shè)定為R4/R1＝0.5、使負(fù)電源Ve的直流電壓絕對值與A/D變換器的電源電壓(動態(tài)范圍)相等的話，分流電阻上的電壓經(jīng)放大、電平變換后就能相對于A/D變換器的電源電壓的中心值發(fā)生上下變化。舉例來說，當(dāng)Ve＝-5V，R4＝10kΩ，R1＝20kΩ，R2＝2kΩ時，vau可由vau＝2.5-5×veu來表示。當(dāng)分流電阻值為0.2Ω、電流標(biāo)為I時，vau＝2.5-I。
在圖4中所示的非倒相放大器中，如果使上拉連接的直流電源電壓和A/D變換電路的直流電壓相等、并使輸入電阻和上拉電阻的分壓比k與反饋放大率K之間的積即k×K基本等于0.5的話，就可以以A/D變換電路的直流電壓中心值為目標(biāo)進(jìn)行電平變換。
另外，在圖5中的使用倒相放大器的電路中，如果使A/D變換電路的直流電壓與負(fù)電源電壓絕對值相等、并將反饋電阻與下拉到負(fù)電源的電阻之間的比值基本上設(shè)定為0.5的話，也可以以A/D變換電路的直流電壓中心值為目標(biāo)進(jìn)行電平變換。
如上所述，本發(fā)明的電流檢測電路只需很少種類的部件加上運算放大器就能夠構(gòu)成，并具有電流檢測容易、制造成本低的特點。
圖4中所示的非倒相放大器的實施例在一種電源下就能工作，具有直流電源結(jié)構(gòu)簡單的特長，而圖5中所示的倒相放大器的實施例中需要設(shè)置與A/D變換電路的動態(tài)范圍相同的負(fù)電壓，造價會增加，但是，由于電流信號的正負(fù)方向與電機(jī)電流相同，故具有運算簡單的特長。
圖6為本發(fā)明中的控制裝置的方框圖，通過微電腦或者數(shù)字信號處理器等高速處理器來實現(xiàn)無傳感器正弦波驅(qū)動。這是一個將電機(jī)感應(yīng)電壓控制成和變頻器電路輸出電流的相位基本同相的無傳感器矢量控制的實施例。
先通過圖7中的矢量圖來解釋基本的控制方法。圖7為在轉(zhuǎn)子表面設(shè)有永久磁鐵的表面永久磁鐵電機(jī)(簡稱SPM電機(jī))中的d-q座標(biāo)系矢量圖，電機(jī)感應(yīng)電壓Vr與q軸同軸，感應(yīng)電壓Vr等于感應(yīng)電壓常數(shù)ke和轉(zhuǎn)速N的乘積。亦即，感應(yīng)電壓Vr與電機(jī)驅(qū)動頻率f成正比，加到電機(jī)上的電機(jī)施加電壓Va(＝Vi)為與電機(jī)感應(yīng)電壓Vr基本成正比的電壓。換句話說，由于電機(jī)施加電壓和頻率f的比值(V/f)基本上被控制成一定，因此也稱為V/f控制。
將電機(jī)電流I分解成q軸電流和d軸電流、分別進(jìn)行控制的話，即成為一般的矢量控制。但是，在進(jìn)行無傳感器控制的場合下，由于q軸、d軸無法直接檢測，因此假定電機(jī)電流相位超前一個角度γ。電機(jī)的電壓方程式可由下面的公式3來表示，在驅(qū)動頻率f被固定的場合下，如果d-q座標(biāo)系中的電流矢量I被固定，電機(jī)施加電壓矢量Vi也就被固定。反過來，將電機(jī)施加電壓矢量Vi固定時，電流矢量I也就被固定。另外，在向以電機(jī)施加電壓Vi(母線軸)為主軸的a-r軸進(jìn)行座標(biāo)變換的場合下也一樣，電流矢量I固定時，電機(jī)感應(yīng)電壓矢量Vr也將固定。換句話說，如果事先知道電機(jī)常數(shù)，通過將電流矢量I加以固定，感應(yīng)電壓Vr和電流I的相位也就能控制成一定。因此，q軸電流Iq(亦即轉(zhuǎn)矩電流)也就能控制成基本一定，從而可以實現(xiàn)與矢量控制基本相同的控制。
公式3Vi＝(R+jωL)I+Vr通過將無功電流Isinφ(＝Ir)選為適當(dāng)?shù)闹?、并且減小超前角γ，電機(jī)電流I就與轉(zhuǎn)矩電流(q軸電流)Iq基本相同，實現(xiàn)高效率的操作，電機(jī)損耗就能減少。這樣，電機(jī)的溫度上升可以減輕，體積也可以減小。
另外，在正常的運轉(zhuǎn)過程中，通過如圖8中所示的那樣將電機(jī)電流相位設(shè)定為與感應(yīng)電壓相位基本同相，即使因急劇的負(fù)載變動引起相位φ發(fā)生變化的話，也不會發(fā)生與q軸之間的相位γ發(fā)生延遲、轉(zhuǎn)矩急劇下降、出現(xiàn)失步等現(xiàn)象。
圖8為感應(yīng)電壓相位和電機(jī)電流(變頻器電路輸出電流)的相位相同時的矢量圖，如圖中所示，電機(jī)電流I與q軸電流Iq是相同的。
為了將感應(yīng)電壓相位和電機(jī)電流相位控制成基本同相，可以將變頻器電路3的無功功率和電機(jī)的電抗(無功)功率控制相同。下面通過圖6中的方框圖對其進(jìn)行詳細(xì)解釋。
圖6中，驅(qū)動條件設(shè)定裝置60用于根據(jù)電機(jī)驅(qū)動條件求出驅(qū)動轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩電流、超前角γ，設(shè)定驅(qū)動頻率f、無功電流Isinφ等，并向轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置61、無功電流設(shè)定裝置62送出設(shè)定信號。載波信號發(fā)生裝置63用于產(chǎn)生進(jìn)行脈寬調(diào)制的三角波信號Vt和同步信號ck，為了減輕電機(jī)噪聲，載波頻率(開關(guān)頻率)一般設(shè)定在15kHz以上的超聲波頻率。同步信號ck被送到各個運算塊中，使各個運算塊與同步信號ck同步地進(jìn)行操作。
為了設(shè)定電機(jī)驅(qū)動頻率f，轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置61求出載波信號周期Tc的相位角Δθ并加到電角運算裝置64中，將驅(qū)動頻率信號f送入V/f設(shè)定裝置65中。電角運算裝置64與同步信號ck同步地求出相位θ，并將相位信號θ加到存貯著標(biāo)準(zhǔn)正弦表的存貯裝置66及座標(biāo)變換裝置等中。
V/f設(shè)定裝置65用于根據(jù)驅(qū)動頻率f和負(fù)載轉(zhuǎn)矩對施加電壓常數(shù)kvn進(jìn)行設(shè)定，這里被設(shè)定的是與轉(zhuǎn)速或者負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比的值。在水泵電機(jī)的場合下，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩以轉(zhuǎn)速的平方關(guān)系增加，因此，施加電壓常數(shù)kvn也需要與驅(qū)動頻率的平方成正比地增加，但由于泵電機(jī)也不需要很高的轉(zhuǎn)速，即使呈1.0～1.3的直線變化的話，也不會有什么問題。如后面將要提到的那樣，在采用單電機(jī)雙水泵或單電機(jī)單水泵方式、正轉(zhuǎn)時進(jìn)行清洗操作、反轉(zhuǎn)時執(zhí)行排水操作的場合下，電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時所需的轉(zhuǎn)矩電流各不相同，施加電壓常數(shù)kvn和無功電流在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時的設(shè)定值也需要發(fā)生改變。
存貯裝置66中存貯有用于對相位角進(jìn)行三角函數(shù)計算所需的標(biāo)準(zhǔn)正弦值表，比方說存貯有從相位0由2π的、從-1至+1的正弦值數(shù)據(jù)。
高速A/D變換裝置67在圖3的時序圖中所示的三角波變調(diào)信號Vt的峰值處將電流檢測裝置5的輸出信號veu、vev、vew在數(shù)微秒內(nèi)進(jìn)行A/D變換，變換成與變頻器輸出電流相對應(yīng)的數(shù)字信號Iu、Iv、Iw，并將各相電流的瞬時值加到3相/2相母線軸變換裝置68中。
3相/2相母線軸變換裝置68對變頻器電路輸出電流的瞬時值進(jìn)行3相/2相變換，向變頻器電路輸出電壓軸亦即電機(jī)母線軸(a-r軸)進(jìn)行座標(biāo)變換。具體操作過程為，使用下面的公式4進(jìn)行絕對變換，求出a軸成分Ia和r軸成分Ir。Ir相當(dāng)于Isinφ，從變頻器輸出(母線電壓)看時為無功電流成分。通過進(jìn)行座標(biāo)變換，不但可以在瞬間從輸出電流瞬時值求出無功電流成分Ir，而且通過公式5中的平方平均計算可以在瞬間求出輸出電流矢量絕對值I。
公式4IrIa=cosθsinθ-sinθcosθ×231-12-12032-32IuIvIw]]>=23cosθcos(θ-2π3)cos(θ-4π3)-sinθ-sin(θ-2π3)-sin(θ-4π3)IuIvIw]]>公式5I=Ia2+Ir2]]>無功電流比較裝置69將3相/2相母線軸變換裝置68的輸出信號Ir和無功電流設(shè)定裝置62的設(shè)定信號Irs進(jìn)行比較，輸出誤差信號ΔIr。接著，該誤差信號ΔIr由誤差信號放大運算裝置70進(jìn)行放大或者積分后，將電壓常數(shù)改變信號kv輸出到控制電壓比較設(shè)定裝置71中。
控制電壓比較設(shè)定裝置71用于將V/f設(shè)定裝置65的輸出信號kvn和誤差信號放大運算裝置70的輸出信號kv進(jìn)行比較，設(shè)定變頻器輸出電壓控制信號Va，通過控制變頻器輸出電壓使無功電流成分Ir成為規(guī)定值。變頻器輸出電壓控制信號Va被送入2相/3相母線軸逆變換裝置72中。
實際進(jìn)行的運算為，將與V/f設(shè)定裝置65送來的驅(qū)動頻率成正比的電壓(亦即與轉(zhuǎn)速N成正比的電機(jī)感應(yīng)電壓Vr(＝ke×N))乘于施加電壓常數(shù)，得到電壓(kvn×Vr)；再在電壓(kvn×Vr)上加上誤差信號ΔIr的積分成分、正比成分、微分成分，通過PID控制進(jìn)行電壓補(bǔ)正。在沒有因轉(zhuǎn)矩變動等引起無功電流變化的情況下，施加電壓Va即為電機(jī)感應(yīng)電壓Vr乘于施加電壓常數(shù)后得到的電壓(kvn×Vr)。
2相/3相母線軸逆變換裝置72使用下面的公式6中所示的逆變換式來產(chǎn)生3相正弦波電壓信號。由于變頻器輸出電壓與a軸同相，因此只計算Va就可以，3相電壓vu、vv、vw被送入脈寬調(diào)制控制裝置73中。
公式6VuVvVw=2310-1232-12-32cosθ-sinθsinθcosθVrVa]]>=23cosθ-sinθcos(θ-2π3)-sin(θ-2π3)cos(θ-4π3)-sin(θ-4π3)VrVa]]>起動控制裝置74用于在電機(jī)起動時使驅(qū)動頻率從零直線增加到設(shè)定值，并且使從無功電流Ir與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)地發(fā)生變化。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定、希望快速地提高轉(zhuǎn)速的場合下，則將無功電流Ir增大后再進(jìn)行啟動。另外，在后面提到的進(jìn)行無功功率控制、使電機(jī)電流相位與電機(jī)感應(yīng)電壓相位一致的場合下，在起動時設(shè)定為無功功率控制不發(fā)生操作。
電流運算裝置75從3相/2相母線軸變換裝置68輸出的a軸成分Ia和r軸成分Ir使用公式4中所示的平方平均運算求出輸出電流矢量絕對值I，用于電機(jī)電抗功率運算。
從圖8中的矢量圖可以看出，要想使電機(jī)電流相位與感應(yīng)電壓相位同相，只要使變頻器輸出的無效電壓和電機(jī)的電抗功率相等、亦即等式7成立就可以。等式7的兩邊乘上電流I后，可得到等式8。等式8的左邊為變頻器輸出的無功功率，右邊為電機(jī)電抗功率，因此，等式7或者等式8中的關(guān)系式成立的話，就能使變頻器輸出電流亦即電機(jī)電流的相位與感應(yīng)電壓的相位實現(xiàn)同相。
公式7Va sinφ＝ωLI公式8Va·Isinφ＝ωL·I2將等式8加以變形后，可得到下面的等式9。從等式9中可以看出，把從施加電壓Va和無功電流Ir的積求出的無功功率、和從由電機(jī)阻抗ωL和電流I求出的電抗功率控制成相等也是可以的。
公式9Va·Ir＝ωL(Ia2+Ir2)無功功率運算裝置76用于從施加電壓Va和無功電流Ir的積計算出變頻器電路3的無效輸出功率，電抗功率運算裝置77在從電機(jī)電感L和驅(qū)動頻率f求出的阻抗ωL上乘上電流I的平方，求出電機(jī)電抗功率。功率比較裝置78將無功功率運算裝置76和電抗功率運算裝置77的輸出信號加以比較，將差分信號送入功率因數(shù)改變裝置79中。為了根據(jù)無功功率差分信號改變無功功率設(shè)定值，功率因數(shù)改變裝置79向驅(qū)動條件設(shè)定裝置60中送出改變信號，將無功電流設(shè)定裝置62的設(shè)定值加以改變，把變頻器輸出的無功功率和電機(jī)的電抗功率控制成相等。
圖9為進(jìn)行脈寬調(diào)制控制時的各種波形的時序圖。其中，Eu為從中性點看到的電機(jī)感應(yīng)電壓波形，Iu為U相電流波形，與電機(jī)感應(yīng)電壓Eu基本同相。vu、vv、vw為U相、V相、W相的各個脈寬調(diào)制控制輸入信號亦即2相/3相母線軸逆變換裝置72的輸出信號，通過與三角波變調(diào)信號Vt進(jìn)行比較，生成脈寬調(diào)制控制輸出信號Up。信號vu和U相輸出電壓相位相同，U相電流Iu的相位比信號vu延遲一個相位φ。
圖10為本發(fā)明中的電機(jī)驅(qū)動裝置的操作流程圖。電機(jī)驅(qū)動程序從步驟100開始，在步驟101判定是否進(jìn)行起動操作；如果是要實行起動操作，則進(jìn)至步驟102，實行起動控制子程序。
如圖13中的起動控制的時序圖中所示的那樣，起動控制子程序102在使轉(zhuǎn)速從零達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速(驅(qū)動頻率fs)為止的過程中使驅(qū)動頻率f呈直線上升，據(jù)此根據(jù)驅(qū)動頻率f設(shè)定無功電流設(shè)定值Irs。在負(fù)載為水泵、風(fēng)扇等流體負(fù)載的場合下，由于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的平方發(fā)生變化，因此，通過由實驗等方法嚴(yán)格地求出與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流Iq、且假定轉(zhuǎn)子相位滯后于旋轉(zhuǎn)磁場后計算出Isinφ后再進(jìn)行起動控制，就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的起動。在起動時，為了加速需要增大轉(zhuǎn)矩電流；而為了防止失步，需要將無功電流設(shè)定值Irs設(shè)定成大于與轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的值。
本發(fā)明的驅(qū)動方式的起動穩(wěn)定性非常好，在很多情況下即使不將V/f設(shè)定值、無功電流設(shè)定值Irs進(jìn)行很大的改變，也能夠?qū)崿F(xiàn)起動。
接下來，進(jìn)至步驟103判定有無載波信號中斷。如果有載波信號中斷，則實行步驟104的載波信號中斷子程序和步驟105的轉(zhuǎn)速控制子程序。
圖11為載波信號中斷子程序的流程圖。程序從步驟200開始，在步驟201中判斷載波同步信號ck的計數(shù)值k是否等于電機(jī)驅(qū)動頻率f的1個周期內(nèi)的載波數(shù)kc；如果相等，則進(jìn)至步驟202，將載波計數(shù)值k清零。電機(jī)驅(qū)動頻率f的1個周期內(nèi)的載波數(shù)kc在設(shè)定驅(qū)動頻率時預(yù)先求出。
舉例來說，在電機(jī)為8極電機(jī)、轉(zhuǎn)速為4040rpm狀態(tài)下，驅(qū)動頻率f為269.3Hz、周期T為3.712m、載波周期Tc為64μs(載波頻率為15.6kHz)，脈沖數(shù)kc則為58。當(dāng)驅(qū)動頻率f的1個周期為2π的情況下，1個載波周期Tc的相位Δθ則為Δθ＝2π/kc。
在步驟203中，使載波同步信號的計數(shù)值遞增，進(jìn)至步驟204，由載波數(shù)k和1個載波周期Tc的相位Δθ計算出電角。接下來，進(jìn)至步驟205，對電流檢測裝置5的信號進(jìn)行檢測，從而檢測出變頻器輸出電流Iu、Iv、Iw。接著，再進(jìn)至步驟206，根據(jù)公式4上進(jìn)行3相/2相母線軸座標(biāo)變換，求出無功電流Ir和有功電流Ia；然后，進(jìn)至步驟207，將Ir、Ia存貯起來。
接下來，進(jìn)至步驟208由公式5求出變頻器輸出電流(電機(jī))的矢量絕對值I，接著，進(jìn)至步驟209，從運算值I和Ir求出sinφ。在進(jìn)行圖8所示的通過無功功率將電流控制成與電機(jī)感應(yīng)電壓同相的矢量控制的場合下，無需進(jìn)行sinφ的運算。而在使用公式6進(jìn)行控制的場合下，則需要進(jìn)行sinφ的運算。
下面進(jìn)至步驟210，調(diào)用施加電壓Va；然后進(jìn)至步驟211，根據(jù)公式6進(jìn)行2相/3相母線軸座標(biāo)變換，求出變頻器各相控制信號vv、vu、vw，接著，進(jìn)至步驟212，進(jìn)行脈寬調(diào)制控制，最后，進(jìn)至步驟213，返回主程序。
圖12為轉(zhuǎn)速控制子程序的流程圖。轉(zhuǎn)速控制子程序無需對每個載波信號都執(zhí)行，因此可以比方說每次對2個載波信號實行一次。當(dāng)載波頻率達(dá)到超聲波頻率時，載波周期內(nèi)的程序處理時間將成為問題，因此可以把相位計算、電流檢測運算及脈寬調(diào)制控制等對于每個載波都必須實行的處理/與座標(biāo)變換及圖10中所示的其他不必對每個載波都實行的處理分開，把那些不必對每個載波都實行的處理分成多個批次來集中進(jìn)行。這樣，就可以執(zhí)行電機(jī)控制以外的過程程序。
轉(zhuǎn)速控制子程序從步驟300開始。在步驟301上，調(diào)出驅(qū)動頻率設(shè)定值fs，接著，進(jìn)至步驟302，調(diào)用與頻率設(shè)定值fs相對應(yīng)的無功電流設(shè)定值Irs；進(jìn)至步驟303，調(diào)用通過公式3的3相/2相母線軸座標(biāo)變換求出的無功電流Ir；然后，進(jìn)至步驟304，調(diào)用施加電壓常數(shù)設(shè)定值V/f。接下來，進(jìn)至步驟305，將Irs和Ir進(jìn)行比較，由誤差信號ΔIr計算出施加電壓常數(shù)kv；接下來，進(jìn)至步驟306，計算出施加電壓常數(shù)設(shè)定值V/f和施加電壓常數(shù)kv之間的差Δkv。然后，進(jìn)至步驟307，從Δkv計算出母線軸施加電壓信號Va，并將Va存貯起來；進(jìn)至步驟308，判定有無起動標(biāo)志。
如果有起動標(biāo)志，則進(jìn)至步驟309，計算出變頻器輸出的無功功率，進(jìn)至步驟310，計算出電機(jī)電抗功率，進(jìn)至步驟311，計算出無功功率的差分。然后，進(jìn)到步驟312中，執(zhí)行功率因數(shù)改變子程序，改變無功電流設(shè)定值，將無功功率的差分控制為零。最后，進(jìn)至步驟313，實行返回。
通過把無功功率的差分控制成零，就可以使變頻器電路的輸出電流相位與電機(jī)感應(yīng)電壓基本同相，使相電流將等于轉(zhuǎn)矩電流。由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降時相電流將減少，因此通過相電流可以檢測出負(fù)載狀態(tài)的變化。這樣，通過檢測在泵電機(jī)吸入空氣時和在清洗槽的水位下降時引起的轉(zhuǎn)矩減少狀況，就可以檢測出清洗槽的水位及吸入空氣等情況。
下面，再次回到圖10中所示的電機(jī)驅(qū)動程序。進(jìn)至步驟106，判斷有無清洗操作標(biāo)志；如果有清洗操作標(biāo)志，則進(jìn)至步驟107，進(jìn)行負(fù)載狀態(tài)檢測判斷。
上述的負(fù)載狀態(tài)檢測是通過檢測變頻器電路輸出相電流來對電機(jī)負(fù)載進(jìn)行檢測。當(dāng)電流減少到低于規(guī)定值時，則可以判定吸入了空氣或者水位太低，即進(jìn)至步驟108，停止電機(jī)驅(qū)動。接著，進(jìn)至步驟109，利用浮子開關(guān)等對清洗槽中的水位進(jìn)行檢測，然后進(jìn)至步驟110進(jìn)行水位判定。在水位低于規(guī)定值的場合下，則進(jìn)至步驟111，進(jìn)行故障報警等異常處理，然后返回。如果水位不低，則進(jìn)至步驟112，進(jìn)行電機(jī)的再起動處理，再實行返回。
在步驟106中，如果無清洗工作標(biāo)志，則進(jìn)至步驟113，判定有無排水操作標(biāo)志。如果要進(jìn)行排水操作，則進(jìn)至步驟114，進(jìn)行負(fù)載狀態(tài)檢測。
排水工作時的負(fù)載狀態(tài)檢測是通過變頻器電路輸出的相電流的變化來檢測是否吸入了空氣。在使用泵電機(jī)進(jìn)行排水操作的場合下，在有水供到泵里的情況下，泵葉(葉輪11)上將被加上轉(zhuǎn)矩，相電流為規(guī)定值。清洗水排空時，泵葉上只有空氣在回旋。而當(dāng)吸入空氣時，轉(zhuǎn)矩將減少，電機(jī)電流也將減少，因此，通過檢測相電流的變化就可以檢測出吸入空氣的情況。
當(dāng)步驟114中檢測到排水過程中吸入空氣時，則進(jìn)至步驟115，降低電機(jī)驅(qū)動的設(shè)定轉(zhuǎn)速，以降低噪聲；然后，進(jìn)至步驟116，延長排水時間，以彌補(bǔ)轉(zhuǎn)速下降引起的排水能力的下降。同時，對排水操作開始到檢測到吸入空氣為止的時間ta進(jìn)行計測，根據(jù)時間ta的長短來延長剩余的排水時間tb。
圖13為上面提到過的電機(jī)起動時的控制時序圖，在轉(zhuǎn)速從零達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速(驅(qū)動頻率fs)之前，使驅(qū)動頻率f直線上升，并根據(jù)驅(qū)動頻率f來設(shè)定無功電流設(shè)定值Irs。本發(fā)明中的無傳感器驅(qū)動是V/f控制中的一種方法，通過改變驅(qū)動頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。為了使轉(zhuǎn)子相對于電流不發(fā)生延遲，施加電壓被設(shè)定成高于感應(yīng)電壓后再進(jìn)行起動，從而使電流相對于q軸有一個延遲角(轉(zhuǎn)子具有一個超前角)。施加電壓設(shè)定得較低時，電流將有一個超前角(轉(zhuǎn)子則有一個延遲角)，容易發(fā)生失步。換句話說，與驅(qū)動頻率相對應(yīng)的施加電壓V/f值和無功電流Isinφ被設(shè)定得較高，特別是在起動時設(shè)定得較高后再進(jìn)行起動。
圖14中示出了餐具清洗機(jī)的簡化示意圖，這是單電機(jī)單水泵方式構(gòu)造的截面圖。自來水由進(jìn)水閥8加到清洗槽7中，清洗水9存儲在清洗槽7中。清洗槽7的下部設(shè)置有軸向處于垂直方向的扁平狀直流無刷電機(jī)4a，電機(jī)4a的下部設(shè)置有泵體10，通過使葉輪11發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生從軸心指向離心方向的壓力。朝正轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，從設(shè)有噴射噴嘴12a的噴射翼12b向餐具(圖中未示出)噴射出清洗水，進(jìn)行清洗。正轉(zhuǎn)時，泵體10的內(nèi)部壓力將升高，而設(shè)在泵體10側(cè)面的排水閥13又被關(guān)閉，故水流方向為流向噴射翼12b一側(cè)。葉輪11反轉(zhuǎn)時，壓力將從葉輪11的側(cè)面加到垂直方向上，排水閥13打開后，垂直方向的水流將流向排水管14的方向。因此，只用一個電機(jī)和一個水泵就能既實現(xiàn)清洗又實現(xiàn)排水。在分別設(shè)置用于清洗和排水的葉輪和泵體的單電機(jī)雙水泵方式下，也能在正轉(zhuǎn)時進(jìn)行清洗，在反轉(zhuǎn)時進(jìn)行排水，但是會產(chǎn)生泵的高度變高、清洗槽7的下部容積變小的問題。
采用本發(fā)明的話，可以省掉直流無刷電機(jī)中的位置傳感器，從而可以使扁平構(gòu)造的電機(jī)做得更?。涣硗?，通過采用單電機(jī)單水泵方式，可以減小清洗槽下部的容積，增大可用來放置餐具的清洗槽容積。此外，直流無刷電機(jī)4的電機(jī)輸出功率為一定的話，則轉(zhuǎn)速越高電機(jī)就能做得越小。因此，通過提高葉輪的轉(zhuǎn)速，可以使泵和電機(jī)的形狀實現(xiàn)小型化。
圖15中示出了清洗操作中的電機(jī)電流變化情況，其中還示出了從清洗槽及清洗泵發(fā)生漏水、水位下降時的電機(jī)電流變化情況。
在時間t0泵電機(jī)開始驅(qū)動后，在額定轉(zhuǎn)速下電機(jī)電流將成為規(guī)定的峰值Io。但是，如果在泵電機(jī)反復(fù)啟動/停止、電機(jī)電流徐徐減少、在電機(jī)驅(qū)動過程中電流達(dá)到設(shè)定值Id或更低時，負(fù)載狀態(tài)檢測裝置則判定發(fā)生了漏水，使泵電機(jī)停止驅(qū)動；如果判明水位太低、且低于規(guī)定水位的話，則如圖10的流程圖所示的那樣進(jìn)行故障判定。
在采用單電機(jī)單水泵方式的場合下，在葉輪11反轉(zhuǎn)時將排水閥13打開，在正轉(zhuǎn)時將排水閥13關(guān)閉。但是，在排水閥13中卡入了雜物等異常情況時，在清洗操作亦即正轉(zhuǎn)的場合下也會進(jìn)行排水，即會發(fā)生漏水現(xiàn)象，故有必要象上面所述的那樣通過檢測電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)來檢測是否發(fā)生了漏水。
圖16中示出了排水操作中的電機(jī)電流變化和控制過程，當(dāng)檢測到吸入空氣時即對排水泵轉(zhuǎn)速和排水時間進(jìn)行控制。排水操作開始時，先從時間t0至t1使轉(zhuǎn)速N從零直線提高到N1，電機(jī)電流I從零增加到I1；持續(xù)在轉(zhuǎn)速N1下進(jìn)行排水操作時，電流值在一段期間(t1～t2)內(nèi)基本保持一定。當(dāng)清洗水排完后吸入空氣時，電機(jī)電流I將開始下降。在時間t3，如果電機(jī)電流值降到了設(shè)定值Is或更低時，則判定為吸入了空氣，并使電機(jī)轉(zhuǎn)速N下降到N2。由于使泵電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到N2時排水能力也將下降，因此需要延長排水時間，剩余的排水時間(t3～t4)根據(jù)(由排水條件不同而不同的)檢測到空氣吸入為止的時間(t0～t3)發(fā)生變化。具體來說，在排水軟管較長及排水軟管的中段被抬高的場合下，檢測到吸入空氣為止的時間將變長，此時，如果剩余排水時間不長的話，則有可能發(fā)生排水不完全的現(xiàn)象。
如上所述，本發(fā)明通過將電機(jī)感應(yīng)電壓和變頻器電路輸出電流的相位控制成同相后再檢測電機(jī)電流，可以直接檢測出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。因此，可以判斷吸入空氣及清洗槽的水位下降的情況，能夠縮短排水時間，防止因漏水引起清洗水加熱器空載等情況發(fā)生。
另外，本實施例中雖然只是示出了將無功功率和電抗功率控制成相等從而使電機(jī)感應(yīng)電壓和變頻器電路輸出電流的相位同相的技術(shù)方案，但是，如公式7中所示的那樣通過無功電壓和無功電壓之間的差分來控制電機(jī)電流相位的話，很顯然，也可以達(dá)到同樣的效果。
(實施例2)下面使用圖17來解釋本發(fā)明的第2實施例。圖17中的方框圖與圖6中的方框圖相比，省掉了通過無功功率的差分來進(jìn)行功率因數(shù)改變控制的部分。由于通過檢測轉(zhuǎn)矩電流Iq就能夠檢測出負(fù)載狀態(tài)，因此通過檢測出與轉(zhuǎn)矩電流相對應(yīng)的有功電流Ia就能檢測出負(fù)載狀態(tài)。
圖18中示出了圖17的方框圖中進(jìn)行的滯后角控制的矢量圖，其中，電流相位被設(shè)定成相對于q軸具有一個滯后角，有功電流Ia會根據(jù)q軸電流Iq會發(fā)生增減。
為了使電流相位相對于q軸產(chǎn)生延遲，相對于電機(jī)感應(yīng)電壓Vr而言增大施加電壓Va。如果將施加電壓Va相對于電機(jī)感應(yīng)電壓Vr的比率標(biāo)記為施加電壓常數(shù)kvn的話，則kvn＝Va/Vr。如圖18中所示，當(dāng)電流相位與q軸之間的夾角為γ時，Iq＝Icosγ，Ia＝Icosφ，因此，增大滯后角相位γ的話，有功電流Ia將接近Iq的值。這樣，通過增大施加電壓常數(shù)kvn、將無功電流設(shè)定值Irs設(shè)定在適當(dāng)?shù)闹瞪?，就可以增大滯后角相位γ，通過有功電流Ia就能判斷轉(zhuǎn)矩電流Iq的增減。
即使因吸入空氣等原因造成轉(zhuǎn)矩電流Iq減少，由于無功電流Ir被控制成保持一定，故電機(jī)電流I的減少量極少。但是，電流相位γ增大后轉(zhuǎn)矩電流Iq發(fā)生減少的話，相位φ將與電機(jī)電流I的減少量相對應(yīng)地增大，有功電流Ia將會減少，因此，有功電流Ia將與轉(zhuǎn)矩電流Iq一樣地隨負(fù)載發(fā)生增減。
在圖17的方框圖中，3相/2相母線軸變換裝置68的輸出信號Ia被加到了負(fù)載狀態(tài)判斷裝置80A中，通過有功電流Ia的大小來判斷轉(zhuǎn)矩的變動，判定是否吸入了空氣或者水位是否發(fā)生了下降；其判定結(jié)果信號被加到驅(qū)動條件改變裝置81A中，來改變電機(jī)驅(qū)動條件，如實施例1中所述的那樣進(jìn)行電機(jī)停止或者轉(zhuǎn)速改變等控制。
電機(jī)電流相位被設(shè)定成帶有滯后角后，當(dāng)負(fù)載增大造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加、轉(zhuǎn)子發(fā)生延遲時，電流相位將靠近q軸，轉(zhuǎn)矩電流Iq將會增加，因此轉(zhuǎn)矩會自動地增加，不易發(fā)生失步，操作將會很穩(wěn)定。而在電流帶有超前角的場合下，轉(zhuǎn)子延遲時轉(zhuǎn)矩電流反而會減少，故容易發(fā)生失步。因此，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的操作，使電流帶有滯后角的設(shè)定是非常有利的。
圖19為表示與泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的無功電流設(shè)定值Irs與施加電壓常數(shù)kvn的最佳設(shè)定值的特性圖。由于轉(zhuǎn)矩電流以電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方關(guān)系增加，因此，通過使無功電流設(shè)定值Irs也基本上以平方關(guān)系增加、并使施加電壓常數(shù)kvn也從1開始以平方關(guān)系增加，可以實現(xiàn)規(guī)定的滯后角設(shè)定值γs。
為了將電機(jī)電流相位設(shè)定為帶有一個滯后角，電機(jī)施加電壓Va必須設(shè)定得高于電機(jī)感應(yīng)電壓Vr。在進(jìn)行PI控制的場合下，電機(jī)施加電壓Va中如下面的公式10中所示的那樣在施加電壓常數(shù)kvn、感應(yīng)電壓常數(shù)ke和轉(zhuǎn)速N的乘積上還要加入誤差比例成分和誤差積分成分，因此變動過大的話容易發(fā)生失步。因此，如下面的公式11中所示的那樣根據(jù)施加電壓常數(shù)的上限值kvnmax和下限值kvnmin來設(shè)定施加電壓Va的上限和下限的話，可以防止失步及異常電流的發(fā)生。施加電壓常數(shù)的下限值通常設(shè)定為1。
公式10VA＝kvn·ke·N+p1·ΔIr+p2·∑ΔIr公式11kvn min·ke·N＜Va＜kvn max·ke·N如上所述，本發(fā)明通過對施加電壓Va和無功電流Ir進(jìn)行最佳設(shè)定控制、使電機(jī)感應(yīng)電壓和變頻器電路輸出電流的相位具有規(guī)定的滯后角相位，可以提高無傳感器正弦波驅(qū)動的操作穩(wěn)定性，此外通過檢測有功電流Ia就能檢測出負(fù)載變化。
特別是，在施加電壓常數(shù)控制在基本一定的場合下，施加電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，且施加電壓和有功電流的積基本上與電機(jī)輸出功率成正比，因此，通過檢測施加電壓和有功電流的積就能夠檢測出電機(jī)輸出功率的變動情況。在轉(zhuǎn)速一定、施加電壓常數(shù)也控制成一定的場合下，有功電流的變動基本上與轉(zhuǎn)矩變動成正比，因此也能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)矩檢測，亦即檢測出負(fù)載的變動。
如上所述，本發(fā)明的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置通過低造價的電流檢測裝置來檢測變頻器電路電流，對直流無刷電機(jī)進(jìn)行無傳感器正弦波驅(qū)動，而且通過上述電流檢測裝置能夠檢測出負(fù)載變動。因此，可以省去位置傳感器，提高工作效率，使電機(jī)實現(xiàn)小型化、薄型化、低振動、低價格化，并且提高可靠性。
另外，由于瞬時電流的檢測能夠容易地實現(xiàn)，通過電機(jī)負(fù)載變動引起的電機(jī)電流變化就能很容易檢測到吸入空氣及清洗槽水位下降的情況。
另外，通過檢測出變頻器無功功率和電機(jī)電抗功率的差分，并通過功率因數(shù)控制使差分為零，可以使感應(yīng)電壓相位和變頻器電路輸出電流的相位基本保持一定，變頻器電路輸出電流與轉(zhuǎn)矩電流基本相同，因此，通過電流檢測就能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩檢測，負(fù)載變動的檢測也很容易進(jìn)行。這樣，吸入空氣及清洗槽的水位下降的情況也就能容易檢測出來。
此外，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定施加電壓常數(shù)和無功電流，并使電機(jī)電流相位滯后于感應(yīng)電壓相位，可以提高控制穩(wěn)定性，通過程序步驟較少的簡單控制就可以實現(xiàn)一種即使轉(zhuǎn)矩發(fā)生變動也能穩(wěn)定操作、不易發(fā)生失步的餐具清洗機(jī)電機(jī)驅(qū)動裝置。
另外，本發(fā)明中雖然只示出了檢測空氣吸入及水位下降引起的負(fù)載變動的例子，但是，在泵電機(jī)鎖死、不能旋轉(zhuǎn)的場合及發(fā)生失步的場合下，感應(yīng)電壓不再產(chǎn)生，有功電流會極端地減少，因此，通過有功電流也就能很容易地檢測出旋轉(zhuǎn)停止等情況。
綜上所述，本發(fā)明中的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置將交流電力通過整流電路變換成直流電力，由變頻器電路對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，由電流檢測裝置檢測出變頻器電路的輸出電流，對變頻器電路實行脈寬調(diào)制控制以實現(xiàn)無傳感器正弦波驅(qū)動，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，并通過電流檢測裝置對電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行檢測。因此，通過廉價的電流檢測裝置就能很容易檢測出負(fù)載狀態(tài)，可以適用于空調(diào)器的熱泵、冷卻風(fēng)扇電機(jī)、洗衣干衣機(jī)中的脫水桶兼洗滌桶驅(qū)動電機(jī)及干衣風(fēng)扇電機(jī)、及澡盆水泵電機(jī)的驅(qū)動等場合下。
權(quán)利要求
1.一種餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于包括交流電源；將所述交流電源的交流電力變換成直流電力的整流電路；將所述整流電路的直流電力變換成交流電力的變頻器電路；在所述變頻器電路的驅(qū)動下對清洗泵或者排水泵進(jìn)行驅(qū)動的電機(jī)；用于檢測所述變頻器電路的輸出電流的電流檢測裝置；以及通過所述電流檢測裝置的輸出信號對所述變頻器電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制、并對所述電機(jī)進(jìn)行無傳感器驅(qū)動使之達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的控制裝置，其中，所述電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)由所述電流檢測裝置進(jìn)行檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于所述變頻器電路由包括6個晶體管和6個二極管的3相全波橋式變頻器電路構(gòu)成，所述電流檢測裝置包括與所述3相全波橋式變頻器電路的下臂晶體管的負(fù)電位側(cè)端子分別連接的分流電阻，通過檢測出所述分流電阻中流過的電流來檢測出所述變頻器電路的輸出電流。
3.如權(quán)利要求1所述的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于從電流檢測裝置檢測到的變頻器電路電流檢測出電機(jī)負(fù)載狀態(tài)，進(jìn)而檢測出清洗泵或者排水泵中吸入空氣的狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1所述的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于從電流檢測裝置檢測到的變頻器電路電流檢測出電機(jī)負(fù)載狀態(tài)，進(jìn)而檢測出清洗槽水位下降的狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于所述控制裝置將變頻器電路的輸出電流和電機(jī)的感應(yīng)電壓的相位控制成基本同相，并通過電機(jī)電流檢測出負(fù)載狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求1所述的餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于所述控制裝置將變頻器電路的輸出電壓和輸出電流的相位或者無功電流控制成規(guī)定值，并通過所述變頻器電路的有功電流檢測出電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)。
7.一種餐具清洗機(jī)的電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于交流電源；將所述交流電源的交流電力變換成直流電力的整流電路；將所述整流電路的直流電力變換成交流電力的變頻器電路；在所述變頻器電路驅(qū)動下對清洗泵或者排水泵進(jìn)行驅(qū)動的電機(jī)；用于檢測所述變頻器電路的輸出電流的電流檢測裝置；和通過所述電流檢測裝置的輸出信號對所述變頻器電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制、并對所述電機(jī)實行無傳感器驅(qū)動使之達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的控制裝置，其中，所述電機(jī)的電流相位被設(shè)定為相對于所述電機(jī)的感應(yīng)電壓有相位延遲。
全文摘要
本發(fā)明對水泵電機(jī)實行無傳感器正弦波驅(qū)動，并能對其負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行檢測。其中，交流電力(1)由整流電路(2)變換成直流電力，變頻器電路(3)對泵電機(jī)(4)進(jìn)行驅(qū)動，電流檢測裝置(5)對變頻器電路(4)的輸出電流進(jìn)行檢測，實現(xiàn)無傳感器正弦波驅(qū)動。負(fù)載變動由電流檢測裝置(5)加以檢測。
文檔編號H02P6/08GK1681195SQ20051006019
公開日2005年10月12日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月7日
發(fā)明者木內(nèi)光幸, 鈴木將大, 中田秀樹, 吉岡包晴 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社