電動機驅動裝置和使用該電動機驅動裝置的電設備的制作方法

專利名稱：電動機驅動裝置和使用該電動機驅動裝置的電設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及驅動無刷DC電動機的電動機驅動裝置和使用該電動機驅動裝置的電設備。
背景技術：
現有的電動機驅動裝置，例如專利文獻1所公開的那樣，根據電流值或驅動速度切換為速度反饋驅動或速度開環驅動的任一種來驅動電動機。圖12表示專利文獻1記載的現有的電動機驅動裝置。圖12中，直流電源201向逆變器202輸入直流電。逆變器202通過三相橋接6個開關元件而構成。逆變器202將輸入的直流電轉換為規定的頻率的交流電，輸入到無刷DC 電動機203。位置檢測部204基于逆變器202的輸出端子的電壓取得通過無刷DC電動機203 的旋轉產生的感應電壓的信息。基于該信息，位置檢測部204檢測出無刷DC電動機203的轉子203a的相對位置。控制電路205將從位置檢測部204輸出的信號作為輸入，產生逆變器202的開關元件的驅動信號。位置運算部206基于位置檢測部204的信號運算無刷DC電動機203的轉子203a 的磁極位置的信息。自控驅動部207和他控驅動部210 —起輸出表示切換在無刷DC電動機203的三相繞組流過的電流的時刻(timing，定時)的信號。這些定時信號是用于驅動無刷DC電動機203的信號。自控驅動部207輸出的這些定時信號通過反饋控制驅動無刷DC 電動機203，是基于從位置運算部206得到的轉子203a的磁極位置和速度指令部213得到的信號。另一方面，他控驅動部210輸出的這些定時信號通過開環控制驅動無刷DC電動機 203，是基于速度指令部213得到的信號。選擇部211選擇從自控驅動部207輸入的信號， 或從他控驅動部210輸入的這些定時信號的任一個輸出。即，選擇部211選擇是通過自控驅動部207來驅動無刷DC電動機203，還是通過他控驅動部210來驅動。驅動控制部212 基于從選擇部211輸出的信號，輸出逆變器202的開關元件的驅動信號。上述現有電動機驅動裝置在高速驅動或高負載驅動無刷DC電動機203的情況下， 從反饋控制的自動驅動切換為開環控制的被動驅動。由此，無刷DC電動機203的驅動范圍從低速下的驅動擴大到高速下的驅動，或從低負載下的驅動擴大到高負載下的驅動。但是，上述現有的結構中，在高速或高負載(以下，記為高速/高負載)下的驅動的情況，通過開環控制驅動無刷DC電動機203。因此，在負載小的情況下能夠得到穩定的驅動性能，但是，在負載大的情況下，具有驅動狀態不穩定的問題。專利文獻1 日本特開2003-219681號公報

發明內容
本發明解決上述現有問題，即使在高速/高負載驅動無刷DC電動機的情況下，通過得到穩定的驅動性能，也能夠擴大驅動范圍。由此，提供一種抑制外因引起的不穩定狀態，可靠性高的電動機驅動裝置。本發明的電動機驅動裝置是驅動包括轉子和具有三相繞組的定子的無刷DC電動機的電動機驅動裝置。另外，本發明具有向三相繞組供給電力的逆變器和取得無刷DC電動機的端子電壓的端子電壓取得部。此外，本發明具有輸出導電角為120度以上150度以下的波形的第一波形信號的第一波形發生部。而且，本發明具有固定占空比只使頻率改變地設定頻率的頻率設定部。另外，本發明具有輸出與端子電壓取得部取得的端子電壓具有規定關系的波形且在由頻率設定部設定的頻率下導電角為120度以上不足180度的波形的第二波形的第二波形發生部。而且，本發明具有進行切換以使在判定為轉子的速度比規定速度低的情況下輸出第一波形信號，在判定為轉子的速度比規定速度高的情況下輸出第二波形信號的切換判定部。而且，本發明具有基于從切換判定部輸出的第一或第二波形信號，將指示逆變器向三相繞組供給電力的供給時刻的驅動信號輸出到逆變器的驅動部。根據這種結構，無刷DC電動機在速度低的情況下，進行基于導電角為120度以上 150度以下的波形的第一波形信號的驅動。另一方面，無刷DC電動機在速度高的情況下，進行根據轉子的位置和設定的頻率的，基于導電角為120度以上不足180度的波形的第二波形信號的驅動。因此，本發明的電動機驅動裝置即使在高速/高負載的驅動下，驅動也穩定，能夠擴大驅動范圍。由此，能夠提供一種抑制外因引起的不穩定狀態的，可靠性高的電動機驅動
直ο


圖1是本發明實施方式1的電動機驅動裝置的框圖。圖2是同實施方式的電動機驅動裝置的時間圖。圖3是說明同實施方式的電動機驅動裝置的最佳的導電角的圖。圖4是同實施方式的電動機驅動裝置的其它時間圖。圖5是表示同實施方式的無刷DC電動機的同步驅動時的轉矩與相位的關系的圖。圖6是說明同實施方式的無刷DC電動機的相電流與端子電壓的相位關系的圖。圖7A是說明同實施方式的無刷DC電動機的相位關系的圖。圖7B是說明同實施方式的無刷DC電動機的其它的相位關系的圖。圖8是表示同實施方式的電動機驅動裝置的第二波形發生部的動作的流程圖。
圖9是表示同實施方式的無刷DC電動機的轉速與占空比(Duty)的關系的圖。圖10是同實施方式的電動機驅動裝置的轉速和占空比的時間圖。圖11是同實施方式的無刷DC電動機的重要部位截面圖。圖12是現有的電動機驅動裝置的框圖。
具體實施例方式下面，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。(實施方式1)圖1是本發明實施方式1的電動機驅動裝置的框圖。圖1中，交流電源1是一般的市用電源，在日本是有效值100V的50或60Hz的電源。電動機驅動裝置22連接于交流電源1，驅動無刷DC電動機4。下面，對電動機驅動裝置22進行說明。整流平滑電路2以交流電源1作為輸入將交流電整流平滑為直流電，其由橋接的4 個整流二極管h 2d和平滑電容器&、2f構成。在本實施方式中，整流平滑電路2由倍壓整流電路構成，但也可以由全波整流電路構成。而且，本實施方式中，交流電源1是單相交流電源，但在交流電源1為三相交流電源的情況下，整流平滑電路2由三相整流平滑電路構成。逆變器3將來自整流平滑電路2的直流電轉換為交流電。逆變器3將6個開關元件3a 3f進行三相橋接而構成。另外，6個回流電流用二極管3g 31沿逆方向連接于各開關元件3a 3f。無刷DC電動機4由具有永久磁鐵的轉子如和具有三相繞組的定子4b構成。無刷DC電動機4通過由逆變器3產生的三相交流電流在定子4b的三相繞組中流動，使轉子 4a旋轉。位置檢測部5在本實施方式中取得無刷DC電動機4的端子電壓。即，檢測出無刷 DC電動機4的轉子如的磁極相對位置。具體而言，位置檢測部5基于在定子4b的三相繞組發生的感應電壓檢測轉子如的相對的旋轉位置。另外，作為其它的位置檢測方法，可以列舉對電動機電流(相電流或母線電流)的檢測結果進行向量運算并進行磁極位置的推定的方法。另外，位置檢測部5例如通過取得逆變器3的端子電壓，檢測無刷DC電動機4的相電流的電流零交叉(電流S 口々口 7 )。具體而言，位置檢測部5檢測在逆變器3的回流電流用二極管(例如，二極管3h)流過的電流的有無，即檢測電流的流向從正切換到負或從負切換到正的點即零交叉點(Zero Cross Point)。位置檢測部5將該零交叉點作為無刷DC電動機4的相電流的零交叉點進行檢測。像這樣，位置檢測部5檢測無刷DC電動機 4的磁極位置和相電流的零交叉點。第一波形發生部6生成用于驅動逆變器3的開關元件3a 3f的第一波形信號。 第一波形信號是導電角為120度以上150度以下的矩形波的信號。為了平滑地驅動具有三相繞組的無刷DC電動機4，需要導電角在120度以上。另一方面，位置檢測部5為了基于感應電壓檢測位置，作為開關元件的接通/切斷(0N/0FF)的間隔需要30度以上的間隔。因此，導電角將從180度減去30度得到的150度作為上限。另外，第一波形信號在矩形波以外也可以列舉以矩形波為基準的波形。例如為使波形的上升沿/下降沿具有傾斜的梯形波。第一波形發生部6基于由位置檢測部5檢測到的轉子如的位置信息，生成第一波形信號。第一波形發生部6為了保持轉速一定，還進行脈沖寬度調制(PWM)占空比控制。由此，能夠以基于旋轉位置的最佳的占空比，高效地驅動無刷DC電動機4。頻率設定部8固定占空比僅使頻率變化來設定頻率。頻率限制部9在從頻率設定部8輸入的頻率不超過上限頻率的情況下，將輸入的頻率輸出到第二波形發生部10，反之， 在從頻率設定部8輸入的頻率超過上限頻率的情況下，將上限頻率輸出到第二波形發生部 10。第二波形發生部10基于來自頻率限制部9的頻率和來自位置檢測部5的位置信息，生成用于驅動逆變器3的開關元件3a 3f的第二波形信號。第二波形信號是導電角為120度以上不足180度的矩形波的信號。與第一波形發生部6同樣地，因為無刷DC電動機4具有三相繞組，所以需要導電角為120度以上。另一方面，在第二波形發生部10不需要開關元件的接通/切斷的間隔，所以取上限為不足180度。考慮位置檢測部5檢測零交叉(Zero Cross)，適當地設置切斷時間。例如，可以在檢測零交叉后設置導電角5度的量的切斷時間。另外，第二波形信號只要是基于矩形波的波形即可。例如，可以為正弦波或畸變波。另外，本實施方式中，占空比為最大或接近最大的狀態(90 100%的固定的占空比)。速度檢測部7基于位置檢測部5檢測出的位置信息檢測無刷DC電動機4的速度 (即旋轉速度)。例如，通過測量在固定周期發生的來自位置檢測部5的信號，能夠簡單地進行檢測。切換判定部11判定轉子如的旋轉速度是低速還是高速，將輸入到驅動部12的波形信號切換為第一波形信號或第二波形信號。具體而言，在速度低的情況下選擇第一波形信號輸出，在速度高的情況下選擇第二波形信號輸出。在此，旋轉速度是高還是低的判定能夠基于由速度檢測部7檢測出的實際的速度進行。另外，速度是高還是低的判定也能夠基于設定轉速和占空比進行。例如，因為在占空比為最大(一般為100%)的情況下速度最高，所以切換判定部11將波形信號切換為第二波形信號。驅動部12基于從切換判定部11輸出的波形信號，輸出指示逆變器3向無刷DC電動機4的三相繞組供給電力的供給時刻的驅動信號。具體而言，驅動信號使逆變器3的開關元件3a 3f為接通或切斷(以下記為接通/切斷)。由此，向定子4b施加最佳的交流電，使轉子4a旋轉，驅動無刷DC電動機4。上限頻率設定部13基于第一波形信號設定與驅動無刷DC電動機4時的最大轉速(即占空比為100%時的轉速)相對應的上限頻率。即，基于最大轉速設定上限轉速，設定對應于該上限轉速的上限頻率。本實施方式中，上限頻率(即無刷DC電動機4的上限轉速)對應上述最大轉速的1. 5倍設定。例如，在最大轉速為50r/s的情況下，設定上限轉速為75r/s。上限頻率設定部13將對應該上限轉速75r/s的頻率作為上限頻率進行設定。另外，該上限頻率利用于頻率限制部9的頻率限制。該上限頻率的設定如下進行。在通過頻率設定部8和第二波形發生部10驅動無刷DC電動機4的情況下，無刷DC電動機4被作為轉子如追隨逆變器3的換流的同步電動機驅動。因此，由于轉子如相對換流延遲，成為感應電壓的相相位相對相電流的相位延遲的狀態。即，當以感應電壓的相位為基準進行考慮時，以電動機的相電流的相位相對感應電壓的相位提前的狀態(即弱磁通)驅動無刷DC電動機4。因此，相比第一波形發生部6的占空比100%下的驅動，能夠更高速旋轉。但是，當該提前角(進角)增大時(S卩，轉子如相對換流大幅延遲時)，電動機脫離同步，轉子失調(脫調，st印out)。因此，通過預先設定成上限頻率比該引起失調的轉速，提高電動機驅動裝置22的可靠性。上限頻率變更部14首先檢測第二波形發生部10的驅動經過了一定時間(例如30 分鐘)。接著，上限頻率變更部14對切換判定部11作出將無刷DC電動機4的驅動從第二波形發生器10的驅動強制地切換為第一波形發生部6的驅動的指示。另外，上限頻率變更部14對上限頻率設定部13的上限頻率進行再設定。另外，位置檢測部5通過取得例如逆變器3的端子電壓而檢測轉子如的位置。具體而言，檢測出流過逆變器3的回流電流用二極管(例如，二極管池)的電流的有無，即檢測出電流的流向從正切換向負，或從負切換向正的點(即零交叉點)，作為轉子如的位置。另外，位置檢測部5的輸出相當于輸出逆變器3的端子電壓相對閾值是高還是低的信號。因此，位置檢測部5的輸出能夠作為以第一波形發生部6為基準的無刷DC電動機4的感應電壓的零交叉點利用。接著，對使用了本實施方式的電動機驅動裝置22的電設備進行說明。作為電設備的一例，對冰箱21進行說明。冰箱21裝載有壓縮機17，無刷DC電動機4的轉子如的旋轉運動通過曲軸(未圖示)被轉換為往復運動。通過連接于曲軸的活塞(未圖示)在氣缸(未圖示)內進行往復運動，壓縮氣缸內的制冷劑。即，壓縮機17由無刷DC電動機4、曲軸、活塞、氣缸構成。壓縮機17的壓縮方式(機構方式)能夠使用旋轉(rotary)型或渦旋(scroll) 型等任意方式。本實施方式中，對往復(reciprocal)型的情況進行說明。往復型壓縮機17 慣性大。因此，在同步驅動壓縮機17的無刷DC電動機4的情況下，壓縮機17的驅動穩定。用于壓縮機17的制冷劑一般為等，但本實施方式中使用R600a。R600a相比R134a，雖然地球溫暖化系數小，但是制冷能力低。本實施方式中，壓縮機17由往復型壓縮機構成，并且為了確保制冷能力，增大了氣缸容積。氣缸容積大的壓縮機17因為慣性大， 所以即使在電源電壓降低的情況下，也能通過慣性使無刷DC電動機4旋轉。由此，旋轉速度的變動減小，能夠進行更穩定的同步驅動。但是，氣缸容積大的壓縮機17由于負載大，所以在現有的電動機驅動裝置中難以驅動。本實施方式的電動機驅動裝置22因為特別擴大了高負載下的驅動范圍，所以最適合驅動使用了 R600a的壓縮機17。壓縮機17壓縮的制冷劑，依次通過冷凝器18、減壓器19、蒸發器20，再次返回壓縮機17，構成制冷循環。此時，由于在冷凝器18進行放熱，在蒸發器20進行吸熱，所以能夠進行冷卻或加熱。裝載該制冷循環構成冰箱21。在此，作為其它的電設備的例子，空調在空氣冷凝器18或蒸發器20具備通風機。對如上構成的電動機驅動裝置22，說明其動作。首先，對無刷DC電動機4的速度低的情況下(低速時)的動作進行說明。圖2是本實施方式的電動機驅動裝置22的時間圖。特別是，圖2是使低速時的逆變器3驅動的信號的時間圖。使逆變器3驅動的信號是為了設置逆變器3的開關元件3a 3f為接通/切斷而從驅動部12輸出的驅動信號。在這種情況下，該驅動信號基于第一波形信號得到。第一波形信號基于位置檢測部5的輸出， 從第一波形發生部6輸出。圖2中，信號U、V、W、X、Y、Z分別是用于將開關元件3a、3c、;3e、3b、3d、3f接通/切斷的驅動信號。波形Iu、Iv、Iw分別是定子4b的繞組的U相、V相、W相的電流的波形。在此，低速時的驅動中，基于位置檢測部5的信號在每120度的區間依次進行換流。信號U、 V、W進行根據PWM控制的占空比控制。另夕卜，如圖2所示，U相、V相、W相的電流的波形即波形Iu、Iv、Iw成為鋸齒波的波形。在這種情況下，基于位置檢測部5的輸出以最佳的時刻進行換流。因此，無刷DC電動機4被最高效地驅動。接著，使用圖3對最佳的導電角進行說明。圖3是說明本實施方式的電動機驅動裝置22的最佳的導電角的圖。特別是，圖3表示低速時的導電角與效率的關系。圖3中， 線A表示電路效率，線B表示電動機效率，線C表示綜合效率(電路效率A和電動機效率B 之積)。如圖3所示，當使導電角比120度大時，電動機效率B提高。這是因為，由于導電角變大，電動機的相電流的有效值降低(即功率因數提高)，伴隨電動機的銅耗減少而使電動機效率B提高。但是，當設置導電角比120度大時，存在開關次數增加，開關損耗增加的情況。在這樣的情況下，電路效率A降低。根據該電路效率A與電動機效率B的關系，存在綜合效率C最好的導電角。本實施方式中，130度是綜合效率C最好的導電角。接著，對無刷DC電動機4的速度高的情況(高速時)的動作進行說明。圖4是本實施方式的電動機驅動裝置22的時間圖。特別是，圖4是使高速時的逆變器3驅動的驅動信號的時間圖。在這種情況下，該驅動信號基于第二波形信號得到。第二波形信號基于頻率設定部8的輸出，從第二波形發生部10輸出。圖4的信號U、V、W、X、Y、Z和波形Iu、Iv、Iw與圖2相同。各信號U、V、W、X、Y、Z 基于頻率設定部8的輸出，輸出規定頻率進行換流。這種情況的導電角為120度以上不足 180度。圖4表示導電角為150度的情況。通過提高導電角，各相的電流的波形Iu、Iv、Iw 擬似地接近正弦波。通過固定占空比地提高頻率，旋轉速度相比現有大幅提高。在提高了該旋轉速度的狀態下，作為同步電動機被驅動，伴隨驅動頻率的上升，電流也增大。在這種情況下，通過將導電角擴大至不足最大的180度，來抑制峰值電流。因此，無刷DC電動機4即使以更高電流驅動，也能與過電流保護無關地進行動作。在此，對由第二波形發生部10生成的第二波形信號進行說明。圖5是表示同步驅動無刷DC電動機4的情況的，轉矩與相位的關系的圖。圖5中，橫軸表示電動機的轉矩，縱軸表示以感應電壓的相位為基準的相位差，其表示在相位為正的情況下，相對感應電壓的相位提前。另外，表示同步驅動的穩定狀態的圖5的，線Dl表示無刷DC電動機4的相電流的相位，線El表示無刷DC電動機4的端子電壓的相位。在此，由于相電流的相位比端子電壓的相位提前，所以判定為通過同步驅動以高速驅動無刷DC電動機4。如從圖5所示的相電流的相位和端子電壓的相位的關系可明確，相對負載轉矩，相電流的相位的變化小。另一方面，因為端子電壓的相位直線變化，所以與負載轉矩相應地，相電流和端子電壓的相位差大致線性變化。像這樣，在同步驅動中，無刷DC電動機4的驅動以對應于驅動速度和負載的，適宜的相電流的相位與端子電壓的相位的關系穩定。圖6表示在這種情況下的端子電壓的相位與相電流的相位的關系。特別是，圖6是在d_q平面上表示負載的相電流的相位與端子電壓的相位的關系的向量圖。在同步驅動中，端子電壓向量Vt在負載增加的情況下，一邊大小大致保持一定， 一邊相位向提前方向推移。如果用圖6進行說明，則端子電壓向量Vt沿箭頭F的方向旋轉。 另一方面，電流向量I在負載增加的情況下，一邊相位大致保持一定，一邊伴隨負載的增加而大小發生變化(例如，伴隨負載增加，電流增加)。如果用圖6進行說明，則電流向量I沿箭頭G的方向延伸。像這樣，電壓向量和電流向量根據驅動環境(輸入電壓、負載轉矩、驅動速度等)以適宜的狀態決定各向量的相位關系。在此，對在以開環同步驅動無刷DC電動機4的情況下的，某負載或速度的，相位的時間的變化用圖進行說明。圖7A、圖7B是用于說明無刷DC電動機4的相位關系的圖。特別是圖7A、圖7B表示無刷DC電動機4的相電流的相位與端子電壓的相位的關系。圖7A、 圖7B中，橫軸表示時間，縱軸表示以感應電壓的相位為基準的相位(即，與感應電壓的相位差)。在兩圖中，線D2表示相電流的相位，線E2表示端子電壓的相位，線H2表示相電流的相位與端子電壓的相位的相位差。而且，圖7A表示低負載下的驅動狀態，圖7B表示高負載下的驅動狀態。另外，由于根據與感應電壓的相位之差，圖7A、圖7B都是相電流的相位比端子電壓的相位提前，所以判斷為無刷DC電動機4通過同步驅動進行非常高速的驅動。如圖7A所示，在相對驅動速度負載小的情況下的同步驅動中，轉子如僅延遲相對換流與負載相稱的角度的量。即，當從轉子如觀察時，換流為提前相位，保持規定的關系。 即，當從感應電壓觀察時，端子電壓和相電流的相位為提前相位，保持規定的關系。因為這是與弱磁通控制相同的狀態，所以能夠進行高速的驅動。另一方面，如圖7B所示，在相對驅動速度負載大的情況下，通過使轉子如相對換流延遲而形成弱磁通狀態，轉子如以與換流周期同步的方式進行加速。之后，通過轉子如的加速，根據端子電壓的提前相位的減少，相電流減少，轉子如減速。反復該狀態，轉子如反復進行該加速和減速。由此，其結果為驅動狀態(驅動速度)不穩定。即，如圖7B所示， 相對以固定周期進行的換流，無刷DC電動機4的旋轉發生變動。因此，在以感應電壓的相位為基準的情況下，端子電壓的相位變動。在這樣的驅動狀態下，無刷DC電動機4的旋轉發生變動，隨之產生波動音。另外，因為電流脈動，所以判斷為過電流，產生停止無刷DC電動機4的可能性。因此，在開環同步驅動無刷DC電動機4的情況下，在負載小的狀態下，無刷DC電動機4被穩定驅動，但是在負載大的狀態下，產生如上所述的問題。即，在開環同步驅動無刷DC電動機4的情況下，不能進行高速/高負載下的驅動，不能擴大驅動范圍。于是，本實施方式的電動機驅動裝置22以將相電流的相位和端子電壓的相位保持在圖5所示的與負載相稱的相位關系的狀態下，驅動無刷DC電動機4。下面敘述保持這種相電流的相位與端子電壓的相位的相位關系的方法。電動機驅動裝置22檢測端子電壓的基準相位(即驅動信號的換流基準位置)和相電流的相位的基準點，并基于此對開環的同步驅動的換流時刻(固定周期的換流)進行修正，決定保持了相電流的相位與端子電壓的相位的相位關系的換流時刻。具體而言，第二波形發生部10決定保持了上述相位關系的換流時刻。端子電壓的基準相位對應于位置檢測部5檢測的轉子如的位置。因此，基于該換流時刻生成的波形即第二波形信號，成為與位置檢測部檢測出的轉子的位置有規定關系的波形。第二波形發生部10將生成的第二波形信號向驅動部12輸出。用圖8的流程圖對該第二波形發生部10的動作進行說明。首先，在步驟101，判斷某開關元件是否為接通，即等待該開關元件的接通時刻。本實施方式中，等待U相上側的開關元件即逆變器3的開關元件3a的接通時刻。在開關元件 3a為接通的情況下(步驟101的“是Wes) ”)，進入步驟102。在步驟102使計時用的定時器啟動，進入步驟103。在步驟103，通過位置檢測部5判定特定相的峰值(spike)是否切斷。即，判定特定相的峰值電壓是否從端子電壓降低開關元件的電壓降低量，且是否從此降低至OV附近。 本實施方式中，特定相是U相，判定U相的端子電壓是否降低至OV附近。即，在切斷U相下側的開關元件即逆變器3的開關元件北后，回流電流用二極管3g中流過的電流不流動的時刻為特定相進行了峰值切斷的時刻。該時刻的判定是判定電流流動的流向從負切換到正的時刻即電流零交叉時刻。在峰值電壓降低至OV附近即特定相進行了峰值切斷的情況下 (步驟103的“是”)，進入步驟104。
在步驟104中，使在步驟102啟動的定時器停止，儲存定時器計數值，進入步驟 105。即，測量從接通開關元件3a開始直到電流流過回流電流用二極管3g期間發生的峰值電壓切斷為止的時間，進入步驟105。在步驟105，計算在步驟104測量的時間與至此的平均時間的差值，進入步驟106。 在步驟106，基于在步驟105計算的差值，運算換流時刻的修正量，進入步驟107。在此，所謂換流時刻的修正，是指相對由頻率設定部8設定的頻率即基于指令速度的基本的換流周期，修正換流時刻。因此，在附加大的修正量的情況下，會引起過電流或失調。因此，在運算修正量時，在附加低通濾波器等的基礎上進行運算，抑制換流時刻的急劇的變動。由此，即使在由噪聲等影響而誤檢測出電流零交叉的情況下，對修正量的影響也變小，驅動的穩定性進一步提高。而且，因為修正量的運算中抑制了急劇的變化，所以使無刷DC電動機4加減速的換流時刻的變化也變得緩慢。因此，即使在指令速度大幅變更，頻率設定部8的頻率(換流周期)大幅改變的情況下，換流時刻的變化也變得緩慢，加減速變得平滑。具體而言，該換流時刻的修正是指使相電流的相位與端子電壓相位的相位差總是接近平均時間。例如，如果由于負載變大而轉子如的旋轉速度降低，則相電流的相位當以端子電壓的相位為基準時向延遲方向移動。因此，相比從端子電壓的基準相位到相電流的基準相位的平均時間，在步驟104計量的時間變長。在這種情況下，第二波形發生部10對換流時刻進行修正，以使換流時刻比基于旋轉速度(轉速)的換流周期的時刻延遲。即，因為由于相電流的相位延遲而測量時間增長，所以第二波形發生部10使換流時刻延遲并使端子電壓的相位延遲，使與相電流的相位的相位差接近平均時間。反之，如果通過負載變小而轉子如的旋轉速度提高，則相電流的相位當以端子電壓的相位為基準時向提前方向移動。因此，相比從端子電壓的基準相位到相電流的基準相位的平均時間，測量時間縮短。在這種情況下，第二波形發生部10對換流時刻進行修正，以暫時使設置換流時刻比基于轉速的換流周期的時刻快。即，因為通過相電流的相位變快而使測量時間變短，所以第二波形發生部10將換流時刻提前使端子電壓的相位提前，使相電流的相位的相位差接近平均時間。進一步，第二波形發生部10將換流時刻的修正作為特定相(例如，只是U相上側的開關元件)的任意時刻(例如，轉子如的一轉一次)，其它相的換流以基于作為目標的轉速的換流周期時序地(時間的C )進行。由此，根據負載最佳地保持相電流的相位與端子電壓的相位的相位關系，保持無刷DC電動機4的驅動速度。接著，在步驟107，加上在步驟104測量的時間，更新平均時間，進入步驟108。在步驟108，相對基于在頻率設定部8設定的頻率(驅動速度)的開關元件的換流周期，通過附加修正量決定換流時刻。S卩，通過對由頻率設定部8設定的頻率附加修正量，以電流相位為基準決定換流時刻，以使相電流的相位與端子電壓的相位總是為平均相位差。因此，在負載變大的情況下，作為相電流的相位與換流時刻之差的相位差變小。與之相對地，相比作為修正的基準的平均時間變小、負載變大之前，以相位差變小的狀態為基準驅動無刷DC電動機4。由此，通過以更大的提前角驅動無刷DC電動機4，提高弱磁效應，而使輸出轉矩增大，確保必要的輸出轉矩。
反之，在負載變小的情況下，作為相電流的相位和換流時刻之差的相位差變大。與之相對地，相比作為修正的基準的平均時間變大、負載變小之前，以相位差變大的狀態為基準驅動無刷DC電動機4。由此，通過以更小的提前角驅動無刷DC電動機4，降低弱磁效應， 而使輸出轉矩減小，不輸出必要以上的轉矩。如上所述，確保必要的輸出，并且進行沒有多余的輸出的驅動。另一方面，在步驟103，在特定相的峰值沒有切斷的情況下(步驟103的“否 (No)”)，進入步驟109。在步驟109，判斷某開關元件是否接通，即是否進行了換流。在此， 某開關元件是指在可產生峰值的區間結束的時刻，開關元件的接通/切斷變化的開關，在本實施方式中是U相上側的開關元件3a。在此，在開關元件3a未接通的情況下(步驟109 的“否”)，再次返回步驟103。在開關元件3a接通的情況下(步驟109的“是”)，因為沒有產生峰值，所以進入步驟110。在步驟110，換流時刻的修正量取為0，進入步驟108。在這種情況下，因為修正量為0，所以在步驟108，基于轉速的換流周期的時刻直接被決定為下次的換流時刻。另外，所謂峰值未發生的狀態，是指相對端子電壓的相位，相電流的相位充分提前的狀態。即，因為負載小、充分確保了必要的轉矩，所以是不進行修正地穩定驅動無刷DC電動機4的狀態。另一方面，在步驟101，在某開關元件(本實施方式中為開關元件3a)未接通的情況下(步驟101的“否”)，進入步驟111。在步驟111，換流時刻的修正量取為0，進入步驟 108。在這種情況下，因為修正量為0，所以在步驟108，基于轉速的換流周期的時刻被決定為下次的換流時刻。另外，本實施方式中，因為只在U相上側的開關元件3a的接通時刻進行換流周期的修正，所以對在電角1周期中1次的修正的情況進行說明。但是，只要考慮電動機驅動裝置22的用途和無刷DC電動機4的慣性等設定修正的時刻即可。例如，也可以進行轉子如的1轉1次的修正，或電角1周期中2次的修正、每次各開關元件接通的時刻的修正。接著，對切換判定部11的切換動作進行說明。圖9是表示本實施方式的無刷DC 電動機4的，轉速與占空比的關系的圖。圖9中，在無刷DC電動機4的轉速即轉子如的轉速為50r/s以下的情況下，基于第一波形發生部6的第一波形信號驅動無刷DC電動機4。通過反饋控制，根據轉速將占空比調整為最高效的值。轉速為50r/s且占空比為100 %，基于第一波形發生部6的驅動不能在此以上旋轉。即，達到界限。在該狀態下，上限頻率設定部13基于該50r/s，將其1.5倍即75r/s設定為上限頻率(上限轉速)。當超越頻率設定部8設定的75r/s時，頻率限制部9依照該上限頻率75r/s，不輸出在此以上的頻率。另外，在轉速50r/s到75r/s之間，固定占空比，只提高頻率(即換流周期)，驅動無刷DC電動機4。接著，對上限頻率變更部14的動作進行說明。本實施方式的電動機驅動裝置22 適用于驅動裝載于冰箱21或空調等的壓縮機17的無刷DC電動機4的情況。這是因為，電動機驅動裝置22能夠在寬的驅動范圍下驅動轉矩小且高效率的無刷DC電動機4。例如，在冰箱21的箱內溫度穩定，無刷DC電動機4的旋轉可為低速的情況下，能夠進行高效率的驅動。另一方面，即使是在箱內溫度變高，需要高速的驅動的情況下也能夠應付。這與空調的情況也相同。在此，冰箱21或空調等的壓縮機17雖然很少負載急劇變化，但是存在經過長時間負載發生變化的情況。在這種情況下，需要變更上限頻率。下面，對這種情況下的動作進行說明。圖10是本實施方式的電動機驅動裝置22的，轉速和占空比的時間圖。在圖10中， 在時刻t0啟動無刷DC電動機4。在此，無刷DC電動機4的目標轉速取為80r/s。無刷DC 電動機4基于位置檢測部5和第一波形發生部6的反饋控制，提高占空比進行驅動，隨之轉速也上升。在時刻tl，占空比最大，為100%，在基于位置檢測部5和第一波形發生部6的反饋控制的驅動下，不能更高地提高轉速。這種情況的無刷DC電動機4的轉速為50r/s。上限頻率設定部13基于該轉速即50r/s，設定對應其1. 5倍即75r/s的上限頻率。在時刻tl，切換判定部11將無刷DC電動機4的驅動從位置檢測部5和第一波形發生部6的驅動切換到頻率設定部8和第二波形發生部10的驅動。之后，通過固定占空比 (100% )提高頻率設定部8的頻率，提高無刷DC電動機4的轉速。像這樣，從時刻tl到時刻t2期間，轉速上升。在時刻t2，目標轉速也如最初為80r/s，但上限頻率設定部13設定的上限頻率為對應于轉速75r/s的頻率。因此，通過頻率限制部9限制轉速為75r/s。接著，在從時刻t2經過了一定時間(例如，30分鐘)的時刻t3，在冰箱21等的情況下，負載可能改變。因此，通過如下所述的方式進行最大轉速的確認和上限頻率的再設定。首先，上限頻率變更部14檢測從時刻t2經過了一定時間(本實施方式的情況下為30分鐘)。接著，上限頻率變更部14對切換判定部11作出將無刷DC電動機4的驅動從第二波形發生部10的驅動切換到第一波形發生部6的驅動的指示。在這種情況下，無刷DC 電動機4因為被第一波形發生部6驅動，所以轉速下降。速度檢測部7檢測此時的轉速，這是通過第一波形發生部6可驅動的最大轉速。相比時刻t2的負載，在時刻t3的負載變小的情況下，通過上限頻率變更部14被切換為第一波形發生部6的驅動的時刻的無刷DC電動機4的轉速(最大轉速)，相比時刻 tl的轉速上升。本實施方式中，確認該最大轉速為55r/s，其相比時刻tl的轉速50r/s上升。基于該最大轉速，上限頻率設定部13再設定上限頻率。S卩，設定對應于55r/s的1.5 倍即82. 5r/s的上限頻率。之后，與從時刻tl到時刻t2的驅動同樣地，切換判定部11通過切換為頻率設定部8和第二波形發生部10的驅動，再次提高頻率設定部8的頻率，由此提高轉速。這次，因為對應于上限頻率的轉速為82. 5r/s，所以無刷DC電動機4以最初的目標轉速80r/s繼續驅動。通過這樣的方式，通過對負載的變動每一定時間再次檢測負載，再設定上限頻率，進行對應于負載的最佳的驅動。接著，對本實施方式的無刷DC電動機4的構造進行說明。圖11是本實施方式的無刷DC電動機4的轉子的，表示相對旋轉軸垂直截面的截面圖。轉子4a由鐵心4g和4個磁鐵4c 4f構成。鐵心4g通過重疊將0. 35 0. 5mm 程度的薄的硅鋼板沖壓的板而構成。磁鐵4c 4f常用圓弧形狀的鐵酸鹽類永久磁鐵，如圖所示，圓弧形狀的凹部以朝向外方的方式中心對稱配置。另一方面，作為磁鐵4c 4f，在使用釹等稀土類永久磁鐵的情況下，也存在平板形狀的情況。這種構造的轉子如中，將從轉子如的中心朝向一個磁鐵(例如，4f)的中央的軸設為d軸，將從轉子如的中心朝向一個磁鐵(例如，4f)和與之鄰接的磁鐵(例如，4c)之間的軸設為q軸。d軸方向的電感Ld和q軸方向的電感Lq具有逆顯極性(逆突極性)，是不同的。即，作為電動機，除了磁鐵的磁通的轉矩(磁鐵轉矩)以外，也能有效使用利用逆顯極性的轉矩(磁阻轉矩)。因此，作為電動機，能夠更有效地利用轉矩。其結果是，本實施方式能夠得到高效的電動機。另外，在本實施方式的控制中，在進行頻率設定部8和第二波形發生部10的驅動時，相電流為提前相位。因此，由于大為利用磁阻轉矩，所以相比沒有逆顯極性的電動機，能夠以更高的轉速進行驅動。另外，本實施方式的無刷DC電動機4具有在鐵心4g埋入永久磁鐵如 4f而成的轉子如，且具有顯極性。另外，除了永久磁鐵的磁鐵轉矩以外，使用顯極性引起的磁阻轉矩。由此，不僅提高低速時的效率，而且進一步提高高速驅動性能。另外，如果永久磁鐵采用釹等稀土類磁鐵增大磁鐵轉矩的比例，或增大電感Ld、Lq之差來增大磁阻轉矩的比例， 則能夠通過改變最佳的導電角來提高效率。接著，將本實施方式的電動機驅動裝置22用于冰箱21或空調，對驅動壓縮機17 的情況進行說明。根據現有的電動機驅動裝置，為了對應高速/高負載下的驅動，需要利用通過減少繞組的卷繞數來確保必要轉矩的無刷DC電動機。這樣的無刷DC電動機，電動機的噪音很大。若使用本實施方式的電動機驅動裝置22，則即使利用增加繞組的卷繞量來減小轉矩的無刷DC電動機4，也能夠以高速/高負載進行驅動。由此，轉速低的情況的占空比能夠比使用現有的電動機驅動裝置的情況大。因此，能夠降低電動機的噪音，特別是載波噪聲(相當于PWM控制下的頻率。例如，3kHz)。另外，通過使壓縮機17為往復壓縮機，因為慣性更大、高速下的轉矩脈動更小，所以能夠穩定地在高速下動作。另外，在將壓縮機17裝載于冰箱21的情況下，因為冰箱21 負載的變動不急劇，所以相電流的相位和端子電壓的相位的相位差的變化小，能夠進行更穩定的驅動。另外，通過頻率限制部9，不在驅動界限以上進行驅動，所以能夠確保高速驅動的可靠性。由此，無刷DC電動機4不會因失調等而停止。特別是冰箱21由于保管食品，所以需要經常冷卻箱內，能夠防止由于壓縮機17的預料外的停止而箱內不變冷的情況。另外，因為通過上限頻率變更部14，能夠再設定上限頻率，所以即使在由于經過時間而負載變化的情況下，也能夠再設定為適宜的最高轉速。冰箱21和空調等的冷卻系統的壓縮機17的驅動，負載的變化非常緩慢。因此，也不需要頻繁修正最大轉速，而通過經過一定的時間來修正最大轉速是有效的。此外，在使用本實施方式的電動機驅動裝置22驅動空調器的壓縮機17的情況下， 進一步能夠在從供冷時的最低負載到供熱時的最大負載，對應更寬的驅動范圍，并且尤其能夠降低額定以下的低負載的消耗電力。本發明的電動機驅動裝置是驅動包括轉子和具有三相繞組的定子的無刷DC電動機的電動機驅動裝置。另外，本發明具有向三相繞組供給電力的逆變器和取得無刷DC電動機的端子電壓的端子電壓取得部。此外，本發明具有輸出導電角為120度以上150度以下的波形的第一波形信號的第一波形發生部。而且，本發明具有固定占空比只使頻率改變地設定頻率的頻率設定部。另外，本發明具有輸出與端子電壓取得部取得的端子電壓具有規定關系的波形且在由頻率設定部設定的頻率下導電角為120度以上不足180度的波形的第二波形信號的第二波形發生部。而且，本發明具有進行切換以使在判定為轉子的速度比規定速度低的情況下輸出第一波形信號，在判定為轉子的速度比規定速度高的情況下輸出第二波形信號的切換判定部。而且，本發明具有基于從切換判定部輸出的第一或第二波形信號，將指示逆變器向三相繞組供給電力的供給時刻的驅動信號輸出到逆變器的驅動部。由此，能夠確保用于以規定的速度驅動無刷DC電動機所需的轉矩，能夠進一步提高同步驅動的高速下的驅動的穩定性。另外，本發明中，第一波形發生部還具備檢測轉子的位置的位置檢測部，基于從位置檢測部輸出的轉子的位置，輸出第一波形信號。由此，邊通過位置檢測部檢測無刷DC電動機的轉子的相對位置邊進行速度反饋控制，所以能夠高效率地驅動電動機驅動裝置。另外，本發明中，位置檢測部通過檢測端子電壓取得部取得的端子電壓的零交叉點進行轉子的位置的檢測。由此，能夠采用將轉子的位置檢測轉換為端子電壓的零交叉點檢測這種廉價的結構。另外，本發明還具有頻率限制部，其被輸入頻率設定部設定的頻率，在頻率為上限頻率以下的情況下將輸入的頻率向第二波形發生器輸出，在頻率超過上限頻率的情況下將上限頻率向第二波形發生部輸出。由此，防止驅動界限以上的驅動，所以能夠確保高速驅動下的可靠性。另外，由此，能夠防止由于失調等引起的停止而將冰箱等的冷卻進行非預期的停止而不制冷的情況。另外，本發明還具有上限頻率設定部，其基于第一波形信號的最大頻率設定上限頻率并輸出到頻率限制部。由此，即使在由于時間的經過而負載變化的情況下，也能夠進行對應于驅動狀沉的適宜的最大驅動頻率的設定，能夠最大限地利用對應于負載的高速驅動能力。另外，本發明還具有上限頻率變更部，其在從進行第二波形信號的驅動經過規定時間后，通過暫時從第二波形信號的驅動切換為第一波形信號的驅動，再次設定上限頻率。 由此，即使由于時間的經過而負載變化，也能夠再次設定為適宜的最大轉速。另外，本發明中，無刷DC電動機的轉子通過在鐵心埋入永久磁鐵而構成，而且具有顯極性。由此，除了永久磁鐵的磁鐵轉矩以外，能夠使用顯極性帶來的磁阻轉矩，能夠進一步提高低速時的效率和高速驅動性能。另外，本發明中，無刷DC電動機驅動壓縮機。由此，利用增加繞組的纏繞量降低轉矩的無刷DC電動機，能夠降低電動機的噪音，特別是伴音。另外，本發明中，壓縮機是往復壓縮機。由此，由于慣性更大，高速下的轉矩波動更小，所以能夠使其穩定地在高速下動作。另外，本發明中，壓縮機所使用的制冷劑是R600a。由此，為了得到冷凍能力，增大氣缸容積，從而慣性增大，而且，能夠進行因速度和負載而難以變動的穩定的驅動。另外，本發明是使用上述結構的電動機驅動裝置的電設備。由此，在作為電設備用于冰箱的情況下，因為負載變動不急劇，所以能夠進行更穩定的驅動。另外，在作為電設備用于空調器的情況下，能夠對應從供冷時的最低負載到供熱時的最大負載的寬幅度的驅動范圍，并且特別地能夠降低額定電壓以下的低負載下的耗電。產業上的可利用性本發明的電動機驅動裝置實現無刷DC電動機的高速/高負載下的驅動的穩定性， 并且擴大驅動范圍。由此，不僅能夠適用于冰箱或空調器，還能夠適用于自動售貨機或陳列櫥、熱泵供水器的壓縮機的高效率化。另外，也可以適用于洗衣機或吸塵器、泵等使用無刷 DC電動機的電設備的節能化。
0116]附圖符號說明0117]3逆變器0118]4無刷DC電動機0119]4a轉子0120]4b定子0121]4c、4d、4e、4f磁鐵(永久磁鐵)0122]4g鐵心0123]5位置檢測部(端子電壓取得部)0124]6第一波形發生部0125]8頻率設定部0126]9頻率限制部0127]10第二波形發生部0128]11切換判定部0129]12驅動部0130]13上限頻率設定部0131]14上限頻率變更部0132]17壓縮機0133]21冰箱(電設備)0134]22電動機驅動裝置
權利要求
1.一種電動機驅動裝置，其驅動包括轉子和具有三相繞組的定子的無刷DC電動機，該電動機驅動裝置的特征在于，包括逆變器，其向所述三相繞組供給電力；端子電壓取得部，其取得所述無刷DC電動機的端子電壓；第一波形發生部，其輸出導電角為120度以上150度以下的波形的第一波形信號；頻率設定部，其固定占空比只使頻率改變地設定頻率；第二波形發生部，其輸出與所述端子電壓取得部取得的所述端子電壓具有規定關系的波形且在由所述頻率設定部設定的頻率下導電角為120度以上不足180度的波形的第二波形信號；切換判定部，其進行切換，以使在判定為所述轉子的速度比規定速度低的情況下輸出所述第一波形信號，在判定為所述轉子的速度比所述規定速度高的情況下輸出所述第二波形信號；和驅動部，其基于從所述切換判定部輸出的第一或第二波形信號，將指示所述逆變器向所述三相繞組供給電力的供給時刻的驅動信號輸出到所述逆變器。
2.如權利要求1所述的電動機驅動裝置，其特征在于還具備檢測所述轉子的位置的位置檢測部，所述第一波形發生部基于從所述位置檢測部輸出的所述轉子的位置，輸出所述第一波形信號。
3.如權利要求1所述的電動機驅動裝置，其特征在于所述位置檢測部通過檢測所述端子電壓取得部取得的所述端子電壓的零交叉點進行所述轉子的位置的檢測。
4.如權利要求1所述的電動機驅動裝置，其特征在于還具有頻率限制部，其被輸入所述頻率設定部設定的頻率，在所述頻率為上限頻率以下的情況下將所述輸入的頻率向所述第二波形發生器輸出，在所述頻率超過上限頻率的情況下將所述上限頻率向所述第二波形發生部輸出。
5 如權利要求4所述的電動機驅動裝置，其特征在于還具有上限頻率設定部，其基于所述第一波形信號的最大頻率設定所述上限頻率并輸出到所述頻率限制部。
6.如權利要求5所述的電動機驅動裝置，其特征在于還具有上限頻率變更部，其在從進行所述第二波形信號的驅動經過規定時間后，通過暫時從所述第二波形信號的驅動切換為所述第一波形信號的驅動，再次設定所述上限頻率。
7.如權利要求1所述的電動機驅動裝置，其特征在于所述無刷DC電動機的轉子通過在鐵心埋入永久磁鐵而構成，而且具有顯極性。
8.如權利要求1所述的電動機驅動裝置，其特征在于所述無刷DC電動機驅動壓縮機。
9.如權利要求8所述的電動機驅動裝置，其特征在于所述壓縮機是往復壓縮機。
10.如權利要求8所述的電動機驅動裝置，其特征在于所述壓縮機所使用的制冷劑是R600a。
11. 一種電設備，其特征在于具備由權利要求1 6中任一項所述的電動機驅動裝置驅動的無刷DC電動機。
全文摘要
本發明涉及電動機驅動裝置和使用該電動機驅動裝置的電設備，基于從切換判定部(11)輸出的第一或第二波形信號驅動無刷DC電動機(4)，該切換判定部(11)進行切換以使在判定為轉子(4a)的速度比規定速度低的情況下輸出第一波形發生部(6)的第一波形信號，在判定為轉子(4a)的速度比規定速度高的情況下輸出第二波形發生部(10)的第二波形信號，由此，即使在高速/高負載下也能夠使驅動穩定，擴大驅動范圍。
文檔編號H02P6/08GK102282754SQ20108000464
公開日2011年12月14日 申請日期2010年1月13日 優先權日2009年1月14日
發明者田中秀尚, 竹岡義典 申請人:松下電器產業株式會社