電動機控制裝置及電動機控制方法

電動機控制裝置及電動機控制方法
【專利摘要】本發明提供一種電動機控制裝置及電動機控制方法，根據電動機的轉速使效率最優化。電動機控制裝置（100）具有通電模式輸出部（150）和逆變電路（130）。通電模式輸出部（150）循環地輸出多個通電模式。逆變電路（130）按照所輸出的通電模式選擇性地連接電動機（M）所具有的各線圈（Lu、Lv、Lw）與整流電路（110）。通電模式輸出部（150）根據電動機（M）的轉速使通電模式的輸出定時延遲。
【專利說明】電動機控制裝置及電動機控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及能夠根據電動機的轉速使效率最優化的電動機控制裝置及電動機控制方法。
【背景技術】
[0002]以往，風扇電動機使用能夠進行大范圍的速度控制的無刷電動機。無刷電動機如下述專利文獻I中所公開，具有多個霍爾元件，并使用霍爾元件所輸出的信號來檢測轉子的旋轉位置。
[0003]無刷電動機中的定子線圈的通電模式根據轉子的旋轉位置來確定。在此，通電模式是指按照轉子的旋轉位置來表示與電源連接的定子線圈以及在與電源連接的定子線圈中流過的電流的方向的模式。定子線圈以根據轉子的旋轉位置所確定的通電模式被通電。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2002 - 191186號公報
【發明內容】

[0007]本發明所要解決的問題
[0008]然而，若從多個霍爾元件中的某一霍爾元件輸出的信號發生變化，則定子線圈的通電模式同時發生改變。通常，從霍爾元件輸出的信號發生變化的定時隨著轉子的轉速減慢而提前。
[0009]因此，在以往的無刷電動機中，轉速越低，由霍爾元件進行的轉子的位置檢測定時越提前，通電模式在比最優的切換定時更早的時間被切換。因此，在低速的轉速區域中，在定子線圈中產生的磁力難以被轉子有效地利用，導致效率下降，針對輸出的消耗電力增加。
[0010]為了補償在低速的轉速區域中產生的檢測轉子位置的定時的偏移，可考慮使霍爾元件的配置向轉子的旋轉方向偏移與該定時的偏移量相對應的量。但是，這樣的話，可變速運轉的風扇電動機的效率則無法根據其轉速始終進行最優化。
[0011]本發明是為了消除如上所述的以往的技術的不良情況而做出的，其目的是提供一種能夠根據電動機的轉速使效率最優化的電動機控制裝置及電動機控制方法。
[0012]用于解決問題的手段
[0013]用于實現上述目的的本發明涉及的電動機控制裝置具有通電模式輸出部以及逆變電路。
[0014]通電模式輸出部循環地輸出多個通電模式。逆變電路按照所輸出的通電模式選擇性地連接電動機所具有的各線圈與電源。通電模式輸出部根據電動機的轉速使通電模式的輸出定時延遲。
[0015]在本發明涉及的電動機控制裝置中，電動機的轉速越慢，越使從當前的通電模式向下一個通電模式的切換延遲，從而以與其轉速相對應的最優的效率使電動機旋轉。[0016]用于實現上述目的的本發明涉及的電動機控制方法包括:根據電動機的轉子的旋轉位置來選擇通電模式的第一步驟；運算轉子的轉速的第二步驟；根據轉子的轉速來運算延遲時間的第三步驟；以及將選擇出的通電模式延遲所運算出的延遲時間而輸出的第四步驟，所述電動機控制方法重復進行第一步驟至第四步驟并使電動機連續地旋轉。
[0017]與上述的電動機控制裝置同樣地，在本發明涉及的電動機控制方法中，電動機的轉速越慢，越使從當前的通電模式向下一個通電模式的切換延遲，從而以與其轉速相對應的最優的效率使電動機旋轉。
[0018]發明效果
[0019]根據以上述方式構成的本發明，由于根據電動機的轉速使通電模式的輸出定時延遲，因此能夠根據電動機的轉速使效率最優化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本實施方式涉及的電動機控制裝置的結構圖。
[0021]圖2是示出圖1所示的通電模式輸出部的結構的框圖。
[0022]圖3是用于說明圖1所示的傳感器部所輸出的信號的圖。
[0023]圖4是用于說明通電模式和傳感器部所輸出的信號之間的關系的圖。
[0024]圖5是用于說明通電模式和定子線圈的通電方向之間的關系的圖。
[0025]圖6是用于說明通電模式的輸出定時的圖。
[0026]圖7是本實施方式涉及的電動機控制裝置的動作流程圖。
[0027]圖8是以往的電動機控制裝置的特性和本實施方式涉及的電動機控制裝置的特性的測量結果。
[0028]圖9是對圖8的測量結果進行可視化后的曲線圖。
[0029]圖10是以往的電動機控制裝置和本實施方式涉及的電動機控制裝置分別在相同的條件下驅動相同的電動機時的電流波形圖。
[0030]附圖標記說明
[0031 ]100:電動機控制裝置
[0032]110:整流電路
[0033]120:交流電源(三相)
[0034]130:逆變電路
[0035]140A、140B、140C:臂電路
[0036]142A, 142B, 142C:連接線
[0037]145:驅動電路
[0038]150:通電模式輸出部
[0039]152:轉速運算部
[0040]154:延遲時間運算部
[0041]156:通電模式選擇部
[0042]158:通電模式輸出定時調整部
[0043]C:平滑電容器
[0044]TRl ?TR6:晶體管[0045]H1、H2、H3:傳感器部【具體實施方式】
[0046]以下，對本發明涉及的電動機控制裝置和電動機控制方法的實施方式進行說明。
[0047]〔電動機控制裝置的結構〕
[0048]圖1是本實施方式涉及的電動機控制裝置的結構圖。
[0049]電動機控制裝置100具有:包括平滑電容器C的整流電路110 ;以及與電動機M連接的逆變電路130。
[0050]如圖所示，整流電路110具有橋接的六個二極管Dl?D6，六個二極管Dl?D6對從交流電源(三相)120流出的電流進行全波整流。被六個二極管Dl?D6進行了全波整流的電流通過平滑電容器C被進行平滑化，由此全波整流后的直流電流的脈動下降。整流電路110構成電動機M的電源。
[0051]逆變電路130與整流電路110并聯連接。逆變電路130具有對由整流電路110整流后的直流電流進行轉換的三個臂電路140A、140B、140C。
[0052]臂電路140A串聯連接一對晶體管TRl和TR4，并將電動機M的定子線圈Lu與一對晶體管TRl和TR4彼此之間的連接線142A連接。臂電路140B串聯連接一對晶體管TR2和TR5，并將電動機M的定子線圈Lw與一對晶體管TR2和TR5彼此之間的連接線142B連接。臂電路140C串聯連接一對晶體管TR3和TR6，并將電動機M的定子線圈Lv與一對晶體管TR3和TR6彼此之間的連接線142C連接。
[0053]三個臂電路140A、140B、140C與整流電路110的平滑電容器C并聯連接。在六個晶體管TRl、TR4、TR2、TR5、TR3、TR6的集電極一發射極之間反向連接有二極管D。在六個晶體管TR1、TR4、TR2、TR5、TR3、TR6的柵極上分別連接有對這些晶體管進行轉換的驅動電路 145。
[0054]本實施方式中例示的電動機M是無刷電動機。電動機M的定子MS具有星形連接的三個定子線圈Lu、Lv、Lw。電動機M的轉子MR具有分成N極和S極兩個極而磁化的圓筒形的磁鐵，并利用由定子線圈Lu、Lv, Lw形成的磁場進行旋轉。
[0055]在轉子MR的周圍，沿著轉子MR的旋轉方向配置有三個傳感器部H1、H2、H3。三個傳感器部H1、H2、H3以保持120°的相位差的方式被配置。傳感器部H1、H2、H3例如如圖3所示，在與轉子MR的N極相對時輸出高電平信號，在與其S極相對時輸出低電平信號。在N極和S極的邊界，高電平信號和低電平信號被切換。傳感器部H1、H2、H3作為檢測轉子MR的旋轉位置的旋轉位置檢測傳感器發揮功能。此外，傳感器部H1、H2、H3在本實施方式中設定為霍爾元件。但是，也可以使用霍爾元件以外的傳感器，只要能夠檢測轉子MR的旋轉位置即可。也可以將定子線圈Lu、Lv、Lw設為旋轉位置檢測傳感器而代替傳感器部。
[0056]傳感器部Hl、H2、H3還能夠檢測轉子MR的轉速。傳感器部H1、H2、H3輸出與轉子MR的轉速相對應的脈寬的脈沖信號。傳感器部H1、H2、H3還作為檢測轉子MR的轉速的轉速檢測傳感器發揮功能。
[0057]電動機控制裝置100包括通電模式輸出部150，傳感器部H1、H2、H3與通電模式輸出部150連接。通電模式輸出部150向各個驅動電路145循環地輸出多個通電模式。通電模式輸出部150根據電動機M的轉速使通電模式的輸出定時延遲。更具體而言，電動機M的轉速越慢，通電模式輸出部150使通電模式的輸出定時延遲更多的時間。此外，逆變電路130按照通電模式選擇性地連接電動機M所具有的各定子線圈Lu、Lv, Lw與整流電路110。
[0058]通電模式是按照轉子MR的旋轉位置來表示與整流電路110連接的定子線圈Lu、Lv> Lw以及在與整流電路110連接的定子線圈Lu、Lv> Lw中流過的電流的方向的模式。后面將對通電模式的具體例進行詳細說明。
[0059]圖2是表不圖1所不的通電模式輸出部150的結構的框圖。通電模式輸出部150具有轉速運算部152、延遲時間運算部154、通電模式選擇部156、以及通電模式輸出定時調整部158。
[0060]轉速運算部152基于由傳感器部Hl、H2、H3輸出的脈沖信號來運算轉子MR的轉速。
[0061]延遲時間運算部154根據運算出的轉子MR的轉速來運算用于使通電模式的輸出定時延遲的延遲時間。延遲時間運算部154具有記錄了轉子MR的轉速和針對轉子MR的轉速的延遲時間的表格。在轉子MR的轉速為額定轉速時，延遲時間為0，轉子MR的轉速每次從該額定轉速以一定比例減少時，延遲時間每次增加tmsec。因此，延遲時間運算部154隨著轉子MR的轉速從額定轉速減慢，階段性地延長延遲時間。
[0062]此外，延遲時間運算部154也可以不具有如上所述的表格，而是運算與轉子MR的轉速相應的延遲時間。在這種情況下，延遲時間運算部154隨著轉子MR的轉速從額定轉速變慢，連續地延長延遲時間。
[0063]通電模式選擇部156根據由三個傳感器部Hl、H2、H3所檢測出的轉子MR的旋轉位置來選擇通電模式。
[0064]如圖3所示，三個傳感器部H1、H2、H3根據轉子MR的旋轉位置，分別輸出高電平、低電平的信號。通電模式選擇部156輸入由三個傳感器部Hl、H2、H3分別輸出的高電平、低電平的信號，并識別轉子MR的旋轉位置。三個傳感器部H1、H2、H3各自輸出相位偏移了120°電角的高電平、低電平的信號，因此通電模式選擇部156能夠每隔60°識別轉子MR的
旋轉位置。
[0065]例如,在傳感器部Hl輸出低電平信號、傳感器部H2輸出低電平信號、傳感器部H3輸出高電平信號時，通電模式選擇部156選擇通電模式I。另外,在傳感器部Hl輸出高電平信號、傳感器部H2輸出高電平信號、傳感器部H3輸出低電平信號時,通電模式選擇部156選擇通電模式4。
[0066]三個傳感器部H1、H2、H3分別輸出的高電平、低電平的信號的組合如圖4所示，有六種模式。與這六種模式的每個模式相對應，設定有通電模式I~6。因此,通電模式選擇部156能夠通過識別由三個傳感器部H1、H2、H3所檢測出的轉子MR的旋轉位置，來選擇與轉子MR的旋轉位置相對應的通電模式。通電模式按照1、2、3、4、5、6、1、2、…的順序轉移。通電模式從1變到6時，轉子MR旋轉I轉。因此，轉子MR每旋轉I轉，通電模式選擇部156使通電模式1~6循環而進行選擇。
[0067]圖 5是用于說明通電模式和定子線圈的通電方向之間的關系的圖。如圖所示，在從通電模式輸出定時調整部158輸出通電模式I的情況下，通電方向為U+、V—。因此，圖1所示的晶體管TRl和TR5通過驅動電路145被轉換，在從整流電路110至晶體管TRl、定子線圈Lu、定子線圈Lw、晶體管TR5以及整流電路110的閉合電路中流通有電流。另外，在從通電模式輸出定時調整部158輸出通電模式2的情況下，通電方向為U +、W —。因此，晶體管TRl和TR6通過驅動電路145被轉換，在從整流電路110至晶體管TR1、定子線圈Lu、定子線圈Lv、晶體管TR6以及整流電路110的閉合電路中流通有電流。另外，在從通電模式輸出定時調整部158輸出通電模式3的情況下，通電方向為V+、W—。因此，晶體管TR2和TR6通過驅動電路145被轉換，在從整流電路110至晶體管TR2、定子線圈Lw、定子線圈Lv、晶體管TR6以及整流電路110的閉合電路中流通有電流。對于通電模式4?6也是同樣的，在以與通電模式I?3同樣的構思形成的閉合電路中流通有電流。此外，形成閉合電路的晶體管通過驅動電路145被進行PWM控制。
[0068]通電模式輸出定時調整部158使由通電模式選擇部156選擇出的通電模式延遲由延遲時間運算部154運算出的延遲時間量，并輸出至逆變電路130。例如，如圖7所示，在將通電模式從I向2切換的情況下，在轉子MR的轉速為高速時，在不使通電模式2的指示延遲的情況下將通電模式輸出至驅動電路145。在轉子MR的轉速為中速時，使通電模式2的指示延遲tlmsec后輸出至驅動電路145。在轉子MR的轉速為低速時，使通電模式2的指示延遲t2mSec后輸出至驅動電路145。將通電模式從2向3等切換的情況也是同樣的。
[0069]〔電動機控制裝置的動作〕
[0070]接下來，對圖1所示的電動機控制裝置100的動作進行說明。圖7是電動機控制裝置100的動作流程圖。此外，該動作流程圖的處理步驟表示電動機控制方法的步驟。
[0071]首先，通電模式選擇部156從三個傳感器部H1、H2、H3的信號中選擇通電模式。由于三個傳感器部H1、H2、H3的信號的組合表不轉子MR的旋轉位置，因此通電模式選擇部156將根據轉子MR的旋轉位置選擇通電模式(步驟S100)。
[0072]接下來，轉速運算部152基于由三個傳感器部Hl、H2、H3所輸出的脈沖信號來運算轉子MR (電動機M)的轉速(步驟SlOl )。
[0073]延遲時間運算部154基于由轉速運算部152運算出的轉子MR (電動機M)的轉速，運算用于調整輸出通電模式的定時的延遲時間(步驟S102)。
[0074]通電模式輸出定時調整部158使由通電模式選擇部156選擇出的通電模式延遲由延遲時間運算部154運算出的延遲時間后，將通電模式輸出。例如，如圖6所示，在轉子MR的轉速為中速的情況下，與轉子MR的轉速為高速的情況相比，使通電模式延遲tlmsec后，將通電模式輸出，在轉子MR的轉速為低速的情況下，與轉子MR的轉速為高速的情況相比，使通電模式延遲t2mSec后，將通電模式輸出。當使通電模式的輸出延遲時，由逆變電路130進行的通電模式的切換被延遲，因此，能夠消除由傳感器部H1、H2、H3引起的檢測定時的誤差(步驟S103)。
[0075]電動機控制裝置100通過反復執行上述的步驟SlOO至步驟S103的處理，使電動機M旋轉。
[0076]〔由電動機控制裝置實現的效果〕
[0077]如上所述，本實施方式涉及的電動機控制裝置100即使在以往必須切換通電模式的條件已具備，在電動機的轉速很慢時也故意使切換通電模式的定時延遲。因此，能夠很容易地消除由于在電動機的轉速很慢時與電動機的轉速很快時相比、通電模式相對較快地被切換而引起的不良情況。
[0078]圖8是以往的電動機控制裝置的特性和本實施方式涉及的電動機控制裝置的特性的測量結果。另外，圖9是對圖8的測量結果進行可視化后的曲線圖。
[0079]電動機控制裝置的特性的測量是對將兩個風扇電動機串聯連接并使兩個風扇電動機的轉速不同而進行送風的類型的風扇電動機進行的。在這些圖中，被記載為前段和后段是指，位于該風扇電動機的送風方向風上側的風扇電動機為前段，位于送風方向風下側的風扇電動機為后段。
[0080]觀察這些圖可知，隨著從電動機以高速旋轉的、占空比較大的狀態向電動機以低速旋轉的、占空比較小的狀態轉移，前段和后段的電動機的電力下降率逐漸增加。因此，在使電動機以相同的轉速旋轉的情況下，與以往的電動機控制裝置相比，在本實施方式的電動機控制裝置中，流經定子線圈的電流可以更小。因此，對電動機的輸出的消耗電力減小。尤其如圖9所示可知，通過使通電模式的輸出定時錯開，中低速區域的效率大幅上升。
[0081]圖10是以往的電動機控制裝置和本實施方式涉及的電動機控制裝置分別驅動相同的電動機時的電流波形圖。
[0082]對比該電流波形圖可知，盡管以相同的速度驅動相同的負載，但電流的峰值下降43% (以往產品為233mA、本發明產品為152mA)，本發明產品的電動機的效率比以往的電動機的效率大幅提聞。
[0083]如上所述，根據本發明涉及的電動機控制裝置和電動機控制方法，由于根據電動機的轉速使通電模式的輸出定時發生電氣延遲，因此能夠根據電動機的轉速使效率最優化。
[0084]另外，在上述實施方式中，舉例說明了三相電動機，但本發明的思想對單相電動機、兩相電動機、五相電動機等各種相數的電動機都能夠應用。另外，在上述實施方式中，對轉子的極數為兩級的情況進行了舉例說明，但對于三極以上的極數的電動機也能夠應用本發明的思想。另外，對槽數為各種數目的電動機也能夠應用本發明。
【權利要求】
1.一種電動機控制裝置，其特征在于，具有: 通電模式輸出部，循環地輸出多個通電模式；以及 逆變電路，按照所輸出的通電模式選擇性地連接電動機所具有的各線圈與電源， 所述通電模式輸出部根據所述電動機的轉速使所述通電模式的輸出定時延遲。
2.如權利要求1所述的電動機控制裝置，其特征在于， 所述電動機的轉速越慢，所述通電模式輸出部使所述通電模式的輸出定時延遲更多的時間。
3.如權利要求1所述的電動機控制裝置，其特征在于， 所述通電模式輸出部具有: 通電模式選擇部，根據由旋轉位置檢測傳感器檢測出的所述電動機的轉子的旋轉位置來選擇通電模式； 延遲時間運算部，根據由轉速檢測傳感器檢測出的所述轉子的轉速來運算用于使所述通電模式的輸出定時延遲的延遲時間；以及 通電模式輸出定時調整部，使選擇出的通電模式延遲所運算出的延遲時間量而輸出。
4.如權利要求3所述的電動機控制裝置，其特征在于， 隨著所述轉子的轉速變慢，所述延遲時間運算部階段性地延長所述延遲時間。
5.如權利要求3所述的電動機控制裝置，其特征在于， 隨著所述轉子的轉速變慢，所述延遲時間運算部連續地延長所述延遲時間。
6.如權利要求1所述的電動機控制裝置，其特征在于， 所述通電模式是按照所述轉子的旋轉位置來表示與所述電源連接的所述線圈以及在與所述電源連接的所述線圈中流過的電流的方向的模式， 所述轉子每旋轉一圈，所述通電模式輸出部循環地輸出多個通電模式。
7.—種電動機控制方法,其特征在于,包括: 根據電動機的轉子的旋轉位置來選擇通電模式的第一步驟； 運算所述轉子的轉速的第二步驟； 根據所述轉子的轉速來運算延遲時間的第三步驟；以及 將選擇出的通電模式延遲所運算出的延遲時間而輸出的第四步驟， 所述電動機控制方法重復進行所述第一步驟至所述第四步驟并使所述電動機連續地旋轉。
8.如權利要求7所述的電動機控制方法，其特征在于， 所述轉子的轉速越慢，所述延遲時間越長。
9.如權利要求8所述的電動機控制方法，其特征在于， 隨著所述轉子的轉速變慢，所述延遲時間階段性地延長。
10.如權利要求8所述的電動機控制方法，其特征在于， 隨著所述轉子的轉速變慢，所述延遲時間連續地延長。
11.如權利要求7所述的電動機控制方法，其特征在于， 所述通電模式是按照所述轉子的位置來表示與電源連接的所述電動機的線圈以及在與所述電源連接的所述線圈中流過的電流的方向的模式， 所述轉子每旋轉一圈，多個通電模式進行循環。
【文檔編號】H02P6/08GK103684123SQ201310392366
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月2日 優先權日:2012年9月6日
【發明者】村松陽, 戶田貴久 申請人:山洋電氣株式會社