CN102684539A - 旋转电机的逆变器设备和用于旋转电机的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种旋转电机的逆变器设备和用于旋转电机的驱动方法。该旋转电机的逆变器设备使用针对各相设置的开关元件来驱动具有可变转数的多相旋转电机。旋转电机的逆变器设备的示例包括：频率设定单元，其用于针对通过平均划分电角的循环而获得的每个特定电角，根据旋转电机的各相的状态来确定并设定在驱动各相的开关元件时使用的载波信号的载波频率；以及信号生成单元，其用于使用由频率设定单元针对各相设定的载波频率的载波信号来生成用于驱动各相的开关元件的驱动信号。在特定电角处，各相的载波频率是相电压频率的整数倍。

Description

旋转电机的逆变器设备和用于旋转电机的驱动方法
技术领域
本发明涉及通过为各相提供电流来驱动旋转电机的技术。
背景技术
通常，在驱动诸如3相电动机的旋转电机时使用逆变器设备。逆变器设备通常为各相设置有两个开关元件(总共6个元件)。因此，逆变器设备通过驱动六个开关元件接通和断开来控制三相驱动电压，从而为旋转电机生成旋转磁场。旋转电机的逆变器设备使用开关元件来驱动旋转电机。
作为用于控制要施加于旋转电机的电压的电平和频率的方法，PWM(脉冲宽度调制)控制驱动各相的开关元件接通和断开，并施加任意脉冲宽度的电压。PWM控制通常将载波信号与特定指令电压值进行比较，并根据比较结果将驱动电压的电平设置在H(高)电平或L(低)电平处(载波同步方法)。
在PWM控制中，驱动开关元件接通和断开的开关频率取决于载波频率。当考虑开关损耗时，优选的是开关频率较低。通过设置较低的载波频率，开关频率可以较低。因此，旋转电机的一些传统逆变器设备根据在提供指令电压值时使用的参考正弦波信号的倾斜来改变载波频率(日本专利公开特许公报第2010-35260号，下文中被称为“专利文献1”)。
在专利文献1中描述的传统逆变器设备中，根据参考正弦波信号的倾斜来改变载波频率。因此，执行复杂的控制。另外，由于输出波形的频率要不变，所以当频率可变时无法执行同步PWM控制。因此，还重要的是，在抑制控制的复杂度的同时实现开关损耗而不使控制方法中的选择宽度变窄。
其它的参考文献可以是日本专利公开特许公报第2007-228745号和日本专利公开特许公报第9-47026号。
发明内容
本发明旨在提供一种旋转电机的逆变器设备，该逆变器设备能够在抑制控制的复杂度的同时降低开关损耗。
假定使用为各相设置的开关元件来驱动具有可变转数的多相旋转电机，本发明的方面包括：频率设定单元，其用于针对通过平均划分电角的循环而获得的每个特定电角，根据旋转电机的各相的状态来确定并设定在驱动各相的开关元件时使用的载波信号的载波频率；以及信号生成单元，其用于使用由频率设定单元针对各相设定的载波频率的载波信号来生成用于驱动各相的开关元件的驱动信号。假定在特定电角处各相的载波频率是相电压频率的整数倍。
优选的是，频率设定单元根据各相的电流的相位确定各相的载波频率作为旋转电机的各相的状态。还优选的是，旋转电机是3相电机，并且是被2相调制控制的。
假定使用针对各相设置的开关元件来驱动旋转电机，本发明的另一方面包括：针对通过平均划分电角的循环而获得的每个电角，根据旋转电机的各相的状态来确定在驱动各相的开关元件时使用的载波信号的载波频率；使用针对各相确定的载波频率的载波信号来生成用于驱动各相的开关元件的驱动信号；以及在特定电角处将各相的载波频率设置为相电压频率的整数倍。
附图说明
图1是根据本发明实施例的旋转电机的逆变器设备的配置的说明图；
图2是针对根据本发明实施例的旋转电机的逆变器设备而设置的CPU的功能配置的说明图；以及
图3A是由根据本发明实施例的旋转电机的逆变器设备执行的对电动机的驱动控制的说明图(1)。
图3B是由根据本发明实施例的旋转电机的逆变器设备执行的对电动机的驱动控制的说明图(2)。
具体实施方式
以下参照附图来描述本发明的实施例。
图1是根据本实施例的旋转电机的逆变器设备的配置的说明图。
旋转电机的逆变器设备1(下文中被称为“逆变器设备”)使用从DC(直流)电源2施加的电压来驱动作为旋转电机的电动机3。如图1中所示的，逆变器设备1包括：电容器101，其并联连接至DC电源2；电压检测单元102，其用于检测电容器101的两端之间的电压；逆变器电路103，对于该逆变器电路103，例如，将n通道IGBT(绝缘栅双极晶体管)布置为各相的两个开关元件；驱动电路104，其用于生成并输出逆变器电路103的每个IGBT的驱动信号；CPU(中央处理单元)105，其用于控制由驱动电路104生成驱动信号；以及两个电流传感器106和107。
电动机3是通过提供3相电流来驱动的旋转电机。电动机3装配有旋转传感器31，由于该旋转传感器31，可用电角来指示未示出在附图中的转子的位置。由旋转传感器31检测到的值(下文中被称为“旋转传感器值”)输入到CPU 105。旋转电机是可通过为多个相供应电流来驱动的电机。
对于逆变器电路103，针对各相，两个串联的IGBT并联连接至电容器101。因此，例如，针对U相，IGBT 111的集电极连接至电容器101的一个端子，IGBT 111的发射极连接至IGBT 112的集电极，并且IGBT112的发射极连接至电容器101的另一个端子。相似地连接针对V相的IGBT 121和IGBT 122、以及针对W相的IGBT 131和IGBT 132。
在以上的逆变器电路103中，用于连接IGBT 111和IGBT 112的布线的电压作为U相电压施加到电动机3。类似地，用于连接IGBT 121和IGBT 122的布线的电压作为V相电压施加到电动机3。用于连接IGBT131和IGBT 132的布线的电压作为W相电压施加到电动机3。由此，电流传感器106和电流传感器107分别将表示U相电流和W相电流的值输出到CPU 105。下文中，输入到IGBT 111、IGBT 112、IGBT 121、IGBT122、IGBT 131和IGBT 132中的每个IGBT的栅极的驱动信号被称为“UP信号”、“UN信号”、“VP信号”、“VN信号”、“WP信号”和“WN信号”。“UP信号”、“VP信号”和“WP信号”总体被称为“P信号”，而“UN信号”、“VN信号”和“WN信号”总体被称为“N信号”。
CPU 105通过执行分别存储在未示出在附图中的装配存储器或连接存储器中的程序来控制整个逆变器设备1。在本实施例中，通过监测从旋转传感器31获得的旋转传感器值，针对每个特定电角来确定和设设定各相的载波频率。因此，CPU 105用作频率设定单元。基于各相的状态来执行该确定。
CPU 105使用针对各相设定的载波频率，针对各相为每个IGBT生成驱动信号，并且CPU 105将该信号输出到驱动电路104。驱动电路104放大从CPU 105输入的每个驱动信号，并且驱动电路104将该信号输出到对应的IGBT的栅极。因此，CPU 105和驱动电路104用作信号生成单元，该信号生成单元用于生成输出到作为开关元件的每个IGBT的驱动信号。
在本实施例中，电流相位被视为各相的状态。因此，对于电流值的绝对值相对大的相，将载波频率设置为较低，而对于电流值的绝对值相对小的相，将载波频率设置为较高。通过如此设定载波频率，在电流值的绝对值大的区域中降低了开关频率，从而有效地降低了开关损耗。因此，可以更成功地抑制开关损耗。此外，在电流值的绝对值相对大的相中电流变化小，而在电流值的绝对值相对小的相中电流变化大。因此，在电流变化大的相中载波频率变高，从而保证了可控性。
图2是以上CPU 105的功能配置的说明图。图3A和图3B是电动机3的驱动控制的说明图。在说明图2之前，参考图3A和图3B来具体说明根据本实施例的电动机3的驱动控制。
图3A示出了U相电压波形311、U相电流波形312、V相电压波形321、V相电流波形322、W相电压波形331和W相电流波形332。这些波形由作为电角(度)的横轴和作为电流值和电压值的纵轴来表示。
箭头301指示用以计算载波频率的定时。锯齿波形302指示用于控制电动机3的中断信号(在图3B中被表示为“电动机控制中断”)的发生定时。在锯齿波形302的每个峰处根据中断信号的发生来执行载波频率的确定。
在图3A中，表示了总共13个箭头301。用箭头301和锯齿波形302指示：在通过将电动机3的转子的一次旋转划分成12个部分而获得的每个区域中计算载波频率，并且计算的载波频率在每个区域中被设定(电动机控制中断)两次。
如果根据本实施例通过将转子的一次旋转平均划分成12个部分来获得时间段T1至T12，则时间段T1至T12对应于30°(度)的电角变化。因此，每当电角变化30°时，都计算载波频率。每当电角变化15°时，都可以设定载波频率。因此，图3B在锯齿波形302下方示出了表示电压相区域、即锯齿波形302的一个循环的虚线。
载波信号341被设定并被施加于U相。根据本实施例，因为载波信号341的倾斜是不变的，所以两类载波信号341具有相同的倾斜和不同的幅度(高度)。因此，载波信号341的幅度(高度)由频率(载波频率)确定。即，在两类载波信号341中，幅度为1∶2的两个部分的频率比是2∶1。在图3B中，具有更大幅度的部分为4KHz，而具有更小幅度的部分为8KHz。在图3A和图3B中示出了“固定相(stationary phase)”，以使图3A中示出的各种波形与图3B中示出的各种波形之间的时间一致性。稍后对“固定相”进行描述。
按照每个相来计算并设定载波频率。在直至下一次计算载波频率为止的时间段内，每个相的载波频率可以包括整数个循环。因此，例如在电角为0°的各相中，如果作为电动机电压波形的相电压(例如U相电压波形311)的频率是fm(相电压频率)，并且载波频率在每fm的循环中的计算频率是K(等于或大于1的特定整数)，那么时间段T1满足以下等式。
T1＝(1/fm)/K
在图3A中示出的情况下，K等于12。(如果K太小，则难以将载波频率改变成适当值。例如，如果K是4，则电角是90°，但是期望更大的值。也接受12或更大的值。)
如果在时间段T1内、即在0°～30°的电角的时间段内的U相的载波频率是fc1，则载波频率fc1可以通过以下等式来计算。
fc1＝(1/T1)×n＝fm×K×n
其中，n指示可以包括在时间段T1内的载波频率的数目，并且稍后描述确定该值的方法。如等式所指示的，在载波频率的计算定时(特定电角：箭头301的定时)上，载波频率是相电压频率fm的整数倍。锯齿波形302的频率根据电动机电压波形的频率fm而变化。
针对各相执行以上计算，并且用载波频率的计算定时重复以上计算。因此，也可以支持电动机3的旋转速度的变化(用于在设定指令电压值中使用的正弦波波形的频率：相电压频率fm的变化)，从而保证更高的适用性。
接下来描述确定n的方法。符号n是要根据各相的电流波形的电角(相位)而指定的整数。由于电流波形的波形(例如，正弦波)预先已知，所以根据相位得到电流波形的绝对值(电流量)。然后，例如在电流量大、即n的值被设定为小值的点处，降低载波频率fc以减小开关频率。即，将电流波形的相位与预设的相位范围进行比较，并根据比较结果选择n的值。尽管通过将值n设定为等于或大于1的整数来改变载波频率，但是可以恒定地进行同步PWM控制。可以根据电流值的绝对值本身而不是电流波形的相位来确定值n。
在图3A和图3B中示出的示例中，当电流量小时(当最大幅度的绝对值为1时，小于0.5的相)将n设定为2(n＝2)，而当电流量大时(0.5或更大的相)将n设定为1(n＝1)。在本实施例中，载波频率以n＝1或n＝2的2级变化，但是也可以以3级或更多级变化。
接下来描述根据计算的载波频率fc来生成ON/OFF(接通/断开)信号的方法。在本实施例中，采用所谓的2相调制控制。在图3B中的U相中，与载波信号341一起的直线342指的是U相的指令电压值。直线342是对应于时间段的U相电压波形311的代表值，并且是以下项的值：例如载波频率的计算定时的平均值或值。在图3A和图3B中的示例中，指令电压值342的电平是从U相电压波形311转化来的。通过指令电压值(直线342)与载波信号341之间的比较来生成UP信号和UN信号。在图3A和图3B中的示例中，UP信号仅在载波信号341等于或大于指令电压值342的情况下为ON(接通)(激活：该示例中是H(高)电平)，并且UN信号在载波信号341小于指令电压值342的情况下为ON(接通)。
由于在电角是90°到150°的时间段内U相电流的绝对值大，所以调节指令电压值342使得载波信号341可以恒定地大于指令电压值342。同时，分别调节V相指令电压值352和W相指令电压值362，以保持具有指令电压值342的中间相电压。因此，在电角90°到150°的时间段内，UP信号恒定地为ON(接通)，即，IGBT 111恒定地为ON(接通)。另一方面，由于在电角是270°到330°的时间段内U相电流的绝对值大，所以调节指令电压值342使得载波信号341可以恒定地等于或小于指令电压值342。同时，分别调节V相指令电压值352和W相指令电压值362，以保持具有指令电压值342的中间相电压。因此，UN信号恒定地为ON(接通)，即，IGBT 112恒定地为ON(接通)。
在此示例中，术语“固定(stationary)”指示如下状态：在该状态下，在两个同相IGBT中，对应于UN信号的下臂保持ON(接通)并且对应于UP信号的上臂保持OFF(断开)，或者上臂保持ON(接通)并且下臂保持OFF(断开)。为了防止短路，两个IGBT不同时指示ON(接通)。以上在图3A和图3B中被表示为“固定相”的“UP固定”和“UN固定”分别指示U相的IGBT 111由于UP信号为ON(接通)而固定的状态、以及U相的IGBT 112由于UN信号为ON(接通)而固定的状态。同样，“VP固定”和“VN固定”分别指示V相的IGBT 121由于VP信号为ON(接通)而固定的状态、以及V相的IGBT 122由于VN信号为ON(接通)而固定的状态。“WP固定”和“WN固定”分别指示W相的IGBT131由于WP信号为ON(接通)而固定的状态、以及W相的IGBT 132由于WN信号为ON(接通)而固定的状态。
在UP固定和UN固定中，不发生IGBT 111和IGBT112的开关，即不发生从ON(接通)到OFF(断开)或从OFF(断开)到ON(接通)的变化。当U相电流波形312的指令电压值大时实现UP固定，而当U相电流波形312的电流值小时实现UN固定。在任一状态下，电流值的绝对值大。由于在这样的状态下不发生开关，所以可以有效地抑制开关损耗。
载波信号351被设定并施加于V相，以及载波信号361被设定并施加于W相。指令电压值352用于V相，以及指令电压值362用于W相。与在U相中相类似地在V相和W相中发生固定状态。因此，可以与U相中相类似地在V相和W相中有效地抑制开关损耗的发生。
在本实施例中，如上所述，针对特定电角中的每个电角(针对载波频率的每个计算定时)计算各相中的载波频率，并且将计算的载波频率应用于各相直到获取下一特定电角为止，以及驱动电动机3。因此，避免了在开关损耗接近于最大值的时间段内进行开关，从而有效地降低了开关损耗。
在本实施例中，在通过将电动机3的转子的一次旋转划分成12个部分(＝2×3×M(整数))而获得的每个区域中，采用2相调制并且可计算载波频率。然而，调制不限于2相调制。例如，能够采用3相调制来抑制开关损耗的发生。
接下来，还参照附图2详细描述用于实现上述电动机3的驱动控制的CPU 105的功能配置。由CPU 105执行存储在存储器中的程序来实现功能配置，该存储器未示出在附图中，但如上所述地装配在CPU上或连接至CPU。
从电动机3的旋转传感器31获得的旋转传感器值存储在寄存器201中，以及从电流传感器106和电流传感器107获得的U相和V相中的每个电流值存储在寄存器202中。
控制频率设定单元220在任意时刻参考寄存器201的旋转传感器值，该控制频率设定单元220识别由图3A中的箭头301指示的定时(特定电角)的到来，并且该控制频率设定单元220获得在时间点处的fm，从而指定用于控制的时间段(例如，当电角为0时的T1)。
输出电流相位指定单元230根据存储在寄存器201中的旋转传感器值来识别由图3A中的箭头301指示的定时(特定电角)的到来，该输出电流相位指定单元230参考存储在寄存器202中的U相和/或W相中的电流值，并且该输出电流相位指定单元230指定各相的电流相位。指定的各相的电流相位被报告给相载波频率设定单元250。
各相的相载波频率设定单元250根据从输出电流相位指定单元230报告的各相的电流相位来设定n的值，并且从控制频率设定单元220获得fm的值，从而针对各相确定载波频率。针对各相确定的载波频率被设定用于U相载波频率输出单元261、V相载波频率输出单元262、和W相载波频率输出单元263。载波频率输出单元261、262和263中的每个输出所确定的载波频率的载波信号。
指令电压设定单元240将各相的指令电压值输出到比较值输出单元211、比较值输出单元212、和比较值输出单元213。比较值输出单元211至213中的每个从相载波频率设定单元250输入对应相的载波频率。因此，比较值输出单元211至213中的每个根据按照对应相设定的载波频率，使用从指令电压设定单元240输入的指令电压值来执行乘法，并输出乘法结果。乘法结果被处理为要与载波信号进行比较的指令电压值。
如图3B中示出的，载波信号341、载波信号351、和载波信号361的幅度根据载波频率而不同。因此，例如，如果指令电压设定单元240针对假设的较低载波频率输出指令电压值，则被设定了较低载波频率的相的比较值输出单元211、212、或213输出与较低载波频率的载波信号对应的值。类似地，被设定了较高载波频率的相的比较值输出单元211、212、或213输出与较高载波频率的载波信号对应的值。因此，比较值输出单元211、212、和213输出与设定的载波频率对应的指令电压值。即，根据各相的载波信号的幅度来调节指令电压值。此外，对于2相调制，基于输出电流相位来确定固定相，并且调节指令电压值以保持相之间的相对电压。
U相开关波形生成单元271从U相载波频率输出单元261输入载波信号以及从U相比较值输出单元211输入指令电压值，U相开关波形生成单元271比较该载波信号和该指令电压值，生成并输出用于UP信号和UN信号的两个开关波形。通过将开关波形输入到驱动电路104，驱动电路104输出UP信号和UN信号。
同样，V相开关波形生成单元272从V相载波频率输出单元262输入载波信号以及从V相比较值输出单元212输入指令电压值，V相开关波形生成单元272比较该载波信号和该指令电压值，生成并输出用于VP信号和VN信号的两个开关波形。W相开关波形生成单元273从W相载波频率输出单元263输入载波信号以及从W相比较值输出单元213输入指令电压值，W相开关波形生成单元273比较该载波信号和该指令电压值，生成并输出用于WP信号和WN信号的两个开关波形。通过将由V相开关波形生成单元272和W相开关波形生成单元273生成的两类开关波形输入到驱动电路104，驱动电路104输出VP信号、VN信号、WP信号、和WN信号。
指令电压设定单元240将对应于相应相的指令电压值输出到比较值输出单元211至213，并且比较值输出单元211至213通过指令电压值的输入来更新要输出的指令电压值。
在本实施例中，考虑了电流相位，并且确定了各相的载波频率。然而，可以考虑电压相位来确定各相的载波频率。存在由电流波形与电压波形之间的功率因数指定的相位差。因此，例如可以通过允许图2中的输出电流相位指定单元230根据指定的电流相位使用功率因数来指定电压波形，来执行对电压波形的处理。

Claims (4)

1.一种逆变器设备，所述逆变器设备使用针对各相设置的开关元件来驱动具有可变转数的多相旋转电机，所述逆变器设备包括：
频率设定单元，其用于针对通过平均划分电角的循环而获得的每个特定电角，根据所述旋转电机的各相的状态来确定并设定在驱动各相的所述开关元件时使用的载波信号的载波频率；以及
信号生成单元，其用于使用由所述频率设定单元针对各相设定的所述载波频率的所述载波信号来生成用于驱动各相的所述开关元件的驱动信号，其中，
在所述特定电角处，各相的所述载波频率是相电压频率的整数倍。
2.根据权利要求1所述的逆变器设备，其中，
所述频率设定单元根据作为所述旋转电机的各相的所述状态的各相的电流的相位来确定各相的所述载波频率。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器设备，其中，
所述旋转电机是3相电机并且是2相调制控制的。
4.一种使用针对各相设置的开关元件的旋转电机的驱动方法，包括：
针对通过平均划分电角的循环而获得的每个电角，根据旋转电机的各相的状态来确定针对各相生成的在驱动开关元件时使用的载波信号的载波频率；
使用针对各相确定的载波频率的载波信号来生成用于驱动各相的开关元件的驱动信号；以及
在特定电角处，将各相的所述载波频率设定为相电压频率的整数倍。
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