CN1482733A

CN1482733A - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN1482733A
Application number: CNA031427219A
Authority: CN
Inventors: 高仓雄八; 雄; 川端幸雄
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2004-03-17
Anticipated expiration: 2023-06-11
Also published as: KR20040024446A; CN1482733B; JP4031965B2; KR100612812B1; JP2004104977A

Abstract

提供一种电动机控制装置。对PWM控制的每1通断期间判别可再现两相电动机电流的场合和仅可再现一相电动机电流的场合，相对任意确定的预定的时间计算出可再现两相电动机电流的场合的时间所占比例，根据该比例切换PWM控制的通断频率地控制。这样，可在使用设置于逆变器的直流侧的电流检测用电阻进行电动机电流的检测的电动机的控制装置中极力增大电动机电流检测期间。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种具有三相逆变电路的感应电动机、直流电动机的矢量控制逆变装置的电动机电流的检测方法。

背景技术

现在，矢量控制逆变器在电动机的速度控制中广泛得到应用，其可进行高精度、高效率的电动机控制。

为了进行矢量控制，需要检测在电动机的各相中流动的电流，过去，作为检测装置，一般使用电流传感器。然而，电流传感器昂贵，所以，最近提出不使用电流传感器的检测电动机电流的方法。例如有在下述非专利文献中示出的那样利用配置于逆变器母线的分流电阻再现电动机的各相电流的方法。

(非专利文献)

平成14年电气学会全国大会“利用逆变器母线电流检测的PM电动机的正弦波驱动”(第201页)2002年3月26日发行。

按照该方法，不使用电流传感器即可检测电动机电流，进行矢量控制。可是，分流电阻(电流检测用电阻)的电流由于与逆变器的PWM控制信号的通断同步地流动和断开，所以，电流检测的定时很重要。另外，在逆变器的电源电压较高的场合，或逆变器的PWM控制的通断频率高的场合，电动机的种类的不同等各种各样的因素使PWM控制信号的接通时间变短从而减少在分路电阻中流动的电流的通流时间，电流检测变得困难的场合。

发明内容

本发明的目的在于在使用设置于逆变器的直流侧的电流检测用电阻进行电动机电流的检测的电动机的控制装置中极力增大电动机电流检测期间。

为了达到上述目的，本发明的电动机的控制装置具有输入直流将其变换成交流从而对电动机进行驱动的逆变器、设于该逆变器的直流侧的电流检测用的电阻、及根据由该电阻检测出的电流控制上述电动机地给构成上述逆变器的元件生成通断指令的装置；其中，具有当上述电动机的转速低时减小生成上述通断指令时的载波频率、在转速高时增大载波频率的装置。

另外，为了达到上述目的，本发明的电动机的控制装置具有输入直流将其变换成交流从而对电动机进行驱动的逆变器、设于该逆变器的直流侧的电流检测用的电阻、及根据由该电阻检测出的电流控制上述电动机地给构成上述逆变器的元件生成通断指令的装置；其中，具有根据由上述电阻检测出的电流判定是否可进行控制、根据该判定结果改变生成上述通断指令时的载波频率的装置。

另外，为了达到上述目的，本发明的电动机的控制装置具有可根据PWM控制而改变交流电压的频率和振幅的三相逆变电路；其中，根据在转子座标轴上直交的d、q轴的各电流指令值和频率指令值而从上述三相逆变电路输出交流电力，检测上述3个逆变器的输出电流，从而再现上述电动机的各相的电流，根据该再现电流而计算出在转子座标轴上直交的d、q轴上的电动机电流，当检测上述三相逆变器的输出电流时，按上述PWM控制的每一个的1通断期间来判别可再现两相电动机电流的场合和仅可再现一相电动机电流的场合，相对任意确定的预定的通断数而计算出可再现两相电动机电流的场合的通断所占比例，根据该比例，切换上述PWM控制的通断频率。

附图说明

图1为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的电路框图。

图2为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的矢量运算框图。

图3为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制原理图。

图4为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制原理图。

图5为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制原理图。

图6为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制原理图。

图7为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制原理图。

图8为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制原理图。

图9为示出本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制的图。

图10为本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制原理图。

图11为示出本发明的矢量控制逆变装置的一实施例的控制的图。

具体实施方式

下面，根据图1～图10说明本发明的实施例。图1示出本发明矢量控制逆变装置的电路构成的实施形式。在图中，符号1为商用电源，符号2为电感(电抗器)，符号3为整流二极管(第1整流电路)，符号4为切换继电器(开关)，符号5、6、7为平滑电容器(符号5、6为分压电容器，符号7为平滑电容器)，符号8为电流检测用电阻，符号9为逆变电桥电路(逆变器)，符号10为整流二极管(第2整流电路)，符号11为开关元件(IGBT等)，符号12为AD变换器，符号13、14、15为驱动器，符号16为运算处理装置，符号17为微机，符号18为电动机(直流无电刷电动机)。

下面说明该电路的动作。来自商用电源1的交流电力通过电感2由整流二极管3变换成脉动电流，由平滑电容器4、5、6平滑而变换成直流电。将直流电供给到逆变电桥电路9，由构成逆变电桥电路的6个开关元件的通断动作将旋转磁场施加到电动机18，对电动机18进行驱动。通过逆变电桥电路9进行通断动作，使电流Idc在电流检测用电阻8中流动。微机17由AD变换器12进行模拟/数字变换，读入数字化的电流Idc，进行矢量控制所需要的运算处理。由矢量控制运算的结果获得的振幅和相位的正弦波电压从逆变电桥电路9输出到电动机18地将PWM信号输出到驱动器15。

另外，为了改变供给到逆变电桥电路9的直流电压的电平，将切换信号输出到用于驱动继电器4的驱动器13。这样，构成倍压整流电路。另外，为了提高电路的功率因素，将驱动信号输出到用于驱动开关元件11的驱动器14。在驱动开关元件11提高电路功率因素的场合，供给到逆变电桥电路9的直流电压的电平上升。这样，微机17由AD变换器12读入流到电流检测用电阻8的电流Idc，由矢量控制对电动机进行驱动。

下面，根据图2说明矢量控制运算。符号20为电动机电压方程式运算，符号21为两相→三相变换运算，符号22为相位运算，符号23为三相→两相变换运算，符号24为相电流再现运算，符号25为两相→三相变换运算，符号12、15、16与图一相同。Id^*为d轴电流指令，f^*为频率指令，Vd^*为d轴电压指令，Vq^*为q轴电压指令，θ为电压相位，Iu为U相电动机电流，Iw为W相电动机电流，Iq为q轴电动机电流，Id为d轴电动机电流，Iu′为Iu的前次值，Iw′为Iw的前次值，Idc为在电流检测用电阻8中流动的直流电流，Vu为U相电动机电压，Vv为V相电动机电压，Vw为W相电动机电压。

下面说明矢量控制运算的内容。图2为作为矢量控制运算示出一般的计算的图。各运算框图的计算式示于电气工学手册的第594页～第596页(2001年2月20日发行)，所以，省略说明。电动机电压方程式运算20根据d轴电流指令Id^*、频率指令f^*、q轴电动机电流Iq计算d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*。相位运算22与频率指令f^*成比例地使电动机电压相位超前，计算出电动机电压相位的瞬时值，存储到θ。两相→三相变换运算21参照电压相位θ从d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*计算出U相电动机电压Vu、V相电动机电压Vv、W相电动机电压Vw。相电流再现运算24由AD变换器12读入在电流检测用电阻8中流动的直流电流Idc，计算出U相电动机电流Iu、W相电动机电流Iw。三相→两相变换运算23根据U相电动机电流Iu、W相电动机电流Iw计算出q轴电动机电流Vw、d轴电动机电流Id。两相→三相变换运算25参照电动相位θ从q轴电动机电流Iq、d轴电动机电流Id计算出Iu的前次值Iu′、Iw的前次值Iw′。Iu′、Iw′在不能由相电流再现运算24再现相电流的场合，用于将相电流的前次计算值替代为本次的值。

下面，根据图3说明相电流再现运算24。Vc为载波电压，Vu为U相电动机电压，Vv为V相电动机电压，Vw为W相电动机电压。V+为逆变器的V相上臂通断(arm chopper)信号，V-为逆变器的V相下臂通断信号，同样，U+、U-、W+、W-分别为U相、W相的上下臂通断信号，Iv为V相电动机电流，Iu为U相电动机电流，Iw为W相电动机电流，Idc为在电流检测用电阻8中流动的直流电流，I1为与-Iw同等的包络线，I2为与Iu同等的包络线，I3为与-Iv同等的包络线，I4为与Iw同等的包络线，I5为与-Iu同等的包络线，I6为与Iv同等的包络线。

比较载波电压Vc与U相电动机电压Vu、V相电动机电压Vv、W相电动机电压Vw的大小，获得逆变器的通断信号U+、U-、V+、V-、W+、W-。在各相的电动机电压Vu、Vv、Vw比载波电压Vc大的场合，接通输出对应的各逆变器的通断信号，在各相的电动机电压Vu、Vv、Vw比载波电压Vc小的场合，断开输出对应的各逆变器的通断信号。由各通断信号对逆变器的开关元件进行通断控制，使由Iv、Iu、Iw所示电动机电流在电动机各相中流动。矢量控制检测出在这些各相中流动的电动机电流进行运算，但为了直接检测出电动机的各相电流，需要电流传感器。

然而，电动机的各相电流存在流动到电流检测用电阻8的期间，如测量定时地测定直流电流Idc，则可再现电动机的各相电流，不使用各相的电流传感器即可进行矢量控制。

例如，在图3的①区域，Idc相应于通断的组合交替出现I1与I6。I1与-Iw相同，I6与IV相同，所以，在①区域可检测Iw与Iv。同样，②区域可检测Iw，③区域可检测Iu与Iw。通过反复进行①区域到⑨区域的检测，可再现电动机电流的各相电流。

下面，根据图4说明由微机读入直流电流Idc的定时生成方法。图4模拟地示出图3的任意一区间。Vu为U相电动机电压，Vv为V相电动机电压，Vw为W相电动机电压，与图3说明的内容相同。在图3中，用正弦波表示各相的电动机电压，但在微机内部，如图4所示那样使用直线近似的Vu、Vv、Vw。直线近似的Vu、Vv、Vw在图3中也示出。CNT1和CNT2与图3的Vc相当，但在形成各相的通断信号时，需要设置用于防止上下臂的短路的死区时间dead，为此，使用在计数值设置了死区时间部分的差的CNT1和CNT2。与图3说明的内容相同，比较Vu、Vv、Vw与CNT1、CNT2的大小，获得逆变器的通断信号U+、U-、V+、V-、W+、W-。直流电流Idc相应于这些通断信号进行流动，使用微机的AD变换器读入该电流值。读入定时使用计数器生成，TRG1与TGR2的下降沿示出读入AD变换值的定时。该读入定时Ts1、Ts2、Ts3、Ts4的决定方法可有多种，但在图4中，使Ts1与V+的下降沿对齐，使Ts3与V-的下降沿对齐。Ts2通过在Ts1加上规定的时间Td而获得。同样，Ts4通过在Ts3加上规定的时间Td而获得。这样，在由图中○和×所示定时读入Idc。○示出在1个载波周期内载波的上升沿第1次、载波下降沿第1次的采样。×示出在1个载波周期内载波的上升沿第2次、载波下降沿第2次的采样。

下面，根据图5说明读入Idc定时的设定。当由通断信号U+、U-、V+、V-、W+、W-使逆变器的开关元件通断时，如图所示那样，Idc的现实情况是干扰性的振铃(ringing)重叠。因此，当实际上由逆变器驱动电动机时，必须防止这样的振铃导致的电流的误检测地进行控制。如设振铃发生的时间为Trgn，则读入Idc的定时至少需要设定在从Idc的上升沿经过Trgn后。另外，在实际的逆变器中，由通断信号U+、U-、V+、V-、W+、W-使逆变器的开关元件通断之前具有Ton的开关延迟。因此，读入Idc的定时需要设定到从通断信号U+、U-、V+、V-、W+、W-通断的定时至少经过Ton之后。

下面根据图6说明电动机转动周期的Idc的可读入期间与不可读入期间。Iv、Iw、Iu示出在各相中流动的电动机电流。如为三相电动机，则各相的电流分别存在120度的相位差。根据相位，各相的电流周期性地出现峰值一致或接近的状况。图中Ymin示出各相的电流峰值一致或接近的区域。该区域不可能从Idc检测出两相的电动机电流。因此，可检测两相电动机电流的时间为由T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6示出的区域。定时T′包含于T1，可检测两相的电流，但定时T″和定时T不能检测电流。a示出Iv与Iu的电流峰值的差，同样，示出Iu与Iw的电流峰值的差。如为存在各相的电流峰值的差的规定值Ymin以上的值，则可检测两相的电流。因此，定时T′可检测两相的电流，但在定时T″峰值差c在Ymin以下，不能检测两相的电流，在定时T，峰值差f在Ymin以下，所以不能检测两相的电流，在定时T，峰值差f在Ymin以下，所以，不能检测两相的电流。下面根据图7、8说明其原因。图中的符号与图4相同。时间W1与U相与W相的电动机电压的峰值的差成比例，电动机电压与电动机电流的峰值大体成比例。因此，如U相与W相的电流峰值接近，则时间W1减小，难于检测电流。如峰值一致，则W1的宽度为0，不能检测电流。在图8所示状态下，由于W1′与W4′的宽度小，所以，定时Ts1′与定时Ts4′的电流检测不能确保图5说明的Trgn，会留下振铃导致的误检测的影响，正确的电流检测困难。W2′与W3′确保了足够的宽度，电流检测没有问题。因此，在这样的场合，仅可检测一相的电动机电流，但在矢量控制中，时常使用两相的电动机电流进行运算，所以，在不能检测两相的电动机电流时，需要采取用前次的检测值代用等对策，运算精度下降。同样，对于W2、W3、W4，如对应的峰值接近，则宽度变小，电流检测同样出现困难。另一方面，图7示出可检测两相的电动机电流的场合。Vv、Vu、Vw的峰值存在某种程度的差，所以，确保了对W1、W2、W3、W4检测电流所需要的宽度。这样，为了使用两相的电动机电流进行矢量控制的运算，需要确保Idc电流检测所需要的时间宽度W1、W2、W3、W4。

下面，根据图9说明确保两相的电动机电流检测所需要的时间宽度W1、W2、W3、W4的方法。图中的符号与图7、8相同。Tpwm1与Tpwm2分别示出1个载波周期，但Tpwm2设定得比Tpwm1的载波周期长。通过将载波周期设定得较长，时间宽度W1′扩大到W1″，W2′扩大到W2″，W3′扩大W3″，W4′扩大到W4″，可确保Idc电流检测所需要的时间宽度。载波周期短的Tpwm1的期间为在定时Ts1′、Ts4′的检测定时，不能确保比Trgn长的宽度的时间，难以进行正确的电流检测，但Tpwm2的期间可设定为能够在定时Ts1″、定时Ts4″的定时对W1″、W2″、W3″、W4″进行两相以上的电流检测的宽度。读入定时Ts1′、Ts2′、Ts3′、Ts4′、及Ts1″、Ts2″、Ts3″、Ts4″的决定方法有各种，与图4的说明同样，使Ts1′、Ts1″与V+的下降沿对齐，使Ts3′、Ts3″与V-的下降沿对齐。通过这样控制，可更多地确保在电动机的转动周期中所占的、可检测两相的电动机电流的时间，进行精度良好的矢量控制。

下面说明载波频率的变更定时。当电动机的转速增大时，输入电流的峰值增大。在图6中，当峰值降低时，电流波形变成平坦状，作为不能进行电流检测的范围的Ymin的期间变长。即，这意味着在低转速区域不能进行电流检测的期间与高转速区域相比增加。因此，预先决定成为切换载波的定时的转速指令和频率指令，起动后，直到达到该其转速为止设为低的载波频率，其转速以后设为高的载波频率。

然而，该预定的值根据电动机的规格和直流电压改变，所以，存在必须对使用的各电动机进行测定以决定预定的值的麻烦。下面，说明即使设计规格等改变也可普遍使用的控制。

虽然可进一步缩短不能检测两相的电动机电流的时间，但不能完全消除。实际上在驱动电动机时，通过计算出在电动机的转动周期中所占的、可检测两相电动机电流的时间的比例，相应于该比例改变载波频率，从而维持一定以上的检测精度地进行矢量控制。

下面，根据图10、11说明计算出可检测两相电动机电流的时间的比例、相应于其比例改变载波频率的方法。图10的符号与图6说明的情况相同。设与电动机的转动周期成比例的规定时间为A，可检测两相电动机电流的时间为B。在这里，示出在A中B所占的比例。该比例越小，则两相的电动机电流的检测越困难，矢量控制的精度下降。因此，如B在A中所占比例达到某一既定值以上，则将载波频率增大，相反，如B在A中所占比例达到某一既定值以下，则将载波频率降低。一般情况下，载波频率考虑到听觉和逆变器效率进行设定，但在电流检测困难而在矢量控制存在问题的场合，降低载波频率，使控制精度优先于听觉和效率。当计算与电动机的转动周期成比例的规定的时间A与可检测两相电动机电流的时间B的比例时，对PWM控制的每1通断期间分别判别可再现两相电动机电流的场合和仅可再现一相的场合，计算出相对任意确定的规定的通断数可再现两相电动机电流的场合的通断所占比例。

图11示出切换载波频率时B在A中所占的比例的设定。电动机在载波频率F1开始运行，随着速度增加，B在A中所占的比例增加，在比例到达R4时，载波频率从F1提高到F2。在提高的定时时，B在A中所占比例下降，成为R2。然后，使电动机速度下降，当B在A中所占的比例达到R1时，载波频率从F2下降到F1。在下降的定时，B在A中所占的比例增加，成为R3。当切换频率时，使频率不产生波动地在R1与R2、R3与R4设定规定的差分。通过这样控制，如考虑听觉和效率使设定的载波频率为F2，则通常运行时按F2驱动，在矢量控制困难的场合，将载波频率设定为F1，可驱动电动机。另外，频率除F1、F2外，也可考虑根据需要设置F3等按更多阶段地切换的方法。

这样，如相应于B在A中所占比例而切换载波频率，则在逆变器的电源电压高的场合，或逆变器的PWM控制的载波频率高的场合，由于电动机的种类不同等各种各样的原因使PWM控制信号的接通时间变短、在电流检测用电阻8中流动的电流的通流时间减少而使得当电流检测变得困难的场合，也可不用分别根据其原因设置用于切换载波频率的判断基准。即，不论使用逆变器的各种电源电压等环境条件或成为驱动对象的电动机的种类例如图1的4个继电器将整流电压切换成全波、倍压使逆变器的直流电压变动或开关元件11使逆变器的直流电压变动的原因等的影响如何，可使载波频率的切换判断基准为1个，非常方便。

按照以上说明的本实施例的矢量控制逆变装置，当检测逆变器的输出电流时，对PWM控制的每1通断期间分别判别可再现两相电动机电流的场合和仅可再现一相的场合，计算出相对任意确定的规定时间可再现两相电动机电流的场合的时间所占的比例，根据该比例切换PWM控制的通断频率地控制，所以，即使不使用电流传感器，也可进行精度高的矢量控制。

另外，切换PWM控制的通断频率时，由于在可再现两相电动机电流时的时间相对与电动机的转动周期成比例的预定时间所占的比例比预定值1大的场合提高通断频率、在可再现两相电动机电流时的时间所占的比例比预定的规定值2小的场合降低通断频率地控制，所以，在逆变器的电源电压高的场合，或逆变器的PWM控制的通断频率高的场合，或由于电动机的种类不同等各种各样的原因使PWM控制信号的接通时间变短使得在电流检测用电阻中流动的电流的通流时间减少、电流检测变得困难的场合，也可进行精度高的矢量控制。

另外，在可再现两相电动机电流时的时间所占的比例比上述规定值2小的场合，使上述规定值1比刚降低通断频率后的可再现两相时的时间所占的比例比大地设定，在可再现两相电动机电流时的时间所占的比例比上述规定值1大的场合，使上述规定值2比刚提高通断频率后的可再现两相时的时间所占的比例小地设定，所以，当切换载波频率时，频率不产生波动地控制，可进行精度高的矢量控制。

按照本发明，使得在使用设置于逆变器的直流侧的电流检测用电阻进行电动机电流的检测的电动机的控制装置中极力增大电动机电流检测期间。

Claims

1.一种电动机的控制装置，具有输入直流将其变换成交流从而对电动机进行驱动的逆变器、设于该逆变器的直流侧的电流检测用的电阻、及根据由该电阻检测出的电流控制上述电动机地给构成上述逆变器的元件生成通断指令的装置；其中，具有当上述电动机的转速低时减小生成上述通断指令时的载波频率、在转速高时增大载波频率的装置。

2.一种电动机的控制装置，具有输入直流将其变换成交流从而对电动机进行驱动的逆变器、设于该逆变器的直流侧的电流检测用的电阻、及根据由该电阻检测出的电流控制上述电动机地给构成上述逆变器的元件生成通断指令的装置；其中，具有根据由上述电阻检测出的电流判定是否可进行控制、根据该判定结果改变生成上述通断指令时的载波频率的装置。

3.根据权利要求2所述的电动机的控制装置，其中，上述是否可进行控制的判定为根据可控制的期间的比例进行的判定，根据上述判定结果的载波频率的变更为在可控制的期间的比例比预定的值低时减小该频率这样的变更。

4.根据权利要求2所述的电动机的控制装置，其中，上述是否可进行控制的判定根据上述电动机的转速或其相当值是否比预定值大来进行，当比该预定值小时使上述载波频率下降。

5.一种电动机的控制装置，具有可根据PWM控制而改变交流电压的频率和振幅的三相逆变电路；其中，根据在转子座标轴上直交的d、q轴的各电流指令值和频率指令值而从上述三相逆变电路输出交流电力，检测上述3个逆变器的输出电流，从而再现上述电动机的各相的电流，根据该再现电流而计算出在转子座标轴上直交的d、q轴上的电动机电流，当检测上述三相逆变器的输出电流时，按上述PWM控制的每一个的1通断期间来判别可再现两相电动机电流的场合和仅再现一相电动机电流的场合，相对任意确定的预定的通断数而计算出可再现两相电动机电流的场合的通断所占比例，根据该比例，切换上述PWM控制的通断频率。

6.根据权利要求3所述的电动机的控制装置，其中，当检测上述三相逆变器的输出电流时，按上述PWM控制的每一个的1通断期间来判别可再现两相电动机电流的场合和仅可再现一相的场合，相对任意确定的预定时间来计算出可再现两相电动机电流的场合的通断所占比例，根据该比例切换上述PWM控制的通断频率。

7.根据权利要求3所述的电动机的控制装置，其中，切换上述PWM控制的通断频率时，相对与电动机的转动周期成比例的预定时间，在可再现上述两相时的通断所占的比例比预定的规定值1大的场合提高通断频率、在可再现两相时的通断所占的比例比预定的规定值2小的场合降低通断频率地进行控制，当降低通断频率时，使上述规定值1比上述可再现两相的场合的通断相对与转动周期成比例的预定时间所占的比例大地设定，当提高通断频率时，使上述规定值2比上述可再现两相的场合的通断相对与转动周期成比例的预定时间所占的比例小地设定。