電動機電流相位檢測裝置和使用它的電動機驅動裝置的製作方法
2023-04-30 14:12:01 2
專利名稱：電動機電流相位檢測裝置和使用它的電動機驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種例如對在空調設備、安裝有燃燒用風扇電動機的供熱水機、空氣清潔機以及複印機、印表機等信息設備中使用的無刷DC電動機等進行驅動時的線圈電流的相位檢測裝置和使用它的電動機驅動裝置。
背景技術：
以往，作為無刷DC電動機(以下記為「電動機」)的驅動方式，廣泛地採用了以矩形波波形驅動向電動機的驅動線圈供給的驅動電壓的矩形波驅動方式。然而，近年來，對以更低的轉矩紋波、低振動以及低噪音來驅動電動機的要求提高了。作為應對該要求的驅動技術，以大致正弦波波形驅動向電動機的驅動線圈供給的驅動電壓的正弦波驅動方式正在變得普遍。作為以正弦波驅動方式驅動電動機的現有技術，首先依次讀出與電動機的旋轉位置相應地存儲在存儲器中的正弦波狀的波形數據。對所讀出的波形數據進行脈衝寬度調製(PWM =Pulse Width Modulation)。然後，以PWM方式控制構成向電動機的驅動線圈供給電力的通電器的各開關元件，來對電動機進行正弦波驅動(例如參照專利文獻I)。以下，使用圖7說明現有技術的電動機驅動裝置。圖7是現有的電動機驅動裝置的電路結構圖。如圖7所示，電動機驅動裝置100至少由電動機、直流電源141、通電器150、波形生成器180以及位置檢測器190構成。電動機具有可動件121和三相的驅動線圈101、103、105。通電器150由多個開關元件構`成。而且，從直流電源141經由由多個開關元件構成的通電器150向電動機的驅動線圈101、103、105供給驅動電壓和驅動電流。波形生成器180生成用於控制通電器150的各開關元件的接通或斷開的信號。位置檢測元件131和位置檢測器190檢測電動機的可動件121的位置信息。以下，具體說明現有技術中的電動機驅動裝置100的電路動作。首先，通過例如由霍爾元件等形成的多個位置檢測元件131和位置檢測器190檢測電動機的可動件121的位置信息。檢測出的可動件121的位置信息Hu從位置檢測器190輸出並輸入到波形生成器180。波形生成器180按照可動件121的位置信息Hu，向通電器150輸出以使各驅動線圈間的電壓差大致為正弦波的方式預先設定的PWM信號UHO、VH0、WHO、ULO、VLO 以及 WLO。然後，利用從波形生成器180輸出的？麗信號研10、￥110、1110、見0、￥1^以及WLO控制通電器150內的開關元件151、152、153、154、155以及156的接通、斷開。由此，從直流電源141向驅動線圈101、103、105供給驅動電壓Vu、Vv、Vw以及驅動電流Iu、Iv、Iw。此時，通過例如由電阻等形成的電流檢測器161，檢測從通電器150流過直流電源141的公共電流Idc0此外，通過電流檢測器161檢測出的公共電流Idc是在以下的情況下使用:在例如公共電流Idc過度增加的情況下，波形生成器180輸出使通電器150的所有開關元件斷開的信號(未圖示)來進行指示，從而控制電動機。
但是，現有技術中的電動機驅動裝置100如以下所示那樣存在無法高效地驅動電動機的問題。也就是說,為了高效地驅動電動機,需要使流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位與被電動機的驅動線圈感應出的感應電壓的相位相一致。此時,流過電動機的驅動線圈的驅動電流是從施加到驅動線圈的驅動電壓減去感應電壓所得的電壓除以驅動線圈的阻抗所得的值。因此，流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位相對於電動機的可動件121，根據電動機的轉速、驅動電壓以及驅動電流的大小等而始終變化。但是,現有的電動機驅動裝置100不具有獲得流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位的信息的結構。因此，唯一地決定了相對於電動機的可動件121的位置的驅動電壓波形。因此，存在無法使始終變化的流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位與被電動機的驅動線圈感應出的感應電壓的相位相一致來高效地驅動電動機的問題。專利文獻1:日本專利第3232467號公報
發明內容
本發明是一種對具有驅動線圈的電動機進行驅動的電動機電流相位檢測裝置，該電動機電流相位檢測裝置具備:通電器，其向驅動線圈供給驅動電壓和驅動電流；電流檢測器，其檢測從通電器流出的公共電流(〕^ >電流)波形；位置檢測器，其檢測可動件(可動子)的位置；波形生成器，其生成第一 PWM信號；波形調整器，其基於第一 PWM信號生成第二 PWM信號；以及電流相位檢測器，其檢測流過驅動線圈的驅動電流的相位。而且，波形調整器一邊維持由第一 PWM信號決定的驅動線圈間的相對電壓值，一邊生成使電流相位檢測器動作的第二 PWM信號，電流相位檢測器基於第二 PWM信號檢測包含在公共電流波形中的驅動線圈的電流峰值，來檢測驅動線圈的驅動電流的相位。由此，能夠通過簡單的結`構來檢測流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位。其結果，能夠使流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位與被電動機的驅動線圈感應出的感應電壓的相位相一致來高效地驅動電動機。
圖1是包括本發明的實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的電動機驅動裝置的結構圖。圖2是說明通過該實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的波形生成器生成的各波形的圖。圖3是表示該實施方式中的流過電動機的驅動線圈的驅動電流、驅動電壓和公共電流波形的關係的圖。圖4是表示該實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的驅動電壓、公共電流波形和相位信息的關係的圖。圖5是說明該實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的第一PWM信號與通過波形調整器調整後的第二 PWM信號的關係的圖。圖6是表示通過該實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的波形調整器調整後的、電動機的驅動電壓、公共電流波形和相位信息的關係的圖。
圖7是以往的電動機驅動裝置的電路結構圖。
具體實施例方式以下，參照附圖來說明本發明的實施方式的電動機電流相位檢測裝置。此外，本發明並不限定於本實施方式。(實施方式)圖1是包括本發明的實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的電動機驅動裝置的結構圖。如圖1所示，電動機驅動裝置至少由電動機和電動機電流相位檢測裝置10構成。電動機電流相位檢測裝置10至少由直流電源41、通電器50、電流相位檢測器60、波形調整器70、波形生成器80以及位置檢測器90構成。電動機具有可動件21以及由U相、V相和W相構成的三相的驅動線圈1、3、5。通電器50由多個開關元件51、52、53、54、55、56構成。而且，從直流電源41經由由多個開關元件51、52、53、54、55、56構成的通電器50向電動機的驅動線圈1、3、5供給驅動電壓和驅動電流。波形生成器80生成第一 PWM信號，該第一 PWM信號輸入到波形調整器70，成為控制通電器50的開關元件51、52、53、54、55、56的接通或斷開的基礎。波形調整器70基於從波形生成器80輸入的第一 PWM信號對脈衝寬度和產生定時進行調整來生成第二 PWM信號，來控制通電器50的開關元件51、52、53、54、55、56的接通或斷開。位置檢測元件31和位置檢測器90檢測電動機的可動件21的位置信息Hu，並輸出到波形生成器80。以下，具體說明包括本發明的實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的電動機驅動裝置的電路結構。首先，通過例如由霍爾元件等形成的多個位置檢測元件31檢測電動機的可動件21的位置。檢測出的可動件21的位置從位置檢測元件31輸出到位置檢測器90，並作為位置信息Hu輸入到波形生成器80。波形生成器80按照可動件21的位置信息Hu，向波形調整器70輸出以使各驅動線圈間的電壓差大致為正弦波(包含正弦波)的方式預先設定的第一 PWM 信號 UHO、VHO、WHO、ULO、VLO 以及 WLO。接著，波形調整器70針對從波形生成器80輸入的第一 PWM信號UHO、VHO、WHO、ULO、VLO以及WLO，一邊維持各驅動線圈間(U相-V相、V相-W相、W相-U相)的相對電壓值，一邊調整第一 PWM信號的脈衝寬度和產生定時，來輸出第二 PWM信號UH、VH、WH、UL、VL以及WL。然後，通過波形調整器70調整後的第二 PWM信號UH、VH、WH、UL、VL以及WL被輸出到通電器50和電流相位檢測器60。接著，利用從波形調整器70輸出的第二 PWM信號UH、VH、WH、UL、VL以及WL控制通電器50內的開關元件51、52、53、54、55以及56的接通、斷開。由此，從直流電源41經由通電器50向驅動線圈1、3、5分別供給驅動電壓Vu、Vv、Vw以及驅動電流Iu、Iv、Iw。此時,通過例如由電阻等形成的電流檢測器61檢測從通電器50流過直流電源41的公共電流Idc。然後，檢測出的公共電流Idc作為公共電流波形Rdc輸入到電流相位檢測器60。接著，電流相位檢測器60根據從電流檢測器61輸入的公共電流波形Rdc和從波形調整器70輸入的第二 PWM信號UH、VH、WH、UL、VL以及WL，來檢測流過驅動線圈1、3、5的驅動電流Iu、Iv、Iw的相位。然後，電流相位檢測器60向波形生成器80輸出所檢測出的驅動線圈1、3、5的驅動電流Iu、Iv、Iw的相位信息H)。接著，波形生成器80基於從電流相位檢測器60輸入的相位信息和從位置檢測器90輸入的位置信息Hu，來控制第一 PWM信號。然後，使根據通過波形調整器70調整第一PWM信號所得的第二 PWM信號而流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位與被電動機的驅動線圈感應出的感應電壓的相位相一致，來驅動電動機。如以上說明的那樣構成包括本發明的實施方式的電動機電流相位檢測裝置的電動機驅動裝置。以下，使用圖2 圖6說明如上述那樣構成的電動機電流相位檢測裝置的動作。圖2是說明通過本發明的實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的波形生成器生成的各波形的圖。也就是說，圖2示出通過位置檢測器90檢測的電動機的可動件21的位置信息Hu與由波形生成器80輸出的第一 PWM信號UHO、VHO、WHO、ULO、VLO以及WLO的關係。如圖2所示，U電壓、V電壓、W電壓的波形是成為生成第一 PWM信號的基礎的電壓的波形信息。此時，U電壓、V電壓以及W電壓的各相間(U相-V相、V相-W相、W相-U相)的電壓差例如如圖2的U-V間電壓的波形所示那樣大致為正弦波形狀(包含正弦波)。同樣地，雖然在圖2中沒有示出，但V-W間電壓、W-U間電壓也分別大致為正弦波形狀(包含正弦波)。此時，根據U電壓、V電壓、W電壓的波形信息，例如通過三角波比較等來生成第一 PWM信號。以下，使用圖3和圖4說明本發明的實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的相位檢測。圖3是表示該實施方式中的流過電動機的驅動線圈的驅動電流、驅動電壓和公共電流波形的關係的圖。此外，此後設為在第一 PWM信號和第二 PWM信號的脈衝波形為高水平(High)的情況下開關元件接通、在脈衝波形為低水平(Low)的情況下開關元件斷開來進行說明。也就是說，圖3表示電動機的驅動線圈1、3、5的驅動電壓Vu、Vv、Vw、公共電流波形Rdc和驅動線圈1、3、5的驅動電流Iu、Iv、Iw的關係。此時，施加到電動機的驅動線圈
1、3、5的驅動電壓Vu、Vv、Vw是根據第二 PWM信號通過通電器50的開關元件的控制而輸出的。具體地說，在控制通電器50的上側的開關元件51、53、55的第二 PWM信號UH、VH、WH為ON的情況下，電動機的驅動線圈1、3、5的驅動電壓Vu、Vv、Vw為高水平。另一方面，在控制通電器50的下側的開關元件52、54、56的第二 PWM信號UL、VL、WL為ON的情況下，電動機的驅動線圈1、3、5的驅動電壓Vu、Vv、Vw為低水平。而且，在電動機的驅動線圈1、3、5的驅動電壓Vu、Vv、Vw為如圖3所示那樣的波形的情況下，公共電流波形Rdc被檢測為包含如圖3所示那樣的驅動電流Iu、Iv、Iw的波形信息的波形。此時，驅動電流Iu、Iv、Iw的負側的波形為在零水平處折返的波形，且是各個波形重疊而成的波形，被檢測為公共電流波形Rdc。因此，以下，進一步使用圖4說明包含驅動電流Iu、Iv、Iw的波形信息的公共電流波形Rdc。圖4是表示該實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的驅動電壓、公共電流波形和相位信息的關係的圖。此外，圖4是以示意性地放大圖3所示的B部分所得的圖來示出。
也就是說，如圖4所示，在區間a中，只有通電器50的V相的上側的開關元件53接通，其它上側的開關元件51、55斷開，因此在公共電流波形Rdc中，作為RdcA，檢測出流過V相的驅動線圈3的驅動電流Iv的電流峰值。此時，通電器50的V相的下側的開關元件54斷開，其它下側的開關元件52、56接通。另外，在區間b中，只有通電器50的W相的下側的開關元件56接通，其它下側的開關元件52、54斷開，因此在公共電流波形Rdc中，作為RdcB，流過W相的驅動線圈5的驅動電流Iw的電流峰值以正和負反轉的波形被檢測出。這是因為，驅動電流Iw所流動的方向與圖中的箭頭相反。此時，通電器50的W相的上側的開關元件55斷開，其它上側的開關元件51、53接通。因而，可知在公共電流波形Rdc中，作為電流峰值包含有V相和W相這兩個相的驅動電流Iv、Iw的信息。在此，在具有三相的驅動線圈的電動機中，流過三相的驅動線圈1、3、5的驅動電流Iu、Iv、Iw的總和為零。因此，如果如上述那樣例如能夠獲得V相和W相這兩個相的驅動電流的信息，則能夠容易地估計剩餘的一個相即U相的驅動電流。因而，通過使用由電流檢測器61檢測出的公共電流波形Rdc，能夠通過電流相位檢測器60生成驅動線圈的驅動電流的相位信息H)。因此，以下具體說明通過電流相位檢測器60生成的驅動線圈的驅動電流的相位
"[目息PD。首先，電流相位檢測器60使用從波形調整器70輸出的第二 PWM信號UH、VH、WH、UL、VL、WL，例如檢測圖4的區間a或者區間b。此時，例如根據與區間a、區間b對應的公共電流波形Rdc的電流峰值，得到RdcA、RdcB的大小信息。然後，如圖4所示，根據驅動線圈3的驅動電流Iv的電流峰值即RdcA與驅動線圈5的驅動電流Iw的電流峰值即RdcB的大小的關係反轉的位置，能夠檢測如圖3的B部分所示那樣剩餘的相(在該情況下為U相)的驅動電流Iu的正和負反轉的位置。由此，能夠根據公共電流波形Rdc的電流峰值，獲得驅動電流的相位信息。以下，使用圖5和圖6說明基于波形生成器80的第一 PWM信號調整脈衝寬度和產生定時來生成第二 PWM信號的波形調整器70。圖5是說明該實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的第一PWM信號與通過波形調整器調整後的第二 PWM信號的關係的圖。此外，用示意性地放大圖2所示的第一 PWM信號的A部分所得的圖來示出圖5的上半部分所示的第一 PWM信號。此時，如圖2所示，在A部分中，從波形生成器80輸出的第一 PWM信號UH0、WH0的脈衝寬度比較窄。但是，在檢測公共電流波形Rdc的大小信息的情況下，優選的是第一 PWM信號的脈衝寬度寬。其理由是，在第一 PWM信號的零水平附近，第一 PWM信號的脈衝寬度變窄，因此，會發生無法通過通常的定時檢測公共電流波形Rdc的電流峰值的變化的情況。而且是因為會發生如下情況:無法跟隨例如由M0S(Metal Oxide Semiconductor:金屬氧化物半導體)等構成的通電器50的開關元件的響應，從而不輸出公共電流波形Rdc。因此，波形調整器70調整從波形生成器80輸入的脈衝寬度窄的區間的第一 PWM信號UHO、VHO、WHO、ULO、VLO、WLO的脈衝寬度和產生定時。具體地說，如圖5的下半部分的第二 PWM信號所示那樣，通過擴大脈衝寬度、錯開時間來調整脈衝的產生定時。此時，波形調整器70 —邊維持各驅動線圈間的相對電壓值，一邊調整脈衝寬度和脈衝的產生定時。也就是說，輸出根據需要使從波形生成器80輸入的第一 PWM信號中的例如脈衝寬度窄的部分變寬來調整後的第二 PWM信號UH、VH、WH、UL、VL、WL。以下，參照圖5並同時使用圖6說明使用根據通過波形調整器70調整後的第二PWM信號從通電器50輸出的驅動電壓來檢測相位信息的方法。圖6是表示通過該實施方式中的電動機電流相位檢測裝置的波形調整器調整後的、電動機的驅動電壓、公共電流波形和相位信息的關係的圖。此外，圖6是以示意性地放大圖5所示的C部分所得的圖來示出。如圖6所示，波形調整器70使第一 PWM信號的UHO的脈衝寬度變寬，來輸出第二PWM信號UH。此時，通過擴大第一 PWM信號UHO的脈衝寬度，U相的驅動線圈I的驅動電壓Vu的平均電壓上升(變高)。因此，為了維持各驅動線圈間的相對電壓值，波形調整器70以同樣地使V相的驅動線圈3的驅動電壓Vv的脈衝寬度變寬的方式調整第二 PWM信號。並且，為了使W相的驅動線圈5的驅動電壓Vw也同樣地提高平均電壓，以設置成為高水平的區間的方式產生第二 PWM信號並調整。此時，在以下的位置處產生將W相的驅動電壓Vw設為高水平的區間:該位置與產生V相的驅動電壓Vv和U相的驅動電壓Vu的區間錯開時間上的定時，是電流相位檢測器60檢測公共電流波形Rdc的區間以外的位置。其理由是，例如，如果使U相的第二 PWM信號的脈衝寬度變寬，則同時還對W相生成第二 PWM信號的脈衝，因此在公共電流波形Rdc的電流峰值中包含三相的信息，其結果，無法檢測出相位信息PD。也就是說，通過使W相的驅動電壓Vw的脈衝的產生定時錯開，能夠固定地維持各驅動線圈間的相對電壓值，並且對通過電流相位檢測器60檢測的公共電流波形Rdc的大小信息(電流峰值)沒有影響地能夠檢測出相位信息H)。然後，電流相位檢測器60基於調整後的第二 PWM信號，利用從公共電流波形Rdc檢測出的驅動線圈的驅動電流的電流峰值即RdcA和RdcB的大小信息，生成驅動線圈的驅動電流的相位信息H)。將所生成的驅動線圈的驅動電流的相位信息ro輸入到波形生成器80。然後，波形生成器80基於所輸入的相位信息ro和電動機的可動件的位置信息Hu，調整相位來輸出第一 PWM信號，使得第一 PWM信號成為使流過驅動線圈的驅動電流的相位與被驅動線圈感應出的感應電壓的相位相一致的驅動電壓波形。在此，感應電壓的相位信息是根據可動件的位置信息Hu來檢測。接著，針對從波形生成器80輸出的第一 PWM信號，通過波形調整器70調整脈衝寬度、產生定時來生成第二 PWM信號，並經由通電器50驅動電動機。根據本實施方式，能夠通過以下簡單的電路結構來檢測驅動電流的相位信息:根據通過電流檢測器檢測出的公共電流波形Rdc的電流峰值，通過電流相位檢測器檢測驅動電流的相位信息。由此，能夠使流過電動機的驅動線圈的驅動電流的相位與被驅動線圈感應出的感應電壓的相位相一致來驅動電動機。其結果，能夠實現能夠高效地驅動電動機並且能夠以低噪音、低振動來驅動電動機的電動機驅動裝置。另外，根據本實施方式，通過設置波形調整器，能夠防止因在脈衝寬度窄的情況下產生的檢測錯誤、開關元件的響應速度引起的輸出錯誤，更可靠地檢測相位信息。其結果，能夠實現高效且具有高控制性和高可靠性的電動機驅動裝置。另外，通過將本實施方式的電動機電流相位檢測裝置和電動機相組合，能夠實現能夠高效地進行驅動並且能夠以低噪音、低振動來驅動電動機的電動機驅動裝置。產業h的可利用件本發明對在要求低振動、低噪音且高效的空調設備用的風扇電動機驅動、安裝有燃燒用風扇電動機的供熱水機、空氣清潔機、冰箱、洗衣機等家電設備、或者印表機、複印機、掃描儀、傳真機、或它們的複合設備、以及硬碟、光介質設備等信息設備等中使用的電動機的驅動是有用的。附圖標記說明1、3、5、101、103、105:驅動線圈；10:電動機電流相位檢測裝置;21、121:可動件；31,131:位置檢測元件;41、141:直流電源;50、150:通電器；51、52、53、54、55、56、151、153、155、152、154、156:開關元件；60:電流相位檢測器;61、161:電流檢測器；70:波形調整器；80、180:波形生成器；90、190:位置檢測器；100:電動機驅動裝置。
權利要求
1.一種電動機電流相位檢測裝置，對具有可動件和三相的驅動線圈的電動機進行驅動，該電動機電流相位檢測裝置具備: 通電器，其向上述驅動線圈供給驅動電壓和驅動電流； 電流檢測器，其檢測從上述通電器流出的公共電流波形； 位置檢測器，其檢測上述可動件的位置； 波形生成器，其生成第一 PWM信號； 波形調整器，其基於上述第一 PWM信號生成第二 PWM信號；以及 電流相位檢測器，其檢測流過上述驅動線圈的上述驅動電流的相位， 其中，上述波形調整器一邊維持由上述第一 PWM信號決定的上述驅動線圈間的相對電壓值，一邊生成使上述電流相位檢測器動作的第二 PWM信號，上述電流相位檢測器基於上述第二 PWM信號檢測包含在上述公共電流波形中的上述驅動線圈的電流峰值，來檢測上述驅動線圈的上述驅動電流的相位。
2.根據權利要求1所述的電動機電流相位檢測裝置，其特徵在於， 基於上述第一 PWM信號調整脈衝寬度和產生定時，來生成上述第二 PWM信號。
3.—種電動機驅動裝置,具備: 電動機，其具有可動件和三相的驅動線圈；以及 根據權利要求1和2中的任一項所述的電動機電流相位檢測裝置。
全文摘要
本發明是一種驅動具有三相驅動線圈的電動機的電動機電流相位檢測裝置，該電動機電流相位檢測裝置具備通電器，其向驅動線圈供給驅動電壓和驅動電流；電流檢測器，其檢測從通電器流出的公共電流波形；位置檢測器，其檢測可動件的位置；波形生成器，其生成第一PWM信號；波形調整器，其基於第一PWM信號生成第二PWM信號；以及電流相位檢測器，其檢測流過驅動線圈的驅動電流的相位。而且，波形調整器一邊維持由第一PWM信號決定的驅動線圈間的相對電壓值，一邊生成使電流相位檢測器動作的第二PWM信號，電流相位檢測器基於第二PWM信號檢測包含在公共電流波形中的驅動線圈的電流峰值，來檢測驅動線圈的驅動電流的相位。
文檔編號H02P6/16GK103109452SQ20118004467
公開日2013年5月15日 申請日期2011年9月6日 優先權日2010年9月15日
發明者杉浦賢治, 八十原正浩 申請人:松下電器產業株式會社