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      電動機控制裝置和冰箱的制作方法

      文檔序號:7351789閱讀:139來源:國知局
      電動機控制裝置和冰箱的制作方法
      【專利摘要】本發(fā)明提供電動機控制裝置和冰箱。與電動機的轉速無關地抑制周期性負載變動,使電動機的旋轉穩(wěn)定。電動機控制裝置具備電力變換電路、電流檢測部、負載變動檢測部、調(diào)整部。電力變換電路通過將直流電變換為交流電,而向驅(qū)動機構部的電動機供給交流電。電流檢測部檢測流過電力變換電路或電動機的電流。負載變動檢測部根據(jù)電流,檢測電動機的負載的周期性變動。調(diào)整部根據(jù)變動控制電力變換電路,從而調(diào)整交流電的交流電壓的相位。變動的周期是電動機的機械角的1個周期的整數(shù)倍。交流電壓的相位具有相對于電動機的磁極位置增加的第一分量、與變動同步地變化的第二分量。
      【專利說明】電動機控制裝置和冰箱
      【技術領域】
      [0001]本發(fā)明涉及一種控制電動機的技術。
      【背景技術】
      [0002]已知對逆變器的輸出頻率或輸出電壓進行修正使得抑制扭矩脈動,在運轉頻率為預定以下的情況下增大修正比例的技術、與電動機電流的峰值及其變化對應地控制逆變器的輸出電壓和輸出頻率的技術(例如專利文獻1、2)。
      [0003]專利文獻1:日本特開2005-65449號公報
      [0004]專利文獻2:日本特開2009-27871號公報

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0005]在上述那樣的具有修正逆變器的輸出頻率或輸出電壓的結構的電動機控制裝置中,沒有考慮到電動機轉速提高而感應電壓增大從而限制逆變器的輸出電壓的情況,即在弱磁場區(qū)域中抑制扭矩脈動。
      [0006]另外,在上述那樣的具有檢測流過電動機的電流的峰值而與負載扭矩對應地控制逆變器輸出電壓使得電動機電流相位大致與q軸同相的結構的電動機控制裝置中,沒有考慮到例如應用于磁阻電動機等電流最小的電流相位與q軸不同的電動機的情況。
      [0007]為了解決上述問題,本發(fā)明的一個形式是一種電動機控制裝置,其具備電力變換電路、電流檢測部、負載變動檢測部和調(diào)整部。電力變換電路通過將直流電變換為交流電,而向驅(qū)動機構部的電動機供給交流電。電流檢測部檢測流過電力變換電路或電動機的電流。負載變動檢測部根據(jù)電流,檢測電動機的負載的周期性變動。調(diào)整部通過根據(jù)變動控制電力變換電路,來調(diào)整交流電的交流電壓的相位。變動的周期是電動機的機械角I個周期的整數(shù)倍。交流電壓的相位具有相對于電動機的磁極位置增加的第一分量和與變動同步地變化的第二分量。
      [0008]根據(jù)本發(fā)明,能夠與電動機的轉速無關地抑制周期性負載變動而使電動機的旋轉穩(wěn)定。
      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0009]圖1表示實施例1的驅(qū)動裝置的結構。
      [0010]圖2表示實施例1的電力變換電路5的結構。
      [0011]圖3表示實軸和控制軸的關系。
      [0012]圖4表示作為固定坐標系的三相軸和控制軸的關系。
      [0013]圖5是表示壓縮機510的平面圖。
      [0014]圖6是表示壓縮機510的主視圖。
      [0015]圖7表示周期性負載扭矩的變動。
      [0016]圖8表示控制部2的結構。[0017]圖9表示PLL控制器13的結構。
      [0018]圖10表示速度控制器14的結構。
      [0019]圖11表示負載扭矩的變動的仿真結果。
      [0020]圖12表示弱磁場區(qū)域中的感應電壓和速度變動幅度。
      [0021]圖13表示周期扭矩推定部30的結構。
      [0022]圖14表示電壓相位調(diào)整器7的結構。
      [0023]圖15表示電壓指令相位。
      [0024]圖16表不從電力變換電路5輸出的電壓相位的時間變化。
      [0025]圖17表示電壓相位調(diào)整器7a的變形例。
      [0026]圖18表示控制部2的第一變形例。
      [0027]圖19表示控制部2的第二變形例。
      [0028]圖20表示控制部2的第三變形例。
      [0029]圖21表示實施例2的冰箱的結構。
      [0030]圖22表示實施例2的電力變換電路5a的結構。
      [0031]圖23表示電動機6的與轉速對應的效率。
      [0032]圖24表示實施例2的控制部和電力變換電路的變形例。
      [0033]圖25表示調(diào)整后的直流電壓指令值的時間變化。
      【具體實施方式】
      [0034]以下,使用【專利附圖】
      附圖
      【附圖說明】本發(fā)明的實施例。
      [0035]實施例1
      [0036]在本實施例中,說明作為本發(fā)明的電動機控制裝置的應用例的驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置具備被電動機驅(qū)動的壓縮機構部。
      [0037]<整體結構>
      [0038]圖1表示實施例1的驅(qū)動裝置的結構。驅(qū)動裝置具備電動機控制裝置1、壓縮機510。壓縮機510具備電動機(motor)6、壓縮機構部500。電動機控制裝置I具備使用直流電壓源輸出三相交流電壓的電力變換電路5、檢測流過電動機6或電力變換電路5的電流的電流檢測部12、根據(jù)由電流檢測部12檢測出的電流信息運算向電動機6施加的電壓指令值的控制部2。后面詳細說明控制部2。電動機6被電力變換電路5控制。壓縮機構部500經(jīng)由傳動軸502與電動機6連接。
      [0039]<電力變換電路5的結構>
      [0040]圖2表示實施例1的電力變換電路5的結構。電力變換電路5具備逆變器21、直流電壓源20、驅(qū)動器電路23。逆變器21由3對開關元件22 (例如IGBT (Insulated GateBipolar Transistor:絕緣柵雙極型晶體管)、M0S_FET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor:金屬氧化物半導體場效應晶體管)等半導體開關元件)構成。構成各對的2個開關元件22串聯(lián)連接,構成上下臂。3個對分別構成U相、V相、W相的上下臂。各相的上下臂的連接點向電動機6布線。驅(qū)動器電路23根據(jù)由控制部2生成的三相交流電壓指令值(Vu*、Vv*、Vw*),輸出脈沖狀的驅(qū)動信號24a?24f。構成3對的開關元件22分別與驅(qū)動信號24a?24f對應地進行開關動作。電力變換電路5對直流電壓源20進行開關而輸出電壓,由此能夠向電動機6施加任意頻率的三相交流電壓,由此對電動機6進行可變速驅(qū)動。
      [0041]在電力變換電路5內(nèi)的直流側附加分流電阻25的情況下,能夠在用于在流過過大電流時保護開關元件22的過電流保護電路、后述的單路分流(single shunt)電流檢測方式等中利用該分流電阻25。
      [0042]<電動機6的坐標軸的定義>
      [0043]本實施例使用在轉子中具有永磁鐵的永磁鐵電動機作為電動機6。因此,假設控制軸的位置和轉子的位置基本上同步。通過無位置傳感器控制,根據(jù)流過電動機6的電流和電動機施加電壓等信息,推定轉子的旋轉角度位置信息。這時,定義由以轉子的磁通方向的位置為d軸,以及由此開始電氣上向旋轉方向前進90度的q軸構成的d_q軸(旋轉坐標系)。
      [0044]圖3表示實軸和控制軸的關系。針對d_q軸,將控制上的虛擬轉子位置設為dc軸,由此開始電氣上向旋轉方向前進90度設為qc軸,定義作為由dc軸和qc軸構成的旋轉坐標系的dc-qc軸。在本實施例中,基本上在該dc-qc軸上控制電壓、電流。另外,在以后的說明中,將d_q軸稱為實軸,將dc-qc軸稱為控制軸,將控制軸相對于實軸的誤差稱為軸誤差(Δ Θ C)。
      [0045]圖4表示三相軸和控制軸的關系。由U軸、V軸、W軸構成的三相軸是固定坐標系。以U相為基準,定義作為dc軸的旋轉角度位置的磁極位置(0dc)。dc軸向圖中的箭頭方向(逆時針方向)旋轉,通過對旋轉頻率進行積分,能夠得到磁極位置(9dc)。旋轉頻率是后述的逆變器頻率指令值(ω I)。
      [0046]<壓縮機510的結構>
      [0047]圖5是表不壓縮機510的平面圖,圖6是表不壓縮機510的主視圖。壓縮機510是以電動機6為動力源驅(qū)動活塞501的往復壓縮機(往復式壓縮機)。壓縮機510具備支承機構513、電動機6、壓縮機構部500。
      [0048]電動機6被支承機構513支承,通過來自電力變換電路5的交流電流而旋轉。電動機6具備定子511、轉子512。定子511具有流過來自電動機控制裝置I的交流電流的線圈。轉子512具有永磁鐵。
      [0049]壓縮機構部500具備活塞501、傳動軸502、曲軸503、汽缸504、吸入口 505、閥506、噴出口 507、支承機構513。傳動軸502與電動機6的轉子512連接,與轉子512 —起旋轉。曲軸503與傳動軸502連接,將傳動軸502的旋轉運動變換為活塞501的直線運動。與電動機6的旋轉對應地,活塞501往返運動,由此進行吸入、壓縮、噴出這樣的一連串的工序。在壓縮動作中,首先壓縮機構部500從設置在汽缸504中的吸入口 505向汽缸504內(nèi)吸入制冷劑。然后,壓縮機構部500關閉閥506而進行汽缸504內(nèi)的制冷劑的壓縮,從噴出口 507噴出壓縮后的制冷劑。
      [0050]在一連串的工序中,活塞501的壓力變化。如果從驅(qū)動活塞501的電動機6看,則這表示負載扭矩周期性地變化。圖7表示周期性負載扭矩的變動。該圖表示電動機6的機械角的I圈旋轉中的負載扭矩相對于轉子的旋轉角度位置的變化。在此,表示電動機6是4極電動機的情況,因此電氣角2個周期相當于機械角I個周期。轉子位置和活塞501的位置關系根據(jù)組合而決定,但在該圖中,活塞501的下死點為機械角的0°,表示出負載扭矩相對于活塞位置的變化。隨著壓縮工序的進展,負載扭矩變大,在噴出工序中,其特征在于負載扭矩急劇地變小。在圖中,表示負載變動特別大的期間。從該圖可知在I圈旋轉中負載扭矩變動的情況。在每次電動機6旋轉時負載扭矩變動,因此如果從電動機6看則負載扭矩周期性地變動。
      [0051]例如即使使用相同的壓縮機構部500,根據(jù)電動機6的轉速、吸入口 505、噴出口507的壓力、吸入口 505和噴出口 507的壓力差等,負載扭矩的變動也變化。閥506的開閉定時和活塞的位置的關系根據(jù)閥506的結構而變化。例如在使用了通過吸入口 505和汽缸504內(nèi)的壓力差而動作的簡單的閥的情況下,根據(jù)壓力條件,閥506的開閉定時變化。即,在一圈旋轉中負載扭矩最大的活塞位置也變化。這樣,周期性的負載扭矩由于各種原因而變化,因此為了在大的動作范圍中,抑制周期性的負載變動而穩(wěn)定地驅(qū)動電動機6,而應用反饋控制。
      [0052]在本實施例中,以壓縮機構部500的活塞501直線地運動的往復式為例子進行說明,但作為壓縮機構的其他壓縮方式,有通過活塞旋轉而進行壓縮的旋轉式、由旋窩狀的回旋翼構成的螺旋式等。周期性的負載變動的特性根據(jù)各個壓縮方式而不同,但在任意一個壓縮方式中,都存在因壓縮工序造成的負載變動。因此,同樣能夠?qū)⒈緦嵤├碾妱訖C控制裝置I應用于壓縮方式不同的壓縮機構中,能夠得到與本實施例同樣的效果。
      [0053]<電流檢測部12的結構>
      [0054]電流檢測部12檢測流過電動機6或電力變換電路5的三相的交流電流中的流過U相和W相的電流。也可以檢測出全部相的交流電流,但根據(jù)基爾霍夫定律,如果檢測出三相中的2相,則能夠根據(jù)檢測出的2相計算出另一相。
      [0055]另外,作為檢測流過電動機6或電力變換電路5的交流電流的其他檢測方式,例如,也可以使用單路分流電流檢測方式,其根據(jù)流過附加在電力變換電路5內(nèi)的直流側的分流電阻25的直流電流,檢測電力變換電路5內(nèi)的交流側的電流。該檢測方式利用了根據(jù)構成電力變換電路5的開關元件22的通電狀態(tài),與電力變換電路5的各相的交流電流同等的電流流過分流電阻25的情況。流過分流電阻25的電流隨著時間變化,因此必須以驅(qū)動信號24a?24f變化的定時為基準在適當?shù)亩〞r進行電流檢測。另外,在電流檢測部12中,也可以使用單路分流電流檢測方式。
      [0056]<控制部2的結構>
      [0057]圖8表示控制部2的結構??刂撇?具備:將三相軸上的交流電流檢測值(Iu和Iw)坐標變換為控制軸上的電流值的3 Φ/dq變換器8 ;使用控制軸上的電流檢測值(Idc和Iqc)和施加到電動機6的電壓指令值(Vd**和Vq**)運算實軸和控制軸的軸誤差(Λ Θ c)的軸誤差運算器10;為了使軸誤差(Λ 0C)追隨軸誤差指令值(Λ Θ*:通常為0),而調(diào)整施加到電動機6的電壓的頻率即逆變器頻率指令值(ω I)的PLL控制器13 ;根據(jù)d軸電流檢測值(Id**)和q軸電流檢測值(Iq**)和逆變器頻率指令值(ω I ),計算d軸電壓指令值(Vd*)和q軸電壓指令值(Vq*)的電壓指令值生成器3 ;根據(jù)推定的負載扭矩,調(diào)整dc-qc軸上的電壓指令值(Vd*和Vq*)的相位,計算電壓指令值(Vd**和Vq**)的電壓相位調(diào)整器7 ;將dc-qc軸上的電壓指令值(Vd*和Vq*)從控制軸坐標變換為三相軸的dq/3 Φ變換器4 ;推定周期性變動的負載扭矩的周期扭矩推定部30。如上述的實軸和控制軸的關系的圖所示那樣,軸誤差(Λ Θ c)是控制軸相對于實軸的誤差。[0058]控制部2還具備:從頻率指令值(ω*)減去逆變器頻率指令值(ω I)的減法器Ilb ;根據(jù)減法器Ilb的輸出計算q軸電流指令值(Iq*)的速度控制器14 ;從由上位控制系統(tǒng)等給出的軸電流指令值(Id*)減去d軸電流檢測值(Idc)的減法器52a ;從q軸電流檢測值(Iq*)減去q軸電流檢測值(Iqc)的減法器52b ;根據(jù)減法器52a的輸出計算d軸電流檢測值(Id**)的電流控制器15a ;根據(jù)減法器52b的輸出計算q軸電流檢測值(Iq**)的電流控制器15b ;從軸誤差指令值(Δ Θ *)減去軸誤差(Δ Θ c)的減法器54 ;對逆變器頻率指令值(ω I)進行積分而計算磁極位置(Θ dc)的積分器9 ;將三相交流軸的電動機電流檢測值(Iu、Iw)坐標變換為dc-qc軸的3 Φ/dq變換器8。
      [0059]可以由依照軟件執(zhí)行處理的微型計算機(微計算機)、DSP等微處理器構成控制部2的各部,也可以由半導體集成電路等硬件構成。
      [0060]以下,說明電動機控制裝置I的各構成要素的細節(jié)。首先,說明用于驅(qū)動電動機6的電動機控制方法的基本動作,然后說明如壓縮機構部500那樣有脈動扭矩的情況下的問題點。在此,將周期性地變動的負載扭矩稱為脈沖扭矩,將用于抑制脈動扭矩的電動機控制稱為脈動扭矩控制。
      [0061]<沒有脈動扭矩控制的情況下的電動機控制方法>
      [0062]控制部2為了驅(qū)動電動機6,如上述那樣使用dc-qc軸(旋轉坐標系)而進行控制。需要從三相交流軸坐標變換到旋轉坐標,但在旋轉坐標上,有將電壓、電流作為直流量進行處理的優(yōu)點。因此,3 Φ/dq變換器8使用磁極位置(0dc),將由電流檢測部12檢測出的三相交流軸的電動機電流檢測值(Iu、Iw)坐標變換到dc-qc軸,由此得到d軸和q軸的電流檢測值(Idc、lqc)。另外,dq/3(t變換器4使用磁極位置(0dc),將通過電壓指令值生成器3和電壓相位調(diào)整器7生成的dc-qc軸上的電壓指令值(Vd林、Vq林)坐標變換為三相交流電壓指令值(Vu*、Vv*> Vw*)。
      [0063]電壓指令值生成器3取得從上位控制系統(tǒng)等得到的d軸和q軸的電流指令值(Id*、Iq*)、頻率指令值(ω*)或后述的逆變器頻率指令值(ω I),如下式這樣進行向量計算,由此得到d軸電壓指令值(Vd*)和q軸電壓指令值(Vq*)。
      [0064][公式I]
      [0065]Vd*=RX Id*_co*XLqX Iq*
      [0066]Vq*=RX Iq*+co*XLdX Id*+co*+Ke
      [0067]在此,R是電動機6的線圈電阻值,Ld是d軸的電感,Lq是q軸的電感,Ke是感應電壓常數(shù)。
      [0068]公式I 一般稱為向量控制。該向量控制將流過電動機6的電流分離為磁場分量和扭矩分量進行運算,控制電壓的相位和大小使得電動機電流相位成為預定的相位。
      [0069]本實施例的電動機6為非凸極型的永磁鐵電動機。即,d軸和q軸的電感值相同。即,不考慮由于d軸和q軸的電感的差產(chǎn)生的磁阻扭矩。因此,電動機6的產(chǎn)生扭矩與流過q軸的電流成正比。因此,在本實施例中,將d軸電流指令值(Id*)設定為O。另外,在凸極型的情況下,除了因q軸電流產(chǎn)生的扭矩以外,還有因d軸和q軸的電感的差造成的磁阻扭矩。因此,通過考慮到磁阻扭矩而設定d軸電流指令值(Id*),能夠用小的q軸電流產(chǎn)生相同的扭矩。
      [0070]軸誤差運算器10使用控制軸上的電流檢測值(Idc和Iqc)和施加到電動機6的電壓指令值(Vd**和Vq**),根據(jù)下式運算實軸和控制軸的軸誤差(Λ Θ C)。
      [0071][公式2]
      【權利要求】
      1.一種電動機控制裝置,其特征在于,具備: 電力變換電路,其將直流電變換為交流電,由此向驅(qū)動機構部的電動機供給上述交流電; 電流檢測部,其檢測流過上述電力變換電路或上述電動機的電流; 負載變動檢測部,其根據(jù)上述電流,檢測上述電動機的負載的周期性變動; 調(diào)整部,其通過根據(jù)上述變動控制上述電力變換電路,來調(diào)整上述交流電的交流電壓的相位,其中 上述變動的周期是上述電動機的機械角I周期的整數(shù)倍, 上述交流電壓的相位具有相對于上述電動機的磁極位置增加的第一分量和與上述變動同步地變化的第二分量。
      2.根據(jù)權利要求1所述的電動機控制裝置,其特征在于, 上述電動機的轉速是上述電動機的感應電壓為上述直流電的直流電壓以上的情況下的轉速。
      3.根據(jù)權利要求1所述的電動機控制裝置,其特征在于, 上述調(diào)整部在上述變動的周期中的上述負載為預定值以上的期間,將上述交流電壓的相位的上述第一分量加上上述第二分量。
      4.根據(jù)權利要求3所述的電動機控制裝置,其特征在于, 上述調(diào)整部在使用與上述期間對應的上述電動機的旋轉角度的范圍,而上述電動機的旋轉角度在上述范圍內(nèi)的情況下,將上述交流電壓的相位的上述第一分量加上上述第二分量。
      5.根據(jù)權利要求1所述的電動機控制裝置,其特征在于, 還具備:直流電壓調(diào)整部,其通過根據(jù)上述變動控制上述直流電的直流電壓,而與上述變動同步地使上述直流電壓變化。
      6.根據(jù)權利要求1所述的電動機控制裝置,其特征在于, 上述第一分量與上述磁極位置成正比地增加。
      7.根據(jù)權利要求1所述的電動機控制裝置,其特征在于, 上述電力變換電路具有開關元件。
      8.—種冰箱,其特征在于,具備: 壓縮機構部,其對制冷劑進行壓縮; 電動機,其驅(qū)動上述壓縮機構部; 電力變換電路,其將直流電變換為交流電,由此向上述電動機供給上述交流電; 電流檢測部,其檢測流過上述電力變換電路或上述電動機的電流; 負載變動檢測部,其根據(jù)上述電流,檢測上述電動機的負載的周期性變動; 調(diào)整部,其通過根據(jù)上述變動控制上述電力變換電路,來調(diào)整上述交流電的交流電壓的相位,其中 上述變動的周期是上述電動機的機械角I周期的整數(shù)倍, 上述交流電壓的相位具有相對于上述電動機的磁極位置增加的第一分量和與上述變動同步地變化的第二分量。
      【文檔編號】H02P27/06GK103560745SQ201310150529
      【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年4月26日 優(yōu)先權日:2012年4月27日
      【發(fā)明者】鈴木尚禮, 清水裕一, 石渡寬人, 能登原保夫 申請人:株式會社日立制作所
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