电机控制装置 【技术领域】
本发明涉及一种用于控制无刷DC电机的驱动的电机控制装置。
背景技术
迄今，作为控制无刷DC电机的方法，有120°通电方法和正弦波180°通电方法。图6是传统120°通电方法的电机控制装置的控制框图。参照图6，用直流变交流变流器部分102驱动无刷DC电机(BLM)103，用感应电压检测部分106检测无刷DC电机103的感应电压。进一步地，再检测感应电压的零交叉信号，用电压控制器105进行直流交流变流器部分102的相电压和基准电压的比较。根据来自电压控制器105的信号，用正弦波PWM控制器104改变PWM的调制率。由此，执行对直流交流变流器部分102的反馈控制，并进行无刷DC电机103的转速控制(例如，下面所列的专利文献1)。
另外，为了使电机高速旋转，有必要采用180°通电方法。在180°通电方法中，将电机线圈的中性点电位与相对于三相倒相器输出电压为三相Y型接线电阻电路的中性点之间电势放大，将其输入积分电路中。之后，通过将该积分电路的输出信号和通过由滤波电路对该输出信号进行直流成分截止而获得的低通滤波信号进行比较，获得对应于感应电压地电机位置检测信号，从而根据所检测的电机位置驱动电机(例如，专利文献2、3)。
[专利文献1]
日本专利第2642357号公报
[专利文献2]
特开平7-245982号公报
[专利文献3]
特开平7-337079号公报
可是，由于传统120°通电方法依赖于感应电压中的零交叉信号，如果电机负载或电源电压急剧变化，则感应电压的零交叉信号被隐藏在倒相器输出电压区域内，因此不能检测零交叉信号。
而且，在120°通电方法中，每一相感应电压虽然能连续确认60°的电角。但是，为了降低电机运行期间的运转声音和振动，如果将通电角设定为150°左右，则每一相感应电压的连续检测只能确保30°的电角，因此即使在正常运转时，也存在失调的危险性，还很容易发生过调等不稳定现象。
另外，120°通电方法还有不可能进行接近180°通电运转的问题。图7是120°通电方法中的相电流波形和感应电压波形之间的相位关系图。在正常运转时，相对于感应电压80把相电流的设定在位置81，在增加最高转速的情况下，相电流超前到位置82。可是，将相电流超前到的位置81之外有困难，所以最高转速变低，只可能在限定的速度范围运转。
【发明内容】
所提出的本发明就是为了解决上述问题，即提供一种不需要机械性的电磁拾取传感器的感应电压反馈控制的新方法，而且本发明的主要目的是提供一种电机控制装置，该电机控制装置不需要现有的180°通电方法所必要的附属电路，并实现与利用位置传感器的正弦波180°通电方法具有同等程度的高速性能，而且确保了控制的稳定性。
为了达到上述目的，本发明所述的电机控制装置包括：用于检测无刷电机的感应电压的感应电压检测单元；用于根据无刷电机的感应电压检测转子的磁极位置的转子位置检测单元；区域判断单元，该区域判断单元判断上述无刷电机的转速的控制区域是在控制无刷电机的输出电压的、用于中/低速区域的输出电压控制区域，还是在速度比上述输出电压控制区域高的控制区域、即控制无刷电机的电流相位的、用于高速区域的电流相位控制区域；以及检测模式切换单元，该检测模式切换单元根据由上述区域判断单元确定的上述输出电压控制区域或电流相位控制区域，最优化地切换上述感应电压检测单元的感应电压检测方法。在此结构中，上述检测模式切换单元在上述无刷电机的输出电压的调制率或输入电流的相位的超前角满足了预定的条件时，进行上述感应电压检测单元的感应电压检测方法的切换。
优选地，在转速从输出电压控制区切换到电流相位控制区的情况下，切换感应电压检测方法的预定条件为，其调制率变成预定最大值时。这样，本发明所述的电机控制装置就通过判断用于在两个区域之间进行切换的最佳条件而避免了诸如失调等不稳定现象。
【附图说明】
通过参照结合附图的下述说明书以及权利要求书，对可清楚并接受本发明的其他目的、达到的效果以及更全面的理解，图中相同的部分由相同的参考标记表示。
图1是根据本发明所述电机控制装置的控制方框图；
图2是根据本发明的第一及第二实施方式的调制率和转速之间的关系曲线图；
图3是根据本发明的第一及第二实施方式所述的转速和调制率/超前角之间的关系的曲线图；
图4A、4B和4C是表示本发明的第一实施方式中控制操作的流程图；
图5A、5B和5C是表示本发明的第二实施方式中控制操作的流程图；
图6是现有的120°通电方法的电机控制装置的框图；
图7是现有的120°通电方法所述的相电流波形和感应电压波形之间的关系曲线图。
【具体实施方式】
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图1是表示用于控制本发明的三相DC无刷电机的电机控制装置的简略结构的控制框图，其基本结构与图6所示的现有的结构相同。因此，各图中，相同的结构标以相同的参考标记，为简化起见，对重复部分的说明从略。
图1中，电机控制装置100包括：PWM控制部104；电压控制部105；检测无刷电机(BLM)103的感应电压的感应电压检测部106；以及根据无刷电机103的感应电压检测转子的磁极位置的转子位置检测部107。另外，电机控制装置100还包括区域判断部108，该区域判断部108确定无刷电机的控制区处于控制无刷电机的输出电压的中/低速区域、还是处于控制电流相位的高速区域(即，弱磁场控制区域)。
该区域判断部108判断是否进行由感应电压检测部106执行的感应电压检测方法的切换。另外，电机控制装置100还备有检测模式切换单元109，根据由上述区域判断部108确定的区域，最适当地切换感应电压检测部106的感应电压检测方法。利用微机(图中未示出)等实现用这些参照符号104至109表示的块构成部，构成运算部110。
在运算部110中，通过区域判断部108及检测模式切换单元109的工作，最适当地在感应电压检测方法的模式A和B之间切换感应电压检测部106的工作模式，在控制无刷电机的输出电压的中/低速区域中，将感应电压检测方法切换为模式A，在控制电流相位的高速区域(弱磁场控制区域)中，将感应电压检测方法切换为模式B。因此，在电机控制装置100中，检测模式切换单元109利用微机等，在无刷电机的输出电压的调制率满足了预定的条件时，进行感应电压检测单元106的感应电压检测方法的切换。具体地说，在区域判断部108判断出无刷电机的转速是在输出电压控制区域、而且其调制率达到了预定的最大值时，用于输出电压控制区域的操作模式A切换到用于电流相位控制区域的操作模式B。
图2及图3是表示本发明的DC无刷电机的转速控制的控制区域的图。在图2及图3中，区域1是控制输出电压的控制低/中速控制区域，区域2是控制电流相位的需要进行弱磁场控制的高速区域。如图2所示，在区域1中，伴随倒相器的调制率的增加，通过转速的增加而控制电机转速增加。另外，在区域2中，伴随超前角的增加，通过转速的增加而控制电机转速增加。
这样，调制率在区域1中随电机转速的增加而增加，在区域2中保持不变。另一方面，超前角在区域1中保持不变，在区域2中与电机转速的增加而增加。
另外，在图3中示出了电机的转速相对于区域1中的调制率的关系、以及电机的转速相对于区域2的超前角的关系。使转速5为f，调制率3为γ。如果调制率等于或者小于100％，则f和γ之间的关系可简化为：
f≈a·γ(0％＜γ≤100％，a是任意常数：a＞0)
利用调制率控制电机的转速。例如，在调制率为等于或小于100％的区域中，调制率按照γi-1、γi、γi+1这样的阶跃增减。
使γmax为区域1中调制率的最大值γ1max。如果电机的转速增高，而且调制率达变成等于或者大于100％而且大于或小于γx。，则调制率和电机的转速之间的关系变为：
f≈b·γ(100％≤γ，a＞b＞0)
γ100％≤γ≤γx＜γmax(区域1的调制率的最大值γ1max)
γ100％：调制率100％
γx：调制率变化点≈(γ100％+γmax)/2
γmax：区域1的调制率的最大值γ1max
其中，b是a＞b＞0的任意常数。就是说，在该区域中，如果调制率以与调制率与等于或小于100％的区域相同的阶跃增加，则电机的转速的增减变小。即，电机转速的增加情况相对于调制率的增加情况变得迟钝。因此，为控制电机的转速的增减，以大于其调制率为等于或小于100％的区域中的阶跃的阶跃γi-2、γi、γi+2使调制率增加或降低。
如果转速变成等于或大于γx并等于或小于γmax，则f和γ之间的关系可简化为：
f≈c·γ(a＞b＞c＞0，γx≤γ≤γmax)
其中，c是任意常数。因此，与上述理由相同，为控制电机的转速的增减，仍然以更大的阶跃γi-3、γi、γi+3增加或降低调制率。在区域1中，输入电流相位的超前角是一定的。
另一方面，电机的转速在高速旋转的区域2中，与电机转速连动使输入电流相位超前。图3所示的区域2表示输入电流相位的超前角与电机的转速的关系。假设电机的转速为f，输入电流相位的超前角为θ，则
f＝f0(1+1/cosθ)
其中，f0为切换到区域2后的电机的转速，而且0°＝θ0≤θ≤90°，其中θ＝0为f0时的超前角，而且是区域2中的最小超前角。这时，如图2所示，调制率在区域2中是一定的，而且电机的转速不是用输出电压、而是用输入电流相位的超前角的增减进行控制。图2、图3中的点P表示区域1和区域2的切换点。
图4A至4C是表示电机的转速是如何从区域1切换到区域2的流程图。在图4A中，在区域1中(步骤101)，如果电机的转速增大，从而断定倒相器的调制率为预定的最大值γ1max，则识出切换点P(步骤102)，。之后，电机的转速转移到区域2的高速运转(步骤103)。如果电机的转速从区域1切换到区域2，则区域2中的调制率的预定的常数最大值γ2max，而且区域2的调制率最大值γ2max比区域1的调制率最大值γ1max大。当电机的转速如果进入区域2时，则通过控制输入电流相位的超前角，控制电机的转速。
另外，还能采用图4B或4C取代图4A所示的流程。在图4B中，从电机的区域1(步骤104)到区域2(步骤106)的切换条件是电机的区域1中的倒相器的调制率为预定的最大值γ1max，而且目标转速大于当前电机转速(步骤105)。另外，在图4C中，从电机的区域1(步骤107)到区域2(步骤109)的切换条件是电机的区域1中的倒相器的调制率为预定的最大值γ1max，而且目标转速大于当前电机转速加上电机的滞后分量(步骤108)。
(实施方式2)
下面说明本发明的第二实施方式。图5与第一实施方式相反，是从电流相位控制区域2切换到区域1的流程图。在图5A中，电机高速旋转而且电机转速在区域2的状态下(步骤110)，如果电机的转速减小，并断定电机的输入电流相位的超前角为预定的最小值θ2min(步骤111)，则识出切换点P，而且转速转移到区域1(步骤112)。如果电机的转速从区域2切换到区域1，则利用倒相器的调制率进行控制。这时，输入电流相位的超前角不变，区域1的输入电流相位的超前角最小值θ1min比区域2的输入电流相位的超前角最小值θ2min(θ0)小。
另外，还能采用图5B或5C取代图5A所示的流程。在图5B中，从区域2(步骤113)到区域1(步骤115)的切换条件是区域2中的电机的输入电流相位的超前角为预定的最小值θ2min，而且目标转速小于当前电机转速(步骤114)。
在图5C中，从区域2(步骤116)到区域1(步骤118)的切换条件是区域2中的电机的输入电流相位的超前角为预定的最小值θ2min，而且目标转速小于当前电机转速减去滞后分量(步骤117)。
从上述可知，根据本发明，如果区域1的调制率变成最大值，则电机的转速的从区域1向区域2切换。因此，能进行稳定的控制的切换，具有防止转速的过调、失调的效果。
另外，根据本发明，则通过使调制率最大值为100％以上，能最大限度地扩大从区域1切换到区域2。因此，能使电机控制稳定，具有防止转速的过调、失调的效果。
另外，根据本发明，如果使调制率为100％以上，则相对于调制率的增减能使电机的转速的增加或减小。增减调制率的阶跃在两个阶段中变得更大。这样，通过增大调制率的增减阶跃，进行稳定的电机控制，具有防止转速的过调、失调的效果。
另外，根据本发明，则从电机的转速的区域2向区域1切换时，如果输入的电流相位的超前角变成预定的最小值θ2min，则把转速切换到区域1。因此，能进行稳定的控制的切换，具有防止转速的过调、失调的效果。
另外，根据本发明，区域2的调制率的最大值γ2max比区域1的调制率的最大值γ1max大。因此，能使切换时的电机控制稳定，具有防止转速的过调、失调的效果。
另外，根据本发明，区域1的输入电流相位的超前角最小值θ1min比区域2的输入电流相位的超前角最小值θ2min小。因此，能进行稳定的控制的切换，具有防止转速的过调、失调的效果。