專利名稱：逆變器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用不使用磁極位置傳感器的無傳感器矢量方式控制電動機的逆變 器(inverter)裝置。
背景技術：
一直以來，在通過無傳感器矢量控制來操縱無刷電機(電動機)的情況下，根據流 過逆變器主電路的相電流計算電壓指令值、角頻率以及相位，作為檢測該相電流的裝置使 用小型并且便宜的分流電阻。使用該分流電阻的方式有兩種，一種是圖6所示的使用一個 分流電阻的方式(1分流方式)(例如參照專利文獻1)，另一種是圖1所示的為了檢測兩相 的相電流使用兩個分流電阻的方式(2分流方式)。(1分流方式)圖6表示前者的1分流方式的逆變器裝置100的電路結構圖。3是三相PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調制)方式的逆變器主電路，將從直流電源部4供應的電壓轉換 為任意的可變電壓、可變頻率的三相模擬交流電壓并輸出，供應給電動機(例如同步電動 機)6。即，逆變器主電路3包括U相用的上臂開關元件7u、U相用的下臂開關元件8u、V相 用的上臂開關元件7v、V相用的下臂開關元件8v、W相用的上臂開關元件7w和W相用的下 臂開關元件8w，各開關元件7U、8U、7V、8V、7W、8W中，使流入電動機6的線圈的電流回流的二 極管反向并聯連接。另外，所述的開關元件使用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵 型雙極性晶體管)(以下也是同樣的)。開關元件7u、8u、7V、8V、7W、8w在輸入基極的脈沖信號為“H”電平時變為導通 (on)，為“L”電平時變為關斷(off)。并且，采用分流電阻101與直流母線連接，直流母線電 流Idc (分流電流)流入該分流電阻101的結構。控制裝置102基于自身輸出的脈沖信號U、Ubar, V、Vbar, W、Wbar，將通過分流電 阻101檢測的直流母線電流Idc分配到各相，由此推算流入電動機6的三相電流，即U相電 流Iu、V相電流Iv和W相電流Iw。圖7表示逆變器裝置100的三相PWM方式所用的載波(carrier)的一個周期內(1 個載波頻率)的圖6的各開關元件的導通/關斷狀態與直流母線電流Idc (分流電流)。例 如，在圖7的圓圈2與圓圈3的期間內檢測直流母線電流Idc。在期間圓圈3中，U相用的上臂開關元件7u為導通，V相用的上臂開關元件7v為 導通，W相用的下臂開關元件8w為導通，因此W相的電流Iw(符號為負)被推算為期間圓 圈3中檢測的直流母線電流Idc。在期間圓圈2中，U相用的上臂開關元件7u為導通，V相用的下臂開關元件8v為 導通，W相用的下臂開關元件8w為導通，因此U相的電流Iu (符號為負)被推算為期間圓 圈2中檢測的直流母線電流Idc。 另外，根據U相電流Iu、V相電流Iv和W相電流Iw的和為零，也推算出U相電流
控制裝置102使用推算的三相的電流Iu、Iv、Iw，基于相位與角頻率指令值ω (速 度指令)計算旋轉坐標系的電壓指令值、角頻率推算值以及相位(例如專利文獻3中所示 的處理)，根據它們將旋轉坐標系的電壓指令值轉換為三相電壓指令值，進而對其進行脈寬 調制，輸出分別控制開關元件7u、8u、7v、8v、7w、8w的脈沖信號U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar。(2分流方式)圖1表示后者的2分流方式的逆變器裝置200的電路結構圖。同樣，3是三相 PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調制)方式的逆變器主電路，將從直流電源部4供應的 電壓轉換為任意的可變電壓、可變頻率的三相模擬交流電壓并輸出，供應給電動機(例如 同步電動機)6。即，逆變器主電路3包括U相用的上臂開關元件7u、U相用的下臂開關元 件8u、V相用的上臂開關元件7v、V相用的下臂開關元件8v、W相用的上臂開關元件7w和W 相用的下臂開關元件8w，同樣，各開關元件7U、8U、7V、8V、7W、8W中，使流入電動機6的線圈 的電流回流的二極管反向并聯連接。開關元件7u、8u、7V、8V、7W、8w同樣在輸入基極的脈沖信號為“H”電平時變為導 通，為“L”電平時變為關斷。并且，在此情況下，采用分流電阻11、12與U相用的下臂及V 相用的下臂連接，U相電流Iu流入分流電阻11，V相電流Iv流入分流電阻12的結構。控制裝置201從分流電阻11檢測U相電流Iu，從分流電阻12檢測V相電流Iv。 另外，如前所述，根據U相電流Iu、V相電流Iv和W相電流Iw的和為零，推算出W相電流 Iw0控制裝置201使用檢測及推算的三相的電流Iu、Iv、Iw，基于相位與角頻率指令值 ω (速度指令)計算旋轉坐標系的電壓指令值、角頻率推算值以及相位(上述的專利文獻3 中所示的處理)，根據它們將旋轉坐標系的電壓指令值轉換為三相電壓指令值，進而對其進 行脈寬調制，輸出分別控制開關元件7u、8u、7v、8v、7W、8W的脈沖信號U、Ubar、V、Vbar、W、 Wbar0專利文獻1 日本特開號公報專利文獻2 日本特許第3674578號公報專利文獻3 日本特開號公報如上所述在任意一種方式中都得到各臂相的電流并實現無傳感器矢量控制，但在 上述的1分流方式中，在上臂的導通期間挨得很近的區域中，圖7的圓圈2或圓圈3的區 域變窄，通過分流電阻檢測的電流中產生振鈴(ringing)(信號劇烈變化時電路的電感或 反射產生的波形混亂)，因此變得無法檢測正確的電流值，其結果是變得只能檢測一相的電 流。這樣，存在僅通過該一相的電流無法計算矢量控制中使用的d-q電流的問題。另一方面，圖8中表示上述的2分流方式中逆變器裝置200的載波的一個周期(一 個載波頻率)內的圖1的各開關元件的導通/關斷狀態。圖8的左側表示相位為30°時各 開關元件的導通/關斷狀態，中央表示相位為60°時各開關元件的導通/關斷狀態，右側表 示相位為90°時各開關元件的導通/關斷狀態。從該圖8可知，在占空比(duty)為100%的高負載狀態下，相位90°處U相用的 下臂開關元件8u在一個載波頻率的整個區域中均關斷，因此在相位90°附近變得無法檢 測U相的電流Iu。同樣，在相位210°附近V相的電流Iv變得無法檢測，在相位330°附近
4W相的電流Iw變得無法檢測。這種情況并不限于100%的占空比，在接近100%的值(例如 85% 95%的值以上)時也是同樣的。圖9是在2分流方式中檢測出實際流入分流電阻的U相的電流Iu及V相的電流 Iv的圖。可以看出，對于U相的電流Iu而言在相位90°附近的前后，或者對于V相的電流 Iv而言在相位210°附近的前后，分別無法檢測正確的電流值。在此之后的相位中，同樣也 無法檢測正確的電流值。這樣，在使用分流電阻的相電流的檢測方式中，在特定的相位處變得無法檢測電 流，因此例如在1分流方式中采用增減一部分相的導通期間以檢測電流的方法，或者推算 無法檢測的相的電流的方法(參照上述專利文獻1)。另外，在2分流方式中只能檢測特定的兩相，因此需要采用對三相均設置分流電 阻并根據相位改變檢測的相等方法，A/D轉換變得復雜，另外電阻部件的數目也增加，存在 發熱增大等問題(例如參照專利文獻2)。

發明內容
本發明為了解決相關的以往技術的問題而作，其目的是在上述2分流方式中，能 夠在不增加分流電阻的情況下實現準確的無傳感器矢量控制。第1發明的特征在于，包括逆變器主電路，將由進行相反的導通/關斷動作的兩 個開關元件與直流電源串聯連接而成的三個臂連接為三相橋狀，將三相PWM方式的三相模 擬交流電壓施加到電動機上；分流電阻，與該逆變器主電路的三個臂中的至少兩個臂串聯 地與所述直流電源連接；以及控制單元，以指定周期檢測流入所述分流電阻的電流，基于該 檢測的電流，控制所述逆變器主電路的各個開關元件的導通/關斷動作；所述控制單元將 所述開關元件的導通時間連續為指定值以下的特定角度范圍所對應的約180°前的時間檢 測的電流值替換用作該特定角度范圍的電流值。第2發明的特征在于，包括逆變器主電路，將由進行相反的導通/關斷動作的兩 個開關元件與直流電源串聯連接而成的三個臂連接為三相橋狀，將三相PWM方式的三相模 擬交流電壓施加到電動機上；分流電阻，與該逆變器主電路的三個臂中的至少兩個臂串聯 地與所述直流電源連接；以及控制單元，以指定周期檢測流入所述分流電阻的電流，基于該 檢測的電流，控制所述逆變器主電路的各個開關元件的導通/關斷動作；所述控制單元根 據所述開關元件的導通時間連續為指定值以下的特定角度范圍所對應的約180°前的附近 的多個流入分流電阻的電流值，通過運算計算出現在的電流值，將該計算出的值替換用作 所述特定角度范圍的電流值。發明效果根據本發明，在根據電壓指令值判斷出無法檢測正確的電流值的情況下，將以前 檢測的電流值中，如約180°前的相位的電流那樣，極性相反，并且具有相同或大致相同的 絕對值的電流值用作現在的電流值，因此在所謂的2分流方式中，能夠在不進一步增加分 流電阻的情況下實現準確的無傳感器矢量控制。進而，如第2發明那樣，根據約180°前的相位的多個電流值通過運算計算出現在 的電流值，則能夠更加正確地求出現在的電流值。


圖1是本發明的一個實施方式的逆變器裝置的電路結構圖。圖2是圖1的逆變器裝置中的控制裝置的功能模塊圖。圖3是說明圖2的控制裝置的動作的流程圖。圖4(a)是某個特定相電流保存存儲器的結構圖，(b)是說明圖3的步驟S3的流 程圖。圖5是說明圖2的控制裝置的動作的電壓指令值100%占空比時三相調制的特性 圖。圖6是以往的1分流方式的逆變器裝置的電路結構圖。圖7是表示圖6的逆變器裝置的1個載波頻率內的各開關元件的導通/關斷狀態 與直流母線電流的圖。圖8表示圖1的逆變器裝置的1個載波頻率內的各開關元件的導通/關斷狀態。圖9是表示圖1的2分流方式中的分流電阻的電流檢測波形的圖。符號說明1逆變器裝置；3逆變器主電路；4直流電源部；6電動機；7u、8u、7V、8V、7W、8w開關 元件；11、12分流電阻；13控制裝置。
具體實施例方式下面基于附圖詳細描述本發明的實施方式。實施例的逆變器裝置1例如是驅動汽 車空調器的壓縮機電機的裝置，電路結構與圖1所示的結構相同。另外，圖2是圖1的控制 裝置(控制單元)13的功能模塊圖。從圖1開始重新說明，3是三相PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調制)方式的 逆變器主電路，將從直流電源部4供應的電壓轉換為任意的可變電壓、可變頻率的三相模 擬交流電壓并輸出，供應給電動機(例如同步電動機)6。對于電動機6的無傳感器矢量控 制，在三相(U相、V相、W相)線圈中的兩個線圈中流過電流，每隔60度電角度切換一次通 電的線圈，從未通電的開放相檢測誘發電壓，由此檢測其過零(S π々π 7 )的時機，能夠 每隔60度檢測一次轉子的位置。例如，在從U相向V相通電的區間中能夠檢測開放相W相 的過零。逆變器主電路3包括U相用的上臂開關元件7u、U相用的下臂開關元件8u、V相用 的上臂開關元件7v、V相用的下臂開關元件8v、W相用的上臂開關元件7w和W相用的下臂 開關元件8w，各開關元件7u、8u、7v、8v、7w、8w中，使流入電動機6的線圈的電流回流的二極 管反向并聯連接。開關元件7u、8u、7V、8V、7W、8w在輸入基極的脈沖信號為“H”電平時變為導通，為 “L”電平時變為關斷。并且，在此情況下，采用分流電阻11、12與U相用的下臂及V相用的 下臂連接，U相電流Iu流入分流電阻11，V相電流Iv流入分流電阻12的結構。接著，在圖2中，此情況的控制裝置13由電流檢測部21、電流轉換部22、控制部 23、電壓轉換部24以及PWM控制部26等構成。電流檢測部21以指定周期檢測流過分流電 阻11的U相電流Iu，并檢測流過分流電阻12的V相電流Iv。另外，如前所述，根據U相電 流Iu、V相電流Iv和W相電流Iw的和為零，推算出W相電流Iw (2分流方式)。
電流轉換部22基于三相PWM方式的逆變器主電路3的相位θ，將三相電流Iu、 Iv、Iw轉換為旋轉坐標(Y _ δ )系的電流I δ、I Y。該旋轉坐標(γ - δ )系是前述專利文 獻3中記載的γ-δ軸(控制軸)，是以旋轉磁場的角頻率推算值旋轉的正交坐標系。控制部23包括速度/電流控制部23Α和速度/相位推算部23Β，速度/電流控制 部23Α基于從外部輸入的轉子的角頻率指令值ω和從電流轉換部22輸出的旋轉坐標系的 電流I S、I Y，計算三相PWM方式的逆變器主電路3的旋轉坐標系的電壓指令值V δ、V γ。 另外，速度/相位推算部23Β基于所述旋轉坐標系的電流I δ、Ι γ和電壓指令值V δ、V γ， 計算三相PWM方式的逆變器主電路3的角頻率推算值ω*以及相位θ。該控制部23的基 本處理與前述專利文獻3中記載的相同。 如前所述，在2分流方式中，電壓指令值變為占空比100 %的高負載狀態后，如圖8 那樣在相位90°處U相用的下臂開關元件8u在1個載波頻率的整個區域中關斷，因此在相 位90°附近變得無法檢測U相的電流Iu。同樣，在相位210°附近變得無法檢測V相的電 流Iv，在相位330°附近變得無法檢測W相的電流Iw。另一方面，從現在起180°前的相位的電流值與現在的電流值極性相反，并且為大 致相同的絕對值。另外，180°前的附近相位的電流值與現在的電流值極性相反，并且為大 致相同的絕對值。因此，在本發明的實施方式中，在后述的電壓指令值Vv、Vu、Vw的占空比 超過稍小于100% (例如85%。或者85% 95%中的任一值。以下同)的值H · Duty的 情況下，電流檢測部21不進行U相電流Iu、V相電流Iv的檢測和W相電流Iw的推算。并 且，電流檢測部21根據從現在的相位起180°前的相位或180°前的附近相位的電流值來 計算現在的電流值。例如，在圖5的相位P2處電壓指令值的占空比超過H · Duty的情況下，判斷為變 得無法檢測U相電流Iu，采用從此處起180°前的相位P3(或者其附近的相位)的U相電 流Iu，認為其極性反轉了的相同值的相電流Iu為現在流動的相電流。V相電流Iv和W相 電流Iw也是如此。在此情況下，電流檢測部21認為在相位P2以前的采樣時由速度/相位推算部23B 推算的角頻率推算值ω*也與現在相同(即，假設以相同的速度轉動)，認為以該角頻率持 續到下一個采樣，從而掌握現在(Ρ2)的相位θ。并且，根據該Ρ2的相位確定180°前的相 位或180°前的附近的相位Ρ3。電流轉換部22基于上述相位θ，將推算的三相電流Iu、Iv、Iw轉換為旋轉坐標 (Y - S )系的電流I s、I Y。并且，速度/電流控制部23Α基于從外部輸入的轉子的角頻率 指令值ω和從電流轉換部22輸出的旋轉坐標系的電流I δ、I Υ，計算三相PWM方式的逆 變器主電路3的旋轉坐標系的電壓指令值V δ、V γ。另外，速度/相位推算部23Β基于所 述旋轉坐標系的電流I S、I Υ和電壓指令值V δ、V γ，計算三相PWM方式的逆變器主電路 3的角頻率推算值ω*以及相位θ。電壓轉換部24基于三相PWM方式的逆變器主電路3的相位θ將旋轉坐標系的電 壓指令值ν δ、v γ轉換為三相電壓指令值，即U相的電壓指令值Vu、V相的電壓指令值Vv、 W相的電壓指令值Vw。PWM控制部26對三相電壓指令值Vu、Vv、Vw進行脈寬調制(占空比)，輸出分別控 制開關元件 7u、8u、7v、8v、7w、8w 的脈沖信號 U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar。
圖3是表示以上動作的控制裝置13的流程圖。S卩，在步驟S 1中電流檢測部21以 指定周期檢測流過分流電阻11的U相電流Iu，并檢測流過分流電阻12的V相電流IV。另 外，如前所述，根據U相電流Iu、V相電流Iv和W相電流Iw的和為零，推算出W相電流Iw。接著，電流檢測部21在步驟S2中判斷電壓指令值Vv、Vu、Vw的PMW占空比是否為 指定值H-Duty (前述的85% )以上，在小于H-Duty的情況下進入步驟S4，在位于H-Duty 以上的情況下進入步驟S3。在該步驟S3中電流檢測部21根據從現在的相位起180°前的相位或180°前的 附近的相位的電流值計算現在的U相電流Iu、V相電流Iv和W相電流Iw。在此情況下，采 用180°前的相位或180°前的附近的相位的電流值，認為其極性反轉了的相同值的電流 為現在流動的電流。具體而言，在控制裝置13內，為每個相電流設置保存該相電流的相電流保存存儲 器，該相電流保存存儲器中以圖4(a)所示的方式成對保存電動機6的轉子的推算角度以及 檢測出的相電流的值，這些數據隨著電動機6的旋轉以覆蓋的方式依次被重寫。在圖4(b)的步驟S31中，控制裝置13根據現在的推算角度θ求出180°前的角 度θρ。在步驟S32中，判斷相電流保存存儲器內是否保存(存儲)有與該角度θρ—致的 推算角度θ。如果保存有一致的角度，則將與該角度對應的檢測相電流-Iu ( θ ρ)作為推算相 電流 Iu’(θ)。另一方面，如果未保存一致的角度，則在步驟S34中，將與該角度θρ前后的角度 對應的檢測相電流Iu( θ 1)、IU( θ 2)從相電流保存存儲器中檢索讀出。在步驟S35中，基于步驟S34中求出的檢測相電流的值進行線性插值的運算，最終 求出推算相電流Iu’(θ)。接著，進入步驟S4，電流轉換部22基于三相PWM方式的逆變器主電路3的相位θ， 將三相電流Iu、Iv、Iw轉換為旋轉坐標(Y - δ )系的電流I δ、I γ。接著，進入步驟S5，控制部23的速度/相位推算部23Β基于上述旋轉坐標系的電 流I δ、I γ和電壓指令值V δ、ν γ，計算三相PWM方式的逆變器主電路3的角頻率推算值 ω*以及相位θ。接著，在步驟S6中控制部23的速度/電流控制部23Α輸入從外部輸入的轉子的 角頻率指令值ω，在步驟S7中基于從電流轉換部22輸出的旋轉坐標系的電流I δ、Ι Υ，計 算三相PWM方式的逆變器主電路3的旋轉坐標系的電壓指令值V δ、V γ。接著，在步驟S8中電壓轉換部24基于三相PWM方式的逆變器主電路3的相位θ 將旋轉坐標系的電壓指令值νδ、νγ轉換為三相電壓指令值，即U相的電壓指令值Vu、V相 的電壓指令值Vv、W相的電壓指令值Vw。接著，在步驟S9中P麗控制部26對三相電壓指令值Vu、Vv、Vw進行脈寬調制(占 空比)，輸出分別控制開關元件7u、8u、7v、8v、7w、8w的脈沖信號U、Ubar、V、Vbar、W、Wbar。這樣，控制裝置13在根據電壓指令值判斷出無法檢測電流值的情況下，根據以前 檢測的電流值中180°前的相位或該180°前的附近的相位的電流值，即與現在的電流極 性相反，并且具有相同或大致相同的絕對值的電流值計算現在的電流值，因此在所謂的2 分流方式中，能夠在不進一步增加分流電阻的情況下實現準確的無傳感器矢量控制。
特別地，認為上次采樣時計算的角頻率推算值也與現在相同，從而推算現在的相 位，由此，確定以前的相位的工作也能準確地進行。另外，在上述的實施方式中，根據180°前的相位或其附近相位的電流值計算現 在的電流值，但并不限定于此，也可以基于例如180°前的前后兩個相位的電流值，或者 180°前及其附近相位的更多的多個相位的電流值，從這些值按照指定計算式(運算)計算 現在的電流值。通過這樣做，能夠更為正確地進行現在的電流值的推算。
權利要求
一種逆變器裝置，其特征在于，包括逆變器主電路，將由進行相反的導通/關斷動作的兩個開關元件與直流電源串聯連接而成的三個臂連接為三相橋狀，將三相PWM方式的三相模擬交流電壓施加到電動機上；分流電阻，與該逆變器主電路的三個臂中的至少兩個臂串聯地與所述直流電源連接；以及控制單元，以指定周期檢測流入所述分流電阻的電流，基于該檢測出的電流，控制所述逆變器主電路的各個開關元件的導通/關斷動作；所述控制單元將所述開關元件的導通時間連續為指定值以下的特定角度范圍所對應的約180°前的時間檢測出的電流值替換用作該特定角度范圍的電流值。
2.一種逆變器裝置，其特征在于，包括逆變器主電路，將由進行相反的導通/關斷動作的兩個開關元件與直流電源串聯連接 而成的三個臂連接為三相橋狀，將三相PWM方式的三相模擬交流電壓施加到電動機上； 分流電阻，與該逆變器主電路的三個臂中的至少兩個臂串聯地與所述直流電源連接；以及控制單元，以指定周期檢測流入所述分流電阻的電流，基于該檢測出的電流，控制所述 逆變器主電路的各個開關元件的導通/關斷動作；所述控制單元根據所述開關元件的導通時間連續為指定值以下的特定角度范圍所對 應的約180°前的附近的多個流入分流電阻的電流值，通過運算計算出現在的電流值，并將 該計算出的值替換用作所述特定角度范圍的電流值。
全文摘要
一種逆變器裝置，在2分流方式中，能夠在不增加分流電阻的情況下實現準確的無傳感器矢量控制。該逆變器裝置具備逆變器主電路，將由進行相反的導通/關斷動作的兩個開關元件與直流電源串聯連接而成的三個臂連接為三相橋狀，將三相PWM方式的三相模擬交流電壓施加到電動機上；分流電阻，與逆變器主電路的三個臂中的至少兩個臂串聯地與直流電源連接；以及控制單元，以指定周期檢測流入分流電阻的電流，基于該檢測的電流，控制逆變器主電路的各個開關元件的導通/關斷動作；控制單元將開關元件的導通時間連續為指定值以下的特定角度范圍所對應的約180°前的時間檢測的電流值替換用作該特定角度范圍的電流值。
文檔編號H02M7/5395GK101960712SQ20098010807
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月10日 優先權日2008年3月12日
發明者井上英俊, 野島健二 申請人:三洋電機株式會社