专利名称：电动机控制设备及使用其的洗衣机和干燥机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制同步电动机的电动机控制设备，更具体地，涉及一种电动机控制设备，用于控制电动机而不使用位置传感器，以及涉及一种具有这样的电动机控制设备的电子设备。
背景技术：
到目前为止，一种所谓的全自动的洗衣机，使从洗衣到脱水的所有处理自动化。
例如，传统全自动洗衣机设计为在洗衣开始之前检测在洗衣-脱水罐中放入的衣服量(洗衣量)，以便平稳地执行从洗衣到脱水的处理。在传统的衣服量检测方法中，使用霍尔元件来检测电动机中的转子的旋转相位，并且通过根据来自霍尔元件的信号来检测转子的旋转相位，将电动机驱动为指定的速度。此时，还检测电动机的电流，并且总计在电动机以预定速度旋转的同时所流过的电动机电流。根据所总计的电动机电流和在停止驱动信号并直到电动机减慢到预定速度为止的惯性时间，对衣服量进行检测(见专利文献1)。
在另一个现有技术中(被称为“第二现有技术”)，公开了一种不使用位置传感器来检测衣服量的技术。其中检测流过电动机的电流以估算电动机的旋转相位和旋转速度，并且利用由矢量运算所获得的转矩轴电流分量来检测衣服量(见专利文献2)。
在不同现有技术(此后被称为“第三现有技术”)中的一种电动机控制设备检测在电动机中所提供的无功电流，并且通过反馈进行控制，从而使该值可以达到目标值(见专利文献3)。下面将参考图24来描述第三现有技术。
图24是第三现有技术中的电动机控制设备的方框图。在该图中，由逆变器电路702将直流电源701的直流电压转换为交流电压，并且通过电动机电流检测器704提供给电动机703。
在逆变器控制器55中，处理单元58根据针对电动机施加电压的命令值来创建并输出PWM命令，并且控制逆变器电路702的开关元件来驱动电动机703。此时，电动机电流检测器704检测在电动机703中流动的电流，并且输出检测信号。检测器57根据该检测信号来计算电动机电流的无功分量。设置单元56输出旋转频率命令值和无功电流命令值。处理单元58通过根据无功电流命令值和无功电流检测值的误差来进行计算，产生所施加的电压命令，根据所施加的电压命令来产生PWM命令值，以将其输出到逆变器702，从而在下一个控制周期中再次控制逆变器702。
***专利文献1JP 09-253379A***专利文献2JP 2002-360970A***专利文献3JP 2002-048418A在第一现有技术中的洗衣机包括位置传感器，用于检测电动机驱动和衣服量，而诸如霍尔元件的位置传感器是昂贵的，并且需要针对位置传感器信号的接线，这对于减少尺寸和降低成本而言产生了矛盾。此外，与电动机的容许温度相比，位置传感器对周围环境具有更低的容许温度。特别地，在从洗衣到干燥连续操作的洗衣-干燥机中，限制了位置传感器的安装位置，并且当设计洗衣-干燥机的机构时，存在明显的限制。
此外，根据在安装位置传感器的位置误差，转子的实际相位可能不同于从霍尔元件中输出的相位信号。在这种情况下，控制器利用错误的相位信号来计算并确定所施加的电压，因此，电动机效率可能会偏离最佳点之外。因此，可能会降低电动机效率，或者可能会引起振动噪声。此外，如果位置传感器损坏，则电动机根本无法驱动，并且牺牲了整个洗衣机的可靠性。
在第二现有技术中的洗衣机不具有位置传感器，因此具有以下优点不会如第一现有技术中那样发生由位置传感器所引起的问题。然而，在滚筒式洗衣机的情况下，在洗衣操作期间，要洗的衣物由旋转罐升起并且在到达顶点时落下。该洗衣操作引起了旋转罐从90度到180度的每一次旋转时，要洗的衣物的一次下落，并且要洗的衣物的下落引起了负载的较大变化，这是对于旋转旋转罐的电动机的较大负载变化。所述罐的旋转速度应该较低，这是由于高旋转速度会引起要洗的衣物由于离心力而粘到旋转罐上，要洗的衣物不会下落，并且无法去除在要洗的衣物上的污物。其中不使用位置传感器而根据电动机电流来估算电动机位置的第二现有技术具有估算位置所需的旋转速度的下限。当应用于诸如滚筒式洗衣机的洗衣机时，以较低的旋转速度来驱动这样的洗衣机并伴随着负载的较大变化，第二现有技术可能会引起与实际值相偏离的位置估算，并且可能会无法跟踪负载的波动，导致了失调。在第二现有技术中，利用矢量控制来驱动电动机，并且必须检测负载转矩或与其等价的其它因数。如上所述，负载根据要洗的衣物的下落动作而突然改变，因此，难以检测负载转矩，这导致不可能利用第二现有技术来驱动滚筒式洗衣机。
由于这样配置在第三现有技术中的无传感器DC电动机的控制设备，因此，当在旋转时的负载转矩变化幅度较陡并较大时，电流馈送相位的偏差引起了电动机效率的降低、由于速度波动而引起的振动以及失调。
还未考虑到由于突然负载变化而引起的失调的装置或在振动情况下的保护装置。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种小型、低成本并且高可靠性的电动机控制设备，即使当负载转矩波动较大时，也能够获得稳定的旋转，而无需位置传感器，并且能够检测由于突然负载波动而引起的失调和振动。
在本发明的第一方面中，一种本发明的电动机控制设备包括逆变器电路，用于向电动机提供驱动功率，电动机电流检测器，用于检测在电动机中流动的电流；以及逆变器控制器，用于根据来自电动机电流检测器的输出来控制逆变器电路。逆变器控制器包括设置单元，用于设置用于控制电动机的操作状态的各种命令值；以及操作单元，用于根据设置单元的设置来控制逆变器电路，从而实现操作状态。所述设置单元设置命令值，从而使作为旋转轴和电动机感应电压之间的角度的负载角可以位于比用于在负载角和输出转矩特性中提供最大输出转矩的负载角更小的一侧上。
所述逆变器控制器还可以包括用于检测电动机的负载量的负载量检测单元。所述负载量检测单元可以通过检测有功电流、所施加的电压命令值和电动机电流之间的相位差φ、所施加的电压命令值和电动机感应电压之间的相位差α、以及作为旋转轴的q轴和电动机电流之间的相位差β中的任一个，来检测负载量。此时，所述设置单元根据从负载量检测单元中所获得的负载量来设置电动机的操作状态。此外，所述负载量检测单元至少在启动电动机驱动时或在电动机驱动期间，检测电动机的负载量。
优选地，设置装置可以根据用于命令无功电流的命令值、用于命令所施加的电压命令值和电动机电流之间的相位差φ的命令值、用于命令所施加的电压命令值和电动机感应电压之间的相位差α的命令值、或用于命令旋转轴的q轴和电动机电流之间的相位差β的命令值，来控制负载角。
此外，所述逆变器控制器还可以包括异常状态检测单元，用于根据电动机电流的改变量来检测电动机的异常。此时，设置单元改变设置，从而当检测到电动机异常时进行预定处理。例如，设置单元可以进行设置，从而一旦当异常状态检测单元检测到异常时，就停止电动机操作，并且在恢复操作状态之后重新开始电动机操作。
在本发明的第二方面中，一种电动机控制设备包括逆变器电路，用于向电动机提供驱动功率，电动机电流检测器，用于检测在电动机中流动的电流；以及逆变器控制器，用于根据来自电动机电流检测器的输出来控制逆变器电路。所述逆变器控制器包括用于检测负载量的负载量检测单元。所述负载量检测单元确定电动机电流的有功电流分量，根据在前一个周期中获得的电动机电流的有功电流分量来计算改变量，以及将改变量与预定值进行比较。当改变量小于预定值时，所述负载量检测单元逐渐增加电动机电流的无功电流分量，直到电动机电流的有功电流分量的改变量超过了预定值为止。当改变量大于预定值时，所述负载量检测单元根据此时的电动机电流的无功电流分量来判断负载量。
根据本发明，可以提供一种洗衣机，其中，获得了稳定的旋转，而无需使用位置传感器，即使在诸如滚筒型洗衣机中发生了电动机负载转矩的较大波动的情况下，可以检测由于突然且较大的负载波动而造成的失调和振动，减小了尺寸，降低了成本，并且简化了接线，在电动机机构设计中存在较小的限制，并且可靠性很高。
根据本发明，由于反馈控制周期较短，因此提供了一种更高可靠性的洗衣机。而且，可以形成控制环，而不使用电动机参数，因此，可以提供直接适合于具有不同电动机参数的电动机的洗衣机。可以节省要使用的电动机参数的数量，因此，可以提供一种具有简化的调节的洗衣机。由于未进行矢量控制，还可以控制电动机，而不使用电流副回路，缩减了算术运算的量，并且可以提供一种使用了廉价微型计算机的洗衣机。
根据本发明，如果在启动电动机驱动之后发生了诸如失调的异常，可以检测该异常，而不使用位置传感器。当检测到异常时，可以根据负载波动来重新设置设置值，并且能够在失调发生之后重新开始操作，而且能够实现一种即使在发生不期望的负载波动的情况下也能够驱动电动机的洗衣机。
图1是本发明第一实施例的电动机控制设备的方框图。
图2是示出了电动机施加电压、电动机电流及其相位差的矢量图，而图2B是当电动机电流被展开为有功电流分量和无功电流分量时的矢量图。
图3是示出了负载角度δ和输出转矩的关系的图。
图4是在第一实施例中的负载量的检测处理的流程图。
图5是示出了无功电流命令值和负载角度之间的关系的图。
图6是示出了针对相位差φ的命令值和负载角之间的关系的图。
图7是示出了针对相位差α的命令值和负载角之间的关系的图。
图8是示出了针对相位差β的命令值和负载角之间的关系的图。
图9是具有利用相位差φ来检测负载量的负载量检测单元的电动机控制设备的方框图。
图10是具有利用相位差α来检测负载量的负载量检测单元的电动机控制设备的方框图。
图11是具有利用相位差β来检测负载量的负载量检测单元的电动机控制设备的方框图。
图12A是在本发明第二实施例中的电动机控制设备的方框图。
图12B是在第二实施例中的设置单元的详细方框图。
图13是示出了无功电流命令值和输出转矩之间的关系的图。
图14是在本发明第三实施例中的电动机控制设备的方框图。
图15是示出了针对相位差φ的命令值和输出转矩之间的关系的图。
图16是在本发明第四实施例中的电动机控制设备的方框图。
图17是示出了针对相位差α的命令值和输出转矩之间的关系的图。
图18是在本发明第五实施例中的电动机控制设备的方框图。
图19是示出了针对相位差β的命令值和输出转矩之间的关系的图。
图20是在第六实施例中的负载量的检测处理的流程图。
图21是在本发明第七实施例中的电动机控制设备的方框图。
图22是在第七实施例中的异常检测处理的流程图。
图23是本发明的洗衣机的方框图。
图24是传统电动机控制设备的方框图。
具体实施例方式
现在将参考附图，对本发明的电动机控制设备和洗衣机的优选实施例进行描述。
第一实施例(结构)将描述本发明的电动机控制设备的第一优选实施例。图1是第一实施例中的电动机控制设备的方框图。该电动机控制设备包括逆变器电路2，用于将来自DC电源1的DC(直流)电压转换为用于驱动电动机3的AC(交流)电压；电动机电流检测器4，用于检测在电动机3中流动的电流；以及逆变器控制器5E，用于控制逆变器电路2。
例如，电动机3可以是同步无刷电动机，并且不包括用于检测转子位置的位置传感器。
逆变器电路2具有六个开关元件(例如，闸流管、GTO、晶体管等)，构成了三个相位的臂；以及与开关元件并联的二极管。逆变器电路2接收来自DC电源1的DC功率，并且响应来自逆变器控制器5E的控制信号(PWM信号)，将该功率转换为AC功率，以便通过电动机电流检测器4将转换后的AC功率提供给无刷电动机3。
例如，电动机电流检测器4可以由能够检测DC电流或AC电流的DC电流传感器、或者与DC电流传感器相比较便宜的AC电流传感器来实现。对于电流的检测，通过将电阻元件与构成逆变器电路2的三个相位的臂的每一个开关元件串联，并且根据在三个相位的臂中流动的电流来计算检测值，可以使用旁路检测系统。该旁路检测系统可以使该电流检测器与利用交流电流传感器相比具有更低的成本。
逆变器控制器5E包括设置单元6E，用于设置用于驱动电动机的不同设置值；处理单元8，用于向逆变器电路2输出控制信号；以及负载量检测单元7A，用于检测负载量(幅度)。负载量检测单元7A包括有功电流计算单元73，用于根据来自电动机电流检测器4的信号来计算电动机电流的有功电流分量(此后，仅称之为“有功电流”)；变化计算单元72，用于计算有功电流计算单元73的输出的改变(变化)量；以及负载量确定单元71，用于根据有功电流的改变量来确定负载量。
将电动机电流检测器4的输出输入到逆变器控制器5E的处理单元8。负载量检测单元7A根据在处理单元8中计算出的数值来计算负载量，以将其施加到设置单元6E。设置单元6E设置用于控制逆变器电路2的不同设置值。该设置单元6E包括频率设置单元60和无功电流命令单元61。应该注意在本申请人的现有技术(日本专利申请No.2002-048418)中公开了在本实施例和以下实施例中所述的无功电流命令、相位差φ命令、相位差α命令和相位差β命令的控制。
(参数)下面将定义在本发明的电动机控制设备的控制中所使用的参数。图2A是示出了在d-q坐标系上所表达的、电动机施加电压命令值Va、感应电压V0、以及在电动机3中流动的电动机电流Is之间的关系的矢量图。由在电动机3的转子中所设置的磁体所产生的电压位于q轴上，而在电动机3的转子和定子之间产生的、包括无功分量的感应电压为V0。在电动机施加电压命令值Va和感应电压V0之间的矢量差是电动机绕组电阻R乘以电动机电流Is所得到的乘积。电动机电流的无功电流分量(此后称之为“无功电流”)Ir是在与所施加的电压命令值Va的方向垂直的方向上的电动机电流Is的分量。电动机电流的有功电流Ia是在所施加电压命令值Va的方向上的电动机电流Is的分量。即，假定在所施加的电压命令值Va的方向上绘制a轴而在其垂直方向上绘制r轴的坐标系，如图2B所示，则无功电流Ir是电动机电流Is的r轴方向的分量，而有功电流Ia是电动机电流Is的a轴方向的分量。这里，φ是所施加的电压命令值Va和电动机电流Is之间的相位差，示出了功率因数角。
根据由电动机电流检测器4所检测到的U相位、V相位和W相位的电流Iu、Iv、Iw，按照以下的公式来确定无功电流Ir和有功电流Ia的值。
Ir=23×{Iu×cosθ+Iv×cos(θ-23π)+Iw×cos(θ-43π)}--(1)]]>Ia=23×{Iu×sinθ+Iv×sin(θ-23π)+Iw×sin(θ-43π)}--(2)]]>(适当的负载角)在本优选实施例中，即使当负载突然且显著地改变时，为了通过设置单元6E来实现稳定的电动机驱动，根据所期望的负载波动量，将控制下的负载角δ的驱动点的位置设置在适当的位置处。下面将解释驱动点的适当位置。
图3是示出了在恒定电动机旋转速度和对电动机的恒定施加电压的情况下的负载角δ和输出转矩之间的关系的图。从该图中已知，当负载角δ在该条件下增加时，电动机输出转矩逐渐增加，然后在峰值之后减小。
在通常的最大转矩控制下，设置负载角δ，以便将驱动点保持在提供最大转矩的驱动点c附近。然而，当在驱动点c附近操作的同时，当负载突然且较大波动而增加时，转矩不足且负载角δ增加，直到控制系统响应该波动而增加所施加的电压为止。也就是，当在驱动点c操作的同时，负载突然并较大地增加时，负载角δ增加，直到控制系统作出响应为止。然后，输出转矩根据图3所示的特性而减小，并且速度下降，并且由此，负载角进一步增加，当控制系统拥有较低的速度时，可能会导致失调现象。
另一方面，当负载突然且较大波动而减小时，即使当由于控制系统的响应，所施加的电压未减小时，负载角δ也会减小，并且输出转矩根据图3所示的特性发生改变而减小。也就是，由于输出转矩随着负载的减小而减小，因此能够实现稳定的操作。
因此，在本发明的电动机控制设备中，为了针对突然和较大的负载波动，特别是增加的波动来稳定地驱动电动机，设置单元6E不将负载角δ设置在用于实现最大转矩控制的驱动点c附近，而设置在将不超过驱动点c的负载角处，即使在负载波动而增加的情况下，即，设置在比驱动点处的负载角δ小指定量的负载角处。
例如，设置单元6E进行操作，从而设置负载角δ，以使驱动点可以在图3中的驱动点b附近。在这种情况下，如果负载波动而突然且较大地增加，负载角δ也会增加。于是，驱动点从b移动到c，并且转矩由于负载角δ的增加而增加。因此，转矩可以比由于控制系统的响应而引起的增加更快地增加，这导致了稳定的电动机驱动，而与负载的波动无关。
如果预测到负载波动的更大和突然增加，设置单元6E将负载角δ设置在图3中的驱动点a附近。结果，如果驱动点由于更大的负载波动而发生改变，则驱动点将不会改变并超过c，可以稳定地驱动电动机。
因此，根据本发明，设置单元6E根据所预测到的负载波动量，将负载角δ设置在适当值处。由此，可以稳定地驱动电动机，而与突然且较大的负载波动无关。
(负载量的检测)为了确定适当的负载角δ，必须估算负载量，并且在本优选实施例中，在启动电动机驱动时，由负载量检测单元7A来检测负载量。下面在参考图4所示的流程图的同时来解释负载量检测单元7A的负载量检测操作。
在启动电动机驱动时，在设置单元6E上，设置命令值的初始值(步骤S100)。该命令值是用于控制无功电流的控制目标值，并且根据该值，创建去往逆变器电路2的PWM信号。在设置单元6E的频率设置单元60中，设置频率的初始值，并且在所设置的参数值处开始驱动(步骤S101)。
然后，有功电流计算单元73根据公式(2)，从电动机电流检测器4的检测信号中确定有功电流，并且由变化计算单元72来确定有功电流的改变量。负载量确定单元71将所确定的改变量与预定值进行比较，以判断所确定的改变量是否大于预定值(S102)。例如，可以通过试验来确定预定值。将有功电流的改变量与预定值进行比较，以便确定由于无功电流命令值的增加而引起的负载角改变是否已经达到驱动点c(图3)。
负载角δ根据无功电流命令值的增加而改变。如图3所示，当负载角δ从驱动点b到c并且到d发生改变时，刚好在负载角达到提供最大输出转矩的驱动点c之后，观察到有功电流的突然增加。因此，通过检测在前一个控制周期和当前控制周期之间的有功电流的改变量(改变率)，可以知道当改变量大于预定值时，负载角已经超过了用于提供驱动点(即，达到驱动点c)的负载角δp。
返回图4，当改变量小于预定值时，设置单元6E设置通过增加当前命令值所获得的新命令值(S103)，并且处理返回到步骤S102。步骤S102和S103的循环逐渐地增加无功电流命令值，直到有功电流的改变量达到或超过了预定值为止。当改变量达到或超过了预定值时，停止正在运行的电动机(S104)。
然后，根据当前命令值来检测负载量(S105)。稍后将描述可以根据无功电流命令值来检测负载量的原因。最后，根据检测到的负载量来再次设置无功电流命令值，并且将其输出到无功电流命令单元61(S106)，而且终止负载量检测单元7A的操作。
因此，由于逐渐增加无功电流而引起负载角δ的突然增加的检测间接地提供了对负载量的了解。
在步骤S105，将解释可以根据无功电流命令值来判断负载量的原因。图5是示出了在恒定电动机旋转速度(负载转矩)的情况下，无功电流命令值和负载角δ之间的关系的图，该图示出了在三种类型的负载量重、中等和轻的情况下，无功电流命令值和负载角δ之间的关系。
从该图中可以知道负载角和无功电流命令值之间的关系根据负载量而变化。也就是，在负载角δ变化的情况下的驱动点根据负载量而发生改变，例如，如果可以检测到图3所示的用于施加最大输出转矩的负载角(对应于驱动点c)，则可以根据此时的无功电流命令值来间接地知道负载量。下面将具体描述该原理。
在图5中，驱动在无功电流命令值“e”处开始，然后，无功电流命令值逐渐增加。当检测到在图4中的步骤S102处确定的负载角δ达到用于提供图3所示的驱动点c的负载角δp时，如果此时的无功电流命令值是“f”，则如图5所示，将负载量判断为“重”。当检测到负载角δ通过从e开始逐渐增加无功电流命令值而达到了用于提供驱动点c的负载角δp时，如果此时的无功电流命令值是“g”，则将负载量判断为“中等”。类似地，当检测到负载角δ通过增加无功电流命令值直到其达到“h”为止而达到负载角δp(驱动点“d”)时，将负载量判断为“轻”。由此，可以根据无功电流命令值来间接地检测负载量。
在设置单元6E中，通过将无功电流命令值设置为小于按照该方式所获得的无功电流命令值，对于负载量不同的负载，可以将驱动点设置在小于用于提供图3所示的驱动点c的负载角δp的负载角δ处。(利用相位差φ、相位差α或相位差β的负载量检测)图6、图7和图8是示出了在旋转速度分别恒定地保持在重、中等和轻负载的情况下，相位差φ、相位差α或相位差β与负载角之间的关系的图。相位差φ是所施加的电压命令值Va和电动机电流Is之间的相位差，相位差α是在所施加的电压命令值Va和感应电压V0之间的相位差，而相位差β是电动机电流Is和由转子磁体所产生的电压ωψ之间的相位差。
如图6、图7和图8所示，在相位差φ、相位差α或相位差β与负载量之间的关系中，与无功电流和负载角之间的关系类似，该特性随着负载量而变化。因此，在逆变器控制器中，对于相位差φ命令、相位差α命令和相位差β命令的任一个，应用与有关无功电流命令值的控制相同的功能。这是由于通过逐渐地增加相位差φ命令、相位差α命令和相位差β命令的任一个，当可以检测到负载角δ的突然和较大增加时，可以间接地知道负载量。
作为在负载量检测单元7A中检测有功电流的改变量的替代，可以检测相位差φ、相位差α和相位差β的任一个的改变量。在这种情况下，可以获得相同的效果。图9、图10和图11示出了通过分别检测相位差φ、相位差α和相位差β来检测负载量的负载量检测单元7B、7C和7D的结构。
本发明的电动机控制设备可以利用如上所述的无功电流来间接地检测负载量。当在用于检测负载量的负载量检测单元中检测到有功电流或相位差α时，如公式(2)和稍后将描述的公式(3)所示，可以检测有功电流或相位差α，而无需使用诸如电动机的电感、线圈的电阻或感应电压等电动机参数。因此，当配置负载量检测单元以使用上述参数的任一个时，不使用电动机参数，并且因而，本发明的电动机控制设备可以直接应用于具有不同参数的电动机。此外，针对按照稍后将描述的公式(4)所示来检测相位差α的负载量检测单元，仅使用电动机线圈的电阻，因此，可以在不同的电动机中非常容易地调整参数。由此，可以提供具有高通用性的电动机控制设备。此外，对于按照稍后描述的公式(5)所示来检测相位差β的负载量检测单元，仅使用电动机线圈的电阻和q轴上的电感，因而可以在不同的电动机中非常容易地调整参数。因此，可以实现具有高通用性的电动机控制设备。特别地，由于电动机的感应电压随着操作温度而发生变化，因此，不使用电动机的感应电压的本发明的电动机控制设备具有高通用性。本发明的电动机控制设备不进行矢量控制，并且提供了要处理的少量操作。因此，可以将价格低廉的微型计算机用于电动机控制设备。
第二实施例图12A是本发明第二实施例中的电动机控制设备的方框图。应该注意负载量检测单元7是上述负载量检测单元7A到7D中的任一个(在以下实施例中也是相同的)。
图12B特别示出了设置单元6A的结构。设置单元6A包括频率设置单元60、无功电流命令单元61、V/f转换器81、加法器82和83、波形产生单元84、无功电流计算单元85、以及误差电压输出单元86。无功电流命令单元61输出电动机电流Is的无功电流分量值Ir的命令值Ir*(此后，称之为“无功电流命令值”)。
频率设置单元60设置从逆变器电路2输出的AC功率的频率的命令值，以确定电动机3的旋转速度。将所设置的频率命令值发送到波形产生单元84和V/f转换器81。波形产生单元84根据频率命令值来产生旋转相位信号θ，并且将其施加到无功电流计算单元85和处理单元8。无功电流计算单元85利用公式(1)，根据电动机电流检测器4的输出和波形产生单元84的旋转相位信号θ，确定无功电流分量，并且将其馈送到加法器83。此外，加法器83接收从无功电流命令单元61输出的无功电流命令值Ir*。将加法器83的输出施加到误差电压检测器86，在误差电压检测器86中，确定误差电压。在加法器82中，将误差电压检测器86的输出与V/f转换器81的输出相加，并且将该总和发送到处理单元8。V/f转换器81根据从频率设置单元60中输出的频率命令值，将用于驱动电动机3的所施加电压参考命令值输出到加法器82。尽管V/f转换器通常输出与输入频率命令值成比例的所施加电压参考命令，本发明的V/f转换器81并不局限于该功能。
图13示出了当电动机旋转速度和所施加的电压恒定时，无功电流命令值和输出转矩之间的关系。在图13中，驱动点a、b、c、d分别对应于图3中的那些驱动点。从该图中可以知道，可以利用无功电流命令值来设置驱动点。
即，与第一实施例类似，由无功电流命令单元61来设置无功电流命令值，以使其对应于输出转矩可以将驱动点设置在更小的负载角处(适当的负载角)，所述更小的负载角小于与驱动点c相对应的负载角。
因此，根据所预测到的负载波动来改变逆变器控制器5A的驱动点可以实现一种电动机控制设备，能够稳定地进行驱动，而与突然且较大的负载波动无关。可以在电动机驱动期间来改变无功电流命令值。在洗衣机中，可以改变旋转速度，以便防止衣服被离心地定位。由于负载波动随着旋转速度的改变而改变，无功电流命令值必须根据负载波动的改变而改变。本发明还可以应用于这样的情况。
在该优选实施例中，由于可以利用无功电流命令值来设置驱动点，不需要直接地检测负载角δ。需要利用电动机参数来进行计算以检测负载角δ。然而，该实施例能够利用可以不使用电动机参数而检测到的无功电流，间接地检测负载角δ。因此，本发明可以应用于具有不同电动机参数的电动机控制设备，并且还可以提供能够容易地调节的电动机控制设备。由于要处理的数据量较小，可以利用廉价的微型计算机来实现电动机控制设备。
第三实施例图14是在本发明第三实施例中的电动机控制设备的方框图。在图中，电动机控制设备具有相位差φ命令单元62，替代了在第二实施例中的无功电流命令单元61。其它结构与第二实施例相同。相位差φ是所施加的电压命令Va和电动机电流Is之间的相位差。按照以下的公式来确定相位差φ。
φ=tan-1(IrIa)--(3)]]>图15是示出了当电动机旋转速度和所施加的电压恒定时，相位差φ命令值和输出转矩之间的关系的图。在图15中，驱动点a、b、c、d对应于图3所示的那些驱动点。从该图中可以知道，可以利用相位差φ命令值来设置驱动点。
即，由相位差φ命令单元62来设置相位差φ命令值，以使其对应于输出转矩的量，因此，可以将驱动点设置在小于与提供了最大效率的驱动点相对应的负载角的负载角(适当的负载角)处，如在第一实施例中所提到的。
因此，根据负载波动的幅度来改变逆变器控制器5B的驱动点可以提供一种电动机控制设备，能够平稳地进行驱动而与突然且较大的负载波动无关。在该实施例中，由于可以在电动机驱动期间改变相位差φ，如第二实施例所述，可以提供一种即使在电动机驱动期间负载波动发生改变也能够平稳地操作的电动机控制设备。
此外，在该实施例中，由于可以利用相位差φ命令值来设置驱动点，因此不需要直接地检测负载角δ。从公式(1)到(3)可以看到，电动机参数未用于检测相位差φ。根据本实施例，可以不使用电动机参数来间接地检测负载角δ。因此，该实施例可以提供一种直接应用于具有不同电动机参数的电动机的电动机控制设备。
同时，由角度所表示的相位差φ是功率因数角，因此，相位差φ的控制引起了对电动机的功率因数，即有功功率和无功功率的分配比的直接设置。因此，效果在于可以容易地设置电动机驱动状态。
第四实施例图16是本发明第四优选实施例中的电动机控制设备的方框图。在该图中，电动机控制设备具有相位差α命令单元63，替代了在优选实施例2中的无功电流命令单元61。其它结构与优选实施例2相同。相位差α是所施加的电压命令值Va和感应电压V0之间的相位差。
按照以下的公式来确定相位差α。
α=tan-1(R×IrVa-R×Ia)--(4)]]>图17是示出了当电动机旋转速度和所施加的电压恒定时，相位差α命令值和输出转矩之间的关系的图。在图17中，驱动点a、b、c、d对应于图3所示的那些驱动点。从该图中可以知道，可以利用相位差α命令值来设置驱动点。
即，由相位差α命令单元63来设置相位差α命令值，以使其对应于输出转矩的量，因此，可以将驱动点设置在小于与提供了最大效率的驱动点c相对应的负载角的负载角(适当的负载角)处，如在第一实施例中所提到的。
因此，根据负载波动的幅度来改变逆变器控制器5C的驱动点可以提供一种电动机控制设备，能够平稳地进行驱动而与突然且较大的负载波动无关。在该实施例中，由于可以在电动机驱动期间改变相位差α，如第二实施例所述，可以提供一种即使在电动机驱动期间负载波动发生改变也能够平稳地操作的电动机控制设备。
此外，在本优选实施例中，由于可以利用相位差α命令值来设置驱动点，因此不需要直接地检测负载角δ。根据本实施例，可以利用电动机线圈的电阻来检测相位差α，如公式(4)所示，因此，可以提供一种具有更少电动机参数的电动机控制设备。因此，可以提供一种能够容易地调节的电动机控制设备。
由于在电动机启动时旋转频率是不稳定的，由电动机磁体所产生的感应电压ωψ(见图2A)发生显著地波动。因此，感应电压V0在幅度和方向上均发生了较大的变化，并且电动机电流也发生较大的改变。结果，当启动电动机时，在所施加的电压命令值Va和电动机电流Is之间的相位差φ发生较大的变化，并且相位差φ的检测值发生了波动，并且难以控制。相反，在这样的情况下，相位差α仅发生轻微的改变，并且在电动机启动时相位差α的检测值不发生波动。因此，在本实施例中使用相位差α产生的优点在于提供了稳定的反馈控制，并且从电动机启动时开始，电动机控制变得更容易。
检测相位差α仅需要电动机的接线电阻R，而不需要根据负载发生显著变化的电感值。因此，不需要负载校正，从而可以实现一种廉价的电动机控制设备。
第五实施例图18是本发明第五实施例中的电动机控制设备的方框图。在该图中，电动机控制设备具有相位差β命令单元64，替代了在第二实施例中的无功电流命令单元61。其它结构与第二实施例相同。相位差β是作为图2A所示的旋转轴的q轴和电动机电流Is之间的相位差。按照以下的公式来确定相位差β。
β=tan-1(Va×Ir-ω×Lq×Ls2Va×Ia-R×Is2)--(5)]]>图19是示出了当电动机旋转速度和所施加的电压恒定时，相位差β命令值和输出转矩之间的关系的图。在图19中，驱动点a、b、c、d对应于图3所示的那些驱动点。从该图中可以知道，可以利用相位差β命令值来设置驱动点。
即，由相位差β命令单元64来设置相位差β命令值，以使其对应于输出转矩的量，因此，可以将驱动点设置在小于第一实施例所提到的驱动点c的负载角δ处。
因此，通过根据负载波动的幅度来改变逆变器控制器5D的驱动点，可以实现一种电动机控制设备，能够平稳地进行驱动而与突然且较大的负载波动无关。在该实施例中，由于可以在电动机驱动期间改变相位差β，如第二实施例所述，可以提供一种即使在电动机驱动期间负载波动发生改变也能够平稳地操作的电动机控制设备。
第六实施例尽管在第一实施例中，当启动电动机驱动时检测负载量，而在该实施例中，还在电动机驱动期间检测负载量。其它结构与第一实施例相同。
下面将参考图20的流程图来解释在本实施例中的电动机驱动期间的负载量检测方法。本实施例对于以下情况特别有效不知道负载量在电动机驱动期间如何改变。
在启动电动机驱动之后的预定时间之后，负载量检测单元7A再次检测负载。首先，由设置单元6E将当前命令值设置为固定值(步骤S200)。接下来，频率设置单元60将当前频率设置设置为固定值(步骤S201)。将根据电动机电流检测器4的检测信号而获得的有功电流的变化(改变量)与预定值进行比较(步骤S202)。当变化小于预定值时，断定负载量未发生改变，并且终止负载检测。另一方面，如果变化大于预定值，则设置单元6E再次根据检测变化来设置命令值(步骤S203)，并且终止该处理。可以通过试验来获得预定值。
在该操作中，如果在启动电动机驱动之后负载量发生改变，则检测负载量，并且再次根据负载量来设置设置值，并且可以预先防止由于负载波动而造成的失调现象的发生，并且可以实现一种能够稳定地驱动电动机的洗衣机。
第七实施例图21是本发明第七实施例中的电动机控制设备的方框图。在该图中，逆变器控制器51包括设置单元61、处理单元8和异常状态检测单元9。其它结构与第一实施例相同。
异常状态检测单元9根据来自电动机电流检测器4的信号来检测电动机运行状态的异常。该异常状态检测单元9包括有功电流计算单元93，用于根据所检测到的电动机电流来计算有功电流分量；变化计算单元92，用于根据来自有功电流计算单元93的前一个周期的输出(有功电流)来计算改变量；以及异常状态确定单元91，用于根据有功电流的改变量来确定负载异常。
参考图22的流程图来解释逆变器控制器51的异常检测操作。
在启动电动机驱动之后的预定时间之后，异常状态检测单元9检测异常。首先，将根据来自电动机电流检测器4的检测信号的有功电流的改变量与预定值进行比较，并且判断改变量是否小于或等于预定值(步骤S301)。可以通过试验来确定预定值。当改变量小于预定值时，断定负载无异常(步骤S302)，并且终止异常检测。
另一方面，如果改变量大于指定值，则断定负载发生了异常，并且设置单元6E设置设置值，以便停止电动机驱动(步骤S303)。然后，再次将命令值设置为适当的值(步骤S304)。为了再次设置命令值，例如，执行以下处理的至少一个。
1)固定旋转速度命令值(即，保持在指定的旋转速度)。
2)减小旋转速度命令值(即，减速)。
3)设置命令值(无功电流命令、相位差φ命令、相位差α命令或相位差β命令)，从而使驱动点位于图3所示的驱动点c的较小侧。
在再次设置设置值之后，再次启动电动机，并且终止异常检测。
应该注意，作为检测有功电流的改变量的替代，异常状态检测单元9可以检测相位差φ、相位差α和相位差β(未示出)的任一个的改变量。
通过该操作，如果在启动电动机驱动之后发生了诸如失调的负载异常，可以检测异常，而不使用位置传感器。如果进一步检测异常，则可以根据负载波动来设置设置值，并且在失调现象的发生之后可以恢复操作，因此，可以实现一种即使在发生不期望的负载波动的情况下也能够驱动电动机的电动机控制设备。本实施例与第六实施例的不同在于当检测到失调或负载异常时，通过一次性停止电动机并再次判断负载量，再次驱动电动机。
第八实施例图23示出了使用前述优选实施例的任一个中的电动机控制设备的滚筒型洗衣机的截面图。该滚筒型洗衣机具有外壳体800，包括其中装满洗衣水的鼓形固定罐801。将鼓形旋转罐803设置在固定罐801中。鼓形旋转罐803的旋转轴与驱动电动机3相连。由驱动电动机3绕旋转轴来旋转鼓形旋转罐803，并且可以洗涤放在里面的要洗的衣物。由电动机控制设备100来驱动驱动电动机3。所述电动机控制设备100是前述优选实施例的任一个中的电动机控制设备。
在本实施例的洗衣机中，由于由电动机控制设备来驱动电动机，可以针对突然且较大的负载波动，实现稳定的操作。应该注意，洗衣-干燥机并不局限于滚筒型，而包括诸如具有设置在顶部的用于装入和取出衣物的开口的垂直型，其中旋转罐803的旋转轴设置在垂直方向上。本发明的电动机控制设备还可以应用于具有干燥或滚筒型干燥机的功能的洗衣机。
工业应用性本发明的电动机控制设备是一种不使用位置传感器来控制电动机的设备，并且实现了一种针对突然且较大的负载波动的稳定的电动机控制，因此，其可以应用于在操作期间伴随着较大负载波动的电动机控制设备、以及诸如洗衣机和干燥机的其它电子设备。
尽管已经结合其优选实施例对本发明进行了描述，但是许多其它的修改、修正和应用对本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明并不局限于这里所提供的公开，而仅限于所附权利要求的范围。本发明涉及在2003年7月23日递交的日本专利申请No.2003-278333中所包含的主题，其全部一并包括在此作为参考。
权利要求
1.一种电动机控制设备，包括逆变器电路，用于向电动机提供驱动功率，电动机电流检测器，用于检测在电动机中流动的电流；以及逆变器控制器，用于根据来自电动机电流检测器的输出来控制逆变器电路；其中逆变器控制器包括设置单元，用于设置用于控制电动机的操作状态的各种命令值；以及处理单元，用于根据设置单元的设置来控制逆变器电路，从而提供操作状态；以及设置单元设置命令值，从而使作为旋转轴和电动机施加电压之间的负载角位于比用于在负载角和输出转矩特性中提供最大输出转矩的负载角更小的一侧上。
2.根据权利要求1所述的电动机控制设备，其特征在于所述逆变器控制器还包括用于检测电动机的负载量的负载量检测单元，所述负载量检测单元通过检测有功电流、所施加的电压和电动机电流之间的相位差φ、电动机施加电压和电动机感应电压之间的相位差α以及旋转轴的q轴和电动机电流之间的相位差β中的任一个，来检测负载量，并且所述设置单元根据从负载量检测单元中所获得的负载量来设置电动机的操作状态。
3.根据权利要求2所述的电动机控制设备，其特征在于所述负载量检测单元至少在启动电动机驱动时或在电动机驱动期间，检测电动机的负载量。
4.根据权利要求1所述的电动机控制设备，其特征在于设置单元根据用于命令电动机电流中的无功电流分量的命令、用于命令所施加的电压和电动机电流之间的相位差φ的命令、用于命令所施加的电压和电动机感应电压之间的相位差α的命令、或用于命令旋转轴的q轴和电动机电流之间的相位差β的命令，来控制负载角。
5.根据权利要求1所述的电动机控制设备，其特征在于所述逆变器控制器还包括异常状态检测单元，用于根据电动机电流中的改变量来检测电动机的异常；以及设置单元提供了当检测到电动机的异常时对预定处理的设置。
6.根据权利要求5所述的电动机控制设备，其特征在于所述设置单元提供设置，从而一旦当异常状态检测单元检测到异常时，就停止电动机操作，然后在恢复操作状态之后重新开始电动机操作。
7.一种电动机控制设备，包括逆变器电路，用于向电动机提供驱动功率，电动机电流检测器，用于检测在电动机中流动的电流；以及逆变器控制器，用于根据来自电动机电流检测器的输出来控制逆变器电路；其中逆变器控制器包括用于检测负载量的负载量检测单元；所述负载量检测单元确定电动机电流的有功电流分量，并根据在前一个周期中获得的电动机电流的有功电流分量来计算改变量；以及将改变量与预定值进行比较，并且当改变量小于预定值时，逐渐增加电动机电流的无功电流分量，直到电动机电流的有功电流分量的改变量超过了预定值为止，或者当改变量大于或等于预定值时，根据此时的电动机电流的无功电流分量来判断负载量。
8.一种洗衣机，包括电动机和根据权利要求1所述的用于驱动电动机的电动机控制设备。
9.一种干燥机，包括电动机和根据权利要求1所述的用于驱动电动机的电动机控制设备。
10.一种洗衣机，包括电动机和根据权利要求7所述的用于驱动电动机的电动机控制设备。
11.一种干燥机，包括电动机和根据权利要求7所述的用于驱动电动机的电动机控制设备。
全文摘要
一种电动机控制设备，包括逆变器电路2，用于向电动机3提供驱动功率，电动机电流检测器4，用于检测在电动机3中流动的电流；以及逆变器控制器5E，用于根据检测器4的输出来控制逆变器电路2。所述逆变器控制器5E具有设置单元6E，用于设置用于控制电动机驱动状态的各种命令值；以及处理单元8，用于根据设置单元6E的设置来控制逆变器电路2。所述设置单元6E设置命令值，从而使作为旋转轴和电动机施加电压之间的负载角工作于比用于在负载角－输出转矩特性中提供最大输出转矩的角更小的一侧上。
文档编号H02P7/06GK1578103SQ20041007162
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年7月23日
发明者新井康弘, 中田秀树 申请人:松下电器产业株式会社