同步电动机及同步电动机的控制方法

专利名称：同步电动机及同步电动机的控制方法
技术领域：
本发明涉及空调和热水器等所采用的同步电动机及同步电动机的控 制方法。
背景技术：
近年来，针对空调和热水器等的风扇电动机，为了能够大范围的可变 速控制、节约耗电量或低噪音驱动，而采用了同步电动机，并利用同步电 动机内部的电动机驱动装置来对该同步电动机进行正弦波驱动。
通常，在同步电动机的内部作为位置传感器安装有廉价且结构简单的
霍尔IC和逆变器主电路。利用霍尔IC检测同步电动机的磁极位置，并依据
该磁极位置的信息来控制逆变器主电路的开关元件，对同步电动机的绕组 施加电压以进行驱动。另外，在与同步电动机外部的协调中，直流电源、
15V左右的控制电源、GND、 DUTY指令、旋转速度脉冲一般全部作为模 拟信息来使用。其中，从电动机外部向内部供给的是上述直流电源、上述 控制电源、上述GND、上述DUTY指令，从电动机内部向外部报告的是上 述旋转速度脉冲。上述DUTY指令是逆变器主电路各相正负开关元件的 ON/OFF期间的DUTY比的指令，DUTY指令越大，逆变器主电路向电动机 输出的电压越大。另外，在从外部向内部的供给中，DUTY指令有时也以 转矩指令或速度指令等的意思进行使用。为了分离电动机的内部和外部， 将该DUTY指令以及上述旋转速度脉冲经由绝缘电路与电动机外部的微机 连接。
在专利文献l中公开了现有的同步电动机驱动装置。 该同步电动机驱动装置从直流电源向同步电动机驱动装置供给电力。 检测流过电动机的电源电流，并生成与检测出的电源电流的峰值相应的电 流信号。输入该电流信号、和从外部输入的转矩指令信号(电流值的指令信 号)，输出转矩指令信号减去电流信号所得到的值即误差信号。利用位置传感器输出相对于电动机的多相定子绕组所产生的感应电压具有一定相位 关系的位置传感器信号，并根据该相位生成电压值周期性地变化的正弦波 信号。该正弦波信号的振幅根据上述误差信号来确定。
另一方面，检测流过电动机绕组的相电流的相位，检测位置传感器信 号和电流相位信号的相位差，根据该相位差信号，补正相对于位置传感器 信号的相位而生成的正弦波信号的相位。
根据这样获得的正弦波信号的振幅和相位，通过公知的PWM控制来 作成驱动信号，并将该驱动信号给予门极驱动电路，来驱动逆变器内的开 关元件。
艮P，专利文献l所公开的现有同步电动机驱动装置，首先根据与电源 电流的峰值相应的电流信号和从外部输入的转矩指令的偏差来决定电动 机所输出的电压的振幅。接着，根据位置传感器信号和相电流的相位差来 决定电动机所输出的电压的相位，并驱动电动机。
专利文献1日本特开2006-34086号公报
以往，DUTY指令、转矩指令或速度指令是模拟信号。因此，由于操 作过电压(switching surge)、各指令的生成电路以及检测电路的偏差影响， 而难以正确地进行检测，特别在指令值变小的低速旋转区域中有无法成为 希望的旋转速度这样的问题、及电动机的旋转速度发生变动这样的问题。 另外，由于旋转速度脉冲也是模拟信号，所以存在电动机的旋转速度与上 述同样发生变动、或误检测旋转速度这样的问题。
另外，在DUTY指令或专利文献1的转矩指令的情况下，向电动机输出 的电压大小根据直流电压的变动而发生变化，因此除了电动机的旋转速度 发生变动之外，还存在100Hz或120Hz拍音的噪音问题、及负载变动所导致 的效率降低的问题。
另外，为了降低价格，而将电动机内部与外部的连接抑制到最低限度， 从电动机内部向外部报告的信息仅是旋转速度脉冲，从而难以在电动机的 外部检知电动机的状态以及安装在电动机内的风扇等负载的状态。例如， 难以在电动机的外部检知安装在电动机内的风扇的堵塞的进展状况。
另外，为了保持着将电动机内部与外部的连接抑制到最低限度的状况 来检测负载状态，在电动机的外部安装电流检测电路时，由于与检测位置分离，所以存在电流检测精度恶化的问题、以及需要与电动机内部绝缘的 电路导致成本上升这样的问题。

发明内容
本发明的目的是提供在低噪音下拓宽了电动机驱动范围的同步电动 机或同步电动机的控制方法。
本发明的其他目的是提供不用增加绝缘电路仅以廉价的结构就能够 收发多个信息、并可以在电动机外部确认安装在电动机内的负载的状态的 同步电动机或同步电动机的控制方法。
为了解决上述课题，而在本发明中采取了以下的技术手段。
第l技术手段的特征是，在内置了提供可变电压/可变频率的3相交流电
压的3相逆变器、和检测磁极位置的位置传感器的同步电动机中，内置有 输入电流检测单元，其检测输入电流或输入电流相当值并变换为数字信 号；电动机速度运算单元，其数字运算上述同步电动机的旋转速度；数字 通信接收单元，其利用通信从上述同步电动机的外部接收数字的速度指令 值、输入电流指令值或输入功率指令值；数字反馈控制单元，其调节上述 3相逆变器的输出交流电压和输出频率，使上述同步电动机的旋转速度、 输入电流或输入功率接近上述速度指令值、输入电流指令值或输入功率指 令值；以及数字通信发送单元，其向上述同步电动机的外部发送与上述同 步电动机的旋转速度、输入电流或输入功率相关的数字信号。
这里，对于具有逆变器的同步电动机，输入电流直接作为逆变器直流 侧的直流输入电流，但是例如考虑了根据同步电动机各相的绕组电流来运 算输入电流相当值等的各种检测/运算方法。将这些统称为输入电流或输入 电流相当值。
第2技术手段的特征是，利用内置于上述同步电动机的微型计算机来 执行这些数字运算处理。
在本发明优选的第l实施方式中，提供了一种同步电动机，在其内部 具有输出用于驱动同步电动机的可变电压/可变频率的3相交流电压的3 相逆变器、和检测同步电动机的磁极位置的位置传感器，在该同步电动机 中具备输入电流检测电路，其模拟检测流过3相逆变器的直流输入端子的输入电流；输入电流运算单元，其根据该输入电流来算出数字输入电流 值；电动机速度运算单元，其根据上述位置传感器的输出来数字运算同步 电动机的旋转速度；通信接收单元，其从同步电动机的外部接收速度指令 值；速度控制单元，其调节3相逆变器所输出的交流电压的大小和频率， 使同步电动机的旋转速度接近上述速度指令值；以及通信发送单元，其将 上述输入电流值和电动机速度向同步电动机的外部发送。 (发明效果)
根据本发明优选的实施方式，可实现低噪音、在电动机外部可正确地 检知电动机负载状态以及电动机速度、且不用增加电动机内部与外部的绝 缘电路仅以廉价的结构就能够收发多个信息的同步电动机。
在以下所述的实施方式中，使本发明的其他目的和特征变得明确。


图l是表示本发明实施例l的同步电动机整体结构的框图。 图2是本发明实施例1的输入电流检测电路13的电路图。 图3是本发明实施例1中的主处理的处理流程图。 图4是本发明实施例1中的PWM插入处理的流程图。 图5是本发明实施例1中的位置检测插入处理的流程图。 图6是本发明实施例1中的相感应电压、位置传感器信号和位置状态的 关系图。
图7是本发明实施例1中的极性计数器和相位差计数器的存储区域说 明图。
图8是本发明实施例1中的间隔时间的存储区域说明图。
图9是本发明实施例1中的控制周期插入处理的流程图。
图IO是本发明实施例1中的输入电流取入处理的流程图。
图1 l是本发明实施例1中的输入电流值和微机AD值的关系图。
图12是本发明实施例1中的速度控制处理的流程图。
图13是本发明实施例1中的通信接收插入处理的流程图。
图14是本发明实施例1中的通信发送插入处理的流程图。
图15是表示本发明实施例2的同步电动机的整体框图。图16是本发明实施例2的控制周期插入处理的流程图。
图17是本发明实施例2的输入电压取入处理的流程图。
图18是本发明实施例2中的输入电压值和微机AD值的关系图。
图19是表示本发明实施例3的同步电动机的整体框图。
图20是表示本发明实施例4的同步电动机的整体框图。
图21是本发明实施例4中的控制周期插入处理的流程图。
图22是本发明实施例4的电流控制处理的流程图。
图23是表示本发明实施例5的同步电动机的整体框图。
图24是本发明实施例5的控制周期插入处理的流程图。
图25是本发明实施例5的功率控制处理的流程图。
图26是表示本发明实施例6的同步电动机的整体框图。
图27是本发明实施例1中的电动机构造一例的分解立体图。
图28是本发明实施例1中的电动机构造另 一例的分解立体图。
图29是本发明实施例1中的电动机构造又一例的立体图。
符号说明
l...直流电源，2...电动机驱动装置，3...逆变器主电路，4...微机，5… 同步电动机，5A…电动机的壳体上部，5B…电动机的壳体下部，5C…铸 型的绕组，5D…铸型部，6...电动机内置基板，8...绕组，9...位置传感器， IO...输入端子，ll...门极驱动电路，12…输入电流检测电路，13...限制电 阻，14...输入电压检测电路，15...电动机电流检测电路，20...输出端子， 21...线圈连接端子，22...永久磁铁转子，23...引出配线，41...电动机速度 运算单元，42...通信接收单元，43...通信发送单元，44...速度控制单元， 45...驱动信号形成单元，46...载波输出单元，47...输入电流运算单元，48... 输入电压运算单元，49...输入功率运算单元，50...输入电流运算单元，51... 电流控制单元，52…电流控制单元，53...通信接收单元，54...通信发送单 元，55...通信发送单元，56...功率控制单元，57...通信接收单元，Cl...电 容器，R2.,.电阻器，R3…电阻器，OPl...运算放大器，RIO...电阻器，Rll... 电阻器，Eu...U相感应电压，Ev...V相感应电压，Ew...W相感应电压， PS...位置状态，Tl...U相上臂开关元件，T2…V相上臂开关元件，T3...W
12相上臂开关元件，T4…U相下臂开关元件，T5…V相下臂开关元件，T6…W 相下臂开关元件，Dl...U相上臂回流二极管，D2…V相上臂回流二极管， D3…W相上臂回流二极管，D4…U相下臂回流二极管，D5…V相下臂回 流二极管，D6...W相下臂回流二极管，VHu...U相位置传感器信号， VHv...V相位置传感器信号，VHw...W相位置传感器信号，VUM..，U相 输出电压，VVM...V相输出电压，VWM...W相输出电压，VUT…U相上 臂控制信号，VVT...V相上臂控制信号，VWT...W相上臂控制信号， VUB...U相下臂控制信号，VVB…V相下臂控制信号，VWB…W相下臂 控制信号。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明优选的实施例进行详细地说明。实施例1
图l是表示本发明实施例l的同步电动机的整体结构的框图。该实施例 l的电动机驱动装置适合作为空调室内机及室外机、或热水器等所采用的 风扇电动机的驱动装置。
<整体结构的说明>
在图1中，直流电源1对同步电动机驱动装置2提供电力例如约 141[V] 约450[V]的高压电压，例如，该直流电源可由整流/平滑来自商用 电源的交流电压的市场出售的变流器或电池来取得。逆变器主电路3在直 流输入端子之间分别串联连接有每相两个的开关元件(T1 T3和T4 T6)， 并将这些串联连接点作为3相交流端子。各开关元件T1 T6分别具有逆并 联的回流二极管D1 D6。该逆变器主电路3根据从直流电源1供给的电力 和来自门极驱动电路ll的门极驱动信号，来作成可变电压/可变频率的3相 交流电压，并提供给同步电动机的绕组8。输入电流检测电路12是对流过 与逆变器主电路3的直流输入端子连接的限制电阻13的电流进行检测的电 路，该电路将与输入电流相应的模拟电压值输入到微型计算机4(以下，简 记为微机)。这里，限制电阻13还兼用于逆变器主电路3的过电流保护。
在同步电动机上设置有位置传感器9，位置传感器9检测同步电动机的 磁极位置，作成位置传感器信号VHu VHw，并向微机4输出。接着，对微机4的处理进行概括说明。通信接收单元42利用通信接收
从电动机外部输入的速度指令信息Vsp，并换算为速度指令值向速度控制 单元44传递。电动机速度运算单元41根据位置传感器信号VHu VHw对电 动机的速度进行数字运算，并将速度检测值向速度控制单元44和通信发送 单元43输出。速度控制单元44向驱动信号形成单元45输出对3相逆变器所 输出的交流电压的大小和频率进行调节的电压调节值，以使来自通信接收 单元42的速度指令值和来自电动机速度运算单元41的速度检测值的偏差 接近于0。在驱动信号形成单元45中采用上述电压调节值和载波输出单元 46的载波来作成驱动信号，并向门极驱动电路ll输出。
另夕卜，在输入电流运算单元47中，对与输入电流检测电路12所检测出 的输入电流相应的电压检测值进行AD变换，并换算成输入电流值，然后 向通信发送单元43输出。在通信发送单元43中，将输入电流值和速度检测 值作为数字信息向同步电动机的外部发送。通过该输入电流信息和速度信 息，即使在电动机的外部也能够掌握安装在电动机内的负载的状态，可实 现负载的堵塞检测和转速的优化等周密的电动机控制。这里，电动机速度 运算单元41、通信接收单元42、通信发送单元43、速度控制单元44、驱动 信号形成单元45、载波输出单元46、输入电流运算单元47可由微机4来实 现。
以上是本发明实施例l的同步电动机的整体概括结构。 图27是本发明实施例1中的电动机构造一例的分解立体图。图27所示 的同步电动机5在电动机内置基板6上配置有图l所示的逆变器主电路3、微 机4、位置传感器9、门极驱动电路ll、输入电流检测电路12和限制电阻13。 关于本实施例的同步电动机5，在同步电动机5的壳体下部5B中嵌入绕组8。 在绕组内部设置永久磁铁转子22，其中设有使永久磁铁转子22与绕组8不 接触的适当间隙。在永久磁铁转子22的上部设置有电动机内置基板6。配 置在电动机内置基板6上的位置传感器9为了易于检测永久磁铁转子22的 磁极位置，而配置在永久磁铁转子22侧的表面(在图中为下侧表面)上。例 如，微机4、输入电流检测电路12和限制电阻13被配置在永久磁铁转子22 侧的表面(在图中为下侧表面)上，逆变器主电路3被配置在与永久磁铁转子 22相反侧的表面(在图中为上侧表面)。在电动机内置基板6上配置有绕组连接端子21，并利用焊锡来连接绕组8。在电动机内置基板6上利用焊锡来连
接配线23。引出配线23由直流电压用配线、15V左右的控制电源用配线、 DUTY指令用配线、旋转速度脉冲用配线、GND用配线这五条线组成。电 动机5的壳体上部5A如盖那样被设置在电动机内置基板6的上部。因此，在 组装电动机5的状态下，将电动机内置基板6配置在由电动机壳体上部5A 和电动机5壳体下部5B组成的电动机壳体的内部。
同步电动机5可以是不使用电动机壳体下部5B、对绕组8进行铸型的构 造。此时的图如图28所示。图28的5C是铸型的绕组。其他部分与图27相同。
同步电动机5还可以是不使用电动机壳体上部5A和电动机壳体下部 5B、对绕组8以及电动机内置基板6进行铸型的构造。此时的图如图29所示。 图29与图27、图28不同，是电动机的完成状态图。在铸型部5D中铸型了绕 组8和电动机内置基板6，在电动机内置基板6上与图27同样地配置有逆变 器主电路3、微机4、位置传感器9、门极驱动电路ll、输入电流检测电路 12和限制电阻13。
图2是输入电流检测电路12的电路图，该输入电流检测电路内置于同 步电动机中，具有输入端子IO、输出端子20、限制电阻13、运算放大器OPl、 电阻器R2、电阻器R3和电容器C1。
输入端子10经由限制电阻13接地，并且与逆变器主电路3的直流输入 端子连接。即，流过同步电动机的绕组8的电动机电流通过限制电阻13返 回直流电源l。限制电阻13的一端接地，另一端与运算放大器OPl的非反相 输入端连接。运算放大器0P1的反相输入端经由电阻器R2接地，在运算放 大器0P1的输出端和反相输入端之间连接有电阻器R3和电容器C1的并联 电路。运算放大器OP1的输出端与输出端子20连接，输出端子20基本上与 微机连接。限制电阻13、运算放大器OPl、电阻器R2、电阻器R3和电容器 Cl构成将流过限制电阻13的输入电流量变换为电压的电流/电压变换电 路。另外，在不需要电流精度的情况下，可将与流过限制电阻13的输入电 流量相应的电压直接输入微机。另外，在输出端子20的电压受直流电压变 动以及操作过电压等的影响而发生变动的情况下，可使用电阻和电容器来 构成滤波电路，在抑制了变动之后，输入到微机。
<软(soft)处理流程的说明>接着，采用流程图来说明上述微机4内部的控制以及处理中的、说明 本发明实施例所需的部分。
图3是本发明实施例1中的主处理的处理流程图。另外，图4表示PWM 插入处理，图5表示位置检测插入处理，图9表示控制周期插入处理，图13 表示通信接收插入处理，图14表示通信发送插入处理。
主处理以外的插入处理在各自插入事件发生时执行处理。例如，PWM 插入处理在PWM半周期时发生，位置检测插入处理在位置传感器信号的 各沿(edge)输入时发生，控制周期插入处理在溢出控制周期定时(timer) 时发生。另外，通信接收插入处理在由电动机外部接收了数据时发生，通 信发送插入在向电动机外部发送数据时发生。另外，上述内容是插入发生 事件的1例，可根据电动机特性、安装到电动机上的负载的特性、或电动 机速度来设定插入发生事件。另外在本实施例中，描述了5个插入，不过 既可以是少于5个的插入，也可以是多于5个的插入。
<主处理>
对图3的主处理进行说明。
关于主处理，首先在步骤301中读入利用通信接收单元42的软处理来 接收的速度指令值。接着，在步骤302中判定逆变器的驱动/停止，当速度 指令值为规定值以上时，在步骤303内执行逆变器驱动状态处理，当速度 指令值小于规定值时，在步骤304中进行逆变器停止状态处理。主处理通 常反复执行上述处理，并成为无限循环。在读入速度指令值后，当速度指 令值为规定值以上时，将此时的电动机旋转速度存储到RAM区域，并且根 据该旋转速度向逆变器驱动状态处理进行转移。省略详细的说明。
〈PWM插入处理〉
图4是本发明实施例1中的PWM插入处理的流程图。
PWM插入处理由相位更新401、各相施加电压指令运算402以及PWM 输出403构成。图4的处理是前述的驱动信号形成单元45的软处理。
在步骤401中，更新对电动机施加的电压相位，在步骤402中，按照基 于速度控制单元44所运算出的电压调节值的施加电压振幅信息和前述施 加电压相位信息，来输出相互具有120度相位差的各相施加电压指令Vu、 Vv、 Vw。接着，在步骤403中，对各相施加电压指令Vu、 Vv、 Vw和载波200910133539.3
进行比较，形成逆变器驱动信号。因为本处理不是本发明的主要内容属于 公知内容，所以详细内容省略。 <位置检测处理>
图5表示本发明实施例1中的位置检测插入处理的流程图。 本处理在位置传感器信号的每一沿上作为插入处理启动。并且，由位
置信号信息读入步骤501、位置状态设定步骤502、相位差计数器存储和清 除步骤503、间隔时间的算出步骤504、速度运算步骤505以及速度检测值 的存储步骤506来构成。该处理主要是前述的电动机速度运算单元41的软 处理。
在步骤501中读入各相的位置传感器信号的"H"或"L"的状态。然 后，在步骤502中，根据位置传感器信号信息来设定图6所示的位置状态PS。 接着，在步骤503中，根据上述位置状态PS如图7所示地存储相位差计数器， 存储后将相位差计数器清零。
图7是本发明实施例1中的相位差计数器的存储区域说明图。相位差计 数器存储区域如该图所示为6个(电角度360度)。另外，上述存储区域是有 三个位置传感器的情况，可根据位置传感器的个数来变更区域数。
此外返回图5，在步骤504中的间隔时间计算中，进行位置检测时间的 读入和计算。在本插入处理中，因为利用输入捕捉插入来进行位置传感器 信号的沿插入，所以可自动确保位置传感器信号的沿插入时的时间。在此 是从寄存器读入该时间并保存到专用RAM区域的处理。另外，在本实施例 中利用沿插入的例子进行记述，不过在位置传感器9的变化周期内可驱动 插入，例如，在PWM插入周期内监视位置传感器信号的变化，在变化时 可发生位置检测插入。
此外，根据读入的位置检测时间和上次的位置检测时间来运算位置检 测的间隔时间，将该值存储到专用RAM区域内。
图8是本发明实施例1中的间隔时间存储区域说明图。如图所示，间隔 时间存储区域有6个(电角度360度)，最新的电角度60度的间隔时间被存储 到最上位。换言之，可确保电角度l周期的间隔时间，在l周期后删除。
接着在步骤505中，在采用6个间隔时间进行平均化后，变换为速度。 另外，在低速旋转及负载变动大的负载的情况下，可根据偶数个间隔时间
17来运算速度检测值。这样，无论是怎样的方法都能够抑制位置信号的偏差， 进行稳定的速度检测值的运算。
接着，在步骤506中，将步骤505内运算出的电动机旋转速度作为速度 检测值存储到RAM区域。 <控制周期插入处理>
图9表示本发明实施例1中的控制周期插入处理的流程图。 在溢出控制周期定时时或与位置检测插入处理联动来启动本处理作 为插入处理。本处理由输入电流取入步骤901、速度控制处理步骤902来构 成，本处理是前述的输入电流运算单元47以及速度控制单元44的软处理。 图10表示本发明实施例1中的输入电流取入处理流程。 该处理在步骤101内，将从输入电流检测电路向微机输出的与输入电 流相应的电压值在微机内部进行AD变换，因此启动微机的输入电流换算 用AD端口的AD变换。在步骤102中，确认该AD变换是否结束，当AD变换 结束时，进入步骤103，当AD变换未结束时，返回步骤102。在步骤103中， 取入变换为数字值的输入电流AD值。在步骤104中，按照图ll所示的关系 图，来换算为与微机AD值相应的输入电流检测值。在步骤105中，将输入 电流检测值存储到RAM区域内。通过本处理，可掌握驱动电动机所需的输 入电流值，结果，能够了解安装到电动机上的负载的状态。例如，在同一 转速的条件下，当输入电流大时可知，电动机上安装的负载由于某种原因 而导致负载转矩比通常状态增大。在空调室外机的情况下可认为是在逆风 状态下驱动了风扇电动机、或风扇与障碍物接触等状况，根据各个输入电 流的状态可判别负载的状态。另外，在空调室内机或热水器等的情况下， 也可以通过输入电流值的状态，来检知风扇堵塞或流路电阻变化等负载的 状态变化。
图12表示本发明实施例1中的速度控制处理流程。
该速度控制处理在步骤121中采用由通信接收处理所接收的速度指令 值和由位置检测处理所算出的速度检测值，来计算上述速度指令值和速度 检测值的偏差。接着，在步骤122中，将上述偏差作为输入进行比例积分 运算，运算电压调节值，使上述偏差接近于O。在步骤123中，存储在步骤 122中算出的电压调节值。<通信接收插入处理>
图13表示本发明实施例1中的通信接收插入处理的流程图。 本处理在微机接收了来自电动机外部的数据时，作为插入处理启动。 在步骤131中存储接收数据。在本实施例中，接收数据是速度指令信息。
接收的速度指令值存储在RAM区域内。在步骤132中，进行通信发送数据
作成处理。在本实施例中，向电动机外部发送的数据是速度检测信息和输
入电流信息，输入电流信息采用在图10的步骤104中存储的信息，速度检 测信息采用在图5的步骤506中存储的信息。然后，在步骤133中进行通信 发送请求处理，将微机的状态从接收切换至发送。 <通信发送插入处理>
图14表示本发明实施例1中的通信发送插入处理的流程图。 '本处理在向电动机外部发送数据时作为插入处理启动。在步骤141中， 将在图13的步骤132中作成的发送数据向电动机外部发送。在发送了规定 数据后，在步骤142中进行通信接收请求处理，将微机的状态从发送切换 至接收。
以上，根据本发明的实施例l，在同步电动机的内部运算输入电流值， 并利用通信将上述输入电流值及电动机的速度信息从电动机内部向外部 发送。另外，利用通信从电动机外部向内部接收速度指令，由此在电动机 的外部和内部中，可正确地检知电动机速度和速度指令。另外，可通过控 制上述速度信息接近正确检知的上述速度指令，来实现抑制了速度变动的 低噪音的同步电动机。
除此之外，通过将输入电流检测电路12安装到电动机内部、并具有运 算输入电流信息的单元和利用通信进行发送的单元，可在电动机外部掌握 安装到电动机上的负载的状态。而且，无需增加电动机内部和外部的绝缘 电路在低价格的结构下就能够实现可收发多个信息的同步电动机。
实施例2
图15是表示本发明实施例2的同步电动机的整体框图。在图15中，对 与图l相同的部分标注同一符号并省略说明，以下仅对不同的部分进行说 明。
与实施例l不同之处是具有输入电压检测电路14、输入电压运算单元48、输入功率运算单元49、通信发送单元54。
在图15中，输入电压检测电路14是检测直流电源1的正负之间的电压 的电路，例如，构成为经由电阻来进行分压。输入电压运算单元48对输入 电压检测电路14所检测出的与输入电压相应的电压检测值进行AD变换， 在换算为输入电压值后，向输入功率运算单元49输出。输入功率运算单元 49根据输入电压值和输入电流值来运算输入功率值，并向通信发送单元54 输出。通信发送单元54将输入功率信息和电动机速度运算单元41所运算出 的电动机速度信息向电动机外部输出。
<控制周期插入处理> 图16表示本发明实施例2中的控制周期插入处理的流程图。
在溢出控制周期定时时或与位置检测插入处理联动来启动本处理作 为插入处理。本处理由输入电流取入步骤901、输入电压取入步骤161、输 入功率运算步骤162、速度控制处理步骤902构成。这些是前述的输入电流 运算单元47、输入电压运算单元48、输入功率运算单元49以及速度控制单 元44的软处理。
图17是本发明实施例2中的输入电压取入处理流程。
该处理在步骤171中，将从输入电压检测电路向微机输出的与输入电 压相应的电压值在微机内部进行AD变换，因此启动微机的输入电压换算 用AD端口的AD变换。在步骤172中，确认该AD变换是否结束，当AD变换 结束时，进入步骤173，当AD变换未结束时，返回步骤172。在步骤173中， 取入变换为数字值的微机AD值。在步骤174中，依据图18所示的关系图来 换算为与微机AD值相应的输入电压检测值。在步骤175中，将输入电压检 测值存储到RAM区域内。
这里，返回图16，根据在步骤901和步骤161中运算出的输入电流值和 输入电压值，在步骤162中运算输入功率值。通过步骤162，可掌握驱动电 动机所需的输入功率值，其结果是能够了解安装到电动机上的负载的状 态。例如，在同一转速的条件下，当输入功率大时可知，安装到电动机上 的负载由于某种原因而导致负载转矩比通常状态增大。在空调室外机的情 况下可认为是在逆风状态下驱动了风扇电动机、或风扇与障碍物接触等状 况，根据各个输入功率的状态可判别负载的状态。另外，在空调室内机或热水器等的情况下，也可以通过输入功率值的状态，来检知风扇堵塞或流 路电阻变化等负载的状态变化。
另外关于输入功率的运算方法，可以根据输入电流的微机AD值和输
入电压的微机AD值直接换算成输入功率值，或者不进行运算而在图上保 持到微机内部的ROM中，这样能够降低微机的处理负荷。
以上，根据本发明的实施例2，在同步电动机的内部运算输入功率值， 并利用通信将上述输入功率值及电动机的速度信息从电动机内部向外部 发送，另外，利用通信从电动机外部向内部接收速度指令。由此，在电动 机的外部和内部，可正确地检知电动机的速度和速度指令，且通过控制上 述速度信息接近正确检知的上述速度指令，可实现抑制了速度变动的低噪 音的同步电动机。
除此之外，通过将输入电流检测电路12及输入电压检测电路14安装到 电动机内部、并具有运算输入电流信息、输入电压信息以及输入功率信息 的单元和利用通信进行发送的单元，可在电动机的外部掌握安装到电动机 上负载的状态。而且，无需增加电动机内部和外部的绝缘电路在低价格的 结构下就能够实现可收发多个信息的同步电动机。
此外，即使在电动机的工作量一定、输入电压变动的用途中，也能够 实现可在周密的负载控制中使用的同步电动机，该同步电动机在电动机内 部运算输入功率，向电动机外部输出，并在外部掌握安装到电动机上的负 载的工作量。
实施例3
图19是表示本发明实施例3的同步电动机的整体框图。在图19中，对 与图l相同的部分标注同一符号并省略说明，以下仅对不同的部分进行说 明。
与实施例1的不同之处在于具有电动机电流检测电路15、输入电流运 算单元50、通信发送单元55。
在图19中，电动机电流检测电路15是对流过安装在逆变器主电路3的 负侧开关元件T4与接地之间的电阻R10的电流(以下，称为U相电流)和流过 安装在开关元件T5与接地之间的电阻R11的电流(以下，称为V相电流)进行 检测的电路。这些电路对R10两端和R11两端所发生的电压进行放大，并向微机输出。输入电流运算单元50在T4及T5为ON状态的时刻，对电动机电 流检测电路15检测出的与U相电流以及V相电流相应的电压检测值进行 AD变换，并换算为各相电流值。然后，采用各相电流值换算为输入电流 有效值，并向通信发送单元55输出。通信发送单元55至少将上述输入电流 信息和由电动机速度运算单元41运算出的电动机速度信息向电动机外部 输出。
在本实施例中，根据U相电流及V相电流来运算输入电流有效值，不 过根据U相和W相的组合以及V相和W相的组合都能够检测出U相、V相、 W相这3相，并运算输入电流信息。
以上，根据本发明的实施例3，首先在同步电动机的内部运算电动机 电流值，并利用通信从电动机的内部向外部发送输入电流值以及电动机的 速度信息。另外，利用通信从电动机外部向内部接收速度指令，由此能够 在电动机的外部和内部正确地检知电动机的速度和速度指令。另外，可通 过控制上述速度信息接近正确检知的上述速度指令，来实现抑制了速度变 动的低噪音的同步电动机。
除此之外，通过将电动机电流检测电路15安装到电动机内部、并具有 运算输入电流信息的单元和利用通信进行发送的单元，可在电动机的外部 掌握安装到电动机上的负载的状态。而且，无需增加电动机内部和外部的 绝缘电路在低价格的结构下就能够实现可收发多个信息的同步电动机。实施例4
图20是表示本发明实施例4的同步电动机的整体框图。在图20中，对 与图l相同的部分标注同一符号并省略说明，以下仅说明不同的部分。
与实施例1的不同之处在于具有电流控制单元51和通信接收单元53。
在图20中，电流控制单元51运算3相逆变器所输出的交流电压的大小， 以使由通信接收单元53从电动机外部接收的输入电流指令值和由输入电 流运算单元47运算出的输入电流值的偏差接近于0。另外，根据由电动机 速度运算单元求出的电动机速度，向驱动信号形成单元45输出对3相逆变 器所输出的交流电压频率进行调节的电压调节值。
<控制周期插入处理>
图21表示本发明实施例4中的控制周期插入处理的流程图。在溢出控制周期定时时或与位置检测插入处理联动来启动本处理作 为插入处理。本处理由与实施例1相同的输入电流取入步骤901、电流控制
处理步骤211构成，是前述的输入电流运算单元47和电流控制单元51的软处理。
图22表示本发明实施例4中的电流控制处理流程。
该电流控制处理在步骤221中取入电动机的速度信息。另外，在步骤 222中，读入由通信接收处理所接收的输入电流指令值和由输入电流取入 处理901运算出的输入电流值，在步骤223中，算出上述输入电流指令值和 输入电流值的偏差。接着，在步骤224中将上述偏差作为输入进行比例积 分运算，运算3相逆变器所输出的交流电压的大小，使上述偏差接近于O。 在步骤225中，根据在步骤221中取得的频率信息和在步骤224中取得的交 流电压的大小，算出并存储向驱动信号形成单元45输出的电压调节值。
以上，根据本发明的实施例4，在同步电动机的内部运算输入电流值， 并利用通信从电动机的内部向外部发送上述输入电流值以及电动机的速 度信息。另外，利用通信从电动机外部向内部接收输入电流指令，由此在 电动机的外部和内部能够正确地检知上述输入电流值和上述输入电流指 令值，且控制上述输入电流值接近正确检知的上述电流指令。由此，能够 实现抑制了速度变动的低噪音的同步电动机。
除此之外，通过将输入电流检测电路12安装到电动机内部、并具有运 算输入电流信息的单元和利用通信进行发送的单元，可在电动机的外部掌 握安装到电动机上的负载的状态。另外，无需增加电动机内部和外部的绝 缘电路在低价格的结构下就能够实现可收发多个信息的同步电动机。
实施例5
图23是表示本发明实施例5的同步电动机的整体框图。在图23中对与 图20相同的部分标注同一符号并省略说明，以下仅说明不同的部分。
与实施例4的不同之处在于具有功率控制单元56、通信接收单元57、 输入电压检测电路14、输入电压运算单元48、输入功率运算单元49、通信 发送单元54。另外，关于输入电压检测电路14、输入电压运算单元48、输 入功率运算单元49、通信发送单元54在实施例2中已进行了说明，所以省
23在图23中，功率控制单元56运算3相逆变器所输出的交流电压的大小， 以使由通信接收单元57从电动机外部接收的输入功率指令值和由输入功 率运算单元49运算出的输入功率值的偏差接近于0。另外，根据由电动机 速度运算单元41求出的电动机速度，向驱动信号形成单元45输出对3相逆 变器所输出的交流电压频率进行调节的电压调节值。
<控制周期插入处理>
图24表示本发明实施例5中的控制周期插入处理的流程图。 在溢出控制周期定时时或与位置检测插入处理联动来启动本处理作 为插入处理。本处理由与实施例1相同的输入电流取入步骤90K与实施例 2相同的输入电压取入步骤161和输入功率值运算步骤162、以及在本实施 例中追加的功率控制处理步骤241构成，该处理是前述功率控制单元56的 软处理。
图25表示本发明实施例5中的功率控制处理流程。
该功率控制处理在步骤251中取入电动机的速度信息。另外，在步骤 252中读入由通信接收处理所接收的输入功率指令值和在输入功率值运算 步骤162中运算出的输入功率值，在步骤253中，算出上述输入功率指令值 和输入功率值的偏差。接着，在步骤254中将上述偏差作为输入进行比例 积分运算，运算3相逆变器所输出的交流电压的大小，使上述偏差接近于O。 在步骤255中，根据在步骤251中取得的频率信息和在步骤254中取得的交 流电压大小，来算出并存储向驱动信号形成单元45输出的电压调节值。
以上，根据本发明的实施例5，可在同步电动机的内部运算输入功率 值，并利用通信从电动机内部向外部发送上述输入功率值及电动机的速度 信息。另外，利用通信从电动机外部向内部接收输入功率指令，由此能够 在电动机的外部和内部正确地检知上述输入功率值和输入功率指令。另 外，通过控制上述输入功率值接近正确检知的上述输入功率指令，可实现 抑制了速度变动的低噪音的同步电动机。
除此之外，还将输入电流检测电路12及输入电压检测电路14安装到电 动机内部，并具有运算输入电流信息、输入电压信息以及输入功率信息的 单元和利用通信进行发送的单元。由此，可在电动机外部掌握安装到电动 机上的负载的状态，且无需增加电动机内部和外部的绝缘电路在廉价的结构下就能够实现可收发多个信息的同步电动机。实施例6
图26是表示本发明实施例6的同步电动机的整体框图。在图26中，对 与图20相同的部分标注同一符号并省略说明，以下，仅说明不同的部分。
与实施例4的不同之处在于具有电流控制单元52、电动机电流检测电 路15、输入电流运算单元50、通信发送单元55。另外，关于电动机电流检 测电路15、输入电流运算单元50、通信发送单元55在实施例3中己进行了 说明，所以省略说明。
在图26中，电流控制单元52运算3相逆变器所输出的交流电压的大小， 以使由通信接收单元53从电动机外部接收的输入电流指令值和由输入电 流运算单元50运算出的输入电流值的偏差接近于0。另外，根据由电动机 速度运算单元41求出的电动机速度，向驱动信号形成单元45输出对3相逆
变器所输出的交流电压频率进行调节的电压调节值。
以上，根据本发明的实施例6，在同步电动机内部运算输入电流值，
并利用通信从电动机的内部向外部发送上述输入电流值及电动机的速度 信息，另外，利用通信从电动机外部向内部接收输入电流指令。从而，在 电动机的外部和内部可正确地检知输入电流值和输入电流指令，且控制上 述输入电流信息接近正确检知的上述输入电流指令，由此能够实现抑制了 速度变动的低噪音的同步电动机。
除此之外，通过将电动机电流检测电路15安装到电动机内部、并具有
运算输入电流信息的单元和利用通信进行发送的单元，可在电动机的外部 掌握安装到电动机上的负载的状态。另外，无需增加电动机内部和外部的 绝缘电路在低价格的结构下就能够实现可收发多个信息的同步电动机。
权利要求
1.一种同步电动机，在内置了提供可变电压/可变频率的3相交流电压的3相逆变器、和检测磁极位置的位置传感器的同步电动机中，内置有电流检测单元，其检测输入电流或输入电流相当值并变换为数字信号；电动机速度运算单元，其根据上述位置传感器的输出，来数字运算上述同步电动机的速度；数字通信接收单元，其利用通信从上述同步电动机的外部接收数字的速度指令值、输入电流指令值或输入功率指令值；数字反馈控制单元，其调节上述3相逆变器的输出交流电压和输出频率，使上述同步电动机的速度、输入电流或输入功率接近上述速度指令值、输入电流指令值或输入功率指令值；以及数字通信发送单元，其向上述同步电动机的外部发送与上述电动机的速度、输入电流或输入功率相关的数字信号。
2. 根据权利要求l所述的同步电动机，其特征在于， 内置有执行上述数字运算处理的微型计算机。
3. 根据权利要求l所述的同步电动机，其特征在于， 作为上述输入电流检测单元，具有模拟输入电流检测电路，其检测流过上述3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算单元， 其根据该输入电流检测电路的输出来运算数字输入电流值，作为上述数字通信接收单元，具有从上述同步电动机的外部接收速度 指令值的单元，作为上述反馈控制单元，具有调节上述3相逆变器的输出交流电压和 输出频率，使上述同步电动机的速度接近上述速度指令值的速度反馈控制 单元，作为上述数字通信发送单元，具有将上述输入电流值和上述电动机速 度向上述同步电动机的外部发送的单元。
4. 根据权利要求l所述的同步电动机，其特征在于， 作为上述输入电流检测单元，具有模拟输入电流检测电路，其检测流过3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算单元，其根 据该输入电流检测电路的输出来运算数字输入电流值，上述同步电动机具有模拟输入电压检测电路，其检测上述3相逆变 器的直流输入端子之间的电压；输入电压运算单元，其根据该输入电压检 测电路的输出来算出数字输入电压值；以及输入功率运算单元，其根据上述输入电流值和上述输入电压值来运算输入功率值，作为上述数字通信发送单元，具有将上述输入功率值和上述电动机速 度向上述同步电动机的外部发送的单元。
5. 根据权利要求l所述的同步电动机，其特征在于，作为上述输入电流检测单元，具有模拟电动机电流检测电路，其检 测流向上述同步电动机的绕组的电动机绕组电流；和输入电流运算单元，其根据该电动机电流检测电路的输出来算出数字输入电流值，作为上述数字通信发送单元，具有将上述数字输入电流值和上述电动 机速度向上述同步电动机的外部发送的单元。
6. 根据权利要求l所述的同步电动机，其特征在于， 作为上述输入电流检测单元，具有模拟输入电流检测电路，其检测流过上述3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算单元， 其根据该输入电流检测电路的输出来算出数字输入电流值，作为上述数字通信接收单元，具有从上述同步电动机的外部接收数字 输入电流指令值的单元，作为上述反馈控制单元，具有电流控制单元，其调节3相逆变器所输出的交流电压的大小和频率，使上述输入电流值接近上述输入电流指令 值，作为上述数字通信发送单元，具有将上述输入电流值和上述电动机速 度向上述同步电动机的外部发送的单元。
7. 根据权利要求l所述的同步电动机，其特征在于，作为上述输入电流检测单元，具有模拟输入电流检测电路，其检测 流过上述3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算单元， 其根据该输入电流检测电路的输出来算出数字输入电流值，上述同步电动机具有模拟输入电压检测电路，其检测上述3相逆变器的直流输入端子之间的输入电压；输入电压运算单元，其根据该输入电压检测电路的输出来算出数字输入电压值；以及输入功率运算单元，其根 据上述输入电流值和上述输入电压值来数字运算输入功率值，作为上述数字通信接收单元，具有从上述同步电动机的外部接收数字 输入功率指令值的单元，作为上述反馈控制单元，具有功率控制单元，其调节3相逆变器所输 出的交流电压的大小和频率，使上述输入功率值接近上述输入功率指令 值，作为上述数字通信发送单元，具有将上述输入功率值和上述电动机速 度向上述同步电动机的外部发送的单元。
8. 根据权利要求l所述的同步电动机，其特征在于， 作为上述输入电流检测单元，具有模拟电动机绕组电流检测电路，其检测流向上述同步电动机的绕组的电流；和输入电流运算单元，其根据 该电动机绕组电流检测电路的输出来运算数字输入电流值，作为上述数字通信接收单元，具有从上述同步电动机的外部接收数字 输入电流指令值的单元，作为上述反馈控制单元，具有电流控制单元，其调节3相逆变器所输 出的交流电压的大小和频率，使上述输入电流接近上述输入电流指令值，作为上述数字通信发送单元，具有将上述输入电流值和上述电动机速 度向上述同步电动机的外部发送的单元。
9. 一种同步电动机的控制方法，该同步电动机内置了提供可变电压/ 可变频率的3相交流电压的3相逆变器、和检测磁极位置的位置传感器，同步电动机的控制方法中利用内置于上述同步电动机中的微型计算 机来执行以下步骤输入电流检测步骤，其将检测出的输入电流或输入电流相当值变换为 数字信号；电动机速度运算步骤，其根据上述位置传感器的输出，来数字运算上 述同步电动机的速度；数字通信接收步骤，其利用通信从上述同步电动机的外部接收数字的 速度指令值、输入电流指令值或输入功率指令值；数字反馈控制步骤，其调节上述3相逆变器的输出交流电压和输出频 率，使上述同步电动机的速度、输入电流或输入功率接近上述速度指令值、输入电流指令值或输入功率指令值；以及数字通信发送步骤，其向上述同步电动机的外部发送与上述电动机的 速度、输入电流或输入功率相关的数字信号。
10. 根据权利要求9所述的同步电动机的控制方法，其特征在于，上述输入电流检测步骤，具有模拟输入电流检测步骤，其检测流过 上述3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算步骤，其根 据该输入电流检测步骤的输出来运算数字输入电流值，上述数字通信接收步骤从上述同步电动机的外部接收速度指令值，上述反馈控制步骤，具有速度反馈控制步骤，其调节上述3相逆变器的输出交流电压和输出频率，使上述同步电动机的速度接近上述速度指令 值，上述数字通信发送步骤将上述输入电流值和上述电动机速度向上述 同步电动机的外部发送。
11. 根据权利要求9所述的同步电动机的控制方法，其特征在于，上述输入电流检测步骤，具有模拟输入电流检测步骤，其检测流过 3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算步骤，其根据该 输入电流检测步骤的输出来运算数字输入电流值，上述同步电动机的控制方法具有模拟输入电压检测步骤，其检测上 述3相逆变器的直流输入端子之间的电压；输入电压运算步骤，其根据该 模拟输入电压检测步骤的输出来算出数字输入电压值；以及输入功率运算 步骤，其根据上述输入电流值和上述输入电压值来运算输入功率值，上述数字通信发送步骤将上述输入功率值和上述电动机速度向上述 同步电动机的外部发送。
12. 根据权利要求9所述的同步电动机的控制方法，其特征在于，上述输入电流检测步骤，具有模拟电动机电流检测步骤，其检测流 向上述同步电动机的绕组的电动机绕组电流；和输入电流运算步骤，其根据该电动机电流检测步骤的输出来算出数字输入电流值，上述数字通信发送步骤将上述数字输入电流值和上述电动机速度向上述同步电动机的外部发送。
13. 根据权利要求9所述的同步电动机的控制方法，其特征在于，上述电动机电流检测步骤，具有模拟输入电流检测步骤，其检测流 过上述3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算步骤，其 根据该输入电流检测步骤的输出来算出数字输入电流值，上述数字通信接收步骤从上述同步电动机的外部接收数字输入电流 指令值，上述反馈控制步骤，具有电流控制步骤，其调节3相逆变器所输出的 交流电压的大小和频率，使上述输入电流值接近上述输入电流指令值，上述数字通信发送步骤将上述输入电流值和上述电动机速度向上述 同步电动机的外部发送。
14. 根据权利要求9所述的同步电动机的控制方法，其特征在于， 上述电动机电流检测步骤，具有模拟输入电流检测步骤，其检测流过上述3相逆变器的直流输入端子的输入电流；和输入电流运算步骤，其 根据该输入电流检测步骤的输出来算出数字输入电流值，上述同步电动机的控制方法具有模拟输入电压检测步骤，其检测上 述3相逆变器的直流输入端子之间的输入电压；输入电压运算步骤，其根 据该输入电压检测步骤的输出来算出数字输入电压值；以及输入功率运算 步骤，其根据上述输入电流值和上述输入电压值来数字运算输入功率值，上述数字通信接收步骤从上述同步电动机的外部接收数字输入功率 指令值，上述反馈控制步骤，具有功率控制步骤，其调节3相逆变器所输出的 交流电压的大小和频率，使上述输入功率值接近上述输入功率指令值，上述数字通信发送步骤将上述输入功率值和上述电动机速度向上述 同步电动机的外部发送。
15. 根据权利要求9所述的同步电动机的控制方法，其特征在于，上述输入电流检测步骤，具有模拟电动机绕组电流检测步骤，其检测流向上述同步电动机的绕组的电动机电流；和输入电流运算步骤，其根 据该电动机绕组电流检测步骤的输出来运算数字输入电流值，上述数字通信接收步骤从上述同步电动机的外部接收数字输入电流指令值，上述反馈控制步骤，具有电流控制步骤，其调节3相逆变器所输出的 交流电压的大小和频率，使上述输入电流值接近上述输入电流指令值，上述数字通信发送步骤将上述输入电流值和上述电动机速度向上述 同步电动机的外部发送。
全文摘要
本发明提供一种同步电动机，在同步电动机(5)的内部具有3相逆变器(3)和位置传感器(9)，具备根据输入电流检测电路(12)的模拟输出来算出数字输入电流值的单元(47)，该输入电流检测电路(12)检测流过3相逆变器直流输入端子的输入电流，另外还具备数字反馈速度控制单元(44)，其调节3相逆变器输出的交流电压的大小和频率，使根据位置传感器(9)的输出信息由电动机速度运算单元(41)运算出的电动机速度接近速度指令值，该速度指令值从上述同步电动机外部由通信接收单元(42)接收。此外，在上述同步电动机内部具有将上述输入电流值和上述速度向同步电动机的外部发送的通信发送单元(43)。
文档编号H02P6/08GK101594037SQ200910133539
公开日2009年12月2日 申请日期2009年4月10日 优先权日2008年4月11日
发明者三岛光博, 前田大辅, 樱井健司, 白滨秀文, 长谷川裕之 申请人:株式会社日立制作所;日立信息控制系统有限公司