CN104521134A - 电动机控制装置、电动机控制方法以及送风装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够进行在减少实验工时的同时不受压损条件、静压的变化影响的风量固定控制的电动机控制装置、电动机控制方法以及送风装置。电动机控制装置(110)是对驱动送风机(104)的电动机(105)进行控制的装置,具备转矩指令生成部(114),该转矩指令生成部(114)获取电动机(105)的电动机速度(ω),生成使由送风机(104)供给的风量与目标风量(Q*)一致的转矩指令(T*),其中,转矩指令生成部(114)计算将目标风量(Q*)除以电动机速度(ω)所得的变量的多项式与电动机速度(ω)的平方之积,来作为转矩指令(T*)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动机控制装置、电动机控制方法以及送风装置,特别涉及一种进行换气、制冷制热的空调系统中的送风机的风量控制方法。
背景技术
在进行换气、制冷制热的空调系统中,特别是在将来自一个送风机的风通过风道送到一个或者多个房间的空调系统中,决定空调系统的压力损失的条件(下面称为“压损条件”)根据具有送风机的空调装置的设置状态、使用状态而不同。例如,根据与空调装置连接的风道的形状、长度的差异而压损条件不同。另外,由于在空调装置的吹出口、吸入口处安装的过滤器的堵塞而产生压损条件的经时变化。由于这种压损条件的差异、经时变化,得到规定的风量所需要的静压也发生变化。因此,存在以下情况:即使以同一转矩或转速对同一规格的多台空调装置进行驱动,得到的风量也有偏差。或者,存在以下情况:即使以固定的转矩或转速对某个空调装置进行驱动,也无法将风量维持为固定。因此,近年来要求即使压损条件、静压发生变化也将风量控制成维持目标风量(下面称为“风量固定控制”)。
作为实现风量固定控制的技术,例如有使用压力传感器的方式。但是,在易设置性、长期使用时的可靠性上存在问题。因此,正在研究不使用压力传感器而利用风量固定控制所需的送风机固有的特性(下面称为“风机特性”)的各种方式。在这种方式中,在进行基于风量固定控制的运转之前,事先进行测量送风机的电动机的物理量(电动机速度、电动机转矩等)与风量的关系的测量实验。然后,利用通过该测量实验得到的风机特性来进行风量固定控制。
作为这种风量固定控制的技术,例如已知专利文献1。根据专利文献1所示的以往技术,基于下述的式(1)来计算出驱动送风机的电动机的指示速度。
[式1]
S*=S+K×(S-Sa) …(1)
在此,S*是电动机的指示速度,S是电动机速度,Sa是目标电动机速度,K是增益。基于下述的式(2)来计算出目标电动机速度Sa。
[式2]
在此,T是电动机转矩,Q*是目标风量,knm(n=0,1,2,…,j、m=0,1,2,…,i)是常数,而且i和j是有限值。式(2)是表示以下关系的式子:在电动机转矩为T的情况下,为了使风量为目标风量Q*而需要的电动机速度为Sa。
常数knm是送风机所固有的系数,通过预先进行测量实验来求出。在该测量实验中,首先将送风机连接到风洞实验设备,在不同的静压下一边改变电动机速度、一边测量电动机转矩和风量。然后,使用最小二乘法来计算出常数knm,使得式(2)成为平均地满足该测量数据的回归式。
专利文献1所记载的电动机控制装置如上所述那样利用式(2)和式(1)计算指示速度S*,并进行使电动机速度S跟踪该指示速度S*的速度控制,由此实现风量固定控制,其中式(2)应用了事先通过测量实验求出的常数knm。
专利文献1:国际公开第2008/117515号
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所示的以往技术中,在风量固定控制时风量以什么样的精度与目标风量一致是取决于式(2)能够多准确地回归出实际的送风机的风机特性。也就是说,取决于常数knm的准确度。如果将包含误差的常数knm使用于式(2),则由于基于错误的风机特性控制电动机,因此会产生风量误差,无法得到期望的目标风量。
常数knm的准确度对从所获取的测量数据得到作为回归式的式(2)时的回归误差有很大影响。为了将回归误差抑制得小,需要确保足够的测量数据数和足够的测量范围来进行测量实验。这是由于,当测量数据数少时,无法准确地回归出测量数据与测量数据之间的风机特性,另外,当测量范围不足够时,无法准确地回归出所测量的范围外侧的风机特性。
在专利文献1所示的以往技术中,为了确保足够的测量范围,需要使静压和电动机速度这两者遍及整个实际使用范围地变化。也就是说,需要使风洞实验设备的静压遍及整个在进行基于风量固定控制的运转时设想的静压变化幅度地变化,且使电动机速度遍及整个在进行基于风量固定控制的运转时使用的电动机速度范围地变化,来进行测量。因此,必须测量大量的数据,其结果是存在需要很多实验工时的问题。
本发明用于解决上述以往问题,目的在于提供一种能够进行在减少实验工时的同时不受压损条件、静压的变化影响的风量固定控制的电动机控制装置、电动机控制方法以及送风装置。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的,本发明的某个方式中的电动机控制装置是对驱动送风机的电动机进行控制的电动机控制装置,该电动机控制装置具备转矩指令生成部,该转矩指令生成部获取上述电动机的电动机速度,生成使由上述送风机供给的风量与目标风量一致的转矩指令,其中,上述转矩指令生成部计算将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
根据上述结构,一边自动搜索达到目标风量的电动机输出、一边控制电动机,因此即使压损条件、静压发生变化也能够实现风量固定控制。另外,由于转矩指令是作为将目标风量除以电动机速度所得的变量的多项式与电动机速度的平方之积而求出的,因此能够在减少实验工时的同时不受压损条件、静压的变化影响而高精度地进行风量固定控制。
另外,本发明的其它方式中的电动机控制方法是对驱动送风机的电动机进行控制的电动机控制方法,该电动机控制方法包括第一步骤,在该第一步骤中,获取上述电动机的电动机速度,生成使由上述送风机供给的风量与目标风量一致的转矩指令,其中,在上述第一步骤计算中将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
另外,本发明的其它方式中的送风装置是具备送风机、驱动上述送风机的电动机以及控制上述电动机的驱动的电动机控制装置的送风装置,上述电动机控制装置具备上述结构。
本发明的上述目的、其它目的、特征以及优点会通过参照附图并详细说明以下的优选实施方式而变得更明确。
发明的效果
本发明如以上说明的那样构成,起到能够在减少实验工时的同时不受压损条件、静压的变化影响而高精度地进行风量固定控制的效果。
附图说明
图1是表示应用了本发明所涉及的一个实施方式中的电动机控制装置的空调装置的框图。
图2是表示本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中的电动机转矩-电动机速度特性的图表。
图3是表示本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中的转矩指令生成部的处理的流程图。
图4是表示用于在本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中计算风机系数的结构的框图。
图5是表示用于在本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中计算风机系数的实施过程的流程图。
图6是表示描绘出表1的测量数据及其回归曲线的风量-电动机转矩特性的图表。
图7是表示用于在本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中计算风机系数时的试验运转的结构的一例的框图。
图8是表示本发明所涉及的实施方式中的电动机控制装置的变形例的框图。
具体实施方式
(本发明的概要)
首先,说明本发明的概要。如前所述,作为进行风量固定控制的方法,在以往的电动机控制装置中,事先针对每个送风机进行用于得到风量固定控制所需的送风机固有的风机特性(电动机的物理量与风量的关系)的测量实验。在这样的测量实验中,若是以往的结构,则会基于前述的式(2)来进行测量实验,因此电动机的物理量与风量的关系不具有唯一性。因此,在测量实验中,需要使与风量相关的静压和作为电动机的物理量的电动机速度这两者遍及整个实际使用范围地变化。也就是说,需要使风洞实验设备的静压遍及整个在进行基于风量固定控制的运转时设想的静压变化幅度地变化,且使电动机速度遍及整个在进行基于风量固定控制的运转时使用的电动机速度范围地变化,来进行测量。因此,实验工时多,作为测量实验的结果而得到的系数也是近似性的系数,难以提高精度。
因此,本发明的发明人们鉴于以上的问题点专心研究的结果,得出以下见解:通过将流动的相似性(Similarity of flows)的概念引入到这样的电动机控制装置中,能够在电动机的物理量与风量的关系中发现唯一性。具体地说,利用在流动的相似性中电动机输出与电动机速度的立方成正比、风量与电动机速度成正比、根据电动机输出是电动机转矩与电动机速度之积而电动机转矩与电动机速度的平方成正比这样的特性,使用作为将目标风量除以电动机速度所得的变量的多项式与电动机速度的平方之积而计算出的转矩指令,来控制风量固定控制。通过像这样使用电动机速度及电动机转矩与风量的关系呈唯一性的式子,只要以一个电动机速度进行数据测量就能够求出能够应用于全部电动机速度的风机系数的值。因而,即使利用少的实验工时也能够不受压损条件、静压的变化影响而高精度地实现风量固定控制。
下面,说明在本发明的实施方式中利用的转矩指令的推导式。
设通过某个电动机以一个电动机速度ωS来驱动某个送风机,一边维持该一个电动机速度ωS、一边改变设置了送风机的环境的静压。而且,设此时的电动机转矩TS与风量QS的关系回归为下述的多项式(3)。
[式3]
在此,i是0以上的整数,是表示回归式的阶次的有限值,Kn是表示回归式的系数的常数(n=0,1,2,…,i)。
一般在风扇、鼓风机等送风机中,根据流动的相似性,轴动力与转速的立方成正比,风量与转速成正比。该法则在送风机以外的一般的流体机械中也成立。在此,如果送风机与电动机的轴不摇动或不偏离地被结合,则可视为送风机的轴动力与电动机输出相等、送风机的转速与电动机速度相等。因此,电动机输出与电动机速度的立方成正比,风量与电动机速度成正比。另外,在利用电动机输出是电动机转矩与电动机速度之积这样的特性时,还可以导出驱动送风机的电动机转矩与电动机速度的平方成正比的关系。因而,根据上述流动的相似性,下述式(4)和式(5)成立。
[式4]
[式5]
上述两个式子表示以下的关系:在驱动送风机的电动机的电动机速度从ωS变化为ω时,电动机转矩以电动机速度的变化率(ω/ωS)的平方的比率从TS变化为T,同时风量以与电动机速度的变化率(ω/ωS)相同的比率从QS变化为Q。在此,当将式(4)和式(5)应用于式(3)时,推导出下述式(6)。
[式6]
在此,T是电动机转矩,ω是电动机速度,Q是风量,i是0以上的整数,是与式(3)的阶次相同的有限值,Kn是与式(3)的系数相同的常数(n=0,1,2,…,i),ωS是得到式(3)时的特定的电动机速度。
上述式(8)表示以下的关系:相对于任意的电动机速度ω而言,使风量为Q的电动机输出为P。在此,当以目标风量Q*置换风量Q、以转矩指令T*置换电动机转矩T、并分别以αn、β置换常数Kn、ωS时,推导出以下式(7)。
[式7]
在此,ω是电动机速度,Q*是目标风量,i是0以上的整数且为有限值,αn(n=0,1,2,…,i)和β是常数。
在上述的式(7)中,将目标风量Q*除以电动机速度ω所得的变量的多项式相当于(αn/β2-n)·(ω*/Q*)n,通过使该多项式乘以电动机速度ω的平方ω2,可以得到式(7)。
根据以上,只要一边以一个电动机速度ωS来驱动送风机、一边测量电动机转矩和风量,并将其测量结果回归为式(3),就能够根据ωS和Kn来直接决定风机系数αn、β的值。
通过以上,本发明的某个方式所涉及的电动机控制装置是对驱动送风机的电动机进行控制的电动机控制装置,该电动机控制装置具备转矩指令生成部,该转矩指令生成部获取上述电动机的电动机速度,生成使由上述送风机供给的风量与目标风量一致的转矩指令,上述转矩指令生成部计算将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
也可以是,上述转矩指令生成部利用上述的式(7)来计算上述转矩指令。
也可以是,上述电动机控制装置具备存储规定的最小电动机转矩和大于最小电动机转矩的最大电动机转矩的存储单元,上述转矩指令生成部将上述转矩指令限制在上述最小电动机转矩与上述最大电动机转矩之间的范围内。
也可以是,在上述转矩指令与上述电动机转矩之差处于第一规定范围内的情况和本次得到的上述电动机转矩与上次得到的电动机转矩之差处于第二规定范围内的情况中的至少任一个情况下,上述转矩指令生成部输出与上次输出的转矩指令相同的值的上述转矩指令。
也可以是,上述电动机控制装置具有转矩控制部,该转矩控制部获取上述电动机的电动机转矩,生成以使上述电动机转矩与上述转矩指令一致的方式控制对上述电动机的驱动电压的信号。
也可以是,上述电动机控制装置具有检测上述电动机速度的第一检测部。
也可以是,上述电动机控制装置具有检测上述电动机的电动机转矩或者流过上述电动机的电流的第二检测部。
也可以是,上述电动机控制装置具有存储上述目标风量的存储器。
也可以是,上述存储器存储多个风量值,上述转矩指令生成部选择上述多个风量值中的一个来作为上述目标风量。
也可以是,上述电动机控制装置具有通过手动来操作的开关,构成为能够通过上述开关的操作来选择上述多个风量值中的一个以作为上述目标风量。
也可以是,上述电动机控制装置还具有接收用于从上述多个风量值中选择上述目标风量的选择信号的通信部。
也可以是,上述电动机控制装置具有接收用于指示上述目标风量的信号的通信部。
也可以是,上述电动机控制装置具备:第一单元,其至少具有上述转矩指令生成部;以及第二单元,其至少具有上述转矩控制部,其中,在上述第一单元与上述第二单元之间进行数据通信。
也可以是,上述第一单元通过上述数据通信至少将上述转矩指令发送到上述第二单元,上述第二单元通过上述数据通信将包含上述电动机转矩的信息的检测信号发送到上述第一单元。
另外,本发明的其它方式所涉及的电动机控制装置是对驱动送风机的电动机进行控制的电动机控制方法,该电动机控制方法包括第一步骤,在该第一步骤中,获取上述电动机的电动机速度,生成使由上述送风机供给的风量与目标风量一致的转矩指令,其中,在上述第一步骤中计算将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
也可以是,在上述第一步骤中利用上述的式(7)来计算上述转矩指令。
也可以是,上述电动机控制方法包括存储规定的最小电动机转矩和大于最小电动机转矩的最大电动机转矩的步骤,在上述第一步骤中将上述转矩指令限制在上述最小电动机转矩与上述最大电动机转矩之间的范围内后输出。
也可以是,上述电动机控制方法包括第二步骤,在该第二步骤中,在上述转矩指令与上述电动机转矩之差处于第一规定范围内的情况和本次得到的上述电动机转矩与上次得到的电动机转矩之差处于第二规定范围内的情况中的至少任一个情况下,将上述转矩指令设定为与上次输出的转矩指令相同的值。
也可以是,上述电动机控制方法包括第三步骤,在该第三步骤中,获取上述电动机的电动机转矩,生成以使上述电动机转矩与上述转矩指令一致的方式控制对上述电动机的驱动电压的信号。
也可以是,上述电动机控制方法一边通过上述电动机以一个电动机速度来驱动上述送风机,一边测定上述电动机的电动机转矩和上述风量,使所得到的上述电动机转矩回归或者近似为与所得到的上述风量相关的多项式,来求出上述多项式的系数,以使所得到的上述多项式的系数成为上述常数αn的因数的方式运算上述常数αn的值,将上述电动机转矩和上述风量的测定中使用的上述一个电动机速度作为上述常数β的值。
也可以是,上述电动机控制方法将回归或者近似为与上述风量相关的多项式而得到的上述多项式的系数作为上述常数αn的值。
也可以是,上述电动机控制方法将使回归或者近似为与上述风量相关的多项式而得到的上述多项式的系数乘以上述送风机的尺寸的变化比率的整数次方所得的值作为上述常数αn的值。
另外,本发明的其它方式所涉及的送风装置是具备送风机、驱动上述送风机的电动机以及控制上述电动机的驱动的电动机控制装置的送风装置,上述电动机控制装置具备:转矩指令生成部,其获取上述电动机的电动机速度,基于目标风量和上述电动机速度来生成使由上述送风机供给的风量与上述目标风量一致的转矩指令;以及转矩控制部,其获取上述电动机的电动机转矩,生成以使上述电动机转矩与上述转矩指令一致的方式控制对上述电动机的驱动电压的信号,其中,上述转矩指令生成部计算将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
上述送风装置也可以搭载于空调装置。
上述空调装置也可以设置于一般房屋、业务用建筑物、商业用建筑物、洁净室(clean room)以及业务用空调设备中的任一个。
上述空调装置也可以设置于汽车、公交车、铁道车辆、飞机和船舶中的任一个。
下面,参照附图来说明本发明的一个实施方式中的电动机控制装置和电动机控制方法。在本实施方式的电动机控制装置中进行的风量固定控制不受压损条件、静压的变化影响而将风量维持为目标风量。在本实施方式中的风机系数的计算例中,说明为了得到实现这样的风量固定控制所需的送风机固有的风机系数而实施的测量实验和基于该测量实验的计算。在风量固定控制之前实施该测量实验和基于该测量实验的计算。此外,本发明并不限定于这些实施方式。
(实施方式)
图1是表示应用了本发明所涉及的一个实施方式中的电动机控制装置的空调装置的框图。如图1所示,构成为本实施方式中的送风装置的空调装置101具备:送风机104,其向送风路径102送入空气;电动机105,其驱动送风机104;转换器106,其将来自交流电源103的交流电力转换为直流电力;逆变器107,其将直流电力转换为交流电力后供给到电动机105;位置检测器108,其检测电动机105的转子(未图示)的位置;电流检测器109,其检测电动机105的电流;以及电动机控制装置110,其将空调装置101的风量控制为目标风量Q*。
电动机控制装置110具备:速度检测部111,其根据位置检测器108的输出信号来检测电动机速度ω;转矩检测部112,其根据电流检测器109的输出信号来检测电动机转矩T;存储器113,其存储从外部输入的目标风量Q*;转矩指令生成部114,其基于电动机速度ω和从存储器113读出的目标风量Q*来生成转矩指令T*;转矩控制部115,其输出用于使电动机转矩T跟踪转矩指令T*的针对逆变器的驱动控制信号;以及开关116。本实施方式中的速度检测部111作为检测作为第一变动量的电动机速度的第一检测部而发挥功能,转矩检测部112作为检测作为第二变动量的电动机转矩或者流过电动机105的电流的第二检测部而发挥功能。
接着,说明图1所示的空调装置101的动作和结构要素的详情。送风机104通过送风路径102向期望的场所供给空气。送风机104在本实施方式中为多叶片风扇。但是,送风机104的构造、形式没有特别限定,也可以不是多叶片风扇。电动机105在与送风机104结合的状态下旋转,来驱动送风机104。电动机105在本实施方式中为永磁同步电动机。但是,电动机105的构造、形式没有特别限定,也可以是其它电动机、例如感应电动机、电磁同步电动机。转换器106将交流电源103的交流电压进行整流、平滑来转换为规定的直流电压。逆变器107按照从电动机控制装置110输入的驱动控制信号进行半导体开关动作,将来自转换器106的直流电压转换为交流电压,并将其作为驱动电压提供给电动机105。在此,逆变器107内部的开关结构、开关动作方式只要适合于驱动电动机105的目的即可,没有特别限定。位置检测器108安装于电动机105,输出与电动机105的转子(未图示)的位置相应的信号。此外,在能够通过估计来检测转子的位置、速度的情况下,不需要位置检测器108。电流检测器109直接检测电动机的相电流,输出与相电流值相应的信号。此外,只要能够根据检测出的电流估计出电动机转矩,则不管在哪个部分检测电流都可以,例如也可以将电流检测器109插入到从转换器106向逆变器107的直流线来检测电流。
接着,说明电动机控制装置110的动作和结构要素。
速度检测部111基于位置检测器108的输出信号来计算电动机速度ω。但是,在使用通过估计来检测转子的位置、速度的无传感器控制对电动机105进行驱动的情况下,也可以构成为使用电动机电流、电动机驱动电压来计算电动机速度ω,来代替使用位置检测器108的输出信号。转矩检测部112基于电流检测器109的输出信号来计算电动机转矩T。在此,电动机转矩T也可以是包含电动机105的转矩信息的物理量、例如电动机电流、电动机电流中的对转矩有贡献的向量分量。对转矩有贡献的向量分量例如也可以是对电动机电流进行d-q转换时得到的q轴电流。另外,速度检测部111和转矩检测部112无需如图1所示那样位于电动机控制装置110的内部,也可以配置于外部。其中,在配置于外部的情况下,构成为将计算出的电动机速度ω和电动机转矩T输入到电动机控制装置110。
存储器113是由RAM、ROM等构成的存储部。在该ROM中预先存储有目标风量Q*,转矩指令生成部114在进行后述的运算时,从ROM读出目标风量Q*来利用于运算。所存储的目标风量Q*也可以有多个。在该情况下,通过来自电动机控制装置110的外部的通信输入来从多个目标风量Q*中选择一个。或者,也可以通过以手动方式对设置于电动机控制装置110的开关116进行操作来从多个目标风量Q*中选择一个。
另外,目标风量Q*未必需要预先存储在ROM中。也可以通过来自电动机控制装置110的外部的通信输入来将目标风量Q*适当地发送到电动机控制装置110。在该情况下,所接收到的目标风量Q*被存储到存储器113内的RAM等,每当新的目标风量Q*发送过来时都被更新。
从外部被通信输入的目标风量Q*的值是基于安装电动机105的空调环境来决定的。即,根据以下情况等来决定目标风量Q*:需要向在作为室内空调对象的房间中成为基准的房间送入多少风量、或者对空调设备来说多少风量时效率好。即,还有时根据设置空调设备的地区的气候等对目标风量Q*进行校正。例如在温暖且湿度高的地区,有时目标风量Q*被设定得高。在事先了解空调环境的情况下,能够在设置电动机之前设定目标风量Q*。当然,也能够在设置时视空调环境来设定目标风量Q*。
转矩指令生成部114基于从速度检测部111获取的电动机速度ω和从存储器113读出的目标风量Q*来计算转矩指令T*并输出到转矩控制部115。具体地说,计算将目标风量Q*除以电动机速度ω所得的变量的多项式与电动机速度ω的平方之积,来作为转矩指令T*。
在本实施方式中,特别是,转矩指令生成部114利用上述式(7)来计算转矩指令T*。
上述式(7)表示以下的关系:相对于任意的电动机速度ω而言,使风量为目标风量Q*的电动机转矩为T*。使该关系具有特征的系数αn、β具有与送风机的形状、尺寸相对的固有的值。下面,将该系数αn、β称为风机系数(日语:ブロワ係数)。通过在进行风量固定控制下的运转之前预先实施测量实验、计算,来求出风机系数αn、β的值。关于该测量实验、基于该测量实验的计算在以后叙述。
转矩控制部115基于从转矩检测部112获取的电动机转矩T与从转矩指令生成部114获取的转矩指令T*的比较结果,来输出用于使电动机转矩T跟踪转矩指令T*的针对逆变器107的驱动控制信号,从而对电动机105进行转矩控制。
开关116设置于电动机控制装置110,能够通过手动操作从存储器113中存储的多个目标风量Q*中选择一个。并且,通过手动操作对电动机控制装置110内的控制块结构进行切换。
本实施方式中的电动机控制装置110能够通过开关116、来自外部的通信输入而切换为多个模式。多个模式至少包括风量固定控制模式和速度控制模式。风量固定控制模式是如下的控制模式:如前所述,基于从转矩检测部112获取的电动机转矩T与从转矩指令生成部114获取的转矩指令T*的比较结果,来输出用于使电动机转矩T跟踪转矩指令T*的针对逆变器107的驱动控制信号,从而对电动机105进行转矩控制。另外,速度控制模式包括以下的速度控制模式:后述的速度控制部基于从速度检测部111获取的电动机速度ω和从转矩检测部112获取的电动机转矩T来生成驱动控制信号。
在本实施方式中选择了风量固定控制模式。此外,在为了求出转矩指令生成部114中使用的式(7)的风机系数αn、β的值而实施的测量实验中,利用速度控制模式。此外,也可以构成为通过来自外部的通信输入来切换控制块结构以代替使用开关116。
下面使用图2来说明如上那样构成的电动机控制装置110的动作。
图2是表示本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中的电动机转矩-电动机速度特性的图表。在图2中,曲线201表示风量变为目标风量Q*时的电动机转矩-电动机速度特性(下面称为“风量固定曲线”)。曲线202及203分别是包括送风路径102的空调系统内的压损条件所特有的电动机转矩-电动机速度特性(下面称为“压损曲线”)。电动机105能够在该压损曲线上动作。
假设当前空调系统的压损条件由压损曲线202表示、电动机105的动作点位于点D0。此时,动作点D0位于压损曲线202与风量固定曲线201的交点,因此送风机104供给与目标风量Q*相等的风量。此外,此时的电动机转矩为T1。
在此,设空调环境发生变化,压损曲线从202变化为203。例如,设送风路径102的多个吹出口处设置的几个通气罩(日语:ベントキャップ)被关闭,应该调节空气的房间数变化,空调系统的压力损失变大。此时,由于通过转矩控制部115对电动机105进行转矩控制,因此动作点一边维持电动机转矩T1、一边移动到新的压损曲线203上的点C1。
在动作点移动到点C1之后,转矩指令生成部114将从存储器113读出的目标风量Q*和由速度检测部111检测出的当前的电动机速度ω1代入式(7),计算转矩指令T*。此时计算出的转矩指令T*是风量固定曲线201上的成为与当前的动作点C1相同的电动机速度ω1的点D1处的电动机转矩T2。然后,该T*=T2被输出到转矩控制部115。接着,转矩控制部115基于该转矩指令T*=T2与由转矩检测部112检测出的当前的电动机转矩T=T1的差异,来输出针对逆变器107的驱动控制信号,从而对电动机105进行转矩控制。
在此,设通过转矩控制而动作点从C1移动到C2。在该移动目的地的动作点C2处也同样地,转矩指令生成部114生成在风量固定曲线201上成为当前的电动机速度ω2的点D2处的电动机转矩T3,来作为转矩指令T*。然后,转矩控制部115按照该转矩指令T*=T3来进行转矩控制。通过重复这一处理,动作点会依次移动到点C3、C4、C5、…,最终稳定在由转矩检测部112检测的电动机转矩T和由转矩指令生成部114生成的转矩指令T*一致为TE的动作点、即压损曲线203与风量固定曲线201的交点E。此时,由送风机104供给的风量与目标风量Q*相等,达到风量固定控制。
另外,在压损曲线从203恢复为202的情况下,动作点朝着与上述的过程相反的方向沿压损曲线202移动,返回到与风量固定曲线201的交点D0。
接着,叙述本实施方式的电动机控制装置110中的风量固定控制的动作稳定化功能和保护功能。
图3是表示本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中的转矩指令生成部114的处理的流程图。转矩指令生成部114预先获取由速度检测部111检测出的电动机速度ω和存储器114中存储的目标风量Q*。
在最初的步骤S301中,转矩指令生成部114根据所获取到的电动机速度ω和目标风量Q*来利用上述式(7)计算转矩指令T*。在接下来的步骤S302中,转矩指令生成部114判断在步骤S301中计算出的转矩指令T*是否处于规定的最小电动机转矩与规定的最大电动机转矩之间的范围内,如果处于范围内则不修正转矩指令T*,在小于规定的最小电动机转矩的情况下将转矩指令T*修正为最小电动机转矩,在超过规定的最大电动机转矩的情况下将转矩指令T*修正为规定的最大电动机转矩。
说明该步骤S302的效果。存在送风路径102内的压力损失小的情况等不那么需要电动机速度ω以得到目标风量Q*的风量值的空调环境。在这种空调环境下,有时电动机速度ω变为极低速。在该情况下,在通过转矩指令生成部114计算转矩指令T*时,对式(7)的ω代入小的值,因此有时会由于电动机控制装置110的运算分辨率的极限而将转矩指令T*计算为大致零。当按照大致零的转矩指令T*来进行转矩控制时,电动机105减速。而且,若重复这种转矩控制则转矩指令T*为零的状态会持续,导致电动机105停止。为了避免该情况,对转矩指令T*设置作为下限的最小电动机转矩,控制成必须为最小电动机转矩以上,由此能够防止电动机105的停止。
反之在送风路径102内的压力损失大的情况下,存在为了得到目标风量Q*的风量值而转矩指令T*成为高的值的情况。在该情况下,存在以下情况:试图实现超出电动机105的能力的动作而动作变得不稳定、或者电动机电流变得过大。当电动机电流变得过大而超过额定电流值时,由于电动机绕组的发热而电动机105发生故障或效率显著降低。另外,如果不设置电动机转矩T的上限,则存在以下担忧:尽管送风机104中卷入异物等而变为过载状态,但电动机105试图进一步加大转矩而使包括送风机104、电动机105的空调装置101发生故障。为了避免该情况,对转矩指令T*设置作为上限的最大电动机转矩,控制成必须为最大转矩以下,由此能够防止控制的不稳定化、空调装置的故障。
在接下来的步骤S303中,转矩指令生成部114计算转矩指令T*与由转矩检测部112检测出的电动机转矩T之差。然后,如果该差处于规定范围(第一规定范围)外,则转矩指令生成部114将转矩指令T*按原样输出。另一方面,在该差处于规定范围内的情况下,转矩指令生成部114判断为电动机转矩T的变化微小,将转矩指令T*修正为与转矩指令生成部114上次输出的转矩指令T*prev相同的值。然后,转矩指令生成部114将修正得到的该转矩指令Tprev*输出到转矩控制部115。
说明该步骤S303的效果。假如不进行步骤S303而对于微小的电动机转矩T的变化也改变转矩指令T*,则转矩指令T*想要跟踪电动机转矩T的变化而振动,由空调装置101供给的风量总是在目标风量Q*的风量值处来来回回而不会稳定地收敛。为了避免该情况,在本实施方式中,利用上述规定范围来设置转矩检测的不灵敏区。由此,防止转矩指令T*在收敛点附近振动,从而能够使风量稳定地收敛为目标风量Q*。
此外,在该步骤S303中,也可以代替判断转矩指令T*与电动机转矩T之差是否处于第一规定范围内,而通过判断本次得到的电动机转矩T与上次得到的电动机转矩T之差是否处于第二规定范围内,来决定是否变更转矩指令T*。
如以上那样,本实施方式的电动机控制装置110构成为具备转矩指令生成部114和转矩控制部115,该转矩指令生成部114基于目标风量Q*和电动机速度ω来计算使由送风机104供给的风量与目标风量Q*一致的转矩指令T*。该转矩控制部115输出针对逆变器107的驱动控制信号,使得电动机转矩T与转矩指令T*一致。
通过这样构成,即使压损条件、静压发生变化,由于一边自动搜索达到目标风量Q*的电动机转矩T、一边控制电动机105,因此也能够不受压损条件、静压的变化影响而高精度地进行风量固定控制。
(风机系数的计算例1)
在上述的实施方式中的风量固定控制中,利用式(7)来计算转矩指令T*。式(7)中的风机系数αn、β的值按送风机的形状、尺寸而不同,通过在进行风量固定控制下的运转之前预先实施测量实验和计算,来求出式(7)中的风机系数αn、β的值。下面,说明求出风机系数αn、β的值的测量实验和基于该测量实验的计算例。
图4是表示用于在本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中计算风机系数的结构的框图。图4是将图1所示的实施方式中的空调装置101从送风路径102卸下并连接到风洞实验设备420的结构。
在计算风机系数时,图1中的电动机控制装置110其设定被切换为执行速度控制模式的电动机控制装置410。因而,在图4的例子中,作为在速度控制模式下进行动作的电动机控制装置410,示出具备速度检测部111、转矩检测部112、存储器113以及速度控制部415的结构。
速度控制部415从外部接收速度指令ω*,向逆变器107输出使电动机速度ω跟踪该速度指令ω*的驱动控制信号,由此对电动机105进行速度控制。
存储器113是由RAM、ROM等构成的存储部。能够存储基于后述的测量实验和计算而求出的风机系数值。
空调装置401中的其它结构要素与风量固定控制的上述实施方式相同,省略相同的结构要素的动作的说明。
风洞实验设备420是对实际的空调系统的环境进行再现、模拟的装置。风洞实验设备420具备:第一腔室(chamber)425,其与送风机104连接;喷嘴421,其设置于第一腔室425的前端;第二腔室426,其经由喷嘴421而与第一腔室425连接;辅助鼓风机422,其连接于第二腔室426的前端;静压测量器427,其测量第一腔室423内的静压;以及风量测量器428,其基于喷嘴421的前后的两个腔室425、426内的压力差来测量风量。
风洞实验设备420能够通过喷嘴421的开闭和辅助鼓风机422的转速调整来调整喷嘴421前后的压力差。另外,在第一腔室425和第二腔室426内分别设置有整流格栅423、424,它们具有对空气流进行整流的作用。静压测量器427根据第一腔室425内的压力与大气压的压力差来测量静压,风量测量器428基于喷嘴421前后的压力差来测量风量。此外,风洞实验设备420的结构并不限定于上述,只要是能够调整和测量静压及风量的结构即可。
图5是表示用于在本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中计算风机系数的实施过程的流程图。
在最初的步骤S501中,如图4所示那样将空调装置401连接到风洞实验设备420。
在接下来的步骤S502中,通过开关116的手动操作、通信输入,将电动机控制装置401的控制块结构如图4所示那样设定为速度控制模式。
在接下来的步骤S503中,将被定为一个速度值的速度指令ω*输入到电动机控制装置410,以该一个速度对送风机104进行固定的速度控制。然后,在保持速度固定的状态下作出几个不同的静压状态,测量此时的风量和电动机转矩。静压的调整是通过风洞实验设备420中的喷嘴421的开闭和辅助鼓风机422的转速调整来进行的。静压的测量是由静压测量器427进行的。风量的测量是通过根据温度等对由风量测量器428观测的喷嘴前后的压力差进行校正计算来进行的。下述表1是该测量实验中使用的电动机速度[min-1]、测量出的电动机转矩[N·m]以及风量[m3/min]的一例。
[表1]
在接下来的步骤S504中,将测量出的数据回归为式(3),根据系数Kn的值来决定风机系数αn的值。在本实施方式中将回归式的阶次设为2。在该情况下,回归式为在式(3)中设i=2而得到的下述式(8)的2次多项式。
[式8]
Ts=K2·Qs 2+K1·Qs+K0 …(8)
在此,TS是测量出的电动机转矩,QS是测量出的风量,K2、K1、K0是表示回归式的系数的常数。
该系数K2、K1、K0的值为风机系数αn(n=0,1,2)。另外,在步骤S503的测量中使用的电动机速度为风机系数β的值。下述表2是在通过最小二乘法将表1的测量数据回归为式(8)的情况下得到的风机系数αn(n=0,1,2)和β的值。另外,图6是表示描绘出表1的测量数据及其回归曲线的风量-电动机转矩特性的图表。
[表2]
在接下来的步骤S505中,将得到的风机系数αn、β的值通过通信输入等手段存储到存储器113。
在接下来的步骤506中,通过开关116的手动操作、通信输入将电动机控制装置410从速度控制模式切换为风量固定控制模式,使其成为用于试验运转的块结构。图7是表示用于在本发明所涉及的一个实施方式的电动机控制装置中计算风机系数时的试验运转的结构的一例的框图。图7中的空调装置101和电动机控制装置110的结构与图1所示的风量固定控制时的结构相同。即,形成将图1中的空调装置101连接到风洞实验设备420的状态。
在最后的步骤S507中,向电动机控制装置110输入几个目标风量Q*,实施风量固定控制模式下的试验运转。然后,确认测量出的风量是否正常地与目标风量Q*一致。
在风量固定控制中,转矩指令生成部114从存储器113读出系数αn、β的值来使用于转矩指令T*的计算。但是,未必需要将风机系数αn、β的值存储在ROM中,也可以通过来自电动机控制装置110的外部的通信输入来发送到电动机控制装置110。在该情况下,所接收到的αn、β的值也可以被存储到存储器113内的RAM等。
如以上那样,根据如上所述的运算过程,只要以一个电动机速度进行数据测量就能够求出风机系数的值。因此,无需如专利文献1所示的以往技术那样一边改变电动机速度一边进行测量,即使利用少的实验工时也能够实现风量固定控制。
此外,转矩指令T*的计算式不限于式(7)。即,只要是计算将目标风量Q*除以电动机速度ω所得的变量的多项式与电动机速度ω的平方之积来作为转矩指令T*的计算式,就能够在计算风机系数时得到与本实施方式相同的作用和效果。例如,也可以将下述式(9)作为转矩指令T*的计算式。
[式9]
在此,T*是转矩指令,ω是电动机速度,Q*是目标风量,i是0以上的整数且为有限值,γn是表示送风机固有的风机特性的风机系数(n=0,1,2,…,i)。
在该情况下,只要在式(9)中如下述式(10)所示那样对γn进行定义,那么式(9)最终会变为与式(7)相同。
[式10]
因此,在该情况下也可以根据作为测量数据的回归式的式(3)的系数Kn=αn和测量时的电动机速度ωS=β来直接求出风机系数γn的值。即,在该情况下,也只要以一个电动机速度进行数据测量,就能够求出能够实现风量固定控制的风机系数的值。
如以上那样,本实施方式中的电动机控制装置及其控制方法具备计算将目标风量除以电动机速度所得的变量的多项式与电动机速度的平方之积来作为转矩指令的手段。即,在本实施方式中的电动机控制装置及其控制方法中,使用从目标风量唯一地推导出的转矩指令来进行风量固定控制。因此,只要以一个电动机速度进行数据测量,就能够求出能够应用于全部的电动机速度的风机系数的值。因而,即使利用少的实验工时也能够实现风量固定控制。
(风机系数的计算例2)
如上所述,通过测量实验获取风机特性,由此能够计算出风机系数αn、β的值。但是,关于具有与预先知道αn、β的值的送风机相同的构造的送风机,有时不必进行上述的测量实验也能够求出αn、β的值。下面说明该情况下的风机系数αn、β的计算例。
首先,准备风机系数αn、β的值已知的送风机A和风机系数αn、β的值未知的送风机B。然后,计算送风机A与送风机B的尺寸比。在本例中,设送风机B的叶轮外径是送风机A的D倍。然后,使用尺寸比与电动机转矩的关系、尺寸比与风量的关系来求出风机系数αn、β的值。
一般来说,在送风机中具有以下关系:如果送风机的转速相同,则驱动送风机的电动机转矩与叶轮外径的5次方成正比,风量与叶轮外径的立方成正比。因此,下述式(11)和式(12)成立。
[式11]
[式12]
在此,TA是驱动送风机A的电动机转矩,TB是驱动送风机B的电动机转矩,QA是送风机A的风量,QB是送风机B的风量,D是叶轮外径的尺寸比。
另外,设由下述式(13)来表示送风机A的转矩指令计算式。
[式13]
在此,TA*是转矩指令,ω是电动机速度,QA*是目标风量,αAn(n=0,1,2,…,i)和β是常数。
通过对上述式(13)应用式(11)和式(12),能够由下述式(14)来表示送风机B的转矩指令TB*。
[式14]
在此,TB*是转矩指令,ω是电动机速度,QB*是目标风量,αBn(n=0,1,2,…,i)和β是常数,D是叶轮外径的尺寸比。
因而,通过使已知的风机系数αAn乘以叶轮外径的尺寸比D的(5-3n)次方(n=0,1,2,…,i),能够决定未知的风机系数αBn的值。下述表3是具有与具有表2的风机系数值的送风机A相同的构造、并具有该送风机A的1.2倍的叶轮外径的送风机B中的风机系数值。
[表3]
如以上那样,根据风机系数值的本计算例,关于具有与风机系数值已知的送风机相同的构造的其它送风机,能够使用两个送风机的尺寸比来求出风机系数值。因而,根据本例,不进行测量实验就能够计算出风机系数。
(实施方式的变形例)
接着,说明上述实施方式的变形例。
图8是表示本发明所涉及的实施方式中的电动机控制装置的变形例的框图。在图1所示的实施方式中,转矩控制部115、速度检测部111以及转矩检测部112构成在与转矩指令生成部114相同的电动机控制装置110内。在本变形例中,代之具备图8所示的结构。
即,本变形例中的电动机控制装置具备:第一单元810,其至少包括转矩指令生成部114;第二单元811,其至少包括转矩控制部115、速度检测部111和转矩检测部112;以及通信部812,其在第一单元810与第二单元811之间进行数据通信。
如图8所示,第一单元810和第二单元811能够通过例如由RS232C标准的通信线缆等构成的通信部812来相互交换数据。由第二单元811中的速度检测部111检测出的电动机速度ω和由转矩检测部112检测出的电动机转矩T经由通信部812被发送到第一单元810。第一单元810使用这些数据来运算转矩指令T*,并经由通信部812发送到第二单元811中的转矩控制部115。转矩控制部115按照接收到的转矩指令T*向逆变器107输出驱动控制信号,对电动机105进行转矩控制。
通过如上述图8所示那样的变形例的结构,也能够得到与上述实施方式相同的作用和效果。
此外,以上的说明主要说明了将具有本发明所涉及的电动机控制装置的送风装置应用于一般房屋的情况的例子,但除了一般房屋以外,例如也能够应用于大楼等业务用或商业用建筑物、洁净室等的业务用空调设备、汽车、公交车、铁路车辆、飞机、船舶等移动体。
根据上述说明,对本领域技术人员来说,本发明的很多改进、其它实施方式是显而易见的。因而,上述说明应解释为只是例示,是为了向本领域技术人员说明执行本发明的优选方式而提供的。在不脱离本发明的精神的情况下,能够实质性地变更其结构和/或功能的详细内容。
产业上的可利用性
本发明对用于不受压损条件、静压的变化影响而进行风量固定控制的电动机控制装置有用,作为一般房屋、业务用建筑物、商业用建筑物、车辆等的空调设备而有用。
附图标记说明
101、401:空调装置(送风装置);102:送风路径;103:交流电源;104:送风机;105:电动机;106:转换器;107:逆变器;108:位置检测器;109:电流检测器;110、410:电动机控制装置;111:速度检测器;112:转矩检测器;113:存储器;114:转矩指令生成部;115:转矩控制部;116:开关;415:速度控制部;420:风洞实验设备;421:喷嘴;422:辅助鼓风机;423、424:整流格栅;425、426:腔室;427:静压测量器;428:风量测量器;810:第一单元;811:第二单元;812:通信部。
Claims (8)
1.一种电动机控制装置,对驱动送风机的电动机进行控制,
该电动机控制装置具备转矩指令生成部,该转矩指令生成部获取上述电动机的电动机速度,生成使由上述送风机供给的风量与目标风量一致的转矩指令,
上述转矩指令生成部计算将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置,其特征在于,
上述转矩指令生成部利用以下式子来计算上述转矩指令,
[式1]
在此,T*是转矩指令,ω是电动机速度,Q*是目标风量,i是0以上的整数且为有限值,αn和β是常数,其中,n=0,1,2,…,i。
3.一种电动机控制方法,对驱动送风机的电动机进行控制,
该电动机控制方法包括第一步骤,在该第一步骤中,获取上述电动机的电动机速度,生成使由上述送风机供给的风量与目标风量一致的转矩指令,
其中,在上述第一步骤中计算将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
4.根据权利要求3所述的电动机控制方法,其特征在于,
在上述第一步骤中利用下述式子来计算上述转矩指令,
[式2]
在此,T*是转矩指令,ω是电动机速度,Q*是目标风量,i是0以上的整数且为有限值,αn和β是常数,其中,n=0,1,2,…,i。
5.根据权利要求3所述的电动机控制方法,其特征在于,
一边通过上述电动机以一个电动机速度来驱动上述送风机,一边测定上述电动机的电动机转矩和上述风量,
使所得到的上述电动机转矩回归或者近似为与所得到的上述风量相关的多项式,来求出上述多项式的系数,
以使所得到的上述多项式的系数成为上述常数αn的因数的方式运算上述常数αn的值,
将上述电动机转矩和上述风量的测定中使用的上述一个电动机速度作为上述常数β的值。
6.根据权利要求5所述的电动机控制方法,其特征在于,
将回归或者近似为与上述风量相关的多项式而得到的上述多项式的系数作为上述常数αn的值。
7.根据权利要求5所述的电动机控制方法,其特征在于,
将使回归或者近似为与上述风量相关的多项式而得到的上述多项式的系数乘以上述送风机的尺寸的变化比率的整数次方所得的值作为上述常数αn的值。
8.一种送风装置,具备送风机、驱动上述送风机的电动机以及控制上述电动机的驱动的电动机控制装置,
上述电动机控制装置具备:
转矩指令生成部,其获取上述电动机的电动机速度,基于目标风量和上述电动机速度来生成使由上述送风机供给的风量与上述目标风量一致的转矩指令;以及
转矩控制部,其获取上述电动机的电动机转矩,生成以使上述电动机转矩与上述转矩指令一致的方式控制对上述电动机的驱动电压的信号,
其中,上述转矩指令生成部计算将上述目标风量除以上述电动机速度所得的变量的多项式与上述电动机速度的平方之积,来作为上述转矩指令。
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