JP2007252034A - ファンモータ駆動装置及びファンモータ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ファンモータの駆動により発生する騒音を極力抑制すると共に、半導体素子における発熱も抑制することができるファンモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】ファンモータ駆動装置１において、ＰＷＭ信号のデューティが上昇して、ＰＷＭ制御によりモータ７が発生する駆動騒音のレベルが風切音のレベルよりも小さくなる低騒音領域に至る最低値Ｖchangeに到達すると、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を予め定めた下限値ｆminまで低下させ、駆動部１６を構成するＦＥＴの温度上昇を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファンを回転駆動するためのファンモータを、半導体素子を介してＰＷＭ制御により駆動するファンモータ駆動装置、及びファンモータ駆動方法に関する。

一般に、モータをＰＷＭ制御によって駆動すると、その駆動音がユーザにより騒音として認識される環境にある場合、ＰＷＭ制御に使用する搬送波周波数は人間の可聴域限界である２０ｋＨｚ付近に設定されることがある。ところが、トランジスタなどの半導体素子はスイッチング周波数が高くなるほど損失が増加するため、それに応じて素子のサイズを大きくしたり、放熱構造を大型化する必要があった。
そして、特許文献１には、斯様な問題を解決することを目的として、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を、数１０Ｈｚ以下の極めて低い値に設定してファンモータを駆動するという技術が開示されている。
特開２００２−１４２４９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術を実際に適用しようとすると新たな問題が派生する。即ち、ファンが回転するとその回転数に応じて風切り音が発生するが、モータの回転数が低くなる領域では風切り音は低下する。ところが、極めて低い搬送波周波数でＰＷＭ制御を行うとモータの低速領域において振動音が著しく大きくなる傾向を示すため、その振動音が耳につき易くなってしまう。
一方、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を２０ｋＨｚ程度に設定した場合、半導体素子の発熱を抑制する別の手段として、ＰＷＭ信号のデューティが高くなる領域（例えば、デューティ８０％以上）ではＰＷＭ制御を行わないようにする方式がある。但し、デューティが１００％の場合はスイッチング損失が発生しなくなるため、モータの回転数を最高にする際には１００％に設定する。

ところが、上記制御方式の場合、ＰＷＭデューティが８０％から１００％にステップ的に変化することになり、回転数の急激な変化による突発音が発生したり、突入電流が流れてしまうという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ファンモータの駆動により発生する騒音を極力抑制すると共に、半導体素子における発熱も抑制することができるファンモータ駆動装置及びファンモータ駆動方法を提供することにある。

請求項１記載のファンモータ駆動装置によれば、ＰＷＭ信号のデューティに応じて、ファンモータに発生する駆動騒音のレベルが風切音のレベルよりも小さくなる低騒音領域では、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を予め定めた下限値まで低下させて半導体素子の温度上昇を抑制する。即ち、一般に回転数が上昇するに連れてファンによる風切音は大きくなるので、ＰＷＭデューティを上昇させて上記低騒音領域に至った場合は、搬送波周波数を低下させてモータの駆動騒音は問題にならない。
そして、搬送波周波数を低下させれば半導体素子で発生するスイッチング損失は低減されるので、半導体素子の発熱を抑制しつつＰＷＭデューティをそのまま上昇させることが可能となる。従って、ＰＷＭデューティを連続的に変化させることができるようになり、騒音レベルの上昇を抑制しつつファンモータの回転駆動をスムーズに行うことができる。

請求項２記載のファンモータ駆動装置によれば、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を、複数段階を経ることで下限値まで低下させるので、ファンモータの駆動状態の変化を緩衝させることができる。

請求項３記載のファンモータ駆動装置によれば、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を下限値までリニアに低下させるので、ファンモータの駆動状態をより滑らかに変化させることができる。

請求項４記載のファンモータ駆動装置によれば、ＰＷＭ信号のデューティが低騒音領域に至る最低値を、ファンモータの負荷トルクばらつきが最大となる場合に応じて設定する。即ち、ファンモータの回転数をＰＷＭ制御する場合、ＰＷＭデューティは負荷トルクに応じて変化するため、負荷トルクばらつきが最大となる場合に応じて前記デューティの最低値を設定すれば、負荷のトルクがばらついても、常に低騒音領域内で運転することができる。

請求項５記載のファンモータ駆動装置によれば、３相ファンモータの極対数をＰｎ，最高回転数をＲmax［ｒｐｍ］として、電気角６０度の期間に行うスイッチング回数をＮminとすると、前記搬送波周波数の下限値ｆminを、
ｆmin＝Ｐｎ・Ｒmax・Ｎmin／１０
に設定する。斯様に設定すれば、３相モータを最高回転数で回転させた場合に行うＰＷＭ制御の最低スイッチング回数を確保した上で、搬送波周波数を充分に低下させることができる。

（第１実施例）
以下、本発明を車両のラジエータ部に配置されるファンモータを駆動する装置に適用した場合の第１実施例について図１乃至図７を参照して説明する。図１は、ファンモータ駆動装置の一構成例を示すものである。ファンモータ駆動装置１は、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）などの上位コントローラ２よりＰＷＭ信号として与えられるファンの回転速度指令を入力信号処理部３で受けると、ＰＷＭ信号のデューティに応じた電圧信号に変換して回転数指令決定部４に出力する。上位コントローラ２は、例えばラジエータ内部の水温を検知する水温センサ（図示せず）からの出力信号を受けて、検知される水温に応じた回転速度指令を出力するものである。

回転数指令決定部４は、上記電圧信号に応じて回転数指令を決定し、出力デューティ決定部５に出力する。ファン６は、３相ブラシレスＤＣモータ７によって回転駆動されるようになっており、モータ７の回転状態は回転検出部８により検出される。回転検出部８は、例えばホールＩＣやレゾルバ、ロータリエンコーダなどのセンサで構成したり、或いはモータ７の巻線に発生する誘起電圧波形に基づいて（所謂センサレス方式）回転を検出するように構成しても良い。

実回転数算出部９は、回転検出部８によって出力される検出信号（モータ７を構成するロータの回転位置信号）に基づいてモータ７の回転数を算出し、出力デューティ決定部５の入力側に出力する。そして、出力デューティ決定部５に対しては、実回転数算出部９によって算出された回転数と、回転数指令決定部４によって出力される回転数指令との差分が入力されるようになっている。また、出力デューティ決定部５に対しては、電源電圧補正部１０からの補正指令も与えられている。電源電圧補正部１０は、車両のバッテリ１１の電圧を検出し、その電圧変動に応じた補正値を出力デューティ決定部５に出力する。

出力デューティ決定部５は、入力される各信号に基づいてＰＷＭ信号のデューティを決定し、ＰＷＭ周波数生成・決定部１２及び駆動信号生成部１３に出力する。ＰＷＭ周波数生成・決定部１２は、基準クロック発生部１４より与えられる基準クロック信号に基づいてＰＷＭ制御における搬送波を生成するもので、出力デューティ決定部５で決定されたＰＷＭデューティにより上記搬送波の周波数を決定するようになっている。

回転検出部８によって出力される検出信号は通電パターン生成部１５にも与えられており、通電パターン生成部１５は、上記検出信号が示すロータの回転位置に応じて通電パターンを生成すると、駆動信号生成部１３に出力する。駆動信号生成部１３は、通電パターン生成部１５により生成された通電パターンについて、ＰＷＭ周波数生成・決定部１２より与えられるＰＷＭ搬送波及び出力デューティ決定部５で決定されたＰＷＭデューティに基づきＰＷＭ信号を生成し（図２参照）、駆動部１６に出力する。駆動部１６は、図８に示すように、例えば６個のパワーＭＯＳＦＥＴ１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ，１６Ｘ，１６Ｙ，１６Ｚ（半導体素子）を３相ブリッジ接続して構成されるインバータ回路であり、駆動部１６が出力するＰＷＭ信号は、上記各ＦＥＴ１６Ｕ〜１６Ｚのゲートに与えられる。

次に、本実施例の作用について図３乃至図８も参照して説明する。図３は、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を２０ｋＨｚと１０ｋＨｚとに変化させてモータの回転数を上昇させた場合における、ファン及びモータの駆動騒音レベル変化を示すものである。搬送波周波数が２０ｋＨｚの場合は、駆動騒音は回転数の全域に亘ってファンの風切音が支配的になるため、音圧レベルは略線形に上昇している。これに対して、搬送波周波数が１０ｋＨｚの場合は、回転数が低い領域ではモータの駆動騒音（振動音）が上昇するため、音圧レベルが周波数２０ｋＨｚの場合よりも高くなっている。

そこで、本実施例では、搬送波周波数を低く設定した場合において、モータ７の駆動騒音が次第に低下することで騒音レベルが搬送波周波数を高く設定した場合と同様のレベルになる回転数：Nchangeを予め測定しておく。この回転数がNchange以上となる領域を「低騒音領域」とする。
そして、実際にモータ７を駆動する場合、ＰＷＭ周波数生成・決定部１２は、最初はＰＷＭ制御の搬送波周波数を２０ｋＨｚに設定して制御を開始し、回転数が上昇してNchangeに達すると、搬送波周波数をｆmin（例えば１０ｋ〜１２ｋＨｚ程度）まで低下させるようにする（図５参照）。即ち、低騒音領域では、ＰＷＭ制御の搬送波周波数をｆminまで低下させてもファン６の風切り音が支配的となっているので、モータ７の駆動騒音は問題とならない。

尚、回転数の制御はＰＷＭデューティによって行われるため、回転数がNchangeとなるＰＷＭデューティ：Vchangeを予め定めて、そのデューティを制御しきい値とする。また、回転数に対応するＰＷＭデューティは、モータ７の負荷によって変動するため、図４に示すように、負荷トルクがばらつく範囲で最大となった場合に応じたＰＷＭデューティVchangeを設定する。
上記のように制御する結果、図６に示すように、従来のように搬送波周波数を２０ｋＨｚ一定で制御した場合に比較して、ＰＷＭデューティが高くなる領域において駆動部１６を構成する半導体素子の温度上昇を抑制することが可能となる。

ここで、搬送波周波数ｆminを、どのようにして決定するかを説明する。図２に示すように、電気角１２０度で矩形波通電を行う場合、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相電圧は図７に示すようになり、電気角６０度毎に通電パターンが切り替わる。図８には、駆動部１６を構成するインバータ回路の詳細と、モータ７の各相巻線との接続状態を示すと共に、図７に示す通電パターン（１）〜（６）に対応する各相巻線の通電方向を示す。尚、図示はしないが、各ＦＥＴ１６Ｕ〜１６Ｚのソース，ドレイン間にはフライホイールダイオードが接続されている。

モータ７の最高回転数をＲmax［ｒｐｍ］とすると、Ｒmax’［ｒｐｓ］は、
Ｒmax’＝Ｒmax／６０ …（１）
となる。電気角３６０度に対応する時間Ｔ360［Ｓ］は、モータ７の極対数をＰｎとすると、
Ｔ360＝１／Ｒmax’／Ｐｎ …（２）
となり、電気角６０度に対応する時間Ｔ60［Ｓ］は、
Ｔ60＝Ｔ360／６
＝１／Ｒmax’／Ｐｎ／６＝１０／Ｒmax／Ｐｎ …（３）
となる。

従って、電気角６０度の期間内に行うＰＷＭ制御のスイッチング回数をＮminとすると、搬送波周波数ｆminは、
ｆmin＝Ｎmin／Ｔ60＝Ｐｎ・Ｒmax・Ｎmin／１０ …（４）
となる。具体数値例として、３相ブラシレスモータの極対数が４，最高回転数３０００ｒｐｍ，電気角６０度期間内でスイッチングを１０回行うとすれば、
ｆmin＝４×３０００×１０／１０＝１２０００［Ｈｚ］
即ち、１２ｋＨｚとなる。

以上のように本実施例によれば、ファンモータ駆動装置１において、ＰＷＭ信号のデューティが上昇して、ＰＷＭ制御によりモータ７が発生する駆動騒音のレベルが風切音のレベルよりも小さくなる低騒音領域に至る最低値Ｖchangeに到達すると、ＰＷＭ信号の搬送波周波数を予め定めた下限値ｆminまで低下させ、駆動部１６を構成するＦＥＴ１６Ｕ〜１６Ｚの温度上昇を抑制するようにした。従って、ＦＥＴ１６Ｕ〜１６Ｚの発熱を抑制しつつＰＷＭデューティをそのまま上昇させることが可能となり、ＰＷＭデューティを連続的に変化させることができ、モータ７の回転駆動をスムーズに行うことができる。

そして、ＰＷＭ信号のデューティが低騒音領域に至る最低値Ｖchangeを、モータ７の負荷トルクばらつきが最大となる場合に応じて設定したので、負荷のトルクがばらついても、常に低騒音領域内で運転することができる。
また、ＰＷＭ制御における搬送波周波数の下限値ｆminを（４）式により設定したので、モータ７を最高回転数で回転させた場合に行うＰＷＭ制御の最低スイッチング回数を確保した上で、搬送波周波数を充分に低下させることができる。

（第２，第３実施例）
図９，図１０は夫々本発明の第２，第３実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２，第３実施例の構成は基本的に第１実施例と同様であり、ＰＷＭ信号のデューティが最低値Ｖchangeに到達した時点から、ＰＷＭ周波数生成・決定部１２が搬送波周波数を下限値ｆminまで低下させる態様が異なっている。

即ち、第１実施例では、図５に示したように搬送波周波数を下限値ｆminまで直ちにに低下させたが、図９に示す第２実施例では、複数段階（例えば３段階）を経て低下させる。また、図１０に示す第３実施例では、下限値ｆminまでリニアに低下させる。
以上のように作用させる第２実施例によれば、モータ７の駆動状態の変化を緩衝させることができる。また、第３実施例によればモータ７の駆動状態をより滑らかに変化させることができる。

（第４実施例）
図１１は本発明の第４実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分について説明する。第４実施例のファンモータ駆動装置２１は、ファンモータとしてＤＣモータ２２をロウサイド駆動する構成である。即ち、バッテリ１１の正側端子とグランドとの間には、ＤＣモータ２２とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（半導体素子）２３との直列回路が接続されている。そして、ＤＣモータ２２には、フライホイールダイオード２４が逆並列に接続されている。

また、回転検出部８，実回転数算出部９，通電パターン生成部１５及び駆動部１６は削除されており、ＰＷＭ周波数生成・決定部１２に替わるＰＷＭ周波数生成・決定部２４は、ＤＣモータ２２の駆動に適するように生成，決定した周波数の搬送波を出力する。そして、駆動信号生成部１３に替わる駆動信号生成部２６は、ＰＷＭ信号を生成してＦＥＴ２３のゲートに出力する。この場合も、搬送波周波数の下限値ｆminは、数１０Ｈｚ（例えば５０Ｈｚ）程度に設定すれば良い（例えば、特許文献１参照）。
以上のように構成された第４実施例によれば、ファンモータがＤＣモータ２２である場合についても、本発明を同様に適用することができる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
半導体素子は、ＦＥＴに限ることなくパワートランジスタやＩＧＢＴなどでも良い。
ＰＷＭデューティの最低値Ｖchangeや、搬送波周波数の下限値ｆminは、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
４相以上の多相モータの場合も同様に、最高回転数と各相の通電角中に必要な最低スイッチング回数から下限値ｆminを決定すれば良い。
第４実施例において、ＤＣモータ２２をハイサイド駆動するように構成しても良い。
車両のラジエータ部に配置されるものに限ることなく、ファンモータを駆動する装置であれば広く適用が可能である。

本発明を車両のラジエータ部に配置されるファンモータを駆動する装置に適用した場合の第１実施例であり、駆動装置の一構成例を示す図 ＰＷＭ信号の通電パターン例を示す図 ＰＷＭ制御の搬送波周波数を２０ｋＨｚ，１０ｋＨｚに変化させてモータの回転数を上昇させた場合に、ファン及びモータの駆動騒音レベル変化を示す図 負荷トルクがばらつく場合に、ＰＷＭデューティとファンモータの回転数との関係を示す図 ＰＷＭデューティの変化に応じた搬送波周波数の変化を示す図 搬送波周波数を一定に制御した場合と、第１実施例の制御を実行した場合とで、ＰＷＭデューティの変化に応じた半導体素子の温度変化を示す図 電気角１２０度で矩形波通電を行う場合、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相電圧波形を示す図 駆動部を構成するインバータ回路の詳細と、モータの各相巻線との接続状態を示す図 本発明の第２実施例を示す図５相当図 本発明の第３実施例を示す図５相当図 本発明の第４実施例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１はファンモータ駆動装置、６はファン、７はブラシレスＤＣモータ（ファンモータ）、１６Ｘ〜１６ＺはパワーＭＯＳＦＥＴ（半導体素子）、２１はファンモータ駆動装置、２２はＤＣモータ（ファンモータ）、２３はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（半導体素子）を示す。

Claims (10)

1. ファンを回転駆動するためのファンモータを、半導体素子を介してＰＷＭ制御により駆動するファンモータ駆動装置において、
   ＰＷＭ信号のデューティが、ＰＷＭ制御により前記ファンモータに発生する駆動騒音のレベルが前記ファンの回転によって発生する風切音のレベルよりも小さくなる低騒音領域については、前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数を予め定めた下限値まで低下させて、前記半導体素子の温度上昇を抑制することを特徴とするファンモータ駆動装置。
2. 前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数を、前記下限値まで複数段階を経て低下させることを特徴とする請求項１記載のファンモータ駆動装置。
3. 前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数を、前記下限値までリニアに低下させることを特徴とする請求項１記載のファンモータ駆動装置。
4. ＰＷＭ信号のデューティが前記低騒音領域に至る最低値は、前記ファンモータの負荷トルクばらつきが最大となる場合に応じて設定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のファンモータ駆動装置。
5. 前記ファンモータが３相モータである場合、モータの極対数をＰｎ，最高回転数をＲmax［ｒｐｍ］として、電気角６０度の期間に行うスイッチング回数をＮminとすると、前記搬送波周波数の下限値ｆminを、
   ｆmin＝Ｐｎ・Ｒmax・Ｎmin／１０
   に設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のファンモータ駆動装置。
6. ファンを回転駆動するためのファンモータを、半導体素子を介してＰＷＭ制御により駆動する方法において、
   ＰＷＭ信号のデューティが、ＰＷＭ制御により前記ファンモータに発生する駆動騒音のレベルが前記ファンの回転によって発生する風切音のレベルよりも小さくなる低騒音領域については、前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数を予め定めた下限値まで低下させて、前記半導体素子の温度上昇を抑制することを特徴とするファンモータ駆動方法。
7. 前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数を、前記下限値まで複数段階を経て低下させることを特徴とする請求項６記載のファンモータ駆動方法。
8. 前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数を、前記下限値までリニアに低下させることを特徴とする請求項６記載のファンモータ駆動方法。
9. ＰＷＭ信号のデューティが前記低騒音領域に至る最低値は、前記ファンモータの負荷トルクばらつきが最大となる場合に応じて設定することを特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載のファンモータ駆動方法。
10. 前記ファンモータが３相モータである場合、モータの極対数をＰｎ，最高回転数をＲmax［ｒｐｍ］として、電気角６０度の期間に行うスイッチング回数をＮminとすると、前記搬送波周波数の下限値ｆminを、
    ｆmin＝Ｐｎ・Ｒmax・Ｎmin／１０
    に設定することを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載のファンモータ駆動方法。

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