JP2008043083A

JP2008043083A - 風量一定制御ｄｃファンモータ駆動装置

Info

Publication number: JP2008043083A
Application number: JP2006215323A
Authority: JP
Inventors: Kanji Izaki; 勘治井崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】低コストで信頼性の高いセンサレス駆動の風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置を実現することを目的とする。
【解決手段】インバータ回路５と、シャント抵抗８とコンパレータ９とＡＤ変換部１０で構成され、インバータ回路５に流れる電流を検出する電流検出手段１１と、インバータ回路に流れる電流を利用してセンサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置を検出する位置検出手段１２とによって、同ファンモータの一定風量での運転を可能にするので、磁気センサーや風量センサーが不要になり、低コストで信頼性の高い駆動装置が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンジフードや天井埋め込み型の換気扇などの送風装置に搭載される風量一定制御のＤＣファンモータの駆動装置に関するものである。

従来、この種の風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置は、ＤＣブラシレスモータの位置検出はホール素子等の磁気センサーを利用して行い、風量一定制御については、インバータ回路に流れる電流を検出して実現するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置の動作について、図５を参照しながら説明する。

図に示すように、交流電源１０１から供給される交流電圧を交直変換回路１０２にて直流に変換して、インバータ回路１０４に印加し、インバータ回路１０４のスイッチングにより、ＤＣブラシレスモータ１０３に駆動電力を供給している。ＤＣブラシレスモータ１０３には、ホール素子等の回転子位置検出用のセンサー１０６が装着されており、センサー１０６の出力により、回転数検出部１０８がＤＣブラシレスモータ１０３の回転数を検出するとともに、インバータ回路１０４の通電切替のタイミングを決定している。１０５はインバータ回路１０４に流れる電流を検出する為のシャント抵抗であり、電流検出部１０９にてシャント抵抗１０５の両端の電圧差から電流を検出している。風量演算部１１０は、電流検出部１０９で検出された電流と回転数検出部１０８によって検出された回転数から、ＤＣブラシレスモータ１０３を搭載した送風機の風量を演算するとともに、送風機本体の制御回路等より指示された目標運転風量と演算された風量を比較し、演算された風量が目標運転風量に一致するよう、速度制御部１１１に運転電圧の指示を出力している。速度制御部１１１は、指示によりインバータ回路１０４のスイッチングのデューティーを変更し、ＤＣブラシレスモータ１０３の回転数を制御している。
特開２００２−１６５４７７号公報

このような従来の構成では、ＤＣブラシレスモータの位置検出の為のセンサーと風量一定制御のためにインバータ回路に流れる電流を検出するシャント抵抗等の電流検出装置の両方が必要であり、装置の製造コストが高くなるという課題があり、装置構成の簡素化による低コスト化が要求されている。

さらに、位置検出用のホール素子等のセンサーの取付誤差により、モータの通電切替のタイミングがばらつき、シャント抵抗による電流検出値が変動し、正確な電流の検出ができないという課題もあり、信頼性の高い電流検出の方法が要求されている。

また、位置センサーを用いない方法についても言及はされており、その場合は上記課題は解消されるが、その具体的な方法については記載されていない。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、インバータ回路に流れる電流を正確に検出することにより、センサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置検出と同ファンモータの風量一定運転を両方を可能にする、低コストで信頼性の高い風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置を提供することを目的としている。

本発明の風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置は、上記目的を達成するために、インバータ回路に流れる電流をシャント抵抗で検出し、検出された電流値からセンサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置を検出することにより、センサレスＤＣブラシレスモータの駆動と同ファンモータの風量一定制御運転を可能にしたものである。

この手段により、モータにホール素子等の回転子位置検出用の磁気センサーを設ける必要が無く、シャント抵抗で電流検出ができるので、低コストで、センサーの取付位置誤差による電流検出のバラツキのない、信頼性の高いファンモータ駆動装置が得られる。

また、他の手段は、３相フルブリッジインバータ回路の下アームトランジスタの負電位側端子に接続したシャント抵抗に流れる電流を、通電切替周期のあらかじめ定められた複数のタイミングにおいて検出する電流検出手段としたものである。

これにより、電流波形が変化しても、正確に電流を検出することが可能になり、信頼性の高い位置検出と風量一定制御を実現するファンモータ駆動装置が得られる。

また、他の手段は、電流検出手段が検出する複数のタイミングの電流より、電流を算出するとともに、その変化率も算出するようにしたものである。

これにより、通電位相が変化した場合でも、センサレスでの運転が可能になり、低騒音の要求や高効率の要求にも対応できる駆動装置が得られる。

本発明によれば、インバータ回路に流れる電流を検出することによって、センサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置検出と同ファンモータの風量一定運転が可能になるので、信頼性が高く低コストの風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置を提供できる。

又、本発明によれば、通電位相を変化させたときも、同じ制御装置の構成で、センサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置検出と同ファンモータの風量一定運転を可能にしたので、低騒音運転や高効率運転が可能になる、信頼性が高く低コストの風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置を提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、ＤＣ電源の出力を交流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路に流れる電流を前記インバータ回路に接続されたシャント抵抗を利用して検出する電流検出手段と、前記インバータ回路の通電切替動作により、センサレスＤＣブラシレスモータの回転数を検出する回転数検出手段とを有し、前記電流検出手段により検出された電流を利用して、前記センサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置を検出する位置検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流と前記回転数検出手段によって検出された回転数を利用して、前記センサレスＤＣブラシレスモータを搭載したＤＣファンモータを一定風量で運転する風量制御手段を備えた、風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置としたので、一つの電流検出手段だけで、センサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置検出とＤＣファンモータの風量一定運転を可能にする作用を有する。

また前記電流検出手段は、前記３相フルブリッジインバータ回路の下アームトランジスタの負電位側端子にシャント抵抗を接続し、前記シャント抵抗に流れる通電切替周期のあらかじめ定められた複数のタイミングにおける電流値を検出するようにしたので、前記インバータ回路の電流波形が変化しても、正確な電流の検出が可能になる。

また、前記位置検出手段は、前記電流検出手段によって検出された複数のタイミングの電流値から電流の変化率を算出する変化率算出手段と、あらかじめ記憶された、目標とする運転状態での前記インバータ回路の電流の変化率を記憶する変化率記憶手段と、前記変化率算出手段によって算出された電流変化率と、前記変化率記憶手段に記憶された電流変化率とを比較し、算出される電流の変化率が記憶された電流変化率に追従するように、前記インバータ回路の転流タイミングを制御する通電切替タイミング決定手段を備え、前記風量制御手段は、前記電流検出手段によって検出された特定のタイミングの電流もしくは複数のタイミングの電流から前記インバータ回路に流れる電流を算出する電流算出手段を備えているので、通電位相が変化させた場合でも、前記センサレスＤＣブラシレスモータの運転が可能になり、通電位相を早めた高効率駆動や通電位相を遅くした低騒音駆動の風量一定制御のファンモータを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置の概略構成図である。

図１において、２はセンサレスＤＣブラシレスモータ１を搭載したＤＣファンモータで、その吐出口はダクト３を通して、壁４に接続され、室内空気を戸外に排出する。５は前記センサレスＤＣブラシレスモータ１を駆動するインバータ回路であり、前記インバータ回路５には、交流電源７の交流を整流平滑回路６にて直流に変換して印加している。８はインバータ回路に流れる電流を検出するシャント抵抗であり、その両端に発生する電圧をコンパレータ９とＡＤ変換部１０で構成された電流検出手段１１にて検出している。１２は前記センサレスＤＣブラシレスモータ１の回転子位置を検出する位置検出手段であり、前記電流検出手段１１が検出する電流から、前記センサレスＤＣブラシレスモータ１の回転子位置を検出し、回転子位置に応じた通電切替信号をドライブ回路１３に出力して、前記センサレスＤＣブラシレスモータ１のセンサレス運転を実現している。１４は前記ドライブ回路１３の通電切替間隔より、前記センサレスＤＣブラシレスモータ１の回転数を検出する回転数検出手段であり、風量一定制御手段１７に回転数を出力している。前記風量一定制御手段１７は風量演算手段１５と供給電圧決定手段１６により構成されており、前記風量演算手段１５は前記電流検出手段１１が検出した前記インバータ回路５に流れる電流と、前記回転数検出手段１４が検出した前記センサレスＤＣブラシレスモータ１の回転数より、前記ＤＣファンモータ２の運転風量を算出し、運転風量が目標風量と相違していた場合には、前記供給電圧決定手段１６に運転電圧変更の指示を出力する。前記供給電圧決定手段１６はその指示に応じて、前記ドライブ回路１３のデューチィーを変更して、前記センサレスＤＣブラシレスモータ１に印加する電圧を変更し、前記ＤＣファンモータ２の風量を目標風量に調整する。

風量Ｑは、一般流体の相似則により導かれるモータ出力Ｐと風量Ｑと回転数Ｎの関係式Ｐ∝Ｑ・Ｎ²、モータ出力Ｐとモータの誘起電圧Ｅ₀とモータ電流Ｉの関係式Ｐ＝Ｅ₀・Ｉ、モータの誘起電圧Ｅ₀と誘起電圧定数Ｋ_Eと回転数Ｎの関係式Ｅ₀＝Ｋ_E・Ｎより、モータ電流Ｉと回転数Ｎの関係式Ｑ＝Ｋ・（Ｉ／Ｎ）で表すことができ、電流と回転数により算出することができるので、常に目標の一定風量になるよう制御することが可能になる。尚Ｋは比例定数であり、ファン効率やモータ効率により決定される。

風量Ｑは演算で算出する以外にも、あらかじめ風量Ｑと電流Ｉと回転数Ｎの関係を、実際のファンモータを一定風量で運転させて記憶しておき、実際の運転時にそれぞれの関係が記憶された関係になるように制御して、一定風量運転を実現することも可能である。

又、電流検出による位置検出の方法は、実施の形態２で説明するが、例えば電圧方程式を解いて位置を検出する方法でもよい。

これにより、回転子位置を検出するホールセンサーや風量を検出する圧力センサー等の特別なセンサーがなくても、低コストのシャント抵抗を利用した電流検出手段だけでＤＣファンモータのセンサレス駆動による風量一定制御の運転が可能になり、センサー取付誤差の影響による位置検出誤差や、風量誤差の発生が無い、低コストの風量一定制御のＤＣファンモータを実現することができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置の概略構成図である。図において、インバータ回路５は、６個のトランジスタとダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ回路により構成している。位置検出手段１２は、電流検出手段１１が検出する電流を、通電切替周期のあらかじめ定められた複数のタイミングで測定し、電流の変化率を算出する変化率算出手段１８と、通電位相の変化に応じた電流変化率を記憶した変化率記憶手段１９と、前記変化率算出手段１８が算出した電流変化率と前記変化率記憶手段１９に記憶された電流変化率を比較し、算出された電流変化率が記憶された電流変化率に合致するよう、ドライブ回路１３に出力する通電切替タイミングを制御する通電切替タイミング決定手段２０より構成している。又、風量一定制御手段１７には電流検出手段１１が検出する電流を、通電切替周期のあらかじめ定められた複数のタイミングで測定し、前記インバータ回路５に流れる電流を算出する電流算出手段２１を備えている。その他の構成は実施の形態１と同じであり、実施の形態１と同じ番号を付与している。

図３は本実施の形態におけるシャント抵抗８にて検出するインバータ回路５に流れる電流の波形を示す説明図であり、１２０度通電の場合の波形を示している。実線は通電位相の進みも遅れもない状態を示し、１点鎖線は通電位相が遅れた場合、破線は通電位相が進んでいる状態を示している。図で示しているように、通電位相により波形が変化するので、正確に電流値を検出するには、通電切替周期の複数のタイミングで電流を検出する必要がある。図４（ａ）及び（ｂ）と（ｃ）は本実施の形態におけるその電流検出のタイミングを示した説明図である。本図では通電切替周期である電気角６０度の区間を４等分し、通電切替後、電気角１５度が経過する毎に電流を検出する場合を示している。図３と同様に、実線で示した（ａ）の電流波形が通電位相の進みも遅れもない状態を示し、１点鎖線で示した（ｂ）の電流波形が通電位相が遅れた場合を、破線で示した（ｃ）の電流波形が通電位相が進んだ状態を示している。

風量算出に必要な電流値は、図で示した波形の１周期分の積分値であり、通電位相が遅れるにつれて増加していくが、例えば図に示すように電気角１５度毎に検出した電流４回分の値を前記電流算出手段２１にて平均すれば、簡易的に求めることができる。電流算出後は実施の形態１と同様の方法で、前記風量演算手段１５にて風量を算出し、目標風量となるように前記供給電圧決定手段１６が前記ドライブ回路１３のデューチィーを制御して、前記センサレスＤＣブラシレスモータ１に供給する電圧を調整し、風量一定運転を実現する。又、回転子の位置検出については、通電位相が同じであれば、ＤＣファンモータの負荷が変化して回転数が変化し、電流値が変化しても、通電切替１周期あたりの電流波形の形状は同じであるので、あらかじめ、それぞれの通電位相毎に、４つの検出値毎の電流の変化率を算出して、前記変化率記憶手段１９に記憶させておき、運転時には前記変化率算出手段１８が実際の電流の変化率を算出し、例えば通電位相を早めた高効率運転が必要な場合は、あらかじめ前記変化率記憶手段１９に記憶させた通電位相の早い変化率になるよう、前記通電切替タイミング決定手段２０にて、前記ドライブ回路１３の通電切替タイミングを調整すれば、電流検出によるセンサレスの駆動が可能になる。その他の通電位相でも同様の動作でセンサレス駆動が可能になる。

これにより、通電位相が変化しても、正確な電流検出と電流変化率の算出が可能になり、通電位相の変化の影響を受けない、正確な風量一定を可能にする、信頼性の高いセンサレスのＤＣファンモータ駆動装置を実現することができる。

尚、本実施の形態においては、通電切替１周期あたり４回電流を検出する方法を説明したが、４回である必要はなく、要は、正確に電流を検出できる回数であればよい。又、本実施の形態においては、１２０度通電方式における電流波形の比較による位置検出の方法を説明したが、通電方式は１２０度通電である必要はなく、１５０度でも１８０度でもその他の通電方式でもよく、その作用効果に差異を生じない。

以上のように、本発明による風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置は、ワンシャントの電流検出により、センサレス駆動と風量一定制御を同時に可能にしているので、通電位相が変化しても信頼性の高い駆動を低コストで実現でき、換気扇等の送風装置のファンモータ駆動装置として最適である。

本発明の実施の形態１の風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置の構成を示す概略構成図本発明の実施の形態２の風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置のインバータ回路の概略ブロック図同モータの通電位相と電流波形の関係を示す説明図同電流検出の方法を示した説明図従来の風量一定制御ＤＣファンモータの構造を示す概略構成図

符号の説明

１センサレスＤＣブラシレスモータ
２ＤＣファンモータ
５インバータ回路
８シャント抵抗
１１電流検出手段
１２位置検出手段
１４回転数検出手段
１５風量演算手段
１６供給電圧決定手段
１７風量一定制御手段
１８変化率算出手段
１９変化率記憶手段
２０通電切替タイミング決定手段
２１電流算出手段

Claims

ＤＣ電源の出力を交流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路の通電切替動作により、センサレスＤＣブラシレスモータの回転数を検出する回転数検出手段とを有し、前記電流検出手段により検出された電流を利用して、前記センサレスＤＣブラシレスモータの回転子位置を検出する位置検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流と前記回転数検出手段によって検出された回転数を利用して、前記センサレスＤＣブラシレスモータを搭載したＤＣファンモータを一定風量で運転する風量制御手段を備えた、風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置。
前記電流検出手段は、前記インバータ回路の下アームトランジスタの負電位側端子にシャント抵抗を接続し、前記シャント抵抗に流れる前記インバータ回路の通電切替周期のあらかじめ定められた複数のタイミングにおける電流値を検出するようにした請求項１における風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置。
前記位置検出手段は、前記電流検出手段によって検出された複数のタイミングの電流値から電流の変化率を算出する変化率算出手段と、あらかじめ記憶された、目標とする運転状態での前記インバータ回路の電流の変化率を記憶する変化率記憶手段と、前記変化率算出手段によって算出された電流変化率と、前記変化率記憶手段に記憶された電流変化率とを比較し、算出される電流の変化率が記憶された電流変化率に追従するように、前記インバータ回路の転流タイミングを制御する通電切替タイミング決定手段を備え、前記風量制御手段は、前記電流検出手段によって検出された特定のタイミングの電流もしくは複数のタイミングの電流から前記インバータ回路に流れる電流を算出する電流算出手段を備えた請求項１あるいは２における風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の風量一定制御ＤＣファンモータ駆動装置を搭載した換気送風装置。