JP2008104287A - 電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機器を効率良く動作させることのできる技術を提供する。
【解決手段】本発明による電気機器は、印加信号に応じて動作する負荷部と、パルス変調電源信号を作成するパルス変調電源部と、スイッチング信号を生成する制御回路と、パルス変調電源信号をスイッチング信号に応じてオン／オフ制御することによって印加信号を生成するスイッチング回路と、を備える。パルス変調電源部は、パルス変調の動作を変更してパルス変調電源信号の実効電圧を変更することによって、負荷部の動作を制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は、電気機器の制御技術に関する。

電気機器としては、コイルを負荷部とした電動ファンモータ（特許文献１）や、ＬＥＤを負荷部とした照明装置などのように、様々な負荷部を用いたものが使用されている。
が知られている。

特開平１０−１４１２８３号公報

また、電気機器としては、電動ファンモータのように、電源の実効電圧をアナログ回路を用いて調整することによって負荷部の動作の制御を行うものが多数使用されていた。

しかしながら、電源の実効電圧をアナログ回路で調整するタイプの電気機器では、アナログ制御に伴う電力損失がかなり大きいという問題があった。特に、負荷部と制御回路とが一体化されて製作いる電気機器では、制御回路内での制御内容を外部から変更できないため、電気機器の効率を挙げることが困難であるという問題があった。

また、電気機器の効率を向上させたいという要望は、上述のような電気機器に限らず、他の種々の電気機器にも共通する要望であった。

本発明は、電気機器を効率良く動作させることのできる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による電気機器は、
印加信号に応じて動作する負荷部と、
パルス変調された矩形状波形を有するパルス変調電源信号を作成するパルス変調電源部と、
前記パルス変調電源信号をオン／オフ制御するために使用されるスイッチング信号を生成する制御回路と、
前記パルス変調電源信号を受け取る電源入力端子を備え、前記パルス変調電源信号を前記スイッチング信号に応じてオン／オフ制御することによって印加信号を生成し、前記印加信号を前記負荷部に供給するスイッチング回路と、
を備え、
前記パルス変調電源部は、前記パルス変調の動作を変更して前記パルス変調電源信号の実効電圧を変更することによって、前記負荷部の動作を制御する。

この構成では、パルス変調の動作を変更してパルス変調電源信号の実効電圧を変更することによって負荷部の動作を制御するので、電源の実効電圧をアナログ回路で調整する場合に比べて効率を向上させることができる。

なお、前記制御回路は、前記パルス変調の動作に拘わらず前記スイッチング信号の波形を所定の波形に維持するものとしてもよい。

この構成では、制御回路における制御内容を変更する必要が無く、パルス変調電源信号を変更することによって負荷部の動作を簡単に制御することが可能である。

上記電気機器は、さらに、
前記パルス変調電源信号を整流し平滑化することによって直流電源信号を生成するとともに、前記直流電源信号を前記制御回路の電源入力端子に供給する整流平滑化回路を備えるものとしてもよい。

この構成では、制御回路用の電源をパルス変調電源信号から得ることができるので、電気機器全体の構成を簡略化することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気機器及びその制御方法（又は駆動方法）の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．第１実施例：
B．第２実施例：
C．変形例：

A．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としてのファンモータシステムの構成を示す図である。このファンモータシステムは、メイン電源部１００と、複数組の電源ＰＷＭ制御部２００及び電動ファンモータ３００と、ＣＰＵ４００とを備えている。メイン電源部１００は、個々の電源ＰＷＭ制御部２００と、ＣＰＵ４００とに、所定の電圧の直流電源を供給する。このファンモータシステムは、多数のファンの動作を同時に制御するためのシステムであり、例えば畑用の防霜ファンシステムとして利用可能である。

電源ＰＷＭ制御部２００は、ＰＷＭ動作を行うことによって、パルス幅変調された矩形状波形を有する電源信号ＶＰＷＭを作成し、この電源信号ＶＰＷＭを個々の電動ファンモータ３００に供給する。この電源信号ＶＰＷＭを、「ＰＷＭ電源信号」とも呼ぶ。ＣＰＵ４００は、各電源ＰＷＭ制御部２００におけるＰＷＭ動作を調整することができる。すなわち、ＣＰＵ４００が、電源ＰＷＭ制御部２００内の各種のパラメータ又は設定値を調整することによって、電源信号ＶＰＷＭのパルス幅を変更し、これによって電源信号ＶＰＷＭの実効電圧を調整することが可能である。電源ＰＷＭ制御部２００の構成と動作については後述する。

図２は、電動ファンモータ３００の電気的構成を示すブロック図である。電動ファンモータ３００は、整流平滑化回路３１０と、制御回路３２０と、スイッチング回路３３０と、位置センサ３４０と、電磁コイル３５０とを備えている。位置センサ３４０は、モータ３００内の永久磁石（図示せず）と、電磁コイル３５０との相対的な位置を示すセンサであり、例えばホールＩＣで実現される。

整流平滑化回路３１０は、ダイオード３１２とコンデンサ３１４とが直列接続されたものであり、その両端が電源ＰＷＭ制御部２００の出力端子ＶＰＷＭ（＋），ＶＰＷＭ（−）に接続されている。電源ＰＷＭ制御部２００のマイナス側の出力端子ＶＰＷＭ（−）は、接地電位に設定されている。本明細書では、電源ＰＷＭ制御部２００のプラス側の出力端子ＶＰＷＭ（＋）から出力される信号を、単に「電源信号ＶＰＷＭ」と呼んでいる。ダイオード３１２とコンデンサ３１４の間のノードＮ１からは、整流され平滑化された電圧ＶＤが出力される。なお、整流平滑化回路３１０としては、これ以外の種々の回路構成を採用することができる。

制御回路３２０の２つの電源入力端子のうちの一方は、整流平滑化回路３１０内のノードＮ１に接続されており、他方は接地されている。従って、制御回路３２０には、整流平滑化回路３１０で整流され平滑化された電圧ＶＤが電源として供給される。この電源電圧ＶＤは、その電圧レベルが多少変動するので疑似的な直流電圧とも呼べるものであるが、制御回路３２０の直流電源として十分な安定性を有したものである。制御回路３２０は、位置センサ３４０の出力ＳＳＡに基づいて、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２を生成し、スイッチング回路３３０に供給する。後述するように、制御回路３２０は、電源信号ＶＰＷＭのパルス幅の変更の有無に拘わらず、所定の同一形状のスイッチング信号ＳＷＴ１、ＳＷＴ２を生成する回路である。

図３は、センサ出力とＰＷＭ電源信号とスイッチング信号の例を示す説明図である。図３（Ａ）は、位置センサ３４０のセンサ出力ＳＳＡを示している。なお、位置センサ３４０としては、アナログ出力を有するホールＩＣセンサを利用することができる。図３（Ｂ）は、電源信号ＶＰＷＭの一例を示している。図３（Ｃ）は、位置センサ出力ＳＳＡに基づいて制御回路３２０によって生成されるスイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２の例を示している。なお、第１のスイッチング信号ＳＷＴ１は、位置センサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２のスイッチング信号ＳＷＴ２は位置センサ出力ＳＳＡが負のときにのみパルスを発生する信号であるが、図３（Ｃ）ではこれらを合わせて記載している。但し、便宜上、第２のスイッチング信号ＳＷＴ２を負側のパルスとして描いている。

なお、図３の例では、電源信号ＶＰＷＭの位相がセンサ出力ＳＳＡと一致しているように描かれているが、これらの位相は互いに全く無関係であってもよい。一方、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２の位相は、センサ出力ＳＳＡの位相と一致するように、制御回路３２０がセンサ出力ＳＳＡに基づいてスイッチング信号ＳＷＴ１、ＳＷＴ２を生成する。例えば、モータの回転数が増減するとセンサ出力ＳＳＡの時間的な波形変化が変わるので、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２の時間的な波形変化もこれに応じて変化する。但し、この場合にも、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２の位相がセンサ出力ＳＳＡの位相と一致するように、図３（Ａ），（Ｃ）の両者の関係が維持される。本明細書では、このような場合も「スイッチング信号ＳＷＴ１、ＳＷＴ２の波形形状が一定に維持される」場合に該当するものと考えることができる。

図４は、位置センサ３４０の内部構成の一例を示している。この位置センサ３４０は、ホール素子４２と、バイアス調整部４４と、ゲイン調整部４６とを有している。ホール素子４２は、磁束密度Ｘを測定する。バイアス調整部４４はホール素子４２の出力Ｘにバイアス値ｂを加算し、ゲイン調整部４６はゲイン値ａを乗ずる。位置センサ３４０の出力ＳＳＡ（＝Ｙ）は、例えば以下の式（１）又は式（２）で与えられる。

Ｙ＝ａ・Ｘ＋ｂ …（１）
Ｙ＝ａ（Ｘ＋ｂ） …（２）

位置センサ３４０のゲイン値ａとバイアス値ｂは、ＣＰＵ４００によって位置センサ３４０内に設定することができる。ゲイン値ａとバイアス値ｂを適切な値に設定することによって、位置センサ出力ＳＳＡを好ましい波形形状に較正することが可能である。

図５は、スイッチング回路の内部構成を示している。このスイッチング回路３３０は、Ｈ型ブリッジ回路を構成している。また、スイッチング回路３３０の電源入力端子３３２，３３４は、電源ＰＷＭ制御部２００の出力端子ＶＰＷＭ（＋），ＶＰＷＭ（−）に接続されている。すなわち、第１の電源入力端子３３２には、ＰＷＭ波形を有する電源信号ＶＰＷＭ（図３（Ｂ））が供給されており、第２の電源入力端子３３４は接地されている。また、スイッチング回路３３０の４つのトランジスタは、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２に応じてオン／オフ制御され、これに応じて電磁コイル３５０に印加信号が供給される。符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２に応じて流れる電流方向をそれぞれ示している。なお、スイッチング回路としては、複数のスイッチングトランジスタで構成される種々の構成の回路を利用可能である。

図５及び図３（Ｂ）、（Ｃ）から理解できるように、電磁コイル３５０には、電源信号ＶＰＷＭのうちで、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２で規定されるオン期間の信号部分のみが印加信号として供給される。本実施例では、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２は常に一定の波形形状に維持しておき、電源信号ＶＰＷＭの波形（具体的には振幅）を変更することによって、電磁コイル３５０に印加される印加信号の実効電圧を調整し、これによってモータ３００の動作を制御していることが理解できる。

図６は、電源ＰＷＭ制御部２００（図１）の内部構成と動作を示す説明図である。電源ＰＷＭ制御部２００は、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、乗算器５５０と、最大値レジスタ５６０と、電圧指令値レジスタ５８０とを備えている。

基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。このＮの値は、予めＣＰＵ４００によって分周器５２０に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、乗算器５５０から供給される乗算値Ｍとに応じて、電源信号ＶＰＷＭ（図３（Ｂ））を生成する。この動作については後述する。

最大値レジスタ５６０は、ＣＰＵ４００によって予め設定された所定の最大値Ｘ（例えばＸ＝２５５）を保持している。指令値レジスタ５８０は、ＣＰＵ４００によって設定された指令値Ｙを格納する。この指令値Ｙは、電源信号ＶＰＷＭの個々のパルスのパルス幅を設定する値として機能するものであり、例えば０〜１．０の値を取る。Ｙ＝０はパルス幅をゼロとすることを意味し、Ｙ＝１．０はパルス幅を所定の最大値とすることを意味する。ＣＰＵ４００は、この指令値Ｙを０．０から１．０まで所定のステップ幅で順次インクリメントしたのち、１．０から０．０まで同じステップ幅で順次デクリメントする、という動作を繰り返す。この場合には、指令値Ｙが時間の経過とともに直線的に変化する。この代わりに、指令値Ｙが時間の経過とともに曲線的に（例えば正弦波に従って）変化するようにＣＰＵ４００が指令値Ｙの変化を設定してもよく、あるいは、指令値Ｙを一定値に維持してもよい。乗算器５５０は、最大値レジスタ５６０から出力された最大値Ｘと、指令値Ｙとを乗算して整数化し、その乗算値ＭをＰＷＭ部５３０に供給する。

図６（Ｂ）〜（Ｅ）は、乗算値Ｍが種々の値を取る場合におけるＰＷＭ部５３０の動作を示している。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路である。すなわち、図６（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、乗算値Ｍが大きくなるに従って、電源信号ＶＰＷＭのパルスのデューティが増加する。

図７は、ＰＷＭ部５３０（図６）の内部構成の一例を示すブロック図である。このＰＷＭ部５３０は、カウンタ５３２によって構成されている。図８は、ＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。この図には、２つのクロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、乗算値Ｍと、カウンタ５３２内のカウント値ＣＭ１と、カウンタ５３２の出力ＶＰＷＭとが示されている。カウンタ５３２は、クロック信号ＳＤＣの１期間毎に、クロック信号ＰＣＬに同期してカウント値ＣＭ１を０までダウンカウントする動作を繰り返す。カウント値ＣＭ１の初期値は乗算値Ｍに等しく設定される。カウンタ５３２の出力ＶＰＷＭは、カウント値ＣＭ１が０で無い場合にはＨレベルに設定され、カウント値ＣＭ１が０になるとＬレベルに立ち下がる。なお、実際には、乗算値Ｍの値は図６（Ａ）の最大値レジスタ５６０の出力Ｘに応じて徐々に変化し、これに従ってＰＷＭ部５３０の出力ＶＰＷＭ（すなわちＰＷＭ電源信号）の波形が整形される。

ＣＰＵ４００は、電源ＰＷＭ制御部２００内の上記パラメータＮ，Ｘ，Ｙのうちの少なくとも一部を変更することによって、電源信号ＶＰＷＭのパルス幅を変更することが可能である。

このように、第１実施例では、制御回路３２０（図２）が常に一定の波形のスイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２を生成し、一方、電源ＰＷＭ制御部２００がそのＰＷＭ動作を変更することによってモータの電磁コイルに印加される実効電圧を調整している。この結果、スイッチング信号ＳＷＴ１，ＳＷＴ２の波形を変更することなく、モータの動作を制御することが可能である。また、電源信号ＶＰＷＭの波形をＰＷＭ制御によって生成するので、アナログ電源回路を用いる場合に比べて、モータの効率を向上させることが可能である。

上述した第１実施例の効果は、特に、電磁コイル３５０（すなわち負荷部）と、スイッチング回路３３０と、制御回路３２０とが一体化されて製作されているモータにおいて顕著になる。すなわち、このようなモータでは、制御回路３２０内での制御内容を外部から変更できないため、従来はモータの効率を挙げることが困難であるという問題があった。この場合にも、本実施例のように、パルス幅を変更可能な電源信号ＶＰＷＭをスイッチング回路３３０に供給するように電源回路を構成すれば、容易にモータの効率を向上させることが可能である。

B．第２実施例：
図９は、本発明の第２実施例としてのファンモータシステムの構成を示す図である。このファンモータシステムは、各電動ファンモータ３００ａに対して電源ＰＷＭ制御部２００の他に、直流化電源回路２１０が設けられている点が第１実施例と異なっている。

図１０は、第２実施例における電動ファンモータ３００ａの電気的構成を示すブロック図である。このモータ３００ａは、図２に示したモータ３００の構成から、整流平滑化回路３１０を省略した構成を有している。制御回路３２０の電源入力端子には、直流化電源回路２１０で生成された直流電圧ＶＤＤが供給される。この構成によれば、図２に示した整流平滑化回路３１０よりも電圧変動の少ない直流電源電圧ＶＤＤを制御回路３２０に供給することができるという利点がある。一方、上述した第１実施例では、第２実施例よりも前回の構成を簡略化できるという利点がある。また、第１実施例では、モータ３００の電源入力端子が２つで済み、第２実施例の電源入力端子の数（３個）よりも少なくて済むという利点もある。

C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

C１．変形例１：
上記実施例では、ＰＷＭ（パルス幅変調）を用いて電源信号を生成していたが、ＰＷＭの代わりにＰＦＭ（パルス周波数変調）を利用することもできる。すなわち、一般に、パルス変調された矩形状波形を有するパルス変調電源信号を利用することが可能である。なお、パルス変調電源信号を生成する回路としては、パルス変調の動作を変更することによってパルス変調電源信号の実効電圧を変更可能であるものが好ましい。

C２．変形例２：
上記実施例では、制御回路３２０が図３（Ｃ）に示したようなスイッチング信号を生成するものとしたが、スイッチング信号の波形としては任意のものを利用することが可能である。例えば、制御回路３２０がＰＷＭ制御を実行することによって、センサ出力ＳＳＡの変化を模擬したＰＷＭ信号をスイッチング信号として生成するようにしてもよい。この場合にも、制御回路３２０は、電源信号ＶＰＷＭの変更の有無に拘わらず、一定の波形形状を有するスイッチング信号を生成するように構成されていることが好ましい。

C３．変形例３：
上記各実施例では、多数の電動ファンモータを備えたファンモータシステムを説明したが、図１の構成において、１組の電源ＰＷＭ制御部２００と電動ファンモータ３００を、１つの電気機器と考えることが可能である。同様に、図９の構成では、１組の電源ＰＷＭ制御部２００と直流化電源回路２１０と電動ファンモータ３００ａを、１つの電気機器と考えることが可能である。これらの個々の電気機器は、ＣＰＵ４００無しでも動作するように構成されていることが好ましい。また、メイン電源部１００の代わりに、例えば１００〜２００Ｖの商用電源を利用するようにしてもよい。

C４．変形例４：
上記各実施例では、モータの電磁コイルを負荷部としていたが、本発明は、印加信号によって駆動される任意の負荷部を有する電気機器に適用可能である。例えば、ＬＥＤを負荷部として用いた電気機器にも本発明を適用可能である。

第１実施例におけるファンモータシステムの構成を示す図である。 第１実施例における電動ファンモータの電気的構成を示すブロック図である。 センサ出力とＰＷＭ電源信号とスイッチング信号の例を示す説明図である。 本実施例の位置センサの内部構成を示すブロック図である。 スイッチング回路の内部構成を示す図である。 電源ＰＷＭ制御部の内部構成と動作を示す説明図である。 ＰＷＭ部の構成を示すブロック図である。 ＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。 第２実施例におけるファンモータシステムの構成を示す図である。 第２実施例における電動ファンモータの電気的構成を示すブロック図である。

符号の説明

４２…ホール素子
４４…バイアス調整部
４６…ゲイン調整部
１００…メイン電源部
２００…電源ＰＷＭ制御部
２１０…直流化電源回路
３００…電動ファンモータ
３１０…整流平滑化回路
３１２…ダイオード
３１４…コンデンサ
３２０…制御回路
３３０…スイッチング回路
３３２，３３４…電源入力端子
３４０…位置センサ
３５０…電磁コイル
４００…ＣＰＵ
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３０…ＰＷＭ部
５３２…カウンタ
５５０…乗算器
５６０…最大値レジスタ
５８０…指令値レジスタ

Claims (4)

1. 電気機器であって、
   印加信号に応じて動作する負荷部と、
   パルス変調された矩形状波形を有するパルス変調電源信号を作成するパルス変調電源部と、
   前記パルス変調電源信号をオン／オフ制御するために使用されるスイッチング信号を生成する制御回路と、
   前記パルス変調電源信号を受け取る電源入力端子を備え、前記パルス変調電源信号を前記スイッチング信号に応じてオン／オフ制御することによって印加信号を生成し、前記印加信号を前記負荷部に供給するスイッチング回路と、
   を備え、
   前記パルス変調電源部は、前記パルス変調の動作を変更して前記パルス変調電源信号の実効電圧を変更することによって、前記負荷部の動作を制御する、電気機器。
2. 請求項１記載の電気機器であって、
   前記制御回路は、前記パルス変調の動作に拘わらず前記スイッチング信号の波形を所定の波形に維持する、電気機器。
3. 請求項１又は２記載の電気機器であって、さらに、
   前記パルス変調電源信号を整流し平滑化することによって直流電源信号を生成するとともに、前記直流電源信号を前記制御回路の電源入力端子に供給する整流平滑化回路を備える、電気機器。
4. 電気機器の制御方法であって、
   パルス変調された矩形状波形を有するパルス変調電源信号を作成し、
   前記パルス変調電源信号をオン／オフ制御することによって印加信号を生成し、
   前記印加信号を負荷部に供給して前記負荷部を動作させ、
   前記パルス変調の動作を変更して前記パルス変調電源信号の実効電圧を変更することによって、前記負荷部の動作を制御する、電気機器の制御方法。

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