JP2012082688A

JP2012082688A - 電動ポンプの駆動制御装置

Info

Publication number: JP2012082688A
Application number: JP2010226787A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Shukuri; 陽一宿里
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】広範囲な流量域で高いポンプ効率のものとする。
【解決手段】羽根車を回転させることで流体に動圧を与えるポンプと、羽根車の回転駆動源としてのモータとを備えた電動ポンプの駆動制御装置である。モータの能力を制御するための能力可変信号を発生させる能力可変信号発生手段と、上記能力可変信号の大きさに合わせてＰＷＭ制御のデューティを決定してモータコイルへの通電量をデューティに応じて制御するゲート信号発生手段と、ゲート信号発生手段の出力信号に合わせてコイルへの通電を制御するインバータと、流体の流量を検出する流量検出手段を備える。上記能力可変信号発生手段は流量検出手段で検出された流量に応じた能力可変信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は能力可変となっている電動ポンプの駆動制御装置に関するものである。

電動ポンプとしては、効率等の面からブラシレスＤＣモータを駆動源としたものが多用されており、その駆動制御については、圧力一定制御と回転数一定制御とが知られており、特許文献１には、通常時、圧力一定制御でモータを駆動し、この圧力一定制御によりモータの回転数が設定回転数より高くなったときには、モータの駆動制御を回転数一定制御に切り換えて、モータの回転数の過上昇を抑制することが開示されている。

ところで、回転数一定制御時におけるポンプ性能は、揚水量Ｑ−揚程Ｈｔ特性が図９中のｒａで示すものとなり、揚水量Ｑ−全効率η特性が図９中でｒｂで示すものとなる。ポンプの吐出能力を一定（能力可変信号を固定）とした場合の揚水量Ｑ−揚程Ｈｔは図９中のｆａで示すものとなり、揚水量Ｑ−全効率ηが図９中でｆｂで示すものとなることから、回転数一定制御の場合、能力可変信号の固定時に比較して、揚水量Ｑが小さくなると全揚程Ｈｔが小さくなるとともにほぼ一定となるために、全効率ηも回転数一定制御のほうが広い範囲で大きな値をとることになり、モータを高回転させないこともあって高効率なものとすることができる。

特開２００４−１６９６６６号公報

しかし、回転数一定制御において、流量が少量になっても一定の揚程が確保されるということは、流量の低下につれてポンプ効率が悪化するということであり、また流量がほぼ０Ｌ／ｍｉｎになっても依然として揚程が確保されるために、ポンプの軸受が水中すべり軸受の場合、水切れ等で軸受温度が高温になり、不具合が発生してしまう虞を有している。

本発明はこのような点に鑑みなされたものであり、広範囲な流量域において高いポンプ効率で運転させることができる上に不具合の発生を抑えることができる電動ポンプの駆動制御装置を提供することを課題とするものである。

本発明は、羽根車を回転させることで流体に動圧を与えるポンプと、上記羽根車の回転駆動源としてのモータとを備えた電動ポンプの駆動制御装置であって、上記モータの能力を制御するための能力可変信号を発生させる能力可変信号発生手段と、上記能力可変信号の大きさに合わせてＰＷＭ制御のデューティを決定して上記モータのコイルへの通電量を上記デューティに応じて制御するゲート信号発生手段と、複数のスイッチング素子で構成されて前記ゲート信号発生手段の出力信号に合わせて上記コイルへの通電を制御するインバータとを備えるとともに、上記流体の流量を検出する流量検出手段を備えており、前記能力可変信号発生手段は、上記流量検出手段で検出された流量に応じた能力可変信号を出力するものであることに特徴を有している。

上記流量検出手段は、モータのコイルに流れる電流のピーク電流を検出するピーク電流検出手段であり、前記能力可変信号発生手段は、上記ピーク電流検出手段の流量代替値としての出力信号に対して正の関係にある能力可変信号を出力するものとしてもよい。

また前記流量検出手段は、前記羽根車の回転数を検出する回転数検出手段であり、前記能力可変信号発生手段は、上記回転数検出手段で検出された流量代替値としての回転数の変化に応じた能力可変信号変動量を、先に出力した能力可変信号から減算して出力するものであるとともに、能力可変信号変動量は回転数の増加時に正の値を、回転数の低下時に負の値をとるものとしてもよい。

また、前記能力可変信号発生手段は、前記流量検出手段の出力が流量０Ｌ／ｍｉｎに相当する値でもポンプが回転するレベルの能力可変信号を発生させるものであることが好ましい。

本発明は、流量にあわせてポンプの能力を制御するために、広範囲な流量域でポンプの効率を高くすることができるものであり、また小流量の時のモータ回転数を小さく抑えることができるために発熱を少なくすることができて、不具合の発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態の一例を示すブロック回路図である。同上のポンプの構造の一例を示す断面図である。同上のピーク電流検出信号と能力可変信号との関係を示す説明図である。同上の流量と全電流波形の関係を示す説明図である。同上のポンプ性能（Ｑ−Ｈｔ−η）を示す特性図である。他の実施の形態の一例を示すブロック回路図である。同上の流量と回転数信号の関係を示す説明図である。同上の回転数変動量と能力可変信号変更量との関係を示す説明図である。回転数一定制御時のポンプ性能（Ｑ−Ｈｔ−η）を示す特性図である。

以下本発明を実施の形態の一例に基づいて説明すると、図２は本発明に係る駆動制御装置によって駆動されるポンプの一例を示しており、カバー１０と分離板１１とからなるケーシング１内のポンプ室１２内には固定された軸１５に軸受１６を介してマグネットロータ３が回転自在に配設されており、マグネットロータ３における磁石３０の外周側には分離板１１を挟んでコイル５０を備えるステータ５が配設されている。図中６はマグネットロータ３の磁極位置を検出するための位置センサ、７７は位置センサ６の出力に基づいて上記コイル５０への通電切り換えを行うとともに能力可変信号に応じて通電量を決定してコイル５０に給電する制御回路を実装した回路基板である。

上記マグネットロータ３には羽根車４が一体に形成されており、ケーシング１内でマグネットロータ３及び羽根車４が回転する時、ケーシング１に設けられた吸い込み口１３から流入する液体は、回転する羽根車４の羽根による遠心力で内周側から外周側に押し出され、ケーシング１の内壁に沿って吐出口１４から吐出される。

図１はステータ５及びマグネットロータ３からなるモータにおけるコイル５０が３相巻線として構成されている場合の駆動制御装置の一例を示しており、図中９は直流電源である。モータにおけるマグネットロータ３の磁極位置を３箇所で検出する位置センサ６がその出力信号を制御回路７における分配回路７０に入力することで、回転トルクを発生させるためにコイル５０のどの相に通電されるべきかが規定の真理値に基づいて決定され、この真理値表にあわせたゲート信号（ハイサイドゲート信号３本、ローサイドゲート信号３本）がゲート信号発生回路７１から出力される。

一方で直流電源９からコイル５０に供給される全電流を電圧に変換するシャント抵抗７９の電圧信号は、全電流波形増幅回路７２に入力されて数倍から数十倍に増幅された後、ピークホールド回路７３に入力され、増幅された電圧のピーク値が保持される。このピークホールド信号が能力可変信号発生回路７４に入力され、能力可変信号発生回路７４においてピーク電流値から１対１で決まる能力可変信号が設定されるとともに設定された能力可変信号がゲート信号発生回路７１に入力される。

ゲート信号発生回路７１に入力される分配回路７０からの６つの信号は、６つのスイッチング素子７６ａ〜７６ｆからなるインバータ回路７６における上側３つのスイッチング素子７６ａ〜７６ｃの内の１つと、下側３つのスイッチング素子７６ｄ〜７６ｆの内の１つをオンとして能力可変信号の大きさに対応するＰＷＭデューティでモータに電流を流すものであり、ゲート信号発生回路７１は、上記分配回路７０からの信号と、上記能力可変信号発生回路７４の出力信号（能力可変信号）と三角波信号との比較で生成されたＰＷＭ制御信号との論理積をとって、ゲート信号を出力する。６本のゲート信号の内、インバータ回路７６のハイサイド側の３つの信号はハイサイドドライバ７５によるレベルシフトの後、スイッチング素子７６ａ〜７６ｃに送られ、ローサイド側を構成するスイッチング素子７６ｃ〜７６ｆには、ゲート信号発生回路７１の出力信号が直接入力される。そして前記スイッチング素子７６ａ，７６ｅがオンした場合、コイル５０にはそのＵ相からＶ相に電流が流れることになる。

図３にピーク電流値Ｉｐと能力可変信号Ｖｓｐとの関係を示す。図中ｆはピーク電流値Ｉｐが変わって能力可変信号Ｖｓｐが固定の場合を示しており、ｒは回転数一定制御の場合のピーク電流値Ｉｐと能力可変信号Ｖｓｐとの関係を示している。そして、図中ｐは本実施例におけるピーク電流値Ｉｐと能力可変信号Ｖｓｐとの関係を示しており、上記固定の場合はもちろん、回転数一定の場合よりも能力可変信号Ｖｓｐは小さい値をとるように設定している。

図４に流量と全電流波形の関係を示す。例えば流量２０Ｌ／ｍｉｎの運転状態にあるポンプの吐出経路に設けられたバルブが開けられて流量が増加した場合、同じ能力可変信号（同じＰＷＭデューティ）で運転していても、全電流波形は流量が大きくなるために負荷トルクが大きくなってピーク電流が増大する。本実施例では、ピーク電流が大きくなると能力可変信号を増大させてＰＷＭデューティを大きくすることから、結果としてモータ出力／ポンプ出力が増大し、全揚程Ｈｔが増大するポンプ性能特性を持つことになる。また、上記バルブが閉められることで流量が低下すれば、同じ能力可変信号（同じＰＷＭデューティ）で運転していても、負荷トルクが小さくなるとともに全電流波形も小さくなるために、ピーク電流が低下する。このピーク電流の低下によって本実施例では能力可変信号を低下させて、ＰＷＭデューティを小さくするために、モータ出力／ポンプ出力も低下し、全揚程Ｈｔが小さくなる。

従って、本実施例にかかる駆動制御を行うならば、そのポンプ性能（揚水量Ｑ−揚程Ｈｔ−全効率η）は図５にｐａ，ｐｂで示すものとなる。なお、図中ｆａは能力可変信号Ｖｓｐを固定（電圧６Ｖに固定）した時の揚水量Ｑ−揚程Ｈｔ特性を、ｒａは一定回転数制御時の揚水量Ｑ−揚程Ｈｔ特性を、ｐａはピーク電流値に応じて能力可変信号Ｖｓｐを変化させる上記実施例の場合の揚水量Ｑ−揚程Ｈｔ特性を示しており、さらにｆｂは能力可変信号固定時の揚水量Ｑ−全効率η特性を、ｒｂは一定回転数制御時の揚水量Ｑ−全効率η特性を、ｐｂはピーク電流値に応じて能力可変信号Ｖｓｐを変化させる上記実施例の場合の揚水量Ｑ−全効率η特性を示している。

図から明らかなように、ポイントＫ（およそポンプ出力が最大となるポイント）の流量（本例では約４０Ｌ／ｍｉｎ）以上では、３つの場合、すべてほぼ同じポンプ性能であるが、ポイントＫの流量以下では３つの場合で相違があり、ピーク電流値に応じて能力可変信号を変化させる時、少流量域でポンプ出力を大きく低減することができて、無駄な電力を消費しないために、ポンプ全効率も他の２つの場合よりも大きな値を得ることができる。これにより広範囲な流量域で効率のよいポンプの運転を実施できる。

なお、前記ピークホールド回路７３はアナログで構成されていて、数百ｍｓｅｃから数ｓｅｃレベルの長い時間をかけて放電してピークホールド値を低下させる。このためにバルブが閉められた場合でも、前記ピークホールド回路７３の出力が低下し、制御可能となる。

上記実施例では、流量検出をピーク電流の検出で擬似的に行うことで流量を直接検出するための流量センサを不要としたものを示したが、次のようにしても流量センサを必要とすることなく、上記と同様の制御を行うことができる。

図６において、前記分配回路７０がコイル５０の相切替のための信号を生成する際、その切り替わりごとにワンショットの信号が回転数信号発生回路８１に入力される。この入力を基に回転数信号発生回路８１は、フリップ・フロップ回路を使って波形成形して回転数に相当するパルス信号を発生させて、回転数変動量演算回路８２に入力する。回転数変動量演算回路８２は、逐次前の回転数と現在の回転数とから回転数変動量を算出し、この回転数変動量を能力可変信号発生回路７４に出力する。

この能力可変信号発生回路７４は、逐次現在の能力可変信号の電圧を記憶する能力可変信号電圧記憶回路８４から取り込んだ電圧を上記回転数変動量に応じて変更し、この変更した能力可変信号を前記ゲート信号発生回路７１に入力する。

前記実施例における能力可変信号発生回路７４は直接能力可変信号を演算しているのに対し、ここにおける能力可変信号発生回路７４は、回転数変動量から能力可変信号の変動量を演算し、先に出力した能力可変信号から能力可変信号変動量を減算して次の能力可変信号とするものである。

ゲート信号発生回路７１では、分配回路７０からの信号と、上記能力可変信号発生回路７４の出力信号と三角波信号との比較で生成されたＰＷＭ制御信号との論理積をとってゲート信号を出力するものであり、以降の動作については前記実施例と同じであるために省略する。

図７に流量と回転数信号の関係を示す。例えば流量２０Ｌ／ｍｉｎの運転状態にあるポンプの吐出経路に設けられたバルブが開けられて流量が増加した場合、同じ能力可変信号Ｖｓｐ（同じＰＷＭデューテイ）で運転していても負荷トルクが大きくなって回転数が低下することから回転数の変動量は負の値となるが、この時は能力可変信号を増大させる。また、上記バルブが閉められることで流量が低下すれば、同じ能力可変信号Ｖｓｐ（同じＰＷＭデューテイ）で運転していても、負荷トルクが小さくなるために回転数が増大するとともに回転数変動量は正の値をとるが、この時は能力可変信号を低下させる。このような制御により、前記実施例の場合と同じく、図５における揚水量Ｑ−揚程Ｈｔ特性ｐａ及び揚水量Ｑ−全効率η特性ｐｂをもつものとなる。

図８に回転数変動量と能力可変信号変更量との関係を示す。ｆｖは能力可変信号Ｖｓｐが固定（固定電圧（６Ｖ））時の回転数変動量ΔＮと能力可変信号変更量ΔＶｓｐの関係を示し、ｒｖは一定回転数制御時の回転数変動量ΔＮと能力可変信号変更量ΔＶｓｐの関係を示し、ｐｖは本実施例における回転数変動量ΔＮと能力可変信号変更量ΔＶｓｐの関係を示しており、回転数変動量ΔＮの変化に対する能力可変信号変更量ΔＶｓｐの変化量を一定回転数制御時よりも大きくしている。

なお、上記の両実施例においては、流量が０Ｌ／ｍｉｎに相当する値になってもポンプが回転するレベルの能力可変信号を発生させるために、流量がほぼ０Ｌ／ｍｉｎであってもポンプにおける水中すべり軸受が水切れを起こすことがなく、いわゆる締切り運転が継続してもポンプが破壊してしまうことがない。

ここで示した電動ポンプの駆動制御装置は、能力可変型の電動ポンプを用いるもの、例えば熱媒を用いた暖房システム、燃料電池、車載用モータ／ポンプ、ヒートポンプ装置等に適用することができる。

３マグネットロータ
７制御回路
９直流電源
５０コイル
７０分配回路
７１ゲート信号発生回路
７２全電流波形増幅回路
７３ピークホールド回路
７４能力可変信号発生回路
７６インバータ

Claims

羽根車を回転させることで流体に動圧を与えるポンプと、上記羽根車の回転駆動源としてのモータとを備えた電動ポンプの駆動制御装置であって、
上記モータの能力を制御するための能力可変信号を発生させる能力可変信号発生手段と、上記能力可変信号の大きさに合わせてＰＷＭ制御のデューティを決定して上記モータのコイルへの通電量を上記デューティに応じて制御するゲート信号発生手段と、複数のスイッチング素子で構成されて前記ゲート信号発生手段の出力信号に合わせて上記コイルへの通電を制御するインバータとを備えるとともに、上記流体の流量を検出する流量検出手段を備えており、
前記能力可変信号発生手段は、上記流量検出手段で検出された流量に応じた能力可変信号を出力するものであることを特徴とする電動ポンプの駆動制御装置。
上記流量検出手段は、モータのコイルに流れる電流のピーク電流を検出するピーク電流検出手段であり、前記能力可変信号発生手段は、上記ピーク電流検出手段の流量代替値としての出力信号に対して正の関係にある能力可変信号を出力するものであることを特徴とする請求項１記載の電動ポンプの駆動制御装置。
前記流量検出手段は、前記羽根車の回転数を検出する回転数検出手段であり、前記能力可変信号発生手段は、上記回転数検出手段で検出された流量代替値としての回転数の変化に応じた能力可変信号変動量を、先に出力した能力可変信号から減算して出力するものであるとともに、能力可変信号変動量は回転数の増加時に正の値を、回転数の低下時に負の値をとるものであることを特徴とする請求項１記載の電動ポンプの駆動制御装置。
前記能力可変信号発生手段は、前記流量検出手段の出力が流量０Ｌ／ｍｉｎに相当する値でもポンプが回転するレベルの能力可変信号を発生させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動ポンプの駆動制御装置。