JP2015186401A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量とその目標値との偏差に基づいてモータを駆動することにより、制御の設計が容易となり、容易に流量を求める技術を提供する。
【解決手段】風量Ｑを制御する流体送出用のモータ４の回転速度ωを示す速度値として、回転速度の推定値ω＾が採用される。モータ４のトルクＴを示すトルク値として、トルクの推定値Ｔ＾が採用される。推定値ω＾はトルク電流Ｉγと回転速度ωの指令値ωｒｅｆとから求められ、推定値Ｔ＾は一次磁束φ０とトルク電流Ｉγとから求められる。風量推定部１３は、推定値ω＾，Ｔ＾から風量Ｑの推定値Ｑ＾を求める。ＰＩ制御部１２は風量Ｑの指令値Ｑｒｅｆと推定値Ｑ＾との偏差ΔＱからＰＩ制御によって指令値ωｒｅｆを生成するので、速度指令生成部として把握できる。インバータ制御部２は指令値ωｒｅｆから制御信号Ｇを得る。制御信号Ｇに従って動作するインバータ３がモータ４を駆動する。
【選択図】図１

Description

この発明は、流体の流量、例えば風量や水量を制御する技術に関する。

流体、例えば気体を送出するファンの流量は、当該ファンを回転させるモータの回転速度に依存する。すなわち、当該回転速度が高いほど、当該流量も高くなる。また当該ファンが配置された環境の気体の静圧が高い場合に、当該モータで同じ回転速度を得るためには、当該モータに与えるトルクを増大させる必要がある。このような事情は流体が気体以外の、例えば水や油などの液体でも共通する。

かかる観点から、流量を制御することを目的として、モータの回転速度について目標値を設定し、回転速度を当該目標値にするための技術が特許文献１に紹介されている。また同じ目的で、モータのトルクについて目標値を設定し、トルクを当該目標値にするための技術が特許文献２に紹介されている。

なお、本発明で採用可能な制御方法である一次制御について紹介する文献として、非特許文献１を挙げる。

国際公開２００８／１１７５１５号 米国特許第５７３６８２３号明細書

角、山村、常広、「DCブラシレスモータの位置センサレス制御法」、電気学会論文誌Ｄ、平成３年、１１１巻８号、ｐ．６３９−６４４

しかしながら回転速度やトルクについて目標値を定め、目標値に近づけるために回転速度やトルクを制御して風量を制御することは、制御上迂遠である。

例えば回転速度を制御して風量を制御しようとする場合、回転速度とその目標値との偏差に基づいてモータを駆動するための信号を生成する。かかる偏差を用いた制御としては例えばＰＩ制御（比例積分）が採用できるが、当該偏差は回転速度についてのものであって、最終的に制御したい風量についてのものではない。よって風量に対する当該ＰＩ制御の応答時間についての予測は容易ではない。これは当該ＰＩ制御の設計の困難性を招来する。

かかる事情はトルクの偏差に基づいてモータを駆動する場合も同様である。

そこで本発明は流量とその目標値との偏差に基づいてモータを駆動することにより、制御の設計が容易となる技術を提供し、当該偏差を求めるためのトルクを容易に推定することを目的とする。

この発明にかかる、流量制御装置（１）の第１の態様は、流体の流量（Ｑ）を制御する流体送出用のモータ（４）の回転速度（ω）を示す速度値（ωｒｅｆ，ω＾）と、前記モータのトルク（Ｔ）を示すトルク値（Ｔ＾）とから、前記流量の推定値（Ｑ＾）を得る流量推定部（１３）と、前記流量の推定値と前記流量の指令値（Ｑｒｅｆ）との偏差（ΔＱ）に基づいて、前記回転速度の指令値（ωｒｅｆ）を生成する速度指令生成部（１２）と、前記モータの一次磁束（φ０）と、前記モータに流れる電流の前記一次磁束と直交する直交成分（Ｉγ）との積に基づいて求められる前記トルクの推定値（Ｔ＾）を前記トルク値として求めるトルク推定部（１４）を備える。

この発明にかかる流量制御装置の第２の態様は、その第１の態様であって、前記速度値には前記回転速度の前記指令値（ωｒｅｆ）が採用される。

この発明にかかる流量制御装置の第３の態様は、その第１の態様であって、前記直交成分（Ｉγ）の変動成分と前記回転速度の前記指令値（ωｒｅｆ）とから求められる前記回転速度の推定値（ω＾）を前記速度値として求める速度推定部（１６）を更に備える。

この発明にかかる流量制御装置の第１の態様によれば、制御において流量に対する応答時間についての予測は容易であり、その制御の設計が容易である。しかも、トルク値を容易に求めることができる。

この発明にかかる流量制御装置の第２の態様によれば、速度値を容易に得ることができる。

この発明にかかる流量制御装置の第３の態様によれば、速度値に基づいた制御がより高い精度で行える。

第１の実施の形態にかかる風量制御装置の構成を例示するブロック図である。 速度推定装置の構成を例示するブロック図である。 第２の実施の形態にかかる風量制御装置の構成を例示するブロック図である。 トルクと回転速度と風量の関係を示すグラフである。

第１の実施の形態．
図１は第１の実施の形態にかかる流量制御装置１及びその周辺の構成を例示するブロック図である。モータ４は流体送出用のモータである。モータ４は、流体が気体である場合には例えばファンを駆動し、流体が液体である場合には例えばポンプを駆動する。

以下では、流体が気体である場合を例にとって説明するが、流体が液体である場合も同様である。

モータ４は電圧Ｖｘを受けて回転速度ωで回転する。電圧Ｖｘは単相であるか多相であるかを問わない。

インバータ３は制御信号Ｇに基づいてスイッチイング動作を行い、モータ４に電圧Ｖｘを印加する。モータ４に流れる電流は、インバータ３に流れる電流Ｉｄｃと制御信号Ｇとから、公知の技術によって求められる。

インバータ制御部２は回転速度ωの指令値ωｒｅｆを入力して制御信号Ｇを生成する。例えばインバータ制御部２はモータ４の一次磁束φ０にも基づいて、制御信号Ｇを生成する。このようなインバータ制御部２の動作は、一次磁束制御として公知である（例えば非特許文献１参照）。

流量制御装置１は、少なくとも、ＰＩ制御部１２と、風量推定部１３とを備える。

風量推定部１３はモータ４によって駆動されるファンが送出する風量Ｑの推定値Ｑ＾を得る。風量Ｑは気体の流量として把握されるので、風量推定部１３は流量推定部と把握できる。具体的には風量推定部１３は、モータ４の回転速度ωの推定値ω＾と、モータ４のトルクＴの推定値Ｔ＾とから推定値Ｑ＾を得る。

推定値ω＾は回転速度ωを示す値（以下「速度値」）として、また推定値Ｔ＾はトルクＴを示す値（以下「トルク値」）として把握できる。

ＰＩ制御部１２は、推定値Ｑ＾と風量Ｑの指令値Ｑｒｅｆとの偏差ΔＱに基づいて指令値ωｒｅｆを生成する、速度指令生成部として機能する。ここでは流量制御装置１は、更に減算器１１を備えており、減算器１１が偏差ΔＱを生成する。偏差ΔＱは流量とその指令値との偏差として把握できる。

ＰＩ制御部１２は、いわゆるＰＩ制御、すなわち比例及び積分の処理を偏差ΔＱに施して、指令値ωｒｅｆを生成する。もちろん、速度指令生成部として機能する観点からは、ＰＩ制御以外の、例えばＰＩＤ制御、すなわち比例、積分、微分の処理を、偏差ΔＱに施して、指令値ωｒｅｆを生成しても構わない。

図４は、回転速度ωとトルクＴと流量（ここでは風量Ｑ）の関係を示すグラフである。曲線の各々は、互いに異なる風量Ｑについて、それを得るための回転速度ωとトルクＴとの組み合わせを示している。図４において「Ｑ増大」と付記された矢印に向かうにつれ、当該曲線に対応する風量Ｑは大きい。かかる関係は例えば特許文献１にも紹介されている。

但し、一つの回転速度ωとトルクＴとの組み合わせが一つ決まれば、風量Ｑは一意に決定される。つまり回転速度ωが一つ定まれば、トルクＴを変動させることによって風量Ｑを制御できる。逆に、トルクＴが一つ定まれば、回転速度ωを変動させることによって風量Ｑを制御できる。これはファンの回転速度が高いほど大きな風量Ｑが得られること、及び、配置された環境の気体の静圧が高い場合にはトルクＴを高めることによって所望の風量Ｑが得られるからである。よってあるモータ４及びファン、あるいは更には送出される気体の粘性係数などに基づいて、図４に例示される関係を了知しておくことにより、風量推定部１３は実現できる。

このように、本実施の形態では、風量Ｑを制御するに当たり、それ自身の偏差に基づいて指令値ωｒｅｆを生成する。よって制御において風量Ｑに対する応答時間についての予測は容易であり、その制御の設計は容易である。上述の例でいえば、ＰＩ制御の比例ゲイン、積分ゲインの設定が容易である。

以下、推定値ω＾及び推定値Ｔ＾を得るための一例を、図１及び図２を用いて説明する。

流量制御装置１はトルク推定部１４と、トルク電流計算部１５と、速度推定部１６とを更に備えている。

トルク電流計算部１５は、インバータ３に流れる電流Ｉｄｃと制御信号Ｇとに基づいて、いわゆるトルク電流Ｉγを求める。トルク電流Ｉγはモータ４に流れる電流のうち一次磁束φ０に直交する直交成分である。トルク推定部１４はトルク電流Ｉγと一次磁束φ０との積に基づいて推定値Ｔ＾を求める。より具体的には推定値Ｔ＾は、当該積にモータ４の極対数を乗じて得られる。かかる技術は例えば非特許文献１等で公知である。

このようにインバータ制御部２が一次磁束制御を行うことにより、一次磁束φ０とトルク電流Ｉγとから、容易に推定値Ｔ＾を求めることができる。

速度推定部１６は、図２を参照して、ハイパスフィルタ１６ａ、増幅部１６ｂ、減算器１６ｃを有している。ハイパスフィルタ１６ａはトルク電流Ｉγの直流成分を除去し、増幅部１６ｂはトルク電流Ｉγの変動成分にゲインＫｍを乗じる。

回転速度ωがその指令値ωｒｅｆに追従していればトルクＴは変動しておらず、一次磁束φ０を更新しない限りトルク電流Ｉγも一定である。よってゲインＫｍを適切に選定することにより、増幅部１６ｂの出力は回転速度ωとその指令値ωｒｅｆとの偏差を示す。

よって減算器１６ｃにおいて指令値ωｒｅｆから増幅部１６ｂの出力を差し引いて、推定値ω＾を得ることができる。

第２の実施の形態．
回転速度ωがその指令値ωｒｅｆに追従している場合には、速度値として指令値ωｒｅｆを用いることも妥当である。

よって本実施の形態では、図３に示されるように、第１の実施の形態で示された構成から速度推定部１６を省略した構成を提示する。この場合、風量推定部１３は推定値Ｔ＾と指令値ωｒｅｆとを入力し、推定値Ｑ＾を出力する。

本実施の形態は速度値を容易に得ることができる観点で第１の実施の形態よりも好ましい。他方、必ずしも回転速度ωがその指令値ωｒｅｆに追従していない場合には、第１の実施の形態の方が本実施の形態よりも速度値に基づいた制御を、より高い精度で行うことができる。

４ モータ
１２ ＰＩ制御部（速度指令生成部）
１３ 風量推定部（流量推定部）
１４ トルク推定部
１６ 速度推定部

Claims (3)

1. 流体の流量（Ｑ）を制御する流体送出用のモータ（４）の回転速度（ω）を示す速度値（ωｒｅｆ，ω＾）と、前記モータのトルク（Ｔ）を示すトルク値（Ｔ＾）とから、前記流量の推定値（Ｑ＾）を得る流量推定部（１３）と、
   前記流量の推定値と前記流量の指令値（Ｑｒｅｆ）との偏差（ΔＱ）に基づいて、前記回転速度の指令値（ωｒｅｆ）を生成する速度指令生成部（１２）と、
   前記モータの一次磁束（φ０）と、前記モータに流れる電流の前記一次磁束と直交する直交成分（Ｉγ）との積に基づいて求められる前記トルクの推定値（Ｔ＾）を前記トルク値として求めるトルク推定部（１４）
   を備える、流量制御装置（１）。
2. 前記速度値には前記回転速度の前記指令値（ωｒｅｆ）が採用される、請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記直交成分（Ｉγ）の変動成分と前記回転速度の前記指令値（ωｒｅｆ）とから求められる前記回転速度の推定値（ω＾）を前記速度値として求める速度推定部（１６）
   を更に備える、請求項１記載の流量制御装置。

Images