JP4876674B2 - 回転速度制御装置 - Google Patents

Description

この発明は電動機に流れる電流を検出する技術に関する。

送風機、例えば空気調和機の室外機に設けられる送風機では、送風機のファンの回転角速度とその送風する風量との関係は、ファンにおける静圧に依存する。例えば送風機に送風ダクトが設けられている場合、その形状に依存して静圧が異なり、よって要求される風量を満足するためのファンの回転角速度は送風ダクトの形状に依存する。

例えば特許文献１では風量を入力電力の関数として求めておき、必要となる風量を得るための電力を制御する技術が開示されている。また特許文献２では、室外機の静圧と、送風機用電動機の回転周波数及びその電流についての特性データ、静圧と風量とについての特性データを予め得ている。そしてこれらの特性データを用いて電流を設定し、静圧に応じて所望の風量を得るための回転速度を得る技術が開示されている。

他方、汎用の電動機として、最近はドライバを組み込んだいわゆるドライバ付モータも多く商品化されている。ドライバ付モータは例えば特許文献３に開示がある。

特開昭６２−１６２７９１号公報 特開平５−１１８６２９号公報 特開平１１−５５８９０号公報

ところが、送風機用電動機としてドライバ付モータを採用すると、静圧を求めることが困難であるという問題点があった。

図６は当該問題点を説明するためのブロック図である。送風機用の電動機１は電動機本体１０、モータドライバ１２及びインバータ１３を備えるドライバ付モータである。インバータ１３は直流電源４１４の出力を変換して電動機本体１０に交流電圧を与える。モータドライバ１２は、指令電圧ｖａを入力してこれに基づいてインバータ１３の動作を制御する一方、電動機本体１０の回転位置を示す位置データＣを出力する。

電動機１は更に、過電流検出用抵抗１４及び比較器１５をも備えている。電動機１に流れる電流は過電流検出用抵抗１４において電圧降下を発生し、その両端の電位が比較器１５によって比較される。その結果、過電流検出用抵抗１４の両端の電位差が所定値を超えていれば、電動機本体１０に過電流が流れていることをドライバ１２に伝達できる。ドライバ１２は当該過電流の有無により、インバータ１３の停止など、異常事態に適応する制御をインバータ１３に対して行う。

回転速度検出回路４１６は位置データＣに基づいて回転角速度ωを求め、これを回転速度制御回路３０に与える。回転速度制御回路３０は現状の回転角速度ωに鑑みて、所望の回転速度を得るためのスイッチングデューティＤを生成する。当該スイッチングデューティＤは指令電圧生成回路４１５によって上述の指令電圧ｖａを生成する。

このように、ドライバ付モータを採用しても、所定の回転速度を得るための制御は可能であったが、過電流検出用抵抗１４及び比較器１５は過電流の有無を検出する機能を果たしているに過ぎず、過電流検出用抵抗１４に基づいて電動機１に流れる電流を求めることはできなかった。

他方、特許文献２の図２に例示されるように、静圧は、電動機の回転周波数のみならず、当該電動機に流れる電流に依存している。従ってドライバ付モータを採用した場合には静圧を求めることが困難であった。

もし過電流検出用抵抗１４における電圧降下を外部で測定するのであれば、その両端の電位差を外部へと取り出すためには、電動機本体１０内に差動増幅器を組み込むなどの改造が必要となる。

あるいは当該電位差を外部で測定するためには、過電流検出用抵抗１４の両端と接続される差動増幅器を外部に設けることになる。しかしこの場合も、過電流検出用抵抗１４の両端を外部に接続する導線を接続するための改造が必要となる。更に、当該差動増幅器の動作電源の基準となる電位についての問題が生じる。

即ち、電動機に流れる電流に依存した電圧を回転速度制御回路３０へと伝達する観点からは、当該差動増幅器の動作電源の基準となる電位は、回転速度制御回路３０の動作電源の基準となる電位（多くの場合は接地電位）と共通にすることが望ましい。他方、過電流検出用抵抗１４の両端と接続される観点からは、当該差動増幅器の動作電源の基準となる電位は、ドライバ付モータの低電位側の端子と接続される、直流電源４１４の低圧側の電源線と共通にすることが望ましい。そして通常、直流電源４１４の電圧は、回転速度制御回路３０や当該差動増幅器の動作電源よりも顕著に大きいため、直流電源４１４の低圧側の電源線を回転速度制御回路３０や当該差動増幅器の動作電源の基準として採用することは、望ましくない。

そこで本発明は、ドライバ付モータの低電位側の端子の電位の影響を回避しつつ、ドライバ付モータに流れる電流に基づいた電動機本体の制御に資することを目的とする。

この発明にかかる回転速度制御装置の第１の態様は、電流検出装置と、第１の回転速度制御部（３１）とを備える。前記電流検出装置は、電動機本体（１０）と、一対の端子（１６，１７）を介して直流電圧を入力し、これを前記電動機本体に交流電圧を与えるインバータ（１３）と、前記電動機本体の回転位置を示す位置データ（Ｃ）を出力し、前記電動機本体の回転角速度の指令値（ｖａ）を入力してこれに基づいて前記インバータの動作を制御するモータドライバ（１２）とを有するドライバ付モータ（１）に流れる電流を検出する装置である。そして一端と、前記一対の端子のうち低電位側の端子（１７）に接続された他端とを有する電流検出抵抗（４１１）と、前記電流検出抵抗の前記一端及び前記他端の間の電圧降下に基づいて、前記電流検出抵抗に流れる電流（Ｉｄｃ）を示す電流データ（ｉａ０）を、前記電流検出抵抗と絶縁しつつ出力するアイソレーションアンプ（４１２）とを備える。
前記第１の回転速度制御部は、（ａ）前記位置データ（Ｃ）に基づいて得られる前記電動機本体（１０）の回転角速度（ω）及び前記電流データ（ｉａ０；ｉａ）に基づいて、前記電動機本体によって駆動されるファン（５）における静圧（Ｐｒ）を求めるステップ（３１５）と、（ｂ）前記ステップ（ａ）で求められた前記静圧及び、前記ファンが送風する風量の目標値（Ｑ０）に基づいて、前記指令値（ｖａ）の基礎となるスイッチングデューティ比（Ｄ）を求めるステップ（３１６）とを実行する。
前記ステップ（ａ）においては、前記電流検出抵抗に流れる前記電流（Ｉｄｃ）と前記回転角速度（ω）との積から前記電動機本体の消費電力（Ｐｅ）を求め、当該消費電力と前記回転角速度（ω）との関係から前記ファン（５）における静圧（Ｐｒ）が求められる。

この発明にかかる回転速度制御装置の第２の態様は、その第１の態様であって第２の回転速度制御部（４１０）を更に備える。当該第２の回転速度制御部は、（ｃ）前記位置データ（Ｃ）に基づいて前記回転角速度（ω）を求めるステップ（４１６）と、（ｄ）前記スイッチングデューティ比（Ｄ）に基づいて前記指令値（ｖａ）を求めるステップ（４１５）とを実行する。

この発明にかかる回転速度制御装置の第３の態様は、その第１の態様乃至第２の態様であって、前記電流検出装置は、前記電流データ（ｉａ０）をサンプリングした値をホールドして時間的に離散的な電流データ（ｉａ）に変換する、サンプルホールド回路（４１３）を更に備える。

この発明にかかる回転速度制御装置によれば、要求された風量を見積もられた静圧において実現するために必要な回転駆動を、ファンに対して行うことができる。

更に、電源電圧が変動している場合であっても、静圧を正確に求めることができる。また異なる電圧毎に、静圧を求めるために必要な関係を複数採用する必要が無い。

図１及び図２はこの発明の実施の形態を説明するブロック図である。ここでは室内機３と室外機４とを備える空気調和機への適用を例示する。

室外機４はドライバ付きモータである電動機１と、これを駆動する駆動回路４１とを備える。電動機１の構成は図６に示したものと同一である。尤も、本発明において、過電流検出抵抗１４や比較器１５は省略できる。図２では電動機１の直流電圧を入力する端子１６，１７を明記しており、端子１７が低圧側の端子である。

ファン５は電動機本体１０に取り付けられることによって回転駆動される。

室内機３は駆動回路４１との間で信号を授受する駆動回路３１を備えている。駆動回路３１には空気調和機の動作を設定するリモートコントローラ３２が接続されている。

駆動回路３１は例えば、室内機３が通常備えるマイクロコンピュータで構成できる。かかるコンピュータが行う機能は、ここではブロックとして示している。

駆動回路４１は、回転速度制御部４１０、電流検出抵抗４１１、アイソレーションアンプ４１２、サンプルホールド回路４１３及び直流電源４１４を備える。回転速度制御部４１０は図６を用いて説明された回転速度検出回路４１６と指令電圧生成回路４１５とを纏めて把握したものである。よって回転速度制御部４１０の機能は、位置データＣに基づいて回転角速度ωを求め、スイッチングデューティ比Ｄに基づいて指令電圧ｖａを求める、と把握できる。

指令電圧ｖａによって電動機本体１０の回転角速度ωが指示されるので、指令電圧ｖａは回転角速度ωの指令値として把握することができる。例えば、位置データＣ及びスイッチングデューティ比Ｄはデジタル値であり、回転角速度ω及び指令電圧ｖａはアナログ値である。

電流検出抵抗４１１には電動機１に流れる電流Ｉｄｃが流れ、これを電圧に変換する機能を有する。そのため、電流検出抵抗４１１の一端は直流電源４１４の低圧側の電源線に、他端は端子１７に、それぞれ接続されている。これにより、電流Ｉｄｃは電流検出抵抗４１１を流れる。電動機１の通常の使用態様では端子１７は接地Ｇ１に接続される。なお、直流電源４１４は例えば交流電圧を直流電圧に変換するためのダイオードブリッジ及び平滑コンデンサを有している。

アイソレーションアンプ４１２は電流検出抵抗４１１の両端に接続され、電流検出抵抗４１１における電圧降下に基づいて、電流Ｉｄｃを示す電流データｉａ０を出力する。但し電流データｉａ０は、電流検出抵抗４１１と絶縁しつつ出力される。具体的には、アイソレーションアンプ４１２は端子１７及び電流検出抵抗４１１の他端と共に接続される接地Ｇ１とは異なる接地Ｇ２を基準とした動作電源（図示せず）が供給される。接地Ｇ１，Ｇ２はそれぞれいわゆる強電及び弱電の為の接地である。

このようにアイソレーションアンプ４１２を用いて電流Ｉｄｃを電流データｉａ０として出力するので、ドライバ付モータである電動機１の、低電位側の端子１７の電位の影響を回避しつつ、電動機１に流れる電流Ｉｄｃに基づいた電動機１０本体の制御が可能となる。

なお、端子１７が接地Ｇ１に接続され、電流Ｉｄｃは端子１７から直流電源４１４へと流れるため、アイソレーションアンプ４１２は電圧降下を負電位として検出する。よってアイソレーションアンプ４１２の動作電源としては通常、正負の電源が要求される。しかし一般に負電源は得にくい為、正電源のみで動作するアイソレーションアンプ４１２を採用することが望ましい。

サンプルホールド回路４１３は、電流データｉａ０をサンプリングした値をホールドして時間的に離散的な電流データｉａに変換する。これにより、電動機１の外部において電流データを用いた処理が容易となる。サンプルホールド回路４１３の動作電源の基準として接地Ｇ２を採用することが通常である。

駆動回路３１において静圧検知３１１として示される機能は、電動機１に流れる電流Ｉｄｃを示す電流データｉａと、電動機本体１０の回転角速度ωとを入力し、静圧Ｐｒを求める。

図３はファン５を用いて送風する場合の、静圧Ｐｒと電動機１に流れる電流Ｉｄｃとの関係を模式的に示すグラフであり、電動機の回転角速度ωをパラメタとしている。ここでは回転角速度ωがω₁，…，ω_k，…，ω_nである場合を例示している。電流Ｉｄｃが値ｉ_jを採り、回転角速度ωが値ω_kを採る場合、回転角速度ω＝ω_kに対応したグラフにおいて、電流Ｉｄｃ＝ｉ_jが与える静圧Ｐｒは値Ｐ_jkとして求められる。

マップ選択３１６として示される機能は、静圧検知３１５として示される機能によって求められた静圧Ｐｒと、風量の目標値Ｑ０とを入力し、スイッチングデューティＤを生成する。

図４は風量Ｑと回転角速度ωとの関係を模式的に示すグラフであり、静圧Ｐｒをパラメタとしている。ここでは静圧ＰｒがＰ₁，…，Ｐ_s，…，Ｐ_mである場合を例示している。静圧Ｐ_sの下で、所望の風量Ｑ_tを得るために必要な回転角速度ωの値は、ω_stとして求められる。マップ選択３１６として示される機能は図４のグラフに相当するテーブルもしくは関数形によって求められる。かかる機能は室内機３が通常備えるマイクロコンピュータにおいて実行される公知の機能である。

このようにして、駆動回路３１において、電流データｉａと現状の回転角速度ωとから静圧Ｐｒを求め、所望の風量Ｑ０を得るための回転角速度を得るためのスイッチングデューティＤが生成される。つまり所望の風量Ｑ０を、見積もられた静圧Ｐｒにおいて実現するために必要な回転駆動を、ファン５に対して行うことができる。

なお、静圧検知３１５の機能として、電動機本体１０の消費電力Ｐｅと回転角速度ωとから静圧Ｐｒを求めることも、下記の理由で望ましい。なお図５は、回転角速度ωをパラメタとした、消費電力Ｐｅと静圧Ｐｒとの関係を示すグラフである。

図３に示される関係は電動機本体１０に印加される電圧に依存して変化する。よって電圧に変動があった場合や、商用電圧が異なる地域で静圧検知３１５が機能する場合、静圧Ｐｒを正確に求めるためには、図３に相当するテーブルもしくは関数形は当該電圧毎に個別に採用する必要がある。

しかし電動機本体１０の消費電力Ｐｅは電流Ｉｄｃと回転角速度ωとの積に比例するため、電圧の相違は回転角速度ωの相違に比例する。図３のグラフは電圧Ｖによる変動を考慮し、関数ｆを導入して、Ｐｒ＝ｆ（ω，Ｉｄｃ，Ｖ）と表現できる。そして電流Ｉｄｃは消費電力Ｐｅを電圧Ｖで除した値であり、上述のように電圧Ｖは回転角速度ωに比例するので、定数Ａを導入して、Ｐｒ＝ｆ（ω，Ｐｅ／Ａω，Ａω）と表現できる。

以上のようにして、静圧Ｐｒは回転角速度ωと消費電力Ｐｅとの二つを変数とする関数となり、電圧の変動を個別に考慮する必要は無い。よって電源電圧が変動している場合であっても、静圧を正確に求めることができるし、異なる電圧毎に、静圧を求めるために必要な関係を複数採用する必要が無い。もちろん、消費電力Ｐｅは回転角速度ωと電流ｉａとの積に基づいて得ることができる。

駆動回路３１において目標風量３１４として示された機能は、駆動回路３１の外部（例えばリモートコントローラ３２）からの指令に基づき、風量の目標値Ｑ０を出力する。かかる機能は室内機３が通常備えるマイクロコンピュータにおいて実行される公知の機能である。

駆動回路３１あるいは更に駆動回路３１に接続されるリモコン３２も、その動作電圧は直流電源４１４から電動機１へと供給される電圧と比較して顕著に低いので、当該動作電圧の基準として接地Ｇ２を採用することが望ましい。この観点からも、直流電源４１４と駆動回路３１（あるいは更にリモコン３２）との間に介在するアンプとして、アイソレーションアンプ４１２を用いることは望ましい。

この発明の実施の形態を説明するブロック図である。 この発明の実施の形態を説明するブロック図である。 送風機の静圧と、当該送風機を駆動する電動機に流れる電流との関係を模式的に示すグラフである。 送風機の風量と、当該送風機を駆動する電動機の回転角速度との関係を模式的に示すグラフである。 回転角速度をパラメタとした、消費電力と静圧との関係を示すグラフである。 解決すべき課題を示すためのブロック図である。

符号の説明

１ 電動機
１０ 電動機本体
１３ インバータ
１６，１７ 端子
３ 室内機
４ 室外機
４１１ 電流検出抵抗
４１２ アイソレーションアンプ
５ ファン

Claims (3)

1. 電流検出装置と、第１の回転速度制御部（３１）とを備える回転速度制御装置であって、
   前記電流検出装置は、電動機本体（１０）と、一対の端子（１６，１７）を介して直流電圧を入力し、これを前記電動機本体に交流電圧を与えるインバータ（１３）と、前記電動機本体の回転位置を示す位置データ（Ｃ）を出力し、前記電動機本体の回転角速度の指令値（ｖａ）を入力してこれに基づいて前記インバータの動作を制御するモータドライバ（１２）とを有するドライバ付モータ（１）に流れる電流を検出する装置であって、
   前記電流検出装置は、
   一端と、前記一対の端子のうち低電位側の端子（１７）に接続された他端とを有する電流検出抵抗（４１１）と、
   前記電流検出抵抗の前記一端及び前記他端の間の電圧降下に基づいて、前記電流検出抵抗に流れる電流（Ｉｄｃ）を示す電流データ（ｉａ０）を、前記電流検出抵抗と絶縁しつつ出力するアイソレーションアンプ（４１２）と
   を備え、
   前記第１の回転速度制御部（３１）は、
   （ａ）前記位置データ（Ｃ）に基づいて得られる前記電動機本体（１０）の回転角速度（ω）及び前記電流データ（ｉａ０；ｉａ）に基づいて、前記電動機本体によって駆動されるファン（５）における静圧（Ｐｒ）を求めるステップ（３１５）と、
   （ｂ）前記ステップ（ａ）で求められた前記静圧及び、前記ファンが送風する風量の目標値（Ｑ０）に基づいて、前記指令値（ｖａ）の基礎となるスイッチングデューティ比（Ｄ）を求めるステップ（３１６）と
   を実行し、
   前記ステップ（ａ）においては、前記電流検出抵抗に流れる前記電流（Ｉｄｃ）と前記回転角速度（ω）との積から前記電動機本体の消費電力（Ｐｅ）を求め、当該消費電力と前記回転角速度（ω）との関係から前記ファン（５）における静圧（Ｐｒ）が求められる、回転速度制御装置。
2. （ｃ）前記位置データ（Ｃ）に基づいて前記回転角速度（ω）を求めるステップ（４１６）と、
   （ｄ）前記スイッチングデューティ比（Ｄ）に基づいて前記指令値（ｖａ）を求めるステップ（４１５）と
   を実行する第２の回転速度制御部（４１０）
   を更に備える、請求項１記載の回転速度制御装置。
3. 前記電流検出装置は、
   前記電流データ（ｉａ０）をサンプリングした値をホールドして時間的に離散的な電流データ（ｉａ）に変換する、サンプルホールド回路（４１３）
   を更に備える、請求項１又は請求項２記載の回転速度制御装置。

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