JP6151951B2 - 騒音低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、騒音低減装置に関し、特に、回転体が高速回転することによって生じる騒音を低減する騒音低減蔵置に関する。

ふるい網等の振動体を振動装置により一定の周波数で振動させることで発生する低周波音を、他の振動ふるい機の振動体が発生する異位相の低周波音により低減させるという提案がなされている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

振動ふるい機等の低周波音を低減させるためには、上記の提案で対応することができる。しかしながら、冷却ファン等の回転体が高速回転することによって生じる騒音は高周波音であるため、センシング周期が高速でなければならず、上記の提案では騒音を低減することができない。

特許３３７１２０９号公報 特許２９２５５４０号公報 特開平６−２２１０８３号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、回転体が高速回転することによって生じる騒音を低減させることが可能な騒音低減装置を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、複数の回転体が高速回転することによって生じる騒音を相互の干渉によって低減させる騒音低減装置であって、回転体を駆動する駆動軸に取り付けられ、駆動軸の回転を計測し、駆動軸の回転に基づくパルスを出力するエンコーダと、出力されたパルスをカウントしてカウント値を算出するカウンタと、算出されたカウント値から回転体毎の周波数及び位相を検出する周波数位相差検出部と、回転体毎の周波数及び位相に基づいて、回転体毎の周波数及び位相を、回転体が生じる騒音が相互の干渉によって低減することができる目標周波数及び目標位相にするための周波数変更量を算出する位相差制御部と、周波数変更量に基づいて、回転体を回転させるモータの速度を制御するモータ速度指令値を出力する周波数制御部とを備え、
位相差制御部は、
一の回転体のモータの回転周波数に対して他の回転体のモータの回転周波数が所定値より大きいときに、当該回転周波数のずれを所定値より小さくするためのモータの回転周波数制御を他の回転体について行い、
一の回転体のモータの回転周波数に対する他の回転体のモータの回転周波数のずれが所定値より小さく、かつ、一の回転体のモータの回転に対する他の回転体のモータの回転の位相差が所定の位相差に対して所定量より大きくずれているときに、当該位相差のずれを所定量より小さくするためのモータの回転の位相制御を他の回転体について行い、
一の回転体のモータの回転周波数に対する他の回転体のモータの回転周波数のずれが所定値より小さく、かつ、一の回転体のモータの回転に対する他の回転体のモータの回転の位相差と所定の位相差とのずれが所定量より小さいときに、一の回転体のモータの回転周波数に他の回転体のモータの回転周波数を近づけるための回転周波数制御を他の回転体について行う
騒音低減装置であることを要旨とする。

本発明によれば、回転体が高速回転することによって生じる騒音を低減させることが可能な騒音低減装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る騒音低減装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る騒音低減装置を用いる回転体の例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る騒音低減装置におけるコントローラが行う処理の手順を示すフローチャートである。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る騒音低減装置は、図１に示すように、複数の回転体が高速回転することによって生じる騒音を相互の干渉によって低減させる騒音低減装置であって、回転体を駆動する駆動軸（第１モータ１，第２モータ３）に取り付けられ、駆動軸の回転を計測し、駆動軸の回転に基づくパルスを出力するエンコーダ（第１エンコーダ５ａ，第２エンコーダ５ｂ）と、出力されたパルスをカウントしてカウント値を算出するカウンタ（第１カウンタ６ａ，第２カウンタ６ｂ）と、算出されたカウント値から回転体毎の周波数及び位相を検出する周波数位相差検出部１１と、回転体毎の周波数及び位相に基づいて、回転体毎の周波数及び位相を、回転体が生じる騒音が相互の干渉によって低減することができる目標周波数及び目標位相にするための周波数変更量を算出する位相差制御部１５と、周波数変更量に基づいて、回転体を回転させるモータの速度を制御するモータ速度指令値を出力する周波数制御部１３とを備える。

第１エンコーダ５ａ，第２エンコーダ５ｂは、具体的には、図２に示すように、電動機からの動力を伝動軸を介して減速機に伝え、減速機で所望のトルクにして送風機を回転させる冷却塔３０，３０ｂの冷却ファン２ａ、２ｂ等の減速機の出力軸に取り付けられる。第１エンコーダ５ａ，第２エンコーダ５ｂは、回転体を駆動する駆動軸（第１モータ１，第２モータ３）の回転を計測し、駆動軸の回転に基づくパルスを周波数位相差検出部１１に出力する。

実施の形態に係る騒音低減装置は、図１中点線の枠で囲んだコントローラ１０を有している。このコントローラ１０は、第１エンコーダ５ａ，第２エンコーダ５ｂからのパルスをカウントする第１カウンタ６ａ，第２カウンタ６ｂからパルスのカウント値が入力される周波数位相差検出部１１と、その検出結果に基づいて回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転周波数を制御する周波数制御部１３及び回転の位相を制御する位相差制御部１５とを有している。

周波数位相差検出部１１は、第１エンコーダ５ａ，第２エンコーダ５ｂのパルスから回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転周波数ｆ１，ｆ２と回転の位相差θとを検出する。周波数制御部１３は、基本的に、周波数位相差検出部１１が検出した回転体の駆動軸（第１モータ１，第２モータ３）の回転周波数ｆ１，ｆ２の差分（ｆ２−ｆ１）を減らすためのモータ速度指令値を出力する。位相差制御部１５は、周波数位相差検出部１１が検出した回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転の位相差θと、予め定められた目標位相差との差分ｕ２（＝θ−目標位相差）に基づいて、位相差θを目標位相差に近づけるための制御量ａｌｐｈａを算出する。算出した制御量ａｌｐｈａは、加算器１７において、周波数制御部１３に入力される回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転周波数ｆ１，ｆ２の差分（ｆ２−ｆ１）に加算される。

周波数制御部１３が出力するモータ速度指令値（モータ速度指令電圧）は、回転体（第１モータ１，第２モータ３）を回転させる速度指令電圧として、インバータ２０に入力される。インバータ２０は、入力された速度指令電圧を第１モータ１，第２モータ３の駆動パルスに変換して、第１モータ１，第２モータ３に出力する。

周波数位相差検出部１１は、第１カウンタ６ａ，第２カウンタ６ｂから出力されるパルスのカウント値に基づいて、回転体（第１モータ１，第２モータ３）毎の周波数（回転周波数）ｆ１，ｆ２を検出する。また、周波数位相差検出部１１は、カウント値から各回転体（第１モータ１，第２モータ３）の位相差θを検出する。

第１モータ１の回転周波数（Ｈｚ）ｆ１は、式（１）によって算出される。Ｎ_1cは、１回転した場合に第１エンコーダ５ａからのカウント値である。Ｎ_1subは、前回と現在の差分カウント値である。Ｔ_sは、サンプリング周期である。
ｆ１＝Ｎ_1sub／Ｎ_1c×Ｔ_s・・・・・（１）

第２モータ３の回転周波数（Ｈｚ）ｆ２は、式（２）によって算出される。Ｎ_2cは、１回転した場合に第２エンコーダ５ｂからのカウント値である。Ｎ_2subは、前回と現在の差分カウント値である。Ｔ_sは、サンプリング周期である。
ｆ１＝Ｎ_2sub／Ｎ_2c×Ｔ_s・・・・・（２）

第１モータ１，第２モータ３の位相差θ（deg）、式（３）によって算出される。Ｎ₁は、現在の第１カウンタ６ａのカウント値である。Ｎ₂は、現在の第２カウンタ６ｂのカウント値である。
θ＝（Ｎ₂／Ｎ_2c−Ｎ₁／Ｎ_1c）×３６０°・・・・・（３）

次に、図１で示したコントローラ１０により回転体（第２モータ）３の回転周波数ｆ２及び回転の位相を制御する際の手順について、図３のフローチャートを参照して説明する。

まず、第１エンコーダ５ａ，第２エンコーダ５ｂは、各回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転を計測し、回転に基づくパルスを第１カウンタ６ａ，第２カウンタ６ｂに出力する（ステップＳ１）。次に、第１カウンタ６ａ，第２カウンタ６ｂは、パルスをカウントして、カウント値を算出する。そして、第１カウンタ６ａ，第２カウンタ６ｂは、カウント値を周波数位相差検出部１１に出力する。周波数位相差検出部１１は、カウント値を用いて、第１モータ１，第２モータ３のサンプリング周期等を演算する（ステップＳ３）。

また、周波数位相差検出部１１は、上記の式（１）〜（３）により、第１モータ１の回転周波数ｆ１、第２モータ３の回転周波数ｆ２、及び第１モータ１，第２モータ３の位相差θを算出する（ステップＳ５，７，９）。

次に、算出した回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転周波数ｆ１，ｆ２の差分（ｆ２−ｆ１）の絶対値が周波数差のしきい値ｆｔ（請求項中の所定値に相当）未満である（−ｆｔ＜ｆ２−ｆ１＜ｆｔ）か否かを確認する（ステップＳ１１）。差分（ｆ２−ｆ１）の絶対値がしきい値ｆｔ未満でない場合は（ステップＳ１１でＮＯ）、位相差制御部１５が加算器１７に出力する制御量ａｌｐｈａをゼロ（α＝０）とする（ステップＳ１３）。差分（ｆ２−ｆ１）の絶対値がしきい値ｆｔ未満である場合は（ステップＳ１１でＹＥＳ）、回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転の位相差θと目標位相差との差分ｕ２（＝θ−目標位相差）が位相差のしきい値ｕｔ（請求項中の所定量に相当）の逆数−ｕｔ未満（ｕ２＜−ｕｔ）であるか否かを確認する（ステップＳ１５）。

差分ｕ２がしきい値ｕｔの逆数−ｕｔ未満である場合は（ステップＳ１５でＹＥＳ）、位相差制御部１５が加算器１７に出力する制御量ａｌｐｈａを基準量ｘ（但し、ｘ＞０）とする（ステップＳ１７）。この基準量ｘは、位相差θを目標位相差に近づける度合いを示す変数である。

一方、差分ｕ２がしきい値ｕｔの逆数−ｕｔ未満でない場合は（ステップＳ１５でＮＯ）、回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転の位相差θと目標位相差との差分ｕ２（＝θ−目標位相差）が位相差のしきい値ｕｔより大きい（ｕ２＞ｕｔ）であるか否かを確認する（ステップＳ１９）。

差分ｕ２がしきい値ｕｔより大きい場合は（ステップＳ１９でＹＥＳ）、位相差制御部１５が加算器１７に出力する制御量ａｌｐｈａを基準量ｘの逆数−ｘとする（ステップＳ２１）。一方、差分ｕ２がしきい値ｕｔより大きくない場合は（ステップＳ１９でＮＯ）、ステップＳ１３に処理を移行する。

ステップＳ１３、ステップＳ１７、及び、ステップＳ２１で位相差制御部１５が加算器１７に出力する制御量ａｌｐｈａを決定したならば、周波数制御部１３が、回転体（第２モータ３）の回転周波数ｆ２に制御量ａｌｐｈａを加えたｆｓを、ＰＩＤ制御における比例要素Ｋｐや積分要素Ｋｉの偏差（ｆｓ−ｆ１）を定義するための変数として定義する（ステップＳ２３）。

そして、周波数制御部１３が、前回の制御時と今回との偏差の差に相当する変数をｆｒとして、モータ速度指令値ｆｍを、ｆｍ＝ｆｒ＋Ｋｐ（ｆｓ−ｆ１）＋∫Ｋｉ（ｆｓ−ｆ１）の式に基づいて決定し（ステップＳ２５）、モータ速度指令電圧にアナログ換算してインバータ２０に出力する（ステップＳ２７）。そして、一連の手順を終了する。

なお、上述した周波数差のしきい値ｆｔや位相差のしきい値ｕｔ、制御量ａｌｐｈａの基準量ｘ等の値は、回転体（第１モータ１，第２モータ３）のスペック等によって異なる調整パラメータである。

以上の手順を実行することで、第２モータ３の回転周波数ｆ２が第１モータ１の回転周波数ｆ１と一致し、第２モータ３と第１モータ１の出力軸の位相差θが目標位相差に十分近づけることができる。

実施の形態に係る騒音低減装置によれば、第２モータ３の回転周波数ｆ２が第１モータ１の回転周波数ｆ１と一致し、第２モータ３と第１モータ１の出力軸の位相差θが目標位相差に十分近づくことで、複数の回転体が生じる騒音を相互の干渉によって低減させることができる。

また、実施の形態に係る騒音低減装置によれば、エンコーダやカウンタユニットはモータと合わせて使用されることが一般的なため、安価で高分解能のものが入手可能である。したがって、安価なセンサやコントローラでシステムを組むことができる。また、周波数制御部１３の前に位相差制御部１５を配置することで、位相差制御のための回転周波数の変更量が打ち消されないためすみやかに制御を行うことができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、実施の形態において、回転体として冷却ファンを例に挙げたが、風車のようにモータから羽への回転の伝達に滑り等がなく、かつ騒音が問題になっているような対象であれば、実施の形態に係る騒音低減装置の手法を適用することができる。

また、位相差に関する制御量ａｌｐｈａをゼロにするかそれ以外の値にするかを、実施の形態で行った図３のフローチャートにおけるステップＳ１１乃至ステップＳ２３の手順とは異なる手順で決定するようにしてもよい。即ち、各回転体（第１モータ１，第２モータ３）の回転周波数ｆ１，ｆ２の差分を小さくする制御を優先するか、位相差θを目標位相差に近づける制御を優先するかを、図３のフローチャートにおけるステップＳ１１乃至ステップＳ２３の手順とは異なる手順で決定するようにしてもよい。

ちなみに、実施の形態のように、回転周波数ｆ１，ｆ２の差分が周波数差のしきい値ｆｔよりも大きい場合はその差分を小さくする制御を優先することで、位相差θと目標位相差との差を小さくする制御を優先するよりも、位相差θと目標位相差との差を効率よく減らすことができる。

また、実施の形態のように、回転周波数ｆ１，ｆ２の差分が周波数差のしきい値ｆｔよりも小さく、かつ、位相差θの絶対値が位相差のしきい値ｕｔよりも大きい場合は、位相差θと目標位相差との差を小さくする制御を優先し、位相差θの絶対値が位相差のしきい値ｕｔよりも小さくなったならば、回転周波数ｆ１，ｆ２の差分がなくなるようにする制御を行うことでも、位相差θと目標位相差との差を効率よく減らすことができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

１，３…モータ
２ａ…冷却ファン
５ａ，５ｂ…エンコーダ
６ａ，６ｂ…カウンタ
１０…コントローラ
１１…周波数位相差検出部
１３…周波数制御部
１５…位相差制御部
１７…加算器
２０…インバータ
３０，３０ｂ…冷却塔

Claims (1)

1. 複数の回転体が高速回転することによって生じる騒音を相互の干渉によって低減させる騒音低減装置であって、
   前記回転体を駆動する駆動軸に取り付けられ、前記駆動軸の回転を計測し、前記駆動軸の回転に基づくパルスを出力するエンコーダと、
   出力された前記パルスをカウントしてカウント値を算出するカウンタと、
   算出された前記カウント値から前記回転体毎の周波数及び位相を検出する周波数位相差検出部と、
   前記回転体毎の周波数及び位相に基づいて、前記回転体毎の周波数及び位相を、前記回転体が生じる騒音が相互の干渉によって低減することができる目標周波数及び目標位相にするための周波数変更量を算出する位相差制御部と、
   前記周波数変更量に基づいて、前記回転体を回転させるモータの速度を制御するモータ速度指令値を出力する周波数制御部
   とを備え、
   前記位相差制御部は、
   前記一の回転体の前記モータの回転周波数に対して前記他の回転体の前記モータの回転周波数が所定値より大きいときに、当該回転周波数のずれを前記所定値より小さくするための前記モータの回転周波数制御を前記他の回転体について行い、
   前記一の回転体の前記モータの回転周波数に対する前記他の回転体の前記モータの回転周波数のずれが前記所定値より小さく、かつ、前記一の回転体の前記モータの回転に対する前記他の回転体の前記モータの回転の位相差が所定の位相差に対して所定量より大きくずれているときに、当該位相差のずれを前記所定量より小さくするための前記モータの回転の位相制御を前記他の回転体について行い、
   前記一の回転体の前記モータの回転周波数に対する前記他の回転体の前記モータの回転周波数のずれが前記所定値より小さく、かつ、前記一の回転体の前記モータの回転に対する前記他の回転体の前記モータの回転の位相差と前記所定の位相差とのずれが前記所定量より小さいときに、前記一の回転体の前記モータの回転周波数に前記他の回転体の前記モータの回転周波数を近づけるための回転周波数制御を前記他の回転体について行う
   ことを特徴とする騒音低減装置。

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