JP6372981B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍ショーケース、冷蔵庫において冷気を強制循環させるファンモータ等のモータ駆動装置に関する。

従来、冷凍ショーケース、冷蔵庫等において冷気を強制循環させるファンモータでは、一定の回転速度を維持したり、庫内状況に応じて回転速度を切り換えたり、さらには事前に設定されたプロファィルに従って回転速度を変化させることが望まれており、このような回転速度の制御をモータ駆動装置により実行している。この種のファンモータに関しては、例えば特許文献１〜３等に記載のように、種々の工夫が提案されている。

またこの種のモータ駆動装置の駆動対象は、省電力、制御の容易性等の観点より、ブラシレスモータが多用されており、この場合、モータ駆動装置は、整流回路、ブラシレスモータに駆動電流を供給する駆動回路等の一部構成がモータケース内に収納されて構成される。

また近年、コンビニエンスストアやスーパーマーケットでは、複数台のショーケースを集中管理したり、ショーケースを個々に管理することが求められている。このため各ショーケースに設けられたファンモータの回転速度を個々に制御できることが望まれており、このためモータ駆動装置では、外部から回転速度を制御可能なインターフェースが設けられている。

図７は、この外部から回転速度を制御可能なインターフェースを有するモータ駆動装置を駆動対象と共に示すブロック図である。このモータ駆動装置１の駆動対象は、３相のブラシレスモータによるファンモータ２である。このモータ駆動装置１では、ＡＣ１００Ｖ又はＡＣ２００Ｖの商用電源を電源回路３に入力し、ここで動作用の直流電源を生成して各部に供給する。

モータ駆動装置１は、入力装置６からパルス幅変調信号による速度指令Ｓ３をコントローラ８に入力し、またファンモータ２に設けられたホール素子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの出力信号をドライバ１１で取得する。ここで入力装置６は、ファンモータ２の回転速度を制御するインターフェース装置である。ドライバ１１は、コントローラ８による駆動信号に基づいて、ホール素子１０Ａ〜１０Ｃの出力信号により把握される現在の回転速度が、速度指令Ｓ３により指示される回転速度となるように、ファンモータ２の駆動に供する３相の駆動信号を生成する。パワーモジュール（ＰＭ）１２は、このドライバ１１から出力される駆動信号に基づいて、ファンモータ２の各相Ｕ、Ｖ、Ｗを電源回路３から出力される直流電源に接続し、ファンモータ２を駆動する。これによりモータ駆動装置１では、速度指令に応じた回転速度でファンモータ２を回転駆動する。なおモータ駆動装置１は、このようにして駆動するファンモータ２の駆動電流をドライバ１１で検出し、この駆動電流が一定の基準値を超えないように、ホール素子１０Ａ〜１０Ｃの出力信号に応じてパワーモジュール１２による駆動のタイミングを制御する。なおこの図７に示す構成において、一点鎖線により区分けされたホール素子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、ドライバ１１、パワーモジュール１２、電源回路３の一部は、ファンモータ２のモータケースに収納されて保持される。

特開２００４−２６０９６５号公報 特開平０４−２０８０８７号公報 特許第３９６５７９１号公報

ところでこのように外部より回転速度を制御可能なインターフェースを設ける場合、ファンモータに求められる安全基準と同一の安全基準を、当該インターフェースに係る入力装置６が満足することが必要になる。

具体的に、ファンモータの駆動系にあっては、商用電源に接続されることにより、商用電源を使用する場合のＵＬ等の安全基準を満足することが必要になる。何ら工夫を講じない場合、速度の制御に係る入力装置６にあっても、この安全基準を満たすことが必要になり、感電、雷サージ、ノイズ等に対しても大がかりな対策が必要となる。これにより構成が煩雑になる問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来に比して速度制御のインターフェースに係る構成を簡略化することを目的とする。

本発明者らは、速度指令を出力する構成を電気的に本体装置より絶縁するようにして、マイクロコンピュータにより直流電圧に応じたパルス幅変調信号による速度指令を生成するとの着想により、本発明を完成するに至った。

（１） モータの回転速度を可変するモータ駆動装置において、電源電圧に基づいて生成された基準電圧と、前記モータの回転速度を電圧値により指示する速度指令電圧と、を入力し、前記基準電圧を分圧して生成された複数の比例電圧と、前記速度指令電圧と、を比較することによってアナログディジタル変換を行うアナログディジタル変換回路と、
前記アナログディジタル変換回路の出力信号に基づいて、前記速度指令電圧に応じてパルス幅が変化する速度指令を生成するマイクロコンピュータと、入出力間を絶縁して、入出力間で前記速度指令を伝達する信号絶縁部と、前記信号絶縁部から出力される前記速度指令により駆動信号を生成して前記モータの回転速度を可変する駆動回路とを備え、前記アナログディジタル変換回路は、異なる減衰率により減衰された前記速度指令電圧を複数系統により出力し、前記マイクロコンピュータは、前記速度指令電圧に応じて前記複数系統の１つを選択して前記速度指令を生成する。

（１）によれば、速度の指示を入力するアナログディジタル変換回路、マイクロコンピュータについては、商用電源に係る安全基準を満足することなく、より基準の緩やかな安全基準を満足するだけで構成することができ、これにより従来に比して一段と構成を簡略化することができる。またマイクロコンピュータによりパルス幅が変化する速度指令を生成することにより、種々の特性により速度指令を生成することができる。

（２） （１）において、
前記マイクロコンピュータは、
前記速度指令電圧の増大及び減少に対して、階段状にパルス幅が変化するように前記速度指令を生成する。

（２）によれば、段階的に回転速度が変化する特性によりモータの回転速度を制御することができる。

（３） （２）において、
前記マイクロコンピュータは、
前記速度指令電圧の増大及び減少に対して、ヒステリシス特性により前記速度指令のパルス幅を変化させる。

（３）によれば、速度指令電圧の微小増減に対して、回転速度の過度な変化を防止することができ、その結果、安定にモータを駆動することができる。

（４） （１）、（２）、又は（３）において、前記アナログディジタル変換回路は、
異なる減衰率により減衰された前記速度指令電圧を複数系統により出力し、
前記マイクロコンピュータは、
前記速度指令電圧に応じて前記複数系統の１つを選択して速度指令を生成する。

（４）によれば、速度指令電圧の低い側では、一段と高い分解能によりアナログディジタル変換処理した系統により速度指令を生成することができ、これにより一段と高い精度により速度指令電圧を検出して速度指令を生成することができ、モータの駆動を一段と精度良く実行することができる。

（５） （１）、（２）、（３）、又は（４）において、
前記マイクロコンピュータは、
前記速度指令電圧の変化に対して、パルス幅を徐々に変化させて前記速度指令を生成する。

（５）によれば、急激に速度指令電圧が変化した場合であっても、徐々にモータの回転速度を可変することができ、これにより安定にモータを駆動することができる。

本発明によれば、従来に比して速度制御のインターフェースに係る構成を簡略化することができる。

本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置を示すブロック図である。 図１のモータ駆動装置における入力装置を示す接続図である。 図２の入力装置による制御特性の説明に供する図である。 ヒステリシス特性による制御の説明に供する図である。 回転速度を徐々に変化させる制御の説明に供する図である。 図５の制御に供するフローチャートである。 従来のモータ駆動装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、図７との対比により本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置を示す図である。このモータ駆動装置２１は、コントローラ８の前段に信号絶縁部２２が設けられる。また速度指令Ｓ３に係る入力装置２３は、クラスＩＩの電源である例えば乾電池により動作し、さらに信号絶縁部２２に係る構成が設けられる。ここで信号絶縁部２２は、入力装置２３と本体装置との間で充分な絶縁を確保した上で、入力装置２３から本体装置に速度指令Ｓ３を伝達する構成であり、例えばフォトカップラにより構成される。この信号絶縁部２２、入力装置２３及び関連する構成が異なる点を除いて、この実施形態のモータ駆動装置２１は、図７について上述したモータ駆動装置１と同一に構成される。この信号絶縁部２２に係る構成により、このモータ駆動装置２１においては、モータの回転速度を指示するインターフェースに関して、速度の指示入力に係る入力装置２３については、商用電源に係る安全基準を満足することなく、より基準の緩やかな安全基準を満足するだけで構成することができ、これにより従来に比して一段と構成を簡略化することができる。

図２は、この入力装置２３を関連する構成と共に示すブロック図である。入力装置２３は、電源ＶＣＣ１（２４Ｖ）をダイオードＤ１、ノイズ除去用コンデンサＣ１を介してＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ／ＤＣ）３１に入力し、ここで論理回路の動作用電源（例えば５Ｖ）を生成する。また入力装置２３は、例えば可変抵抗によりこの電源ＶＣＣ１から生成された直流電圧であり、ファンモータ２の回転速度を指示する直流電圧である速度指令電圧Ｖ２を入力し、抵抗Ｒ１、Ｒ２による第１の減衰回路である第１の分圧回路３２、抵抗Ｒ３、Ｒ４によるによる第２の減衰回路である第２の分圧回路３３にこの速度指令電圧Ｖ２を入力する。

ここでこの実施形態において、速度指令電圧Ｖ２は、電源ＶＣＣ１に対応する０〜２４Ｖの直流電圧により入力され、第１の分圧回路３２は、この０〜２４Ｖの直流電圧により入力される速度指令電圧Ｖ２を分圧により減衰させて、論理回路の動作用電源（５Ｖ）以下の０Ｖ〜５Ｖの電圧により出力する。これに対して第２の分圧回路３３は、この第１の分圧回路３２の出力電圧の範囲０Ｖ〜５Ｖに対して、約２倍の電圧の範囲０Ｖ〜１０Ｖに、０〜２４Ｖの直流電圧により入力される速度指令電圧Ｖ２を減衰させて出力する。以下、第１及び第２の分圧回路３２、３３による出力電圧をそれぞれ高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈ、低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌと呼ぶ。

入力装置２３は、ノイズ除去用コンデンサＣ３により高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈを接地し、さらにダイオードＤ２、Ｄ３により正側及び負側を＋５Ｖ、０Ｖにクランプしてコントローラ３５に入力する。またノイズ除去用コンデンサＣ４により低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌを接地し、ダイオードＤ４、Ｄ５により正側及び負側を＋５Ｖ、０Ｖにクランプしてコントローラ３５に入力する。これにより入力装置２３は、低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌについては、速度指令電圧Ｖ２の電圧の低い範囲のみ０Ｖ〜５Ｖの電圧によりコントローラ３５に入力し、電圧の低い側で十分な分解能を確保して速度指令電圧Ｖ２を検出できるように構成される。

さらに入力装置２３は、抵抗Ｒ５、Ｒ６による分圧回路３６による分圧により、電源ＶＣＣ１を減衰させて論理回路の動作用電源（５Ｖ）の電源を生成する。入力装置２３は、ノイズ除去用コンデンサＣ５により分圧回路３６の出力電圧Ｖ３を接地し、ダイオードＤ６、Ｄ７により正側及び負側を＋５Ｖ、０Ｖにクランプしてコントローラ３５に入力する。

コントローラ３５は、高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈ、低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌ、分圧回路３６の出力電圧Ｖ３により、速度指令電圧Ｖ２に応じてパルス幅の変化するパルス幅変調信号（速度指令である）Ｓ３を生成し、このパルス幅変調信号Ｓ３により信号絶縁部２２であるフォトカップラを駆動する。すなわち信号絶縁部２２は、フォトダイオードのアノードを抵抗Ｒ８を介して電源に接続し、さらにこのフォトダイオードのカソードにコントローラ３５から出力されるパルス幅変調信号Ｓ３が供給され、さらにこのフォトダイオードのカソードが抵抗Ｒ７により電源にプルアップされる。これによりコントローラ３５は、パルス幅変調信号Ｓ３によりフォトカップラを駆動する。

信号絶縁部２２は、このフォトカップラの出射光を受光するフォトトランジスタの出力信号Ｓ２がコントローラ８に入力され、これにより駆動装置２１は、速度指令電圧Ｖ２に応じてファンモータ２の回転速度を可変する。

〔コントローラ３５の詳細〕
コントローラ３５は、アナログディジタル変換回路３７Ｈ、３７Ｌにそれぞれ高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈ、低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌを入力してアナログディジタル変換処理する。ここでアナログディジタル変換回路３７Ｈ、３７Ｌは、ラダー抵抗により基準電圧を分圧して生成した複数の比較電圧と、それぞれ高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈ、低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌとを比較して比較結果を処理することにより、高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈ、低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌをアナログディジタル変換処理しており、このラダー抵抗に供給する基準電圧に分圧回路３６の出力電圧Ｖ３が適用される。これにより駆動装置２１は、例えば電源電圧ＶＣＣ１の変化により速度指令電圧Ｖ２が変動する場合にあっても、この速度指令電圧Ｖ２の変化に連動して変化する基準電圧により高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈ、低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌをアナログディジタル変換処理し、例えば電池の劣化等により電源電圧ＶＣＣ１が低下した場合でも、正しくファンモータ２を駆動できるように構成される。

コントローラ３５においては、アナログディジタル変換回路３７Ｈ、３７Ｌの出力信号をマイクロコンピュータ（マイコン）３８に入力する。これにより異なる減衰率により減衰された速度指令電圧Ｖ２が複数系統によりマイコン３８に入力される。マイコン３８は、速度指令電圧Ｖ２に応じてこの複数系統の１つを選択して速度指令電圧Ｖ２を計測する。すなわちマイコン３８は、アナログディジタル変換回路３７Ｈ又は３７Ｌの出力信号を所定の判定基準値により判定することにより、速度指令電圧Ｖ２が低い場合には、アナログディジタル変換回路３７Ｌから出力される低圧側速度指令電圧Ｖ２Ｌのアナログディジタル変換処理結果を処理してパルス幅変調信号を生成する。これに対して速度指令電圧Ｖ２が高い場合には、アナログディジタル変換回路３７Ｈから出力される高圧側速度指令電圧Ｖ２Ｈのアナログディジタル変換処理結果を処理してパルス幅変調信号を生成する。これにより駆動装置２１では、ビット数の少ないアナログディジタル変換回路３７Ｈ、３７Ｌを使用して、電圧が低い場合に十分な分解能を確保して速度指令電圧Ｖ２のアナログディジタル変換結果を取得すると共に、大きなダイナミックレンジにより速度指定電圧Ｖ２をアナログディジタル変換処理できるように構成され、その結果、簡易な構成により高い精度でファンモータ２を速度制御できるように構成される。

このように２系統のアナログディジタル変換処理結果を選択的に処理してパルス幅変調信号を生成するようにして、マイコン３８は、図３に示すように、速度指令電圧Ｖ２の増大及び減少に対して、階段状にパルス幅が変化するように速度指令を生成し、これにより符号Ｌ１により示すように、階段状に回転速度が変化するようにファンモータ２を制御する。すなわちマイコン３８は、アナログディジタル変換処理結果を判定基準値により判定し、その判定結果によりファンモータ２の制御に係る目標回転速度を切り替え、これにより段階的にファンモータ２の回転速度を可変制御する。これにより駆動装置２１は、連続的な回転速度の可変に起因する回転速度の脈動等を有効に回避して、安定にファンモータ２を駆動する。

またこのようにファンモータ２の回転速度を段階的に可変するようにして、この段階的な可変に供する判定基準値を、その時点の速度指令電圧Ｖ２に応じて切り替えることにより、図４に示すように、速度指令電圧Ｖ２の上昇時（符号Ｌ３）と、低下時（符号Ｌ２）とで回転速度の切り替えに係る速度指令電圧Ｖ２を切り替え、これによりヒステリシス特性により速度指令のパルス幅を変化させる。これにより駆動装置２１は、回転速度の過度な変化を防止して安定にファンモータ２を駆動する。

またさらにマイコン３８は、このような段階的な制御において、図５（Ａ）及び（Ｂ）により示すように、速度指令電圧Ｖ２の急激な変化を緩和するように、徐々に回転速度を可変し、これにより急激な回転速度の可変による回転速度におけるオーバーシュート、脈動等を有効に回避する。すなわち図６は、この回転速度の制御に係るマイコン３８の処理手順を示すフローチャートである。マイコン３８は、速度指令電圧Ｖ２の立ち上がりよる加速の指示を監視し、加速の指示が検出されない場合、速度指令電圧Ｖ２に対応する回転速度によりファンモータ２を駆動する（ステップＳＰ１−ＳＰ２−ＳＰ３）。

これに対して加速の指示が検出されると、その時点におけるファンモータ２の回転速度と、加速の指示に係る速度指令電圧Ｖ２による回転速度との差分の回転速度を計算し、この差分の回転速度を事前に設定された遷移時間により割り算し、指示された回転速度までの単位時間当たりの回転速度増加値（時間当たり速度指令増加パラメータ）を計算する。マイコン３８は、回転速度の制御目標が、速度指令電圧Ｖ２による回転速度になるまで、計算した回転速度の増加値を現在の回転速度に繰り返し加算して制御目標を更新しながら、この制御目標によりファンモータ２を回転駆動する（ステップＳＰ３〜ＳＰ６）。なおここで遷移時間は２分程度である。なおこの実施形態では、減速時においては、負荷の抵抗により徐々に減速するように構成される。

以上の構成によれば、速度指令を出力する構成を電気的に本体装置より絶縁するようにして、マイクロコンピュータにより直流電圧に応じたパルス幅変調信号による速度指令を生成することにより、速度の指示を入力する構成については、商用電源に係る安全基準を満足することなく、より基準の緩やかな安全基準を満足するだけで構成することができ、これにより従来に比して一段と構成を簡略化することができる。またマイクロコンピュータによりパルス幅が変化する速度指令を生成することにより、種々の特性により速度指令を生成することができる。

またこのとき、速度指令電圧の増大及び減少に対して、階段状にパルス幅が変化するように速度指令を生成することにより、段階的に回転速度が変化する特性によりモータの回転速度を制御することができる。

また速度指令電圧の増大及び減少に対して、ヒステリシス特性により速度指令のパルス幅を変化させることにより、速度指令電圧の微小増減に対して、回転速度の過度な変化を防止して安定にモータを駆動することができる。

またさらに異なる減衰率により減衰された速度指令電圧を複数系統により入力して処理することにより、速度指令電圧の低い側では、一段と高い分解能によりアナログディジタル変換処理した系統により速度指令を生成することができ、また充分に大きなダイナミックレンジを確保することができ、モータの駆動を一段と精度良く実行することができる。

以上、本発明の実施に好適な具体的な構成を詳述したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施形態の構成を種々に変更することができる。

すなわち上述の実施形態では、フォトカップラにより信号絶縁部を構成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば絶縁トランス等により信号絶縁部を構成するようにしてもよい。

また上述の実施形態では、異なる減衰率により減衰された前記速度指令電圧を２系統により入力して処理する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、必要に応じて３系統以上により入力して処理するようにしても良く、実用上十分な特性を確保できる場合には、１系統により入力して処理するようにしてもよい。

また上述の実施形態では、パルス幅変調信号により速度指令を伝達する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば周波数変調信号等により速度指令を伝達する場合等、種々の信号により速度指令を伝達する場合に広く適用することができる。

また上述の実施形態では、３相のブラシレスモータによるファンモータを駆動する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、各種のモータを駆動する場合に広く適用することができる。

１、２１ モータ駆動装置
２ ファンモータ
３ 電源回路
６、２３ 入力装置
８、３５ コントローラ
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ ホール素子
１１ ドライバ
１２ パワーモジュール
２２ 信号絶縁部
３１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２、３３、３６ 分圧回路

Claims (4)

1. モータの回転速度を可変するモータ駆動装置において、
   電源電圧に基づいて生成された基準電圧と、前記モータの回転速度を電圧値により指示する速度指令電圧と、を入力し、前記基準電圧を分圧して生成された複数の比例電圧と、前記速度指令電圧と、を比較することによってアナログディジタル変換を行うアナログディジタル変換回路と、
   前記アナログディジタル変換回路の出力信号に基づいて、前記速度指令電圧に応じてパルス幅が変化する速度指令を生成するマイクロコンピュータと、
   入出力間を絶縁して、入出力間で前記速度指令を伝達する信号絶縁部と、
   前記信号絶縁部から出力される前記速度指令により駆動信号を生成して前記モータの回転速度を可変する駆動回路とを備え、
   前記アナログディジタル変換回路は、異なる減衰率により減衰された前記速度指令電圧を複数系統により出力し、
   前記マイクロコンピュータは、前記速度指令電圧に応じて前記複数系統の１つを選択して前記速度指令を生成する、モータ駆動装置。
2. 前記マイクロコンピュータは、
   前記速度指令電圧の増大及び減少に対して、階段状にパルス幅が変化するように前記速度指令を生成する請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記マイクロコンピュータは、
   前記速度指令電圧の増大及び減少に対して、ヒステリシス特性により前記速度指令のパルス幅を変化させる請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記マイクロコンピュータは、
   前記速度指令電圧の変化に対して、パルス幅を徐々に変化させて前記速度指令を生成する
   請求項１、請求項２、請求項３の何れかに記載のモータ駆動装置。

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