以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ制御装置、モータ及び送風装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下の説明では、物理的な接続と電気的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置50を含むシステム構成図である。図1に示すように、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置50は、制御回路2と、アクチュエータ駆動回路10とを有する。制御回路2及びアクチュエータ駆動回路10には、交流電源1からの交流電圧が印加される。交流電源1の一例は、商用電源である。アクチュエータ駆動回路10には、アクチュエータの一例であるモータ20が接続されている。モータ20は、直流モータである。アクチュエータ制御装置50は、アクチュエータの一例であるモータ20の駆動を制御する。
制御回路2は、電源回路3と、制御素子5と、フォトカプラ30とを有する。フォトカプラ30は、光半導体素子の一例である。フォトカプラ30は、発光素子30aと、受光素子30bとを有する。発光素子30aの一端であるアノードは制御素子5に接続され、発光素子30aの他端であるカソードはグラウンドに接続される。受光素子30bの一端であるコレクタは交流電源1の一端に接続され、受光素子30bの他端であるエミッタは後述する運転モード指令生成部31に接続される。
電源回路3は、制御素子5の駆動に用いる第1電源電圧V1を生成する回路である。第1電源電圧V1は、交流電源1から印加される交流電圧を用いて生成される。
電源回路3は、制御素子5に対して第1電源電圧V1を印加するための電源出力端4を備える。制御素子5は、フォトカプラ30における発光素子30aの導通を制御する素子である。制御素子5は、電源接続用端子8に接続される。電源接続用端子8には、電源回路3によって生成された第1電源電圧V1が生じている。
アクチュエータ駆動回路10は、電源回路11と、アクチュエータ駆動部14と、運転モード指令生成部31とを有する。電源回路11は、モータ駆動用の第2電源電圧V2と、アクチュエータ駆動部14の駆動に用いる第3電源電圧V3とを生成する回路である。第2電源電圧V2及び第3電源電圧V3は、交流電源1から印加される交流電圧を用いて生成される。
電源回路11は、モータ20に対して第2電源電圧V2を印加するための電源出力端12と、アクチュエータ駆動回路10に対して第3電源電圧V3を印加するための電源出力端13と、グラウンド端子22とを備える。アクチュエータ駆動部14は、電源接続用端子24と、グラウンド端子26とに接続される。電源接続用端子24には、電源回路11によって生成された第3電源電圧V3が生じている。すなわち、アクチュエータ駆動部14には、第3電源電圧V3が印加される。
運転モード指令生成部31は、整流ダイオード31aと、分圧抵抗31b,31cとを有する。整流ダイオード31aと、分圧抵抗31bと、分圧抵抗31cとは互いに直列に接続され、整流ダイオード31a、分圧抵抗31b及び分圧抵抗31cの直列回路は、更にフォトカプラ30の受光素子30bと直列に接続される。
フォトカプラ30は、制御素子5から出力される第1制御信号S1によって動作する。第1制御信号S1は、モータ20の運転動作を切り替えるための切替信号である。制御素子5から第1制御信号S1が出力されると、フォトカプラ30における発光素子30aのオン及びオフが制御される。発光素子30aがオンすると、受光素子30bが導通する。受光素子30bが導通すると、運転モード指令生成部31に電流が流れる。このとき、分圧抵抗31bと分圧抵抗31cとの接続点であるB点には、分圧抵抗31cの両端に発生した分圧電圧によって電圧が現れる。この分圧電圧は、受光素子30bに印加される交流電圧によって与えられる。
一方、発光素子30aがオフすると受光素子30bは非導通となり、運転モード指令生成部31の直列回路には電流が流れない。このため、分圧抵抗31cの両端には分圧電圧が発生しない。従って、B点はグラウンド電位と同電位であり、B点には電圧が現れない。
アクチュエータ駆動部14には、電源回路11によって生成された第3電源電圧V3が印加される。第3電源電圧V3によって、アクチュエータ駆動部14は動作する。
アクチュエータ駆動部14と運転モード指令生成部31のB点とは接続線32で接続されている。分圧抵抗31b,31cによって得られる分圧電圧は、接続線32を通じて、アクチュエータ駆動部14に印加される。アクチュエータ駆動部14は、B点の電圧、及び電圧の時間的変化を読み取ることで、運転モードを認識することができる。B点の電圧は、第2制御信号S2としてアクチュエータ駆動部14に出力される。第2制御信号S2は、モータ20の運転モードを切り替えるための制御信号である。第2制御信号S2の詳細については、後述する。アクチュエータ駆動部14は、第2制御信号S2に基づいて、運転モードを切り替えてモータ20を駆動する。
モータ20には、電源回路11によって生成された第2電源電圧V2が印加される。また、モータ20には、アクチュエータ駆動部14によって生成された第3制御信号S3が入力される。モータ20は、第2電源電圧V2の印加によって駆動力が与えられ、第3制御信号S3によって回転動作が制御される。
上記のように構成されたアクチュエータ制御装置50において、制御回路2のフォトカプラ30と、アクチュエータ駆動回路10の運転モード指令生成部31とによって、実施の形態1における信号生成回路が構成される。
次に、実施の形態1におけるアクチュエータ駆動部14の機能を実現するためのハードウェア構成について、図2及び図3の図面を参照して説明する。図2は、実施の形態1におけるアクチュエータ駆動部14を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図3は、実施の形態1におけるアクチュエータ駆動部14を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
実施の形態1におけるアクチュエータ駆動部14の機能を実現する場合には、図2に示すように、演算を行うプロセッサ200、プロセッサ200によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ202、及び信号の入出力を行うインタフェース204を含む構成とすることができる。
プロセッサ200は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段であってもよい。また、メモリ202には、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)(登録商標)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)、BD(Blu−ray(登録商標) Disk)を例示することができる。
メモリ202には、アクチュエータ駆動部14の機能を実行するプログラムが格納されている。メモリ202には、プロセッサ200によって参照されるテーブルが格納されていてもよい。プロセッサ200は、インタフェース204を介して必要な情報を授受し、メモリ202に格納されたプログラムをプロセッサ200が実行することにより、下述する各種の処理を行うことができる。プロセッサ200による処理結果は、メモリ202に記憶することができる。
また、図2に示すプロセッサ200及びメモリ202は、図3のように処理回路203に置き換えてもよい。処理回路203は、単一回路、複合回路、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
次に、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置50の要部の動作について、図1及び図4を参照して説明する。図4は、実施の形態1の信号生成回路における各部の動作波形を示す図である。
図4には、上段側から順に、フォトカプラ30の動作状態、A点電圧及びB点電圧に関する各々の動作波形が示されている。図4の横軸は時間である。A点は、図1に示すように、フォトカプラ30における受光素子30bのエミッタ端である。A点電圧は、グラウンド電位を基準とするA点の電圧である。B点電圧は、前述の通り、グラウンド電位を基準とするB点の電圧である。なお、図4の動作波形では、交流電源1の電圧は100[V]とし、グラウンド電位は0[V]とする。
フォトカプラ30がオンすると、整流ダイオード31aにより、A点電圧は0[V]を基準にピーク値が約140[V]の半波の電圧波形となる。このとき、B点電圧は、分圧抵抗31b,31cによって、ピーク値が5[V]の半波の電圧波形となる。アクチュエータ駆動部14は、この電圧波形を第2制御信号S2として認識する。なお、5[V]は一例であり、アクチュエータ駆動部14に入力可能な大きさであれば、どのような電圧値でもよい。フォトカプラ30がオフすると、運転モード指令生成部31には電流が流れない。このため、アクチュエータ駆動部14には、0[V]が入力される。
このように、アクチュエータ駆動部14に第2制御信号S2が入力されるか否かで、運転モードが切り替えられる。つまり、フォトカプラ30がオフ時には、アクチュエータ駆動部14に第2制御信号S2が入力されないため、モータ20は、第1運転モードで運転される。第1運転モードの一例は、モータ20の回転速度を速めた強運転である。また、フォトカプラ30がオン時には、アクチュエータ駆動部14に第2制御信号S2が入力されるため、モータ20は、第2運転モードで運転される。第2運転モードの一例は、モータ20の回転速度を遅くした弱運転である。
また、運転モードが複数必要な場合には、フォトカプラ30をパルス制御すればよい。以下、停止を除いた運転モードが第1運転モード、第2運転モード及び第3運転モードからなる3パターンの場合を一例として、以下に説明する。
運転モードの切替には、フォトカプラ30をオンするときのデューティを変更する。デューティは、フォトカプラ30をオン及びオフする時間全体に対するオン時間の比率である。以下、第1運転モードをデューティ=100%、第2運転モードをデューティ=50%、第3運転モードをデューティ=20%と設定した場合の例で説明する。なお、停止の場合は、デューティ=0%である。
モータ20を第1運転モードで運転させる場合、制御素子5は、デューティ=100%のオン信号すなわち常時オン信号をフォトカプラ30に出力する。このとき、フォトカプラ30は常時オン状態となり、アクチュエータ駆動部14には、交流電圧の半周期の期間においてオンとなるパルス信号が常時入力される。
モータ20を第2運転モードで運転させる場合、制御素子5は、デューティ=50%のオン信号をフォトカプラ30に出力する。このとき、フォトカプラ30は、デューティ=50%でオン及びオフする。ここで、フォトカプラ30に対する制御周期が400msであるとする。フォトカプラ30は、400msのうちで、200msの間オン、200msの間オフとなり、アクチュエータ駆動部14には、200msの間オンするパルス信号が入力される。
モータ20を第3運転モードで運転させる場合、制御素子5は、デューティ=20%のオン信号をフォトカプラ30に出力する。このとき、フォトカプラ30は、デューティ=20%でオン及びオフする。第2運転モードのときと同じで制御周期が400msとすると、フォトカプラ30は、400msのうちで、80msの間オン、320msの間オフとなる。従って、アクチュエータ駆動部14には、80msの間オンするパルス信号が入力される。
上記では、フォトカプラ30をオン又はオフする信号のデューティの差異で運転モードを変更する例について説明したが、フォトカプラ30をオン又はオフする信号のパルス数で運転モード変更してもよい。以下、この例について説明する。
図4でも示しているように、アクチュエータ駆動部14に入力される第2制御信号S2の半分は0[V]である。これは、第2制御信号S2が0[V]基準のパルス信号であるからである。このため、第2制御信号S2は、信号パルスが出力された後、一旦は必ず0[V]に戻る。従って、第2制御信号S2のパルス数をカウントすることで運転モードを変更することが可能となる。パルス数のカウントは、パルス信号における山の数をカウントすればよい。以下、この手法について説明する。なお、交流電源1が出力する交流電圧の周波数を50Hzとし、フォトカプラ30に対する制御周期を400msとする。
交流電圧の周波数が50Hzのとき、交流電圧の周期は20msである。デューティ=100%である第1運転モードでは、アクチュエータ駆動部14に入力される第2制御信号S2のパルス数は、400÷20×1.0=20である。デューティ=50%である第2運転モードでは、第2制御信号S2のパルス数は、400÷20×0.5=10である。デューティ=20%である第3運転モードでは、第2制御信号S2のパルス数は、400÷20×0.2=4である。
なお、上述したパルス数は、フォトカプラ30が、ゼロクロスで確実にオン又はオフすることが前提である。一方、ゼロクロスの検知回路が搭載されていない場合、オン又はオフするタイミングによっては、カウントされるパルス数が計算通りにはならず、誤差を持ってカウントされることが想定される。そこで、例えば、400ms間に15個以上のパルス信号がカウントされた場合は第1運転モードと判断する。以下同様に、8個〜14個のパルス信号がカウントされた場合には第2運転モードと判断する。3個〜7個のパルス信号がカウントされた場合には、第3運転モードと判断する。そして、パルス信号のカウント数が2個以下の場合は、停止と判断する。
なお、パルスの数のカウントには、上述したプロセッサ200の外部割込み機能を使うことが可能である。また、数ms毎に入力信号を確認し、ローからハイに変化した回数をプロセッサ200が検知する処理でもよい。
以上説明したように、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置50によれば、分圧抵抗31b,31cによって得られる交流電圧の分圧電圧が第2制御信号S2としてアクチュエータ駆動部14に出力される。これにより、リレーを用いることなく信号生成回路を構成することができる。リレーを用いずに信号生成回路を構成できるので、リレーを用いることによる問題点が無くなり、信号生成回路の寿命を長くすることが可能となる。
また、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置50によれば、第1制御信号S1のデューティ、又は信号生成回路によって生成された第2制御信号S2に含まれる信号パルスの数に基づいて運転モードが切り替えられる。これにより、運転モード数が増加しても回路規模の増大を抑制できる。また、部品数を削減できるので、製品コストの低減が可能となる。
なお、実施の形態1では、アクチュエータが直流モータである場合を例示したが、これに限定されない。制御信号で駆動されるアクチュエータであればどのようなものでもよい。
また、実施の形態1では、光半導体素子がフォトカプラである場合を例示したが、これに限定されない。光半導体素子は、フォトトライアックカプラ、又はフォトリレーでもよい。
また、実施の形態1では、モータ20の外部にアクチュエータ駆動回路10を設ける構成について説明したが、この構成に限定されない。アクチュエータ駆動回路10は、モータ20に内蔵されていてもよい。
また、実施の形態1の運転モード指令生成部31では、2つの分圧抵抗31b,31cを設ける構成について説明したが、この例に限定されない。すなわち、分圧抵抗の数は2つに限定されず、3つ以上の分圧抵抗を備えていてもよい。
実施の形態2.
図5は、実施の形態2に係るアクチュエータ制御装置50Aを含むシステム構成図である。図5に示すアクチュエータ制御装置50Aでは、図1に示す実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置50において、制御回路2が制御回路2Aに変更されている。また、制御回路2Aでは、図1に示す実施の形態1における制御回路2の構成において、オフセット回路40が追加されている。その他の構成については、実施の形態1の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は割愛する。
オフセット回路40は、整流ダイオード41と、平滑用コンデンサ42と、保護ダイオード43とを有する。整流ダイオード41のアノードは交流電源1の一端に接続され、整流ダイオード41のカソードは受光素子30bのコレクタに接続されている。整流ダイオード41のカソードには、平滑用コンデンサ42の一端と、保護ダイオード43のカソードとが接続されている。平滑用コンデンサ42の他端は、保護ダイオード43のアノードと接続され、その接続点は交流電源1の他端に接続されている。
オフセット回路40は、フォトカプラ30のオン時にA点電圧をプラス側すなわち高圧側にオフセットする機能を有する。実施の形態2で言うオフセットとは、A点電圧を高圧側に持ち上げること、別言すればA点電圧をプラス側に嵩上げすることを意味している。
整流ダイオード41は、交流電源1から印加される交流電圧を整流する素子である。平滑用コンデンサ42は、オフセット電圧を保持する素子である。保護ダイオード43は、整流ダイオード41が短絡故障した場合に、平滑用コンデンサ42に逆バイアスが印加されることを防止するための保護素子である。
整流ダイオード41及び平滑用コンデンサ42は、交流電源1に対して閉回路を構成する。閉回路に流れる電流によって、平滑用コンデンサ42は充電される。平滑用コンデンサ42の充電電圧は、アクチュエータ駆動回路10のグラウンドに対して、A点電圧をプラス側にオフセットさせるオフセット電圧となる。従って、実施の形態2の構成の場合、フォトカプラ30がオンすると、A点にはオフセット電圧が現れる。そして、交流電圧の半周期では、整流ダイオード41によって整流された半波の電圧がオフセット電圧に重畳された電圧となる。このときの電圧変化は、B点にも現れる。これにより、アクチュエータ駆動部14に入力される第2制御信号S2もオフセット成分を持った信号となる。
次に、実施の形態2に係るアクチュエータ制御装置50Aの要部の動作について、図5及び図6を参照して説明する。図6は、実施の形態2の信号生成回路における各部の動作波形を示す図である。
図6には、上段側から順に、フォトカプラ30の動作状態、A点電圧及びB点電圧に関する各々の動作波形が示されている。回路上の観測位置、電圧条件等については図4の場合と同様であり、ここでの説明は割愛する。
上述したように、フォトカプラ30がオンすると、A点電圧は、平滑用コンデンサ42によって平滑された約140[V]の電圧がオフセット電圧として現れる。更に、交流電圧の半周期では、整流ダイオード31a,41によって整流された約140[V]のピーク値を持つ半波の電圧が重畳されて現れる。その結果、A点電圧は、図6に示されるように、プラス側にオフセットされた約140[V]のオフセット成分を有し、グラウンドに対して約280[V]のピーク値を有する電圧波形となる。また、B点電圧も、図6に示されるように、プラス側にオフセットされたオフセット成分を有し、グラウンドに対して5[V]のピーク値を有する電圧波形となる。
実施の形態1では、フォトカプラ30がオンしたときにアクチュエータ駆動部14に入力される第2制御信号S2の半分は0[V]であった。これに対し、実施の形態2では、プラス側にオフセット成分を有する電圧波形の信号がアクチュエータ駆動部14に入力される。これにより、フォトカプラ30を制御する信号のデューティ幅と同じデューティ幅のパルス信号を第2制御信号S2として、アクチュエータ駆動部14に入力させることができる。
実施の形態1でも説明したように、図3に示す第2制御信号S2の波形では、オン又はオフするタイミングによって、カウントされるパルス数に誤差が生じる。このため、フォトカプラ30を制御する信号のデューティを小さくした場合には、パルス数の計数誤差によって、運転モードの判定を誤るおそれがある。このため、フォトカプラ30を制御する信号のデューティは、あまり小さくできない。
これに対し、図6に示す実施の形態2における第2制御信号S2の波形では、0[V]のときは停止と判定でき、約140[V]のオフセット電圧が生じているときは、停止以外の運転モードが指示されていると即時に判定できる。従って、アクチュエータ駆動部14において、パルス数をカウントする準備が整っているので、パルス数の計数誤差を小さくすることができる。これにより、フォトカプラ30を制御する信号のデューティを、実施の形態1よりも小さくできるので、実施の形態1より多くの第1制御信号S1を用いてフォトカプラ30を制御することが可能となる。
最後に、実施の形態1及び実施の形態2に係るアクチュエータ制御装置の応用例について説明する。図7は、図1及び図5に示すアクチュエータ駆動回路10及びモータ20を用いて構成した送風装置400の一例を示す図である。送風装置400としては、換気装置、送風機、空調装置が例示される。
図7において、送風装置400は、図1を参照して説明したモータ20を有する。モータ20には、図1及び図5を参照して説明したアクチュエータ駆動回路10が内蔵されるか、もしくはアクチュエータ駆動回路10のアクチュエータ駆動部14に接続される。
送風装置400は、パネル401と、パネル401内に設けられてモータ20によって駆動される回転羽根402とを有する。モータ20には、図1及び図5を参照して説明したアクチュエータ駆動回路10が搭載されるか、もしくは接続される。このため、リレーを用いずに構成した信号生成回路を用いることができ、寿命の長い製品を実現できる。また、部品定数を削減できるので、製品コストを低減した送風装置を実現できる。
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。