JP7257186B2 - モータ駆動制御装置、ファン、およびモータ駆動制御方法 - Google Patents

モータ駆動制御装置、ファン、およびモータ駆動制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、モータ駆動制御装置、ファン、およびモータ駆動制御方法に関し、例えば、モータによって回転するファンの風量を制御するモータ駆動制御装置に関する。
従来、家電機器やOA機器等において、その内部に設けられた部品等を冷却するための装置として、ファン(ファンモータ)が広く知られている。
一般に、ファンの性能は、風量-静圧特性(以下、「P-Qカーブ」とも称する。)によって表される。P-Qカーブは、ファンの吸込口と吐出口との間の圧力による損失(静圧)と風量との関係を表したものである。P-Qカーブにおいて、静圧が最大(通風抵抗が最大)の場合にファンの風量がゼロになり、静圧がゼロ(通風抵抗がゼロ)の場合にファンの風量は最大となる(例えば、特許文献1参照)。
なお、静圧がゼロ、すなわちファンの風量が最大の状態を、「フリーエア状態」とも称する。
特開2009-174414号公報
一般に、ファンは、所定の動作範囲(例えば、静圧が中域の領域)において、要求される風量が得られるように設計される。すなわち、ファンは、要求された動作範囲において所定の風量が得られるP-Qカーブを実現するように設計されている。その一方で、ファンは、要求された動作範囲以外の領域、例えば静圧が所定値以下の領域では、風量よりも静音性が重要視される。
従来のファンは、上位装置から指示された回転速度になるようにモータの回転数を制御しており、圧力損失(静圧)によって風量は変化する。そのため、従来のファンでは、フリーエア状態のように静圧が低い領域において、要求された動作範囲における風量以上の風量が発生し、騒音が大きくなるという課題がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、ファンにおいて、必要な風量を確保しつつ、静音性を高めることを目的とする。
本発明の代表的な実施の形態に係るモータ駆動制御装置は、モータの目標回転速度を指示する速度指令信号に基づいて、前記モータの回転速度を制御するための駆動制御信号を生成する制御回路部と、前記駆動制御信号に基づいて、前記モータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記制御回路部は、前記目標回転速度が回転速度閾値より低い場合に、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に一致するように前記駆動制御信号を生成する速度フィードバック制御を行い、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように前記駆動制御信号を生成する最大風量制御と前記速度フィードバック制御とを、前記モータに流れる電流の実電流値と電流閾値との比較結果に基づいて切り替えることを特徴とする。
本発明に係るモータ駆動制御装置によれば、必要な風量を確保しつつ、静音性を高めたファンを実現することができる。
本発明の実施の形態に係るファンの構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係るモータ駆動制御装置によるファンの風量制御を説明するための図である。 本実施の形態に係るモータ駆動制御装置による風量制御方法の概要を示す図である。 本実施の形態に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 電流閾値の決定方法を説明するための図である。 本実施の形態に係るモータ駆動制御装置による風量制御に係る処理の流れを示すフロー図である。 本実施の形態に係るファンにおけるモータの目標回転速度と実回転速度との関係を示す図である。 本実施の形態に係るファンにおけるモータのモータ電流と回転速度との関係を示す図である。
1.実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。なお、以下の説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を、括弧を付して記載している。
〔1〕本発明の代表的な実施の形態に係るモータ駆動制御装置(1)は、モータ(20)の目標回転速度(Rtg)を指示する速度指令信号(Sc)に基づいて、前記モータの回転速度を制御するための駆動制御信号(Sd)を生成する制御回路部(4)と、前記駆動制御信号に基づいて、前記モータを駆動するモータ駆動部(2)とを備え、前記制御回路部は、前記目標回転速度が回転速度閾値(Rth)より低い場合に、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に一致するように前記駆動制御信号を生成する速度フィードバック制御を行い、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように前記駆動制御信号を生成する最大風量制御と前記速度フィードバック制御とを、前記モータに流れる電流の実電流値と電流閾値(Ith)との比較結果に基づいて切り替えることを特徴とする。
〔2〕上記モータ駆動制御装置において、前記制御回路部は、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い状態において、前記実電流値が前記電流閾値より大きい場合には、前記速度フィードバック制御を行い、前記実電流値が前記電流閾値より小さい場合には、前記最大風量制御を行ってもよい。
〔3〕上記モータ駆動制御装置において、前記制御回路部は、前記最大風量制御において、前記モータが前記回転速度閾値に対応する一定の回転速度で回転するように前記駆動制御信号を生成してもよい。
〔4〕上記モータ駆動制御装置において、前記制御回路部は、前記モータの回転位置を示す位置検出信号に基づいて前記モータの実回転速度を算出する回転速度算出部(42)と、前記回転速度算出部によって算出された前記実回転速度が前記速度指令信号で指示された前記目標回転速度に一致するように第1制御信号(Sp1)を生成する速度制御部(43)と、前記実電流値(Ir)を取得する電流値取得部(46)と、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より大きく、且つ前記電流値取得部によって取得された前記実電流値が前記電流閾値より大きい場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように第2制御信号(Sp2)を生成する最大風量制御部(44)と、前記第1制御信号または前記第2制御信号に基づいて前記駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部(45)と、を有していてもよい。
〔5〕本発明の代表的な実施の形態に係るファン(100)は、モータ(20)と、前記モータの回転力によって回転可能に構成されたインペラ(21)と、前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御装置(1)と、を備え、前記モータ駆動制御装置は、モータ(20)の目標回転速度(Rtg)を指示する速度指令信号(Sc)に基づいて、前記モータの回転速度を制御するための駆動制御信号(Sd)を生成する制御回路部(4)と、前記駆動制御信号に基づいて、前記モータを駆動するモータ駆動部(2)とを有し、前記制御回路部は、前記目標回転速度が回転速度閾値(Rth)より低い場合に、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に一致するように前記駆動制御信号を生成する速度フィードバック制御を行い、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように前記駆動制御信号を生成する最大風量制御と前記速度フィードバック制御とを、前記モータに流れる電流の実電流値と電流閾値(Ith)との比較結果に基づいて切り替えることを特徴とする。
〔6〕本発明の代表的な実施の形態に係るモータ駆動制御方法は、モータ(20)の目標回転速度(Rtg)を指示する速度指令信号(Sc)に基づいて、前記モータの駆動を制御するための駆動制御信号(Sd)を生成し、前記駆動制御信号に基づいて前記モータを駆動するモータ駆動制御方法であって、前記目標回転速度が回転速度閾値より低い場合に、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に一致するように前記駆動制御信号を生成する速度フィードバック制御を行う第1ステップ(S3)と、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い場合に、電流閾値(Ith)と前記モータに流れる電流の実電流値との比較結果に基づいて、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように前記駆動制御信号を生成する最大風量制御と、前記速度フィードバック制御とを切り替える第2ステップ(S3,S5~S9)と、を含むことを特徴とする。
2.実施の形態の具体例
以下、本発明の実施の形態の具体例について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
図1は、本発明の実施の形態に係るファンの構成を示すブロック図である。
本実施の形態に係るファン100は、インペラ(羽根車)を回転させることによって風を発生させる装置である。ファン100は、機器の内部で発生する熱を外部へ排出し、その機器の内部を冷却する冷却装置の一つとして利用可能である。ファン100は、例えば、軸流ファンである。
図1に示すように、ファン100は、モータ20と、モータ20の駆動を制御するモータ駆動制御装置1と、モータ20の回転力によって回転可能に構成されたインペラ21とを備えている。
本実施の形態において、モータ20は、例えば、コイルLu,Lv,Lwを有する3相のブラシレスモータである。モータ駆動制御装置1は、モータ20の回転を制御するための装置である。モータ駆動制御装置1は、モータ20を構成する3相のコイルLu,Lv,Lwに周期的に駆動電流を流すことで、モータ20を回転させる。
具体的に、モータ駆動制御装置1は、モータ駆動部2と、制御回路部4と、電流検出部6とを有している。なお、図1に示されているモータ駆動制御装置1の構成要素は、全体の一部であり、モータ駆動制御装置1は、図1に示されたものに加えて、他の構成要素を有していてもよい。
本実施の形態において、モータ駆動制御装置1の少なくとも一部が、一つの半導体装置(IC:Integrated Circuit)としてパッケージ化されている。例えば、制御回路部4やモータ駆動部2等の回路が、それぞれ別個の半導体装置として実現されている。
なお、モータ駆動制御装置1は、その全部がパッケージ化された半導体装置であってもよいし、モータ駆動制御装置1の全部又は一部と他の装置とが一緒にパッケージ化されて、1つの半導体装置を構成していてもよい。
モータ駆動部2は、制御回路部4から出力された駆動制御信号Sdに基づいて、モータ20に駆動信号を出力し、モータ20を駆動させる。モータ駆動部2は、モータ20の複数相のコイルLu,Lv,Lwを選択的に通電する。
具体的には、モータ駆動部2は、インバータ回路2a及びプリドライブ回路2bを有する。プリドライブ回路2bは、制御回路部4から出力された駆動制御信号Sdに基づいて、インバータ回路2aを駆動するための出力信号を生成し、インバータ回路2aに出力する。インバータ回路2aは、プリドライブ回路2bから出力された信号に基づいて、モータ20が備えるコイルLu,Lv,Lwを通電させる。
具体的には、インバータ回路2aは、例えば、電源電圧(直流電源)Vccの両端に設けられた2つのスイッチング素子の直列回路の対が、コイルLu,Lv,Lwの各相(U相、V相、W相)に対してそれぞれ配置されて構成されている。2つのスイッチング素子の各対において、スイッチング素子同士の接続点に、モータ20の各相の端子が接続されている(不図示)。プリドライブ回路2bは、出力信号として、例えば、インバータ回路2aの各スイッチング素子に対応する6種類の信号Vuu,Vul,Vvu,Vvl,Vwu,Vwlを出力する。これらの信号Vuu,Vul,Vvu,Vvl,Vwu,Vwlが出力されることで、それぞれの信号Vuu,Vul,Vvu,Vvl,Vwu,Vwlに対応するスイッチング素子がオン、オフ動作を行う。これにより、モータ20に駆動信号が出力されて、モータ20の各相のコイルLu,Lv,Lwに電流が流れる(不図示)。
電流検出部6は、モータ20に流れる電流、すなわちモータ20のコイルLu,Lv,Lwに流れる電流(以下、「モータ電流」とも称する。)を検出するための機能部である。電流検出部6は、モータ20のモータ電流に応じた電圧Vsを出力する。なお、電流検出部6の構成については後述する。
制御回路部4は、例えば、マイクロコンピュータ、デジタル回路、およびアナログ回路等によって構成されている。制御回路部4には、モータ20の駆動を指示する各種の信号が入力される。制御回路部4は、これらの信号に基づいてモータ20の駆動制御を行う。例えば、モータ20の駆動を指示する信号として、速度指令信号Scが上位装置等の制御回路部4の外部に設けられた装置から制御回路部4に入力される。
速度指令信号Scは、モータ20の回転速度に関する信号である。例えば、速度指令信号Scは、モータ20の目標回転速度Rtgに対応するデューティ比のPWM(パルス幅変調)信号である。なお、速度指令信号Scとして、クロック信号が入力されてもよい。
また、制御回路部4には、位置検出素子5から位置検出信号Shが入力される。位置検出素子5は、例えば、モータ20に配置されたホール素子であり、位置検出信号Shはホール素子5から出力されるホール信号である。位置検出信号Shは、モータ20の回転位置を示す信号、すなわち、モータ20のロータ(不図示)の回転に対応する信号である。以下、位置検出素子5を「ホール素子5」とも称する。
制御回路部4は、位置検出信号Shからモータ20のロータの実回転速度に関する情報を得て、モータ20の駆動を制御する。
なお、図1では、ファン100に一つのホール素子5が配置される場合を例示しているが、ファン100に配置されるホール素子5の個数は特に制限されない。例えば、三つのホール素子5が互いに略等間隔で、モータ20の回転子の周囲に配置されていてもよい。
また、制御回路部4には、このような位置検出信号Shに加えて、又は位置検出信号Shに代えて、モータ20の回転状態に関する他の情報が入力されるように構成されていてもよい。例えば、モータ20の回転子の回転に対応するFG信号として、回転子の側にある基板に設けたコイルパターンを用いて生成される信号(パターンFG)が入力されるようにしてもよい。また、モータ20の各相(U、V、W相)に誘起する逆起電圧を検出する回転位置検出回路の検出結果に基づいてモータ20の回転状態が検知されるように構成されていてもよい。エンコーダやレゾルバなどを設け、それによりモータ20の回転速度等の情報が検出されるようにしてもよい。
制御回路部4は、上述した速度指令信号Sc、位置検出信号Shおよび電圧Vs等に基づいて、モータ20の回転速度を制御するための駆動制御信号Sdを生成する。
駆動制御信号Sdは、例えば、PWM(パルス幅変調)信号である。制御回路部4は、モータ駆動部2にPWM(パルス幅変調)信号である駆動制御信号Sdを供給することにより、モータ駆動部2により通電される複数相のコイルLu,Lv,Lwの通電相を所定の順序で切り替えながら、モータ20の回転速度を調整してファン100の風量を制御する。
本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1は、ファン100の静圧が所定値以下の領域において、ファン100の風量が制限されるように、モータ20の回転速度を制御する。
図2は、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1によるファン100の風量制御を説明するための図である。
図2において、横軸は風量Qを表し、縦軸は静圧Pを表している。図2には、速度指令信号Scによって指示される目標回転速度Rtgを変化させたときの、ファンの目標回転速度Rtg毎のP-Qカーブがそれぞれ示されている。
図2において、参照符号201_minは、目標回転速度Rtgを最小値Rminに設定したときのファンのP-Qカーブを表し、参照符号201_maxは、目標回転速度Rtgを最大値Rmaxに設定したときのファンのP-Qカーブを表し、参照符号201_xは、目標回転速度Rtgを最大値Rmaxと最小値Rminとの間の値Rxに設定したときのP-Qカーブを表している。
上述したように、ファンは、要求される動作範囲において所望の風量が得られるように設計される。例えば、図2において、ファンに対して要求される動作範囲が参照符号200で示される範囲であったとする。この場合、図2に示すP-Qカーブを有するファンは、要求された動作範囲200が目標回転速度Rtgを最大値Rmaxに設定したときのP-Qカーブ201_maxより下の領域(静圧が低い領域)に存在しているので、要求された仕様を満足していると言える。
一方で、上述したように、ファンは、要求された動作範囲以外の領域、すなわち静圧が所定値以下の領域では、風量よりも静音性が重要視される。例えば、図2において、静圧がPb以下の領域では、風量よりも静音性が重要となる。
しかしながら、従来のファンは、速度指令信号Scで指示された目標回転速度になるようにモータの回転数を制御しており、圧力損失(静圧)によって風量は変化する。そのため、フリーエア状態のような静圧が低い領域においても必要以上に風量が大きくなり、騒音が大きくなる傾向がある。
例えば、図2に示すように、従来のファンがP-Qカーブ201_maxで動作するように設計されている場合を考える。この場合、従来のファンは、フリーエア状態において目標回転速度が“Rtg_max”に設定されたとき、動作範囲200で要求される風量qr1からqr2の範囲を大きく超える風量qmaxを発生させる。しかしながら、上述したように、動作範囲200以外の領域では、要求される風量qr1からqr2の範囲を大きく超える風量は不要である。
そこで、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1は、静圧が所定値より低い領域において、速度指令信号Scによって指示された目標回転速度Rtgに関わらずファン100の風量が制限されるように、モータ20の回転速度を制御する。
具体的には、図2に示すように、モータ駆動制御装置1は、静圧が所定値Pbより低い範囲では、モータ20の実回転速度Rrが回転速度閾値Rth(Rmin<Rth<Rmax)を超えないように制限する。例えば、回転速度閾値Rth=Rxとした場合、モータ駆動制御装置1は、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高く、且つ静圧が所定値Pbより低い範囲では、モータ20が一定の回転速度Rx(Rth)で回転するようにモータ20を制御する。これにより、ファン100は、P-Qカーブ201_maxではなく、P-Qカーブ201_thを描くように動作し、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高く、且つ静圧が所定値より低い領域では、速度指令信号Scによって指示された目標回転速度Rtgに関わらずファン100の風量が制限される。
図3は、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1による風量制御方法の概要を示す図である。
図3において、横軸はファンに加わる外部圧力(圧力抵抗,静圧)を表し、縦軸はモータ電流を表している。図3に示される特性(グラフ)300は、ファンの目標回転速度を所定値(例えば最大値Rmax)に設定したときの、モータ電流と外部圧力との関係を表している。
図3に示すように、ファンを一定の回転速度で回転させているときに、外部圧量が増加すると、モータ電流も増加する。すなわち、ファンにおいて、モータ電流と外部圧力とは略比例関係にある。したがって、モータ電流を監視することにより、ファンに加わっている外部圧力を推定することが可能となる。
そこで、本実施の形態に係るファン100は、外部圧力(静圧)が所定値より低い状況での風量を制限するために、予め、外部圧力が高い状態と低い状態とを判定するための基準値として電流閾値Ithを設定しておき、その電流閾値Ithとモータ20のモータ電流とを比較することにより、外部圧力が高い状態か否かを推定して、モータの制御方法を切り替える。
具体的には、図3に示すように、モータ駆動制御装置1は、速度指令信号Scによって指定された目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより低い場合に、モータ20の回転速度が目標回転速度Rtgに一致するように駆動制御信号Sdを生成する速度フィードバック制御を行い、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高い場合に、モータ20の回転速度が回転速度閾値Rthを超えないように駆動制御信号Sdを生成する最大風量制御と速度フィードバック制御とを、モータ電流の実電流値Irと電流閾値Ithとの比較結果に基づいて切り替える。
以下、ファン100の最大風量を制限するための機能を実現するためのモータ駆動制御装置1の構成について、詳細に説明する。
図4は、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1の構成を示すブロック図である。
図4には、モータ駆動制御装置1を構成する機能ブロックのうち、上述したファン100の最大風量を制限するための機能に関連する機能ブロックが図示されている。
モータ駆動制御装置1における制御回路部4は、速度指令信号Scによって指定されたモータ20の目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより低い場合(例えば、Rtg<Rthの場合)には、モータ20の回転速度(実回転速度Rr)が目標回転速度Rtgに一致するように駆動制御信号Sdを生成する速度フィードバック制御を行う。
一方、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高い場合(例えば、Rtg≧Rthの場合)には、制御回路部4は、モータ20の回転速度が回転速度閾値Rthを超えないように駆動制御信号Sdを生成する最大風量制御と速度フィードバック制御とを、モータ20のモータ電流(実電流値Ir)と電流閾値Ithの比較結果に基づいて切り替える。
具体的に、制御回路部4は、速度フィードバック制御および最大風量制御を実現するための機能ブロックとして、目標回転速度取得部41、回転速度算出部42、速度制御部43、最大風量制御部44、駆動制御信号生成部45、電流値取得部46、記憶部47、比較部(RCMP)48、比較部(ICMP)49を有している。
目標回転速度取得部41は、例えばモータ駆動制御装置1の外部に存在する上位装置から出力された速度指令信号Scからモータ20の目標回転速度Rtgの情報を取得し、速度制御部43および最大風量制御部44に与える。
例えば、速度指令信号Scが、デューティ比によって目標回転速度Rtgを表すPWM信号である場合、目標回転速度取得部41は、入力された速度指令信号ScとしてのPWM信号のデューティ比を解析し、そのデューティ比に対応する回転速度を算出して、目標回転速度Rtgとして出力する。例えば、目標回転速度取得部41は、PWM信号のデューティ比と目標回転速度との対応関係を表すテーブルを有している。目標回転速度取得部41は、入力された速度指令信号Scのデューティ比に対応する目標回転速度を上記テーブルから読み出すことにより、速度指令信号Scから目標回転速度Rtgの情報を取得する。
目標回転速度取得部41は、例えば、マイクロコントローラの外部インターフェース回路等とCPUのプログラム処理とによって実現されている。
回転速度算出部42は、位置検出素子5から出力された位置検出信号Shに基づいて、モータ20の回転速度(単位時間当たりの回転数)を算出する。回転速度算出部42は、位置検出信号Shを用いてモータ20のロータの実際の回転速度を算出し、実回転速度Rrとして速度制御部43に与える。
回転速度算出部42は、例えば、目標回転速度取得部41と同様に、マイクロコントローラの外部インターフェース回路等とCPUのプログラム処理とによって実現されている。
速度制御部43は、目標回転速度取得部41から出力された目標回転速度Rtgと、回転速度算出部42によって算出されたモータ20の実回転速度Rrとに基づいて、駆動制御信号SdとしてのPWM信号のデューティ比を指定するPWM指令信号(第1制御信号の一例)Sp1を生成する。
具体的に、速度制御部43は、実回転速度Rrが目標回転速度Rtgに一致するようにPWM指令信号Sp1を生成する。例えば、速度制御部43は、実回転速度Rrと目標回転速度Rtgとの差分を算出し、当該差分がゼロになるように駆動制御信号SdとしてのPWM信号のデューティ比を算出する。そして、速度制御部43は、算出したデューティ比の情報をPWM指令信号Sp1として出力する。
電流値取得部46は、モータ20に流れる電流の実電流値を算出する機能部である。電流値取得部46は、例えば、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路を含む。例えば、電流値取得部46は、ΔΣ変調型のアナログ/デジタル変換回路であって、専用ロジック回路によって構成されている。電流値取得部46は、電流検出部6から入力されたアナログ信号を、ΔΣ変調方式によりデジタル信号に変換する。
ここで、電流検出部6は、上述したように、制御対象としてのモータ20に流れる電流(モータ電流)に応じた電圧Vsを出力する回路である。例えば図3に示すように、電流検出部6は、モータ駆動部2を介してモータ20のコイルLu,Lv,Lwとグラウンド電位との間に直列に接続された抵抗Rsを含み、抵抗Rsの両端に発生した電圧Vsを、モータ20のモータ電流の検出値として出力する。
電流値取得部46は、電流検出部6から出力されたアナログ信号である電圧Vsをデジタル信号に変換し、モータ20のモータ電流の実電流値Irとして出力する。
比較部(RCMP)48は、目標回転速度Rtgと回転速度閾値Rthとを比較し、比較結果を出力する。
回転速度閾値Rthは、ファン100の制御モード(速度フィードバック制御と最大風量制御)の切り替えの基準となる、一つのパラメータである。換言すれば、回転速度閾値Rthは、ファン100の最大風量を規定する回転速度である。例えば、図2に示すP-Qカーブ201_thに沿ってファン100を制御したい場合、P-Qカーブ201_thにおいて最大風量が得られるA点でのモータ20の回転速度Rxを回転速度閾値Rth(<Rmax)として設定すればよい。回転速度閾値Rthの情報471は、記憶部47に記憶されている。
比較部48は、記憶部47から読み出した回転速度閾値Rthと、目標回転速度取得部41から出力された目標回転速度Rtgとを比較する。目標回転速度取得部41から出力された目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより大きい場合、比較部48は、例えばハイ(High)レベルの判定信号Scp1を出力する。一方、目標回転速度取得部41から出力された目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより小さい場合、比較部48は、例えばロー(Low)レベルの判定信号Scp1を出力する。
比較部(RCMP)48は、モータ電流の実電流値Irと電流閾値Ithとを比較し、比較結果を出力する。
電流閾値Ithは、ファン100の制御モード(速度フィードバック制御と最大風量制御)の切り替えの基準となる、もう一つのパラメータである。
図5は、電流閾値Ithの決定方法を説明するための図である。
図5において、横軸はファンのモータの回転速度を表し、縦軸はファンのモータ電流を表している。参照符号500は、ファン100のフリーエア状態で速度フィードバック制御を行ったときのモータの回転速度とモータ電流との関係を表す特性である。
電流閾値Ithは、ファンが所定の回転速度で回転しているときのモータ電流に基づいて決定される。例えば、図5に示すように、ファン100がフリーエア状態において回転速度閾値Rthに対応する回転速度で動作しているときのモータ電流の電流値Ith0にオフセット量Iofを加算した値を、電流閾値Ithとして設定すればよい。
ここで、オフセット量Iofは、ファン100のインペラ21の大きさ(重量および形状)やコイル(巻線)の巻数、コイル導線の径等に応じて適宜設定すればよい。
電流閾値Ithの情報472は、記憶部47に記憶されている。
比較部(ICMP)49は、記憶部47から読み出した電流閾値Ithと、電流値取得部46から出力されたモータ電流の実電流値Irとを比較する。実電流値Irが電流閾値Ithより大きい場合(例えば、Ir≧Ithの場合)、比較部49は、例えばハイ(High)レベルの判定信号Scp2を出力する。一方、実電流値Irが電流閾値Ithより小さい場合(例えば、Ir<Ithの場合)、比較部49は、例えばロー(Low)レベルの判定信号Scp2を出力する。
記憶部47は、速度フィードバック制御および最大風量制御のための各種パラメータや演算結果等を記憶するための機能部である。例えば、記憶部47には、上述した回転速度閾値Rthの情報471や電流閾値Ithの情報472等が記憶されている。記憶部47は、例えばRAMやROM等の記憶装置やレジスタ等によって実現されている。
最大風量制御部44は、比較部48の判定信号Scp1、比較部49の判定信号Scp2、および回転速度閾値Rthに基づいて、駆動制御信号SdとしてのPWM信号のデューティ比を指定するPWM指令信号Sp2(第2制御信号の一例)を生成する。
具体的に、最大風量制御部44は、比較部48によって目標回転速度Rtgが所定値より高いと判定され、且つ比較部49によって実電流値Irが電流閾値Ithより高いと判定された場合(Rtg>Rth且つIr>Ith)に、モータ20が目標回転速度Rtgより低い一定の回転速度で回転するようにPWM指令信号Sp2を生成する。
一方、比較部48によって目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより低いと判定された場合または比較部49によって実電流値Irが電流閾値Ithより低いと判定された場合には(Rtg<RthまたはIr<Ith)、最大風量制御部44は、PWM指令信号Sp2を生成しない。
上述したように、最大風量制御部44は、Rtg>Rth且つIr>Ithの場合に、モータ20が目標回転速度Rtgより低い一定の回転速度で回転するようにPWM指令信号Sp2を生成する。具体的には、最大風量制御部44は、モータ20が回転速度閾値Rthに対応する一定の回転速度で回転するようにPWM指令信号Sp2を生成する。
例えば、最大風量制御部44は、実回転速度Rrと回転速度閾値Rthとの差分を算出し、当該差分がゼロになるように駆動制御信号SdとしてのPWM信号のデューティ比を算出する。そして、最大風量制御部44は、算出したデューティ比の情報をPWM指令信号Sp2として出力する。
駆動制御信号生成部45は、モータ20の駆動を制御するための駆動制御信号Sdを生成する機能部である。駆動制御信号生成部45は、速度制御部43から出力されたPWM指令信号Sp1と最大風量制御部44から出力されたPWM指令信号Sp2とに基づいて、駆動制御信号Sdを生成する。
具体的に、駆動制御信号生成部45は、最大風量制御部44からPWM指令信号Sp2が出力されていない場合に、速度制御部43から出力されたPWM指令信号Sp1で指定されたデューティ比のPWM信号を生成して駆動制御信号Sdとして出力し、最大風量制御部44からPWM指令信号Sp2が出力されている場合に、PWM指令信号Sp1ではなく、最大風量制御部44から出力されたPWM指令信号Sp2で指定されたデューティ比のPWM信号を生成して駆動制御信号Sdとして出力する。
上述した速度制御部43、最大風量制御部44、駆動制御信号生成部45、および比較部48、49は、例えば、マイクロコントローラ(CPU)のプログラム処理によって実現されている。なお、比較部48,49は、専用ロジック回路等によって実現されていてもよい。
次に、ファン100の風量制御の流れについて説明する。
図6は、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1による風量制御に係る処理の流れを示すフロー図である。
先ず、上位装置から制御回路部4に対して速度指令信号Scが入力されると、制御回路部4の目標回転速度取得部41が、速度指令信号Scから目標回転速度Rtgの情報を取得する(ステップS1)。
次に、制御回路部4の比較部48が、ステップS1で取得した目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthよりも大きいか否かを判定する(ステップS2)。
目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより小さい場合(ステップS2:No)には、制御回路部4は、速度フィードバック制御を行う(ステップS3)。すなわち、上述したように、駆動制御信号生成部45が、速度制御部43によって生成されたPWM指令信号Sp1に基づいて、駆動制御信号Sdを生成することにより、モータ20の実回転速度Rrが目標回転速度Rtgに一致するようにモータ20が動作する。なお、このとき、最大風量制御部44は、PWM指令信号Sp2を生成しない。
一方、ステップS2において、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより大きい場合(ステップS2:Yes)には、制御回路部4は、モータ20の実電流値Irを取得する(ステップS4)。具体的には、上述したように、比較部49が、電流値取得部46によって算出されたモータ電流の実電流値Irの情報を取得する。
次に、比較部49が、ステップS4で取得したモータ20の実電流値Irが電流閾値Ithよりも大きいか否かを判定する(ステップS5)。
実電流値Irが電流閾値Ithより大きい場合(ステップS5:Yes)、制御回路部4は、速度フィードバック制御を行う(ステップS3)。すなわち、上述したように、駆動制御信号生成部45が、速度制御部43によって生成されたPWM指令信号Sp1に基づいて、駆動制御信号Sdを生成する。これにより、モータ20は、その回転速度が目標回転速度Rtgに一致するように動作する。
一方、実電流値Irが電流閾値Ithより小さい場合(ステップS5:No)、制御回路部4は、最大風量制御を開始する(ステップS6)。
最大風量制御において、先ず、最大風量制御部44が、記憶部47から回転速度閾値Rthの情報471を読み出す(ステップS7)。
次に、最大風量制御部44が、モータ20の実回転速度Rrが回転速度閾値Rthに一致するようにPWM指令信号Sp2を生成する(ステップS8)。
次に、制御回路部4が、PWM指令信号Sp2に基づいて駆動制御信号Sdを生成する(ステップS9)。具体的には、駆動制御信号生成部45が、ステップS9において最大風量制御部44から出力されたPWM指令信号Sp2で指定されたデューティ比のPWM信号を生成し、駆動制御信号Sdとして出力する。
ステップS3,S9の後、制御回路部4が、モータ20の停止の指示の有無を判定する(ステップS10)。ステップS10において、モータ20の停止の指示が無い場合(ステップS10:No)、上述した処理(S1~S10)を繰り返し実行する。一方、ステップS10において、モータ20の停止の指示を受け取った場合(ステップS10:Yes)、制御回路部4は風量制御の処理を終了する。
図7は、本実施の形態に係るファン100におけるモータ20の目標回転速度と実回転速度との関係を示す図である。
図7において、横軸はモータ20の目標回転速度Rtgを表し、縦軸はモータ20の実回転速度Rrを表している。図7には、目標回転速度Rtgと実回転速度Rrとの関係に着目した、モータ駆動制御装置1による制御モードの切替原理が示されている。
図7に示すように、速度指令信号Scによって指定される目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより小さい範囲では、制御回路部4が、速度制御フィードバック制御を行う。これにより、ファン100は、モータ20の実回転速度Rrが目標回転速度Rtgに一致するように動作する。
一方、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより大きい範囲では、制御回路部4が、モータ20の実電流値Irと電流閾値Ithとの比較結果に応じて、速度フィードバック制御と最大風量制御とを切り替える。
すなわち、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより大きく、且つモータ20の実電流値Irが電流閾値Ithより大きい範囲では、ファン100に対する外部圧力(圧力抵抗)が大きい状態であると推定することができる。そこで、制御回路部4は、必要な風量を確保するために、速度フィードバック制御を行う。これにより、参照符号700に示すように、ファン100は、モータ20の実回転速度Rrが目標回転速度Rtgに一致するように動作して、必要な風量を確保する。
一方、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより大きく、且つモータ20の実電流値Irが電流閾値Ithより小さい範囲では、ファン100に対する外部圧力が小さく十分な風量が確保できている状態であると推定することができる。そこで、制御回路部4は、風量静音性を優先して、最大風量制御を行う。すなわち、参照符号701に示すように、ファン100(モータ20)は、指示された目標回転速度Rtgより低い一定の回転速度(回転速度閾値Rth)で回転して、風量を抑える。
図8は、本実施の形態に係るファン100におけるモータ20のモータ電流と回転速度との関係を示す図である。
図8において、横軸はモータ20の回転速度を表し、縦軸はモータ20のモータ電流を表している。図8には、モータの回転速度(実回転速度Rr)とモータ電流との関係に着目した、モータ駆動制御装置1による制御モードの切り替えの流れが示されている。
図8に示すように、本実施の形態に係るファン100は、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより低い範囲では、通常の速度フィードバック制御を行う。これにより、参照符号800に示すように、ファン100は、モータ20の回転速度が目標回転速度Rtgに一致するように動作する。
その後、速度指令信号Scによって指定された目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthを超えた場合、ファン100は、最大風量制御を行う。これにより、参照符号801に示すように、ファン100は、モータ電流が電流閾値Ithを超えるまで、目標回転速度Rtgによらず回転速度が一定(回転速度閾値Rth)となるように動作する。
その後、ファン100の外部圧力が上昇してモータ電流の実電流値Irが電流閾値Ithを超えた場合、ファン100は、速度フィードバック制御を行う。これにより、参照符号802に示すように、ファン100は、モータ20の回転速度が目標回転速度Rtgに一致するように動作する。
そして、速度指令信号Scによって回転速度閾値Rthより低い目標回転速度Rtgが指定された場合、参照符号803に示すように、ファン100は、再び、通常の速度フィードバック制御に戻る。
このように、本実施の形態に係るファン100は、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高い状態において、モータ電流が電流閾値Ithより低い場合には、目標回転速度Rtgによらず、モータ20の回転速度が一定になるように動作し、モータ電流が電流閾値Ithより高い場合には、モータ20の回転速度が目標回転速度Rtgに一致するように動作する。これにより、ファン100は、静圧が低い領域(例えば、図2のP-Qカーブにおける静圧がPbより低い範囲)における最大風量を制限することができる。
以上、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1は、速度指令信号Scによって指示された目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより低い場合に、モータ20の回転速度(実回転速度Rr)が目標回転速度Rtgに一致するように駆動制御信号Sdを生成する速度フィードバック制御を行い、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高い場合に、モータ20の回転速度が回転速度閾値Rthを超えないように駆動制御信号Sdを生成する最大風量制御と速度フィードバック制御とを、モータ20のモータ電流と電流閾値Ithとの比較結果に基づいて切り替える。なお、本発明における最大風量制御は、目標回転速度Rtgが閾値Rthより高い場合において、モータ20の回転速度と圧力損失との関係性に応じて、最大風量が所望の値になるように制御するものであり、必ずしも、風量を一定に維持するように制御するものではない。したがって、本発明の最大風量制御は、従来のいわゆる風量一定制御とは制御方法およびその効果が異なるものである。
これによれば、上述したように、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより低い範囲では、ファン100の風量が指示された目標回転速度Rtgに比例して増加するようにモータ20が駆動される一方で、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高い範囲では、ファン100の風量が静圧に応じて変化するようにモータ20が駆動される。
上述したように、ファンにおいてモータ電流と外部圧力とは略比例関係にある。そこで、本実施の形態に係るファン100は、外部圧力が高い状態と低い状態とを判定するための基準値として電流閾値Ithを設定し、その電流閾値Ithとモータ20のモータ電流とを比較することにより、外部圧力が高い状態か否かを推定して、モータの制御方法を切り替える。
具体的には、ファン100は、目標回転速度Rtgが回転速度閾値Rthより高い状態において、モータ20に流れる電流が電流閾値Ithより大きい場合には、速度フィードバック制御を行い、モータ20に流れる電流が電流閾値Ithより小さい場合には、最大風量制御を行う。
これにより、ファン100の外部圧力が電流閾値Ithに対応する所定の圧力(静圧)より低い場合には、ファン100は、最大風量制御により、モータ20の回転速度を目標回転速度Rtgより低く抑えて、風量を抑えるように動作する。一方、ファン100の外部圧力が電流閾値Ithに対応する所定の圧力(静圧)より高い場合には、ファン100は、速度フィードバック制御により、モータ20の回転速度が目標回転速度Rtgと一致するように制御して、必要な風量が得られるように動作する。
このように、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1を適用したファン100によれば、静圧が所定値より高い領域では、要求される動作範囲において十分な風量を確保することができ、静圧が所定値より低い領域では、指定された目標回転速度Rtgによらず風量を抑えて、ファン100の騒音の発生と消費電力の増大を抑えることができる。
また、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置1は、最大風量制御において、モータ20が回転速度閾値Rthに対応する一定の回転速度で回転するように駆動制御信号Sdを生成する。
これによれば、最大風量制御時にモータ20を一定の回転速度で安定して回転させることができるので、最大風量制御時のファン100の動作の安定性と静音性を更に向上させることが可能となる。
≪実施の形態の拡張≫
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施の形態では、速度指令信号ScがPWM信号であって、そのPWM信号のデューティ比によって目標回転速度を指定する場合を例示したが、これに限られない。例えば、速度指令信号Scはアナログ信号であって、そのアナログ信号の電圧レベルによって目標回転速度を指定してもよい。
また、上記実施の形態において、モータ20が三相のブラシレスモータである場合を例示したが、モータ20の種類や相数等はこれに限定されない。例えば、単相のブラシレスモータであってもよい。
また、上述のフローチャートは、動作を説明するための一例を示すものであって、これに限定されない。すなわち、フローチャートの各図に示したステップは具体例であって、このフローに限定されるものではない。例えば、一部の処理の順番が変更されてもよいし、各処理間に他の処理が挿入されてもよいし、一部の処理が並列に行われてもよい。
1…モータ駆動制御装置、2…モータ駆動部、2a…インバータ回路、2b…プリドライブ回路、4…制御回路部、5…位置検出素子(ホール素子)、6…電流検出部、20…モータ、21…インペラ、41…目標回転速度取得部、42…回転速度算出部、43…速度制御部、44…最大風量制御部、45…駆動制御信号生成部、46…電流値取得部、47…記憶部、48…比較部(RCMP)、49…比較部(ICMP)、100…ファン、Iof…オフセット量、Ir…実電流値、Ith…電流閾値、Ith0…電流値、Rr…実回転速度、Rs…抵抗、Rtg…目標回転速度、Rth…回転速度閾値、Sc…速度指令信号、Scp1,Scp2…判定信号、Sd…駆動制御信号、Sh…位置検出信号、Sp1…PWM指令信号(第1制御信号の一例)、Sp2…PWM指令信号(第2制御信号の一例)。

Claims (4)

  1. モータの目標回転速度を指示する速度指令信号に基づいて、前記モータの回転速度を制御するための駆動制御信号を生成する制御回路部と、
    前記駆動制御信号に基づいて、前記モータを駆動するモータ駆動部と、を備え、
    前記制御回路部は、
    前記目標回転速度が回転速度閾値より低い場合に、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に一致するように前記駆動制御信号を生成する速度フィードバック制御を行い、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように前記駆動制御信号を生成する最大風量制御と前記速度フィードバック制御とを、前記モータに流れる電流の実電流値と電流閾値との比較結果に基づいて切り替え
    前記制御回路部は、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い状態において、前記実電流値が前記電流閾値より大きい場合には、前記速度フィードバック制御を行い、前記実電流値が前記電流閾値より小さい場合には、前記最大風量制御を行い、
    前記制御回路部は、前記最大風量制御において、前記モータが前記回転速度閾値に対応する回転速度で回転するように前記駆動制御信号を生成する
    ことを特徴とするモータ駆動制御装置。
  2. 請求項に記載のモータ駆動制御装置において、
    前記制御回路部は、
    前記モータの回転位置を示す位置検出信号に基づいて、前記モータの実回転速度を算出する回転速度算出部と、
    前記回転速度算出部によって算出された前記実回転速度が前記速度指令信号で指示された前記目標回転速度に一致するように第1制御信号を生成する速度制御部と、
    前記実電流値を取得する電流値取得部と、
    前記目標回転速度が前記回転速度閾値より大きく、且つ前記電流値取得部によって取得した前記実電流値が前記電流閾値より大きい場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように第2制御信号を生成する最大風量制御部と、
    前記第1制御信号または前記第2制御信号に基づいて、前記駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部と、を有する
    ことを特徴とするモータ駆動制御装置。
  3. モータと、
    前記モータの回転力によって回転可能に構成されたインペラと、
    前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御装置と、を備え、
    前記モータ駆動制御装置は、
    前記モータの目標回転速度を指示する速度指令信号に基づいて、前記モータの回転速度を制御するための駆動制御信号を生成する制御回路部と、
    前記駆動制御信号に基づいて、前記モータを駆動するモータ駆動部と、を有し、
    前記制御回路部は、
    前記目標回転速度が回転速度閾値より低い場合に、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に一致するように前記駆動制御信号を生成する速度フィードバック制御を行い、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように前記駆動制御信号を生成する最大風量制御と前記速度フィードバック制御とを、前記モータに流れる電流の実電流値と電流閾値との比較結果に基づいて切り替え
    前記制御回路部は、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い状態において、前記実電流値が前記電流閾値より大きい場合には、前記速度フィードバック制御を行い、前記実電流値が前記電流閾値より小さい場合には、前記最大風量制御を行い、
    前記制御回路部は、前記最大風量制御において、前記モータが前記回転速度閾値に対応する回転速度で回転するように前記駆動制御信号を生成する
    ことを特徴とするファン。
  4. モータの目標回転速度を指示する速度指令信号に基づいて、前記モータの駆動を制御するための駆動制御信号を生成し、前記駆動制御信号に基づいて前記モータを駆動するモータ駆動制御方法であって、
    前記目標回転速度が回転速度閾値より低い場合に、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に一致するように前記駆動制御信号を生成する速度フィードバック制御を行う第1ステップと、
    前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い場合に、前記モータの回転速度が前記回転速度閾値を超えないように前記駆動制御信号を生成する最大風量制御と、前記速度フィードバック制御とを、前記モータに流れる電流の実電流値と電流閾値との比較結果に基づいて切り替える第2ステップと、を含み、
    前記第2ステップは、前記目標回転速度が前記回転速度閾値より高い状態において、前記実電流値が前記電流閾値より大きい場合には、前記速度フィードバック制御を行い、前記実電流値が前記電流閾値より小さい場合には、前記最大風量制御を行う第3ステップを含み、
    前記第3ステップは、前記最大風量制御において、前記モータが前記回転速度閾値に対応する回転速度で回転するように前記駆動制御信号を生成するステップを含む
    ことを特徴とするモータ駆動制御方法。
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