WO2013128505A1 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

モータ制御装置及びモータ制御方法 Download PDF

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WO2013128505A1
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air volume
speed
command
speed command
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隆太 佐々木
横内　保行
加藤　康司
田澤　徹
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パナソニック株式会社
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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a motor control device and a motor control method, and more particularly to an air volume control method for a blower such as a fan motor or a ventilation fan that performs motor control of an air conditioner or the like.
  • Patent Document 1 is known as a technique for controlling to a predetermined airflow value. According to the conventional technique disclosed in Patent Document 1, the instruction speed of the motor that drives the fan is calculated from Equation (1).
  • S * is an instruction speed of the motor
  • S is a motor speed
  • Sa is a target motor speed
  • K is a gain.
  • the target motor speed Sa is calculated from the equation (2).
  • T is a motor torque
  • Q * is a predetermined airflow value
  • i and j are finite values.
  • Expression (2) is an expression representing the relationship that when the motor torque is T, the motor speed necessary for the air volume to reach a predetermined air volume value Q * is Sa.
  • a curve F shows a relationship between the motor speed and the motor torque at which the air volume becomes a predetermined air volume value Q * (hereinafter referred to as “constant air volume curve”).
  • a curve C represents an environment curve specific to the air conditioning environment in which the motor is mounted (hereinafter referred to as “air conditioning environment curve”).
  • the target motor speed Sa calculated by the equation (2) is the motor speed Sa1 at the point B1 on the constant air volume curve F that obtains the same motor torque T1 as the operating point A1.
  • the new command speed S * is calculated by the equations (2) and (1) at the operating point of the movement destination.
  • the operating point moves to A2 and A3 in FIG. 7, and finally the operating point at which the difference between the motor speed S and the target motor speed Sa becomes zero, that is, the air conditioning environment curve C and the constant air volume curve. It will settle down at the intersection E of F.
  • the motor control device described in Patent Document 1 uses the motor torque and the predetermined airflow value as described above to calculate a necessary correction value for the motor speed, and outputs an instruction speed based on the correction value. Even if the predetermined airflow value changes or the static pressure changes due to filter clogging or vent opening / closing, the airflow can be controlled to the predetermined airflow value.
  • the change process through which the motor speed converges depends on the value of the gain K in Expression (1). For example, when the value of the gain K is small, since the change in the instruction speed S * is small with respect to the calculation cycle, it takes time to reach convergence.
  • the optimum value of gain K varies depending on the air conditioning environment in which the motor is installed. For example, even if the gain is sufficiently stable in the virtual model air-conditioning environment, the actual air-conditioning environment installed in the house changed due to clogging of the air filter (air filter), opening / closing of the vent, etc. Under an air conditioning environment, there are cases where the gain is excessive and the operating point does not converge stably. For this reason, it is desirable to set the gain K to a sufficiently small value so that the fan can stably operate even in an operation region that is likely to be unstable, assuming changes in the air-conditioning environment to be used.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and even when the predetermined airflow value changes greatly, the motor control device causes the airflow of the fan to follow the predetermined airflow value at high speed and converges stably. And a motor control method is proposed.
  • a motor control device that controls a motor that drives a fan
  • information indicating a motor speed and a motor torque is acquired, and an air volume of the fan is calculated based on the motor speed and the motor torque.
  • An air volume calculation unit for calculating the air volume, and a ratio of the predetermined air volume command to the air volume based on a comparison calculation value between the air volume and the predetermined air volume command, so that the air volume matches the predetermined air volume command.
  • a speed command generation unit that generates a speed command for the motor.
  • the speed command generation unit is configured such that, when the comparison calculation value is outside a first predetermined range, the predetermined air volume with respect to the air volume.
  • the speed command is generated using the ratio of the command, and when the comparison calculation value is within the first predetermined range, the speed is calculated using the difference between the air volume and the predetermined air volume command.
  • a motor control device that generates a command.
  • the speed command generation unit when the comparison calculation value is outside the first predetermined range, A motor control device that generates, as the speed command, a result obtained by multiplying a ratio of an air volume command by the motor speed, or a result obtained by multiplying a speed command output last time by a ratio of the predetermined air volume command to the air volume.
  • a fourth invention according to the present application is the motor according to the first invention, wherein the motor has a motor drive control unit that generates a signal for controlling a drive voltage to the motor so as to match the motor speed with the speed command. It is a control device.
  • the speed command generation unit is configured such that when the comparison calculation value is within the first predetermined range, the air volume and the predetermined amount It is a motor control apparatus provided with the structure which produces
  • the speed command generation unit is configured such that when the comparison calculation value is within the first predetermined range, the air volume and the predetermined amount
  • the motor control device includes a configuration that generates the speed command by using a sum of a value obtained by multiplying a difference from the air flow command by a gain and the motor speed.
  • the speed command generation unit is configured so that the difference between the speed command and the motor speed is outside a second predetermined range.
  • the motor control device includes a configuration that corrects the speed command so that a difference between the speed command and the motor speed falls within the second predetermined range.
  • the speed command generation unit is configured such that the difference between the motor torque and the previously obtained motor torque is within a third predetermined range. Is a motor control device having a configuration in which the speed command is corrected to the same value as the previously output speed command.
  • the speed command generation unit stores a minimum speed command and a maximum speed command, and the speed command is the minimum speed command and the minimum speed.
  • This is a motor control device having a configuration that outputs within the range of the command.
  • the air volume calculation unit calculates the air volume as a product of a variable polynomial obtained by dividing the motor torque by the square of the motor speed and the motor speed. This is a motor control device.
  • an eleventh invention according to the present application is the motor control device according to the first invention, wherein the motor speed is obtained by a first detector that detects the motor speed.
  • the twelfth invention according to the present application is the motor control device according to the first invention, wherein the motor torque is obtained by a second detector that detects a current flowing through the motor.
  • the thirteenth invention is a motor control method for controlling a motor for driving a fan, wherein information indicating at least one of a motor speed and a motor torque is acquired, and the motor speed and the motor torque are acquired. And calculating the air volume of the fan based on the ratio of the predetermined air volume command with respect to the air volume based on a comparison calculation value between the air volume and the predetermined air volume command. Generating a speed command for the motor so as to match the command.
  • the motor control device of the present invention determines that the difference between the air volume and the predetermined air volume command is large based on the air volume calculated by the air volume calculating unit, the speed command equal to the motor speed realizing the air volume value of the predetermined air volume command ,
  • the air volume can be made to follow at a high speed toward a predetermined air volume command, and can be converged stably.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a motor control system including a motor control device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a processing example of the speed command generator 12 in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a processing example of speed command correction steps in the speed command generation unit 12 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an example of air flow control in the motor control device 8a according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of air volume control in the motor control device 8a according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a motor control system provided with a motor control device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining air volume control in a motor control apparatus according to the prior art.
  • the result obtained by multiplying the ratio of the predetermined air volume command to the motor speed (the product of the ratio of the predetermined air volume command to the air volume and the motor speed) is used as the speed command.
  • the speed command quickly changes to the motor speed value that realizes the air flow value of the new predetermined air flow command, so that the air flow is increased toward the predetermined air flow command.
  • a motor control device of the present invention is a motor control device that controls a motor that drives a fan, and an air volume calculation unit that calculates an air volume of a fan based on a motor speed and a motor torque;
  • a speed command generator for generating a motor speed command so as to match the air volume with the predetermined air volume command using a ratio of the predetermined air volume command to the air volume based on a comparison calculation value with the air volume command of It is set as the structure provided.
  • the speed command generation unit in the motor control device when the comparison calculation value is outside the first predetermined range, calculates the speed command by multiplying the motor speed by the ratio of the predetermined air volume command to the air volume.
  • This configuration changes the generation method of the speed command according to the magnitude of the comparison calculation value between the air volume and the predetermined air volume command.
  • the comparison calculation value is outside the first predetermined range
  • the ratio of the predetermined air volume command to the air volume is multiplied by the motor speed as described above to obtain “the air volume value of the predetermined air volume command.
  • a speed command equal to the “realized motor speed” is generated.
  • the change of the speed command can be moderated by reducing the control gain and making the control sensitivity dull.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a motor control system including a motor control device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the motor control system shown in FIG. 1 includes a fan 1, a blower path 2 through which air blown by the fan 1 passes, a motor 3 that drives the fan 1, an inverter 4 that supplies power to the motor 3, and a motor drive that controls the inverter 4.
  • a control unit 5a a position detector 6 that detects the position of the rotor of the motor 3, a current detector 7 that detects the current of the motor 3, and a motor control device that controls the air volume Q of the fan 1 to a predetermined air volume command Q *. 8a.
  • the motor control device 8a includes a speed detector 9 that detects the motor speed ⁇ from the output signal of the position detector 6, a torque detector 10 that detects the motor torque T from the output signal of the current detector 7, and a motor speed ⁇ .
  • An air volume calculation unit 11 that calculates the air volume Q of the fan 1 based on the motor torque T, and a speed command generator 12 that generates a speed command ⁇ * of the motor 3 so that the air volume Q matches a predetermined air volume command Q * ; including.
  • the speed detector 9 may detect the motor speed ⁇ using other known means (for example, a tachometer, a speed sensor, etc.).
  • the torque detector 10 may detect the motor torque T using other known means (for example, a torque meter).
  • the fan 1 supplies air to a desired place through the ventilation path 2.
  • the motor 3 rotates while being connected to the fan 1 to drive the fan 1.
  • the structure of the motor 3 is not particularly limited. As an example, there is a brushless DC motor. Other motors, for example, induction motors or brushed motors (DC motor with brush) may be used.
  • the inverter 4 performs semiconductor switching in accordance with a control signal input from the motor drive control unit 5a, converts a DC voltage from a power source (not shown) into AC, and supplies the AC to the motor 3 as a drive voltage.
  • the switch configuration and switching method in the inverter 4 are not particularly limited as long as they are suitable for the purpose of driving the motor 3.
  • the motor drive control unit 5a calculates a drive voltage for causing the motor speed ⁇ to follow the speed command ⁇ * input from the motor control device 8a by speed control, and a control signal for causing the inverter 4 to supply this drive voltage. Is output.
  • the position detector 6 is attached to the motor 3 and outputs a signal corresponding to the position of the rotor of the motor 3.
  • the position detector 6 is not necessary.
  • the current detector 7 directly detects the phase current of the motor and outputs a signal corresponding to the phase current value.
  • the current may be detected at any portion as long as the motor torque can be estimated.
  • the motor current may be detected by being inserted into a DC line (not shown) to the inverter 4.
  • the speed detector 9 calculates the motor speed ⁇ based on the output signal of the position detector 6. However, the motor speed ⁇ may be estimated and calculated using the motor current and the drive voltage without using the output signal of the position detector 6.
  • the torque detector 10 calculates the motor torque T based on the output signal of the current detector 7.
  • the speed detection unit 9 and the torque detection unit 10 do not need to be inside the motor control device 8a as shown in FIG. However, when it is arranged outside, the calculated motor speed ⁇ or motor torque T is output to the motor control device 8a.
  • Equation (3) is an equation representing a relationship in which the air volume of the fan 1 becomes Q when the motor speed of the motor 3 is ⁇ and the motor torque is T.
  • i is a finite value
  • ⁇ 0 is a specific motor speed
  • Equation (3) the basis and derivation of Equation (3) will be described.
  • i is a finite value. Note that, by deriving Equation (3) described below, Kn and i in Equation (4) are finally the same as Kn and i in Equation (3).
  • the approximation method for obtaining Equation (4) is not particularly limited, and for example, a least square method, regression analysis, or the like is used.
  • i indicates the order of the approximate expression.
  • the approximation accuracy varies depending on what value i is set to, and the calculation accuracy of the airflow varies.
  • equation (6) can be transformed into the following equation (7).
  • Equations (5) and (7) show that when the motor speed for driving a fan is changed from ⁇ 0 to ⁇ , the air volume changes from Q 0 to Q and the motor torque changes from T 0 to T. It is a formula.
  • Expression (5) and Expression (7) are applied to Expression (4), the above Expression (3) is derived.
  • any The air volume Q when the fan is driven at the motor speed ⁇ can be calculated.
  • the air volume Q may be calculated without using Equation (3).
  • the relationship between the air volume Q, the motor speed ⁇ , and the motor torque T when the pressure in the blower path is changed may be obtained through experiments, and Equation (8) that approximates this relationship may be used.
  • the air volume calculation unit 11 has been described above. Hereinafter, the operation and components of the speed command generator 12 will be described.
  • the speed command generator 12 generates a speed command ⁇ * for the motor 3 so that the air volume Q matches the predetermined air volume command Q * .
  • the generation of the speed command ⁇ * is periodically performed, for example, 10 times per second.
  • the predetermined air volume command Q * is input from the outside of the motor control device 8a. However, it is not always necessary to input it externally every cycle.
  • the predetermined air volume command Q * inputted externally is stored in the memory, and a new predetermined air volume command Q * is stored. You may make it update whenever it inputs externally.
  • predetermined air volume command Q * it is not always necessary to input the predetermined air volume command Q * from the outside of the motor control device 8a.
  • a plurality of predetermined air volume commands Q * may be stored in a memory inside the motor control device 8a, and the predetermined air volume commands Q * may be selected by manually operating the motor control device 8a.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a processing example of the speed command generation unit 12.
  • the generation of the speed command ⁇ * is performed in two stages: the first speed command calculation step (steps ST1 to ST4) and the next speed command correction step (steps ST5 to ST7).
  • the speed command calculation steps calculate the speed command ⁇ * so that the air volume Q matches the predetermined air volume command Q * .
  • the speed command correcting steps operate the fan stably by correcting the calculated speed command ⁇ * based on the motor speed ⁇ , the motor torque T, and some predetermined values.
  • the motor control device 8a first obtains a comparison calculation value ⁇ Q between a predetermined air volume command Q * and the air volume Q calculated by the air volume calculator 11 by using the equation (9) (step ST1).
  • the comparison operation value is not necessarily defined by the difference as in Expression (9), and may be defined by a ratio obtained by dividing Q * by Q, for example, but in the present embodiment, Expression (9)
  • the comparison calculation value ⁇ Q defined by the above is used.
  • the motor control device 8a determines whether the value of the comparison calculation value ⁇ Q is outside the first predetermined range or within the range (step ST2). For example, a predetermined threshold value is provided, and if the absolute value of ⁇ Q exceeds the predetermined threshold value, it is determined that it is outside the first predetermined range, and if the absolute value of ⁇ Q is equal to or smaller than the predetermined threshold value, the first Judged within a predetermined range.
  • the motor control device 8a when the comparison calculation value ⁇ Q is outside the first predetermined range, the motor control device 8a generates the speed command ⁇ * of the motor 3 according to the equation (10) (step ST3).
  • ⁇ is the motor speed of the motor 3
  • Q is the air volume of the fan 1
  • Q * is a predetermined air volume command. Due to the fluid similarity law that the fan air volume is proportional to the rotational speed, the motor speed ⁇ * calculated by the equation (10) is equal to the motor speed that realizes the air volume value of the predetermined air volume command Q * .
  • the speed command ⁇ * quickly changes to the motor speed value that realizes the airflow value of the new predetermined airflow command Q *. It is possible to follow at a high speed toward a predetermined air volume command Q * .
  • the motor control device 8a when the comparison calculation value ⁇ Q is within the first predetermined range, the motor control device 8a generates the speed command ⁇ * according to the equation (11) (step ST4).
  • omega z * speed command to the speed command generating section 13 is outputted last time, K G control gain (constant), Q is the air volume of the fan 1, Q * is the predetermined airflow command.
  • Expression (11) means performing feedback control by so-called integral compensation.
  • the speed command ⁇ * is always generated according to the equation (10) instead, the change in the calculated speed command ⁇ * will increase, and the air volume Q will return to or return to the air volume value of the predetermined air volume command Q *. Or may not be able to converge stably.
  • the motor speed ⁇ is greatly changed by the equation (10). If the difference between the air volume Q and the predetermined air volume command Q * is determined to be small, the motor speed ⁇ is gently adjusted by the equation (11), so that even if the predetermined air volume command Q * changes greatly.
  • the air volume Q can be made to follow at a high speed toward a predetermined air volume command Q * and can be converged stably.
  • FIG. 3 is a flowchart of a processing example performed inside the speed command correction steps (steps ST5 to ST7) in FIG.
  • the motor control device 8a first determines whether or not the speed command ⁇ * generated in the speed command calculation step is within a range between a predetermined minimum speed command and a predetermined maximum speed command. speed without modifying the command omega * if, when a predetermined minimum speed command less modifies the speed command omega * to a predetermined minimum speed command, if it exceeds the predetermined maximum speed command to the speed command omega * Correction is made to a predetermined maximum speed command (step ST5).
  • step ST5 The effect of step ST5 will be described.
  • the abrupt change of state in the motor 3 and the air flow path 2 occurs depending on the value of the constant K n of formula (3), may transiently speed command omega * is computed as negative values
  • the fan 1 rotates in the reverse direction. If the fan 1 rotates in the reverse direction, there is a risk that the user will determine that the operation is abnormal due to the suction operation. Therefore, reverse rotation can be prevented by providing a predetermined minimum speed command as a lower limit to the speed command ⁇ * .
  • the speed command ⁇ * may become an abnormally high value.
  • the control becomes unstable in order to realize the operation exceeding the motor capacity, or the fan 3 or the motor vibrates due to the high speed rotation of the motor 3 and the fan or the motor breaks down. . Therefore, by providing a predetermined maximum speed command as an upper limit to the speed command ⁇ * , it is possible to prevent instability of control or failure of the fan or motor.
  • the motor control device 8a calculates a speed deviation ⁇ which is a difference between the speed command ⁇ * and the motor speed ⁇ by the equation (12). If the speed deviation ⁇ is within the second predetermined range, the speed command If ⁇ * is not corrected and the speed deviation ⁇ is outside the second predetermined range, the speed command ⁇ * is corrected so that the speed deviation ⁇ is within the second predetermined range (step ST6).
  • a predetermined positive limit width L is provided, and ( ⁇ + L) obtained by adding L to the motor speed ⁇ is an upper limit value, and ( ⁇ L) obtained by subtracting L from the motor speed ⁇ is a lower limit value.
  • the speed command omega * exceeds the upper limit value (omega + L) modifies the speed command omega * to the upper limit value (omega + L)
  • the speed command omega * is acceleration value (omega-L) velocity command omega if smaller * Is corrected to the lower limit ( ⁇ -L).
  • step ST6 The effect of step ST6 will be described. If the motor speed ⁇ is suddenly changed, the actual air volume and the air volume Q calculated by the air volume calculator 11 are deviated due to a transient change in the motor torque T and the pressure in the air flow path 2, and the air volume is reduced. There is a risk that stable control cannot be achieved. Therefore, by providing the second predetermined range in the change range of the speed command ⁇ * to prevent a sudden change in the motor speed ⁇ , it is possible to prevent the control from becoming unstable due to the deviation of the air volume Q.
  • the motor control device 8a compares the obtained motor torque T with the previously obtained motor torque T, and if the difference is within the third predetermined range, the change in the motor torque T is slight. It is determined that the speed command ⁇ * is present, and the speed command ⁇ * is corrected to the same value as the speed command ⁇ z * previously output by the speed command generator 13 (step ST7).
  • step ST7 The effect of this step ST7 will be described. If step ST7 is not performed and the speed command ⁇ * is changed even by a slight change in the motor torque T, the speed command ⁇ * follows the change in the motor torque T and vibrates. The airflow value of the predetermined airflow command Q * is performed or returned and does not converge stably. Therefore, a dead zone for torque detection is provided by the third predetermined range, and the speed command ⁇ * is prevented from oscillating near the convergence point, so that the air volume Q can be stably converged to the predetermined air volume command Q *. .
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams illustrating an example of air volume control in the motor control device 8a according to the first embodiment of the present invention.
  • straight lines G1, G2, and G3 indicate the relationship between the motor speed ⁇ and the air volume Q in a certain air-conditioning environment, respectively.
  • the inclination of the straight line varies depending on the air-conditioning environment such as the shape of the ventilation path 2 and the state of a vent provided at the outlet.
  • the fan 1 is driven in the air conditioning environment indicated by the straight line G1 and the operating point is at the point H1. At this time, the fan 1 sends an air volume of 400 CFM through the air blowing path 2, and the motor speed at this time is 300 rpm.
  • the first predetermined range in step ST2 of the speed command generation unit 12 is set as an absolute error 200 CFM
  • the second predetermined range in step ST6 is set as an absolute error 200 rpm.
  • the air volume calculation unit 11 calculates the air volume 400 CFM at the operating point H1.
  • the speed command calculation steps (steps ST1 to ST4) of the speed command generation unit 12 calculate the speed command ⁇ * .
  • the comparison calculation value ⁇ Q calculated by the equation (9) is 800 CFM, which exceeds the absolute error 200 CFM, which is the first predetermined range. Therefore, the processing shifts to step ST3 by the conditional branch of step ST2.
  • step ST7 speed command correction steps (steps ST5 to ST7) correct the speed command ⁇ * . Since the speed deviation ⁇ calculated by the equation (12) in step ST6 is 600 rpm and exceeds the second predetermined range of the absolute error 200 rpm, the step ST6 sets the current motor speed of 300 rpm to the predetermined absolute error 200 rpm. The speed command ⁇ * is corrected to the upper limit value of 500 rpm plus As described above, the target operating point is corrected from the point Z in FIG. 4 to the point Z1.
  • the speed command generator 12 outputs the speed command 500 rpm generated as described above, and the motor drive controller 5a controls the drive voltage of the motor 3 so that the motor speed matches the speed command 500 rpm.
  • the motor control unit 8a periodically generates a speed command omega *, the motor drive control unit 5a to the speed control of the motor 3 based on the speed command omega * is updated each time. By repeating this, the operating point moves to H2 and H3 in FIG.
  • step ST4 when the air volume Q reaches a point H4 exceeding 1000 CFM, the comparison calculation value ⁇ Q becomes smaller than the absolute error 200 CFM, which is the first predetermined range. Therefore, unlike the operating point H3, the speed command ⁇ * is Calculated by step ST4. Since the control gain K G in the formula (11) used in step ST4 is set to a sufficiently small value, the speed command omega * change becomes gentle. Therefore, as shown in FIG. 5, the operating point moves in small increments as H4, H5,... And converges stably to the target operating point Z.
  • the motor control device 8a of the present embodiment includes the air volume calculation unit 11 that calculates the fan air volume Q based on the motor speed ⁇ and the motor torque T, and the air volume Q and the predetermined air volume command Q * .
  • a speed command generation unit 12 that generates a motor speed command ⁇ * so that the air volume Q matches a predetermined air volume command Q * based on the comparison calculation value ⁇ Q.
  • the air volume Q is determined to be predetermined.
  • the air volume command Q * can be made to follow at high speed and converge stably.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of a motor control system including the motor control device according to the second embodiment of the present invention.
  • the motor drive control unit 5a in the first embodiment shown in FIG. 1 is replaced with the motor drive control unit 5b shown in FIG. 6, and similarly, the motor control device 8a in the first embodiment shown in FIG.
  • the configuration is replaced with the motor control device 8b shown in FIG.
  • the motor drive controller 5a is outside the motor controller 8a, but in FIG. 6, the motor drive controller 5b is inside the motor controller 8b.
  • the operations of the motor drive control unit 5b and the motor control device 8b are the same as those of the motor drive control unit 5a and the motor control device 8a in the first embodiment, respectively, and thus the description thereof is omitted.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment, and the description of the same components is omitted.
  • the same operations and effects as those of the first embodiment can be obtained by the above-described configuration.
  • the motor control device 8b in the present embodiment is configured to include the motor drive control unit 5b, a control signal is directly output to the inverter 4 without preparing a device for controlling the inverter 4 separately.
  • the motor 3 can be controlled so that the air volume Q of the fan 1 follows the predetermined air volume command Q * .
  • the control method of the motor is the speed control method, as long as the change in the speed command omega * is not too steep, the speed command omega * and the motor speed omega is substantially equal. For this reason, in the flowchart of the process of the speed command generation unit 12 shown in FIG. 2, the configuration using the formula (13) instead of the formula (10) used in the step ST3 may be used, or the step ST4 is used. Instead of the formula (11), the formula (14) may be used.
  • ⁇ z * is a speed command output last time by the speed command generator 12.
  • the motor control device and motor control method of the present invention are optimal for a system that controls the air volume to a predetermined air volume value, and are useful as air conditioning equipment for general households, commercial buildings, vehicles, and the like.

Abstract

　本発明のモータ制御装置（８ａ）は、モータ速度（ω）及びモータトルク（Ｔ）を示す情報を取得するユニット（６－１０）と、、モータ速度（ω）とモータトルク（Ｔ）とに基づいてファン（１）の風量（Ｑ）を計算する風量計算部（１１）と、風量（Ｑ）を所定の風量指令（Ｑ＊）に一致させるようにモータ（３）の速度指令（ω＊）を生成する速度指令生成部（１２）とを備える。

Description

モータ制御装置及びモータ制御方法
　本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関し、特に、空調装置などのモータ制御を行うファンモータ(fan motor)や換気扇などの送風装置の風量制御方法に関する。
　近年、換気扇又はエアコン（air conditioner）の空調システムにおいて、居室の状況又は空調システムの最適化のために、フィルタの目詰まり、吹き出し口に設けられたベントの状態により静圧が変化しても所定の風量値になるように制御することが求められている。
　所定の風量値に制御する技術として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１に示される従来の技術によれば、ファンを駆動するモータの指示速度を式（１）から算出している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｓ＊はモータの指示速度、Ｓはモータ速度、Ｓａは目標モータ速度、Ｋはゲインである。目標モータ速度Ｓａは式（２）から算出している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｔはモータトルク（motor torque）、Ｑ＊は所定の風量値、ｋｎｍ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｊ、　ｍ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、そしてｉとｊは有限値である。式（２）はモータトルクがＴの場合に風量が所定の風量値Ｑ＊になるために必要なモータ速度がＳａとなるという関係を表す式である。
　特許文献１記載のモータ制御装置によってファンの風量を所定の風量値Ｑ＊に制御する場合のモータの制御について、以下、図７を用いて説明する。
　図７において、曲線Ｆは風量が所定の風量値Ｑ＊になるモータ速度とモータトルクの関係を示している（以下、「風量一定曲線」と呼ぶ）。曲線Ｃは、モータが取り付けられる空調環境に特有の環境曲線を示す（以下、「空調環境曲線」と呼ぶ）。
　いま、モータの動作点が空調環境曲線Ｃ上の点Ａ１にあると想定する。このとき、式（２）によって計算される目標モータ速度Ｓａは、動作点Ａ１と同じモータトルクＴ１を得る風量一定曲線Ｆ上の点Ｂ１におけるモータ速度Ｓａ１である。
　そして、式（１）によってモータ速度Ｓ１からＳａ１を引いた差分（図７中ΔＳで示す）にゲインＫを乗じてモータ速度Ｓ１に加えた結果が得られ、モータの指示速度Ｓ＊（図示せず）として出力される。そして、この指示速度Ｓ＊に従ってモータ速度が制御されることにより、動作点が移動する。
　移動先の動作点でも同様に式（２）と式（１）によって新たな指示速度Ｓ＊が計算される。これを繰り返すことにより、動作点は図７のＡ２、Ａ３と移動していき、最終的にモータ速度Ｓと目標モータ速度Ｓａの差分がゼロになる動作点、つまり空調環境曲線Ｃと風量一定曲線Ｆの交点Ｅに落ち着くことになる。
　特許文献１記載のモータ制御装置は、以上のようにモータトルクおよび所定の風量値を用いて、モータ速度に対する必要な修正値を計算し、この修正値に基づいて指示速度を出力することにより、たとえ所定の風量値が変化したり、フィルタの目詰まりやベントの開閉によって静圧が変化したりしても、風量を所定の風量値に制御することができる。
国際公開第２００８／１１７５１５号
　特許文献１に示されている従来の技術では、モータ速度がどのような変化過程を経て収束するかは、式（１）のゲインＫの値によって変わってくる。例えば、ゲインＫの値が小さい場合、計算周期に対して指示速度Ｓ＊の変化が小さいため、収束に至るまでに時間がかかる。
　一方、ゲインＫの値が大きい場合、計算される指示速度Ｓ＊の変化が大きくなり、図７における収束点Ｅを行ったり戻ったりして、速度が安定に収束しない。このようなことがないように、ゲインＫの値を変えながら実験を行い、最適値を求める。
　しかしながら、ゲインＫの最適値はモータが取り付けられる空調環境によって変化する。例えば、仮想モデルの空調環境においては十分に安定なゲインであっても、家屋に施工された実在のリアルな空調環境においては、エアーフィルタ(air filter)の目詰まりやベントの開閉などによって変化した空調環境のもとでは、ゲイン過剰となって動作点が安定に収束しない場合がある。このため、使用する空調環境の変化を想定して、不安定になりやすい動作領域でも安定にファンが動作できるように、ゲインＫを十分小さい値にすることが望まれる。
　しかし、ゲインＫの値が小さいと収束に至るまでに時間がかかるため、所定の風量値を大きく変化させた場合、風量が新たな所定の風量値に収束するまでに長い時間がかかるケースもあった。
　本発明は上記従来の課題を解決するものであり、たとえ所定の風量値が大きく変化した場合でも、ファンの風量を所定の風量値に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させるモータ制御装置及びモータ制御方法を提案するものである。
　本件出願に係る第１の発明は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置において、モータ速度及びモータトルクを示す情報を取得し、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算する風量計算部と、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備える、モータ制御装置である。　また、本件出願に係る第２の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記速度指令を生成し、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分を利用して前記速度指令を生成する、モータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第３の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前記モータ速度に乗じた結果、又は前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前回出力した速度指令に乗じた結果を、前記速度指令として生成する、モータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第４の発明は、第１の発明において、前記速度指令に前記モータ速度を一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成するモータ駆動制御部を有するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第５の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分を積分演算した値を利用して前記速度指令を生成する構成を具備するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第６の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分にゲインを乗じた値と前記モータ速度との和を利用して前記速度指令を生成する構成を具備するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第７の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記速度指令と前記モータ速度との差が第２の所定の範囲外である場合には、前記速度指令と前記モータ速度との差が前記第２の所定の範囲内に収まるように前記速度指令を修正する構成を具備するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第８の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記モータトルクと前回得られたモータトルクとの差が第３の所定の範囲内である場合には、前記速度指令を前回出力した速度指令と同じ値に修正する構成を具備するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第９の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、最小速度指令および最大速度指令を記憶しており、前記速度指令を前記最小速度指令と前記最小速度指令の範囲内に制限して出力する構成を具備するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第１０の発明は、第１の発明において、前記風量計算部は、前記モータトルクを前記モータ速度の二乗で除した変数の多項式と前記モータ速度との積として風量を計算する、モータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第１１の発明は、第１の発明において、前記モータ速度は、前記モータ速度を検出する第１の検出器により取得される構成を具備するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第１２の発明は、第１の発明において、前記モータトルクは、前記モータに流れる電流を検出する第２の検出器により取得される構成を具備するモータ制御装置である。
　また、本件出願に係る第１３の発明は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御方法において、モータ速度又は及びモータトルクの少なくとも一方を示す情報を取得することと、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算することと、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成することと、を含む、モータ制御方法である。
　本発明のモータ制御装置は、風量計算部で計算した風量に基づいて、風量と所定の風量指令の差が大きいと判断した場合、所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度と等しい速度指令を生成することにより、風量を所定の風量指令に向けて高速に追従させることができ、且つ安定に収束させることができる。
図１は本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 図２は本発明の実施の形態１における速度指令生成部１２の処理例を示すフローチャートである。 図３は本発明の実施の形態１における速度指令生成部１２内部の速度指令修正ステップスの処理例を示すフローチャートである。 図４は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。 図５は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。 図６は本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 図７は従来技術によるモータ制御装置における風量制御を説明する図である。
　（本発明の着眼点）
　本件出願に係る発明者等は、所定の風量値が大きく変化した場合でも、ファンの風量を所定の風量値に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させるために、流体力学における流れの相似性（Similarity of flows）から導出される法則として、一般にファンやブロワ等の送風機において風量が回転速度に比例する法則に着眼した。つまり、この法則によって、風量に対する所定の風量指令（指令された風量）の比率は、モータ速度に対する「所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度」の比率に等しいという関係が成り立つので、風量に対する所定の風量指令の比率にモータ速度を乗じた結果（風量に対する所定の風量指令の比率とモータ速度との積）を速度指令とすることとした。これにより、所定の風量指令が大きく変化しても、速度指令が速やかに新たな所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度の値に変化するため、風量を所定の風量指令に向けて高速に追従させることができる。
　具体的には、本発明のモータ制御装置は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置であって、モータ速度とモータトルクに基づいてファンの風量を計算する風量計算部と、風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して風量を所定の風量指令に一致させるようにモータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備えた構成とする。さらに、本モータ制御装置における前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、風量に対する所定の風量指令の比率をモータ速度に乗じた結果を速度指令として生成する。
　この構成によって、風量と所定の風量指令との比較演算値の大きさに従って速度指令の生成方法が変化する。ここで、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、上記のように風量に対する所定の風量指令の比率をモータ速度に乗じることにより、「所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度」と等しい速度指令が生成される。
　一方、前記比較演算値が第１の所定の範囲内となった場合は、風量と所定の風量指令との差分の積分演算値に基づいてモータ速度を修正する、いわゆる積分補償によるフィードバック制御を行う。
　この場合、制御ゲインを小さくして制御の感度を鈍くすることにより、速度指令の変化を緩やかにすることができる。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態の記載によって本発明が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。図１に示すモータ制御システムは、ファン１、ファン１により送風される空気が通る送風経路２、ファン１を駆動するモータ３、モータ３に電力を供給するインバータ４、インバータ４を制御するモータ駆動制御部５ａと、モータ３の回転子の位置を検出する位置検出器６、モータ３の電流を検出する電流検出器７、ファン１の風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に制御するモータ制御装置８ａからなる構成である。
　モータ制御装置８ａは、位置検出器６の出力信号からモータ速度ωを検出する速度検出部９と、電流検出器７の出力信号からモータトルクＴを検出するトルク検出部１０と、モータ速度ωとモータトルクＴに基づいてファン１の風量Ｑを計算する風量計算部１１と、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータ３の速度指令ω＊を生成する速度指令生成部１２とを含む。ここで、速度検出部９は、公知の他の手段（例えば、回転計、速度センサ等）を用いてモータ速度ωを検出してもよい。また、トルク検出部１０は、公知の他の手段（例えば、トルクメータ等）を用いてモータトルクＴを検出してもよい。
　次に、図１の動作および各構成部の構成要素を説明する。ファン１は送風経路２を通じて所望の場所へ空気を供給する。モータ３はファン１と結合された状態で回転して、ファン１を駆動する。モータ３の構造は特に限定されるものではなく、一例としてブラシレスＤＣモータ（brushless DC motor）がある。他のモータ、例えば誘導モータやブラシ付きモータ(DC motor with brush)でもよい。
　インバータ４はモータ駆動制御部５ａから入力される制御信号に従って半導体スイッチングを行い、電源（図示せず）からの直流電圧を交流に変換して、モータ３に駆動電圧として供給する。ここで、インバータ４内部におけるスイッチ構成やスイッチング方式は、モータ３を駆動する目的に適合していれば、特に限定されるものではない。
　モータ駆動制御部５ａは、モータ制御装置８ａから入力された速度指令ω＊にモータ速度ωを追従させるための駆動電圧を速度制御によって計算し、この駆動電圧をインバータ４に供給させるための制御信号を出力する。位置検出器６はモータ３に取り付けられており、モータ３の回転子の位置に応じた信号を出力する。
　なお、回転子の位置や速度を推定によって検出できる場合には、位置検出器６は不要である。電流検出器７は、本実施の形態ではモータの相電流を直接検出し、相電流値に応じた信号を出力する。しかし、モータトルクを推定できればいかなる部分にて電流を検出してもよく、例えばインバータ４への直流ライン（図示せず）に挿入してモータ電流を検出してもよい。
　モータ制御装置８ａの動作および各構成部の構成要素を説明する。速度検出部９は、位置検出器６の出力信号に基づいてモータ速度ωを計算する。ただし、位置検出器６の出力信号を用いずに、モータ電流や駆動電圧を用いてモータ速度ωを推定計算する構成でもよい。トルク検出部１０は、電流検出器７の出力信号に基づいてモータトルクＴを計算する。
　また、速度検出部９とトルク検出部１０は図１のようにモータ制御装置８ａの内部にある必要はない。ただし外部に配する場合は、計算したモータ速度ωないしモータトルクＴをモータ制御装置８ａへと出力する構成とする。
　風量計算部１１はモータ速度ωとモータトルクＴを式（３）に代入し、ファン１の風量Ｑを計算する。式（３）はモータ３のモータ速度がω、モータトルクがＴの場合にファン１の風量がＱになるという関係を表す式である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Ｋｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、ｉは有限値、ω０はある特定のモータ速度である。
　次に式（３）の根拠および導出について説明する。
　まず、あるファンを、モータ３によってある特定のモータ速度ω０で駆動する実験を行う。このとき、このファンが収められている送風経路内の圧力を変化させたときの風量をＱ０、モータトルクをＴ０とすると、Ｑ０とＴ０の関係が式４によって近似される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、Ｋｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、ｉは有限値である。なお、以下に説明する式（３）の導出によって、式（４）のＫｎとｉは最終的に式（３）のＫｎとｉと同一になる。
　式（４）を求める近似手法は特に限定されるものではなく、例えば最小二乗法、回帰分析などを用いる。ｉは近似式の次数を示す。このｉをいかなる値に設定するかによって近似精度が変わり、風量の計算精度が変わる。
　次に式（４）から式（３）への導出過程を説明する。流れの相似性によって、一般にファンやブロワにおいては、同じ圧損条件では風量はファンの回転速度に比例する法則が存在し、軸動力はファンの回転速度の３乗に比例する法則が存在する。
　ここで、ファンとモータの軸がぶれたり又はずれたりせずに結合されているならば、ファンの回転速度はモータ速度と同一であり、ファンの軸動力はモータ出力（＝モータ速度×モータトルク）と同一であるとみなせるため、次式の式（５）、式（６）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで式（６）は次式の式（７）に変形できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　この式（５）と式（７）は、あるファンを駆動するモータ速度をω０からωに変化させたとき、風量がＱ０からＱに、モータトルクがＴ０からＴに変化するという関係の式である。式（５）と式（７）を式（４）に適用すると、上記の式（３）が導出される。
　以上のように、特定のモータ速度ω０でファンを駆動させる実験のみを行えば、そのとき得られた近似式の式（４）の定数Ｋｎを式（３）に用いることにより、任意のモータ速度ωで同ファンを駆動させたときの風量Ｑを計算することができる。
　なお風量Ｑを式（３）を利用せずに計算してもよい。例えば、送風経路内の圧力を変化させたときの風量Ｑ、モータ速度ω、モータトルクＴの関係を実験で求め、この関係を近似した式（８）を用いてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、Ｋｇｈ（ｇ＝０，１，２，・・・，ｊ、　ｈ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、そしてｉとｊは有限値である。式（８）には流れの相似性が用いられておらず、複数のモータ速度ωにて風量ＱとモータトルクＴを測定する必要があるため、式（８）のＫｇｈの導出には式（４）、式（３）のＫｎの導出よりも多くの測定が必要である。また、ファンの羽根車外径を変更するたびに導出が必要である。しかし、この式（８）によっても風量Ｑをモータ速度ωとモータトルクＴとから計算することができる。
　以上、風量計算部１１について説明した。以下、速度指令生成部１２の動作および構成要素について説明する。
　速度指令生成部１２は、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータ３の速度指令ω＊を生成する。速度指令ω＊の生成は周期的に行われ、例えば毎秒１０回行う。なお、図１では所定の風量指令Ｑ＊がモータ制御装置８ａの外部から入力されているが、必ずしも毎周期外部入力される必要はない。
　例えば、モータ制御装置８ａが内部にメモリ（図示せず）を有する構成とすることにより、外部入力された所定の風量指令Ｑ＊をこのメモリが記憶して、新たな所定の風量指令Ｑ＊が外部入力される都度更新するようにしてもよい。
　また、必ずしも所定の風量指令Ｑ＊がモータ制御装置８ａの外部から入力される必要もない。例えば、モータ制御装置８ａ内部のメモリに複数の所定の風量指令Ｑ＊を記憶させ、手動でモータ制御装置８ａを操作することによって所定の風量指令Ｑ＊を選択する構成としてもよい。
　図２は速度指令生成部１２の処理例を示すフローチャートである。速度指令ω＊の生成は、最初の速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）とその次の速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）の２段階で行われる。
　速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）は、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるように速度指令ω＊を計算する。速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）は、計算された速度指令ω＊を、モータ速度ωとモータトルクＴおよび幾つかの所定値に基づいて修正することによりファンを安定に動作させる。
　まず速度指令計算ステップス（ＳＴ１からＳＴ４）について説明する。
　図２においてモータ制御装置８ａは、まず所定の風量指令Ｑ＊と風量計算部１１で計算された風量Ｑとの比較演算値ΔＱを式（９）によって求める（ステップＳＴ１）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、比較演算値は必ずしも式（９）のように差分で定義される必要はなく、例えばＱ＊をＱで割った比率で定義してもよいが、本実施の形態では式（９）によって定義した比較演算値ΔＱを用いている。
　次いでモータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱの値が第１の所定の範囲外であるか範囲内であるかを判断する（ステップＳＴ２）。例えば、ある所定の閾値を設け、ΔＱの絶対値がこの所定の閾値を超えていれば第１の所定の範囲外と判断し、ΔＱの絶対値がこの所定の閾値以下であれば第１の所定の範囲内と判断する。
　次いでモータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲外である場合には、式（１０）によってモータ３の速度指令ω＊を生成する（ステップＳＴ３）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、ωはモータ３のモータ速度、Ｑはファン１の風量、Ｑ＊は所定の風量指令である。ファンの風量が回転速度に比例するという流体の相似則により、式（１０）によって計算されるモータ速度ω＊は、所定の風量指令Ｑ＊の風量値を実現するモータ速度と等しい値になる。
　このため、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化しても、速度指令ω＊が速やかに新たな所定の風量指令Ｑ＊の風量値を実現するモータ速度の値に変化するため、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させることができる。
　一方モータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲内である場合には、式（１１）によって速度指令ω＊を生成する（ステップＳＴ４）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ここで、ωｚ ＊は速度指令生成部１３が前回出力した速度指令、ＫＧは制御ゲイン（定数）、Ｑはファン１の風量、Ｑ＊は所定の風量指令である。式（１１）はいわゆる積分補償によるフィードバック制御を行うことを意味している。ここで、予め空調環境の変化を想定し、風量Ｑを十分に安定に所定の風量指令Ｑ＊に収束させるように、制御ゲインＫＧの値を十分小さい値に設定する。
　以上のように構成した速度指令計算ステップス（ＳＴ１からＳＴ４）の作用と効果を説明する。
　仮に比較演算値ΔＱの値に係わらず常に式（１１）によって速度指令ω＊を生成するようにすると、風量Ｑを安定に収束させることはできるが、常に速度指令ω＊の変化が緩やかになる。このため、所定の風量指令Ｑ＊を大きく変化させた場合、風量Ｑが新たな所定の風量指令Ｑ＊に収束するまでに長い時間がかかってしまう。
　しかし、その代わりに仮に常に式（１０）によって速度指令ω＊を生成すれば、計算される速度指令ω＊の変化が大きくなり、風量Ｑが所定の風量指令Ｑ＊の風量値を行ったり戻ったりして、安定に収束できないおそれがある。
　そこで本実施の形態のように、比較演算値ΔＱの大きさに基づいて、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差が大きいと判断した場合は式（１０）によってモータ速度ωを大きく変化させ、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差が小さいと判断した場合は式（１１）によってモータ速度ωを緩やかに調整することにより、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化した場合でも、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させることができる。
　次に、速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）について説明する。図３は図２における速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）の内部で行われる処理例のフローチャートである。
　図３においてまずモータ制御装置８ａは、速度指令計算ステップスで生成された速度指令ω＊が、所定の最小速度指令と所定の最大速度指令の範囲内であるか否かを判断し、範囲内であれば速度指令ω＊を修正せず、所定の最小速度指令より小さい場合は速度指令ω＊を所定の最小速度指令に修正し、所定の最大速度指令を超えている場合は速度指令ω＊を所定の最大速度指令に修正する（ステップＳＴ５）。
　このステップＳＴ５の効果を説明する。
　送風経路２内の圧力が小さい場合など、所定の風量指令Ｑ＊の風量値を得るためにモータ速度ωをそれほど必要としない空調環境がある。このような空調環境においては、モータ速度ωが極低速となる場合がある。
　この場合に、モータ３や送風経路２で急峻な状態変化が生じると、式（３）の定数Ｋｎの値によっては、過渡的に速度指令ω＊がマイナスの値で計算される場合があり、この場合はファン１が逆回転することになる。ファン１が逆回転すると吸い込み動作となって使用者が異常であると判断してしまうおそれがある。そのため速度指令ω＊に下限となる所定の最小速度指令を設けることにより、逆回転を防止できる。
　逆に送風経路２内の圧力が大きい場合では、速度指令ω＊が異常に高い値になる場合がある。この場合、モータの能力を超える動作を実現しようとして制御が不安定になったり、モータ３が高速回転することによりファンやモータの振動が大きくなって、ファンやモータが故障したりするおそれがある。そのため速度指令ω＊に上限となる所定の最大速度指令を設けることにより、制御の不安定化あるいはファンやモータの故障を防止できる。
　次いでモータ制御装置８ａは、式（１２）によって速度指令ω＊とモータ速度ωとの差である速度偏差Δωを計算し、速度偏差Δωが第２の所定の範囲内である場合には速度指令ω＊を修正せず、速度偏差Δωが第２の所定の範囲外である場合には速度偏差Δωが第２の所定の範囲内に収まるように速度指令ω＊を修正する（ステップＳＴ６）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　修正方法の例としては、所定の正の制限幅Ｌを設けて、モータ速度ωにＬを加えた（ω＋Ｌ）を上限値、モータ速度ωからＬを減じた（ω－Ｌ）を下限値とし、速度指令ω＊が上限値（ω＋Ｌ）を超える場合には速度指令ω＊を上限値（ω＋Ｌ）に修正し、速度指令ω＊が加減値（ω－Ｌ）より小さい場合には速度指令ω＊を下限値（ω－Ｌ）に修正する。
　このステップＳＴ６の効果を説明する。仮にモータ速度ωを急激に変化させた場合、モータトルクＴや送風経路２内の圧力の過渡的な変化により、実際の風量と風量計算部１１によって計算される風量Ｑとが乖離し、風量を安定に制御できなくなるおそれがある。そのため速度指令ω＊の変化幅に第２の所定の範囲を設けて急激なモータ速度ωの変化を防止することにより、風量Ｑの乖離による制御の不安定化を防止できる。
　次いでモータ制御装置８ａは、得られたモータトルクＴと前回得られたモータトルクＴとを比較し、その差が第３の所定の範囲内である場合には、モータトルクＴの変化が僅かであると判断して、速度指令ω＊を速度指令生成部１３が前回出力した速度指令ωｚ ＊と同じ値に修正する（ステップＳＴ７）。
　このステップＳＴ７の効果を説明する。仮にステップＳＴ７を行わず、僅かなモータトルクＴの変化によっても速度指令ω＊を変化させるようにすると、モータトルクＴの変化に速度指令ω＊が追従してようとして振動し、風量Ｑがいつまでも所定の風量指令Ｑ＊の風量値を行ったり戻ったりして安定に収束しない。そのため第３の所定の範囲によってトルク検出の不感帯を設け、収束点付近で速度指令ω＊が振動するのを防止することにより、風量Ｑを安定に所定の風量指令Ｑ＊に収束させることができる。
　以上のように構成されたモータ制御装置８ａについて、以下にその動作を図４、図５を用いて説明する。図４および図５は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。図４、図５において、直線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、それぞれある空調環境でのモータ速度ωと風量Ｑの関係を示す。直線の傾きは、送風経路２の形状や吹き出し口に設けられたベントの状態などの空調環境によって変わる。
　いま、直線Ｇ１で示される空調環境においてファン１を駆動しており、動作点が点Ｈ１にある状態を想定する。ファン１はこのとき４００ＣＦＭの風量を送風経路２を通じて送り出しており、このときのモータ速度は３００ｒｐｍである。
　以下に、所定の風量指令Ｑ＊が１２００ＣＦＭで与えられた場合の動作点の変化を説明する。ただし、速度指令生成部１２のステップＳＴ２における第１の所定の範囲を絶対誤差２００ＣＦＭとし、ステップＳＴ６における第２の所定の範囲を絶対誤差２００ｒｐｍとする。
　まず、風量計算部１１が動作点Ｈ１における風量４００ＣＦＭを計算する。次に、速度指令生成部１２の速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）が速度指令ω＊を計算する。このとき式（９）で計算される比較演算値ΔＱは８００ＣＦＭであり、第１の所定の範囲である絶対誤差２００ＣＦＭを超えるため、ステップＳＴ２の条件分岐によって、ステップＳＴ３へと処理が移行する。
　ステップＳＴ３は式（１０）を用いて、速度指令ω＊を（１２００／４００）×３００＝９００［ｒｐｍ］と計算する。したがってこのとき、図４における点Ｚが目標の動作点となる。
　次いで速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）が速度指令ω＊を修正する。ステップＳＴ６の式（１２）で計算される速度偏差Δωは６００ｒｐｍであり、第２の所定の範囲である絶対誤差２００ｒｐｍを超えているため、ステップＳＴ６は現在のモータ速度３００ｒｐｍに所定の絶対誤差２００ｒｐｍを加えた上限値５００ｒｐｍに速度指令ω＊を修正する。以上により、目標の動作点は図４における点Ｚから点Ｚ１に修正される。
　そして、以上のように生成された速度指令５００ｒｐｍを速度指令生成部１２が出力し、モータ駆動制御部５ａがモータ速度を速度指令５００ｒｐｍに一致させるようにモータ３の駆動電圧を制御する。モータ制御装置８ａは周期的に速度指令ω＊を生成し、その都度更新される速度指令ω＊に基づいてモータ駆動制御部５ａがモータ３を速度制御する。これを繰り返すことにより、動作点は図５のＨ２、Ｈ３と移動していく。
　図５において風量Ｑが１０００ＣＦＭを超える点Ｈ４に到達したとき、比較演算値ΔＱは第１の所定の範囲である絶対誤差２００ＣＦＭより小さくなるため、動作点Ｈ３までとは異なり、速度指令ω＊はステップＳＴ４によって計算される。ステップＳＴ４で用いられる式（１１）の制御ゲインＫＧは十分小さい値に設定されているため、速度指令ω＊の変化は緩やかになる。このため、動作点は図５に示すように、Ｈ４、Ｈ５、・・・と小刻みに移動していき、安定に目標の動作点Ｚに収束する。
　以上のように、本実施の形態のモータ制御装置８ａは、モータ速度ωとモータトルクＴに基づいてファンの風量Ｑを計算する風量計算部１１と、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との比較演算値ΔＱに基づいて風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータの速度指令ω＊を生成する速度指令生成部１２と、を備え、速度指令生成部１２は、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲外である場合には、風量Ｑに対する所定の風量指令Ｑ＊の比率をモータ速度ωに乗じた結果を速度指令ω＊として生成し、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲内である場合には、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差分を積分演算した値を利用して速度指令ω＊を生成する構成である。
　このように構成することにより、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊の差ΔＱが大きい場合には、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に高速に追従させ、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊の差ΔＱが小さい場合には、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊へと緩やかかつ安定に収束させることができる。
　このように風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差ΔＱに応じて速度指令ω＊の生成方法を変化させることにより、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化した場合でも、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させることができる。
　（実施の形態２）
　図６は、本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。本実施の形態は、図１に示す実施の形態１におけるモータ駆動制御部５ａを図６に示すモータ駆動制御部５ｂに置き換え、同様に、図１に示す実施の形態１におけるモータ制御装置８ａを図６に示すモータ制御装置８ｂに置き換えた構成である。
　図１ではモータ駆動制御部５ａがモータ制御装置８ａの外部にあるが、図６ではモータ駆動制御部５ｂがモータ制御装置８ｂの内部にある構成である。
　なお、モータ駆動制御部５ｂおよびモータ制御装置８ｂの動作は、それぞれ実施の形態１におけるモータ駆動制御部５ａとモータ制御装置８ａと同じであるため説明を省略する。その他の構成についても実施の形態１と同じであり、同じ構成要素の説明は省略する。
　本実施の形態は、上述の構成によって、実施の形態１と同様の作用および効果を得ることができる。また本実施の形態におけるモータ制御装置８ｂは、モータ駆動制御部５ｂを内部に有する構成であるため、インバータ４を制御する装置を別個に用意することなく、直接にインバータ４に制御信号を出力して、ファン１の風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に追従させるようにモータ３を制御することができる。
　次に、実施の形態１と実施の形態２を含めて、本発明の共通的な代替構成について説明する。
　モータの制御方式が速度制御方式であるため、速度指令ω＊の変化が急峻になり過ぎない限りにおいて、速度指令ω＊とモータ速度ωはほぼ等しくなる。このため、図２に示す速度指令生成部１２の処理のフローチャートにおいて、ステップＳＴ３に用いられている式（１０）の代わりに式（１３）を用いる構成としてもよいし、ステップＳＴ４に用いられている式（１１）の代わりに式（１４）を用いる構成としてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　ここで、ωｚ ＊は速度指令生成部１２が前回出力した速度指令である。
　本発明のモータ制御装置及びモータ制御方法は、風量を所定の風量値に制御するようなシステムに最適であり、一般家庭の家屋、業務用建築物、車両等の空調設備として有用である。
　１　ファン
　２　送風経路
　３　モータ
　４　インバータ
　５ａ　モータ駆動制御部
　５ｂ　モータ駆動制御部
　６　位置検出器
　７　電流検出器
　８ａ　モータ制御装置
　８ｂ　モータ制御装置
　９　速度検出部
　１０　トルク検出部
　１１　風量計算部
　１２　速度指令生成部

Claims (13)

  1. ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置において、モータ速度及びモータトルクを示す情報を取得し、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算する風量計算部と、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備える、モータ制御装置。
  2. 前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記速度指令を生成し、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分を利用して前記速度指令を生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前記モータ速度に乗じた結果、又は前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前回出力した速度指令に乗じた結果を、前記速度指令として生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  4. 前記速度指令に前記モータ速度を一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成するモータ駆動制御部を更に有する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  5. 前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分を積分演算した値を利用して前記速度指令を生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  6. 前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分にゲインを乗じた値と前記モータ速度との和を利用して前記速度指令を生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  7. 前記速度指令生成部は、前記速度指令と前記モータ速度との差が第２の所定の範囲外である場合には、前記速度指令と前記モータ速度との差が前記第２の所定の範囲内に収まるように前記速度指令を修正する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  8. 前記速度指令生成部は、前記モータトルクと前回得られたモータトルクとの差が第３の所定の範囲内である場合には、前記速度指令を前回出力した速度指令と同じ値に修正する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  9. 前記速度指令生成部は、最小速度指令および最大速度指令を記憶しており、前記速度指令を前記最小速度指令と前記最小速度指令の範囲内に制限して出力する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  10. 前記風量計算部は、前記モータトルクを前記モータ速度の二乗で除した変数の多項式と前記モータ速度との積として風量を計算する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  11. 前記モータ速度は、前記モータ速度を検出する第１の検出器により取得される、請求項１に記載のモータ制御装置。
  12. 前記モータトルクは、前記モータに流れる電流を検出する第２の検出器により取得される、請求項１に記載のモータ制御装置。
  13. ファンを駆動するモータを制御するモータ制御方法において、
    モータ速度及びモータトルクを示す情報を取得することと、
    取得した前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算することと、
    計算した前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成することと、
    を含む、モータ制御方法。
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