WO2022137406A1 - 換気送風機 - Google Patents

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和彦 堀田
拓也 中村
亮太 黒澤
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a ventilation blower using a permanent magnet type synchronous motor.
  • the difference in the duct route is, for example, the difference in the number of bends and the difference in the angle of bends.
  • Ventilation blowers that control the ventilation air volume are disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • the ventilation air volume is adjusted by controlling a permanent magnet type synchronous motor included in the ventilation blower.
  • Patent Document 1 discloses a mathematical formula in which the motor current value Im that controls the motor torque of the motor and the angular velocity ⁇ are linearly approximated.
  • Patent Document 2 discloses a proportional equation between the torque current value Iq in vector control defined as the current proportional to the motor torque of the motor and the angular velocity ⁇ , and if it can be controlled according to this equation, the ventilation air volume of the ventilation blower. It is said that can be made almost constant.
  • the formula is calculated from the ideal characteristics of the motor and blades, and in the actual product, error factors that hinder the ideal characteristics are included.
  • error factors For example, the cogging torque generated between the stator core of the motor and the rotor is an error factor. Further, an increase in the motor current due to iron loss, which is a loss generated inside the iron core material, is an error factor. In addition, an error factor is that an operating torque higher than expected is required due to wind leakage from a gap generated due to the structure of the blower.
  • the ventilation air volume according to the actual situation can be obtained, but the memorized angular velocity ⁇ and the torque current value can be obtained.
  • Iq increases, the capacity of the storage device increases, which leads to an increase in cost.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and an object of the present disclosure is to obtain a ventilation blower capable of accurate and fine control of air volume while suppressing costs.
  • the ventilation blower includes an inverter main circuit that converts DC power into three-phase AC power by switching a plurality of switching elements, and a stator. It also includes a motor body having a rotor and being driven by the inverter main circuit, a motor control circuit for controlling the inverter main circuit, and a storage device.
  • the storage device In the storage device, the angular velocity and torque current value of the rotor at the first operating point at which the first air volume is obtained on the first load characteristic, and the second air volume different from the first air volume on the first load characteristic. The angular velocity and torque current value at the second operating point at which the air volume is obtained are stored.
  • the motor control circuit obtains a third air volume on the first load characteristic from the angular speed and torque current value at the first operating point and the angular speed and torque current value at the second operating point.
  • the angular speed and torque current value at the point are calculated, and the motor body is driven by the inverter main circuit with the angular speed and torque current value at the third operating point.
  • the ventilation blower according to the present disclosure has the effect of being able to control the air volume accurately and finely while keeping costs down.
  • the block diagram which shows the structure of the permanent magnet type synchronous motor which concerns on Embodiment 1.
  • Characteristic diagram of the ventilation blower shown in FIG. The figure which shows the relationship between the angular velocity and the torque current value when the ventilation air volume is controlled to be constant in the ventilation blower shown in FIG.
  • FIG. 1 The figure which shows the angular velocity and the torque current value obtained from the measured value shown in FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a permanent magnet type synchronous motor according to the first embodiment.
  • the permanent magnet type synchronous motor 100 includes a rectifying smoothing circuit 2 connected to an AC power supply 1, a PWM-driven inverter main circuit 3, a permanent magnet type motor body 20, and a motor torque control unit 53 as a motor control circuit.
  • the motor body 20 includes a stator 21 and a permanent magnet type rotor (not shown).
  • the rectifying smoothing circuit 2 is composed of a rectifying circuit 2d and a smoothing capacitor 2c, and supplies DC power converted from AC power supplied from the AC power supply 1 to the inverter main circuit 3.
  • the inverter main circuit 3 is composed of transistors 31 to 33 which are switching elements of the upper arm and transistors 34 to 36 which are switching elements of the lower arm.
  • the DC power supplied from the rectifying and smoothing circuit 2 is converted into three-phase AC power having a variable voltage and a variable frequency by switching the transistors 31 to 36 in the inverter main circuit 3.
  • the motor body 20 is driven by supplying the three-phase AC power output from the inverter main circuit 3 to the motor body 20. That is, a three-phase alternating current is supplied to the stator 21 to control the rotation of the rotor.
  • bipolar transistors are used as the transistors 31 to 36, but the element is not limited as long as it is a switching element, so a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Dutor Field-Effective Transistor) may be used. ..
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Dutor Field-Effective Transistor
  • the motor torque control unit 53 includes a voltage detection unit 6 that detects the DC bus voltage Vdc input to the inverter main circuit 3, and an excitation current value Id and a torque current value Iq that detect the motor current value Iu and the motor current value Iv.
  • the current detection unit 5 that converts to, the voltage calculation unit 8 that calculates and outputs the d-axis voltage command value Vd * and the q-axis voltage command value Vq *, and the magnetic pole position that obtains the estimated value ⁇ ⁇ of the magnetic pole position of the rotor.
  • the detection unit 9, the speed calculation unit 10 that calculates the angular velocity ⁇ r from the estimated value ⁇ ⁇ obtained by the magnetic pole position detection unit 9, and the three-phase voltage command values Vu *, Vv *, Vw * are calculated and output.
  • a drive circuit 13 for driving the voltage current and a torque current command generation unit 16 are provided.
  • the current detection unit 5 detects the motor current values Iu and Iv flowing in the winding corresponding to the two phases of the stator 21. Specifically, the voltage value generated by the current flowing through the shunt resistors 341 and 351 which are the current detection resistors connected to the emitters of the transistors 34 and 35 of the lower arm of the inverter main circuit 3 is detected and used. The motor current value Iu and the motor current value Iv are detected by converting them into current values. The current detection unit 5 converts the detected motor current value Iu and motor current value Iv into the excitation current value Id and the torque current value Iq.
  • the voltage calculation unit 8 calculates the d-axis voltage command value Vd * and the q-axis voltage command value Vq * so that the torque current value Iq output by the current detection unit 5 approaches the torque current command value Iq *. Specifically, the voltage calculation unit 8 is d from the DC bus voltage Vdc, the exciting current value Id, the torque current value Iq, the angular velocity ⁇ r, and the difference value between the torque current command value Iq * and the torque current value Iq. The shaft voltage command value Vd * and the q-axis voltage command value Vq * are calculated and output as applied voltage information.
  • the magnetic pole position detection unit 9 can use the excitation current value Id and the torque current value Iq obtained by the current detection unit 5 as motor current information required for sensorless control without using the rotor magnetic pole position detection sensor. That is, the magnetic pole position detecting unit 9 includes the exciting current value Id and the torque current value Iq, the d-axis voltage command value Vd * and the q-axis voltage command value Vq * which are the applied voltage information obtained by the voltage calculation unit 8, and the motor.
  • the estimated value ⁇ ⁇ of the magnetic pole position of the rotor can be obtained by using a constant.
  • the estimated values ⁇ to obtained by the magnetic pole position detecting unit 9 are output to the current detecting unit 5, and are used as the magnetic pole position ⁇ for obtaining the exciting current value Id and the torque current value Iq.
  • the three-phase voltage calculation unit 11 includes the d-axis voltage command value Vd * and the q-axis voltage command value Vq *, which are the applied voltage information obtained by the voltage calculation unit 8, and the estimated value ⁇ ⁇ obtained by the magnetic pole position detection unit 9.
  • the command values Vu *, Vv *, and Vw * of the three-phase voltage are calculated and output from.
  • the three-phase voltage calculation unit 11 and the PWM modulation circuit 12 constitute an inverter control unit that controls the inverter main circuit 3, and by controlling the inverter main circuit 3, command values Vu *, Vv *, Vw * are given to the motor body 20. A three-phase voltage based on is applied.
  • the torque current command generation unit 16 calculates the torque current command value Iq * and outputs it to the voltage calculation unit 8. Next, the configuration of the ventilation blower including the permanent magnet type synchronous motor 100 will be described, and then the method of calculating the torque current command value Iq * by the torque current command generation unit 16 will be described.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a ventilation blower using a permanent magnet type synchronous motor according to the first embodiment.
  • the ventilation blower 200 includes a permanent magnet type synchronous motor 100, an impeller 60, and a casing 61.
  • the impeller 60 is connected to the output shaft 100a of the permanent magnet type synchronous motor 100.
  • the impeller 60 is housed inside the casing 61. Electric power is supplied to the permanent magnet type synchronous motor 100 from the AC power supply 1.
  • a duct (not shown) is connected to the ventilation blower 200.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram of the ventilation blower shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the angular velocity and the torque current value when the ventilation air volume is controlled to be constant in the ventilation blower shown in FIG.
  • I wish I could.
  • the angular velocity ⁇ and the torque current value Iq of the permanent magnet type synchronous motor 100 at that time have the characteristics as shown in FIG. In the following description, the angular velocity ⁇ and the torque current value Iq are collectively referred to as parameters.
  • the characteristics of the constant ventilation air volume ( ⁇ , Iq) are linear, the cogging torque generated between the stator core and the rotor of the permanent magnet type synchronous motor 100 and the loss generated inside the core material It is not a perfect straight line due to error factors such as an increase in motor current due to iron loss and air leakage from a gap generated due to the structure of the ventilation blower 200. Therefore, in order to improve the control accuracy of the ventilation air volume, the angular velocity ⁇ and the torque current value Iq are actually measured on two or more different load characteristics, and converge on the line connecting the operation points on FIG. 4 obtained from the measured values. As a result, the angular velocity ⁇ and the torque current value Iq are controlled.
  • FIG. 4 shows an example in which parameters are actually measured with three different load characteristics. If the angular velocity ⁇ and the torque current value Iq are controlled so as to converge on the line connecting the obtained operating points, the constant value shown in FIG. 3 is shown. Ventilation is performed with the ventilation air volume QL. The more operating points obtained by actual measurement, the better the accuracy of air volume control. If it is necessary to widen the control range for static pressure, the control range can be adjusted while improving the accuracy of air volume control by calculating the line to be converged using the measured values measured with four or more load characteristics. Can be expanded.
  • the relationship between the ventilation air volume QL, QM, and QH is QL ⁇ QM ⁇ QH.
  • the ventilation air volume QL is the ventilation air volume at the time of a weak notch set in the ventilation blower 200.
  • the ventilation air volume QH is the ventilation air volume at the time of a strong notch set in the ventilation blower 200.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the parameters of the ventilation air volume QL, the parameters of the ventilation air volume QH, and the parameters of the ventilation air volume QM.
  • the QM ( ⁇ Mn , Iq Mn ), which is a parameter in the ventilation air volume QM, is calculated using QL ( ⁇ Ln , Iq Ln ) and QH ( ⁇ Hn , Iq Hn ).
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the calculation of the torque current value using known operating points on the same load characteristics. Since the ventilation air volume Q ⁇ angular velocity ⁇ is obtained on the same load characteristic, it can be calculated by the following equation (1) on the same load characteristic.
  • the angular velocity can be calculated using the following equations (2) and (3).
  • ⁇ Mn ((QM-QL), ⁇ Hn + (QH-QM), ⁇ Ln ) / ((QH-QM) + (QM-QL)) ...
  • ⁇ Mn ((QM-QL), ⁇ Hn + (QH-QM), ⁇ Ln ) / (QH-QL) ... (3)
  • the value of the torque current value Iq at the angular velocity ⁇ is calculated next.
  • the square of the angular velocity ⁇ is proportional to the torque. Since the torque current value Iq is proportional to the torque, the square of the angular velocity ⁇ is proportional to the torque current value Iq.
  • Iq ⁇ n ⁇ ⁇ 2 + ⁇ n ... (4)
  • ⁇ n and ⁇ n are constants with the same load characteristics.
  • ⁇ n (Iq Hn -Iq Ln ) / ( ⁇ Hn 2 - ⁇ Ln 2 ) ... (7)
  • ⁇ n ( ⁇ Hn 2 ⁇ Iq Ln - ⁇ Ln 2 ⁇ Iq Hn ) / (( ⁇ Hn 2 ⁇ Ln 2 ))... (8)
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of actually measured values in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing an angular velocity and a torque current value obtained from the actually measured values shown in FIG. 7. For example, from the measured values of the minimum ventilation air volume QH and the ventilation air volume QL shown in FIG. 7, the angular velocity and the torque current value which are the arbitrary ventilation air volume QM shown in FIG. 8 can be obtained.
  • the torque current command generation unit 16 performs the above calculation to obtain the torque current command value Iq * for operating the ventilation blower 200 with the target ventilation air volume.
  • the torque current command generation unit 16 stores in advance parameters at at least two or more or four or more operating points.
  • the torque current command generation unit 16 is instructed to command Q * of the target ventilation air volume. For example, assuming that the command value is QM, the torque current command generation unit 16 obtains the parameter at the operation point where the ventilation air volume is QM from the stored parameters. Further, the ⁇ -Iq characteristic, which is the air volume characteristic, is approximated by connecting the obtained operating points. Then, control is performed so that the actual operating angular velocity and the torque current value are on the approximated ⁇ -Iq characteristics.
  • the actual operating angular velocity is the angular velocity at the time when the ventilation blower 200 is operated.
  • the permanent magnet type synchronous motor 100 is controlled by using the ⁇ -Iq characteristic obtained by the torque current command generation unit 16, and the target air volume can be obtained.
  • first operating points 111 and second There are two operating points (first operating points 111 and second) where the parameters are stored in advance in the torque / current command generation unit 16 on one load characteristic but the ventilation air volume differs between QL and QM.
  • the following control is performed when there are two operating points (fourth operating point 114 and fifth operating point 115) that are on different load characteristics but have different ventilation air volumes between QL and QM. Is possible.
  • the torque current command generation unit 16 determines the ventilation air volume on the load characteristic from the parameters at the first operating point 111 and the parameters at the second operating point 112 at the third operating point 113. The parameters are calculated. Further, the torque current command generation unit 16 determines the ventilation air volume on the load characteristics from the parameters at the fourth operating point 114 and the parameters at the fifth operating point 115 at the sixth operating point 116. The parameters are calculated. Then, the torque current command generation unit 16 approximates the ⁇ -Iq characteristic in which the ventilation air volume is constant in QM from the parameter at the third operating point 113 and the parameter at the sixth operating point 116. By converging the parameter to the approximated ⁇ -Iq characteristic on any load characteristic, the ventilation air volume can be controlled to be QM. The torque current command value Iq * is obtained by the convergence of the parameters. Therefore, if the parameters at the four operating points are stored, it is possible to accurately realize the operation with an arbitrary load characteristic and an arbitrary ventilation air volume.
  • the parameters stored in advance are the parameters actually measured at each operation point for each ventilation blower 200.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example in which an operating point at which the target ventilation air volume is constant is approximated at multiple points using load characteristics.
  • the parameters at the operating point where the ventilation air volume QL and the ventilation air volume QH on the load characteristics n1, n2, ..., M-1, m are stored in advance. From the parameters at these many operating points, the parameters of the operating points that are the target air volumes on the load characteristics n1, n2, ..., M-1, m are calculated. From the calculated parameters, the ⁇ -Iq characteristic that the ventilation air volume is constant at the target air volume is approximated. The accuracy of the approximation is improved by increasing the parameters used for the approximation. By increasing the parameters to be stored in advance, the storage capacity of the storage device and the number of operations can be increased, but the accuracy of the ventilation air volume can be improved.
  • the ventilation blower 200 by storing two or more parameters (angular velocity ⁇ , torque current value Iq) at the operating points required by the control software or the like. Accurate air volume control that eliminates the discrepancy between theoretical characteristics and actual conditions is possible. Further, by deriving an operation point having another ventilation air volume from the memorized operation point by calculation, it is possible to easily realize constant control with an arbitrary ventilation air volume instead of stepwise selection of the air volume.
  • the physical size of the control circuit installed outside the permanent magnet type synchronous motor 100 can be saved. Can be done. As a result, the proportion of the control circuit in the ventilation blower 200 can be reduced, and the volume of the product can be reduced.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the microcomputer according to the first embodiment.
  • the microcomputer 40 includes a CPU (Central Processing Unit) 41 that executes calculations and controls, a RAM (Random Access Memory) 42 that the CPU 41 uses for a work area, a ROM (Read Only Memory) 43 that stores programs and data, and a ROM (Read Only Memory) 43. It includes an I / O (Input / Output) 44, which is hardware for exchanging signals with the outside, and a peripheral device 45 including an oscillator that generates a clock.
  • I / O Input / Output
  • a function excluding the function of detecting the motor current of the current detecting unit 5 and the function of the voltage detecting unit 6 from each function of the motor torque control unit 53 in the first embodiment can be realized by the microcomputer 40.
  • the control executed by the microcomputer 40 is realized by the CPU 41 executing a program which is software stored in the ROM 43.
  • the ROM 43 may be a non-volatile memory such as a rewritable flash memory.
  • the ROM 43 also functions as a storage device in which the information at the operation point is stored in advance in the torque current command generation unit 16.
  • the configuration shown in the above embodiments is an example, and can be combined with another known technique, can be combined with each other, and does not deviate from the gist. It is also possible to omit or change a part of the configuration.

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Abstract

換気送風機は、インバータ主回路と、固定子および回転子を有してインバータ主回路により駆動されるモータ本体と、インバータ主回路を制御するモータ制御回路と、記憶装置と、を備える。記憶装置には、第１の負荷特性上において第１の風量を得る第１の運転ポイントでの回転子の角速度とトルク電流値と、第１の負荷特性上において第１の風量と異なる第２の風量を得る第２の運転ポイントでの角速度とトルク電流値とが記憶されている。モータ制御回路は、第１の運転ポイントでの角速度とトルク電流値および第２の運転ポイントでの角速度とトルク電流値とから、第１の負荷特性上において第３の風量を得る第３の運転ポイントでの角速度とトルク電流値を算出し、第３の運転ポイントでの角速度とトルク電流値とで、インバータ主回路にモータ本体を駆動させる。

Description

換気送風機
　本開示は、永久磁石式同期モータを利用した換気送風機に関する。
　換気扇および送風機といった換気送風機に対して、近年では省エネルギー化および低騒音化などの市場要求が大きくなっている。省エネルギー化および低騒音化を図るためには、換気送風機で換気する居室などの空間の換気風量を必要最小限にして運転することが有効である。居室の容積は様々であるため、必要最小限となる換気風量も居室の容積に応じて様々に設定される。したがって、換気送風機には、回転数をきめ細かに制御する必要が生じている。
　換気送風機に接続されたダクトの長さの違いおよびダクトの経路の違いによって送風上の損失が異なるため、同じ換気送風機を同じ出力で使用しても、その設置環境によって換気風量が異なる。そのため、設置環境に応じて適切な換気風量を確保できる換気送風機が望まれている。なお、ダクトの経路の違いは、例えば曲がりの数の違いや曲がりの角度の違いである。
　また昨今の感染性ウイルスの感染予防として、換気による空気の急速な清浄化が必要とされ、室内の空気の汚染度や入場した人数から割り出された換気風量で適切に換気する必要性が生じるなど、最適な換気風量での換気への要求も増してきている。換気風量を制御する換気送風機が、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。このような換気送風機では、換気送風機が備える永久磁石式同期モータを制御して、換気風量の調整が行われる。
特許第５７４３９０９号公報 特許第６３７４６６２号公報
　特許文献１にはモータのモータトルクを制御するモータ電流値Ｉｍと角速度ωを線形近似した数式が開示されており、この数式に沿って制御できれば換気送風機の換気風量を略一定にできるとされている。特許文献２にはモータのモータトルクに比例した電流と定義されるベクトル制御でのトルク電流値Ｉｑと角速度ωとの比例式が開示されており、この数式に沿って制御できれば換気送風機の換気風量を略一定にできるとされている。
　しかしながら、その数式はモータおよび羽根の理想的な特性から計算されたものであり、実際の製品では理想の特性を阻害する誤差要因が含まれる。誤差要因には以下のものが例示される。例えば、モータの固定子鉄心とロータ間に発生するコギングトルクが誤差要因である。また、鉄心材料の内部で発生する損失となる鉄損のためのモータ電流の増加が誤差要因である。また、送風機の構造上発生する隙間からの風洩れなどが原因で想定以上の運転トルクが必要となることが誤差要因である。
　例示したような誤差要因の影響によって、トルク電流値Ｉｑと角速度ωは理論で計算された直線的な特性にならないのが実態であり、上記理論に基づいた理想的な制御をしても、目標とする換気風量との間に誤差が生じる。
　なお、換気送風機が設置された状況の実態に即した角速度ωおよびトルク電流値Ｉｑを細かく記憶しておけば、実態に即した換気風量を得ることができるが、記憶する角速度ωおよびトルク電流値Ｉｑが増えることで記憶装置の容量が増大してコストの増大を招く。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、コストを抑えつつ精度のよいきめ細かな風量制御ができる換気送風機を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる換気送風機は、複数のスイッチング素子がスイッチングされることにより直流電力を三相の交流電力に変換するインバータ主回路と、固定子および回転子を有してインバータ主回路により駆動されるモータ本体と、インバータ主回路を制御するモータ制御回路と、記憶装置と、を備える。記憶装置には、第１の負荷特性上において第１の風量を得る第１の運転ポイントでの回転子の角速度とトルク電流値と、第１の負荷特性上において第１の風量と異なる第２の風量を得る第２の運転ポイントでの角速度とトルク電流値とが記憶されている。モータ制御回路は、第１の運転ポイントでの角速度とトルク電流値および第２の運転ポイントでの角速度とトルク電流値とから、第１の負荷特性上において第３の風量を得る第３の運転ポイントでの角速度とトルク電流値を算出し、第３の運転ポイントでの角速度とトルク電流値とで、インバータ主回路にモータ本体を駆動させる。
　本開示にかかる換気送風機は、コストを抑えつつ精度のよいきめ細かな風量制御ができるという効果を奏する。
実施の形態１にかかる永久磁石式同期モータの構成を示すブロック図 実施の形態１にかかる永久磁石式同期モータを用いた換気送風機の概略構成を示す図 図２に示した換気送風機の特性図 図２に示した換気送風機において換気風量が一定に制御される時の角速度とトルク電流値の関係を表す図 換気風量ＱＬのパラメータと換気風量ＱＨのパラメータと換気風量ＱＭのパラメータとの関係を示した図 同一の負荷特性上での既知の運転ポイントを用いたトルク電流値の計算を説明する図 実施の形態１における実測値の例を示す図 図７に示す実測値から得られた角速度とトルク電流値を示す図 目標となる換気風量が一定となる運転ポイントを負荷特性を使って多点で近似した例を示す図 実施の形態１におけるマイクロコンピュータの構成を示すブロック図
　以下に、実施の形態にかかる換気送風機を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかる永久磁石式同期モータの構成を示すブロック図である。永久磁石式同期モータ１００は、交流電源１に接続された整流平滑回路２と、ＰＷＭ駆動されるインバータ主回路３と、永久磁石式のモータ本体２０と、モータ制御回路としてのモータトルク制御部５３と、を備える。モータ本体２０は、固定子２１と、図示していない永久磁石式の回転子とを備える。
　整流平滑回路２は、整流回路２ｄおよび平滑コンデンサ２ｃにより構成され、交流電源１から供給された交流電力を変換した直流電力をインバータ主回路３に供給する。インバータ主回路３は、上アームのスイッチング素子であるトランジスタ３１～３３および下アームのスイッチング素子であるトランジスタ３４～３６によって構成される。整流平滑回路２から供給された直流電力は、インバータ主回路３においてトランジスタ３１～３６がスイッチングされることにより可変電圧かつ可変周波数の三相の交流電力に変換される。インバータ主回路３が出力する三相の交流電力がモータ本体２０に供給されることにより、モータ本体２０は駆動される。すなわち、三相の交流電流が固定子２１に供給されて、回転子の回転が制御される。なお、図１では、トランジスタ３１～３６としてバイポーラトランジスタを用いて示してあるが、スイッチング素子であれば素子は限定されないので、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いても構わない。
　モータトルク制御部５３は、インバータ主回路３に入力される直流母線電圧Ｖｄｃを検知する電圧検知部６と、モータ電流値Ｉｕおよびモータ電流値Ｉｖを検出して励磁電流値Ｉｄおよびトルク電流値Ｉｑに変換する電流検出部５と、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を演算して出力する電圧演算部８と、回転子の磁極位置の推定値θ～を求める磁極位置検出部９と、磁極位置検出部９が求めた推定値θ～から角速度ωｒを計算する速度演算部１０と、三相電圧の指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算して出力する三相電圧演算部１１と、指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいたＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調信号を生成して出力するＰＷＭ変調回路１２と、ＰＷＭ変調信号に基づいてトランジスタ３１～３６を駆動する駆動回路１３と、トルク電流指令生成部１６とを備える。
　電流検出部５は、固定子２１の二相に対応する巻線に流れるモータ電流値Ｉｕ，Ｉｖを検出する。具体的には、インバータ主回路３の下アームのトランジスタ３４，３５それぞれのエミッタ側に接続された電流検出用抵抗であるシャント抵抗３４１，３５１を流れる電流によって生ずる電圧値を検出して、これを電流値に変換することによりモータ電流値Ｉｕおよびモータ電流値Ｉｖを検出する。電流検出部５は、検出したモータ電流値Ｉｕおよびモータ電流値Ｉｖを励磁電流値Ｉｄおよびトルク電流値Ｉｑに変換する。
　電圧演算部８は、電流検出部５が出力するトルク電流値Ｉｑが、トルク電流指令値Ｉｑ＊に近づくようなｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を演算により求める。具体的には、電圧演算部８は、直流母線電圧Ｖｄｃと、励磁電流値Ｉｄおよびトルク電流値Ｉｑと、角速度ωｒと、トルク電流指令値Ｉｑ＊とトルク電流値Ｉｑとの差分値とからｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を演算して印加電圧情報として出力する。
　磁極位置検出部９は、回転子磁極位置検出センサを用いずに、電流検出部５が求めた励磁電流値Ｉｄおよびトルク電流値Ｉｑをセンサレス制御に必要なモータ電流情報とすることができる。すなわち、磁極位置検出部９は、励磁電流値Ｉｄおよびトルク電流値Ｉｑと、電圧演算部８が求めた印加電圧情報であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、モータ定数とを用いて、回転子の磁極位置の推定値θ～を求めることができる。磁極位置検出部９が求めた推定値θ～は電流検出部５に出力され、励磁電流値Ｉｄおよびトルク電流値Ｉｑを求めるために磁極位置θとして用いられる。
　三相電圧演算部１１は、電圧演算部８が求めた印加電圧情報であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、磁極位置検出部９が求めた推定値θ～とから三相電圧の指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算して出力する。三相電圧演算部１１およびＰＷＭ変調回路１２は、インバータ主回路３を制御するインバータ制御部を構成し、インバータ主回路３を制御することによりモータ本体２０に指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいた三相の電圧を印加させる。
　トルク電流指令生成部１６は、トルク電流指令値Ｉｑ＊を算出し、電圧演算部８に向けて出力する。次に、永久磁石式同期モータ１００を備える換気送風機の構成について説明し、その後でトルク電流指令生成部１６によるトルク電流指令値Ｉｑ＊の算出方法を説明する。
　図２は、実施の形態１にかかる永久磁石式同期モータを用いた換気送風機の概略構成を示す図である。換気送風機２００は、永久磁石式同期モータ１００、羽根車６０、およびケーシング６１を備える。羽根車６０は、永久磁石式同期モータ１００の出力軸１００ａに接続されている。羽根車６０は、ケーシング６１の内部に収容されている。永久磁石式同期モータ１００には、交流電源１から電力が供給される。永久磁石式同期モータ１００が出力軸１００ａを回転させることで羽根車６０が回転し、空気流が発生して換気が行われる。換気送風機２００には、図示を省略したダクトが接続されている。
　図３は、図２に示した換気送風機の特性図である。図４は、図２に示した換気送風機において換気風量が一定に制御される時の角速度とトルク電流値の関係を表す図である。図３に示すように、換気送風機２００に接続されたダクトの配管長などの影響によって負荷が変化して負荷特性が（１）から（３）と異なっていても換気風量を一定にするためには、ＱＬ（Ｑ０，Ｐ１），ＱＬ（Ｑ０，Ｐ２），ＱＬ（Ｑ０，Ｐ３）を通るように永久磁石式同期モータ１００の角速度ωとトルク電流値Ｉｑを制御することができればよい。そのときの永久磁石式同期モータ１００の角速度ωとトルク電流値Ｉｑは、図４に示すような特性となる。なお、以下の説明において角速度ωとトルク電流値Ｉｑとをまとめて単にパラメータとも呼ぶ。
　換気風量が一定になる（ω，Ｉｑ）の特性は直線的ではあるものの、永久磁石式同期モータ１００の固定子鉄心とロータとの間に発生するコギングトルク、鉄心材料の内部で発生する損失となる鉄損のためのモータ電流の増加、換気送風機２００の構造上発生する隙間からの風洩れ、といった誤差要因によって完全な直線とはならない。そこで、換気風量の制御精度を高めるために、２つ以上の異なる負荷特性上で角速度ωとトルク電流値Ｉｑを実測し、実測値から得られる図４上の運転ポイントを繋いだ線上に収束するように角速度ωとトルク電流値Ｉｑとを制御することになる。
　図４では３つの異なる負荷特性でパラメータを実測した例を示しており、得られた運転ポイントを繋ぐ線上に収束するように角速度ωとトルク電流値Ｉｑが制御されれば、図３に示す一定の換気風量ＱＬで換気が行われる。実測により得られた運転ポイントが多いほど風量制御の精度が向上する。静圧に対する制御範囲を広くとる必要があれば、４つ以上の負荷特性で実測した実測値を用いて収束対象となる線を算出することで、風量制御の精度の向上を図りつつ制御範囲を広げることができる。
　運転ポイントの数を増やすことで幅広い範囲で風量誤差を抑えることが可能となるが、記憶する情報の増加によって記憶装置の容量も増大してしまい、コストの増加を招いてしまう。そのため、無段階での風量制御を行うまでには運転ポイントの数を増やすことはできず、これまでは段階的な風量制御が行われることがほとんどであった。一方、目標とする換気風量でのパラメータを計算で求めることができれば、記憶容量を増やさずに無段階での風量制御が可能となる。
　次に、換気風量ＱＬのパラメータと換気風量ＱＨのパラメータから、目標風量である換気風量ＱＭのパラメータを求める計算方法について説明する。なお、換気風量ＱＬ，ＱＭ，ＱＨの関係は、ＱＬ＜ＱＭ＜ＱＨである。例えば、換気風量ＱＬは、換気送風機２００に設定された弱ノッチ時の換気風量である。また、換気風量ＱＨは、換気送風機２００に設定された強ノッチ時の換気風量である。
　図５は、換気風量ＱＬのパラメータと換気風量ＱＨのパラメータと換気風量ＱＭのパラメータとの関係を示した図である。換気風量ＱＭでのパラメータであるＱＭ（ωＭｎ，ＩｑＭｎ）が、ＱＬ（ωＬｎ，ＩｑＬｎ）およびＱＨ（ωＨｎ，ＩｑＨｎ）を用いて計算で求められる。図６は、同一の負荷特性上での既知の運転ポイントを用いたトルク電流値の計算を説明する図である。同じ負荷特性上では、換気風量Ｑ∝角速度ωとなるので、同じ負荷特性上では、以下の（１）式のように計算できる。
　（ＱＭｎ－ＱＬｎ）／（ＱＨｎ－ＱＭｎ）＝（ωＭｎ－ωＬｎ）／（ωＨｎ－ωＭｎ）…（１）
　そして、以下の（２）式および（３）式を用いて角速度を計算できる。
　ωＭｎ＝（（ＱＭ－ＱＬ）・ωＨｎ＋（ＱＨ－ＱＭ）・ωＬｎ）／（（ＱＨ－ＱＭ）＋（ＱＭ－ＱＬ））…（２）
　ωＭｎ＝（（ＱＭ－ＱＬ）・ωＨｎ＋（ＱＨ－ＱＭ）・ωＬｎ）／（ＱＨ－ＱＬ）…（３）
　角速度ωが計算で求められたので、次にその角速度ωでのトルク電流値Ｉｑの値を計算する。換気送風機２００は、角速度ωの二乗がトルクに比例することになる。トルク電流値Ｉｑはトルクに比例しているので、角速度ωの二乗がトルク電流値Ｉｑに比例することになる。
　ただし、ここでも現実的には理想的な二次曲線とはならず、誤差を誘発する要因があるので、角速度ωとトルク電流値Ｉｑとの関係は次の（４）式で近似することにする。
　Ｉｑ＝αｎ・ω２＋βｎ…（４）
　ここで、αｎとβｎとは、同一の負荷特性での定数である。
　この負荷特性上にある２つの運転ポイント（ωＬｎ，ＩｑＬｎ），（ωＨｎ，ＩｑＨｎ）から、次の（５）式から（８）式を用いてα，βが求められる。
　ＩｑＬｎ＝αｎ・ωＬｎ ２＋βｎ…（５）
　ＩｑＨｎ＝αｎ・ωＨｎ ２＋βｎ…（６）
　αｎ＝（ＩｑＨｎ－ＩｑＬｎ）／（ωＨｎ ２－ωＬｎ ２）…（７）
　βｎ＝（ωＨｎ ２・ＩｑＬｎ－ωＬｎ ２・ＩｑＨｎ）／（（ωＨｎ ２－ωＬｎ ２））…（８）
　上記（４）式と先に求めたωＭｎとαｎとβｎとから、以下の（９）式に示すようにＩｑＭｎを求められることが分かる。
　ＩｑＭｎ＝αｎ・ωＭｎ ２＋βｎ…（９）
　すなわち、同一の負荷特性上で任意の換気風量での角速度とトルク電流値が既知となる複数の運転ポイントがあれば、同一の負荷特性上での任意の運転ポイントの（ωＭｎ，ＩｑＭｎ）が計算で求められる。また、他の負荷特性上からも同様に計算できる。図７は、実施の形態１における実測値の例を示す図である。図８は、図７に示す実測値から得られた角速度とトルク電流値を示す図である。例えば図７に示す最低限の換気風量ＱＨおよび換気風量ＱＬの実測値から、図８に示す任意の換気風量ＱＭとなる角速度とトルク電流値を得ることができる。
　つまり、多数のパラメータを記憶装置に逐次記憶させなくても、マイクロコンピュータ内に記憶された４つの運転ポイントでのパラメータから、任意の換気風量となるように制御することができる。したがって、記憶容量を増やすことなく無段階で風量一定の制御が実現できる。
　トルク電流指令生成部１６は上述した計算を行って、目標となる換気風量で換気送風機２００を運転させるためのトルク電流指令値Ｉｑ＊を求める。トルク電流指令生成部１６には、少なくとも２点以上あるいは４点以上の運転ポイントでのパラメータが予め記憶されている。トルク電流指令生成部１６に、目標となる換気風量の指令Ｑ＊が指示される。例えば指令値がＱＭであったとすると、記憶してあるパラメータから換気風量がＱＭとなる運転ポイントでのパラメータがトルク電流指令生成部１６によって求められる。また、求められた運転ポイントを繋いで風量特性であるω－Ｉｑ特性が近似される。そして、近似されたω－Ｉｑ特性上に実運転角速度とトルク電流値が乗るように制御が行われる。ここで、実運転角速度とは、換気送風機２００が運転されているその時点での角速度である。
　トルク電流指令生成部１６が求めたω－Ｉｑ特性を用いて、永久磁石式同期モータ１００は制御され、目標風量を得ることができる。
　図５を用いて目標風量でのパラメータの算出について説明する。トルク電流指令生成部１６に予めパラメータが記憶された運転ポイントが、同一負荷特性上にあるが換気風量がＱＬとＱＭとで異なる２点の運転ポイント（第１の運転ポイント１１１と第２の運転ポイント１１２）でのパラメータである場合、その負荷特性上の換気風量がＱＭとなる運転ポイント（第３の運転ポイント１１３）でのパラメータが計算で得られる。すなわち、２点の運転ポイントでのパラメータが記憶されていれば、その負荷特性上において任意の換気風量での運転を精度よく実現できる。
　トルク電流指令生成部１６に予めパラメータが記憶された運転ポイントが、１つの負荷特性上にあるが換気風量がＱＬとＱＭとで異なる２点の運転ポイント（第１の運転ポイント１１１と第２の運転ポイント１１２）と、別の負荷特性上にあるが換気風量がＱＬとＱＭとで異なる２点の運転ポイント（第４の運転ポイント１１４と第５の運転ポイント１１５）である場合は以下の制御が可能となる。
　すなわち、トルク電流指令生成部１６によって、第１の運転ポイント１１１でのパラメータと第２の運転ポイント１１２でのパラメータとからその負荷特性上の換気風量がＱＭとなる第３の運転ポイント１１３でのパラメータが算出される。また、トルク電流指令生成部１６によって、第４の運転ポイント１１４でのパラメータと第５の運転ポイント１１５でのパラメータとからその負荷特性上の換気風量がＱＭとなる第６の運転ポイント１１６でのパラメータが算出される。そして、トルク電流指令生成部１６によって、第３の運転ポイント１１３でのパラメータと第６の運転ポイント１１６でのパラメータとから、換気風量がＱＭで一定となるω－Ｉｑ特性が近似される。任意の負荷特性上において、近似されたω－Ｉｑ特性にパラメータを収束させることで、換気風量がＱＭとなるように制御することができる。パラメータの収束によってトルク電流指令値Ｉｑ＊が得られる。したがって、４点の運転ポイントでのパラメータが記憶されていれば、任意の負荷特性かつ任意の換気風量での運転を精度よく実現できる。
　なお、予め記憶されているパラメータは、換気送風機２００ごとに各運転ポイントで実測されたパラメータである。
　図９は、目標となる換気風量が一定となる運転ポイントを負荷特性を使って多点で近似した例を示す図である。図９に示すように、負荷特性ｎ１，ｎ２，・・・・，ｍ－１，ｍ上の換気風量ＱＬと換気風量ＱＨとなる運転ポイントでのパラメータが予め記憶されている。この多数の運転ポイントでのパラメータから、負荷特性ｎ１，ｎ２，・・・・，ｍ－１，ｍ上の目標風量となる運転ポイントのパラメータが算出される。算出されたパラメータから換気風量が目標風量で一定となるω－Ｉｑ特性が近似される。近似に用いられるパラメータが増えることで、近似の精度が向上する。予め記憶するパラメータが増えることで、記憶装置の記憶容量および演算数が増えるものの、換気風量の精度を向上させることができる。
　以上説明したように、実施の形態１にかかる換気送風機２００によれば、制御ソフトウェア等で必要な運転ポイントでのパラメータ（角速度ω、トルク電流値Ｉｑ）を２点以上記憶しておくことにより、理論的な特性と実態との乖離をなくした精度の良い風量制御が可能となる。また、記憶した運転ポイントから、他の換気風量となる運転ポイントを計算により導き出すことにより、段階的な風量選択ではなく、任意の換気風量で一定に制御することが容易に実現できる。
　また、永久磁石式同期モータ１００内に風量制御、モータ駆動制御に係る制御回路を内蔵することにより、永久磁石式同期モータ１００の外に設置される制御回路の物理的な大きさを節約することができる。これにより、換気送風機２００における制御回路が占める割合を削減し、製品の容積を削減するこができる。
　図１０は、実施の形態１におけるマイクロコンピュータの構成を示すブロック図である。マイクロコンピュータ４０は、演算および制御を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）４１と、ＣＰＵ４１がワークエリアに用いるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）４２と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）４３と、外部と信号をやりとりするハードウェアであるＩ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）４４と、クロックを生成する発振子を含む周辺装置４５と、を備える。実施の形態１におけるモータトルク制御部５３の各機能から、電流検出部５のモータ電流を検出する機能および電圧検知部６の機能を除いた機能は、マイクロコンピュータ４０により実現することができる。マイクロコンピュータ４０により実行される制御は、ＲＯＭ４３に記憶されるソフトウェアであるプログラムをＣＰＵ４１が実行することにより実現される。ＲＯＭ４３は、書き換え可能なフラッシュメモリといった不揮発性のメモリであってもよい。また、ＲＯＭ４３は、トルク電流指令生成部１６において運転ポイントでの情報が予め記憶される記憶装置としても機能する。
　以上の実施の形態に示した構成は、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、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、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。
　１　交流電源、２　整流平滑回路、２ｃ　平滑コンデンサ、２ｄ　整流回路、３　インバータ主回路、５　電流検出部、６　電圧検知部、８　電圧演算部、９　磁極位置検出部、１０　速度演算部、１１　三相電圧演算部、１２　ＰＷＭ変調回路、１３　駆動回路、１６　トルク電流指令生成部、２０　モータ本体、２１　固定子、３１～３６　トランジスタ、４０　マイクロコンピュータ、４１　ＣＰＵ、４２　ＲＡＭ、４３　ＲＯＭ、４４　Ｉ／Ｏ、４５　周辺装置、５３　モータトルク制御部、６０　羽根車、６１　ケーシング、１００　永久磁石式同期モータ、１００ａ　出力軸、２００　換気送風機、３４１，３５１　シャント抵抗。

Claims (2)

  1. 　複数のスイッチング素子がスイッチングされることにより直流電力を三相の交流電力に変換するインバータ主回路と、
    　固定子および回転子を有して前記インバータ主回路により駆動されるモータ本体と、
    　前記インバータ主回路を制御するモータ制御回路と、
    　記憶装置と、を備え、
    　前記記憶装置には、第１の負荷特性上において第１の風量を得る第１の運転ポイントでの前記回転子の角速度とトルク電流値と、前記第１の負荷特性上において前記第１の風量と異なる第２の風量を得る第２の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値とが記憶されており、
    　前記モータ制御回路は、前記第１の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値および前記第２の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値とから、前記第１の負荷特性上において第３の風量を得る第３の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値を算出し、
    　前記第３の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値とで、前記インバータ主回路に前記モータ本体を駆動させることを特徴とする換気送風機。
  2. 　前記記憶装置には、前記第１の負荷特性上と異なる第２の負荷特性上において前記第１の風量を得る第４の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値と、前記第２の負荷特性上において前記第２の風量を得る第５の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値とが記憶されており、
    　前記モータ制御回路は、前記第４の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値と、前記第５の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値とから、前記第２の負荷特性上において第３の風量を得る第６の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値を算出し、前記第３の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値と、前記第６の運転ポイントでの前記角速度と前記トルク電流値とから、前記角速度と前記トルク電流値との関係を示す風量特性を得ることを特徴とする請求項１に記載の換気送風機。
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