特開 2016-10218 ファンモータ駆動装置及びブロア

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-10218(P2016-10218A)

(43)【公開日】2016年1月18日

(54)【発明の名称】ファンモータ駆動装置及びブロア

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/10 20060101AFI20151215BHJP

   H02P 6/18 20160101ALI20151215BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/02 341G

   H02P6/02 371S

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-128968(P2014-128968)

(22)【出願日】2014年6月24日

(71)【出願人】

【識別番号】000228730

【氏名又は名称】日本電産サーボ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】000232302

【氏名又は名称】日本電産株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102185

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 繁範

(74)【代理人】

【識別番号】100129399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺田 雅弘

(72)【発明者】

【氏名】石川 理朋

【テーマコード（参考）】

5H560

【Ｆターム（参考）】

5H560AA01

5H560BB04

5H560DA12

5H560DB11

5H560EB01

5H560GG04

5H560RR01

5H560SS07

5H560TT15

5H560UA05

5H560XA02

5H560XA04

5H560XA13

(57)【要約】

【課題】回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減する。
【解決手段】ファンをモータ２により駆動するファンモータ制御装置であって、前記モータ２の回転角度θ_ｅと回転速度ω_ｅとの推定値を算出する位置速度推定部１３と、位置速度推定部１３で推定された回転速度ω_ｅを流量係数Ｋ_Ｑで乗算して制御目標値を計算する乗算部１６Ａと、制御目標値Ｋ_Ｑに基づいてフィードバック制御によりモータ２の駆動電流を制御する電流ベクトル制御部２５とを備える。少なくとも電流センサによって得られた駆動電流と位置速度推定部１３から得られる回転角度ω_ｅとに基いて、モータ２の回転子磁束強度を算出し、該算出した回転子磁束強度によりモータ２の駆動に供する制御値Ｖ_ｑ、Ｖ_ｄを可変する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ファンをモータにより駆動するファンモータ制御装置であって、
前記モータの回転角度と回転速度との推定値を算出する位置速度推定部と、
前記位置速度推定部で算出された前記回転速度を流量係数で乗算して制御目標値を計算する乗算部と、
前記制御目標値に基づいてフィードバック制御により前記モータの駆動電流を制御する電流ベクトル制御部とを備え、
少なくとも電流センサによって得られた駆動電流と前記位置速度推定部から得られる前記回転角度とに基いて、前記モータの回転子磁束強度を算出し、該算出した回転子磁束強度により前記モータの駆動に供する制御値を可変する
ファンモータ制御装置。

【請求項2】

前記回転子磁束強度による前記乗算部による乗算値の演算処理により、前記制御値を可変する
請求項１に記載のファンモータ駆動装置。

【請求項3】

前記フィードバック制御に供するフィードバック値を前記回転子磁束強度により可変することにより、前記制御値を可変する
請求項１に記載のファンモータ駆動装置。

【請求項4】

前記電流ベクトル制御部は、
前記モータの駆動電流をクラーク変換するクラーク変換部と、
前記クラーク変換部の出力を前記位置速度推定部で取得した回転角度に基づいてパーク変換して前記フィードバック値を出力するパーク変換部と、
前記制御目標値と前記フィードバック値の出力との差分値を計算する減算部と、
前記減算部の出力により前記制御値を生成するコントローラと、
前記制御値を前記位置速度推定部で取得した回転角度に基づいて逆パーク変換する逆パーク変換部と、
前記逆パーク変換部の出力を逆クラーク変換する逆クラーク変換部とを備える
請求項１、請求項２、請求項３の何れかに記載のファンモータ駆動装置。

【請求項5】

請求項１、請求項２、請求項３、請求項４の何れかに記載のファンモータ駆動装置により前記ファンのモータを駆動するブロア。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダクトの送風等に使用されるファンモータ駆動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、送風装置は、種々の分野で広く使用されており、例えば天井埋め込み型の換気装置においては、ダクトを介して送風機により屋内の空気を換気している。このような換気装置では、ダクトの汚れ、ダクト内に設けたフィルタの汚れ等により、送風装置の負荷が変化する。特許文献１、２には、モータの回転速度と駆動電流とから風量を計算してモータの駆動を制御することにより、負荷の変化による流量（風量）の変動を低減する構成が開示されている。また特許文献３には、回転子の回転位置を検出するためのセンサを別途設けることなく（いわゆるセンサレスである）、駆動電流により回転子の回転位置を検出してモータを駆動する構成が開示されている。

【0003】

またこのような送風装置等のモータの制御に関して、特許文献４等には、いわゆるベクトル制御によりモータを制御する構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２００７／０４０１８０号

【特許文献2】国際公開第２００９／１１０２１９号

【特許文献3】特開２００８−４３０８号公報

【特許文献4】特許３６５３６７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところでモータでは、回転子磁束強度のばらつきにより発生トルクが変化し、この回転子磁束強度がモータ間でばらつく欠点がある。その結果、例えば送風装置では、モータ毎に風量が変化し、設定風量に対する誤差がモータ間で大きくなる問題があった。

【0006】

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、ベクトル制御によりモータを駆動するファンモータ駆動装置において、回転子磁束強度に基づいて制御量を可変するとの着想により、本発明を完成するに至った。

【0008】

（１） ファンをモータにより駆動するファンモータ制御装置であって、
前記モータの回転角度と回転速度との推定値を算出する位置速度推定部と、
前記位置速度推定部で算出された前記回転速度を流量係数で乗算して制御目標値を計算する乗算部と、
前記制御目標値に基づいてフィードバック制御により前記モータの駆動電流を制御する電流ベクトル制御部とを備え、
少なくとも電流センサによって得られた駆動電流と前記位置速度推定部から得られる前記回転角度とに基いて、前記モータの回転子磁束強度を算出し、該算出した回転子磁束強度により前記モータの駆動に供する制御値を可変する。

【0009】

（１）によれば、回転速度を流量係数で乗算して制御目標値を設定することにより、流量一定制御によるベクトル制御によりモータを駆動することができ、その結果、従来に比して一段と簡易な処理により流量を一定に維持するようにモータを駆動することができる。またこのときモータの回転子磁束強度を算出し、該算出した回転子磁束強度により前記モータの駆動に供する制御値を可変することにより、モータ間における回転子磁束強度のばらつきに対応した制御値によりモータを駆動し、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減することができる。

【0010】

（２） （１）において、前記回転子磁束強度による前記乗算部による乗算値の演算処理により、前記制御値を可変する。

【0011】

（２）によれば、制御目標値の操作により、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減することができる。

【0012】

（３） （１）において、前記フィードバック制御に供するフィードバック値を前記回転子磁束強度により可変ことにより、前記制御値を可変する。

【0013】

（３）によれば、フィードバック制御に係るフィードバック値の操作により、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減することができる。

【0014】

（４） （１）、（２）、（３）の何れかにおいて、
前記電流ベクトル制御部は、
前記モータの駆動電流をクラーク変換するクラーク変換部と、
前記クラーク変換部の出力を前記位置速度推定部で取得した回転角度に基づいてパーク変換して前記フィードバック値を出力するパーク変換部と、
前記制御目標値と前記フィードバック値の出力との差分値を計算する減算部と、
前記減算部の出力により前記制御値を生成するコントローラと、
前記制御値を前記位置速度推定部で取得した回転角度に基づいて逆パーク変換する逆パーク変換部と、
前記逆パーク変換部の出力を逆クラーク変換する逆クラーク変換部とを備える。

【0015】

（４）によれば、より具体的に電流ベクトル制御部を構成して、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減することができる。

【0016】

（５） （１）、（２）、（３）、（４）の何れかに記載のファンモータ駆動装置により前記ファンのモータを駆動するブロア。

【0017】

（５）によれば、サージングを有効に回避してなるブロアを提供することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態に係るファンモータ駆動装置を示すブロック図である。

【図2】図１のファンモータ駆動装置の基本構成を詳細に示すブロック図である。

【図3】図２のブロック図の説明に供する図である。

【図4】制御特性を示す特性曲線図である。

【図5】トルクに係る制御特性を示す特性曲線図である。

【図6】位置速度推定部の詳細構成を示すブロック図である。

【図7】本発明の第１実施形態に係るファンモータ駆動装置の具体的詳細構成を示すブロック図である。

【図8】図７のブロック図の説明に供する図である。

【図9】本発明の第２実施形態に係るファンモータ駆動装置を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【0021】

〔第１実施形態〕
〔風量一定制御の原理〕
この実施形態では、制御目標値により指示される一定値に風量を保持するようにモータを駆動して、モータ間のばらつきによるこの制御目標値に対する風量のばらつきを補正する。このため始めにこの実施形態に係る送風装置に関して、風量を一定値に保持するモータ制御の原理を説明する。ここで送風に係る風量（流量）をＱ、送風に供するモータの回転数をＮ［ｒ／ｍｉｎ］、このモータの出力をＰ［Ｗ］とおくと、風量Ｑ及び回転数Ｎと、出力Ｐとは比例関係により表され、次式の関係式により表される。

【0022】

【数1】

【0023】

これにより風量Ｑを一定に保持するためには、Ｐ／Ｎ^２が一定値となるように制御すれば良いことが判る。ここで風量Ｑに比例する係数（Ｋ_Ｑ∝Ｑ）を定義すると、（１）式は次式により示すように変形することができる。

【0024】

【数2】

【0025】

この回転数Ｎと出力Ｐとをベクトル制御で使用される物理量に変換する。ここで回転数Ｎは、電気角速度ω_ｅ［ｒａｄ／ｓｅｃ］、モータの極対数Ｐ_Ｐを使用して次式により表すことができる。

【0026】

【数3】

【0027】

またモータ出力Ｐは、モータが発生するトルクτと機械角速度ω_ｍ［ｒａｄ／ｓｅｃ］とにより、次式により表すことができる。

【0028】

【数4】

【0029】

またこのトルクτは、一般的なブラシレスＤＣモータ（表面磁石型の永久磁石型同期モータ）では、次式により示すように、極対数Ｐ_Ｐ、回転子磁束強度Φ［Ｖｓ／ｒａｄ］、ｑ軸駆動電流ｉ_ｑの積により表すことができる。

【0030】

【数5】

【0031】

また機械角速度ω_ｍと電気角速度ω_ｅとの関係は、次式により表すことができる。

【0032】

【数6】

【0033】

ここで（５）式及び（６）式を（４）式に代入すると、次式の関係式を得ることができる。

【0034】

【数7】

【0035】

この（７）式と（３）式とを（２）式に代入すると、次式の関係式を得ることができ、風量Ｑを一定に保持するための電気角速度ω_ｅとｑ軸駆動電流ｉ_ｑとの関係式を得ることができる。

【0036】

【数8】

【0037】

ここで（８）式は、流量係数Ｋ´_Ｑを使用して次式により表すことができる。

【0038】

【数9】

【0039】

但し、流量係数Ｋ´_Ｑは、次式により表される。

【0040】

【数10】

【0041】

これにより電気角速度ω_ｅとｑ軸駆動電流ｉ_ｑとが比例関係を維持するように保持すれば、風量一定によりモータを駆動することができる。

【0042】

〔ファンモータ駆動装置の基本構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るファンモータ駆動装置の基本的な構成を示すブロック図である。ファンモータ駆動装置１は、３相のブラシレス直流モータ２により遠心ファンを駆動して送風する送風装置（ブロワ）に適用される。ファンモータ駆動装置１は、ダイオードＤ１〜Ｄ４を使用した全波整流回路による整流回路３により交流電源４を整流した後、平滑コンデンサＣにより平滑化し、これにより直流電源（バス電圧）Ｖ_ＢＵＳを生成してインバータ５に供給する。ここでインバータ５は、トランジスタ、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の駆動素子７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ、８Ｕ、８Ｖ、８Ｗによる３組の直列回路が、電流センサ１１により駆動電流をそれぞれ検出可能に設定されて、直流電源Ｖ_ＢＵＳ及び電流センサ１１間に配置され、各直列回路の接続中点がそれぞれモータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻き線に接続される。なお電流センサ１１は、アースラインに接続される。またインバータ５は、各駆動素子７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ、８Ｕ、８Ｖ、８Ｗのベース（ゲート）が図示しない駆動回路により駆動され、これにより駆動素子７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ、８Ｕ、８Ｖ、８Ｗの出力電圧によりモータ２を駆動する。しかして電流センサ１１はインバータ５及びアースライン間に設置され、モータ２の各相の駆動電流を検出する。なお各駆動素子７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ、８Ｕ、８Ｖ、８Ｗには、それぞれ保護用のダイオードが設けられている。

【0043】

またファンモータ駆動装置１は、図示しない電源回路により交流電源から低電圧の直流電源を生成してマイクロコンピュータ（マイコン）による制御回路９に入力する。制御回路９は、電流センサ１１を介して、モータ２の駆動電流等を取得し、この電流情報に基づくベクトル制御計算によりモータ２の駆動電圧を決定し、インバータ５の動作を制御する。

【0044】

図２は、この制御回路９の処理手順の実行により構成される機能ブロックを、周辺構成と共に示すブロック図である。なおこの図２に示す構成は、本願の前提の構成を示すブロック図である。制御回路９は、この機能ブロックの構成によりセンサレスベクトル制御の手法を適用してモータ２を駆動する。

【0045】

すなわちファンモータ駆動装置１は、電流センサ１１により検出される各相の駆動電流ｉ_ｕｖをクラーク変換部１２に入力し、クラーク変換部１２は、この電流センサ１１による検出結果をクラーク変換することにより、２相固定座標系の駆動電流ベクトルｉ_αβを出力する。位置速度推定部１３は、この２相固定座標系の駆動電流ベクトルｉ_αβと対応する２相固定座標系の駆動電圧ベクトルＶ_αβとから、回転子の回転角度θ_ｅ、電気角速度ω_ｅを推定算出して出力することにより、モータの現在の回転角度と回転速度とを取得する。演算部（ｓｉｎ／ｃｏｓ）１５は、この位置速度推定部１３で算出された回転角度θ_ｅの正弦値及び余弦値を算出して出力し、パーク変換部１４は、この演算部１５の算出結果を使用して２相固定座標系の駆動電流ベクトルｉ_αβをパーク変換することにより、駆動電流ベクトルｉ_αβを回転座標系のｑ軸駆動電流ｉ_ｑ、ｄ軸駆動電流ｉ_ｄに変換して出力する。

【0046】

ファンモータ駆動装置１は、上位のコントローラ等から（９）式に係る流量係数Ｋ´_Ｑを風量の制御目標値として入力し、乗算部１６は、この流量係数Ｋ´_Ｑと位置速度推定部１３で算出された電気角速度ω_ｅとを乗算する。これによりファンモータ駆動装置１は、（９）式の左辺の乗算処理を実行して制御目標の駆動電流である風量一定目標駆動電流値ｉ_ｑをスイッチ部１７を介して減算回路１８に出力する。減算回路１８は、パーク変換部１４で算出されたｑ軸駆動電流ｉ_ｑをスイッチ部１７の出力値から減算して出力し、ＰＩコントローラ（ＰＩ）１９は、この減算回路１８の出力値を所定利得により増幅すると共に、この減算回路１８の出力値の移動積分値を算出した後、所定利得により増幅して加算し、これにより比例積分制御に係る制御値となるｑ軸駆動電圧Ｖ_ｑを計算する。減算回路２０は、パーク変換部１４で算出されたｄ軸駆動電流ｉ_ｄと対応する制御目標値ｉ１_ｄ（この例では値０である）の減算値を算出して出力し、ＰＩコントローラ（ＰＩ）２１は、この減算回路２０に係る比例積分制御に係る制御値となるｄ軸駆動電圧Ｖ_ｄを計算して出力する。

【0047】

逆パーク変換部２２は、演算部１５の計算結果を利用して、ＰＩコントローラ１９、２１より出力されるｑ軸駆動電圧Ｖ_ｑとｄ軸駆動電圧Ｖ_ｄとを逆パーク変換処理して２相固定座標系の駆動電圧ベクトルＶ_αβを出力し、逆クラーク変換部２３は、この逆パーク変換部２２から出力される２相固定座標系の駆動電圧ベクトルＶ_αβを逆クラーク変換処理し、３相固定座標系の駆動電圧ベクトルＶ_ＵＶＷを出力する。ファンモータ駆動装置１は、この逆クラーク変換部２３から出力される３相固定座標系の駆動電圧ベクトルＶ_ＵＶＷをパルス幅変調してモータ２のコイルに印加し、モータ２を駆動する。

【0048】

これによりファンモータ駆動装置１は、図３により図２の構成を簡略化して示すように、上位のコントローラ等から入力される流量係数Ｋ´_Ｑと電気角速度ω_ｅとの乗算値が、風量一定ｑ軸目標駆動電流ｉ１_ｑとなり、この風量一定ｑ軸目標駆動電流ｉ１_ｑに駆動電流ｉ_ｑが一致するようにフィードバック制御し、（９）式の関係式を保持するように、モータ２を駆動し、これにより風量一定制御によりモータを駆動する。

【0049】

これらによりクラーク変換部１２、演算部１５、パーク変換部１４、減算回路１８、２０、ＰＩコントローラ１９、２１、逆パーク変換部２２、逆クラーク変換部２３は、制御目標によるモータ２の駆動電流を制御する電流ベクトル制御部２５を構成する。

【0050】

ところでモータ２の駆動においては、回転速度の下限値及び上限値を設定することが必要である。すなわち低速回転時、軽負荷時、モータ２では、駆動電流及び駆動電圧が低いことにより位置、速度の推定精度が劣化し、安定な駆動が困難になる。これにより下限値を設定することが必要になる。また高速回転時のモータ発熱や振動から回路やモータを保護するために、上限値を設定することが必要である。

【0051】

そこでファンモータ駆動装置１では（図２）、速度上限値ω_maxと速度下限値ω_minとを切り替えて速度制御目標値を減算回路２６に入力し、ここで位置速度推定部１３で推定される電気角速度ω_ｅとの減算値を計算する。またこの計算した減算値をＰＩコントローラ２７に入力して比例積分制御に係る速度一定ｑ軸目標駆動電流ｉ１_ｑを計算し、計算結果をスイッチ部１７に出力する。ファンモータ駆動装置１は、図示しない判定部により位置速度推定部１３で推定される電気角速度ωｅを判定し、この判定結果によりスイッチ部１７の動作、速度制御目標値を切り替え、これにより風量一定制御と速度一定制御の間とでモータ２の制御を切り替え、モータ２の回転速度が上限値、下限値を超えないようにモータ２を駆動する。

【0052】

具体的に、判定部は、スイッチ部１７を介して乗算部１６からの乗算値を減算回路１８に出力して風量一定制御によりモータ２を駆動している状態で、位置速度推定部１３で推定される電気角速度ω_ｅが上限値ω_maxを超えると、速度制御目標値を上限値ω_maxに設定すると共に、スイッチ部１７の動作を切り替えてＰＩコントローラ２７の出力値を減算回路１８に出力する。これにより風量一定制御から速度一定制御にモータ２の制御を切り替え、モータ２の回転速度を上限値ω_maxに保持する。

【0053】

またこのように速度一定制御によりモータ２の回転速度を上限値ω_maxに保持するように駆動している状態で、ＰＩコントローラ２７から出力される速度一定ｑ軸目標電流ｉ１_ｑが、位置速度推定部１３で推定される電気角速度ω_ｅと流量係数Ｋ´_Ｑとの乗算値Ｋ´_Ｑ・ω_ｅ以上に立ち上がると、スイッチ部１７を介して乗算部１６からの乗算値を減算回路１８に出力して風量一定制御によりモータ２を駆動する。すなわちスイッチ部１７により速度一定制御から風量一定制御にモータ２の制御に切り替える。

【0054】

また風量一定制御によりモータ２を駆動している状態で、位置速度推定部１３で推定される電気角速度ω_ｅが下限値ω_ｍｉｎを下回ると、速度制御目標値を下限値ω_ｍｉｎに設定すると共に、スイッチ部１７の動作を切り替えてＰＩコントローラ２７の出力値を減算回路１８に出力する。これにより風量一定制御から速度一定制御にモータ２の制御を切り替え、モータ２の回転速度を下限値ω_ｍｉｎに保持する。

【0055】

またこのように速度一定制御によりモータ２の回転速度を下限値ω_ｍｉｎに保持するようにして、ＰＩコントローラ２７から出力される速度一定ｑ軸目標電流ｉ１_ｑが、位置速度推定部１３で推定される電気角速度ω_ｅと流量係数Ｋ´_Ｑとの乗算値Ｋ´_Ｑ・ω_ｅ未満に立ち下がると、スイッチ部１７を介して乗算部１６からの乗算値を減算回路１８に出力して風量一定制御によりモータ２を駆動する。すなわちスイッチ部１７により速度一定制御から風量一定制御にモータの制御を切り替える。

【0056】

なおこのように風量一定制御による駆動と、回転速度の上限値及び下限値による速度一定制御による駆動との切り替えにおいて、ヒステリシス特性を設けるようにしてもよい。

【0057】

図４は、このような駆動の切り替えに係るファンモータ駆動装置１の特性を示す特性曲線図である。風量一定制御によりモータ２を駆動している状態では、流量係数Ｋ´_Ｑに応じた比例係数による駆動電流及び回転速度の特性によりモータ２を駆動し（実線により示す範囲である）、この状態で例えば流路の静圧が大きくなると風量一定を維持するためにモータ２の回転速度が上昇する。ここでモータ２の回転速度が上限値を超えると、速度一定制御による駆動に切り替わり、上限値でモータ２を駆動する（破線により示す範囲である）。また速度一定制御により回転速度の上限値によりモータ２を駆動している状態で流路の静圧が小さくなるとモータ２の負荷が大きくなり駆動電流が上昇する。ここで駆動電流の大きさが流量係数と回転速度の乗算値を超えると、元の風量一定制御による駆動に切り替える。

【0058】

また風量一定制御による駆動において、流路の静圧が小さくなると風量一定を維持するためにモータ２の回転速度が低下する。ここでモータ２の回転速度が下限値を下回ると、速度一定制御による駆動に切り替わり、この下限値によりモータ２を駆動する。また速度一定制御により回転速度の下限値でモータ２を駆動している状態で、流路の静圧が大きくなると、モータ２の負荷が小さくなり駆動電流が低下する。ここで駆動電流の大きさが流量係数と回転速度の乗算値を下回ると、元の風量一定制御による駆動に切り替える（破線により示す範囲である）。

【0059】

これにより図４との対比により図５に示すように、このファンモータ駆動装置１では、風圧一定制御によりモータ２を駆動する区間（風圧一定制御区間）と、高速度及び低速度側によりモータ２を駆動する区間（高速制御区間、低速度制御区間）とによりモータ２を駆動する。

【0060】

この図２の構成によれば、ベクトル制御によりモータを駆動するようにして、現在の回転速度を流量係数で乗算して目標駆動電流を計算し、この目標駆動電流と実際の駆動電流を一致させるようにフィードバック制御することにより、従来に比して一段と簡易な処理により風量を一定に維持するようにモータを駆動することができる。特にブロア等の遠心ファンで風量を制御するのに有効である。

【0061】

また流量係数の調整により、風量を所望の大きさに設定することができる。なお流量係数を調整する方法は、例えばファンモータ駆動装置内にボリウム等を設置して、それらを操作することで調整する方法でも良いし、上位コントローラ等から風量の大きさを指示する方法でも良い。

【0062】

また判定部により回転速度の上限値及び下限値を判定してモータの制御を切り替えることにより、回転速度が上限値、下限値を超えないようにモータを駆動することができる。

【0063】

〔位置速度推定部〕
図６は、位置速度推定部１３の構成を詳細に示すブロック図である。位置速度推定部１３は、回転子磁束推定部１３Ａにおいて、２相固定座標系の駆動電流ベクトルｉ_αβ、駆動電圧ベクトルＶ_αβ、電気角速度ω_ｅから回転子磁束強度の推定値φ_ｍαβを計算する。ここで回転子磁束推定部１３Ａでは、回転子磁束推定部１３Ａにおける内部パラメータ（抵抗やインダクタンスのノミナル値)が実際値と多少異なっていても、推定値φ_ｍαβが実際値に漸近するようにフィードバック計算されるため，推定値φ_ｍαβは実際値を反映する。演算部１３Ｂは、次式の演算処理により、回転子の回転角度θ_ｅを計算して出力する。

【0064】

【数11】

【0065】

速度推定部１３Ｃは、この演算部１３Ｂで求められた回転角度θ_ｅにより電気角速度ω_ｅを計算する。位置速度推定部１３は、演算部１３Ｂで求められた回転角度θ_ｅ、速度推定部１３Ｃで求められた電気角速度ω_ｅを演算部１５に出力する。これによりファンモータ駆動装置１は、センサレスにより回転子の回転位置を検出してモータ２を駆動するように構成される。

【0066】

〔第１実施形態の具体的構成〕
図７は、図２との対比により本発明の第１実施形態に係るファンモータ駆動装置の具体的構成を示すブロック図である。（９）式により示すように、図２に開示のファンモータ駆動装置１では、電気角速度ωｅとｑ軸駆動電流ｉｑとが比例関係を維持するように制御することにより、風量一定制御によりモータ２を駆動する。ここで（５）式により示すように、トルクτは、極対数Ｐ_Ｐ、回転子磁束強度Φ［Ｖｓ／ｒａｄ］、ｑ軸駆動電流ｉ_ｑの積により表され、極対数Ｐ_Ｐ、回転子磁束強度Φ［Ｖｓ／ｒａｄ］は、モータのトルク定数に相当する値である。これにより駆動電流ｉ_ｑに比例してトルクτが変化し、（９）式よりトルクτと回転速度（電気角速度）ω_ｅが比例するように制御して、風量一定制御によりモータ２を駆動することができる。

【0067】

しかしながら回転子磁束強度Φは、着磁のばらつき、エアギャップのばらつき等により、量産のモータではばらつくことになる。なおこのばらつきは、±１０％程度とも言われる。これにより駆動電流ｉ_ｑを精度良く制御できたとしても、ファンモータ駆動装置１では、発生トルクがモータ毎にばらついてしまい、その結果、流量係数Ｋ´Ｑにより指示される制御目標値に対して、風量一定制御により実際に一定値に保持される風量が、モータ毎に大きくばらつくことになる。

【0068】

このようなばらつきを補正するためには、駆動電流に代えてトルクを制御することが必要であり、このトルクの制御には、回転子磁束強度を取得することが必要である。そこでこの図７の構成においては、位置速度推定部１３において、回転子磁束強度の推定値が検出されていることにより、この位置速度推定部１３で取得する推定値を有効利用してトルクを制御する。

【0069】

このため図７のファンモータ駆動装置３０では、乗算部１６、ＰＩコントローラ２７に代えて乗算部１６Ａ、ＰＩコントローラ２７Ａが設けられ、また指令変換部３１、パーク変換部３２が追加される。ここでファンモータ駆動装置３０において、位置速度推定部１３で取得される回転子磁束強度の推定値φ_ｍαβは固定直交座標系(β座標系)上のベクトル量で表されることにより、パーク変換し、次式により表される磁束の大きさ(ｄ軸成分)φ_ｍｄを検出することが必要である。

【0070】

【数12】

【0071】

この実施形態において、ファンモータ駆動装置４０は、演算部１５から出力される回転角度θ_ｅの正弦値及び余弦値をパーク変換部３２に入力し、ここで（１２）式の演算処理により、回転子磁束強度推定値φ_ｍｄを取得する。

【0072】

また乗算部１６Ａは、流量係数Ｋ´Ｑと位置速度推定部１３で算出された電気角速度ωｅとを使用した次式の演算処理により、q軸電流による制御目標値である流量係数Ｋ´_Ｑをトルク指令値τ_ｑに変換して出力する。またこれに対応するようにＰＩコントローラ２７Ａは、トルク指令値により制御目標値を出力する。

【0073】

【数13】

【0074】

ファンモータ駆動装置１は、指令変換部３１において、スイッチ部１７から出力されるトルク指令値τ_ｑによる制御目標値に対して、次式の演算処理を実行することにより、回転子磁束強度推定値φ_ｍｄによりスイッチ部１７の出力値を可変する。これによりファンモータ駆動装置１は、回転子磁束強度のバラツキによる発生トルクのばらつきを有効に回避することができ、制御指示値である流量係数Ｋ´_Ｑに対応する風量による風量一定制御によりモータ２を駆動する。

【0075】

【数14】

【0076】

なおこれによりこのファンモータ駆動装置３０では、図３との対比により図８に示すフィードバック制御によりモータ２の駆動電流を制御する。

【0077】

以上の構成によれば、ベクトル制御によるモータの駆動において、位置速度推定部で取得される回転子磁束強度の推定値に基づいて、制御目標値の可変により制御量を可変することにより、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を充分に低減することができる。

【0078】

〔第２実施形態〕
図９は、図７との対比により本発明の第２実施形態に係るファンモータ駆動装置を示すブロック図である。このファンモータ駆動装置４０では、制御目標値の可変に代えて、フィードバック制御に係るフィードバック値を可変することにより制御量を可変し、回転子磁束強度のばらつきによる発生トルクの変化を低減する。このファンモータ駆動装置４０は、このフィードバック値の可変に係る構成が異なる点を除いて、第１実施形態のファンモータ駆動装置１と同一に構成される。

【0079】

すなわちファンモータ駆動装置４０は、パーク変換部４１において、（１２）式の演算処理により、回転子磁束強度推定値φ_ｍｄを取得する。またフィードバック変換部４２において、次式の演算処理を実行することにより、電流値によるフィードバック値ｉ_ｄ、ｉ_ｑをトルク値によるフィードバック値τ_ｄ、τ_ｑに変換すると共に、このフィードバック値τ_ｄ、τ_ｑを回転子磁束強度推定値φ_ｍｄにより可変して減算回路１８、２０に出力する。

【0080】

【数15】

【0081】

なおこれによりＰＩコントローラ１９Ａ、２１Ａは、減算回路１８、２０から出力されるトルク値による制御値から駆動電圧による制御値を生成して出力する。

【0082】

以上の構成によれば、制御目標値の可変に代えて、フィードバック制御に係るフィードバック値を可変することにより制御量を可変するようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0083】

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

【0084】

すなわち上述の実施形態では、位置速度推定部で求められる回転子磁束強度により制御目標値、フィードバック値を操作する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、別途、回転子磁束強度を検出して制御目標値、フィードバック値を操作してもよい。

【0085】

また上述の実施形態では、モータの回転角度及び回転速度を取得する手段として位置速度推定部を設け、駆動電流と駆動電圧からの推定計算により回転角度及び回転速度を取得する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、回転角度及び回転速度を取得する手段としてエンコーダ、レゾルバ等の位置センサを設けるようにし、これら位置センサの検出結果を処理して回転角度及び回転速度を取得しても良い。

【0086】

また上述の実施形態では、１つのモータを制御目標値により駆動する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、複数のモータを駆動する場合にも広く適用することができ、この場合には、この複数のモータ間の回転子磁束強度のばらつきによるこれら複数のモータ間のトルクのばらつきを防止することができる。

【0087】

また上述の実施形態では、クラーク変換部１２、演算部１５、パーク変換部１４、減算回路１８、２０、ＰＩコントローラ１９、２１、逆パーク変換部２２、逆クラーク変換部２３Ｂによりベクトル制御に供する電流ベクトル制御部２５を構成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、近似演算処理によりクラーク変換処理結果、パーク変換処理結果を算出して電流ベクトル制御部を構成する場合にも広く適用することができる。

【0088】

また上述の実施形態では、ファンを駆動して気体を搬送する送風装置に本発明を適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ファン（羽根車）を駆動して液体を搬送する場合にも広く適用して流量一定制御により駆動することができる。

【0089】

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

【符号の説明】

【0090】

１、３０、４０ ファンモータ駆動装置
２ モータ
３ 整流回路
４ 商用電源
５ インバータ
７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ、８Ｕ、８Ｖ、８Ｗ 駆動素子
９ 制御回路
１１ 電流センサ
１２ クラーク変換部
１３ 位置速度推定部
１４、３２、４１ パーク変換部
１５ 演算部
１６、１６Ａ 乗算部
１７ スイッチ部
１８、２０、２６ 減算回路
１９、１９Ａ、２１、２１Ａ、２７ ＰＩコントローラ
２２ 逆パーク変換部
２３ 逆クラーク変換部
２５ 電流ベクトル制御部
３１ 指令値変換部
４２ フィードバック変換部
Ｃ 平滑コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【手続補正書】

【提出日】2015年7月24日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２００７／０４０１８０号

【特許文献2】国際公開第２００９／１１０２１９号

【特許文献3】特開２００８−４３０８３号公報

【特許文献4】特許３６５３６７０号公報