JP2011135647A

JP2011135647A - Ｄｃモータ制御装置および換気装置

Info

Publication number: JP2011135647A
Application number: JP2009291162A
Authority: JP
Inventors: Takuya Saeki; 卓也佐伯
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP5409332B2

Abstract

【課題】高精度のトルク電流情報を出力できるＤＣモータ制御装置、および前記ＤＣモータ制御装置を用いて換気扇の定風量制御を精度よく行える換気装置を得ること。
【解決手段】ＤＣモータ制御装置７は、直流電圧（ＤＣ１４０Ｖ）をＰＷＭ駆動信号に基づきスイッチングしてＤＣモータ６への駆動電圧を出力するインバータ回路１１と、前記インバータ回路のスイッチング回路１１ａにおける母線電流をモータ電流として検出するモータ電流検出回路（１２，１３）と、外部からの速度指令に従い前記ＰＷＭ駆動信号を生成出力し、検出された前記モータ電流を前記駆動電圧の前記直流電圧に対する割合で除算してトルク電流を求め、求めた前記トルク電流の情報と、モータ回転速度を示す回転パルス信号とを外部へ出力する制御回路１０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣモータ制御装置および前記ＤＣモータ制御装置を用いて換気扇の風量制御を行う換気装置に関するものである。

従来の換気装置には、換気扇の風量制御を、風路の圧力損失に対応したファンの回転数と風量との関係を予め実験によって実測し、それをデータテーブル化してコントローラに用意しておき、コントローラが設定風量に応じて、ファンを回転させるＤＣモータへの印加電圧を切り替える方法で実施しているものが知られている。この場合、換気扇の構成として、ＤＣモータおよびそれを駆動する専用の駆動回路を搭載する構成、或いは、専用の駆動回路を内蔵したＤＣモータを搭載する構成が採用される。

このような風量制御方法を採用する換気装置では、換気扇毎に、ファンの回転数と風量との関係を実測する作業が必要であるので、膨大な試験時間を要し、コストアップの要因となっている。また、換気扇毎に、ＤＣモータおよびそれを駆動する専用の駆動回路、或いは、専用の駆動回路を内蔵したＤＣモータが必要であるので、キーパーツの標準化が困難であり、この点もコストアップの要因となっている。

そこで、例えば特許文献１では、上記した２つの課題を解決するＤＣモータの制御方法が提案されている。すなわち、特許文献１では、ＤＣモータを一定電圧で駆動し、そのＤＣモータに供給される駆動電流とモータ回転速度と設定風量を得るための指令負荷駆動電流値とに基づいてＤＣモータの負荷トルクの変化を検出し、その負荷トルクの変化に応じて駆動電圧を制御してモータ発生トルクを指令負荷駆動電流値に見合う値に維持するようにした風量制御方法が提案されている。

特開２００５−２７３５４７号公報

ところで、本発明は、ＤＣモータの回転数とトルク電流とが比例関係にあることを利用して換気扇の定風量制御が行える換気装置の実現を企図している。そのためには、上記した従来の駆動回路には無い機能、つまり、ＤＣモータの駆動過程でトルク電流情報を演算して換気装置のコントローラへ出力できる機能を備えたＤＣモータ制御装置を実現することが必要である。そうすれば、特に、ＤＣモータをＤＣモータ制御装置内蔵型の構成にすれば、定風量制御を行う換気装置の換気扇に汎用的に使用できるＤＣモータが得られ、上記した２つの課題を解決することができる。

この場合、トルク電流情報は、検出したモータ電流から求めるが、検出したモータ電流にＤＣモータ制御装置の消費電流が含まれる場合には、コントローラは、使用するＤＣモータ制御装置毎に誤差分電流を除く演算が必要になる。したがって、ＤＣモータ制御装置の特性に合わせた制御を行う専用のコントローラを不要とするためには、本発明のＤＣモータ制御装置は、誤差分電流を含まないトルク電流情報をコントローラへ出力できることが必要である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高精度のトルク電流情報を出力できるＤＣモータ制御装置、および前記ＤＣモータ制御装置を用いて換気扇の定風量制御を精度よく行える換気装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明のＤＣモータ制御装置は、直流電圧をＰＷＭ駆動信号に基づきスイッチングしてＤＣモータへの駆動電圧を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路のスイッチング回路における母線電流をモータ電流として検出するモータ電流検出回路と、外部からの速度指令に従い前記ＰＷＭ駆動信号を生成出力し、検出された前記モータ電流を前記駆動電圧の前記直流電圧に対する割合で除算してトルク電流を求め、求めた前記トルク電流の情報と、モータ回転速度を示す回転パルス信号とを外部へ出力する制御回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＤＣモータ制御装置は、高精度のトルク電流情報を出力できる。したがって、換気装置の換気扇に搭載されるＤＣモータの制御に用いれば、換気装置のコントローラでは、換気扇の定風量制御を行う上で必要となるトルク電流情報を精度よく得ることができる。このＤＣモータ制御装置をＤＣモータに内蔵すれば、定風量制御を行う換気装置の換気扇に汎用的に使用できるＤＣモータが得られるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態によるＤＣモータ制御装置を備える換気装置の構成例を示すブロック図である。図２は、図１に示す制御回路がコントローラへ出力するトルク電流情報の一例を説明する図である。図３は、図１に示す制御回路がコントローラへ出力する回転パルス信号の一例を説明する図である。図４は、図１に示す制御回路が増幅回路のオフセット電圧をキャンセルしたモータ電流を生成する手順を説明するフローチャートである。

以下に、本発明にかかるＤＣモータ制御装置および換気装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態によるＤＣモータ制御装置を備える換気装置の構成例を示すブロック図である。図１において、換気装置１は、コントローラ２と電源回路３と換気扇４とを備えている。換気扇４には、ファン５と、ファン５を回転させるＤＣモータ６と、ＤＣモータ６を制御するＤＣモータ制御装置７とが搭載されている。この実施の形態では、ＤＣモータ制御装置７は、ＤＣモータ６に内蔵されている。

電源回路３は、この実施の形態では、図示してないがＡＣ１００Ｖが入力され、そのＡＣ１００Ｖから、ＤＣ１４０Ｖ、ＤＣ１５Ｖ、ＤＣ５Ｖの各直流電圧を変換生成する。ＤＣ１４０Ｖは、正極端子ａと負極端子ｄとの間に出力される。ＤＣ１５Ｖは、正極端子ｂと負極端子ｄとの間に出力される。ＤＣ５Ｖは、正極端子ｃと負極端子ｄとの間に出力される。なお、ＡＣ２００Ｖ系で用いる換気装置での電源回路では、ＤＣ１４０Ｖに代えてＤＣ２８０Ｖが変換生成される。

ＤＣモータ制御装置７は、回路基板上に、制御回路１０と、インバータ回路１１と、電流検知回路を構成するシャント抵抗器１２および増幅回路１３とを備えている。また、回路基板上に、電源回路３に対する電源端子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、コントローラ２に対する信号端子１５ａ，１５ｂ，１５ｃとが設けられている。

電源回路３の負極端子ｄが接続される電源端子１４ｄは、ＤＣモータ制御装置７を搭載する回路基板の回路グランドＧＮＤに接続されている。インバータ回路１１の変換対象電源は、電源回路３の正極端子ａから電源端子１４ａに供給される直流電圧（ＤＣ１４０Ｖ）である。制御回路１０の動作電源は、電源回路３の正極端子ｂから電源端子１４ｂに供給される直流電圧（ＤＣ１５Ｖ）である。増幅回路１３の動作電源は、電源回路３の正極端子ｃから電源端子１４ｃに供給される直流電圧（ＤＣ５Ｖ）である。なお、電源端子１４ａは、制御回路１０にも接続されている。これは、インバータ回路１１に印加される直流電圧（ＤＣ１４０Ｖ）をトルク電流情報の生成演算に利用するためである。

コントローラ２と制御回路１０との間では、コントローラ２は、速度指令を信号端子１５ａ経由で制御回路１０に出力する。また、コントローラ２は、制御回路１０が生成した回転パルス信号とトルク電流情報とを信号端子１５ｂ，信号端子１５ｃ経由でそれぞれ取り込むようになっている。

制御回路１０からＰＷＭ駆動信号が入力されるインバータ回路１１は、スイッチング回路１１ａのみを示してあるが、このスイッチング回路１１ａの正極母線Ｐが電源端子１４ａに接続され、負極母線Ｎがシャント抵抗器１２を介して回路グランドＧＮＤに接続されている。

スイッチング回路１１ａの負極母線Ｎとシャント抵抗器１２の接続端は、増幅回路１３の入力端子に接続され、増幅回路１３の出力端子は、制御回路１０のモータ電流監視ポートに接続されている。

以上の構成において、制御回路１０は、コントローラ２から信号端子１５ａを介して入力される速度指令に従ってＰＷＭ駆動信号を生成し、インバータ回路１１に出力する。これによって、インバータ回路１１では、スイッチング回路１１ａが駆動され、印加される直流電圧（ＤＣ１４０Ｖ）から三相の交流電圧が生成され、ＤＣモータ６に供給される。スイッチング回路１１ａの負極母線Ｎには、ＤＣモータ６に供給される三相分のモータ電流を平均した電流が流れる。その平均したモータ電流がシャント抵抗器１２にて検出（電圧変換）され、増幅回路１３にて所定ゲインで増幅され、制御回路１０に入力される。このように、制御回路１０には、ＤＣ１５ＶあるいはＤＣ５Ｖの消費電流（つまり誤差分電流）を含まない純粋なモータ電流を示す電圧信号が入力される。

制御回路１０は、増幅回路１３から検出されたモータ電流に対応する検出電圧が入力されると、この実施の形態に関わる動作を行う。すなわち、制御回路１０は、増幅回路１３の出力電圧とインバータ１１に印加される直流電圧（ＤＣ１４０Ｖ）とを用いて、ＤＣモータ６のトルク電流情報と回転速度を示す回転パルス信号とをそれぞれ生成し、信号端子１５ｂ，１５ｃを介してコントローラ２へ出力する。

以下、図２〜図４を参照して、制御回路１０が行うこの実施の形態に関わる動作について具体的に説明する。なお、図２は、図１に示す制御回路がコントローラへ出力するトルク電流情報の一例を説明する図である。図３は、図１に示す制御回路がコントローラへ出力する回転パルス信号の一例を説明する図である。図４は、図１に示す制御回路が増幅回路のオフセット電圧をキャンセルしたモータ電流を生成する手順を説明するフローチャートである。

＜コントローラ２へ出力するトルク電流情報の生成動作＞
トルク電流は、ＰＷＭ駆動信号のデューティのＯＮ領域においてＤＣモータ６に流れる電流すなわちピーク電流であり、ＤＣモータ６の回転速度と比例的な関係を有している。そこで、制御回路１０は、まず、速度指令とそれに対するＤＣモータ６への駆動電圧との関係テーブルから、コントローラ２から入力された速度指令に対するモータ駆動電圧を取り出し、その取り出したモータ駆動電圧をインバータ１１に印加される直流電圧（ＤＣ１４０Ｖ）で除算する。つまり、実際にＤＣモータ６へ印加している駆動電圧のインバータ１１に供給される直流電圧（ＤＣ１４０Ｖ）に対する割合を求める。そして、求めた割合で、増幅回路１３の出力電圧が示すモータ電流を除算してトルク電流を求める。

求めたトルク電流をコントローラ２へ出力する方法としては、例えば、２つの方法が考えられる。トルク電流情報とは、この２つの方法のいずれかにより生成される信号を指している。
第１の方法は、求めたトルク電流値は、ディジタル値であるから、例えば図２に示すように、所定の電圧範囲内に割り付けたアナログ電圧に変換して出力する方法である。図２において、縦軸はトルク電流であり、横軸はＤ／Ａ出力である。図２では、０Ａ〜１Ａのトルク電流に対し、０Ｖ〜５Ｖのアナログ電圧を割り付けた例が示されている。なお、トルク電流値の上限は、実際に使用する領域に合わせて設定される。
第２の方法は、アナログ電圧出力の代わりに、トルク電流値を一定期間内のパルス数として出力する方法である。

これによって、コントローラ２は、定風量制御を行う上で必要となるトルク電流情報を精度良く得ることができる。したがって、コントローラ２は、どんな種類のＤＣモータ制御装置７に対しても、そのＤＣモータ制御装置７から得られるトルク電流と回転速度との関係に基づいて制御すればよいので、コントローラ２を換気扇４の機種毎に使い分ける必要がなく、標準化が図れる。

また、ＤＣモータ制御装置７は、精度のよいトルク電流情報を出力できるので、上記のようにコントローラ２側からも使いやすくなり、ＤＣモータ制御装置７自体の標準化につながる。さらに、ＤＣモータ制御装置７をＤＣモータ６に内蔵することにより、換気扇に汎用的に使用できるＤＣモータが得られ、換気扇４の標準化が図れる。

＜コントローラ２へ出力する回転パルス信号の生成動作＞
コントローラ２は、入力される回転パルス信号を、速度指令を生成する際の基礎データとして用いる。この実施の形態では、コントローラ２が高価なマイコンに依らず、簡易な構成で速度指令を生成でき、風量制御が行えるようにすることを企図している。

コントローラ２へ出力する回転パルス信号を、従来と同様にデューティ５０％固定で、周期を回転速度に応じて可変させる方式を採ると、デューティ５０％固定のパルス信号は積分すると、全て同じ電圧レベルの信号になってしまうので、コントローラ２においてパルス信号を積分してアナログ処理する方法は採用できず、高価なマイコンを用いてディジタル処理することになる。

そこで、この実施の形態では、コントローラ２において簡易なアナログ処理により速度指令を生成できるようにするため、制御回路１０は、コントローラ２へ出力する回転パルス信号を、周期を変えずにデューティを回転速度に応じて可変させるようにしている。

制御回路１０は、トルク電流とそれに比例関係にあるＤＣモータ６の回転速度との関係テーブルを備えている。制御回路１０は、上記のように、シャント抵抗器１２にてトルク電流が検出され、増幅回路１３から検出電圧が入力されると、その検出電圧に対応するトルク電流を検索キーとして関係テーブルからＤＣモータ６の回転速度を取り出し、速度範囲を判定する。そして、例えば、図３に示すように、（１）低速では、デューティ２０％の回転パルス信号を生成出力し、（２）中速では、デューティ５０％の回転パルス信号を生成出力し、（２）高速では、デューティ８０％の回転パルス信号を生成出力する。なお、コントローラ２への出力は、ＰＷＭ駆動信号のデューティに同期させることも可能である。

そうすると、コントローラ２では、例えば、入力された回転パルス出力を積分した回転速度信号（アナログ信号）と、入力されたトルク電流信号（アナログ信号）とをエラーアンプ構成にし、比例積分した信号を速度指令として制御回路１０に出力する構成を採ることができる。

このように、コントローラ２へ出力する回転パルス信号を、周期を変えずにデューティを回転速度に応じて可変させるようにしたので、コントローラ２では、高価なマイコンを使用せずに、簡易なアナログ処理によって定風量制御を行うことができる。

＜増幅回路１３のオフセット電圧をキャンセルしたモータ電流を生成する動作＞
シャント抵抗器１２は、抵抗損失を低減するため、低抵抗値のものを使用しており、両端に発生する電圧値は極めて小さい値である。したがって、シャント抵抗器１２の変換電圧をそのまま制御回路１０に入力した場合、制御回路１０においてモータ電流の判定精度が悪くなる。増幅回路１３は、制御回路１０においてモータ電流の判定精度を高めるために設けられている。

ところが、増幅回路１３は、いわゆるＯＰアンプで構成されるので、増幅回路１３の出力電圧には、オフセット電圧も含まれている。このオフセット電圧は、風量制御に誤差を生じさせる要因になる。そのため、この実施の形態では、増幅回路１３のオフセット電圧をキャンセルして純粋なモータ電流が得られるようにするが、オフセット電圧は、製品毎に異なるので、ＯＰアンプの製品仕様で定めるオフセット電圧を用いて一律にキャンセルするのではなく、例えば図４に示す手順で、実際に使用している増幅回路１３のオフセット電圧をキャンセルして、純粋なモータ電流が得られるようにした。なお、このオフセット電圧キャンセル処理は、電源投入時の初回のみ実施するか、或いは、所定時間毎に逐次実施するかは特に制限しない。

図４において、制御回路１０は、インバータ回路１１にＰＭＷ駆動信号を出力することを中止してＤＣモータ６を運転停止状態とし（ＳＴ１）、増幅回路１３の出力電圧を取り込み、その電圧値をオフセット電圧Ａとして設定する（ＳＴ２）。その後、制御回路１０は、インバータ回路１１にＰＭＷ駆動信号を出力することを開始してＤＣモータ６を運転状態とする（ＳＴ３）。ＤＣモータ６が運転を開始すると、制御回路１０は、増幅回路１３の出力電圧からオフセット電圧Ａを差し引いた値（検出モータ電流変換電圧値）が示すモータ電流を使用する（ＳＴ４）。

このように、増幅回路の誤差を吸収して精度良くモータ電流を検出することが可能となるため、さらに精度のよいトルク電流情報をコントローラ２へ出力することができる。

なお、図１では、シャント抵抗器１２を用いて電流検出回路を構成しているが、カレントトランスを用いて電流検出回路を構成してもよい。この場合は、カレントトランスの二次巻線を流れる電流を電圧変換して増幅回路に入力させる構成となる。また、ＤＣモータ制御装置７では、ＤＣ１４０ＶからＤＣ１５ＶやＤＣ５Ｖを降圧生成する電源回路を搭載する構成も採用することができる。この構成によれば、外部配線の簡素化が図れる。降圧生成されるＤＣ１５ＶやＤＣ５Ｖの制御電源は、使用する部品の定格に応じて適切な電圧値を生成する必要があることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかるＤＣモータ制御装置は、ＤＣモータの回転数とトルク電流とが比例関係にあることを利用して換気扇の定風量制御が行える換気装置で用いるＤＣモータ制御装置として有用である。

１換気装置
２コントローラ
３電源回路
４換気扇
５ファン
６ＤＣモータ
７ＤＣモータ制御装置
１０制御回路
１１インバータ回路
１１ａスイッチング回路
１２シャント抵抗器
１３増幅回路

Claims

直流電圧をＰＷＭ駆動信号に基づきスイッチングしてＤＣモータへの駆動電圧を出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路のスイッチング回路における母線電流をモータ電流として検出するモータ電流検出回路と、
外部からの速度指令に従い前記ＰＷＭ駆動信号を生成出力し、検出された前記モータ電流を前記駆動電圧の前記直流電圧に対する割合で除算してトルク電流を求め、求めた前記トルク電流の情報と、モータ回転速度を示す回転パルス信号とを外部へ出力する制御回路と
を備えたことを特徴とするＤＣモータ制御装置。
前記モータ電流検出回路は、前記インバータ回路のスイッチング回路における負極母線と回路グランドとの間に設けられる抵抗器と、前記抵抗器での変換電圧を所定ゲインで増幅する増幅回路とを備え、前記制御回路は、前記増幅回路の出力電圧に基づき前記トルク電流を算出することを特徴とする請求項１に記載のＤＣモータ制御装置。
前記モータ電流検出回路は、前記インバータ回路のスイッチング回路における負極母線に一次巻線が介挿されるカレントトランスと、前記カレントトランスの二次巻線に流れる電流の変換電圧を所定ゲインで増幅する増幅回路とを備え、前記制御回路は、前記増幅回路の出力電圧に基づき前記トルク電流を算出することを特徴とする請求項１に記載のＤＣモータ制御装置。
前記制御回路は、前記外部へ出力するトルク電流情報は、トルク電流を所定の電圧範囲に割り付けたアナログ電圧信号として生成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のＤＣモータ制御装置。
前記制御回路は、前記外部へ出力するトルク電流情報は、トルク電流を一定時間内のパルス数で規定したパルス信号として生成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のＤＣモータ制御装置。
前記制御回路は、前記回転パルス信号を、モータ回転速度に応じてデューティを変更して生成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のＤＣモータ制御装置。
前記制御回路は、前記ＤＣモータの運転を開始する前に前記増幅回路のオフセット電圧を検出し、前記ＤＣモータの運転を開始すると、前記増幅回路の出力電圧から前記オフセット電圧を差し引いた値を検出されたモータ電流として使用することを特徴とする請求項２または３に記載のＤＣモータ制御装置。
請求項１〜７のいずれか一つに記載のＤＣモータ制御装置が内蔵されたＤＣモータおよび前記ＤＣモータにより回転駆動され換気風の流れを引き起こすファンが搭載された換気扇と、
前記ＤＣモータ制御装置からのトルク電流情報と回転パルス信号とに基づき前記ＤＣモータ制御装置に速度指令を与えて前記換気扇の風量制御を行うコントローラと
を備えたことを特徴とする換気装置。