JP6912038B2 - モータ駆動装置、送風機、モータ駆動方法、および記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置、送風機、モータ駆動方法および、記録媒体に関する。

ブラシレスＤＣモータを駆動する従来のモータ駆動装置は、交流電源の交流電圧を整流および平滑して、平滑後の電圧の平均値をもとに異常電圧の発生の有無を監視し、異常電圧を検知した場合にモータの駆動を停止する。

しかしながら、平滑後の電圧の振幅は、モータ負荷の大きさによって異なりうる。また、モータ負荷に対して平滑後の電圧のピーク値は一定となる。したがって、モータ負荷が軽く振幅が小さい場合、モータ負荷が重い場合よりも平滑後の電圧の平均値が高くなり、モータの駆動量が過剰に制限されうる。モータ負荷が重く振幅が大きい場合、モータ負荷が軽い場合よりも平滑後の電圧の平均値が低くなり、モータを停止するタイミングが遅れて、モータ駆動装置に含まれる素子が故障しうる。異常電圧の検知に用いうる技術として、周期的に変化する電流値の波形の山の高さをセンサの異常の判断に用いる電流センサ異常診断装置が特許文献１に開示されている。

特開２０１７−２２９０９号公報

しかしながら、特許文献１の電流センサ異常診断装置は、電流値の波形の山のうち、最大の高さを異常の判断に用いており、その他の低い山の高さは考慮していない。したがって、例えば、電流の変化が大きい場合に異常診断を適切にできない虞がある。

本発明は、例えば、電圧の変動の影響を受けにくい、より安全性の高いモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本願の例示的な第１発明は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、整流器により変換された直流電圧を平滑するコンデンサと、コンデンサにより平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータ回路と、モータを駆動させる駆動信号を出力する制御部と、平滑された直流電圧を検出して、アナログの検出結果を制御部に出力する検出部と、を有し、制御部は、モータを駆動させる駆動信号を出力した後、交流電源の電源周期よりも長い期間、所定の周期で検出結果を所定のビット数で量子化し、ｎ番目（ｎは１以上の整数）に量子化した検出結果が示す電圧値をＶ_ｎとして、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をピーク値として決定し、ピーク値が所定の範囲内にあるか否かを判断し、ピーク値が所定の範囲内に無い場合、モータを停止させる駆動信号を出力する、ことを特徴とする。

本願の例示的な第１発明によれば、電圧の変動の影響を受けにくい、より安全性の高いモータ駆動装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る送風機１の概略図である。 図２は、ファンシステムの構成を示す概略図である。 図３は、モータを駆動するモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 図４は、制御部の各機能を示すブロック図である。 図５は、検出部が制御部へ出力する電圧の時間変化を示す。 図６は、Ａ／Ｄ変換部によって量子化された電圧値の時間変化を示す。 図７は、図６の円で囲った箇所の拡大図である。 図８は、正常範囲、異常範囲およびヒステリシスの関係を示す図である。 図９は、モータ駆動装置による駆動量の決定工程を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
［実施形態］

＜送風機＞
図１は、本実施形態に係る送風機１の概略図である。送風機１は、ファンシステム２０およびダクト３０を有する。送風機１は、換気、空調などに用いられる。例えば、室内の換気に用いる場合、ダクト３０の一端はファンシステム２０に取り付けられ、他端は外部へ開放される。ファンシステム２０は、室内の空気をダクト３０に送り、ファンシステム２０により送られた空気は、ダクト３０を通って外部へ排気される。

（ファンシステム）
図２は、ファンシステム２０の構成を示す概略図である。ファンシステム２０は、ファン２１と、モータ２２と、シュラウド２３と、モータ駆動装置１００と、を有する。ファン２１、モータ駆動装置１００およびモータ２２は、シュラウド２３に固定される。ファン２１は、モータ駆動装置１００が制御するモータ２２によって回転される。本実施形態では、モータ２２として、交流電源を直接入力して駆動する三相同期ブラシレスＤＣモータを用いるが、これ以外のモータを用いてもよい。

＜モータ駆動装置＞
図３は、モータ２２を駆動するモータ駆動装置１００の構成を示すブロック図である。図３に示すように、モータ駆動装置１００は、整流器１１０と、コンデンサ１２０と、検出部１３０と、インバータ回路１４０と、制御部１５０と、を有する。

モータ駆動装置１００は、モータ２２と共通の筐体に内蔵される。モータ２２のロータ等の出力軸は、筐体から突出しており、ファン２１に取り付けられる。モータ２２とモータ駆動装置１００とをいわゆる機電一体型とすることで、例えば、ファンシステム２０を小型化することができる。

（整流および平滑）
整流器１１０は、ダイオードＤ１〜Ｄ４を有する全波整流回路である。整流器１１０は、交流電源４０から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。コンデンサ１２０は、整流器１１０により変換された直流電圧を平滑する。

（検出部）
検出部１３０は、コンデンサ１２０によって平滑された直流電圧であるＶ_ＢＵＳを検出し、アナログの検出結果を制御部１５０へ出力する。以下、アナログの検出結果をアナログ信号ともいう。検出部１３０は、本実施形態のように抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２を含む分圧回路とすることが望ましい。アナログの検出結果は、分圧回路で分圧されたＶ_ＢＵＳの電圧値である。

（インバータ回路）
インバータ回路１４０は、コンデンサ１２０によって平滑されたＶ_ＢＵＳを交流電圧に変換してモータ２２に供給する。インバータ回路１４０は、モータ２２の相ごとに直列に接続された一対のスイッチング素子１４１を有する。スイッチング素子１４１としては、例えば、電界効果トランジスタなどのトランジスタが用いられ、本実施形態では、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いる。

一対のスイッチング素子１４１からなる各直列回路の接続中点は、それぞれモータ２２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻き線に接続される。また、インバータ回路１４０は、各スイッチング素子１４１のベース（ゲート）を図示しない駆動回路によりスイッチングする。これにより、インバータ回路１４０は、スイッチング素子１４１の出力電圧によりモータ２２を駆動する。なお、各スイッチング素子１４１には、それぞれ保護用のダイオードが設けられている。

制御部１５０から出力された駆動信号に基づいた、スイッチング素子１４１のスイッチング動作によって、モータ２２を駆動するための電力が得られる。制御部１５０が出力する駆動信号は、例えば、パルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）のＰＷＭ駆動信号である。

（制御部）
制御部１５０は、モータ２２を駆動させる駆動信号を出力する。制御部１５０は、例えば、マイクロコンピュータ（マイコン）である。制御部１５０には、図示しない電源回路により、交流電源４０から定電圧の直流電源に変換された直流電源が入力される。

制御部１５０は、アナログデジタル変換回路（以下、Ａ／Ｄ変換部という）を有する。Ａ／Ｄ変換部によって、検出部１３０で分圧されたアナログのＶ_ＢＵＳを所定のビット数で量子化し、量子化したデータを用いてモータ２２の駆動量を決定する。

また、モータ駆動装置１００は、電流検出回路１６０を有する。電流検出回路１６０は、電流検出用抵抗ＲＩを含み、アースラインに設けられる。電流検出回路１６０が検出した電流値は、制御部１５０へ出力される。

＜制御方法＞
制御部１５０によるモータ２２の制御方法を詳細に説明する。図４は、制御部１５０の各機能を示すブロック図である。制御部１５０は、Ａ／Ｄ変換部１５１と、ピーク決定部１５２と、判定部１５３と、設定部１５４と、を有する。

Ａ／Ｄ変換部１５１は、交流電源４０の電源周期よりも長い期間、所定の周期で検出部１３０から出力されたアナログのＶ_ＢＵＳを所定のビット数で量子化する。例えば、所定のビット数を４とする場合は、アナログのＶ_ＢＵＳは１６段階に量子化される。

図５は、検出部１３０が制御部１５０へ出力するＶ_ＢＵＳの時間変化を示す。横軸を時間、縦軸を電圧（Ｖ）とする。原点は、モータ２２を駆動させる駆動信号を設定部１５４からインバータ回路１４０へ出力した時点を示す。図５に示すように、Ｖ_ＢＵＳは山と谷を有する曲線状に時間変化する。ピークの間隔は、交流電源４０の電源周期に基づいて決定される。電源周波数の精度によっては、ピークの間隔は一定にならない。後述のように、本実施形態のモータ駆動装置１００は、所定の期間において連続してピーク電圧を検出しているため、電源周波数の精度によらないモータ２２の駆動が可能である。

図６は、Ａ／Ｄ変換部１５１によって量子化された電圧値の時間変化を示す。横軸を時間、縦軸を電圧（Ｖ）とする。図６に示すように、図５のようなＶ_ＢＵＳの曲線は、図６のように階段状のグラフに表現される。

交流電源４０の電源周期は、例えば、１２０Ｈｚの電源周波数の場合、およそ８ｍｓｅｃとなる。電源周期がおよそ８ｍｓｅｃの場合、Ａ／Ｄ変換部１５１は、量子化する所定の周期ｔｓ（図７で図示する。）を８ｍｓｅｃよりも短く、例えば、１ｍｓｅｃとする。所定の周期を電源周期よりも短くすることでピーク電圧の検出精度を向上させることができる。

図７は、図６の円で囲った箇所の拡大図である。ピーク決定部１５２は、Ａ／Ｄ変換部１５１によってｎ番目（ｎは１以上の整数）に量子化された電圧値をＶ_ｎとして、図７で示すような、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をピーク値として決定する。

判定部１５３は、ピーク決定部１５２により決定されたピーク値が所定の範囲内にあるか否かを判断する。判断結果は設定部１５４へ出力される。所定の範囲は、モータ駆動装置１００に短絡が起きていない場合または交流電源４０が正常に動作している場合に、モータ駆動時に検出部１３０で検出されうる電圧値の範囲である。この範囲を以下において、正常範囲という。モータ駆動装置１００に短絡が起きている場合または交流電源４０に異常が生じた場合に検出される電圧値の範囲を異常範囲とすると、正常範囲の下限および上限と異常範囲との間に所謂ヒステリシスが設けられる。ヒステリシスを設けることでピーク電圧が正常範囲の近傍で変動することによるハンチングが起こることを防止できる。ヒステリシスは、例えば、５Ｖとしうる。

図８は、正常範囲、異常範囲およびヒステリシスの関係を示す図である。正常範囲の下限の電圧をＶ_Ｌ１、Ｖ_Ｌ１からヒステリシスを引いた電圧をＶ_Ｌ２とする。また、正常範囲の上限の電圧をＶ_Ｈ１、Ｖ_Ｈ１からヒステリシスを足した電圧をＶ_Ｈ２とする。

設定部１５４は、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_Ｈ２または、Ｖ_ｎ＋１＜Ｖ_Ｌ２の場合、モータ２２を停止させる駆動信号を設定し、インバータ回路１４０へ出力する。

以上のように、本実施形態のモータ駆動装置１００によれば、ピーク電圧を基準値としてモータ２２の駆動量を決定することができる。したがって、モータ駆動装置１００は、直流電圧の変動の影響を受けにくくなり、モータ駆動装置１００に含まれる素子の故障を防止することができる。

（再駆動）
設定部１５４は、Ｖ_Ｌ１≦Ｖ_ｎ＋１≦Ｖ_Ｈ１の場合、モータ２２を駆動させる駆動信号を設定し、インバータ回路１４０へ出力する。また、設定部１５４は、モータ２２を停止させる駆動信号をインバータ回路１４０へ出力した後、Ｖ_ｎ＋１が、Ｖ_Ｌ１≦Ｖ_ｎ＋１≦Ｖ_Ｈ１を充足した場合、モータ２２を駆動させる駆動信号を設定し、インバータ回路１４０へ出力する。なお、再駆動条件として、Ｖ_Ｌ１≦Ｖ_ｎ＋１≦Ｖ_Ｈ１以外の条件、例えば、モータ駆動装置１００内部の温度などを設定してもよい。以上のように、本実施形態のモータ駆動装置１００は、停止したモータを、基準値が所定の範囲内に入ったときに自動で再駆動することができる。

（ピーク電圧の更新）
ピーク決定部１５２は、モータ２２を駆動させる駆動信号を出力した後、交流電源４０の電源周期よりも長い期間において得た複数のピーク電圧を保持し、複数のピーク電圧に基づいて、判定部１５３が用いる基準値を決定する。複数のピーク電圧の変動を考慮して判定部１５３が用いる基準値を決定することで、モータ駆動装置１００に含まれる素子の故障を防止することができる。

ピーク決定部１５２は、複数のピーク電圧のうち、最大のピーク値を基準値として決定しうる。複数のピーク電圧のうち、最大のピーク電圧を基準値としてモータ２２の駆動量を決定することで、ピーク電圧が変動する場合であっても、モータ駆動装置１００に含まれる素子の故障を防止することができる。

ピーク決定部１５２は、複数のピーク値の平均値を基準値として決定しうる。複数のピーク電圧の平均値を基準値としてモータ２２の駆動量を決定することで、ピーク電圧が変動する場合であっても、モータ駆動装置１００に含まれる素子の故障を防止することができる。

ピーク決定部１５２は、複数のピーク電圧のそれぞれを決定するたびに、基準値を求めうる。基準値を、ピーク電圧を求めるたびに更新することで、ピーク電圧が変動する場合であっても、また、モータ駆動装置１００に含まれる素子の故障を防止することができる。

ピーク決定部１５２は、交流電源４０の電源周期で基準値を求めうる。基準値を、ピーク電圧となるタイミング、あるいはその近傍である電源周期で更新することで、ピーク電圧が変動する場合であっても、モータ駆動装置に含まれる素子の故障を防止することができる。

（ボトム電圧を用いる場合）
上記説明では、モータ駆動装置１００は、ピーク電圧に基づいてモータ２２の制御を行っていたが、図５に示すような谷の電圧値、すなわち、ボトム電圧を用いて制御をおこなってもよい。

ボトム値は、ピーク決定部１５２により決定される。ピーク決定部１５２は、Ｖ_ｎ＋１＜Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＜Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をボトム値として決定する。判定部１５３は、ピーク決定部１５２により決定されたボトム値が正常範囲内にあるか否かを判断する。判断結果は設定部１５４へ出力される。設定部１５４は、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_Ｈ２または、Ｖ_ｎ＋１＜Ｖ_Ｌ２の場合、モータ２２を停止させる駆動信号を設定し、インバータ回路１４０へ出力する。

ボトム値を基準値としてモータ２２の駆動量を決定することができるため、直流電圧の変動の影響を受けにくくなり、モータ２２の駆動量を過剰に制限することを防止することができる。

上記実施形態のモータ駆動装置１００によって、ファン２１を駆動するモータ２２を制御すれば、ファン２１を有する送風機１を安定して駆動することができる。

（制御フロー）
図９は、モータ駆動装置１００による駆動量の決定工程を示すフローチャートである。工程Ｓ９０で設定部１５４は、モータ２２の駆動量を設定してインバータ回路１４０へ出力し、モータ２２の駆動が開始される。工程Ｓ９１で、Ａ／Ｄ変換部１５１は、交流電源４０の電源周期よりも長い期間、所定の周期で検出部１３０から出力されたアナログのＶ_ＢＵＳを所定のビット数で量子化する。

工程Ｓ９２で、ピーク決定部１５２は、Ａ／Ｄ変換部１５１によって量子化された電圧値をＶ_ｎとして、図７で示すような、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をピーク値として決定する。

工程Ｓ９３で、判定部１５３は、ピーク決定部１５２により決定されたピーク値が所定の範囲内にあるか否かを判断する。工程Ｓ９３で、所定の範囲に無いと判断された場合、すなわち、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_Ｈ２または、Ｖ_ｎ＋１＜Ｖ_Ｌ２の場合、工程Ｓ９４で設定部１５４は、モータ２２を停止させる駆動信号を設定し、インバータ回路１４０へ出力する。

工程Ｓ９４の後は、工程Ｓ９１に戻り、ピーク電圧の監視が継続される。工程Ｓ９３で所定の範囲に入ると判断された場合、工程Ｓ９５でモータ２２が再駆動される。

工程Ｓ９３で、所定の範囲に入ると判断された場合、すなわち、Ｖ_Ｌ１≦Ｖ_ｎ＋１≦Ｖ_Ｈ１の場合、工程Ｓ９５で設定部１５４は、モータ２２を駆動させる駆動信号を設定し、インバータ回路１４０へ出力する。工程Ｓ９５の後は、工程Ｓ９１に戻り、ピーク電圧の監視が継続される。

上記制御フローのように、ピーク電圧を基準値としてモータ２２の駆動量を決定することができるため、直流電圧の変動の影響を受けにくくなり、モータ２２の駆動量を過剰に制限すること、また、モータ駆動装置１００に含まれる素子の故障を防止することができる。

なお、上記説明した駆動方法をコンピュータに実行させるプログラムを、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶させ、この記録媒体をコンピュータによりアクセスし上記プログラムを実行してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ モータ駆動装置
１１０ 整流器
１２０ コンデンサ
１３０ 検出部
１４０ インバータ回路
１５０ 制御部

Claims (12)

1. モータを駆動するモータ駆動装置であって、
   交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、
   前記整流器により変換された前記直流電圧を平滑するコンデンサと、
   前記コンデンサにより平滑された前記直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに供給するインバータ回路と、
   前記モータを駆動させる駆動信号を出力する制御部と、
   前記平滑された直流電圧を検出して、アナログの検出結果を前記制御部に出力する検出部と、を有し、
   前記制御部は、前記モータを駆動させる前記駆動信号を出力した後、前記交流電源の電源周期よりも長い期間、所定の周期で前記検出結果を所定のビット数で量子化し、ｎ番目（ｎは１以上の整数）に量子化した前記検出結果が示す電圧値をＶ_ｎとして、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をピーク値として決定し、前記ピーク値が所定の範囲内にあるか否かを判断し、前記ピーク値が前記所定の範囲内に無い場合、前記モータを停止させる前記駆動信号を出力する、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記制御部は、前記モータを停止させる前記駆動信号を出力した後、前記ピーク値が前記所定の範囲内にあると判断した場合、前記モータを駆動させる前記駆動信号を出力する、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記所定の周期は、前記電源周期よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記制御部は、前記期間において得た複数のピーク値を保持し、前記複数のピーク値に基づいて、前記所定の範囲内にあるか否かを判断するための基準値を決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記制御部は、前記複数のピーク値のうち、最大のピーク値を前記基準値とすることを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
6. 前記制御部は、前記複数のピーク値の平均値を前記基準値とすることを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
7. 前記制御部は、前記ピーク値のそれぞれを決定するたびに、前記基準値を求めることを特徴とする請求項５または６に記載のモータ駆動装置。
8. 前記制御部は、前記電源周期で、前記基準値を求めることを特徴とする請求項５または６に記載のモータ駆動装置。
9. 前記制御部は、前記モータを駆動させる前記駆動信号を出力した後、Ｖ_ｎ＋１＜Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＜Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をボトム値として決定し、前記ボトム値が前記所定の範囲内にあるか否かを判断し、前記ボトム値が前記所定の範囲内に無い場合、前記モータを停止させる前記駆動信号を出力する、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のモータ駆動装置により制御されるモータにより駆動されるファンを備えることを特徴とする送風機。
11. 交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、前記変換された直流電圧を平滑した直流電圧を用いてモータを駆動するモータ駆動方法であって、
    前記モータを駆動させ、
    前記駆動の後、前記交流電源の電源周期よりも長い期間、所定の周期で前記平滑した電圧を示すアナログ信号を所定のビット数で量子化し、
    ｎ番目（ｎは１以上の整数）に量子化した前記アナログ信号が示す電圧値をＶ_ｎとして、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をピーク値として決定し、
    前記ピーク値が所定の範囲内にあるか否かを判断し、
    前記ピーク値が前記所定の範囲内に無い場合、前記モータを停止させる、
    ことを特徴とするモータ駆動方法。
12. 交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、前記変換された直流電圧を平滑した直流電圧を用いてモータを駆動するモータ駆動方法をコンピュータに実行させるプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
    前記モータ駆動方法は、
    前記モータを駆動させる工程と、
    前記駆動の後、前記交流電源の電源周期よりも長い期間、所定の周期で前記平滑した電圧を示すアナログ信号を所定のビット数で量子化する工程と、
    ｎ番目（ｎは１以上の整数）に量子化された前記アナログ信号が示す電圧値をＶ_ｎとして、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎ＋２、かつ、Ｖ_ｎ＋１＞Ｖ_ｎを満たすＶ_ｎ＋１をピーク値として決定する工程と、
    前記ピーク値が所定の範囲内にあるか否かを判断する工程と、
    前記判断する工程において、前記ピーク値が前記所定の範囲内に無いと判断された場合、前記モータを停止させる工程と、を含む、
    ことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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