JP7473409B2 - モータ駆動制御装置およびファンユニット - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動制御装置及びファンユニットに関する。

換気扇等において、ダクト長やダクトの内部および外部の状態に起因する圧力損失（静圧）の変化等によって送風量が変化することが知られている。そのため、換気扇等のファンのモータを駆動するモータ駆動制御装置には、静圧等の変化した場合であってもファンの送風量が一定となるようにモータを制御する機能が求められている。

ファンの風量を一定に制御するための従来技術は、例えば特許文献１乃至３に開示されている。具体的に、特許文献１には、所定の風量値とモータのトルクの値とを用いてモータの回転速度を補正することにより、ファンの風量を一定に保つ技術が開示されている。また、特許文献２には、モータの１回転当たりの風量とモータの電流との相関関係を利用して検出したモータの電流値に基づいてモータの回転数を制御することにより、ファンの風量を一定に保つ技術が開示されている。また、特許文献３には、ファンの風量の目標値をモータの回転速度で除した変数の多項式を用いてトルクの指令値を算出することにより、ファンの風量を一定に保つ技術が開示されている。

特許第５３２７０４５号公報 特許第３７３８６８５号公報 特許第６０３７３１６号公報

上述した従来技術によれば、ファンの風量を一定に制御することが可能である。しかしながら、従来技術よりも簡易な構成および演算によってファンの風量を一定に保つ制御が実現できれば、モータ駆動制御装置を構成するマイクロコントローラ等の部品のコストを抑え、より安価なファンを提供できるようになると、本願発明者らは考えた。

本発明は、上述した課題を解消するためのものであり、簡易な構成および演算によってファンの風量を一定に制御することを目的とする。

本発明の代表的な実施の形態に係るモータ駆動制御装置は、ファンのモータの駆動を制御するための駆動制御信号を出力する制御回路と、前記制御回路から出力された前記駆動制御信号に基づいて前記モータを駆動するモータ駆動回路とを備え、前記制御回路は、前記ファンが所定の風量を供給するときの前記モータの回転速度とトルクとの関係を示す対応情報を記憶する記憶部と、指定された目標の風量に対応する前記対応情報を用いて、前記モータの回転速度から目標トルクを決定する目標トルク決定部と、前記モータのトルク値を取得するトルク取得部と、前記目標トルクと前記トルク取得部によって取得した前記トルク値との差を小さくする速度である、前記モータの目標回転速度を決定する目標回転速度決定部と、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に近づくように前記駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部とを含むことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、簡易な構成および演算によってファンの風量を一定に制御することが可能となる。

本実施の形態に係るモータ駆動制御装置を備えるファンユニットの構成を示す図である。 制御回路の機能ブロック構成を示す図である。 ファンのモータの回転速度とトルクの関係を示す図である。 駆動制御信号生成部の内部構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係るモータ駆動制御装置による風量一定制御の処理の流れを示すフローチャートである。

１．実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。なお、以下の説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を、括弧を付して記載している。

〔１〕本発明の代表的な実施の形態に係るモータ駆動制御装置（１）は、ファン（２２）のモータ（２０）の駆動を制御するための駆動制御信号（Ｓｄ）を出力する制御回路（３）と、前記制御回路から出力された前記駆動制御信号に基づいて前記モータを駆動するモータ駆動回路（２）とを備え、前記制御回路は、前記ファンが所定の風量を供給するときの前記モータの回転速度とトルクとの関係を示す対応情報（３１０＿１～３１０＿ｎ）を記憶する記憶部（３１）と、指定された目標の風量に対応する前記対応情報を用いて、前記モータの回転速度から目標トルクを決定する目標トルク決定部（３０）と、前記モータのトルク値（Ｔｓ）を取得するトルク取得部（３２）と、前記目標トルクと前記トルク取得部によって取得した前記トルク値との差（ΔＴ）を小さくする速度である、前記モータの目標回転速度（ＥＸＣ）を決定する目標回転速度決定部（３４）と、前記モータの回転速度が前記目標回転速度に近づくように前記駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部（３５）とを含むことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕に記載のモータ駆動制御装置において、前記対応情報は、前記モータの回転速度とトルクとの関係を表す関数（３１０＿１～３１０＿ｎ）を含み、前記記憶部は、前記ファンに指定可能な複数の風量の指令値毎に前記関数を記憶していてもよい。

〔３〕上記〔１〕または〔２〕に記載のモータ駆動制御装置において、前記モータは３相のコイルを有し、前記駆動制御信号生成部は、前記モータの各相の前記コイルに流れる電流に基づいて、前記モータのトルクに応じたｑ軸電流（Ｉｑ）と前記モータの磁束に応じたｄ軸電流（Ｉｄ）とを夫々算出し、算出したｑ軸電流およびｄ軸電流とが前記目標回転速度に応じた目標電流値（Ｉｑ＿ｒｅｑ，Ｉｄ＿ｒｅｆ）に夫々一致するようにデューティ比を決定し、そのデューティ比を有するＰＷＭ信号を前記駆動制御信号として出力し、前記トルク取得部は、前記駆動制御信号生成部によって算出した前記ｑ軸電流に基づいて前記トルク値（Ｔｓ）を取得してもよい。

〔４〕上記〔１〕乃至〔３〕の何れか一項に記載のモータ駆動制御装置において、前記目標回転速度決定部は、前記目標トルクと前記トルク値との差分が小さくなるようにＰＩ制御演算を行い、ＰＩ制御演算によって得られた制御量に所定の係数を乗算することにより、前記目標回転速度を算出してもよい。

〔５〕本発明の代表的な実施の形態に係るファンユニット（１００）は、上記〔１〕乃至〔４〕の何れか一項に記載のモータ駆動制御装置（１）と、前記モータ駆動制御装置によって駆動される前記モータ（２０）と、前記モータの回転力によって回転可能に構成されたインペラ（２１）と、を備えることを特徴とする。

２．実施の形態の具体例
以下、本発明の実施の形態の具体例について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

≪実施の形態≫

図１は、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置１を備えるファンユニットの構成を示す図である。

図１に示されるファンユニット１００は、インペラ（羽根車）を回転させることによって風を発生させる装置である。ファンユニット１００は、例えば、室内の空気を室外に排出する換気設備（換気扇）に適用することができる。

図１に示すように、ファンユニット１００は、モータ２０と、インペラ２１と、モータ２０の回転位置を検出するための回転位置検出器２５と、モータ２０の回転速度を検出する回転速度検出器２６と、モータ２０に流れる電流を検出する電流検出器２７と、モータ２０を駆動するモータ駆動制御装置１と、を備えている。

モータ２０は、例えば、ブラシレスモータである。本実施の形態において、モータ２０は、３相のコイルを有するブラシレスモータである。モータ駆動制御装置１は、モータ２０の回転を制御するための装置である。モータ駆動制御装置１は、例えば、モータ２０に正弦波駆動信号を出力してモータ２０の３相のコイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに周期的に正弦波状の駆動電流を流してモータ２０を回転させる。

インペラ（羽根車）２１は、風を発生させる部品であり、モータ２０の回転力によって回転可能に構成されている。例えば、インペラ２１の回転軸は、モータ２０の出力軸に同軸に連結されている。本実施の形態では、例えば、インペラ２１とモータ２０とが一つのファン２２を構成しているものとする。

モータ駆動制御装置１は、モータ駆動回路２と、制御回路３とを有している。なお、図１に示されているモータ駆動制御装置１の構成要素は、全体の一部であり、モータ駆動制御装置１は、図１に示されたものに加えて、他の構成要素を有していてもよい。

モータ駆動回路２は、後述する制御回路３から出力された駆動制御信号Ｓｄに基づいてモータ２０を駆動する。モータ駆動回路２は、インバータ回路２ａ及びプリドライブ回路２ｂを有する。

インバータ回路２ａは、プリドライブ回路２ｂから出力された出力信号に基づいてモータ２０に駆動信号を出力し、モータ２０が備えるコイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに通電する。インバータ回路２ａは、例えば、直流電源Ｖｃｃの両端に設けられた２つのスイッチ素子の直列回路の対が、コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対してそれぞれ配置されて構成されている。２つのスイッチ素子の各対において、スイッチ素子同士の接続点に、モータ２０の各相の端子が接続されている。

プリドライブ回路２ｂは、制御回路３からの駆動制御信号Ｓｄに基づいて、インバータ回路２ａを駆動するための出力信号を生成し、インバータ回路２ａに出力する。

駆動制御信号Ｓｄは、モータ２０の駆動を制御するための信号であり、例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号である。具体的には、駆動制御信号Ｓｄは、インバータ回路２ａの各スイッチ素子に対応する６種類のＰＷＭ信号を含む。具体的に、駆動制御信号Ｓｄは、インバータ回路２ａを構成する各スイッチ素子のオン／オフの状態によって定まるモータ２０のコイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗの通電パタンを切り替えるための信号である。

プリドライブ回路２ｂは、例えば、駆動制御信号Ｓｄに基づいて、インバータ回路２ａの各スイッチ素子を駆動する６種類の駆動信号Ｖｕｕ，Ｖｕｌ，Ｖｖｕ，Ｖｖｌ，Ｖｗｕ，Ｖｗｌを生成して出力する。これらの駆動信号がインバータ回路２ａに入力されることにより、インバータ回路２ａを構成する、それぞれの駆動信号に対応するスイッチ素子がオン、オフ動作を行う。これにより、モータ２０の各相に電力が供給される。

回転位置検出器２５ｕ，２５ｖ，２５ｗは、モータ２０のロータの回転に応じた回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを生成する。回転位置検出器２５ｕ，２５ｖ，２５ｗは、例えば、ホール（ＨＡＬＬ）素子である。以下、回転位置検出器２５ｕ，２５ｖ，２５ｗを「ホール素子２５ｕ，２５ｖ，２５ｗ」とも称する。

３つのホール素子２５ｕ，２５ｖ，２５ｗは、モータ２０の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）にそれぞれ対応して設けられている。ホール素子２５ｕ，２５ｖ，２５ｗは、例えば、互いに略等間隔（例えば、隣り合うものと１２０度の間隔）にモータ２０のロータ（回転子）の周囲に配置されている。

ホール素子２５ｕ，２５ｖ，２５ｗは、それぞれ、ロータの磁極を検出し、ロータの回転に応じて電圧が変化するホール信号を回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗとして出力する。回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、制御回路３に入力される。

なお、制御回路３には、このようなホール信号に代えて、モータ２０のロータの回転位置に対応する他の信号が回転位置検出信号として入力されるように構成されていてもよい。例えば、エンコーダやレゾルバ、モータ電流検出回路などを設け、その検出信号が制御回路３に入力されるようにしてもよい。

回転速度検出器２６は、モータ２０のロータの回転に応じた回転速度検出信号Ｓｒを生成する。回転速度検出器２６は、例えば、モータ２０が搭載される基板（プリント基板）上に形成されたＦＧ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）パタンである。回転速度検出器２６としてのＦＧパタンは、モータ２０の回転数に対応する周期を有する信号（ＦＧ信号）を発生させる。回転速度検出器２６から出力されたＦＧ信号は、回転速度検出信号Ｓｒとして制御回路３に入力される。

なお、本実施例においては回転速度検出器２６としてＦＧパタンを用いているが、これに限らず、エンコーダやレゾルバ等その他の回転速度検出器を用いてもよいし、ホール信号（回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ）をもとにして回転速度を導出し、回転速度検出信号Ｓｒとして制御回路３に入力されるようにしてもよい。

電流検出器２７は、モータ駆動回路２を構成するインバータ回路２ａの直流側に流れる電流の電流値に対応する電流検出信号Ｓｉを生成する。電流検出器２７は、例えば、インバータ回路の負側（グラウンド側）に配置される電流検出素子であり、例えば抵抗（シャント抵抗）である。電流検出器２７としての電流検出素子は、自身に流れる電流に応じた電圧を発生して、電流検出信号Ｓｉとして出力する。

制御回路３は、風量指令信号Ｓｆ、回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ、および回転速度検出信号Ｓｒに基づいて、モータ２０を駆動させるための駆動制御信号Ｓｄを生成し、モータ駆動回路２に供給する。具体的に、制御回路３は、回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗおよび回転速度検出信号Ｓｒに基づいてモータ２０のロータの回転位置や回転速度等の情報を得ることでモータ２０の回転状態を監視し、風量指令信号Ｓｆによって指定された風量がファン２２から供給されるように駆動制御信号Ｓｄを生成してモータ２０の駆動を制御する。

なお、回転速度検出信号Ｓｒは、回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗをもとに演算によって求めてもよいし、回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを回転速度検出信号Ｓｒとして用いてもよい。

本実施の形態において、制御回路３は、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサと、ＲＡＭ，ＲＯＭ等の各種記憶装置と、カウンタ（タイマ）、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路、クロック発生回路、および入出力Ｉ／Ｆ回路等の周辺回路とが、バスや専用線を介して互いに接続された構成を有するプログラム処理装置（例えばマイクロコントローラ）によって実現されている。

なお、モータ駆動制御装置１は、制御回路３の少なくとも一部とモータ駆動回路２の少なくとも一部とが一つの集積回路装置（ＩＣ）としてパッケージ化された構成であってもよいし、制御回路３とモータ駆動回路２がそれぞれ個別の集積回路装置として夫々パッケージ化された構成であってもよい。

制御回路３は、風量指令信号Ｓｆに基づいてファン２２の風量を制御するとき、ファンユニット１００を搭載した換気設備のダクト長等に起因する圧力損失（静圧）に依らず、風量が一定になるように駆動制御信号Ｓｄを生成する風量一定制御を行う。以下、制御回路３による風量一定制御について説明する。

図２は、制御回路３の機能ブロック構成を示す図である。
図２に示すように、制御回路３は、風量一定制御を実現するための機能ブロックとして、目標トルク決定部３０、記憶部３１、トルク取得部３２、誤差算出部３３、目標回転速度決定部３４、および駆動制御信号生成部３５を有している。これらの機能ブロックは、例えば、制御回路３としてのプログラム処理装置において、プロセッサが、メモリに記憶されたプログラムに従って各種演算処理を実行するとともに、カウンタやＡ／Ｄ変換回路等の周辺回路を制御することによって実現される。

目標トルク決定部３０は、風量指令信号Ｓｆで指定された風量をファン２２から供給するために必要なモータ２０のトルクの目標値（以下、「目標トルク」と称する。）を決定する機能部である。目標トルク決定部３０は、後述する記憶部３１に記憶されている対応情報３１０を用いて、後述する目標回転速度決定部３４によって算出されたモータ２０の目標回転速度ＥＸＣから目標トルクＴｇを算出する。

記憶部３１は、風量一定制御に必要なパラメータ等を記憶する機能部である。記憶部３１は、例えば、対応情報３１０や、風量指令値毎に設けられた目標回転速度ＥＸＣの初期値等のデータを記憶している。

ここで、対応情報３１０とは、ファン２２が所定の風量を供給するときのモータ２０の回転速度とトルクとの関係を示すデータである。

図３は、ファン２２のモータ２０の回転速度とトルクの関係を示す図である。
図３において、横軸はモータ２０の回転速度を表し、縦軸はモータ２０のトルクを表している。また、特性６０１～６０３は、ファン２２の風量が所定の値で一定になるようにファン２２を動作させたときのモータ２０の回転速度とトルクの実測値に基づいて描いたグラフであり、モータ２０の回転速度－トルク特性を表している。

図３において、参照符号６０１は、ファン２２の風量が第１の値（＝Ｆ１）であるときのモータ２０の回転速度に対するトルクの特性を表し、参照符号６０２は、ファン２２の風量が第２の値（＝Ｆ２＞Ｆ１）であるときのモータ２０の回転速度に対するトルクの特性を表し、参照符号６０３は、ファン２２の風量が第３の値（＝Ｆ３＞Ｆ２＞Ｆ１）であるときのモータ２０の回転速度に対するトルクの特性を表している。

図３から理解されるように、モータ２０の回転速度－トルク特性は、ファン２２の風量毎に異なるものとなる。したがって、ファン２２に要求される風量に応じてモータ２０の回転速度およびトルクが特性６０１～６０３に沿って変化するように制御することにより、要求された風量が一定になるようにファン２２を動作させることが可能となる。

そこで、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置１は、ファン２２の風量毎のモータ２０の回転速度とトルクとの関係を表す関数３１０を記憶部３１に予め記憶しておき、それらの関数を用いてモータ２０の回転速度とトルクを調整することにより、ファン２２の風量を一定にする。

具体的には、記憶部３１に、ファン２２に指定可能な複数の風量の指令値毎に関数３１０を記憶しておく。例えば、ファン２２の風量がｎ（ｎは２以上の整数）段階に切替可能である場合、ｎ通りの風量毎にモータ２０の回転速度とトルクの関係を表す関数３１０＿１～３１０＿ｎを記憶部３１に記憶しておく。

例えば、予め、実験やシミュレーション等によって、静圧が異なる環境下においてファン２２の風量が所定の値で一定になるようにモータ２０を駆動したときのモータ２０の回転速度とトルクを測定する。次に、回転速度およびトルクの測定値を用いて回帰分析を行うことにより、回転速度とトルクの関係を示す近似関数（例えば二次関数）を風量毎に算出する。そして、それらの近似関数の係数を対応情報３１０＿１～３１０＿ｎとして、モータ駆動制御装置１の記憶部３１に記憶しておく。

目標トルク決定部３０は、記憶部３１に記憶されている関数３１０＿１～３１０＿ｎを用いて、風量指令信号Ｓｆと後述する目標回転速度決定部３４によって決定される目標回転速度ＥＸＣとに基づいて、目標トルクＴｇを算出する。具体的には、図２に示すように、目標トルク決定部３０は、風量指令取得部３６、関数選択部３７、および目標トルク算出部３８を有する。

風量指令取得部３６は、外部から入力された風量指令信号Ｓｆから風量の指令値を取得する機能部である。例えば、ユーザが換気扇の操作入力部を操作することにより所望の風量が指定された場合、操作入力部が指定された風量を示す風量指令信号Ｓｆを生成し、風量指令取得部３６に入力する。

風量指令取得部３６は、入力された風量指令信号Ｓｆから風量の指定値を取得する。例えば、換気扇が“弱”、“中”、“強”の３段階の風量に設定可能であり、風量指令信号Ｓｆが２ビットのデジタル信号である場合、風量指令取得部３６は、風量指令信号Ｓｆの２ビットの論理値に基づいて、風量の指令値が“弱”、“中”、“強”または“動作の停止”の何れであるかを判定する。例えば、風量指令取得部３６は、風量指令信号Ｓｆが“００”の場合にはファン２２の停止指示と判定し、風量指令信号Ｓｆが“０１”の場合には風量の指令値が“弱”と判定し、風量指令信号Ｓｆが“１０”の場合に風量の指令値が“中”と判定し、風量指令信号Ｓｆが“１１”の場合に風量の指令値が“強”と判定する。

関数選択部３７は、風量指令取得部３６によって取得した風量の指令値に基づいて、関数３１０＿１～３１０＿ｎの何れか一つを選択する。関数選択部３７は、風量指令取得部３６によって取得した風量の指令値で指定された風量に対応する関数３１０＿１～３１０＿ｎを選択して、記憶部３１から読み出す。

目標トルク算出部３８は、関数選択部３７によって選択された関数３１０を用いて、目標回転速度決定部３４によって決定された目標回転速度ＥＸＣから目標トルクＴｇを算出する。例えば、目標トルク算出部３８は、関数３１０の変数である回転速度に目標回転速度ＥＸＣの値を代入することによりトルクを算出し、算出したトルクを目標トルクＴｇとして出力する。

トルク取得部３２は、モータ２０のトルクの測定値を取得する機能部である。具体的に、トルク取得部３２は、後述する駆動制御信号生成部３５において行われるベクトル制御の計算過程で算出されるｑ軸電流Ｉｑを取得する。一般に、ｑ軸電流はトルクと比例関係にあることが知られているので、トルク取得部３２は、ｑ軸電流はトルクの関係を示すパラメータを用いて、ｑ軸電流Ｉｑからモータ２０のトルク値Ｔｓを算出する。例えば、トルク取得部３２は、所定期間毎のｑ軸電流Ｉｑの平均値を算出し、その値と所定の係数とを乗算することにより、トルク値Ｔｓを算出する。なお、取得したｑ軸電流の値に対して上述の演算処理を行わず、取得したｑ軸電流値をそのままトルク値Ｔｓとして用いてもよい。

誤差算出部３３は、目標トルク決定部３０によって決定した目標トルクＴｇとトルク取得部３２によって取得したモータ２０のトルクの測定値であるトルク値Ｔｓとの差分を算出する機能部である。誤差算出部３３は、目標トルクＴｓとトルク値Ｔｓとの差分をトルク誤差ΔＴとして出力する。

目標回転速度決定部３４は、目標トルクＴｇとトルク値Ｔｓとの差が小さくなるようにモータ２０の目標回転速度ＥＸＣを決定する機能部である。図２に示すように、目標回転速度決定部３４は、ＰＩ制御演算部４０と目標回転速度算出部４１を有する。ＰＩ制御演算部４０は、ＰＩ制御演算によってトルク誤差ΔＴがゼロになるように制御量を算出する。すなわち、目標回転速度算出部４１は、目標トルクとトルク取得部によって取得したトルク値との差を小さくする速度である、モータ２０の目標回転速度ＥＸＣを決定する。目標回転速度算出部４１は、ＰＩ制御演算部４０によって算出した制御量に所定の変換係数を乗算して目標回転速度ＥＸＣを算出する。

例えば、ファンにおいて、一般に、モータの回転数（回転速度）を上げると空気抵抗が大きくなり負荷（トルク）が上昇し、逆にモータの回転数を下げると空気抵抗が小さくなることで負荷が低下する。つまり、ファンにおいては、モータの回転数を制御することで、トルク誤差ΔＴが０になるように制御することができる。このとき、ＰＩ制御演算部４０の出力信号が１０ｂｉｔのデジタル値である場合、その出力信号は、０～１０２３で表される操作量の信号になる。そこで、目標回転速度決定部３４は、ＰＩ制御演算部４０の出力信号（デジタル値）に所定の変換係数を乗算することによって、ＰＩ制御演算部４０から出力された操作量を表す出力信号を目標回転速度信号ＥＸＣに変換する。

なお、目標回転速度決定部３４は、ＰＩ制御演算部４０の出力信号に所定の変換係数を乗算するのではなく、Ｑフォーマット化（固定小数点）や上下限の飽和処理を行うことによって、ＰＩ制御演算部４０の出力信号から目標回転速度ＥＸＣを算出してもよい。

なお、目標回転速度決定部３４と駆動制御信号生成部３５とが互いに異なる集積回路装置（ＩＣ）で実現されている場合には、目標回転速度決定部３４は、例えば、目標回転速度ＥＸＣに対応する周波数を有する周期信号を生成すればよい。この場合、周期信号は、目標回転速度決定部３４が形成されている集積回路装置の外部端子から出力され、駆動制御信号生成部３５が形成されている集積回路装置の外部端子に入力される。駆動制御信号生成部３５は、入力された周期信号の周波数を解析することにより、目標回転速度ＥＸＣの情報を取得する。

駆動制御信号生成部３５は、モータ２０の回転速度が目標回転速度ＥＸＣに近づくように駆動制御信号Ｓｄを生成する機能部である。駆動制御信号生成部３５は、例えば、ＰＷＭ信号としての駆動制御信号Ｓｄをベクトル制御演算により生成する。なお、駆動制御信号Ｓｄの生成方法は、ベクトル制御演算に限らず、ｖｆ制御等による演算であってもよいが、本実施の形態では、駆動制御信号生成部３５がベクトル制御演算を行うものとして説明する。

駆動制御信号生成部３５は、ベクトル制御演算として、モータ２０の各相のコイルに流れる電流に基づいてモータ２０のトルクに応じたｑ軸電流Ｉｑとモータ２０の磁束に応じたｄ軸電流Ｉｄとを夫々算出し、算出したｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄが目標回転速度ＥＸＣに応じた目標電流値Ｉｑ＿ｒｅｆ，Ｉｄ＿ｒｅｆに夫々一致するようにデューティ比を決定し、そのデューティ比を有するＰＷＭ信号を駆動制御信号Ｓｄとして出力する。以下、駆動制御信号生成部３５によるベクトル制御演算について更に詳細に説明する。

図４は、駆動制御信号生成部３５の内部構成を示すブロック図である。
駆動制御信号生成部３５は、ベクトル制御部として機能するための機能ブロックとして、電流計測部５０、クラーク変換部５１、パーク変換部５２、回転位置検出信号取得部５３、電気角算出部５４、回転速度信号取得部５５、回転速度ＰＩ制御部６０、弱め磁束ＰＩ制御部６１、トルクＰＩ制御部６２、磁束ＰＩ制御部６３、逆パーク変換部６４、逆クラーク変換部６５、およびＰＷＭ信号生成部６６を有する。
これらの機能ブロックは、制御回路３を構成するプログラム処理装置において、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムに従って各種演算処理を実行し、カウンタやＡ／Ｄ変換回路等の周辺回路を制御することによって実現される。

電流計測部５０は、電流検出器２７から出力された電流検出信号Ｓｉを取得し、取得した電流検出信号Ｓｉに基づいてモータ２０の各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの計測値を生成する。クラーク変換部５１は、電流計測部５０によって生成された相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの計測値をクラーク変換することにより、２相の直交座標（固定座標）系（α，β）の電流Ｉα，Ｉβを算出する。パーク変換部５２は、電気角算出部５４によって算出した電気角θ（ｓｉｎθおよびｃｏｓθ）を用いて電流Ｉα，Ｉβをパーク変換することにより、２相の固定座標の電流Ｉα，Ｉβを回転座標のｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄを算出する。

ここで、ｑ軸電流Ｉｑはモータ２０のトルクに対応する電流（トルク電流）であり、ｄ軸電流Ｉｄはモータ２０の励磁電流である。

回転位置検出信号取得部５３は、回転位置検出器２５ｕ，２５ｖ，２５ｗから出力された回転位置検出信号（ホール信号）Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを取得する。電気角算出部５４は、回転位置検出信号取得部５３によって取得した３つの回転位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づいて、モータ２０のロータの回転角θを算出するとともに、ｓｉｎθおよびｃｏｓθを算出する。回転速度信号取得部５５は、回転速度検出器２６から出力された回転速度信号（ＦＧ信号）Ｓｒを取得し、取得した回転速度信号Ｓｒに基づいてモータ２０の回転速度の計測値を取得する。

回転速度ＰＩ制御部６０は、目標回転速度決定部３４から出力されたモータ２０の目標回転速度ＥＸＣと回転速度信号取得部５５によって取得したモータ２０の回転速度の計測値とに基づいてＰＩ制御演算を行う。回転速度ＰＩ制御部６０は、目標回転速度ＥＸＣとモータ２０の回転速度の計測値との差分を算出し、ＰＩ制御演算により、その差分が小さくなるように制御量を算出する。

弱め磁束ＰＩ制御部６１は、後述する電圧指令値Ｖｑ，Ｖｄと回転速度ＰＩ制御部６０によって算出された制御量とに基づいて、公知の計算方法により、トルク電流の目標値であるｑ軸電流目標値Ｉｑ＿ｒｅｆと励磁電流の目標値であるｄ軸電流目標値Ｉｄ＿ｒｅｆをそれぞれ算出する。

トルクＰＩ制御部６２は、弱め磁束ＰＩ制御部６１によって算出されたｑ軸電流目標値Ｉｑ＿ｒｅｆとパーク変換部５２によって算出されたｑ軸電流Ｉｑとに基づいてＰＩ制御演算を行う。トルクＰＩ制御部６２は、ｑ軸電流目標値Ｉｑ＿ｒｅｆとｑ軸電流Ｉｑとの差分を算出し、ＰＩ制御演算により、その差分を小さくするための制御量としての電圧指令値Ｖｑを算出する。磁束ＰＩ制御部６３は、ｄ軸電流目標値Ｉｄ＿ｒｅｆとｄ軸電流Ｉｄとの差分を算出し、ＰＩ制御演算により、その差分を小さくするための制御量としての電圧指令値Ｖｄを算出する。

逆パーク変換部６４は、電気角算出部５４によって算出した電気角θ（ｓｉｎθおよびｃｏｓθ）を用いて電圧指令値Ｖｑ，Ｖｄを逆パーク変換することにより、回転座標から２相の固定座標の電圧Ｖα，Ｖβを算出する。逆クラーク変換部６５は、２相の固定座標の電圧Ｖα，Ｖβを逆クラーク変換することにより、３相の相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出する。

ＰＷＭ信号生成部６６は、逆クラーク変換部６５によって算出された各相の相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、３相のＰＷＭ信号を生成するためのデューティ比（各相のデューティ比の設定値）Ｕｄｕ，Ｖｄｕ，Ｗｄｕを算出する。ＰＷＭ信号生成部６６は、算出した各相のデューティ比を有する３相のＰＷＭ信号を生成し、駆動制御信号Ｓｄとして出力する。

次に、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置１による風量一定制御の処理の流れについて説明する。
図５は、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置１による風量一定制御の処理の流れを示すフローチャートである。

例えば、換気扇の動作が停止している状態において、ユーザが換気扇の操作入力部を操作して、所定の風量で換気扇が動作するように指示した場合を考える。この場合、換気扇の操作入力部は、ユーザの操作に応じて、風量の指定値を含む風量指令信号Ｓｆをモータ駆動制御装置１に入力する（ステップＳ１）。

モータ駆動制御装置１は、風量指令信号Ｓｆが入力されると、モータ２０の駆動制御を開始する（ステップＳ２）。具体的には、モータ駆動制御装置１において、例えば、目標トルク決定部３０が、風量指令信号Ｓｆで指定された風量指令値に対応する目標回転速度ＥＸＣの初期値を記憶部３１から読み出して目標回転速度決定部３４に設定し、目標回転速度決定部３４が、設定された目標回転速度ＥＸＣの初期値を駆動制御信号生成部３５に入力する。駆動制御信号生成部３５は、目標回転速度決定部３４から入力された目標回転速度ＥＸＣの初期値に基づいて、上述したベクトル制御演算を行って駆動制御信号Ｓｄを生成し、モータ駆動回路２に入力する。これにより、モータ２０が回転を始める。

次に、目標トルク決定部３０が、ステップＳ１において指定された風量指令値に対応する関数３１０を選択する（ステップＳ３）。具体的には、上述したように、関数選択部３７が、風量指令信号Ｓｆによって指定された風量指令値に対応する関数３１０を記憶部３１から読み出して、目標トルク算出部３８に与える。

目標トルク算出部３８は、上述した手法により、ステップＳ３で読み出した関数３１０を用いて、目標回転速度決定部３４によって算出された目標回転速度ＥＸＣから目標トルクＴｇを算出する（ステップＳ４）。

また、モータ駆動制御装置１において、トルク取得部３２が、モータ２０のトルクを算出する（ステップＳ５）。具体的には、上述したように、トルク取得部３２が、駆動制御信号生成部３５によるベクトル制御演算によって算出されたｑ軸電流Ｉｑを取得し、そのｑ軸電流Ｉｑに基づいてモータ２０のトルク値Ｔｓ（トルクの計測値）を算出する。

次に、モータ駆動制御装置１において、誤差算出部３３が、ステップＳ４で算出した目標トルクＴｇとステップＳ５で算出したトルク値Ｔｓとの差分であるトルク誤差ΔＴを算出する（ステップＳ６）。

次に、モータ駆動制御装置１において、目標回転速度決定部３４が、上述した手法により、ステップＳ６で算出されたトルク誤差ΔＴから目標回転速度ＥＸＣを算出する（ステップＳ７）。これにより、モータ２０の実際の駆動状態を反映したトルク誤差ΔＴに基づいて、目標回転速度ＥＸＣの値が更新されることになる。

次に、モータ駆動制御装置１において、駆動制御信号生成部３５が、ステップＳ７において更新された目標回転速度ＥＸＣに基づいて、駆動制御信号ＳｄとしてのＰＷＭ信号のデューティ比を決定し、決定したデューティ比を有する駆動制御信号Ｓｄを生成してモータ駆動回路２に与える（ステップＳ８）。
これにより、モータ２０の回転速度が目標回転速度ＥＸＣになるように調整されるとともにモータ２０のトルクが目標トルクＴｇになるように調整される。すなわち、モータ２０の回転速度とトルクとが、図３に示した回転速度－トルク特性に沿うように制御される。これにより、ファン２２がステップＳ１で指定された一定の風量を供給するように動作するようになる。

その後、モータ駆動制御装置１は、風量指定値が変更されたか否かを判定する（ステップＳ９）。新たな風量指令信号Ｓｆによって風量指令値が変更された場合には（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、モータ駆動制御装置１は、ステップＳ３に移行して上述の処理（Ｓ３～Ｓ８）を実行することにより、新たな風量指令値に応じた関数３１０を読み出して目標トルクＴｇを更新し、再計算した目標回転速度ＥＸＣに基づいて駆動制御信号Ｓｄを生成してモータ２０の回転を制御する。これにより、ファン２２は、新たに指定された一定の風量を供給するように動作する。

一方、風量指令値が変更されていない場合には（ステップＳ９：Ｎｏ）、モータ駆動制御装置１は、ファン２２の動作の停止が指示されたか否かを判定する（ステップＳ１０）。風量指令信号Ｓｆによってファン２２の動作の停止が指示されていない場合には（ステップＳ１０：Ｎｏ）、モータ駆動制御装置１は、ステップＳ５に移行し、上述の処理（Ｓ５～Ｓ８）を実行して、引き続きファン２２がステップＳ１で指定された風量を供給するように、駆動制御信号Ｓｄを生成する。

一方、ファン２２の動作の停止が指示された場合には（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、モータ駆動制御装置１は、駆動制御信号Ｓｄによってモータ２０の回転を停止させる。例えば、目標トルク決定部３０（例えば風量指令取得部３６）が目標回転速度決定部３４（例えば目標回転速度算出部４１）に対して目標回転速度ＥＸＣをゼロに設定するように指示する。これにより、モータ２０の回転が停止し、ファン２２が停止することになる。

以上、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置１は、ファン２２が所定の風量を供給するときのモータ２０の回転速度とトルクの関係を示す対応情報（回転速度－トルク特性）３１０＿１～３１０＿ｎを予め記憶部３１に記憶しておく。モータ駆動制御装置１は、指定された風量指令値に応じた対応情報３１０を用いて、モータ２０の回転速度から目標トルクＴｇを算出する。モータ駆動制御装置１は、算出した目標トルクと測定されたモータ２０のトルク値との差が小さくなるように、モータの目標回転速度ＥＸＣを決定し、目標回転速度ＥＸＣに基づいて駆動制御信号Ｓｄを生成してモータ２０を駆動する。

これによれば、モータ駆動制御装置１は、指定された風量におけるモータ２０の回転速度－トルク特性に従ってモータ２０の目標回転速度ＥＸＣを決定するので、ファン２２の静圧、すなわちモータ２０のトルクが変化した場合であっても、トルクに応じた適切な目標回転速度ＥＸＣを設定し、その目標回転速度ＥＸＣでモータ２０を回転させることができる。これにより、ファン２２が指定された一定の風量を供給するようにファン２２を動作させることができる。

また、モータ駆動制御装置１は、所定の風量におけるモータ２０の回転速度－トルク特性を対応情報３１０として予め記憶部３１に記憶しており、その対応情報３１０を用いてモータの目標回転速度から目標トルクを算出するので、目標トルクを算出するために複雑な演算が必要ない。これにより、制御回路３を構成するマイクロコントローラ等の処理負荷を抑えることができる。

したがって、本実施の形態に係るモータ駆動制御装置１によれば、簡易な構成および演算によってファンの風量を一定に制御することが可能となる。すなわち、複雑な演算を高速で実行することが可能な高価なマイクロコントローラではなく、より安価なマイクロコントローラを用いて、ファンの風量一定制御を実現することが可能となる。

また、モータ駆動制御装置１において、対応情報３１０は、モータ２０の回転速度とトルクとの関係を表す関数を含み、記憶部３１は、ファン２２に指定可能な複数の風量の指令値毎に関数３１０＿１～３１０＿ｎを記憶している。

これによれば、ファン２２が複数の風量指定値を備えている場合であっても、指定された風量に応じて、適切な回転速度－トルク特性の関数３１０＿１～３１０＿ｎを選択することにより、任意の風量指令値においてファンの風量が一定になるようにモータ２０を制御することが可能となる。

また、モータ駆動制御装置１は、所謂ベクトル制御演算によって、目標回転速度ＥＸＣから駆動制御信号Ｓｄを生成する。具体的に、モータ駆動制御装置１は、モータ２０の各相のコイルに流れる電流に基づいて、モータ２０のトルクに応じたｑ軸電流とモータ２０の磁束に応じたｄ軸電流とを夫々算出し、算出したｑ軸電流およびｄ軸電流とが目標回転速度ＥＸＣに応じた目標電流値Ｉｑ＿ｒｅｆ，Ｉｄ＿ｒｅｆに夫々一致するように駆動制御信号Ｓｄを生成する。
これによれば、従来の正弦波駆動制御と比較して、歪みの無いきれいな正弦波状のコイル電流を生成することができるので、低振動且つ低騒音なモータ駆動を実現することができる。

また、モータ駆動制御装置１は、上述したベクトル制御演算において算出されるｑ軸電流Ｉｑに基づいてモータ２０のトルク値Ｔｓを測定する。
これによれば、トルク取得部３２は、モータ２０のトルク値Ｔｓを算出するために複雑な演算処理を行う必要がないので、より簡易且つ安価な構成によってファンの風量一定制御を実現することが可能となる。例えば、モータ駆動制御装置１における駆動制御信号生成部（ベクトル制御部）３５を既存のベクトル制御演算用の集積回路装置（ＩＣ）によって実現し、モータ駆動制御装置１における目標トルク決定部３０、記憶部３１、トルク取得部３２、および目標回転速度決定部３４を上記ベクトル制御演算用の集積回路装置とは異なる集積回路装置によって実現する場合を考える。

この場合、目標トルク決定部３０、記憶部３１、トルク取得部３２、および目標回転速度決定部３４を実現するための集積回路装置は、トルク値Ｔｓを算出するためにベクトル制御のような複雑な演算を行う必要がない。したがって、この集積回路装置には、機能が限定された安価なマイクロコントローラを用いることができる。

≪実施の形態の拡張≫
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施の形態において、制御回路３は、上述に示されるような回路構成に限定されない。制御回路３は、本発明の目的にあうように構成された、様々な回路構成を適用することができる。

上述のフローチャートは具体例であって、このフローチャートに限定されるものではなく、例えば、各ステップ間に他の処理が挿入されていてもよいし、処理が並列化されていてもよい。

上述の実施の形態のモータ駆動制御装置により駆動されるモータの相数は、３相に限られない。また、ホール素子の数は、３個に限られない。

モータの回転速度の検出方法は特に限定されない。例えば、ホール素子を用いず、モータの逆起電力を用いて回転速度を検出するようにしてもよい。

１…モータ駆動制御装置、２…モータ駆動回路、２ａ…インバータ回路、２ｂ…プリドライブ回路、３…制御回路、２０…モータ、２１…インペラ（羽根車）、２２…ファン、２５，２５ｕ，２５ｖ，２５ｗ…回転位置検出器（ホール素子）、２６…回転速度検出器、２７…電流検出器、３０…目標トルク決定部、３１…記憶部、３２…トルク取得部、３３…誤差算出部、３４…目標回転速度決定部、３５…駆動制御信号生成部（ベクトル制御部）、３５…駆動制御信号生成部、３６…風量指令取得部、３７…関数選択部、３８…目標トルク算出部、４０…ＰＩ制御演算部、４１…目標回転速度算出部、５０…電流計測部、５１…クラーク変換部、５２…パーク変換部、５３…回転位置検出信号取得部、５４…電気角算出部、５５…回転速度信号取得部、６０…回転速度ＰＩ制御部、６１…磁束ＰＩ制御部、６２…トルクＰＩ制御部、６３…磁束ＰＩ制御部、６４…逆パーク変換部、６５…逆クラーク変換部、６６…ＰＷＭ信号生成部、１００…ファンユニット、３１０，３１０＿１～３１０＿ｎ…対応情報（関数）、ＥＸＣ…目標回転速度、Ｉｄ…ｄ軸電流、Ｉｄ＿ｒｅｆ…ｄ軸電流目標値、Ｉｑ…ｑ軸電流、Ｉｑ＿ｒｅｆ…ｑ軸電流目標値、Ｓｄ…駆動制御信号、Ｓｆ…風量指令信号、Ｓｉ…電流検出信号、Ｓｒ…回転速度信号（ＦＧ信号）、Ｔｇ…目標トルク、Ｔｓ…トルク値、ΔＴ…トルク誤差。

Claims (4)

1. ファンのモータの駆動を制御するための駆動制御信号を出力する制御回路と、
   前記制御回路から出力された前記駆動制御信号に基づいて前記モータを駆動するモータ駆動回路とを備え、
   前記制御回路は、
   前記ファンが所定の風量を供給するときの前記モータの回転速度とトルクとの関係を示す対応情報を記憶する記憶部と、
   指定された目標風量に対応する前記対応情報を用いて、前記モータの回転速度から目標トルクを決定する目標トルク決定部と、
   前記モータのトルク値を取得するトルク取得部と、
   前記目標トルクと前記トルク取得部によって取得した前記トルク値との差を小さくする速度である、前記モータの目標回転速度を決定する目標回転速度決定部と、
   前記目標回転速度に基づいて、前記駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部と、を含み、
   前記モータは３相のコイルを有し、
   前記駆動制御信号生成部は、前記モータの各相の前記コイルに流れる電流に基づいて、前記モータのトルクに応じたｑ軸電流と前記モータの磁束に応じたｄ軸電流とを夫々算出し、算出したｑ軸電流およびｄ軸電流とが前記目標回転速度に応じた目標電流値に夫々一致するようにデューティ比を決定し、そのデューティ比を有するＰＷＭ信号を前記駆動制御信号として出力し、
   前記トルク取得部は、前記駆動制御信号生成部によって算出した前記ｑ軸電流に基づいて前記トルク値を取得する
   モータ駆動制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動制御装置において、
   前記対応情報は、前記モータの回転速度とトルクとの関係を表す関数を含み、
   前記記憶部は、前記ファンに指定可能な複数の風量の指令値毎に前記関数を記憶している
   モータ駆動制御装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ駆動制御装置において、
   前記目標回転速度決定部は、前記目標トルクと前記トルク値との差分が小さくなるようにＰＩ制御演算を行い、ＰＩ制御演算によって得られた制御量に所定の係数を乗算することにより、前記目標回転速度を算出する
   モータ駆動制御装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のモータ駆動制御装置と、
   前記モータ駆動制御装置によって駆動される前記モータと、
   前記モータの回転力によって回転可能に構成されたインペラと、を備える
   ファンユニット。

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