(57)【要約】【課題】ＤＣモータの供給電流、回転速度の変化に基づいて供給電圧を制御してモータ負荷トルクを一定にして設定風量に維持できる送風機の風量制御方法とする。【解決手段】ＤＣモータ２でシロッコファン３を回転する送風機３において、このＤＣモータ２を一定電圧で駆動し、そのＤＣモータ２に実際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に基づいてＤＣモータ２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。【選択図】図１
2010242767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣモータ２でシロッコファン３を回転する送風機３の風量を制御する方法であって、
前記ＤＣモータ２を駆動し、そのＤＣモータ２に実際に供給される駆動電圧、駆動電流と、ＤＣモータ２の回転速度と、設定風量を得るための指令負荷駆動電流値に基づいてＤＣモータ２の負荷トルクの変化を検出し、この負荷トルクの変化に応じてＤＣモータ２に供給する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ことを特徴とする送風機の風量制御方法。
【請求項２】
指令負荷駆動電流値を任意の値に設定できるようにした請求項１記載の送風機の風量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屋内の空気を屋外に排出して屋内を換気する換気装置等に用いる送風機の風量を設定風量に維持する風量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、モータでファンを回転する送風機を用いて屋内の空気をダクトを通して屋外に排出し、屋内を換気する場合に、その送風機の負荷量は、据付条件、例えば、ダクト長及びダクト径等の通気抵抗、屋内の気密度等により変動することから、その送風機の排気経路に風量センサを設け、その風量センサにより検出された風量が設定風量となるようにモータ（ファン）の回転を調整することで、送風機の負荷量が異なっても設定風量を屋外に排出できるようにしている。
しかし、前述のような風量制御方法であると風量センサを必要とするから種々の不具合があり、風量センサを用いずに送風機の負荷量が異なっても屋外に排出する風量を設定風量に維持できるようにした風量制御方法が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された風量制御方法が提案されている。
この風量制御方法は、ＤＣモータでファンを回転する送風機とし、そのＤＣモータへの通電電流と回転数との関係を異なる負荷量に対応して予め設定（記憶）し、ＤＣモータを定電流で作動した時の回転数（運転回転数）を検出して前述の設定から負荷量を判断する。
これとは別に、負荷量に対応した設定回転数と、その時の風量（排気風量）が予めデータテーブルとして記憶しており、このデータテーブルに基づき前述の判断した負荷量に対応した設定風量と、その設定風量となる設定回転数を求める。
この設定回転数と運転回転数とを比較し、両者が一致するように出力電圧を制御する。
例えば、運転回転数が設定回転数よりも大きいときは出力電圧を低下させて風量を減少させ、運転回転数が設定回転数よりも小さいときは出力電圧を増大させて風量を増加させる。
これによって、ＤＣモータの運転回転数が設定回転数となるように制御され、負荷量が異なっても送風機の風量（つまり、屋外に排出される風量）が設定風量に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１５２１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した従来の風量制御方法によれば、風量センサを用いずに設定風量に維持できるが、ＤＣモータへの通電電流と回転数と負荷量の関係及び、負荷量に対応した設定回転数と風量の関係を予め設定する必要があり、それらの関係を実験などによって実測して求めなければならず、その作業が面倒で、時間がかかる。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みなされたものであって、その目的は、何らかの関係を実測して予め設定することなく負荷トルクが異なっても送風機の風量を設定風量に維持できるようにした送風機の風量制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、シロッコファンをブラシレスのＤＣモータまたはブラシ付ＤＣモータ（以下ＤＣモータという）で回転する送風機を用い、ダクトに送風した場合のダクトの出口側の風量、つまり送風機の風量について研究、実験した結果、次のようであった。
ＤＣモータへ供給する電圧を一定とし、ダクトの管路抵抗を大きくした場合、ＤＣモータへ供給する電流値が低下してモータトルクは下がり、シロッコファンの回転数は上がり、風量は減少した。
ＤＣモータへ供給する電圧を一定とし、ダクトの管路抵抗を小さくした場合、ＤＣモータへ供給する電流値が増加してモータトルクが上がり、シロッコファンの回転数は下がり風量は増加した。
このことから、ダクトの管路抵抗の大小によってＤＣモータへ供給する電流値が増減してモータトルクが変化し、それによって風量が増減することが判った。
前述の説明で、モータトルクはモータ発生トルク、ダクトの管路抵抗はＤＣモータの負荷量、すなわち負荷トルクと言い換えることができるので、前述のことは、負荷トルクの大小によって電流値が増減してモータ発生トルクが変化するので、送風機の風量が増減することになる。
前述のことから、本発明者等はＤＣモータでシロッコファンを回転する送風機においては、ＤＣモータの負荷トルクが変化した場合に、モータ発生トルクを制御し、負荷トルクを一定にすることで、風量を一定にできることを見い出し本発明に到った。
【０００８】
本発明は、ＤＣモータ２でシロッコファン３を回転する送風機３の風量を制御する方法であって、
前記ＤＣモータ２を駆動し、そのＤＣモータ２に実際に供給される駆動電圧、駆動電流と、ＤＣモータ２の回転速度と、設定風量を得るための指令負荷駆動電流値に基づいてＤＣモータ２の負荷トルクの変化を検出し、この負荷トルクの変化に応じてＤＣモータ２に供給する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ことを特徴とする送風機の風量制御方法である。
【０００９】
本発明においては、前述の指令負荷駆動電流値を任意の値に設定することで、設定したモータ発生トルクを変更し、設定風量を任意の値に設定できる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、ＤＣモータ２の負荷トルクが変動した際に、そのＤＣモータ２に供給される駆動電圧、駆動電流、回転速度の変化により、負荷トルクの変化を求め、そのＤＣモータ２に供給する駆動電圧を制御することでモータ発生トルクを補正して、負荷トルクを設定値に維持する。
よって、何らかの関係を実測して予め設定することなくＤＣモータ２の供給電流、回転速度の変化に基づいて負荷トルクが異なっても送風機の風量を設定風量に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の制御装置の実施の形態を示す説明図である。
【図２】ＤＣモータの等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
送風機の風量制御装置の概略を図１に基づいて説明する。
送風機１は、ＤＣモータ２、例えば三相ブラシレスＤＣサーボモータでシロッコファン３を回転するものである。
前記ＤＣモータ２にはモータ駆動回路４から所定の駆動電力（電圧、電流）が供給される。
このモータ駆動回路４には図示しない電源から所定の電源電力（電圧、電流）が供給される。
前記モータ駆動回路４には、マイクロコンピュータなどのコントロール５から駆動電力制御指令が入力される。
このコントローラ５には風量設定部６から任意の設定風量に見合う電力指令、例えば設定風量に見合うモータ発生トルクが得られる指令負荷駆動電流値が入力される。
そして、コントローラ５は入力された電力指令、例えば指令負荷駆動電流値に基づきモータ駆動回路４に駆動電力制御指令を出力し、ＤＣモータ２に指令された電力、例えば指令駆動電流と駆動電圧を供給することで、ＤＣモータ２のモータ発生トルクを設定し、設定風量が得られるようにする。
【００１３】
前記ＤＣモータ２の回転速度はモータ回転速度検出手段１０で検出されて前記コントローラ５に入力される。例えば、モータに取付けられたホールセンサ１１から出力されるパルス信号（１２ｐ／ｒ）をＦ／Ｖ変換器１２で周波数を電圧に変換し、その電圧をコントローラ５のＡＤコンバータ（図示せず）に入力できる範囲内にするために、変換係数ＴＧで変換し、０〜５Ｖとする。
【００１４】
前記モータ駆動回路４に供給される電源電圧は、電圧検出手段２０で検出されて前記コントローラ５に入力される。例えば、電圧センサ２１で電源電圧を検出し、その電源電圧をコントローラ５のＡＤコンバータの入力電圧範囲（０〜５Ｖ）になるように電圧変換器２２で変換する。変換係数はβである。
【００１５】
前記ＤＣモータ２に供給される駆動電流は、電流検出手段３０で検出されて前記コントローラ５に入力される。例えば、電流センサ３１で駆動電流を検出し、その駆動電流をコントローラ５のＡＤコンバータの入力電圧の範囲（０〜５Ｖ）になるように電圧変換器３２で変換する。変換係数はαである。
【００１６】
前記モータ回転速度検出手段１０で検出したＤＣモータ２の回転速度、前記電圧検出手段２０で検出した電源電圧、前記電流検出手段３０で検出した駆動電流は、前記コントローラ５にそれぞれ入力される。
前記コントローラ５は、入力されたＤＣモータ２の回転速度、電源電圧、駆動電流と、設定風量に見合う電力指令値に基づき、ＤＣモータ２に作用する負荷トルクの変化を検出し、その負荷トルクの変化に対応してモータ駆動回路４に駆動電力補正指令を出力し、ＤＣモータ２のモータ発生トルクを変化させ、負荷トルクを設定した値に維持する。
【００１７】
次に、風量制御の一例を説明する。
前述の送風機１をダクトを備えた換気装置として用いた場合に、ＤＣモータ２に供給される電圧を一定とし、ＤＣモータ２に供給される駆動電流が指令駆動電流値と異なる場合には設定風量ではないことになる。
例えば、負荷駆動電流が指令負荷駆動電流値よりも小さい場合には、前述の送風機１を管路抵抗の大きなダクトを備えた換気装置として用いた場合で、ＤＣモータ２の負荷トルクが小さく、シロッコファン２の回転数が上昇し、風量が設定風量よりも少ない。
前述とは反対に、負荷駆動電流が指令負荷駆動電流値よりも大きい場合には、ダクトの管路抵抗が小さく、ＤＣモータ２の負荷トルクが大で、シロッコファン２の回転数が下降し、風量が設定風量よりも多い。
【００１８】
このように、コントローラ５はＤＣモータ２に供給する負荷駆動電流が指令負荷駆動電流値と異なることでダクトの管路抵抗の大小、つまりＤＣモータ２に作用する負荷トルクが変化したことを検知する。
【００１９】
前述のように、ＤＣモータ２に作用する負荷トルクが変化した場合には、コントローラ５はモータ駆動回路４に補正指令を出力してＤＣモータ２に供給する駆動電圧を制御し、負荷駆動電流を指令負荷駆動電流値に補正する。
例えば、ＤＣモータ２に供給される電力は駆動電圧×駆動電流であって、前述のように補正しない以前の実際の電力は電源電圧×指令負荷駆動電流値（駆動電流）で、モータ発生トルクは指令値である。
そして、前述のようにＤＣモータ２に作用する負荷トルクが変化して駆動電流が指令電流値と異なってモータ発生トルクが指令値と異なった場合には、モータ回転速度等によって実際にＤＣモータ２に供給する駆動電圧を電源電圧と異ならせることで駆動電流を指令負荷駆動電流値とする。
【００２０】
これによって、モータ発生トルクは設定値（つまり、指令負荷駆動電流値に基づくモータ発生トルク）となり、送風機１の風量は設定風量に維持される。
【００２１】
前述の動作を図１に基づいて具体的に説明すると、風量設定部６から設定風量に見合うモータ発生トルクが得られる指令負荷駆動電流値を０〜５Ｖの電圧に変換した値としてコントローラ５に入力される。
ＤＣモータ２には電圧が供給される。
ＤＣモータ２に作用する負荷トルクが変化することでモータ駆動回路４からＤＣモータ２に供給される負荷駆動電流が変動する。
この駆動電流は０〜５Ｖの電圧の範囲に変換されてコントローラ５に入力され、指令負荷駆動電流値との大小が判断される。
【００２２】
前記コントローラ５は、入力された負荷駆動電流が指令負荷駆動電流値と異なる場合には、ＤＣモータ２に供給する駆動電圧を制御する指令をモータ駆動回路４に出力し、実際にＤＣモータ２に供給される駆動電圧を電源電圧と異ならせ、実際にＤＣモータ２に供給される駆動電流（電流検出手段３０でコントローラ５に入力される電流値）を用いて指令負荷駆動電流値と一致するようにする。
【００２３】
これによって、ＤＣモータ２のモータ発生トルクは負荷トルクに関係なく制御できるから、負荷トルクを一定に保てることから、風量を指令風量に一定に維持できる。
【００２４】
また、ダクトの経年変化や外気圧の変化などによってＤＣモータ２に作用する負荷トルクが変動した場合も前述と同様に駆動電圧を制御して風量を一定に維持できる。
【００２５】
本発明の風量制御方法の制御理論を前述の図１に基づいて説明する。
シロッコファンを回転するブラシレスのＤＣモータのモータ発生トルクは下記の（１）式のように使用されると考えられる。
【００２６】
ｄω
Ｔ＝ＫＴｉａ＝Ｊ―――＋Ｄω＋ＴＬ                                    …（１）
ｄｔ
【００２７】
ここで、Ｔはモータ発生トルク、ＫＴはモータのトルク定数、ｉａは等価電機子電流、Ｊは慣性モーメント、Ｄは粘性制動係数、ＴＬは負荷トルク、ωは回転速度である。
（１）式において、右辺第１項は加速・減速トルク、第２項は粘性制動トルク、第３項は負荷トルクである。
この負荷トルクが風量に作用する負荷トルクに相当し、速度が変化しない場合に加速・減速トルク、粘性制動トルクを一定であるとしてよい。
【００２８】
前記モータ駆動回路４を含むブラシレスのＤＣモータ２の簡易な等価回路を図２に示す。等価回路中Ｒａは等価電機子抵抗、Ｌａは等価電機子インダクタンス、ＲＤは等価粘性抵抗、ＣＪは等価慣性容量、ＫＥωは逆起電力である。ＫＥは逆起電力定数。ＳＩ単位系では、各パラメータの数値は等しくＫＥ＝ＫＴ＝Ｋとなる。Ｖａは電機子電圧である。ｉａは等価電機子電流で、ｉａ＝ｉＪ＋ｉＤ＋ｉＬである。
この電機子電圧Ｖａが前述の駆動電圧に相当し、等価電機子電流ｉａが前述の駆動電流に相当する。
【００２９】
モータ発生トルクＴは
【００３０】
Ｔ＝ＫＴｉａ＝ＫＴｉＪ＋ＫＴｉＤ＋ＫＴｉＬ                          …（２）
【００３１】
発生したトルクＴは、次の目的に使用される。
【００３２】
ｄω
Ｔ＝ＫＴｉａ＝ＫＴｉＪ＋ＫＴｉＤ＋ＫＴｉＬ＝Ｊ―――＋Ｄω＋ＴＬ      …（３）
ｄｔ
【００３３】
実際のモータ回転速度をω、等価巻線抵抗をＲａとすると
【００３４】
ｄｉａ
Ｖａ＝Ｌａ―――＋Ｒａｉａ＋ＫＥω                                  …（４）
ｄｔ
【００３５】
等価巻線インダクタンスＬａは、電流変化に対して十分小さいとするとＶａは
【００３６】
Ｖａ＝Ｒａｉａ＋ＫＥω                                              …（５）
【００３７】
ｉａ＝ｉＪ＋ｉＤ＋ｉＬ                                              …（６）
【００３８】
モータ駆動回路４の損失を含むモータ駆動回路４への入力電力Ｐｉｎは、駆動回路への供給電圧をＶｓ、供給電流をｉｓとすると次式で求められる。
【００３９】
Ｐｉｎ＝ＶＳｉＳ                                                    …（７）
【００４０】
一方、ＤＣモータ２に供給される電力Ｐｍは
【００４１】
Ｐｍ＝（ＫＥω＋Ｒａｉａ）×ｉａ                                      …（８）
【００４２】
モータ駆動回路４への入力電力ＰｉｎとＤＣモータ２に供給される電力Ｐｍは等しいのでＰｉｎ＝Ｐｍとして、ＤＣモータの等価電機子電流ｉａを求めると次式になる。
【００４３】
−ＫＥω±√（ＫＥω）２＋４ＲａＶＳｉＳ
ｉａ＝――――――――――――――――――――                        …（９）
２Ｒａ
【００４４】
等価電機子電流ｉａは正であるので、ｉａ≧０とすると、
【００４５】
−ＫＥω＋√（ＫＥω）２＋４ＲａＶＳｉＳ
ｉａ＝――――――――――――――――――――                        …（１０）
２Ｒａ
【００４６】
ＤＣモータ２に供給したい等価電機子電流指令（前述の指令負荷駆動電流値に相当）をｉａｃｍｄとすると、モータ発生トルクは
【００４７】
ｄω
ＫＴｉａｃｍｄ＝ＫＴｉＪ＋ＫＴｉＤ＋ＫＴｉＬ＝Ｊ―――＋Ｄω＋ＴＬ        …（１１）
ｄｔ
【００４８】
ここで、風量を一定にするときは、負荷トルクＴＬを一定に制御すればよい。負荷トルクＴＬを一定にするためにはｉＬを一定にすることで達成できる。このときｉａｃｍｄは次式で表わされる。
【００４９】
ｉａｃｍｄ＝ｉＬ＋ｉＤ＋ｉＪ                                          …（１２）
【００５０】
ここで、ｉＤ、ｉＪは、モータの回転速度に関係しており、次式で求められる。
【００５１】
Ｄω
ｉＤ＝――                                                      …（１３）
Ｋ
【００５２】
Ｊ  ｄω
ｉＣ＝―― ――                                                  …（１４）
ＫＴ ｄｔ
【００５３】
（１０）式を用いて推定計算された等価電機子電流ｉａが、ｉａｃｍｄと等しくなるようにＤＣモータ２に供給する駆動電圧（１０）式のＶｓを制御する。
【００５４】
前述の説明では、一定速度で回転しており、粘性制御係数が無視できるとき、ｉＪ、ｉＤを考えずにｉａｃｍｄ＝ｉａ＝ｉＬとして、前記（１３）、（１４）式を用いずに、（１０）式のみを用いてＤＣモータ２に供給する駆動電圧、つまり（１０）式のＶｓの値を、実際のｉａが指令されたｉａｃｍｄとなる値としている。
【００５５】
前述の駆動電圧の制御はＰＩＤ制御手法を用いている。
計算間隔をｄｔとし、等価電機子電流指令ｉａｃｍｄ（ｔ）と等価電機子電流ｉａ（ｔ）の差をｉｅ（ｔ）とすると
【００５６】
ｉｅ（ｔ）＝ｉａｃｍｄ（ｔ）−ｉａ（ｔ）                              …（１５）
【００５７】
ＰＩＤ制御パラメータをＫＰ、ＫＩ、ＫＤとすると、操作量ｅは次式で求められる。
【００５８】
ｄｉｅ（ｔ）
ｅ＝ＫＰｉｅ（ｔ）＋ＫＩ∫ｉｅ（ｔ）ｄｔ＋ＫＤ――――――            …（１６）
ｄｔ
【００５９】
ここで求められたｅを適切な数値に変換し、ＤＡコンバータを用いて０〜５Ｖのアナログ電圧に変換してモータ駆動回路４に供給する。
【００６０】
前述したブラシレスのＤＣモータ２のモータ駆動回路４の制御電圧は、０．２Ｖから５Ｖである。ＤＡコンバータの分解能を１０ビット、ＤＡの出力電圧を０〜５ＶとするとＤＡコンバータへの出力データは
【００６１】
ＤＡｄａｔａ＝ｅ×ｇａｉｎ＋ｏｆｆｓｅｔ                          …（１７）
【００６２】
ここで、ｏｆｆｓｅｔ＝４０、ｇａｉｎは適当な変換係数、ＤＡｄａｔａは最小値０、最大値は１０２３になるように制限をする（リミットをかける）。
【符号の説明】
【００６３】
１…送風機、２…ＤＣモータ、３…シロッコファン、４…モータ駆動回路、５…コントローラ、６…風量設定部。
【図１】
2010242767.tif 000003
【図２】
2010242767.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月18日(2010.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明は、ＤＣモータ２でシロッコファン３を回転する送風機１の風量を制御する方法であって、
前記ＤＣモータ２を設定風量に見合うモータ発生トルクが得られる値の指令負荷駆動電流と駆動電圧で駆動して、前記シロッコファン３を回転して実際に空気を送風するときに、
前記ＤＣモータに実際に供給されている負荷駆動電流の値を検出し、
この検出した負荷駆動電流の値が、前記指令負荷駆動電流値と異なる場合には、前記設定風量とは異なる風量で運転していると判断して、前記実際に供給されている負荷駆動電流の値が前記指令負荷駆動電流値と等しくなるように、前記ＤＣモータ２の駆動電圧を制御することで、ＤＣモータ２を前記設定風量に見合うモータ発生トルクで駆動するようにしたことを特徴とする送風機の風量制御方法である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、ＤＣモータ２に実際に供給されている負荷駆動電流の値が指令負荷駆動電流値と異なる場合に、そのＤＣモータ２の駆動電圧を制御することでモータ発生トルクを設定風量に見合う値に維持する。
よって、何らかの関係を実測して予め設定することなく送風機の風量を設定風量に維持できる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣモータ２でシロッコファン３を回転する送風機１の風量を制御する方法であって、
前記ＤＣモータ２を設定風量に見合うモータ発生トルクが得られる値の指令負荷駆動電流と駆動電圧で駆動して、前記シロッコファン３を回転して実際に空気を送風するときに、
前記ＤＣモータに実際に供給されている負荷駆動電流の値を検出し、
この検出した負荷駆動電流の値が、前記指令負荷駆動電流値と異なる場合には、前記設定風量とは異なる風量で運転していると判断して、前記実際に供給されている負荷駆動電流の値が前記指令負荷駆動電流値と等しくなるように、前記ＤＣモータ２の駆動電圧を制御することで、ＤＣモータ２を前記設定風量に見合うモータ発生トルクで駆動するようにしたことを特徴とする送風機の風量制御方法。
【請求項２】
指令負荷駆動電流値を任意の値に設定できるようにした請求項１記載の送風機の風量制御方法。