JP2013526260A - シーリングファン - Google Patents

Abstract

複数のファンブレードを駆動するためのＥＣモータと、バックＥＭＦを使用してロータ位置を判断するように構成され、ロータ位置および所定の命令にしたがってモータを加圧するように構成されたモータコントローラとを備えるシーリングファン。また、シーリングファンを制御するための方法。

Description

本発明はシーリングファンに関し、特に、センサレス正弦波シーリングファンおよびシーリングファンを制御する方法に関するが、それらに限定されるものでない。

シーリングファンは、一般に、動作を非常に不十分にする高程度の周波数すべり（frequency slip）で、公共施設用ＡＣライン電圧により直接的に動作する高極数のＡＣインダクションモータによって電力が供給される。典型的な家庭用シーリングファンは、低コストおよび長寿命用に最適化され得るが、電気効率については最適ではないことがある。たとえば、典型的な家庭用シーリングファンは、約７５Ｗの電気入力パワーを消費するが、約１５Ｗの機械シャフトパワーしか生成せず、効率はちょうど２０％である。

シーリングファンの効率は、ＡＣインダクションモータを、複数の交互の磁極をもつ永久磁石ロータと電子スイッチによって制御される１つまたは複数位相の巻線をもつステータとを備える電子整流（ＥＣ）モータと交換することによって大幅に改善することができる。ＥＣモータは、一般に、６０％以上の効率を達成することが可能であり、それにより、１５Ｗの機械シャフトパワーを生成するために、２５Ｗの電気入力パワーしか必要とされない。

ＥＣシーリングファンの使用は、潜在的に、典型的なＡＣモータシーリングファンと比較してエネルギー消費量を６６％程度低減することができる。シーリングファンの使用が世界中に、温暖な領域、熱帯領域、亜熱帯領域に普及しているので、ＥＣシーリングファン技術に対する改善は、地球規模のエネルギー消費量を低減することについて、また地球規模の気象変動に対するその効果について重要な役割を果たすことができる。

ＥＣシーリングファンは、要求される回転方向（ＤＯＲ）の力行トルク（motoring torque）を発生するために、正しい大きさおよび極性の電流が巻線に流れるように、ロータ磁極の位置を検出し、ステータ巻線を加圧させるための電子コントローラを必要とする。

また、巻線電流の波形、振幅および整相は、消費者にとって望ましいことがある音響的に静かな動作を達成するために制御され得る。

電子コントローラは、ロータ磁極の位置をステータの巻線に関して判断するためのロータ位置感知（ＲＰＳ）の手段を必要とする。１つの可能性は、高解像度エンコーダを使用することであるが、これは非常に高価である。別の選択肢は、ロータ磁石に近接して配置された、磁力に敏感な電子ホール効果スイッチであり、磁石の極性を直接的に感知する。これらのホール効果センサの出力は、次いで、ロータの場所を、したがって、巻線スイッチングパターンのタイミングを判断するための論理回路またはマイクロプロセッサによって復号することができる。しかしながら、ホール効果センサは、比較的壊れやすい電子構成要素であり、ステータに埋め込まれると、デバイス自体、およびメインコントローラ回路との相互接続に起因して、信頼性の問題を引き起こすことがある。

米国特許第７１５７８７２号には、外部ロータの外側に装着された追加の磁性リングをもつ外側ロータＤＣブラシレスモータをもつシーリングファンが開示されている。これにより、ホール効果デバイスは、モータの外側からロータ位置を判断することができるようになる。しかしながら、ホール効果デバイスおよびそれらの相互接続を使用すると、モータの機械的複雑性が増すことがあり、実際のロータの極との２次磁気ディスクの不配列に起因して、モータ効率が低減し、音響的ノイズが増大する可能性を招くことがあり、それにより、通信タイミングにエラーを引き起こすことがある。

一般的に言うと、本発明は、センサレスモータコントローラをもつ高効率の電子整流（ＥＣ）モータを使用するシーリングファンを提案する。センサレスコントローラは、ロータ位置を判断するためのホール効果デバイスまたはエンコーダの使用を除去するという利点を有し、それにより、始動の信頼性を改善し、滑らかで静かな動作を提供することができる。

センサレスコントローラは、出力フィルタリングをもつＰＷＭＤＣ−ＤＣコンバータを含むことができ、たとえば、コンバータは同期降圧型コンバータ（synchronous buck converter）とすることができる。コンバータは、速度に依存する１つまたは複数のスイッチング構成を用いた正弦波パルス幅変調（ＳＰＷＭ）を採用することができる。たとえば、低速では、スイッチング波形は、大まかに正弦波形であり、高調波成分が低く、非常に静かな動作を達成することができ、高速では、高次の高調波がスイッチング波形に付加されてよく、それにより、効率を改善することができる。出力フィルタリングおよび／またはスイッチング構成は、効率を最適化する、および／またはノイズを最小限に抑えるという利点を有し得る。

センサレスコントローラは、停止時のロータの位置を不揮発性プログラムメモリ中に保存する停止シーケンスを含むことができ、それにより、電源が遮断されたときに情報を保持することができる。センサレスコントローラは、ファンが最後に停止したときのロータ位置に依存する始動シーケンスを含むことができる。これは、始動シーケンスの成功の機会を改善するという利点を有し得る。

センサレスコントローラは、各位相が継続的に、電気周波の１／３にわたって共通のレールに順次接続される結果となるスイッチング論理を採用することができる。これは、電流を、スイッチ間の電圧降下に基づいて判断できるという利点と、始動シーケンスが成功したかどうかを判断するために、電流を始動シーケンス中に使用することができるという利点とを有し得る。

さらに、ＡＣ：ＤＣ分離電源（ＳＭＰＳ）は、入来する利用電源からの安全な分離を提供し、ＩＥＣ安全特別低電圧および／またはＵＬ１３１０クラス２制限に適合する電源のような、ユーザを低電圧レベルによる電気ショックから保護するレベルにライン電圧を変換するために使用することができる。電源は、装着チューブの封止部分で、モータから分離することができる。代替的には、ＡＣ：ＤＣ電源は、非分離コンバータトポロジーとすることができ、それにより、ユーザがファンの構造的特徴によるライブコンポーネントと接触しないようになる。代替的には、ＡＣ：ＤＣ電源は、入来するＡＣ電源から直接的に整流され、フィルタリングすることができる。

本発明の第１の具体的な説明によれば、請求項１に記載のシーリングファンが提供される。

次に、本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態について、以下の図面を参照しながら説明する。

例示的な実施形態によるＥＣシーリングファンの、下から見た斜視図である。 ブレード１０、上側カバー１５およびＥＣモータ３０に関する装着の詳細を示す分解斜視図である。 ＥＣモータ３０、電子コントローラＰＣＢＡ３５１を示す、下から見たＥＣファンの部分斜視図である。 ＥＣモータ３０の分解斜視図である。 下から見た、ＥＣモータステータ３５０の詳細な斜視図である。 電源１３６およびプリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）３５１の概略的な電気ブロックである。 巻線共有点４１３を基準にした電圧Ａｂｍｆ４２０、Ｂｂｍｆ４２１、Ｃｂｍｆ４２２のグラフである。 メインコントローラ動作状態のソフトウェア状態の図である。 スタンバイ状態（ＳＴＡＮＤＢＹ ＳＴＡＴＥ）動作のソフトウェアフローチャートである。 始動状態（ＳＴＡＲＴ ＳＴＡＴＥ）動作のソフトウェアフローチャートである。 運転状態（ＲＵＮ ＳＴＡＴＥ）動作のソフトウェアフローチャートである。 運転状態ＰＷＭ遮断（ＲＵＮ ＳＴＡＴＥ ＰＷＭ ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ）動作のソフトウェアフローチャートである。 ０Ｖを基準にした電圧Ａｐｈ４１０、Ｂｐｈ４１１およびＣｐｈ４１２のグラフである。 ０Ｖを基準にした電圧Ａｐｈ４１０のグラフである。 シャットダウン状態（ＳＨＵＴＤＯＷＮ ＳＴＡＴＥ）動作のソフトウェアフローチャートである。

例示的な実施形態によるロータ位置感知は、巻線に関連するバックＥＭＦ電圧（back EMF voltage）を測定することによって整流タイミングを測定する電子感知手段（バックＥＭＦ ＲＰＳ）を使用し、したがって、ホール効果デバイスが排除される。

最も単純なバックＥＭＦ ＲＰＳ方法は、２−ＯＮ／１−ＯＦＦ ６ステップスイッチングパターンで制御される３相インバータを採用する。この方法では、３相モータは、任意の瞬間に２つの位相が加圧され、電流がゼロである第３の接続されていない位相で電圧が測定されるように駆動される。これにより、コントローラは、ロータ磁石の移動によって、第３の位相で発生したバックｅｍｆ電圧（Ｖｂｍｆ）を直接的に感知することができるようになる。コントローラは、一般に、感知された位相のＶｂｍｆがいつゼロと交差するかを検出し、これを、アナログ手段またはデジタル手段を介して、感知された位相がＯＮになり、加圧された位相のうちの１つがＯＦＦになる、次の整流時点のタイミングを計算するための基礎として使用する。モータ速度は、ＤＣバス電圧を変動させること、あるいはインバータスイッチングデバイスのうちの１つまたは複数のパルス幅変調（ＰＷＭ）のいずれかによって制御される。

２−ＯＮ／１−ＯＦＦ整流を用いたバックＥＭＦ ＲＰＳは、単純性という利点を提案するが、巻線がＯＮからＯＦＦへと切り替えられる各瞬間に音響的ノイズが発生するという大きな不利益を有する。発生したノイズは、寝室を含む家庭環境にいる人々に近接して動作しているシーリングファンにとって許容できないことがある。

モータ駆動にとって最適な滑らかさと低い音響的ノイズとは、ＳＰＷＭインバータを用いて駆動されるＥＣモータの使用によって改善することができ、また、巻線の電圧または電流は、正弦波となるように制御され、モータのＶｂｍｆと同期して維持される。

ＳＰＷＭインバータを用いたバックＥＭＦ ＲＰＳの実装は、すべての巻線を継続的に加圧しなければならず、それにより、モータのＶｂｍｆがゼロ電流の状況下で直接的には測定できないので、問題がある。モータの端子電圧は、印加されたＰＷＭ電圧であり、バックＥＭＦを判断するために直接的に使用することはできない。そのような場合には、ロータ位置を判断するために、測定された電圧および電流に対して高度な数学的変換を実施する高速マイクロプロセッサが必要である。これらのデバイスおよびそれに関連付けられた支援回路のコストおよび複雑性は、シーリングファンにとってあまり望ましくないことがある。

例示的な実施形態によれば、バックＥＭＦ感知は、同期降圧型コンバータとともに採用される。同期降圧型コンバータ出力は、フィルタコンポーネントによって、インバータスイッチングデバイスのＳＰＷＭから分離されるので、バックＥＭＦを概算するために、巻線の電圧が測定される。

これにより、正弦波モータ中のロータ位置の精確な感知を可能にすることができ、バックＥＭＦを判断するために複雑な計算をする必要がなくなる。

ファン構造
図１に、例示的な実施形態によるＥＣシーリングファンを示す。中央チューブアセンブリ１３の周囲に、３つのファンブレード１０が放射状に装着され、赤外線ＬＥＤレンズ１２が中央に配置された下側カバー１１は、下方からの埃および水に対する合理的な侵入保護を提供するためにブレード１０の下側端部に緊密に嵌合している。

図２および図３に、ブレード装着構成の分解図を示す。ブレード１０は、モータ３０のブレード装着ウェブ３３１と整列し、ねじ３１２によって定位置に固定される。

図３を見ると、下側カバー１１の立ち上がったタレット３１４を装着スロット３１５に整列させることができ、それにより、下側カバー１１を垂直方向に押し上げ回転させて、定位置に係止することができることが分かる。赤外線信号検出器３５２をもつモータコントローラＰＣＢＡ３５１は、モータ３０の中央に装着される。

図４に、ＥＣモータ３０の分解図を示し、モータ３０は、外部ロータであり、スロットがない軸方向磁束の２ロータ構成であり、一般にトーラス（ＴＯＲＵＳ）モータと呼ばれる。

モータ３０は、ダイキャストアルミニウムまたは射出成形された熱可塑性アルミニウムのような、好適な強度の非強磁性材料から形成することができ、ブレード装着ウェブ３３１と、上側ベアリング３２４および下側ベアリング３２６の装着を行うベアリングタレット３３２とを提供するロータシェル３３０を含む。代替的には、ロータシェル３３０および上側カバー１５は、単一の一体的な構成要素として形成してもよい。

上側ロータ３４０は強磁性材料製の環状ディスクを備え、環状磁性リング３４１は、永久磁石材料で構成され、定位置に接着され、ステータ３５０の上側表面に向かい合っている１６個の等間隔の磁極セクタを用いて磁化される。上側ロータ３４０は、３つの装着ねじ３２７によって、モータの内側からロータシェル３３０に取り付けられる。

ステータ３５０は、プラスチック射出成型されたコアを有し、其のメインモータシャフト３５１は、スプライン３５７およびサークリップ３５８によって定位置に押し込まれ、保持される。

上側ロータ３４０とベアリング３２４および３２６とに嵌合したロータシェル３３０は、シャフト３５１を下って定位置までスライドし、サークリップ３２２およびワッシャ３２３によって定位置に保持される。波型ワッシャ３２５は、ベアリングプリロードを提供する。

下側ロータ３４２は強磁性材料製の環状ディスクを備え、環状磁性リング３４３は、永久磁石材料で構成され、定位置に接着され、ステータ３５０の下側表面に向かい合っている１６個の等間隔の磁極セクタを用いて磁化される。

上側リング磁石３４１も下側リング磁石３４３も、拡声器のリング磁石で使用されるような、低コストで広く入手可能であるセラミック磁性材料製であるのが好ましい。代替的には、複数の磁石セグメントから完全なリングを形成することができる。代替的には、希土類、ネオジウム鉄ホウ素または他の高強度の永久磁石材料は、完全なリングにおいて使用することができ、または複数の磁石セグメントから形成することができる。

図５に、ステータ３５０の下側表面の詳細の斜視図を示し、ステータ３５０には、０．９ｍｍ直径のエナメル被覆された銅磁石ワイヤの極ごとに１５回巻かれ、抵抗が０．４オーム、相単位のインダクタンスが１８０ｕＨである、１６極３相巻線が環状に巻き付けられる。ステータの歯３５５は、射出成形された熱可塑性材料から形成され、巻き付け中に磁石ワイヤをガイドするために使用され、モータ磁気回路のアクティブ部分は形成しない。

成形されたタレット３５６はステータコアの下側表面から延び、装着クリップ３５４によって定位置に保持されるＰＣＢＡ３５１のためのハウジングを提供する。ステータ巻線は、ルーム（loom）およびプラグ３５３を介してＰＣＢＡまで直接的に終端をなす（terminate）。

モータコントローラ
例示的な実施形態によれば、ＥＣモータは、図６に示されたモータコントローラ３５１によって加圧される。モータコントローラ３５１は、１２Ｖ ＤＣ電源１３６およびモータステータ巻線３５０に電気的に接続される。

モータコントローラ３５１は、一般に、３相同期降圧型コンバータ４０９と、マイクロコントローラ３６８と、コンバータ４０９用のドライバ回路３６７と、電圧感知フィルタ３８６〜３９７と、マイクロコントローラ３６８用の３．３Ｖ電源３８１とを含む。モータコントローラ３５１は、プリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）上に配置される。

ユーザは、赤外線送信機３７３を介して、速度など所望の制御設定を行い、それは赤外線受信機３５２で提供される。次いで、マイクロコントローラ３６８は、電圧感知フィルタ３８６〜３９７からのバックＥＭＦを測定し、ドライバ３６７によって増幅された適切なスイッチング信号をコンバータ４０９に提供する。一般的に言うと、ファンの速度を上げる必要がある場合には、コンバータ４０９からの印加電圧のレベルが上がり、速度を下げる必要がある場合には、その逆である。コンバータ４０９からの印加電圧の周波数は、常に、（バックＥＭＦから測定される）モータの速度と同期する。

ＳＭＰＳ１３６は、１２Ｖｄｃ電源（12Vdc supply）をコントローラ３５１に提供する。ＳＭＰＳ１３６は、１２Ｖｄｃ電源レールに出力電流および過負荷保護を提供する。モータまたはコントローラの故障、あるいは過剰な周囲温度に起因して、内部温度が安全限界を超えた場合、熱スイッチ３７４はモータコントローラ３５１への電力を遮断する。

３．３Ｖ電源３８１は、マイクロコントローラ３６８のための３．３Ｖ電源レールを発生させるための電圧レギュレータを含む。キャパシタ３８２および３８３は、ＡＣ電源１３５が遮断されたとき、ファン速度が最大ｒｐｍから低減して静止するまで、マイクロコントローラ３６８に電力を供給するための十分な電荷蓄積を提供する。ダイオード３８０は、キャパシタ３８２が１２Ｖｄｃレール中に放電しないようにする。

１２Ｖｄｃ電源レールは、マイクロコントローラ３６８によって周期的に測定される。レジスタ３８４および３８５は、マイクロコントローラ３６８による測定が可能となるように、１２Ｖｄｃ供給電圧を３．３Ｖを下回るまで減衰させる。減衰された電源レール電圧は、アナログ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）入力ＡＮ４に接続される。電圧が９．５Ｖを下回るまで降下すると、マイクロコントローラ３６８は、超低電力のシャットダウン状態（ＳＨＵＴＤＯＷＮ ＳＴＡＴＥ）になる。１２Ｖｄｃレールが１０．５Ｖ超に戻ると、モータドライブが再活性化される。コンバータ４０９は、１２Ｖ供給ＤＣ電圧を３相パルス幅変調電圧に変換するためのｍｏｓｆｅｔスイッチ３６１〜３６６のセットを含む。ＰＷＭは、それぞれの値が５０ｕＨであるフィルタインダクタ４００〜４０２と、それぞれの値が４７ｕＦであるフィルタキャパシタ４０３〜４０５とによって平滑化されて、ほぼ正弦波電圧になる（すなわち、高調波が低減される）。

スイッチ３６１〜３６６は、拡張型正弦波ＰＷＭ（Enhanced Sinusoidal PWM）（ＥＳＰＷＭ）へと制御される。換言すると、ＰＷＭデューティサイクルは、ほぼシヌソイドにしたがって、各電気周波全体にわたって変動する。フィルタ４００〜４０５とＥＳＰＷＭとを組み合わせた結果、モータの動作を無音に近くすることができる。

各電気周波のＥＳＰＷＭスイッチングパターンは、マイクロコントローラ３６８の内部メモリに、データテーブル（ＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭ）として記憶される。複数のテーブルを使用して、様々な動作速度での性能を最適化することができ、たとえば、１つのテーブルは低速での低ノイズについて最適化し、別のテーブルは高速での最適な効率について最適化する。

スイッチングパターンにしたがって、マイクロコントローラ３６８の出力Ａｄｒｖ、Ｂｄｒｖ、Ｃｄｒｖ、Ａｅｎ、Ｂｅｎ、およびＣｅｎは、ドライバ回路３６７に供給される。次いで、ドライバ３６７は、以下の表に示されたＭｏｓｆｅｔ駆動論理にしたがって、各スイッチのゲートに駆動信号を送る。

モータのストールまたは異常動作状態を検出し、シャットダウンするために、マイクロコントローラソフトウェアを介して電子保護が提供される。

ファン機能のユーザ制御は、モータコントローラＰＣＢＡ３５１に直接装着された赤外線受信機３５２によって受信された制御信号を用いて、赤外線遠隔制御送信機３７３を介して実行される。代替的には、無線周波数（ＲＦ）遠隔制御送信機および入力モジュールを使用してもよい。代替的には、０〜１０Ｖまたは４〜２０ｍＡのような低レベルのアナログ電圧または電流信号は、マイクロコントローラ３６８の入力ポートＩＲＸに直接接続することができる。

バックＥＭＦ感知
前述したように、同期降圧型コンバータを使用すると、モータ巻線３５０の電圧はバックＥＭＦに非常に近くなる。したがって、例示的な実施形態によれば、信号電圧レベルを減衰し、電気ノイズを低減するために、３相巻線電圧がフィルタ回路３８６〜３９７に印加される。

図７に示されたバックＥＭＦは、ほぼ正弦波形である３つの位相を有する。マイクロコントローラ３６８は巻線電圧のゼロ交差を検出して、バックＥＭＦの周波数および位相を判断する。バックＥＭＦの周波数および位相を監視することによって、巻線が確実に正しいシーケンスで所望の方向に加圧されるように、ＰＷＭ電圧を同期して印加することができる。

モータ制御戦略
モータ制御戦略は、一般に、始動アルゴリズム、運転アルゴリズム、および停止アルゴリズムで構成される。始動および停止は、通常、ユーザの活性化時であり、あるいはスケジュールされた始動停止時間など、記憶されたデータによることもある。

図８に、メインコントローラが動作している状態のソフトウェア状態の図を示す。パワーオンリセット（ＰＯＲ）信号を受信すると、メインコントローラは、スタンバイ状態（ＳＴＡＮＤＢＹ）になる。赤外線コントローラ３７３から有効な速度またはＯＮ信号を受信すると、メインコントローラは、運転状態（ＲＵＮ）動作に入るのに十分なＲＰＭに達するまで、モータが一段ずつ始める（step started）、始動状態（ＳＴＡＲＴ）になる。ＳＴＡＲＴまたはＲＵＮにおいてＯＦＦまたはＳＰＥＥＤ＝０制御信号が受信された場合、コントローラはＳＴＡＮＤＢＹに戻る。ＶＤＣが任意のモードで９．５Ｖを下回るまで降下した場合、メインコントローラは、シャットダウン状態（ＳＨＵＴＤＯＷＮ）になり、電力が再び印加されて１０．５Ｖに達したときにリセット（ＲＥＳＥＴ）によって終了することしかできない。

また、始動中、バックＥＭＦ感知は困難に直面する。ロータが静止しているときにステータ巻線によって誘起されるＶｂｍｆはゼロなので、特別な始動ルーチンが必要である。最も簡便な手法は、あらかじめ規定されたシーケンスで巻線を加圧し、ロータ速度が回転方向（ＤＯＲ）を検出するのに十分になるまでＶｂｍｆを周期的にサンプリングし、バックＥＭＦ ＲＰＳ動作を可能にすることであり得る。この方法の主な不利益は、未知の始動位置から、ロータが正しい方向に回転し始める機会が５０％しかないことであり得る。シーリングファンロータはブレードアセンブリの質量および直径に起因して実質的な惰力を有するので、第１のステップのＤＯＲが正しくない場合、ロータを停止し、始動シーケンスを反復するのに数十秒かかることがある。ファン始動エラーは、シーリングファン中ではっきりとわかり、望ましくないことがある。

他の手法は、モータ中の磁気飽和を誘起および検出するために巻線に大きな電流パルスを印加すること、あるいは、高周波数電圧信号を注入し、位相間の変換器結合を測定することを含む。しかしながら、これらの方法は、駆動および検出回路を複雑にし、検出シーケンス中にモータ内で音響的ノイズを発生することがあり、これは、シーリングファンにおいて望ましくないことがある。

例示的な実施形態によれば、ロータの最終位置は、ファンが停止したときに記憶される。この位置は、始動シーケンスが成功する機会を改善するために使用することができる。これは、スタンバイおよびシャットダウンにおいて、マイクロコントローラ３６８の入力ＡＮ０〜２における各位相のＶｂｍｆを測定し、最高のＶｂｍｆ測定値（Ｖｂｍｆ（ｍａｘ））および最低のＶｂｍｆ測定値（Ｖｂｍｆ（ｍｉｎ））をもつ位相を判断することによって行われる。例示的な実施形態における１０ビットＡ／Ｄコンバータは、３．３Ｖ電源レールを基準にすると約３．２ｍＶ／ビットの分解能を有する。Ａ／Ｄ変換エラーおよび信号ノイズを考慮すると、これにより、約１０ｍＶまで下がった信頼できるＶｂｍｆ測定が可能になる。好ましい実施形態では、１２Ｖｄｃで動作するように設計されたＥＣシーリングファンモータは、２８Ｖ／１０００ｒｐｍのピーク巻線電圧係数を有する。したがって、確実に検出することができる最低ｒｐｍは、２８Ｖ／１０ｍＶ×１０００ｒｐｍ＝０．３６ｒｐｍ、または２．７分／回転によって得られる。これは十分に低速であり、ロータファンアセンブリが最後の有効なＶｂｍｆ測定値を大幅に超えて回転し続けず、始動性能が無効になる。

有効な読取値を確保するために、ピーク間Ｖｂｍｆ電圧（Ｖｂｍｆ（ｐｐ））を計算し、最小有効Ｖｂｍｆ（Ｖｂｍｆ（ｖａｌｉｄ））振幅は、読取値が信頼できることを保証するために、
Ｖｂｍｆ（ｐｐ）＝Ｖｂｍｆ（ｍａｘ）−Ｖｂｍｆ（ｍｉｎ）、および
Ｖｂｍｆ（ｖａｌｉｄ）＜Ｖｂｍｆ（ｐｐ）
となるように指定される。

最初の最大Ｖｂｍｆの可能な組み合わせは、ＡＢ、ＢＣ、ＣＡ、ＢＡ、ＣＢ、ＡＣの６個ある。最後の測定された組合せは、変更可能なＶＢＭＦ状態（ＶＢＭＦＳＴＡＴＥ）として保存され、始動方向が正しいことを保証するためにどの位相を加圧させるかを判断するために、始動手順中に使用される。

シャットダウン中、ＶＢＭＦ状態が監視され、ＶＢＭＦ状態が状態を変化させることなく連続する数の値が読み取られたとき、ロータは静止していると見なされ、最終的なＶＢＭＦ状態値は、電力が再印加されたときにリコールするためにＥＥＰＲＯＭメモリに保存される。シャットダウンモードは、マイクロコントローラ３６８を超低電力動作モードにし、それにより、キャパシタ３８２および３８３は、ファンが停止するまで、コントローラに電力を供給するのに十分な電荷を保持する。代替的には、ＡＣ電源１３５が遮断されているときにロータ位置の連続的な監視を可能にするためにスタンバイバッテリー供給を使用することができる。

シーリングファンロータブレードアセンブリは、比較的大きな質量と惰力を有するので、電力が遮断しているときにブレードの上の空気移動に起因して回転しづらく、したがって、最後の既知のロータ位置を保存することは、一段ずつ始めることの信頼性（step starting reliability）を改善するための効果的な手段を提供する。

コントローラの３．３Ｖ供給が動作に必要な最低値を下回るまで降下したときにロータを動かした場合、コントローラは、標準的な開ループステップパターンに従うことにより、第１の再始動時に自動的に回復する。

図９に、スタンバイ動作のフローチャートを示す。パワーオンリセット後にスタンバイに最初に入ると、変数ＶＢＭＦ状態および速度がＥＥＰＲＯＭメモリからリコールされる。このとき、ＶＢＭＦ状態は、前のシャットダウン中の最後の既知のロータ位置を含んでいる。リコールされた速度値が非ゼロである場合、直ちにコントローラが始動する。

スタンバイは、赤外線制御入力３５２、ＡＮ４のＶＤＣ入力、ならびにＡＮ０、ＡＮ１およびＡＮ２のＶｂｍｆ入力を継続的にポーリングし、ＶＢＭＦ状態を更新する。有効な速度入力またはＯＮ要求を赤外線遠隔制御送信機３７３から受信すると、コントローラは始動（ＳＴＡＲＴ）になる。ＶＤＣが９．５Ｖを下回るまで降下した場合、コントローラはシャットダウン（ＳＨＵＴＤＯＷＮ）になる。

図１０に、ＳＴＡＲＴ動作のフローチャートを示す。ソフトウェアは、モータが静止しているか、または既に回転しているかを判断するためにモータのｒｐｍを確認する。静止している場合、ＶＢＭＦ状態にしたがってＤＣ：ＤＣコンバータの出力が加圧され、ＶＢＭＦ状態始動位置から位相を順次加圧させるために、開ループステッピングパターンが開始される。始動シーケンスの後、ＤＣ：ＤＣコンバータの出力がディスエーブルされ、モータのＶｂｍｆが測定される。モータが、Ｖｂｍｆ（ｒｕｎ）＜Ｖｂｍｆ（ｐｐ）となる十分なｒｐｍに達している場合、コントローラは運転（ＲＵＮ）に退出する。Ｖｂｍｆ（ｐｐ）＜Ｖｂｍｆ（ｒｕｎ）の場合、コントローラは、Ｖｂｍｆ（ｒｕｎ）＜Ｖｂｍｆ（ｐｐ）になるまで、あるいはＳＴＡＲＴルーチン全体が反復される再始動タイムアウトが生じるまでＶＢＭＦ状態パターンにしたがって巻線をパルスし続ける。

図１１に、運転（ＲＵＮ）動作のフローチャートを示す。運転（ＲＵＮ）は、赤外線制御入力３５２、ＡＮ４のＶＤＣ入力、ならびにＡＮ０、ＡＮ１およびＡＮ２のＶｂｍｆおよびより低いｍｏｓｆｅｔ３６４〜３６６Ｖｄｓ電圧を継続的にポーリングし、ＶＢＭＦ状態を更新する。モータが運転している間、ＤＣ：ＤＣコンバータ出力波形タイミングのＶｂｍｆ検出は、感度の高いＡ・Ｄ読取値を必要とせず、したがって、入力ＡＮ０〜ＡＮ２は、モータ巻線の共通接続Ｃｏｍ４１３を基準とする単純なレベル検出のために、コンパレータ４０６〜４０８に多重化される。

運転（ＲＵＮ）の間ずっと、下側ｍｏｓｆｅｔ３６４〜３６６のうちの１つは完全にＯＮになり、ｍｏｓｆｅｔドレイン−ソース電圧（Ｖｄｓ（ｏｎ））は、対応するＡ／Ｄ入力ＡＮ０〜ＡＮ２において測定することができる。ｍｏｓｆｅｔ３６４〜３６６ドレイン−ソース抵抗（Ｒｄｓ（ｏｎ））およびフィルタインダクタ４００〜４０２の抵抗（Ｒｆ）は既知なので、これにより、Ｉｗ＝Ｖｄｓ（ｏｎ）／（Ｒｄｓ（ｏｎ）＋Ｒｆ）によって得られる、関連付けられたモータ巻線電流の推定が可能になる。これにより、巻線電流が通常の運転（ＲＵＮ）動作で経験されるよりも高い、過負荷またはエラーの多い動作モードが識別される過剰な巻線電流を検出することが可能になる。

図１２に、モータのＶｂｍｆとのＤＣ：ＤＣ出力波形の運転（ＲＵＮ）モード同期と、所望の出力波形を生成するためのＰＷＭ信号発生とのフローチャートを示す。好ましい実施形態では、これは、ＰＷＭカウンタ／タイマーによってトリガされる割り込みサービスルーチン（ＩＳＲ）である。代替的には、独立したタイマーからトリガしても、あるいはポーリングしてもよい。

コンパレータ４０６〜４０８がモータ巻線電圧４１０、４１１および４１２がモータＣｏｍ４１３と交差することを検出すると、関連付けられたコンパレータの出力の状態が変わり、Ｖｂｍｆゼロ交差（Ｖｚｘ）イベントが検出される。

連続するＶｚｘイベントの間隔は、ステップ時間と呼ぶことができ、６０電気角度のモータバックｅｍｆ波形に対応する。

ステップ時間の持続時間は、マイクロプロセッサ３６８の内部クロックによってインクリメントされるステップタイマーによって測定される。各Ｖｚｘイベントにおいて、現在のステップタイマーの値は変動可能なＴｓｔｅｐに保存され、ステップタイマーは次のステップ周期をタイミング設定するように再設定される。

ＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭデータは、ＰＷＭ ＩＳＲによって継続的に更新され、モータＶｂｍｆ波形に同期されなければならない、変動可能なＷａｖｅＡｄｄｒｅｓｓによってインデックスが付される。

ＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭデータは、７ビット振幅解像度で１ステップにつき１２８個のインクリメントに分割される。これは、低い音響的ノイズと、モータｒｐｍ範囲と、マイクロプロセッサクロック速度と、ＰＷＭ周辺仕様との良好な妥協点を与えることができる。代替的には、異なるマイクロプロセッサハードウェアプラットフォーム、ならびに異なるモータまたは動作状況に合うように、より高い分解能、またはより低い分解能を採用してもよい。

遮断が５ＰＷＭ周期ごとに生じる場合、ＰＷＭ周波数は１２５ｋＨｚであり、ＰＷＭ遮断レートが２５ｋＨｚとなる。

モータは、１回転につき４８ステップまたは６１４４個のＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭインクリメントを有する３相１６極機械である。

最大ｒｐｍは、２５ｋＨｚ／６１４４インクリメント×６０秒＝２４４ｒｐｍである最大ＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭ更新周波数によって制限される。これは、ｒｐｍが安全上の理由により約２００ｒｐｍに制限されることが一般的であるシーリングファンについて適切である。

Ｖｂｍｆコンパレータ４０６〜４０８は、メインＲＵＮルーチン中にポーリングされ、ＶＢＭＦ状態を更新する。ＲＵＮ ＰＷＭ ＩＳＲへのエントリ時にＶＢＭＦ状態の変化が検出された場合、ステップタイマーは、リセットされる前にＴｓｔｅｐに保存され、すべてのＰＷＭ出力は、新しいＶＢＭＦ状態について正しいＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭ値に設定される。

４１０、４１１および４１２におけるＤＣ：ＤＣ出力電圧波形が、実際のモータＶｂｍｆ４２０、４２１および４２２より遅れている場合、モータＶｂｍｆは、ＤＣ：ＤＣ出力を進め、次のＶｚｘイベントをより早くトリガし、これにより、後のＴｓｔｅｐを低減し、位相ラグエラーを低減する。

４１０、４１１および４１２におけるＤＣ：ＤＣ出力波形が、実際のモータＶｂｍｆ４２０、４２１および４２２をリードしている場合、モータＶｂｍｆはコンバータ出力に追加の負荷をかけ、それにより、次のＶｚｘイベントを遅延させ、次のＴｓｔｅｐを増大させ、これにより位相リードエラーを低減する。

ＤＣ：ＤＣコンバータ出力波形およびＶｂｍｆが、６０ｄｅｇＥ未満の電気周波の画分による同期から出る場合、モータＶｂｍｆによってＤＣ：ＤＣコンバータ出力にかけられた電気的負荷は、システムを同期に戻すために、後のＶｚｘイベントのタイミングをシフトする。ファンの惰力が高いことに起因して、モータｒｐｍは、１つの電気周波にわたり大幅には変化せず、したがって、Ｖｚｘ検出ルーチンは、同期のエラーを継続的に修正することができる。

フィルタインダクタ４００〜４０２およびキャパシタ４０３〜４０５は、ＳＰＷＭインバータスイッチ３６１〜３６６の出力から、４１０、４１１および４１２におけるＤＣ：ＤＣ出力波形を結合解除し、それにより、モータＶｂｍｆ４２０、４２１および４２２は、Ｖｚｘイベント検出タイミングに影響を与えることができるようになり、モータ巻線のＳＰＷＭ変調をバックＥＭＦ ＲＰＳ検出と連携して使用できるようになる。

Ｔｓｔｅｐを更新した後、次のＳｔｅｐに関する各ＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭインクリメントの周期は、
Ｔｉｎｃ＝ステップタイマー／１２８
として計算され、第１のインクリメントは、
Ｔｉｎｃ−＞Ｔｕｐｄａｔｅ
となる。

ＰＷＭ ＩＳＲごとに、ＷａｖｅＡｄｄｒｅｓｓをインクリメントすべきかどうかを判断するために、ステップタイマーを確認する。

Ｔｕｐｄａｔｅ＜ステップタイマーのとき、ＷａｖｅＡｄｄｒｅｓｓはインクリメントされ、ＴｕｐｄａｔｅはＴｉｎｃだけ増加する。

ＷａｖｅＡｄｄｒｅｓｓが更新された場合、その値用のＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭデータがメモリから取り出され、設定速度値によってスケーリングされ、次いで、実際のＤＣ：ＤＣコンバータＰＷＭデューティサイクルレジスタを更新するために使用される。

モータ巻線に印加される、得られた電圧はデジタル化されたＷａｖｅＴａｂｌｅＰＷＭデータのアナログバージョンであり、モータＶｂｍｆ電圧に同期され、振幅全体は速度制御信号に比例する。

図１３に、ＤＣ：ＤＣコンバータの出力駆動電圧波形４１０、４１１および４１２と、最も低い位相Ｖｂｍｆが各周期に０Ｖにスイッチされる０Ｖレールを基準とする巻線の共通ポイント４１３とを示す。

図１４に、Ａ位相４１０のインバータ出力駆動電圧波形の詳細のみを示す。

図１３を見ると、周期２１０〜３３０ｄｅｇＥ中、Ａ位相４１０の電圧はＢｐｈ４１１またはＣｐｈ４１２よりも低いことが分かる。図１４を見ると、これは、この周期中、Ａｐｈ４１０の出力を０Ｖに引くために継続的に加圧されるＡ位相のより低いｍｏｆｅｔ３６４に変換することが分かる。実際には、電圧は、スイッチおよびフィルタインダクタにわたる電圧降下に起因して、ゼロをわずかに上回る。これは、スイッチオン抵抗およびフィルタインダクタ抵抗が知られているので、位相電流の合理的な推定を判断するために使用することができる。これは、障害状態（始動中の不安定性または発振、あるいは運転中の同期のドロップアウト）を判断するために、実際の電力使用量をロギングまたは表示するために、あるいはモータをより正確に制御するために、監視目的で使用することができる。

図１５に、シャットダウン（ＳＨＵＴＤＯＷＮ）動作のフローチャートを示す。シャットダウン（ＳＨＵＴＤＯＷＮ）は、ＶＤＣが９．５Ｖを下回るまで降下したときに、すべての状態からトリガされる。

すべてのマイクロコントローラ３６８の周辺機器およびＩ／Ｏは、最低電流ドレイン状態に設定され、電流速度値は、低い電力のスリープ（ＳＬＥＥＰ）モードに入る前にＥＥＰＲＯＭに保存される。

スリープ（ＳＬＥＥＰ）が起動すると、マイクロコントローラ３６８のＡ／Ｄが再びイネーブルされ、ＡＮ４、Ａｐｈ４１０、Ｂｐｈ４１１およびＣｐｈ４１２のＶＤＣ入力と、ＡＮ０、ＡＮ１およびＡＮ２の入力とを読み取り、ＶＢＭＦ状態を更新する。

ＶＤＣが１０．５Ｖを上回って上昇した場合、シャットダウン（ＳＨＵＴＤＯＷＮ）は終了し、リセット（ＲＥＳＥＴ）になる。

ＶＢＭＦ状態が多数のサイクルにわたって変更されないままであった場合、ロータは静止していると見なされ、ＶＢＭＦ状態は、次のパワーオンリセットの際にリコールされるように、ＥＥＰＲＯＭメモリに保存される。

本発明の例示的な実施形態について詳細に説明してきたが、当業者には明確となるように、本発明の範囲内において、多くの変形形態が可能である。

〔実施の態様〕
（１） 複数のファンブレードを駆動するためのＥＣモータと、
バックＥＭＦを使用してロータ位置を判断するように構成され、前記ロータ位置および所定の命令にしたがって前記モータを加圧するように構成されたモータコントローラと
を備える、シーリングファン。
（２） 前記コントローラが、出力フィルタをもつＤＣ−ＤＣコンバータを含む、実施態様１に記載のファン。
（３） 前記出力フィルタが多相ＬＣフィルタである、実施態様２に記載のファン。
（４） 前記コンバータが、同期降圧型コンバータである、実施態様２または３に記載のファン。
（５） 前記コントローラが、前記モータの端子電圧のゼロ交差に基づいて前記ロータ位置を判断するように構成された、実施態様１〜４のいずれかに記載のファン。

（６） 前記出力フィルタが、前記モータの巻線から、前記コンバータでスイッチされたＰＷＭ出力電圧を分離する、実施態様４に記載のファン。
（７） 前記所定の命令が、停止すると前記ロータ位置を記憶する停止シーケンスを含む、実施態様１〜６のいずれかに記載のファン。
（８） 前記所定の命令が、最後に停止したロータ位置に依存する開始シーケンスを含む、実施態様７に記載のファン。
（９） 前記所定の命令が、少なくとも１つのＳＰＷＭスイッチング構成を含む、実施態様１〜８のいずれかに記載のファン。
（１０） 前記所定の命令が複数のＳＰＷＭスイッチング構成を含み、前記コントローラが、速度に基づいてスイッチング構成を選択するように構成された、実施態様９に記載のファン。

（１１） 前記所定の命令が、１つまたは複数の障害状況に基づくシャットダウン状態を含む、実施態様１〜１０のいずれかに記載のファン。
（１２） 前記障害状況が、低入力電圧、温度過上昇、および高始動電流を含む、実施態様１１に記載のファン。
（１３） 前記モータの単相が、順次、負ＤＣ電源レールに継続的に接続されるとき、前記高始動電流が、前記モータの単相の電圧に基づいて判断される、実施態様１２に記載のファン。
（１４） 前記バックＥＭＦを判断するために、前記コントローラに前記モータの端子電圧を供給するための減衰およびフィルタ回路をさらに備える、実施態様５に記載のファン。
（１５） 前記開始シーケンスの成功の機会が５０％よりも良好である、実施態様８に記載のファン。

（１６） 前記所定の命令が、超低電力スタンバイ状態を含む、実施態様１〜１５のいずれかに記載のファン。
（１７） 前記モータが３相モータであり、前記コントローラが３相コントローラである、実施態様１〜１６のいずれかに記載のファン。
（１８） シーリングファンを制御するための方法であって、
ＥＣモータのバックＥＭＦを判断することと、
前記バックＥＭＦおよび所定の命令に基づいて前記ファンを駆動させるように、前記モータを加圧することと
を含む、方法。
（１９） 前記所定の命令が、１つまたは複数のＳＰＷＭスイッチング構成を含む、実施態様１８に記載の方法。
（２０） 前記モータを加圧するために同期降圧型コンバータを出力フィルタリングすることをさらに含む、実施態様１８または１９に記載の方法。

（２１） 前記モータを停止させることと、停止したときに前記ロータの場所を記憶することとをさらに含む、実施態様１８〜２０のいずれかに記載の方法。
（２２） 最後に停止したロータ位置に基づいて、前記モータを始動させることをさらに含む、実施態様２１に記載の方法。

Claims (22)

1. 複数のファンブレードを駆動するためのＥＣモータと、
   バックＥＭＦを使用してロータ位置を判断するように構成され、前記ロータ位置および所定の命令にしたがって前記モータを加圧するように構成されたモータコントローラと
   を備える、シーリングファン。
2. 前記コントローラが、出力フィルタをもつＤＣ−ＤＣコンバータを含む、請求項１に記載のファン。
3. 前記出力フィルタが多相ＬＣフィルタである、請求項２に記載のファン。
4. 前記コンバータが、同期降圧型コンバータである、請求項２または３に記載のファン。
5. 前記コントローラが、前記モータの端子電圧のゼロ交差に基づいて前記ロータ位置を判断するように構成された、請求項１〜４のいずれか１項に記載のファン。
6. 前記出力フィルタが、前記モータの巻線から、前記コンバータでスイッチされたＰＷＭ出力電圧を分離する、請求項４に記載のファン。
7. 前記所定の命令が、停止すると前記ロータ位置を記憶する停止シーケンスを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のファン。
8. 前記所定の命令が、最後に停止したロータ位置に依存する開始シーケンスを含む、請求項７に記載のファン。
9. 前記所定の命令が、少なくとも１つのＳＰＷＭスイッチング構成を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のファン。
10. 前記所定の命令が複数のＳＰＷＭスイッチング構成を含み、前記コントローラが、速度に基づいてスイッチング構成を選択するように構成された、請求項９に記載のファン。
11. 前記所定の命令が、１つまたは複数の障害状況に基づくシャットダウン状態を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のファン。
12. 前記障害状況が、低入力電圧、温度過上昇、および高始動電流を含む、請求項１１に記載のファン。
13. 前記モータの単相が、順次、負ＤＣ電源レールに継続的に接続されるとき、前記高始動電流が、前記モータの単相の電圧に基づいて判断される、請求項１２に記載のファン。
14. 前記バックＥＭＦを判断するために、前記コントローラに前記モータの端子電圧を供給するための減衰およびフィルタ回路をさらに備える、請求項５に記載のファン。
15. 前記開始シーケンスの成功の機会が５０％よりも良好である、請求項８に記載のファン。
16. 前記所定の命令が、超低電力スタンバイ状態を含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のファン。
17. 前記モータが３相モータであり、前記コントローラが３相コントローラである、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のファン。
18. シーリングファンを制御するための方法であって、
    ＥＣモータのバックＥＭＦを判断することと、
    前記バックＥＭＦおよび所定の命令に基づいて前記ファンを駆動させるように、前記モータを加圧することと
    を含む、方法。
19. 前記所定の命令が、１つまたは複数のＳＰＷＭスイッチング構成を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記モータを加圧するために同期降圧型コンバータを出力フィルタリングすることをさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記モータを停止させることと、停止したときに前記ロータの場所を記憶することとをさらに含む、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 最後に停止したロータ位置に基づいて、前記モータを始動させることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

Images