JP2018139491A - 直流電動機駆動装置とそれを搭載した天井埋込型換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電動機の脱調防止法として、直流電動機への印加電圧や電動機電流、回転数信号を検出して位相差を算出し回転数を補正する方法があるが、高速かつ複雑な演算が要求されるためマイクロコンピュータが必須となり、駆動装置に組み込むと制御基板の大型化と高コスト化につながる。
【解決手段】直流電動機を駆動する３相交流電圧を生成する前段の直流電圧値を監視し、直流電圧値が予め設定した閾値以下となった場合に直接直流電動機の回転数指示を低下させると同時にブレーキ機能により電源投入時と同じ状態で再起動させることで、直流電動機の脱調から復帰し正常回転を継続することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風量を大きく変動させないためにモータ電流を一定に維持して駆動する直流電動機の駆動装置において、直流電動機の脱調を検出し安定した回転に戻すものに関する。

従来、この種の直流電動機の脱調防止には、直流電動機の負荷電圧、または負荷電流を検出して比較演算を行い、出力電圧あるいは出力電圧の周波数を変更して脱調を防止するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

以下、特許文献１に記載されているこの種の直流電動機駆動装置について、図４を参照しながら説明する。

図４に示すように、従来の直流電動機駆動装置は、整流用ダイオード１０１と直流平滑用コンデンサ１０２により商用電源の交流電圧を直流に変換している。

そして、直流変換された電圧をドライブ回路１１０で駆動されるインバータ１０４により交流に変換し、その交流電圧を電機子コイル１０５、１０６、１０７に印加してモータを回転させている。

また、インバータ１０４による回転数指令とモータの実回転数の差を演算するために、直流に変換した電圧を直流電源電圧検出器１０３で検出する。同様に、電機子コイル１０５、１０６、１０７の電流値を電流検出器１０８、１０９で検出する。検出した電圧値、電流値と、各電機子コイルから検出される誘起電圧から、その誘起電圧の位相差の変化率をマイクロコンピュータ１１１で演算する。

そして、演算した位相差の変化率から回転数指令とモータの実回転数の差を演算し、最終の演算結果より得られた回転数の差を補正し、実回転数を指令回転数に一致させることで直流電動機の脱調を防ぐ、あるいは、回転の安定化を図るものである。

特開平１１−５５９９４号公報

このような従来の直流電動機の脱調防止や回転安定化方法については、電圧や電流の位相差、あるいは直流電動機の回転数を情報として収集する必要があり、また、高速かつ複雑な演算が要求されるためマイクロコンピュータが必須となる。

したがって、駆動装置にマイクロコンピュータを組み込まなければならないが、マイクロコンピュータを駆動装置に組み込むと制御基板のサイズが大きくなる。

そして、マイクロコンピュータ自体のコストと、マイクロコンピュータを動作させるソフトウェアの開発コストにより、駆動装置の価格が高額となる。

製品の小型化、低コスト化の要求に伴い、製品に組み込まれる直流電動機駆動装置にも小型化、低コスト化が要求されている。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、マイクロコンピュータを使用せずに脱調を防止し、省スペースかつ安価な直流電動機駆動装置を提供することを目的としている。

そして、この課題を解決するために、本発明は、３相の直流電動機と、直流電圧を３相交流電圧に変換し前記直流電動機に印加して直流電動機を駆動する駆動手段と、前記直流電動機の回転数を直流電動機駆動手段へ電圧で指示する回転数指示手段と、前記直流電動機駆動手段の動作電圧となる動作電圧生成手段と、前記直流電動機駆動手段への直流電圧を変化させて出力電流を一定に維持して供給する定電流出力手段と、前記定電流出力手段の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記直流電動機の回転数異常を判定するための基準電圧値を生成する下限基準電圧生成手段と、前記定電流出力手段の出力電圧と前記下限基準電圧を比較演算し出力電圧の低下を診断して出力電圧の低下状態を外部に出力する出力電圧低下診断手段と、前記出力電圧低下診断手段の出力で動作する第一のスイッチ手段とを備え、前記第一のスイッチ手段は前記回転数指示手段と前記直流電動機駆動手段の間に挿入し、前記直流電動機の回転中に前記出力電圧低下診断手段が出力電圧の低下と判断した場合に、前記第一のスイッチ手段を開放することで前記直流電動機を再起動することを特徴としたものである。

このような構成において、出力電圧低下診断手段は、駆動手段への入力電圧が予め定めた下限基準電圧値を下回った場合に、直流電動機の回転数異常が発生したと判断する。

この回転数異常を検出した時点で、第一のスイッチ手段は、回転数指示手段を開放して回転数指令をゼロにし、電源投入時と同じ状態に戻して再起動をかける。

これにより、回転数異常から正常状態に復帰することができる。

本発明の実施の形態１の直流電動機の駆動装置の構成を示す図 本発明の実施の形態２の直流電動機の駆動装置の構成を示す図 本発明の実施の形態３の直流電動機の駆動装置の構成を示す図 従来の構成を示す簡略図

本発明の請求項１記載の発明は、３相の直流電動機と、直流電圧を３相交流電圧に変換し前記直流電動機に印加して直流電動機を駆動する駆動手段と、前記直流電動機の回転数を駆動手段へ電圧で指示する回転数指示手段と、前記駆動手段の動作電圧となる動作電圧生成手段と、前記直流電動機駆動手段への直流電圧を変化させて出力電流を一定に維持して供給する定電流出力手段と、前記定電流出力手段の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記直流電動機の回転数異常を判定するための基準電圧値を生成する下限基準電圧生成手段と、前記定電流出力手段の出力電圧と前記下限基準電圧を比較演算し出力電圧の低下を診断して出力電圧の低下状態を外部に出力する出力電圧低下診断手段と、前記出力電圧低下診断手段の出力で動作する第一と第二のスイッチ手段とを備え、前記第一のスイッチ手段は前記回転数指示手段と前記駆動手段の間に挿入し、前記第二のスイッチ手段は前記駆動手段のブレーキ機能端子と前記動作電圧生成手段の間に挿入し、前記直流電動機の回転中に前記出力電圧低下診断手段が出力電圧の低下と判断した場合に、前記第一のスイッチ手段を開放し、前記第二のスイッチ手段を短絡することで前記直流電動機を再起動することを特徴としたものである。

このような構成において、前記直流電動機駆動手段の回転数が何らかの異常により大幅に低下すると、前記直流電動機への入力電圧が大幅に低下する。よって、前記出力電圧低下手段を設けることにより前記直流電動機の回転数の著しい低下を検知することができる。そして、回転数の低下を検知した時点で前記スイッチ手段により前記直流電動機への回転数指令を強制的にゼロとし、同時に前記直流電動機にブレーキをかけ直流電動機の回転数をゼロとして再起動をかけることで前記直流電動機を正常回転に復帰させることができる。

また、前記回転数指示手段には、起動時にのみ指示する電圧を所定の時間で上昇させる時定数回路を備え、通電と同時に前記回転数指示手段の電圧を徐々に上昇させてもよい。

この構成により、マイコンを使用しないセンサレスの駆動系でも起動時に低い回転数から起動させることができる。

また、前記出力電圧低下診断手段で動作する第三のスイッチ手段を備え、第三のスイッチ手段は、前記時定数回路のプラス側とゼロ電位を短絡する構成とし、前記出力電圧低下診断手段が出力電圧の低下と判断した場合に、前記時定数回路を強制的に放電させてもよい。

この構成により、マイコンを使用しない駆動系でも出力電圧低下を検知した後の再起動時にも電源投入時と同じ動作を行うことができる。

また、本発明の直流電動機駆動装置を換気装置に組み込むことによって、省スペース、低コストで安定した回転を実現した換気装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、第１の実施の形態の直流電動機駆動装置は、定電流回路１とモータドライバ２と、センサレスＤＣモータ３と、ＶＳＰ電圧生成回路４と、低電圧生成回路５と、電圧検出回路６と、基準電圧回路７と、コンパレータ８と、２つのトランジスタ９、トランジスタ１０とで構成されている。

定電流回路１は、商用交流電源電圧を直流定電流出力に変換する定電流出力手段である。モータドライバ２は、定電流回路１の定電流出力を３相交流に変換する駆動手段である。センサレスＤＣモータ３は、モータドライバ２の３相交流出力を印加する直流電動機である。ＶＳＰ電圧生成回路４は、モータドライバ２に外部から電圧を任意に与えてモータドライバ２が生成する３相交流出力を可変することでセンサレスＤＣモータ３の回転数を変更する回転数指示手段である。低電圧生成回路５は、モータドライバ２の動作電圧を生成する動作電圧生成手段である。電圧検出回路６は、定電流回路１の出力電圧を検出する。
出力電圧検出手段である。基準電圧回路７は、定電流回路１の出力電圧の下限基準電圧を生成するための下限基準電圧生成手段である。コンパレータ８は、電圧検出回路６の出力と基準電圧回路７の出力を比較判定して出力する出力電圧低下診断手段である。

トランジスタ９は、モータドライバ２とＶＳＰ電圧生成回路４との間に挿入してコンパレータ８の出力と連動する第一のスイッチ手段である。トランジスタ９は定常時はＯＮ状態とする。トランジスタ１０は、モータドライバ２のブレーキ機能端子と低電圧生成回路５との間に挿入してコンパレータ８の出力と連動する第二のスイッチ手段である。

低電圧生成回路５は、モータドライバ２の電源端子に接続する他に、モータドライバ２に内蔵されているブレーキ機能端子とも接続する。ただし、ブレーキ機能端子と低電圧生成回路５の間にはトランジスタ１０を挿入し、通常時はＯＦＦ状態とする。

一般に、モータドライバ２には２段×３個の半導体素子により構成されるインバータ回路が内蔵されていて、そのインバータ回路により直流を３相交流に変換している。そして、この３相交流で回転磁界を生成しセンサレスＤＣモータに印加して回転子磁石を回転させている。

この３相交流の生成については、センサレスＤＣモータには回転子の位置情報を得る磁極センサがないため磁極位置を推定して３相交流を生成している。この磁極位置を推定してモータを回転させる方法においては、負荷が急変しモータの回転数が急激に変化すると磁極位置の推定が実回転に追いつかないことがあり、その結果生成した回転磁界と実回転との回転差が大きくずれ不安定な状態で回転が安定してしまうことがある。これを脱調といい、センサレスモータ特有の現象として知られている。

ここで、本発明のモータの制御方法と電源回路の特性について説明する。本実施の形態では、ＶＳＰ電圧生成回路４の出力、そして、モータの回転数を固定し、モータ電流を一定に維持している。このようにして、常に一定の風量を出力し、トルクを大きく変化させない仕様としている。

定電流回路１の出力は、負荷が求める電力に応じて出力電圧が変化する。たとえば、本発明を換気扇に適用した場合を考えると、換気扇の開口をふさぐものが無い場合が最も負荷が軽く、開口が全てふさがれた場合が最も負荷が重い。負荷が軽いときは、センサレスＤＣモータ３に必要な電力が少なくてすむためモータドライバ２への入力電圧が低くなる。逆に、負荷が重いときは、センサレスＤＣモータ３に必要な電力が大きくなるためモータドライバ２への入力電圧が高くなる。

ここで、羽根への異物の噛み込み等により一時的にセンサレスＤＣモータ３が拘束状態となった場合、回転数が急激に変化するため磁極の推定が追いつかず脱調が発生する。脱調の発生時には、モータの回転が大幅に低下して不規則な回転となるため、負荷は非常に軽い状態となりモータドライバ２への入力電圧が大きく低下する。すなわち、モータドライバ２への入力電圧を監視することにより脱調を検出することができる。

脱調を検出した後は、正常状態への復帰させる必要がある。本実施の形態では、正常状態へ復帰させる方法として、再起動をかける。再起動をかける方法としては、まずモータドライバ２への入力電圧が基準電圧以下になった時点でコンパレータ８の出力によりトランジスタ９を開放する。そして、ＶＳＰ電圧生成回路４の出力をゼロとしてモータドライバ２への回転数指令をゼロとする。

しかし、この回転数指令がゼロとなった状態でも羽根は慣性により回転を続けている。
そこで、モータドライバ２のブレーキ機能を利用して羽根の回転を強制的に停止させる。すなわち、モータドライバ２に対して、トランジスタ１０によりモータドライバ２のブレーキ端子に低電圧を印加してモータドライバ２のブレーキ機能を有効とすることによって、モータドライバ２の交流出力が直流に変化し固定子磁石が固定磁界に引き付けられることとなり、センサレスＤＣモータ３はブレーキをかけられたようになる。

上記の動作により、脱調を検出した時点で電源投入時と同じ状態に戻るので、電源投入時と同じ方法で起動させることができる。

なお、ブレーキ機能としてはモータドライバ２の出力として３相交流でなく直流を出力することで回転子磁石の回転を磁力により停止させる方法があるが、羽根の回転が停止するのであればどのような方法でもかまわない。

また、今回スイッチ手段には今回トランジスタを用いているが、半導体素子や継電器を用いてもその効果に差異を生じない。

以上の方法により、マイコンを用いずともセンサレスＤＣモータ３を脱調から復帰させて安定的に回転させることができる。

（実施の形態２）
第２の実施の形態の直流電動機駆動装置は、図２に示すように、第１の実施の形態の直流電動機駆動装置に対し、ＶＳＰ電圧生成回路４とモータドライバ２の間に時定数回路としての抵抗１１とコンデンサ１２を挿入したものである。

ここで、センサレスＤＣモータ３の起動時の動作について説明する。

磁極位置の推定には回転子磁石の回転により発生する誘起電圧を利用しているが、起動時は回転子が回転していないため誘起電圧がゼロであり磁極位置の推定ができない。

そこで、起動時は磁極位置を推定せず起動させるために、起動時特有のプロセスが必要となる。

起動時特有のプロセスとしては、まず、起動動作をスムーズに行うために固定子磁石に回転子磁石を近づける。これにより、固定子に通電したときに回転子磁極が近くにいるため、固定子の回転磁界への追従が容易になる。

回転子磁石を固定子磁石に近づける方法としては、固定子巻線に直流電流を流して回転子磁石を固定子磁石に引き寄せる。

つぎに、起動時に高回転で回転させると脱調が発生するため、起動時は低い回転数で回転させる必要がある。よって、ＶＳＰ電圧生成回路４の出力とは別に設けた起動時固有の低回転指令の３相交流出力によりセンサレスＤＣモータ３を強制的に回転させる。

そして、低回転指令により誘起電圧を検出できたら、誘起電圧による磁極の推定が行えるため、起動時固有の３相交流出力からＶＳＰ電圧生成回路４の出力電圧値の回転数に切り替え通常の回転動作に移行する。

この一連の動作が正常に行えてはじめて起動が成功したことになる。

しかし、起動時固有の３相出力からＶＳＰ電圧生成回路４に切り替える際、その指令回転数差が大きいとやはり脱調が発生する。

そこで、起動時に抵抗１１とコンデンサ１２でＶＳＰ電圧生成回路４に時定数をもたせ、通電後からＶＳＰ電圧生成回路４の出力を徐々に上昇させていくようにする。

これにより、起動時固有の３相出力からＶＳＰ電圧生成回路４の出力に切り替わるタイミングでＶＳＰ電圧生成回路４の出力電圧を低くすることができるため、それらの回転数差を小さくできる。

また、センサレスＤＣモータ３の回転指令がＶＳＰ電圧生成回路４の出力に切り替わったあとも、時定数回路の充電によりＶＳＰ電圧生成回路４の出力が規定値まで上昇するためセンサレスＤＣモータ３は通常の回転数に到達する。

この方法により、マイコンを用いずともセンサレスＤＣモータ３を安定的に起動させることができる。

なお、トランジスタ９、トランジスタ１０の動作については、第１の実施の形態と同じであり、脱調後の復帰方法は同じである。

（実施の形態３）
第３の実施の形態の直流電動機駆動装置は、図３に示すように、第２の実施の形態の直流電動機駆動装置に対し、図３に示すように、時定数回路のコンデンサ１２の両端を短絡する第三のスイッチ手段としてのトランジスタ１３を追加したものである。

第１の実施の形態１で説明したように、脱調時には、モータドライバ２への入力電圧が基準電圧を下回るとコンパレータ８の出力によりトランジスタ９が開放される。

すると、ＶＳＰ電圧生成回路４とモータドライバ２は切り離される。しかし、コンデンサ１２には電荷がそのまま残ってしまうため、モータドライバ２に入力されるＶＳＰ電圧は実際にはほとんど下がらない。

そこで、トランジスタ１３は、コンパレータ８の出力と連動して、コンデンサ１２の両端を短絡する。このようにして、コンデンサ１２の電荷を放電する。

これにより、脱調検出時には、ＶＳＰ電圧生成回路４とモータドライバ２を切り離すと同時にＶＳＰ電圧生成回路４の出力電圧をゼロとできる。そのため、再起動時に電源投入時と同じ状態での起動を行うことができる。

このように、本実施の形態ではマイコンを使用せずに、モータドライバへの入力電圧を監視して脱調を検出し、検出した時点でモータの状態を電源投入時と同じ状態として再起動することで脱調から正常回転に復帰させることができるため、低コスト化、小型化を図ることができ、局所に設置するために省スペースが要求されるような製品、例えば天井埋込型の換気扇に適用することができる。

１ 定電流回路
２ モータドライバ
３ センサレスＤＣモータ
４ ＶＳＰ電圧生成回路
５ 低電圧生成回路
６ 電圧検出回路
７ 基準電圧回路
８ コンパレータ
９ トランジスタ
１０ トランジスタ
１１ 抵抗
１２ コンデンサ
１３ トランジスタ

Claims (4)

1. ３相の直流電動機と、
   直流電圧を３相交流電圧に変換し前記直流電動機に印加して直流電動機を駆動する駆動手段と、
   前記直流電動機の回転数を直流電動機駆動手段へ電圧で指示する回転数指示手段と、
   前記直流電動機駆動手段の動作電圧となる動作電圧生成手段と、
   前記直流電動機駆動手段への直流電圧を変化させて出力電流を一定に維持して供給する定電流出力手段と、
   前記定電流出力手段の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   前記直流電動機の回転数異常を判定するための基準電圧値を生成する下限基準電圧生成手段と、
   前記定電流出力手段の出力電圧と前記下限基準電圧を比較演算し出力電圧の低下を診断して出力電圧の低下状態を外部に出力する出力電圧低下診断手段と、
   前記出力電圧低下診断手段の出力で動作する第一のスイッチ手段とを備え、
   前記第一のスイッチ手段は前記回転数指示手段と前記駆動手段の間に挿入し、
   前記直流電動機の回転中に前記出力電圧低下診断手段が出力電圧の低下と判断した場合に、前記第一のスイッチ手段を開放することで前記直流電動機を再起動することを特徴とする直流電動機駆動装置。
2. 前記回転数指示手段には、起動時にのみ指示する電圧を所定の時間で上昇させる時定数回路を備え、
   通電と同時に前記回転数指示手段の電圧を徐々に上昇させていくことを特徴とする請求項１に記載の直流電動機駆動装置。
3. 前記出力電圧低下診断手段で動作する第三のスイッチ手段を備え、
   第三のスイッチ手段は、前記時定数回路のプラス側とゼロ電位を短絡する構成とし、
   前記出力電圧低下診断手段が出力電圧の低下と判断した場合に、前記時定数回路を強制的に放電させる請求項２記載の直流電動機駆動装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の直流電動機駆動装置を搭載した天井埋込型換気装置。

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