JP6037317B2 - モータ制御装置、モータ制御方法および送風装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置、モータ制御方法および送風装置に関し、特に、換気や冷暖房を行う空調システムにおける送風機の風量制御方法に関する。

換気や冷暖房を行う空調システム、特に１つの送風機からの風をダクトを通じて１または複数の部屋に送るような空調システムにおいて、送風機を有する空調装置の設置状態や使用状態によって、空調システムの圧力損失を決める条件（以下、「圧損条件」と呼ぶ）が異なる。例えば、空調装置に接続されたダクトの形状や長さの違いにより圧損条件が異なる。また、空調装置の吐出口や吸込口に取り付けられたフィルタの目詰まりにより圧損条件の経時変化が生じる。この圧損条件の差異や経時変化によって、所定の風量を得るために必要な静圧も変わってくる。このため、同一仕様の複数台の空調装置を、同一のトルクないしは回転速度で駆動しても、得られる風量がばらつく場合がある。あるいは、ある空調装置を一定のトルクないしは回転速度で駆動しても、風量を一定に維持できない場合がある。そこで、近年、圧損条件や静圧が変化しても、風量を目標風量に維持するように制御（以下、「風量一定制御」と呼ぶ）することが求められている。

風量一定制御を実現する技術として、例えば圧力センサを用いる方式がある。しかし、設置容易性や長期使用時の信頼性に問題がある。そこで、圧力センサを用いることなく、風量一定制御に必要な送風機固有の特性（以下、「ブロワ特性」と呼ぶ）を利用する種々の方式が検討されている。このような方式では、風量一定制御による運転に先立って、事前に送風機のモータの物理量（モータ速度、モータトルク等）と風量との関係を計測する計測実験を行う。そして、この計測実験で得られたブロワ特性を利用して風量一定制御を行っている。

このような風量一定制御の技術として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１に示される従来の技術によれば、送風機を駆動するモータの指示速度を下記の式（１）から算出している。

ここで、Ｓ^＊はモータの指示速度、Ｓはモータ速度、Ｓａは目標モータ速度、Ｋはゲインである。目標モータ速度Ｓａは下記の式（２）から算出している。

ここで、Ｔはモータトルク、Ｑ^＊は目標風量、ｋ_ｎｍ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｊ、ｍ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、そしてｉおよびｊは有限値である。式（２）はモータトルクがＴの場合に風量が目標風量Ｑ^＊になるために必要なモータ速度がＳａであるという関係を表す式である。

定数ｋ_ｎｍは送風機に固有の係数であり、予め計測実験を行うことにより求められる。この計測実験において、まず送風機を風洞実験設備に接続し、異なる静圧下でモータ速度を変えながらモータトルクと風量を計測する。そして、式（２）がこの計測データを平均的に満足する回帰式となるように、最小二乗法を用いて定数ｋ_ｎｍの値を算出する。

特許文献１記載のモータ制御装置は、上記のように、事前に計測実験により求めた定数ｋ_ｎｍを適用した式（２）と式（１）によって指示速度Ｓ^＊を計算し、モータ速度Ｓを該指示速度Ｓ^＊に追従させる速度制御を行うことによって風量一定制御を実現している。

国際公開第２００８／１１７５１５号

特許文献１に示されている従来の技術において、風量一定制御時に風量が目標風量とどのくらいの精度で一致しているかは、式（２）が実際の送風機のブロワ特性をどのくらい正確に回帰できているかに依存する。つまり、定数ｋ_ｎｍの正確度に依存する。仮に誤差を含む定数ｋ_ｎｍを式（２）に用いた場合、誤ったブロワ特性に基づいてモータが制御されるため、風量誤差が生じ、所望の目標風量が得られなくなる。

定数ｋ_ｎｍの正確度は、取得した計測データから回帰式である式（２）を得る際の回帰誤差に大きく影響される。回帰誤差を小さく抑えるためには、十分な計測データ数および十分な計測範囲を確保しながら計測実験を行う必要がある。なぜなら、計測データ数が少ないと、計測データと計測データの間のブロワ特性を正確に回帰できず、また、計測範囲が十分でないと、計測した範囲より外側のブロワ特性を正確に回帰できないためである。

特許文献１に示されている従来の技術では、十分な計測範囲を確保するために、静圧およびモータ速度の両方を実際の使用範囲全体に渡って変化させる必要があった。つまり、風洞実験設備の静圧を、風量一定制御による運転時に想定される静圧の変化幅の全体に渡って変化させ、なおかつモータ速度を、風量一定制御による運転時に使用するモータ速度範囲全体に渡って変化させながら計測を行う必要があった。このため、多数のデータを計測しなければならず、その結果として多くの実験工数を必要とする課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、実験工数を少なくしつつ、圧損条件や静圧の変化によらず精度よく風量一定制御を行うことができるモータ制御装置、モータ制御方法および送風装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のある態様におけるモータ制御装置は、送風機を駆動するモータを制御するモータ制御装置であって、前記モータのモータ速度を取得し、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量およびモータ速度に基づいて計算する目標モータ出力計算部と、前記モータのモータ出力を取得し、前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータの物理量を制御する動作指令を生成する動作指令生成部と、を備え、前記目標モータ出力計算部は、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算するものである。

上記構成によれば、目標風量を達成するモータ出力を自動的に探索しながらモータを制御するため、圧損条件や静圧が変化しても風量一定制御を実現できる。また、目標モータ出力が、目標風量をモータ速度で除した変数の多項式とモータ速度の３乗との積として求められるため、実験工数を少なくしつつ、圧損条件や静圧の変化によらず精度よく風量一定制御を行うことができる。

また、本発明の他の態様におけるモータ制御方法は、送風機を駆動するモータを制御するモータ制御方法であって、前記モータのモータ速度を取得し、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量およびモータ速度に基づいて計算する第１のステップと、前記モータのモータ出力を取得し、前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータの物理量を制御する動作指令を生成する第２のステップと、を含み、前記第１のステップは、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算するものである。

上記方法によれば、目標風量を達成するモータ出力を自動的に探索しながらモータを制御するため、圧損条件や静圧が変化しても風量一定制御を実現できる。また、目標モータ出力が、目標風量をモータ速度で除した変数の多項式とモータ速度の３乗との積として求められるため、実験工数を少なくしつつ、圧損条件や静圧の変化によらず精度よく風量一定制御を行うことができる。

また、本発明の他の態様における送風装置は、送風機と、前記送風機を駆動するモータと、前記モータを駆動するモータ駆動装置とを備える送風装置であって、前記モータ制御装置は、上記構成を備えているものである。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は以上に説明したように構成され、実験工数を少なくしつつ、圧損条件や静圧の変化によらず精度よく風量一定制御を行うことができるという効果を奏する。

図１は本発明に係る実施形態１におけるモータ制御装置が適用された空調装置を示すブロック図である。 図２は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置におけるモータトルク−モータ速度特性を示すグラフである。 図３は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置におけるモータ出力−モータ速度特性を示すグラフである。 図４は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置における目標モータ出力計算部および速度指令生成部の処理を示すフローチャートである。 図５は本発明に係る実施形態２におけるモータ制御装置を示すブロック図である。 図６は本発明に係る実施形態２のモータ制御装置におけるモータトルク−モータ速度特性を示すグラフである。 図７は本発明に係る実施形態２のモータ制御装置における目標モータ出力計算部１１５とトルク指令生成部の処理を示すフローチャートである。 図８は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置においてブロワ係数を算出するための構成を示すブロック図である。 図９は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置においてブロワ係数を算出するための実施手順を示すフローチャートである。 図１０は表１の計測データおよびその回帰曲線をプロットした風量−モータ出力特性を示すグラフである。 図１１は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置においてブロワ係数を算出する際の試験運転のための構成の一例を示すブロック図である。 図１２は本発明に係る実施形態１におけるモータ制御装置の変形例を示すブロック図である。 図１３は本発明に係る実施形態２におけるモータ制御装置の変形例を示すブロック図である。

（本発明の概要）
まず、本発明の概要について説明する。前述したとおり、風量一定制御を行う方法として、従来のモータ制御装置においては、送風機ごとに、風量一定制御に必要な送風機固有のブロワ特性（モータの物理量と風量との関係）を得るための計測実験が事前に行われる。このような計測実験において、従来の構成では、前述した式（２）に基づいて計測実験を行っていため、モータの物理量と風量との関係には一義性がなかった。そのため、計測実験においては、風量に関連する静圧とモータの物理量であるモータ速度との両方を実際の使用範囲全体に渡って変化させる必要があった。つまり、風洞実験設備の静圧を、風量一定制御による運転時に想定される静圧の変化幅の全体に渡って変化させ、なおかつモータ速度を、風量一定制御による運転時に使用するモータ速度範囲全体に渡って変化させながら計測を行う必要があった。このため、実験工数が多く、計測実験の結果として得られる係数も近似的なものとなり、精度を高くするのは難しかった。

そこで、本発明の発明者らは、以上の問題点を踏まえ、鋭意研究した結果、流れの相似性（Similarity of flows）の概念をこのようなモータ制御装置に導入することにより、
モータの物理量と風量との関係において一義性を見い出すことができるという知見を得た。具体的には、流れの相似性においてモータ出力がモータ速度の３乗に比例し、風量がモータ速度に比例することを利用し、風量一定制御を、目標風量をモータ速度で除した変数の多項式と、モータ速度の３乗との積として計算される目標モータ出力を用いて制御する。このようにモータ速度およびモータ出力と風量との関係が一義的となる式を用いることにより、１つのモータ速度でデータ計測を行えばすべてのモータ速度に適用可能なブロワ係数の値を求めることができる。したがって、少ない実験工数によっても圧損条件や静圧の変化によらず精度よく風量一定制御を実現することができる。

以下、本発明の実施形態で利用される目標モータ出力の導出式について説明する。

ある送風機をあるモータによって１つのモータ速度ω_Ｓで駆動させ、当該１つのモータ速度ω_Ｓを維持しながら送風機が設置されている環境の静圧を変化させたとする。そして、このときのモータ出力Ｐ_Ｓと風量Ｑ_Ｓとの関係が、下記の多項式（３）に回帰されるとする。

ここで、ｉは０以上の整数で回帰式の次数を表す有限値、Ｋ_ｎは回帰式の係数を表す定数（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）である。

一般にファンやブロアなどの送風機において、流れの相似性により、軸動力は回転速度の３乗に比例し、風量は回転速度に比例する。この法則は送風機以外の一般の流体機械においても成り立つ。ここで、送風機とモータの軸とがぶれたりずれたりせずに結合されているならば、送風機の軸動力はモータ出力に等しく、送風機の回転速度はモータ速度に等しいとみなせる。したがって上記流れの相似性により下記の式（４）および式（５）が成り立つ。

上記２式は、送風機を駆動するモータのモータ速度がω_Ｓからωに変化したとき、モータ出力がモータ速度の変化率（ω／ω_Ｓ）の３乗の比率でＰ_ＳからＰに変化し、同時に風量がモータ速度の変化率（ω／ω_Ｓ）と同じ比率でＱ_ＳからＱに変化するという関係を表す。ここで、式（４）および式（５）を式（３）に適用すると、下記の式（６）が導出される。

ここで、Ｐはモータ出力、ωはモータ速度、Ｑは風量、ｉは０以上の整数で式（３）の次数と同じ有限値、Ｋ_ｎは式（３）の係数と同じ定数（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）、ω_Ｓは式（３）を得る際の特定のモータ速度である。

上記の式（６）は、任意のモータ速度ωに対し風量がＱになるようなモータ出力がＰであるという関係を表す。ここで、風量Ｑを目標風量Ｑ^＊、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊で置き換え、定数Ｋ_ｎ、ω_Ｓをそれぞれα_ｎ、βで置き換えると、以下の式（７）が導出される。

ここで、ωはモータ速度、Ｑ^＊は目標風量、ｉは０以上の整数で有限値、α_ｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）とβは定数である。

上記の式（７）において、目標風量Ｑ^＊をモータ速度ωで除した変数の多項式が（α_ｎ／β^３−ｎ）・（ω^＊／Ｑ^＊）^ｎに相当し、この多項式にモータ速度ωの３乗ω^３をかけることにより、式（７）が得られる。

以上により、１つのモータ速度ω_Ｓで送風機を駆動させながらモータ出力と風量とを計測し、その計測結果を式（３）に回帰すれば、ω_ＳとＫ_ｎとからただちにブロワ係数α_ｎ、βの値を決定できる。

以上より、本発明のある態様に係るモータ制御装置は、送風機を駆動するモータを制御するモータ制御装置であって、前記モータのモータ速度を取得し、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量およびモータ速度に基づいて計算する目標モータ出力計算部と、前記モータのモータ出力を取得し、前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータの物理量を制御する動作指令を生成する動作指令生成部と、を備え、前記目標モータ出力計算部は、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算するものである。

前記目標モータ出力計算部は、上記の式（７）によって前記目標モータ出力を計算してもよい。

前記モータ制御装置は、前記モータ速度を示す第１の検出信号およびモータトルクを示す第２の検出信号を取得し、前記第１の検出信号および前記第２の検出信号に基づいて前記モータ出力を計算するモータ出力計算部を有してもよい。

前記動作指令生成部は、前記動作指令として前記モータ速度の値を指令する速度指令を生成する速度指令生成部として構成されてもよい。

前記動作指令生成部は、前記動作指令としてモータトルクの値を指令するトルク指令を生成するトルク指令生成部として構成されてもよい。

前記速度指令生成部は、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の３乗根を前記モータ速度に乗じた結果を前記速度指令として生成してもよい。

前記トルク指令生成部は、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の（２／３）乗を前記モータトルクに乗じた結果を前記トルク指令として生成してもよい。

前記速度指令生成部は、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分を積分演算した値を利用して前記速度指令を生成してもよい。

前記トルク指令生成部は、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分を積分演算した値を利用して前記トルク指令を生成してもよい。

前記速度指令生成部は、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータ速度との和を利用して前記速度指令を生成してもよい。

前記トルク指令生成部は、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータトルクとの和を利用して前記トルク指令を生成してもよい。

前記モータ制御装置は、最大モータ出力を記憶する記憶手段を備え、前記目標モータ出力計算部は、前記目標モータ出力を前記最大モータ出力以下に制限して前記動作指令生成部に出力してもよい。

前記モータ制御装置は、所定の最小モータ速度および最小モータ速度より大きい最大モータ速度を記憶する記憶手段を備え、前記速度指令生成部は、前記速度指令を前記最小モータ速度と前記最大モータ速度との間の範囲内に制限してもよい。

前記モータ制御装置は、最小モータトルクおよび最大モータトルクを記憶する記憶手段を備え、前記トルク指令生成部は、前記トルク指令を前記最小モータトルクおよび前記最大モータトルクの範囲内に制限してもよい。

前記動作指令生成部は、今回得られた前記モータトルクと前回得られたモータトルクとの差が第１の所定の範囲内である場合と、今回得られた前記モータ出力と前回得られたモータ出力との差が第２の所定の範囲内である場合と、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差が第３の所定の範囲内である場合との少なくともいずれか１つの場合に、前回出力した動作指令と同じ値の前記動作指令を出力してもよい。

前記トルク指令生成部は、前記トルク指令と前記モータトルクとの差が第４の所定の範囲内である場合には、前回出力したトルク指令と同じ値の前記トルク指令を出力してもよい。

前記モータ制御装置は、前記モータ速度を前記速度指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成する速度制御部を有してもよい。

前記モータ制御装置は、前記モータトルクを前記トルク指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成するトルク制御部を有してもよい。

前記モータ速度を示す前記第１の検出信号は、前記モータ速度を検出する第１の検出部により出力されてもよい。

前記モータトルクを示す前記第２の検出信号は、前記モータトルクまたは前記モータに流れる電流を検出する第２の検出部により出力されてもよい。

前記モータ制御装置は、前記目標風量を記憶するメモリを有してもよい。

前記メモリは、複数の風量値を記憶し、前記目標モータ出力計算部は、前記複数の風量値のうちの１つを前記目標風量として選択してもよい。

前記モータ制御装置は、手動で操作されるスイッチを有し、前記スイッチの操作によって前記複数の風量値のうちの１つを前記目標風量として選択可能に構成されてもよい。

前記モータ制御装置は、前記複数の風量値から前記目標風量を選択する選択信号を受信する通信部を有してもよい。

前記モータ制御装置は、前記目標風量を指示する信号を受信する通信部を有してもよい。

前記モータ制御装置は、少なくとも前記目標モータ出力計算部および前記動作指令生成部を有する第１のユニットと、少なくとも前記速度制御部または前記トルク制御部を有する第２のユニットとを備え、前記第１のユニットと前記第２のユニットとの間でデータ通信を行うこととしてもよい。

前記第１のユニットは、前記データ通信によって少なくとも前記動作指令を前記第２のユニットに送信し、前記第２のユニットは、前記データ通信によって前記第１の検出信号および前記第２の検出信号を前記第１のユニットに送信してもよい。

また、本発明の他の態様に係るモータ制御方法は、送風機を駆動するモータを制御するモータ制御方法であって、前記モータのモータ速度を取得し、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量およびモータ速度に基づいて計算する第１のステップと、前記モータのモータ出力を取得し、前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータの物理量を制御する動作指令を生成する第２のステップと、を含み、前記第１のステップは、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算するものである。

前記第１のステップは、上記の式（７）によって前記目標モータ出力を計算してもよい。

前記モータ制御方法は、前記モータ出力を、前記モータ速度を示す第１の変動量と、モータトルクを示す第２の変動量に基づいて計算する第３のステップを含んでもよい。

前記動作指令は、前記モータ速度を指令する速度指令であってもよい。

前記動作指令は、前記モータトルクを指令するトルク指令であってもよい。

前記第２のステップは、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の３乗根を前記モータ速度に乗じた結果を前記速度指令として生成してもよい。

前記第２のステップは、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の（２／３）乗を前記モータトルクに乗じた結果を前記トルク指令として生成してもよい。

前記第２のステップは、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分を積分演算した値を利用して前記速度指令を生成してもよい。

前記第２のステップは、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分を積分演算した値を利用して前記トルク指令を生成してもよい。

前記第２のステップは、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータ速度との和を利用して前記速度指令を生成してもよい。

前記第２のステップは、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータトルクとの和を利用して前記トルク指令を生成してもよい。

前記第１のステップは、前記目標モータ出力を所定の最大モータ出力以下に範囲内に制限して出力してもよい。

前記第２のステップは、前記速度指令を所定の最小モータ速度と当該最小モータ速度より大きい最大モータ速度との間の範囲内に制限して出力してもよい。

前記モータ制御方法は、最小モータトルクおよび最大モータトルクを記憶するステップを含み、前記第２のステップは、前記トルク指令を所定の最小モータトルクと当該最小モータトルクより大きい最大モータトルクとの間の範囲内に制限して出力してもよい。

前記モータトルクと前回得られたモータトルクとの差が第１の所定の範囲外である場合と、前記モータ出力と前回得られたモータ出力との差が第２の所定の範囲外である場合と、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差が第３の所定の範囲外である場合との少なくともいずれか１つの場合に、前記動作指令を前回出力した動作指令と同じ値に設定する第４のステップを含んでもよい。

前記モータ制御方法は、前記トルク指令と前記モータトルクとの差が第４の所定の範囲内である場合には、前記トルク指令を前回出力したトルク指令と同じ値に設定する第５のステップを含んでもよい。

前記モータ制御方法は、前記モータ速度を前記速度指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成する第６のステップを含んでもよい。

前記モータ制御方法は、前記モータトルクを前記トルク指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成する第７のステップを含んでもよい。

前記モータ速度を示す前記第１の変動量は、前記モータ速度を検出する第１の検出部により出力されてもよい。

前記モータトルクを示す前記第２の変動量は、前記モータトルクまたは前記モータに流れる電流を検出する第２の検出部により出力されてもよい。

前記モータ制御方法は、前記送風機を前記モータによって１つのモータ速度で駆動させながら前記モータ出力と前記風量とを測定し、得られた前記モータ出力を得られた前記風量に関する多項式に回帰または近似させて前記多項式の係数を求め、得られた前記多項式の係数が前記定数α_ｎの因数となるように前記定数α_ｎの値を演算し、前記モータ出力および前記風量の測定で用いた前記１つのモータ速度を前記定数βの値としてもよい。

前記モータ制御方法は、前記風量に関する多項式に回帰または近似させて得られた前記多項式の係数を前記定数α_ｎの値としてもよい。

前記モータ制御方法は、前記風量に関する多項式に回帰または近似させて得られた前記多項式の係数に前記送風機の寸法の変化比率の整数乗を乗算した値を前記定数α_ｎの値としてもよい。

また、本発明の他の態様に係る送風装置は、送風機と、前記送風機を駆動するモータと、前記モータの駆動を制御するモータ制御装置とを備える送風装置であって、前記モータ制御装置は、モータ速度を示す第１の検出信号およびモータトルクを示す第２の検出信号を取得し、前記モータ速度および前記モータトルクに基づいてモータ出力を計算するモータ出力計算部と、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量および前記モータ速度に基づいて計算する目標モータ出力計算部と、前記モータ出力と前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータ速度を制御する速度指令を生成する速度指令生成部と、前記モータ速度を前記速度指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成する速度制御部を備え、前記目標モータ出力計算部は、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算するものである。

また、本発明の他の態様に係る送風装置は、送風機と、前記送風機を駆動するモータと、前記モータを駆動するモータ駆動装置を備える送風装置であって、前記モータ駆動装置は、モータ速度を示す第１の検出信号およびモータトルクを示す第２の検出信号を取得し、前記モータ速度および前記モータトルクに基づいてモータ出力を計算するモータ出力計算部と、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量および前記モータ速度に基づいて計算する目標モータ出力計算部と、前記モータ出力と前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータトルクを制御するトルク指令を生成するトルク指令生成部と、前記モータトルクを前記トルク指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成するトルク制御部を備え、前記目標モータ出力計算部は、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算するものである。

前記送風装置は、空調装置に搭載されてもよい。

前記空調装置は、一般家屋、業務用建築物、商業用建築物、クリーンルームおよび業務用空調設備のうちのいずれか１つに備えられてもよい。

前記空調装置は、車、バス、鉄道車両、航空機および船舶のうちのいずれか１つに備えられてもよい。

以下、本発明の実施形態におけるモータ制御装置およびモータ制御方法について、図面を参照しながら説明する。下記実施形態のモータ制御装置において行われる風量一定制御は、圧損条件や静圧の変化によらず風量を目標風量に維持するものである。本実施形態におけるブロワ係数の算出例においては、このような風量一定制御を実現するために必要な送風機固有のブロワ係数を得るために実施される計測実験およびそれに基づく計算について説明する。この計測実験およびそれに基づく計算は、風量一定制御に先立って実施される。なお、これらの実施形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明に係る実施形態１におけるモータ制御装置が適用された空調装置を示すブロック図である。図１に示されるように、本実施形態の送風装置として構成される空調装置１０１は、送風経路１０２へ空気を送り込む送風機１０４、送風機１０４を駆動するモータ１０５、交流電源１０３からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０６、直流電力を交流電力に変換してモータ１０５に供給するインバータ１０７、モータ１０５の回転子（図示せず）の位置を検出する位置検出器１０８、モータ１０５の電流を検出する電流検出器１０９、および空調装置１０１の風量を目標風量Ｑ^＊に制御するモータ制御装置１１０を備えている。

モータ制御装置１１０は、位置検出器１０８の出力信号からモータ速度ωを検出する速度検出部１１１、電流検出器１０９の出力信号からモータトルクＴを検出するトルク検出部１１２、モータ速度ωとモータトルクＴとに基づいてモータ１０５のモータ出力Ｐを計算するモータ出力計算部１１３、外部入力された目標風量Ｑ^＊を記憶するメモリ１１４、モータ速度ωとメモリ１１４から読み出した目標風量Ｑ^＊とに基づいて目標モータ出力Ｐ^＊を計算する目標モータ出力計算部１１５、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるようにモータ１０５の速度指令ω^＊を生成する速度指令生成部１１６、モータ速度ωを速度指令ω^＊に追従させるためのインバータへの駆動制御信号を出力する速度制御部１１７、およびスイッチ１１８を備えている。本実施形態における速度検出部１１１は、第１の変動量であるモータ速度を示す第２の検出信号を検出する第１の検出部として機能し、トルク検出部１１２は、第２の変動量であるモータトルクを示す第２の検出信号を検出する第２の検出部として機能し、速度指令生成部１１６は、モータの物理量として速度を制御する動作指令生成部として機能する。

次に、図１に示す空調装置１０１の動作および構成要素の詳細を説明する。送風機１０４は送風経路１０２を通じて所望の場所へ空気を供給する。送風機１０４は、本実施形態において多翼ファンである。ただし、送風機１０４の構造や形式は特に限定されるものではなく、多翼ファンでなくてもよい。モータ１０５は送風機１０４と結合された状態で回転して、送風機１０４を駆動する。モータ１０５は、本実施形態において永久磁石同期モータである。ただし、モータ１０５の構造や形式は特に限定されるものではなく、他のモータ、例えば誘導モータや電磁石同期モータでもよい。コンバータ１０６は、交流電源１０３の交流電圧を整流・平滑して、所定の直流電圧に変換する。インバータ１０７は、モータ制御装置１１０から入力される駆動制御信号に従って半導体スイッチングを行い、コンバータ１０６からの直流電圧を交流電圧に変換して、モータ１０５に駆動電圧として供給する。ここで、インバータ１０７内部におけるスイッチ構成やスイッチング方式は、モータ１０５を駆動する目的に適合していれば、特に限定されるものではない。位置検出器１０８はモータ１０５に取り付けられており、モータ１０５の回転子（図示せず）の位置に応じた信号を出力する。なお、回転子の位置や速度を推定によって検出できる場合には、位置検出器１０８は不要である。電流検出器１０９は、モータの相電流を直接検出し、相電流値に応じた信号を出力する。なお、検出した電流からモータトルクを推定できる限り、いかなる部分にて電流を検出してもよく、例えばコンバータ１０６からインバータ１０７への直流ラインに電流検出器１０９を挿入して電流を検出してもよい。

次に、モータ制御装置１１０の動作および構成要素を説明する。

速度検出部１１１は、位置検出器１０８の出力信号に基づいてモータ速度ωを計算する。ただし、回転子の位置や速度を推定によって検出するセンサレス制御を用いてモータ１０５を駆動する場合には、位置検出器１０８の出力信号を用いる代わりに、モータ電流やモータ駆動電圧を用いてモータ速度ωを計算する構成としてもよい。トルク検出部１１２は、電流検出器１０９の出力信号に基づいてモータトルクＴを計算する。ここで、モータトルクＴは、モータ１０５のトルク情報を含む物理量、例えばモータ電流やモータ電流におけるトルクに寄与するベクトル成分であってもよい。トルクに寄与するベクトル成分は、例えば、モータ電流をｄ−ｑ変換した際のｑ軸電流でもよい。また、速度検出部１１１およびトルク検出部１１２は、図１に示されるようにモータ制御装置１１０の内部にある必要はなく、外部に配してもよい。ただし、外部に配する場合は、計算されたモータ速度ωおよびモータトルクＴをモータ制御装置１１０へ入力する構成とする。

モータ出力計算部１１３は、モータ速度ωとモータトルクＴとを乗算してモータ出力Ｐ＝Ｔ×ωを計算し、速度指令生成部１１６に出力する。

メモリ１１４は、ＲＡＭやＲＯＭ等からなる記憶部である。このＲＯＭには目標風量Ｑ^＊が予め記憶されており、目標モータ出力計算部１１５は後述の演算を行う際に、ＲＯＭから目標風量Ｑ^＊を読み出して演算に利用する。記憶される目標風量Ｑ^＊は複数あってもよい。この場合、モータ制御装置１１０の外部からの通信入力によって複数の目標風量Ｑ^＊から１つを選択する。あるいは、モータ制御装置１１０に設けられたスイッチ１１８を手動で操作することにより、複数の目標風量Ｑ^＊から１つを選択するようにしてもよい。

また、必ずしも目標風量Ｑ^＊は予めＲＯＭに記憶されている必要はない。モータ制御装置１１０の外部からの通信入力により、目標風量Ｑ^＊を適宜モータ制御装置１１０に送信するようにしてもよい。この場合、受信された目標風量Ｑ^＊はメモリ１１４内のＲＡＭ等に記憶され、新たな目標風量Ｑ^＊が送られてくる都度更新されるようになっている。

外部から通信入力される目標風量Ｑ^＊の値は、モータ１０５が取り付けられる空調環境に基づいて決定される。すなわち、目標風量Ｑ^＊は、屋内の空調対象となる部屋の中で基準となる部屋にどれだけの風量を送り込む必要があるか、空調設備にとってどれだけの風量であれば効率が良いか等によって決定される。また目標風量Ｑ^＊は、空調設備が設置される地域の気候等によって補正されることもある。例えば温暖で湿度の高い地域では、目標風量Ｑ^＊は高めに設定されることがある。目標風量Ｑ^＊は、事前に空調環境が分かっている場合には、モータの設置前に設定することができる。勿論、設置時に空調環境を見て設定することも可能である。

目標モータ出力計算部１１５は、速度検出部１１１から取得したモータ速度ωとメモリ１１４から読み出した目標風量Ｑ^＊とに基づいて目標モータ出力Ｐ^＊を計算し、速度指令生成部１１６に出力する。具体的には、目標風量Ｑ^＊をモータ速度ωで除した変数の多項式とモータ速度ωの３乗との積として目標モータ出力Ｐ^＊を計算する。

本実施形態では、特に目標モータ出力計算部１１５が上記の式（７）によって目標モータ出力Ｐ^＊を計算する。

上記の式（７）は、任意のモータ速度ωに対し風量が目標風量Ｑ^＊になるようなモータ出力がＰ^＊であるという関係を表す。この関係を特徴づける係数α_ｎ、βは、送風機の形状や寸法に対し固有の値を持つ。以下、この係数α_ｎ、βをブロワ係数と呼ぶ。ブロワ係数α_ｎ、βの値は、風量一定制御での運転に先立って、予め計測実験や計算を実施することにより求められる。この計測実験やそれに基づく計算に関しては、後述する。

速度指令生成部１１６は、モータ出力計算部１１３から取得したモータ出力Ｐと、目標モータ出力計算部１１５から取得した目標モータ出力Ｐ^＊との比較結果に基づいて、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるようにモータ１０５のモータ速度ωを制御する速度指令ω^＊を生成する。すなわち、本実施形態においては、制御対象となるモータの物理量としてモータ速度ωを採用し、モータ１０５の動作指令として速度指令ω^＊を生成する。

速度指令生成部１１６は下記の式（８）を用いて速度指令ω^＊を生成する。

ここで、ωはモータ１０５のモータ速度、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

上記の式（８）の導出および根拠について述べる。式（８）は流れの相似性（Similarity of flows）に基づいて導出される。流れの相似性によれば、送風機の軸動力は送風機
の回転速度の３乗に比例する。この法則は送風機以外の一般の流体機械においても成り立つ。ここで、送風機とモータの軸がぶれたりずれたりせずに結合されているならば、送風機の軸動力はモータ出力に等しく、送風機の回転速度はモータ速度に等しいとみなせる。そのため上記流れの相似性により、送風機を駆動するモータのモータ出力がモータ速度の３乗に比例する。以上により、モータ速度がモータ出力の変化比率の１／３乗の変化比率で変化する式（８）が導かれる。

式（８）を用いることによる作用および効果を述べる。式（８）によって計算される速度指令ω^＊の値は、目標モータ出力Ｐ^＊に等しいモータ出力を達成するモータ速度である。つまり、式（８）で計算される速度指令ω^＊でモータを速度制御することにより、モータ出力Ｐが目標モータ出力Ｐ^＊に等しくなる。このため、式（８）を用いて速度制御することにより、迅速に目標モータ出力Ｐ^＊を達成することができる。

上記式（８）の代わりに、速度指令ω^＊を下記の式（９）によって生成してもよい。

ここで、ω_ｐｒｅｖ ^＊は速度指令生成部１１６が前回出力した速度指令、Ｋ_Ｇは制御ゲイン（正の定数）、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

上記の式（９）は、モータ出力の目標値と現在値との差分の定数倍を計算周期毎に積算した結果を速度指令ω^＊としている。これは、いわゆる積分補償によるフィードバック制御の操作量を意味する。ここで、制御ゲインＫ_Ｇを十分小さい値に設定することにより、速度指令ω^＊の変化を緩やかにすることができる。

速度指令生成部１１６は、式（８）あるいは式（９）のいずれを用いて速度指令ω^＊を生成してもよい。モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に向けて迅速に制御したい場合は式（８）が好適であるし、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に向けて緩やかに制御したい場合は小さい制御ゲインＫ_Ｇを適用した式（９）が好適である。なお、速度指令ω^＊の生成方法は、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるものであればよく、式（８）あるいは式（９）に限定されるものではない。

速度制御部１１７は、モータ速度ωと速度指令ω^＊とを比較し、モータ速度ωを速度指令ω^＊に追従させるためのインバータ１０７への駆動制御信号を出力することにより、モータ１０５を速度制御する。

スイッチ１１８は、モータ制御装置１１０に設けられ、手動操作によって、メモリ１１４に記憶されている複数の目標風量Ｑ^＊から一つを選択できるようになっている。さらに、手動操作によって、モータ制御装置１１０内の制御ブロック構成を切り替えられるようになっている。

本実施形態におけるモータ制御装置１１０は、スイッチ１１８や外部からの通信入力によって複数のモードに切り替えることができる。複数のモードには、少なくとも風量一定制御モードと、速度制御モードとを含んでいる。風量一定制御モードは、前述のように、モータ出力計算部１１３から取得したモータ出力Ｐと、目標モータ出力計算部１１５において速度検出部１１１から取得したモータ速度ωと目標風量Ｑ^＊とに基づいて計算された目標モータ出力Ｐ^＊との比較結果に基づいて、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるようにモータ１０５のモータ速度ωを制御する制御モードである。また、速度制御モードは、速度制御部が、速度検出部１１１から取得したモータ速度ωとトルク検出部１１２から取得したモータトルクＴとに基づいて駆動制御信号を生成する速度制御モードとを含んでいる。

本実施形態では風量一定制御モードが選択されている。なお、速度制御モードは、目標モータ出力計算部１１５で使用される式（７）のブロワ係数α_ｎ，βの値を求めるために実施する計測実験において利用される。なお、スイッチ１１８を用いる代わりに外部からの通信入力によって制御ブロック構成を切り替える構成としてもよい。

以上のように構成されたモータ制御装置１１０について、以下にその動作を図２、図３を用いて説明する。

図２は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置におけるモータトルク−モータ速度特性を示すグラフである。図２において、曲線２０１は風量が目標風量Ｑ^＊になるときのモータトルク−モータ速度特性を示している（以下、「風量一定曲線」と呼ぶ）。曲線２０２および２０３はそれぞれ、送風経路１０２を含む空調システム内の圧損条件に特有のモータトルク−モータ速度特性である（以下「圧損曲線」と呼ぶ）。モータ１０５は、この圧損曲線上で動作できる。また、Ｐ_１、Ｐ_１ ^＊、Ｐ_２、Ｐ_２ ^＊、Ｐ_Ｅで示される曲線はそれぞれ一定のモータ出力に対応した曲線（以下、「モータ出力一定曲線」と呼ぶ）で、括弧内の数値は各モータ出力一定曲線に対応するモータ出力値を示している。これらの数値は、定格モータ出力を１００％とした場合の各曲線のモータ出力値の比率を意味する。

いま、空調システムの圧損条件が圧損曲線２０２で示され、モータ１０５の動作点が点Ｂ１にあると想定する。このとき、動作点Ｂ１は圧損曲線２０２と風量一定曲線２０１との交点にあるため、送風機１０４は目標風量Ｑ^＊に等しい風量を供給している。なお、このときのモータ速度はω_１である。

ここで、空調環境が変化し、圧損曲線が２０２から２０３に変化したとする。例えば、送風経路１０２の複数の吐出口に設けられたベントキャップの幾つかが閉じられ、空調すべき部屋数が変わり、空調システムの圧力損失が大きくなったとする。このとき、モータ１０５は速度制御部１１７によって速度制御されているため、動作点はモータ速度ω_１を維持しながら新たな圧損曲線２０３上の点Ａ１に移動する。

動作点が点Ａ１に移動後、速度検出部１１１で検出された現在のモータ速度ω_１およびトルク検出部１１２で検出された現在のモータトルクＴ_１に基づいて、モータ出力計算部１１３が現在のモータ出力Ｐを計算する。その計算結果Ｐ_１（１０％）が速度指令生成部１１６へ出力される。一方、目標モータ出力計算部１１５は、目標風量Ｑ^＊および現在のモータ速度ω_１を式（７）に代入し、目標モータ出力Ｐ^＊を計算する。このとき計算される目標モータ出力Ｐ^＊は、現在の動作点Ａ１と同じモータ速度ω_１を得る風量一定曲線２０１上の点Ｂ１におけるモータ出力Ｐ_１ ^＊（２０％）である。このＰ_１ ^＊（２０％）が速度指令生成部１１６へ出力される。次いで、速度指令生成部１１６は、入力されたモータ出力Ｐ_１（１０％）と目標モータ出力Ｐ_１ ^＊（２０％）とを式（８）あるいは式（９）に代入し、速度指令ω^＊を生成する。仮に式（９）を用いる場合、Ｐ_１ ^＊（２０％）からＰ_１（１０％）を引いた差分１０％（＝２０％−１０％）に正の制御ゲインＫ_Ｇを乗算して前回の速度指令（ω_１とする）を加えた結果が速度指令ω^＊となる。このため、現在のモータ速度ω_１よりも大きい速度指令ω^＊が生成されることになり、モータ１０５が加速されることになる。速度制御部１１７は、速度指令部１１６から速度指令ω^＊を受け取り、この速度指令ω^＊に従って速度制御を行う。

ここで、速度制御によって動作点がＡ１からＡ２に移動したとする。この移動先の動作点Ａ２でも同様にモータ制御装置１１０が現在のモータ出力Ｐ_２（３０％）および目標モータ出力Ｐ_２ ^＊（４０％）を計算し、新たな速度指令ω^＊を生成し、速度制御を行う。これを繰り返すことにより、動作点は点Ａ３、Ａ４と移動していき、最終的にモータ出力Ｐおよび目標モータ出力Ｐ^＊がＰ_Ｅ（８０％）で一致する動作点、つまり圧損曲線２０３と風量一定曲線２０１との交点Ｅに落ち着くことになる。このとき、送風機１０４が供給する風量は目標風量Ｑ^＊と等しくなり、風量一定制御が達成される。

また、圧損曲線が２０３から２０２に戻った場合には、上述の過程とは逆の方向に向かい、動作点は圧損曲線２０２に沿って移動し、風量一定曲線２０１との交点Ｂ１に戻る。

図３は、本発明に係る実施形態１のモータ制御装置におけるモータ出力−モータ速度特性を示すグラフである。図３は、図２のトルク軸をモータ出力軸に置き換えて、上で説明した動作を描いたものである。図３において、曲線３０１は図２における曲線２０１と同じ目標風量Ｑ^＊に対応した風量一定曲線である。曲線３０２および３０３は、図２における曲線２０２と２０３とそれぞれ同じ圧損条件に対応した圧損曲線である。

いま動作点の初期位置を点Ｂ１とし、空調システムの圧損曲線が３０２から３０３に変化したとする。すると、動作点は点Ａ１に移動し、モータ出力計算部１１３が現在のモータ出力Ｐ＝Ｐ_１を計算し、目標モータ出力計算部１１５が風量一定曲線３０１上で現在のモータ速度ω_１を得る点Ｂ１のモータ出力Ｐ^＊＝Ｐ_１ ^＊を計算する。そして、速度指令生成部１１６がモータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ_１ ^＊に近づけるように速度指令ω^＊を生成し、速度制御部１１７が該速度指令ω^＊に従って速度制御を行う。以上の繰り返しにより、図２と同様に動作点が圧損曲線３０３に沿って点Ａ２、Ａ３、Ａ４と移動する。そして、動作点が最終的に風量一定曲線３０１との交点Ｅで収束し、風量一定制御が達成される。

次に、本実施形態のモータ制御装置１１０における風量一定制御の動作安定化機能および保護機能について述べる。

図４は、本発明に係る実施形態１のモータ制御装置における目標モータ出力計算部および速度指令生成部の処理を示すフローチャートである。ステップＳ４０１およびＳ４０２は目標モータ出力計算部１１５の処理であり、ステップＳ４０３からＳ４０６は速度指令生成部１１６の処理である。目標モータ出力計算部１１５は、予め速度検出部１１１で検出されたモータ速度ωとメモリ１１４に記憶されている目標風量Ｑ^＊とを取得する。また、速度指令生成部１１６は、予め速度検出部１１１で検出されたモータ速度ωとトルク検出部１１２で検出されたモータトルクＴとを取得する。

まず、図４におけるステップＳ４０１とＳ４０２の処理について説明する。

最初のステップＳ４０１において、目標モータ出力計算部１１５は、上述した式（７）によって目標モータ出力Ｐ^＊を計算する。次のステップＳ４０２において、目標モータ出力計算部１１５は、ステップＳ４０１で計算した目標モータ出力Ｐ^＊が所定の最大モータ出力以下であれば目標モータ出力Ｐ^＊を修正せず、所定の最大モータ出力以上であれば目標モータ出力Ｐ^＊を所定の最大モータ出力に修正する。

このステップＳ４０２の効果を説明する。仮にモータ出力の上限を設けなかった場合、コンバータ１０６やインバータ１０７を含むモータ駆動回路に流れる電流が過大になり、流してもよい定格電流値を瞬間的あるいは継続的に超えてしまう場合がある。この場合、素子の発熱等によりモータ駆動回路が故障するおそれがある。そのため目標モータ出力Ｐ^＊に最大モータ出力を設けることにより、モータ駆動回路に流れる電流値の増加を制限し、モータ駆動回路の故障を防止できる。

次に、図４におけるステップＳ４０３からＳ４０６の処理について説明する。

ステップＳ４０３において、速度指令生成部１１６は、今回検出されたモータトルクＴと、前回検出されたモータトルクＴとの差を計算する。そして、該差が所定の範囲（第１の所定の範囲）外であれば速度指令生成部１１６は、ステップＳ４０５の処理を行う。一方、該差が所定の範囲内である場合は、速度指令生成部１１６は、モータトルクＴの変化が僅かであると判断して、ステップＳ４０４の処理を行う。ステップＳ４０４において、速度指令生成部１１６は、速度指令ω^＊を前回出力した速度指令ω^＊ _ｐｒｅｖと同じ値に設定する。そして、速度指令生成部１１６は、この修正された速度指令ω_ｐｒｅｖ ^＊を速度制御部１１７に出力する。

このステップＳ４０３およびＳ４０４の効果を説明する。仮にステップＳ４０３とＳ４０４とを行わず、僅かなモータトルクＴの変化によってもステップＳ４０５で速度指令ω^＊を変化させるようにすると、モータトルクＴの変化に速度指令ω^＊が追従しようとして振動し、空調装置１０１の供給する風量がいつまでも目標風量Ｑ^＊の風量値を行ったり戻ったりして安定に収束しない。これを回避するために、本実施形態においては、上記所定の範囲によってトルク検出の不感帯を設けている。これにより、収束点付近で速度指令ω^＊が振動するのを防止し、風量を安定に目標風量Ｑ^＊に収束させることができる。

なお、ステップＳ４０３において、今回検出されたモータトルクＴと前回検出されたモータトルクＴとの差が第１の所定の範囲内にあるか否かを判定する代わりに、モータ出力Ｐと目標モータ出力Ｐ^＊との差が第２の所定の範囲内にあるか否かあるいは今回計算されたモータ出力Ｐと前回計算されたモータ出力Ｐとの差が第３の所定の範囲内にあるか否かを判定することにより速度指令ω^＊を変更するか否かを決定してもよい。この場合、モータ出力に不感帯を設けることにより、同様の効果を得ることができる。

ステップＳ４０５において、速度指令生成部１１６は、上述した式（８）あるいは式（９）によって速度指令ω^＊を計算し、次のステップＳ４０６において、速度指令生成部１１６は、速度指令ω^＊が所定の最小モータ速度と所定の最大モータ速度との間の範囲内であるか否かを判断する。速度指令生成部１１６は、速度指令ω^＊が上記範囲内であれば速度指令ω^＊を修正せず、所定の最小モータ速度より小さい場合は速度指令ω^＊を最小モータ速度に修正し、所定の最大モータ速度を超えている場合は速度指令ω^＊を所定の最大モータ速度に修正する。

このステップＳ４０６の効果を説明する。送風経路１０２内の圧力損失が小さい場合など、目標風量Ｑ^＊の風量値を得るためにモータ速度ωをそれほど必要としない空調環境がある。このような空調環境においては、モータ速度ωが極低速となる場合がある。この場合に、目標モータ出力計算部１１５で目標モータ出力Ｐ^＊を計算する際、式（７）のωに小さい値が代入されるために、モータ制御装置１１０の演算分解能の限界により目標モータ出力Ｐ^＊が略ゼロとして計算される場合がある。略ゼロの目標モータ出力Ｐ^＊が速度指令生成部１１６に入力されると、生成される速度指令ω^＊が略ゼロとなり、モータ１０５がさらに減速する。そして、以上が繰り返されると速度指令ω^＊がゼロになり、モータ１０５が停止してしまう。そこで、速度指令ω^＊に下限である最小モータ速度を設けることにより、モータ１０５の停止を防止できる。

逆に送風経路１０２内の圧力損失が大きい場合では、速度指令ω^＊が異常に高い値になる場合がある。この場合、モータ１０５の能力を超える動作を実現しようとして動作が不安定になったり、モータ１０５が高速回転することにより送風機１０４やモータ１０５の振動が大きくなって、送風機１０４やモータ１０５が故障したりするおそれがある。そのため速度指令ω^＊に上限である最大モータ速度を設けることにより、制御の不安定化や送風機やモータの故障を防止できる。

以上のように、本実施形態のモータ制御装置１１０は、送風機１０４が供給する風量を目標風量Ｑ^＊に一致させるための目標モータ出力Ｐ^＊を目標風量Ｑ^＊およびモータ速度ωに基づいて計算する目標モータ出力計算部１１５と、モータ出力Ｐと目標モータ出力Ｐ^＊との比較結果に基づいてモータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるようにモータ速度ωを制御する速度指令ω^＊を生成する速度指令生成部１１６と、を備えた構成である。

このように構成することにより、圧損条件や静圧が変化しても、目標風量Ｑ^＊を達成する目標モータ出力Ｐ^＊を自動的に探索しながらモータ１０５を制御するため、圧損条件や静圧の変化によらず精度よく風量一定制御を行うことができる。

（実施形態２）
以下、本発明に係る実施形態２におけるモータ制御装置について説明する。図５は、本発明に係る実施形態２におけるモータ制御装置を示すブロック図である。本実施形態において、上記実施形態１と異なる点は、図５に示すように、実施形態１における速度指令生成部１１６と速度制御部１１７とを、それぞれトルク指令生成部５１６とトルク制御部５１７とに置き換えた構成を有することである。その他の構成要素は実施形態１と同じであるので同じ符号を付し、説明を省略する。

図５に示すモータ制御装置５１０におけるトルク指令生成部５１６およびトルク制御部５１７の動作を説明する。

トルク指令生成部５１６は、モータ出力計算部１１３から取得したモータ出力Ｐと、目標モータ出力計算部１１５から取得した目標モータ出力Ｐ^＊との比較結果に基づいて、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるようにモータ１０５のモータトルクＴを制御するトルク指令Ｔ^＊を生成する。すなわち、本実施形態においては、制御対象となるモータの物理量としてモータトルクＴを採用し、トルク指令生成部５１６は、モータ１０５の動作指令としてトルク指令Ｔ^＊を生成する動作指令生成部として機能する。

トルク指令生成部５１６は下記の式（１０）を用いてトルク指令Ｔ^＊を生成する。

ここで、Ｔはモータ１０５のモータトルク、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

上記の式（１０）の導出および根拠について述べる。式（１０）は流れの相似性に基づいて導出される。流れの相似性によれば、送風機の軸動力は送風機の回転速度の３乗に比例する。この法則は送風機以外の一般の流体機械においても成り立つ。ここで、送風機とモータの軸がぶれたりずれたりせずに結合されているならば、送風機の軸動力はモータ出力に等しく、送風機の回転速度はモータ速度に等しいとみなせる。そのため上記流れの相似性により、送風機を駆動するモータ出力がモータ速度の３乗に比例する。また、モータ出力はモータトルクとモータ速度との積であることを利用すると、送風機を駆動するモータトルクがモータ速度の２乗に比例する関係も導かれる。以上の関係を組み合わせると、送風機を駆動するモータトルクがモータ出力の２／３乗に比例する式（１０）の関係が導かれる。

式（１０）を用いることによる作用および効果を述べる。式（１０）によって計算されるトルク指令Ｔ^＊の値は、目標モータ出力Ｐ^＊に等しいモータ出力を達成するモータトルクである。つまり、式（１０）で計算されるトルク指令ω^＊でモータをトルク制御することにより、モータトルクが目標モータ出力Ｐ^＊に等しくなる。このため、式（１０）を用いてトルク制御することにより、迅速に目標モータ出力Ｐ^＊を達成することができる。

上記式（１０）の代わりに、トルク指令Ｔ^＊を下記の式（１１）によって生成してもよい。

ここで、Ｔ^＊ _ｐｒｅｖはトルク指令生成部５１６が前回出力したトルク指令、Ｋ_ＧＴは制御ゲイン（正の定数）、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

上記の式（１１）は、モータ出力の目標値と現在値との差分の定数倍を計算周期毎に積算した結果をトルク指令Ｔ^＊としている。これは、いわゆる積分補償によるフィードバック制御の操作量を意味する。ここで、制御ゲインＫ_ＧＴを十分小さい値に設定することにより、トルク指令Ｔ^＊の変化を緩やかにすることができる。

トルク指令生成部５１６は、式（１０）あるいは式（１１）のいずれを用いてトルク指令Ｔ^＊を生成してもよい。モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に向けて迅速に制御したい場合は式（１０）が好適であるし、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に向けて緩やかに制御したい場合は小さい制御ゲインＫ_ＧＴを適用した式（１１）が好適である。なお、トルク指令Ｔ^＊の生成方法は、モータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるものであればよく、式（１０）あるいは式（１１）に限定されるものではない。

トルク制御部５１７は、モータトルクＴとトルク指令Ｔ^＊とを比較し、モータトルクＴをトルク指令Ｔ^＊に追従させるためのインバータ１０７への駆動制御信号を出力することにより、モータ１０５をトルク制御する。

以上のように構成されたモータ制御装置５１０について、以下にその動作を、図６を用いて説明する。

図６は、本発明に係る実施形態２のモータ制御装置におけるモータトルク−モータ速度特性を示すグラフである。図６において、曲線６０１は風量が目標風量Ｑ^＊になるモータトルク−モータ速度特性を示している（以下、「風量一定曲線」と呼ぶ）。曲線６０２および６０３はそれぞれ、送風経路１０２を含む空調システム内の圧損条件に特有のモータトルク−モータ速度特性である（以下「圧損曲線」と呼ぶ）。モータ１０５は、この圧損曲線上で動作できる。また、Ｐ_Ｔ、Ｐ_Ｔ ^＊、Ｐ_Ｅで示される曲線はそれぞれ一定のモータ出力に対応した曲線（以下、「モータ出力一定曲線」と呼ぶ）で、括弧内の数値は各曲線に対応するモータ出力値を示している。これらの数値は、定格モータ出力を１００％とした場合の各モータ出力一定曲線のモータ出力値の比率を意味する。

いま、空調システムの圧損条件が圧損曲線６０２で示され、モータ１０５の動作点が点Ｄ０にあると想定する。このとき、動作点Ｄ０は圧損曲線６０２と風量一定曲線６０１との交点にあるため、送風機１０４は目標風量Ｑ^＊に等しい風量を供給している。なお、このときのモータトルクはＴ_１である。

ここで、空調環境が変化し、圧損曲線が６０２から６０３に変化したとする。例えば、送風経路１０２の複数の吐出口に設けられたベントキャップの幾つかが閉じられ、空調すべき部屋数が変わり、空調システムの圧力損失が大きくなったとする。このとき、モータ１０５はトルク制御部５１７によってトルク制御されているため、動作点はモータトルクＴ_１を維持しながら新たな圧損曲線６０３上の点Ｃ１に移動する。

動作点が点Ｃ１に移動後、速度検出部１１１で検出された現在のモータ速度ω_１およびトルク検出部１１２で検出された現在のモータトルクＴ_１に基づいて、モータ出力計算部１１３が現在のモータ出力Ｐを計算する。その計算結果Ｐ_Ｔ（３０％）がトルク指令生成部５１６へ出力される。一方、目標モータ出力計算部１１５は、目標風量Ｑ^＊および現在のモータ速度ω_１を式（７）に代入し、目標モータ出力Ｐ^＊を計算する。このとき計算される目標モータ出力Ｐ^＊は、現在の動作点Ｃ１と同じモータ速度ω_１を得る風量一定曲線６０１上の点Ｄ１におけるモータ出力Ｐ_Ｔ ^＊（４０％）である。このＰ_Ｔ ^＊（４０％）が速度指令生成部１１６へ出力される。次いで、トルク指令生成部５１６は、入力されたモータ出力Ｐ_Ｔ（３０％）と目標モータ出力Ｐ_Ｔ ^＊（４０％）とを式（１０）あるいは式（１１）に代入し、トルク指令Ｔ^＊を生成する。仮に式（１１）を用いる場合、Ｐ_Ｔ ^＊（４０％）からＰ_Ｔ（３０％）を引いた差分１０％（＝４０％−３０％）に正の制御ゲインＫ_ＧＴを乗算して前回のトルク指令（Ｔ_１とする）を加えた結果がトルク指令Ｔ^＊となる。このため、現在のモータトルクＴ_１よりも大きいトルク指令Ｔ^＊が生成されることになり、モータ１０５が加速されることになる。トルク制御部５１７が、受け取ったこのトルク指令Ｔ^＊に従ってトルク制御を行う。

ここで、トルク制御によって動作点がＣ１からＣ２に移動したとする。この移動先の動作点Ｃ２でも同様にモータ制御装置５１０がモータ出力Ｐおよび目標モータ出力Ｐ^＊を計算し、新たなトルク指令Ｔ^＊を生成し、トルク制御を行う。これを繰り返すことにより、動作点は点Ｃ３、Ｃ４と移動していき、最終的にモータ出力Ｐおよび目標モータ出力Ｐ^＊がＰ_Ｅ（８０％）で一致する動作点、つまり圧損曲線６０３と風量一定曲線６０１との交点Ｅに落ち着くことになる。このとき、送風機１０４が供給する風量は目標風量Ｑ^＊に等しくなり、風量一定制御が達成される。

また、圧損曲線が６０３から６０２に戻った場合には、上述の過程とは逆の方向に向かい、動作点は圧損曲線６０２に沿って移動し、風量一定曲線６０１との交点Ｄ０に戻る。

次に、本実施形態のモータ制御装置５１０における風量一定制御の動作安定化機能および保護機能について述べる。

図７は、本発明に係る実施形態２のモータ制御装置における目標モータ出力計算部１１５とトルク指令生成部５１６の処理を示すフローチャートである。ステップＳ４０１およびＳ４０２は目標モータ出力計算部１１５の処理であり、ステップＳ７０３からＳ７０６はトルク指令生成部５１６の処理である。ステップＳ４０１およびＳ４０２は風量一定制御の実施形態１の図４におけるステップＳ４０１およびＳ４０２と同じ処理であるため、処理内容およびその作用と効果の説明を省略する。トルク指令生成部５１６は、予め速度検出部１１１で検出されたモータ速度ωとトルク検出部１１２で検出されたモータトルクＴとを取得する。

図７におけるステップＳ７０３からＳ７０６の処理について説明する。

ステップＳ４０２の後のステップＳ７０３において、トルク指令生成部５１６は、上述した式（１０）あるいは式（１１）によってトルク指令Ｔ^＊を計算する。次のステップＳ７０４において、トルク指令生成部５１６は、トルク指令Ｔ^＊とトルク検出部１１２で検出されたモータトルクＴとの差を計算する。そして、該差が所定の範囲（第４の所定の範囲）外であればトルク指令生成部５１６は、ステップＳ７０６の処理を行う。一方、該差が所定の範囲内である場合は、トルク指令生成部５１６は、モータトルクＴの変化が僅かであると判断して、ステップＳ７０５の処理を行う。ステップＳ７０５において、トルク指令生成部５１６は、トルク指令Ｔ^＊を前回出力したトルク指令Ｔ^＊ _ｐｒｅｖと同じ値に修正する。そして、トルク指令生成部５１６は、この修正されたトルク指令Ｔ_ｐｒｅｖ ^＊をトルク制御部５１７に出力する。

このステップＳ７０４およびＳ７０５の効果を説明する。仮にステップＳ７０４とＳ７０５とを行わず、僅かなモータトルクＴの変化によってもトルク指令Ｔ^＊を変化させるようにすると、モータトルクＴの変化にトルク指令Ｔ^＊が追従しようとして振動し、空調装置５０１の供給する風量がいつまでも目標風量Ｑ^＊の風量値を行ったり戻ったりして安定に収束しない。これを回避するために本実施形態においては、上記所定の範囲によってトルク検出の不感帯を設けている。これにより、収束点付近でトルク指令Ｔ^＊が振動するのを防止し、風量を安定に目標風量Ｑ^＊に収束させることができる。

なお、ステップＳ７０４において、トルク指令Ｔ^＊とモータトルクＴとの差の代わりに、モータ出力Ｐと目標モータ出力Ｐ^＊との差あるいは今回計算されたモータ出力Ｐと前回計算されたモータ出力Ｐとの差を利用してもよい。この場合、モータ出力に不感帯を設けることにより、同様の効果を得ることができる。

ステップＳ７０６において、トルク指令生成部５１６は、トルク指令Ｔ^＊が所定の最小モータトルクと所定の最大モータトルクとの間の範囲内であるか否かを判断する。トルク指令生成部５１６は、トルク指令Ｔ^＊が上記範囲内であればトルク指令Ｔ^＊を修正せず、所定の最小モータトルクより小さい場合はトルク指令Ｔ^＊を最小モータトルクに修正し、所定の最大モータトルクを超えている場合はトルク指令Ｔ^＊を所定の最大モータトルクに修正する。

このステップＳ７０６の効果を説明する。送風経路１０２内の圧力損失が小さい場合など、目標風量Ｑ^＊の風量値を得るためにモータ速度ωをそれほど必要としない空調環境がある。このような空調環境においては、モータ速度ωが極低速となる場合がある。この場合に、目標モータ出力計算部１１５で目標モータ出力Ｐ^＊を計算する際、式（７）のωに小さい値が代入されるために、モータ制御装置５１０の演算分解能の限界により目標モータ出力Ｐ^＊が略ゼロとして計算される場合がある。略ゼロの目標モータ出力Ｐ^＊がトルク指令生成部５１６に入力されると、生成されるトルク指令Ｔ^＊が略ゼロとなり、モータ１０５がさらに減速する。そして、以上が繰り返されるとトルク指令Ｔ^＊がゼロになり、モータ１０５が停止してしまう。そこで、トルク指令Ｔ^＊に下限である最小モータトルクを設けることにより、モータ１０５の停止を防止できる。

逆に送風経路１０２内の圧力損失が大きい場合では、目標風量Ｑ^＊の風量値を得るためにトルク指令Ｔ^＊が高い値になる場合がある。この場合、モータ１０５の能力を超える動作を実現しようとして動作が不安定になったり、モータ電流が過大になったりする場合がある。モータ電流が過大になって定格電流値を超えると、モータ巻線の発熱によりモータ１０５が故障したり、効率が著しく低下したりする。また、モータトルクＴの上限を設けないと、送風機１０４に異物が巻き込まれるなどして過負荷状態になっても、モータ１０５がさらにトルクを出そうとして送風機１０４やモータ１０５を含む空調装置５０１を故障させるおそれがある。そのためトルク指令Ｔ^＊に上限である最大モータトルクを設けることにより、制御の不安定化や空調装置の故障を防止できる。

以上のように、本実施形態のモータ制御装置５１０は、送風機１０４が供給する風量を目標風量Ｑ^＊に一致させるための目標モータ出力Ｐ^＊を目標風量Ｑ^＊およびモータ速度ωに基づいて計算する目標モータ出力計算部１１５と、モータ出力Ｐと目標モータ出力Ｐ^＊との比較結果に基づいてモータ出力Ｐを目標モータ出力Ｐ^＊に一致させるようにモータトルクＴを制御するトルク指令Ｔ^＊を生成するトルク指令生成部５１６と、を備えている。

このように構成することにより、圧損条件や静圧が変化しても、目標風量Ｑ^＊を達成する目標モータ出力Ｐ^＊を自動的に探索しながらモータ１０５を制御するため、圧損条件や静圧の変化によらず精度よく風量一定制御を行うことができる。

（ブロワ係数の算出例１）
上述した実施形態１および２における風量一定制御では、目標モータ出力Ｐ^＊を式（７）によって計算している。式（７）におけるブロワ係数α_ｎ、βの値は送風機の形状や寸法ごとに異なり、風量一定制御での運転に先立って予め計測実験および計算を実施することにより求められる。

以下、ブロワ係数α_ｎ、βの値を求める計測実験およびそれに基づく計算例について述べる。

図８は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置においてブロワ係数を算出するための構成を示すブロック図である。図８は、図１に示す実施形態１における空調装置１０１を送風経路１０２から取り外し、風洞実験設備８２０に接続した構成である。

ブロワ係数を算出する際には、図１におけるモータ制御装置１１０は、速度制御モードを実行するモータ制御装置８１０に設定が切り替えられている。したがって、図８の例においては、速度制御モードで動作するモータ制御装置８１０として、速度検出部１１１、トルク検出部１１２、モータ出力計算部１１３、メモリ１１４および速度制御部８１７を備えた構成が示されている。なお、図５に示す実施形態２における空調装置５０１を送風経路１０２から取り外し、風洞実験設備８２０に接続した場合も図８と同様の構成となる。

ブロワ係数を算出する際において、モータ出力計算部１１３は、速度検出部１１１から取得したモータ速度ωとトルク検出部１１２から取得したモータトルクＴとを乗算してモータ出力Ｐ＝Ｔ×ωを計算する。計算されたモータ出力Ｐは、外部への通信出力等によって実験者が観測可能になっていてもよい。

速度制御部８１７は、外部から速度指令ω^＊を受信し、モータ速度ωを該速度指令ω^＊に追従させるような駆動制御信号をインバータ１０７へ出力することにより、モータ１０５を速度制御する。

メモリ１１４は、ＲＡＭやＲＯＭ等からなる記憶部である。後述の計測実験と計算から求めたブロワ係数値とを記憶させることができる。

空調装置８０１におけるその他の構成要素は風量一定制御の実施形態１と同じであり、同じ構成要素の動作の説明は省略する。

風洞実験設備８２０は、実際の空調システムの環境を再現、模擬する装置である。風洞実験設備８２０は、送風機１０４に接続される第１のチャンバー８２５と、第１のチャンバー８２５の先端に設けられたノズル８２１と、ノズル８２１を介して第１のチャンバー８２５に接続された第２のチャンバー８２６と、第２のチャンバー８２６の先端に接続された補助ブロア８２２と、第１のチャンバー８２５内の静圧を計測する静圧計測器８２７と、ノズル８２１の前後における両チャンバー８２５，８２６内の圧力差に基づいて風量を計測する風量計測器８２８とを備えている。

風洞実験設備８２０は、ノズル８２１の開閉および補助ブロア８２２の回転数調整によって、ノズル８２１前後の圧力差を調整できる。また、第１チャンバー８２５および第２チャンバー８２６内にはそれぞれ整流グリル８２３，８２４が設けられ、これらは空気の流れを整流する役割を有する。静圧計測器８２７は、第１のチャンバー８２５内の圧力と大気圧との圧力差によって静圧を計測し、風量計測器８２８はノズル８２１前後の圧力差に基づいて風量を計測する。なお、風洞実験設備８２０の構成は上記に限定されるものではなく、静圧および風量を調整および計測できる構成であればよい。

図９は、本発明に係る実施形態１のモータ制御装置においてブロワ係数を算出するための実施手順を示すフローチャートである。

最初のステップＳ９０１において、図８に示されるように空調装置８０１を風洞実験設備８２０に接続する。

次のステップＳ９０２において、スイッチ１１８の手動操作や通信入力によって、モータ制御装置８０１の制御ブロック構成を図８に示されるように速度制御モードに設定する。

次のステップＳ９０３において、１つの速度値に定められた速度指令ω^＊をモータ制御装置８１０に入力し、送風機１０４を当該１つの速度で一定の速度制御を行う。そして、速度一定のまま幾つかの異なる静圧状態を作り出し、このときの風量とモータ出力とを計測する。静圧の調整は、風洞実験設備８２０におけるノズル８２１の開閉および補助ブロア８２２の回転数調整によって行う。静圧の計測は静圧計測器８２７によって行う。風量の計測は、風量計測器８２８で観測されるノズル前後の圧力差を温度等で補正計算することによって行う。下記表１はこの計測実験で用いたモータ速度［ｍｉｎ^−１］、計測されたモータトルク［Ｎ・ｍ］、風量［ｍ^３／ｍｉｎ］およびモータ出力［Ｗ］の一例である。

次のステップＳ９０４において、計測したデータを式（３）に回帰して、係数Ｋ_ｎの値からブロワ係数α_ｎの値を決定する。なお、回帰演算は、モータ制御装置８１０が演算することとしてもよいし、計測したデータを外部のコンピュータに送って、当該外部のコンピュータが演算してもよい。本実施形態では回帰式の次数を２とする。この場合、回帰式は式（３）においてｉ＝２として得られる下記の式（１２）の２次多項式になる。

ここで、Ｐ_Ｓは計測したモータ出力、Ｑ_Ｓは計測した風量、Ｋ_２、Ｋ_１、Ｋ_０は回帰式の係数を表す定数である。

この係数Ｋ_２、Ｋ_１、Ｋ_０の値がブロワ係数α_ｎ（ｎ＝０，１，２）となる。また、ステップＳ９０３の計測で用いたモータ速度がブロワ係数βの値となる。下記表２は、表１の計測データを最小二乗法により式（１２）に回帰した場合に得られるブロワ係数α_ｎ（ｎ＝０，１，２）およびβの値である。また、図１０は、表１の計測データおよびその回帰曲線をプロットした風量−モータ出力特性を示すグラフである。

次のステップＳ９０５において、得られたブロワ係数α_ｎ、βの値が通信入力等の手段によってメモリ１１４に記憶される。

次のステップ９０６において、スイッチ１１８の手動操作や通信入力によってモータ制御装置８１０を速度制御モードから風量一定制御モードに切り替え、試験運転のためのブロック構成にする。図１１は本発明に係る実施形態１のモータ制御装置においてブロワ係数を算出する際の試験運転のための構成の一例を示すブロック図である。図１１における空調装置１０１およびモータ制御装置１１０の構成は、図１に示す風量一定制御時の構成と同じである。すなわち、図１における空調装置１０１を風洞実験設備８２０に接続した状態にする。

最後のステップＳ９０７において、モータ制御装置１１０に幾つかの目標風量Ｑ^＊を入力して、風量一定制御モードにおける試験運転を実施する。そして、計測される風量が目標風量Ｑ^＊と正常に一致しているかを確認する。

風量一定制御中、目標モータ出力計算部１１５はメモリ１１４から係数α_ｎ、βの値を読み出して目標モータ出力Ｐ^＊の計算に使用する。ただし、必ずしもブロワ係数α_ｎ、βの値はＲＯＭに記憶されている必要はなく、モータ制御装置１１０の外部からの通信入力によりモータ制御装置１１０に送信するようにしてもよい。この場合、受信されたα_ｎ、βの値はメモリ１１４内のＲＡＭ等に記憶されるようにしてもよい。

以上のように、上記のような演算手順によれば、１つのモータ速度でデータ計測を行えばブロワ係数の値を求めることができる。このため、特許文献１に示されている従来の技術のようにモータ速度を変えながら計測を行う必要がなく、少ない実験工数によっても風量一定制御を実現することができる。

なお、目標モータ出力Ｐ^＊の計算式は式（７）に限られない。すなわち、目標風量Ｑ^＊をモータ速度ωで除した変数の多項式とモータ速度ωの３乗との積として目標モータ出力Ｐ^＊を計算する計算式であれば、ブロワ係数算出の際に本実施形態と同じ作用および効果が得られる。例えば、目標モータ出力Ｐ^＊の計算式を下記の式（１３）としてもよい。

ここで、Ｐ^＊は目標モータ出力、ωはモータ速度、Ｑ^＊は目標風量、ｉは０以上の整数で有限値、γ_ｎは送風機固有のブロワ特性を表すブロワ係数（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）である。

この場合、式（１３）においてγ_ｎを下記の式（１４）に示すように定義すれば、式（１３）は、結局、式（６）と同じになる。

よって、この場合も計測データの回帰式である式（３）の係数Ｋ_ｎ＝α_ｎと計測時のモータ速度ω_Ｓ＝βとから直ちにブロワ係数γ_ｎの値が求められる。すなわち、この場合も１つのモータ速度でデータ計測を行えば風量一定制御を実現できるブロワ係数の値を求めることができる。

以上のように、本実施形態におけるモータ制御装置およびその制御方法は、目標風量をモータ速度で除した変数の多項式と、モータ速度の３乗との積として目標モータ出力を計算する手段を備えている。すなわち、本実施形態におけるモータ制御装置およびその制御方法においては、目標風量から一義的に導出される目標モータ出力を用いて風量一定制御が行われる。このため、１つのモータ速度でデータ計測を行えばすべてのモータ速度に適用可能なブロワ係数の値を求めることができる。したがって、少ない実験工数によっても風量一定制御を実現することができる。

（ブロワ係数の算出例２）
上述したように、ブロワ特性を計測実験により取得することによって、ブロワ係数α_ｎ、βの値を算出することができる。ただし、予めα_ｎ、βの値が分かっている送風機と同様の構造を持つ送風機については、必ずしも上述の計測実験を行わなくともα_ｎ、βの値を求めることが可能な場合がある。その場合のブロワ係数α_ｎ、βの算出例について以下で説明する。

まず、ブロワ係数α_ｎ、βの値が既知の送風機Ａと、未知の送風機Ｂを用意する。そして、送風機Ａと送風機Ｂとの寸法比を計算する。本例においては、送風機Ｂの羽根車外径が送風機ＡのＤ倍であるとする。そして、寸法比と軸動力との関係、寸法比と風量との関係を用いてブロワ係数α_ｎ、βの値を求める。

一般的に、送風機において、軸動力は羽根車外径の５乗に比例し、風量は羽根車外径の３乗に比例する関係を有している。送風機とモータの軸とがぶれたりずれたりせずに結合されているならば、送風機の軸動力はモータ出力に等しいとみなせるため、下記の式（１５）および式（１６）が成り立つ。

ここで、Ｐ_Ａは送風機Ａを駆動するモータ出力、Ｐ_Ｂは送風機Ｂを駆動するモータ出力、Ｑ_Ａは送風機Ａの風量、Ｑ_Ｂは送風機Ｂの風量、Ｄは羽根車外径の寸法比である。

また、送風機Ａの目標モータ出力が下記の式（１７）で表されるとする。

ここで、Ｐ_Ａ ^＊は目標モータ出力、ωはモータ速度、Ｑ_Ａ ^＊は目標風量、α_Ａｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）とβは定数である。

上記の式（１７）に対し式（１５）および式（１６）を適用することにより、送風機Ｂの目標モータ出力Ｐ_Ｂ ^＊は下記の式（１８）で表すことができる。

ここで、Ｐ_Ｂ ^＊は目標モータ出力、ωはモータ速度、Ｑ_Ｂ ^＊は目標風量、α_Ｂｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）とβは定数、Ｄは羽根車外径の寸法比である。

したがって、既知のブロワ係数α_Ａｎに羽根車外径の寸法比Ｄの（５−３ｎ）乗を乗算することにより、未知のブロワ係数α_Ｂｎの値を決定することができる。下記表３は、表２のブロワ係数値を有する送風機Ａと同構造を有し、１．２倍の羽根車外径を有する送風機Ｂにおけるブロワ係数値である。

以上のように、ブロワ係数値の本算出例によれば、ブロワ係数値が既知の送風機と同様の構造を持つ他の送風機については、両送風機の寸法比を用いてブロワ係数値を求めることができる。したがって、本例によれば、計測実験を行うことなくブロワ係数を算出することができる。

（実施形態１の変形例）
次に、上記実施形態１の変形例について説明する。

図１２は、図１２は本発明に係る実施形態１におけるモータ制御装置の変形例を示すブロック図である。図１に示す実施形態１においては、速度制御部１１７、速度検出部１１１およびトルク検出部１１２が、目標モータ出力計算部１１５および速度指令計算部１１６と同じモータ制御装置１１０内に構成されている。本変形例においては、この代わりに、図１２に示す構成を備えている。

すなわち、本変形例におけるモータ制御装置は、少なくとも目標モータ出力計算部１１５および速度指令生成部１１６を含む第１のユニット９１０と、少なくとも速度制御部１１７、速度検出部１１１およびトルク検出部１１２を含む第２のユニット９１１と、第１のユニット９１０と第２のユニット９１１との間でデータ通信を行う通信部９１２とを備えている。

図１２に示すように、第１のユニット９１０と第２のユニット９１１とは、例えばＲＳ２３２Ｃ規格の通信ケーブルなどにより構成される通信部９１２によって相互にデータのやり取りができるようになっている。第２のユニット９１１における速度検出部１１１で検出されたモータ速度ωおよびトルク検出部１１２で検出されたモータトルクＴは、通信部９１２を介して第１のユニット９１０に送られる。それらのデータを使用して第１のユニット９１０は速度指令ω^＊を演算し、通信部９１２を介して第２のユニット９１１における速度制御部１１７に送る。速度制御部１１７は、受信した速度指令ω^＊に従ってインバータ１０７へ駆動制御信号を出力し、モータ１０５を速度制御する。

上記図１２に示すような変形例の構成によっても、実施形態１と同様の作用および効果が得られる。

（実施形態２の変形例）
上記実施形態１の変形例と同様に、実施形態２についても同様の変形例が適用可能である。図１３は、本発明に係る実施形態２におけるモータ制御装置の変形例を示すブロック図である。本変形例におけるモータ制御装置は、少なくとも目標モータ出力計算部１１５およびトルク指令生成部５１６を含む第１のユニット９２０と、少なくともトルク制御部５１７、速度検出部１１１およびトルク検出部１１２を含む第２のユニット９２１と、第１のユニット９２０と第２のユニット９２１との間でデータ通信を行う通信部９２２とを備えている。

図１３に示すように、第１のユニット９２０と第２のユニット９２１とは、例えばＲＳ２３２Ｃ規格の通信ケーブルなどにより構成される通信部９２２によって相互にデータのやり取りができるようになっている。第２のユニット９２１における速度検出部１１１で検出されたモータ速度ωおよびトルク検出部１１２で検出されたモータトルクＴは、通信部９２２を介して第１のユニット９２０に送られる。それらのデータを使用して第１のユニット９２０はトルク指令Ｔ^＊を演算し、通信部９２２を介して第２のユニット９２１におけるトルク制御部５１７に送る。トルク制御部５１７は、受信した速度指令Ｔ^＊に従ってインバータ１０７へ駆動制御信号を出力し、モータ１０５をトルク制御する。

上記図１３に示すような変形例の構成によっても、風量一定制御の実施形態２と同様の作用および効果が得られる。

なお、実施形態１のモータ制御装置１１０においては、モータの制御方式が速度制御であるため、急峻な過渡状態時を除けば（定常状態においては）速度指令ω^＊とモータ速度ωはほぼ等しくなる。このため、速度指令生成部１１６は速度指令ω^＊の計算式として、式（８）の代わりに下記の式（１９）を用いてもよいし、式（９）の代わりに下記の式（２０）を用いてもよい。

ここで、ω^＊は速度指令、ω_ｐｒｅｖ ^＊は速度指令生成部１１６が前回出力した速度指令、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

ここで、ω^＊は速度指令、ωはモータ速度、Ｋ_Ｇは制御ゲイン（正の定数）、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

また、実施形態２のモータ制御装置５１０においては、モータの制御方式がトルク制御であるため、急峻な過渡状態時を除けば（定常状態においては）トルク指令Ｔ^＊とモータトルクＴはほぼ等しくなる。このため、トルク指令生成部５１６はトルク指令Ｔ^＊の計算式として、式（１０）の代わりに下記の式（２１）を用いてもよいし、式（１１）の代わりに下記の式（２２）を用いてもよい。

ここで、Ｔ^＊はトルク指令、Ｔ_ｐｒｅｖ ^＊はトルク指令生成部５１６が前回出力したトルク指令、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

ここで、Ｔ^＊はトルク指令、Ｔはモータトルク、Ｋ_ＧＴは制御ゲイン（正の定数）、Ｐ^＊は目標モータ出力、Ｐはモータ出力である。

なお、以上の説明は本発明に係るモータ制御装置を有する送風装置が一般家屋に適用された場合の例について主に説明したが、一般家庭の家屋の他にも、例えばビルなどの業務用または商業用建築物、クリーンルームなどの業務用空調設備、車、バス、鉄道車両、航空機、船舶等の移動体に適用することも可能である。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、圧損条件や静圧の変化によらず風量一定制御を行うためのモータ制御装置に有用であり、一般家屋、業務用建築物、商業用建築物、車両等の空調設備として有用である。

１０１、５０１、８０１ 空調装置（送風装置）
１０２ 送風経路
１０３ 交流電源
１０４ 送風機
１０５ モータ
１０６ コンバータ
１０７ インバータ
１０８ 位置検出器
１０９ 電流検出器
１１０、５１０、８１０ モータ制御装置
１１１ 速度検出器
１１２ トルク検出器
１１３ モータ出力計算部
１１４ メモリ
１１５ 目標モータ出力計算部
１１６ 速度指令生成部
１１７、８１７ 速度制御部
１１８ スイッチ
５１６ トルク指令生成部
５１７ トルク制御部
８２０ 風洞実験設備
８２１ ノズル
８２２ 補助ブロア
８２３、８２４ 整流グリル
８２５、８２６ チャンバー
８２７ 静圧計測器
８２８ 風量計測器
９１０、９２０ 第１のユニット
９１１、９２１ 第２のユニット
９１２、９２２ 通信部

Claims (25)

1. 送風機を駆動するモータを制御するモータ制御装置であって、
   前記モータのモータ速度を取得し、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量およびモータ速度に基づいて計算する目標モータ出力計算部と、
   前記モータのモータ出力を取得し、前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータの物理量を制御する動作指令を生成する動作指令生成部と、を備え、
   前記目標モータ出力計算部は、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算する、モータ制御装置。
2. 前記目標モータ出力計算部は、以下の式によって前記目標モータ出力を計算する、請求項１に記載のモータ制御装置。
   

   

   
   
   ここで、Ｐ^＊は目標モータ出力、ωはモータ速度、Ｑ^＊は目標風量、ｉは０以上の整数で有限値、α_ｎ（ｎ＝０，１，２，・・，ｉ）およびβは定数である。
3. 前記モータ速度を示す第１の検出信号およびモータトルクを示す第２の検出信号を取得し、前記第１の検出信号および前記第２の検出信号に基づいて前記モータ出力を計算するモータ出力計算部を有する、請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記動作指令生成部は、前記動作指令として前記モータ速度の値を指令する速度指令を生成する速度指令生成部として構成される、請求項１に記載のモータ制御装置。
5. 前記動作指令生成部は、前記動作指令としてモータトルクの値を指令するトルク指令を生成するトルク指令生成部として構成される、請求項１に記載のモータ制御装置。
6. 前記速度指令生成部は、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の３乗根を前記モータ速度に乗じた結果を前記速度指令として生成する、請求項４に記載のモータ制御装置。
7. 前記トルク指令生成部は、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の（２／３）乗を前記モータトルクに乗じた結果を前記トルク指令として生成する、請求項５に記載のモータ制御装置。
8. 前記動作指令生成部は、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分を積分演算した値を利用して前記動作指令を生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
9. 前記速度指令生成部は、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータ速度との和を利用して前記速度指令を生成する、請求項４に記載のモータ制御装置。
10. 前記トルク指令生成部は、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータトルクとの和を利用して前記トルク指令を生成する、請求項５に記載のモータ制御装置。
11. 送風機を駆動するモータを制御するモータ制御方法であって、
    前記モータのモータ速度を取得し、前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量およびモータ速度に基づいて計算する第１のステップと、
    前記モータのモータ出力を取得し、前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータの物理量を制御する動作指令を生成する第２のステップと、を含み、
    前記第１のステップは、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算する、モータ制御方法。
12. 前記第１のステップは、以下の式によって前記目標モータ出力を計算する、請求項１１に記載のモータ制御方法。
    

    

    
    
    ここで、Ｐ^＊は目標モータ出力、ωはモータ速度、Ｑ^＊は目標風量、ｉは０以上の整数で有限値、α_ｎ（ｎ＝０，１，２，・・，ｉ）およびβは定数である。
13. 前記モータ出力を、前記モータ速度を示す第１の変動量と、モータトルクを示す第２の変動量に基づいて計算する第３のステップを含む、請求項１１に記載のモータ制御方法。
14. 前記動作指令は、前記モータ速度を指令する速度指令である、請求項１１に記載のモータ制御方法。
15. 前記動作指令は、モータトルクを指令するトルク指令である、請求項１１に記載のモータ制御方法。
16. 前記第２のステップは、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の３乗根を前記モータ速度に乗じた結果を前記速度指令として生成する、請求項１４に記載のモータ制御方法。
17. 前記第２のステップは、前記モータ出力に対する前記目標モータ出力の比率の（２／３）乗を前記モータトルクに乗じた結果を前記トルク指令として生成する、請求項１５に記載のモータ制御方法。
18. 前記第２のステップは、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分を積分演算した値を利用して前記動作指令を生成する、請求項１１に記載のモータ制御方法。
19. 前記第２のステップは、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータ速度との和を利用して前記速度指令を生成する、請求項１４に記載のモータ制御方法。
20. 前記第２のステップは、前記モータ出力と前記目標モータ出力との差分にゲインを乗じた値と前記モータトルクとの和を利用して前記トルク指令を生成する、請求項１５に記載のモータ制御方法。
21. 前記送風機を前記モータによって１つのモータ速度で駆動させながら前記モータ出力と前記風量とを測定し、
    得られた前記モータ出力を得られた前記風量に関する多項式に回帰または近似させて前記多項式の係数を求め、
    得られた前記多項式の係数が前記定数α_ｎの因数となるように前記定数α_ｎの値を演算し、
    前記モータ出力および前記風量の測定で用いた前記１つのモータ速度を前記定数βの値とする、請求項１２に記載のモータ制御方法。
22. 前記風量に関する多項式に回帰または近似させて得られた前記多項式の係数を前記定数α_ｎの値とする、請求項２１に記載のモータ制御方法。
23. 前記風量に関する多項式に回帰または近似させて得られた前記多項式の係数に前記送風機の寸法の変化比率の整数乗を乗算した値を前記定数α_ｎの値とする、請求項２１に記載のモータ制御方法。
24. 送風機と、前記送風機を駆動するモータと、前記モータの駆動を制御するモータ制御装置とを備える送風装置であって、
    前記モータ制御装置は、
    モータ速度を示す第１の検出信号およびモータトルクを示す第２の検出信号を取得し、前記モータ速度および前記モータトルクに基づいてモータ出力を計算するモータ出力計算部と、
    前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量および前記モータ速度に基づいて計算する目標モータ出力計算部と、
    前記モータ出力と前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータ速度を制御する速度指令を生成する速度指令生成部と、
    前記モータ速度を前記速度指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成する速度制御部を備え、
    前記目標モータ出力計算部は、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算する、送風装置。
25. 送風機と、前記送風機を駆動するモータと、前記モータを駆動するモータ駆動装置を備える送風装置であって、
    前記モータ駆動装置は、モータ速度を示す第１の検出信号およびモータトルクを示す第２の検出信号を取得し、前記モータ速度および前記モータトルクに基づいてモータ出力を計算するモータ出力計算部と、
    前記送風機が供給する風量を目標風量に一致させるための目標モータ出力を、前記目標風量および前記モータ速度に基づいて計算する目標モータ出力計算部と、
    前記モータ出力と前記目標モータ出力との比較結果に基づいて、前記モータ出力を前記目標モータ出力に一致させるように前記モータトルクを制御するトルク指令を生成するトルク指令生成部と、
    前記モータトルクを前記トルク指令に一致させるように前記モータへの駆動電圧を制御する信号を生成するトルク制御部を備え、
    前記目標モータ出力計算部は、前記目標風量を前記モータ速度で除した変数の多項式と前記モータ速度の３乗との積として前記目標モータ出力を計算する、送風装置。

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