JPWO2013128505A1 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

モータ制御装置及びモータ制御方法 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2013128505A1
JPWO2013128505A1 JP2014501832A JP2014501832A JPWO2013128505A1 JP WO2013128505 A1 JPWO2013128505 A1 JP WO2013128505A1 JP 2014501832 A JP2014501832 A JP 2014501832A JP 2014501832 A JP2014501832 A JP 2014501832A JP WO2013128505 A1 JPWO2013128505 A1 JP WO2013128505A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
motor
air volume
speed
command
speed command
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014501832A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5866509B2 (ja
Inventor
隆太 佐々木
隆太 佐々木
横内　保行
保行 横内
加藤　康司
康司 加藤
田澤　徹
徹 田澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2014501832A priority Critical patent/JP5866509B2/ja
Publication of JPWO2013128505A1 publication Critical patent/JPWO2013128505A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5866509B2 publication Critical patent/JP5866509B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/004—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by varying driving speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/0001—Control or safety arrangements for ventilation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/30—Control or safety arrangements for purposes related to the operation of the system, e.g. for safety or monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/62—Control or safety arrangements characterised by the type of control or by internal processing, e.g. using fuzzy logic, adaptive control or estimation of values
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/72—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure
    • F24F11/74—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling air flow rate or air velocity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/72—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure
    • F24F11/74—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling air flow rate or air velocity
    • F24F11/77—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling air flow rate or air velocity by controlling the speed of ventilators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F7/00—Ventilation
    • F24F7/007—Ventilation with forced flow
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/06—Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/08—Units comprising pumps and their driving means the working fluid being air, e.g. for ventilation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2200/00—Mathematical features
    • F05D2200/10—Basic functions
    • F05D2200/12—Subtraction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2200/00—Mathematical features
    • F05D2200/10—Basic functions
    • F05D2200/14—Division
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/02—Purpose of the control system to control rotational speed (n)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/306—Mass flow
    • F05D2270/3061—Mass flow of the working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Abstract

本発明のモータ制御装置（８ａ）は、モータ速度（ω）及びモータトルク（Ｔ）を示す情報を取得するユニット（６−１０）と、、モータ速度（ω）とモータトルク（Ｔ）とに基づいてファン（１）の風量（Ｑ）を計算する風量計算部（１１）と、風量（Ｑ）を所定の風量指令（Ｑ＊）に一致させるようにモータ（３）の速度指令（ω＊）を生成する速度指令生成部（１２）とを備える。

Description

本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関し、特に、空調装置などのモータ制御を行うファンモータ(fan motor)や換気扇などの送風装置の風量制御方法に関する。
近年、換気扇又はエアコン（air conditioner）の空調システムにおいて、居室の状況又は空調システムの最適化のために、フィルタの目詰まり、吹き出し口に設けられたベントの状態により静圧が変化しても所定の風量値になるように制御することが求められている。
所定の風量値に制御する技術として、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、ファンを駆動するモータの指示速度を式（１）から算出している。
Figure 2013128505
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は式（２）から算出している。
Figure 2013128505
ここで、Ｔはモータトルク（motor torque）、Ｑ＊は所定の風量値、ｋｎｍ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｊ、 ｍ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、そしてｉとｊは有限値である。式（２）はモータトルクがＴの場合に風量が所定の風量値Ｑ＊になるために必要なモータ速度がＳａとなるという関係を表す式である。
特許文献１記載のモータ制御装置によってファンの風量を所定の風量値Ｑ＊に制御する場合のモータの制御について、以下、図７を用いて説明する。
図７において、曲線Ｆは風量が所定の風量値Ｑ＊になるモータ速度とモータトルクの関係を示している（以下、「風量一定曲線」と呼ぶ）。曲線Ｃは、モータが取り付けられる空調環境に特有の環境曲線を示す（以下、「空調環境曲線」と呼ぶ）。
いま、モータの動作点が空調環境曲線Ｃ上の点Ａ１にあると想定する。このとき、式（２）によって計算される目標モータ速度Ｓａは、動作点Ａ１と同じモータトルクＴ１を得る風量一定曲線Ｆ上の点Ｂ１におけるモータ速度Ｓａ１である。
そして、式（１）によってモータ速度Ｓ１からＳａ１を引いた差分（図７中ΔＳで示す）にゲインＫを乗じてモータ速度Ｓ１に加えた結果が得られ、モータの指示速度Ｓ＊（図示せず）として出力される。そして、この指示速度Ｓ＊に従ってモータ速度が制御されることにより、動作点が移動する。
移動先の動作点でも同様に式（２）と式（１）によって新たな指示速度Ｓ＊が計算される。これを繰り返すことにより、動作点は図７のＡ２、Ａ３と移動していき、最終的にモータ速度Ｓと目標モータ速度Ｓａの差分がゼロになる動作点、つまり空調環境曲線Ｃと風量一定曲線Ｆの交点Ｅに落ち着くことになる。
特許文献１記載のモータ制御装置は、以上のようにモータトルクおよび所定の風量値を用いて、モータ速度に対する必要な修正値を計算し、この修正値に基づいて指示速度を出力することにより、たとえ所定の風量値が変化したり、フィルタの目詰まりやベントの開閉によって静圧が変化したりしても、風量を所定の風量値に制御することができる。
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では、モータ速度がどのような変化過程を経て収束するかは、式（１）のゲインＫの値によって変わってくる。例えば、ゲインＫの値が小さい場合、計算周期に対して指示速度Ｓ＊の変化が小さいため、収束に至るまでに時間がかかる。
一方、ゲインＫの値が大きい場合、計算される指示速度Ｓ＊の変化が大きくなり、図７における収束点Ｅを行ったり戻ったりして、速度が安定に収束しない。このようなことがないように、ゲインＫの値を変えながら実験を行い、最適値を求める。
しかしながら、ゲインＫの最適値はモータが取り付けられる空調環境によって変化する。例えば、仮想モデルの空調環境においては十分に安定なゲインであっても、家屋に施工された実在のリアルな空調環境においては、エアーフィルタ(air filter)の目詰まりやベントの開閉などによって変化した空調環境のもとでは、ゲイン過剰となって動作点が安定に収束しない場合がある。このため、使用する空調環境の変化を想定して、不安定になりやすい動作領域でも安定にファンが動作できるように、ゲインＫを十分小さい値にすることが望まれる。
しかし、ゲインＫの値が小さいと収束に至るまでに時間がかかるため、所定の風量値を大きく変化させた場合、風量が新たな所定の風量値に収束するまでに長い時間がかかるケースもあった。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、たとえ所定の風量値が大きく変化した場合でも、ファンの風量を所定の風量値に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させるモータ制御装置及びモータ制御方法を提案するものである。
本件出願に係る第１の発明は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置において、モータ速度及びモータトルクを示す情報を取得し、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算する風量計算部と、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備える、モータ制御装置である。 また、本件出願に係る第２の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記速度指令を生成し、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分を利用して前記速度指令を生成する、モータ制御装置である。
また、本件出願に係る第３の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前記モータ速度に乗じた結果、又は前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前回出力した速度指令に乗じた結果を、前記速度指令として生成する、モータ制御装置である。
また、本件出願に係る第４の発明は、第１の発明において、前記速度指令に前記モータ速度を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モータ駆動制御部を有するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第５の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令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する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第６の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令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構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第７の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記速度指令と前記モータ速度との差が第２の所定の範囲外である場合には、前記速度指令と前記モータ速度との差が前記第２の所定の範囲内に収まるように前記速度指令を修正する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第８の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、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３の所定の範囲内である場合には、前記速度指令を前回出力した速度指令と同じ値に修正する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第９の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、最小速度指令および最大速度指令を記憶しており、前記速度指令を前記最小速度指令と前記最小速度指令の範囲内に制限して出力する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１０の発明は、第１の発明において、前記風量計算部は、前記モータトルクを前記モータ速度の二乗で除した変数の多項式と前記モータ速度との積として風量を計算する、モータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１１の発明は、第１の発明において、前記モータ速度は、前記モータ速度を検出する第１の検出器により取得される構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１２の発明は、第１の発明において、前記モータトルクは、前記モータに流れる電流を検出する第２の検出器により取得される構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１３の発明は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御方法において、モータ速度又は及びモータトルクの少なくとも一方を示す情報を取得することと、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算することと、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成することと、を含む、モータ制御方法である。
本発明のモータ制御装置は、風量計算部で計算した風量に基づいて、風量と所定の風量指令の差が大きいと判断した場合、所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度と等しい速度指令を生成することにより、風量を所定の風量指令に向けて高速に追従させることができ、且つ安定に収束させることができる。
図１は本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 図２は本発明の実施の形態１における速度指令生成部１２の処理例を示すフローチャートである。 図３は本発明の実施の形態１における速度指令生成部１２内部の速度指令修正ステップスの処理例を示すフローチャートである。 図４は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。 図５は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。 図６は本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 図７は従来技術によるモータ制御装置における風量制御を説明する図である。
（本発明の着眼点）
本件出願に係る発明者等は、所定の風量値が大きく変化した場合でも、ファンの風量を所定の風量値に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させるために、流体力学における流れの相似性（Similarity of flows）から導出される法則として、一般にファンやブロワ等の送風機において風量が回転速度に比例する法則に着眼した。つまり、この法則によって、風量に対する所定の風量指令（指令された風量）の比率は、モータ速度に対する「所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度」の比率に等しいという関係が成り立つので、風量に対する所定の風量指令の比率にモータ速度を乗じた結果（風量に対する所定の風量指令の比率とモータ速度との積）を速度指令とすることとした。これにより、所定の風量指令が大きく変化しても、速度指令が速やかに新たな所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度の値に変化するため、風量を所定の風量指令に向けて高速に追従させることができる。
具体的には、本発明のモータ制御装置は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置であって、モータ速度とモータトルクに基づいてファンの風量を計算する風量計算部と、風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して風量を所定の風量指令に一致させるようにモータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備えた構成とする。さらに、本モータ制御装置における前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、風量に対する所定の風量指令の比率をモータ速度に乗じた結果を速度指令として生成する。
この構成によって、風量と所定の風量指令との比較演算値の大きさに従って速度指令の生成方法が変化する。ここで、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、上記のように風量に対する所定の風量指令の比率をモータ速度に乗じることにより、「所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度」と等しい速度指令が生成される。
一方、前記比較演算値が第１の所定の範囲内となった場合は、風量と所定の風量指令との差分の積分演算値に基づいてモータ速度を修正する、いわゆる積分補償によるフィードバック制御を行う。
この場合、制御ゲインを小さくして制御の感度を鈍くすることにより、速度指令の変化を緩やかにすることができる。
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。なお、実施の形態の記載によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。図１に示すモータ制御システムは、ファン１、ファン１により送風される空気が通る送風経路２、ファン１を駆動するモータ３、モータ３に電力を供給するインバータ４、インバータ４を制御するモータ駆動制御部５ａと、モータ３の回転子の位置を検出する位置検出器６、モータ３の電流を検出する電流検出器７、ファン１の風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に制御するモータ制御装置８ａからなる構成である。
モータ制御装置８ａは、位置検出器６の出力信号からモータ速度ωを検出する速度検出部９と、電流検出器７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１０と、モータ速度ωとモータトルクＴに基づいてファン１の風量Ｑを計算する風量計算部１１と、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータ３の速度指令ω＊を生成する速度指令生成部１２とを含む。ここで、速度検出部９は、公知の他の手段（例えば、回転計、速度センサ等）を用いてモータ速度ωを検出してもよい。また、トルク検出部１０は、公知の他の手段（例えば、トルクメータ等）を用いてモータトルクＴを検出してもよい。
次に、図１の動作および各構成部の構成要素を説明する。ファン１は送風経路２を通じて所望の場所へ空気を供給する。モータ３はファン１と結合された状態で回転して、ファン１を駆動する。モータ３の構造は特に限定されるものではなく、一例としてブラシレスＤＣモータ（brushless DC motor）がある。他のモータ、例えば誘導モータやブラシ付きモータ(DC motor with brush)でもよい。
インバータ４はモータ駆動制御部５ａから入力される制御信号に従って半導体スイッチングを行い、電源（図示せず）からの直流電圧を交流に変換して、モータ３に駆動電圧として供給する。ここで、インバータ４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３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。
モータ駆動制御部５ａは、モータ制御装置８ａから入力された速度指令ω＊にモータ速度ωを追従させるための駆動電圧を速度制御によって計算し、この駆動電圧をインバータ４に供給させるための制御信号を出力する。位置検出器６はモータ３に取り付けられており、モータ３の回転子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６は不要である。電流検出器７は、本実施の形態で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。しかし、モータトルクを推定できればいかなる部分にて電流を検出してもよく、例えばインバータ４への直流ライン（図示せず）に挿入してモータ電流を検出してもよい。
モータ制御装置８ａの動作および各構成部の構成要素を説明する。速度検出部９は、位置検出器６の出力信号に基づいてモータ速度ωを計算する。ただし、位置検出器６の出力信号を用いずに、モータ電流や駆動電圧を用いてモータ速度ωを推定計算する構成でもよい。トルク検出部１０は、電流検出器７の出力信号に基づいてモータトルクＴを計算する。
また、速度検出部９とトルク検出部１０は図１のようにモータ制御装置８ａの内部にある必要はない。ただし外部に配する場合は、計算したモータ速度ωないしモータトルクＴをモータ制御装置８ａへと出力する構成とする。
風量計算部１１はモータ速度ωとモータトルクＴを式（３）に代入し、ファン１の風量Ｑを計算する。式（３）はモータ３のモータ速度がω、モータトルクがＴの場合にファン１の風量がＱになるという関係を表す式である。
Figure 2013128505
ここで、Ｋｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、ｉは有限値、ω０はある特定のモータ速度である。
次に式（３）の根拠および導出について説明する。
まず、あるファンを、モータ３によってある特定のモータ速度ω０で駆動する実験を行う。このとき、このファンが収められている送風経路内の圧力を変化させたときの風量をＱ０、モータトルクをＴ０とすると、Ｑ０とＴ０の関係が式４によって近似される。
Figure 2013128505
ここで、Ｋｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、ｉは有限値である。なお、以下に説明する式（３）の導出によって、式（４）のＫｎとｉは最終的に式（３）のＫｎとｉと同一になる。
式（４）を求める近似手法は特に限定されるものではなく、例えば最小二乗法、回帰分析などを用いる。ｉは近似式の次数を示す。このｉをいかなる値に設定するかによって近似精度が変わり、風量の計算精度が変わる。
次に式（４）から式（３）への導出過程を説明する。流れの相似性によって、一般にファンやブロワにおいては、同じ圧損条件では風量はファンの回転速度に比例する法則が存在し、軸動力はファンの回転速度の３乗に比例する法則が存在する。
ここで、ファンとモータの軸がぶれたり又はずれたりせずに結合されているならば、ファンの回転速度はモータ速度と同一であり、ファンの軸動力はモータ出力（＝モータ速度×モータトルク）と同一であるとみなせるため、次式の式（５）、式（６）が成り立つ。
Figure 2013128505
Figure 2013128505
ここで式（６）は次式の式（７）に変形できる。
Figure 2013128505
この式（５）と式（７）は、あるファンを駆動するモータ速度をω０からωに変化させたとき、風量がＱ０からＱに、モータトルクがＴ０からＴに変化するという関係の式である。式（５）と式（７）を式（４）に適用すると、上記の式（３）が導出される。
以上のように、特定のモータ速度ω０でファンを駆動させる実験のみを行えば、そのとき得られた近似式の式（４）の定数Ｋｎを式（３）に用いることにより、任意のモータ速度ωで同ファンを駆動させたときの風量Ｑを計算することができる。
なお風量Ｑを式（３）を利用せずに計算してもよい。例えば、送風経路内の圧力を変化させたときの風量Ｑ、モータ速度ω、モータトルクＴの関係を実験で求め、この関係を近似した式（８）を用いてもよい。
Figure 2013128505
ここで、Ｋｇｈ（ｇ＝０，１，２，・・・，ｊ、 ｈ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、そしてｉとｊは有限値である。式（８）には流れの相似性が用いられておらず、複数のモータ速度ωにて風量ＱとモータトルクＴを測定する必要があるため、式（８）のＫｇｈの導出には式（４）、式（３）のＫｎの導出よりも多くの測定が必要である。また、ファンの羽根車外径を変更するたびに導出が必要である。しかし、この式（８）によっても風量Ｑをモータ速度ωとモータトルクＴとから計算することができる。
以上、風量計算部１１について説明した。以下、速度指令生成部１２の動作および構成要素について説明する。
速度指令生成部１２は、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータ３の速度指令ω＊を生成する。速度指令ω＊の生成は周期的に行われ、例えば毎秒１０回行う。なお、図１では所定の風量指令Ｑ＊がモータ制御装置８ａの外部から入力されているが、必ずしも毎周期外部入力される必要はない。
例えば、モータ制御装置８ａが内部にメモリ（図示せず）を有する構成とすることにより、外部入力された所定の風量指令Ｑ＊をこのメモリが記憶して、新たな所定の風量指令Ｑ＊が外部入力される都度更新するようにしてもよい。
また、必ずしも所定の風量指令Ｑ＊がモータ制御装置８ａの外部から入力される必要もない。例えば、モータ制御装置８ａ内部のメモリに複数の所定の風量指令Ｑ＊を記憶させ、手動でモータ制御装置８ａを操作することによって所定の風量指令Ｑ＊を選択する構成としてもよい。
図２は速度指令生成部１２の処理例を示すフローチャートである。速度指令ω＊の生成は、最初の速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）とその次の速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）の２段階で行われる。
速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）は、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるように速度指令ω＊を計算する。速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）は、計算された速度指令ω＊を、モータ速度ωとモータトルクＴおよび幾つかの所定値に基づいて修正することによりファンを安定に動作させる。
まず速度指令計算ステップス（ＳＴ１からＳＴ４）について説明する。
図２においてモータ制御装置８ａは、まず所定の風量指令Ｑ＊と風量計算部１１で計算された風量Ｑとの比較演算値ΔＱを式（９）によって求める（ステップＳＴ１）。
Figure 2013128505
ここで、比較演算値は必ずしも式（９）のように差分で定義される必要はなく、例えばＱ＊をＱで割った比率で定義してもよいが、本実施の形態では式（９）によって定義した比較演算値ΔＱを用いている。
次いでモータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱの値が第１の所定の範囲外であるか範囲内であるかを判断する（ステップＳＴ２）。例えば、ある所定の閾値を設け、ΔＱの絶対値がこの所定の閾値を超えていれば第１の所定の範囲外と判断し、ΔＱの絶対値がこの所定の閾値以下であれば第１の所定の範囲内と判断する。
次いでモータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲外である場合には、式（１０）によってモータ３の速度指令ω＊を生成する（ステップＳＴ３）。
Figure 2013128505
ここで、ωはモータ３のモータ速度、Ｑはファン１の風量、Ｑ＊は所定の風量指令である。ファンの風量が回転速度に比例するという流体の相似則により、式（１０）によって計算されるモータ速度ω＊は、所定の風量指令Ｑ＊の風量値を実現するモータ速度と等しい値になる。
このため、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化しても、速度指令ω＊が速やかに新たな所定の風量指令Ｑ＊の風量値を実現するモータ速度の値に変化するため、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させることができる。
一方モータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲内である場合には、式（１１）によって速度指令ω＊を生成する（ステップＳＴ４）。
Figure 2013128505
ここで、ωｚ ＊は速度指令生成部１３が前回出力した速度指令、ＫＧは制御ゲイン（定数）、Ｑはファン１の風量、Ｑ＊は所定の風量指令である。式（１１）はいわゆる積分補償によるフィードバック制御を行うことを意味している。ここで、予め空調環境の変化を想定し、風量Ｑを十分に安定に所定の風量指令Ｑ＊に収束させるように、制御ゲインＫＧの値を十分小さい値に設定する。
以上のように構成した速度指令計算ステップス（ＳＴ１からＳＴ４）の作用と効果を説明する。
仮に比較演算値ΔＱの値に係わらず常に式（１１）によって速度指令ω＊を生成するようにすると、風量Ｑを安定に収束させることはできるが、常に速度指令ω＊の変化が緩やかになる。このため、所定の風量指令Ｑ＊を大きく変化させた場合、風量Ｑが新たな所定の風量指令Ｑ＊に収束するまでに長い時間がかかってしまう。
しかし、その代わりに仮に常に式（１０）によって速度指令ω＊を生成すれば、計算される速度指令ω＊の変化が大きくなり、風量Ｑが所定の風量指令Ｑ＊の風量値を行ったり戻ったりして、安定に収束できないおそれがある。
そこで本実施の形態のように、比較演算値ΔＱの大きさに基づいて、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差が大きいと判断した場合は式（１０）によってモータ速度ωを大きく変化させ、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差が小さいと判断した場合は式（１１）によってモータ速度ωを緩やかに調整することにより、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化した場合でも、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させることができる。
次に、速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）について説明する。図３は図２における速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）の内部で行われる処理例のフローチャートである。
図３においてまずモータ制御装置８ａは、速度指令計算ステップスで生成された速度指令ω＊が、所定の最小速度指令と所定の最大速度指令の範囲内であるか否かを判断し、範囲内であれば速度指令ω＊を修正せず、所定の最小速度指令より小さい場合は速度指令ω＊を所定の最小速度指令に修正し、所定の最大速度指令を超えている場合は速度指令ω＊を所定の最大速度指令に修正する（ステップＳＴ５）。
このステップＳＴ５の効果を説明する。
送風経路２内の圧力が小さい場合など、所定の風量指令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、モータ３や送風経路２で急峻な状態変化が生じると、式（３）の定数Ｋｎの値によっては、過渡的に速度指令ω＊がマイナスの値で計算される場合があり、この場合はファン１が逆回転することになる。ファン１が逆回転すると吸い込み動作となって使用者が異常であると判断してしまうおそれがある。そのため速度指令ω＊に下限となる所定の最小速度指令を設けることにより、逆回転を防止できる。
逆に送風経路２内の圧力が大きい場合では、速度指令ω＊が異常に高い値になる場合がある。この場合、モータの能力を超える動作を実現しようとして制御が不安定になったり、モータ３が高速回転することによりファンやモータの振動が大きくなって、ファンやモータが故障したりするおそれがある。そのため速度指令ω＊に上限となる所定の最大速度指令を設けることにより、制御の不安定化あるいはファンやモータの故障を防止できる。
次いでモータ制御装置８ａは、式（１２）によって速度指令ω＊とモータ速度ωとの差である速度偏差Δωを計算し、速度偏差Δωが第２の所定の範囲内である場合には速度指令ω＊を修正せず、速度偏差Δωが第２の所定の範囲外である場合には速度偏差Δωが第２の所定の範囲内に収まるように速度指令ω＊を修正する（ステップＳＴ６）。
Figure 2013128505
修正方法の例としては、所定の正の制限幅Ｌを設けて、モータ速度ωにＬを加えた（ω＋Ｌ）を上限値、モータ速度ωからＬを減じた（ω−Ｌ）を下限値とし、速度指令ω＊が上限値（ω＋Ｌ）を超える場合には速度指令ω＊を上限値（ω＋Ｌ）に修正し、速度指令ω＊が加減値（ω−Ｌ）より小さい場合には速度指令ω＊を下限値（ω−Ｌ）に修正する。
このステップＳＴ６の効果を説明する。仮にモータ速度ωを急激に変化させた場合、モータトルクＴや送風経路２内の圧力の過渡的な変化により、実際の風量と風量計算部１１によって計算される風量Ｑとが乖離し、風量を安定に制御できなくなるおそれがある。そのため速度指令ω＊の変化幅に第２の所定の範囲を設けて急激なモータ速度ωの変化を防止することにより、風量Ｑの乖離による制御の不安定化を防止できる。
次いでモータ制御装置８ａは、得られたモータトルクＴと前回得られたモータトルクＴとを比較し、その差が第３の所定の範囲内である場合には、モータトルクＴの変化が僅かであると判断して、速度指令ω＊を速度指令生成部１３が前回出力した速度指令ωｚ ＊と同じ値に修正する（ステップＳＴ７）。
このステップＳＴ７の効果を説明する。仮にステップＳＴ７を行わず、僅かなモータトルクＴの変化によっても速度指令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＊が追従してようとして振動し、風量Ｑがいつまでも所定の風量指令Ｑ＊の風量値を行ったり戻ったりして安定に収束しない。そのため第３の所定の範囲によってトルク検出の不感帯を設け、収束点付近で速度指令ω＊が振動するのを防止することにより、風量Ｑを安定に所定の風量指令Ｑ＊に収束させることができる。
以上のように構成されたモータ制御装置８ａについて、以下にその動作を図４、図５を用いて説明する。図４および図５は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。図４、図５において、直線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、それぞれある空調環境でのモータ速度ωと風量Ｑの関係を示す。直線の傾きは、送風経路２の形状や吹き出し口に設けられたベントの状態などの空調環境によって変わる。
いま、直線Ｇ１で示される空調環境においてファン１を駆動しており、動作点が点Ｈ１にある状態を想定する。ファン１はこのとき４００ＣＦＭの風量を送風経路２を通じて送り出しており、このときのモータ速度は３００ｒｐｍである。
以下に、所定の風量指令Ｑ＊が１２００ＣＦＭで与えられた場合の動作点の変化を説明する。ただし、速度指令生成部１２のステップＳＴ２における第１の所定の範囲を絶対誤差２００ＣＦＭとし、ステップＳＴ６における第２の所定の範囲を絶対誤差２００ｒｐｍとする。
まず、風量計算部１１が動作点Ｈ１における風量４００ＣＦＭを計算する。次に、速度指令生成部１２の速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）が速度指令ω＊を計算する。このとき式（９）で計算される比較演算値ΔＱは８００ＣＦＭであり、第１の所定の範囲である絶対誤差２００ＣＦＭを超えるため、ステップＳＴ２の条件分岐によって、ステップＳＴ３へと処理が移行する。
ステップＳＴ３は式（１０）を用いて、速度指令ω＊を（１２００／４００）×３００＝９００［ｒｐｍ］と計算する。したがってこのとき、図４における点Ｚが目標の動作点となる。
次いで速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）が速度指令ω＊を修正する。ステップＳＴ６の式（１２）で計算される速度偏差Δωは６００ｒｐｍであり、第２の所定の範囲である絶対誤差２００ｒｐｍを超えているため、ステップＳＴ６は現在のモータ速度３００ｒｐｍに所定の絶対誤差２００ｒｐｍを加えた上限値５００ｒｐｍに速度指令ω＊を修正する。以上により、目標の動作点は図４における点Ｚから点Ｚ１に修正される。
そして、以上のように生成された速度指令５００ｒｐｍを速度指令生成部１２が出力し、モータ駆動制御部５ａがモータ速度を速度指令５００ｒｐｍに一致させるようにモータ３の駆動電圧を制御する。モータ制御装置８ａは周期的に速度指令ω＊を生成し、その都度更新される速度指令ω＊に基づいてモータ駆動制御部５ａがモータ３を速度制御する。これを繰り返すことにより、動作点は図５のＨ２、Ｈ３と移動していく。
図５において風量Ｑが１０００ＣＦＭを超える点Ｈ４に到達したとき、比較演算値ΔＱは第１の所定の範囲である絶対誤差２００ＣＦＭより小さくなるため、動作点Ｈ３までとは異なり、速度指令ω＊はステップＳＴ４によって計算される。ステップＳＴ４で用いられる式（１１）の制御ゲインＫＧは十分小さい値に設定されているため、速度指令ω＊の変化は緩やかになる。このため、動作点は図５に示すように、Ｈ４、Ｈ５、・・・と小刻みに移動していき、安定に目標の動作点Ｚに収束する。
以上のように、本実施の形態のモータ制御装置８ａは、モータ速度ωとモータトルクＴに基づいてファンの風量Ｑを計算する風量計算部１１と、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との比較演算値ΔＱに基づいて風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータの速度指令ω＊を生成する速度指令生成部１２と、を備え、速度指令生成部１２は、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲外である場合には、風量Ｑに対する所定の風量指令Ｑ＊の比率をモータ速度ωに乗じた結果を速度指令ω＊として生成し、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲内である場合には、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差分を積分演算した値を利用して速度指令ω＊を生成する構成である。
このように構成することにより、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊の差ΔＱが大きい場合には、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に高速に追従させ、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊の差ΔＱが小さい場合には、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊へと緩やかかつ安定に収束させることができる。
このように風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差ΔＱに応じて速度指令ω＊の生成方法を変化させることにより、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化した場合でも、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させることができる。
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。本実施の形態は、図１に示す実施の形態１におけるモータ駆動制御部５ａを図６に示すモータ駆動制御部５ｂに置き換え、同様に、図１に示す実施の形態１におけるモータ制御装置８ａを図６に示すモータ制御装置８ｂに置き換えた構成である。
図１ではモータ駆動制御部５ａがモータ制御装置８ａの外部にあるが、図６ではモータ駆動制御部５ｂがモータ制御装置８ｂの内部にある構成である。
なお、モータ駆動制御部５ｂおよびモータ制御装置８ｂの動作は、それぞれ実施の形態１におけるモータ駆動制御部５ａとモータ制御装置８ａと同じであるため説明を省略する。その他の構成についても実施の形態１と同じであり、同じ構成要素の説明は省略する。
本実施の形態は、上述の構成によって、実施の形態１と同様の作用および効果を得ることができる。また本実施の形態におけるモータ制御装置８ｂは、モータ駆動制御部５ｂを内部に有する構成であるため、インバータ４を制御する装置を別個に用意することなく、直接にインバータ４に制御信号を出力して、ファン１の風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に追従させるようにモータ３を制御することができる。
次に、実施の形態１と実施の形態２を含めて、本発明の共通的な代替構成について説明する。
モータの制御方式が速度制御方式であるため、速度指令ω＊の変化が急峻になり過ぎない限りにおいて、速度指令ω＊とモータ速度ωはほぼ等しくなる。このため、図２に示す速度指令生成部１２の処理のフローチャートにおいて、ステップＳＴ３に用いられている式（１０）の代わりに式（１３）を用いる構成としてもよいし、ステップＳＴ４に用いられている式（１１）の代わりに式（１４）を用いる構成としてもよい。
Figure 2013128505
Figure 2013128505
ここで、ωｚ ＊は速度指令生成部１２が前回出力した速度指令である。
本発明のモータ制御装置及びモータ制御方法は、風量を所定の風量値に制御するようなシステムに最適であり、一般家庭の家屋、業務用建築物、車両等の空調設備として有用である。
１ ファン
２ 送風経路
３ モータ
４ インバータ
５ａ モータ駆動制御部
５ｂ モータ駆動制御部
６ 位置検出器
７ 電流検出器
８ａ モータ制御装置
８ｂ モータ制御装置
９ 速度検出部
１０ トルク検出部
１１ 風量計算部
１２ 速度指令生成部
本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関し、特に、空調装置などのモータ制御を行うファンモータ(fan motor)や換気扇などの送風装置の風量制御方法に関する。
近年、換気扇又はエアコン（air conditioner）の空調システムにおいて、居室の状況又は空調システムの最適化のために、フィルタの目詰まり、吹き出し口に設けられたベントの状態により静圧が変化しても所定の風量値になるように制御することが求められている。
所定の風量値に制御する技術として、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、ファンを駆動するモータの指示速度を式（１）から算出している。
Figure 2013128505
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は式（２）から算出している。
Figure 2013128505
ここで、Ｔはモータトルク（motor torque）、Ｑ＊は所定の風量値、ｋｎｍ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｊ、 ｍ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、そしてｉとｊは有限値である。式（２）はモータトルクがＴの場合に風量が所定の風量値Ｑ＊になるために必要なモータ速度がＳａとなるという関係を表す式である。
特許文献１記載のモータ制御装置によってファンの風量を所定の風量値Ｑ＊に制御する場合のモータの制御について、以下、図７を用いて説明する。
図７において、曲線Ｆは風量が所定の風量値Ｑ＊になるモータ速度とモータトルクの関係を示している（以下、「風量一定曲線」と呼ぶ）。曲線Ｃは、モータが取り付けられる空調環境に特有の環境曲線を示す（以下、「空調環境曲線」と呼ぶ）。
いま、モータの動作点が空調環境曲線Ｃ上の点Ａ１にあると想定する。このとき、式（２）によって計算される目標モータ速度Ｓａは、動作点Ａ１と同じモータトルクＴ１を得る風量一定曲線Ｆ上の点Ｂ１におけるモータ速度Ｓａ１である。
そして、式（１）によってモータ速度Ｓ１からＳａ１を引いた差分（図７中ΔＳで示す）にゲインＫを乗じてモータ速度Ｓ１に加えた結果が得られ、モータの指示速度Ｓ＊（図示せず）として出力される。そして、この指示速度Ｓ＊に従ってモータ速度が制御されることにより、動作点が移動する。
移動先の動作点でも同様に式（２）と式（１）によって新たな指示速度Ｓ＊が計算される。これを繰り返すことにより、動作点は図７のＡ２、Ａ３と移動していき、最終的にモータ速度Ｓと目標モータ速度Ｓａの差分がゼロになる動作点、つまり空調環境曲線Ｃと風量一定曲線Ｆの交点Ｅに落ち着くことになる。
特許文献１記載のモータ制御装置は、以上のようにモータトルクおよび所定の風量値を用いて、モータ速度に対する必要な修正値を計算し、この修正値に基づいて指示速度を出力することにより、たとえ所定の風量値が変化したり、フィルタの目詰まりやベントの開閉によって静圧が変化したりしても、風量を所定の風量値に制御することができる。
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では、モータ速度がどのような変化過程を経て収束するかは、式（１）のゲインＫの値によって変わってくる。例えば、ゲインＫの値が小さい場合、計算周期に対して指示速度Ｓ＊の変化が小さいため、収束に至るまでに時間がかかる。
一方、ゲインＫの値が大きい場合、計算される指示速度Ｓ＊の変化が大きくなり、図７における収束点Ｅを行ったり戻ったりして、速度が安定に収束しない。このようなことがないように、ゲインＫの値を変えながら実験を行い、最適値を求める。
しかしながら、ゲインＫの最適値はモータが取り付けられる空調環境によって変化する。例えば、仮想モデルの空調環境においては十分に安定なゲインであっても、家屋に施工された実在のリアルな空調環境においては、エアーフィルタ(air filter)の目詰まりやベントの開閉などによって変化した空調環境のもとでは、ゲイン過剰となって動作点が安定に収束しない場合がある。このため、使用する空調環境の変化を想定して、不安定になりやすい動作領域でも安定にファンが動作できるように、ゲインＫを十分小さい値にすることが望まれる。
しかし、ゲインＫの値が小さいと収束に至るまでに時間がかかるため、所定の風量値を大きく変化させた場合、風量が新たな所定の風量値に収束するまでに長い時間がかかるケースもあった。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、たとえ所定の風量値が大きく変化した場合でも、ファンの風量を所定の風量値に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させるモータ制御装置及びモータ制御方法を提案するものである。
本件出願に係る第１の発明は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置において、モータ速度及びモータトルクを示す情報を取得し、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算する風量計算部と、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備える、モータ制御装置である。 また、本件出願に係る第２の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記速度指令を生成し、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分を利用して前記速度指令を生成する、モータ制御装置である。
また、本件出願に係る第３の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前記モータ速度に乗じた結果、又は前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前回出力した速度指令に乗じた結果を、前記速度指令として生成する、モータ制御装置である。
また、本件出願に係る第４の発明は、第１の発明において、前記速度指令に前記モータ速度を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モータ駆動制御部を有するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第５の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令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する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第６の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令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構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第７の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、前記速度指令と前記モータ速度との差が第２の所定の範囲外である場合には、前記速度指令と前記モータ速度との差が前記第２の所定の範囲内に収まるように前記速度指令を修正する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第８の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、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３の所定の範囲内である場合には、前記速度指令を前回出力した速度指令と同じ値に修正する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第９の発明は、第１の発明において、前記速度指令生成部は、最小速度指令および最大速度指令を記憶しており、前記速度指令を前記最小速度指令と前記最小速度指令の範囲内に制限して出力する構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１０の発明は、第１の発明において、前記風量計算部は、前記モータトルクを前記モータ速度の二乗で除した変数の多項式と前記モータ速度との積として風量を計算する、モータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１１の発明は、第１の発明において、前記モータ速度は、前記モータ速度を検出する第１の検出器により取得される構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１２の発明は、第１の発明において、前記モータトルクは、前記モータに流れる電流を検出する第２の検出器により取得される構成を具備するモータ制御装置である。
また、本件出願に係る第１３の発明は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御方法において、モータ速度又は及びモータトルクの少なくとも一方を示す情報を取得することと、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算することと、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成することと、を含む、モータ制御方法である。
本発明のモータ制御装置は、風量計算部で計算した風量に基づいて、風量と所定の風量指令の差が大きいと判断した場合、所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度と等しい速度指令を生成することにより、風量を所定の風量指令に向けて高速に追従させることができ、且つ安定に収束させることができる。
図１は本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 図２は本発明の実施の形態１における速度指令生成部１２の処理例を示すフローチャートである。 図３は本発明の実施の形態１における速度指令生成部１２内部の速度指令修正ステップスの処理例を示すフローチャートである。 図４は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。 図５は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。 図６は本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 図７は従来技術によるモータ制御装置における風量制御を説明する図である。
（本発明の着眼点）
本件出願に係る発明者等は、所定の風量値が大きく変化した場合でも、ファンの風量を所定の風量値に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させるために、流体力学における流れの相似性（Similarity of flows）から導出される法則として、一般にファンやブロワ等の送風機において風量が回転速度に比例する法則に着眼した。つまり、この法則によって、風量に対する所定の風量指令（指令された風量）の比率は、モータ速度に対する「所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度」の比率に等しいという関係が成り立つので、風量に対する所定の風量指令の比率にモータ速度を乗じた結果（風量に対する所定の風量指令の比率とモータ速度との積）を速度指令とすることとした。これにより、所定の風量指令が大きく変化しても、速度指令が速やかに新たな所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度の値に変化するため、風量を所定の風量指令に向けて高速に追従させることができる。
具体的には、本発明のモータ制御装置は、ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置であって、モータ速度とモータトルクに基づいてファンの風量を計算する風量計算部と、風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して風量を所定の風量指令に一致させるようにモータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備えた構成とする。さらに、本モータ制御装置における前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、風量に対する所定の風量指令の比率をモータ速度に乗じた結果を速度指令として生成する。
この構成によって、風量と所定の風量指令との比較演算値の大きさに従って速度指令の生成方法が変化する。ここで、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、上記のように風量に対する所定の風量指令の比率をモータ速度に乗じることにより、「所定の風量指令の風量値を実現するモータ速度」と等しい速度指令が生成される。
一方、前記比較演算値が第１の所定の範囲内となった場合は、風量と所定の風量指令との差分の積分演算値に基づいてモータ速度を修正する、いわゆる積分補償によるフィードバック制御を行う。
この場合、制御ゲインを小さくして制御の感度を鈍くすることにより、速度指令の変化を緩やかにすることができる。
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。なお、実施の形態の記載によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。図１に示すモータ制御システムは、ファン１、ファン１により送風される空気が通る送風経路２、ファン１を駆動するモータ３、モータ３に電力を供給するインバータ４、インバータ４を制御するモータ駆動制御部５ａと、モータ３の回転子の位置を検出する位置検出器６、モータ３の電流を検出する電流検出器７、ファン１の風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に制御するモータ制御装置８ａからなる構成である。
モータ制御装置８ａは、位置検出器６の出力信号からモータ速度ωを検出する速度検出部９と、電流検出器７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１０と、モータ速度ωとモータトルクＴに基づいてファン１の風量Ｑを計算する風量計算部１１と、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータ３の速度指令ω＊を生成する速度指令生成部１２とを含む。ここで、速度検出部９は、公知の他の手段（例えば、回転計、速度センサ等）を用いてモータ速度ωを検出してもよい。また、トルク検出部１０は、公知の他の手段（例えば、トルクメータ等）を用いてモータトルクＴを検出してもよい。
次に、図１の動作および各構成部の構成要素を説明する。ファン１は送風経路２を通じて所望の場所へ空気を供給する。モータ３はファン１と結合された状態で回転して、ファン１を駆動する。モータ３の構造は特に限定されるものではなく、一例としてブラシレスＤＣモータ（brushless DC motor）がある。他のモータ、例えば誘導モータやブラシ付きモータ(DC motor with brush)でもよい。
インバータ４はモータ駆動制御部５ａから入力される制御信号に従って半導体スイッチングを行い、電源（図示せず）からの直流電圧を交流に変換して、モータ３に駆動電圧として供給する。ここで、インバータ４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３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。
モータ駆動制御部５ａは、モータ制御装置８ａから入力された速度指令ω＊にモータ速度ωを追従させるための駆動電圧を速度制御によって計算し、この駆動電圧をインバータ４に供給させるための制御信号を出力する。位置検出器６はモータ３に取り付けられており、モータ３の回転子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６は不要である。電流検出器７は、本実施の形態で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。しかし、モータトルクを推定できればいかなる部分にて電流を検出してもよく、例えばインバータ４への直流ライン（図示せず）に挿入してモータ電流を検出してもよい。
モータ制御装置８ａの動作および各構成部の構成要素を説明する。速度検出部９は、位置検出器６の出力信号に基づいてモータ速度ωを計算する。ただし、位置検出器６の出力信号を用いずに、モータ電流や駆動電圧を用いてモータ速度ωを推定計算する構成でもよい。トルク検出部１０は、電流検出器７の出力信号に基づいてモータトルクＴを計算する。
また、速度検出部９とトルク検出部１０は図１のようにモータ制御装置８ａの内部にある必要はない。ただし外部に配する場合は、計算したモータ速度ωないしモータトルクＴをモータ制御装置８ａへと出力する構成とする。
風量計算部１１はモータ速度ωとモータトルクＴを式（３）に代入し、ファン１の風量Ｑを計算する。式（３）はモータ３のモータ速度がω、モータトルクがＴの場合にファン１の風量がＱになるという関係を表す式である。
Figure 2013128505
ここで、Ｋｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、ｉは有限値、ω０はある特定のモータ速度である。
次に式（３）の根拠および導出について説明する。
まず、あるファンを、モータ３によってある特定のモータ速度ω０で駆動する実験を行う。このとき、このファンが収められている送風経路内の圧力を変化させたときの風量をＱ０、モータトルクをＴ０とすると、Ｑ０とＴ０の関係が式４によって近似される。
Figure 2013128505
ここで、Ｋｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、ｉは有限値である。なお、以下に説明する式（３）の導出によって、式（４）のＫｎとｉは最終的に式（３）のＫｎとｉと同一になる。
式（４）を求める近似手法は特に限定されるものではなく、例えば最小二乗法、回帰分析などを用いる。ｉは近似式の次数を示す。このｉをいかなる値に設定するかによって近似精度が変わり、風量の計算精度が変わる。
次に式（４）から式（３）への導出過程を説明する。流れの相似性によって、一般にファンやブロワにおいては、同じ圧損条件では風量はファンの回転速度に比例する法則が存在し、軸動力はファンの回転速度の３乗に比例する法則が存在する。
ここで、ファンとモータの軸がぶれたり又はずれたりせずに結合されているならば、ファンの回転速度はモータ速度と同一であり、ファンの軸動力はモータ出力（＝モータ速度×モータトルク）と同一であるとみなせるため、次式の式（５）、式（６）が成り立つ。
Figure 2013128505
Figure 2013128505
ここで式（６）は次式の式（７）に変形できる。
Figure 2013128505
この式（５）と式（７）は、あるファンを駆動するモータ速度をω０からωに変化させたとき、風量がＱ０からＱに、モータトルクがＴ０からＴに変化するという関係の式である。式（５）と式（７）を式（４）に適用すると、上記の式（３）が導出される。
以上のように、特定のモータ速度ω０でファンを駆動させる実験のみを行えば、そのとき得られた近似式の式（４）の定数Ｋｎを式（３）に用いることにより、任意のモータ速度ωで同ファンを駆動させたときの風量Ｑを計算することができる。
なお風量Ｑを式（３）を利用せずに計算してもよい。例えば、送風経路内の圧力を変化させたときの風量Ｑ、モータ速度ω、モータトルクＴの関係を実験で求め、この関係を近似した式（８）を用いてもよい。
Figure 2013128505
ここで、Ｋｇｈ（ｇ＝０，１，２，・・・，ｊ、 ｈ＝０，１，２，・・・，ｉ）は定数、そしてｉとｊは有限値である。式（８）には流れの相似性が用いられておらず、複数のモータ速度ωにて風量ＱとモータトルクＴを測定する必要があるため、式（８）のＫｇｈの導出には式（４）、式（３）のＫｎの導出よりも多くの測定が必要である。また、ファンの羽根車外径を変更するたびに導出が必要である。しかし、この式（８）によっても風量Ｑをモータ速度ωとモータトルクＴとから計算することができる。
以上、風量計算部１１について説明した。以下、速度指令生成部１２の動作および構成要素について説明する。
速度指令生成部１２は、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータ３の速度指令ω＊を生成する。速度指令ω＊の生成は周期的に行われ、例えば毎秒１０回行う。なお、図１では所定の風量指令Ｑ＊がモータ制御装置８ａの外部から入力されているが、必ずしも毎周期外部入力される必要はない。
例えば、モータ制御装置８ａが内部にメモリ（図示せず）を有する構成とすることにより、外部入力された所定の風量指令Ｑ＊をこのメモリが記憶して、新たな所定の風量指令Ｑ＊が外部入力される都度更新するようにしてもよい。
また、必ずしも所定の風量指令Ｑ＊がモータ制御装置８ａの外部から入力される必要もない。例えば、モータ制御装置８ａ内部のメモリに複数の所定の風量指令Ｑ＊を記憶させ、手動でモータ制御装置８ａを操作することによって所定の風量指令Ｑ＊を選択する構成としてもよい。
図２は速度指令生成部１２の処理例を示すフローチャートである。速度指令ω＊の生成は、最初の速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）とその次の速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）の２段階で行われる。
速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）は、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるように速度指令ω＊を計算する。速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）は、計算された速度指令ω＊を、モータ速度ωとモータトルクＴおよび幾つかの所定値に基づいて修正することによりファンを安定に動作させる。
まず速度指令計算ステップス（ＳＴ１からＳＴ４）について説明する。
図２においてモータ制御装置８ａは、まず所定の風量指令Ｑ＊と風量計算部１１で計算された風量Ｑとの比較演算値ΔＱを式（９）によって求める（ステップＳＴ１）。
Figure 2013128505
ここで、比較演算値は必ずしも式（９）のように差分で定義される必要はなく、例えばＱ＊をＱで割った比率で定義してもよいが、本実施の形態では式（９）によって定義した比較演算値ΔＱを用いている。
次いでモータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱの値が第１の所定の範囲外であるか範囲内であるかを判断する（ステップＳＴ２）。例えば、ある所定の閾値を設け、ΔＱの絶対値がこの所定の閾値を超えていれば第１の所定の範囲外と判断し、ΔＱの絶対値がこの所定の閾値以下であれば第１の所定の範囲内と判断する。
次いでモータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲外である場合には、式（１０）によってモータ３の速度指令ω＊を生成する（ステップＳＴ３）。
Figure 2013128505
ここで、ωはモータ３のモータ速度、Ｑはファン１の風量、Ｑ＊は所定の風量指令である。ファンの風量が回転速度に比例するという流体の相似則により、式（１０）によって計算されるモータ速度ω＊は、所定の風量指令Ｑ＊の風量値を実現するモータ速度と等しい値になる。
このため、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化しても、速度指令ω＊が速やかに新たな所定の風量指令Ｑ＊の風量値を実現するモータ速度の値に変化するため、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させることができる。
一方モータ制御装置８ａは、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲内である場合には、式（１１）によって速度指令ω＊を生成する（ステップＳＴ４）。
Figure 2013128505
ここで、ωｚ ＊は速度指令生成部１３が前回出力した速度指令、ＫＧは制御ゲイン（定数）、Ｑはファン１の風量、Ｑ＊は所定の風量指令である。式（１１）はいわゆる積分補償によるフィードバック制御を行うことを意味している。ここで、予め空調環境の変化を想定し、風量Ｑを十分に安定に所定の風量指令Ｑ＊に収束させるように、制御ゲインＫＧの値を十分小さい値に設定する。
以上のように構成した速度指令計算ステップス（ＳＴ１からＳＴ４）の作用と効果を説明する。
仮に比較演算値ΔＱの値に係わらず常に式（１１）によって速度指令ω＊を生成するようにすると、風量Ｑを安定に収束させることはできるが、常に速度指令ω＊の変化が緩やかになる。このため、所定の風量指令Ｑ＊を大きく変化させた場合、風量Ｑが新たな所定の風量指令Ｑ＊に収束するまでに長い時間がかかってしまう。
しかし、その代わりに仮に常に式（１０）によって速度指令ω＊を生成すれば、計算される速度指令ω＊の変化が大きくなり、風量Ｑが所定の風量指令Ｑ＊の風量値を行ったり戻ったりして、安定に収束できないおそれがある。
そこで本実施の形態のように、比較演算値ΔＱの大きさに基づいて、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差が大きいと判断した場合は式（１０）によってモータ速度ωを大きく変化させ、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差が小さいと判断した場合は式（１１）によってモータ速度ωを緩やかに調整することにより、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化した場合でも、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させることができる。
次に、速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）について説明する。図３は図２における速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）の内部で行われる処理例のフローチャートである。
図３においてまずモータ制御装置８ａは、速度指令計算ステップスで生成された速度指令ω＊が、所定の最小速度指令と所定の最大速度指令の範囲内であるか否かを判断し、範囲内であれば速度指令ω＊を修正せず、所定の最小速度指令より小さい場合は速度指令ω＊を所定の最小速度指令に修正し、所定の最大速度指令を超えている場合は速度指令ω＊を所定の最大速度指令に修正する（ステップＳＴ５）。
このステップＳＴ５の効果を説明する。
送風経路２内の圧力が小さい場合など、所定の風量指令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、モータ３や送風経路２で急峻な状態変化が生じると、式（３）の定数Ｋｎの値によっては、過渡的に速度指令ω＊がマイナスの値で計算される場合があり、この場合はファン１が逆回転することになる。ファン１が逆回転すると吸い込み動作となって使用者が異常であると判断してしまうおそれがある。そのため速度指令ω＊に下限となる所定の最小速度指令を設けることにより、逆回転を防止できる。
逆に送風経路２内の圧力が大きい場合では、速度指令ω＊が異常に高い値になる場合がある。この場合、モータの能力を超える動作を実現しようとして制御が不安定になったり、モータ３が高速回転することによりファンやモータの振動が大きくなって、ファンやモータが故障したりするおそれがある。そのため速度指令ω＊に上限となる所定の最大速度指令を設けることにより、制御の不安定化あるいはファンやモータの故障を防止できる。
次いでモータ制御装置８ａは、式（１２）によって速度指令ω＊とモータ速度ωとの差である速度偏差Δωを計算し、速度偏差Δωが第２の所定の範囲内である場合には速度指令ω＊を修正せず、速度偏差Δωが第２の所定の範囲外である場合には速度偏差Δωが第２の所定の範囲内に収まるように速度指令ω＊を修正する（ステップＳＴ６）。
Figure 2013128505
修正方法の例としては、所定の正の制限幅Ｌを設けて、モータ速度ωにＬを加えた（ω＋Ｌ）を上限値、モータ速度ωからＬを減じた（ω−Ｌ）を下限値とし、速度指令ω＊が上限値（ω＋Ｌ）を超える場合には速度指令ω＊を上限値（ω＋Ｌ）に修正し、速度指令ω＊が加減値（ω−Ｌ）より小さい場合には速度指令ω＊を下限値（ω−Ｌ）に修正する。
このステップＳＴ６の効果を説明する。仮にモータ速度ωを急激に変化させた場合、モータトルクＴや送風経路２内の圧力の過渡的な変化により、実際の風量と風量計算部１１によって計算される風量Ｑとが乖離し、風量を安定に制御できなくなるおそれがある。そのため速度指令ω＊の変化幅に第２の所定の範囲を設けて急激なモータ速度ωの変化を防止することにより、風量Ｑの乖離による制御の不安定化を防止できる。
次いでモータ制御装置８ａは、得られたモータトルクＴと前回得られたモータトルクＴとを比較し、その差が第３の所定の範囲内である場合には、モータトルクＴの変化が僅かであると判断して、速度指令ω＊を速度指令生成部１３が前回出力した速度指令ωｚ ＊と同じ値に修正する（ステップＳＴ７）。
このステップＳＴ７の効果を説明する。仮にステップＳＴ７を行わず、僅かなモータトルクＴの変化によっても速度指令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＊が追従してようとして振動し、風量Ｑがいつまでも所定の風量指令Ｑ＊の風量値を行ったり戻ったりして安定に収束しない。そのため第３の所定の範囲によってトルク検出の不感帯を設け、収束点付近で速度指令ω＊が振動するのを防止することにより、風量Ｑを安定に所定の風量指令Ｑ＊に収束させることができる。
以上のように構成されたモータ制御装置８ａについて、以下にその動作を図４、図５を用いて説明する。図４および図５は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置８ａにおける風量制御例を説明する図である。図４、図５において、直線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、それぞれある空調環境でのモータ速度ωと風量Ｑの関係を示す。直線の傾きは、送風経路２の形状や吹き出し口に設けられたベントの状態などの空調環境によって変わる。
いま、直線Ｇ１で示される空調環境においてファン１を駆動しており、動作点が点Ｈ１にある状態を想定する。ファン１はこのとき４００ＣＦＭの風量を送風経路２を通じて送り出しており、このときのモータ速度は３００ｒｐｍである。
以下に、所定の風量指令Ｑ＊が１２００ＣＦＭで与えられた場合の動作点の変化を説明する。ただし、速度指令生成部１２のステップＳＴ２における第１の所定の範囲を絶対誤差２００ＣＦＭとし、ステップＳＴ６における第２の所定の範囲を絶対誤差２００ｒｐｍとする。
まず、風量計算部１１が動作点Ｈ１における風量４００ＣＦＭを計算する。次に、速度指令生成部１２の速度指令計算ステップス（ステップＳＴ１からＳＴ４）が速度指令ω＊を計算する。このとき式（９）で計算される比較演算値ΔＱは８００ＣＦＭであり、第１の所定の範囲である絶対誤差２００ＣＦＭを超えるため、ステップＳＴ２の条件分岐によって、ステップＳＴ３へと処理が移行する。
ステップＳＴ３は式（１０）を用いて、速度指令ω＊を（１２００／４００）×３００＝９００［ｒｐｍ］と計算する。したがってこのとき、図４における点Ｚが目標の動作点となる。
次いで速度指令修正ステップス（ステップＳＴ５からＳＴ７）が速度指令ω＊を修正する。ステップＳＴ６の式（１２）で計算される速度偏差Δωは６００ｒｐｍであり、第２の所定の範囲である絶対誤差２００ｒｐｍを超えているため、ステップＳＴ６は現在のモータ速度３００ｒｐｍに所定の絶対誤差２００ｒｐｍを加えた上限値５００ｒｐｍに速度指令ω＊を修正する。以上により、目標の動作点は図４における点Ｚから点Ｚ１に修正される。
そして、以上のように生成された速度指令５００ｒｐｍを速度指令生成部１２が出力し、モータ駆動制御部５ａがモータ速度を速度指令５００ｒｐｍに一致させるようにモータ３の駆動電圧を制御する。モータ制御装置８ａは周期的に速度指令ω＊を生成し、その都度更新される速度指令ω＊に基づいてモータ駆動制御部５ａがモータ３を速度制御する。これを繰り返すことにより、動作点は図５のＨ２、Ｈ３と移動していく。
図５において風量Ｑが１０００ＣＦＭを超える点Ｈ４に到達したとき、比較演算値ΔＱは第１の所定の範囲である絶対誤差２００ＣＦＭより小さくなるため、動作点Ｈ３までとは異なり、速度指令ω＊はステップＳＴ４によって計算される。ステップＳＴ４で用いられる式（１１）の制御ゲインＫＧは十分小さい値に設定されているため、速度指令ω＊の変化は緩やかになる。このため、動作点は図５に示すように、Ｈ４、Ｈ５、・・・と小刻みに移動していき、安定に目標の動作点Ｚに収束する。
以上のように、本実施の形態のモータ制御装置８ａは、モータ速度ωとモータトルクＴに基づいてファンの風量Ｑを計算する風量計算部１１と、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との比較演算値ΔＱに基づいて風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に一致させるようにモータの速度指令ω＊を生成する速度指令生成部１２と、を備え、速度指令生成部１２は、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲外である場合には、風量Ｑに対する所定の風量指令Ｑ＊の比率をモータ速度ωに乗じた結果を速度指令ω＊として生成し、比較演算値ΔＱが第１の所定の範囲内である場合には、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差分を積分演算した値を利用して速度指令ω＊を生成する構成である。
このように構成することにより、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊の差ΔＱが大きい場合には、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に高速に追従させ、風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊の差ΔＱが小さい場合には、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊へと緩やかかつ安定に収束させることができる。
このように風量Ｑと所定の風量指令Ｑ＊との差ΔＱに応じて速度指令ω＊の生成方法を変化させることにより、たとえ所定の風量指令Ｑ＊が大きく変化した場合でも、風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に向けて高速に追従させ、且つ安定に収束させることができる。
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置を具備したモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。本実施の形態は、図１に示す実施の形態１におけるモータ駆動制御部５ａを図６に示すモータ駆動制御部５ｂに置き換え、同様に、図１に示す実施の形態１におけるモータ制御装置８ａを図６に示すモータ制御装置８ｂに置き換えた構成である。
図１ではモータ駆動制御部５ａがモータ制御装置８ａの外部にあるが、図６ではモータ駆動制御部５ｂがモータ制御装置８ｂの内部にある構成である。
なお、モータ駆動制御部５ｂおよびモータ制御装置８ｂの動作は、それぞれ実施の形態１におけるモータ駆動制御部５ａとモータ制御装置８ａと同じであるため説明を省略する。その他の構成についても実施の形態１と同じであり、同じ構成要素の説明は省略する。
本実施の形態は、上述の構成によって、実施の形態１と同様の作用および効果を得ることができる。また本実施の形態におけるモータ制御装置８ｂは、モータ駆動制御部５ｂを内部に有する構成であるため、インバータ４を制御する装置を別個に用意することなく、直接にインバータ４に制御信号を出力して、ファン１の風量Ｑを所定の風量指令Ｑ＊に追従させるようにモータ３を制御することができる。
次に、実施の形態１と実施の形態２を含めて、本発明の共通的な代替構成について説明する。
モータの制御方式が速度制御方式であるため、速度指令ω＊の変化が急峻になり過ぎない限りにおいて、速度指令ω＊とモータ速度ωはほぼ等しくなる。このため、図２に示す速度指令生成部１２の処理のフローチャートにおいて、ステップＳＴ３に用いられている式（１０）の代わりに式（１３）を用いる構成としてもよいし、ステップＳＴ４に用いられている式（１１）の代わりに式（１４）を用いる構成としてもよい。
Figure 2013128505
Figure 2013128505
ここで、ωｚ ＊は速度指令生成部１２が前回出力した速度指令である。
本発明のモータ制御装置及びモータ制御方法は、風量を所定の風量値に制御するようなシステムに最適であり、一般家庭の家屋、業務用建築物、車両等の空調設備として有用である。
１ ファン
２ 送風経路
３ モータ
４ インバータ
５ａ モータ駆動制御部
５ｂ モータ駆動制御部
６ 位置検出器
７ 電流検出器
８ａ モータ制御装置
８ｂ モータ制御装置
９ 速度検出部
１０ トルク検出部
１１ 風量計算部
１２ 速度指令生成部

Claims (13)

  1. ファンを駆動するモータを制御するモータ制御装置において、モータ速度及びモータトルクを示す情報を取得し、前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算する風量計算部と、前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成する速度指令生成部と、を備える、モータ制御装置。
  2. 前記速度指令生成部は、前記比較演算値が第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記速度指令を生成し、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令との差分を利用して前記速度指令を生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲外である場合には、前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前記モータ速度に乗じた結果、又は前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を前回出力した速度指令に乗じた結果を、前記速度指令として生成する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  4. 前記速度指令に前記モータ速度を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モータ駆動制御部を更に有する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  5. 前記速度指令生成部は、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令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する、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、前記比較演算値が前記第１の所定の範囲内である場合には、前記風量と前記所定の風量指令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１に記載のモータ制御装置。
  7. 前記速度指令生成部は、前記速度指令と前記モータ速度との差が第２の所定の範囲外である場合には、前記速度指令と前記モータ速度との差が前記第２の所定の範囲内に収まるように前記速度指令を修正する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  8. 前記速度指令生成部は、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３の所定の範囲内である場合には、前記速度指令を前回出力した速度指令と同じ値に修正する、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、最小速度指令および最大速度指令を記憶しており、前記速度指令を前記最小速度指令と前記最小速度指令の範囲内に制限して出力する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  10. 前記風量計算部は、前記モータトルクを前記モータ速度の二乗で除した変数の多項式と前記モータ速度との積として風量を計算する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  11. 前記モータ速度は、前記モータ速度を検出する第１の検出器により取得される、請求項１に記載のモータ制御装置。
  12. 前記モータトルクは、前記モータに流れる電流を検出する第２の検出器により取得される、請求項１に記載のモータ制御装置。
  13. ファンを駆動するモータを制御するモータ制御方法において、
    モータ速度及びモータトルクを示す情報を取得することと、
    取得した前記モータ速度と前記モータトルクとに基づいて前記ファンの風量を計算することと、
    計算した前記風量と所定の風量指令との比較演算値に基づいて前記風量に対する前記所定の風量指令の比率を利用して前記風量を前記所定の風量指令に一致させるように前記モータの速度指令を生成することと、
    を含む、モータ制御方法。
JP2014501832A 2012-03-02 2012-09-13 モータ制御装置及びモータ制御方法 Active JP5866509B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014501832A JP5866509B2 (ja) 2012-03-02 2012-09-13 モータ制御装置及びモータ制御方法

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012046204 2012-03-02
JP2012046204 2012-03-02
PCT/JP2012/005849 WO2013128505A1 (ja) 2012-03-02 2012-09-13 モータ制御装置及びモータ制御方法
JP2014501832A JP5866509B2 (ja) 2012-03-02 2012-09-13 モータ制御装置及びモータ制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2013128505A1 true JPWO2013128505A1 (ja) 2015-07-30
JP5866509B2 JP5866509B2 (ja) 2016-02-17

Family

ID=49081770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014501832A Active JP5866509B2 (ja) 2012-03-02 2012-09-13 モータ制御装置及びモータ制御方法

Country Status (5)

Country Link
US (2) US9771944B2 (ja)
EP (1) EP2822177B1 (ja)
JP (1) JP5866509B2 (ja)
CN (1) CN104160616B (ja)
WO (1) WO2013128505A1 (ja)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015186401A (ja) * 2014-03-26 2015-10-22 ダイキン工業株式会社 流量制御装置
JP6279958B2 (ja) * 2014-03-31 2018-02-14 住友建機株式会社 ショベル
US20150330397A1 (en) * 2014-05-14 2015-11-19 International Business Machines Corporation Air flow detection and correction based on air flow impedance
WO2016067552A1 (ja) * 2014-10-28 2016-05-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 換気装置
KR101684538B1 (ko) * 2015-06-18 2016-12-08 현대자동차 주식회사 하이브리드 차량의 인버터 제어 방법
JP6434647B2 (ja) * 2015-11-02 2018-12-05 三菱電機株式会社 モータ駆動装置、電気掃除機およびハンドドライヤー
DE102016221034A1 (de) 2015-11-30 2017-06-01 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zur Kompensation von Gebläsespannungsänderungen bei einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage
US10158308B2 (en) 2016-06-17 2018-12-18 Semiconductor Components Industries, Llc Identifying voltage to prevent motor integrated circuit damage
US10243490B2 (en) 2016-06-17 2019-03-26 Semiconductor Components Industries, Llc Controlling multiple facets of duty cycle response using a single motor integrated circuit pin
US9887652B2 (en) 2016-06-17 2018-02-06 Semiconductor Components Industries, Llc Controlling lead angle using a single motor integrated circuit pin
CN108331777B (zh) * 2017-01-20 2021-04-30 德昌电机(深圳)有限公司 电机风扇装置、空气流动性调节设备及风量控制方法
DE102018104396A1 (de) * 2018-02-27 2019-08-29 Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg Parameterkonstanz
CN112567182B (zh) 2018-06-11 2023-02-10 布罗恩-努托恩有限责任公司 具有从神经网络导出的自动流量平衡的通风***
IT201800007037A1 (it) * 2018-07-09 2020-01-09 Dispositivo climatizzatore di ambienti e metodo per il controllo di un dispositivo climatizzatore di ambienti.
CN110943667B (zh) * 2018-09-25 2023-06-09 欧姆龙(上海)有限公司 感应电机的控制装置和控制方法
US11841022B2 (en) 2020-01-06 2023-12-12 Regal Beloit America, Inc. Control system for electric fluid moving apparatus
US10731889B2 (en) 2019-01-08 2020-08-04 Regal Beloit America, Inc. Motor controller for electric blowers
DE102019101022A1 (de) * 2019-01-16 2020-07-16 Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg Volumenstrombestimmung
CN112013457B (zh) * 2019-05-30 2021-12-21 武汉海尔电器股份有限公司 空调器及其控制方法
CN112283910B (zh) * 2019-07-24 2022-01-21 青岛海尔空调器有限总公司 导风板控制方法及空调器
CN113757978B (zh) * 2020-05-29 2023-03-03 佛山市威灵洗涤电机制造有限公司 一种通风设备及其恒风量的电机控制方法和***
WO2022192352A1 (en) * 2021-03-09 2022-09-15 Magna International Inc. Multi-critic based enhanced vector control optimization with multi-q learning for motor control

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4638233A (en) * 1985-10-24 1987-01-20 General Electric Company Method of establishing a preferred rate of air flow, method of determining torque, and apparatus
US4648551A (en) 1986-06-23 1987-03-10 Carrier Corporation Adaptive blower motor controller
JPS63186594A (ja) 1987-01-27 1988-08-02 Daikin Ind Ltd 空気調和機の制御装置
US5463299A (en) * 1989-06-07 1995-10-31 Hitachi, Ltd. Current controller for controlling a current flowing in a load using a PWM inverter and method used thereby
JP3111437B2 (ja) 1993-02-09 2000-11-20 東陶機器株式会社 ファンモータ制御装置
JPH07260903A (ja) 1994-03-23 1995-10-13 Toshiba Corp 誘導電動機のトルク設定装置
JP3052844B2 (ja) 1995-11-14 2000-06-19 トヨタ自動車株式会社 動力出力装置及びその制御方法並びに駆動装置
JPH09304489A (ja) * 1996-05-09 1997-11-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 誘導電動機のモータ定数測定方法
JP4465129B2 (ja) * 2000-07-14 2010-05-19 パナソニック株式会社 ブラシレスモータの駆動装置と駆動方法
EP1198059A3 (en) * 2000-10-11 2004-03-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method and apparatus for position-sensorless motor control
JP3738685B2 (ja) 2000-11-21 2006-01-25 三菱電機株式会社 インバータ装置および送風装置
US6504338B1 (en) * 2001-07-12 2003-01-07 Varidigm Corporation Constant CFM control algorithm for an air moving system utilizing a centrifugal blower driven by an induction motor
US6844693B2 (en) * 2002-03-29 2005-01-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Position control apparatus for motor
CA2513982C (en) * 2003-01-22 2013-12-24 David L. Hagen Reactor
US7525262B2 (en) * 2005-01-12 2009-04-28 Whirlpool Corporation Automatic clothes dryer
JP4736875B2 (ja) * 2006-03-14 2011-07-27 株式会社デンソー ファンモータ駆動装置及びファンモータ駆動方法
MY167120A (en) * 2006-11-10 2018-08-10 Oyl Res & Development Centre Sdn Bhd An apparatus for controlling an air distribution system
WO2008117515A1 (ja) 2007-03-27 2008-10-02 Panasonic Corporation モータ制御装置とその制御方法、及びモータ装置
MY151881A (en) * 2007-05-07 2014-07-14 Oyl Res And Dev Ct Sdn Bhd Airflow control for variable speed blowers
FR2925951B1 (fr) * 2007-12-28 2013-07-12 Atlantic Climatisation & Ventilation Procede de regulation d'un groupe de commande d'un ventilateur, et groupe correspondant
US7941294B2 (en) * 2009-02-10 2011-05-10 Emerson Electric Co. System and method for detecting fluid delivery system conditions based on motor parameters
US20130345995A1 (en) * 2012-05-21 2013-12-26 Carrier Corporation Air Flow Control And Power Usage Of An Indoor Blower In An HVAC System
JP6194466B2 (ja) * 2013-04-11 2017-09-13 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 モータ駆動装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN104160616B (zh) 2016-12-28
US9771944B2 (en) 2017-09-26
EP2822177B1 (en) 2018-01-24
JP5866509B2 (ja) 2016-02-17
US20170350404A1 (en) 2017-12-07
WO2013128505A1 (ja) 2013-09-06
US20150064023A1 (en) 2015-03-05
CN104160616A (zh) 2014-11-19
EP2822177A4 (en) 2015-03-18
EP2822177A1 (en) 2015-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5866509B2 (ja) モータ制御装置及びモータ制御方法
JP6037316B2 (ja) モータ制御装置、モータ制御方法および送風装置
JP6037317B2 (ja) モータ制御装置、モータ制御方法および送風装置
JP5988224B2 (ja) モータ制御装置及びモータ制御方法
JP5327045B2 (ja) モータ制御装置とその制御方法、及びモータ装置
US8251671B2 (en) Apparatus for controlling an air distribution system
KR101395891B1 (ko) 공기조화기의 전동기 제어장치
JP5291325B2 (ja) 圧縮機に接続されたモータの制御装置
JP6798426B2 (ja) 真空ポンプ用モータの回転速度制御装置、真空ポンプ
US11761665B2 (en) Motor controller for electric blowers
CN110557076A (zh) 用于电动鼓风机电机的电机控制器
JP2015154503A (ja) モータ装置
CN113544440A (zh) 用于电动流体移动设备的控制***
US8175836B2 (en) Flow estimation for fluid handling system
US11841022B2 (en) Control system for electric fluid moving apparatus
US20220316744A1 (en) Systems and methods for controlling an electric blower motor in a fluid moving system
JP6221057B2 (ja) 換気装置
WO2021019730A1 (ja) 換気装置および換気装置の制御方法
JP2015186401A (ja) 流量制御装置
CN116636132A (zh) 换气送风机
JPWO2021019729A1 (ja) 換気装置および換気装置の制御方法
JP2020124085A (ja) 制御装置、モータ駆動装置、及びそれを用いた冷凍機器
JP2012222965A (ja) 送風装置

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150427

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150427

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20150427

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20150814

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150825

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150901

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5866509

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151