JP6687980B2 - ファン制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ファンの回転数を制御する技術に関するものである。

ファンの回転数を制御する技術としては、PWM制御するファンの回転数とデューティ比の関係を一次関数によって線形に定義し、当該定義に従って目標とする回転数に対して定まるデューティ比のPWM信号でファンを駆動する技術が知られている。

また、このような回転数に対して線形にPWM信号のデューティ比を定める技術において、ファンの回転数とデューティ比の関係を表す一次関数を学習する技術や（たとえば、特許文献１）や、停止状態からファンの回転を開始するときにだけ、回転数に対して線形に定まるPWM信号のデューティ比よりも大きなデューティ比のPWM信号でファンを駆動する技術（特許文献２）も知られている。

また、ファンの回転数を制御する技術としては、自動車に搭載される音響装置の冷却ファンの回転数を、当該音響装置の温度や、当該音響装置が出力する音の音量や、自動車のエンジン回転数や、自動車の走行速度や、自動車の車内音量や、自動車のエアコンの風量や、自動車のウインドウの開閉状態や、自動車の周囲の環境に応じて変化させる技術が知られている（たとえば、特許文献３）。

特開２０１０-１１０１８５号公報 国際公開ＷＯ２００９/０８１４９６ 特開２００６-１１４８６９号公報

ファンによっては回転数とPWM信号のデューティ比の関係が線形となっておらず、このようなファンについて、回転数に対して線形に定めたPWM信号でファンを駆動すると、ファンの実際の回転数が所望の回転数より大きい回転数となってしまい、ファンの騒音によりユーザに不快感を与えてしまう場合が生じる。

ここで、回転数とPWM信号のデューティ比の正しい関係をファン毎にそれぞれ算出して予め設定することは、同じ製品であっても個々のファンの個体差があるため困難であると共に、このような設定を予め行っても、ファンの経年変化による回転数とPWM信号のデューティ比の関係の変化には対応できない。

一方で、回転数とPWM信号のデューティ比の関係を動的に学習更新するようにすれば、回転数とPWM信号のデューティ比の正しい関係を設定することができるが、このためには、当該学習更新のための比較的複雑な構成を備える必要がある。

そこで、本発明は、簡易な構成において、PWM制御されるファンの回転数を、目標とする回転数を上回らない回転数に制御することを課題とする

前記課題達成のために、本発明は、ＰＷＭ信号で駆動されるファンを備えたファン制御システムに、前記ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、設定された目標回転数に応じて前記ファンの回転数を制御する制御手段とを備えたものである。ここで、前記制御手段は、前記目標回転数として前記ファンの回転数を増加する回転数が設定されたときに、前記回転数検出手段が検出している前記ファンの現在の回転数を前記ＰＷＭ信号の現在のデューティ比で除した値を回転数変化率として、前記目標回転数から前記ファンの現在の回転数を減じた値を前記回転数変化率で除した値を、前記ＰＷＭ信号の現在のデューティ比に加えた値を目標デューティ比として算定し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新する。

ここで、一般的に、ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させたときのファンモータの回転数の変化量は、ファンモータの回転数が大きいほど小さくなる（回転数が大きいほど回り難くなる）傾向がある。

よって、本発明に係るファン制御システムのように、回転数を増加させる回転数制御を行う場合に、回転数を増加する前のファンモータの回転数をＰＷＭ信号のデューティ比で除した値を回転数変化率として求めて、前記目標回転数から前記ファンの現在の回転数を減じた値を前記回転数変化率で除した値を、前記ＰＷＭ信号の現在のデューティ比に加えた値を目標デューティ比として算定することにより、回転数を増加した後のファンモータの回転数を目標回転数以下の目標回転数に近い値に制御することができる。

ここで、このようなファン制御システムにおいて、前記制御手段を、前記目標回転数として前記ファンの回転数を減少する回転数が設定されたときに、前記目標回転数から前記ファンの現在の回転数を減じた値を予め定めた固定値で除した値を、前記ＰＷＭ信号の現在のデューティ比に加えた値を目標デューティ比として算定し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新するものとすると共に、前記固定値を、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新した場合の前記ファンの回転数が当該目標回転数以下となるように設定するようにしてもよい。

また、このようなファン制御システムにおいて、前記制御手段は、前記ファンの回転を開始するときに、設定された目標回転数を所定値で除した値を目標デューティ比として算定し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新するものとすると共に、前記所定値を、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新した場合の前記ファンの回転数が当該目標回転数以下となるように設定するようにしてもよい。

これらのようにすることにより、回転数を減少させる回転数制御を行う場合や、回転を開始する回転数制御を行う場合にも、回転数を減少した後のファンモータの回転数を目標回転数以下に制御することができるようになる。

なお、以上のファン制御システムは、たとえば、自動車に搭載されるものである。

以上のように、本発明によれば、簡易な構成において、PWM制御されるファンの回転数を、目標とする回転数を上回らない回転数に制御することができる。

本発明の実施形態に係るファンシステムの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る目標デューティ比設定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る回転数変化率算出処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に本実施形態に係るファンシステムの構成を示す。
図示するように、本実施形態に係るファンシステムは、ＤＣモータであるファンモータ１１と羽根車１２より構成されるファン１と、ファンモータ１１の回転数（回転速度）ＣＲを検出する回転センサ２と、ファンモータ１１をＰＷＭ信号ＰＳで駆動するＰＷＭ駆動部３と、回転コントローラ４とを備えている。

ここで、回転コントローラ４は、入力するファン１の回転数の目標値である目標回転数ＴＲから、回転数の目標値ＴＲを実現するためのＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比である目標デューティ比ＴＤを算出し、算出した目標デューティ比ＴＤをＰＷＭ駆動部３に設定し、ファンモータ１１を駆動するＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比を、設定されてた目標デューティ比ＴＤに一致させる制御を行う。

具体的には、回転コントローラ４は、デューティ比設定部４１と、回転数変化率算定部４２を備えている。
そして、デューティ比設定部４１は、目標回転数ＴＲから目標デューティ比ＴＤを算出しＰＷＭ駆動部３に設定するために、目標デューティ比設定処理を行う。
図２に、この目標デューティ比設定処理の手順を示す。
図示するように、目標デューティ比設定処理において、デューティ比設定部４１は、入力する目標回転数ＴＲと回転センサ２が検出している現在のファンモータ１１の回転数ＣＲとの差の（ＴＲ-ＣＲ）の絶対値が目標回転数ＴＲのｎ％（ｎ％はたとえば２％）超となるのを監視する（ステップ２０２）。なお、目標回転数ＴＲは常に正であるものとする。

そして、（ＴＲ-ＣＲ）の絶対値が目標回転数ＴＲのｎ％超となったならば、回転数変化率算定部４２に回転数変化率算出処理を実行させ、回転数変化率算出処理で算出された回転数変化率Ｋを取得する（ステップ２０４）。ここで、この回転数変化率算定部４２が行う回転数変化率算出処理については後述する。

次に、ＰＷＭ駆動部３が現在出力しているＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤと、目標回転数ＴＲと、回転センサ２が検出している現在のファンモータ１１の回転数ＣＲと、ステップ２０４で取得した回転数変化率Ｋを用いて、目標デューティ比ＴＤを下式により算定する（ステップ２０６）。
ＴＤ=ＣＤ+{(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋ}
そして、算定した目標デューティ比ＴＤをＰＷＭ駆動部３に設定し（ステップ２０８）、ステップ２０２からの処理に戻る。

以上、デューティ比設定部４１が行う目標デューティ比設定処理について説明した。
次に、上述したように回転数変化率算定部４２が行う回転数変化率算出処理について説明する。
図３に、この回転数変化率算出処理の手順を示す。
図示するように、回転数変化率算出処理において回転数変化率算定部４２は、まず、回転センサ２が検出している現在のファンモータ１１の回転数ＣＲが０であるかどうかを調べ（ステップ３０２）、回転数ＣＲが０であれば起動時用の回転数変化率Ｋの値として予め設定しておいた固定値Ｋ０を回転数変化率Ｋの値として算定して（ステップ３０４）、算定した回転数変化率Ｋをデューティ比設定部４１に通知し回転数変化率算出処理を終了する。

一方、回転数ＣＲが０でなければ（ステップ３０２）、さらに、目標回転数ＴＲが現在のファンモータ１１の回転数ＣＲより小さいかどうかを調べ（ステップ３０６）、小さければ、回転数を減少させる回転数制御用の回転数変化率Ｋの値として予め設定しておいた固定値Ｋ１を回転数変化率Ｋの値として算定して（ステップ３０８）、算定した回転数変化率Ｋをデューティ比設定部４１に通知し回転数変化率算出処理を終了する。

そして、目標回転数ＴＲが現在のファンモータ１１の回転数ＣＲより小さくない場合（ステップ３０６）、すなわち、目標回転数ＴＲが現在のファンモータ１１の回転数ＣＲより大きい場合には、回転センサ２が検出している現在のファンモータ１１の回転数ＣＲと、ＰＷＭ駆動部３が現在出力しているＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤを用いて、
Ｋ=ＣＲ/ＣＤ
によって、回転数変化率Ｋを算定し（ステップ３１０）、算定した回転数変化率Ｋをデューティ比設定部４１に通知し回転数変化率算出処理を終了する。

以上、回転数変化率算定部４２が行う回転数変化率算出処理について説明した。
このような目標デューティ比設定処理と回転数変化率算出処理によれば、ファン１の回転を開始する起動時には、ＰＷＭ駆動部３が現在出力しているＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤと、目標回転数ＴＲと、回転センサ２が検出している現在のファンモータ１１の回転数ＣＲと、起動時用の回転数変化率Ｋの値として予め設定しておいた固定値Ｋ０とを用いて目標デューティ比ＴＤは、
ＴＤ=ＣＤ+{(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋ０}
によって設定される。
ただし、起動時には、ＣＤ=０、ＣＲ=０であるので、
ＴＤ=ＴＲ/Ｋ０となる。

ここで、Ｋ０は、ＴＤ=ＴＲ/Ｋ０によって設定した目標デューティ比ＴＤのＰＷＭ信号ＰＳによってファンモータ１１を駆動したときに、ファンモータ１１の回転数がＴＲ以下となることが保証される値を設定する。より具体的には、たとえば、ＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比を１％変化させたときのファンモータ１１の回転数の変化量の最大値と見込まれる値をＫ０として設定する。

また、回転数を減少させる回転数制御を行う場合には、ＰＷＭ駆動部３が現在出力しているＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤと、目標回転数ＴＲと、回転センサ２が検出している現在のファンモータ１１の回転数ＣＲと、回転数を減少させる回転数制御用に予め設定しておいた固定値Ｋ１とを用いて目標デューティ比ＴＤは、
ＴＤ=ＣＤ+{(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋ１}
によって設定される。なお、回転数を減少させる回転数制御を行う場合、(ＴＲ-ＣＲ)は負の値となる。

ここで、Ｋ１は、ＴＤ=ＣＤ+{(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋ１}によって設定した目標デューティ比ＴＤのＰＷＭ信号ＰＳによってファンモータ１１を駆動したときに、ファンモータ１１の回転数がＴＲ以下となることが保証される値を設定する。より具体的には、たとえば、ＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比を１％変化させたときのファンモータ１１の回転数の変化量の最大値と見込まれる値をＫ１として設定する。

そして、回転数を増加させる回転数制御を行う場合には、現在のファンモータ１１の回転数ＣＲと、ＰＷＭ駆動部３が現在出力しているＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤを用いて、
Ｋ=ＣＲ/ＣＤ
によって算出したＫと、ＰＷＭ駆動部３が現在出力しているＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤと、目標回転数ＴＲと、回転センサ２が検出している現在のファンモータ１１の回転数ＣＲとを用いて目標デューティ比ＴＤは、
ＴＤ=ＣＤ+{(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋ}
によって設定される。

ここで、現在のファンモータ１１の回転数ＣＲの、ＰＷＭ駆動部３が現在出力しているＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤに対する比Ｋ=ＣＲ/ＣＤは、現在の状態における実際の、ＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比を１％変化させたときのファンモータ１１の回転数の変化量を表していると考えることができる。
さて、ここで仮に、ＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比を１％変化させたときのファンモータ１１の回転数の変化量である回転変化率がファンモータ１１の回転数によらずに一定であるものとし、この一定である回転変化率をＫｓとすれば、(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋｓは、ファンモータ１１の回転数をＣＲからＴＲに変化させるために必要な、ＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比の変化量を表しているので、(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋｓを現在のデューティ比に加算したＴＤ=ＣＤ+{(ＴＲ-ＣＲ)/ Ｋｓ}によって、現在のファンモータ１１の回転数ＣＲを目標回転数ＴＲに制御できることが期待できる。

一方で、一般的に、ＣＲ/ＣＤによって表されるＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比を１％変化させたときのファンモータ１１の回転数の変化量すなわち回転数変化率Ｋは、ファンモータ１１の回転数ＣＲが大きいほど小さくなる（ファンモータ１１が回り難くなる）傾向がある。
よって、回転数を増加させる回転数制御を行う場合に、回転数を増加する前のファンモータ１１の回転数ＣＲとＰＷＭ信号ＰＳのデューティ比ＣＤからＫ=ＣＲ/ＣＤとして算出したＫを用いて目標デューティ比ＴＤを、ＴＤ=ＣＤ+{(ＴＲ-ＣＲ)/Ｋ}によって設定してもファンモータ１１の回転数は目標回転数ＴＲまでは増加しない。したがって、このように目標デューティ比ＴＤを設定することにより、回転数を増加した後のファンモータ１１の回転数を、目標回転数ＴＲ以下の目標回転数ＴＲに近い値に制御することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、本実施形態に係るファンシステムは、自動車に搭載されるオーディオ装置やナビゲーション装置の空冷を行うファンシステムや、自動車の空調システムの風量調整を行うファンシステムなどに適用することができる他、回転数制御を行うファンシステムを備える任意のシステムに適用することができる。

１…ファン、２…回転センサ、３…ＰＷＭ駆動部、４…回転コントローラ、１１…ファンモータ、１２…羽根車、４１…デューティ比設定部、４２…回転数変化率算定部。

Claims (3)

1. ＰＷＭ信号で駆動されるファンであって、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を１％変化させたときのファンの回転数の変化量が回転数が大きいほど小さくなるファンを備えたファン制御システムであって、
   前記ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、
   設定された目標回転数に応じて前記ファンの回転数を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、
   前記目標回転数が前記ファンの現在の回転数より大きいときに、前記回転数検出手段が検出している前記ファンの現在の回転数を前記ＰＷＭ信号の現在のデューティ比で除した値を回転数変化率として、前記目標回転数から前記ファンの現在の回転数を減じた値を前記回転数変化率で除した値を、前記ＰＷＭ信号の現在のデューティ比に加えた値を目標デューティ比として算定し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新する処理を繰り返し行い、
   前記目標回転数が前記ファンの現在の回転数より小さいときに、前記目標回転数から前記ファンの現在の回転数を減じた値を予め定めた固定値で除した値を、前記ＰＷＭ信号の現在のデューティ比に加えた値を目標デューティ比として算定し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新する処理を行うことを特徴とするファン制御システム。
2. 請求項１記載のファン制御システムであって、
   前記制御手段は、前記ファンの回転を開始するときに、設定された目標回転数を固定的に定めた所定値で除した値を目標デューティ比として算定し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算定した前記目標デューティ比に更新することを特徴とするファン制御システム。
3. 請求項１または２記載のファン制御システムであって、
   当該ファン制御システムは、自動車に搭載されていることを特徴とするファン制御システム。