CN103776556A - 估算电动机温度的温度估算装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种估算电动机温度的温度估算装置。系数值采集部（11e）使用电动机的损耗（Q₁（t））、检测温度（T_d（t））以及电动机（5）的周围温度（T_a）采集表示因电动机（5）的损耗（Q₁（t））而产生的电动机（5）的发热量、电动机（5）的温度波动量以及温度检测元件（5f）的设置位置之间关系的系数（C、K）的值。温度估算部（11g）基于系数（C、K）的值、系数（C）的预先设定的基准值（C_m）、系数（K）的预先设定的基准值（K_m）、检测温度（T_d（t））以及电动机（5）的周围温度（T_a），估算电动机（5）的温度（Te（t））。

Description

估算电动机温度的温度估算装置

技术领域

本发明涉及估算电动机温度的温度估算装置。

背景技术

以往，提出有为了进行电动机是否处于过热状态的判断等而估算电动机温度的温度估算装置的方案。这样的温度估算装置进行基于由温度检测元件检测出的检测温度的电动机温度的估算、和基于依次算出的电动机损耗的电动机温度的估算中的任一种或两种。

在进行基于由温度检测元件检测出的检测温度的电动机温度的估算的情况下，使温度检测元件与设置于电动机的线圈（发热源）邻接地配置，将由温度检测元件检测到的检测温度估算为电动机的温度。

另一方面，例如日本特开平9-93795号公报所记载的那样，在进行基于电动机损耗的电动机温度的估算的情况下，将电动机内流动的电流在预先设定的每个采样周期（例如250微秒）依次采集，根据依次采集到的电流依次算出电动机的损耗，根据依次算出的损耗估算电动机的温度。

即使在电动机制造时将温度检测元件与线圈邻接地设置，对于所有同一形状以及同一材质的电动机也不能将温度检测元件设置于同一位置，所以在每个电动机上产生温度检测元件的设置位置的不同。由于产生这样的温度检测元件的设置位置的不同，即使在电动机的发热量相同的情况下，由温度检测元件检测出的检测温度也会产生波动。这样的检测温度的波动，随着温度检测元件设置位置周边部的温度梯度增大而变大。例如，在将冷却系统的冷却液填充部配置于电动机的外侧侧面的情况下，为了提高冷却效果而将冷却液填充部邻接线圈配置。为此，在电动机的发热量相同的情况下，由温度元件检测出的检测温度随着温度检测元件的设置位置和冷却液填充部之间的最短距离缩短而降低。为此，输出用于过热保护的警报的时间点，随着温度检测元件的设置位置和冷却液填充部之间的最短距离缩短而推迟。因此，受到由于每个电动机的温度检测元件的设置位置不同而引起的、由温度检测元件检测出的检测温度波动的影响，在每个电动机上产生估算的电动机温度的不同，存在为了进行电动机是否处于过热状态的判断不能准确地估算电动机温度的不良情况。

另一方面，在进行基于依次算出的电动机损耗的电动机温度的估算的情况下，由于为了依次算出电动机的损耗而在每个采样周期内依次采集电流，所以随着在某个采样周期采集到的电流值和在下一个采样周期采集到的电流值之间的波动变大而电动机损耗的波动变大。另外，估算的温度的波动随着电动机损耗的波动变大而变大。因此，受电动机内流动的电流的波动的影响，估算的电动机温度产生不均匀，存在为了进行电动机是否处于过热状态的判断不能准确地估算电动机温度的不良情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度估算装置，能够不受由于每个电动机的温度检测元件的设置位置不同而引起的、由温度检测元件检测出的检测温度的波动影响或电动机内流动的电流波动的影响地估算电动机的温度。

温度估算装置，其特征在于，具备：损耗算出部，将电动机的损耗在预先设定的期间内算出；检测温度采集部，将配置于电动机的温度检测元件所检测到的检测温度，在整个预先设定的期间在每个预先设定的采样周期依次采集；系数值采集部，使用损耗算出部算出的损耗、检测温度采集部采集到的检测温度以及电动机的周围温度，采集表示因损耗而产生的电动机的发热量、电动机的温度波动量以及温度检测元件的设置位置之间关系的系数值；以及温度估算部，基于系数的值、系数的预先设定的基准值、检测温度以及电动机的周围温度，估算电动机的温度。

优选地，检测温度采集部采集设置于具有冷却系统的电动机的温度检测元件所检测到的检测温度。

优选地，检测温度采集部采集与设置于电动机的线圈邻接设置的温度检测元件所检测到的检测温度。

附图说明

本发明通过参照以下附图能够更明确地理解。

图1是应用了温度估算装置的系统的框图。

图2是图1的温度估算装置的框图。

具体实施方式

参照以下附图，对估算电动机温度的温度估算装置进行说明。但是，希望理解本发明并不限定于附图或以下说明的实施方式。

图1是应用了温度估算装置的系统的框图。图1所示的系统在机床、机器人等中使用，具有三相交流电源1、换流器2、平滑用电容器3、变换器4、电流检测器4U、4V、4W、作为电动机的旋转型永磁铁同步电动机5、被驱动体6、旋转角度检测器7、冷却系统8、温度检测元件9、变换器控制装置10、温度估算装置11以及上级控制装置12。在图1中，为了清楚，以截面表示旋转型永磁铁同步电动机5、被驱动体6以及冷却系统8的一部分。

换流器2例如由多个（三相交流的情况下是6个）整流二极管构成，将从三相交流电源1供给的交流电转换为直流电。平滑用电容器3为了使被换流器2的整流二极管整流的电压平滑化而并联地连接于换流器2。变换器4并联地连接于平滑用电容器3，例如由多个（三相交流的情况下是6个）晶体管构成，通过基于后面说明的PWM信号V_PWM进行晶体管的断通动作，从而将由换流器2转换的直流电转换为交流电。电流检测器4U、4V、4W各自例如由霍尔元件构成，为了分别检测三相的U相电流I_U、V相电流I_V以及W相电流I_W的电流值而设置于变换器4的输出线。

旋转型永磁铁同步电动机5由存储于平滑用电容器3的电力进行驱动，具有：具有旋转轴5a的转子5b；和以包围转子5b的方式配置的定子5c。转子5a具有永磁铁5d。定子5c具有供给U相电流I_U、V相电流I_V以及W相电流I_W的线圈5e。因此，永磁铁同步电动机5起到三相同步电动机的作用。在本实施方式中，旋转轴5a相对于轴线α沿逆时针方向a旋转。另外，在本实施方式中，使温度检测元件5f与作为发热源的线圈5e邻接地设置。温度检测元件5f由热敏电阻和恒温器中任意一种构成，检测出相当于线圈5e的温度的检测温度T_d（t）。

旋转角度检测器7由旋转式编码器构成，为了检测旋转轴5a的旋转角度θ而安装于旋转轴5a。冷却系统8具有冷却液填充部8a、冷却液流路8b、8c以及泵8d。冷却液填充部8a以接近线圈5e的方式配置于定子5b的外侧侧面，为了冷却旋转型永磁铁同步电动机5而填充冷却液（例如水）。冷却液流路8b使冷却液流入冷却液填充部8a，来自冷却液填充部8a的冷却液流入冷却液流路8c。泵8d通过冷却液流路8b、冷却液填充部8a以及冷却液流路8c使冷却液循环。温度检测元件9由热敏电阻和恒温器中任意一种构成，为了检测旋转型永磁铁同步电动机5的周围温度T_a而设置于旋转型永磁铁同步电动机5的周围。

变换器控制装置10为了控制变换器4，将U相电流I_U、V相电流I_V以及W相电流I_W各自的电流值作为旋转型永磁铁同步电动机5的电流值数据分别采样，将旋转角度θ作为马达位置或速度数据分别采样。

然后，变换器控制装置10基于采样的电流值数据以及马达的位置或速度数据和后面说明的马达的位置或速度指令Com，生成用于驱动旋转型永磁铁同步电动机5的PWM信号V_PWM。

温度估算装置11通过具备输入输出端口、串行通信回路、A/D转换器、比较器等的信息处理器而实现，按照存储于未图示的存储器的处理程序，执行用于估算用于进行电动机是否处于过热状态的判断等的旋转型永磁铁同步电动机5的估算温度T_e（t）的处理。上级控制装置12由CNC（数控装置）构成，将上述的马达的位置或速度指令Com输入变换器控制装置10。

图2表示图1的温度估算装置的框图。温度估算装置11为了估算估算温度T_e（t）而具有损耗算出部11a、第一检测温度采集部11b、第二检测温度采集部11c、第一存储部11d、系数值采集部11e、第二存储部11f以及温度估算部11g。

损耗算出部11a将相当于电动机的铜损的损耗Q₁（t）在整个预先设定的期间（例如1000秒）内在预先设定的每个采样周期Δt内算出。为此，损耗算出部11a将三相的U相电流I_U、V相电流I_V以及W相电流I_W各自的电流值，在整个预先设定的期间（例如1000秒）内在预先设定的每个采样周期Δt内采集，并基于这些电流值算出损耗Q₁（t）。然后，损耗算出部11a将算出的损耗Q₁（t）输入存储部11d。在这里，采样周期Δt相当于内置于温度估算装置11的时钟（未图示）向温度估算装置11的各部输出的时钟信号的一个时钟周期（例如250微秒）。

检测温度采集部11b将由温度检测元件5f检测出的检测温度T_d（t），在整个预先设定的期间（例如1000秒）内在预先设定的每个采样周期Δt内依次采集，将采集到的检测温度T_d（t）依次输入存储部11d。

检测温度采集部11c将由温度检测元件9检测到的周围温度T_a，在预先设定的期间（例如1000秒）内只采集一次，并将采集到的周围温度T_a输入存储部11d。

存储部11d将损耗Q₁（t）、检测温度T_d（t）以及周围温度T_a暂时存储。然后，存储部11d在系数值采集部11e分别采集后面说明的系数C、K的值时将损耗Q₁（t）、检测温度T_d（t）以及周围温度T_a向系数值采集部11e输出，并在温度估算部11g估算旋转型永磁铁同步电动机5的估算温度T_e（t）时将检测温度T_d（t）以及周围温度T_a向温度估算部11g输出。

系数值采集部11e使用损耗Q₁（t）、检测温度T_d（t）以及周围温度T_a采集表示因旋转型永磁铁同步电动机5的损耗Q₁（t）而产生的旋转型永磁铁同步电动机5的发热量、旋转型永磁铁同步电动机5的温度波动量以及温度检测元件5f的设置位置之间的关系的系数C、K的值。为此，系数值采集部11e将损耗Q₁（t）、检测温度T_d（t）以及周围温度T_a代入如下热模型表达式，

$T_d(t+\mathrm{\Δt}){=T}_d\left(t\right)+\frac{Q_l\left(t\right)-K(T_d\left(t\right)-T_a)}{C}\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$

t：预先设定的期间中的时间

Δt：采样周期

T_d（t）：时间t时由与线圈邻接的温度检测元件所检测出的检测温度

T_d（t+Δt）：时间t+Δt时由与线圈邻接的温度检测元件所检测出的检测温度

Q₁（t）：时间t时电动机的损耗

T_a：预先设定的期间中的任意时间时电动机的周围温度

C、K：表示因电动机的损耗而产生的电动机的发热量、电动机的温度波动量以及温度检测元件的设置位置的关系的系数

通过进行最小二乘法等分别将系数C、K的值特定。在这里，系数C、K根据旋转型永磁铁同步电动机5的形状以及材质和定子5c的冷却条件而决定。在特定系数C、K的值时，由于除了损耗Q₁（t）外，还使用检测温度T_d（t），所以起因于电流值的波动的损耗Q₁（t）的波动，通过由温度检测元件5f实际检测出的检测温度T_d（t）补偿。

存储部11f存储系数C的预先设定的基准值C_m以及系数K的预先设定的基准值K_m。然后，存储部11f在温度估算部11g估算旋转型永磁铁同步电动机5的估算温度T_e（t）时将系数C预先设定的基准值C_m以及系数K预先设定的基准值K_m向温度估算部11g输出。在这里，系数C预先设定的基准值C_m以及系数K预先设定的基准值K_m以如下方式预先设定：例如分别特定对于旋转型永磁铁同步电动机5的主要的个体（旋转型永磁铁同步电动机）的式（1）的系数C、K的值，将已特定的系数C、K分别设定为系数C预先设定的基准值C_m以及系数K预先设定的基准值K_m。

温度估算部11g基于系数C、K的值、系数C预先设定的基准值C_m、系数K预先设定的基准值K_m、检测温度T_d（t）以及周围温度T_a估算旋转型永磁铁同步电动机5的估算温度T_e（t）。然后，温度估算部11g将估算温度T_e（t）向上级控制装置12输出。

在这里，在估算温度T_e（t）、损耗Q₁（t）、周围温度T_a、系数C预先设定的基准值C_m以及系数K预先设定的基准值K_m之间，与式（1）一样，如下热模型表达式的关系成立。

$T_e(t+\mathrm{\Δt})=T_e\left(t\right)+\frac{Q_l\left(t\right)-K_m(T_e\left(t\right)-T_a)}{C_m}\mathrm{\Δt}---\left(2\right)$

t：预先设定的期间中的时间

Δt：采样周期

T_e（t）：时间t时电动机的估算温度

T_e（t+Δt）：时间t+Δt时电动机的估算温度

Q₁（t）：时间t时电动机的损耗

T_a：预先设定的期间中的任意时间时电动机的周围温度

C_m：系数C预先设定的基准值

K_m：系数K预先设定的基准值

通过从式（2）减去式（1）而消去损耗Q₁（t），通过求得估算温度T_e（t+Δt）能够作成如下的估算温度T_e（t）的递推公式。

$T_e(t+\mathrm{\Δt})=\{T_d(t+\mathrm{\Δt})-T_d\left(t\right)\}\frac{C}{C_m}+\frac{{\mathrm{KT}}_d\left(t\right)-K_m{T}_e\left(t\right)+(K_e-K)T_a}{C_m}\mathrm{\Δt}---\left(3\right)$

t：预先设定的期间中的时间

Δt：采样周期

T_d（t）：时间t时由与线圈邻接的温度检测元件所检测的检测温度

T_d（t+Δt）：时间t+Δt时由与线圈邻接的温度检测元件所检测的检测温度

T_e（t）：时间t时电动机的估算温度

T_e（t+Δt）：时间t+Δt时电动机的估算温度

T_a：预先设定的期间中的任意时间时电动机的周围温度

C、K：表示因电动机的损耗而产生的电动机的发热量、电动机的温度波动量以及温度检测元件的设置位置的关系的系数

C_m：系数C预先设定的基准值

K_m：系数K预先设定的基准值

在本实施方式中，温度估算部11g通过使用递推公式（3），进行基于检测温度T_d（t）、检测温度T_d（t+Δt）、周围温度T_a、系数C、K、系数C预先设定的基准值C_m以及系数K预先设定的基准值K_m估算温度T_e（t）的估算。在这里，估算温度T_e（t）的初始值设定为周围温度T_a。

根据本实施方式，由于温度估算部11g进行基于检测温度T_d（t）、检测温度T_d（t+Δt）、周围温度T_a、因电动机的损耗而产生的电动机的发热量、表示电动机的温度波动量以及温度检测元件的设置位置的关系的系数C、K、以及系数C预先设定的基准值C_m以及系数K预先设定的基准值K_m的估算温度T_e（t）的估算，所以能够补偿由于每个旋转型永磁铁同步电动机5的温度检测元件5f的设置位置的不同而引起的、由温度检测元件检测出的检测温度T_d（t）的波动。因此，温度估算部11g，能够不受每个旋转型永磁铁同步电动机5的温度检测元件5f的设置位置不同而引起的、由温度检测元件检测出的检测温度T_d（t）的波动的影响地估算估算温度T_e（t）。另外，根据本实施方式，由于估算温度T_e（t）是一定的而与温度检测元件5f的设置位置即检测温度T_d（t）没有关系，所以能够在适当的时间点输出用于旋转型永磁铁同步电动机5的过热保护的警报。

再有，根据本实施方式，温度估算部11g在估算估算温度T_e（t）时不使用损耗Q₁（t）。因此，温度估算部11g能够不受起因于U相电流I_U、V相电流I_V以及W相电流I_W的波动的增大而变大的损耗Q₁（t）的波动影响地估算估算温度T_e（t）。

本发明并不限定于上述实施方式，可进行很多变更以及变形。例如，虽然使用作为交流电源的三相交流电源1，但是也能够使用三相以外的多相交流电源作为电源。另外，能够将在定子上设置永久磁铁的旋转型永磁铁同步电动机、在定子和转子中任一方上设置永磁铁的直动型永磁铁同步电动机等作为电动机使用。

另外，能够使用旋转式编码器以外的部件（例如，霍尔元件或解析器）构成旋转角度检测器7。另外，也能够省略转角度检测器7，基于供给旋转型永磁铁同步电动机5的交流电流以及交流电压运算旋转角度θ。

另外，在上述实施方式中，虽然对使用电流检测器4U、4V、4W的情况进行了说明，但是也可以使用电流检测器4U、4V、4W中任意两个。另外，在上述实施方式中，虽然对将温度检测元件5f与线圈5e邻接地设置的情况进行了说明，但是温度检测元件5f也能够设置于旋转型永磁铁同步电动机5的内部或表面上的任意位置。另外，在上述实施方式中，虽然对将冷却液填充部8a配置于定子5c的外侧面上的情况进行了说明，但是也能够将冷却液填充部8a配置于旋转型永磁铁同步电动机5的内部或表面上的任意位置。

另外，在上述实施方式中，虽然对使用使冷却液循环的水冷式冷却系统8的情况进行了说明，但也能够使用具有风扇的空气冷却式冷却系统，还能够省略冷却系统。另外，损耗算出部只要将作为损耗Q₁（t）的铁损、铜损、机械损或者这些的组合在预先设定的期间中至少算出一次即可。另外，能够将上述的预先设定的期间以及采样周期Δt对应电动机的种类进行适当地设定。

另外，检测温度采集部11c也能够将由温度检测元件9检测出的周围温度T_a（t）在整个预先设定的期间（例如1000秒）内在预先设定的每个采样周期Δt内依次采集，并将采集到的周围温度T_a（t）向存储部11d依次输出。另外，还能够省略温度检测元件9，预先设定对应旋转型永磁铁同步电动机5的设置位置而决定的周围温度T_a。

再有，系数值采集部11e也能够通过使用式（1）以外的式子（例如，基于根据实测而求得的损耗、温度以及温度检测元件设置位置的关系而作成的近似式），采集表示因旋转型永磁铁同步电动机5的损耗Q₁（t）而产生的旋转型永磁铁同步电动机5的发热量、旋转型永磁铁同步电动机5的温度波动量以及温度检测元件5f的设置位置之间的关系的系数的值。

根据本发明，能够不受由于每个电动机的温度检测元件设置位置的不同而引起的、由温度检测元件检测出的检测温度波动的影响或电动机内流动的电流波动的影响地估算电动机的温度。

Claims (3)

1.一种温度估算装置（11），其特征在于，具备：

损耗算出部（11a），将电动机（5）的损耗在预先设定的期间内算出；

检测温度采集部（11b），将配置于电动机（5）的温度检测元件（5f）所检测到的检测温度，在整个上述预先设定的期间在每个预先设定的采样周期依次采集；

系数值采集部（11e），使用上述损耗算出部（11a）算出的损耗、上述检测温度采集部（11b）采集到的检测温度以及电动机（5）的周围温度，采集表示因损耗而产生的电动机（5）的发热量、电动机（5）的温度波动量以及温度检测元件（5f）的设置位置之间关系的系数值；以及

温度估算部（11g），基于上述系数的值、上述系数的预先设定的基准值、上述检测温度采集部（11b）采集到的检测温度以及电动机（5）的周围温度，估算电动机（5）的温度。

2.根据权利要求1所记载的温度估算装置（11），其特征在于，

上述检测温度采集部（11b）采集设置于具有冷却系统（8）的电动机（5）的温度检测元件（5f）所检测到的检测温度。

3.根据权利要求1所记载的温度估算装置（11），其特征在于，

上述检测温度采集部（11b）采集与设置于电动机（5）的线圈（5e）邻接设置的温度检测元件（5f）所检测到的检测温度。

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