CN104221257B - 电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够推定更精确的电动机线圈温度的电动机驱动装置。实施方式的电动机驱动装置(1)具备：电动机驱动部，其基于位置指令以及电动机的位置检测值，生成对所述电动机进行驱动的电流；电动机线圈周边温度推定部(7)，其利用兼具相位超前特性和低通特性的滤波器，对在所述电动机的电动机线圈周边部设置的温度传感器的输出值进行校正，由此算出电动机线圈周边温度推定值；电动机线圈上升温度推定部(6)，其根据所述电流算出电动机线圈上升温度推定值；以及电动机线圈保护部(9)，其基于所述电动机线圈周边温度推定值和所述电动机线圈上升温度推定值，对所述电流施加限制。

Description

电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及具备线圈的多相电动机的驱动装置，特别是具备电动机温度推定功能的电动机驱动装置。

背景技术

在电动机以及电动机驱动装置中，由于电流流过电动机线圈而产生驱动扭矩，但是，在大电流持续流过电动机线圈的情况下，电动机线圈有可能发热，例如达到大于或等于180℃的高温，产生电动机线圈的破损、电动机磁铁的退磁等故障。因此，需要测定电动机线圈的温度，对流过电动机线圈的电流进行限制等的保护。然而，在物理层面，难以针对电动机线圈直接设置温度传感器，因此，需要通过某种方法推定电动机线圈温度。

在现有的电动机驱动装置的电动机线圈温度推定方法中，例如专利文献1记载的那样，对利用在电动机周边设置的温度传感器检测出的温度、和使电动机电流的平方值乘以增益而得到的值的积分值通过低通滤波器所得的值进行加法运算，由此推定电动机线圈温度。

专利文献1：日本特开2005-204358号公报

发明内容

然而，在上述现有的电动机线圈温度推定方法中，并未考虑从电动机线圈到在电动机周边所设置的温度传感器的热传导滞后。因此，存在如下课题，即，在刚起动之后起直至设置有温度传感器的电动机周边部的温度上升并达到稳定状态为止的期间，电动机线圈温度推定值和实际值之差即温度推定误差增大，无法充分保护电动机线圈。

另外，在上述电动机线圈温度推定方法中，存在如下课题，即，作为与电动机电流的平方值相乘的增益而使用固定值，但是，电动机的热阻依赖于用于组装电动机的法兰(flange)等装置的构造而变化，因此，电动机线圈温度推定误差可能会随着装置不同而增大。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种电动机驱动装置，其使用如下电动机线圈温度推定方法，其中，即使在刚起动之后的设置有温度传感器的电动机周边部的温度低的状态下，由于使有效的电动机线圈保护起作用，因此，会减小误差。

并且，本发明的目的在于提供一种电动机驱动装置，其使用如下电动机线圈温度推定方法，其中，即使用于组装电动机的装置发生变化，通过简单地对在电动机线圈温度推定中使用的常数进行确定，也会使有效的电动机线圈保护起作用，因此，会减小误差。

为了解决上述课题并达成目的，本发明的特征在于，具备：电动机驱动部，其基于位置指令以及电动机的位置检测值，生成对所述电动机进行驱动的电流；电动机线圈周边温度推定部，其利用兼具相位超前特性和低通特性的滤波器，对在所述电动机的电动机线圈周边部设置的温度传感器的输出值进行校正，由此算出电动机线圈周边温度推定值；电动机线圈上升温度推定部，其根据所述电流算出电动机线圈上升温度推定值；以及电动机线圈保护部，其基于所述电动机线圈周边温度推定值和所述电动机线圈上升温度推定值，对所述电流施加限制。

发明的效果

本发明所涉及的电动机驱动装置具有如下效果，即，即使在起动时等的电动机线圈的实际温度、和设置有温度传感器的电动机周边部的温度差较大的状态下，也能够对热传递滞后进行校正，能够推定更精确的电动机线圈周边温度。并且，还具有如下效果，即，通过与根据电动机电流推定的电动机线圈上升温度推定值加法运算，能够推定更精确的电动机线圈温度。

附图说明

图1是表示实施方式1的具备电动机线圈温度推定方法的电动机驱动装置以及电动机的结构的框图。

图2是对实施方式1的电动机内部的电动机线圈温度和温度传感器的配置进行说明的示意图。

图3-1是针对实施方式1的电动机线圈温度推定部的电流的时间序列绘制的曲线图。

图3-2是针对实施方式1的电动机线圈温度推定部的电动机线圈推定发热量的时间序列绘制的曲线图。

图3-3是针对实施方式1的电动机线圈温度推定部的温度传感器检测值的时间序列绘制的曲线图。

图3-4是针对实施方式1的电动机线圈温度推定部的电动机线圈温度推定值的时间序列绘制的曲线图。

图4是表示实施方式2的电动机线圈温度推定部的结构的框图。

图5是用于对在实施方式3的电动机线圈温度推定中使用的一阶超前补偿时间常数T₂的确定方法进行说明的曲线图的示意图。

图6是表示在实施方式3的电动机线圈温度推定中使用的一阶超前补偿时间常数T₂的确定方法的流程图。

图7是表示在实施方式4的电动机线圈温度推定中使用的一阶超前补偿时间常数T₂和电动机线圈上升温度推定系数R(增益)的确定方法的流程图。

图8是用于对在实施方式4的电动机线圈温度推定中使用的系数的确定方法进行说明的曲线图的示意图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明所涉及的电动机驱动装置的实施方式进行详细说明。此外，本发明不限定于该实施方式。

实施方式1.

对本发明的实施方式1所涉及的电动机驱动装置1的电动机线圈温度推定方法进行说明。图1是表示本发明的实施方式1所涉及的具备电动机线圈温度推定方法的电动机驱动装置1以及电动机101的结构的框图。电动机驱动装置1具备位置控制部2、速度控制部3、电流控制部4、电动机线圈温度推定部5、以及电动机线圈保护部9。另外，利用电动机驱动装置1驱动的电动机101具备电动机线圈102、位置传感器103、温度传感器104。电动机驱动装置1基于位置指令控制电流，由此驱动电动机101。

在电动机驱动装置1中，基于输入的位置指令和来自在电动机101中设置的位置传感器103的位置检测值，位置控制部2对速度指令进行计算。接着，在速度控制部3中，基于上述速度指令和根据上述位置检测值计算的速度检测值，对电流指令进行计算。接着，在电流控制部4中，基于上述电流指令和由未图示的电流传感器检测出的电流检测值，对电流进行控制，利用该电流对电动机101进行驱动。

在电动机101中，由电动机驱动装置1控制的电流流过电动机线圈102，产生推力(电动机扭矩)，对组装有电动机101的装置进行驱动。另外，电动机101的旋转角度由位置传感器103作为位置检测值而检测出，电动机线圈温度由温度传感器104作为电动机周边温度检测值而检测出，它们分别被输出到电动机驱动装置1。位置检测值以及电动机周边温度检测值以规定的时间间隔向电动机驱动装置1输出。位置检测值以及电动机周边温度检测值二者输出的时间间隔可以不必相同，输出的定时也可以不必是同时。另外，时间间隔可以不必是相等间隔。

图2是对电动机101的电动机线圈102和温度传感器104的配置进行说明的示意图。虽然应当检测的温度是电动机线圈102的温度，但是由于在构造方面难以在电动机线圈102的附近设置温度传感器104，因此，通常温度传感器104在位置传感器(编码器)103等电动机周边部设置的情况较多。电动机线圈102由于被电动机驱动装置1控制的电流而发热，但是，直至电动机线圈102的温度传递到温度传感器104为止，存在热传递滞后。

对由电动机驱动装置1所包含的电动机线圈温度推定部5实施的、考虑了热传递滞后的电动机线圈温度推定进行说明。

如以下公式(1)所示，电动机线圈102的上升温度△T，是对每单位时间的发热量h和每单位时间的散热量c之差进行积分的值除以热容量C所得的值。

[算式1]

$\mathrm{\Δ}T=\frac{1}{C}{\∫}_{t_0}^t(h-c)dt\mathrm{...}\left(1\right)$

此处，在电动机101的情况下，每单位时间的发热量h与电流的平方成正比，每单位时间的散热量c与电动机线圈102附近的温度和周边温度(外部大气温度)之差成正比。另外，热容量C中不仅包含电动机单体的热容量，还包含用于安装电动机101的法兰等装置侧的构造部件的热容量，因此，其值随着装置不同而变化。因此，精确地确定由上述公式(1)示出的电动机线圈102的温度上升模型的参数非常困难，另外，因温度上升而产生的运算量也非常大。因此，利用由以下公式(2)示出的一阶滞后对电动机线圈上升温度△T进行近似。

[算式2]

$\mathrm{\Δ}T\≈\frac{R}{1+T_{1}s}{i}^2\mathrm{...}\left(2\right)$

此处，R是将热容量C、发热量h所包含的常数合在一起进行近似而得到的增益，T₁是一阶滞后滤波器的时间常数，s是拉普拉斯算子，i是流过电动机线圈102的电流。由此，利用前馈来推定电动机线圈温度上升量，能够进行响应滞后更少的电动机线圈温度推定。此外，虽然在上述公式(2)中利用一阶滞后滤波器对电流的平方和进行了近似，但是，作为其它运算方法，即使利用移动平均滤波器对电流的平方值进行处理，也能够获得同样的效果。

接着，对电动机线圈周边温度的推定进行说明。如图2所示，在电动机线圈102和温度传感器104之间具有热阻，存在热传递滞后。因此，特别是在起动时，电动机线圈102的周边温度和由温度传感器104检测出的温度之差增大。因此，如以下公式(3)所示，利用一阶超前补偿对热传递滞后进行校正。

[算式3]

$T_{Eav}=\frac{1+T_{2}s}{1+2\·T_{3}s+T_3\·s^2}{T}_E\mathrm{...}\left(3\right)$

此处，T_Eav是电动机线圈周边温度推定值，T₂是一阶超前补偿时间常数，T₃是2阶低通滤波器时间常数，s是拉普拉斯算子，T_E是温度传感器检测值。此外，虽然在上述公式(3)中为了进行用于去除噪声等影响的平滑处理而使用了2阶低通滤波器，但是，即便利用移动平均滤波器等其它低通滤波器，也能够获得同样的效果。另外，对于分子的相位超前补偿，即使利用2阶以上的滤波器，也能够获得同样的效果。

在电动机驱动装置1所包含的电动机线圈温度推定部5中，对于由电动机线圈上升温度推定部6利用上述公式(2)计算的电动机线圈上升温度推定值△T、和由电动机线圈周边温度推定部7利用上述公式(3)计算的电动机线圈周边温度推定值T_Eav，利用加法器8如以下公式(4)那样进行加法运算，算出并输出电动机线圈温度推定值T_M。算出的电动机线圈温度推定值T_M被传送到电动机线圈保护部9，电动机线圈保护部9基于电动机线圈温度推定值T_M对由电流控制部4控制流动的电流施加限制等，由此对流过电动机线圈102的电流进行控制。

[算式4]

$T_M=T_{Eav}+\mathrm{\Δ}T=\frac{1+T_{2}s}{1+2\·T_{3}s+T_3\·s^2}{T}_E+\frac{R}{1+T_{1}s}{i}^2\mathrm{...}\left(4\right)$

对于上述公式(4)中示出的电流i、电动机线圈推定发热量△T、温度传感器检测值T_E、以及电动机线圈温度推定值T_M中的每一个，利用按照时间序列绘制的曲线图的示意图即图3-1～图3-4对它们进行说明。图3-1是流过电动机线圈102的电流i的时间序列曲线图。图3-2是对其进行平方并乘以增益后(R·P＝R·i²)的时间序列曲线图。利用低通滤波器对其进行平滑处理的结果，即为图3-4中的电动机线圈推定发热量△T＝R·P_av。另外，图3-3是温度传感器检测值T_E的时间序列曲线图。对其进行平滑化处理的结果是图3-4中的T_eav，一阶超前补偿量为图3-4中的T_of。对于仅进行平滑化处理后的T_eav而言，虽然其起动时的值较低，但是，通过加上一阶超前补偿量T_of，能够对热传递滞后进行校正。通过对电动机线圈推定发热量△T和包含一阶超前补偿的电动机线圈周边温度推定值T_Eav进行加法运算，包含起动时在内，总是能够以高精度对电动机线圈温度进行推定。

如上，根据本发明实施方式1，利用兼具一阶超前特性和低通特性的滤波器，对在电动机周边部设置的温度传感器输出值进行校正，并将其作为电动机周边温度推定值，因此，即使在起动时等的电动机线圈102的实际温度和设置有温度传感器104的电动机周边部的温度差较大的状态下，也能够对热传递滞后进行校正，能够推定更精确的电动机线圈周边温度。进而，通过加上根据电动机电流推定的电动机线圈上升温度推定值，能够推定更精确的电动机线圈温度。进而，作为在电动机线圈周边温度推定部7中利用的滤波器，在使用一阶超前滤波器和2阶低通滤波器组合而成的2阶滤波器的情况下，能够以较少的计算量对从电动机线圈102向电动机周边部的热传导滞后进行校正，并能够抑制噪声的影响而进行高精度的电动机线圈温度推定。

因此，即使在起动时，也能够抑制电动机线圈温度推定误差，将电动机线圈过热保护功能保持为有效状态，另外，即使用于组装电动机的装置改变，电动机线圈温度推定误差也不会增大，能够始终将电动机线圈过热保护保持为有效。

实施方式2.

图4是表示本发明实施方式2所涉及的具备电动机线圈温度推定方法的电动机驱动装置的电动机线圈温度推定部15的框图。在本实施方式中，图1中的电动机线圈温度推定部5替换为图4中的电动机线圈温度推定部15，但是其它部分与实施方式1相同，因此省略其说明。

电动机线圈温度推定部15具备电动机线圈上升温度推定部16、电动机线圈周边温度推定部17以及加法器18。电动机线圈上升温度推定部16与实施方式1中的电动机线圈上升温度推定部6相同。电动机线圈周边温度推定部17具备：温度比较部19，其对温度传感器检测值的上次值(上一次的值：最新值的前1个值)和此次值(此次的值：最新值)进行比较；上次温度保存部20；一阶超前补偿部21；以及平滑处理部22。

在实施方式2的电动机线圈周边温度推定部17中，预先将温度传感器检测值的上次值保存于上次温度保存部20，在温度比较部19中对温度传感器检测值的上次值和此次值进行比较，在其差大于或等于规定值的情况下，将一阶超前补偿部21中的时间常数T₂设为有效，在温度传感器检测值的上次值和此次值之差小于规定值的情况下，将一阶超前补偿部21的时间常数T₂设为零。包括无效时在内，对于利用一阶超前补偿部21处理得到的温度传感器检测值，由平滑处理部22进行平滑处理而将其作为电动机线圈周边温度推定值T_Eav，然后，利用加法器18，对其和利用电动机线圈上升温度推定部16推定的电动机线圈上升温度推定值△T进行加法运算，其结果作为电动机线圈推定温度T_M而输出。

如上，根据本发明的实施方式2，作为在电动机线圈周边温度推定部17中使用的滤波器，将其设定为，在根据温度传感器104的上次值和此次值计算的温度上升值大于或等于规定值的情况下，使其具有相位超前特性，在小于规定值的情况下，使其不具有相位超前特性。因此，在起动时等的电动机线圈102和设置有温度传感器104的电动机周边部的温度差较大的状态下，对从电动机线圈102向电动机周边部的热传递滞后进行校正，在电动机线圈102和电动机周边部的温度差较小的稳定状态下，不进行校正，将噪声等影响消除，由此能够进行更精确的电动机线圈温度推测。

实施方式3.

图5是用于对本发明的实施方式3的电动机线圈温度推定中使用的参数确定方法进行说明的曲线图的示意图。温度传感器检测值T_E具有响应滞后，且包含噪声。对温度传感器检测值T_E进行平滑处理后的平滑后温度传感器检测值T_eav的响应滞后进一步增大。因此，利用实施方式1的电动机线圈周边温度推定部7的一阶超前补偿对响应滞后加以改善。然而，如果未适当地设定一阶超前补偿的时间常数T₂，则电动机线圈周边温度推定误差会因补偿不足、过补偿而增大。

图6是表示一阶超前补偿时间常数T₂的确定方法的流程图。根据该流程图对一阶超前补偿时间常数T₂的确定方法进行说明。首先，在恒定时间内连续实施以规定的加速度进行的加减速重复动作(步骤1)。并且，对该期间的温度传感器检测值T_E的时间序列曲线进行记录(步骤S2)。接着，对记录的温度传感器检测值T_E的时间序列曲线进行平滑处理(赋予低通特性)(步骤S3)。最后，利用最小二乘法对一阶超前补偿时间常数T₂进行确定，其中，一阶超前补偿时间常数T₂是温度传感器检测值T_E的时间序列曲线、和在上述平滑处理后的数据中包含一阶超前补偿的电动机线圈周边温度推定值T_Eav的时间序列曲线之差的平方和最小的常数(步骤S4)。此外，由于电动机线圈温度推定方法与实施方式1或实施方式2相同，因此省略说明。

如上，根据本发明的实施方式3，具有如下功能，即，在以规定的速度曲线驱动电动机101的情况下，根据在电动机周边部设置的温度传感器104的温度传感器检测值，利用电动机线圈周边温度推定部7对在一阶超前补偿中使用的系数进行确定。因此，即使在将电动机101安装于特性不同的各种装置的情况下，通过对与各自的特性对应的系数进行确定并使用，也能够进行高精度的电动机线圈温度推定。

实施方式4.

图7是表示在电动机线圈推定部中使用的常数的确定方法的流程图。根据该流程图对常数的确定方法进行说明。首先，在恒定时间内连续实施以规定的加速度进行的加减速重复动作，以使电流的平均值达到规定值(步骤S11)。对该期间的电流i和温度传感器检测值TE的时间序列曲线进行记录(步骤S12)。接着，对记录的温度传感器检测值T_E的时间序列曲线进行平滑处理(赋予低通特性)(步骤S13)。并且，利用最小二乘法对一阶超前补偿时间常数T₂进行确定，其中，一阶超前补偿时间常数T₂是温度传感器检测值T_E的时间序列曲线、和在上述平滑处理后的数据中包含一阶超前补偿的电动机线圈周边温度推定值T_Eav的时间序列曲线之差的平方和最小的常数(步骤S14)。接着，对利用确定的T₂实施一阶超前补偿的电动机线圈周边温度推定值、和预先改变用于安装电动机的法兰并测量的多个电动机线圈周边温度模型进行比较，在最接近的模型中，采用预先确定的、在电动机线圈上升温度推定中使用的上述公式(2)的系数R(增益)(步骤S15)。此外，由于电动机线圈温度推定方法与实施方式1或实施方式2相同，因此省略说明。

图8中示出如下曲线图，其表示以大致相同的平均电流连续驱动的情况下的温度检测值TE、和预先改变用于安装电动机的法兰并进行测量所得的多个温度传感器检测值的模型值。即使是相同的电流，由于包含法兰在内的热容量不同，因此，温度上升的曲线也不同。因此，能够想到与实际的装置的温度传感器检测值接近的模型具有接近的热容量。当预先测量模型曲线时，如果预先同时利用热电偶等对电动机线圈温度进行实际测量，对在电动机线圈上升温度推定部6中使用的系数R进行确定，则通过采用具有与实际装置接近的热容量的模型的系数R，即使在实际的装置中，也能够对更高精度的电动机线圈上升温度进行推定。

如上，根据本发明的实施方式4，具有如下功能，即，在以规定的速度曲线驱动电动机101的情况下，根据电动机电流和在电动机周边部设置的温度传感器104的温度传感器检测值，利用电动机线圈上升温度推定部6对与电动机电流的平方值进行乘法运算的系数进行确定，因此，即使在将电动机安装于热阻不同的各种装置的情况下，通过对与各自的热阻对应的系数进行确定并使用，也能够进行高精度的电动机线圈温度推定。

并且，本发明申请不限定于上述实施方式，在实施阶段，能够在不脱离其主旨的范围进行各种变形。另外，上述实施方式中包含各种阶段的发明，通过对公开的多个技术特征进行适当的组合，能够获得各种发明。例如，在即使从实施方式所示的所有技术特征中删除几个技术特征，也能够解决发明要解决的课题一栏所述的课题，并能够获得发明效果一栏所述的效果的情况下，能够获得具有将该技术特征删除的结构的发明。并且，可以对不同的实施方式中的结构要素进行适当的组合。

工业实用性

如上，本发明所涉及的电动机驱动装置对于具备电动机线圈温度推定功能的电动机驱动装置有益，特别适合于具备基于电动机线圈温度推定值的电动机线圈过热保护功能的电动机驱动装置。

标号的说明

1 电动机驱动装置

2 位置控制部

3 速度控制部

4 电流控制部

5、15 电动机线圈温度推定部

6、16 电动机线圈上升温度推定部

7、17 电动机线圈周边温度推定部

8、18 加法器

9 电动机线圈保护部

19 温度比较部

20 上次温度保存部

21 一阶超前补偿部

22 平滑处理部

101 电动机

102 电动机线圈

103 位置传感器

104 温度传感器

S1～S4、S11～S15 步骤

Claims (4)

1.一种电动机驱动装置，其具备：

电动机驱动部，其基于位置指令以及电动机的位置检测值，生成对所述电动机进行驱动的电流；

电动机线圈周边温度推定部，其利用兼具相位超前特性和低通特性的滤波器，对在所述电动机的电动机线圈周边部设置的温度传感器的输出值进行校正，由此算出电动机线圈周边温度推定值；

电动机线圈上升温度推定部，其根据所述电流算出电动机线圈上升温度推定值；以及

电动机线圈保护部，其基于所述电动机线圈周边温度推定值和所述电动机线圈上升温度推定值，对所述电流施加限制，

该电动机驱动装置的特征在于，其中，

根据所述温度传感器的输出值和其前1个输出值计算温度上升值，在该温度上升值大于规定值的情况下，所述电动机线圈周边温度推定部使所述滤波器具备所述相位超前特性，在该温度上升值小于所述规定值的情况下，所述电动机线圈周边温度推定部使所述滤波器不具备所述相位超前特性。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述电动机线圈周边温度推定部，在以规定的加减速曲线驱动所述电动机的情况下，基于所述温度传感器的输出值的时间序列曲线、以及对该时间序列曲线赋予所述低通特性而得到的时间序列曲线，确定在所述相位超前特性中使用的系数。

3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述电动机线圈上升温度推定部，利用低通滤波器对所述电流的平方值乘以规定的增益而得到的值进行校正，由此算出所述电动机线圈上升温度推定值，在以规定的加减速曲线驱动所述电动机的情况下，基于所述温度传感器的输出值以及所述电流的时间序列曲线，确定所述增益。

4.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述电动机线圈上升温度推定部，

利用低通滤波器对所述电流的平方值乘以规定的增益而得到的值进行校正，由此算出所述电动机线圈上升温度推定值，

基于利用确定的所述系数而获得的所述电动机线圈周边温度推定值、和以所述规定的加减速曲线驱动所述电动机的情况下的所述温度传感器的输出值以及所述电流的时间序列曲线，确定所述增益。