CN105493396B

CN105493396B - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN105493396B
Application number: CN201380078837.1A
Authority: CN
Inventors: 生武芳贵; 藤田阳; 藤田阳一; 川村敏
Original assignee: Mitsubishi Corp
Current assignee: Mitsubishi Corp
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-08-12
Also published as: US9647601B2; CN105493396A; KR20160023909A; JP5868556B2; DE112013007331T5; KR101609527B1; JPWO2015022722A1; WO2015022722A1; DE112013007331B4; US20160134225A1

Abstract

线圈温度推定部(12)基于预先提供的电动机(1)的线圈等效电阻、热容、热阻以及电压检测电路(17)检测出的施加于电动机(1)的施加电压和外部输入的占空比指令值，来推定电动机(1)的线圈温度。在温度异常判定部(13)判定为线圈温度不是正常温度的情况下，占空比限制部(14)将占空比指令值限制为较低的值，然后将其输出至FET驱动电路(15)。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及推定电动机的线圈温度的线圈温度推定方法、以及基于推定得到的线圈温度来控制电动机的电动机控制装置。

背景技术

若对DC电动机施加电压，则产生线圈电阻所对应的热量，线圈温度上升。若线圈温度上升，则会破坏线圈被膜，具有短路及发热等弊端，因此需要在成为过高温前对电压施加进行限制。

因此，以往有时利用温度传感器来测定线圈温度。

此外，由于电动机的线圈电阻具有随着温度上升而变高的现象，因此有时求取将电动机的端子间电压与电动机电流相乘而得到的值的平均值或积分值，来推定电动机的相对温度变化(例如，参照专利文献1)。

此外，有时基于电动机电流、母线电压、PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)时间宽度来推定线圈电阻，利用事先获得的线圈电阻和线圈温度的关系求取线圈温度(例如，参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平8-133107号公报

专利文献2：日本专利特开2010-28911号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

如上所述，以往需要测定线圈温度的温度传感器或测定电动机电流的电流传感器，但具有由于设置空间的问题，难以应用于无法设置温度传感器或电流传感器的电制致动器所使用的DC电动机的问题。

本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于，提供一种不使用用于推定线圈温度的温度传感器及电流传感器等，且无需用于搭载的硬件变更的线圈温度推定方法及电动机控制装置。

解决技术问题所采用的技术手段

本发明的电动机控制装置包括：驱动电路，该驱动电路根据占空比指令值对施加于电动机的电压进行PWM控制；电压检测电路，该电压检测电路对电动机的施加电压进行检测；线圈温度推定部，该线圈温度推定部基于预先提供的电动机的线圈等效电阻、热容、热阻以及电压检测电路检测出的施加电压和占空比指令值，来推定电动机的线圈温度；温度异常判定部，该温度异常判定部判定线圈温度推定部推定出的线圈温度是否是正常温度；以及占空比限制部，该占空比限制部在温度异常判定部判定为线圈温度不是正常温度的情况下，将占空比指令值限制为较低的值，线圈温度推定部通过下式计算出单位时间的电动机的功耗W，利用热容和热阻计算出该功耗W所对应的单位时间的线圈温度上升值，并对该线圈温度上升值进行累计，从而推定线圈温度，

W＝V/R×V×f (x)

这里，V是电压检测电路检测出的施加电压，R是预先提供给线圈温度推定部的线圈等效电阻，f(x)是将占空比指令值作为变量x的函数。

发明效果

根据本发明，基于预先提供的所述电动机的线圈等效电阻、热容、热阻以及电压检测电路检测出的施加电压和占空比指令值，来推定电动机的线圈温度，从而能在不使用温度传感器及电流传感器等的情况下推定线圈温度。因而，能提供无需用于线圈温度推定的硬件变更的电动机控制装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的电动机控制装置的结构例的图。

图2是表示实施方式1所涉及的电动机控制装置的动作的流程图。

图3是说明实施方式1所涉及的电动机控制装置的线圈温度异常判定处理的曲线图。

图4是表示由矩形波状的PWM电压驱动的RL负载的所消耗的功耗模拟模型的图。

图5(a)和图5(b)是表示对R＝1Ω、L＝0.1mH的LR负载中流过的电流和施加于该LR负载的电压进行测量而得到的结果的曲线图。

图6(a)和图6(b)是表示对R＝1Ω、L＝0.2mH的LR负载中流过的电流和施加于该LR负载的电压进行测量而得到的结果的曲线图。

图7(a)和图7(b)是表示对R＝1Ω、L＝0.4mH的LR负载中流过的电流和施加于该LR负载的电压进行测量而得到的结果的曲线图。

图8(a)和图8(b)是表示对R＝1Ω、L＝0.8mH的LR负载中流过的电流和施加于该LR负载的电压进行测量而得到的结果的曲线图。

图9是表示RL负载的功耗相对于占空(Duty)比指令值的大小的曲线图。

具体实施方式

下面，为了更详细地说明本发明，根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。

实施方式1.

图1是表示将本实施方式1所涉及的电动机控制装置10应用于电动机1时的结构例。图1所示的电动机控制装置10包括：控制电动机1的微型计算机(以下，微机)11；生成与微机11所输出的占空比相对应的PWM信号的FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)驱动电路15；根据PWM信号截断直流电源2的电压并施加于电动机1的FET桥路16；以及检测出经由FET桥路16从直流电源2施加于电动机1的电压(以下，施加电压)的电压检测电路17。

另外，图1的示例中，利用桥接多个FET而构成的FET桥路16(例如三相逆变器)来控制从直流电源2到电动机1的通电，但也可以使用FET以外的开关元件(例如IGBT；InsulatedGate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)。

例如在将电动机1应用于用于驱动废气阀(WG)的致动器的情况下，计算电动机1的占空比，并将其作为占空比指令值通知给电动机控制装置10，以使得在发动机控制装置中、致动器的实际行程值和目标行程值的偏差成为0，该废气阀对带涡轮增压器发动机的排气通路进行切换。

另外，当然也可以将本实施方式1所涉及的电动机控制装置10应用于WG致动器用电动机以外的电动机，例如可以应用于用于驱动排气再循环(EGR)阀的致动器用电动机等。

此外，也可以在电动机控制装置10的内部计算占空比指令值。

微机11依次读取出记录于内置存储器的程序并进行执行，从而执行作为线圈温度推定部12、温度异常判定部13、以及占空比限制部14的功能，该线圈温度推定部12推定电动机1的线圈温度，该温度异常判定部13基于推定线圈温度来判定电动机1的过度的温度上升，该占空比限制部14基于温度异常判定部13的判定结果来限制外部输入的占空比指令值。

接着，边参照图2所示的流程图，边说明微机11的动作。微机11按规定的采样时间(例如1秒)反复进行以下的处理。

首先，在步骤ST1～ST3中，线圈温度推定部12基于下式(1)～(3)来推定电动机1的线圈温度。

W＝V/R×V×f(x)(1)

ΔT＝(W-Tz/Rth)/C(2)

T＝ΔT+Tz(3)

这里，W是单位采样时间的电动机1的功耗，V是由电压检测电路17检测到的、输入至线圈温度推定部12的电动机1的施加电压，f(x)是将外部输入的占空比指令值作为变量x的函数，R是电动机1的线圈等效电阻，C是电动机1的线圈的热容，Rth是电动机1的线圈的热阻。

此外，T是当前采样时的推定线圈温度，ΔT是单位采样时间的温度上升值，Tz是前一次采样时的推定线圈温度。

上式(1)～(3)中，设为线圈等效电阻R、热容C、及热阻Rth被预先提供给线圈温度推定部12。

例如，根据实验求出将占空比设为1、对电动机1连续施加电压时的电动机饱和温度。这里，为了安全地控制电动机1，以假设的最严格的条件来求取。接着，根据电动机1锁定时流过的电动机锁定时电流，求出电动机等效电阻R。此外，将达到电动机饱和温度的63.2％为止的时间设为温度上升时间常数[s]。并且，根据电动机饱和温度的63.2％和温度上升时间常数求出热阻Rth[℃/W]，根据热阻Rth和温度上升时间常数求出热容C[J/℃]。

占空比指令值的函数f(x)的详细在后文阐述。

线圈温度推定部12在步骤ST1中通过上式(1)计算出电动机1的单位采样时间的功耗W，在步骤ST2中通过上式(2)计算出单位采样时间的温度上升值ΔT，在步骤ST3中通过上式(3)累计单位采样时间的温度上升值ΔT来推定当前的推定线圈温度T。

接着，在步骤ST4～ST8中，温度异常判定部13将被预先提供的正常温度/异常温度的判定值与推定线圈温度T进行比较，判定有无电动机1的温度上升，设定温度异常标记的开(ON)/关(OFF)。

这里，使用图3的曲线图说明线圈温度的异常判定处理。图3的曲线图中，纵轴表示温度异常标记的开/关，横轴表示线圈温度。将异常温度的判定值设为比正常温度的判定值要高的值，并且在正常温度的判定值和异常温度的判定值之间设置延迟。

若步骤ST4中的推定线圈温度T比异常温度的判定值要大(步骤ST4为“是”)，则温度异常判定部13判定电动机1的温度上升，并将温度异常标记设为开(步骤ST5)。另一方面，在推定线圈温度T在异常温度的判定值以下的情况下(步骤ST4为“否”)，温度异常判定部13继续将推定线圈温度T和正常温度的判定值进行比较(步骤ST6)，若推定线圈温度T小于正常温度的判定值(步骤ST6为“是”)，则温度异常判定部13判定为电动机1的温度处于正常范围内，并将温度异常标记设为关(步骤ST7)。

另一方面，在推定线圈温度T处于异常温度的判定值和正常温度的判定值之间的情况下(步骤ST6为“否”)，温度异常判定部13使温度异常标记继续保持上一次采样时的状态(步骤ST8)。

在温度异常判定部13所设定的温度异常标记为开时，占空比限制部14将外部输入的占空比指令值限制为更低的占空比(例如0)，然后输出到FET驱动电路15。另一方面，在温度异常标记为关时，占空比限制部14直接将占空比指令值输出到FET驱动电路15。

FET驱动电路15根据占空比限制部14输出的占空比生成经脉宽调制后的PWM信号，施加于构成FET桥路16的FET的栅极端子，以成为导通状态。由此，电动控制装置10在电动机1处于正常温度的期间根据占空比指令值来施加电压，若电动机1成为异常温度，则对电压施加进行限制以防止过度的温度上升，来保护电动机1。能通过调整异常判定和正常判定的延迟的幅度，来调整电动机1从异常温度回到正常温度为止的、对电压施加进行限制的时间。

接着，对占空比指令值的函数f(x)进行说明。

图4是由矩形波状的PWM电压驱动的RL负载1a所消耗的的功耗模拟模型。图4的示例中，使用串联连接电阻R和电感L而得到的RL负载1a来取代电动机1。电动机1所消耗的功率严格来说与RL负载1a不同。然而，在发热较大的状态下，因电动机1的旋转而产生的感应电压较小，有大电流流过，因此能推测为大约仅接近RL的状态。由此，下面对向RL负载1a施加矩形波PWM电压时所消耗的功率和占空比的关系进行模拟，研究功耗和占空比指令值的关系性。

图4的示例中，经由FET桥路16向RL负载1a施加矩形波电压。将该FET桥路16的直流电源2设定为10V。FET驱动电路15的内部产生500Hz的矩形波信号，根据外部输入的占空比指令值，用10秒将矩形波信号的占空比从0扫描到1，生成PWM信号。

图5～图9示出图4中模拟得到的结果。

图5～图8是表示改变RL负载1a的L/R的值并对功耗进行模拟，利用模拟上虚拟的万用表对流过RL负载1a的电流和施加于RL负载1a的电压进行测量的结果的曲线图。电阻R均为1Ω，电感L从0.1mH变化到0.8mH。图5(a)～图8(a)是用10秒将占空比从0扫描到1时的曲线图，图5(b)～图8(b)表示对其局部进行放大的图。

图9是表示RL负载1a的功耗相对于占空(Duty)比指令值的大小的曲线图。图9所示的功耗为如下值：将万用表测量的电流与电压相乘来计算RL负载1a所消耗的功率的瞬时值，并利用滤波处理将其平均化后的值。

该模拟中将直流电源2固定为10V，将RL负载1a的电阻R固定为1Ω，因此占空比指令值为1时功耗均为100W。根据图5(b)～图8(b)可知，即使对RL负载1a施加电压，由于电阻R和电感L的时间常数τ(＝L/R)，电流不会马上增加，会产生一次延迟。若时间常数τ相对于PWM信号的驱动周期P(本例中为500Hz)较小，则如图5(b)所示那样，电压施加时的电流的一次延迟也变小，因此功耗成为接近图9所示的占空比×100的直线的曲线。若增大电感L，则时间常数τ相对于PWM信号的驱动周期P变大，如图8所示，电压施加时的电流的一次延迟也变大，因此可知功耗从图9的占空比×100的直线逐渐接近(占空比)²×100的曲线。

因此，函数f(x)成为下式(4)。

f(x)＝(占空比指令值)ⁿ×100(4)

其中，设为1≤n≤2。

根据图9，在电动机1的时间常数τ相对于PWM信号的驱动周期P较小时(P＞τ)，则式(4)中设为n＝1。另一方面，在电动机1的时间常数τ相对于PWM信号的驱动周期P较大时(P≤τ)，则设为1＜n≤2。该n根据电动机1的时间常数τ来决定即可，可以通过上述那样的模拟来计算，也可以通过利用实机来测定占空比指令值和功耗之间的关系等来决定。

此外，式(4)的占空比指令值是单位采样时间的平均值。也可以以查找表形式将该函数f(x)设定于线圈温度推定部12。

如上所述，根据实施方式1，电动机控制装置10构成为包括：FET驱动电路15，该FET驱动电路15根据占空比指令值对施加于电动机1的电压进行PWM控制；FET桥路16，该FET桥路16由FET驱动电路15的PWM控制来驱动；电压检测电路17，该电压检测电路17对经由FET桥路16施加于电动机1的电压进行检测；线圈温度推定部12，该线圈温度推定部12基于预先提供的电动机1的线圈等效电阻、热容、热阻、以及电压检测电路17检测出的施加电压和占空比指令值，来推定电动机1的线圈温度；温度异常判定部13，该温度异常判定部13判定线圈温度推定部12推定出的线圈温度是否是正常温度；以及占空比限制部14，该占空比限制部14在温度异常判定部13判定为线圈温度不是正常温度的情况下，将占空比指令值限制为较低的值。因此，无需使用温度传感器及电流传感器等也能推定线圈温度。因而，能提供无需用于线圈温度推定的硬件变更的电动机控制装置10。

根据实施方式1，线圈温度推定部12通过上式(1)计算出单位时间的电动机1的功耗，计算出该功耗所对应的单位时间的线圈温度上升值，并对线圈温度上升值进行累计，由此推定线圈温度。该上式(1)中，通过导入将电动机1的时间常数τ考虑在内的函数f(x)，能高精度地推定特性不同的电动机的线圈温度。

根据实施方式1，温度异常判定部13构成为：在线圈温度推定部12推定出的线圈温度比正常温度判定值要小的情况下，判定为正常；在线圈温度推定部12推定出的线圈温度比异常温度判定值要大的情况下，判定为不正常；在线圈温度推定部12推定出的线圈温度在该正常温度判定值以上且在该异常温度判定值以下的情况下，继续保持前一次的判定结果，其中，上述异常温度判定值是比该正常温度判定值大的值。因此，能通过调整正常温度判定值和异常温度判定值的延迟的幅度，来调整电动机1从异常温度回到正常温度为止的、对电压施加进行限制的时间。

另外，本申请发明在其发明范围内可以对实施方式的任意结构要素进行变形，或者在实施方式中省略任意的结构要素。

工业上的实用性

如上所述，本发明所涉及的电动机控制装置能在不改变硬件的情况下推定电动机的线圈温度，因此适合用于由于设置空间的问题而无法追加传感器的、用于驱动电制致动器的DC电动机等。

标号说明

1电动机、1a RL负载、2直流电源、10电动机控制装置、11微机

12线圈温度推定部、13温度异常判定部、14占空比限制部、15 FET驱动电路、16FET桥路、17电压检测电路。

Claims

1.一种电动机控制装置，其特征在于，包括：

驱动电路，该驱动电路根据占空比指令值对施加于电动机的电压进行PWM(脉宽调制)控制；

电压检测电路，该电压检测电路对所述电动机的施加电压进行检测；

线圈温度推定部，该线圈温度推定部基于预先提供的所述电动机的线圈等效电阻、热容、热阻以及所述电压检测电路检测出的施加电压和所述占空比指令值，来推定所述电动机的线圈温度；

温度异常判定部，该温度异常判定部判定所述线圈温度推定部推定出的线圈温度是否是正常温度；以及

占空比限制部，该占空比限制部在所述温度异常判定部判定为所述线圈温度不是正常温度的情况下，将所述占空比指令值限制为较低的值，

所述线圈温度推定部通过下式计算出单位时间的所述电动机的功耗W，利用所述热容和所述热阻计算出该功耗W所对应的所述单位时间的线圈温度上升值，并对该线圈温度上升值进行累计，从而推定所述线圈温度，

W＝V/R×V×f (x)

这里，V是所述电压检测电路检测出的施加电压，R是预先提供给所述线圈温度推定部的所述线圈等效电阻，f(x)是将所述占空比指令值作为变量x的函数。

2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述函数f(x)满足下式，

f(x)＝(占空比指令值)ⁿ×100

其中，设为1≤n≤2。

3.如权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述函数f(x)的n是基于由所述电动机的线圈等效电阻和电感决定的时间常数来决定的。

4.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述温度异常判定部中，在所述线圈温度推定部推定出的线圈温度比正常温度判定值要小的情况下，判定为正常；在所述线圈温度推定部推定出的线圈温度比异常温度判定值要大的情况下，判定为不正常；在所述线圈温度推定部推定出的线圈温度在该正常温度判定值以上且在该异常温度判定值以下的情况下，继续保持前一次的判定结果，其中，所述异常温度判定值是比该正常温度判定值大的值。