DE102014008642B4

DE102014008642B4 - Temperaturschätzvorrichtung zum Schätzen der Temperatur eines Leistungshalbleiterchips und Motorsteuervorrichtung mit einer solchen Temperaturschätzvorrichtung

Info

Publication number: DE102014008642B4
Application number: DE102014008642.9A
Authority: DE
Inventors: c/o Fanuc Corp. Yamaguchi Ryouta
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2034-06-07
Also published as: US9203340B2; DE102014008642A1; CN104242771A; JP2014239631A; JP5667242B2; US20140361721A1; CN104242771B

Abstract

Temperaturschätzvorrichtung (14, 14a, 14b, 14c, 16), die die Temperatur eines für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips schätzt, der in einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips umfasst ist, wobei der eine Leistungshalbleiterchip oder die mehreren Leistungshalbleiterchips in einem von mehreren Leistungshalbleitermodulen zum Betreiben einer Vielzahl von Motoren (9, 10) enthalten sind, wobei die Anzahl der mehreren Leistungshalbleitermodule gleich oder größer als die Anzahl der Vielzahl von Motoren (9, 10) ist und die mehreren Leistungshalbleitermodule in einem Wärmeabstrahler untergebracht sind, wobei die Temperaturschätzvorrichtung (14, 14a, 14b, 14c, 16) umfasst:- eine Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung (41, 41a), die eine erste elektrische Verlustleistung errechnet, die der elektrischen Verlustleistung entspricht, die in allen Leistungshalbleiterchips des Leistungshalbleitermoduls erzeugt wird, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält,- eine Recheneinheit für eine erste Temperaturdifferenz (42), die auf der Basis der ersten elektrischen Verlustleistung eine erste Temperaturdifferenz errechnet, die der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeabstrahler und dem Leistungshalbleitermodul entspricht, das den für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält,- eine Recheneinheit für eine zweite Temperaturdifferenz (43), die auf der Basis der ersten elektrischen Verlustleistung und einer zweiten elektrischen Verlustleistung eine zweite Temperaturdifferenz errechnet, die der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeabstrahler und einer Bezugstemperatur entspricht, wobei die zweite elektrische Verlustleistung derjenigen elektrischen Verlustleistung entspricht, die in allen Leistungshalbleiterchips des einen oder der mehreren Leistungshalbleitermodule außer dem Leistungshalbleitermodul, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, erzeugt wird,- eine Recheneinheit für eine Temperatur (44), die die Temperatur des einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips auf der Grundlage der Bezugstemperatur, der ersten Temperaturdifferenz und der zweiten Temperaturdifferenz errechnet, und- eine Ausgabeeinheit für eine Temperatur (45), die die von der Recheneinheit für eine Temperatur (44) errechnete Temperatur ausgibt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturschätzvorrichtung bzw. Temperaturabschätzvorrichtung, die eine Temperatur eines Leistungshalbleiterchips schätzt, der für eine Temperaturschätzung ausgewählt ist und der einer oder einer von mehreren Leistungshalbleiterchips ist, die in einem Leistungshalbleitermodul enthalten sind, deren Anzahl gleich oder größer als die Anzahl von Motoren ist und die in dem gleichen Wärmeabstrahler bzw. Kühlkörper (heat radiator) für das Betreiben einer Vielzahl von Motoren angeordnet sind. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Motorsteuervorrichtung, die eine Temperaturschätzeinrichtung aufweist.
Beschreibung des Standes der Technik
Um einen Motor für eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine, einen Motor für eine Hauptwelle einer Werkzeugmaschine, einen Motor für einen Arm eines Industrieroboters oder dergleichen anzutreiben, werden ein Gleichrichter (converter) und ein Stromrichter (inverter) eingesetzt. Der Gleichrichter und der Stromrichter sind jeweils mit einem Leistungshalbleitermodul aufgebaut, in dem ein Leistungshalbleiterchip wie zum Beispiel ein Transistor, eine Diode oder ein Thyristor vorgesehen sind. Die Temperatur eines Leistungshalbleiterchips steigt aufgrund der elektrischen Verlustleistung, die zum Zeitpunkt des Schaltens des Leistungshalbleiterchips auftritt, oder einer elektrischen Verlustleistung, die zum Zeitpunkt des Schaltens des Leistungshalbleiterchips auftritt. Es besteht die Möglichkeit, dass wenn die Temperatur des Leistungshalbleiterchips eine vorgegebene Temperatur (zum Beispiel die vom Hersteller des Halbleiterchips angegebenen Nenntemperatur) überschreitet, eine nachteilige Wirkung (Verschlechterung des Leistungshalbleiterchips, Zerstörung des Leistungshalbleiterchips oder Ähnliches) aufgrund der von dem Leistungshalbleiterchip erzeugten Wärme bewirkt wird. Folglich ist es erforderlich, um die Temperatur des Leistungshalbleiterchips unter der Temperatur zu halten, bei der aufgrund der auf dem Leistungshalbleiterchip entwickelten Wärme eine schädliche Wirkung auftritt, die Temperatur des Leistungshalbleiterchips genau abzuschätzen.
So ist zum Beispiel eine bekannte Temperaturschätzeinrichtung in der japanischen Patentveröffentlichung JP 2011 - 036 095 A beschrieben, bei der eine Temperatur eines für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips auf der Grundlage einer Bezugstemperatur, die aus der elektrischen Verlustleistung aller Leistungshalbleiterchips in einem Leistungshalbleitermodul errechnet wird, und auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen der Bezugstemperatur und einer Temperatur des Leistungshalbleitermoduls geschätzt wird. Diese Temperaturschätzvorrichtung wurde als eine Temperaturabschätzvorrichtung vorgeschlagen, die eine Temperatur eines Leistungshalbleiterchips schätzt, d.h. einen Schätzwert einer Temperatur abgibt, die in einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips herrscht, die in einem Leistungshalbleitermodul für den Antrieb eines (einzigen) Motors vorhanden ist.
Die WO 2012/ 118 625 A2 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten Leistungshandhabung einer elektronischen Baugruppe, umfassend ein Wärmeableitblech, mehrere auf verschiedenen Abschnitten „phase A-C“ des Wärmeableitblechs angeordnete IGBT(insulated gate bipolar transistor)-Schalter und einen in dem Wärmeableitblech angeordneten Temperatursensor zur Bestimmung einer Temperatur in dem Wärmeableitblech. Weiterhin umfasst die elektronische Baugruppe eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Sperrschichttemperatur zumindest eines IGBT-Schalters auf der Grundlage der durch den Temperatursensor ermittelten Temperatur und einer Kühllufttemperatur zu bestimmen.
Hierzu offenbart die WO 2012/ 118 625 A2 ein Verfahren, in welchem Temperaturwerte bestimmt werden, die jeweils einer Spitzentemperatur in den Abschnitten „phase A-C“ des Wärmeableitblechs entsprechen. Die Bestimmung der Temperaturwerte erfolgt in Abhängigkeit der durch den Temperatursensor gemessenen Temperatur.
Hierzu werden die Temperaturwerte neben den gemessenen Temperaturwerten, weiterhin in Abhängigkeit von Verlustleistungen, die in den IGBT-Schaltern erzeugt werden, berechnet. In einem darauffolgenden Schritt werden die ermittelten Temperaturwerte jeweils auf der Grundlage von Korrekturwerten weiterverarbeitet, um die Sperrschichttemperaturen zu ermitteln.
Um die Größe einer Werkzeugmaschine, eines Industrieroboters oder dergleichen zu verringern, wurde in den letzten Jahren eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von parallel miteinander verbundenen Stromrichtern, d.h. eine Vielzahl von Leistungshalbleitermodulen, die alle in dem gleichen Kühler bzw. Wärmeradiator (heat radiator) untergebracht sind, zum jeweiligen Antrieb einer Vielzahl von Motoren aus einer einzigen Wechselstromversorgung eingesetzt. Wenn die Temperatur eines Leistungshalbleiterchips, die als eine Schätztemperatur verwendet wird, auf der Grundlage einer Bezugstemperatur, die aus dem elektrischen Leistungsverlust aller Leistungshalbleiterchips in einem einzigen Leistungshalbleitermodul errechnet wird, und auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen der Bezugstemperatur und einer Temperatur eines Leistungshalbleitermoduls geschätzt wird, um die Temperatur eines für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips von einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips, die in einem Leistungshalbleitermodul enthalten sind, zu schätzen , ist es bei einer solchen Vorrichtung, die eine Vielzahl von Leistungshalbleitermodulen enthält, sehr schwer, die Temperatur eines einzigen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips genau abzuschätzen. Dies ist deshalb so, weil die Abschätzung den Einfluss der Wärme auf den Kühler, der von allen Leistungshalbleiterchips, die in einem oder mehreren Leistungshalbleitermodulen enthalten sind, anders als wenn das Leistungshalbleitermodul, dass einen einzigen Leistungshalbleiterchips als das Ziel der Temperaturschätzung enthält, nicht berücksichtigt. Dieser Einfluss ist eine elektrische Verlustleistung, die in einem oder mehreren anderen Leistungshalbleitermodulen erzeugt wird, zu denen nicht das Leistungshalbleitermodul gehört, das für die Temperaturschätzung vorgesehen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Temperaturschätzvorrichtung zu schaffen, die die Temperatur eines für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips von einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips, die in einem Leistungshalbleitermodul enthalten sind, deren Anzahl gleich oder größer als die Anzahl der Motoren ist und die in dem gleichen Wärmeabstrahler bzw. Kühlkörper (heat radiator) vorgesehen sind, genau schätzen kann, und eine Motorsteuervorrichtung zu schaffen, die eine solche Temperaturschätzvorrichtung enthält.
Die Temperaturschätzvorrichtung ist eine Temperaturschätzvorrichtung, die eine Temperatur eines für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips schätzt, der zu einem von einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips gehört, die in einem Leistungshalbleitermodul von mehreren Leistungshalbleitermodulen, deren Anzahl gleich oder größer als die Anzahl einer Vielzahl von Motoren ist und die jeweils in dem gleichen Wärmeabstrahler zum Betreiben der Vielzahl von Motoren untergebracht sind, enthalten sind, wobei die Temperaturschätzvorrichtung umfasst:

eine Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung, die eine erste elektrische Verlustleistung errechnet, die der elektrischen Verlustleistung entspricht, die in allen Leistungshalbleiterchips des Leistungshalbleitermoduls erzeugt wird, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält,
eine Recheneinheit für eine erste Temperaturdifferenz, die auf der Basis der ersten elektrischen Verlustleistung eine erste Temperaturdifferenz errechnet, die der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeabstrahler und dem Leistungshalbleitermodul entspricht, das den für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält,
eine Recheneinheit für eine zweite Temperaturdifferenz, die auf der Basis der ersten elektrischen Verlustleistung und einer zweiten elektrischen Verlustleistung eine zweite Temperaturdifferenz errechnet, die der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeabstrahler und einer Bezugstemperatur entspricht, wobei die zweite elektrische Verlustleistung derjenigen elektrischen Verlustleistung entspricht, die in allen Leistungshalbleiterchips des einen oder der mehreren Leistungshalbleitermodule außer dem Leistungshalbleitermodul, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, erzeugt wird,
eine Recheneinheit für eine Temperatur, die die Temperatur des einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips auf der Grundlage der Bezugstemperatur, der ersten Temperaturdifferenz und der zweiten Temperaturdifferenz errechnet, und
eine Ausgabeeinheit für eine Temperatur, die die von der Recheneinheit für eine Temperatur (44) errechnete Temperatur ausgibt.

Vorzugsweise berechnet die Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung die erste elektrische Verlustleistung auf der Basis von entweder einem elektrischen Strom oder einem Befehlswert für einen elektrischen Strom, der durch einen Motor fließt, der dem Leistungshalbleitermodul zugeordnet ist, das den für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, und berechnet den Befehlswert für den elektrischen Strom für den einen Motor, der dem Leistungshalbleitermodul entspricht, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält.
Vorzugsweise berechnet die Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung die erste elektrische Verlustleistung abhängig von der Trägerfrequenz eines PWM Signals oder von PWM Signalen errechnet, die in das Leistungshalbleitermodul eingespeist werden, das den für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält.
Vorzugsweise weist die Temperaturschätzvorrichtung eine Recheneinheit für die Berechnung einer zweiten elektrischen Verlustleistung auf, die die zweite elektrische Verlustleistung berechnet.
Vorzugsweise berechnet die Recheneinheit für die Berechnung einer zweiten elektrischen Verlustleistung die zweite elektrische Verlustleistung auf der Basis von entweder dem elektrischen Strom oder den elektrischen Strömen, die durch einen oder mehrere Motoren fließen, die nicht der Motor sind, zu dem das für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthaltende Leistungshalbleitermodul gehört, und einen Befehlswert für den elektrischen Strom oder Befehlswerte für den elektrischen Strom für den einen oder die mehreren Motoren, die nicht der eine Motor sind, zu dem das für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthaltende Leistungshalbleitermodul gehört.
Vorzugsweise berechnet die Recheneinheit für die zweite elektrische Verlustleistung a die zweite elektrische Verlustleistung abhängig von der Trägerfrequenz von einem PWM Signal oder von PWM Signal, die in das eine oder die mehreren Leistungshalbleitermodule eingespeist werden, die nicht das Leistungshalbleitermodul sind, das den für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält.
Die Motorsteuervorrichtung ist eine Motorsteuervorrichtung zur Steuerung von Motoren, die mit elektrischer Energie betrieben werden, die in einem Gleichstrom-Zwischenkreis gespeichert ist, der an eine Wechselstromversorgung über einen Gleichrichter angeschlossen ist, der durch ein Leistungshalbleitermodul gebildet ist, das wenigstens einen Leistungshalbleiterchip aufweist, wobei die Motorsteuervorrichtung eine Temperaturschätzvorrichtung gemäß der Erfindung enthält.
Vorzugsweise drosselt oder unterbricht die Motorsteuervorrichtung der Erfindung die abgegebene Leistung der Motoren, wenn die von der Temperaturschätzvorrichtung geschätzte Temperatur eine Bezugstemperatur überschreitet.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird noch klarer verständlich, wenn man auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.

1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung mit einer Motorsteuervorrichtung, die eine Temperaturschätzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung aufweist.
2 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuervorrichtung mit einer Temperaturschätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuervorrichtung mit einer Temperaturabschätzvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuervorrichtung mit einer Temperaturschätzvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
5 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuervorrichtung mit einer Temperaturabschätzvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im nachfolgenden wird eine Temperaturschätzvorrichtung, die die Temperatur eines Leistungshalbleiterchips abschätzt, und eine Motorsteuervorrichtung mit der Temperaturschätzvorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
Ausführungsformen einer Temperaturabschätzvorrichtung und einer Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen sind die gleichen Bezugszeichen den jeweils gleichen Bauteilen zugewiesen.
1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung mit einer Motorsteuervorrichtung, die eine Temperaturabschätzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung enthält. 2 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuervorrichtung mit der Temperaturschätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Die in 1 dargestellte Vorrichtung wird in einer Werkzeugmaschine, einem Industrieroboter oder dergleichen eingesetzt und umfasst eine dreiphasige Wechselstromversorgung (Drehstromversorgung) 1, einen Gleichrichter 2, einen Glättungskondensator 3, Stromrichter 4 und 5 als Leistungshalbleitermodule, einen Wärmeradiator bzw. Kühlkörper 6, elektrische Stromdetektoren 7U, 7V, 8U und 8V, Motoren 9 und 10, Messeinheiten für den Drehwinkel 11 und 12, einen Temperatursensor 13, eine Motorsteuervorrichtung 15 mit einer Temperaturabschätzvorrichtung 14, eine Motorsteuervorrichtung 17 mit einer Temperaturschätzvorrichtung 16, Ausgabeeinrichtung in für ein Warnsignal 18 und 19 und eine übergeordnete Steuervorrichtung 20.
Der Gleichrichter 2 ist zum Beispiel als ein Leistungshalbleitermodul aufgebaut, das eine Vielzahl von (6 für dreiphasigen Wechselstrom) Leistungshalbleiterchips, auf denen Gleichrichterdioden vorgesehen sind, hat. Der Gleichrichter 2 richtet Wechselstrom, der von der dreiphasigen Wechselstromversorgung 1 kommt, in Gleichstrom um. Der Glättungskondensator 3 ist parallel zum Gleichrichter zur Glättung der von den Gleichrichterdioden des Gleichrichters 2 gleichgerichteten Spannung geschaltet. Der Stromrichter 4 ist parallel zum Glättungskondensator 3 geschaltet. Der Stromrichter 4 ist zum Beispiel aus einem Leistungshalbleitermodul, dass eine Vielzahl von (6 für dreiphasigen Wechselstrom AC) Leistungshalbleiterchips aufgebaut ist, auf denen Gleichrichterdioden vorgesehen sind, und enthält eine Vielzahl von (6 für dreiphasigen Wechselstrom AC) von Leistungshalbleiterchips, auf denen Transistoren gegenparallel zu den entsprechenden Gleichrichterdioden vorgesehen sind. Der Stromrichter führt einen Ein- und Ausschaltvorgang der Transistoren auf der Basis eines pulsweitenmodulierten Signals V_PWM1 aus, was an späterer Stelle beschrieben wird, zum Wandeln des Gleichstroms, der von dem Gleichrichter 2 erzeugt wurde, in Wechselstrom. Der Stromrichter 5 ist parallel zum Glättungskondensator 3 geschaltet. Der Stromrichter 5 ist zum Beispiel auch als ein Leistungshalbleitermodul, das eine Vielzahl von (6 für dreiphasigen Wechselstrom AC) Leistungshalbleiterchips, auf denen Gleichrichterdioden vorgesehen sind, aufgebaut und enthält eine Vielzahl von (6 für dreiphasigen Wechselstrom AC) Leistungshalbleiterchips, auf denen Transistoren gegenparallel zu den entsprechenden Gleichrichterdioden vorgesehen sind. Der Stromrichter 5 führt einen Ein- und Ausschaltvorgang der Transistoren auf der Basis eines pulsweitenmodulierten Signals V_PWM2 aus, was an späterer Stelle erläutert wird, um den Gleichstrom, der von dem Gleichrichter 2 gleichgerichtet wurde, in Wechselstrom zu wandeln.
In dem Wärmeabstrahler bzw. Kühlkörper 6 sind die Stromrichter 4 und 5 angeordnet. Dadurch kühlt der Wärmeabstrahler 6 die Stromrichter 4 und 5 durch Abstrahlung der Wärme, die durch die elektrische Verlustleistung zu dem Zeitpunkt des Ein- und Ausschaltens der Gleichrichterdioden und der Transistoren, die in den Stromrichtern 4 und 5 enthalten sind, erzeugt wird und die Wärme, die durch die elektrische Verlustleistung erzeugt wird, die zum Zeitpunkt des Schaltens der Transistoren, die in den Stromrichtern 4 und 5 enthalten sind, verursacht ist.
Die elektrischen Stromdetektoren 7U und 7V sind an Ausgangsleitungen des Stromrichter 4 zur Messung des elektrischen Stroms I_U1 der U-Phase und des elektrischen Stroms I_V1 der V-Phase von 2 Phasen von dem elektrischen Strom I_U1 der U-Phase und dem elektrischen Strom I_V1 der V-Phase sowie von dem elektrischen Strom I_W1 der W-Phase von den 3 Phasen, die durch den Motor 9 fließen, angeschlossen. Die elektrischen Stromdetektoren 8U und 8V sind an Ausgangsleitungen des Stromrichters 5 zur Messung des elektrischen Stroms I_U2 der U-Phase und des elektrischen Stroms I_V2 der V-Phase von 2 Phasen des elektrischen Stroms I_U2 der U-Phase und des elektrischen Stroms I_V2 der V Phase sowie des elektrischen Stroms I_W2 der W-Phase von den 3 durch den Motor 10 fließenden Phasen vorgesehen. Die elektrischen Stromdetektoren 7U, 7V, 8U und 8V sind zum Beispiel als Messwiderstände oder Hall-Elemente ausgebildet.
Die Motoren 9 und 10 werden durch den elektrischen Strom betrieben, der in dem Glättungskondensator 3 gespeicherte ist. Wenn die in 1 gezeigte Vorrichtung in einer Werkzeugmaschine eingesetzt wird, dient entweder der Motor 9 oder der Motor 10 als ein in Richtung der Schwerkraftachse ausgerichteter Servomotor bzw. Stellmotor, der eine Hauptwelle der Werkzeugmaschine antreibt, die in Richtung der Schwerkraftachse (in Richtung der Z-Achse) durch einen Vorschubsteuerungsmechanismus, zum Beispiel einen Kugelgewindespindel-Antrieb, angetrieben wird, und dient der andere Motor der Motoren 9 und 10 als ein Motor der Hauptwelle, der ein Werkzeug antreibt, das zum Beispiel an der Hauptwelle der Werkzeugmaschine angebracht ist. Wenn die in 1 dargestellte Vorrichtung in einem Industrieroboter eingesetzt wird, dient jeder der Motoren 9 und 10 als ein in Richtung der Schwerkraft wirkender Servomotor bzw. Stellmotor, der einen Arm von mehreren Armen des Industrieroboters in Richtung der Schwerkraft (in Richtung der Z-Achse) antreibt.
Die Messeinheit für den Drehwinkel 11 ist aus einem Drehwinkelgeber, einem Hall-Element, einem Koordinatenwandler bzw. Resolver oder dergleichen zur Messung eines Drehwinkels Θ1 des Motors 9 aufgebaut. Die Messeinheit für den Drehwinkel 12 ist aus einem Drehwinkelgeber, einem Hall-Element, einem Koordinatenwandler bzw. Resolver oder dergleichen zur Messung eines Drehwinkels Θ2 des Motors 10 aufgebaut. Der Temperatursensor 13 ist als ein Thermistor oder dergleichen zur Messung der Außentemperatur der Luft TA als eine Bezugstemperatur ausgebildet.
Die Motorsteuervorrichtung 15 weist eine Recheneinheit für die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, eine Messeinheit 22 für den elektrischen Strom der q-Achse und des elektrischen Stroms der d-Achse, einen Speicher 23, eine Erzeugungseinheit 24 zur Erzeugung eines Befehlswerts für den elektrischen Strom der q-Achse, eine Erzeugungseinheit 25 zur Erzeugung eines Befehlswerts für den elektrischen Strom der d-Achse, einen Subtrahierer 26 und einen Subtrahierer 27, PI Regler 38 und 39, eine Einheit 30 zur Erzeugung einer Befehlsspannung und einer Einheit 31 zur Erzeugung eines PWM-Signals für die Steuerung des Motors 9 auf.
Die Recheneinheit für die Drehgeschwindigkeit 21 erhält den Drehwinkel Θ1 von der Messeinheit für einen Drehwinkel 11 zugeleitet und differenziert den zugeleiteten Drehwinkel Θ1 nach der Zeit zur Berechnung der Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl ω des Motors 9 entsprechend der Frequenz eines elektrischen Stroms I_U der U-Phase, eines elektrischen Stroms I_V der V-Phase und eine elektrischen Stroms I_W der W-Phase. Die Recheneinheit für die Drehgeschwindigkeit 21 gibt die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl ω an die Erzeugungseinheit 24 für den Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse und an die Erzeugungseinheit 25 für den Befehlswert für den elektrischen Strom der d-Achse ab.
Die Messeinheit 22 für den elektrischen Strom der q-Achse und des elektrischen Stroms der d-Achse empfängt von den entsprechenden Stromdetektoren 7U und 7V den elektrischen Strom I_U1 der U-Phase und den elektrischen Strom I_V1 der V-Phase von den 2 Phasen von dem elektrischen Strom I_U1 der U-Phase, dem elektrischen Strom I_V1 der V-Phase und dem elektrischen Strom I_W1 der W-Phase von den 3 Phasen, die durch den Motor 9 fließen, gewinnt den elektrischen Strom I_W1 der W-Phase auf der Basis des elektrischen Stroms I_U1 der U Phase und des elektrischen Stroms I_V2 der V-Phase von den beiden Phasen und misst den elektrischen Strom I_q der q-Achse und den elektrischen Strom I_d der d-Achse auf der Basis des Drehwinkels Θ 1 und des elektrischen Stroms I_U1 der U-Phase, des elektrischen Stroms I_V1 und des elektrischen Stroms I_W1 der W-Phase der 3 Phasen, die durch den Motor 9 fließen. Zu diesem Zweck ist die Messeinheit 22 für den elektrischen Strom der q-Achse und den elektrischen Strom der d-Achse aufgebaut aus einer Koordinatenwandlungseinheit, die eine Wandlung der Drehkoordinaten und eine 3-Phasen zu 2-Phasen Wandlung vornimmt. Auf diese Weise wandelt die Messeinheit 22 für den elektrischen Strom der q-Achse und den elektrischen Strom der d-Achse den elektrischen Strom I_U1 der U-Achse, den elektrischen Strom I_V1 der V-Phase und den elektrischen Strom I_W1 der W Phase von den 3 Phasen in einem festen Koordinatensystem (U-V-W Koordinatensystem) in den elektrischen Strom I_q der q-Achse und den elektrischen Strom I_d der d-Achse der beiden Phasen, die durch ein Drehkoordinatensystem ausgedrückt werden, das um den Drehwinkel Θ1 gegenüber dem festen Koordinatensystem (α - β Koordinatensystem) gedreht ist. Dann gibt die Messeinheit 22 für den elektrischen Strom der q-Achse und den elektrischen Strom der d-Achse den Strom I_q der q-Achse und den elektrischen Strom Id der d-Achse an die jeweiligen Subtrahierer 26 und 27 ab.
In dem Speicher 23 ist eine Nachschlagtabelle gespeichert, die die Beziehung zwischen dem Befehl ω_com1 für die Drehgeschwindigkeit, einer aktuellen Drehgeschwindigkeit ω des Motors 9 und des Befehlswerts I_qcom für den elektrischen Strom der q-Achse und den Befehlswert I_dcom für den elektrischen Strom der d-Achse enthält. Der Befehl ω_com1 für die Drehgeschwindigkeit ist der Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit des Motors 9, die von der übergeordneten Steuervorrichtung 20 an die Motorsteuervorrichtung 15 abgegeben wird. Die aktuelle Drehgeschwindigkeit ω des Motors 9 entspricht einem Positions-oder Drehzahlbefehl des Motors 9, der von der Recheneinheit 21 für die Drehgeschwindigkeit an die Erzeugungseinheit 24 für den Befehlswert des elektrischen Stroms der q-Achse und der Erzeugungseinheit 25 für den Befehlswert des elektrischen Stroms der d-Achse eingespeist wird.
Die Erzeugungseinheit für einen Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse 24 erzeugt einen Befehlswert für den elektrischen Strom für die q-Achse I_qcom. Um dies zu erreichen, empfängt die Erzeugungseinheit 24 für einen Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse einen aktuellen Wert der Drehzahl ω des Motors 9 von der Recheneinheit für die Drehgeschwindigkeit 21, empfängt einen Befehl für die Drehgeschwindigkeit ω_com1 von der übergeordneten Steuervorrichtung 20, liest aus dem Speicher 23 einen Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse I_qcom entsprechend dem Drehzahlbefehl ω_com1 und der aktuellen Drehzahl ω des Motors 9 aus und gibt den ausgelesenen Befehlswert I_qcom für den elektrischen Strom q-Achse an den Subtrahierer 26 ab.
Die Erzeugungseinheit für einen Befehlswert für den elektrischen Strom der d-Achse 25 erzeugt einen Befehlswert für den elektrischen Strom für die d-Achse I_dcom. Um dies zu erreichen, empfängt die Erzeugungseinheit 25 für einen Befehlswert für den elektrischen Strom einen aktuellen Wert der Drehzahl ω des Motors 9 von der Recheneinheit für die Drehgeschwindigkeit 21, empfängt einen Befehl für die Drehgeschwindigkeit ω_com1 von der übergeordneten Steuervorrichtung 20, liest aus dem Speicher 23 einen Befehlswert für den elektrischen Strom der d-Achse I_dcom entsprechend dem Drehzahlbefehl ω_com1 und der aktuellen Drehzahl ω des Motors 9 aus und gibt den ausgelesenen Befehlswert I_dcom für den elektrischen Strom d-Achse an den Subtrahierer 27 ab.
Der Subtrahierer 26 weist eine nicht-invertierende Eingabeeinheit auf, an die der Befehlswert I_qcom für den elektrischen Strom der q-Achse abgegeben wird, eine invertierende Eingabeeinheit, in die der Wert des elektrischen Stroms der q-Achse I_q eingespeist wird, und eine Ausgabeeinheit, die einen Fehlerwert ΔI_q für den elektrischen Strom ausgibt, der das Ergebnis einer Subtraktion des Befehlswerts I_qcom für den elektrischen Strom der q Achse und des Werts I_q des elektrischen Stroms der q-Achse ist. Der Subtrahierer 27 weist eine nicht-invertierende Eingabeeinheit auf, in die der Befehlswert für den elektrischen Strom der d-Achse eingespeist wird, eine invertierende Eingabeeinheit auf, in die der Wert des elektrischen Stroms der d-Achse eingespeist wird, und eine Ausgabeeinheit auf, die einen Fehlerwert ΔI_d für den elektrischen Strom ausgibt, der das Ergebnis einer Subtraktion des Befehlswerts I_dcom für den elektrischen Strom der d Achse und des Werts I_d des elektrischen Stroms der d-Achse ist.
Der PI Regler 28 empfängt einen Fehlerwert ΔI_q für den elektrischen Strom, führt eine proportionale Integration des Fehlerwerts ΔI_q für den elektrischen Strom durch, um einen Befehlswert V_q für die Spannung der q-Achse zu erzeugen, und gibt den Befehlswert V_q für die Spannung der q-Achse an die Erzeugungseinheit für den Spannungsbefehl 30 ab. Der PI Regler 29 empfängt einen Fehlerwert ΔI_d für den elektrischen Strom, führt eine proportionale Integration des Fehlerwerts ΔI_d für den elektrischen Strom durch, um einen Befehlswert V_d für die Spannung der d-Achse zu erzeugen, und gibt den Befehlswert V_d für die Spannung der d-Achse an die Erzeugungseinheit für den Spannungsbefehl 30 ab.
Die Erzeugungseinheit für eine Befehlsspannung 30 erzeugt einen Befehlswert für die Spannung V_U der U-Phase, einen Befehlswert für die Spannung V_V der V-Phase und einen Befehlswert für die Spannung V_W der W-Phase auf der Basis des Befehlswerts V_q für die Spannung der q-Phase und des Befehlswerts V_d für die Spannung der d-Achse. Für diesen Zweck ist die Erzeugungseinheit für eine Befehlsspannung 30 aufgebaut aus einer Wandlereinheit für Koordinaten, die die Umwandlung von Drehkoordinaten und die Umwandlung von 2 Phasen in 3 Phasen durchführt. Folglich wandelt die Erzeugungseinheit für einen Spannungsbefehl 30 in den Befehlswert V_U für die Spannung der U-Phase, in den Befehlswert V_V für die Spannung der V-Phase und den Befehlswert V_W für die Spannung der W-Phase der 3 Phasen, den Spannungsbefehl V_d für die d-Achse und den Spannungsbefehl V_q für die q-Achse der 2 Phasen, die in einem Drehkoordinatensystem wiedergegeben sind, das um den Drehwinkel Θ1 mit Bezug auf das feste Koordinatensystem (α - β Koordinatensystem) gedreht ist. Dann gibt die Erzeugungseinheit für eine Befehlsspannung 30 den Befehlswert V_U für die Spannung der U-Phase, den Befehlswert V_V für die Spannung der V-Phase und den Befehlswert V_W für die Spannung der W-Phase an die Erzeugungseinheit für das Pulsweitenmodulationssignal PWM 31.
Die Erzeugungseinheit für das Pulsweitenmodulationssignal PWM 31 erzeugt ein PWM Signal V_PWM1 (in diesem Fall die Signale V_PWM1-1, V_PWM1-2, V_PWM1-3, V_PWM1-4, V_PWM1-5 und V_PWM1-6 für die jeweiligen Transistoren des Stromrichters 4) auf der Basis des Befehlswerts für die Spannung V_U der U-Phase, des Befehlswerts für die Spannung V_V der V-Phase und des Befehlswerts für die Spannung V_W der W-Phase und gibt das PWM Signal V_PWM1 an den Inverter 4 für den Antrieb des Motors 9 ab. Zu diesen Zweck erzeugt die Erzeugungseinheit für das PWM Signal 31 das PWM Signal V_PWM1 auf der Basis der Trägerfrequenz entsprechend einer Periode (zum Beispiel 250 µs) eines nicht dargestellten Zeitgebers, der in der Motorsteuervorrichtung 15 vorgesehen ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform, die zuvor beschrieben wurde, weist die Motorsteuervorrichtung 15 ferner eine Temperaturschätzvorrichtung 14 auf, die eine Temperatur von einem für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip schätzt, der in einem der Stromrichter 4 der beiden Stromrichter 4 und 5 enthalten ist, die in dem gleichen Wärmeabstrahler 6 für den jeweiligen Antrieb der beiden Motoren 9 und 10 vorgesehen sind. Zu diesen Zweck weist die Temperaturschätzvorrichtung 14 eine Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41, die als eine Recheneinheit für die erste Temperaturdifferenz arbeitet, eine Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 42, die als eine Recheneinheit für die erste Temperaturdifferenz arbeitet, eine Recheneinheit für die Temperaturdifferenz 43, die als eine Recheneinheit für eine zweite Temperaturdifferenz arbeitet, eine Recheneinheit für eine Temperatur 44 und eine Ausgabeeinheit für die Temperatur 45 auf.
Die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41 berechnet die elektrische Verlustleistung Q1 als eine erste elektrische Verlustleistung, die in allen Leistungshalbleiterchips des Stromrichters 4 erzeugt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Recheneinheit für die Berechnung der elektrischen Verlustleistung 41 die elektrische Verlustleistung Q1 auf der Basis des elektrischen Stroms I_U1 der U-Phase, der durch den Motor 9 fließt. Die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41 gibt die elektrische Verlustleistung Q 1 an die Recheneinheit für die Temperaturdifferenz 42, die Recheneinheit für die Temperaturdifferenz 43 und die Temperaturschätzeinheit 16 ab, die in der Motorsteuervorrichtung 17 enthalten ist. Wenn der elektrische Widerstand des Stromrichters 4 R ist und der Wert des Gleichstroms dem elektrischen Strom I_U1 der U-Phase |I_U1| entspricht, kann die elektrische Verlustleistung durch folgende Formel ausgedrückt werden: $Q 1 = {R|I}_{U1} |^{2}$
In dieser Gleichung wird der Gleichstromwert |I_U1| dadurch erhalten, dass der elektrische Stromdetektor 7U das ausgegebene Messsignal des elektrischen Stroms an einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler abgegeben wird und dass das Messsignal des elektrischen Stroms digitalisiert wird. Die digitalen Daten werden in die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41 eingegeben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform führt die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41 eine Berechnung der elektrischen Verlustleistung Q1 abhängig von der Trägerfrequenz des PWM-Signals V_PWM1-1 für einen in dem Stromrichter 4 enthaltenen Transistor aus. Mit anderen Worten, unter der Bedingung, dass ein Gleichstromwert |I_U1| konstant ist, erhöht die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41 die elektrische Verlustleistung Q1 mit dem Anstieg der Trägerfrequenz des PWM-Signals V_PWM1-1.
Die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 42 berechnet auf der Basis der elektrischen Verlustleistung Q1 eine Temperaturdifferenz ΔT1 als eine erste Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeabstrahler 6 und dem Stromrichter 4, der einen für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält. Für diesen Zweck wird die elektrische Verlustleistung Q1 in die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 42 von der Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41 eingespeist. Die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 42 gibt die Temperaturdifferenz ΔT1 an die Recheneinheit für eine Temperatur 44 ab. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Temperaturdifferenz ΔT1 als eine Variable F(Q1) angesehen werden, die sich in Übereinstimmung mit der elektrischen Verlustleistung Q1 ändert. Mit anderen Worten, die Temperaturdifferenz ΔT1 kann durch die nachfolgende Gleichung wiedergegeben werden: $Δ T 1 = F (Q 1)$
Wenn der Wärmewiderstand des Umrichters 4 zum Beispiel Θ1 ist, kann eine Variable F(Q1) durch die nachfolgende Gleichung wiedergegeben werden: $F (Q 1) = Θ 1 \times Q 1$
Die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43 berechnet eine Temperaturdifferenz ΔT2 auf der Basis der elektrischen Verlustleistung Q1 und einer elektrischen Verlustleistung Q2. Die Temperaturdifferenz ΔT2 ist eine zweite Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wärmeabstrahlers 6 und der Außentemperatur der Luft TA. Die elektrische Verlustleistung Q2 ist eine zweite, in allen Leistungshalbleiterchips des Stromrichters 5 erzeugte elektrische Verlustleistung. Zu diesem Zweck empfängt die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43 die elektrische Verlustleistung Q1 von der Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41 und empfängt die elektrische Verlustleistung Q2 von der Temperaturabschätzvorrichtung 16. Die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43 gibt die Temperaturdifferenz ΔT2 an die Recheneinheit für eine Temperatur 44 weiter. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Temperaturdifferenz ΔT2 durch eine Variable G (Q1, Q2) wiedergegeben werden, die sich in Übereinstimmung mit der elektrischen Verlustleistung Q1 und der elektrischen Verlustleistung Q2 verändert. Mit anderen Worten er kann die Temperaturdifferenz ΔT2 durch die nachfolgende Gleichung wiedergegeben werden: $Δ T 2 = G (Q 1, Q 2)$
Wenn zum Beispiel der Wärmewiderstand des Kühlkörpers bzw. Wärmeradiators Θ2 ist, kann die Variable G(Q1, Q2) durch die nachfolgende Gleichung beschrieben werden: $G (Q 1, Q 2) = Θ 2 (Q 1 + Q 2)$
Die Recheneinheit für eine Temperatur 44 berechnetet auf der Basis der Außentemperatur der Luft TA eine Temperaturdifferenz ΔT1 und eine Temperaturdifferenz ΔT2, eine Temperatur T1 eines Leistungshalbleiterchips, der für die Temperaturschätzung vorgesehenen ist und der in dem Stromrichter 4 enthalten ist. Zu diesem Zweck empfängt die Recheneinheit für eine Temperatur 44 die Außentemperatur der Luft TA, die vom Temperatursensor 13 gemessen wird, empfängt die Temperaturdifferenz ΔT1 von der Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 42 und empfängt die Temperaturdifferenz ΔT2 von der Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43. Die Recheneinheit für eine Temperatur 44 gibt die Temperatur T1 an die Ausgabeeinrichtung für ein Warnsignal 18 über die Temperaturausgabeeinheit 45 ab.
Die Ausgabeeinheit für eine Temperatur 45 wird durch einen Eingabe-Ausgabe Port oder dergleichen gebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur T1 durch die Summe der Außentemperatur der Luft TA, der Temperaturdifferenz ΔT1 und der Temperaturdifferenz ΔT2 wiedergegeben. Mit anderen Worten, die Temperatur T1 kann durch die nachfolgende Gleichung wiedergegeben werden. $T 1 = TA + Δ T 1 + Δ T 2$
Die Motorsteuervorrichtung 17 empfängt von den entsprechenden Stromdetektoren 8U und 8V einen elektrischen Strom I_U2 der U-Phase, einen elektrischen Strom I_V2 der V-Phase von den Strömen der beiden Phasen I_U2 der U-Phase und des Stroms I_V2 der V-Phase, einen elektrischen Strom I_W2 der W-Phase von den 3 Phasen, die durch den Motor 10, empfängt den Drehwinkel Θ 2 von dem Drehwinkelgeber 12, empfängt die Außentemperatur der Luft TA, die von dem Temperatursensor 13 gemessen wird, und empfängt die elektrische Verlustleistung Q1 von der Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41. Die Motorsteuervorrichtung 17 erzeugt ein PWM Signal V_PWM2 (in diesem Fall die Signale V_PWM2-1, V_PWM2-2, V_PWM2-3, V_PWM2-4, V_PWM2-5 und V_PWM2-6 für die jeweiligen Transistoren des Stromrichters 5) auf der Basis des eingespeisten elektrischen Stroms I_U2 der U Phase, des elektrischen Stroms I_V2 der V-Phase und des Drehwinkels Θ2 und gibt das PWM Signal V_PMW2 an den Stromrichter 5 für den Betrieb des Motors 10 ab. Zu diesem Zweck erzeugt die Motorsteuervorrichtung 17 das PWM Signal V_PWM2 auf der Basis der Trägerfrequenz entsprechend einer Periode (zum Beispiel 250 µs) eines nicht dargestellten Taktgebers, der in der Motorsteuervorrichtung 17 vorgesehen ist.
In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Motorsteuervorrichtung 17 die Temperaturschätzvorrichtung 16, die eine Temperatur eines für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips schätzt und der in dem Stromrichter 5 der beiden Stromrichtern 4 und 5 enthalten ist, die jeweils in dem Wärmeabstrahler 6 für die Betrieb der beiden Motoren 9 und 10 untergebracht sind. Zu diesen Zweck errechnet die Temperaturschätzeinrichtung 16 auf der Basis des eingespeisten elektrischen Stroms I_U2 der U-Phase, des elektrischen Stroms I_V2 der V-Phase und der Außentemperatur der Luft TA den elektrischen Leistungsverlust Q2, der in allen Leistungshalbleiterchips in dem Stromrichter 5 erzeugt wird, und gibt die elektrische Verlustleistung Q2 an die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43 ab. Die Temperaturschätzeinrichtung 16 schätzt auf der Basis der Außentemperatur der Luft TA, der elektrischen Verlustleistung Q1 und der elektrischen Verlustleistung Q2 eine Temperatur T2 von einem für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip und der in dem Stromrichter 5 enthalten ist, und gibt die geschätzte Temperatur T2 an die Ausgabeeinrichtung 19 für ein Warnsignal ab.
In der vorliegenden Erfindung berechnet die Motorsteuervorrichtung 17 die elektrische Verlustleistung Q2 in Abhängigkeit von einer Trägerfrequenz eines PWM-Signals V_PWM2-1 für einen in dem Stromrichter 5 enthaltenen Transistor. Mit anderen Worten, erhöht sich die elektrische Verlustleistung Q2 in der Motorsteuervorrichtung 17 mit der Zunahme einer Trägerfrequenz des PWM-Signals V_PWM2-1 in dem Zustand, in dem der Absolutwert des Gleichstroms |I_V2| konstant ist, wobei der Absolutwert des Gleichstroms |I_V2| dadurch erhalten wird, dass an einen nicht dargestellten Analog-Digital Wandler ein elektrisches Strommesssignale gegeben wird, das von dem elektrischen Stromdetektor 8U abgegeben wird, und wodurch das aufgegebene Messsignal des elektrischen Stroms in digitale Daten gewandelt wird.
Die Ausgabeeinrichtung für ein Warnsignal 18 vergleicht eine Temperatur T1 mit einer vorgegebenen Temperatur (zum Beispiel einer durch den Hersteller der Leistungshalbleiterchips angegebenen Nenntemperatur) wenn die Temperatur T1 höher ist als die vorgegebene Temperatur, gibt die Ausgabeeinrichtung für ein Warnsignal 19 ein Warnsignal A1 an die übergeordnete Steuervorrichtung 20 ab.
Die Ausgabeeinrichtung für ein Warnsignal 19 vergleicht eine Temperatur T2 mit einer vorgegebenen Temperatur (zum Beispiel einer durch den Hersteller der Leistungshalbleiterchips angegebenen Nenntemperatur). Wenn die Temperatur T2 höher als die vorgegebene Temperatur ist, gibt die Ausgabeeinrichtung für ein Warnsignal 18 ein Warnsignal A2 an die übergeordnete Steuervorrichtung 20 ab.
In der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl die Motorsteuervorrichtung 15 als auch die Ausgabeeinrichtung für ein Warnsignal 18 jeweils durch einen Prozessor mit einem Eingangs-Ausgangs-Port, einer seriellen Kommunikationsschaltung, einem Analog-Digital Wandler, einem Zeitgeber und dergleichen gebildet, und jeder hiervon führt verschiedene Prozesse nach einem in einem nicht dargestellten Speicher gespeicherten Verarbeitungsprogramm aus. Die Motorsteuervorrichtung 17 und die Ausgabeeinrichtung für ein Warnsignal 19 sind jeweils durch einen weiteren Prozessor mit einem Eingabe-Ausgabe-Port, einer seriellen Kommunikationsschaltung, einem Analog-Digital Wandler, einem Zeitgeber usw. gebildet und jeder hiervon führt verschiedene Prozesse gemäß einem in einem nicht dargestellten Speicher gespeicherten Verarbeitungsprogramm aus.
Die übergeordnete Steuervorrichtung 20 ist aus einem CNC-Controller usw. gebildet, gibt einen Befehlswert für eine Drehgeschwindigkeit ω_com1 an die Erzeugungseinheit 24 für einen Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse und die Erzeugungseinheit 25 für einen Befehlswert für den elektrischen Strom der d-Achse ab und gibt einen Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit ω_com2 an die Motorsteuervorrichtung 17 ab. Bei der vorliegenden Ausführungsform gibt die übergeordnete Steuervorrichtung 20, wenn das Alarmsignal A1 aufgegeben wird, an die Erzeugungseinheit 24 für einen Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse 25 den Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit ω_com1 ab (das heißt einen Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit ω_com1 von Null) ab, um zu bewirken, dass die abgegebene Leistung des Motors 9 zu Null wird oder der Befehlswert für die Drehzahl ω_com1 (das heißt der Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit ω_com1 kleiner als der vorhergehende Befehlswert für die Drehzahl ω_com1 _wird) oder um zu bewirken, dass die Ausgangsleistung des Motors 9 abnimmt. Wenn das Warnsignal A2 in die übergeordnete Steuervorrichtung 20 eingegeben wird, gibt die übergeordnete Steuervorrichtung 20 an die Motorsteuervorrichtung 17 den Befehlswert der Drehgeschwindigkeit ω_com2 ab (das heißt den Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit ω_com1 von Null) und zu bewirken, dass die Ausgangsleistung des Motors 10 Null wird, oder den Befehlswert der Drehgeschwindigkeit ω_com1 ab (d.h. einen Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit ω_com2, der kleiner als der vorhergehende Befehlswert für die Drehgeschwindigkeit ω_com1 ist), um die Ausgangsleistung des Motors 10 zu verringern. Auf diese Weise stoppt oder begrenzt die Motorsteuervorrichtung 15 die abgegebene Leistung des Motors 9, wenn die durch die Temperaturschätzvorrichtung 14 geschätzte Temperatur T1 die Außentemperatur der Luft TA überschreitet. Folglich können die Stromrichter 4 und 5 in geeigneter Weise vor Hitze bzw. Überhitzung geschützt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung werden die Außentemperatur der Luft TA, die die Bezugstemperatur ist, der elektrische Energieverlust Q1, der durch alle Leistungshalbleiterchips des Stromrichters 4 erzeugt wird, die den einen für die Temperaturschätzung ausgewählten Leistungshalbleiterchip enthält, und die elektrische Verlustleistung Q2, die der von allen Leistungshalbleiterchips des Stromrichters 5 erzeugten Wärme entspricht, d.h. von einem oder mehreren der Leistungshalbleitermodule erzeugt wird, die nicht dem Stromrichter 4 entspricht, der den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, ohne den Einbau des Temperatursensors 13 in den Wärmeabstrahler bzw. Kühlkörper 6 gewonnen. Anschließend werden auf der Basis der Außentemperatur der Luft TA die elektrische Verlustleistung Q1 und die elektrische Verlustleistung Q2 und die Temperatur T1 des einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips, der in dem Stromrichter 4 enthalten ist, abgeschätzt. Dabei kann, selbst wenn die Temperatur T1 des einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips, der in dem Stromrichter 4 enthalten ist, sich von der Temperatur T2 des einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip, der für die Temperaturschätzung ausgewählt ist und in dem Stromrichter 5 enthalten ist, der auf den Wärmeabstrahler 6 durch alle Leistungshalbleiterchips des Stromrichter 5 ausgeübte Einfluss mitberücksichtigt werden. Folglich ist es möglich, dass die Temperatur T1 des für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips„ der in dem Stromrichter 4 enthalten ist, genau abgeschätzt wird.
3 ist ein Blockschaltbild der Motorsteuervorrichtung einschließlich einer Temperaturschätzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Eine Motorsteuervorrichtung 15a, die in 3 dargestellt ist, wird anstelle der in 1 dargestellten Vorrichtung verwendeten Motorsteuervorrichtung 15 eingesetzt. Eine in der Motorsteuervorrichtung 15a verwendete Temperaturschätzvorrichtung 14a weist eine Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41a anstelle der Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 41 auf, die die elektrische Verlustleistung Q1 auf der Basis des elektrischen Stroms I_U1 der Q Phase errechnet. Die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 41a arbeitet als eine Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung, die die elektrische Verlustleistung Q1 auf der Basis des Befehlswerts für den elektrischen Strom der q-Achse I_qcom errechnet. Für diesen Zweck empfängt die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 41a den Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse I_qcom von der Recheneinheit für den Befehlswert des elektrischen Stroms 24 und gibt die errechnete elektrische Verlustleistung Q1 an die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 42, die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43 und die Temperaturschätzvorrichtung 16, die in der Motorsteuervorrichtung 17 vorgesehen ist, ab.
Bei der vorliegenden Ausführungsform errechnet die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 41a die elektrische Verlustleistung Q1 in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz des PWM Signals V_PWM1-1 für einen der in dem Stromrichter 4 enthaltenen Transistoren. Mit anderen Worten, unter der Voraussetzung, dass der Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse I_coqm konstant ist, erhöht die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 41a die elektrische Verlustleistung Q1 mit der Erhöhung der Trägerfrequenz des PWM-Signals V_PWM1-1.
4 ist ein Blockdiagramm der Motorsteuervorrichtung mit einer Temperaturschätzvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. Eine in 4 dargestellte Motorsteuervorrichtung 15b wird anstelle der in 1 gezeigten Vorrichtung eingesetzten Motorsteuervorrichtung 15 verwendet. Eine Temperaturabschätzvorrichtung 14b, die in der Motorsteuervorrichtung 15b eingesetzt wird, weist die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41, die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 42, die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43a, die Recheneinheit für eine Temperatur 44, die Ausgabeeinheit für eine Temperatur 45 und eine Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 46 auf, die als eine zweite Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung dient. Die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 46 empfängt den elektrischen Strom I_U2 der U-Phase von dem elektrischen Stromdetektor 8Q und berechnet die elektrische Verlustleistung Q2 auf der Grundlage des elektrischen Stroms I_U2 der U U-Phase. Die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 46 gibt die elektrische Verlustleistung Q2 an die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43a ab. Die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43a empfängt die elektrische Verlustleistung Q1 von der Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 41, erhält die elektrische Verlustleistung Q2 von der Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 46 und berechnet die Temperaturdifferenz ΔT2 auf der Basis der elektrischen Verlustleistung Q1 und der elektrischen Verlustleistung Q2. Daraufhin gibt die Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43a die Temperaturdifferenz ΔT2 an die Recheneinheit für eine Temperatur 44 ab. Wenn die Motorsteuervorrichtung 15b in der in 1 dargestellten Vorrichtung eingesetzt wird, erhält die Motorsteuervorrichtung 17 den elektrischen Strom I_U1 der U-Phase von dem elektrischen Stromdetektor 7U.
Bei der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 46 die elektrische Verlustleistung Q2, die von der Trägerfrequenz des PWM Signals V_PWM2-1 für einen der in dem Stromrichter 5 enthaltenen Transistoren abhängt. Mit anderen Worten, die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 46 erhöht die elektrische Verlustleistung Q2 so wie sich die Trägerfrequenz des PWM-Signals V _PWM2-1 erhöht, unter der Bedingung, dass der Absolutwert des Gleichstroms |I_U2| konstant ist, wobei der Absolutwert des Gleichstroms |I_U2| durch Eingabe in einen Analog-zu-Digital Konverter, der nicht dargestellt ist, ein Messsignal des elektrischen Stroms gewonnen wird, das von dem elektrischen Stromdetektor 8U eingespeist wird, und dadurch das Messsignal des elektrischen Stroms in digitale Daten gewandelt wird.
5 ist ein Blockdiagramm einer Motorsteuervorrichtung mit einer Temperaturschätzvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. Die in 5 dargestellte Motorsteuervorrichtung 15c wird anstelle der bei der in 1 dargestellten Vorrichtung verwendeten Motorsteuervorrichtung 15 eingesetzt. Eine in der Motorsteuervorrichtung 15c vorgesehene Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 41a weist eine Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 42, eine Recheneinheit für eine Temperaturdifferenz 43b, eine Recheneinheit für eine Temperatur 44, die Ausgabeeinheit für eine Temperatur 45 und die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 46a auf, die als eine Recheneinheit für eine zweite elektrische Verlustleistung arbeitet. Die Recheneinheit für eine elektrische Verlustleistung 46a erhält von der Motorsteuervorrichtung 17 den Befehlswert für den elektrischen Strom I_qcom' der Q-Achse für den Motor 10 und berechnet die elektrische Verlustleistung Q2 auf der Basis des Befehlswerts für den elektrischen Strom der Q Achse I_qcom'. Dann gibt die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 46a die elektrische Verlustleistung Q2 an die Recheneinheit für die Temperaturdifferenz 43b ab. Die Recheneinheit für die Temperaturdifferenz 43b empfängt die elektrische Verlustleistung Q1 von der Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 41klein A, empfängt die elektrische Verlustleistung Q2 von der Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 46a und berechnet die Temperaturdifferenz ΔT2 auf der Basis der elektrischen Verlustleistung Q1 und der elektrischen Verlustleistung Q2. Dann gibt die Recheneinheit für die Temperaturdifferenz 43b die Temperaturdifferenz ΔT2 an die Recheneinheit für die Temperatur 44 ab. Wenn die Motorsteuervorrichtung 15c in der in 1 dargestellten Vorrichtung eingesetzt wird, empfängt die Motorsteuervorrichtung 17 den Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse I_qcom von der Erzeugungseinheit für den Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse 24.
Bei der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 46a die elektrische Verlustleistung Q2 abhängig von der Trägerfrequenz des PWM-Signals V _PWM2-1 für einen der in dem Stromrichter 5 enthaltenen Transistoren. Mit anderen Worten, unter der Bedingung, dass der Befehlswert für den elektrischen Strom der q-Achse I_qcom' konstant ist, erhöht die Recheneinheit für die elektrische Verlustleistung 46a die elektrische Verlustleistung Q2 mit der Zunahme der Trägerfrequenz des PWM-Signals V_PWM2-1.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die zuvor beschriebenen Ausführungsform und viele Abänderungen und Modifikationen können vorgenommen werden. Obwohl die obige Beschreibung der ersten bis vierten Ausführungsform für den Fall erstellt wurde, bei dem die beiden Stromrichter (2 Leistungshalbleitermodule) in dem gleichen Wärmeabstrahler bzw. Kühlkörper angeordnet sind, kann die Temperaturschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Beispiel auch auf den Fall angewendet werden, bei dem 3 oder mehrere Stromrichter (3 oder mehrere Leistungshalbleitermodule) in dem gleichen Wärmeabstrahler angeordnet sind. Wenn n Stromrichter (n ist eine ganze Zahl von 3 oder mehr) in dem gleichen Wärmeabstrahler vorgesehen sind und die elektrischen Verlustleistung, die in allen Leistungshalbleiterchips der entsprechenden Stromrichter erzeugt werden, Q1, Q2,..., Qn sind, kann eine Temperaturdifferenz ΔT2 als eine Variable G (Q1, Q2, ... , Qn) wiedergegeben werden, die sich in Abhängigkeit von der elektrischen Verlustleistung Q1 und der elektrischen Verlustleistung Q2 ändert. Mit anderen Worten, die Temperaturdifferenz ΔT2 kann durch die nachfolgende Gleichung wiedergegeben werden: $Δ T 2 = G (Q 1, Q 2,..., Qn)$
Auch wenn die oben gegebene Beschreibung der ersten bis vierten Ausführungsform für den Fall erfolgt ist, bei dem die Stromrichter, die jeweils einer Vielzahl von entsprechen, in dem gleichen Wärmeabstrahler angeordnet sind, d.h., wenn die Leistungshalbleitermodule (in diesem Fall 2 Leistungshalbleitermodule), ebenso viele sind wie die Motoren, in dem gleichen Wärmeabstrahler angeordnet sind kann eine Temperaturschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch für den Fall eingesetzt werden, bei dem ein Gleichrichter als auch die Stromrichter, deren Anzahl der Anzahl der Motoren entspricht, in einem Wärmestrahler angeordnet sind. In diesem Fall ist die Anzahl der Leistungshalbleitermodule, die in dem gleichen Wärmeradiator angeordnet ist, größer als die Anzahl der Motoren.
Wenn die oben gegebene Beschreibung der ersten bis vierten Ausführungsform für den Fall gemacht ist, in dem die Außentemperatur der Luft als eine Bezugstemperatur verwendet wird, kann darüber hinaus eine andere Temperatur als die Außentemperatur der Luft (zum Beispiel 0 °C oder eine Nenntemperatur, die durch den Hersteller der Leistungshalbleiterchips angegeben wird) als eine Bezugstemperatur verwendet werden.
Auch wenn die obige Beschreibung für die erste bis vierte Ausführungsform für den Fall gemacht ist, bei dem die elektrische Verlustleistung von der Trägerfrequenz eines PWM-Signals berechnet wird, kann es auch nicht erforderlich sein, die elektrische Verlustleistung abhängig von der Trägerfrequenz des PWM-Signals zu berechnen.
Bei der zuvor beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsform kann die Motorsteuervorrichtung eine Messeinheit für eine Bezugstemperatur (Temperatursensor) und eine Warnvorrichtung aufweisen.
Auch wenn die oben gegebene Beschreibung der ersten bis vierten Ausführungsform für den Fall gemacht ist, bei dem die Temperaturschätzvorrichtung in der Motorsteuervorrichtung enthalten ist, kann die Temperaturschätzvorrichtung auch an einer Stelle (zum Beispiel einer Stelle in der übergeordneten Steuervorrichtung) außerhalb der Motorsteuervorrichtung vorgesehen sein.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Temperaturschätzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, die Temperatur eines für die Schätzung der Temperatur ausgewählten Leistungshalbleiterchips genau abzuschätzen, der einer oder einer von mehreren Leistungshalbleiterchips ist, der in einem von mehreren Leistungshalbleitermodulen enthalten ist, die in dem gleichen Wärmeabstrahler angeordnet sind und deren Anzahl gleich oder größer als die Anzahl der Motoren ist. Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Motorsteuervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Temperaturschätzvorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Claims

Temperaturschätzvorrichtung (14, 14a, 14b, 14c, 16), die die Temperatur eines für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips schätzt, der in einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips umfasst ist, wobei der eine Leistungshalbleiterchip oder die mehreren Leistungshalbleiterchips in einem von mehreren Leistungshalbleitermodulen zum Betreiben einer Vielzahl von Motoren (9, 10) enthalten sind, wobei die Anzahl der mehreren Leistungshalbleitermodule gleich oder größer als die Anzahl der Vielzahl von Motoren (9, 10) ist und die mehreren Leistungshalbleitermodule in einem Wärmeabstrahler untergebracht sind, wobei die Temperaturschätzvorrichtung (14, 14a, 14b, 14c, 16) umfasst: - eine Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung (41, 41a), die eine erste elektrische Verlustleistung errechnet, die der elektrischen Verlustleistung entspricht, die in allen Leistungshalbleiterchips des Leistungshalbleitermoduls erzeugt wird, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, - eine Recheneinheit für eine erste Temperaturdifferenz (42), die auf der Basis der ersten elektrischen Verlustleistung eine erste Temperaturdifferenz errechnet, die der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeabstrahler und dem Leistungshalbleitermodul entspricht, das den für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, - eine Recheneinheit für eine zweite Temperaturdifferenz (43), die auf der Basis der ersten elektrischen Verlustleistung und einer zweiten elektrischen Verlustleistung eine zweite Temperaturdifferenz errechnet, die der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeabstrahler und einer Bezugstemperatur entspricht, wobei die zweite elektrische Verlustleistung derjenigen elektrischen Verlustleistung entspricht, die in allen Leistungshalbleiterchips des einen oder der mehreren Leistungshalbleitermodule außer dem Leistungshalbleitermodul, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, erzeugt wird, - eine Recheneinheit für eine Temperatur (44), die die Temperatur des einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchips auf der Grundlage der Bezugstemperatur, der ersten Temperaturdifferenz und der zweiten Temperaturdifferenz errechnet, und - eine Ausgabeeinheit für eine Temperatur (45), die die von der Recheneinheit für eine Temperatur (44) errechnete Temperatur ausgibt.
Temperaturschätzvorrichtung (14, 14a) nach Anspruch 1, bei der die Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung (41, 41a) die erste elektrische Verlustleistung auf der Basis von entweder einem elektrischen Strom oder einem Befehlswert für einen elektrischen Strom berechnet, der durch einen Motor fließt, der dem Leistungshalbleitermodul zugeordnet ist, das den für eine Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält, und den Befehlswert für den elektrischen Strom für den einen Motor berechnet, der dem Leistungshalbleitermodul zugeordnet ist, das den einen für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält.
Temperaturschätzvorrichtung (14, 14a) nach Anspruch 2, bei der die Recheneinheit für eine erste elektrische Verlustleistung (41, 41a) die erste elektrische Verlustleistung abhängig von der Trägerfrequenz eines PWM Signals oder von PWM Signalen errechnet, die in das Leistungshalbleitermodul eingespeist werden, das den für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält.
Temperaturschätzvorrichtung (14b, 14c) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Recheneinheit für die Berechnung einer zweiten elektrischen Verlustleistung (46, 46a) aufweist, die die zweite elektrische Verlustleistung berechnet.
Temperaturschätzvorrichtung (14b) nach Anspruch 4, bei der die Recheneinheit für die Berechnung einer zweiten elektrischen Verlustleistung (46) die zweite elektrische Verlustleistung auf der Basis von entweder dem elektrischen Strom oder den elektrischen Strömen berechnet, die durch einen oder mehrere Motoren fließen, die nicht der Motor sind, zu dem das für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthaltende Leistungshalbleitermodul gehört, und einen Befehlswert für den elektrischen Strom oder Befehlswerte für den elektrischen Strom für den einen oder die mehreren Motoren, die nicht der eine Motor sind, zu dem das für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthaltende Leistungshalbleitermodul gehört.
Temperaturschätzvorrichtung (14c) nach Anspruch 5, bei dem die Recheneinheit für die zweite elektrische Verlustleistung (46a) die zweite elektrische Verlustleistung abhängig von der Trägerfrequenz von einem PWM Signal oder von PWM Signal errechnet, die in das eine oder die mehreren Leistungshalbleitermodule eingespeist werden, die nicht das Leistungshalbleitermodul sind, das den für die Temperaturschätzung vorgesehenen Leistungshalbleiterchip enthält.
Motorsteuervorrichtung (15, 15a, 15b, 15c, 17), die Motoren (9, 10) steuert, die mit elektrischer Energie betrieben werden, die in einem Gleichstrom-Zwischenkreis gespeichert ist, der an eine Wechselstromversorgung über einen Gleichrichter angeschlossen ist, der durch ein Leistungshalbleitermodul gebildet ist, das wenigstens einen Leistungshalbleiterchip aufweist, wobei die Motorsteuervorrichtung eine Temperaturschätzvorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 enthält.
Motorsteuervorrichtung (15) nach Anspruch 7, bei der die Motorsteuervorrichtung die abgegebene Leistung der Motoren (9, 10) drosselt oder unterbricht, wenn die von der Temperaturschätzvorrichtung geschätzte Temperatur eine Bezugstemperatur überschreitet.