JP2009261078A - モータ制御装置と温度推定方法 - Google Patents

モータ制御装置と温度推定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 モータ制御装置とモータの双方の能力を限界まで引き出し、かつ保護も確実にしたモータ制御装置と温度推定方法を提供する。
【解決手段】 過負荷保護部は、モータ電流からインバータのパワー素子のロスを推定するパワー素子ロス推定部(81)と、パワー素子推定ロスとインバータ温度に基づいてジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定部(82)と、モータ電流とモータ速度からモータロスを推定するモータロス推定部(83)と、モータ推定ロスとモータ温度信号からコイル温度を推定するコイル温度推定部(84)と、ジャンクション推定温度とコイル推定温度に基づいてトルク制限信号またはアラーム信号を生成する過負荷処理部(85)と、を備えた。
【選択図】 図2

Description

本発明は、パワー素子とモータの温度を推定し過熱保護をするモータ制御装置に関する。
従来のパワー素子を保護するモータ制御装置は、たとえば特許文献1に開示されている。パワー素子を保護する従来のモータ制御装置は、ヒートシンク上に設置したサーミスタで検出した温度とPWM制御信号およびインバータの出力電流からもとめたパワー素子のジャンクション温度が第1設定温度を超えたらインバータ回路の電流制限動作を行い、第1設定温度よりも高い第2設定温度を超えたらインバータ電流を遮断してパワー素子の保護を行う。
また、従来のモータを保護するモータ制御装置は、たとえば特許文献2に開示されている。モータを過熱しながら保護する従来のモータ制御装置は、電動機の発熱源である巻線部をケーシング部と分離したモデルとして巻線部とケーシング部との間の熱伝達抵抗を通して熱の移動が生ずるとする熱伝導解析モデルに基づく巻線の予測温度変化曲線を基準に駆動電流の限界曲線を持たせた電子サーマル制御手段を備えている。
特開平5−068331号公報 特開平1−291626号公報
しかしながら、特許文献1に開示された従来技術は、モータ制御装置の熱容量を考慮に入れていないので、ジャンクション温度を実際よりも高めに演算してしまう。結果としてジャンクション温度が低いうちに電流制限をかけてしまい、モータ制御装置の能力を限界まで引き出すことができなかった。
また、特許文献2に開示された従来技術は、モータの熱容量を考慮した熱等価回路を用いているものの、サーモスタットで実際の温度を検出しているため、広範囲な温度に対しては精度を欠き、確実に保護する温度設定にするとモータの能力を限界まで引き出すことが困難であった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、モータ制御装置とモータの双方の能力を限界まで引き出し、かつ保護も確実にしたモータ制御装置と温度推定方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したのである。
請求項1に記載の発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換しモータを駆動するインバータと、速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令とモータ電流に基づいてPWM信号を生成しインバータを駆動するトルク制御部と、前記モータ電流を検出する電流検出部と、前記インバータの温度を検出しインバータ温度信号を生成するインバータ温度検出部と、モータ温度信号と前記インバータ温度信号と前記モータ電流と前記モータ速度に基づいてトルク制限信号を生成する過負荷保護部と、を備えるモータ制御装置において、前記過負荷保護部は、前記モータ電流から前記インバータのパワー素子推定ロスを生成するパワー素子ロス推定部と、前記パワー素子推定ロスと前記インバータ温度に基づいてジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定部と、前記モータ電流と前記モータ速度からモータロスを推定するモータロス推定部と、前記モータ推定ロスと前記モータ温度信号からコイル温度を推定するコイル温度推定部と、前記ジャンクション推定温度と前記コイル推定温度に基づいてトルク制限信号またはアラーム信号を生成する過負荷処理部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記インバータ温度信号は、前記インバータのパワー素子を取付けているヒートシンク温度であることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置にいて、前記モータ温度信号は、前記モータのフレーム温度であることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記パワー素子ロス推定部は、あらかじめ記憶したモータ電流対パワー素子ロステーブルを参照してパワー素子ロスを推定することを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記パワー素子ロス推定部は、前記パワー素子ロスを前記モータ電流と前記ジャンクション温度の関数の近似式を用いてもとめることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、請求項1に記載のモータ制御装置において、前記ジャンクション温度推定部は、前記インバータの内気から前記ジャンクションまでの熱等価回路と前記ヒートシンクの温度を用いて前記ジャンクション温度を推定することを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記モータロス推定部は、あらかじめ記憶したモータ電流・速度対モータロステーブルを参照してモータロスを推定することを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記モータロス推定部は、前記モータロスを前記モータ電流と前記コイル温度の関数からなる近似式を用いて推定することを特徴とするものである。
請求項9に記載の発明は、請求項1に記載のモータ制御装置において、前記コイル温度推定部は、前記モータフレームから前記コイルまでの熱等価回路を用いて前記コイル温度を推定することを特徴とするものである。
請求項10記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記過負荷処理部は、前記コイル温度によってトルクを制限する第1トルク制限信号と前記ジャンクション温度によってトルクを制限する第2トルク制限信号とを記憶し、小さい方を選択してトルク制限信号とすることを特徴とするものである。
請求項11に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記過負荷処理部は、前記ジャンクション温度が第1設定温度を超えるか前記コイル温度が第2設定温度を超えたときは第3トルク制限信号を生成してトルク制限をし、前記ジャンクション温度が第3設定温度を超えるか前記コイル温度が第4設定温度を超えたときにはアラーム信号を生成して運転を停止することを特徴とするものである。
請求項12に記載の発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換しモータを駆動するインバータと、速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令とモータ電流に基づいてPWM信号を生成しインバータを駆動するトルク制御部と、前記モータ電流を検出する電流検出部と、前記インバータのヒートシンク温度を検出しヒートシンク温度信号を生成するヒートシンク温度検出部と、前記モータ電流から前記インバータのパワー素子推定ロスを生成するパワー素子ロス推定部と、前記パワー素子推定ロスと前記ヒートシンク温度に基づいてジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定部と、前記モータ電流と前記モータ速度からモータロスを推定するモータロス推定部と、前記モータ推定ロスとモータフレーム温度信号からコイル温度を推定するコイル温度推定部と、を備えるモータ制御装置の温度推定方法において、前記パワー素子のジャンクション温度推定方法は、ジャンクションが発生している発生ロスPjと前記ヒートシンク温度θhrを読込むステップと、前記発生ロスPjにジャンクション−パワー素子ケース間熱抵抗Rjcを乗じて前記パワー素子ケース温度上昇値θcに加算して前記ジャンクション温度上昇値θjをもとめるステップと、前記パワー素子ケース温度上昇値θcからヒートシンク温度上昇値θhを減算しヒートシンク−パワー素子ケース間熱抵抗Rhcで除算して前記パワー素子ケースから前記ヒートシンクに流れるパワーPchをもとめるステップと、前記発生ロスPjから前記パワーPchを減算し前記パワー素子ケースの熱容量Ccで除算し、演算周期dtを乗算して前記パワー素子ケース温度上昇値θcに加算して新たなパワー素子ケース温度上昇値θcをもとめるステップと、前記ヒートシンク温度上昇値θhを前記ヒートシンク内気間熱抵抗で除算してヒートシンクから内気へ移動するパワーPhaを求めるステップと、前記ヒートシンクに流れるパワーPchから前記ヒートシンクから内気へ移動するパワーPhaを減算し、減算結果を前記ヒートシンクの熱容量Chで除算し、演算周期dtを乗算して前記ヒートシンクの温度上昇値θhに加算して新たなヒートシンク温度上昇値θhをもとめるステップと、前記ヒートシンク温度θhrから前記ヒートシンク温度上昇値θhを減算して内気温度θaを求めるステップと、前記ジャンクション温度上昇値θjに内気温度θaを加算してジャンクション温度θjeを求めるステップと、経過時間tを求めるステップと、経過時間がタイムアップしていなければジャンクションが発生している発生ロスを読み込むステップにもどり、経過していれば終了するステップと、を備えることを特徴とするものである。
本発明によると、モータ制御装置とモータの双方の能力を限界まで引き出し、かつ保護も確実にしたモータ制御装置を提供することができる。
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
図1は、本発明のモータ制御装置の構成を示す図である。図1において、1は電力変換部、2はコンバータ、3はインバータ、4は電流検出部、5は速度制御図、6はトルク制限部、7はトルク制御部、8は過負荷保護部、9はインバータ温度検出部である。また、10はモータ温度検出部、11はモータ、12は位置検出器、13は商用電源、14は上位コントローラである。
図2は過負荷保護部8の内部のブロック図である。図2において、81はパワー素子ロス推定部、82はジャンクション温度推定部、83はモータロス推定部、84はコイル温度推定部、85は過負荷処理部である。
次に動作について説明する。電力変換部1はコンバータ2とインバータ3より構成される。コンバータ2は商用電源の3相交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ3は直流電圧を交流電圧に変換してモータ11を駆動する。速度制御部5は上位コントローラ14の速度指令とモータ速度の速度偏差を制御処理してトルク指令を生成する。トルク制限部6はトルク指令をモータの最大トルクか過負荷保護部8の生成するトルク制限指令のいずれか小さいほうに制限する。過負荷保護部8はモータ電流、モータ速度、モータ温度信号、インバータ温度信号からパワー素子のジャンクション温度とモータのコイル温度をもとめ、温度が設定値を超えるとトルク制限信号を生成しトルク制限をする。さらに、温度がより高い設定値を超えるとモータ制御装置の運転を停止し上位システムにアラームを送出する。
次に、過負荷保護部8について説明する。パワー素子ロス推定部81は、あらかじめ実験によって求めたモータ電流・ジャンクション温度対パワー素子ロステーブル記憶し制御時間ごとにロステーブル参照してパワー素子ロスを取得するか、あらかじめ実験によって求めたモータ電流とジャンクション温度の関数からなる近似式を用いて演算にて求める。近似式は(1)式または(2)式を使用する。
Pj=k1・Im+k2・(1+k3・θj)Im (1)
Pj=k4・(1+k5・θj)・Imk6 (2)
ここで、Imはモータ電流、θjはもとめたジャンクション温度、k1〜k6はあらかじめ実験でもとめた定数である。モータ電流Imはモータが3相の場合はIm=√(Iu+Iv+Iw)とする。ここでIu、Iv、Iwは3相コイルU相、V相、W相の電流である。
ジャンクション温度推定部82は、インバータ温度信号を生成するインバータ温度検出部が取付けてある部位からパワー素子ジャンクションまでの熱等価回路を用いてジャンクション温度上昇値をもとめる。熱等価回路は図4に示す任意に整数nのn段のはしご回路を用いれば正確に温度上昇値を求めることができるが、図5のパワー素子のケースをヒートシンクの熱容量を考慮した2段の等価回路でも十分である。図5でRjcはジャンクション・ケース間熱抵抗、Rchはパワー素子ケース・ヒートシンク熱抵抗、Rhaはヒートシンク・外気間熱抵抗である。また、Ccはパワー素子ケースの熱容量、Chはヒートシンクの熱容量である。これらの定数は実験により求めるが、通常はパワー素子に一定ロスを発生させ各部位の温度上昇から求める。簡単に熱抵抗や熱容量は計算でもとめてもよい。
モータロス推定部83は、あらかじめ実験によって求めたモータ電流・モータ速度対モータロステーブルを参照してモータロスをもとめるか、あらかじめ実験によって求めたモータ電流とモータ速度の関数からなる近似式を用いてもとめる。近似式は(3)式を使用する。
Pm=Pd+Pr=a1・Nma2+a3・Im (3)
ここでPdは粘性損、Prはジュール損、a1、a2、a3はあらかじめ実験でもとめた定数である。
コイル温度推定部84は、図6に示す任意の整数nのn段のはしご形熱等価回路を用いてコイル温度上昇をもとめれば正確であるが、図7の2段の熱等価回路でも十分である。図7において、Rccはコイル間熱抵抗、Rcfはコイル−コアおよびフレーム間熱抵抗、Rfaはフレーム−外気間熱抵抗、Crはコイル熱容量、Cfはコアおよびフレーム熱容量である。粘性損とジュール損の発生部位が異なる場合は、図8のように熱源を別に扱うこともできる。Pcfはコイルからコアおよびフレームに移動するパワー、Pfaはコアおよびフレームから外気へ移動するパワーである。
次に熱等価回路からジャンクション温度の求め方について説明する。図9はジャンクション温度を推定するフローチャートである。図9において、まず、ステップST1でジャンクションが発生している発生ロスPjとヒートシンク温度θhrを読込む。次にステップST2で発生ロスPjにジャンクション−パワー素子ケース間熱抵抗Rjcを乗じてパワー素子ケース温度上昇値θcに加算してジャンクション温度上昇値θjをもとめる。次にステップST3でパワー素子ケース温度上昇値θcからヒートシンク温度上昇値θhを減算し減算結果をヒートシンク−パワー素子ケース間熱抵抗Rhcで除算してパワー素子ケースからヒートシンクに流れるパワーPchをもとめる。次にステップST4で発生ロスPjからパワーPchを減算し減算結果をパワー素子ケースの熱容量Ccで除算し、演算周期dtを乗算してパワー素子ケース温度上昇値θcに加算して新たなパワー素子ケース温度上昇値θcをもとめる。次にステップST5でヒートシンク温度上昇値θhをヒートシンク外気間熱抵抗で除算してヒートシンクから外気へ移動するパワーPhaを求める。次にステップST6でヒートシンクに流れるパワーPchから前記ヒートシンクから内気へ移動するパワーPhaを減算し、減算結果を前記ヒートシンクの熱容量Chで除算し、演算周期dtを乗算して前記ヒートシンクの温度上昇値θhに加算して新たなヒートシンク温度上昇値θhを求める。次にステップST7でヒートシンク温度θhrからヒートシンク温度上昇値θhを減算し外気温度θaを求める。ステップST8でジャンクション温度上昇値θjに外気温度θaを加算してジャンクション温度θjeを求める。次にステップST9で経過時間tを求め、ステップST10で経過時間がタイムアップしていなければ発生ロスを読み込むステップST1にもどり、経過していれば終了する。
次に過負荷処理部85について説明する。図3は過負荷処理部85の構成を示す図である。図3において、86はトルク制限指令生成部、87はゲートブロック信号生成部、88は第1、第3設定温度記憶部、89は第2、第4設定温度記憶部である。トルク制限指令生成部86はジャンクション温度が第1設定温度をえるか、コイル温度が第3設定温度を超えるかしたらトルク制限信号を生成する。ゲートブロック信号生成部87はジャンクション温度が第2設定温度を超えるか、コイル温度が第4設定温度を超えたらゲートブロック信号を生成してモータ制御装置の運転を停止しアラーム信号を生成して上位システムに伝送する。
次にトルク制限信号がとコイル温度、ジャンクション温度に応じて連続的に変化させた実施例について説明する。図10は、第1トルク制限信号でコイル温度に応じて電流制限レベルを変化させる。図11は、第2トルク制限信号でジャンクション温度に応じて電流制限レベルを変化させる。トルク制限信号は第1トルク制限信号と第2トルク制限信号の小さい方を制限レベルとする。
本発明の構成を示すブロック図 本発明の過負荷保護部の構成を示すブロック図 本発明の過負荷処理部の構成を示すブロック図 インバータの詳細な熱等価回路 インバータの簡単な熱等価回路 モータの詳細な熱等価回路 モータの簡単な熱等価回路 多熱源の熱等価回路 本発明の温度上昇推定方法を説明するフローチャート コイル温度をトルク制限レベルを説明する図 ジャンクション温度とトルク制限レベルを説明する図 従来のインバータ装置の構成を示すブロック図
符号の説明
1 電力変換部
2 コンバータ
3 インバータ
4 電流検出部
5 速度制御部
6 トルク制限部
7 トルク制御部
8 過負荷保護部
9 インバータ温度検出部
10 モータ温度検出部
11 モータ
12 位置検出器
13 電源
14 上位コントローラ
81 パワー素子ロス推定部
82 ジャンクション温度推定部
83 モータロス推定部
84 コイル温度推定部
85 過負荷処理部
86 トルク制限指令生成部
87 ゲートブロック信号生成部
88 第1、第3設定温度記憶部
89 第2、第4設定温度記憶部

Claims (12)

  1. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換しモータを駆動するインバータと、速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令とモータ電流に基づいてPWM信号を生成しインバータを駆動するトルク制御部と、前記モータ電流を検出する電流検出部と、前記インバータの温度を検出しインバータ温度信号を生成するインバータ温度検出部と、モータ温度信号と前記インバータ温度信号と前記モータ電流と前記モータ速度に基づいてトルク制限信号を生成する過負荷保護部とを備えるモータ制御装置において、
    前記過負荷保護部は、前記モータ電流から前記インバータのパワー素子推定ロスを生成するパワー素子ロス推定部と、
    前記パワー素子推定ロスと前記インバータ温度に基づいてジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定部と、
    前記モータ電流と前記モータ速度からモータロスを推定するモータロス推定部と、
    前記モータ推定ロスと前記モータ温度信号からコイル温度を推定するコイル温度推定部と、前記ジャンクション推定温度と前記コイル推定温度に基づいてトルク制限信号またはアラーム信号を生成する過負荷処理部と、
    を備えることを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記インバータ温度信号は、前記インバータのパワー素子を取付けているヒートシンク温度であることを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  3. 前記モータ温度信号は、前記モータのフレーム温度であることを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  4. 前記パワー素子ロス推定部は、あらかじめ記憶したモータ電流対パワー素子ロステーブルを参照してパワー素子ロスを推定することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  5. 前記パワー素子ロス推定部は、前記パワー素子ロスを前記モータ電流と前記ジャンクション温度の関数の近似式を用いてもとめることを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  6. 前記ジャンクション温度推定部は、前記インバータの内気から前記ジャンクションまでの熱等価回路と前記ヒートシンクの温度を用いて前記ジャンクション温度を推定することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
  7. 前記モータロス推定部は、あらかじめ記憶したモータ電流・速度対モータロステーブルを参照してモータロスを推定することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  8. 前記モータロス推定部は、前記モータロスを前記モータ電流と前記コイル温度の関数からなる近似式を用いて推定することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  9. 前記コイル温度推定部は、前記モータフレームから前記コイルまでの熱等価回路を用いて前記コイル温度を推定することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
  10. 前記過負荷処理部は、前記コイル温度によってトルクを制限する第1トルク制限信号と前記ジャンクション温度によってトルクを制限する第2トルク制限信号とを記憶し、小さい方を選択してトルク制限信号とすることを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  11. 前記過負荷処理部は、前記ジャンクション温度が第1設定温度を超えるか前記コイル温度が第2設定温度を超えたときは第3トルク制限信号を生成してトルク制限をし、前記ジャンクション温度が第3設定温度を超えるか前記コイル温度が第4設定温度を超えたときにはアラーム信号を生成して運転を停止することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  12. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換しモータを駆動するインバータと、速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令とモータ電流に基づいてPWM信号を生成しインバータを駆動するトルク制御部と、前記モータ電流を検出する電流検出部と、前記インバータのヒートシンク温度を検出しヒートシンク温度信号を生成するヒートシンク温度検出部と、前記モータ電流から前記インバータのパワー素子推定ロスを生成するパワー素子ロス推定部と、前記パワー素子推定ロスと前記ヒートシンク温度に基づいてジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定部と、前記モータ電流と前記モータ速度からモータロスを推定するモータロス推定部と、前記モータ推定ロスとモータフレーム温度信号からコイル温度を推定するコイル温度推定部とを備えるモータ制御装置の温度推定方法において、
    前記パワー素子のジャンクション温度推定方法は、
    ジャンクションが発生している発生ロスPjと前記ヒートシンク温度θhrを読込むステップと、
    前記発生ロスPjにジャンクション−パワー素子ケース間熱抵抗Rjcを乗じて前記パワー素子ケース温度上昇値θcに加算して前記ジャンクション温度上昇値θjをもとめるステップと、
    前記パワー素子ケース温度上昇値θcからヒートシンク温度上昇値θhを減算しヒートシンク−パワー素子ケース間熱抵抗Rhcで除算して前記パワー素子ケースから前記ヒートシンクに流れるパワーPchをもとめるステップと、
    前記発生ロスPjから前記パワーPchを減算し、減算結果を前記パワー素子ケースの熱容量Ccで除算し、演算周期dtを乗算して前記パワー素子ケース温度上昇値θcに加算して新たなパワー素子ケース温度上昇値θcをもとめるステップと、
    前記ヒートシンク温度上昇値θhを前記ヒートシンク内気間熱抵抗で除算してヒートシンクから内気へ移動するパワーPhaをもとめるステップと、
    前記ヒートシンクに流れるパワーPchから前記ヒートシンクから内気へ移動するパワーPhaを減算し、減算結果を前記ヒートシンクの熱容量Chで除算し、演算周期dtを乗算して前記ヒートシンクの温度上昇値θhに加算して新たなヒートシンク温度上昇値θhをもとめるステップと、
    前記ヒートシンク温度θhrから前記ヒートシンク温度上昇値θhを減算して外気温度θaを求めるステップと、
    前記ジャンクション温度上昇値θjに外気温度θaを加算してジャンクション温度θjeを求めるステップと、
    前記経過時間tに前記演算周期dtを加算して新たな経過時間tを求めるステップと、
    経過時間がタイムアップしていなければジャンクションが発生している発生ロスを読み込むステップにもどり、経過していれば終了するステップと、
    を備えることを特徴とするモータ制御装置の温度推定方法。
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