JP2013219912A - モータ温度推定装置及びモータ温度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でモータ温度を推定することが可能なモータ温度推定装置を提供すること。
【解決手段】モータを回転させる駆動電圧を演算して出力する電圧出力手段と、前記モータの回転角を検出する回転角検出手段と、前記電圧出力手段により出力される前記駆動電圧と、前記回転角検出手段により検出される前記回転角に基づいて前記モータに流れる駆動電流を推定する電流推定手段と、前記電流推定手段により推定される前記駆動電流と一次遅れ関数とに基づいて、前記モータの温度変化を推定するモータ温度推定手段とを備えるモータ温度推定装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ温度推定装置及びモータ温度推定方法に関する。

モータを連続駆動又は繰り返し駆動させると、モータのコイルに大きな電流が繰り返し流れてモータコイルが発熱し、高温状態になることによって破損や耐久性の低下等の様々な異常が発生する場合がある。

そこで、この様な異常の発生を防止するためにモータの温度を検出する方法として、例えばモータのコイルに通電される電流値を第１の一次遅れ関数に入力し、前記第１の一次遅れ関数の出力を第２の一次遅れ関数に入力し、前記第１の一次遅れ関数の出力と前記第２の一次遅れ関数の出力との加算値を前記コイルの温度変化値とし、コイルの周囲温度に前記温度変化値を加算した値を前記コイルの温度として推定するモータコイル温度推定方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、上記方法では温度の推定に必要となるモータのコイルに通電される電流値を検出するために、電流検出回路を設ける必要があり、装置が大型化又はコストが増大する可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でモータ温度を推定することが可能なモータ温度推定装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のモータ温度推定装置によれば、モータを回転させる駆動電圧を演算して出力する電圧出力手段と、前記モータの回転角を検出する回転角検出手段と、前記電圧出力手段により出力される前記駆動電圧と、前記回転角検出手段により検出される前記回転角に基づいて前記モータに流れる駆動電流を推定する電流推定手段と、前記電流推定手段により推定される前記駆動電流と一次遅れ関数とに基づいて、前記モータの温度変化を推定するモータ温度推定手段とを備える。

本発明の実施形態によれば、簡易な構成でモータ温度を推定することが可能なモータ温度推定装置を提供できる。

実施形態に係るモータ温度推定装置の概略構成を例示するブロック図である。 実施形態に係るモータ温度推定装置においてモータコイル電流の推定モデルを例示する図である。 モータに入力される電圧の計測例について説明する図である。 実施形態に係るモータ温度推定装置において推定電流から温度変化を推定するモデルを例示する図である。 コイル電流に対するモータ温度変化を例示する図である。 コイル電流とモータ温度変化の関係から一次遅れ関数の定数αの決定例を説明する図である。 実施形態に係るモータ温度推定装置において推定電流及び初期温度からモータ温度を推定する方法を説明する図である。 実施形態に係るモータ温度推定装置におけるモータ温度推定処理のフローチャートを例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。

＜モータ温度推定装置の構成＞
図１は、本実施形態に係るモータ温度推定装置１００の概略構成を例示する図である。

図１に示す様に、モータ温度推定装置１００は、制御部１０１、周辺温度検出部１０５、ドライバ１０６、モータ１０７、エンコーダ１０８を備える。

制御部１０１は、例えばＬＳＩ等の集積回路であり、モータコントローラ１０２、温度推定部１０３、電流推定部１０４を備える。制御部１０１は、例えば不図示のＲＯＭ等に格納されているプログラムを実行することによって、モータコントローラ１０２、温度推定部１０３、電流推定部１０４等が有する機能を実現する。

モータコントローラ１０２は、電圧出力手段の一例であり、モータ１０７の目標位置又は目標速度と、エンコーダ１０８により検出されるモータ１０７の検出位置又は検出速度から、例えばフィードバック制御、フィードフォワード制御等によりモータ１０７を回転させる制御電圧ｖを演算して出力する。

温度推定部１０３は、モータ温度推定手段の一例であり、電流推定部１０４によって推定されるモータ１０７のコイルに流れる推定電流ｉに基づいて、モータ１０７の温度を推定する。また、推定されたモータ１０７の温度が、高温に達して破損や耐久性の低下等を招く異常温度に達した場合には、モータコントローラ１０２に信号を送信することによりモータ１０７の駆動を停止させることができる。

電流推定部１０４は、電流推定手段の一例であり、エンコーダ１０８によって検出される回転角θと、モータ１０７に入力される電圧ｖに基づいてモータ１０７に流れる電流を推定する。また、電流推定部１０４は、モータ１０７の推定電流ｉと、モータトルク定数Ｋｔとからモータ１０７にかかる負荷の大きさを（ｉ×Ｋｔ）として求めることも可能である。

周辺温度検出部１０５は、モータ１０７の周辺温度を検出する例えば温度センサである。周辺温度検出部１０５は、駆動開始前にモータ１０７の周辺温度を検出し、温度推定部１０３に初期温度Ｔ０として検出した温度を出力する。

ドライバ１０６は、モータコントローラ１０２から入力される制御電圧ｖに基づいてモータ１０７に流す駆動電流を生成して出力することで、モータ１０７を駆動させる。

モータ１０７は、モータコントローラ１０２から出力される制御電圧ｖに基づいてドライバ１０６から出力される駆動電流により回転駆動する。

エンコーダ１０８は、回転角検出手段の一例であり、例えばスリット等が刻まれているホイールと、スリットを光学的に読み取るセンサとを備え、モータ１０７に伴って回転するホイールのスリットをセンサが読み取って、スリットに対応するパルス信号を出力する。エンコーダ１０８は、例えばモータ１０７の回転軸や、モータ１０７に接続するギヤ等に設ける。

＜モータの駆動電流推定＞
次に、本実施形態に係るモータ温度推定装置１００において、モータ１０７のコイルに流れる駆動電流を推定する方法について説明する。

モータコントローラ１０２から、ドライバ１０６を介してモータ１０７に入力される制御電圧ｖは、以下の式（１）で表すことができる。

式（１）において、ｒはモータ１０７のコイル抵抗、ｉはモータ１０７の駆動電流としてのコイル電流、Ｌはモータ１０７のコイルインダクタンス、Ｋｅはモータ１０７の逆起電圧定数、θはモータ１０７の回転角である。

上記した式（１）をラプラス変換することで、以下の式（２）が得られる。

式（２）において、（１／（ｒ＋ｓＬ））及び（ｓＫｅ／（ｒ＋ｓＬ））は定数であり、制御電圧ｖ（ｓ）及び回転角θ（ｓ）を入力することにより、モータ１０７のコイル電流ｉ（ｓ）を求めることができる。

図２に、上記式（２）をブロック図化し、モータ１０７のコイル電流ｉの推定モデルを例示する図を示す。

本実施形態に係るモータ温度推定装置１００では、電流推定部１０４が、モータコントローラ１０２からドライバ１０６に出力される制御電圧ｖと、エンコーダ１０８が出力するパルス信号から回転角θとを取得する。電流推定部１０４は、取得した制御電圧ｖ及び回転角θから、式（２）に基づいてモータ１０７のコイル電流ｉを推定することができる。したがって、モータ１０７のコイル電流ｉを検出するための回路等を設ける必要がない。

なお、本実施形態では、電流推定部１０４はモータコントローラ１０２から出力される制御電圧ｖを取得しているが、図３に示す様に、モータコイル端の電圧を検出する電圧検出手段を設け、検出される電圧値に基づいてモータ１０７のコイル電流ｉを推定しても良い。

この場合にモータ１０７のコイル端に印加される電圧は、以下の式（３）で表される。

式（３）をラプラス変換すると以下の式（４）が得られる。

この様に、電圧検出手段によりモータ１０７のコイル端に印加されている電圧ｖ（ｓ）を検出することで、モータ１０７のコイル電流ｉを式（４）により求めることも可能である。

＜モータ温度変化の推定＞
次に、電流推定部１０４によって推定されるモータ１０７のコイル電流ｉに基づいて、モータ１０７の温度変化ΔＴを推定する方法について説明する。

図４は、電流推定部１０４によって推定されるコイル電流ｉに基づいてモータ１０７の温度変化ΔＴを推定するモデルを例示する図である。

本実施形態に係るモータ温度推定装置１００では、温度推定部１０４が、電流推定部１０４によって推定されるコイル電流ｉと一次遅れ関数（α／（１＋τｓ））とに基づいて、モータ１０７の温度変化ΔＴを推定する。

ここで、一次遅れ関数（α／（１＋τｓ））において、αは定数、τは時定数、ｓはラプラス演算子であり、定数α及び時定数τは、モータ１０７に大きさが異なるコイル電流ｉを流したときの温度変化ΔＴの測定結果に基づいて予め求められる値である。

図５は、コイル電流ｉに対するモータ温度変化を例示する図であり、モータ１０７にコイル電流ｉ１，ｉ２，ｉ３を通電して一定時間駆動させたときに、最終的にモータ１０７の温度が初期温度からそれぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３だけ変化したことを表している。

図５に示す各測定結果において、例えば時間０における接線の延長線とモータ１０７が最終的に達した温度とが交わる時間、又はモータ１０７が最終的に達した温度の約６３％に達するまでに要した時間等から、時定数τを求めることができる。

次に、コイル電流ｉ１，ｉ２，ｉ３と温度変化Ｔ１，Ｔ２,Ｔ３との関係をグラフ化すると、図６に示す様な関係が得られ、この直線の傾きが一次遅れ関数の定数αとなる。

この様に、一次遅れ関数（α／（１＋τｓ））の定数αと時定数τを予め求めておくことで、温度推定部１０３は、電流推定部１０４によって推定されるコイル電流ｉと当該一次遅れ関数とに基づいてモータ１０７の温度変化を求めることが可能になる。

また、図７に示す様に、周辺温度検出部１０５がモータ１０７の駆動開始前に初期温度Ｔ０を検出し、温度推定手段１０３が初期温度Ｔ０に推定した温度変化ΔＴを加算することで、駆動時におけるモータ１０７の温度Ｔを推定することが可能になる。

この様に、駆動時におけるモータ１０７の温度Ｔを推定し、例えば破損等を招く異常温度に達する前にモータ１０７の駆動を停止させることで、モータ１０７が高温になることによる故障や耐久性の低下等の異常を未然に防ぐことが可能になる。

＜モータ温度推定処理＞
次に、モータ１０７の駆動時においてモータ１０７の温度を推定する処理例について説明する。図８は、本実施形態に係るモータ温度推定装置１００におけるモータ温度推定処理のフローチャートを例示する図である。

モータ１０７の駆動時には、まずステップＳ１にて、周辺温度検出部１０５がモータ１０７の初期温度Ｔ０を取得する。次に、ステップＳ２にて、モータ１０７の駆動を開始する。

モータ１０７が回転駆動すると、ステップＳ３にてエンコーダ１０８がモータ１０７の回転角θを検出する。続いて、ステップＳ４にて、エンコーダ１０８によって検出された回転角θに基づいてモータコントローラ１０２が制御電圧ｖを算出し、ドライバ１０６に出力する。

次に、ステップＳ５にて電流推定部１０４が、モータコントローラ１０２から出力される制御電圧ｖとエンコーダ１０８により検出される回転角θに基づき、式（２）からモータ１０７のコイル電流ｉを推定する。電流推定部１０４によりコイル電流ｉが推定されると、ステップＳ６にて、温度推定部１０３が、推定されたコイル電流ｉと一次遅れ関数とに基づいて温度変化ΔＴを推定する。

ここで、温度推定部１０３は、周辺温度検出部１０５によって検出された初期温度Ｔ０に推定した温度変化ΔＴを加算してモータ１０７の温度を推定し、ステップＳ７にて、推定したモータ１０７の温度が所定の温度以上の場合にはモータ温度異常であると判断する。

ステップＳ７にてモータ温度が所定の温度未満であり、ステップＳ８にてモータ１０７の駆動停止の指示を受け付けるまで、ステップＳ３からステップＳ７の処理を繰り返しながら、モータコントローラ１０２がモータ１０７を回転駆動させる。

ステップＳ７にてモータ温度が所定の温度以上に達し、モータ温度異常であると判断された場合、又はステップＳ８にてモータ１０７の駆動停止の指示を受け付けた場合には、ステップＳ９にてモータ１０７の駆動を停止して処理を終了する。

この様に、モータ温度推定装置１００は、モータ１０７の駆動時に電流推定部１０４がモータ１０７の回転角θ及び制御電圧ｖを取得して式（２）によりコイル電流ｉを推定する。また、温度推定部１０３が推定されたコイル電流ｉと一次遅れ関数とに基づいてモータ１０７の温度変化ΔＴを求め、周辺温度検出部１０５によって検出される初期温度Ｔ０に加算することで、駆動時におけるモータ１０７の温度Ｔを推定する。本実施形態によれば、例えばモータ１０７に流れるコイル電流ｉを検出するための回路等を設けることなく、簡易な構成でモータ１０７の温度Ｔを求めることが可能である。

また、回転駆動するモータ１０７の温度Ｔを推定により求めて監視することで、例えば温度Ｔが一定の温度以上に達した場合にモータ１０７の駆動を停止させることにより、破損や耐久性の低下等といった不具合の発生を未然に防止することが可能になる。

なお、本実施形態に係るモータ温度推定装置は、例えば画像形成装置、自動車、ロボット等の各種装置に設けることで、駆動するモータの温度を推定してその温度を監視することで、モータの不具合に起因する動作不良等の発生を未然に防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１００ モータ温度推定装置
１０２ モータコントローラ（電圧出力手段）
１０３ 温度推定部（モータ温度推定手段）
１０４ 電流推定部（電流推定手段）
１０５ 周辺温度検出部（温度検出手段）
１０８ エンコーダ（回転角検出手段）

特開２００５−２０４３５８号公報

Claims (5)

1. モータを回転させる駆動電圧を演算して出力する電圧出力手段と、
   前記モータの回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記電圧出力手段により出力される前記駆動電圧と、前記回転角検出手段により検出される前記回転角に基づいて前記モータに流れる駆動電流を推定する電流推定手段と、
   前記電流推定手段により推定される前記駆動電流と一次遅れ関数とに基づいて、前記モータの温度変化を推定するモータ温度推定手段とを備える
   ことを特徴とするモータ温度推定装置。
2. 前記一次遅れ関数は、定数α、時定数τ、ラプラス演算子ｓにより（α／（１＋τｓ））で表され、前記定数α及び前記時定数τは、前記モータに大きさが異なる駆動電流を流したときの温度変化の測定結果に基づいて予め求められる
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ温度推定装置。
3. 前記モータの周辺温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記モータ温度推定手段は、前記モータが回転駆動する前に前記温度検出手段により検出される前記周辺温度に、前記モータが回転駆動を開始した後に推定される前記温度変化を加算して、前記モータの温度を推定する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ温度推定装置。
4. 前記モータ温度推定手段は、推定した前記モータの温度が所定の温度以上に達した場合に、前記モータの駆動を停止させる
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ温度推定装置。
5. モータを回転させる駆動電圧を出力する電圧出力ステップと、
   前記モータの回転角を検出する回転角検出ステップと、
   前記電圧出力ステップにより出力される前記駆動電圧と、前記回転角検出ステップにより検出される前記回転角に基づいて前記モータに流れる駆動電流を推定する電流推定ステップと、
   前記電流推定ステップにより推定される前記駆動電流を入力として前記モータの温度を出力する伝達関数に基づいて前記モータの温度変化を推定するモータ温度推定ステップとを備える
   ことを特徴とするモータ温度推定方法。

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