JP2017063539A

JP2017063539A - モータ温度推定装置

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Publication number: JP2017063539A
Application number: JP2015186931A
Authority: JP
Inventors: 美宏奥松; Yoshihiro Okumatsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-03-30

Abstract

【課題】従来のモータ温度推定方法では、推定温度を十分な精度で算出できない問題があった。【解決手段】本発明のモータ温度推定装置は、モータ２３の損失Ｐｌｏｓｓを算出する損失計算部１０と、巻線温度の熱変化率を示す熱時定数τｒｃを、モータ２３の速度を指示する速度指令値Ｎｒｅｆと、モータ２３を駆動する駆動電流の大きさを指示する電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、の組み合わせに基づき決定して出力する熱時定数選択部１１と、熱時定数選択部１１から出力された熱時定数τｒｃと損失計算部１０が出力するモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓとに基づき推定温度Ｔｓを算出する推定温度算出部１２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明はモータ温度推定装置に関し、例えば、モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置に関する。

モータは、回転運動を続けると発熱する。しかし、この発熱量が過剰になるとモータが破損するおそれが生じる。そのため、動作状態に応じたモータの温度を推定し、適切なモータ制御を行うことが望まれる。そこで、モータ温度推定装置の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載のモータ温度推定装置は、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。

特許文献１に記載のモータ温度推定装置では、上記構成を有することで、簡易な構成でモータ温度を推定することを実現する。

特開２０１３−２１９９１２号公報

特許文献１では、駆動電流を推定しているため、銅損による熱時定数に変化に対応することは出来るが、鉄損、機械損、風損などその他の損失の影響による熱時定数の変化に対応することが出来ない。つまり、特許文献１に記載の技術では、モータの巻線温度を十分に予測できない問題がある。

ここで、従来は、モータの温度推定が行われる分野は、産業機器や家電機器であり、負荷パターンがおおよそ決まっており、その範囲内で過負荷に対する温度を推定できれば良かった。そのため、上記特許文献１に記載の技術を用いたモータ温度推定方法でも問題は無かった。しかしながら、人と協調して動作するロボットでは、動作パターンが決まっておらず、操作者、外乱、故障などの影響で予期せぬ入力が入ることが想定される。そのため、人と協調して動作するロボットに用いられるモータの温度を推定するためには様々な動作パターンに対してより高精度にモータの巻線温度を推定する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、このような複雑な動作パターンの動きをするモータの巻線温度を高精度に推定することが出来ない問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、モータの巻線温度を高い精度で推定することを目的とするものである。

本発明にかかるモータ温度推定装置の一態様は、モータのトルク、回転速度及び回転角度の少なくとも１つを制御するシステムにおいて前記モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置であって、前記モータの損失を算出する損失計算部と、前記巻線温度の熱変化率を示す熱時定数を、前記モータの速度を指示する速度指令値と、前記モータを駆動する駆動電流の大きさを指示する電流指令値と、の組み合わせに基づき決定して出力する熱時定数選択部と、前記熱時定数選択部から出力された熱時定数と損失計算部が出力する前記モータの損失とに基づき推定温度を算出する推定温度算出部と、を有する。

上記本発明の一態様によれば、熱時定数を決定する際に電流指令値に加えて速度指令値を考慮し、電流指令値と速度指令値との組み合わせに基づき熱時定数を変えることが出来る。これにより、上記本発明の一態様では、モータの銅損、鉄損、機械損、風損などを考慮したモータの巻線温度の推定が可能になり、モータの推定温度の推定精度を高めることができる。

また、本発明にかかるモータ温度推定装置の別の態様では、前記熱時定数選択部は、前記速度指令値と前記電流指令値との組み合わせ毎に前記熱時定数をマッピングした時定数マップを有し、入力される前記速度指令値と前記電流指令値に対応する前記熱時定数を前記熱時定数マップから選択して出力する。

これにより、本発明にかかるモータ温度推定装置は、熱時定数マップから予め測定により得られた熱時定数を選択することにより熱時定数を決定することができ、熱時定数の決定に係る演算量を削減することができる。

本発明にかかるモータ温度推定装置の別の態様では、前記モータの回転位置を示すロータ角度値に基づき前記モータの回転速度を実速度値として算出する実速度演算部を更に有し、前記実速度演算部は、前記速度指令値に代えて前記実速度値を前記熱時定数選択部に与える。

これにより本発明にかかるモータ温度推定装置は、例えば、トルク指令値に基づきモータを制御するような、モータの制御に速度指令値を用いないシステムにおいてもモータの推定温度の精度を高めることができる。

本発明にかかるモータ温度推定装置によれば、モータの推定温度の精度を高めることができる。

実施の形態１にかかるモータ温度推定装置のブロック図である。実施の形態１にかかる時定数マップを説明する図である。実施の形態１にかかる時定数マップを作成する際に用いる計測システムを説明するブロック図である。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置における推定温度の計算手順を説明するフローチャートである。実施の形態２にかかるモータ温度推定装置のブロック図である。実施の形態３にかかるモータ温度推定装置のブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

また、以下の説明では、本発明をブラシレスＤＣモータに適用した例について説明するが、本発明は、ブラシレスＤＣモータに限らず、交流モータ、直流モータ等にも適用できるものである。

まず、図１に実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１のブロック図を示す。図１では、モータ温度推定装置１以外に、温度の推定対象であるモータ２３、モータ２３を制御する速度制御器２０、電流制御器２１及びインバータ２２を示した。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、図１に示したモータを駆動するシステムから取得した情報に基づきモータ２３の巻線温度を推定する。

速度制御器２０に入力される速度指示値Ｎｒｅｆは、図１に示したシステムの上位のシステムであって、図示を省略したシステムに設けられる制御部等から出力される。速度制御器２０は、速度指示値Ｎｒｅｆと、モータの実際の回転速度を測定した実速度値との差に基づき電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを生成する。この電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆは、モータ２３を駆動する駆動電流の大きさを指示するものである。

電流制御器２１は、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、モータを実際に駆動している電流を測定した実電流値との差に基づき電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃを生成する。電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃは、モータ２３を駆動するモータ端子電圧の大きさを指示するものである。インバータ２２は、電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃに基づきモータ２３に与えるモータ端子電圧ｖａ〜ｖｃを生成する。

また、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、速度指令値Ｎｒｅｆ及び電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆに基づき推定温度Ｔｓを算出する。このとき、モータ温度推定装置１では、速度指令値Ｎｒｅｆと電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆとの組み合わせに基づき、推定温度Ｔｓの算出に用いる熱時定数τｒｃの値を切り替える。図１に示すように、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、損失計算部１０、熱時定数選択部１１、推定温度算出部１２を有する。

損失計算部１０は、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを用いてモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓを算出する。ここで、損失Ｐｌｏｓｓの計算に用いる電流値は、電流指令値でも良く、実電流値でも良い。また、損失Ｐｌｏｓｓは、銅損のみを考慮した値でも良く、銅損と鉄損とを考慮した値でも良い。銅損のみを考慮した損失Ｐｌｏｓｓは（１）式によって表される。また、銅損と鉄損とを考慮した損失Ｐｌｏｓｓは（２）式によって表される。

（１）式において、Ｒａはモータの巻選抵抗であり、Ｉは電流指令値である。

（２）式において、ｋ_ｈはヒステリシス損の係数であり、ｋ_ｅは渦電流損の係数であり、ｆはモータ端子電圧の周波数である。

熱時定数選択部１１は、巻線温度の熱変化率を示す熱時定数を、モータ２３の速度を指示する速度指令値Ｎｒｅｆと、モータ２３を駆動する駆動電流の大きさを指示する電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、の組み合わせに基づき決定して出力する。具体的には、熱時定数選択部１１は、速度指令値Ｎｒｅｆと電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆとの組み合わせ毎に熱時定数τｒｃをマッピングした時定数マップを有する。そして、熱時定数選択部１１は、入力される速度指令値Ｎｒｅｆと電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆに対応する熱時定数τｒｃを熱時定数マップから選択して出力する。

ここで、時定数マップにマッピングされる熱時定数τｒｃは、事前にモータ２３を動作させながら測定することができる。時定数マップは、マップの各条件に合わせて測定した熱時定数τｒｃをマッピングしたものである。そこで、熱時定数選択部１１内に格納される時定数マップの例を図２に示す。

図２に示すように、熱時定数選択部１１に格納される時定数マップは、横軸をモータの回転速度（例えば、速度指令値）、縦軸を駆動電流（例えば、電流指令値）としたグラフとして考えることができ、速度指令値と電流指令値の組み合わせ毎に熱時定数τｒｃが記述される。この熱時定数τｒｃは、モータ２３の熱抵抗Ｒｔｈと、モータの熱容量Ｃｔｈと、の積により表される。本実施の形態で用いる時定数マップでは、熱時定数τｒｃとして熱抵抗Ｒｔｈと熱容量Ｃｔｈの情報をそのまま含むものとする。

ここで、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１で用いられる時定数マップの作成に用いられる測定システムについて説明する。図３に実施の形態１にかかる時定数マップを作成する際に用いる計測システムを説明するブロック図を示す。

図３に示すように、計測システムは、計測装置３０、デバッガー３１、モータドライバ３２、電源３３、負荷印加装置３４、負荷制御装置３５、温度測定装置３６を用いてモータ２３の計測を行う。計測装置３０は、モータ２３が速度指令値に基づき制御されるものであれば、デバッガー３１に速度指令値を与えると共にデバッガー３１内で生成される電流指令値を取得する。また、計測装置３０は、モータ２３がトルク指令値に基づき制御されるものであれば、デバッガー３１にトルク指令値を与えると共にデバッガー３１内で生成される速度指令値及び電流指令値を取得する。デバッガー３１は、計測装置３０から与えられた指令値に基づき速度指令値と電流指令値との少なくとも一方と、電圧指令値を演算してモータドライバ３２に与える。モータドライバ３２は、電圧指令値に基づき、モータ２３に与えるモータ端子電圧を生成する。電源３３は、モータ２３を駆動するための電源である。負荷印加装置３４は、モータ２３に負荷を与える。負荷印加装置３４がモータ２３に与える負荷は負荷制御装置３５により制御される。温度測定装置３６は、モータ２３の巻線温度を測定する。この巻線温度は、モータ２３の巻線に取り付けられた熱電対の出力から演算する。

計測装置３０は、速度指令値或いはトルク指令値により所定の条件でモータ２３を制御し、そのときに温度測定装置３６から得られる巻線温度からモータ２３の熱時定数を演算する。また、計測装置３０は、モータ２３に与えた動作条件に関連する速度指令値と電流指令値との組み合わせを演算した熱時定数とを関連付けることで熱時定数マップを生成する。

推定温度算出部１２は、熱時定数選択部１１から出力された熱時定数と損失計算部１０が出力するモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓとに基づき推定温度Ｔｓを算出する。推定温度算出部１２は、モータ２３の熱抵抗Ｒｔｈ、熱容量Ｃｔｈ及び損失Ｐｌｏｓｓを並列に接続した一次のローパスフィルタモデル（以下、一次の熱モデルと称す）を用いる。具体的には、一次の熱モデルは（３）式で表すことができ、推定温度算出部１２は、（３）式を変形した（４）式を用いて推定温度Ｔｓを算出する。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１における推定温度の計算手順について説明する。そこで、図４に実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１における推定温度の計算手順を説明するフローチャートを示す。

まず、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、図４に示すフローチャートで示される計算サイクルを所定の間隔で実施する。図４に示すように、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、計算サイクルが開始されると、速度制御器２０に入力される速度指令値Ｎｒｅｆと、電流制御器２１が出力する電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、を取得する（ステップＳ１）。次いで、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、ステップＳ１で取得した速度指令値と電流指令値との組み合わせに対応する熱時定数を熱時定数選択部１１の熱時定数マップから選択して決定する（ステップＳ２）。

ここで、熱時定数マップでは、離散的な速度指令値と電流指令値との組み合わせに対して熱時定数τｒｃが記述される。そのため、実際に入力される速度指令値と電流指令値との組み合わせと、熱時定数τｒｃがマッピングされた速度指令値と電流指令値との組み合わせと、の間には誤差が生じる場合がある。このような誤差が生じた場合、実際に入力された速度指令値と電流指令値との組み合わせに近い熱時定数τｒｃを近似値として出力しても良い。また、このような誤差が生じた場合、実際に入力された速度指令値と電流指令値との組み合わせに近い熱時定数τｒｃを少なくとも２点選択して、選択した熱時定数τｒｃから実際に入力された値に対応する熱時定数τｒｃを計算により決定しても良い。

続いて、また、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の損失計算部１０は、ステップＳ１で取得した電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆに基づきモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓを算出する（ステップＳ３）。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、推定温度算出部１２により、推定モデル（例えば、一次の熱モデル）に基づき推定温度Ｔｓを算出する（ステップＳ５）。ステップＳ５の計算では、（４）式に熱時定数選択部１１が出力した熱時定数τｒｃに含まれる熱抵抗Ｒｔｈ及び熱容量Ｃｔｈと、損失計算部１０が出力した損失Ｐｌｏｓｓと、を代入して推定温度Ｔｓを算出する。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、このように推定温度Ｔｓが算出されたことに応じて、現計算サイクルを終了させる。

上記説明より、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、熱時定数を決定する際に電流指令値に加えて速度指令値を考慮し、電流指令値と速度指令値との組み合わせに基づき熱時定数を変える。これにより、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１では、モータの銅損、鉄損、機械損、風損などを考慮したモータの巻線温度の推定が可能になり、モータの推定温度の推定精度を高めることができる。

なお、上記説明では、モータ温度推定装置１をハードウェアにより構成する例について説明したが、モータ温度推定装置１内の処理をソフトウェアにより実行することもできる。ソフトウェアによりモータ温度推定装置１の機能を実現する場合、演算部（例えば、ＣＰＵ）上で必要な処理を実行するプログラムを動作させる。また、熱時定数選択部１１に格納される時定数マップは演算部内のメモリ、或いは、演算部とは別に設けられるメモリに格納する。

上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

実施の形態２
実施の形態２では、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の別の形態となるモータ温度推定装置２について説明する。そこで、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２のブロック図を図５に示す。

図５に示すように、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２を含むシステムでは、速度制御器２０に代えて電流指令値演算部２４が設けられる。電流指令値演算部２４は、トルク指令値Ｔｒｅｆに基づき電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを算出する。つまり、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２を含むシステムでは、速度指令値Ｎｒｅｆを用いることなくトルク指令値Ｔｒｅｆに基づきモータ２３を制御する。

そのため、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２を含むシステムでは、速度指令値Ｎｒｅｆが生成されない。そこで、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２では、モータ温度推定装置１に対して実速度演算部１３が追加される。実速度演算部１３は、モータ２３のロータの回転角度値から実速度値を算出する。そして、モータ温度推定装置２では、速度指令値Ｎｒｅｆの代わりに実速度演算部１３が算出した実速度値を用いる。

上記説明より、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２を用いることで、モータ２３を制御するシステムが、速度指令値Ｎｒｅｆを用いない場合であっても、熱時定数選択部１１内の時定数マップを用いたモータ温度の推定を行うことができる。つまり、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２を用いることで、モータ２３を制御するシステムが、速度指令値Ｎｒｅｆを用いない場合であっても、モータ２３の推定温度の精度を高めることができる。

実施の形態３
実施の形態３では、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の別の形態となるモータ温度推定装置３について説明する。そこで、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３のブロック図を図５に示す。

図５に示すように、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３は、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１と実質的に同じものである。一方、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３を含むシステムには、モータ２３を制御する信号としてロータ位置指令値Ｐｒｅｆｇ入力される。そのため、実施の形態３にかかるシステムでは、速度制御器２０の前段に位置制御器２５が設けられる。位置制御器２５は、ロータ位置指令値Ｐｒｅｆと実際のモータ２３のロータ位置を示す実位置値との差分に基づき速度指令値Ｎｒｅｆを算出する。実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３は、位置制御器２５が出録する速度指令値Ｎｒｅｆを入力の１つとする。

上記説明より、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３を含むシステムは、ロータ位置指令値Ｐｒｅｆに基づきモータ２３を制御する。このとき、位置制御器２５が算出する位置指令値Ｎｒｅｆを推定温度算出部１２に入力することで、システムは、ロータ位置指令値Ｐｒｅｆに基づきモータ２３を制御する場合であっても、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１と同様にモータ２３の推定温度を算出することができる。

上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１〜３モータ温度推定装置
１０損失計算部
１１熱時定数選択部
１２推定温度算出部
１３実速度演算部
２０速度制御器
２１電流制御器
２２インバータ
２３モータ
２４電流指令値演算部
２５位置制御器
３０計測装置
３１デバッガー
３２モータドライバ
３３電源
３４負荷印加装置
３５負荷制御装置
３６温度測定装置

Claims

モータのトルク、回転速度及び回転角度の少なくとも１つを制御するシステムにおいて前記モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置であって、
前記モータの損失を算出する損失計算部と、
前記巻線温度の熱変化率を示す熱時定数を、前記モータの速度を指示する速度指令値と、前記モータを駆動する駆動電流の大きさを指示する電流指令値と、の組み合わせに基づき決定して出力する熱時定数選択部と、
前記熱時定数選択部から出力された熱時定数と損失計算部が出力する前記モータの損失とに基づき推定温度を算出する推定温度算出部と、を有するモータ温度推定装置。
前記熱時定数選択部は、前記速度指令値と前記電流指令値との組み合わせ毎に前記熱時定数をマッピングした時定数マップを有し、入力される前記速度指令値と前記電流指令値に対応する前記熱時定数を前記時定数マップから選択して出力する請求項１に記載のモータ温度推定装置。
前記モータの回転位置を示すロータ角度値に基づき前記モータの回転速度を実速度値として算出する実速度演算部を更に有し、前記実速度演算部は、前記速度指令値に代えて前記実速度値を前記熱時定数選択部に与える請求項１又は２に記載のモータ温度推定装置。