JP2021016226A - モータの磁石温度の推定方法、及び、磁石温度の推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束センサを用いることなく永久磁石の磁石磁束鎖交数を算出して永久磁石の推定温度を求めることで、永久磁石の推定温度の精度の向上を図る。【解決手段】モータの制御方法は、トルク指令値に応じた目標電流を流すことによりモータの回転を制御する（１５）。モータの制御方法は、目標電流を変化させ（１２）、目標電流を変化させる前の第１状態、及び、目標電流を変化させた後の第２状態のそれぞれにおいてｄ軸磁束鎖交数を求め（２１）、第１状態、及び、第２状態におけるｄ軸磁束鎖交数に基づいて、回転子が備える永久磁石の磁石磁束鎖交数を算出し（２２）、算出した磁石磁束鎖交数に応じて、永久磁石の磁石温度を推定する（１７）。【選択図】図１

Description

本発明は、モータの磁石温度の推定方法、及び、磁石温度の推定装置に関するものである。

モータの制御精度を向上させるために、回転中のモータの磁石温度を推定し、推定した磁石温度を用いてモータを制御する技術が検討されている。例えば、特許文献１に開示されている技術によれば、コイルエンドに磁束センサを設け、ロータからの漏洩する磁石磁束を磁束センサによって検出し、予め記憶している漏洩する磁石磁束と磁石温度との関係から磁石温度が推定されている。

特開２００４−２２２３８７号公報

特許文献１に開示されている技術によれば、磁石磁束に加えてコイルに負荷電流が流れることによっても負荷磁束が発生しており、コイルの近傍に存在する磁束センサが負荷磁束と磁石磁束との合計磁束を検出してしまうことがある。そのため、磁石磁束の測定精度が低下してしまい、磁石温度の推定精度が低下するおそれがあるという課題があった。

本発明のモータの磁石温度の推定方法は、トルク指令値に応じた目標電流を流すことによりモータの回転を制御する。モータの制御方法は、目標電流を変化させ、目標電流を変化させる前の第１状態、及び、目標電流を変化させた後の第２状態のそれぞれにおいてｄ軸磁束鎖交数を求め、第１状態、及び、第２状態におけるｄ軸磁束鎖交数に基づいて、回転子が備える永久磁石の磁石磁束鎖交数を算出し、算出した磁石磁束鎖交数に応じて、永久磁石の磁石温度を推定する。

本発明のモータの磁石温度の推定方法によれば、磁束センサを用いることなく永久磁石の磁石磁束鎖交数を算出し、この磁石磁束鎖交数に応じて永久磁石の推定温度を求めることで、永久磁石の推定温度の精度の向上を図る。

図１は、第１実施形態のモータシステムの概略構成図である。 図２は、磁石磁束鎖交数算出部の詳細な構成を示すブロック図である。 図３は、磁束鎖交数推定部の詳細な構成を示すブロック図である。 図４は、制御対象へと流れる電流を示す図である。 図５は、第２実施形態のモータへと流れる電流を示す図である。 図６は、第３実施形態のモータへと流れる電流を示す図である。 図７は、磁石磁束鎖交数算出部の詳細な構成を示すブロック図である。 図８は、第４実施形態のモータシステムを構成するニューラルネットワークの構成を示す図である。 図９は、第５実施形態のモータシステムの一部のトルク誤差補償部に関する構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態における磁石温度の推定装置を有するモータシステムについて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の磁石温度の推定装置を有するモータシステムの概略構成図である。

モータシステム１０には、制御対象であるモータ１が含まれている。そのため、モータ１以外の点線で示されるＡ部が、モータ制御装置に相当する。なお、モータ制御装置は、モータ１のロータが備える永久磁石の磁石温度を推定する。さらに、モータ制御装置は、その推定した磁石温度を用いてモータ１の回転動作を制御する。

モータシステム１０においては、電流指令値算出部１１は、トルク指令値Ｔ^*に応じてトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*が算出される。なお、電流指令値算出部１１には、補正部１１Ａが並設されており、補正部１１Ａは推定された磁石温度Ｔ_magに応じた補正値を電流指令値算出部１１に出力する。例えば、磁石温度Ｔ_magが高くなると出力されるトルク値が小さくなる傾向にあるので、補正部１１Ａは、トルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*が大きくなるように正の補正値を出力する。

算出されたトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*において、ｄ軸トルク電流指令値ｉ_d ^*に対して、微小電流重畳部１２から出力される微小電流指令値Δｉ_d ^*が加算器１３により重畳される。さらに、重畳されたトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*に対して、モータ１からのフィードバック入力である電流値ｉ_d,ｉ_qが減算器１４により負帰還される。そして、加算器１３、減算器１４を経たトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*が負荷電流制御部１５に入力される。

負荷電流制御部１５は、一般的なＰＩ制御器であって、モータ１における観測値である電流値ｉ_d,ｉ_qを用いたフィードバック制御を行う。負荷電流制御部１５は、モータ１における電流値ｉ_d,ｉ_qがトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*に追従するように電圧指令値ｖ_d ^* _,ｖ_q ^*を生成して、生成した電圧指令値ｖ_d ^* _,ｖ_q ^*をモータ１に出力する。

モータ１は、インバータやセンサを含む構成であってもよい。電圧指令値ｖ_d ^* _,ｖ_q ^*の入力に応じてインバータによって生成された三相交流電圧がモータ１のバスバに印加されて、モータ１のロータが回転駆動する。そして、インバータとモータ１との間の配線上に電流センサが設けられており、電流センサにより検出された三相交流電流が相変換されることで、ｄｑ軸の電流値ｉ_d,ｉ_qを取得することができる。

微小電流重畳部１２は、上位装置から磁石温度の推定要求に応じてＴｒｉｇが入力されると、その期間だけ、直流の微小電流Δｉ_dが流れるように、微小電流指令値Δｉ_d ^*を生成する。モータシステム１０においては、微小電流指令値Δｉ_d ^*がトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*に重畳されることで、後述の磁石温度の推定が行われる。そして、微小電流指令値Δｉ_d ^*が重畳される期間と、重畳されない期間との２つの期間の測定値を用いて、モータ１のロータが備える永久磁石の磁石温度Ｔ_magを推定する。磁石温度Ｔ_magの推定方法の詳細については後に説明する。

磁石磁束鎖交数算出部１６には、モータ１への入力となる電圧指令値ｖ_d ^* _,ｖ_q ^*、モータ１において検出される電流値ｉ_d,ｉ_q、及び、微小電流重畳部１２に入力されるＴｒｉｇに加えて、モータ１のロータの近傍に設けられるレゾルバにより検出される電気位相角θeが入力される。磁石磁束鎖交数算出部１６は、これらの入力に基づいてモータ１のロータに設けられる永久磁石に起因する磁石磁束鎖交数ψ_aを推定する。

磁石温度推定部１７は、予め記憶しているテーブルを用いて、磁石磁束鎖交数算出部１６により推定された磁石磁束鎖交数ψ_aと、モータ１において観測される電流値ｉ_d,ｉ_qに基づいて、磁石温度Ｔ_magを推定する。

なお、この推定された磁石温度Ｔ_magは、補正部１１Ａを経て電流指令値算出部１０に再帰的に入力され、磁石温度Ｔ_magに応じてトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*を変化させることで、モータ１の回転制御の精度を向上させることができる。また、第５実施形態のように、モータシステム１０内にトルク誤差補正部（図９参照）を設けて、磁石温度Ｔ_magの推定過程で求められるモータ１の磁束鎖交数を用いて、モータ１の回転制御の精度の向上を図ってもよい。

図２は、磁石磁束鎖交数算出部１６の詳細な構成を示すブロック図である。

磁石磁束鎖交数算出部１６は、磁束鎖交数推定部２１と、磁石磁束鎖交数決定部２２とを有する。

磁束鎖交数推定部２１は、電圧指令値ｖ_d ^* _,ｖ_q ^*、電流値ｉ_d,ｉ_q、及び、ロータの電気位相角θeの入力を受け付けると、磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^} _,ψ_q ^{^}を推定し、磁石磁束鎖交数決定部２２に出力する。なお、磁束鎖交数推定部２１における詳細な処理は、後に図３を用いて説明する。また、磁束鎖交数推定部２１においてはｄｑ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^} _,ψ_q ^{^}が算出されるが、後段の磁石磁束鎖交数決定部２２における処理には、ｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}のみが用いられる。

磁石磁束鎖交数決定部２２は、磁束鎖交数推定部２１により推定されたｄｑ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^} _,ψ_q ^{^}のうちのｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}、電流値ｉ_d,ｉ_q、及び、Ｔｒｉｇの入力を受け付ける。図１に示された微小電流重畳部１２は、Ｔｒｉｇが入力されている期間だけ微小電流指令値Δｉ_d ^*を重畳するため、磁石磁束鎖交数決定部２２には、Ｔｒｉｇが入力されている期間と、入力されていない期間との２つの期間のｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}が入力される。そして、磁石磁束鎖交数決定部２２は、それらの２つの期間のｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}を用いて、後述の（４）式に従って、磁石温度Ｔ_magを推定する。

図３は、磁束鎖交数推定部２１の詳細な構成を示すブロック図である。ｄｑ軸はロータと同期した回転座標系であり、αβ軸は静止座標系であるものとする。

磁束鎖交数推定部２１は、抵抗値算出部３１、ｄｑ／αβ変換部３２、及び、減算器３０１からなる電圧モデル部と、インダクタンス算出部３３、加算器３０２、ｄｑ／αβ変換部３４、減算器３０３、及び、ＰＩ制御器３５からなる電流モデル部とを有する。そして、電圧モデル部及び電流モデル部からの出力は加算器３０４において加算され、加算結果が積分器３６において時間積分されることで、αβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}が算出される。最終的に、αβ／ｄｑ変換部３７を経て、ｄｑ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^} _,ψ_q ^{^}が出力される。なお、ｄｑ／αβ変換部３２、ｄｑ／αβ変換部３４、及び、αβ／ｄｑ変換部３７における変換処理においては、レゾルバにより検出されるロータの電気位相角θeが用いられる。

まず、電圧モデル部について説明する。

抵抗値算出部３１は、入力される電流値ｉ_d,ｉ_qに対して抵抗値Ｒ_d,Ｒ_qを乗ずることで、モータ１の巻線抵抗に生じる電圧値を算出する。この値は、後段に設けられるｄｑ／αβ変換部３２によってαβ座標の値に変換される。そして、減算器３０１において、電圧指令値ｖ_α ^* _,ｖ_β ^*から、ｄｑ／αβ変換部３２から出力される巻線抵抗の電圧値を減算することでΔｖ_α,Δｖ_βを算出する。

そして、電圧モデル部から出力されるΔｖ_α,Δｖ_βは、加算器３０４において、後述のように電流モデル部からの出力値と加算される。積分器３６は、加算器３０４における加算結果に対して積分を行うことで、αβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}を算出する。αβ／ｄｑ変換部３７においては、入力されるαβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}に対してαβ／ｄｑ変換をすることで、ｄｑ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^} _,ψ_q ^{^}を算出する。

ここで、モータ１においては、磁束鎖交数の時間変化量に応じて誘起電圧が発生しており、この誘起電圧は電圧指令値と巻線抵抗の電圧値との差Δｖ_α,Δｖ_βに相当する。そのため、誘起電圧に相当するΔｖ_α,Δｖ_βを時間積分することで、モータ１における鎖交磁束数を求めることができる。そこで、Δｖ_α,Δｖ_βを後段の積分器３６において時間積分することで、モータ１における磁束鎖交数として、αβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}が求められる。

しかしながら、積分処理に起因して不定数である積分乗数が生じてしまう。そこで、積分乗数により生じる誤差を抑制するために、インダクタンス算出部３３〜ＰＩ制御器３５からなる電流モデル部が構成されている。以下では、電流モデル部について説明する。

インダクタンス算出部３３は、電流値ｉ_d,ｉ_qに対してモータ１のインダクタンス値Ｌ_d,Ｌ_qを乗ずることで、モータ１において電流の負荷に応じて発生する磁束鎖交数を算出する。この処理は、一般的な電流、インダクタンス、及び、磁束鎖交数の関係に基づいている。なお、インダクタンス値Ｌ_d,Ｌ_qは固定値であるものとする。

加算器３０２は、インダクタンス算出部３３において算出された電流に起因する磁束鎖交数と、磁石磁束鎖交数固定値ψ_a'とを加算することで、ｄｑ軸磁束鎖交数推定値（電流モデル）ψ_{d_i} ^{^} _,ψ_{q_i} ^{^}を算出する。なお、磁石磁束鎖交数固定値ψ_a'は、モータ１において電流が印加されない無負荷状態における永久磁石に起因する磁石磁束鎖交数であって、予め磁束鎖交数推定部２１に記憶されている。このように、磁石磁束鎖交数固定値ψ_a'を予め加算しておくことで、初期状態がない駆動直後などの状態におる誤差を抑制できる。

ｄｑ／αβ変換部３４においては、ｄｑ軸磁束鎖交数推定値（電流モデル）ψ_{d_i} ^{^} _,ψ_{q_i} ^{^}に対してｄｑ／αβの変換をすることで、αβ軸磁束鎖交数推定値（電流モデル）ψ_{α_i} ^{^} _,ψ_{β_i} ^{^}を算出する。

減算器３０３においては、αβ軸磁束鎖交数推定値（電流モデル）ψ_{α_i} ^{^} _,ψ_{β_i} ^{^}から、後段の積分器３６から出力されるαβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}を減じることで、Δψ_{α_i,}Δψ_{β_i}を算出する。

そして、ＰＩ制御器３５においては、Δψ_{α_i,}Δψ_{β_i}に対してＰＩ制御を行うことにより、αβ軸磁束鎖交数推定値（電流モデル）ψ_{α_i} ^{^} _,ψ_{β_i} ^{^}とαβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}との偏差が小さくなるように制御される。

上述のように電圧モデル部からの出力を積分器３６により積分する際に、積分定数が生じて系が不安定となるおそれがある。しかしながら、電流モデル部において、ＰＩ制御器３５によってフィードバック系が組まれるとともに、減算器３０１においては初期値として磁石磁束鎖交数固定値ψ_a’が入力される。このような構成となることで、初期状態を含む任意の状態において、積分定数が不定となることに起因するαβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}の精度悪化を抑制することができる。

ここで、電圧モデル部、及び、電流モデル部それぞれの、ｄｑ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^} _,ψ_q ^{^}の推定に対する寄与度は、ＰＩ制御器３５において定めることができる。例えば、ＰＩ制御器３５におけるゲインが低下するように設計することで、電流モデルに比べて電圧モデルがαβ軸磁束鎖交数推定値ψ_α ^{^} _,ψ_β ^{^}の推定に強く影響することになる。また、モータ１の回転数が大きい場合には、電流モデル部に設けられるＰＩ制御器３５のゲインが低下することが知られており、このような高回転時のゲイン低下が考慮されてＰＩ制御器３５が設計される。

図４は、モータ１へと流れる電流を示す図である。この図において、ｘ軸は時間を示し、ｙ軸はｄ軸電流値ｉ_dを示す。

期間１において微小電流重畳部１２は何も出力しておらず、期間２においてはＴｒｉｇに応じて微小電流重畳部１２が微小電流指令値Δｉ_d ^*を出力する。そのため、期間１においてｉ_dであった電流値は、期間２においては微小電流重畳部１２から微小電流指令値Δｉ_d ^*が重畳されることにより、ｄ軸電流値ｉ_d’となる。なお、この期間２は、Ｔｒｉｇが微小電流重畳部１２に入力される期間である。なお、期間１は第１状態の一例であり、期間２は第２状態の一例である。

次に、磁石磁束鎖交数決定部２２における磁石磁束鎖交数の算出方法について説明する。

上述のように、磁束鎖交数推定部２１は、電流値ｉ_d,ｉ_qから磁束鎖交数ψ_d,ψ_qを推定する。そして、電流値ｉ_d,ｉ_qが流れる間において、モータ１において生じるｄ軸磁束鎖交数ψ_dは、磁石磁束鎖交数ψ_aと、電流に起因する磁束鎖交数との和となる。なお、電流に起因する磁束鎖交数は、ｄ軸インダクタンスＬ_d及びｄ軸電流値ｉ_dの積（Ｌ_d・ｉ_d）により定められる。

そのため、期間１におけるd軸磁束鎖交数をψ_d、ｄ軸電流をｉ_dとし、期間２におけるd軸磁束鎖交数をψ_d’、ｄ軸電流をｉ_d’とすると、期間１と期間２とにおいて、それぞれ次式が成立する。

これらの式（１）、（２）のそれぞれについて、インダクタンスＬが等しいと仮定すると、（１）式からインダクタンスＬは以下のように示すことができる。

（３）式を（２）式に代入すれば、次の式を導出できる。

磁石磁束鎖交数決定部２２は、期間１、２の２つの期間における測定値を用いてｄ軸磁束鎖交数ψ_d、ψ_d’を算出し、（４）式に基づいて、ｄ軸磁束鎖交数ψ_d、ψ_d’とｄ軸電流値ｉ_d、ｉ_d’とを用いて磁石磁束鎖交数ψ_aを推定することができる。

磁石温度推定部１７は、予め、ｄ軸電流値ｉ_d、ｑ軸電流値ｉ_q、及び、磁石磁束鎖交数ψ_aと、磁石温度Ｔ_magとを対応つけたテーブルを記憶しており、入力値とテーブルとを用いて、磁石温度Ｔ_magを推定する。なお、磁石温度推定部１７は、１つの電流動作点だけでなく多数の電流動作点に対し個々にテーブルを記憶することで、磁石温度Ｔ_magの推定精度を向上させることができる。

なお、テーブル値は、ｄ軸電流値ｉ_d、ｑ軸電流値ｉ_q、磁石磁束鎖交数ψ_a、及び、磁石温度Ｔ_magの４つのパラメータを持つテーブルであるため、全てのパラメータを精度よく対応させたテーブルを記憶するのは難しい。そこで、入力値がテーブルに存在しない場合には、線形補完などの方法を用いてテーブルを補完する。このようにすることで、予めテーブルの作成に要する時間を短くすることができるだけでなく、磁石温度推定部１７が記憶するテーブルの容量を小さくすることができる。なお、第４実施形態において、テーブルを用いずにニューラルネットワークを用いて磁石温度Ｔ_magを推定する説明する。

なお、本実施形態においては、微小電流重畳部１２を用いてｄ軸の微小電流を重畳させる例について説明したが、これに限らない。ｄ軸成分を服務微小電流が重畳されてもよい。例えば、アクセル操作などに応じて所望のタイミングで電流の大きさが変化する場合には、そのタイミングに応じてｄ軸磁束交鎖数ψ_dを推定することで、磁石磁束鎖交数ψ_aを求めることができる。

第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

第１実施形態のモータ１の磁石温度の推定方法によれば、微小電流重畳部１２は、Ｔｒｉｇの入力に応じて、目標トルクに応じたトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*に対して、トルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*よりも小さな微小電流指令値Δｉ_d ^*を重畳することでトルク電流指令値ｉ_d ^* _,ｉ_q ^*を変化させる。そして、磁束鎖交数推定部２１は、微小電流指令値Δｉ_d ^*が重畳される期間１（第１状態）と、重畳されない期間２（第２状態）とのそれぞれにおいてｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}を推定する。磁石磁束鎖交数決定部２２は、期間１と期間２との場合におけるｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}に基づいて、回転子が備える永久磁石の磁石磁束鎖交数ψ_aを算出する。そして、磁石温度推定部１７は、磁石磁束鎖交数ψ_aに基づいて永久磁石の磁石温度Ｔ_magを推定する。

また、磁束の変化に応じて生じる誘起電圧に相当するΔｖ_α,Δｖ_βを求め、その誘起電圧を積分器３６において積分することで、磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^} _,ψ_q ^{^}を推定する。これにより、磁束センサを用いることなく磁石磁束鎖交数ψ_aを求めることができる。そのため、磁束センサが磁石磁束以外の負荷磁束を測定するおそれがなくなり、磁石鎖交磁束数を精度よく求めることができ、その結果、磁石温度Ｔ_magの推定精度を向上させることができる。その結果、高い精度で推定された磁石温度Ｔ_magを用いて目標電流を制御することで、モータ１の回転制御の精度の向上を図ることができる。

第１実施形態のモータ１の磁石温度の推定方法によれば、微小電流指令値Δｉ_d ^*の重畳の有無に応じた期間１、２において、異なるｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}が求められる。ここで、ｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}の一部である磁石磁束鎖交数ψ_aは、微小電流指令値Δｉ_d ^*の重畳の有無では変化しないものと仮定する。さらに、ｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}のその他の部分は、ｄ軸電流値ｉ_dとｄ軸インダクタンスＬ_dとの積に相当するが、ｄ軸インダクタンスＬ_dは微小電流指令値Δｉ_d ^*の重畳の有無では変化しないものと仮定する。

そこで、まず、微小電流指令値Δｉ_d ^*を重畳しない期間１における場合において、ｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}とｄ軸電流値ｉ_dとを用いてｄ軸インダクタンスＬ_dを算出しておく。そして、算出したｄ軸インダクタンスＬ_dを微小電流指令値Δｉ_d ^*を重畳する期間２における場合に代入することで磁石磁束鎖交数ψ_aを求めることができる。詳細には、式（４）を用いることにより、磁石磁束鎖交数ψ_aを求めることができる。

第１実施形態のモータ１の磁石温度の推定方法によれば、磁石温度推定部１７は、予め、ｄ軸電流値ｉ_d、ｑ軸電流値ｉ_q、及び、磁石磁束鎖交数ψ_aと、磁石温度Ｔ_magとの対応関係を示すテーブルを記憶しており、入力されるこれらのパラメータと、それらの対応関係を示すテーブルとを用いて、磁石温度Ｔ_magを推定する。このようにテーブルを用いることで、磁石温度推定部１７の処理負荷を高めることなく、テーブル検索のみで磁石温度Ｔ_magを推定することができる。

また、テーブルに記憶されるサンプル数が少ない場合において、入力されるパラメータがテーブル含まれない場合には、テーブルに存在しないパラメータをテーブルにおいて補完し、補完されたテーブルを用いて磁石温度Ｔ_magを推定する。このようにすることで、磁石温度推定部１７の処理負荷は若干高くなるが、テーブルを小さくすることがでるのでメモリ使用量の低減を図ることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、微小電流重畳部１２は、期間１において微小電流を出力せず、期間２において正の微小電流を出力したがこれに限らない。第２実施形態においては、微小電流重畳部１２は、微小電流の無出力、正の微小電流の重畳、及び、負の微小電流の重畳を繰り返し行ってもよい。

図５は、モータ１に流れる電流を示す図である。期間１において微小電流重畳部１２は何も出力しておらず電流値はｉ_dである。期間２において微小電流重畳部１２は正の微小電流が重畳されるように微小電流指令値Δｉ_d ^*を出力しているので、モータ１に流れる電流値はｉ_d2となる。期間３において微小電流重畳部１２は負の微小電流が重畳されるように指令値−Δｉ_d ^*を出力しているので、電流値はｉ_d3となる。

ここで、期間１及び２と、期間１及び３とにおいては、それぞれに、式（３）の関係が成立するため、次の２つの式が成立する。

ただし、ψ_a1は、期間１及び２を用いて算出した磁石磁束鎖交数、ψ_a2は、期間１及び３を用いて算出した磁石磁束鎖交数である。さらに、ψ_d1、ｉ_d1は、それぞれ、期間１におけるd軸磁束鎖交数、ｄ軸電流であり、ψ_d2、ｉ_d2は、それぞれ、期間２におけるd軸磁束鎖交数、ｄ軸電流であり、ψ_d3、ｉ_d3は、それぞれ、期間３におけるd軸磁束鎖交数、ｄ軸電流である。

そして、式（５）、（６）の平均をとることで、磁石磁束鎖交数ψ_aは次式のように求められる。

このような（７）式を用いることで、微小電流重畳部１２の構成を大きく変えることなく、正及び負の微小電流が重畳される状態を用いて磁石磁束鎖交数ψ_aを算出できるので、推定精度を向上させることができる。なお、本実施形態においては、同じ大きさで符号の異なる微小電流を重畳させたが、これに限らない。異なる大きさの３以上の微小電流を重畳させ、３以上の磁石磁束鎖交数を算出して、これらの平均を求めてもよい。

第２実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

第２実施形態のモータ１の磁石温度の推定方法によれば、微小電流重畳部１２は、期間１においては微小電流を重畳せず、期間２においては正の微小電流指令値Δｉ_d ^*を重畳し、期間３において負の微小電流指令値Δｉ_d ^*を重畳する。そして、期間１、２のｄ軸磁束鎖交数ψ_dを用いて算出する磁石磁束鎖交数と、期間１、３のｄ軸磁束鎖交数ψ_dを用いて算出する磁石磁束鎖交数との平均を、最終的な磁石磁束鎖交数ψ_aとする。このようにサンプル数を増やすことにより、より高い精度で磁石磁束鎖交数ψ_aを推定できるので、磁石温度Ｔ_magの推定精度の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
第１、２実施形態においては、所定の直流の微小電流を重畳させたがこれに限らない。第３実施形態においては、交流の微小電流を重畳させる例について説明する。なお、この方法によれば、モータ１においては直流成分で制御されており、交流成分は磁石温度の推定にのみ用いられるものとして区別することができるため、磁石温度Ｔ_magの推定精度のさらなる向上を図ることができる。

図６は、第３実施形態のモータシステム１０によってモータ１に流れる電流を示す図である。この図に示されるように、微小電流重畳部１２は、Ｔｒｉｇに応じて、期間２において周波数ｆ_HF、振幅ｉ_HFの交流電流を出力しており、交流電流がｄ軸電流値ｉ_dに重畳される。

図７は、第３実施形態のモータシステム１０における磁石磁束鎖交数算出部１６の構成を示す図である。本実施形態の磁石磁束鎖交数算出部１６は、図２に示された第１実施形態の磁石磁束鎖交数算出部１６と比較すると、インダクタンス推定部７１が追加されている。

ここで、微小電流重畳部１２から交流電流が入力されている期間２においては、モータ１における電圧ベクトルには、インダクタンスＬに起因して生じる電圧成分であって、重畳される電流ベクトルに対して９０度の位相が進む成分ｖ_{HF_img}が含まれる。このインダクタンスが寄与する成分であるｖ_{HF_img}を測定し、測定したｖ_{HF_img}を用いて、次式に基づいてｄ軸インダクタンスＬ_dを算出することができる。

インダクタンス推定部７１には、ロックインアンプなどにより検出されたｖ_{HF_img}が入力される。さらに、インダクタンス推定部７１は、予め記憶している微小電流重畳部１２にて生成する交流成分の周波数ｆ_HF、振幅ｉ_HFを記憶している。インダクタンス推定部７１は、Ｔｒｉｇが入力されている区間２において、式（８）に基づいて、ｄ軸インダクタンスＬ_dを推定することができる。

そして、磁石磁束鎖交数決定部２２は、次式を用いて磁石磁束鎖交数ψ_aを推定する。

（９）式は、推定されるｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_dは、磁石磁束鎖交数ψ_aと電流に起因する磁束Ｌ_d・ｉ_dとの和であることに起因する。このようにしても、磁石磁束鎖交数ψ_aを算出することができる。なお、磁石磁束鎖交数ψ_aの算出は、交流信号が重畳されていない期間１において行う方が、ｄ軸電流値ｉ_dが安定しており望ましい。しかしながら、これに限らず、期間２において行ってもよい。

第３実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

第３実施形態のモータ１の磁石温度の推定方法によれば、微小電流重畳部１２において、交流の微小電流が重畳される。このような交流の電流が重畳される場合においては、モータ１において観測される電圧ベクトルにおいて、インダクタンス成分に起因して、重畳される電流ベクトルに対して９０度の位相が進んだ成分ｖ_{HF_img}が含まれる。そこで、この観測されたｖ_{HF_img}と、重畳された交流の微小電流とによって、ｄ軸インダクタンスＬ_dを算出する。このように、ｄ軸インダクタンスＬ_dを直接的に算出することができるため、第１、第２実施形態のようにｄ軸インダクタンスＬ_dが固定であると仮定する場合よりも、磁石磁束鎖交数ψ_aの推定精度を向上させることができる。

（第４実施形態）
第１乃至３実施形態においては、磁石温度推定部１７において、予め、ｄ軸電流値ｉ_d、ｑ軸電流値ｉ_q、及び、磁石磁束鎖交数ψ_aと、磁石温度Ｔ_magとを対応つけたテーブルを記憶する例について説明したが、これに限らない。第４実施形態においては、磁石温度推定部１７において、ニューラルネットワークを用いて磁石温度Ｔ_magを推測する例について説明する。

図８は、ニューラルネットワークの構成を示す例である。ニューラルネットワークにおいては入力層（Input Layer）と出力層（Output Layer）との間に複数の隠れ層（Hidden Layer）が設けられている。本実施形態においては、入力層には磁石磁束鎖交数ψ_aが入力され、出力層からは磁石温度Ｔ_magが出力される。また、隠れ層においては、ニューロン１〜４が示されている。なお、この例では、ニューロンにおける発火関数は、非線形関数である１／（１＋ｅ^-ax）が用いられるものとする。

この例においては、入力層から、それぞれ入力重み付け１〜４（Win-1〜Win-4）を乗じて、ニューロン１〜４へと入力される。そして、ニューロン１〜４においては、それぞれオフセット１〜４が加算された後に、出力重み付け１〜４（Wout-1〜Wout-4）がなされて、出力層へと出力される。なお、出力層においても、オフセット（Offset_out）が付与される。そのため、推定される磁石温度Ｔ_magは以下のように示すことができる。

このように、入力に対して重みの乗算、オフセット値の加算、及び、非線形関数を用いることで、入力データから出力データを近似的に求めることができる。実際の磁石温度推定部１７においては、これら重み、オフセット、非線形関数を行列として実装することでニューラルネットワークを実現できる。なおニューラルネットワークに限らずカーネル法等の他の方法を用いても良い。

第４実施形態によれば、このように、定数、および非線形関数を成分とする行列を用いて、ニューラルネットワーク等の方法により磁石磁束鎖交数ψ_aから、磁石温度Ｔ_magを推定することで、磁石温度推定部１７において磁石磁束鎖交数に関するテーブルを記憶する必要がなくなるので、磁石温度推定部１７の構成を簡略化することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態においては、モータ１に対する負荷電流制御部１５に対する補正として、推定した磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}、ψ_q ^{^}に応じた補正を行う例について説明する。なお、この補正は、ｑ軸電流値ｉ_qを補正することにより行われる。

ここで、モータ１において生じるトルクＴは、磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}、ψ_q ^{^}と電流値ｉ_d、ｉ_qとの外積として推定できることが知られており、次式のように示せることが知られている。なお、次式で推定されるトルクは、１極対あたりに生じるトルクである。

図９は、負荷電流制御部１５に対してトルク誤差補償を行う場合のブロック図である。

この構成のうち、磁束鎖交数推定部２１から、乗算器９０１、９０２、加算器９０３、及び、乗算器９０４までの構成が、式（１１）に相当する。すなわち乗算器９０１によるｄ軸磁束鎖交数推定値ψ_d ^{^}とｑ軸電流値ｉ_qとの積と、乗算器９０２によるｑ軸磁束鎖交数推定値ψ_q ^{^}とｄ軸電流値ｉ_dとの積とが、加算器９０３によって加算されることで、１極対あたりのトルクが算出される。さらに後段の乗算器９０４によれば、極対数が乗ざれてトルク推定値Ｔ＾が算出される。

そして、減算器９０５において、トルク指令値Ｔ^*からトルク推定値Ｔ＾が減じられたものがトルク誤差補償部９１に入力される。トルク誤差補償部９１においては、トルク推定値Ｔ＾がトルク指令値Ｔ^*に追従するようにｑ軸電流補正値が算出され、加算器９０６においてｑ軸電流指令値ｉ_q ^*に加算される。

そして、トルク誤差補償部９１の前段において、トルク指令値Ｔ^*に対してトルク推定値Ｔ＾を減算することでトルク誤差が算出され、トルク誤差補償部９１においてはそのトルク誤差が補償されるようなｑ軸電流補正値が求められる。そして、トルク誤差補償部９１の後段において、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*に対してｑ軸電流補正値が減算補正される。ｑ軸電流値ｉ_qはトルク制御に適しているだけでなく、磁石温度測定に用いられる微小電流はｄ軸電流値ｉ_dに重畳されておりｑ軸電流値ｉ_qには電流補正値が加減されるだけの余裕がある。そのため、ｑ軸電流値ｉ_qを制御することで、トルク誤差を補正することができる。

第５実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

第５実施形態のモータ１の磁石温度の推定方法によれば、推定した磁石温度Ｔ_magを用いてモータ１において生じているトルク推定値Ｔ＾を推定し、トルク推定値Ｔ＾がトルク指令値Ｔ^*に追従するようにｑ軸電流指令値ｉ_q ^*に対して補正を行う。磁石温度Ｔ_magの測定は、モータ１のトルクへの影響が少ないｄ軸電流値ｉ_dに微小電流を重畳させており、ｑ軸電流値ｉ_qはトルク制御のための余裕があるため比較的トルク補正を行いやすい。このようにｑ軸電流指令値ｉ_q ^*に対して補正をすることにより、磁石温度Ｔ_magが考慮されたモータ１の制御が行われるので、トルク変動を低減するとともに、静音化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１０ モータシステム
１ モータ
１１ 電流指令値算出部
１１Ａ 補正部
１２ 微小電流重畳部
１５ 負荷電流制御部
１６ 磁石磁束鎖交数算出部
１７ 磁石温度推定部
２１ 磁束鎖交数推定部
２２ 磁石磁束鎖交数決定部

Claims (13)

1. トルク指令値に応じた目標電流を流すことによりモータの回転を制御するモータの磁石温度の推定方法であって、
   前記目標電流を変化させ、
   前記目標電流を変化させる前の第１状態、及び、前記目標電流を変化させた後の第２状態のそれぞれにおいてｄ軸磁束鎖交数を求め、
   前記第１状態、及び、前記第２状態におけるｄ軸磁束鎖交数に基づいて、回転子が備える永久磁石の磁石磁束鎖交数を算出し、
   算出した前記磁石磁束鎖交数に応じて前記永久磁石の磁石温度を推定する、モータの磁石温度の推定方法。
2. 請求項１に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   前記モータに流れる電圧の測定値と、前記目標電流に応じた電圧指令値との差分を求め、
   前記差分を積分することにより、前記ｄ軸磁束鎖交数を含む磁束鎖交数を求める、モータの磁石温度の推定方法。
3. 請求項１または２に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   前記目標電流に対して前記目標電流よりも小さな微小電流を重畳することにより、前記目標電流を変化させ、
   前記第１状態では、前記微小電流が重畳されておらず、前記第２状態では、前記微小電流が重畳されている、モータの磁石温度の推定方法。
4. 請求項３に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   前記微小電流は、直流であり、
   前記第２状態におけるｄ軸磁束鎖交数、及び、前記モータに流れるｄ軸電流に基づいて、前記モータのインダクタンスを求め、
   前記第１状態のｄ軸磁束鎖交数から、前記インダクタンスと前記第１状態のｄ軸電流との積を減じることで、前記磁石磁束鎖交数を算出する、モータの磁石温度の推定方法。
5. 請求項４に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   前記磁石磁束鎖交数は、式（１）により算出される、モータの磁石温度の推定方法。
   

   

   ｉ_dは、前記第１状態における前記ｄ軸電流であり、
   ψ_dは、前記第１状態における前記ｄ軸磁束鎖交数であり、
   ｉ_d’は、前記第２状態における前記ｄ軸電流であり、
   ψ_d’は、前記第２状態における前記ｄ軸磁束鎖交数である。
6. 請求項３に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   ２以上の大きさの異なる微小電流を用いて、２以上の前記磁石磁束鎖交数を算出し、
   算出された２以上の前記磁石磁束鎖交数を平均することで、前記磁石磁束鎖交数を算出する、モータの磁石温度の推定方法。
7. 請求項３に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   前記微小電流は、交流であり、
   前記第２状態において、前記モータの電圧ベクトルにおける前記微小電流のベクトルに対する９０度の進み成分と、前記微小電流の振幅及び周波数とに基づいて、前記モータのインダクタンスを求め、
   求められた前記ｄ軸磁束鎖交数から、前記インダクタンスと前記目標電流との積を減じることで、前記磁石磁束鎖交数を算出する、モータの磁石温度の推定方法。
8. 請求項７に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   前記インダクタンスは、式（２）により求められ、前記磁石磁束鎖交数は、式（３）により算出される、モータの磁石温度の推定方法。
   

   

   

   Ｌ_dは、前記インダクタンスであり、
   ｖ_{HF_img}は、前記第２状態において、前記モータへ印加される電圧の電流に対する９０度の進み成分であり、
   ｆ_HFは、前記微小電流の周波数であり、
   ｉ_HFは、前記微小電流の振幅であり、
   ｉ_dは、前記モータに流れるｄ軸電流であり、
   ψ_dは、求められた前記ｄ軸磁束鎖交数である。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
   あらかじめ記憶された、磁石磁束鎖交数、前記モータに流れるｄ軸電流値、及び、ｑ軸電流値のパラメータと、磁石温度との対応関係を示すテーブル用いて、入力される前記パラメータに応じて、前記永久磁石の温度を推定する、モータの磁石温度の推定方法。
10. 請求項９に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
    入力される前記パラメータが、前記テーブルに含まれていない場合には、該含まれていない前記パラメータを前記テーブルにおいて補完する、モータの磁石温度の推定方法。
11. 請求項１から８のいずれか１項に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
    ニューラルネットワークを用いて、前記磁石磁束鎖交数に応じて前記磁石温度を推定する、モータの磁石温度の推定方法。
12. 請求項２から１１のいずれか１項に記載のモータの磁石温度の推定方法であって、
    前記磁束鎖交数、及び、前記磁石温度に応じて、前記モータにおけるトルク推定値を推定し、
    前記トルク指令値と、前記トルク推定値との偏差が小さくなるように、前記モータに入力されるｑ軸の前記目標電流を補正する、モータの磁石温度の推定方法。
13. トルク指令値に応じた目標電流をモータに流すことにより前記モータの回転を制御するモータの磁石温度の推定装置であって、
    前記目標電流を変化させる変化部と、
    前記目標電流を変化させる前の第１状態、及び、前記目標電流を変化させた後の第２状態のそれぞれにおいてｄ軸磁束鎖交数を求める磁束鎖交数算出部と、
    前記第１状態、及び、前記第２状態におけるｄ軸磁束鎖交数に基づいて、回転子が備える永久磁石の磁石磁束鎖交数を算出する磁石磁束鎖交数算出部と、
    算出した前記磁石磁束鎖交数に応じて前記永久磁石の磁石温度を推定する磁石温度推定部と、を備えるモータの磁石温度の推定装置。

Images