JP2022526875A - モーター巻線過剰温度を検出するための方法及び回路 - Google Patents

Abstract

ハードウェアベースの検出システム（１０）が、とりわけ、モーター巻線における電流と、参照電流と、前記持続時間とに機能的に関連する信号を生成するための信号生成回路（２２、３８、５４、５８、６２）を含む。また、検出システムは、生成された信号を参照信号と比較し、それによってモーター巻線における過剰温度条件を検出するためのコンパレータ回路（６６）を含み得る。検出システム（１０）を動作させる方法についても記載される。所望である場合、検出システム（１０）は、アナログ回路アーキテクチャを用いてハードウェアにおいて完全に実装され得る。

Description

本願は、２０１８年８月３０日に出願されたインド特許出願番号２０１８４１０３２５１０号の優先権を主張する。インド特許出願番号２０１８４１０３２５１０号の開示全体は、参考として本明細書中に完全に組み込まれる。

電気モータードライブは、家電製品、産業機械、通信デバイス、医療デバイス、ビルオートメーションデバイス、及びオートモーティブデバイスを含むがこれらに限定されない、多くの応用例にわたって用いられる。或る種の応用例のモーター駆動装置を設計する場合、デバイスを確実に安全かつ信頼性をもって動作させることが望ましいことがある。安全性と信頼性には、人間／オペレータの安全とデバイス自体の安全な動作とを含む、様々な態様がある。特に、オペレータ、デバイス、又はデバイス周囲を、過度に熱せられた表面や火災から保護することが重要であり、或いは不可欠である。したがって、電気モータードライブが、一つ又は複数の、巻線、ステータ、或いは、シャフト又はモーターボディを含むロータ内部に過温度条件が生じさせないように、電気モータードライブを監視することが望ましい場合がある。

実際、電気モータードライブに関連する潜在的な危険の一つは、一つ又は複数のモーター巻線の過熱による火災又は高温表面である。いくつかのデバイスでは、とりわけ過負荷又は他の異常条件又は欠陥の際に、過熱又は関連する火災がないことを確実にするために、モーター巻線の温度を連続的に監視することが望ましい。多くの安全規格では、異なるクラスのモーター巻線の最大許容温度について言及している。設計者は、巻線温度がそのような制限内に留まることを確実にすることを所望し得る。

本明細書は、ハードウェアベースの検出システムに関し、ハードウェアベース検出システムは、とりわけ、モーター巻線における電流と、参照電流と、持続時間とに機能的に関連する信号を生成するための信号生成回路、及び、信号生成信号に結合され、生成された信号を参照信号と比較し、それによってモーター巻線内の過剰温度条件を検出するためのコンパレータ回路を含む。

本明細書は更に検出システムに関し、検出システムは、とりわけ、モーター巻線における電流と、参照電流と、持続時間とに機能的に関連する信号を生成するための信号生成回路、生成された信号を可変参照信号と比較し、それによってモーター巻線における過剰温度条件を検出するためのコンパレータ回路、及び、参照電流及び周囲温度の関数として可変参照信号を生成するための補償回路を含む。

本明細書は更に、ハードウェアベースの検出システムを動作させる方法に関する。この方法は、信号発生回路に、モーター巻線における電流と、参照電流と、持続時間とに機能的に関連する信号を生成させること、及び、コンパレータ回路にこの信号を参照信号と比較させ、それによって、モーター巻線における過剰温度条件を検出することを含む。

典型的な多相モーターのためのＩ^２ｔ曲線（又は熱制限曲線）のグラフである。

駆動システムに結合された検出システムのブロック図であり、検出システムは、多相モーターにおける巻線過剰温度条件を表す信号を生成するように構成される。

図２の検出システムのための波形図である。

図２の検出システムの一部のための回路図である。

図２及び図４の検出システムに関連して用いられ得る、周囲条件を補償するためのシステムのブロック図である。

ここで図面を参照すると、同様の要素が全体を通して同様の参照数字及び他の文字で示されており、典型的なモーター巻線のＩ^２ｔ曲線１１０が図１に示されている。モーター巻線において放散される瞬間エネルギーは、巻線電流Ｉ_Ｐの二乗に比例し、巻線における温度は、エネルギー放散の持続期間ｔに依存する。モーターは、許容温度を超えることなく、名目又は定格電流Ｉ_Ｎで連続的に動作するように設計され得る。名目電流Ｉ_Ｎを超える負荷電流Ｉ_Ｐは、モーターの冷却デバイスによってなくすことのできない過剰な損失を生じさせる。その結果、負荷電流Ｉ_Ｐが名目電流Ｉ_Ｎよりも大きいとき、モーター温度が増大し、最終的に定格温度を超える。

負荷電流Ｉ_Ｐが名目電流Ｉ_Ｎよりわずかに大きいだけである場合、モーター温度が定格温度を超えるのに必要な時間ｔは比較的長くなり得るが、最終的には定格温度を超えることになる。負荷電流Ｉ_Ｐが、図１に示される状況である名目電流Ｉ_Ｎよりもはるかに大きいとき、モーター温度が定格温度を超えるのに必要とされる時間ｔは比較的短くなり得る。負荷電流Ｉ_Ｐが名目電流Ｉ_Ｎより小さい場合、モーター温度は、持続期間ｔにかかわらず定格温度を超えてはならない。

概して、負荷電流Ｉ_Ｐが名目電流Ｉ_Ｎに等しいときに、名目条件Ｅ_ＮＯＭ下でモーター巻線によって放散されるエネルギーは、次のようになる。
Ｅ_ＮＯＭ＝Ｉ_Ｎ，_ＲＭＳ ^２×Ｒ×ｔ
ここで、Ｉ_Ｎ，_ＲＭＳは名目電流Ｉ_Ｎの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値であり、Ｒは電流を搬送する巻線の抵抗であり、ｔはエネルギー放散の持続期間である。

負荷電流Ｉ_Ｐが名目電流Ｉ_Ｎより大きい場合（図１で示されている状況）、次のように、モーター巻線によって過剰エネルギーＥ_Ｐが生成される。
Ｅ_Ｐ＝（Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２）×Ｒ×ｔ
ここで、Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}は負荷電流Ｉ_Ｐの二乗平均平方根値である。

Ｒは（温度の変動を備えるＲの変動を無視して）一定とみなすことができるので、後者の式は、次のように比例関係として単純化することができる。
Ｐα（Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２）×ｔ

図２は、モーター駆動システム１２に結合されたハードウェアベースの検出システム１０を図示するブロック図である。モーター駆動システム１２は、例えば、家電（図示せず）を動作させるように構成され得る。検出システム１０は、モーター駆動システム１２内の過剰温度（ＯＴ）条件を検出するように構成される。図示の構成では、モーター駆動システム１２は、３位相インバータ１６に結合された３位相モーター１４と、ライン１５、１７、１９に電気的に接続された対応する複数のモーター巻線と、巻線接続ライン１５、１７に直列に電気的に接続された対応する電流感知要素１８、２０とを有する。モーター駆動システム１２は、多相モーターが多相インバータによって駆動される多相システムとすることができる。ここで図示されているモーター駆動システム１２は、感知要素１８、２０を用いて、３つの位相モーター１４の３つの巻線のうちの２つのモーター巻線を流れる電流を感知する。電流感知要素の一例は、これらに限定されないが、電流感知抵抗器、又はホール効果センサ、又は任意の他の適当な感知要素とし得る。

図示された検出システム１０は、感知要素１８、２０を用いてライン１５、１７に接続された巻線におけるそれぞれの電流を感知（監視）し、それぞれの導電ライン２６、２８上に電流信号を出力するためのインラインセンサ２２、２４を有する。センサ２２、２４は、適切な電気接続３０、３２、３４、３６によって、感知要素１８、２０の反対の端部に電気的に結合される。図示の構成では、インラインセンサ２２、２４の数（２）は、モーター１４の位相数（３）よりも１少ない。しかしながら、この説明は、図面に示されこの詳細な説明に記載されるシステム及びデバイスに限定されない。概して、Ｎ位相モーターの場合、とりわけ、駆動システムが適切なアース漏れ絶縁又は保護を有する場合には、Ｎ－１以下の電流センサしか必要とされない可能性がある。概して、Ｎ位相モーターでは、駆動システムがアース漏れ絶縁又は保護を有していないか、或いは、各モーター位相巻線が位相巻線間の電気接続なしに独立している場合に、Ｎ電流センサが必要とされることがある。

また、図２に図示するように、検出システム１０は、ライン２６、２８上の電流信号を受け取り、対応する二乗平均平方根（ＲＭＳ）信号を導電ライン４２、４４上に出力するためのＲＭＳ計算回路３８、４０を有する。ＲＭＳ計算機回路３８、４０は、感知された巻線電流のそれぞれのＲＭＳ値（Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}）を計算する。ＲＭＳ信号は、それぞれのセンサ要素１８、２０及びセンサ２２、２４によってライン１５、１７に接続された巻線内で検知されたそれぞれの負荷電流Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}に対応する。

ＲＭＳ計算器回路３８、４０に続いて、第１の乗算器及び相殺器回路５４、５６が、それぞれのＲＭＳ値に基づいて第１の差分信号（その値はＩ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２に対応する）を生成するために設けられ、第２の乗算器及び相殺器回路５８、６０が、それぞれのＲＭＳ値に基づいて第２の差分信号（その値はＩ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２に対応する）を生成するために設けられる。

図示した例において、Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}は、モーター駆動システム１２のための定格の名目モーター電流である。Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}は、温度が無限時間まで過剰温度（ＯＴ）閾値に達しないモーター電流である。モーター駆動システム１２が名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}未満を引きだすと、モーター駆動システム１２は、Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}の定格電流に対応する定格温度より低い温度まで冷却される。したがって、第２の差分値（Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２）を計算することによって冷却曲線が生成され、これらが、適切な積分器回路６２、６４において、時間積分ベースで第１の差分値（Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２）から減算される。以下のより詳細で説明するように、乗算器及び相殺器回路５４、５６、５８、６０は適切な演算増幅器を含み得る。

図示の構成では、積分回路６２、６４は差分信号を受信し、時間積分信号を生成する。積分信号をライン７０上の参照信号と比較するためにコンパレータ回路６６、６８が設けられている。ライン７０上の参照信号は、所定の固定Ｉ^２ｔ参照値に対応し得るか、或いは、以下により詳細に記載されるように、ライン７０上の参照信号は、周囲温度の関数として変化する可変Ｉ^２ｔ Ｒｅｆ＿ｃｏｍｐ値に対応し得る。そのため、検出システム１０は、ライン８０上に第１の信号を生成するための第１の信号生成回路２２、３８、５４、５８、６２を有する。（ライン８０上の）第１の信号は、第１のモーター巻線（ライン１５に関連するＩ_{Ｐ，ＲＭＳ}）における電流と、参照電流（Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}）と、持続時間（ｔ）とに機能的に関連する。また、検出システム１０は、第１の信号生成回路２２、３８、５４、５８、６２に結合され、第１の信号を参照信号Ｉ^２ｔ Ｒｅｆ＿ｃｏｍｐと比較し、それによって第１のモーター巻線における過温度条件を検出するための第１のコンパレータ回路６６を有する。また、検出システム１０は、ライン８２上に第２の信号を生成するための第２の信号生成回路２４、４０、５６、６０、６４を有する。（ライン８２上の）第２の信号は、第２のモーター巻線（ライン１７に関連するＩ_ＰＲＭＳ）における電流と、参照電流（Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}）と、持続時間（ｔ）とに機能的に関連する。また、検出システム１０は、第２の信号生成回路２４、４０、５６、６０、６４に結合され、第２の信号を参照信号Ｉ^２ｔ Ｒｅｆ＿ｃｏｍｐと比較し、それによって第２のモーター巻線における過温度条件を検出する第２のコンパレータ回路６８を有する。

図２に図示するように、例えば、差分信号は、乗算器及び相殺器回路５４、５６、５８、６０から出力され得、導電ライン７２、７４、７６、７８上のそれぞれの積分器回路６２、６４に入力され得、時間積分信号は、それぞれの積分器回路６２、６４から出力され得、他の導電ライン８０、８２上のそれぞれのコンパレータ回路６６、６８に入力され得る。

動作において、コンパレータ回路６６、６８の一方（又は両方）は、それぞれの積分信号の値がＩ^２ｔ参照信号（又は可変Ｉ^２ｔ Ｒｅｆ_ｃｏｍｐ値）の値を超えるときはいつでも、それぞれの導電ライン８４、８６上にＯＴ欠陥信号を発行する。コンパレータ回路６６、６８からの出力はノード９０でマージされて、コンパレータ回路６６、６８の少なくとも一方がＯＴ欠陥信号を出すときはいつでも、導電ライン９２上でＯＴ条件警告信号が生成される。所望である場合、導電ライン９２は、ＯＴ条件があることをオペレータに警告するために適切なオペレータインタフェース（図示せず）に動作可能に接続される。或いは、導電ライン９２は、例えば、モーター駆動システム１２を電源（図示せず）から切り離すことによって、自動的に矯正動作を行うために、適切な電気的又は機械的コントローラ（図示せず）に動作可能に接続され得る。

図３に図示するように、巻線のうちの一巻線の負荷電流Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}が名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}より量ｘだけ連続的に大きいとき、それぞれの積分器回路６２、６４からの出力信号によって表される積分値［（Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２）×ｔ］は、時間とともに増加する。以下でより詳細に説明するように、ライン１５、１７に接続されたモーター巻線が、ｔ_ＯＴより長い時間期間にわたって負荷電流Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}で動作したとき、それぞれの積分器回路６２、６４によって生成される出力信号は、Ｉ^２ｔ参照信号を量ｙだけ超え、これにより、マージされた導電ライン９２上にＯＴ条件警告信号が生成される。

実際のモーター電流が名目電流より大きいとき、それぞれのモーター巻線が加熱される。負荷電流Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}が名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}より比較的少量だけ大きいとき、検出システム１０がＯＴ条件警告信号を生成するのにかかる時間量ｔ_ＯＴは比較的長い。負荷電流Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}が名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}より比較的大量に大きいとき、検出システム１０がＯＴ条件警告信号を生成するのにかかる時間量ｔ_ＯＴは、対応して短い。負荷電流Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ}が常に、ライン１５、１７に接続された巻線（図３には示されていない条件）の全てにおける名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}より小さいとき、図示された検出システム１０はＯＴ条件警告信号を生成しない。

本明細書の一態様によれば、名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}のための適切な値は、モーター駆動システム１２に取り付けることができる製造業者のネームプレート（図示せず）上に設けられた情報から得ることができる。ネームプレートが、例えば、モーター駆動システム１２が２Ａ巻線電流（周囲温度２５℃まで規定される）を搬送するように構成され、モーター巻線が無限時間（定常状態温度）で定格温度（例えば、１００℃）まで加熱されることを示す場合、Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}＝２Ａである。これは、ライン１５、１７に接続されたモーター巻線が２５℃の周囲温度で各々２Ａを連続的に搬送し得ることを意味し得る。しかしながら、本記載は、本記載の非限定的な例を特徴付けることを意図する本明細書に記載される構成及び数値値に限定されない。

図４は検出システム１０の一部の回路レベル実装を図示しており、ライン１５に接続された第１の巻線において検知された電流と等価な電圧は、Ｉ_Ｐで利用可能であり、適切な抵抗器１０４を介して第１の演算増幅器１０２の非反転入力１００に供給される。信号Ｉ_Ｐは、図２の信号出力ライン２６における第１のインラインセンサ２２の出力における等価信号である。モーター巻線は、交流（バイポーラ）電流を搬送し得る。交流を感知している間、センサ２２の出力は、通常、バイポーラである（正と負の両方の極性を有する）。センサ回路及び更なる回路をよりシンプルにするために、単極出力を用いて、演算増幅器を単極電力供給ＶＣＣ参照信号接地で動作させることができるようにしてもよい。これを達成するために、センサ２２、２４の出力は電圧ＶＣＣ／２（ここでは図示せず）によってレベルシフトされ、レベルシフトされた信号は図２のライン２６、２８で利用可能である。信号Ｉ_Ｐ（図４）は、図２のライン１５、１７に接続されたモーター巻線に流れる電流に等しい、図２のライン２６（又はライン２８）で利用可能な（ＶＣＣ／２だけ）レベルシフトされた電圧信号である。巻線電流がゼロであるとき、対応するＩ_Ｐ信号電圧はＶＣＣ／２であり、巻線電流が正である（電流がモーター巻線に流れる）とき、対応するＩ_Ｐ信号電圧はＶＣＣ／２より大きく、巻線電流が負である（電流がモーター巻線の外に流れる）とき、対応するＩ_Ｐ信号電圧はＶＣＣ／２より小さい。演算増幅器１０２は、第１のＲＭＳ計算器３８（図２）の一要素である。第１の演算増幅器１０２の出力は、適切なダイオード１０６を介して送信され、適切な抵抗器１１１を介して演算増幅器１０２の反転入力１０８に供給され、抵抗器１１１及び適切なコンデンサ１１２によって接地に結合され、抵抗器１１１及び別の適切な抵抗器１１８を介して第２の演算増幅器１１６の非反転入力１１４に供給され、抵抗器１１１、１１８、及び別の適切な抵抗器１２０によって接地に結合される、導電ライン１０１（図４）上で利用可能である。

そのため、図４に図示される回路はピーク検出器を含み、ピーク検出器は、第１の演算増幅器１０２、ダイオード１０６、及び関連する抵抗器１１１及びコンデンサ１１２を含むが、これらに限定されない。動作において、ピーク検出器は、第１の電流センサ２２（図２）の出力のピークを追跡する。一方、第２の演算増幅器１１６は、第１の差分値（Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２）を近似的に計算することによってモーター巻線加熱を計算する。近似は、例えば、適切な範囲（これはＩ_ＰからＩ_Ｎまでであり得る）にわたって１．２Ｖ／Ｖのオペアンプ利得を用いて達成され得る。しかしながら、上述したように、本記載は、本明細書に記載された構成及び数値値に限定されない。導電ライン１２８上の加熱増幅器回路の出力は、積分器／第３の演算増幅器１４０の非反転入力１３０に接続される。

名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}と等価な（ＶＣＣ／２だけ）レベルシフトされた電圧ＩＮＯＭが、導電ライン１２２上で、適切な抵抗器１２６を介して第２の演算増幅器１１６の反転入力１２４に印加される。第２の演算増幅器１１６の出力は、導電ライン１２８上で、適切な抵抗器１４２を介して第３の演算増幅器１４０の非反転入力１３０に、別の適切な抵抗器１４４を介して第２の演算増幅器１１６の反転入力１２４に印加される。動作において、第１のＲＭＳ計算器回路３８（図２）及び図２の差分値（Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２）計算器５４は、（ピーク検出器として動作する）第１の演算増幅器１０２（図４）及び（利得段として動作する）第２の演算増幅器１１６を含む。第３の演算増幅器１４０の非反転入力１３０は、適切なコンデンサ１４５を介して接地に電気的に結合される。

ダイオード１０６を介して送信される電流信号は、抵抗器１１１及び別の適切な抵抗器１５０を介して第４の演算増幅器１４８の反転入力１４６にも供給される。名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}と等価の（ＶＣＣ／２だけ）レベルシフトされた電圧ＩＮＯＭは、導電ライン１２２上で、適切な抵抗器１５４を介して第４の演算増幅器１４８の非反転入力１５２に印加され、抵抗器１５４及び別の適切な抵抗器１５６を介して接地に電気的に結合される。導電ライン１５８上の第４の演算増幅器１４８の出力は、適切な抵抗器１６２、１６４を介して第３の演算増幅器１４０の反転入力１６０に、及び、適切な抵抗器１６６を介して第４の演算増幅器１４８の反転入力１４６に印加される。

動作において、モーター電流が名目電流より小さいとき、それぞれのモーター巻線は、Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}の定格電流に対応する定格温度より低い温度まで冷却される。第４の演算増幅器１４８は、第２の差分値（Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ} ^２－Ｉ_{Ｐ，ＲＭＳ} ^２）を近似的に計算することによって冷却を計算する。近似は、例えば、適切な範囲（これは、Ｉ_ＮからＩ_Ｐまでとし得る）にわたって０．４８Ｖ／Ｖのオペアンプ利得を用いることによって達成され得る。冷却増幅器回路のライン１５８上の出力は、積分器／第３の演算増幅器１４０の反転入力１６０に接続される。

所望である場合、積分器ＲＣ回路の時定数は、名目Ｉ^２ｔ値の値に基づいて調整され得る。その目的のため、コンデンサ１４５と抵抗器１４２、及びコンデンサ１７０と抵抗器１６４が、ＲＣ時定数を形成する。コンデンサ１４５、１７０の静電容量Ｃは互いに等しくてもよく、抵抗器１４２、１６４の抵抗Ｒは互いに等しくてもよく、その場合、積分器利得はｌ／ＲＣと等しい。一方、抵抗器１７２は、異常モーター電流が名目電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}よりも大きい場合に異常動作が起こるまでの長い時間、モーター電流が定格電流Ｉ_{Ｎ，ＲＭＳ}よりも小さいときに、モーター予熱を模倣するために、ライン３１４上でＦＢ信号を受信する。

第３の演算増幅器１４０の出力は、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）１６８のベースに結合されている。ＢＪＴトランジスタ１６８のコレクタは、コンデンサ１７０を介して第３の演算増幅器１４０の反転入力１６０に結合される。コンデンサ１７０は、抵抗器ネットワーク１７２、１６４に並列に接続される。トランジスタ１６８のエミッタは、適切な抵抗器１７４を介して接地に電気的に結合される。

ＢＪＴトランジスタ１６８のコレクタは、適切なＭＯＳＦＥＴ１９４及び導電ライン８０を介して、第５の演算増幅器（例えば、第１のコンパレータ）６６の反転入力１９０にも結合される。ＭＯＳＦＥＴ１９４は、適切な抵抗器１９６及び適切なコンデンサ１９８によって電力供給ＶＣＣに結合される。第５の演算増幅器／第１のコンパレータ６６の非反転入力２００は、導電ライン７０上の可変参照信号Ｉ^２ｔ Ｒｅｆ_ｃｏｍｐ（又は固定参照信号Ｉ^２ｔ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を受け取る。反転入力１９０に印加された信号が参照信号より大きいとき、コンパレータ回路６６はライン８４上にＯＴ欠陥信号を生成する。ＯＴ欠陥信号が、適切な抵抗器２０２及び導電ライン８４を介して送信され、導電ライン８４は、適切なコンデンサ２０４を介して接地に結合される。所望な場合、（第３の演算増幅器１４０の出力における）ＢＪＴ１６８及び（第５の演算増幅器６６に関連する）ＭＯＳＦＥＴ１９４を用いて、積分器コンデンサ１７０が、電力供給欠陥の事象において放電しないが、検出システム１０における電荷を維持し、それによって、それが放散するまでモーター保持熱と同様の容量性保持電荷効果を確実にし得る。要素１７０、１７２、１６４で構成されるＲＣ回路の値は、この回路のＲＣ時定数がモーターの冷却時定数と等価になるように選択される。

動作において、第２及び第３の演算増幅器１１６、１４０の利得は、巻線電流Ｉ_Ｐの近傍における二乗回路の線形近似を得るために共に調節される。そのため、第１、第２、及び第３の演算増幅器１０２、１１６、１４０は、第１の差分信号に対して、所望のＲＭＳ及び二乗関数を実装するように、連携して動作する。第２の演算増幅器１１６は、第１の差演算回路５４（図２）の一要素であり、第４の演算増幅器１４８（図４）は、対応する第２の差演算回路５８の一要素である。

以上の記載では、モーター駆動システム１２は電流＝Ｉ_Ｐで始まり、モーター駆動システム開始時の初期温度は周囲温度に等しいと仮定していた。しかしながら、モーター駆動システム１２が長時間、定格電流よりわずかに少ない電流で動作していて、その後、突然異常な条件が生じてモーター電流が名目電流より大きくなる場合、過熱が始まる初期温度は周囲温度ではなく、ＯＴ閾値に近く、従って、ＯＴ閾値に到達する時間は短い。一方、モーター駆動システム１２が長時間、定格電流よりもはるかに低い電流で動作していた場合、初期温度は周囲温度に近く、ＯＴ閾値に到達するのに必要な時間はより長くなる。

上述の状況に対処するために、図４に図示される回路は、負荷電流Ｉ_Ｐが名目電流Ｉ_Ｎより小さいときに積分器回路１４０における初期条件を設定するための適切な抵抗器３０４、３０６、３０８、３１０、３１２に結合される、第６及び第７の演算増幅器３００、３０２も有し得る。特に、（抵抗器１７２、１６２、１６４に電気的に接続される）ライン３１４上の信号ＦＢは、負荷電流Ｉ_Ｐが名目電流Ｉ_Ｎより低いときに積分器回路１４０における初期条件を設定するために生成される。動作において、ＶＩＰＥＡＫ信号が、ライン３１６上で、抵抗器３０４を介して第６の演算増幅器３００の非反転入力に印加される。第６の演算増幅器３００の非反転入力は、抵抗器３１０を介して接地に結合される。一方、フィードバック抵抗器３０８を有する第６の演算増幅器３００の反転入力には、抵抗器３０６を介してＶＣＣ／２信号が印加される。

第６の演算増幅器３００の出力は、第７の演算増幅器３０２の非反転入力に印加され、ＶＩＮＴ信号が、ライン８０上で、第７の演算増幅器３０２の反転入力に印加される。ＶＩＮＴ信号は、演算増幅器６６の反転入力に印加される信号と同じである。第７の演算増幅器３０２の出力は、抵抗器３１２及びＭＯＳＦＥＴ３１６に印加されて、導電ライン３１４上にＦＢ信号を生成する。演算増幅器３００は、ＶＩＰＥＡＫからＶＣＣ／２を引いた信号が生成される差分増幅器である。上記の例を参照すると、ＶＣＣ／２電圧信号はゼロ電流に対応し、したがって、演算増幅器３００の出力は、適切な利得を有する巻線電流Ｉ_Ｐ又はＩ_{Ｐ，ＲＭＳ}のピーク値に等価の電圧と考えることができる。演算増幅器３０２はコンパレータとして構成される。演算増幅器３０２の非反転入力が、演算増幅器３０２の反転入力におけるＶＩＮＴ信号より大きいとき、演算増幅器３０２の出力は高く（ＶＣＣに等しく）なり、ＭＯＳＦＥＴ３１６はオンになり、ＦＢ電圧がゼロボルトにほぼ等しくなるようにする。Ｉ_Ｐ，_ＲＭＳがＩ_{Ｎ，ＲＭＳ}より小さいとき、ライン１２８における第２の増幅器１１６の出力はゼロボルトであり、ＭＯＳＦＥＴ３１６をオンすることによってＦＢ信号が接地までプルされるとき、ライン８０におけるＶＩＮＴ信号は一定のままである。

所望である場合、少なくとも第２、第３、第４、及び第５の演算増幅器１１６、１４０、１４８、６６を単一チップ上又は単一チップ内に形成してもよい。また、所望である場合、少なくとも第２、第３、第４、第５、第６、及び第７の演算増幅器１１６、１４０、１４８、６６、３００、３０２を単一チップ上又は単一チップ内に形成してもよい。

図４に図示されたシステムは、ＲＭＳ計算器、二乗回路、積分器、及びコンパレータを実装するため、及び、ライン８４上にＯＴ欠陥信号を生成することによってライン１５（図２）に接続された第１の巻線におけるＯＴ条件に応答するための、複数の段階を有する。ライン８６上にＯＴ欠陥信号を生成することによってライン１７に接続された第２の巻線におけるＯＴ条件に応答するために、別の回路（図示されていないが、本質的には図４に図示するシステムと同じ）が、ライン１７（図２）及び出力ノード９０に接続された第２の巻線に結合され得る。

図５は、導電ライン７０上に可変（補償された）参照信号Ｉ^２ｔ Ｒｅｆ_ｃｏｍｐを生成するための補償回路６９のブロック図である。補償された参照信号の値は、周囲温度の関数として変化し、一方、固定Ｉ^２ｔ参照信号の値は、所与の作業環境におけるモーター駆動システム１２に対して一定とし得る。図５に図示されている補償回路６９は、周囲温度の関数として可変参照信号を生成する。

図５に図示されるように、一つ又はそれ以上のアナログ温度センサ４０２が、周囲温度を表すライン４０４上の温度信号を生成するために設けられ得、温度信号に対応するライン４０８上のスケーリング信号を生成するためのスケーリング回路４０６が設けられ得る。補償回路４１０が、スケーリング信号を固定Ｉ^２ｔ参照信号に印加し、それによって、ライン７０上に補償された参照信号を生成する。図示の構成では、補償回路４１０は、Ｉ^２ｔ参照信号にスケーリング信号を加算又はＩ^２ｔ参照信号からスケーリング信号を減算する。

概して、一つ又は複数の周囲温度センサ４０２によって感知される周囲温度が増大すると、ライン７０上の補償された参照信号の値が減少し、逆もまた同様である。その結果、周囲温度が増大すると、ＯＴ警告条件を生成させるライン８０（図２）上の負荷電流に基づく信号が低減し、逆もまた同様である。「周囲温度」という用語は、ライン１５、１７に電気的に接続されたモーター巻線によって生成される熱の影響を受けない場所における、モーター駆動システム１２の近傍における温度を意味する。センサ４０２の配置は、所望である場合、いかなる複雑なアッセンブリ要件もなしに成され得る。比較的複雑でない低コストセンサをこのような目的に用いることができる。

モーター巻線過剰温度条件を検出するためのハードウェア実装に関与する本明細書に記載されるデバイス及び方法は多くの利点を有する。こういった回路アーキテクチャは、よく理解され容易に利用可能な増幅器及びコンパレータに基づき得、従って、実装が容易であり得る。それらは、巻線過剰温度の間接的な判定に関与し、従って、巻線の温度を直接測定するために構成された温度センサを必要としない。

検出システム１０は、複雑ではないアナログチップアーキテクチャを有し得、別個の印刷回路基板（ＰＣＢ）を必要としない。システム１０は、好都合にも、モーター駆動システム１２が何ら複雑なアッセンブリ要件なしにサポートされているものと同じＰＣＢ上に実装され得、センサ２２、２４はインライン構成で構成され得るので、消費する空間がより少なくなり得る。これらの特徴の結果として、図示されたシステムは、既知のシステムと比較して低減されたコストで生成され得、それでも所望の精度を有する。また、こういった解決策アーキテクチャは、比較的一般的な演算増幅器を採用し得るので、集積度を向上させることができる。

本明細書に記載されるシステム１０の別の利点は、老朽化によって悪影響を受けないことである。これとは対照的に、直接温度センサを備える既知のデバイスは、センサの転位などの経時的問題を起こしやすく、不適切又は非実用的なメンテナンスを受けることになる。

上述で説明したものは例である。この記載は、添付の特許請求の範囲を含む本願の範囲内にある、本明細書に記載される主題に対する変更、変形、及び変動を包含することが意図される。用語「～を含む」は、～を含むことを意味するが、それに限定されない。また、用語「～に基づく」は、「～に部分的に基づく」ことを意味する。また、用語「或る」、「第１の」、又は「別の」要素は、一つ又は複数のそのような要素を含み、２つ又はそれ以上のそのような要素を必要とせず、排除もしない。

Claims (20)

1. ハードウェアベースの検出システムであって、
   第１のモーター巻線における電流と、参照電流と、持続時間とに機能的に関連する第１の信号を生成するための第１の信号生成回路、及び
   前記第１の信号生成回路に結合され、前記第１の信号を前記参照信号と比較し、それによって前記第１のモーター巻線における過剰温度条件を検出するための第１のコンパレータ回路、
   を含む、検出システム。
2. 請求項１に記載の検出システムであって、前記第１の信号生成回路が積分器回路を含み、前記第１の信号が、前記持続時間にわたって積分されたもの（前記第１のモーター巻線の電流の二乗から前記参照電流の二乗を引いたもの）に機能的に関連している、検出システム。
3. 請求項２に記載の検出システムであって、前記第１のモーター巻線における前記電流を表す電流信号を生成するための第１のセンサを更に含む、検出システム。
4. 請求項３に記載の検出システムであって、前記第１のセンサに結合され、前記電流信号に基づいてＲＭＳ信号を生成するためのＲＭＳ計算器回路を更に含む、検出システム。
5. 請求項４に記載の検出システムであって、前記第１の信号を生成するために、前記ＲＭＳ計算機回路及び前記第１のコンパレータ回路に結合される演算増幅器を更に含む、検出システム。
6. 請求項１に記載の検出システムであって、
   第２のモーター巻線における電流と、前記参照電流と、前記持続時間とに機能的に関連する第２の信号を生成するための第２の信号生成回路、
   前記第２の信号生成回路に結合され、前記第２の信号を前記参照信号と比較し、それによって前記第２のモーター巻線の過剰温度条件を検出するための第２のコンパレータ回路、
   を更に含む、検出システム。
7. 請求項６に記載の検出システムであって、前記第２の信号生成回路が積分器回路を含み、前記第２の信号が、前記持続時間にわたって積分されたもの（前記第２のモーター巻線電流の二乗から前記参照電流の二乗を引いたもの）に機能的に関連している、検出システム。
8. 請求項７に記載の検出システムであって、冷却を考慮するために演算増幅器を含む回路であって、前記第１のモーター巻線における電流が名目電流より小さいときに前記検出システムにおける初期条件を設定するための、前記回路を更に含む、検出システム。
9. 請求項１に記載の検出システムであって、前記参照信号が可変参照信号を含み、前記検出システムが、周囲温度の関数として前記可変参照信号を生成するための補償回路を含む、検出システム。
10. 請求項９に記載の検出システムであって、前記第１の信号生成回路が積分器回路を含み、前記第１の信号が、前記持続時間にわたって積分されたもの（モーター巻線電流の二乗から参照電流の二乗を引いたもの）に機能的に関連している、検出システム。
11. 請求項１０に記載の検出システムであって、前記第１のモーター巻線における電流を表す電流信号を生成するためのセンサを更に含む、検出システム。
12. システムであって、
    第１のモーター巻線の電流を検知するための第１のセンサ、及び
    ハードウェアベースの検出システム、
    を含み、
    前記ハードウェアベースの検出システムが、
    前記第１のセンサによって感知される電流と、参照電流と、持続時間とに機能的に関連する信号を生成するための第１の信号生成回路と、
    前記第１の信号生成回路に結合され、前記信号を前記参照信号と比較し、それによって前記第１のモーター巻線の過剰温度条件を検出するための第１のコンパレータ回路と、
    を含む、
    システム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、前記第１のセンサが、前記第１のモーター巻線における前記電流を感知するためのインライン電流センサである、システム。
14. 請求項１２に記載のシステムであって、前記第１のモーター巻線における電流と、前記参照電流と、前記持続時間とに機能的に関連する前記信号を生成するために、前記第１のコンパレータ回路に結合される演算増幅器を更に含む、システム。
15. 請求項１２に記載のシステムであって、
    第２のモーター巻線における電流を検知するための第２のセンサ、
    前記第２のセンサによって感知される電流と、前記参照電流と、前記持続時間とに機能的に関連する第２の信号を生成するための第２の信号生成回路、及び
    前記第２の信号生成回路に結合され、前記第２の信号を前記参照信号と比較し、それによって前記第２のモーター巻線における過剰温度条件を検出するための第２のコンパレータ回路、
    を更に含む、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、前記第１の信号生成回路が、冷却を考慮するための差分信号を生成するため、及び、前記第１のモーター巻線における電流が名目電流より小さいときに前記システムにおける初期条件を設定するための、一つ又は複数の回路を含む、システム。
17. ハードウェアベースの検出システムを動作させる方法であって、
    信号生成回路に、モーター巻線における電流と、参照電流と、持続時間とに機能的に関連した信号を生成させること、
    前記信号生成回路に結合されるコンパレータ回路に、前記信号を前記参照信号と比較させ、それによって前記モーター巻線における過剰温度条件を検出させること、
    を含む、方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記モーター巻線における前記電流を検知することを更に含む、方法。
19. 請求項１７に記載の方法であって、前記参照信号を周囲温度の関数として変化させる補償回路を更に含む、方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、電力供給が失われている間、前記検出システムにおける電荷を維持するためにトランジスタを用いることを更に含む、方法。

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