JP4483298B2

JP4483298B2 - モータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置

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Publication number: JP4483298B2
Application number: JP2004005337A
Authority: JP
Inventors: 春浩江
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: JP2005204358A

Description

本発明は、モータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置に関し、特に、演算処理が容易で、モータが回転中でもモータコイルの温度を推定できるモータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置に関するものである。

自動車のハンドルを軽く操作できるようにモータの回転力で補助力を付与する電動パワーステアリング装置が良く用いられる。この電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助力を付与するようになっている。このような電動パワーステアリング装置の構成例を図６に示す。

図６において、操向ハンドル１０１の軸１０２は減速ギア１０３、ユニバーサルジョイント１０４ａ及び１０４ｂ，ピニオンラック機構１０５を経て操向車輪のタイロッド１０６に結合されている。軸１０２には、操向ハンドル１０１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１１０が設けられており、操向ハンドル１０１の操舵力を補助するモータ１２０が減速ギア１０３を介して軸１０２に結合されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット１３０には、バッテリ１１４からイグニションキー１１１を経て電力が供給され、コントロールユニット１３０は、トルクセンサ１１０で検出された操舵トルクＴと車速センサ１１２で検出された車速Ｖとに基いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉｒｅｆの演算を行ない、演算された操舵補助指令値Ｉｒｅｆに基いてモータ１２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット１３０は主としてＣＰＵで構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図７のようになる。尚、コントロールユニット１３０をＣＰＵで構成せず、各機能要素を独立のハードウェアで構成することも可能である。

ここで、コントロールユニット１３０の一般的な機能及び動作を説明する。トルクセンサ１１０で検出されて入力される操舵トルクＴは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器１３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器１３２に入力される。又、車速センサ１１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器１３２に入力される。操舵補助指令値演算器１３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基いてモータ１２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉｒｅｆを決定し、操舵補助指令値演算器１３２に入力される。操舵補助指令値演算器１３２の中のメモリには車速Ｖをパラメータとして操舵トルクに対応する操舵補助指令値Ｉｒｅｆを格納しており、操舵補助指令値演算器１３２による操舵補助指令値Ｉｒｅｆの演算に使用される。

操舵補助指令値Ｉｒｅｆは減算器１３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器１３４に入力され、減算器１３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器１３５に入力され、その比例出力は加算器１３０Ｂに入力されると共にフィードバック系の特性を改善するための積分演算器１３６に入力される。微分補償器１３４及び積分補償器１３６の出力も加算器１３０Ｂに加算入力され、加算器１３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路１３７に入力される。モータ１２０のモータ電流ｉはモータ電流検出回路１３８で検出され、モータ電流ｉは減算器１３０Ａに入力されてフィードバックされる。

このような電動パワーステアリング装置において、据え切り状態でハンドルの端当てロック状態が長時間保持されたり、長時間の車庫入れによる切り返し操作が繰り返えされたりすると、モータ１２０、即ちモータ１２０のコイルに大電流が連続して流れ、モータコイルが発熱して高温にさらされることになる。モータコイルは、高温、例えば１８０℃以上の高温になると、モータコイルの破損やモータマグネットの減磁などの問題が発生する。そのため、モータコイルが、かかる高温に至らないようにモータコイルの温度を測定して、モータコイルに通電する電流を制限するなどの保護制御を実行する必要がある。

しかし、モータコイルの温度を直接測定することは困難であり、そこで種々の方法によってモータコイルの温度を推定する方式を取っている。例えば、特許文献１では、コスト低減のため温度センサを用いずに、物理的な熱モデルを構築してモータコイルの温度を推定している。しかし、物理的な熱モデルを構築するために、非線形要素を考慮する必要があり、アルゴリズムが複雑になり、演算処理に時間が要する問題がある。

また、特許文献２においては、モータコイルの抵抗値から発熱量を計算し、モータ温度を推定している。しかし、モータが回転している状態では、逆起電圧の影響でモータコイルの抵抗値の計算が困難なために、モータが停止している状態でしか温度を推定することができない。
特開平６−１５３３８１号公報特開平１０−１００９１３号公報

従来のモータコイルの温度推定方法では、物理的な熱モデルを構築するために、非線形要素を考慮する必要があり、アルゴリズムが複雑になり、演算処理に時間が要する問題や、モータが回転している状態では、逆起電圧の影響でモータコイルの抵抗値の計算が困難なために、モータの回転が停止している状態でしか温度を推定することができないという問題が存在した。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、演算処理の時間が簡単で、モータが回転していても正しくモータコイルの温度を推定することができるモータコイル温度推定方法及びそれを用いたモータ駆動装置を提供することにある。

本発明は、モータコイル温度推定方法に関するものであり、本発明の上記目的は、モータのコイルに通電される電流ｉの自乗値ｉ^２を通電した時間に亘り積算した後に平均化して得られた値を第１の一次遅れ関数に入力し、さらに前記第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ΔＴとし、前記コイルの周囲温度Ｔａに前記温度変化値ΔＴを加算した値（Ｔａ＋ΔＴ）を前記コイルの温度とすることによって達成される。さらに、本発明の上記目的は、前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃの最大値を前記電流ｉとすることによって達成される。さらに、本発明の上記目的は、前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを前記電流ｉとして、それぞれ算出した前記各相のコイルの温度変化値ΔＴａ、ΔＴｂ、ΔＴｃの最大値を前記温度変化値ΔＴとすることによって達成される。

本発明は、モータコイル駆動装置に関するものであり、本発明の上記目的は、モータのコイルに通電される電流ｉの自乗値ｉ^２を通電した時間に亘り積算した後に平均化して得られた値を算出する積算平均化手段と、前記積算平均化手段の出力を入力とする第１の一次遅れ関数手段と、前記第１の一次遅れ関数手段の出力を入力とする第２の一次遅れ関数手段と、第１の一次遅れ関数手段の出力と第２の遅れ関数手段の出力とを加算する加算手段とを備え、前記加算手段の出力ΔＴと前記コイルの周囲温度Ｔａとを加算した値（Ｔａ＋ΔＴ）を前記コイルの温度と推定することによって達成される。さらに、本発明の目的は、前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃの最大値を前記電流ｉとする最大値検出手段を備えたことによってさらに効果的に達成される。さらに、本発明の目的は、前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを前記電流ｉとして、それぞれ算出した前記各相のコイルの温度変化値ΔＴａ、ΔＴｂ、ΔＴｃの最大値を前記温度変化値ΔＴとする最大値検出手段ことによってさらに効果的に達成される。

本発明のモータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置を用いれば、モータコイルに通電する電流値を検出し、その電流を自乗積算して平均化した後に、１次遅れ関数を２度通過させるだけなので、演算処理が非常に簡単で、モータコイルの温度推定の演算が短時間に処理可能であり、また、モータ回転中の通電電流を検出してもモータコイルの温度推定が可能なので、モータが回転していてもモータコイルの温度推定が可能なモータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置を提供できる。

本発明の基本的な考え方は、モータの発熱はモータコイルに通電する電流ｉの２乗値ｉ^２の積算値に比例する関係にある。一方、モータコイルの放熱（冷却）の影響を受けるモータコイルの温度変化（温度上昇、又は温度降下）は、モータの周囲温度、モータ材質、モータの形状、モータの質量等と深い関係にあり、その温度変化を物理的なモデルで表現することは、非常に困難であり、また、その物理的なモデルの演算処理も長時間を要する問題がある。そこで、本発明では、実用上の適用温度範囲（−４０℃〜１８０℃）において、その温度変化が一次遅れ関数の関係にあることに着目して、簡単な一次遅れ関数の数式モデルを適用して、２つの一次遅れ関数を使用してモータコイル温度モデルを構成することにした。

上記の考えを具体化した実施例を図１および図２を参照して説明する。

まず、実施例の構成について説明する。図１は本発明の一実施例であるモータコイルの温度推定に関するモータ駆動装置の制御ブロック図である。モータコイルに通電される電流ｉは電流検出回路１３８で検出される。図１において、検出された電流ｉは２乗積算部１−１に入力され、（数１）の式に示すように、自乗された値ｉ^２を通電した時間（ｔ１からｔ２まで）に亘り積算（積分）される。

ここで、ｔ１、ｔ２は電流ｉが時間ｔ１から時間ｔ２の間通電されていることを示す。

２乗積算部１−１の出力である積分量wは平均部１−２に入力されて区間（ｔ２−ｔ１）において平均化される。なお、２乗積算部１−１と平均部１−２とで積算平均化手段を構成する。

次に、平均部１−２の出力である平均値ｗｍは、１次遅れ関数部２−１（関数＝（１／（１＋Ｔ１・ｓ））に入力され、さらに、その出力はゲイン部２−２（ゲインＫ１）に入力され、中間値ｙが出力される。なお、１次遅れ関数部２−１とゲイン部２−２とで第１の遅れ関数手段を構成する。

次に、中間値ｙは、加算部４および１次遅れ関数部３−１（関数＝（１／（１＋Ｔ２・ｓ））に入力される。さらに、１次遅れ関数部３−１の出力はゲイン部３−２（ゲインＫ２）に入力され、中間値ｚがゲイン部３−２の出力となる。なお、１次遅れ関数部３−１とゲイン部３−２とで第２の遅れ関数手段を構成する。

次に、中間値Ｚと、前述したゲイン部２−２の出力ｙとが加算手段である加算部４に入力され、加算されて、温度変化値ΔＴ（＝ｙ＋ｚ）が加算部４の出力として算出される。

一方、図２に示すように、周囲温度Ｔａは本実施例の場合、モータコイル２０の近くに設置された温度センサ２２によって実測される。最後に、このモータコイルの周囲温度Ｔａと温度変化値ΔＴとが加算部５入力され、加算部５の出力である（Ｔａ＋ΔＴ）がモータコイルの温度の推定値として出力される。

このように構成された実施例の動作について説明する。モータコイル２０の検出電流ｉが２乗積算部１−１に入力され、数１の演算がなされ、積分量ｗが出力され、その積分量ｗは平均部１−２に入力され区間（ｔ２−ｔ１）で平均化されて平均値ｗｍとして出力される。この演算は、モータコイル２０の発熱量はモータコイル２０に通電された電流ｉの２乗値に比例することに基いたものである。

次に、その平均値ｗｍは１次遅れ関数部２−１に入力された後にゲイン部２−２に入力され、中間値ｙがゲイン部２−２から出力される。さらに、中間値ｙは１次遅れ関数部３−１に入力され、１次遅れ関数部３−１の出力がゲイン部３−２に入力され、中間値Ｚが出力される。この中間値ｚと中間値ｙとが加算部４に入力され、その加算結果である（ｚ＋ｙ）が温度変化値ΔＴとして算出される。これは、モータコイル２０の発熱だけでなく放熱の影響も関係するモータコイル２０の温度変化値ΔＴを求めるためにモデル化したものである。

ここで、１次遅れ関数部２−１の関数を特定する時定数Ｔ１やゲイン部２−２のゲインＫ１の物理的な意味は、ゲインＫ１を大きくすると、温度変化値ΔＴが大きくなる。特に、定常温度が高くなる。逆に、ゲインＫ１を小さくすると、温度変化値ΔＴが小さくなり、定常温度も低くなる。時定数Ｔ１を大きくすると、入力変動の速さに対して、温度変化値ΔＴの立ち上げ、立ち下げの速度が速く、或いは遅くなる。そして、これらゲインＫ１，Ｋ２および時定数Ｔ１，Ｔ２の値は、実測によって調整して決定される。

図３は、１次遅れ関数部２−１、ゲイン部２−２および１次遅れ関数部３−１およびゲイン部３−２の時定数Ｔ１，Ｔ２およびゲインＫ１，Ｋ２を調整し値を決定した例を示した図である。図３において、３相モータのＡ相とＢ相に実際に電流を通電させてゲインおよび時定数を調整した後に得られた温度変化の推定結果を示す図である。モータコイルの実測値とゲイン、時定数調整後に得られた温度（Tａ+ΔＴ)が、ほぼ一致していることが分かる。

このゲインと時定数の値を調整することによって、モータの形状、質量、或いは周囲の放熱条件などを加味した温度変化に関するモータコイルの熱モデルとなる。言い換えれば、モータの形状、質量等の条件を考慮した放熱（冷却）を算出するための複雑な物理式、例えば非線形な関数を含む熱方程式をとして表現する必要が無く、簡単な１次遅れ関数の組み合わせとして表現できることが本発明の優れた点といえる。

最後に、図１において、加算部５で温度変化値ΔＴと温度センサ２２で実測した周囲温度Ｔａとを加算すればモータコイル２０の温度（Ｔａ＋ΔＴ）が算出される。

以上が、本実施例の構成および作用であるが、本発明であるモータコイル温度推定方法は、簡単な数式モデルによって構成されてので、演算が非常に簡単で短時間に処理できる。また、モータコイルに電流が通電されている、つまり、モータが回転している最中でも、モータコイルの温度推定が可能である。また、モータコイルやモータの形状、質量、材料などが複雑であっても、１次遅れ関数のゲインと時定数を温度を実測しながら調整することで対応できるので汎用性が高いモータコイルの温度推定方法である。

以上の実施例は、単相モータなどの最も基本的なモータコイルの温度推定方法の実施例である。しかし、電動パワーステアリング装置では他に３相モータが良く用いられる。３相モータの場合は、モータのコアが３分割されて、各コアにモータコイルが巻きつけられている。このようなモータの構成では、通電する相と通電しない相が交互に入れ替わり、通電する相のモータコイルでは発熱するが、通電されない相では発熱がなく、相によってモータコイルやコアの発熱、放熱条件が異なる。よって、３相モータの場合には、上記の実施例に、さらに、改良を加える必要がある。

本発明では、３相モータに適用するために以下の２通りの方法を考案した。

その一つは、各相に通電する電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃの中の最大の電流を選択して、上記モータコイル温度推定方法を適用することである。この方法を用いれば、実際の温度上昇より高めの温度上昇の算出結果が得られる。その理由は、各相の通電電流は、最大電流より常に小さい値の電流しか通電しないので推定した温度は実際の温度より高い温度に推定される。これは、保護の観点からは安全サイドの温度推定といえる。

他の一つの方法は、各相電流ごとに温度変化値ΔＴａ，ΔＴｂ，ΔＴｃを算出し、それらの温度変化値の中の最大の温度変化値を選択して、その最大の温度変化値と周囲温度Ｔａとを加算してモータコイルの温度と推定する方法である。この方法で推定したモータコイルの温度は、上述した各相電流の中の最大電流による推定方法より正確で実測に近い温度が算出される方法である。しかし、演算処理の観点からは、計算が複雑で演算時間が多く必要とする課題がある。

以上２つの３相モータに関するモータコイル温度推定方法の実施例を実施例２および実施例３で説明する。

各相電流の最大電流を選択してモータコイルの温度を推定する方法を図４を参照して説明する。図４において、モータ電流検出回路１３８で検出された各相の電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃは、最大値検出手段である最大値検出部６に入力され、その結果、最大値算出部６で各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃの中の最大値が電流ｉとして選択される。その後の２乗積算部１−１以降のモータコイルの温度推定の構成及び作用は実施例１の構成および作用と同じである。

このようにして推定された温度変化値ΔＴは、３相の電流の中の最大の電流を用いて算出しているので実際の温度変化値より大きく温度が上昇する算出結果となる。そのため、実施例２の方法で推定したモータコイルの温度を使用して保護をすると、実際には、まだ高温保護する必要がない温度で保護するので、装置としての利用範囲は狭くなるが安全サイドで保護がかかる効果がある。

各相電流ごとに温度変化値を算出して、算出された温度変化値の中の最大値を選択して、それをモータコイルの温度変化値ΔＴとするモータコイル温度推定方法について図５を参照して説明する。

まず、各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃがモータ電流検出回路１３８で検出され、それぞれ２乗積算部１−１−ａ，１−１−ｂ，１−１−ｃに入力され、出力値として各相の積分量ｗａ，ｗｂ，ｗｃが算出される。次に、積分量ｗａ，ｗｂ，ｗｃはそれぞれ平均部１−２−ａ、１−２−ｂ、１−２−ｃに入力され、それぞれ平均化されて平均値ｗａｍ，ｗｂｍ，ｗｃｍを出力する。平均値ｗａｍ，ｗｂｍ，ｗｃｍはそれぞれ１次遅れ関数部２−１−ａ，２−１−ｂ，２−１−ｃに入力され、それらの出力がゲイン部２−２−ａ、２−２−ｂ、２−２−ｃに入力される。そして、中間値ｙａ，ｙｂ、ｙｃがゲイン部２−２−ａ、２−２−ｂ、２−２−ｃから出力される。

一方、中間値ｙａ，ｙｂ，ｙｃはそれぞれ１次遅れ関数部３−１−ａ，３−１−ｂ，３−１−ｃに入力され、それらの出力がゲイン部３−２−ａ、３−２−ｂ、３−２−ｃに入力される。そして、中間値ｚａ，ｚｂ、ｚｃがゲイン部３−２−ａ、３−２−ｂ、３−２−ｃから出力される。中間値ｙａ，ｙｂ，ｙｃと中間値ｚａ，ｚｂ，ｚｃとが、それぞれ加算部４−ａ，４−ｂ，４−ｃに入力され、加算結果が、各相のコイルの温度変化値ΔＴａ，ΔＴｂ，ΔＴｃとして出力される。

そして、各相の温度変化値ΔＴａ，ΔＴｂ，ΔＴｃが最大値検出手段である最大値検出部６に入力され、温度変化ΔＴａ，ΔＴｂ，ΔＴｃの中の最大の温度変化値がΔＴとして算出される。この温度変化値ΔＴをモータコイルの温度変化値とみなして、温度センサ２２で検出した周囲温度Ｔａと加算部５で加算されてモータコイル温度（Ｔａ＋ΔＴ）として算出される。

この実施例は、上述した実施例２と比較すると、各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを用いて各相の温度変化値ΔＴａ，ΔＴｂ，ΔＴｃを算出しているので、最大電流を用いて温度変化値を算出している実施例２より、演算量が多くなるのでハードウエアの増加、或いはソフトウエア処理に負担が多くかかる問題があるが、推定したモータコイルの温度は実測に近い温度変化値が算出される。

なお、本発明のモータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置は電動パワーステアリング装置のモータに限らず一般的なモータのコイルの温度推定に適用できることは言うまでもない。

本発明の実施例１に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。モータ、モータコイルおよび温度センサを取り付けた基板の実装図である。１次遅れ関数のゲインおよび時定数の調整および調整結果を説明するための図である。本発明の実施例２に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。本発明の実施例３に係るモータ駆動装置のの制御ブロック図である。電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。電動パワーステアリング装置の主たる制御機能を示す制御ブロック図である。

符号の説明

１−１、１−１−ａ，１−１−ｂ，１−１−ｃ・・・２乗積算部
１−２，１−２−ａ，１−２−ｂ，１−２−ｃ・・・平均部
２−１、２−１−ａ，２−１−ｂ，２−１−ｃ・・・１次遅れ関数部
２−２、２−２−ａ，２−２−ｂ，２−２−ｃ・・・ゲイン部
３−１、３−１−ａ，３−１−ｂ，３−１−ｃ・・・１次遅れ関数部
３−２、３−２−ａ，３−２−ｂ，３−２−ｃ・・・ゲイン部
４、４−ａ，４−ｂ，４−ｃ・・・加算部
５・・・加算部
６・・・最大値検出部
２０・・・モータコイル
２１・・・基板
２２・・・温度センサ

Claims

モータのコイルに通電される電流ｉの自乗値ｉ^２を通電した時間に亘り積算した後に平均化して得られた値を第１の一次遅れ関数に入力し、さらに前記第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ΔＴとし、前記コイルの周囲温度Ｔａに前記温度変化値ΔＴを加算した値（Ｔａ＋ΔＴ）を前記コイルの温度とするモータコイル温度推定方法。
前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃの最大値を前記電流ｉとする請求項１に記載のモータコイル温度推定方法。
前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを前記電流ｉとして、それぞれ算出した前記各相のコイルの温度変化値ΔＴａ、ΔＴｂ、ΔＴｃの最大値を前記温度変化値ΔＴとする請求項１に記載のモータコイル温度推定方法。
モータのコイルに通電される電流ｉの自乗値ｉ^２を通電した時間に亘り積算した後に平均化して得られた値を算出する積算平均化手段と、前記積算平均化手段の出力を入力とする第１の一次遅れ関数手段と、前記第１の一次遅れ関数手段の出力を入力とする第２の一次遅れ関数手段と、第１の一次遅れ関数手段の出力と第２の遅れ関数手段の出力とを加算する加算手段とを備え、前記加算手段の出力ΔＴと前記コイルの周囲温度Ｔａとを加算した値（Ｔａ＋ΔＴ）を前記コイルの温度と推定することを特徴とするモータ駆動装置。
前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃの最大値を前記電流ｉとする最大値検出手段を備えた請求項４に記載のモータ駆動装置。
前記モータが３相モータである場合に、各相のコイルに通電する各相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを前記電流ｉとして、それぞれ算出した前記各相のコイルの温度変化値ΔＴａ、ΔＴｂ、ΔＴｃの最大値を前記温度変化値ΔＴとする最大値検出手段を備えた請求項４に記載のモータ駆動装置。