JP4483298B2 - モータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置 - Google Patents

モータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置 Download PDF

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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を通電した時間(t1からt2まで)に亘り積算(積分)される。
Figure 0004483298
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 (6)

  1. モータのコイルに通電される電流iの自乗値i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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. モータのコイルに通電される電流iの自乗値i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。
  5. 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。
  6. 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。
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