JP4678719B2 - Control device and control program for motor of construction machine - Google Patents

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本発明は、建設機械の上部旋回体等を駆動するモータを制御する装置および同モータを制御するためのプログラムに関する。  The present invention relates to a device for controlling a motor that drives an upper turning body or the like of a construction machine and a program for controlling the motor.

近年、一般自動車などにおいて、駆動源としてエンジンと電気モータを併用するハイブリッドシステムが実用化されており、油圧ショベル等の建設機械の分野においても、ハイブリッドシステムを取り入れる試みがされている。   In recent years, a hybrid system using an engine and an electric motor as a drive source has been put into practical use in general automobiles, and attempts have been made to incorporate the hybrid system in the field of construction machines such as hydraulic excavators.

たとえば特許文献1(特開2001−99103号公報)には、油圧ポンプの駆動源にエンジンと電気モータを併用するハイブリッド油圧システムが開示されている。   For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-99103) discloses a hybrid hydraulic system in which an engine and an electric motor are used together as a drive source of a hydraulic pump.

建設機械のハイブリッドシステムでは、電気モータとして、たとえばPM(永久磁石モータ)型が使用される(以下、PMモータという)。PMモータは、インバータによって周波数と電流(電圧)が制御され、PMモータの回転数(速度)とトルクが制御される。   In a hybrid system for construction machines, for example, a PM (permanent magnet motor) type is used as an electric motor (hereinafter referred to as PM motor). The frequency and current (voltage) of the PM motor are controlled by an inverter, and the rotation speed (speed) and torque of the PM motor are controlled.

図1(a)、(b)は、インバータ10、PMモータ30の構成をそれぞれ示している。   FIGS. 1A and 1B show the configurations of the inverter 10 and the PM motor 30, respectively.

インバータ10は、図1(a)に示すように、三相(U相、V相、W相)のブリッジ回路で構成されている。すなわち、インバータ10には、6個のスイッチング素子11、12、13、14、15、16が設けられている。スイッチング素子は、たとえばIGBTが使用される。各スイッチング素子11、12、13、14、15、16にはそれぞれ、環流用のダイオード17、18、19、20、21、22が並列に接続されている。   As shown in FIG. 1A, the inverter 10 is configured by a three-phase (U phase, V phase, W phase) bridge circuit. That is, the inverter 10 is provided with six switching elements 11, 12, 13, 14, 15, and 16. For example, an IGBT is used as the switching element. Each switching element 11, 12, 13, 14, 15, 16 is connected in parallel with a circulating diode 17, 18, 19, 20, 21, 22.

図中上側のU相、V相、W相用のスイッチング素子11、12、13にはそれぞれ、スイッチング信号(オンオフの電圧)Vu、Vv、Vwが加えられる。図中下側のU相、V相、W相用のスイッチング素子14、15、16にはそれぞれ、スイッチング信号(電圧)Vu、Vv、Vwに応じたスイッチング信号(オンオフの電圧)が加えられる。   Switching signals (on / off voltages) Vu, Vv, and Vw are applied to the switching elements 11, 12, and 13 for the U-phase, V-phase, and W-phase on the upper side in the drawing, respectively. Switching signals (on / off voltages) corresponding to the switching signals (voltages) Vu, Vv, and Vw are applied to the U-phase, V-phase, and W-phase switching elements 14, 15, and 16 on the lower side in the figure.

U相のスイッチング素子11、14の接続部位には、U相の相電流Iuが出力される電気信号線23が接続されている。V相のスイッチング素子12、15の接続部位には、V相の相電流Ivが出力される電気信号線24が接続されている。W相のスイッチング素子13、16の接続部位には、W相の相電流Iwが出力される電気信号線25が接続されている。   An electrical signal line 23 from which a U-phase phase current Iu is output is connected to a connection portion of the U-phase switching elements 11 and 14. An electrical signal line 24 that outputs a V-phase current Iv is connected to a connection portion of the V-phase switching elements 12 and 15. An electrical signal line 25 that outputs a W-phase current Iw is connected to a connection portion of the W-phase switching elements 13 and 16.

インバータ10の入力端子には、所定の直流電源から直流電圧が印加される。インバータ10の入力端子には、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ40が接続されている。   A DC voltage is applied to the input terminal of the inverter 10 from a predetermined DC power source. A smoothing capacitor 40 for smoothing the DC voltage is connected to the input terminal of the inverter 10.

各スイッチング素子11、12、13(14、15、16)には、所定のコントローラから、ゲート信号として、スイッチング信号(電圧)Vu、Vv、Vwが加えられる。スイッチング素子の制御は、たとえばPWM制御によって行われる。各スイッチング素子11、12、13(14、15、16)に加えるスイッチング信号のオンオフの時間、スイッチング周波数を制御することによって、各電気信号線23、24、25には、位相が120゜づつずれた所定周波数、所定振幅の正弦波状の相電流Iu、Iv、Iwが流れる。   Switching signals (voltages) Vu, Vv, and Vw are applied as gate signals to each switching element 11, 12, 13 (14, 15, 16) from a predetermined controller. The switching element is controlled by, for example, PWM control. By controlling the ON / OFF time and switching frequency of the switching signal applied to each switching element 11, 12, 13 (14, 15, 16), the phase of each electrical signal line 23, 24, 25 is shifted by 120 °. Further, sinusoidal phase currents Iu, Iv, Iw having a predetermined frequency and a predetermined amplitude flow.

インバータ10の出力端子には、PMモータ30が接続されており、各電気信号線23、24、25、出力端子を介して、相電流Iu、Iv、Iwが、三相交流電力としてPMモータ30に供給される。   A PM motor 30 is connected to the output terminal of the inverter 10, and the phase currents Iu, Iv, Iw are converted into three-phase AC power via the electric signal lines 23, 24, 25 and the output terminal, respectively. To be supplied.

図1(b)は、PMモータ30の概念図であり、PMモータ30のステータは、コイル31、32、33によって構成され、ロータ34の内部には永久磁石が埋め込まれている。すなわち、図1(b)のPMモータ30は、IPM型(埋込磁石型モータ)である。各コイル31、32、33にはそれぞれ、電気信号線23、24、25を介して相電流Iu、Iv、Iwが通電される。コイル31、32、33にそれぞれ相電流Iu、Iv、Iwが通電されると、ステータに回転磁界35、36が形成され、ロータ34は、その回転磁界35、36に応じて回転する。   FIG. 1B is a conceptual diagram of the PM motor 30, and the stator of the PM motor 30 is composed of coils 31, 32, 33, and permanent magnets are embedded in the rotor 34. That is, the PM motor 30 in FIG. 1B is an IPM type (embedded magnet type motor). Phase currents Iu, Iv, and Iw are energized to the coils 31, 32, and 33 through electrical signal lines 23, 24, and 25, respectively. When the phase currents Iu, Iv, and Iw are respectively supplied to the coils 31, 32, and 33, rotating magnetic fields 35 and 36 are formed in the stator, and the rotor 34 rotates according to the rotating magnetic fields 35 and 36.

PMモータ30には、レゾルバ、エンコーダ等を用いて構成される回転数検出器が設けられている。コントローラでは、検出された回転数をフィードバック量として、インバータ10の各スイッチング素子11〜16に対して、スイッチング信号を出力して、PMモータ30を制御する。コントローラは、PMモータ30の目標回転数と現在の回転数との偏差を零にするためのトルク値を演算し、更にこのトルク値を得るために必要なスイッチング信号(電圧)Vu、Vv、Vwを演算して、インバータ10に出力する。   The PM motor 30 is provided with a rotation speed detector configured using a resolver, an encoder, and the like. The controller controls the PM motor 30 by outputting a switching signal to each of the switching elements 11 to 16 of the inverter 10 using the detected number of rotations as a feedback amount. The controller calculates a torque value for making the deviation between the target rotational speed of the PM motor 30 and the current rotational speed zero, and further, switching signals (voltages) Vu, Vv, Vw necessary for obtaining this torque value. Is output to the inverter 10.

インバータ10は、モジュール化された筐体として構成され、筐体を支持するベースを介して、ヒートシンク等の冷却器に接合されている。冷却器によって、インバータ10における熱発生源であるスイッチング素子11〜16(IGBT)が冷却される。   The inverter 10 is configured as a modularized casing, and is joined to a cooler such as a heat sink via a base that supports the casing. Switching elements 11 to 16 (IGBTs) that are heat generation sources in inverter 10 are cooled by the cooler.

建設機械の場合、PMモータ30は、上部旋回体の駆動用のモータとして取り付けられることが多い。   In the case of a construction machine, the PM motor 30 is often attached as a motor for driving the upper swing body.

これは、PMモータ30を発電機として用い、インバータ10を介して、直流電力のエネルギーを有効に回生できるからである。   This is because it is possible to effectively regenerate the energy of DC power via the inverter 10 using the PM motor 30 as a generator.

すなわち、油圧ショベルなどの建設機械にあっては、地山等を掘削してバケットに積込み、上部旋回体を旋回させてバケットをダンプトラックの荷台まで移動させて、バケット内の積荷をダンプトラックの荷台に積み込む、という積込み作業が繰り返し行われる。かかる積込み作業の過程で、バケットをダンプトラックの荷台に位置決めするときに、上部旋回体に急激にブレーキがかかり、上部旋回体を旋回させるスイングマシナリに、大きなトルクが発生する。スイングマシナリで発生したトルクは、PMモータ30の駆動軸に伝達、吸収されて発電が行われる。ブレーキ時には、スイッチング素子11〜16に対して逆トルクを取り出すためのスイッチング信号が加えられる。これによりPMモータ30で発生した交流電力がインバータ10で直流電力に変換される。直流電力は、インバータ10の入力端子から逆向きに、直流電源線を介して、キャパシタ、蓄電池等の直流電源に供給されて、電力として蓄積される(充電される)。   That is, in a construction machine such as a hydraulic excavator, excavation of a natural ground and the like is loaded into the bucket, the upper swing body is swung to move the bucket to the dump truck bed, and the load in the bucket is transferred to the dump truck. The loading operation of loading on the loading platform is repeated. During the loading operation, when the bucket is positioned on the loading platform of the dump truck, the upper swing body is suddenly braked, and a large torque is generated in the swing machinery that rotates the upper swing body. Torque generated by the swing machinery is transmitted to and absorbed by the drive shaft of the PM motor 30 to generate power. At the time of braking, a switching signal for extracting reverse torque is applied to the switching elements 11-16. As a result, AC power generated by the PM motor 30 is converted into DC power by the inverter 10. The DC power is supplied from the input terminal of the inverter 10 in the reverse direction to the DC power source such as a capacitor or a storage battery via a DC power line, and is stored (charged) as power.

このように積込み作業が繰り返し行われ、上部旋回体が繰り返し停止する毎に、エネルギー回生が行われるため、建設機械の燃費を大幅に低減させることができる。   In this way, the loading operation is repeatedly performed and the energy regeneration is performed each time the upper-part turning body is repeatedly stopped, so that the fuel consumption of the construction machine can be greatly reduced.

(従来技術1)
エレベータの駆動を上述したインバータ10とPMモータ30を用いて行うという発明が、後掲する特許文献2に記載されている。
(Prior art 1)
An invention in which an elevator is driven using the above-described inverter 10 and PM motor 30 is described in Patent Document 2 described later.

この特許文献2には、PMモータ30の回転数をフィードバックする信号線に断線が生じたり、機械的な要因などによって、PMモータ30がロック(回転停止)するという異常事態が生じることがあると記載されている。特許文献2には、PMモータ30のロック状態が継続すると、インバータ10を構成するスイッチング素子11〜16の接合部の温度が急激に上昇し、熱破壊を起こすおそれがあるということに鑑みて、ロック状態になったときのインバータ10およびPMモータ30の制御信号、制御定数(相電流値等)に関するデータと、冷却器の冷却能力に関するデータとに基づいて、スイッチング素子の温度を演算して、熱破壊に至るまでの許容時間を求め、この許容時間が経過した時点で、スイッチング素子11〜16を熱破壊から保護する制御を行うという発明が記載されている。
特開2001−99103号公報 特開2004−64864号公報
In Patent Document 2, an abnormal situation may occur in which the PM motor 30 is locked (rotation stopped) due to a disconnection in a signal line that feeds back the rotation speed of the PM motor 30 or due to mechanical factors. Are listed. In patent document 2, when the locked state of the PM motor 30 continues, the temperature of the joint portion of the switching elements 11 to 16 constituting the inverter 10 rapidly increases, and there is a possibility of causing thermal destruction. Based on the data relating to the control signal of the inverter 10 and the PM motor 30 and the control constant (phase current value, etc.) in the locked state, and the data relating to the cooling capacity of the cooler, the temperature of the switching element is calculated An invention is described in which an allowable time until thermal breakdown is obtained and control is performed to protect the switching elements 11 to 16 from thermal breakdown when the allowable time has elapsed.
JP 2001-99103 A JP 2004-64864 A

建設機械、たとえば油圧ショベルでは、溝掘り作業や埋め戻し作業が行われる。溝掘り作業や埋め戻し作業では、作業機を旋回させて作業機を地山等に押し当るという動作が繰り返し行われる。このとき上部旋回体を駆動するPMモータ30では、「回転→ロック→回転→ロック…」という具合に、回転状態とロック状態とが繰り返される。   In construction machines, such as hydraulic excavators, grooving and backfilling operations are performed. In the ditching work and backfilling work, the operation of turning the work machine and pressing the work machine against a natural ground or the like is repeatedly performed. At this time, in the PM motor 30 that drives the upper-part turning body, the rotation state and the lock state are repeated such as “rotation → lock → rotation → lock...”.

PMモータ30がロック状態になると、PMモータ30の回転数がほぼ0となり、これをフィードバック量としてインバータ10に指令を与えるコントローラは、インバータ10に対して、大きなトルクを発生させるためのスイッチング信号を出力し続けることとなり、特定のスイッチング素子に大電流が流れ続けるために、その特定のスイッチング素子の発熱量が大きくなる。   When the PM motor 30 is locked, the rotation speed of the PM motor 30 becomes almost zero, and the controller that gives a command to the inverter 10 using this as a feedback amount gives a switching signal for generating a large torque to the inverter 10. Since the output continues and a large current continues to flow through the specific switching element, the heat generation amount of the specific switching element increases.

このため上記従来技術1と同様に、スイッチング素子の熱破壊を保護するための制御を行う必要がある。   For this reason, it is necessary to perform control for protecting the thermal destruction of the switching element as in the case of the prior art 1 described above.

しかし、建設機械の場合には、上述したエレベータに適用される従来技術1をそのまま適用することはできない。その理由は以下の通りである。   However, in the case of a construction machine, the prior art 1 applied to the elevator mentioned above cannot be applied as it is. The reason is as follows.

a)従来技術1のPMモータ30では、ロックしたということはそれだけで異常な事態であり、前回にロックしたということは何ら想定されてはいない。これに対して建設機械のPMモータ30の場合には、作業時にロック状態が繰り返されることは当然のことであり、前回にロックしたということは当然に考慮されなくてはならない。従来技術1を建設機械のPMモータ30に適用すると、ロック状態になる毎に、前回のロック状態の熱履歴は何ら考慮されるなくスイッチング素子の温度が演算されることになる。しかし、実際には、前回のロック状態(あるいは前々回のロック状態)のときにスイッチング素子の温度は既に上昇しているのであり、その熱履歴を考慮せずに行った演算温度は、実際の温度とはかけ離れたものとなり、適切な時期にスイッチング素子を熱的に保護する制御を行うことができない。 a) In the PM motor 30 of the prior art 1, the fact that it is locked is an abnormal situation by itself, and it is not assumed that it was locked last time. On the other hand, in the case of the PM motor 30 of a construction machine, it is natural that the locked state is repeated at the time of work, and it must be taken into account that it was locked last time. When the prior art 1 is applied to the PM motor 30 of the construction machine, every time the locked state is entered, the temperature of the switching element is calculated without considering the thermal history of the previous locked state. However, in reality, the temperature of the switching element has already risen in the previous locked state (or the last locked state), and the calculated temperature without considering the thermal history is the actual temperature. Therefore, it is impossible to perform control to thermally protect the switching element at an appropriate time.

b)建設機械は、多数の機種があり、上部旋回体を旋回させるために必要なPMモータ30の定格出力も様々である。このため、PMモータ30の種類に応じて、インバータ10のスイッチング素子に流れる電流の大きさも様々であり、それに応じて冷却器も異なる冷却性能のものを多種類にわたり用意しなければならない。従来技術1では、冷却器の冷却能力に関するデータに基づいて、スイッチング素子の温度を演算しているため、冷却器が多種類にわたると、演算処理のための演算プログラムを冷却器の種類毎に用意して、コントローラにインストールしなければならない。そこで冷却器の冷却能力の如何によらずに、共通の演算プログラムでスイッチング素子の温度を演算できるようにすることが、コントローラの汎用性を高め、部品の共通化、コスト削減を図るためにも、要請されている。 b) There are many types of construction machines, and the rated output of the PM motor 30 necessary for turning the upper turning body varies. For this reason, according to the kind of PM motor 30, the magnitude | size of the electric current which flows into the switching element of the inverter 10 is also various, and the thing of the cooling performance from which a cooler differs also needs to be prepared in many kinds. In the prior art 1, since the temperature of the switching element is calculated based on the data on the cooling capacity of the cooler, if there are many types of coolers, a calculation program for calculation processing is prepared for each type of cooler. And must be installed on the controller. Therefore, it is possible to calculate the temperature of the switching element with a common calculation program regardless of the cooling capacity of the cooler, in order to increase the versatility of the controller, common parts, and cost reduction Has been requested.

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、建設機械のモータのように、モータがロック状態と回転状態を繰り返す運転を行う場合であっても、正確にスイッチング素子の温度を演算できるようにして、スイッチング素子の熱破壊からの保護を正確な時期に行えるようにすることを第1の解決課題とするものである。また、本発明は、上記第1の解決課題の達成に加えて、建設機械のインバータ用の冷却器のように、冷却器(の冷却能力)が多種類におよぶ場合であっても、冷却器の冷却能力如何によらずに共通の演算プログラムでスイッチング素子の温度を演算できるようにして、コントローラの汎用性を高め、部品の共通化、コスト削減を図ることを第2の解決課題とするものである。   The present invention has been made in view of such a situation, so that the temperature of the switching element can be accurately calculated even when the motor repeatedly operates in a locked state and a rotating state like a motor of a construction machine. Thus, the first solution is to enable the switching element to be protected from thermal destruction at an accurate time. Further, in addition to the achievement of the first problem, the present invention provides a cooler even when there are many types of coolers (cooling capacity) such as a cooler for inverters of construction machinery. The second solution is to increase the versatility of the controller, to make parts common, and to reduce costs by enabling the temperature of switching elements to be calculated with a common calculation program regardless of the cooling capacity of the controller. It is.

第1発明は、
建設機械を駆動するモータと、
入力されたスイッチング信号に応じて作動され、前記モータに対して駆動信号を出力するスイッチング素子と、
前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
回転数検出手段で計測された回転数をフィードバック量として、前記スイッチング素子にスイッチング信号を出力する第1の制御手段と、
前記モータがロック状態にあるか、あるいは回転状態にあるかを判別する判別手段と、
前記モータがロック状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、ロック状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算するとともに、
前記モータが回転状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算する温度演算手段と、
前記温度演算手段で演算されたスイッチング素子の温度に応じて、前記スイッチング素子を熱的に保護する制御を行う第2の制御手段と
を具えた建設機械のモータ制御装置であることを特徴とする。
The first invention is
A motor for driving the construction machine;
A switching element that is operated according to the input switching signal and outputs a drive signal to the motor;
A rotational speed detection means for detecting the rotational speed of the motor;
First control means for outputting a switching signal to the switching element using the rotational speed measured by the rotational speed detection means as a feedback amount;
Determining means for determining whether the motor is in a locked state or in a rotating state;
When it is determined that the motor is in the locked state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using the calculation formula for the locked state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. With
When it is determined that the motor is in the rotating state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using the calculation formula for the rotating state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. Temperature calculation means;
A construction machine motor control device comprising: a second control unit that performs control to thermally protect the switching element according to the temperature of the switching element calculated by the temperature calculation unit. .

第2発明は、第1発明において、
前記スイッチング素子は、インバータを構成するスイッチング素子であり、
前記インバータは、ベース板上にスイッチング素子が装着されて構成されており、
ベース板には、スイッチング素子を冷却するための冷却器が接合されており、
前記ベース板の温度を検出する温度検出手段が設けられ、
前記温度演算手段は、
前記モータがロック状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差とに基づいて、今回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差を順次演算するとともに、
前記モータが回転ク状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差とに基づいて、今回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差を順次演算し、
さらに、この温度差に対して前記温度検出手段によって検出されたベース板の温度を加算することによって、スイッチング素子の温度を演算するものであること
を特徴とする。
The second invention is the first invention,
The switching element is a switching element constituting an inverter,
The inverter is configured by mounting a switching element on a base plate,
A cooler for cooling the switching element is joined to the base plate,
Temperature detecting means for detecting the temperature of the base plate is provided;
The temperature calculating means includes
If it is determined that the motor is in a locked state, the temperature of the current switching element and the temperature of the base plate are based on the temperature difference between the temperature of the switching element and the temperature of the base plate calculated up to the previous time. Sequentially calculate the temperature difference between
If it is determined that the motor is in the rotating state, the current switching element temperature and the base plate temperature are determined based on the temperature difference between the switching element temperature and the base plate temperature calculated up to the previous time. Calculate the temperature difference from the temperature sequentially,
Further, the temperature of the switching element is calculated by adding the temperature of the base plate detected by the temperature detecting means to the temperature difference.

第3発明は、第1発明において、
前記モータは、建設機械の旋回体を駆動するモータであること
を特徴とする。
The third invention is the first invention,
The motor is a motor that drives a swing body of a construction machine.

第4発明は、第1発明において、
前記第2の制御手段は、
前記温度演算手段で演算されたスイッチング素子の温度が所定のしきい値以上になった場合に、前記スイッチング素子を熱的に保護するためのスイッチング信号が、第1の制御手段から前記スイッチング素子に出力されるように、第1の制御手段に指令を与えること
を特徴とする。
A fourth invention is the first invention,
The second control means includes
When the temperature of the switching element calculated by the temperature calculating means exceeds a predetermined threshold value, a switching signal for thermally protecting the switching element is sent from the first control means to the switching element. A command is given to the first control means so that it is output.

第5発明は、
建設機械を駆動するモータであって、スイッチング素子から駆動信号が与えられることで駆動されるモータ、を制御するプログラムにおいて、
前記モータがロック状態にあるか、あるいは回転状態にあるかを判別し、
前記モータがロック状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、ロック状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算するとともに、
前記モータが回転状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算し、
演算されたスイッチング素子の温度に応じて、前記スイッチング素子を熱的に保護する制御を行うようにしたことを特徴とする。
The fifth invention
In a program for controlling a motor that drives a construction machine and that is driven by a drive signal given from a switching element,
Determining whether the motor is in a locked state or in a rotating state;
When it is determined that the motor is in the locked state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using the calculation formula for the locked state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. With
When it is determined that the motor is in a rotating state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using a calculation formula for the rotating state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. ,
The switching element is controlled to be thermally protected in accordance with the calculated temperature of the switching element.

第1発明〜第5発明を図3に即して説明する。   The first to fifth inventions will be described with reference to FIG.

PMモータ30がロック状態にあるか、あるいは回転状態にあるかが判別される(ステップ102)。   It is determined whether the PM motor 30 is in a locked state or a rotating state (step 102).

PMモータ30がロック状態にあると判別された場合には(ステップ102の判断Yes)、前回までに演算されたジャンクション〜ベース間温度差Tbjn-1とに基づいて、ロック状態用の演算式、つまり関数fn(W)を用いて、その関数値が計算されて、今回のジャンクション〜ベース間温度差Tbjn(=fn(W))が順次演算される(ステップ103)。   When it is determined that the PM motor 30 is in the locked state (determination Yes in step 102), the calculation formula for the locked state based on the junction-to-base temperature difference Tbjn-1 calculated so far, That is, the function value is calculated using the function fn (W), and the current junction-base temperature difference Tbjn (= fn (W)) is sequentially calculated (step 103).

一方、PMモータ30が回転状態にあると判別された場合には(ステップ102の判断No)、前回までに演算されたジャンクション〜ベース間温度差Tbjn-1とに基づいて、回転状態用の演算式、つまり関数gn(W)を用いて、その関数値が計算されて、今回のジャンクション〜ベース間温度差Tbjn(=gn(W))が順次演算される(ステップ104)。   On the other hand, when it is determined that the PM motor 30 is in the rotating state (determination No in step 102), the calculation for the rotating state is performed based on the junction-to-base temperature difference Tbjn-1 calculated so far. The function value is calculated using the equation, that is, the function gn (W), and the current junction-base temperature difference Tbjn (= gn (W)) is sequentially calculated (step 104).

ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが演算されると、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnに対して、現在のベース温度Tbnを加算する処理が実行されて、現在のジャンクション温度Tjnが求められる(Tjn=Tbn+Tbjn;ステップ105)。   When the junction-to-base temperature difference Tbjn is calculated, a process of adding the current base temperature Tbn to the junction-to-base temperature difference Tbjn is executed to obtain the current junction temperature Tjn (Tjn = Tbn + Tbjn). Step 105).

つぎに、ジャンクション温度Tjnが、上限値Terrを超えているか否かが判断される(ステップ106)。   Next, it is determined whether or not the junction temperature Tjn exceeds the upper limit value Terr (step 106).

ジャンクション温度Tjnが、上限値Terrを超えたと判断されると(ステップ106の判断Yes)、これ以上ジャンクション温度が上昇するとスイッチング素子が熱破壊を起こすおそれがあると判断して、、スイッチング素子11〜16を熱的に保護するための保護シーケンスが実行される(ステップ107)。   If it is determined that the junction temperature Tjn has exceeded the upper limit value Terr (Yes in step 106), it is determined that there is a possibility that the switching element may be thermally destroyed when the junction temperature further increases. A protection sequence for thermally protecting 16 is executed (step 107).

第1発明〜第5発明の共通の効果を図4を用いて説明する。   The common effects of the first to fifth inventions will be described with reference to FIG.

図4に示す「ロック(2)」では、過去の「ロック(1)」、「回転(1)」の熱履歴、つまり今まで演算されたジャンクション〜ベース間温度差Tbjn-1に基づいて、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが計算される。   In “Lock (2)” shown in FIG. 4, based on the past “Lock (1)” and “Rotation (1)” thermal history, that is, the junction-to-base temperature difference Tbjn−1 calculated so far, A junction-to-base temperature difference Tbjn is calculated.

このためロック状態と回転状態が繰り返される場合に、極めて正確にジャンクャンクション〜ベース間温度差Tbjnを求めることができる。そして、この正確に得られたジャンクャンクション〜ベース間温度差Tbjnに基づきジャンクション温度Tjnが求められる(Tjn=Tbn+Tbjn)。このため、ジャンクション温度Tjnは、極めて精度のよいものとなる。この結果、適切な時期に、スイッチング素子11〜16を熱的に保護する制御を行うことができる。   For this reason, when the lock state and the rotation state are repeated, the junction-to-base temperature difference Tbjn can be obtained very accurately. Then, the junction temperature Tjn is obtained based on the accurately obtained junction-to-base temperature difference Tbjn (Tjn = Tbn + Tbjn). For this reason, the junction temperature Tjn is extremely accurate. As a result, it is possible to perform control to thermally protect the switching elements 11 to 16 at an appropriate time.

第2発明は、図5に示す構成を前提としている。   The second invention is based on the configuration shown in FIG.

すなわち、インバータ10は、ベース板91上には、図示しない絶縁基板を介してシリコンチップ11C〜16C(スイッチング素子11〜16)が装着されて構成されている(なお、実際には)。ベース板91には、シリコンチップ11C〜16C(スイッチング素子11〜16)を冷却するための冷却器92が接合されている。   That is, the inverter 10 is configured by mounting silicon chips 11C to 16C (switching elements 11 to 16) on a base plate 91 via an insulating substrate (not shown) (in practice). A cooler 92 for cooling the silicon chips 11C to 16C (switching elements 11 to 16) is joined to the base plate 91.

第2発明では、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnに対して、ベース温度Tbnを加算することで、ジャンクション温度Tjnが求められ(Tjn=Tbn+Tbjn)、そのジャンクション〜ベース間温度差Tbjnは、ヒートシンク92の冷却能力に依存しない演算式で算出される。   In the second invention, the junction temperature Tjn is obtained by adding the base temperature Tbn to the junction-base temperature difference Tbjn (Tjn = Tbn + Tbjn), and the junction-base temperature difference Tbjn It is calculated by an arithmetic expression that does not depend on the cooling capacity.

このため第2発明によれば、上述した第1発明〜第5発明の共通の効果に加えて以下の効果が得られる。  Therefore, according to the second invention, the following effects are obtained in addition to the common effects of the first to fifth inventions described above.

すなわち、ヒートシンク92が異なる冷却性能のものに変更された場合でも、共通の演算プログラムでスイッチング素子の温度(ジャンクション温度Tjn)を演算できる。このためIGBT保護用コントローラ70を共通化でき、コントローラの汎用性が高められ、部品の共通化、コスト削減が図られる。   That is, even when the heat sink 92 is changed to one having a different cooling performance, the temperature of the switching element (junction temperature Tjn) can be calculated with a common calculation program. For this reason, the IGBT protection controller 70 can be made common, the versatility of the controller is improved, and the parts are made common and the cost is reduced.

以下、図面を参照して本発明に係る建設機械のモータ制御装置およびモータ制御プログラムの実施の形態について説明する。   Embodiments of a motor control device for a construction machine and a motor control program according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図6は、建設機械のハイブリッドシステムの構成のうち、上部旋回体1を駆動制御する部分を抜き出して図示したものである。なお、実施形態では、建設機械として油圧ショベルを想定する。   FIG. 6 shows an extracted portion of the configuration of the hybrid system of the construction machine that drives and controls the upper swing body 1. In the embodiment, a hydraulic excavator is assumed as the construction machine.

油圧ショベルには、PMモータ30が、上部旋回体1の駆動用のモータとして取り付けられている。すなわち、上部旋回体1には、スイングサークル、スイングピニオン等をスイングマシナリ2が連結されている。スイングマシナリ2が駆動すると、上部旋回体1が旋回する。   A PM motor 30 is attached to the hydraulic excavator as a motor for driving the upper swing body 1. In other words, a swing machinery 2 including a swing circle, a swing pinion, and the like is connected to the upper swing body 1. When the swing machinery 2 is driven, the upper swing body 1 rotates.

スイングマシナリ2の駆動軸には、PMモータ30の駆動軸が連結されている。   The drive shaft of the PM motor 30 is connected to the drive shaft of the swing machinery 2.

インバータ10の出力端子はPMモータ30の入力端子に電気的に接続されている。インバータ10の入力端子には、キャパシタや蓄電池などで構成された直流電源3が電気的に接続されている。なお、エンジンの出力軸には発電電動機が連結され、発電電動機によって発電された電力が直流電源3に蓄積される。   The output terminal of the inverter 10 is electrically connected to the input terminal of the PM motor 30. A DC power source 3 composed of a capacitor, a storage battery, or the like is electrically connected to the input terminal of the inverter 10. A generator motor is connected to the output shaft of the engine, and the electric power generated by the generator motor is stored in the DC power source 3.

コントローラ60は、インバータ10に対してスイッチング信号を出力して、インバータ10を介して、PMモータ30の回転数とトルクを制御して、上部旋回体1を所望の回転数で回転させる。   The controller 60 outputs a switching signal to the inverter 10 and controls the rotation speed and torque of the PM motor 30 via the inverter 10 to rotate the upper swing body 1 at a desired rotation speed.

図2は、インバータ10、PMモータ30、コントローラ60の構成を示している。コントローラ60は、IGBT保護用コントローラ70と、インバータ制御用コントローラ80とからなる。   FIG. 2 shows the configuration of the inverter 10, the PM motor 30, and the controller 60. The controller 60 includes an IGBT protection controller 70 and an inverter control controller 80.

インバータ10は、三相(U相、V相、W相)のブリッジ回路で構成されている。すなわち、インバータ10には、6個のスイッチング素子11、12、13、14、15、16が設けられている。スイッチング素子は、たとえばIGBTが使用される。各スイッチング素子11、12、13、14、15、16にはそれぞれ、環流用のダイオード17、18、19、20、21、22が並列に接続されている。   The inverter 10 includes a three-phase (U phase, V phase, W phase) bridge circuit. That is, the inverter 10 is provided with six switching elements 11, 12, 13, 14, 15, and 16. For example, an IGBT is used as the switching element. Each switching element 11, 12, 13, 14, 15, 16 is connected in parallel with a circulating diode 17, 18, 19, 20, 21, 22.

図中上側のU相、V相、W相用のスイッチング素子11、12、13にはそれぞれ、スイッチング信号(オンオフの電圧)Vu、Vv、Vwが加えられる。図中下側のU相、V相、W相用のスイッチング素子14、15、16にはそれぞれ、スイッチング信号(電圧)Vu、Vv、Vwに応じたスイッチング信号(オンオフの電圧)が加えられる。   Switching signals (on / off voltages) Vu, Vv, and Vw are applied to the switching elements 11, 12, and 13 for the U-phase, V-phase, and W-phase on the upper side in the drawing, respectively. Switching signals (on / off voltages) corresponding to the switching signals (voltages) Vu, Vv, and Vw are applied to the U-phase, V-phase, and W-phase switching elements 14, 15, and 16 on the lower side in the figure.

U相のスイッチング素子11、14の接続部位には、U相の相電流Iuが出力される電気信号線23が接続されている。V相のスイッチング素子12、15の接続部位には、V相の相電流Ivが出力される電気信号線24が接続されている。W相のスイッチング素子13、16の接続部位には、W相の相電流Iwが出力される電気信号線25が接続されている。   An electrical signal line 23 from which a U-phase phase current Iu is output is connected to a connection portion of the U-phase switching elements 11 and 14. An electrical signal line 24 that outputs a V-phase current Iv is connected to a connection portion of the V-phase switching elements 12 and 15. An electrical signal line 25 that outputs a W-phase current Iw is connected to a connection portion of the W-phase switching elements 13 and 16.

インバータ10の入力端子には、直流電源3から直流電圧が印加される。インバータ10の入力端子には、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ40が接続されている。   A DC voltage is applied from the DC power supply 3 to the input terminal of the inverter 10. A smoothing capacitor 40 for smoothing the DC voltage is connected to the input terminal of the inverter 10.

各スイッチング素子11、12、13(14、15、16)には、インバータ制御用コントローラ80から、ゲート信号として、スイッチング信号(電圧)Vu、Vv、Vwが加えられる。スイッチング素子の制御は、たとえばPWM制御によって行われる。各スイッチング素子11、12、13(14、15、16)に加えるスイッチング信号のオンオフの時間、スイッチング周波数を制御することによって、各電気信号線23、24、25には、位相が120゜づつずれた所定周波数、所定振幅の正弦波状の相電流Iu、Iv、Iwが流れる。   Switching signals (voltages) Vu, Vv, Vw are applied as gate signals from the inverter control controller 80 to the switching elements 11, 12, 13 (14, 15, 16). The switching element is controlled by, for example, PWM control. By controlling the ON / OFF time and switching frequency of the switching signal applied to each switching element 11, 12, 13 (14, 15, 16), the phase of each electrical signal line 23, 24, 25 is shifted by 120 °. Further, sinusoidal phase currents Iu, Iv, Iw having a predetermined frequency and a predetermined amplitude flow.

インバータ10の出力端子には、PMモータ30が接続されており、各電気信号線23、24、25、出力端子を介して、相電流Iu、Iv、Iwが、三相交流電力としてPMモータ30に供給される。   A PM motor 30 is connected to the output terminal of the inverter 10, and the phase currents Iu, Iv, Iw are converted into three-phase AC power via the electric signal lines 23, 24, 25 and the output terminal, respectively. To be supplied.

PMモータ30には、PMモータ30の回転位置(回転角度)θを検出するレゾルバ等の回転位置(角度)検出器50が設けられている。インバータ制御用コントローラ80には、回転位置検出器50の検出信号θが入力される。回転位置検出器50の検出信号θに基づいて、回転数(回転速度)ωが算出される。   The PM motor 30 is provided with a rotational position (angle) detector 50 such as a resolver that detects the rotational position (rotational angle) θ of the PM motor 30. The inverter control controller 80 receives the detection signal θ of the rotational position detector 50. Based on the detection signal θ of the rotational position detector 50, the rotational speed (rotational speed) ω is calculated.

また、電気信号線23、25を流れる相電流Iu、Iwが検出されて、インバータ制御用コントローラ80に入力される。   Further, the phase currents Iu and Iw flowing through the electric signal lines 23 and 25 are detected and input to the inverter control controller 80.

インバータ制御用コントローラ80は、PMモータ30の実際の回転数ωをフィードバック量として、PMモータ30の回転数が目標回転数ωpとなるように、スイッチング信号Vu、Vv、Vwを生成し、インバータ10の各スイッチング素子11〜16に対して、出力して、PMモータ30を制御する。   The inverter control controller 80 generates the switching signals Vu, Vv, Vw so that the rotational speed of the PM motor 30 becomes the target rotational speed ωp using the actual rotational speed ω of the PM motor 30 as a feedback amount, and the inverter 10 Are output to each of the switching elements 11 to 16 to control the PM motor 30.

インバータ制御用コントローラ80は、PMモータ30をベクトル制御する制御系で構成することができる。すなわち、インバータ制御用コントローラ80は、PMモータ30の目標回転数ωpと現在の回転数ωとの偏差を零にするためのトルク値τを演算し、更にこのトルク値τを回転座標系のd軸電流値Id、q軸電流値Iqに変換する。そして、回転位置θ、回転数ω、相電流Iu、Iwに基づいて、d軸電流値Id、q軸電流値Iqをそれぞれ、d軸電圧値Vd、q軸電圧値Vqに変換する。そして、回転位置θに基づいて、d軸電圧値Vd、q軸電圧値Vqを、静止座標系の各電圧値(スイッチング信号)Vu、Vv、Vwに変換する。こうして演算されたスイッチング信号(電圧)Vu、Vv、Vwを、インバータ10に出力する。   The inverter control controller 80 can be configured by a control system that performs vector control of the PM motor 30. That is, the inverter control controller 80 calculates a torque value τ for making the deviation between the target rotational speed ωp of the PM motor 30 and the current rotational speed ω zero, and further calculates this torque value τ in the rotational coordinate system d. The shaft current value Id and the q-axis current value Iq are converted. Based on the rotational position θ, the rotational speed ω, and the phase currents Iu and Iw, the d-axis current value Id and the q-axis current value Iq are converted into the d-axis voltage value Vd and the q-axis voltage value Vq, respectively. Then, based on the rotation position θ, the d-axis voltage value Vd and the q-axis voltage value Vq are converted into voltage values (switching signals) Vu, Vv, and Vw in the stationary coordinate system. The switching signals (voltages) Vu, Vv, Vw calculated in this way are output to the inverter 10.

エネルギー回生時には以下のように動作する。   It operates as follows during energy regeneration.

すなわち、油圧ショベルが地山等を掘削してバケットに積込み、上部旋回体1を旋回させてバケットをダンプトラックの荷台まで移動させて、バケット内の積荷をダンプトラックの荷台に積み込む、という積込み作業を繰り返し行う場合を想定する。かかる積込み作業の過程で、バケットをダンプトラックの荷台に位置決めするときに、上部旋回体1に急激にブレーキがかかり、上部旋回体1を旋回させるスイングマシナリ2に、大きなトルクが発生する。スイングマシナリ2で発生したトルクは、PMモータ30の駆動軸に伝達、吸収されて発電が行われる。ブレーキ時には、スイッチング素子11〜16に対して逆トルクを取り出すためのスイッチング信号が加えられる。これによりPMモータ30で発生した交流電力がインバータ10で直流電力に変換される。直流電力は、インバータ10の入力端子から逆向きに、直流電源線を介して、直流電源3に供給されて、電力として蓄積される(充電される)。   That is, the excavator excavates the ground and loads it into the bucket, turns the upper swing body 1 to move the bucket to the dump truck bed, and loads the load in the bucket onto the dump truck bed. Assume that this is repeated. During the loading operation, when the bucket is positioned on the loading platform of the dump truck, the upper swing body 1 is suddenly braked, and a large torque is generated in the swing machinery 2 that rotates the upper swing body 1. Torque generated by the swing machinery 2 is transmitted to and absorbed by the drive shaft of the PM motor 30 to generate power. At the time of braking, a switching signal for extracting reverse torque is applied to the switching elements 11-16. As a result, AC power generated by the PM motor 30 is converted into DC power by the inverter 10. The direct current power is supplied from the input terminal of the inverter 10 in the reverse direction to the direct current power source 3 via the direct current power line, and is stored (charged) as electric power.

このように積込み作業が繰り返し行われ、上部旋回体1が繰り返し停止する毎に、エネルギー回生が行われるため、建設機械の燃費を大幅に低減させることができる。   Since the loading operation is repeated in this way and the energy regeneration is performed each time the upper-part turning body 1 is repeatedly stopped, the fuel consumption of the construction machine can be greatly reduced.

図5は、インバータ10を冷却する装置の構成を斜視図にて示している。   FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a device for cooling the inverter 10.

インバータ10は、ベース板91上に、図示しない絶縁基板を介して、各スイッチング素子11、12、13、14、15、16に対応するシリコンチップ11C、12C、13C、14C、15C、16Cが装着されたモジュールとして構成されている。   In the inverter 10, silicon chips 11C, 12C, 13C, 14C, 15C, and 16C corresponding to the switching elements 11, 12, 13, 14, 15, and 16 are mounted on a base plate 91 via an insulating substrate (not shown). Is configured as a module.

ベース板91には、冷却器としてのヒートシンク92が接合されている。ヒートシンク92は、所定流量の冷却水を通過させることによって、シリコンチップ11C、12C、13C、14C、15C、16C、つまりスイッチング素子11〜16(IGBT)を冷却する。とりわけ熱発生源となるPN接合部(IGBTジャンクション)を冷却する。PN接合部(IGBTジャンクション)は、シリコンチップ11C〜16Cのうち熱的に最も弱い部位である。   A heat sink 92 as a cooler is joined to the base plate 91. The heat sink 92 cools the silicon chips 11 </ b> C, 12 </ b> C, 13 </ b> C, 14 </ b> C, 15 </ b> C, 16 </ b> C, that is, the switching elements 11 to 16 (IGBT), by passing a predetermined amount of cooling water. In particular, the PN junction (IGBT junction) serving as a heat generation source is cooled. The PN junction (IGBT junction) is the thermally weakest part of the silicon chips 11C to 16C.

ベース板91には、ベース板91の温度(以下、ベース温度)Tbを検出する温度センサ26が設けられている。   The base plate 91 is provided with a temperature sensor 26 that detects the temperature (hereinafter referred to as base temperature) Tb of the base plate 91.

以下において、スイッチング素子11、12、13、14、15、16のPN接合部(IGBTジャンクション)の温度を、ジャンクション温度Tjと定義し、ジャンクション温度Tjと、ベース温度Tbとの温度差を、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjと定義する。   Hereinafter, the temperature of the PN junction (IGBT junction) of the switching elements 11, 12, 13, 14, 15, 16 is defined as the junction temperature Tj, and the temperature difference between the junction temperature Tj and the base temperature Tb is defined as the junction temperature Tj. ~ Define temperature difference between bases Tbj.

つぎに、IGBT保護用コントローラ70で行われる制御内容について説明する。   Next, the contents of control performed by the IGBT protection controller 70 will be described.

IGBT保護用コントローラ70には、直流電源3の電圧値Vdc、相電流の検出電流値Iu、Iw、PMモータ30の検出回転位置θが入力される。   The IGBT protection controller 70 is supplied with the voltage value Vdc of the DC power supply 3, the detected current values Iu and Iw of the phase current, and the detected rotational position θ of the PM motor 30.

IGBT保護用コントローラ70には、図3のフローチャートで示される制御プログラムがインストールされている。IGBT保護用コントローラ70の各処理部71〜77では図3の制御プログラムにしたがい順次、処理が実行される。   A control program shown in the flowchart of FIG. 3 is installed in the IGBT protection controller 70. In each of the processing units 71 to 77 of the IGBT protection controller 70, processing is sequentially executed according to the control program of FIG.

以下では、油圧ショベルが溝掘り作業や埋め戻し作業を行う場合を想定する。溝掘り作業や埋め戻し作業では、作業機を旋回させて作業機を地山等に押し当るという動作が繰り返し行われる。このとき上部旋回体1を駆動するPMモータ30では、「回転→ロック→回転→ロック…」という具合に、回転状態とロック状態とが繰り返される。   In the following, it is assumed that the excavator performs grooving work and backfilling work. In the ditching work and backfilling work, the operation of turning the work machine and pressing the work machine against a natural ground or the like is repeatedly performed. At this time, in the PM motor 30 that drives the upper swing body 1, the rotation state and the lock state are repeated such as “rotation → lock → rotation → lock...”.

PMモータ30がロック状態になると、PMモータ30の回転数ωがほぼ0となり、これをフィードバック量としてインバータ10に指令を与えるインバータ制御用コントローラ80は、インバータ10に対して、大きなトルクτを発生させるためのスイッチング信号を出力し続けることとなり、スイッチング素子に大きな電流が流れ続け、スイッチング素子の発熱量が大きくなる。   When the PM motor 30 is locked, the rotational speed ω of the PM motor 30 becomes almost zero, and the inverter control controller 80 that gives a command to the inverter 10 using this as a feedback amount generates a large torque τ to the inverter 10. Therefore, a large amount of current continues to flow through the switching element, and the amount of heat generated by the switching element increases.

そこで、IGBT保護用コントローラ70では、スイッチング素子の熱破壊を保護するための制御が行われる。   Therefore, the IGBT protection controller 70 performs control for protecting the switching element from thermal destruction.

図3の処理は、所定のサンプリング時間t毎に行われるものとする。したがって、n回目のサンプリング時の時刻は、ntとなる。以下では、変数を表す符合にサフィックス「n」を付与して、時刻ntにおける値であることを明確にする。   The processing in FIG. 3 is performed every predetermined sampling time t. Therefore, the time at the n-th sampling is nt. In the following, the suffix “n” is given to the sign representing the variable to clarify the value at the time nt.

まず、IGBT損失計算部74で、入力された直流電源3の電圧値Vdc、相電流の検出電流値Iu、Iwと、メモリ78の記憶データとに基づいて、各スイッチング素子11〜16(IGBT)毎に、時刻(n−1)t〜nt間のIGBT損失Wn(単位:ジュールJ)が計算される。   First, in the IGBT loss calculation unit 74, the switching elements 11 to 16 (IGBT) based on the input voltage value Vdc of the DC power supply 3, phase current detection current values Iu and Iw, and data stored in the memory 78. Every time, the IGBT loss Wn (unit: joule J) between the times (n-1) t and nt is calculated.

IGBT損失Wnは、次式にて求められる。   The IGBT loss Wn is obtained by the following equation.

IGBT損失Wn=定常損失W1n+スイッチ損失W2n
定常損失W1n=m・Vce(sat)・I・t
スイッチ損失W2n=Vdc・I・(τon+τoff)・f・t・a
ただし、
m:変調率
I:相電流Iu、Iv、Iw
Vce(sat):スイッチング素子11〜16(IGBT)のオン(飽和)電圧
Vdc:電源電圧
τon:スイッチング素子11〜16(IGBT)の立上り時間
τoff:スイッチング素子11〜16(IGBT)の立下り時間
f:スイッチング周波数
a:係数
変調率m、飽和電圧Vce(sat)、立上り時間τon、立下り時間τoff、スイッチング周波数f、係数aについては、固有の定数としてメモリ78に記憶されておかれる。相電流IのうちV相の電流値Ivについては、入力された検出電流値Iu、Iwに基づいて求められる(ステップ101)。
IGBT loss Wn = steady loss W1n + switch loss W2n
Steady loss W1n = m ・ Vce (sat) ・ I ・ t
Switch loss W2n = Vdc.I. (. Tau.on + .tau.off) .f.t.a
However,
m: Modulation rate I: Phase current Iu, Iv, Iw
Vce (sat): ON (saturation) voltage of switching elements 11 to 16 (IGBT) Vdc: Power supply voltage τon: Rising time of switching elements 11 to 16 (IGBT) τoff: Falling time of switching elements 11 to 16 (IGBT) f: switching frequency a: coefficient Modulation rate m, saturation voltage Vce (sat), rise time τon, fall time τoff, switching frequency f, and coefficient a are stored in the memory 78 as specific constants. Of the phase current I, the V-phase current value Iv is obtained based on the input detected current values Iu and Iw (step 101).

つぎに、モータロック判定部72で、PMモータ30がロック状態にあるか、あるいは回転状態にあるかが判別される。たとえば、速度信号処理部71で、入力された回転位置θに基づいて、回転数ωが算出される。そして、ロック状態であると判断するためのしきい値ω0(たとえば±50rpm)が設定され、PMモータ30の回転数ωがしきい値ω0以下であるか否かを判断することによって、PMモータ30がロック状態であるか否かを判定する(ステップ102)。   Next, the motor lock determination unit 72 determines whether the PM motor 30 is in a locked state or in a rotating state. For example, the speed signal processing unit 71 calculates the rotational speed ω based on the input rotational position θ. Then, a threshold value ω0 (for example, ± 50 rpm) for determining the locked state is set, and by determining whether or not the rotational speed ω of the PM motor 30 is equal to or less than the threshold value ω0, the PM motor It is determined whether or not 30 is locked (step 102).

以下では、つぎのように変数を定義する。   In the following, variables are defined as follows:

Tbjn:時刻ntにおけるジャンクション〜ベース間温度差
fn(W):時刻ntでロック状態であると判定されたときにジャンクション 〜ベース間温度差Tbjnを算出する関数
gn(W):時刻ntで回転状態であると判定されたときにジャンクション〜 ベース間温度差Tbjnを算出する関数
Tbn:時刻ntにおけるベース温度
Tjn:時刻ntにおけるジャンクション温度
Terr:ジャンクション温度の上限値
つぎに、ジャンクション〜ベース間温度差Tbj算出部73では、時刻ntにおけるジャンクション〜ベース間温度差Tbjnがサンプリング時間t毎に順次演算される。
Tbjn: junction-to-base temperature difference at time nt fn (W): function for calculating junction-to-base temperature difference Tbjn when determined to be in the locked state at time nt gn (W): rotational state at time nt Tbn: Base temperature at time nt Tjn: Junction temperature at time nt Terr: Junction temperature upper limit value Tbj: Junction-base temperature difference Tbjn In the calculation unit 73, the junction-base temperature difference Tbjn at time nt is sequentially calculated for each sampling time t.

すなわち、PMモータ30がロック状態にあると判別された場合には(ステップ102の判断Yes)、前回までに演算されたジャンクション〜ベース間温度差Tbjn-1に基づいて、ロック状態用の演算式、つまり関数fn(W)を用いて、その関数値が計算されて、今回のジャンクション〜ベース間温度差Tbjn(=fn(W))が順次演算される(ステップ103)。一方、PMモータ30が回転状態にあると判別された場合には(ステップ102の判断No)、前回までに演算されたジャンクション〜ベース間温度差Tbjn-1に基づいて、回転状態用の演算式、つまり関数gn(W)を用いて、その関数値が計算されて、今回のジャンクション〜ベース間温度差Tbjn(=gn(W))が順次演算される(ステップ104)。   That is, when it is determined that the PM motor 30 is in the locked state (determination Yes in step 102), the calculation formula for the locked state is based on the junction-to-base temperature difference Tbjn-1 calculated so far. That is, the function value is calculated using the function fn (W), and the current junction-base temperature difference Tbjn (= fn (W)) is sequentially calculated (step 103). On the other hand, when it is determined that the PM motor 30 is in the rotating state (determination No in step 102), the calculation formula for the rotating state is based on the junction-to-base temperature difference Tbjn-1 calculated so far. That is, the function value is calculated using the function gn (W), and the current junction-base temperature difference Tbjn (= gn (W)) is sequentially calculated (step 104).

関数fn(W)、gn(W)は、たとえば下記式で表される。   The functions fn (W) and gn (W) are represented by the following formulas, for example.

fn(W)=kL1・Wn/(1+τL1/t)
+(τL1/t)/(1+τL1/t)・Tbjn-1 …(1)
gn(W)=kR・Wn/(1+τR/t)
+(τR/t)/(1+τR/t)・Tbjn-1 …(2)
ただし、
kL1:ロック状態のときの一次遅れのゲイン
kR:回転状態のときの一次遅れのゲイン
τL1:ロック状態のときの一次遅れ時定数
τR:回転状態のときの一次遅れ時定数
Tbjn-1:前回のサンプリング時刻(n−1)tにおけるジャンクション〜ベ ース間温度差
上記(1)、(2)式に示されるように、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnは、IGBT損失Wnの1次遅れ(積分)として計算される。ただし、PMモータ30がロック状態のときには回転状態である場合に比べてベース板91の面内温度分布がばらつくため、この温度分布のばらつきを考慮して、ロック状態のときの一次遅れのゲインkL1は、回転状態のときの一次遅れのゲインkRよりも大きい値に設定される。つまりロック時には、ベース板91の面内の温度分布が偏りをもつため、ベース板面内の温度分布による温度上昇分を加味して、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnを求める。
fn (W) = kL1 · Wn / (1 + τL1 / t)
+ (ΤL1 / t) / (1 + τL1 / t) · Tbjn-1 (1)
gn (W) = kR · Wn / (1 + τR / t)
+ (ΤR / t) / (1 + τR / t) · Tbjn-1 (2)
However,
kL1: primary delay gain in the locked state kR: primary delay gain in the rotating state τL1: primary delay time constant in the locked state τR: primary delay time constant in the rotating state Tbjn-1: previous time Junction to Base Temperature Difference at Sampling Time (n-1) t As shown in the above equations (1) and (2), the junction to base temperature difference Tbjn is the first-order lag (integral of the IGBT loss Wn). ). However, since the in-plane temperature distribution of the base plate 91 varies when the PM motor 30 is in the locked state compared to when it is in the rotating state, the gain kL1 of the first order lag when in the locked state is taken into consideration. Is set to a value larger than the first-order lag gain kR in the rotating state. That is, at the time of locking, the temperature distribution in the surface of the base plate 91 is biased. Therefore, the junction-to-base temperature difference Tbjn is obtained by taking into account the temperature rise due to the temperature distribution in the base plate surface.

さらに、ロック状態のときには、ベース板91の面内の温度分布も一次遅れとして捕らえて、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjn(=fn(W))を算出する実施も可能である。この場合には、上記(1)式の代わりに、下記(3)式が用いられる。   Furthermore, in the locked state, the temperature distribution in the surface of the base plate 91 is also captured as a first-order lag, and the junction-base temperature difference Tbjn (= fn (W)) can be calculated. In this case, the following formula (3) is used instead of the above formula (1).

fn(W)=Tbbjn+Tbbn …(3)
ただし、
Tbbjn:時刻ntにおけるPN接合部(IGBTジャンクション)の温度と、 PN接合部(IGBTジャンクション)直下のベース板91の部位の 温度との温度差(以下、ジャンクション〜ジャンクション真下部位間 温度差)
Tbbn:時刻ntにおけるPN接合部(IGBTジャンクション)直下のベー ス板91の部位の温度と、ベース温度Tbとの温度差(以下、ジャンク ション真下部位〜ベース間温度差)
上記Tbbjn、Tbbnはそれぞれ、下記式で表される。
fn (W) = Tbbjn + Tbbn (3)
However,
Tbbjn: The temperature difference between the temperature of the PN junction (IGBT junction) at the time nt and the temperature of the base plate 91 immediately below the PN junction (IGBT junction) (hereinafter, the temperature difference between the junction and the site directly below the junction)
Tbbn: temperature difference between the base plate 91 and the base temperature Tb immediately below the PN junction (IGBT junction) at the time nt (hereinafter, the temperature difference between the part directly below the junction and the base)
The above Tbbjn and Tbbn are each expressed by the following formula.

Tbbjn=kL2・Wn/(1+τL2/t)
+(τL2/t)/(1+τL2/t)・Tbbjn-1 …(4)
Tbbn=kL3・Wn/(1+τL3/t)
+(τL3/t)/(1+τL3/t)・Tbbn-1 …(5)
kL2:ロック状態のときの一次遅れ(IGBT損失Wnの一次遅れ)のゲイン
kL3:ロック状態のときの一次遅れ(ベース板面内温度分布の一次遅れ)の ゲイン
τL2:ロック状態のときの一次遅れ(IGBT損失Wnの一次遅れ)時定数
τL3:ロック状態のときの一次遅れ(ベース板面内温度分布の一次遅れ)時 定数
Tbbjn-1:前回のサンプリング時刻(n−1)tにおけるジャンクション〜ジ ャンクション真下部位間温度差
Tbbn-1:前回のサンプリング時刻(n−1)tにおけるジャンクション真下 部位〜ベース間温度差
こうして現在のジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが演算されると、加算部75にて、下記式のごとく、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnに対して、現在のベース温度Tbnを加算する処理が実行されて、現在のジャンクション温度Tjnが求められる。
Tbbjn = kL2 / Wn / (1 + τL2 / t)
+ (ΤL2 / t) / (1 + τL2 / t) · Tbbjn-1 (4)
Tbbn = kL3 · Wn / (1 + τL3 / t)
+ (ΤL3 / t) / (1 + τL3 / t) · Tbbn-1 (5)
kL2: Gain of first-order lag in lock state (primary delay of IGBT loss Wn) kL3: Gain of first-order lag in lock state (first-order lag of temperature distribution in base plate surface) τL2: First-order lag in lock state (Primary delay of IGBT loss Wn) Time constant τL3: Primary delay in the locked state (primary delay of temperature distribution in the base plate surface) Time constant Tbbjn-1: Junction to di at the previous sampling time (n-1) t Temperature difference between the parts just below the junction Tbbn-1: Temperature difference between the parts just below the junction at the previous sampling time (n-1) t and the base-base temperature difference Tbjn When the current junction-base temperature difference Tbjn is calculated in this way, the adder 75 As shown in the following formula, a process of adding the current base temperature Tbn to the junction-to-base temperature difference Tbjn is executed, and the current Is determined.

Tjn=Tbn+Tbjn (ステップ105)
図4は、油圧ショベルが溝掘り作業や埋め戻し作業を行い、PMモータ30が「ロック(1)→回転(1)→ロック(2)→回転(2)→ロック(3)」という動作をしたときのジャンクション〜ベース間温度差Tbj(Tbjn)の計算結果を例示している。横軸が時間(秒)で、縦軸がジャンクション〜ベース間温度差Tbj(゜C)である。
Tjn = Tbn + Tbjn (Step 105)
In FIG. 4, the excavator performs a digging operation and a backfilling operation, and the PM motor 30 performs an operation of “lock (1) → rotation (1) → lock (2) → rotation (2) → lock (3)”. The calculation result of the temperature difference Tbj (Tbjn) between the junction and the base at the time of doing is illustrated. The horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents the junction-to-base temperature difference Tbj (° C).

図4に示す「ロック(1)」では、ロック状態用の関数fn(W)によって、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが計算される。このため、ロック状態であると判定されている時間tの経過に伴い、ジャンクャンクション〜ベース間温度差Tbjnが増大する。   In “lock (1)” shown in FIG. 4, the junction-to-base temperature difference Tbjn is calculated by the function fn (W) for the lock state. For this reason, the junction-to-base temperature difference Tbjn increases with the elapse of time t determined to be in the locked state.

「回転(1)」では、過去の「ロック(1)」の熱履歴、つまり今まで演算されたジャンクション〜ベース間温度差Tbjn-1に基づいて、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが計算される。「回転(1)」では、回転状態用の関数gn(W)によって、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが計算される。このため、回転状態であると判定されている時間tの経過に伴い、ジャンクャンクション〜ベース間温度差Tbjnが減少する。   In “Rotation (1)”, the junction-to-base temperature difference Tbjn is calculated based on the past “History of“ Lock (1) ”, that is, the junction-to-base temperature difference Tbjn−1 calculated so far. . In “Rotation (1)”, the junction-to-base temperature difference Tbjn is calculated by the function gn (W) for the rotation state. For this reason, the junction-to-base temperature difference Tbjn decreases with the elapse of the time t determined to be in the rotating state.

「ロック(2)」では、過去の「ロック(1)」、「回転(1)」の熱履歴、つまり今まで演算されたジャンクション〜ベース間温度差Tbjn-1に基づいて、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが計算される。「ロック(2)」では、ロック状態用の関数fn(W)によって、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnが計算される。このため、ロック状態であると判定されている時間tの経過に伴い、ジャンクャンクション〜ベース間温度差Tbjnが増大する。以下、「回転(2)」、「ロック(3)」についても同様である。このためロック状態と回転状態が繰り返される場合に、極めて正確にジャンクャンクション〜ベース間温度差Tbjnを求めることができる。したがって、その正確に得られたジャンクャンクション〜ベース間温度差Tbjnに基づきジャンクション温度Tjnが求められるため、ジャンクション温度Tjnは、極めて精度のよいものとなる。   “Lock (2)” is based on the past “Lock (1)” and “Rotation (1)” thermal history, that is, the junction-to-base temperature difference Tbjn−1 calculated so far. A temperature difference Tbjn is calculated. In “lock (2)”, the junction-to-base temperature difference Tbjn is calculated by the function fn (W) for the lock state. For this reason, the junction-to-base temperature difference Tbjn increases with the elapse of time t determined to be in the locked state. The same applies to “Rotation (2)” and “Lock (3)”. For this reason, when the lock state and the rotation state are repeated, the junction-to-base temperature difference Tbjn can be obtained very accurately. Therefore, since the junction temperature Tjn is obtained based on the accurately obtained junction-to-base temperature difference Tbjn, the junction temperature Tjn is extremely accurate.

つぎに、判断部76にて、演算された現在のサンプリング時刻におけるジャンクション温度Tjnが、上限値Terrを超えているか否かが判断される(ステップ106)。   Next, the determination unit 76 determines whether or not the calculated junction temperature Tjn at the current sampling time exceeds the upper limit value Terr (step 106).

現在のサンプリング時刻におけるジャンクション温度Tjnが、上限値Terrを超えていないと判断されると(ステップ106の判断No)、再度ステップ101に戻り同様の処理が繰り返されるが、現在のサンプリング時刻におけるジャンクション温度Tjnが、上限値Terrを超えたと判断されると(ステップ106の判断Yes)、これ以上ジャンクション温度が上昇するとスイッチング素子が熱破壊を起こすおそれがあると判断して、ステップ107に移行し、保護シーケンス部77で、スイッチング素子を熱的に保護するための保護シーケンスを実行する。なお、ジャンクション温度Tjnは、各スイッチング素子11〜16毎に求められるため、少なくとも1つのスイッチング素子について、ジャンクション温度Tjnが上限値Terrを超えたと判断されると、保護シーケンスが実行される。   If it is determined that the junction temperature Tjn at the current sampling time does not exceed the upper limit value Terr (determination No in step 106), the process returns to step 101 again and the same processing is repeated, but the junction temperature at the current sampling time is repeated. If it is determined that Tjn has exceeded the upper limit value Terr (Yes in step 106), it is determined that there is a possibility that the switching element may be thermally destroyed when the junction temperature further increases, and the process proceeds to step 107, where protection is performed. The sequence unit 77 executes a protection sequence for thermally protecting the switching element. In addition, since junction temperature Tjn is calculated | required for every switching element 11-16, if it judges that junction temperature Tjn exceeded upper limit Terr about at least 1 switching element, a protection sequence will be performed.

保護シーケンスは、たとえば下記に列挙される内容のものを採用することができる。   As the protection sequence, for example, those listed below can be adopted.

1)PMモータ30を停止させる。 1) Stop the PM motor 30.

すなわち、インバータ制御用コントローラ80は、PMモータ30の目標回転数ωpと現在の回転数ωとの偏差を零にするためのトルク値τを演算しているが、ジャンクション温度Tjnが上限値Terrを超えると、IGBT保護用コントローラ70は、インバータ制御用コントローラ80に対して、現在、演算されているトルク値にかかわらずにトルク値τを強制的に0にする旨の指令を送り、PMモータ30に流れる電流値を零にして、回転を停止させる。   That is, the inverter control controller 80 calculates the torque value τ for making the deviation between the target rotational speed ωp of the PM motor 30 and the current rotational speed ω zero, but the junction temperature Tjn sets the upper limit value Terr. If exceeded, the IGBT protection controller 70 sends a command to the inverter control controller 80 to forcibly set the torque value τ to 0 regardless of the currently calculated torque value. The rotation of the motor is stopped by setting the value of the current flowing through to zero.

2)PMモータ30のトルク(電流)を徐々に下げる。 2) Gradually lower the torque (current) of the PM motor 30.

上部旋回体1が旋回している途中で、トルクを直ぐに0にすると、オペレータや油圧ショベルの周囲の作業者にショックを与えたり危険がおよぶおそれがある。そこで、ジャンクション温度Tjnが上限値Terrを超えると、IGBT保護用コントローラ70は、インバータ制御用コントローラ80に対して、現在、演算されているトルク値から徐々にトルク値τを小さくする旨の指令を送り、PMモータ30に流れる電流値を徐々に小さくする。   If the torque is immediately reduced to 0 while the upper swing body 1 is turning, there is a risk of shock or danger to the operator or the operator around the hydraulic excavator. Therefore, when the junction temperature Tjn exceeds the upper limit value Terr, the IGBT protection controller 70 instructs the inverter control controller 80 to gradually decrease the torque value τ from the currently calculated torque value. The current value flowing through the PM motor 30 is gradually reduced.

また、ジャンクション温度Tjnの大きさと、PMモータ30で出力可能な最大トルク値とを対応づけたテーブルを用意しておき、ジャンクション温度Tjnが上限値Terrを超えると、IGBT保護用コントローラ70は、インバータ制御用コントローラ80に対して、現在のジャンクション温度Tjnに対応する最大トルク値を上限として、トルク値τを演算する旨の指令を送り、PMモータ30に流れる電流値に制限を加える。   Also, a table in which the magnitude of the junction temperature Tjn is associated with the maximum torque value that can be output by the PM motor 30 is prepared, and when the junction temperature Tjn exceeds the upper limit value Terr, the IGBT protection controller 70 A command to calculate the torque value τ is sent to the control controller 80 with the maximum torque value corresponding to the current junction temperature Tjn as the upper limit, and the current value flowing through the PM motor 30 is limited.

3)スイッチング周波数fを下げてIGBT損失Wnを低減させる。 3) Lower the switching frequency f to reduce the IGBT loss Wn.

ジャンクション温度Tjnが上限値Terrを超えると、IGBT保護用コントローラ70は、インバータ制御用コントローラ80に対して、スイッチング周波数fを下げてスイッチング信号を生成する旨の指令を送り、スイッチング素子11〜16(IGBT)のIGBT損失Wnを低減させて、スイッチング素子11〜16(IGBT)の発熱を抑制する。この場合、PMモータ30のトルクは維持できるが、スイッチング周波数fの低下に伴い、スイッチング音は大きくなる。   When the junction temperature Tjn exceeds the upper limit value Terr, the IGBT protection controller 70 sends a command to the inverter control controller 80 to generate a switching signal by reducing the switching frequency f, and switching elements 11 to 16 ( The IGBT loss Wn of the IGBT is reduced, and the heat generation of the switching elements 11 to 16 (IGBT) is suppressed. In this case, the torque of the PM motor 30 can be maintained, but the switching noise increases as the switching frequency f decreases.

4)電流ベクトルを意図的にずらし、特定のスイッチング素子(IGBT)への熱負荷を緩和させる。ただし、PMモータ30のトルクは維持できる電流ベクトルにする。 4) The current vector is intentionally shifted to reduce the thermal load on a specific switching element (IGBT). However, the torque of the PM motor 30 is a current vector that can be maintained.

ジャンクション温度Tjnが上限値Terrを超えると、IGBT保護用コントローラ70は、インバータ制御用コントローラ80に対して、PMモータ30の出力トルクを維持しつつ、特定の相、特定のスイッチング素子に流れる電流値を最小にするように電流ベクトルを設定する旨の指令を送る。   When the junction temperature Tjn exceeds the upper limit value Terr, the IGBT protection controller 70 maintains the output torque of the PM motor 30 with respect to the inverter control controller 80, and the current value that flows through a specific phase and a specific switching element A command is sent to set the current vector to minimize.

たとえば正弦波駆動(SM)の埋込磁石型モータ(IPM)では、次式によってトルクτを算出することができる。   For example, in a sine wave drive (SM) interior magnet type motor (IPM), the torque τ can be calculated by the following equation.

τ=p(Ψ・iq+(Ld−Lq)・id・iq)
ただし、
τ:トルク
p:極対数
Ψ:トルク定数
iq:q軸電流
id:d軸電流
Ld:d軸インダクタンス
Lq:q軸インダクタンス
d軸電流id、q軸電流iqの比率と大きさを決めるのが電流ベクトルであるので、同じトルクτを出力するにもd軸電流id、q軸電流iqの組み合わせが何通りもある。通常は、PMモータ30、インバータ10の効率を最大とするため出来る限り電流値を最小にしている。しかし、ロック時には、それが最適とは限らない。例えば、U相の電流値iuが100Aで、V相、W相の電流値iv、iwが−50Aとなっている状態で、PMモータ30がロックしてジャンクション温度Tjnが上限値Terrを超えると、電流ベクトルを30゜づつずらすことによって、U相の電流値iuを(86.6・k)A、V相の電流値ivを0A、W相の電流値iwを(−86.6・k)Aにすることで、トルク値τを維持しつつ、特定のスイッチング素子への熱負荷を低減できる。ただし、kは定数である(ステップ107)。
τ = p (Ψ · iq + (Ld−Lq) · id · iq)
However,
τ: Torque p: Number of pole pairs Ψ: Torque constant iq: q-axis current id: d-axis current Ld: d-axis inductance Lq: q-axis inductance Current ratio determines the ratio and magnitude of d-axis current id and q-axis current iq Since they are vectors, there are many combinations of d-axis current id and q-axis current iq to output the same torque τ. Usually, in order to maximize the efficiency of the PM motor 30 and the inverter 10, the current value is minimized. However, when locked, it is not always optimal. For example, when the PM motor 30 is locked and the junction temperature Tjn exceeds the upper limit value Terr when the U-phase current value iu is 100A and the V-phase and W-phase current values iv and iw are -50A. By shifting the current vector by 30 °, the U-phase current value iu is (86.6 · k) A, the V-phase current value iv is 0A, and the W-phase current value iw is (−86.6 · k). ) A can reduce the thermal load on a specific switching element while maintaining the torque value τ. However, k is a constant (step 107).

ところで、油圧ショベルなどの建設機械は、多数の機種があり、上部旋回体1を旋回させるために必要なPMモータ30の定格出力も様々である。このため、PMモータ30の種類に応じて、インバータ10のスイッチング素子に流れる電流の大きさも様々であり、それに応じてヒートシンク92も異なる冷却性能のものを、多種類にわたり用意しなければならない。たとえばヒートシンク92に流す冷却水の流量が、機種によって変更される。   By the way, there are many types of construction machines such as a hydraulic excavator, and the rated output of the PM motor 30 necessary for turning the upper swing body 1 is various. For this reason, according to the kind of PM motor 30, the magnitude | size of the electric current which flows into the switching element of the inverter 10 is also various, and the heat sink 92 must also be prepared in various kinds with the cooling performance which differs according to it. For example, the flow rate of the cooling water flowing through the heat sink 92 is changed depending on the model.

この点、上述した本実施例では、ジャンクション〜ベース間温度差Tbjnに対して、ベース温度Tbnを加算することで、ジャンクション温度Tjnが求められ(Tjn=Tbn+Tbjn)、そのジャンクション〜ベース間温度差Tbjnは、ヒートシンク92の冷却能力に依存しない演算式で算出される。このためヒートシンク92が異なる冷却性能のものに変更された場合でも、共通の演算プログラムでスイッチング素子の温度(ジャンクション温度Tjn)を演算できる。このためIGBT保護用コントローラ70を共通化でき、コントローラの汎用性が高められ、部品の共通化、コスト削減が図られる。   In this respect, in this embodiment described above, the junction temperature Tjn is obtained by adding the base temperature Tbn to the junction-base temperature difference Tbjn (Tjn = Tbn + Tbjn), and the junction-base temperature difference Tbjn. Is calculated by an arithmetic expression independent of the cooling capacity of the heat sink 92. Therefore, even when the heat sink 92 is changed to one having a different cooling performance, the temperature of the switching element (junction temperature Tjn) can be calculated with a common calculation program. For this reason, the IGBT protection controller 70 can be made common, the versatility of the controller is improved, and the parts are made common and the cost is reduced.

なお、上述した実施形態では、油圧ショベルを想定して説明したが、油圧ショベル以外のホイールローダ、ブルドーザ等の他の建設機械に対しても同様に本発明を適用できる。また、PMモータ30が上部旋回体1を駆動する構成(図6)を想定して説明したが、PMモータ30が上部旋回体1を駆動する構成に代えて、作業機(ブーム、アーム、バケット)を駆動する構成の場合にも、本発明を適用することができる。あるいはPMモータ30が上部旋回体1を駆動するとともに、PMモータ30が作業機(ブーム、アーム、バケット)を駆動する構成の場合にも、本発明を適用することができる。   In the above-described embodiment, the description has been made assuming a hydraulic excavator. However, the present invention can be similarly applied to other construction machines such as a wheel loader and a bulldozer other than the hydraulic excavator. Further, the description has been made assuming the configuration in which the PM motor 30 drives the upper swing body 1 (FIG. 6). However, instead of the configuration in which the PM motor 30 drives the upper swing body 1, a work machine (boom, arm, bucket) is provided. The present invention can also be applied to the case of a configuration in which the above is driven. Alternatively, the present invention can also be applied to a configuration in which the PM motor 30 drives the upper swing body 1 and the PM motor 30 drives a work implement (boom, arm, bucket).

実施例では、建設機械のハイブリッドシステムを想定して説明したが、駆動源が電気モータのみのシステム(エンジンと併用しないシステム)にも、当然本発明を適用することができる。   In the embodiments, the description has been made assuming a construction machine hybrid system. However, the present invention can naturally be applied to a system in which a drive source is only an electric motor (a system not used in combination with an engine).

図1(a)、(b)はそれぞれインバータの構成、PMモータの構成を説明する図である。FIGS. 1A and 1B are diagrams illustrating the configuration of the inverter and the configuration of the PM motor, respectively. 図2は実施例のモータ制御装置の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of the motor control device of the embodiment. 図3は図2に示すIGBT保護用コントローラで行われる処理手順を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure performed by the IGBT protection controller shown in FIG. 図4はジャンクション〜ベース間温度差の計算結果を例示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the calculation result of the temperature difference between the junction and the base. 図5は実施例のインバータと、インバータを冷却する冷却器の構成を示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the inverter of the embodiment and a cooler for cooling the inverter. 図6は、建設機械のハイブリッドシステムのうち、上部旋回体を駆動制御する構成部分を取りだして示したブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a part for driving and controlling the upper-part turning body in the hybrid system of the construction machine.

符号の説明Explanation of symbols

10 インバータ 11〜16 スイッチング素子(IGBT)、30 PMモータ、70 IGBT保護用コントローラ、80 インバータ制御用コントローラ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Inverter 11-16 Switching element (IGBT), 30 PM motor, 70 IGBT protection controller, 80 Inverter control controller

Claims (5)

建設機械を駆動するモータと、
入力されたスイッチング信号に応じて作動され、前記モータに対して駆動信号を出力するスイッチング素子と、
前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
回転数検出手段で計測された回転数をフィードバック量として、前記スイッチング素子にスイッチング信号を出力する第1の制御手段と、
前記モータがロック状態にあるか、あるいは回転状態にあるかを判別する判別手段と、
前記モータがロック状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、ロック状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算するとともに、
前記モータが回転状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算し、
前記モータがロック状態から回転状態に切り換わったと判別された場合には、前記ロック状態用の演算式を用いて演算された前回のスイッチング素子の温度に基づいて、前記回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を演算するとともに、
前記モータが回転状態からロック状態に切り換わったと判別された場合には、前記回転状態用の演算式を用いて演算された前回のスイッチング素子の温度に基づいて、前記回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を演算する温度演算手段と、
前記温度演算手段で演算されたスイッチング素子の温度に応じて、前記スイッチング素子を熱的に保護する制御を行う第2の制御手段と
を具えたことを特徴とする建設機械のモータ制御装置。
A motor for driving the construction machine;
A switching element that is operated according to the input switching signal and outputs a drive signal to the motor;
A rotational speed detection means for detecting the rotational speed of the motor;
First control means for outputting a switching signal to the switching element using the rotational speed measured by the rotational speed detection means as a feedback amount;
Determining means for determining whether the motor is in a locked state or in a rotating state;
When it is determined that the motor is in the locked state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using the calculation formula for the locked state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. With
When it is determined that the motor is in a rotating state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using a calculation formula for the rotating state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. ,
When it is determined that the motor has switched from the locked state to the rotating state, the rotational state arithmetic expression is calculated based on the previous switching element temperature calculated using the locked state arithmetic expression. To calculate the temperature of this switching element,
When it is determined that the motor has switched from the rotational state to the locked state, the rotational state arithmetic expression is calculated based on the previous switching element temperature calculated using the rotational state arithmetic expression. Temperature calculating means for calculating the temperature of the current switching element ,
A motor control device for a construction machine, comprising: a second control unit that performs control to thermally protect the switching element according to the temperature of the switching element calculated by the temperature calculation unit.
前記スイッチング素子は、インバータを構成するスイッチング素子であり、
前記インバータは、ベース板上にスイッチング素子が装着されて構成されており、
ベース板には、スイッチング素子を冷却するための冷却器が接合されており、
前記ベース板の温度を検出する温度検出手段が設けられ、
前記温度演算手段は、
前記モータがロック状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差とに基づいて、ロック状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差を順次演算するとともに、
前記モータが回転状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差とに基づいて、回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差を順次演算し、
前記モータがロック状態から回転状態に切り換わったと判別された場合には、前記ロック状態用の演算式を用いて演算された前回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差に基づいて、前記回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差を演算するとともに、
前記モータが回転状態からロック状態に切り換わったと判別された場合には、前記回転状態用の演算式を用いて演算された前回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差に基づいて、前記回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度とベース板の温度との温度差を演算し、
さらに、この温度差に対して前記温度検出手段によって検出されたベース板の温度を加算することによって、スイッチング素子の温度を演算するものであること
を特徴とする請求項1記載の建設機械のモータ制御装置。
The switching element is a switching element constituting an inverter,
The inverter is configured by mounting a switching element on a base plate,
A cooler for cooling the switching element is joined to the base plate,
Temperature detecting means for detecting the temperature of the base plate is provided;
The temperature calculating means includes
If it is determined that the motor is in the locked state, based on the temperature difference between the switching element temperature and the base plate temperature calculated up to the previous time, the calculation formula for the locked state is used. The temperature difference between the switching element temperature and the base plate temperature is sequentially calculated,
If it is determined that the motor is in a rotating state, based on the temperature difference between the temperature of the switching element and the temperature of the base plate calculated up to the previous time, this time using the calculation formula for the rotating state, Sequentially calculate the temperature difference between the temperature of the switching element and the temperature of the base plate,
If it is determined that the motor has switched from the locked state to the rotating state, based on the temperature difference between the temperature of the previous switching element and the temperature of the base plate calculated using the calculation equation for the locked state. Using the calculation formula for the rotation state, the temperature difference between the temperature of the current switching element and the temperature of the base plate is calculated,
When it is determined that the motor is switched from the rotation state to the lock state, based on the temperature difference between the temperature of the previous switching element and the temperature of the base plate calculated using the calculation equation for the rotation state. , By calculating the temperature difference between the temperature of the current switching element and the temperature of the base plate, using the calculation formula for the rotation state,
Further, the temperature of the switching element is calculated by adding the temperature of the base plate detected by the temperature detecting means to the temperature difference.
The motor control device for a construction machine according to claim 1.
前記モータは、建設機械の旋回体を駆動するモータであること
を特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
The motor is a motor that drives a swing body of a construction machine.
The motor control device according to claim 1.
前記第2の制御手段は、
前記温度演算手段で演算されたスイッチング素子の温度が所定のしきい値以上になった場合に、前記スイッチング素子を熱的に保護するためのスイッチング信号が、第1の制御手段から前記スイッチング素子に出力されるように、第1の制御手段に指令を与えること
を特徴とする請求項1記載の建設機械のモータ制御装置。
The second control means includes
When the temperature of the switching element calculated by the temperature calculating means exceeds a predetermined threshold value, a switching signal for thermally protecting the switching element is sent from the first control means to the switching element. Giving a command to the first control means to be output
The motor control device for a construction machine according to claim 1.
建設機械を駆動するモータであって、スイッチング素子から駆動信号が与えられることで駆動されるモータ、を制御するプログラムにおいて、
前記モータがロック状態にあるか、あるいは回転状態にあるかを判別し、
前記モータがロック状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、ロック状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算するとともに、
前記モータが回転状態にあると判別された場合には、前回までに演算されたスイッチング素子の温度とに基づいて、回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を順次演算し、
前記モータがロック状態から回転状態に切り換わったと判別された場合には、前記ロック状態用の演算式を用いて演算された前回のスイッチング素子の温度に基づいて、前記回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を演算するとともに、
前記モータが回転状態からロック状態に切り換わったと判別された場合には、前記回転状態用の演算式を用いて演算された前回のスイッチング素子の温度に基づいて、前記回転状態用の演算式を用いて、今回のスイッチング素子の温度を演算し、
演算されたスイッチング素子の温度に応じて、前記スイッチング素子を熱的に保護する制御を行うようにした、建設機械のモータ制御プログラム。
In a program for controlling a motor that drives a construction machine and that is driven by a drive signal given from a switching element,
Determining whether the motor is in a locked state or in a rotating state;
When it is determined that the motor is in the locked state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using the calculation formula for the locked state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. With
When it is determined that the motor is in a rotating state, the temperature of the current switching element is sequentially calculated using a calculation formula for the rotating state based on the temperature of the switching element calculated up to the previous time. ,
When it is determined that the motor has switched from the locked state to the rotating state, the rotational state arithmetic expression is calculated based on the previous switching element temperature calculated using the locked state arithmetic expression. To calculate the temperature of this switching element,
When it is determined that the motor has switched from the rotational state to the locked state, the rotational state arithmetic expression is calculated based on the previous switching element temperature calculated using the rotational state arithmetic expression. To calculate the temperature of this switching element,
A motor control program for a construction machine, which performs control for thermally protecting the switching element in accordance with the calculated temperature of the switching element.
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