JP5174997B1

JP5174997B1 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP5174997B1
Application number: JP2012543410A
Authority: JP
Inventors: 雄一永田; 修也佐野; 弘杉江
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: KR101664643B1; TW201340581A; US20150048772A1; WO2013145267A1; US9310798B2; JPWO2013145267A1; KR20140146618A; CN104221257A; CN104221257B; DE112012006170T5; TWI465029B

Abstract

実施の形態のモータ駆動装置１は、位置指令およびモータの位置検出値に基いて、前記モータを駆動する電流を生成するモータ駆動部と、前記モータのモータコイルの周辺部に設置された温度センサの出力値を位相進み特性とローパス特性を併せ持つフィルタで補正することによりモータコイル周辺温度推定値を算出するモータコイル周辺温度推定部７と、前記電流からモータコイル上昇温度推定値を算出するモータコイル上昇温度推定部６と、前記モータコイル周辺温度推定値と前記モータコイル上昇温度推定値とに基いて前記電流に制限をかけるモータコイル保護部９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルを備える多相モータの駆動装置に関し、特に、モータコイル温度推定機能を備えるモータ駆動装置に関する。

モータおよびモータ駆動装置では、モータコイルに電流を流すことで駆動トルクを発生させるが、モータコイルに大電流を流し続けた場合、モータコイルが発熱して例えば１８０℃以上の高温に達してモータコイルの破損やモータマグネットの減磁などの障害が生じることがあり得る。そのため、モータコイルの温度を測定して、モータコイルに流す電流を制限するなどの保護が必要である。しかしながら、モータコイルに温度センサを直接設置することは物理的に困難であるため、何らかの方法でモータコイル温度を推定する必要がある。

従来のモータ駆動装置のモータコイル温度推定方法では、例えば、特許文献１に記載の通り、モータ周辺に設置した温度センサで検出した温度と、モータ電流の２乗値にゲインを掛けた値の積分値をローパスフィルタに通した値との加算によりモータコイル温度を推定していた。

特開２００５−２０４３５８号公報

しかしながら、上記従来のモータコイル温度推定方法においては、モータコイルからモータ周辺に設置された温度センサまでの熱伝導遅れが考慮されていない。このため、起動直後から温度センサが設置されたモータ周辺部の温度が上昇して定常状態に達するまでの期間、モータコイル温度推定値と実際の値との差である温度推定誤差が大きくなり、十分なモータコイルの保護ができないという課題があった。

また、上記のモータコイル温度推定方法では、モータ電流の２乗値に掛けるゲインとして固定値を用いているが、モータの熱抵抗はモータが組み付けられるフランジ等の装置の構造に依存して変化するため装置によってはモータコイル温度推定誤差が大きくなるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、起動直後の温度センサが設置されたモータ周辺部の温度が低い状態でも、有効なモータコイル保護を作用させるための誤差の少ないモータコイル温度推定方法を用いたモータ駆動装置を提供することを目的とする。

更に、本発明は、モータが組み付けられる装置が変化しても、モータコイル温度推定に用いる定数を簡便に同定することにより、有効なモータコイル保護を作用させるための誤差の少ないモータコイル温度推定方法を用いたモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、位置指令およびモータの位置検出値に基いて、前記モータを駆動する電流を生成するモータ駆動部と、前記モータのモータコイルの周辺部に設置された温度センサの出力値を位相進み特性とローパス特性を併せ持つフィルタで補正することによりモータコイル周辺温度推定値を算出するモータコイル周辺温度推定部と、前記電流からモータコイル上昇温度推定値を算出するモータコイル上昇温度推定部と、前記モータコイル周辺温度推定値と前記モータコイル上昇温度推定値とに基いて前記電流に制限をかけるモータコイル保護部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかるモータ駆動装置は、起動時などにおけるモータコイルの実温度と温度センサが設置されているモータ周辺部の温度差が大きい状態でも、熱伝達遅れが補正され、より精確なモータ周辺温度を推定することができるという効果を奏する。更に、モータ電流から推定されたモータコイル温度上昇推定値と加算することにより精確なモータコイル温度が推定できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１によるモータコイル温度推定方法を備えたモータ駆動装置およびモータの構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態１によるモータ内部におけるモータコイルと温度センサの配置を説明する模式図である。図３−１は、実施の形態１によるモータコイル温度推定部における電流の時系列をプロットしたグラフである。図３−２は、実施の形態１によるモータコイル温度推定部におけるモータコイル推定発熱量の時系列をプロットしたグラフである。図３−３は、実施の形態１によるモータコイル温度推定部における温度センサ検出値の時系列をプロットしたグラフである。図３−４は、実施の形態１によるモータコイル温度推定部におけるモータコイル温度推定値の時系列をプロットしたグラフである。図４は、実施の形態２におけるモータコイル温度推定部の構成を示すブロック図である。図５は、実施の形態３におけるモータコイル温度推定に用いる一次進み補償時定数Ｔ₂の同定方法を説明するためのグラフの模式図である。図６は、実施の形態３におけるモータコイル温度推定に用いる一次進み補償時定数Ｔ₂の同定方法を示すフローチャートである。図７は、実施の形態４におけるモータコイル温度推定に用いる一次進み補償時定数Ｔ₂とモータコイル上昇温度推定係数Ｒ（ゲイン）の同定方法を示すフローチャートである。図８は、実施の形態４におけるモータコイル温度推定に用いる係数の同定方法を説明するためのグラフの模式図である。

以下に、本発明にかかるモータ駆動装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１にかかるモータ駆動装置１のモータコイル温度推定方法について説明する。図１は、この発明の実施の形態１にかかるモータコイル温度推定方法を備えたモータ駆動装置１およびモータ１０１の構成を示すブロック図である。モータ駆動装置１は、位置制御部２、速度制御部３、電流制御部４、モータコイル温度推定部５、およびモータコイル保護部９を備えている。また、モータ駆動装置１によって駆動されるモータ１０１は、モータコイル１０２、位置センサ１０３、温度センサ１０４を備えている。モータ駆動装置１は、位置指令に基づいて電流を制御することによりモータ１０１を駆動する。

モータ駆動装置１において、入力された位置指令とモータ１０１に設置された位置センサ１０３からの位置検出値に基づいて、位置指令部２は速度指令を計算する。引き続き、速度制御部３において、上記速度指令と上記位置検出値から計算される速度検出値とに基づいて電流指令を計算する。次に、電流制御部４において、上記電流指令と図示しない電流センサにより検出される電流検出値とに基づいて電流を制御し、その電流によりモータ１０１を駆動する。

モータ１０１では、モータ駆動装置１で制御された電流がモータコイル１０２に流れて、推力（モータトルク）が発生し、モータ１０１が組み込まれた装置が駆動される。また、モータ１０１の回転角度が位置センサ１０３で位置検出値として、モータコイル温度が温度センサ１０４でモータ周辺温度検出値として検出され、それぞれモータ駆動装置１に出力される。位置検出値およびモータ周辺温度検出値は所定の時間間隔でモータ駆動装置１に出力される。位置検出値およびモータ周辺温度検出値が出力される時間間隔は両者で必ずしも同じでなくてもよいし、出力されるタイミングが同時でなくてもよい。また、時間間隔は必ずしも等間隔でなくても構わない。

図２は、モータ１０１におけるモータコイル１０２と温度センサ１０４の配置を説明する模式図である。検出すべき温度はモータコイル１０２の温度であるが、構造的にモータコイル１０２の近傍に温度センサ１０４を設置することが困難であるため、一般的に温度センサ１０４は、位置センサ（エンコーダ）１０３などモータ周辺部に設置される場合が多い。モータ駆動装置１により制御される電流によりモータコイル１０２が発熱するが、モータコイル１０２の温度が温度センサ１０４に伝わるまでには熱伝達遅れがある。

モータ駆動装置１に含まれるモータコイル温度推定部５によって実施される、熱伝達遅れを考慮したモータコイル温度推定について説明する。

モータコイル１０２の上昇温度ΔＴは、下記の式（１）に示すように、単位時間当たりの発熱量ｈと単位時間当たりの放熱量ｃとの差を積分した値を熱容量Ｃで割った値となる。

ここで、モータ１０１の場合、単位時間当たりの発熱量ｈは電流の二乗に比例し、単位時間当たりの放熱量ｃはモータコイル１０２近傍の温度と周辺温度（外気温）との差に比例する。また、熱容量Ｃにはモータ単体だけではなく、モータ１０１が取り付けられるフランジ等の装置側の構造部材が含まれるため、装置によってその値が変化する。従って、上記の式（１）で示されるモータコイル１０２の温度上昇モデルのパラメータを精確に同定することは非常に困難であり、また、温度上昇のための演算量も多大なものとなる。そこで、モータコイル温度上昇ΔＴを、下記の式（２）で示される一次遅れで近似する。

ここで、Ｒは熱容量Ｃや発熱量ｈに含まれる定数をまとめて近似したゲインであり、Ｔ₁は一次遅れフィルタの時定数、ｓはラプラス演算子、ｉはモータコイル１０２に流れる電流である。これにより、フィードフォワードでモータコイル温度上昇分が推定され、より応答遅れの少ないモータコイル温度推定ができる。なお、上記式（２）では一次遅れフィルタにより、電流の二乗和を近似しているが、他の演算手法として、電流の二乗値を移動平均フィルタで処理することでも、同様な効果を得ることができる。

次にモータコイル周辺温度の推定について説明する。図２に示すように、モータコイル１０２と温度センサ１０４の間には熱抵抗があり、熱伝達遅延が存在する。そのため、特に起動時にはモータコイル１０２の周辺温度と、温度センサ１０４で検出される温度の差が大きくなる。そこで、下記の式（３）で示すように、一次進み補償により熱伝達遅延を補正する。

ここで、Ｔ_Eavはモータコイル周辺温度推定値、Ｔ₂は一次進み補償時定数、Ｔ₃は２次ローパスフィルタ時定数、ｓはラプラス演算子、Ｔ_Eは温度センサ検出値である。なお、上記式（３）ではノイズ等の影響を除去するための平滑処理のため２次ローパスフィルタを使用しているが、移動平均フィルタなどの他のローパスフィルタを用いても同様な効果を得ることができる。また、分子の位相進み補償についても、２次以上のフィルタを用いても同様な効果を得ることができる。

モータ駆動装置１に含まれるモータコイル温度推定部５において、モータコイル上昇温度推定部６で上記式（２）を用いて計算されるモータコイル上昇温度推定値ΔＴと、モータコイル周辺温度推定部７で上記式（３）を用いて計算されるモータコイル周辺温度推定値Ｔ_Eavを、加算器８で下記の式（４）のように加算してモータコイル温度推定値Ｔ_Mを算出して出力する。算出されたモータコイル温度推定値Ｔ_Mはモータコイル保護部９に送られて、モータコイル保護部９はモータコイル温度推定値Ｔ_Mに基いて電流制御部４が流す電流に制限をかける等してモータコイル１０２に流れる電流を制御する。

上記式（４）で示される、電流ｉ、モータコイル推定発熱量ΔＴ、温度センサ検出値Ｔ_E、およびモータコイル温度推定値Ｔ_Mのそれぞれについて、それらを時系列でプロットしたグラフの模式図である図３−１〜図３−４を用いて説明する。図３−１は、モータコイル１０２に流れる電流ｉの時系列グラフである。これを二乗してゲインを掛けたもの（Ｒ・Ｐ＝Ｒ・ｉ²）の時系列グラフが図３−２である。これをローパスフィルタで平滑処理したものが図３−４の中のモータコイル推定発熱量ΔＴ＝Ｒ・Ｐ_avである。また、図３−３が温度センサ検出値Ｔ_Eの時系列グラフである。これを平滑化処理したものが図３−４の中のＴ_eavであり、一次進み補償分が図３−４の中のＴ_ofである。平滑化処理しただけのＴ_eavは起動時の値が低くなっているが、一次進み補償分Ｔ_ofを加算することで、熱伝達遅れを補正することができる。モータコイル推定発熱量ΔＴと一次進み補償を含むモータコイル周辺温度推定値Ｔ_Eavとを加算することで、起動を含む常時にわたり、高精度にモータコイル温度を推定することが可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、モータ周辺部に設置された温度センサ出力値を一次進み特性とローパス特性を併せ持つフィルタで補正してモータ周辺温度推定値としているため、起動時などにおけるモータコイル１０２の実温度と温度センサ１０４が設置されているモータ周辺部の温度差が大きい状態でも、熱伝達遅れが補正され、より精確なモータ周辺温度を推定することができる。更に、モータ電流から推定されたモータコイル温度上昇推定値と加算することにより精確なモータコイル温度が推定できる。更に、モータ周辺温度推定部７で用いるフィルタとして、一次進みフィルタと２次ローパスフィルタを組み合わせた２次フィルタを用いた場合、モータコイル１０２からモータ周辺部への熱伝導遅れを少ない計算量で補正しつつ、ノイズの影響を抑制した高精度なモータコイル温度推定ができる。

従って、起動時においてもモータコイル温度推定誤差を抑制してモータコイル過熱保護機能を有効な状態に保ち、また、モータが組み込まれる装置が変わってもモータコイル温度推定誤差が大きくならず、常にモータコイル過熱保護を有効に保つことが可能となる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２にかかるモータコイル温度推定方法を備えたモータ駆動装置のモータコイル温度推定部１５を示すブロック図である。本実施の形態においては、図１のモータコイル温度推定部５が図４のモータコイル温度推定部１５に置き換わるが、他の部分は実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

モータコイル温度推定部１５は、モータコイル上昇温度推定部１６、モータコイル周辺温度推定部１７、および加算器１８を備える。モータコイル上昇温度推定部１６は、実施の形態１のモータコイル上昇温度推定部６と同じである。モータコイル周辺温度推定部１７は、温度センサ検出値の前回値（前回の値：最新の値の１つ前の値）と今回値（今回の値：最新の値）を比較する温度比較部１９、前回温度保存部２０、一次進み補償部２１、および平滑処理部２２を備える。

実施の形態２によるモータコイル周辺温度推定部１７においては、温度センサ検出値の前回値を前回温度保存部２０に保存しておき、温度比較部１９において温度センサ検出値の前回値と今回値を比較して、その差が所定の値以上の場合には一次進み補償部２１における時定数Ｔ₂を有効とし、温度センサ検出値の前回値と今回値の差が所定の値未満の場合は一次進み補償部２１における時定数Ｔ₂をゼロとする。無効時を含めて一次進み補償部２１で処理された温度センサ検出値は平滑処理部２２でモータコイル周辺推定値Ｔ_Eavとして平滑処理された後、加算器１８で、モータコイル上昇温度推定部１６で推定されたモータコイル上昇温度推定値ΔＴと加算されてモータコイル推定温度Ｔ_Mとして出力される。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、モータ周辺温度推定部１７で用いるフィルタとして、温度センサ１０４の前回値と今回値から計算される温度上昇値が所定の値以上の場合は位相進み特性を持たせ、所定の値未満の場合は位相進み特性を無いものとしている。このため、起動時などのモータコイル１０２と温度センサ１０４が設置されたモータ周辺部との温度差が大きい状態では、モータコイル１０２からモータ周辺部への熱伝達遅れを補正し、モータコイル１０２とモータ周辺部の温度差が小さい定常状態では補正を無くしてノイズなどの影響を排除することで、より精確なモータコイル温度推測が可能になる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における、モータコイル温度推定に用いるパラメータ同定方法を説明するためのグラフの模式図である。温度センサ検出値Ｔ_Eは応答遅れを持ち、かつ、ノイズを含んでいる。温度センサ検出値Ｔ_Eを平滑処理した平滑後温度センサ検出値Ｔ_eavは更に応答遅れが大きくなる。そこで、実施の形態１によるモータコイル周辺温度推定部７における一次進み補償によって応答遅れを改善する。但し、一次進み補償の時定数Ｔ₂を適切に設定しないと、補償不足や過補償によりモータコイル周辺温度推定誤差が大きくなる。

図６は、一次進み補償時定数Ｔ₂の同定方法を示すフローチャートである。このフローチャートに従って一次進み補償時定数Ｔ₂の同定方法を説明する。まず、所定の加速度での加減速繰り返し動作を一定時間連続して実施する（ステップＳ１）。そして、その間の温度センサ検出値Ｔ_Eの時系列パターンを記録する（ステップＳ２）。続いて、記録した温度センサ検出値Ｔ_Eの時系列パターンを平滑処理する（ローパス特性をかける）（ステップＳ３）。最後に、最小二乗法により、温度センサ検出値Ｔ_Eの時系列パターンと上記平滑処理後のデータに一次進み補償を含ませたモータコイル周辺温度推定値Ｔ_Eavの時系列パターンとの差の二乗和が最小となる一次進み補償時定数Ｔ₂を同定する（ステップＳ４）。なお、モータコイル温度推定方法は、実施の形態１あるいは実施の形態２と同じであるため、説明を省略する。

以上のように、この発明の実施の形態３によれば、所定の速度パターンでモータ１０１を駆動した場合のモータ周辺部に設置された温度センサ１０４の温度センサ検出値から、モータコイル周辺温度推定部７で一次進み補償に用いる係数を同定する機能を有している。このため、特性の異なる様々な装置にモータ１０１を取り付けた場合でも、それぞれの特性に応じた係数を同定して用いることで高精度なモータコイル温度推定が可能となる。

実施の形態４．
図７は、モータコイル温度推定部で用いる定数の同定方法を示すフローチャートである。このフローチャートに従って定数の同定方法を説明する。まず、電流の平均値が所定の値となるように定めた加速度での加減速繰り返し動作を一定時間連続して実施する（ステップＳ１１）。その間の電流ｉと温度センサ検出値Ｔ_Eの時系列パターンを記録する（ステップＳ１２）。続いて、記録した温度センサ検出値Ｔ_Eの時系列パターンを平滑処理する（ローパス特性をかける）（ステップＳ１３）。そして、最小二乗法により温度センサ検出値Ｔ_Eの時系列パターンと上記平滑処理後のデータに一次進み補償を含ませたモータコイル周辺温度推定値Ｔ_Eavの時系列パターンとの差の二乗和が最小となる一次進み補償時定数Ｔ₂を同定する（ステップＳ１４）。引き続いて、同定したＴ₂を用いて一次進み補償を実施したモータコイル周辺温度推定値と、予めモータを取り付けるフランジを変えて計測しておいた複数のモータコイル周辺温度モデルを比較し、最も近いモデルにおいて予め同定しておいたモータコイル上昇温度推定に用いる上記式（２）の係数Ｒ（ゲイン）を採用する(ステップＳ１５）。なお、モータコイル温度推定方法は、実施の形態１あるいは実施の形態２と同じであるため、説明を省略する。

図８に、ほぼ同一の平均電流で連続駆動した場合における、温度センサ検出値Ｔ_Eと、予めモータを取り付けるフランジを変えて計測した複数の温度センサ検出値のモデル値を示すグラフを示す。同じ電流でも、フランジを含む熱容量が異なるため温度上昇のカーブが異なる。従って、実際の装置における温度センサ検出値と近いモデルが、近い熱容量を持つものと考えられる。予めモデルカーブを計測する時に、同時に熱電対などを用いてモータコイル温度を実測しておき、モータコイル上昇温度推定部６で用いる係数Ｒを同定しておけば、実際の装置と近い熱容量を持つモデルの係数Ｒを採用することで、実際の装置においてもより高精度なモータコイル上昇温度を推定することが可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態４によれば、所定の速度パターンでモータ１０１を駆動した場合のモータ電流とモータ周辺部に設置された温度センサ検出値から、モータコイル上昇温度推定部６でモータ電流の二乗値に積算する係数を同定する機能を有しているため、熱抵抗の異なる様々な装置にモータ取り付けられた場合でも、それぞれの熱抵抗に応じた係数を同定して用いることで高精度なモータコイル温度推定ができる。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動装置は、モータコイル温度推定機能を備えるモータ駆動装置に有用であり、特に、モータコイル温度推定値に基づくモータコイル過熱保護機能を備えるモータ駆動装置に適している。

１モータ駆動装置
２位置制御部
３速度制御部
４電流制御部
５，１５モータコイル温度推定部
６，１６モータコイル上昇温度推定部
７，１７モータコイル周辺温度推定部
８，１８加算器
９モータコイル保護部
１９温度比較部
２０前回温度保存部
２１一次進み補償部
２２平滑処理部
１０１モータ
１０２モータコイル
１０３位置センサ
１０４温度センサ
Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ１１〜Ｓ１５ステップ

Claims

位置指令およびモータの位置検出値に基いて、前記モータを駆動する電流を生成するモータ駆動部と、
前記モータのモータコイルの周辺部に設置された温度センサの出力値を位相進み特性とローパス特性を併せ持つフィルタで補正することによりモータコイル周辺温度推定値を算出するモータコイル周辺温度推定部と、
前記電流からモータコイル上昇温度推定値を算出するモータコイル上昇温度推定部と、
前記モータコイル周辺温度推定値と前記モータコイル上昇温度推定値とに基いて前記電流に制限をかけるモータコイル保護部と、
を備えたモータ駆動装置において、
前記モータコイル周辺温度推定部は、前記温度センサの出力値とその１つ前の出力値とから計算される温度上昇値が所定の値より大きい場合は前記フィルタに前記位相進み特性を持たせるようにし、所定の値より小さい場合は前記フィルタに前記位相進み特性を持たせない
ことを特徴とするモータ駆動装置。
前記モータコイル周辺温度推定部は、所定の加減速パターンで前記モータを駆動した場合の前記温度センサの出力値の時系列パターンおよび当該時系列パターンに前記ローパス特性をかけて得られた時系列パターンに基いて、前記位相進み特性で用いる係数を決定する
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記モータコイル上昇温度推定部は、前記電流の二乗値に所定のゲインを積算した値をローパスフィルタで補正することにより前記モータコイル上昇温度推定値を算出し、所定の加減速パターンで前記モータを駆動した場合の前記温度センサの出力値および前記電流の時系列パターンに基いて前記ゲインを決定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
前記モータコイル上昇温度推定部は、
前記電流の二乗値に所定のゲインを積算した値をローパスフィルタで補正することにより前記モータコイル上昇温度推定値を算出し、
決定された前記係数を用いて得られた前記モータコイル周辺温度推定値と、前記所定の加減速パターンで前記モータを駆動した場合の前記温度センサの出力値および前記電流の時系列パターンと、に基いて前記ゲインを決定する
ことを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。