JP5193012B2 - 電動機の温度推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の温度推定装置に関する。

従来、例えば演算周期毎に電流推定装置により推定されたモータ電流の２乗積算をおこない、モータ電流の２乗積算値と雰囲気温度とを含む演算式に基づき、モータ温度を推定するモータ温度推定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２２９４９１号公報

ところで、上記従来技術に係るモータ温度推定装置においては、例えばシステムの再起動時などにおいて、運転再開時の巻線温度が周囲温度に比べて高い場合がある。この場合には、実際の巻線温度と推定巻線温度との差異が大きくなり、例えば推定巻線温度が所定許容上限温度以下であっても、実際の巻線温度は所定許容上限温度を超えてしまう虞があり、モータを適切に保護することができないという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動機の温度推定を適切におこなうことが可能な電動機の温度推定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係る電動機の温度推定装置は、前記電動機の巻線に係る熱抵抗（例えば、実施の形態での熱抵抗Ｒθ）および熱時定数（例えば、実施の形態での熱時定数τθ）をシステム同定により演算する演算手段（例えば、実施の形態での巻線温度推定部４７）と、前記システム同定により演算された前記熱抵抗および前記熱時定数に基づき巻線温度（例えば、実施の形態での巻線温度θｍ）の温度上昇推定値（例えば、実施の形態での巻線温度上昇Δθｍ）を演算する温度上昇推定手段（例えば、実施の形態での巻線温度推定部４７が兼ねる）と、前記温度上昇推定値と周囲温度とに基づき前記巻線温度を演算する巻線温度演算手段（例えば、実施の形態での巻線温度推定部４７が兼ねる）とを備える。

さらに、前記電動機の停止状態において巻線抵抗（例えば、実施の形態での巻線抵抗Ｒｍ（θ））を推定する巻線抵抗推定手段（例えば、実施の形態での巻線温度推定部４７が兼ねる）と、前記巻線抵抗推定手段により推定された前記巻線抵抗に基づき前記巻線温度を推定する巻線温度推定手段（例えば、実施の形態での巻線温度推定部４７が兼ねる）と、前記巻線温度推定手段により推定された前記巻線温度と前記周囲温度との温度差を、前記巻線温度の温度上昇推定値とする温度上昇演算手段と、前記電動機の停止状態における通電時に、前記巻線温度の温度上昇推定値の値を、前記温度上昇推定手段によって演算された前記温度上昇推定値の値から、前記温度上昇演算手段によって演算される前記温度上昇推定値の値に更新する再設定手段（例えば、実施の形態での巻線温度推定部４７が兼ねる）とを備える。

本発明に係る電動機の温度推定装置によれば、システム同定により演算した熱抵抗および熱時定数を用いて巻線温度の温度上昇推定値を演算することで、巻線温度の推定精度を向上させることができる。
さらに、電動機を備えるシステムの起動時を含む電動機の停止状態における通電時に、巻線温度の温度上昇推定値の値を、温度上昇推定手段によって演算された温度上昇推定値の値から、温度上昇演算手段によって演算される温度上昇推定値の値に更新することにより、巻線温度の推定精度を、より一層、向上させることができる。

以下、本発明の電動機の温度推定装置の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態による電動機の温度推定装置１０（以下、単に、温度推定装置１０と呼ぶ）は、例えば３相交流のブラシレスＤＣモータ１１（以下、単に、モータ１１と呼ぶ）のステータ巻線の巻線温度を推定し、このモータ１１は、界磁に利用する永久磁石を有するロータ（図示略）と、このロータを回転させる回転磁界を発生するステータ（図示略）とを備えて構成されている。
温度推定装置１０は、例えば図１に示すように、バッテリ（図示略）を直流電源とするインバータ１２と、モータ制御装置１３とを備えて構成されている。

この３相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相）交流のモータ１１の駆動はモータ制御装置１３から出力される制御指令を受けてインバータ１２によりおこなわれる。
インバータ１２は、スイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor）を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路と平滑コンデンサとを具備し、このブリッジ回路がパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号によって駆動される。

インバータ１２は、例えばモータ１１の駆動時等においてモータ制御装置１３から出力されて各トランジスタのゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）に基づき、各相毎に対をなす各トランジスタのオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り替えることによって、バッテリから供給される直流電力を３相交流電力に変換し、３相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、各相のステータ巻線に交流のＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを通電する。

モータ制御装置１３は、後述するように、回転直交座標をなすｄ−ｑ座標上で電流のフィードバック制御（ベクトル制御）を行うものであり、指令ｄ軸電流Ｉｄｃ及び指令ｑ軸電流Ｉｑｃを演算し、指令ｄ軸電流Ｉｄｃ及び指令ｑ軸電流Ｉｑｃに基づいて各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出し、各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに応じてインバータ１２に対するゲート信号であるＰＷＭ信号を出力する。そして、実際にインバータ１２からモータ１１に供給される各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをｄ−ｑ座標上に変換して得たｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、指令ｄ軸電流Ｉｄｃ及び指令ｑ軸電流Ｉｑｃとの各偏差がゼロとなるように制御をおこなう。

モータ制御装置１３は、例えば相電流センサＩ／Ｆ（インターフェース）２１と、制御装置２２と、ＰＷＭ信号生成部２３とを備えて構成されている。
相電流センサＩ／Ｆ（インターフェース）２１は、インバータ１２のブリッジ回路とモータ１１との間において、３相の各相電流のうち少なくとも何れか２相の各相電流（例えば、Ｕ相電流およびＶ相電流）を検出する各相電流センサ３２に接続され、各相電流センサ３２から出力される検出信号を制御装置２２に出力する。

制御装置２２は、角度センサ３１から出力されるモータ１１の回転角（所定の基準回転位置からのロータの磁極の回転角度）ａｍに基づき、モータ１１の回転直交座標のｄ−ｑ座標上で電流のフィードバック制御（ベクトル制御）をおこなう。
制御装置２２は、指令ｄ軸電流Ｉｄｃ及び指令ｑ軸電流Ｉｑｃを生成し、指令ｄ軸電流Ｉｄｃ及び指令ｑ軸電流Ｉｑｃに基づいて各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出し、ＰＷＭ信号生成部２３に出力する。
また、制御装置２２は、各相電流センサ３２から出力される検出信号に応じた各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをｄ−ｑ座標上に変換して得たｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、指令ｄ軸電流Ｉｄｃ及び指令ｑ軸電流Ｉｑｃとの各偏差がゼロとなるように電流のフィードバック制御（ベクトル制御）をおこなう。
なお、この制御装置２２の動作の詳細は後述する。

ＰＷＭ信号生成部２３は、正弦波状の電流を３相のステータ巻線に通電するために、各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、三角波などのキャリア信号とを比較して、インバータ１２の各トランジスタをオン／オフ駆動させるゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）を生成する。そして、インバータ１２において３相の各相毎に対をなす各トランジスタのオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り替えることによって、バッテリから供給される直流電力を３相交流電力に変換し、３相のモータ１１の各ステータ巻線への通電を順次転流させることで、各ステータ巻線に交流のＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを通電する。

制御装置２２は、例えば速度制御部４１と、指令電流生成部４２と、電流制御部４３と、ｄｑ−３相変換部４４と、３相−ｄｑ変換部４５と、回転速度演算部４６と、巻線温度推定部４７とを備えて構成されている。

速度制御部４１は、外部から入力される回転速度指令値ωｒｃに基づき、例えば回転速度演算部４６から出力される回転速度ωｍに応じたクローズループ制御により、トルク指令Ｔｃを演算する。そして、トルク指令Ｔｃを出力する。
なお、制御装置２２は、この速度制御部４１の代わりにトルク制御部を備え、トルク制御部によりトルク制御を実行してもよい。

指令電流生成部４２は、速度制御部４１から出力されるトルク指令Ｔｃに基づき指令ｑ軸電流Ｉｑｃおよび指令ｄ軸電流Ｉｄｃを演算する。
なお、指令電流生成部４２は、モータ１１を備えるシステムの起動時を含むモータ１１の停止状態において、無負荷状態でモータ１１に通電される電流がゼロあるいは微弱である場合には、巻線温度θｍの推定用にモータ１１の回転に寄与しないｄ軸電流Ｉｄを通電するようにして、指令ｄ軸電流Ｉｄｃを設定する。このとき、例えば下記数式（１）に示すように、トルク指令Ｔｃおよび指令ｄ軸電流Ｉｄｃと、モータ１１の極対数ｑと、永久磁石の磁束成分φと、ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑとに基づき、指令ｑ軸電流Ｉｑｃを演算する。

電流制御部４３は、指令電流生成部４２から出力される指令ｄ軸電流Ｉｄｃと３相−ｄｑ変換部４５から出力されるｄ軸電流Ｉｄとの偏差ΔＩｄを算出し、指令電流生成部４２から出力される指令ｑ軸電流Ｉｑｃと３相−ｄｑ変換部４５から出力されるｑ軸電流Ｉｑとの偏差ΔＩｑを算出する。そして、例えばＰＩ（比例・積分）動作などにより、偏差ΔＩｄを制御増幅してｄ軸電圧指令値Ｖｄを算出し、偏差ΔＩｑを制御増幅してｑ軸電圧指令値Ｖｑを算出する。そして、ｄ軸電圧指令値Ｖｄおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑを出力する。

ｄｑ−３相変換部４４は、角度センサ３１から出力されるモータ１１の回転角ａｍにより、ｄ−ｑ座標上でのｄ軸電圧指令値Ｖｄおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑを、静止座標である３相交流座標上での電圧指令値であるＵ相電圧指令ＶｕおよびＶ相電圧指令ＶｖおよびＷ相電圧指令Ｖｗに変換する。
３相−ｄｑ変換部４５は、相電流センサＩ／Ｆ（インターフェース）２１から出力される各相電流Ｉｕ，Ｉｖの検出信号に基づき、同一タイミングでの各相電流の電流値の総和はゼロであることを用いて、２相の相電流（例えば、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ）の電流値から、他の１相の相電流（例えば、Ｗ相電流Ｉｗ）の電流値を算出する。そして、角度センサ３１から出力されるモータ１１の回転角ａｍにより、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、ｄ−ｑ座標上でのｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する。

回転速度演算部４６は、角度センサ３１から出力されるモータ１１の回転角ａｍに基づき、回転速度ωｍを算出する。

巻線温度推定部４７は、熱抵抗および熱時定数を用いた温度上昇演算式をモデルとしてシステム同定をおこなう。そして、システム同定により同定した熱抵抗および熱時定数に基づき、巻線温度上昇を推定し、周囲温度と巻線温度上昇とにより巻線温度を演算する。また、温度上昇演算式で用いる巻線抵抗を、巻線温度の推定値を反映した温度係数を用いた抵抗演算式により演算する。
また、巻線温度推定部４７は、モータ１１を備えるシステムの起動時を含むモータ１１の停止状態において、モータ１１に通電される電流および電圧に基づき巻線抵抗を推定し、さらに、この巻線抵抗の推定値に基づき巻線温度を推定する。そして、巻線温度の推定値と周囲温度との温度差を巻線温度上昇として設定することで、巻線温度上昇をリセットする。

先ず、以下に、モータ１１の巻線温度θｍの温度上昇演算式について説明する。
モータ１１のステータ巻線での発熱による巻線温度上昇Δθｍは、最終温度差Δθｓａｔと、熱抵抗Ｒθと、熱容量Ｃθと、熱量Ｉθと、時間ｔとに基づき、例えば下記数式（２）に示すように記述される。
下記数式（２）において、熱量Ｉθは、巻線損失に相当することから、モータ電流Ｉｍと、巻線抵抗Ｒｍ（θ）と、常温（例えば、２０℃）での巻線抵抗Ｒｍ２０と、巻線温度θｍとに基づき、例えば下記数式（３）に示すように記述される。
また、モータ電流Ｉｍは、例えば下記数式（４）に示すように記述される。なお、モータ電流Ｉｍは、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づいて記述されてもよい。

上記数式（２）〜（４）に基づき、巻線温度上昇Δθｍは、例えば下記数式（５）に示すように記述される。

次に、システム同定により熱抵抗Ｒθおよび熱時定数τθを同定する処理について説明する。
システム同定で用いる入力ｕおよび出力ｙは、例えば下記数式（６）に示すように記述される。下記数式（６）において、入力ｕは熱量に相当し、モータ１１の巻線損失と等価である。また、出力ｙは温度差である。そして、下記数式（６）を伝達関数で表すと、ラプラス演算子ｓにより、下記数式（７）に示すように記述される。そして、システム同定により、熱抵抗Ｒθと、熱時定数τθとを演算する。
なお、このシステム同定は、モータ１１の駆動制御に対してオフラインで実行され、例えば予測誤差法や最小二乗法などによりおこなわれる。例えば図２（Ａ）には予測誤差法により得られた温度差Δθａと実際に測定して得た温度差Δθｂとを比較して示し、例えば図２（Ｂ）には最小二乗法により得られた温度差Δθｃと実際に測定して得た温度差Δθｂとを比較して示した。

次に、巻線温度θｍの推定処理について説明する。
上記数式（６）を離散化して得たモデル式は、キャリア信号の周期Ｔｓと任意の自然数ｎとにより、例えば下記数式（８）に示すように記述される。下記数式（８）において、巻線抵抗Ｒｍ（θ）は、巻線温度θｍの推定値を反映した温度係数を用いた抵抗演算式により算出される。なお、巻線抵抗Ｒｍ（θ）は、安全性が考慮されて、例えば予め想定される巻線温度の最高温度での抵抗値などの固定値であってもよい。

そして、巻線温度θｍは、例えば下記数式（９）に示すように、上記数式（８）に基づき推定された巻線温度上昇Δθｍと、モータ１１周辺の周囲温度θａとにより記述される。
なお、モータ１１周辺の周囲温度θａは、例えばモータ１１周囲に設けられたサーミスタなどの温度センサにより検出されてもよいし、あるいは、例えば適宜の箇所に設けられたサーミスタなどの温度センサにより検出された温度に基づく所定マップのマップ検索などにより演算されてもよい。

次に、モータ１１を備えるシステムの起動時を含むモータ１１の停止状態での巻線温度θｍの推定処理について説明する。
上記数式（３）に基づき、巻線抵抗Ｒｍ（θ）は、例えば下記数式（１０）に示すように記述される。

上記数式（１０）に基づき、巻線温度θｍは、例えば下記数式（１１）に示すように記述される。

そして、上記数式（１１）に基づき、例えば下記数式（１２）に示すように、巻線温度上昇Δθｍを再設定する。

なお、巻線抵抗Ｒｍ（θ）は、例えば、下記数式（１３）あるいは下記数式（１４）あるいは下記数式（１５）の何れかにより演算される。そして、モータ１１の回転に寄与しない程度の大きさの電流を設定する。例えばモータ１１が無負荷であれば、推定可能な大きさのｄ軸電流Ｉｄのみを設定する。一方、負荷がある場合には、この負荷に相当する（釣り合う）電流を設定する。また、負荷に相当する電流が小さい場合には、ｄ軸電流Ｉｄの大きさを増大させて、巻線抵抗Ｒｍ（θ）の推定を可能とする。

上述したように、本実施形態による電動機の温度推定装置１０によれば、システム同定により演算した熱抵抗Ｒθおよび熱時定数熱時定数τθを用いて巻線温度巻線温度θｍの巻線温度上昇Δθｍを演算することで、巻線温度θｍの推定精度を向上させることができる。
さらに、モータ１１を備えるシステムの起動時を含むモータ１１の停止状態において、巻線抵抗Ｒｍ（θ）および巻線温度θｍを推定し、この巻線温度θｍと周囲温度θａとの温度差を、巻線温度上昇Δθｍとして設定することで、巻線温度上昇Δθｍをリセットすることにより、巻線温度θｍの推定精度を、より一層、向上させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、モータ１１の電気的回路定数を用いた各種制御を実行する場合、例えば角度センサ３１を省略して磁極位置推定部（図示略）を備え、この磁極位置推定部によりモータ１１の磁極位置を推定する場合などにおいては、巻線温度推定部４７により推定した巻線温度θｍに応じてモータ１１の電気的回路定数を変更することで、各種制御の信頼性を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、各相電流センサ３２の代わりに、インバータ１２のブリッジ回路とバッテリの負極側端子あるいは正極側端子との間においてインバータ１２のブリッジ回路の直流側電流を検出する直流側電流センサを設けてもよい。この場合には、直流側電流センサから出力される検出信号と、ＰＷＭ信号生成部２３からインバータ１２に入力されるゲート信号とに基づき各相電流を推定し、各相電流の推定値を３相−ｄｑ変換部４５に入力する。

なお、上述した実施の形態において、システム同定でのモデルは、１次式に限らず、２次式などの高次式であってもよい。
なお、上述した実施の形態において、モータ１１は、例えば３相交流のブラシレスＤＣモータに限定されず、他の種類のモータであってもよい。

本発明の実施形態に係る電動機の温度推定装置の構成図である。 図２（Ａ）は予測誤差法により得られた温度差Δθａと実際に測定して得た温度差Δθｂとを比較して示すグラフ図の一例であり、図２（Ｂ）は最小二乗法により得られた温度差Δθｃと実際に測定して得た温度差Δθｂとを比較して示すグラフ図の一例である。

符号の説明

１０ 電動機の温度推定装置
１１ モータ
１２ インバータ
２２ 制御装置
２３ ＰＷＭ信号生成部
４７ 巻線温度推定部（演算手段、温度上昇推定手段、巻線温度演算手段、巻線抵抗推定手段、巻線温度推定手段、再設定手段）

Claims (1)

1. 電動機の巻線に係る熱抵抗および熱時定数をシステム同定により演算する演算手段と、
   前記システム同定により演算された前記熱抵抗および前記熱時定数に基づき巻線温度の温度上昇推定値を演算する温度上昇推定手段と、
   前記温度上昇推定値と周囲温度とに基づき前記巻線温度を演算する巻線温度演算手段と、
   前記電動機の停止状態において巻線抵抗を推定する巻線抵抗推定手段と、
   前記巻線抵抗推定手段により推定された前記巻線抵抗に基づき前記巻線温度を推定する巻線温度推定手段と、
   前記巻線温度推定手段により推定された前記巻線温度と前記周囲温度との温度差を、前記巻線温度の温度上昇推定値とする温度上昇演算手段と、
   前記電動機の停止状態における通電時に、前記巻線温度の温度上昇推定値の値を、前記温度上昇推定手段によって演算された前記温度上昇推定値の値から、前記温度上昇演算手段によって演算される前記温度上昇推定値の値に更新する再設定手段と、
   を備えることを特徴とする電動機の温度推定装置。

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