JP6129260B2 - 通電装置、電動機制御装置、通電方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば電動機への通電制御を行う電動機制御装置、等からなる負荷に通電制御を行う通電装置、およびその通電方法に関する。

近年、自動車の燃費規制が進んでおり、自動車機能の一部または全部を電動化した電動化車両が増加している。この電動化車両においては、電動機の出力を駆動力の一部または全部としている。しかしながら一般的に電動機や、電動機制御装置、具体的にはインバータ装置には温度制約があり、出力可能な駆動力が制限される。即ち、ある通電時間を想定した場合、出力可能なトルク等の大きさの上限は温度で制約される。また、あるトルクを想定した場合、その出力可能な最大時間は温度で制約される。

下記特許文献１には、現在出力しているトルクの出力可能な残り時間を算出すること等により、温度制約を考慮しながら、ドライバーが違和感なく運転操作を行える車両制御を可能にした電動車両の制御装置が開示されている。

特開２００３−１３４６０９号公報

しかし、上記特許文献１では、出力可能時間の算出に必要な温度上昇特性について、冷却条件や雰囲気温度といった周囲状態についての考慮がされていない。例えば、自動車に電動機と電動機制御装置を搭載する場合、自動車の運転速度によって、走行風の風速が変化するため、自動車に搭載された電動機や電動機制御装置の冷却条件が変化する。この場合、電動機や電動機制御装置の温度上昇特性は冷却条件によって変化する。この冷却条件による温度上昇特性の変化を考慮しなければ、例えばトルクの出力可能時間の算出値にずれが生じ、適切な車両制御を行うことができない。

この発明は、接続された負荷に対して通電制御を行う通電装置であって、通電信号により通電を行う通電素子を含む通電器と、前記通電信号を生成する通電信号生成器と、温度検出部の信号から前記通電装置および前記負荷の少なくとも１つの部位の温度を求める温度算出器と、前記少なくとも１つの部位についての、前記温度、許容温度、通電時の温度上昇特性に基づき、前記通電装置の通電時間に対する、前記通電装置または前記負荷の実現可能な状態量である実現可能量および前記通電装置または前記負荷の前記状態量に対する実現可能時間、の少なくとも一方を推定算出する実現可能量算出器を備え、前記実現可能量算出器において、前記通電装置および前記負荷に関する少なくとも１つの前記部位についての、前記通電時の温度上昇特性は、前記通電信号のオン時間、オフ時間の少なくとも１つと、前記部位の周囲状態を含めて算出する、通電装置等にある。

さらに上記特許文献１では、考慮している温度が電動機についてのみであるため、電動機よりも電動機制御装置内のＭＯＳＦＥＴ等の通電素子の温度上昇によって、出力可能時間が制約される場合には、特許文献１の技術は適用できない。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、負荷やこの負荷への通電制御を行う通電装置の周囲状態、通電量、通電時間等に基づき、温度制約下で適切に制御を実施する、例えば電動機制御装置等からなる通電装置およびその通電方法を得ることを目的とする。

この発明は、接続された負荷に対して通電制御を行う通電装置であって、温度検出部の信号から前記通電装置および前記負荷の少なくとも１つの部位の温度を求める温度算出器と、前記少なくとも１つの部位についての、前記温度、許容温度、通電時の温度上昇特性に基づき、前記通電装置の通電時間に対する、前記通電装置または前記負荷の実現可能な状態量である実現可能量および前記通電装置または前記負荷の前記状態量に対する実現可能時間、の少なくとも一方を推定算出する実現可能量算出器を備え、前記実現可能量算出器において、前記通電装置および前記負荷に関する少なくとも１つの前記部位についての、前記通電時の温度上昇特性は、前記部位の周囲状態を含めて算出する、通電装置等にある。

この発明では、負荷やこの負荷への通電制御を行う通電装置の周囲状態、通電量、通電時間等に基づき、温度制約下で適切に制御を実施できる。

この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置とその負荷の電動機を示す図である。 図１の通電器の概略構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置でのＰＷＭ動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置における温度上昇特性の一例の模式図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の実現可能量算出器の実現可能時間を算出する部分の概略構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の実現可能量算出器の実現可能量を算出する部分の概略構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の構成の具体的一例を示す図である。

この発明では、冷却条件や雰囲気温度といった周囲状態の変化、また電動機のみならず通電装置の部位の温度上昇特性も含めた温度制約の範囲内で、例えば現時点で出力している電流が残りどれだけの時間出力可能か、または与えられた通電時間に対して出力可能なトルクはいくらか、を考慮して適切に通電を行うことにより、例えば自動車に適用した場合には、温度制約の範囲内で自動車の車両制御をより適切に行うことができる。
この発明では、通電装置の部位、または通電装置に接続された負荷の部位の温度上昇特性を適切に算出することができるので、所望の通電時間に対する例えばトルクからなる実現可能量や、例えば電流、トルクからなる所定の状態量に対する実現可能時間を適切に算出することができる。

以下、この発明による通電装置等を、電動機制御装置を例に挙げて各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電動機制御装置とその負荷の電動機を示す図である。図２は図１の通電器の概略構成を示す図である。図３はこの発明の実施の形態１に係る電動機制御装置でのＰＷＭ動作を説明するための図である。
図１において、通電装置である電動機制御装置１は負荷である電動機２を制御する。電動機２は３相の同期電動機であり、電機子巻線を有する固定子２１、界磁を有する回転子２２を備えている。ここで電機子巻線２１の結線は３相Ｙ結線であるとする。また、回転子２２の界磁の方式としては永久磁石を用いた永久磁石界磁方式、巻線界磁方式、さらに永久磁石と巻線の併用方式が主として挙げられるが、ここでは永久磁石界磁方式を使用することとする。回転子２２の界磁の方式として巻線界磁式や、永久磁石と巻線の併用方式を使用する場合には、電動機制御装置１の負荷となる巻線として、電動機２の回転子２２側の界磁巻線も含まれる。また、電動機２が誘導電動機の場合には１次巻線、２次巻線の双方が電動機制御装置１の負荷となり得る。なお以下では説明の便宜上、電動機制御装置１の直接的な負荷となる巻線を電機子巻線２１として説明する。
また、電動機制御装置１は、トルク指令生成器１１、温度算出器１２、電流算出器１３、電流指令生成器１４、回転子位置算出器１５、電圧指令生成器１６と、実現可能量算出器１７と、通電信号生成器１８、通電器１９とを有する。通電器１９には通電素子が含まれる。
電動機制御装置１の通電信号生成器１８および通電器１９以外の部分は例えば図７に示すようなプロセッサ１００で構成することが可能である。プロセッサ１００は例えば、ＣＰＵ１０２と、メモリ１０３と、外部とのインタフェース、データのＡ／Ｄ変換等を行う入出力インタフェース１０１とで構成され、必要に応じてさらにデータ、プログラム等の入出力、表示を行うヒューマンインタフェース１０４を備える。メモリ１０３には図１においてブロックで示された各処理機能のためのプログラムが処理で使用されるデータと共に格納されており、ＣＰＵ１０２により各プログラムが実行される。

トルク指令生成器１１は、実現可能量算出器１７から出力される、実現可能量ＦＭ、実現可能時間ＦＴに基づいて電動機２の出力するトルクを定めるトルク指令ＴＣを生成する。詳細については後述する。

温度算出器１２は、電動機制御装置１、電動機２の部位のうち少なくとも１つの部位の温度Ｔを選択してその値を出力する。複数の部位の温度を算出する場合は、その中で最も温度の高い部位の温度を出力することもできるが、ここでは図２に示す通電器１９に含まれる全ての通電素子１９２ａ−１９７ａ、電動機２の全相分の電機子巻線２１の温度を出力することとする。

また、後述する実現可能量算出器１７において、実現可能量ＦＭ、実現可能時間ＦＴを算出する際には、温度を算出する部位の周囲の状態を示す周囲状態の情報が必要となる。この周囲状態としては、雰囲気温度、冷却条件の少なくともいずれか一方を使用する。周囲状態の情報として、雰囲気温度を使用する場合は、雰囲気温度または雰囲気温度と相関のとれる少なくとも１つの部位の温度も合わせて算出して出力する。雰囲気温度と相関のとれる部位は、例えば事前に通電中の各部位の温度を測定しておくことで把握することが可能である。実際に雰囲気温度を求めるために使用される部位での雰囲気温度との相関関係は、例えばプロセッサ１００のメモリ１０３に格納させておいて使用する。温度を算出する方法としては、例えば通電素子１９２ａ−１９７ａに関しては検温ダイオードの使用による検出、電機子巻線２１に関してはサーミスタの使用による検出が挙げられる。上述の通電素子１９２ａ−１９７ａのための検温ダイオード、電機子巻線２１のためのサーミスタ、雰囲気温度または雰囲気温度と相関のとれる部位のための温度センサを、代表して温度検出部ＴＤとして示す。温度算出器１２では温度検出部ＴＤからの信号をＡ／Ｄ変換した信号を処理する。
周囲状態の情報として冷却条件を使用する場合については、後述する。

電流算出器１３は、電機子巻線２１の各相に流れる交流の電流、例えば３相交流の電流、からｄｑ軸上の電流ＣＵｄｑを算出して出力する。３相交流の電流を得る方法としては、例えば変流器ＣＴ等の電流センサを用いて電流を検出する方法が挙げられる。３相交流の電流からｄｑ軸上の電流を得るには、一般的な３相−ｄｑ変換を用いる。変流器ＣＴ等の電流センサを代表して電流検出部ＣＤとして示す。電流算出器１３は電流検出部ＣＤからの信号をＡ／Ｄ変換した信号を処理する。

電流指令生成器１４は、トルク指令生成器１１から出力されるトルク指令ＴＣに基づき、電動機２の電機子巻線２１に流れる電流を定める電流指令ＣＣｄｑを生成する。ここでの電流指令ＣＣｄｑは、回転子２２の磁極位置の方向にｄ軸、これに直交する向きにｑ軸を定義した場合の、ｄｑ軸上の値であるとする。

回転子位置算出器１５は、回転子２２の回転子位置ＲＰすなわち磁極位置を算出して出力する。回転子位置ＲＰを算出する方法としては、例えばレゾルバ等を用いて回転子位置を検出する方法が挙げられる。レゾルバ等を代表して回転子位置検出部ＲＰＤとして示す。回転子位置算出器１５は回転子位置検出部ＲＰＤからの信号をＡ／Ｄ変換した信号を処理する。

電圧指令生成器１６は、電流算出器１３から出力されるｄｑ軸上の電流ＣＵｄｑ、電流指令生成器１４から出力されるｄｑ軸上の電流指令ＣＣｄｑ、回転子位置算出器１５から出力される回転子２２の回転子位置ＲＰに基づいて、３相交流の電圧指令ＶＣを生成する。この手順について説明する。まず、３相交流の電圧指令ＶＣを生成する前に、ｄｑ軸上の電圧指令ＶＣｄｑを生成する。その方法としては、例えば電流指令ＣＣｄｑと電流ＣＵｄｑの偏差に基づくＰＩ制御を用いる方法が挙げられる。続いて回転子位置ＲＰとｄｑ軸上の電圧指令ＶＣｄｑから３相交流の電圧指令ＶＣを生成して出力する。回転子位置ＲＰとｄｑ軸上の電圧指令ＶＣｄｑから３相交流の電圧指令ＶＣを生成する際には、一般的なｄｑ−３相変換を用いる。

実現可能量算出器１７は、通電時間ＥＬＴに対応する状態量を示す実現可能量ＦＭと、温度Ｔと状態量に対応する実現可能時間ＦＴを算出して出力する。
ここで、
実現可能量ＦＭに対応する状態量はトルク、
実現可能時間ＦＴに対応する状態量は電流算出器１３から出力される電流ＣＵｄｑ、
であるとする。
風速を計測するものとして風速検出部ＷＳＤを示す。実現可能量算出器１７は風速検出部ＷＳＤからの信号をＡ／Ｄ変換した信号を処理する。
実現可能量算出器１７の詳細な機能については後述する。

通電信号生成器１８は、図２に示す通電器１９の通電素子１９２ａ−１９７ａに与える通電信号ＥＬＳを生成して出力する。この手順について説明する。まず、電圧指令ＶＣ、通電器１９の電源電圧である直流電圧Ｖｄｃの値からＤｕｔｙ指令を生成して出力する。Ｄｕｔｙ指令は、電圧指令ＶＣを直流電圧の値Ｖｄｃで除したものに０．５を加算して、値の範囲を０〜１に規格化したものである。なお、以下でＤｕｔｙ指令の値を百分率で表す場合もある。次に、このＤｕｔｙ指令からパルス幅変調(ＰＷＭ)信号である通電信号ＥＬＳを生成する。

Ｄｕｔｙ指令から通電信号ＥＬＳを生成する手順について説明する。Ｄｕｔｙ指令と、値の範囲が０〜１である三角波である搬送波の比較によりＰＷＭ信号である通電信号ＥＬＳを生成して出力する。図３はこのときのＰＷＭ動作を示す図である。代表的にＵ相の場合についてのみ示しているが、他の相の場合についても同様である。図３において、Ｃａｒｒは搬送波、ＤｕｔｙＵはＵ相のＤｕｔｙ指令、ＵＨ、ＵＬはそれぞれＵ相上アーム、Ｕ相下アームの通電信号(ＥＬＳ)である。通電信号ＵＨ、ＵＬのオン、オフが切り替わる際には、上下アーム短絡防止のため、両方をオフにするデッドタイムを設ける。図３においてキャリア周期はＴｃ、デッドタイムはＴｄで示されている。

通電器１９は、通電信号ＥＬＳに基づいて交流電圧を出力して電機子巻線２１に通電する。図２には通電器１９が電機子巻線２１とともに示されている。通電器１９は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相ごとに、直列に接続された上アームと下アームを有している。ここで上アームとは、図２の１９２、１９４，１９６であり、それぞれＵ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アームと呼ぶ。また下アームとは、図２の１９３，１９５、１９７であり、それぞれＵ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームと呼ぶ。また、各アーム１９２−１９７は通電素子１９２ａ−１９７ａと還流ダイオード１９２ｂ−１９７ｂが逆並列に接続された構成となっている。なお、以降で、あるアームの通電素子がオンになることを単に「アームがオンになる」、オフになることを単に「アームがオフになる」というように表現することもある。なお、図２において、直流電源１９１の両端の、仮想中性点基準の電位を＋Ｖｄｃ／２、−Ｖｄｃ／２というように記載している。直流電源１９１両端の直流電圧である電圧の値はＶｄｃである。

実現可能量算出器１７の詳細な機能について説明する。前述の通り、実現可能量算出器１７は、
通電時間に対応する状態量を示す実現可能量ＦＭを算出する機能と、
温度と状態量に対応する実現可能時間ＦＴを算出して出力する機能と、
がある。

一般的に、通電時間が長ければ長いほど、通電電流が大きければ大きいほど、通電素子１９２ａ−１９７ａや電機子巻線２１の温度の上昇量は大きくなる。通電素子や電機子巻線には許容温度があり、許容温度を超えた場合は、通電素子や電機子巻線が損傷してしまう。

従って、通電時間が決められた場合は、その通電時間内で流せる電流の範囲が制限される。そして、その制限された電流の範囲に応じて、出力可能なトルクも制限されるため、出力できるトルク指令の値、すなわち実現可能量ＦＭも制限する必要がある。

また、電流が決められた場合、その電流を流せる時間の上限が決められる。従って、残りどの程度の時間、現在流れている電流を流すことが可能であるのかを示す実現可能時間ＦＴを算出し、この実現可能時間によって通電時間を制限する必要がある。

ここで、電流、通電時間に応じて、通電素子１９２ａ−１９７ａや電機子巻線２１の温度がどのように上昇するのかを示す温度上昇特性が必要となる。温度上昇特性は、通電素子や電機子巻線の周囲の温度すなわち雰囲気温度、冷却条件によって変化する。なお、雰囲気温度として使用する温度は必ずしも周囲の空気中の温度でなくてもよく、周囲の空気中の温度と相関がとれる値であれば、通電装置である電動機制御装置１や電動機２の他の部位の温度であってもよい。

温度上昇特性を表す方法としては、数式を用いる方法と、ルックアップテーブルを用いる方法とがあるが、ここでは数式を用いる場合について例示的に説明する。なおこれらの数式、ルックアップテーブルはメモリ１０３に格納しておく。以下同様。

数式で想定する温度上昇特性の一例のグラフを図４に示す。ここで、
Ｔａ：雰囲気温度、
Ｔ０：その時点すなわち制御開始時点での温度、
Ｔｍａｘ(＝Ｔ１)：該当部位の許容温度、
Ｔｓ：ある通電量、ここでは電機子巻線２１に流れる電流、のときの飽和温度、
ｔ０：温度Ｔ０のときの時刻、
ｔ１：温度Ｔｍａｘ(Ｔｍａｘ＝Ｔ１)のときの時刻
である。
通電時間ΔｔはΔｔ＝ｔ１−ｔ０として算出できる。

なお、このグラフは一定の大きさの電流で通電し続けたときを想定したものであるが、温度Ｔａの時点から温度Ｔ０となる時刻ｔ０までの温度上昇の過程は、時刻ｔ０以降の温度上昇特性に影響を与えない。つまり、時刻ｔ０以前の通電量と時刻ｔ０以降の通電量が異なり、実際の温度上昇の過程が、図４の想定する一定の通電量による温度上昇の過程と異なっていても、時刻ｔ０以降の温度上昇特性の算出は可能である。ただし、時刻ｔ０以前の温度上昇の過程は影響しないが、Ｔ０とＴａの差は、時刻ｔ０以降の温度上昇の過程に影響する。

図４のグラフを数式で表すと下記式(１)の通りとなる。ただし、図４のグラフは式(１)でＴ０≧Ｔａとした場合である。Ｔ０＜Ｔａとなる場合の算出方法については後述する。式(１)中、
τ１：時定数、
τ２：補正時定数、
である。補正時定数τ２が１のとき、式(１)の温度上昇特性は時定数τ１の１次遅れの特性となる。なお、τ１、τ２は、電動機制御装置１や電動機２の構造、対象となる部位の熱伝達特性、冷却条件によって決まる値であり、Ｔｓは、電動機制御装置１や電動機２の構造、対象となる部位の熱伝達特性、冷却条件、通電量により決まる値である。式(１)を用いて実現可能時間ＦＴや実現可能量ＦＭを算出するためには、τ１、τ２、Ｔｓの特性を把握しておく必要があるが、その方法としては例えば事前に温度特性測定で算出しておくことが挙げられる。この測定により、冷却条件からτ１、τ２を、通電量や冷却条件からＴｓを算出できるようにしておけばよい。
これらのτ１、τ２の、電動機制御装置１や電動機２の構造、対象となる部位の熱伝達特性、冷却条件に対する温度特性、Ｔｓの、電動機制御装置１や電動機２の構造、対象となる部位の熱伝達特性、冷却条件、通電量に対する温度特性、はメモリに格納しておく。

冷却条件を表す値としては、冷却方式が空冷の場合であれば空冷時の風速、水冷の場合は流量を使用すること等が挙げられるが、ここでは空冷を行い、その風速を使用することとする。
従って水冷の場合は、図１の風速検出部ＷＳＤが冷却器の冷却液の流量計を示す流量検出部ＣＭＤとなる。
τ１、τ２については、風速を引数としてそれぞれτ１、τ２を算出するルックアップテーブルを用意しておき、時々刻々の風速に応じてτ１、τ２を算出できるようにしておく。

式(１)を用いて実現可能時間ＦＴを算出する場合について説明する。図５は実現可能量算出器１７のうち、実現可能時間を算出する部分の構成を示す図である。
τ１・τ２算出器１７１は、風速ＷＳを引数としてτ１、τ２を算出するルックアップテーブルに基づき、τ１、τ２を算出して出力する。
第１のＴｓ算出器１７２は、電流算出器１３が出力する電流ＣＵｄｑと風速を引数としてＴｓを算出するルックアップテーブルに基づき、Ｔｓを算出して出力する。
Δｔｏｕｔ算出器１７３は、τ１、τ２、Ｔｓ、Ｔａ、Ｔ０、Ｔｍａｘから式(１)に基づいて実現可能時間Δｔｏｕｔ(＝ＦＴ)を算出して出力する。具体的には、式(１)でＴ１＝Ｔｍａｘとし、τ１、τ２、Ｔｓ、Ｔａ、Ｔ０を各々代入して式(１)をΔｔについて解き、このときのΔｔをΔｔｏｕｔとして出力する。

次に、通電時間が与えられたときの出力可能なトルクの大きさの上限、つまり実現可能量を算出する場合について説明する。図６は実現可能量算出器１７のうち、実現可能量ＦＭを算出する部分の構成を示す図である。
τ１・τ２算出器１７１については、図５と同じものであるため説明を省略する。
第２のＴｓ算出器１７４は、τ１、τ２、Ｔａ、Ｔ０、Ｔｍａｘ、Δｔから式(１)に基づいてＴｓを算出して出力する。具体的には、式(１)でＴ１＝Ｔｍａｘとし、τ１、τ２、Ｔａ、Ｔ０、Δｔを各々代入して式(１)をＴｓについて解く。

許容電流算出器１７５は、Ｔｓと風速ＷＳから、出力可能な許容電流を算出するルックアップテーブルに基づき、許容電流を算出して出力する。前述の通り、Ｔｓは通電量と冷却条件で決まる値であり、ここでは通電量は電流、冷却条件は風速としているため、Ｔｓは電流と風速によって決まる。風速は既知であるから、このＴｓから許容電流ＡＬＣを算出することができる。

許容トルク算出器１７６は、許容電流算出器１７５から出力される許容電流ＡＬＣから許容トルクＡＬＴを算出するルックアップテーブルに基づき、許容トルクを算出して出力する。この許容トルクＡＬＴは出力可能なトルクの大きさの上限であり、ここでの実現可能量ＦＭに相当する。

なお、Ｔ０＜Ｔａの場合、式(１)のグラフは図４のグラフを上下逆にしたような形となり、Ｔ０、Ｔ１、Ｔａ、Ｔｓの大小関係も反転する。この場合、通電すればＴｓまで温度が下がるということとなり、実際の現象と合わない特性となる。そのため、Ｔ０＜Ｔａの場合には、式(１)からそのまま実現可能量ＦＭ、実現可能時間ＦＴを算出することができない。Ｔ０＜Ｔａとなる場合としては、例えばある部位が局所的に冷却され、雰囲気温度Ｔａを下回ってしまう場合等が考えられる。このような場合には、例えば、Ｔ０＝Ｔａとして式(１)を用いて計算することが考えられる。この場合、実際のＴ０よりも高い温度のＴａをＴ０として用いて算出するため、推定算出する実現可能量ＦＭや実現可能時間ＦＴが、実際に実現可能な状態量、通電時間を上回ることはない。

なお、電動機制御装置１と電動機２を自動車に搭載する場合、その搭載する場所によっては空冷の風速と自動車の走行風との間に相関関係が生じる場合がある。この相関関係を利用し、冷却条件を決める値として、風速の代わりに自動車の走行速度を使用することもできる。また、自動車の動力部が電動機２によって駆動される場合、自動車の走行速度と電動機２の回転速度に相関関係があることを利用し、冷却条件を決める値として、風速の代わりに電動機２の回転速度を使用することもできる。自動車の走行速度の検出には例えばホイールエンコーダを使用する、電動機２の回転速度の検出には例えばレゾルバを使用することが挙げられる。

なお、複数の部位の温度を用いる場合は、それぞれの部位について実現可能量ＦＭや実現可能時間ＦＴを算出し、その中で最も小さいものを選択して出力する。なお、複数の部位の温度上昇特性が同一であれば、複数の部位の温度のうち最も高い温度に対して実現可能量ＦＭや実現可能時間ＦＴを算出して出力することもできる。
また、複数の部位の温度に基づいて、複数の実現可能量および複数の実現可能時間の少なくとも一方を推定算出し、１つずつ選択して出力するようにしてもよい。
また、算出した複数の実現可能量の大きさの最も小さいものおよび複数の実現可能時間の大きさの最も小さいものの少なくとも一方を出力するようにしてもよい。

算出された実現可能量ＦＭ、実現可能時間ＦＴはトルク指令生成器１１に出力される。トルク指令生成器１１において、トルク指令ＴＣに基づくトルク制御を行う場合、トルク指令ＴＣの値は実現可能量ＦＭの範囲内で定め、そのトルク指令ＴＣの値は実現可能時間ＦＴを超えて出力しないこととし、実現可能時間ＦＴが０になった場合は、トルク指令ＴＣの大きさを下げる、またはトルク指令ＴＣを０にする。このようにすることによって、通電素子１９２ａ−１９７ａや電機子巻線２１の温度保護を実現できる。

これまで、状態量については、実現可能量ＦＭに対応する状態量をトルク、実現可能時間ＦＴに対応する状態量を電流として説明してきた。しかし、実現可能量ＦＭや実現可能時間ＦＴに対応する状態量としては電流、電圧、電力、トルク、回転速度、機械パワーいずれの値でもよく、必ずしも実測値でなくともよく、指令値等でもよい。なお、電力は電流と電圧の積、機械パワーはトルクと回転速度の積である。また、実現可能量ＦＭに対応する状態量と、実現可能時間ＦＴに対応する状態量の組み合わせは任意であり、それぞれ自由に選択できる。その場合、各々の状態量に対する温度上昇特性を把握しておく必要がある。実現可能時間ＦＴを算出する際には、各々の状態量と、風速を引数としてＴｓを算出するルックアップテーブルに基づき、Ｔｓを算出して出力し、上述したようにΔｔｏｕｔ算出器１７３で、τ１、τ２、Ｔｓ、Ｔａ、Ｔ０、Ｔｍａｘから式(１)に基づいて実現可能時間Δｔｏｕｔ(＝ＦＴ)を算出して出力する。実現可能量を算出する際には、飽和温度Ｔｓと風速ＷＳから、出力可能な許容状態量を算出するルックアップテーブルに基づき、許容状態量を算出して出力する。なお、これらのルックアップテーブルは、必ずしも実現可能時間ＦＴや実現可能量ＦＭに直接対応する状態量でなくともよい。つまり、引数として別の状態量を使用するルックアップテーブルを構成しておき、ルックアップテーブルに用いる状態量と、実現可能時間ＦＴや実現可能量ＦＭに直接対応する状態量とを、ルックアップテーブルや数式を介して対応付けることで、実現可能時間ＦＴや実現可能量ＦＭを算出してもよい。

また、通電素子１９２ａ−１９７ａや電機子巻線２１の温度上昇特性は、電流の大きさが同一でも通電信号の状態によって変化し得る。例えば、同じＰＷＭによる通電信号であっても、搬送波周波数が高くなれば、スイッチング周波数も高くなり、その結果、通電素子１９２ａ−１９７ａの損失が増大して温度上昇の程度が大きくなる。またＤｕｔｙ指令が変化して、通電信号のオン時間やオフ時間が変化すると、それに応じて温度上昇の程度が変化することが挙げられる。このような場合には、通電信号のスイッチング周波数、オン時間、オフ時間、またはこれらの少なくとも１つも加味して温度上昇特性を算出する。

通電信号のスイッチング周波数や、オン時間、オフ時間を加味した温度上昇特性については、飽和温度Ｔｓの値を通電信号のスイッチング周波数、オン時間、オフ時間にも応じて変化させることで対応できる。飽和温度Ｔｓと、通電信号のスイッチング周波数、オン時間、オフ時間の関係は、例えば事前にデータを測定しておき、測定したデータに基づき、スイッチング周波数、オン時間、オフ時間を引数として飽和温度Ｔｓを出力するルックアップテーブルを用意することで、算出することができる。

以上のように、上記実施の形態に係る電動機制御装置によれば、適切な温度上昇特性に基づいて、通電時間に対する例えば電動機２のトルクである実現可能量、例えば電機子巻線２１の電流である現在の状態量に対する実現可能時間を算出することができるため、通電素子１９２ａ−１９７ａや電動機２の電機子巻線２１を許容温度超過による損傷から守ることが可能であり、温度制約下で最大性能を発揮することが可能となる。

なお、本実施の形態では、回転子２２の界磁の方式を永久磁石界磁方式としていたが、界磁巻線を使用する巻線界磁方式や界磁巻線を併用する方式であってもよい。その場合、通電信号生成器１８では界磁巻線に通電するための通電信号を生成して出力し、通電器１９はその通電信号に基づいて界磁巻線に通電する構成とする。また、界磁巻線についても、電機子巻線２１の場合と同様に、温度上昇特性を把握すれば、温度に応じた実現可能量や実現可能時間を算出することができる。

また、本実施の形態では、電動機２の電機子巻線２１の結線を３相Ｙ結線としていたが、相数、結線方式はこれに限定されない。電動機の種類に関しても、同期電動機に限定されず、誘導電動機等、他の電動機であってもよい。

また、本実施の形態では、電動機２の回転子位置を参照していたが、回転子位置を参照せず、交流位相を内部で生成して通電する方式であってもよい。

また、本実施の形態では、電圧指令に基づいてＤｕｔｙ指令を生成していたが、電流算出器１３の電流の値に基づいてＤｕｔｙ指令を直接生成する構成であってもよい。

また、本実施の形態では、電圧指令をＰＩ制御に基づいて生成していたが、電圧指令の生成方法はこれに限定されない。電圧指令をＰ制御またはＩ制御に基づいて生成してもよい。また、電流をフィードバックせずに、電流指令からルックアップテーブル等によって電圧指令を生成しても良い。

また、本実施の形態では、３相‐ｄｑ変換、ｄｑ‐３相変換を用いて制御していたが、交流を直接制御してもよい。

また、本実施の形態では、τ１、τ２、Ｔｓ、許容電流ＡＬＣ、許容トルクＡＬＴをルックアップテーブルによって算出していたが、これらの値について数式で表すことができる場合には数式によって算出してもよい。また、温度上昇特性の数式の形に制限はなく、必ずしも数式を用いて算出する必要もなく、ルックアップテーブル等によって算出してもよい。

以上、この発明を電動機制御装置を例に挙げた上記実施の形態１に関して説明したが、この発明はこれらの実施の形態のみに限られるものではなく、接続された負荷に対して通電を行う通電装置に対して適用が可能であり、この発明の範囲内においては他に種々の実施の形態の実現が可能である。

１ 電動機制御装置(通電装置)、２ 電動機(負荷)、１１ トルク指令生成器、
１２ 温度算出器、１３ 電流算出器、１４ 電流指令生成器、
１５ 回転子位置算出器、１６ 電圧指令生成器、１７ 実現可能量算出器、
１８ 通電信号生成器、１９ 通電器、２１ 電機子巻線(固定子)、２２ 回転子、
１００ プロセッサ、１０１ 入出力インタフェース、１０２ ＣＰＵ、
１０３ メモリ、１０４ ヒューマンインタフェース、１７１ τ１・τ２算出器、
１７２ 第１のＴｓ算出器、１７３ Δｔｏｕｔ算出器、１７４ 第２のＴｓ算出器、
１７５ 許容電流算出器、１７６ 許容トルク算出器、１９１ 直流電源、
１９２ −１９７ アーム、１９２ａ−１９７ａ 通電素子、
１９２ｂ−１９７ｂ 還流ダイオード、ＣＤ 電流検出部、ＣＭＤ 流量検出部、
ＲＰＤ 回転子位置検出部、ＴＤ 温度検出部、ＷＳＤ 風速検出部。

Claims (11)

1. 接続された負荷に対して通電制御を行う通電装置であって、
   通電信号により通電を行う通電素子を含む通電器と、
   前記通電信号を生成する通電信号生成器と、
   温度検出部の信号から前記通電装置および前記負荷の少なくとも１つの部位の温度を求める温度算出器と、
   前記少なくとも１つの部位についての、前記温度、許容温度、通電時の温度上昇特性に基づき、前記通電装置の通電時間に対する、前記通電装置または前記負荷の実現可能な状態量である実現可能量および前記通電装置または前記負荷の前記状態量に対する実現可能時間、の少なくとも一方を推定算出する実現可能量算出器を備え、
   前記実現可能量算出器において、前記通電装置および前記負荷に関する少なくとも１つの前記部位についての、前記通電時の温度上昇特性は、前記通電信号のオン時間、オフ時間の少なくとも１つと、前記部位の周囲状態を含めて算出する、通電装置。
2. 前記通電時の温度上昇特性は、前記通電信号のオン時間、オフ時間の少なくとも１つと、前記部位の周囲状態に加えて、前記通電信号のスイッチング周波数を含めて算出する、請求項１に記載の通電装置。
3. 前記周囲状態は、雰囲気温度、または、対象となる前記部位以外の少なくとも１つの部位の温度を含む、請求項１または２に記載の通電装置。
4. 前記周囲状態は、前記通電装置の冷却条件および前記通電装置に接続された前記負荷の前記冷却条件のうちの少なくとも一方を含む、請求項１から３までのいずれか１項に記載の通電装置。
5. 前記状態量は、電流、電圧、電力の少なくとも１つを含む、請求項１から４までのいずれか１項に記載の通電装置。
6. 前記温度算出器は、複数の前記部位の前記温度を算出し、
   前記実現可能量算出器は、複数の前記部位の温度上昇特性が同一であれば、その中で最も高い前記温度に基づいて、前記実現可能量および前記実現可能時間の少なくとも一方を推定算出する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の通電装置。
7. 前記温度算出器は、複数の前記部位の前記温度を算出し、
   前記実現可能量算出器は、複数の前記部位の前記温度に基づいて、複数の前記実現可能量および複数の前記実現可能時間の少なくとも一方を推定算出し、１つずつ選択して出力する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の通電装置。
8. 前記実現可能量算出器は、算出した複数の前記実現可能量の大きさの最も小さいものおよび複数の前記実現可能時間の大きさの最も小さいものの少なくとも一方を出力する、請求項７に記載の通電装置。
9. 前記負荷が電動機の巻線であり、請求項１から８までのいずれか１項に記載の通電装置によって前記電動機の前記巻線に通電して前記電動機を制御する電動機制御装置。
10. 前記状態量が、前記電動機のトルク、回転速度、機械パワーの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の電動機制御装置。
11. 通電信号により通電を行う通電素子を含む通電器と、
    前記通電信号を生成する通電信号生成器を備え、
    接続された負荷に対して通電制御を行う通電装置の通電方法であって、
    前記通電装置および前記負荷の少なくとも１つの部位の温度を求め、
    前記少なくとも１つの部位についての、前記温度、許容温度、通電時の温度上昇特性に基づき、前記通電装置の通電時間に対する、前記通電装置または前記負荷の実現可能な状態量である実現可能量および前記通電装置または前記負荷の前記状態量に対する実現可能時間、の少なくとも一方を推定算出し、
    前記通電装置および前記負荷に関する少なくとも１つの前記部位についての、前記通電時の温度上昇特性は、前記通電信号のオン時間、オフ時間の少なくとも１つと、前記部位の周囲状態を含めて算出する、通電装置の通電方法。

Images