JP6399912B2 - モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械などの機械において、送り軸や主軸などを駆動するためのモータの制御装置に関し、特に、モータの巻線の温度の監視に関する。

モータの多くは、下記特許文献１のように、巻線のコイルエンド３にサーモスタットやサーミスタなどの巻線温度検出素子５０を設置している（図５）。これら温度検出素子によって巻線温度を監視し、特定の温度になった時に、モータへの電流を制限したり、通電を遮断したりして、巻線の焼損保護を行う。

この方法は、巻線の温度を直接監視できるので、保護の信頼性が高い。また、モータの耐熱温度に限りなく近い温度になるまで通電することが可能なので、モータの特性を最大限発揮できる。

他にも、下記特許文献２のように、温度検出素子を用いず、モータ駆動時の電流、あるいは電流と比例関係にあるトルク指令値などから、巻線温度変化分を推定し、この推定値が特定の値になった時に、モータへの電流を制限したり、あるいは通電を遮断したりして、巻線の焼損保護を行う方法もある。

この方法は、温度検出素子を用いないので、モータの構造にスペース的な余裕がなく、温度検出素子を設置できない場合や、低コスト化を目指す場合などに有利である。

巻線温度変化分を推定する方法を簡単なモデルで表すと、図６のようなブロック図になる。また、推定式は以下のような式で表される。
ΔＴ'_(n)＝β×{(α×Ｔin)²−ΔＴ'_(n-1)}＋ΔＴ'_(n-1) （式１）

ここで、ΔＴ'は巻線温度変化分の推定値、αは巻線温度変化分の推定値の飽和値を決定する係数、βは巻線温度変化分の推定値の時定数を決定する係数、Ｔinは電流の指令値もしくは検出値、または電流と比例関係にあるトルク指令値などを表す。添え字_(n)は、検出周期の回数を示す。つまり、ΔＴ'_(n)は、ｎ回目の検出周期における巻線温度変化分の推定値である。式１は、図６の巻線温度変化分推定部２０に該当する。式１は、（ｎ−１）回目の検出周期における巻線温度変化分の推定値と、電流指令値等に基づきｎ回目の検出周期における巻線温度変化分の推定値を算出する式である。

推定値であるΔＴ'と実際の巻線温度変化分ΔＴの関係は、図７のようになる。βを調整すると、符号７０で示すようにΔＴ'の傾きが変化し、αを調整すると、符号７１で示すようにΔＴ'の上限値が変化する。この２つのパラメータを調整して、モータ種類ごとの熱特性にフィットした推定値を算出できるようにする。Ｔinを２乗するのは、このモデルが銅損、すなわち、（電流の２乗）×（抵抗値）、による発熱量を算出しているためである。

特許第４１３５４３７号公報 特開２００８−１１３４７７号公報

前述の、巻線に温度検出素子を設置する方法は、温度検出素子を設置するためのスペースや、配線方法などを考慮してモータを設計する必要がある。また、温度検出素子を追加する分のコストもかかる。これらの理由で、小型、低コストのモータには不向きである。

温度検出素子を用いず、モータ駆動時の電流などから巻線温度変化分を推定する方法は、巻線の温度を絶対値で知ることができない。通常は、周囲温度が高い状態を想定して、通電を遮断する閾値を設定する。

具体的に言うと、例えば、モータの巻線の耐熱温度が140℃、周囲温度が最大40℃を想定していた場合、100℃の上昇(140℃−40℃)で通電を遮断する設計をする。

この時、仮に周囲温度が20℃であると、巻線温度が100℃上昇し、120℃(20℃+100℃)となった時点で通電が遮断される。つまり、モータの巻線にとっては20℃余裕がある状態で通電が遮断されてしまう（図８参照）。

また、仮に周囲温度が60℃の状況で使用されてしまうと、巻線温度が100℃上昇した160℃(60℃+100℃)にならないと通電が遮断されない。このため、本来、保護動作をさせたい温度である140℃を20℃超えてしまい（図９参照）、巻線がダメージを受けてモータが故障する可能性がある。

これらの課題を解決するためには、巻線温度を、不明なある温度からの変化分によって監視するのではなく、実際の温度に対応した絶対値によって監視しなければならず、かつこの絶対値を巻線温度から直接得るのではなく、他の物理量から推定できなければならない。

上述した課題を解決するために、本発明にかかるモータ制御装置は、
モータのロータの回転位置および回転速度を検出する検出器であって、当該検出器の温度を検出する温度検出素子を備えた検出器と、
ある検出周期における巻線温度変化分の推定値と、モータに供給される電流に関連する値とに基づき次の検出周期の巻線温度変化分の推定値を算出する手段と、
ある検出周期における検出器温度変化分の推定値と次の検出周期の巻線温度変化分の推定値とに基づき次の検出周期の検出器温度変化分の推定値を算出する手段と、
温度検出素子により検出された検出器温度絶対値から、検出器温度変化分の推定値を差し引いて周囲温度を算出する手段と、
巻線温度変化分の推定値に、算出された周囲温度を加算して、巻線温度絶対値の推定値を算出する手段と、
を有する。

本発明によるモータの制御装置によれば、通常、モータの巻線温度を絶対値で検出するためには、巻線温度を検出するための温度検出素子が必要であり、計算により求める場合は、周囲温度を加味することができないため、巻線温度の変化分しか推定できないが、検出器用温度検出素子で測定した検出器の温度の絶対値を用いて周囲温度を算出することで、巻線温度を検出するための温度検出素子を用いずに、モータの巻線温度を絶対値で推定することが可能になる。

本発明によるモータの構造図である。 本発明の一実施形態による巻線温度絶対値を推定するブロック図である。 本発明の一実施形態による検出器温度変化分の推定値ΔＴe'と実際の検出器温度変化分ΔＴeとの関係を示す図である。 本発明の一実施形態による巻線温度絶対値の推定値Ｔ'と実際の巻線温度Ｔの関係を示す図である。 一般的なモータの構造図である。 巻線温度変化分を簡単なモデルで推定するブロック図である。 図６のブロック図において、巻線温度変化分の推定値ΔＴ'と実際の巻線温度変化分ΔＴの関係を示す図である。 図６のブロック図において、周囲温度20℃だった場合の巻線温度変化分の推定値ΔＴ'と実際の巻線温度変化分ΔＴの関係を示す図である。 図６のブロック図において、周囲温度60℃だった場合の巻線温度変化分の推定値ΔＴ'と実際の巻線温度変化分ΔＴの関係を示す図である。

図１のような、出力軸４と一体のロータ５の回転位置および回転速度を検出する検出器１を搭載した構造のモータにおいて、検出器１には、検出器１自身の温度を検出するために、検出器用温度検出素子２が搭載されている。この時、従来技術の図５のような、ステータ６に巻かれた巻線（例えばコイルエンド３）の温度を検出する巻線温度検出素子５０は不要である。

図２は、巻線温度絶対値を推定する、一実施形態のブロック図であり、推定式は以下のように表される。
Ｔ'＝ ΔＴ'＋(Ｔe−ΔＴe') （式２）

ここで、Ｔ'は巻線温度絶対値の推定値、ΔＴ'は巻線温度変化分の推定値、Ｔeは検出器用温度検出素子２で測定した検出器1の温度絶対値、ΔＴe'は検出器温度変化分の推定値を表す。ΔＴ'は式1、ΔＴe'は以下の推定式で算出する。
ΔＴe'_(n)＝βe×(αe×ΔＴ'_(n)−ΔＴe'_(n-1))＋ΔＴe'_(n-1) （式３）

ここで、αeは検出器温度変化分の推定値の飽和値を決定する係数、βeは検出器温度変化分の推定値の時定数を決定する係数を表す。添え字_(n)は、検出周期の回数を示す。式３は、図２の、検出器温度変化分推定部２１に該当する。式３は、（ｎ−１）回目の検出周期における検出器温度変化分の推定値と、ｎ回目の検出周期の巻線温度変化分の推定値に基づきｎ回目の検出周期における検出器温度変化分の推定値を算出する式である。

このモデルの考え方を説明する。
まず、モータ駆動・非駆動に連動して検出器自身が発熱するということはない。検出器の温度は、巻線が発熱して温度が上昇するにつれ、その熱が徐々に検出器に伝わることで変化する。そのため、巻線の温度変化分であるΔＴ'_(n)を入力とし、検出器の温度変化分を算出する。

式３で求められる検出器温度変化分の推定値ΔＴe'と、実際の検出器温度変化分ΔＴeとの関係は、図３のようになる。βeを調整すると、符号３０で示すように、ΔＴe'の傾きが変化し、αeを調整すると、符号３１で示すように、ΔＴe'の上限値が変化する。この２つのパラメータを調整して、検出器の熱特性にフィットした推定値を算出できるようにする。

式３で算出したΔＴe'を、検出器用温度検出素子２で測定した検出器１の温度の絶対値であるＴeから減算することで、周囲温度が求まる。これが、式２の(Ｔe−ΔＴe')の項である。この値をΔＴ'に加算することにより、周囲温度が加味され、巻線温度を絶対値で推定することが可能となる。

推定値であるＴ'と実際の巻線温度絶対値Ｔの関係は、図４のようになる。

なお、本特許においては、ΔＴ'の算出を式１の方法で算出した場合を取り上げたが、ΔＴ'の算出方法を式１に限定するものではない。式１は、銅損による発熱量のみを考慮して巻線温度変化分を推定しているが、モータ駆動時には、銅損の他に、鉄損や機械的損失なども巻線の温度変化に影響するため、より正確に巻線の温度の変化分を推定するため、これらも考慮してΔＴ'を算出する方法としても良い。

１ 検出器、２ 検出器用温度検出素子、３ コイルエンド、４ 出力軸、５ ロータコア、６ ステータコア、２０ 巻線温度変化分推定部、２１ 検出器温度変化分推定部、２２ 乗算器、３０ βe調整時のΔＴe'、３１ αe調整時のΔＴe'、５０ 巻線温度検出素子、７０ β調整時のΔＴ'、７１ α調整時のΔＴ'。

Claims (2)

1. モータのロータの回転位置および回転速度を検出する検出器であって、当該検出器の温度を検出する温度検出素子を備えた検出器と、
   ある検出周期における巻線温度変化分の推定値と、モータに供給される電流に関連する値とに基づき次の検出周期の巻線温度変化分の推定値を算出する手段と、
   ある検出周期における検出器温度変化分の推定値と次の検出周期の巻線温度変化分の推定値とに基づき次の検出周期の検出器温度変化分の推定値を算出する手段と、
   温度検出素子により検出された検出器温度絶対値から、検出器温度変化分の推定値を差し引いて周囲温度を算出する手段と、
   巻線温度変化分の推定値に、算出された周囲温度を加算して、巻線温度絶対値の推定値を算出する手段と、
   を有する、モータの制御装置。
2. 請求項１に記載のモータの制御装置であって、
   巻線温度変化分の推定値を算出する手段は、
   ΔＴ’_(n)＝β×{(α×Ｔin)²−ΔＴ’_(n-1)}＋ΔＴ’_(n-1)
   ここで、ΔＴ’は巻線温度変化分の推定値、
   αは巻線温度変化分の推定値の飽和値を決定する係数、
   βは巻線温度変化分の推定値の時定数を決定する係数、
   Ｔinは電流の指令値もしくは検出値、またはトルク指令値、
   添え字_(n)は検出周期の回数、
   に基づき巻線温度変化分の推定値を算出し、
   検出器温度変化分の推定値を算出する手段は、
   ΔＴe’_(n)＝βe×(αe×ΔＴ’_(n)−ΔＴe’_(n-1))＋ΔＴe’_(n-1)
   ここで、ΔＴe’は検出器温度変化分の推定値、
   αeは検出器温度変化分の推定値の飽和値を決定する係数、
   βeは検出器温度変化分の推定値の時定数を決定する係数、
   添え字_(n)は検出周期の回数、
   に基づき検出温度変化分の推定置を算出する、
   モータ制御装置。

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