JP6402701B2

JP6402701B2 - モータ温度推定装置

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Publication number: JP6402701B2
Application number: JP2015212475A
Authority: JP
Inventors: 美宏奥松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: JP2017085798A

Description

本発明はモータ温度推定装置に関し、例えば、モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置に関する。

モータは、回転運動を続けると発熱する。しかし、この発熱量が過剰になるとモータが破損するおそれが生じる。そのため、動作状態に応じたモータの温度を推定し、適切なモータ制御を行うことが望まれる。そこで、モータ温度推定装置の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載のモータ温度推定装置は、モータを回転させる駆動電圧を演算して出力する電圧出力手段と、前記モータの回転角を検出する回転角検出手段と、前記電圧出力手段により出力される前記駆動電圧と、前記回転角検出手段により検出される前記回転角に基づいて前記モータに流れる駆動電流を推定する電流推定手段と、前記電流推定手段により推定される前記駆動電流と一次遅れ関数とに基づいて、前記モータの温度変化を推定するモータ温度推定手段とを備える。

特許文献１に記載のモータ温度推定装置では、上記構成を有することで、簡易な構成でモータ温度を推定することを実現する。

特開２０１３−２１９９１２号公報

特許文献１では、駆動電流を推定しているため、銅損による熱時定数に変化に対応することは出来るが、鉄損などその他の損失の影響による熱時定数の変化に対応することが出来ない。つまり、特許文献１に記載の技術では、モータの巻線温度を十分に予測できない問題がある。

また、モータの回転速度と駆動電流値とに基づいて熱時定数を設定してもモータの周囲温度とモータの巻線温度との温度差により、巻線温度の推定精度が悪化する問題が生じる。そこで、図６に、モータの周囲温度とモータの巻線温度との温度差に基づく課題を説明する図を示す。図６に示すように、モータの周囲温度とモータの巻線温度との温度差を考慮することなく推定した推定温度（図中の推定値）は、温度上昇時にモータの巻線温度を実際に測定した測定値に合わせたとしても、温度下降時にはずれが生じる。

モータの巻線温度の上昇及び下降の速度は熱時定数によってきまるが、温度の上昇時と下降時とで熱時定数が異なることが測定から判明した。また、この熱時定数の違いは、モータの周囲温度とモータの巻線温度との温度差による空気の対流の違いに起因する。

ここで、従来は、モータの温度推定が行われる分野は、産業機器や家電機器であり、負荷パターンがおおよそ決まっており、その範囲内で過負荷に対する温度を推定できれば良かった。そのため、上記特許文献１に記載の技術を用いたモータ温度推定方法でも問題は無かった。しかしながら、人と協調して動作するロボットでは、動作パターンが決まっておらず、操作者、外乱、故障などの影響で予期せぬ入力が入ることが想定される。そのため、人と協調して動作するロボットに用いられるモータの温度を推定するためには様々な動作パターンに対してより高精度にモータの巻線温度を推定する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、このような複雑な動作パターンの動きをするモータの巻線温度を高精度に推定することが出来ない問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、モータの巻線温度を高い精度で推定することを目的とするものである。

本発明にかかるモータ温度推定装置の一態様は、モータのトルク、回転速度及び回転角度の少なくとも１つを制御するシステムにおいて前記モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置であって、前記モータの損失を算出する損失計算部と、前記モータの速度を指示する速度指令値と、前記モータを駆動する駆動電流の大きさを指示する電流指令値と、に基づき前記巻線温度の熱変化率を示す熱時定数を出力する熱時定数選択部と、前記熱時定数選択部から出力された熱時定数と損失計算部が出力する前記モータの損失とに基づき推定温度を算出する推定温度算出部と、を有し、前記熱時定数選択部は、前記モータが置かれる環境の環境温度と、前記推定温度と、の温度差毎に設けられ、それぞれが前記速度指令値と前記電流指令値との組み合わせ毎に前記熱時定数をマッピングした複数の時定数マップを有し、前記温度差に基づき前記熱時定数を選択する前記時定数マップを切り替え、入力される前記速度指令値と前記電流指令値に対応する前記熱時定数を選択した前記時定数マップから抽出して出力する。

上記本発明の一態様によれば、モータの推定温度と環境温度との差に基づき時定数を切り替えることが出来るため、モータの巻線温度の推定精度を高めることができる。

また、本発明にかかるモータ温度推定装置の別の態様では、前記モータが搭載されるシステムの起動時に、温度センサにより取得された起動時温度を記憶し、記憶した起動時温度を前記環境温度として出力する起動時温度保持部を有する。

上記本発明の別の態様によれば、別の装置で用いられる温度センサからシステムの起動時に取得される起動時温度を環境温度として用いることで、環境温度を取得するための温度センサを削減することができる。

本発明にかかるモータ温度推定装置の別の態様では、前記環境温度は、予め設定された固定値である。これにより、温度センサを用いることなくモータの推定温度の精度を高めることができる。

本発明にかかるモータ温度推定装置によれば、モータの推定温度の精度を高めることができる。

実施の形態１にかかるモータ温度推定装置のブロック図である。実施の形態１にかかる時定数マップを説明する図である。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置における推定温度の計算手順を説明するフローチャートである。実施の形態２にかかるモータ温度推定装置のブロック図である。実施の形態３にかかるモータ温度推定装置のブロック図である。モータ温度推定装置における課題を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

また、以下の説明では、本発明をブラシレスＤＣモータに適用した例について説明するが、本発明は、ブラシレスＤＣモータに限らず、交流モータ、直流モータ等にも適用できるものである。

まず、図１に実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１のブロック図を示す。図１では、モータ温度推定装置１以外に、温度の推定対象であるモータ２３、モータ２３を制御する速度制御器２０、電流制御器２１、インバータ２２、モータ２３が置かれる環境の環境温度を測定する環境温度センサ２４を示した。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、図１に示したモータを駆動するシステムから取得した情報に基づきモータ２３の巻線温度を推定する。

速度制御器２０に入力される速度指示値Ｎｒｅｆは、図１に示したシステムの上位のシステムであって、図示を省略したシステムに設けられる制御部等から出力される。速度制御器２０は、速度指示値Ｎｒｅｆと、モータの実際の回転速度を測定した実速度値との差に基づき電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを生成する。この電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆは、モータ２３を駆動する駆動電流の大きさを指示するものである。

電流制御器２１は、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、モータを実際に駆動している電流を測定した実電流値との差に基づき電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃを生成する。電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃは、モータ２３を駆動するモータ端子電圧の大きさを指示するものである。インバータ２２は、電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃに基づきモータ２３に与えるモータ端子電圧ｖａ〜ｖｃを生成する。

環境温度センサ２４は、モータ２３が搭載されるシステムに設けられる。そして、環境温度センサ２４は、モータ２３が動作する環境の温度（以下、環境温度Ｔａと称す）を測定する。

また、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、速度指令値Ｎｒｅｆ、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆ及び環境温度Ｔａに基づき推定温度Ｔｓを算出する。このとき、モータ温度推定装置１では、環境温度Ｔａと前計算サイクルで算出した推定温度Ｔｓとの差に基づき、推定温度Ｔｓの算出に用いる熱時定数τｒｃの値を切り替える。図１に示すように、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、損失計算部１０、熱時定数選択部１１、推定温度算出部１２を有する。

損失計算部１０は、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを用いてモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓを算出する。ここで、損失Ｐｌｏｓｓの計算に用いる電流値は、電流指令値でも良く、実電流値でも良い。また、損失Ｐｌｏｓｓは、銅損のみを考慮した値でも良く、銅損と鉄損とを考慮した値でも良い。銅損のみを考慮した損失Ｐｌｏｓｓは（１）式によって表される。また、銅損と鉄損とを考慮した損失Ｐｌｏｓｓは（２）式によって表される。

（１）式において、Ｒａはモータの巻選抵抗であり、Ｉは電流指令値である。

（２）式において、ｋ_ｈはヒステリシス損の係数であり、ｋ_ｅは渦電流損の係数であり、ｆはモータ端子電圧の周波数である。

熱時定数選択部１１は、速度指令値Ｎｒｅｆと、モータを駆動する駆動電流の大きさを指示する電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、に基づきモータ２３の巻線温度の熱変化率を示す熱時定数τｒｃを出力する。具体的には、熱時定数選択部１１は、モータ２３が置かれる環境の環境温度Ｔａと、推定温度Ｔｓと、の温度差毎に設けられ、それぞれが速度指令値と電流指令値との組み合わせ毎に熱時定数τｒｃをマッピングした複数の時定数マップを有する。そして、熱時定数選択部１１は、環境温度Ｔａと推定温度Ｔｓとの温度差に基づき熱時定数を選択する時定数マップを切り替え、入力される速度指令値Ｎｒｅｆと電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆに対応する熱時定数を選択した時定数マップから抽出して出力する。なお、熱時定数選択部１１が用いる推定温度Ｔｓは、１つ前の計算サイクルで算出された推定温度Ｔｓを用いる。

ここで、時定数マップにマッピングされる熱時定数τｒｃは、事前にモータ２３を動作させながら測定することができる。時定数マップは、マップの各条件に合わせて測定した熱時定数τｒｃをマッピングしたものである。そこで、熱時定数選択部１１内に格納される時定数マップの例を図２に示す。

図２に示すように、熱時定数選択部１１に格納される時定数マップは、環境温度Ｔａと推定温度Ｔｓとの温度差毎に複数ある。そして、各時定数マップは、横軸をモータの回転速度（例えば、速度指令値）、縦軸を駆動電流（例えば、電流指令値）としたグラフとして考えることができ、速度指令値と電流指令値の組み合わせ毎に熱時定数τｒｃが記述される。この熱時定数τｒｃは、モータ２３の熱抵抗Ｒｔｈと、モータの熱容量Ｃｔｈと、の積により表される。本実施の形態で用いる時定数マップでは、熱時定数τｒｃとして熱抵抗Ｒｔｈと熱容量Ｃｔｈの情報をそのまま含むものとする。

推定温度算出部１２は、熱時定数選択部１１から出力された熱時定数と損失計算部１０が出力するモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓとに基づき推定温度Ｔｓを算出する。推定温度算出部１２は、モータ２３の熱抵抗Ｒｔｈ、熱容量Ｃｔｈ及び損失Ｐｌｏｓｓを並列に接続した一次のローパスフィルタモデル（以下、一次の熱モデルと称す）を用いる。具体的には、一次の熱モデルは（３）式で表すことができ、推定温度算出部１２は、（３）式を変形した（４）式を用いて推定温度Ｔｓを算出する。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１における推定温度の計算手順について説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１における推定温度の計算手順を説明するフローチャートを示す。

まず、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、図３に示すフローチャートで示される計算サイクルを所定の間隔で実施する。図３に示すように、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、計算サイクルが開始されると、速度制御器２０に入力される速度指令値Ｎｒｅｆと、電流制御器２１が出力する電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、を取得する（ステップＳ１）。次いで、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、環境温度センサ２４から環境温度Ｔａを取得する（ステップＳ２）。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、ステップＳ２で取得した環境温度Ｔａと、前計算サイクルで算出したＴｓと、の温度差を計算する（ステップＳ３）。このステップＳ３の計算は、モータ温度推定装置１の熱時定数選択部１１で算出する。次いで、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の熱時定数選択部１１は、算出した温度差に基づき時定数マップを選択し、選択した時定数マップにおいてステップＳ１で取得した速度指令値Ｎｒｅｆと、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、の組み合わせに対応する熱時定数τｒｃを決定する（ステップＳ４）。

ここで、熱時定数マップでは、離散的な速度指令値と電流指令値との組み合わせに対して熱時定数τｒｃが記述される。そのため、実際に入力される速度指令値と電流指令値との組み合わせと、熱時定数τｒｃがマッピングされた速度指令値と電流指令値との組み合わせと、の間には誤差が生じる場合がある。このような誤差が生じた場合、実際に入力された速度指令値と電流指令値との組み合わせに近い熱時定数τｒｃを近似値として出力しても良い。また、このような誤差が生じた場合、実際に入力された速度指令値と電流指令値との組み合わせに近い熱時定数τｒｃを少なくとも２点選択して、選択した熱時定数τｒｃから実際に入力された値に対応する熱時定数τｒｃを計算により決定しても良い。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の損失計算部１０は、ステップＳ１で取得した電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆに基づきモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓを算出する（ステップＳ５）。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、推定温度算出部１２により、推定モデル（例えば、一次の熱モデル）に基づき推定温度Ｔｓを算出する（ステップＳ６）。ステップＳ６の計算では、（４）式に熱時定数選択部１１が出力した熱時定数τｒｃに含まれる熱抵抗Ｒｔｈ及び熱容量Ｃｔｈと、損失計算部１０が出力した損失Ｐｌｏｓｓと、を代入して推定温度Ｔｓを算出する。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、このように推定温度Ｔｓが算出されたことに応じて、現計算サイクルを終了させる。

上記説明より、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、環境温度Ｔａと推定温度Ｔｓとの温度差に基づき熱時定数を決定する時定数マップを切り替える。これにより、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、モータの巻線温度と周囲温度との温度差に起因する推定温度Ｔｓのずれを小さくすることができる。つまり、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、モータ２３の推定温度の精度を高めることができる。

なお、上記説明では、モータ温度推定装置１をハードウェアにより構成する例について説明したが、モータ温度推定装置１内の処理をソフトウェアにより実行することもできる。ソフトウェアによりモータ温度推定装置１の機能を実現する場合、演算部（例えば、ＣＰＵ）上で必要な処理を実行するプログラムを動作させる。また、熱時定数選択部１１に格納される時定数マップは演算部内のメモリ、或いは、演算部とは別に設けられるメモリに格納する。

上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

実施の形態２
実施の形態２では、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の別の形態となるモータ温度推定装置２について説明する。そこで、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２のブロック図を図４に示す。

図４に示すように、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２は、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１に起動時温度保持部１３を加えたものである。また、実施の形態２では、環境温度センサ２４に代えて環境温度センサ２５から環境温度Ｔａとなる温度情報を取得する。環境温度センサ２５は、例えば、ＣＰＵ、モータ、周辺機器等の他の装置で用いられるセンサである。起動時温度保持部１３は、モータ２３が搭載されるシステムの起動時に、環境温度センサ２５により取得された起動時温度を記憶し、記憶した起動時温度を環境温度Ｔａとして出力する。

上記説明より、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２では、他の装置で用いられる環境温度センサ２５からシステムの起動時に取得される起動時温度を取得し、当該起動時温度を起動時温度保持部１３で保持して、環境温度Ｔａとして用いる。これにより、実施の形態２にかかるモータ温度推定装置２を搭載するシステムは、センサの数を実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１が搭載されるシステムよりも削減することができる。

モータ２３が搭載されるシステムが置かれる環境が、室内等の温度変化が少ない環境であれば、システムの起動時の温度がその後も維持されると考えられるため、環境温度センサ２４を環境温度センサ２５に置き換えることの影響は少ない。

実施の形態３
実施の形態３では、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の別の形態となるモータ温度推定装置３について説明する。そこで、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３のブロック図を図５に示す。

図５に示すように、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３は、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の熱時定数選択部１１を熱時定数選択部１４に置き換えたものである。また、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３では、環境温度Ｔａとして予め環境温度として想定される固定値を用いる。

上記説明より、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３では、環境温度Ｔａとして、モータ２３が搭載されるシステムが稼働する空間の温度として予測される温度を予め決定する。これにより、実施の形態３にかかるモータ温度推定装置３を搭載するシステムは、センサの数を実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１が搭載されるシステムよりも削減することができる。

モータ２３が搭載されるシステムが置かれる環境が、温度管理された空間等の予め温度が予測できる環境であれば、このように環境温度Ｔａを予め決定してしまっても環境温度Ｔａをセンサにより取得せずともセンサがある場合（例えば、実施の形態１、２）と同等の精度の推定温度Ｔｓを算出することができる。

上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

上記説明では、速度指令値Ｎｒｅｆをモータ２３を制御するシステムに与える例について説明したが、本発明は、速度指令値Ｎｒｅｆ以外の指令値に基づきモータ２３を制御するシステムにも適用することができる。例えば、モータ２３をトルク指令値に基づき制御する場合、速度指令値Ｎｒｅｆが生成されないことがあるが、このような場合においてもモータ２３からロータの角度を示すロータ角度値を取得して、当該ロータ角度値からモータ２３の実速度値を算出することができる。当該実速度値は。速度指令値Ｎｒｅｆの代替値として利用することができる。また、モータ２３をロータ位置指令値に基づき制御する場合、当該ロータ位置指令値に基づき速度指令値Ｎｒｅｆを生成する位置制御器等を設けることで速度指令値Ｎｒｅｆを時定数選択部に与えることができる。

１〜３モータ温度推定装置
１０損失計算部
１１熱時定数選択部
１２、１４推定温度算出部
１３起動時温度保持部
２０速度制御器
２１電流制御器
２２インバータ
２３モータ
２４、２５環境温度センサ

Claims

モータのトルク、回転速度及び回転角度の少なくとも１つを制御するシステムにおいて前記モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置であって、
前記モータの損失を算出する損失計算部と、
前記モータの速度を指示する速度指令値と、前記モータを駆動する駆動電流の大きさを指示する電流指令値と、に基づき前記巻線温度の熱変化率を示す熱時定数を出力する熱時定数選択部と、
前記熱時定数選択部から出力された熱時定数と損失計算部が出力する前記モータの損失とに基づき推定温度を算出する推定温度算出部と、を有し、
前記熱時定数選択部は、前記モータが置かれる環境の環境温度と、前記推定温度と、の温度差毎に設けられ、それぞれが前記速度指令値と前記電流指令値との組み合わせ毎に前記熱時定数をマッピングした複数の時定数マップを有し、前記温度差に基づき前記熱時定数を選択する前記時定数マップを切り替え、入力される前記速度指令値と前記電流指令値に対応する前記熱時定数を選択した前記時定数マップから抽出して出力するモータ温度推定装置。
前記モータが搭載されるシステムの起動時に、温度センサにより取得された起動時温度を記憶し、記憶した起動時温度を前記環境温度として出力する起動時温度保持部を有する請求項１に記載のモータ温度推定装置。
前記環境温度は、予め設定された固定値である請求項１に記載のモータ温度推定装置。