JP6645633B1 - 制御装置および制御システム - Google Patents

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Abstract

経年劣化時に温度推定の精度が低下するのを抑制できる制御装置を得る。制御装置(10)は、回転電機(1)の熱回路を含む熱回路モデル(30−1)を表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部(13)を備え、補正部(13)は、回転電機(1)においてセンサ部(8)が計測した計測位置に対応する温度(T31)または熱流量(U32)を含む計測情報を用いて、計測位置に対応する熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正するものである。

Description

この出願は回転電機の温度推定を行う制御装置、およびこの制御装置を用いた制御システムに関する。
従来の制御装置として、固定子の温度を検出する温度検出装置と、回転電機であるモータの実機の熱特性を表した、モータ内部の熱抵抗および発熱量から構成される熱回路モデルに基づいて、モータの固定子の温度を推定する温度推定装置とを備える制御装置がある。従来の制御装置では、温度検出装置により検出された固定子の検出温度と、温度推定装置により推定された固定子の推定温度との誤差に所定の係数を掛けてモータの発熱量を補正することが知られている(例えば特許文献1参照)。
特開2016−82698号公報
特許文献1に示された制御装置では、温度推定に用いる熱回路モデルの熱抵抗および熱容量の値は、生産工程において制御装置へ制御ロジックの書込みを実施する時点において確定する必要がある。このため、熱回路モデルの熱抵抗および熱容量の値は、工場出荷後に変更されることはない。従って、経年劣化によるモータの熱抵抗、発熱量、熱容量の変化に応じて熱回路モデル内の熱抵抗、発熱量、熱容量を補正できず、経年劣化時に制御装置の温度推定の精度が低下するという問題があった。
本出願は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、経年劣化時に温度推定の精度が低下するのを抑制できる制御装置を得ることを目的としている。
この出願に係る制御装置は、
回転電機の熱回路を含む熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部を備え、
補正部は、回転電機においてセンサ部が計測した計測位置に対応する温度または熱流量を含む計測情報を用いて、計測位置に対応する熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正するものである。
上記のように構成された制御装置において、経年劣化時に温度推定の精度が低下するのを抑制できる。
この出願の実施の形態1における制御システムを示すブロック図である。 この出願の実施の形態1における制御システムを示すハードウェア構成図である。 この出願の実施の形態1における制御装置の一部を示すブロック図である。 この出願の実施の形態1における制御装置が温度推定に用いるモータ全体の熱回路モデルを示す図である。 図4の熱回路モデルの一部を示す図である。 この出願の実施の形態1における制御装置において熱抵抗を補正するときに用いる熱回路モデルの部分図である。 この出願の実施の形態1における制御装置において発熱量を補正するときに用いる熱回路モデルの部分図である。 この出願の実施の形態1における制御装置において熱容量を補正するときに用いる熱回路モデルの部分図である。 この出願の実施の形態1における制御装置の制御のフロー図である。 この出願の実施の形態2における制御装置の制御のフロー図である。 この出願の実施の形態2における制御装置において時刻に対するモータの出力を示す図である。 この出願の実施の形態2における制御装置において時刻に対する推定温度を示す図である。 この出願の実施の形態2における制御装置において時刻に対するモータの出力を示す図である。 この出願の実施の形態2における制御装置において時刻に対する推定温度を示す図である。
以下、図を参照してこの出願の実施の形態に係る駆動制御装置について詳細を説明する。
実施の形態1.
図1は、この出願に係る発明を実施するための実施の形態1における制御システムを示すブロック図である。
図1に示すように、制御システム100は、回転電機であるモータ1と、電力変換器であるインバータ9と、インバータ9を制御する制御装置10と、センサ部であるセンサ8と、回転位置検出器14と、電流検出器15とを備える。図1において、モータシステムである制御システム100は、例えば、電気自動車に搭載されるモータをインバータおよび制御装置を用いて駆動する制御システムを示す。なお、制御装置10は、インバータ9の内部に組み込まれて一体となっていてもよい。
モータ1は、固定子2、および固定子2に空隙を介して対向して配置され回転可能な回転子3を有している。 固定子2は、固定子コア4および固定子巻線5を有している。回転子3は、回転子コア6、回転子巻線7およびシャフト23を有している。回転子3は、界磁を発生する回転子巻線7に代えて永久磁石を有していてもよい。
固定子2および回転子3には、温度センサおよび熱流束センサであるセンサ8が、固定子巻線5の近傍、固定子コア4、および回転子巻線7の近傍に設置され、モータ1内の局所的な温度および熱流量を測定する。センサ8の設置位置は、モータ1内に限らずモータ1の表面上などモータ1の任意の位置に設置可能である。また、センサ8は、必ずしもモータ1に設置される必要はなく、モータ1から離れた位置からモータ1上の温度および熱流束を測定できればよい。なお、センサ8は、温度センサおよび熱流束センサに限らず、温度または熱流束の計測に必要な情報を間接的に計測するセンサであってもよい。
また、モータ1には、回転子3の回転位置を検出する回転位置検出器14、およびモータ1に流れる電流を検出電流として検出する電流検出器15が設けられている。
制御装置10は、回転電機であるモータ1の熱回路を含む熱回路モデルを用いてモータ1を制御する制御部11、熱回路モデルを用いて回転電機の温度を推定温度として推定する演算部12、および熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部13を有している。
演算部12および補正部13は、モータ1に設けられたセンサ8が計測した計測情報を受け取って後述する演算を実施する。
制御部11は、補正部13から補正した情報である補正情報と、回転位置検出器14からモータ1の回転位置と、電流検出器15が検出した検出電流とを受け取り、補正情報と回転位置とに基づいて生成した電流指令と検出電流とを用いて、電圧指令を計算しインバータ9に出力する。
インバータ9は、電圧指令に基づいてモータ1に電圧を印加する。例えば、インバータ9は、電圧指令に基づいて生成されたPWM波形による電圧をモータ1に印加してモータ1を駆動する。
この結果、制御装置10は、電流検出器15で検出した検出電流が電流指令に追従するようにモータ1に印加する電圧を制御することができる。そして、制御装置10は、モータ1の動作を変化させて、モータ1のトルクまたは回転速度を制御しモータ1の出力を制御する。
図2は、本実施の形態における制御システムを示すハードウェア構成図である。図2において、この制御システム100に用いられる制御装置10は、プロセッサ90と、記憶装置91とを備える。プロセッサ90は、記憶装置91に記憶されたプログラムを実行することにより、制御装置91の処理を行う。
プロセッサ90は、マイコン(マイクロコンピュータ)やDSP(Digital Signal Processor)、FPGAなどのハードウェア回路に論理構成されたプロセッサにより構成される。
記憶装置91は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、記憶装置91は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、不揮発性の補助記憶装置の代わりにハードディスク等の補助記憶装置とを具備してもよい。
プロセッサ90は、記憶装置91から入力されたプログラムを実行する。記憶装置91が補助記憶装置と揮発性記憶装置とを具備するため、プロセッサ90に、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。また、プロセッサ90は、演算結果等のデータを記憶装置91の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に前記データを保存してもよい。
図1の制御部11、演算部12および補正部13は、記憶装置91に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ90、または図示していないシステムLSI等の処理回路により実現される。また、複数のプロセッサ90および複数の記憶装置91が連携して上記機能を実行してもよいし、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。また、複数のプロセッサ90および複数の記憶装置91と、複数の処理回路との組み合わせにより連携して上記機能を実行してもよい。
次に本実施の形態の動作について説明する。
図3は、本実施の形態における制御装置の一部を示すブロック図である。制御装置10において、演算部12は、センサ8である温度センサ31が計測した計測情報の1つである計測温度T31と、センサ8である熱流束センサ32が計測した計測情報の1つである計測熱流量U32と、補正部13が出力した補正情報Ccとを用いて、熱回路モデルに基づいてモータ1の温度分布を推定して推定温度T33として出力する温度演算部30とを有している。熱回路モデルは、オームの法則に従い成立する熱回路方程式を用いた熱回路を含む熱回路網で構成されたモデルである。
本実施形態では、計測温度T31は温度センサst2の計測温度を、計測熱流量U32は熱流束センサsf1、sf3の計測熱流量を示している。なお、計測温度T31および計測熱流量U32は、複数個のセンサ8でそれぞれ測定された複数個の数値であってもよい。
補正部13は、熱回路モデルの補正の判断を行う補正判断部34と、補正に必要な熱回路モデルの一部の熱回路モデルである部分熱回路モデルの補正情報Ccを出力する補正演算部35とを有している。
補正判断部34は、温度演算部30が出力した推定温度T33と、計測温度T31または計測熱流量U32とを用いて補正の判断を行い、補正が必要な場合には補正指令Dcを出力する。ここで、センサ8である温度差センサ31は、推定温度T33に対応する計測位置の温度を計測温度として計測する。また、センサ8である熱流束センサ32は、推定温度T33に対応する計測位置の熱流量を計測熱流量として計測する。
補正演算部35は、補正指令Dcと、計測温度T31と、計測熱流量U32とを用いて、すなわち、モータ1においてセンサ8が計測した計測位置に対応する温度または熱流量を含む計測情報を用いて、部分熱回路モデルに基づいて計測位置に対応する熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正し補正情報Ccとして出力する。ここで、部分熱回路モデルは、センサ8が計測する計測位置を含んでいる。
また、補正部13は、モータ1に設けられた複数のセンサ8が計測した複数の計測温度T31を用いて、複数のセンサ8が計測温度T31を計測した計測位置のそれぞれに対応する熱抵抗、発熱量、熱容量の少なくともいずれか1つを補正してもよい。
次に、熱回路モデルについて図4を用いて説明する。
図4は、本実施の形態における制御装置が温度推定に用いるモータ全体の熱回路モデルを示す図である。図4において、熱回路モデル30−1は、モータ1全体の空間的な熱流束や温度を熱回路で表したもので、ノード20、熱抵抗21、発熱源22、および熱容量24をそれぞれ1個以上有している。
ノード20は、図4のノード20bなどモータ1の内部を含む特定の部位を示しており、各ノード20に対応する部位の温度Tが割り当てられる。
熱抵抗21は、熱量の流れにくさを表したものであり、図4の熱抵抗Rst1、Rst2、・・・、Rro1、Rro2、・・・などモータ1に含まれる熱回路の全てに存在する。各熱抵抗21には対応する熱流量Uがそれぞれ通過する。
発熱源22は、図4の固定子巻線5に通電することによって発生する銅損による発熱Qc1、回転子巻線7に通電することによって発生する銅損による発熱量Qc2、モータ1の外部からの熱の流入である熱流量Q3、Q4、および固定子コア4や回転子コア6に発生する鉄損による発熱量Qst、Qrを表す発熱量Qが、対応する発熱源22からそれぞれ流入する。
熱容量24は、温度上昇のしやすさを表したものでありノード20に繋がっている。熱回路モデル30−1は、複数のノード20、複数の熱抵抗21、複数の発熱源22、複数の熱容量24の組み合わせであり2次元モデルに限らず3次元的に接続されたモデルも同様に構成できる。また、温度の推定精度を向上させるため、ノード20をより細分化して配置して熱抵抗21、発熱源22、および熱容量24と接続したモデルでもよい。
図4において、モータ1の軸方向の中央部に対する軸方向の対称性から、最小限の熱回路モデルのみを記しているが、実際は、点線部にも熱回路が繋がっている。また、図4は、熱回路モデル30−1の概略を示すものであり、各ノード20や各熱抵抗21等はより詳細に配置されている。より詳細な熱回路については、図5を用いて後述する。熱回路モデル30−1では、固定子コアの軸方向中心の位置に温度センサst2、固定子巻線5および回転子巻線7の近傍に熱流束センサsf1、sf3が設置されている。温度センサst2は、設置された各計測位置における温度を計測し、熱流束センサsf1、sf3は、各計測位置における熱流量を計測する。ここで、熱流束センサsf1、sf3は、各計測位置における熱流束を計測し、計測した各熱流束と対応する熱流束センサsf1、sf3の各計測面積との積を取って計測熱流量として出力している。
ここで、センサ8が計測する計測位置は、センサ8が設置された位置と一致している。なお、計測する計測位置と設置された位置とが一致する必要はなく、センサ8が、計測位置から離れた位置に設置され、非接触によって計測位置の計測情報を計測してもよい。
次に熱回路モデル30−1を用いた演算部12の温度推定手法について図5および図6を用いて示す。
まず、熱回路モデル30−1の熱回路方程式について図5を用いて説明する。図5は、図4の熱回路モデル30−1の一部である部分熱回路モデル30−2を示す図である。
図5は、図4の熱回路モデル30−1のノード20a、発熱源22の発熱量Qc1a、および熱容量24の値C1を含む熱回路モデルを詳細に示したものである。図5において、部分熱回路モデル30−2は、4つのノード20a1、20a2、20a3、20a4と、3つの熱抵抗21a1、21a2、21a3と、1つの発熱源22aと、2つの熱容量24a1、24a2とを有している。3つの熱抵抗21、および4つのノード20a1、20a2、20a3、20a4は、図4の熱回路モデル30−1のノード20aの一部である。部分熱回路モデル30−2では、オームの法則に基づいて熱抵抗R1、R2、R3に関して式(1)、(2)、(3)が成立する。
Figure 0006645633
式(1)、(2)、(3)において、T1、T2、T3およびT4はそれぞれ4つのノード20a1、20a2、20a3、20a4に対応する温度であり、R1、R2およびR3はそれぞれ3つの熱抵抗21に対応する熱抵抗の値であり、U1、U2およびU3はそれぞれ3つの熱抵抗21に対応する熱流量である。式(1)、(2)、(3)は、図5の部分熱回路モデル30−2で成立する熱回路方程式の一部を示したものであり、同様の式が熱回路モデル30−1の全体で複数個成立する。よって、図4に示したモータ1全体の熱回路モデル30−1で成立する熱回路方程式は式(4)のようになる。
Figure 0006645633
式(4)における右辺の関数Fは、熱回路モデル30−1の熱回路方程式を表す関数の行列であり、RおよびQは、それぞれ熱回路方程式に含まれる熱抵抗21の値および発熱源22の発熱量である。式(4)の左辺は、推定温度T33の各々を各項とした縦ベクトルである。式(4)の右辺の{T31,U32}Tは、計測温度T31および計測熱流量U32のそれぞれを各項とした縦ベクトルである。よって、式(4)は、熱回路モデル30−1で成立する全ての熱回路方程式を表したものである。ここで、T33、RおよびQに付けた「^」は、計測値ではなく予め設定された推定値であることを示し、それぞれ推定温度、推定抵抗値、推定発熱量とする。温度センサ31および熱流束センサ32の計測情報である計測温度T31および計測熱流量U32を式(4)に入力して、式(4)の方程式を解くことによって推定温度T33^を算出する。以降、T33^をT33と表記する。
式(4)は、熱回路モデル30中の熱抵抗21の値R及び発熱量Qがモータ1の熱抵抗21の値及び発熱量に対して正確であれば、温度T33を正確に推定可能である。しかしながら、モータ1の熱抵抗21の値Rおよび発熱量Qは経年劣化やモータ1の使用状況により変化するため、モータ1の熱抵抗21の値および発熱量と熱回路モデル30中の熱抵抗21の値Rおよび発熱量Qとの間に誤差が生じ、推定温度T33を正確に推定することができなくなることが想定される。そこで熱回路モデル30中の熱抵抗21の値Rおよび発熱量Qを工場出荷時の初期値として推定抵抗値R^、推定発熱量Q^を設定し、センサ8から送られてくる計測情報と熱回路方程式の一部とを用いて補正部13によって補正する。その際、推定熱抵抗R^は、初期値として(熱流路の長さ)÷(熱流路の断面積)÷(モータ1の部材の熱伝導率)で表しておけばよい。
発熱源22が巻線の場合には、発熱の原因が銅損であるため、推定発熱量Q^は、初期値として(巻線の抵抗値)×(巻線の電流値)^2で計算できる。
発熱源22が固定子コア4および回転子コア6の場合には、発熱の主な成分は鉄損となる。また、鉄損は、磁束密度の大きさの2乗と磁束密度の周波数の2乗に比例する。固定子巻線5に磁束が鎖交することによって発生する誘起電圧は、(磁束密度)×(磁束が通る磁路の断面積)×(磁束密度の周波数)で表される。従って、鉄損は、固定子巻線5の誘起電圧の2乗に比例すると考えられる。このため、固定子コア4および回転子コア6の推定発熱量Q^は、(固定子巻線5の誘起電圧の値)^2×(比例係数)で計算できる。
熱回路モデル30−1中の熱抵抗の補正方法について図6を用いて説明する。
図6は、本実施の形態における制御装置において熱抵抗を補正するときに用いる熱回路モデルの部分図である。図6は、熱回路モデル30−1の一部を抜粋した部分熱回路モデル30−2aである。図6の部分熱回路モデル30−2aは、例えば、図5におけるノード20a2、20a4と熱抵抗R2とが抜き出されたもので構成されている。部分熱回路モデル30−2aにおいて、温度センサ31および熱流束センサ32は、ノード20a2、20a4の温度T2、T4、および熱流量U2を計測する。熱抵抗21は、熱抵抗の値R2を持っている。温度センサ31および熱流束センサ32は、モータ1の任意の位置に設置可能だが、補正する熱抵抗21の近傍にあることが望ましい。この熱回路方程式は、オームの法則より上述した式(2)が成立する。
但し、U2は、温度T4のノード20a4から温度T2のノード20a2へ流れる熱流量を正とする。補正部13は、温度センサ31および熱流束センサ32で計測される温度T2、T4および熱流量U2を用いて式(2)を解いた値によって、ノード20a4と20a2との間の熱抵抗21の値である熱抵抗R2の値を補正する。
すなわち、センサ8は、モータ1における異なる2箇所の計測位置である計測位置20a4および計測位置20a2の温度をそれぞれ計測温度T4および計測温度T2として計測し、かつ計測位置20a4から計測位置20a2に流れる熱流量を計測熱流量U2として計測する。そして、補正部13の補正演算部35は、計測温度T4および計測温度T2の差分と計測熱流量U2とを用いて、計測位置20a4および計測位置20a2の間の熱抵抗R2を補正する。
これによって、熱抵抗21の近傍にある2つの温度センサ31と1つの熱流束センサ32の計測情報があれば、熱抵抗R2の値を常時補正できる。
熱回路モデル30−1中の発熱量の補正方法について図7を用いて説明する。
図7は、本実施の形態における制御装置において発熱量を補正するときに用いる熱回路モデルの部分図である。図7は、熱回路モデル30−1の一部を抜粋した部分熱回路モデル30−2bである。図7の部分熱回路モデル30−2bは、例えば、図5における3つのノード20a1、20a2、20a4と、それぞれ熱抵抗の値R1、R2を有する2つの熱抵抗21と、1つの発熱源22aとが抜き出された熱回路で構成されている。温度T1、T2、T4は、温度センサ31を用いて計測される計測温度である。温度センサ31は、任意の位置に設置可能だが、補正する発熱源22aの近傍にあることが望ましい。この熱回路において、式(5)が成立する。
Figure 0006645633
但し、U1は、温度T1のノード20a1から温度T4のノード20a4へ流れる向きを正とする値であり、U2は、温度T4のノード20a4から温度T2のノード20a2へ流れる向きを正とする値である。R1は、ノード20a1と20a4との間の熱抵抗21の値であり、R2は、ノード20a4と20a2との間の熱抵抗21の値である。Qc1aは、発熱源22aにおける発熱量であって温度T4のノード20a4に流入する向きを正とする値である。補正部13は、計測温度T1、T2、T4と、既知の熱抵抗の値R1、R2とを用いて式(5)を解いた値によって、発熱量Qc1aを補正する。発熱量Qc1aの補正において、温度T1、T2、T4を用いる代わりに、熱流量U1、U2を用いてもよい。その場合、熱流量U1、U2は、熱流束センサ32を用いて計測される。
すなわち、センサ8は、モータ1における異なる3箇所の計測位置である計測位置20a1、計測位置20a4および計測位置20a2の温度をそれぞれ計測温度T1、計測温度T4、および計測温度T2として計測する。補正部13は、計測温度T1、計測温度T2および計測温度T4と、計測位置20a2および計測位置20a4の間の熱抵抗R2と、計測位置20a4および計測位置20a1の間の熱抵抗R1とを用いて、計測位置20a4に対して流入または流出する発熱量Qc1aを補正する。
これによって、発熱源22aの近傍にある2つの熱流束センサU1、U2の計測情報があれば発熱量Qc1aを常時補正できる。
また、センサ8は、モータ1における異なる2箇所の計測位置であって、ノード20a1と20a4との第1計測位置、およびノード20a4と20a2との間の第2計測位置のうち、第1計測位置の熱流量を計測熱流量U1として計測し、かつ第2計測位置の熱流量を計測熱流量U2として計測する。補正部13は、計測熱流量U1と計測熱流量U2との差分を用いて、第1計測位置および第2計測位置の間に対して流入または流出する発熱量Qc1aを補正する。
これによって、発熱源22aの近傍にある2つの熱流束センサU1、U2の計測情報があれば発熱量Qc1aを常時補正できる。
熱回路モデル中の熱容量の補正方法について図8を用いて説明する。
図8は、本実施の形態における制御装置において熱容量を補正するときに用いる熱回路モデルの部分図である。図8は、熱回路モデル30−1の一部を抜粋した部分熱回路モデル30−2cである。図8の部分熱回路モデル30−2cは、例えば、図5における1つのノード20a1と、1つの熱容量24a1とが抜き出された熱回路で構成されている。ノード20a1からは4つの熱の流路があり、それぞれ熱流量U1、U4、U5、U6が通過している。ノード20a1の温度T1は、温度センサ31により計測された計測温度である。また、熱流量U1、U5、U6は、熱流束センサ32によりそれぞれ計測された計測熱流量である。この熱回路において、式(6)が成立する。
Figure 0006645633
ここでdTは、ノード20a1の単位時間当たりの温度上昇であり、C1は、熱容量24a1の熱容量の値である。補正部13は、熱流束センサ32の計測量U1、U5、U6を用いて式(6)を解いた値によって、熱容量C1を補正する。
すなわち、センサ8は、モータ1における1箇所の計測位置である計測位置20a1の単位時間当たりの温度上昇を計測温度上昇dTとして計測し、かつ計測位置20a1に対して流入又は流出する4つの熱流量U1、U4、U5、U6のうち3つの熱流量を計測熱流量U1、計測熱流量U5、および計測熱流量U6として計測し、4つの熱流量U1、U4、U5、U6のうち計測熱流量U1、計測熱流量U5、および計測熱流量U6と異なる熱流量を熱流量U4とするとき、補正部13は、計測熱流量U1と計測熱流量U5と計測熱流量U6と計測温度上昇dTとを用いて、熱流量U4に対応する熱容量C1を補正する。
これによって、熱容量24a1の近傍にある1つの温度センサ31の計測情報と3つの熱流束センサ32の計測情報とがあれば、熱容量24a1の値C1を常時補正できる
なお、熱抵抗、発熱量、および熱容量の補正方法は、以上に示した式(2)、式(5)、式(6)を用いる補正方法に限らず、モータ1に設置された複数のセンサ8による計測情報と、図4の熱回路モデル30−1で成立する熱回路方程式の少なくとも一部とを用いた補正方法であればよい。
以上の方法によって、補正部13は、熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正する情報を補正情報Ccとして演算部12に出力する。図9のフロー図を用いて、制御装置10の具体的な補正方法の手順を説明する。
図9は、本実施の形態における制御装置の制御のフロー図である。
図9の初期値設定ステップS0において、演算部12の温度演算部30は、演算部12の温度演算部30が用いる熱回路モデル30−1を表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つの予め定められた初期値が設定される。ここで、初期値については、例えば工場からの出荷時に設定してもよいし、補正部13の補正演算部35が、予め定められた初期値を補正情報Ccとして温度演算部30に出力させて設定してもよい。
次に、図9の計測ステップS1において、センサ8である温度センサ31は、計測温度T31を計測し、または熱流束センサ32は、計測熱流量U32を計測する。
次に、図9の温度推定ステップS2において、演算部12の温度演算部30は、計測温度T31と計測熱流量T32とを用いて、熱回路モデル30−1に基づいて推定温度T33を推定する。また、補正部13が補正情報Ccを出力した場合には、演算部12の温度演算部30は、補正情報Ccを用いて補正された熱回路モデル30−1に基づいて推定温度T33を推定する。
次に、図9の判定ステップS3において、図3における補正部13の補正判断部34は、演算部12で推定された推定温度T33と、推定温度T33に対応する計測温度T31とを比較して、推定温度T33と計測温度T31との誤差εが予め設定された閾値以上の場合には、補正トリガーとして補正を行う指令である補正指令Dcを出力する。誤差εが予め設定された閾値未満の場合には、計測ステップS1に戻って温度推定ステップS2、判定ステップS3の順で誤差εが予め設定された閾値以上となるまで繰り返す。なお、予め設定された閾値は、必要な温度推定に要求される精度に応じて決定される。また、補正判断部34は、モータ1の停止中に限らずモータ1がトルクを発生しているときにおいても、補正指令Dcを出力する。
次の図9の補正ステップS4において、誤差εが予め設定された閾値以上の場合には、補正演算部35は、補正指令Dcを受けて、式(2)によって熱抵抗を演算し、式(5)によって発熱量を演算し、または式(6)によって熱容量を演算する。そして、補正演算部35は、演算した熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正情報Ccとして演算部12へ出力する。演算部12の温度演算部30は、補正情報Ccを用いて、熱回路モデル30−1の熱抵抗、発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正する。
次に本実施の形態の効果について説明する。
上述したように制御装置10は、センサ8の計測情報および熱回路モデル30−1を用いて温度推定を行う演算部12と、熱回路モデル30−1中の熱抵抗、発熱量、および熱容量の少なくともいずれか1つを補正する補正部13とを備えている。
このとき、熱抵抗、発熱量、および熱容量は、モータ1の生産工程において、制御装置10へロジックを書込む時点で確定し、工場出荷以降に変更されることはないと仮定する。従来の温度を推定する制御装置では、モータ1の生産工程において、全てのモータ1の製品に対し熱回路モデル内の熱抵抗、発熱量、および熱容量についてそれぞれ製品に関係なく同一の値を設定すると、モータ1の製品ごとに存在する熱抵抗、発熱量、および熱容量のばらつきによって、モータ1の熱抵抗、発熱量、および熱容量と熱回路モデル内の熱抵抗、発熱量、および熱容量との間の誤差が大きくなる。このため、温度推定の精度が低下することが想定される。
熱抵抗は、(熱流路の長さ)÷(熱流路の断面積)÷(モータ1の部材の熱伝導率)で表される。(モータ1の部材の熱伝導率)は、モータ1の部材の物性であり、経年劣化により変化することが想定される。
また、発熱量は、モータ1の巻線の銅損よる発熱の場合(巻線抵抗値)×(巻線電流値)^2で表され、回転子コア6や固定子コア4の鉄損による発熱の場合、((磁束密度)×(磁路断面積)×(磁束密度の周波数))^2×(比例係数)で表される。(巻線抵抗値)、(磁束密度)は、巻線やコアの物性であり、経年劣化により変化することが想定される。
また、熱容量は(部材の比熱)×(質量)で表される。(部材の比熱)は、部材の物性であり、経年劣化により変化することが想定される。
本実施の形態における制御装置10において、経年劣化によってモータ1の実機の熱抵抗、発熱量、および熱容量の少なくともいずれか1つが変化した場合には、補正部13は、モータ1の実機の熱抵抗、発熱量、および熱容量の少なくともいずれか1つの変化に対応した熱回路モデル30−1中の熱抵抗、発熱量、または熱容量を補正することができる。このため、従来の温度を推定する制御装置に比べて、温度推定の精度を向上することができる。
また、補正部13は、演算部12において推定された推定温度T33と推定温度T33に対応する計測温度との誤差が予め設定された閾値以上の場合に補正を行う。閾値は、必要な温度推定の精度に合わせて設定されるため、一定の温度推定の精度を確保することができる。また、必要に応じて閾値を変更することで、温度推定の精度を調整することができる。
また、工場出荷時において、全てのモータ1の製品における熱回路モデル30−1内の熱抵抗、発熱量、および熱容量についてそれぞれ同一の初期値を設定する場合でも、製品ごとに存在するモータ1の実機の熱抵抗、発熱量、または熱容量のばらつきに対応して、熱回路モデル30−1内の熱抵抗、発熱量、または熱容量を補正することによって、温度推定の精度を向上することができる。また、工場出荷前にモータ1の動作試験を行う際に、制御装置10が熱抵抗、発熱量、または熱容量を補正することによって、モータ1の製品ごとに工場出荷時の初期値を修正して温度推定の精度を向上することも可能である。
また、補正部13は、2つの温度センサ31の計測温度を用いて、部分熱回路モデル30−2aの式(2)を解くことによって熱抵抗21の値Rを補正する。これによって、補正部13は、熱抵抗21の近傍にある2つの温度センサ31の計測情報のみがあれば、熱抵抗21の値Rを補正する補正情報Ccを演算することができる。
また、補正部13は、3つの温度センサの計測温度を用いて、部分熱回路モデル30−2b、30−2cの式(5)を解くことによって発熱量Qを補正する。これによって、補正部13は、発熱源22の近傍にある3つの温度センサ31の計測情報のみがあれば発熱量Qを補正する補正情報Ccを演算することができる。また、補正部13は、2つの熱流量を計測しても発熱量Qを補正する補正情報Ccを演算する可能である。このため、補正部13は、2つの熱流束センサ32の計測情報からセンサ8近傍の発熱量Qを補正する補正情報Ccを演算することができる。
また、熱抵抗の値、発熱量、および熱容量の補正方法は、上述した方法に限らず、センサ8の計測情報を用いてセンサ8を含む部分熱回路モデルの式を解く方法であればよい。このため、補正に用いる式は、式(2)、式(5)、式(6)に限らず、任意の熱回路モデルを表す式でもよい。
また、補正に用いられるセンサ8は、補正に用いる部分熱回路モデルの式を解くために必要な温度または熱流量を計測していればよい。このため、センサ8は、温度センサ31および熱流束センサ32の任意の組み合わせでもよい。例えば、発熱量を補正する場合において、式(5)で用いる計測情報は、(T1、T4、T2)や(U1、U2)の組み合わせの他に(T1、T4、U2)等の組み合わせも可能である。これによって、センサ8の種類や計測位置を変更することで任意の熱抵抗、発熱量、または熱容量を補正することができる。
また、上述のように熱抵抗、発熱量、または熱容量の補正は、モータ1の停止中に限らずモータ1にてトルクを発生している間でも行われる。モータ1において、トルクを発生している間、モータ1の全体の温度が上昇し熱伝導率が変化する。このため、(熱流路の長さ)÷(熱流路の断面積)÷(モータ1の部材の熱伝導率)によって表される熱抵抗の値が変化する。
また、トルクが発生している間には、固定子巻線5に流れる巻線電流によってモータ1の全体の温度が上がり、例えば、固定子巻線5の電気抵抗の値である巻線抵抗値が変化する。このため、(巻線抵抗値)×(巻線電流値)^2で表される固定子巻線5の発熱量も変化する。
また、熱容量も温度依存性を有するため、温度変化に応じて熱容量も変化する。このため、トルクが発生している間には、モータ1の全体の温度が上昇した際に、モータ1の温度推定の精度が低下することが想定される。
上述のように想定した場合においても、モータ1においてトルクが発生している間に、熱抵抗、発熱量、または熱容量を補正することによって、モータ1の温度上昇時の温度推定の精度を向上することができる。
実施の形態2.
図10は、この出願に係る発明を実施するための実施の形態2における制御装置の制御のフロー図である。図11は、本実施の形態における制御装置において時刻に対するモータの出力を示す図である。図12は、本実施の形態における制御装置において時刻に対する推定温度を示す図である。図13は、本実施の形態における制御装置において時刻に対するモータの出力を示す図である。図14は、本実施の形態における制御装置において時刻に対する推定温度を示す図である。図10、図11、図12、図13および図14において、本実施の形態における制御装置10aは、実施の形態1に係る制御装置10と以下に述べる点で異なる。
図10において温度推定ステップS2を実施した後、制御ステップS5において、図9と同じ温度推定ステップS2において実施の形態1と同様に演算部12によって推定されたモータ1の推定温度T33に応じて、制御部11は、インバータ9に制御指令を送り、モータ1の出力を変化させる。次に、制御ステップS5において制御部11によってモータ1の出力が制御された後、図9と同じ判定ステップS3において、実施の形態1と同様に補正部13の補正判断部34は、演算部12で推定された推定温度T33と、推定温度T33に対応する計測温度T31とを比較して、推定温度T33と計測温度T31との誤差εが予め設定された閾値以上の場合には、補正を行う指令である補正指令Dcを補正トリガーとして出力する。誤差εが予め設定された閾値未満の場合には、計測ステップS1に戻って温度推定ステップS2、判定ステップS3の順で誤差εが予め設定された閾値以上となるまで繰り返す。補正ステップS4以降の処理は、実施の形態1と同様である。
次に、制御ステップS5におけるモータ1の出力の制御について説明する。
図11において、横軸は、時刻tを表し、縦軸は、モータ1の出力を表す。図12において、横軸は、時刻tを表し、縦軸は、モータ1の推定温度T33を表す。図11および図12に示すように、制御部11は、時刻t1において推定温度T33が予め設定した閾値Tthを超える場合には、推定温度T33が低下するようモータ1の出力を低下、または停止させる。この制御によって、推定温度T33を閾値Tth以下に低下させることができる。
また、図13において、横軸は、時刻tを表し、縦軸は、モータ1の出力を表す。図14において、横軸は、時刻tを表し、縦軸は、モータ1の推定温度T33を表す。図13および図14に示すように、制御部11は、推定温度T33が閾値Tth以下に維持されるように、モータ1の出力をPlim以下に制限し、Plim以下の範囲でモータ1を動作させてもよい。
次に本実施の形態の効果について説明する。
本実施の形態に係るモータシステム100の制御装置10は、演算部12にて推定される推定温度T33に応じてモータ1の動作を変化させる制御部11を備える。すなわち、制御部11は、インバータ9によってモータ1に印加する電圧を推定温度に応じて制御する。これにより、推定温度T33が高い場合には、推定温度T33に対応する温度が閾値Tth以上に上がらないようにモータ1の出力を低下、または出力停止する制御を行うことでモータ1の過熱保護を行うことができる。また、推定温度T33を閾値Tth近傍以内で維持するようモータ1の出力を制限し、その範囲でモータ1を動作させることで、推定温度T33を閾値Tth以内に抑えつつ、モータ1の出力を最大化することができる。
また、制御部11は、モータ1がトルクを発生させているときに、インバータ9によってモータ1に印加する電圧を推定温度T33に応じて制御してモータ1の出力を制御する。これにより、実施の形態1と同様に、モータ1においてトルクが発生している間に、熱抵抗、発熱量、または熱容量を補正することによって、モータ1の温度上昇時の温度推定の精度を向上することができる。
1 モータ(回転電機)、 2 固定子、 3 回転子、 4 固定子コア、 5 固定子巻線、 6 回転子コア、 7 回転子巻線、 8 センサ、 9 インバータ(電力変換器)、 10,10a 制御装置、 11 制御部、 12 演算部、 13 補正部、 14 回転位置検出器、 15 電流検出器、 20、20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g ノード、 21 熱抵抗、 22、22a 発熱源、 23 シャフト、 24、24a1、24a2 熱容量、 30 温度演算部、 30−1 熱回路モデル、 30−2、30−2a、30−2b、30−2c 部分熱回路モデル、 31、st2 温度センサ、 32、sf1、sf3 熱流束センサ、 34 補正判断部、 35 補正演算部、 90 プロセッサ、 91 記憶装置、 100 制御システム(モータシステム)。

Claims (18)

  1. 回転電機の回転子および固定子の熱回路を含む熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、
    発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部を備え、
    前記補正部は、前記回転電機においてセンサ部が計測した前記回転電機内の計測位置に対
    応する温度または熱流量を含む計測情報と前記熱回路モデルを用いて、前記計測位置に対
    応する前記回転電機の前記熱回路モデル中の前記熱抵抗、前記発熱量、および前記熱容量
    のうち少なくともいずれか1つを補正する制御装置。
  2. 前記センサ部が計測した前記計測情報である前記温度と前記熱流量とを用いるときは前記
    回転電機の前記熱回路モデル中の前記熱抵抗または前記熱容量を補正し、
    または、前記センサ部が計測した前記計測情報であり前記計測位置の異なる3箇所の温度
    と前記3箇所の温度に基づく前記熱抵抗とを用いるときは前記回転電機における前記発熱
    量を補正し、
    または、前記センサ部が計測した前記計測情報である前記熱流量を用いるときは前記計測
    位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、および前記熱容量のうち少なくともいずれか1
    つを補正する請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記熱回路モデルを用いて前記回転電機の温度を推定温度として推定する演算部をさらに
    備え、
    前記センサ部は、前記推定温度に対応する前記計測位置の温度を計測温度として計測し、
    前記推定温度と前記計測温度との差の絶対値が予め定められた閾値以上の場合には、前記
    補正部は、前記計測位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、および前記熱容量のうち少
    なくともいずれか1つを補正する請求項1または請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記熱回路モデルを用いて前記回転電機を制御する制御部をさらに備え、
    前記制御部は、電力変換器によって前記回転電機に印加する電圧を前記推定温度に応じて
    制御する請求項3に記載の制御装置。
  5. 前記熱回路モデルを用いて前記回転電機を制御する制御部をさらに備え、
    前記制御部は、前記回転電機がトルクを発生させているときに、電力変換器によって前記
    回転電機に印加する電圧を前記推定温度に応じて制御して前記回転電機の出力を制御する
    請求項3に記載の制御装置。
  6. 回転電機の熱回路を含む熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、
    発熱量、および熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部を備え、
    前記補正部は、前記回転電機においてセンサ部が計測した計測位置に対応する温度または
    熱流量を含む計測情報を用いて、前記計測位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、およ
    び前記熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正し、
    前記センサ部が計測した前記計測情報である前記温度と前記熱流量とを用いるときは前記
    回転電機の前記熱回路モデル中の前記熱抵抗または前記熱容量を補正し、
    または、前記センサ部が計測した前記計測情報であり前記計測位置の異なる3箇所の温度
    と前記3箇所の温度に基づく前記熱抵抗とを用いるときは前記回転電機における前記発熱
    量を補正し、
    または、前記センサ部が計測した前記計測情報である前記熱流量を用いるときは前記計測
    位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、および前記熱容量のうち少なくともいずれか1
    つを補正する
    制御装置。
  7. 回転電機の熱回路を含む熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量
    のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部を備え、
    前記補正部は、前記回転電機においてセンサ部が計測した計測位置に対応する温度または
    熱流量を含む計測情報を用いて、前記計測位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、およ
    び前記熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正し、
    前記センサ部は、前記回転電機における前記計測位置の異なる2箇所の温度と前記計測位
    置の前記熱流量を計測し、
    前記補正部は、前記異なる2箇所の温度と前記熱流量とを用いて前記熱抵抗を補正する制
    御装置。
  8. 前記センサ部は、前記回転電機における異なる2箇所の前記計測位置である第1計測位置
    および第2計測位置の温度をそれぞれ第1計測温度および第2計測温度として計測し、か
    つ前記第1計測位置から前記第2計測位置に流れる前記熱流量を第1計測熱流量として計
    測し、
    前記補正部は、前記第1計測温度および前記第2計測温度の差分と前記第1計測熱流量と
    を用いて、前記第1計測位置および前記第2計測位置の間の前記熱抵抗を補正する請求項
    に記載の制御装置。
  9. 回転電機の熱回路を含む熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量
    のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部を備え、
    前記補正部は、前記回転電機においてセンサ部が計測した計測位置に対応する温度または
    熱流量を含む計測情報を用いて、前記計測位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、およ
    び前記熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正し、
    前記センサ部は、前記回転電機における前記計測位置の異なる2箇所の熱流量を計測し、
    前記補正部は、前記異なる2箇所の熱流量を用いて前記発熱量を補正する制御装置。
  10. 前記センサ部は、前記回転電機における異なる2箇所の前記計測位置である第1計測位置
    および第2計測位置のうち、前記第1計測位置の前記熱流量を第1計測熱流量として計測
    し、かつ前記第2計測位置の前記熱流量を第2計測熱流量として計測し、
    前記補正部は、前記第1計測熱流量と前記第2計測熱流量との差分を用いて、前記第1計
    測位置および前記第2計測位置の間に対して流入または流出する前記発熱量を補正する請
    求項に記載の制御装置。
  11. 回転電機の熱回路を含む熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量
    のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部を備え、
    前記補正部は、前記回転電機においてセンサ部が計測した計測位置に対応する温度または
    熱流量を含む計測情報を用いて、前記計測位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、およ
    び前記熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正し、
    前記センサ部は、前記回転電機における前記計測位置の異なる3箇所の温度を計測し、前
    記補正部は、前記異なる3箇所の温度と前記計測位置に基づく前記熱抵抗とを用いて、前
    記発熱量を補正する制御装置。
  12. 前記センサ部は、前記回転電機における異なる3箇所の前記計測位置である第1計測位置
    、第2計測位置および第3計測位置の温度をそれぞれ第1計測温度、第2計測温度および
    第3計測温度として計測し、
    前記補正部は、前記第1計測温度、前記第2計測温度および前記第3計測温度と、前記第
    1計測位置および前記第2計測位置の間の第1熱抵抗と、前記第2計測位置および前記第
    3計測位置の間の第2熱抵抗とを用いて、前記第2計測位置に対して流入または流出する
    前記発熱量を補正する請求項11に記載の制御装置。
  13. 回転電機の熱回路を含む熱回路モデルを表す物理量である熱抵抗、発熱量、および熱容量
    のうち少なくともいずれか1つを補正する補正部を備え、
    前記補正部は、前記回転電機においてセンサ部が計測した計測位置に対応する温度または
    熱流量を含む計測情報を用いて、前記計測位置に対応する前記熱抵抗、前記発熱量、およ
    び前記熱容量のうち少なくともいずれか1つを補正し、
    前記センサ部は、前記回転電機における前記回転電機内の前記計測位置の単位時間当たり
    の温度上昇を計測温度上昇として計測し、
    かつ、前記計測位置の計測熱流量を計測し、
    前記計測熱流量に基づく前記熱流量と前記計測温度上昇とを用いて前記熱容量を補正する
    制御装置。
  14. 前記センサ部は、前記回転電機における1箇所の前記計測位置である第1計測位置の単位
    時間当たりの温度上昇を計測温度上昇として計測し、かつ前記第1計測位置に対して流入
    又は流出する4つの前記熱流量のうち3つの前記熱流量を第1計測熱流量、第2計測熱流
    量、および第3計測熱流量として計測し、
    4つの前記熱流量のうち第1計測熱流量、第2計測熱流量、および第3計測熱流量と異な
    る前記熱流量を第1熱流量とするとき、前記補正部は、前記第1計測熱流量と前記第2計
    測熱流量と前記第3計測熱流量と前記計測温度上昇とを用いて、前記第1熱流量に対応す
    る前記熱容量を補正する請求項13に記載の制御装置。
  15. 前記補正部は、前記回転電機に設けられた複数の前記センサ部が計測した計測温度を用い
    て、前記複数のセンサ部が前記計測温度を計測した前記計測位置のそれぞれに対応する前
    記熱抵抗、前記発熱量、前記熱容量の少なくともいずれか1つを補正する請求項1から請
    求項5のいずれか1項に記載の制御装置。
  16. 前記熱回路モデルは、ノード、熱抵抗、発熱源、および熱容量をそれぞれ1個以上有して
    いる請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の制御装置。
  17. 前記熱回路モデルは、前記回転電機の全体の熱流束や温度を熱回路で表したものである請
    求項1から請求項15のいずれか1項に記載の制御装置。
  18. 請求項1から請求項17のいずれか1項に記載の前記制御装置と、
    前記センサ部とを備える制御システム。
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