JP7388158B2 - 処理装置、及び巻線温度算出モデルの決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータの電子サーマルに関するモデルパラメータの調整を行う技術に関する。

モータは様々な分野で使用されており、その使用条件である回転速度やモータ負荷等も様々である。また、モータの周囲雰囲気も必ずしも一定ではなく、一般的には、モータの周囲温度が高くなるとモータからの放熱が行われにくくなり、その使用環境は過酷なものとなる。モータを駆動する場合、過負荷環境下に置かれるとモータの巻線温度が過度に上昇し、巻線が焼損してしまうことがある。このような巻線の焼損を回避するために、サーミスタやサーモスタット等の温度センサをモータ内に埋め込み、これらにより巻線の温度を直接検出することで、モータの過負荷運転を回避する技術がある（例えば、特許文献１を参照）。ただし、このような場合、温度センサをモータ内に埋め込む必要があり、また温度センサを正確に所定位置に配置させないと、巻線の温度を適切に検出することが難しくなる。

一方で、温度センサ等のように直接的なセンサを使用せずに、モータに流す電流指令から負荷状況を計算し、巻線の過昇温を判定する電子サーマルに関する技術が開発されている。このような電子サーマルでは、ソフトウェア上で巻線の過昇温が判断されることになる。例えば、特許文献２に示す技術では、モータに印加した電圧、電流、該モータの誘起電圧等のパラメータに基づいて巻線抵抗値を推定し、その推定された巻線抵抗値から巻線温度を推定する。また、特許文献３に示す技術では、モータの始動時に測定した巻線抵抗値から始動時の巻線温度を推定し、その後にモータに流した電流に基づいて巻線温度の推移を推定する。

特開平４－２８３０８７号公報 特開２０１１－１５５８４号公報 特開平９－２６１８５０号公報

電子サーマル技術を用いて巻線の過昇温を回避するためには、当該モータに関連する諸元が明確になっているのが好ましい。すなわち、巻線の温度に関連する巻線の抵抗値やモータの誘起電圧等の物理的なパラメータが明確であれば、巻線の温度をより正確に推定することが可能となる。しかし、ドライバでモータを駆動する場合、そのモータの物理的パラメータが必ずしも明確になっているとは限らない。そのため、電子サーマル技術による巻線の過昇温抑制は、安全上のマージンを確保した上で行わざるを得ず、過度な保護となる傾向がある。

一方で、モータの巻線に温度センサを配置してその温度を検出することで巻線の過昇温抑制を図ることも可能ではあるが、上記の通り、その検出結果がモータ内での温度センサの配置に大きく依存するため、精度の高い巻線保護の実現は容易ではない。仮に好ましい配置ができたとしても、巻線から温度センサまでの間に所定の熱容量が存在し、更には温度センサ自体に応答遅れがあるため、温度センサの検出そのものに遅れが含まれてしまう。そのため、温度センサを利用する場合、特に大電流による急激な温度変化を適時に検出
することは容易ではない。

本願の開示は、このような問題に鑑みてなされたものであり、モータの電子サーマルに関し、巻線の温度推定を正確に行う技術を提供することを目的とする。

本願の開示においては、上記課題を解決するために、所定の電圧印加の際の巻線温度の上昇推移と、巻線温度を検出するように配置されている温度センサの検出温度の上昇推移とを用いて、モータの電子サーマルのための巻線温度特性モデルと所定の温度特性モデルとを決定する構成を採用した。このように電子サーマル技術に温度センサの検出値を反映させることで、電子サーマルによりモータ巻線の温度をより正確に推定することができる。

詳細には、本開示は、巻線が巻かれた固定子及び回転子を有するモータの電子サーマルが有する、該巻線の温度を推定するための算出モデルであって、該巻線の温度特性に関連する巻線関連パラメータを含む巻線温度特性モデルと、該巻線の近傍に配置される温度センサによって検出される、巻線近傍温度の特性に関連する所定パラメータを含む所定温度特性モデルと、を含む算出モデルを決定する処理装置であって、前記巻線の温度を所定温度に上昇させるための電圧印加を行っている状態で、該巻線の温度の上昇推移である第１上昇推移と、前記温度センサの検出温度の上昇推移である第２上昇推移とを取得する温度推移取得部と、前記第２上昇推移に基づいて、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定する、決定部と、を備える。

本開示の処理装置は、モータの巻線温度を検出するために巻線の近傍に温度センサが配置されているモータに対して、電子サーマル技術により巻線の過昇温抑制を図るように構成される。当該温度センサとしては公知の温度センサを採用することができ、モータの内部での温度センサの配置は、好ましくはその温度検出部が巻線に接触する場所であるが、巻線の近傍でありその温度を検出可能な位置であればよく特定の配置に限定されない。

そして、当該処理装置は、巻線温度特性モデルと所定温度特性モデルとを含む算出モデルを用いて、電圧印加時の巻線温度の推定を可能とするように、両モデルを決定する。
当該巻線温度特性モデルは、モータにおいて仮想的に固定子の熱的影響を除いたときの、巻線の温度特性を算出するためのモデルである。当該モデルに含まれる巻線関連パラメータとしては、巻線に関する熱抵抗や熱時定数等が例示できる。また、所定温度特性モデルは、モータにおいて仮想的に固定子の熱的影響を除いたときの、温度センサの検出温度の特性を算出するためのモデルである。温度センサの検出には、巻線温度が反映されていると考えられる。当該モデルに含まれる所定パラメータとしては、温度センサの温度検出に関する熱抵抗や熱時定数等が例示できる。

ここで、温度推移取得部は、巻線の温度を所定温度に上昇させるための電圧印加を行っている状態で、巻線に関連する２つの温度推移（上昇推移）を取得する。１つの上昇推移は、実際に巻線に生じている温度推移である第１上昇推移であり、もう１つの上昇推移は、温度センサの検出温度の上昇推移である第２上昇推移である。そして、電子サーマル技術により所定温度特性モデルと巻線温度特性モデルを含む算出モデルを用いて巻線温度を推定するためには、巻線温度への固定子の温度推移の影響を適切に考慮する必要がある。

ここで、上記の第１上昇推移は巻線の温度推移であり、第２上昇推移はその巻線の近傍に配置された温度センサの検出温度の推移であるから、両上昇推移には、実質的に同一視できるモータの固定子の温度推移が影響していると考えられる。このことは、第１上昇推
移と第２上昇推移を利用することで、電子サーマル技術により、固定子の温度推移の影響を考慮した巻線温度の推定が可能であることを意味する。そこで、上記処理装置では、決定部が、第２上昇推移に基づいて所定パラメータを算出して所定温度特性モデルを決定し、更に、第１上昇推移に基づいて、巻線関連パラメータを算出して巻線温度特性モデルを決定する。このように決定された所定温度特性モデルと巻線温度特性モデルを含む算出モデルは、温度センサが内包する温度検出の遅れを吸収する形で、固定子の温度推移の影響を好適に反映させて巻線温度の推定を可能とする。

上記の処理装置において、前記決定部は、前記第２上昇推移に基づいて、前記固定子の温度特性に関連する固定子関連パラメータを含み、前記巻線温度特性モデル及び前記所定温度特性モデルと相関を有する固定子温度特性モデルを介して、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、該固定子温度特性モデルを介して前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定してもよい。当該固定子温度特性モデルは、モータにおいて仮想的に巻線の熱的影響を除いたときの、固定子の温度特性を算出するためのモデルである。当該モデルに含まれる固定子関連パラメータとしては、固定子に関する熱抵抗や熱時定数等が例示できる。このような構成を採用することで、固定子の温度推移の影響を好適に反映させた所定温度特性モデルと巻線温度特性モデルを決定することができる。

上記の処理装置において、前記温度推移取得部は、前記巻線の抵抗値に基づいて前記第１上昇推移を取得してもよい。これにより、所定温度特性モデルと巻線温度特性モデルを決定する際に、温度センサとは別の測定形態によって巻線温度の上昇推移を正確に測定することが可能となる。

また、上記の処理装置は、前記巻線への印加電圧を入力とし該巻線を流れる電流を出力したときの、前記モータにおける周波数応答を取得する周波数応答取得部と、前記周波数応答に基づいて、前記巻線の抵抗値を算出する抵抗算出部と、を更に備えてもよい。このように巻線の電気的特性に着目してその周波数応答を利用することで、巻線の抵抗値検出のために巻線に印加する電圧を可及的に小さくでき、その電圧印加に起因する巻線温度の変動を抑制し、より正確な巻線の抵抗値の測定が可能となる。

また、上記の処理装置において、前記電圧印加においては第１周期の電圧印加が行われ、前記抵抗算出部は、前記第１周期の電圧印加を入力したときの前記モータの出力電流に従って前記周波数応答取得部により取得された前記周波数応答に基づき、前記電圧印加時の前記巻線の抵抗値を算出し、前記温度推移取得部は、前記抵抗算出部により算出された前記巻線の抵抗値に基づいて、前記第１上昇推移を取得してもよい。このような構成によると、第１上昇推移の測定に関し、巻線温度の変動を抑制し、より正確な巻線の抵抗値の測定が可能となる。

そして、上述までの処理装置において、前記電圧印加が行われている際に、前記モータの前記回転子を所定の一定速度で回転駆動してもよい。温度センサによる温度検出では、その温度センサの検出部が近い巻線の温度が検出される傾向が強くなる。一方で、第２上昇推移の取得のために巻線に対して電圧印加を行っている際に、モータの巻線を構成する何れかの相（例えば、モータが三相交流モータの場合、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の何れか）に偏ってその印加電流が流れてしまうと、温度センサによる温度検出にばらつきが生じるおそれがある。そこで、上記のように回転子を所定の一定速度で回転することで、モータの巻線に概ね均質に印加電流を流すことができ、第２上昇推移を好適に取得することが可能となる。

また、上記課題を解決するために、本開示を巻線温度算出モデルの決定方法の側面から
も捉えることができる。すなわち、本開示は、巻線が巻かれた固定子及び回転子を有するモータの電子サーマルが有する、該巻線の温度を推定するための算出モデルであって、該巻線の温度特性に関連する巻線関連パラメータを含む巻線温度特性モデルと、該巻線の近傍に配置される温度センサによって検出される、巻線近傍温度の特性に関連する所定パラメータを含む所定温度特性モデルと、を含む算出モデルを決定する方法である。そして、当該方法は、前記巻線の温度を所定温度に上昇させるための電圧印加を行っている状態で、該巻線の温度の上昇推移である第１上昇推移と、前記温度センサの検出温度の上昇推移である第２上昇推移とを取得するステップと、前記第２上昇推移に基づいて、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定するステップと、を含む。前記決定するステップでは、前記第２上昇推移に基づいて、前記固定子の温度特性に関連する固定子関連パラメータを含み、前記巻線温度特性モデル及び前記所定温度特性モデルと相関を有する固定子温度特性モデルを介して、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、該固定子温度特性モデルを介して前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定してもよい。また、上述までの処理装置に関し開示された技術思想は、技術的な齟齬が生じない限りにおいて、上記巻線温度算出モデルの決定方法に適用することができる。

モータの電子サーマルに関し、巻線の温度推定を正確に行うことができる。

巻線温度特性モデルと所定温度特性モデルを含む算出モデルの構成を示す図である。 巻線温度特性モデルと固定子温度特性モデルとの相関、及び所定温度特性モデルと固定子温度特性モデルとの相関を説明するための図である。 算出モデルをモータに適合させるときにモータに印加する電圧の推移と、そのときの巻線温度、及び温度センサによる検出温度の推移を示す図である。 モータが組み込まれて構成される制御システムの概略構成である。 図４に示す制御システムのサーボドライバで形成される制御構造を示す第１の図である。 図４に示す制御システムのサーボドライバで形成される制御構造を示す第２の図である。 サーボドライバで実行される、算出モデルのモータへの適合方法の処理の流れを示すフローチャートである。 モータに印加される電圧の推移を示す図である。

＜適用例＞
電子サーマルを有するモータ２（図４を参照）において当該電子サーマルでのモータ巻線の温度を推定するためのモデルパラメータの調整を行う処理装置の一例について、図１～図３に基づいて説明する。なお、本開示の実施形態においては、モータ２は、その固定子に巻線が巻かれるとともに回転子を有する構成であればよく、その具体的な構成は特定のものに限定されない。また、モータ２の内部には、その巻線温度を検出できるように温度センサ３が配置され、より詳細には、温度センサ３の検出部が巻線の近傍に位置するように、好ましくは当該検出部が巻線に接触するように温度センサ３が配置されている。

ここで、図１は、モータの電子サーマルが有する、巻線温度を算出するための算出モデル１０の概略構造を示している。また、図２は、算出モデル１０の導出を説明するための図であって、巻線温度特性モデルと固定子温度特性モデルとの相関、及び所定温度特性モ
デルと固定子温度特性モデルとの相関を示している。そして、図３は、図１に示す算出モデル１０で使用される算出用パラメータ、すなわち巻線関連パラメータ及び所定パラメータを決定する際に、モータに印加され電圧推移、及びその際の巻線温度の推移を示す図である。

ここで、算出モデル１０を説明する前に、モータ２において巻線温度に影響を及ぼし得る主な熱源、すなわち比較的大きな熱容量を有する構造物である巻線と固定子を考慮して巻線の温度推定を行い得る算出モデル（以下、「ベース算出モデル」という）２０について、図２の上段（ａ）に基づいて説明する。ベース算出モデル２０は、モータ２の巻線温度を算出するプログラムであり、その入力として当該モータにおける印加電力が与えられると、当該モータの巻線温度を出力する。なお、当該印加電力は、モータの巻線コイルの電気抵抗に起因して生じる、いわゆる銅損とみなすことができ、物理的には巻線コイルを流れる電流の二乗に比例する。そして、図１に示すように、ベース算出モデル２０は、自身を構成するサブのモデルとして巻線温度特性モデル２１と固定子温度特性モデル２２とを含む。巻線温度特性モデル２１は、モータにおいて仮想的に固定子の熱的影響を除いたときの、巻線の温度特性を算出するためのモデルであり、固定子温度特性モデル２２は、モータにおいて仮想的に巻線の熱的影響を除いたときの、固定子の温度特性を算出するためのモデルである。このようにベース算出モデル２０が両モデルを含み、更に図２の上段（ａ）に示すように各モデルの出力の和がモータの巻線温度として算出されることで、固定子と巻線との相関が考慮された上でモータの巻線温度が算出される構成となっている。

ここで、巻線温度特性モデル２１について説明する。巻線温度特性モデル２１は、巻線の温度特性に関連するパラメータ（巻線関連パラメータ）である巻線に関する熱抵抗Ｒａや熱時定数Ｔａを含んで、下記の式１で表される。なお、熱抵抗Ｒａは、熱の伝えにくさを表す値で、単位時間で発生する熱量あたりの温度上昇量を意味するパラメータである。本実施形態では、モータの巻線を熱的に均質な物体として捉えたときの熱抵抗が採用される。また、熱時定数Ｔａは、巻線の温度変化に対する応答性の度合いを表すパラメータであり、巻線が初期の熱平衡状態から別の熱平衡状態に遷移する際に、その温度差の６３．２％変化するのに要する時間として定義される。
巻線温度特性モデル ＝ Ｒａ／（Ｔａ・ｓ＋１） ・・・（式１）

次に、固定子温度特性モデル２２について説明する。固定子温度特性モデル２２は、固定子の温度特性に関連するパラメータ（固定子関連パラメータ）である固定子に関する熱抵抗Ｒｂや熱時定数Ｔｂを含んで、下記の式２で表される。なお、熱抵抗Ｒｂの定義は上記の熱抵抗Ｒａの定義と同じであり、本実施形態では、モータの固定子を熱的に均質な物体として捉えたときの熱抵抗が採用される。また、熱時定数Ｔｂは、固定子の温度変化に対する応答性の度合いを表すパラメータであり、上記の熱時定数Ｔａの定義と同じである。
固定子温度特性モデル ＝ Ｒｂ／（Ｔｂ・ｓ＋１） ・・・（式２）

そして、ベース算出モデル２０においては、入力（モータにおける印加電力）が、巻線温度特性モデル２１及び固定子温度特性モデル２２に引き渡される。そして、各モデルの出力が加算されて、ベース算出モデル２０の出力、すなわちモータ巻線の推定温度とされる。なお、各モデルの出力の加算の際に、各モデルの出力に対して所定のゲインを乗じた値を加算するようにしてもよい。このようにベース算出モデル２０が構成されることで、モータの巻線温度が固定子と巻線との相関を考慮して推定されることになる。

このように巻線温度を推定するためにベース算出モデル２０を利用する場合、固定子温度特性モデル２２を特定する必要がある。しかし、固定温度特性モデル２２を特定するためには、極力固定子に対して巻線が熱的影響を及ぼさない状況を形成するのが好ましいが
容易ではない。そこで、本願開示では、モータ２の巻線近傍に配置されている温度センサ３の検出温度の推移が利用される。図２の下段（ｂ）には、巻線近傍の温度、すなわち温度センサ３の検出温度の推定を行い得る算出モデル（以下、「巻線近傍算出モデル」という）３０を示している。巻線近傍算出モデル３０は、温度センサ３の検出温度を算出するプログラムであり、その入力としてモータ２における印加電力が与えられると、温度センサ３の検出温度を出力する。そして、図２（ｂ）に示すように、巻線近傍算出モデル３０は、自身を構成するサブのモデルとして所定温度特性モデル３１と固定子温度特性モデル３２とを含む。

所定温度特性モデル３１は、モータにおいて仮想的に固定子の熱的影響を除いたときの、温度センサ３の検出温度特性（巻線近傍の温度特性）を算出するためのモデルであり、当該検出温度特性には巻線の温度特性が反映されていると考えることができる。また、固定子温度特性モデル３２は、モータにおいて仮想的に巻線の熱的影響を除いたときの、固定子の温度特性を算出するためのモデルである。したがって、固定子温度特性モデル３２は、図２の上段（ａ）に示す固定子温度特性モデル２２と同一と考えることができる。このように巻線近傍算出モデル３０が両モデルを含み、更に図２の下段（ｂ）に示すように各モデルの出力の和が温度センサ３の検出温度として算出される構成となっている。

所定温度特性モデル３１は、温度センサ３の検出温度、すなわち巻線近傍の温度特性に関連するパラメータ（所定パラメータ）である熱抵抗Ｒｓや熱時定数Ｔｓを含んで、下記の式３で表される。なお、熱抵抗Ｒｓの定義は上記の熱抵抗Ｒａの定義と同じであり、本実施形態では、モータの巻線及びその近傍の空間を熱的に均質な物体として捉えたときの熱抵抗が採用される。また、熱時定数Ｔｓは、巻線及びその近傍の空間の温度変化に対する応答性の度合いを表すパラメータであり、上記の熱時定数Ｔａの定義と同じである。
所定温度特性モデル ＝ Ｒｓ／（Ｔｓ・ｓ＋１） ・・・（式３）

固定子温度特性モデル３２は、上記の通り固定温度特性モデル２２と同一視できるため、その詳細な説明は割愛する。そして、巻線近傍算出モデル３０においては、入力（モータにおける印加電力）が、所定温度特性モデル３１及び固定子温度特性モデル３２に引き渡される。そして、各モデルの出力が加算されて、巻線近傍算出モデル３０の出力、すなわち温度センサ３の検出温度の推定値とされる。

ここで、図２の上段（ａ）と下段（ｂ）を見比べると、巻線温度を推定するベース算出モデル２０と温度センサ３の検出温度を推定する巻線近傍算出モデル３０には、共通して固定子温度特性モデル２２、３２が含まれている。したがって、巻線近傍算出モデル３０から導出される固定子温度特性モデル３２を、ベース算出モデル２０に含まれる固定子温度特性モデル２２に代入することで、図１に示す算出モデル１０を導出することができる。

以上を踏まえて、図１に基づいて、電子サーマルが有する算出モデル１０について説明する。算出モデル１０は、モータの電子サーマルにおいて当該モータの巻線温度を算出するプログラムであり、その入力として当該モータにおける印加電力が与えられると、当該モータの巻線温度を出力する。そして、図１に示すように、算出モデル１０は、自身を構成するサブのモデルとして巻線温度特性モデル１１と所定温度特性モデル１２と温度センサ３を含む。巻線温度特性モデル１１は、モータにおいて仮想的に固定子の熱的影響を除いたときの、巻線の温度特性を算出するためのモデルであり、図２の上段（ａ）に示す巻線温度特性モデル２１と同一のモデルである。また、所定温度特性モデル１２は、モータにおいて仮想的に固定子の熱的影響を除いたときの、温度センサ３の検出温度特性（巻線近傍の温度特性）を算出するためのモデルであり、図２の下段（ｂ）に示す所定温度特性モデル３１と同一のモデルである。

このように構成される算出モデル１０では、図１において破線１５で囲む部分が、いわば図２の下段（ｂ）に示す固定子温度特性モデル３２に相当する構成である。そのため、入力（モータにおける印加電力）が、巻線温度特性モデル１１及び所定温度特性モデル１２に引き渡されると、巻線温度特性モデル１１の出力に、温度センサ３の出力と所定温度特性モデル１２との差分が加算されて、算出モデル１０の出力、すなわちモータ巻線の推定温度とされる。なお、各モデルの出力の加算の際に、各モデルの出力に対して所定のゲインを乗じた値を加算するようにしてもよい。

次に、図３に基づいて、巻線温度特性モデル１１、２１で使用される熱抵抗Ｒａ及び熱時定数Ｔａの算出、所定温度特性モデル１２、３１で使用される熱抵抗Ｒｓ及び熱時定数Ｔｓの算出、固定子温度特性モデル２２、３２で使用される熱抵抗Ｒｂ及び熱時定数Ｔｂの算出について説明する。なお、これらのパラメータＲａ、Ｒｂ、Ｒｓ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｓを総じてモデルパラメータとも称する。

図３の上段に示す印加電圧の推移では、時刻Ｔ１～Ｔ２の期間においては、巻線温度を所定温度まで上昇させるための、モータ２への電圧印加が行われている。この時刻Ｔ１～Ｔ２の期間ではモータの巻線温度が図２の下段の線Ｌ１に示すように上昇し収束するため（温度ｔ０から温度ｔ１までの上昇）、当該期間の巻線温度推移を第１上昇推移Ｌ１と称する。また、モータ巻線の近傍の温度を検出するように配置されている温度センサ３の実際の検出温度推移が線Ｌ２で示されている（温度ｔ０から温度ｔ２まで上昇し収束している）。巻線と温度センサ３との間には幾らかの熱容量が介在するため、第２上昇推移Ｌ２は、第１上昇推移Ｌ１よりも若干、温度が低温側となる。また、電圧印加時にはモータ２の回転子が回転しないようにｄ軸のみに電流が流れるように、電圧Ｖ１が印加される。このようにすることで、当該電圧印加時のモータ２の駆動軸が不用意に駆動することを回避できる。別法として、電圧印加時にモータ２の回転子が所定の低速度（例えば、数１０ｒｐｍ）で回転するように、電圧Ｖ１が印加されてもよい。このようにすることで、モータ２の巻線において電流を均質に流すことができ、温度センサ３の配置の、その検出温度への影響を軽減できる。なお、このときの印加電圧Ｖ１は、上記モデルパラメータの算出に好適となるようにモータ温度を上昇させる印加電圧であればよく、例えば、モータの定格電力に対応する電圧とすることができる。

そして、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｓ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｓのモデルパラメータは、時刻Ｔ１～Ｔ２の第１上昇推移Ｌ１及び第２上昇推移Ｌ２に基づいて算出される。先ず、第２上昇推移Ｌ２に基づいて、所定温度特性モデル１２、３１に関連する熱抵抗Ｒｓ及び熱時定数Ｔｓと、固定子関連特性モデル２２、３２に関連する熱抵抗Ｒｂ及び熱時定数Ｔｂが算出される。具体的には、最小二乗法を利用して、温度センサ３の検出温度がｔ０からｔ２まで上昇するのに要した時間や投入電力等に基づいて、モデルパラメータＲｓ、Ｔｓ、Ｒｂ、Ｔｂが算出される。これにより、所定温度特性モデル１２、３１と固定子関連特性モデル２２、３２が決定される。続いて、第１上昇推移Ｌ１に基づいて、巻線温度特性モデル１１、２１に関連する熱抵抗Ｒａ及び熱時定数Ｔａが算出される。なお、この算出において、固定子関連特性モデル２２、３２に関連する熱抵抗Ｒｂ及び熱時定数Ｔｂについては、既に算出されている値を利用する。具体的なモデルパラメータ１１、２１の算出は、同様に最小二乗法を利用して、温度センサ３の検出温度がｔ０からｔ１まで上昇するのに要した時間や投入電力等に基づいて行われる。これにより、巻線温度特性モデル１１、２１が決定される。

このように算出されたモデルパラメータを用いて巻線温度特性モデル１１と所定温度特性モデル１２とを形成し、そして両モデルを含む算出モデル１０が決定される。このように決定された算出モデル１０を用いることで、温度センサ３の検出値を利用して電子サー
マルによりモータの巻線温度を推定することが可能となる。当該推定においては、温度センサ３が内包する検出遅れを吸収した形で巻線温度が算出モデル１０によって算出されるため、高精度であり且つ遅れの少ない巻線温度の推定が実現でき、以て、モータ２の巻線過昇温を効果的に抑制することができる。

＜第１の実施例＞
図４は、本実施形態の処理装置としても作動するサーボドライバ４を含む制御システムの概略構成図である。当該制御システムは、ネットワーク１と、モータ２と、サーボドライバ４と、標準ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)５とを備える。なお、上記の通
り、モータ２には温度センサ３が備えられている。当該制御システムは、モータ２とともに図示しない負荷装置を駆動制御するためのシステムである。そして、モータ２及び負荷装置が、当該制御システムによって制御される制御対象とされる。ここで、負荷装置としては、各種の機械装置（例えば、産業用ロボットのアームや搬送装置）が例示できる。また、モータ２はその負荷装置を駆動するアクチュエータとして負荷装置内に組み込まれている。例えば、モータ２は、巻線が巻かれた固定子（ステータ）と回転子（ロータ）を有するＡＣサーボモータである。なお、モータ２には図示しないエンコーダが取り付けられており、当該エンコーダによりモータ２の動作に関するパラメータ信号がサーボドライバ４にフィードバック送信されている。このフィードバック送信されるパラメータ信号（以下、フィードバック信号という）は、たとえばモータ２の回転軸の回転位置（角度）についての位置情報、その回転軸の回転速度の情報等を含む。

サーボドライバ４は、ネットワーク１を介して標準ＰＬＣ５からモータ２の動作（モーション）に関する動作指令信号を受けるとともに、モータ２に接続されているエンコーダから出力されたフィードバック信号を受ける。サーボドライバ４は、標準ＰＬＣ５からの動作指令信号およびエンコーダからのフィードバック信号に基づいて、モータ２の駆動に関するサーボ制御、すなわち、モータ２の動作に関する指令値を算出するとともに、モータ２の動作がその指令値に追従するように、モータ２に駆動電流を供給する。なお、この供給電流は、交流電源７からサーボドライバ４に対して送られる交流電力が利用される。本実施例では、サーボドライバ４は三相交流を受けるタイプのものであるが、単相交流を受けるタイプのものでもよい。なお、サーボドライバ４によるサーボ制御については、サーボドライバ４が有する位置制御器４１、速度制御器４２、電流制御器４３を利用したフィードバック制御であり、その詳細については図５に基づいて後述する。

ここで、図４に示すように、サーボドライバ４は、位置制御器４１、速度制御器４２、電流制御器４３を備え、これらの処理により上記サーボ制御が実行される。また、サーボドライバ４は、モータ２を過負荷による損傷から保護するために電子サーマル部１００（図５を参照）を有している。この電子サーマル部１００は、モータ２の巻線温度を推定し、その推定温度に基づいてモータ２の過負荷状態を判断する。そこで、図５に示す、サーボドライバ４に形成される制御構造に基づいて、サーボドライバ４による上記サーボ制御及び電子サーマル部１００によるモータ２の保護制御の説明を行う。当該制御構造は、所定の演算装置及びメモリ等を有するサーボドライバ４において所定の制御プログラムが実行されることで形成される。

位置制御器４１は、例えば、比例制御（Ｐ制御）を行う。具体的には、標準ＰＬＣ５から通知された位置指令と検出位置との偏差である位置偏差に、位置比例ゲインＫｐｐを乗ずることにより速度指令を算出する。なお、位置制御器４１は、予め制御パラメータとして、位置比例ゲインＫｐｐを有している。次に、速度制御器４２は、例えば、比例積分制御（ＰＩ制御）を行う。具体的には、位置制御器４１により算出された速度指令と検出速度との偏差である速度偏差の積分量に速度積分ゲインＫｖｉを乗じ、その算出結果と当該速度偏差の和に速度比例ゲインＫｖｐを乗ずることにより、トルク指令を算出する。なお
、速度制御器４２は、予め制御パラメータとして、速度積分ゲインＫｖｉと速度比例ゲインＫｖｐを有している。また、速度制御器４２はＰＩ制御に代えてＰ制御を行ってもよい。この場合には、速度制御器４２は、予め制御パラメータとして、速度比例ゲインＫｖｐを有することになる。次に、電流制御器４３は、速度制御器４２により算出されたトルク指令に基づいてアンプ４４を駆動するための指令電圧を生成する。生成された指令電圧に応じてアンプ４４がモータ２を駆動するための駆動電流を出力し、それによりモータ２が駆動制御される。電流制御器４３は、トルク指令に関するフィルタ（１次のローパスフィルタ）や一又は複数のノッチフィルタを含み、制御パラメータとして、これらのフィルタの性能に関するカットオフ周波数等を有している。

そして、サーボドライバ４の制御構造は、速度制御器４２、電流制御器４３、制御対象であるモータ２等を前向き要素とする速度フィードバック系を含み、更に、当該速度フィードバック系と位置制御器４１を前向き要素とする位置フィードバック系を含んでいる。このように構成される制御構造によって、サーボドライバ４は標準ＰＬＣ５から供給される位置指令に追従するようにモータ２をサーボ制御することが可能となる。

このようにモータ２がサーボ制御される際に、モータ２に対して過大な負荷（例えば、モータ２の定格負荷を超える負荷）が比較的長時間掛けられると、モータ２の巻線に対して過大な電流が長時間流れることになるため、巻線温度が過度に上昇し、その焼損を招く恐れがある。このようなモータ２の過負荷状態での駆動を回避するために、サーボドライバ４は電子サーマル部１００を有している。具体的には、電子サーマル部１００は、図１に示す算出モデル１０と、過負荷判定部１１０を有している。上記の通り、算出モデル１０は、巻線温度特性モデル１１と所定温度特性モデル１２を含み、モータ２における印加電力が各モデルに入力として与えられるとともに温度センサ３の検出値が与えられると、その結果モータ２の巻線温度を出力する。そして、過負荷判定部１１０は、算出モデル１０の出力である巻線温度に基づいて、モータ２が過負荷状態に至る可能性があるか、換言するとモータ２の巻線が過度に昇温するおそれがあるかについて判定を行う。なお、過負荷判定部１１０によりモータ２が過負荷状態に置かれていると判定された場合には、サーボドライバ４は、モータ２を保護するためにその駆動を停止することができる。

ここで、電子サーマル部１００が有する算出モデル１０をサーボドライバ４の制御対象とされるモータ２に適合させるための制御構造について、図６に基づいて説明する。サーボドライバ４は、算出モデル１０のモータ２への適合のためにモデル適合部２００を有する。モデル適合部２００は、モータ２に対応する算出モデル１０のモデルパラメータ、すなわちモータ２に対応する、巻線温度特性モデル１１の熱抵抗Ｒａ及び熱時定数Ｔａと、所定温度特性モデル１２の熱抵抗Ｒｓ及び熱時定数Ｔｓとを算出し、それらを用いて算出モデル１０をモータ２に適合させる。なお、算出モデル１０の適合時には、図５に示した電流制御器４３及びアンプ４４は利用されるが位置制御器４１及び速度制御器４２は利用されないため、図６においては位置制御器４１及び速度制御器４２の記載は省略している。

ここで、モデル適合部２００は、印加制御部２１０、温度推移取得部２２０、決定部２３０を有している。印加制御部２１０は、算出モデル１０のモデルパラメータを算出するための電圧印加、すなわち図３の上段に示した電圧印加を行うための指令を電流制御器４３に対して出力する。なお、印加制御部２１０による電圧印加は、算出モデル１０のモデルパラメータの算出に適するように制御される。

温度推移取得部２２０は、モータ２の巻線抵抗値に基づいて、算出モデル１０の適合時（電圧印加時）における巻線温度の第１上昇推移Ｌ１及び第２上昇推移Ｌ２を取得する。当該巻線温度の取得は、下記の式４に従って行われる。
巻線温度θ２＝Ｒ２／Ｒ１・（２３４．５＋θ１）－２３４．５ ・・・（式４）
Ｒ１は、電圧印加開始時（図３における時刻Ｔ１）の巻線抵抗値である。
θ１は、電圧印加開始時の巻線温度である。例えば、モータ２の周囲環境の大気温度（サーボドライバ４で取得可能な場合）やモータ２に取り付けられているエンコーダが有する温度センサの検出値を、θ１として利用できる。
Ｒ２は、電圧印加時における巻線抵抗値である。なお、巻線抵抗値Ｒ２の取得については、後述する。
温度推移取得部２２０は、印加制御部２１０による電圧印加に伴って、式４に従ってその際のモータ２の巻線温度を随時取得していく。

決定部２３０は、温度推移取得部２２０により取得された第１上昇推移Ｌ１及び第２上昇推移Ｌ２に基づいて、モータ２に対応する、巻線温度特性モデル１１の熱抵抗Ｒａ及び熱時定数Ｔａと、所定温度特性モデル１２の熱抵抗Ｒｓ及び熱時定数Ｔｓとを算出する。これらのモデルパラメータの算出については、上述の通りである。更に、決定部２３０は、算出されたモデルパラメータを、算出モデル１０の巻線温度特性モデル１１と所定温度特性モデル１２に適用し各モデルを決定する。この結果、図１に示した電子サーマル部１００のための算出モデル１０は、サーボドライバ４によって制御されるモータ２そのものに適合されることになる。

ここで、モデル適合部２００による算出モデル１０の適合方法について、図７に基づいて説明する。図７は、モデル適合部２００による算出モデル１０の適合方法の流れを示すフローチャートである。先ず、Ｓ１０１では、印加制御部２１０による電圧印加を開始する直前に、モータ２の巻線抵抗値（式４におけるＲ１）とその巻線温度（式４におけるθ１）を取得する初期化処理を行う。巻線抵抗値は、モータの端子間に測定用の電圧を印加しその際の電流値に基づいて算出される。また、この初期化処理における巻線温度は、モータ２が周囲環境に十分に長く置かれていることをもって、その巻線温度は外気温度と同程度と考えることができる。そこで、外気温度やモータ２に設置されているエンコーダ内の温度センサの検出温度が、初期化処理における巻線温度として取得される。

次に、Ｓ１０２では、印加制御部２１０により電圧印加を行いながら、温度推移取得部２２０によりモータ２の巻線温度の第１上昇推移Ｌ１と、温度センサ３の検出温度の第２上昇推移Ｌ２を取得する。これらの上昇推移は、電圧印加期間を共通とする。ここで、当該電圧印加によって巻線温度が上昇している際に、別途、抵抗値算出のための電圧印加を行おうとすると、本来の電圧印加による昇温制御が阻害されることになる。モデルパラメータ算出のための電圧印加では、モータ２の巻線温度をｔ１まで上昇させる必要があるため、抵抗値算出の度にその昇温が乱されてしまうと、モデルパラメータ（熱抵抗や熱時定数）を好適に算出しにくくなる。そこで、本実施形態では、モデルパラメータ算出のための電圧印加においては周期的な電圧印加を行いその電圧印加により巻線温度を上昇させると同時に、その電圧印加をモータ２への入力としその巻線を流れる電流を出力としたときに、当該電圧印加に対する電流の周波数応答を利用してモータ２の巻線抵抗値の算出を行う。

具体的には、図８の上段（ａ）に示すように電圧印加では、印加期間（Ｔ１～Ｔ２）において周期的な正弦波電圧を印加する。このとき、当該正弦波電圧の実効値（二乗平均値）が、図３に示した電圧Ｖ１となる。このように周期的な正弦波電圧を印加することで、モータ２の巻線温度をｔ１に上昇させることができる。ここで、周期的な電圧印加が行われているときに、その印加電圧値と、モータ２の巻線に流れる電流値とが温度推移取得部２２０によって、それぞれ入力値、出力値として取得される。この入力値に対する出力値の周波数応答は、下記の式５で示すモータ２の電気的特性を反映するものである。
モータ２の電気的特性：（１／Ｒ）・（１／（Ｔｓ＋１）） ・・・（式５）
ただし、Ｒはモータ２の巻線抵抗、Ｔはモータ２の電気的時定数である。

そこで、温度推移取得部２２０は、上記出力値の周波数応答を算出し、それに基づいて得られるゲインＧ（ω）及び位相Ｐ（ω）を利用して、更にモータ２の巻線抵抗Ｒを下記の式６に従って算出する。

・・・（式６）
更に、温度推移取得部２２０は、式６で算出された巻線抵抗Ｒを式４におけるＲ２に代入して、周波数応答を取得した時点での巻線温度（式４におけるθ２）を算出する。

このように温度推移取得部２２０は、電圧印加時のモータ２の巻線を流れる電流の周波数応答を利用することで、モータ２の昇温処理（巻線温度をｔ１まで上昇させる処理、センサ３の検出温度をｔ２まで上昇させる処理）を阻害することなく、その巻線抵抗値を利用して第１上昇推移Ｌ１及び第２上昇推移Ｌ２を取得することができる。なお、温度推移取得部２２０による各上昇推移の取得タイミング、すなわち上記周波数応答の取得タイミングは、モデルパラメータを算出可能な程度に各上昇推移が取得できる範囲で適宜設定されればよい。

なお、図８の上段（ａ）に示す例では、印加期間において連続的に正弦波電圧を印加しているが、別法として、同図下段（ｂ）に示すように、モータ２の巻線温度がｔ１の平衡状態に収束できれば正弦波電圧を断続的に印加するようにしてもよい。このとき、印加期間における断続的な正弦波電圧の二乗平均値が電圧Ｖ１となる。また、電圧印加での印加電圧の周期は、巻線抵抗値を算出するために適切な周波数応答が取得限りにおいて適宜決定すればよい。印加電圧の周期が長くなり過ぎると電圧印加により巻線温度が急変しやすくなり、一方で、印加電圧の周期が短くなり過ぎるとモータ２の電気的特性を周波数応答に好適に反映することが難しくなる。そこで、印加する正弦波電圧の周波数を、例えば、モータ２の電気的時定数の逆数に相当する周波数の１／３～３倍、好ましくは１／２～２倍、より好ましくは等倍の周波数に設定する。これによりモータ２の温度調整と温度取得とをバランスよく実現できる。

次にＳ１０３ではモデルパラメータの算出に適した所定の電圧印加時間が経過したか否かが判定される。一例として、所定の電圧印加時間はモータ２の巻線温度がｔ１に収束するまでの印加時間であってもよい。モータ２の巻線温度の上昇変化率が所定の閾値以下となったときに、その上昇が収束したと判定することができる。なお、上昇変化率は、単位時間当たりの巻線温度の上昇量と定義される。また、当該閾値は、予め決められた固定値であってもよく、別法として、電圧印加開始直後の巻線温度の上昇変化率、すなわち印加期間において最も上昇変化率が高くなると考えられるときの上昇変化率を基準として決定してもよく、例えばその最大と想定される上昇変化率の1／１０の値を当該閾値として利
用してもよい。Ｓ１０３で肯定判定されればＳ１０４へ進み、否定判定されれば電圧印加を継続すべく、Ｓ１０２以降の処理が繰り返される。

次に、Ｓ１０４では、図１～図３に基づいて説明したように、Ｓ１０２で取得された第２上昇推移Ｌ２に基づいて、固定子温度特性モデル２２、３２のモデルパラメータである熱抵抗Ｒｂと熱時定数Ｔｂと、所定温度特性モデル１２、３１のモデルパラメータである熱抵抗Ｒｓと熱時定数Ｔｓが算出され、各モデルが決定される。更にＳ１０５では、Ｓ１
０２で取得された第１上昇推移Ｌ１に基づいて、巻線温度特性モデル１１、２１のモデルパラメータである熱抵抗Ｒａと熱時定数Ｔａが算出され、同モデルが決定される。

このように図７に示す算出モデルの適合方法によれば、サーボドライバ４によって駆動されるモータ２に適合された、好適な算出モデル１０を準備することができる。これにより、モータ２が駆動される際に、温度センサ３の検出遅れを好適に抑制しながら電子サーマル部１００によってその巻線温度が精度よく推定でき、モータ２を過負荷から好適に保護することができる。

＜その他の実施例＞
上述までの実施例においては、モデル適合部２００はサーボドライバ４に形成されているが、その態様に代えて、サーボドライバ４に対して電気的に接続可能な処理装置（例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等）内に形成されてもよい。当該処理装置は、算出モデルをモータ２に適合させるための装置であり、適合用のソフトウェア（プログラム）が搭載されている。具体的には、当該処理装置は、演算装置やメモリ等を有するコンピュータであり、そこで実行可能なプログラムがインストールされ、それが実行されることで図７に記載の算出モデルの適合方法が実現される。

上述した本実施形態に記載されている構成の寸法、材質、形状、その相対配置や記載の方法に含まれる各処理の順序等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜付記＞
巻線が巻かれた固定子及び回転子を有するモータ（２）の電子サーマル（１００）が有する、該巻線の温度を推定するための算出モデル（１０）であって、該巻線の温度特性に関連する巻線関連パラメータを含む巻線温度特性モデル（１１）と、該巻線の近傍に配置される温度センサ（３）によって検出される、巻線近傍温度の特性に関連する所定パラメータを含む所定温度特性モデル（１２）と、を含む算出モデル（１０）を決定する処理装置（４）であって、
前記巻線の温度を所定温度に上昇させるための電圧印加を行っている状態で、該巻線の温度の上昇推移である第１上昇推移（Ｌ１）と、前記温度センサの検出温度の上昇推移である第２上昇推移（Ｌ２）とを取得する温度推移取得部（２２０）と、
前記第２上昇推移（Ｌ２）に基づいて、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデル（１２）を決定し、更に、前記第１上昇推移（Ｌ１）に基づいて、前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデル（１１）を決定する、決定部（２３０）と、
を備える、処理装置（４）。

巻線が巻かれた固定子及び回転子を有するモータ（２）の電子サーマル（１００）が有する、該巻線の温度を推定するための算出モデル（１０）であって、該巻線の温度特性に関連する巻線関連パラメータを含む巻線温度特性モデル（１１）と、該巻線の近傍に配置される温度センサ（３）によって検出される、巻線近傍温度の特性に関連する所定パラメータを含む所定温度特性モデル（１２）と、を含む算出モデル（１０）を決定する方法であって、
前記巻線の温度を所定温度に上昇させるための電圧印加を行っている状態で、該巻線の温度の上昇推移である第１上昇推移（Ｌ１）と、前記温度センサの検出温度の上昇推移である第２上昇推移（Ｌ２）とを取得するステップ（Ｓ１０２）と、
前記第２上昇推移（Ｌ２）に基づいて、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデル（１２）を決定し、更に、前記第１上昇推移（Ｌ１）に基づいて、前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデル（１１）を決定するステップ（Ｓ１０４，
Ｓ１０５）と、
を含む、巻線温度算出モデルの決定方法。

２ ：モータ
３ ：温度センサ
４ ：サーボドライバ
１０ ：算出モデル
１１ ：巻線温度特性モデル
１２ ：所定温度特性モデル
１００ ：電子サーマル部
２００ ：モデル適合部
２１０ ：印加制御部
２２０ ：温度推移取得部
２３０ ：決定部

Claims (6)

1. 巻線が巻かれた固定子及び回転子を有するモータの電子サーマルが有する、該巻線の温度を推定するための算出モデルであって、該巻線の温度特性に関連する巻線関連パラメータを含む巻線温度特性モデルと、該巻線の近傍に配置される温度センサによって検出される、巻線近傍温度の特性に関連する所定パラメータを含む所定温度特性モデルと、を含む算出モデルを決定する処理装置であって、
   前記巻線の温度を所定温度に上昇させるための電圧印加を行っている状態で、該巻線の温度の上昇推移である第１上昇推移と、前記温度センサの検出温度の上昇推移である第２上昇推移とを取得する温度推移取得部と、
   前記第２上昇推移に基づいて、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定する、決定部と、を備え、
   前記決定部は、前記第２上昇推移に基づいて、前記固定子の温度特性に関連する固定子関連パラメータを含み、前記巻線温度特性モデル及び前記所定温度特性モデルと相関を有する固定子温度特性モデルを介して、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、該固定子温度特性モデルを介して前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定する、
   処理装置。
2. 前記温度推移取得部は、前記巻線の抵抗値に基づいて前記第１上昇推移を取得する、
   請求項１に記載の処理装置。
3. 前記巻線への印加電圧を入力とし該巻線を流れる電流を出力したときの、前記モータにおける周波数応答を取得する周波数応答取得部と、
   前記周波数応答に基づいて、前記巻線の抵抗値を算出する抵抗算出部と、
   を更に備える、請求項２に記載の処理装置。
4. 前記電圧印加においては第１周期の電圧印加が行われ、
   前記抵抗算出部は、前記第１周期の電圧印加を入力したときの前記モータの出力電流に従って前記周波数応答取得部により取得された前記周波数応答に基づき、前記電圧印加時の前記巻線の抵抗値を算出し、
   前記温度推移取得部は、前記抵抗算出部により算出された前記巻線の抵抗値に基づいて、前記第１上昇推移を取得する、
   請求項３に記載の処理装置。
5. 前記電圧印加が行われている際に、前記モータの前記回転子を所定の一定速度で回転駆動する、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の処理装置。
6. 巻線が巻かれた固定子及び回転子を有するモータの電子サーマルが有する、該巻線の温度を推定するための算出モデルであって、該巻線の温度特性に関連する巻線関連パラメータを含む巻線温度特性モデルと、該巻線の近傍に配置される温度センサによって検出される、巻線近傍温度の特性に関連する所定パラメータを含む所定温度特性モデルと、を含む算出モデルを決定する方法であって、
   前記巻線の温度を所定温度に上昇させるための電圧印加を行っている状態で、該巻線の温度の上昇推移である第１上昇推移と、前記温度センサの検出温度の上昇推移である第２上昇推移とを取得するステップと、
   前記第２上昇推移に基づいて、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定するステップと、を含み、
   前記決定するステップでは、前記第２上昇推移に基づいて、前記固定子の温度特性に関連する固定子関連パラメータを含み、前記巻線温度特性モデル及び前記所定温度特性モデルと相関を有する固定子温度特性モデルを介して、前記所定パラメータを算出して前記所定温度特性モデルを決定し、更に、前記第１上昇推移に基づいて、該固定子温度特性モデルを介して前記巻線関連パラメータを算出して前記巻線温度特性モデルを決定する、
   巻線温度算出モデルの決定方法。
   

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