JPWO2015022722A1 - コイル温度推定方法およびモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

コイル温度推定部１２は、予め与えられたモータ１のコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに電圧検出回路１７の検出するモータ１への印加電圧および外部入力されるＤｕｔｙ比指令値に基づいて、モータ１のコイル温度を推定する。温度異常判定部１３によりコイル温度が正常温度でないと判定された場合、Ｄｕｔｙ制限部１４がＤｕｔｙ比指令値を低い値に制限した上でＦＥＴ駆動回路１５へ出力する。

Description

この発明は、モータのコイル温度を推定するコイル温度推定方法、および推定したコイル温度に基づいてモータを制御するモータ制御装置に関する。

ＤＣモータに電圧を印加すると、コイル抵抗分の熱が生じ、コイル温度が上昇する。コイル温度が上昇しすぎると、コイル被膜を破壊し、ショートおよび発熱等の弊害があるため、過度な高温になる前に電圧印加を制限する必要がある。

そこで、従来は温度センサを用いてコイル温度を測定するものがあった。
また、モータのコイル抵抗は温度上昇に伴い高くなる現象があることから、モータの端子間電圧にモータ電流を乗じた値の平均値または積分値を求めて、モータの相対温度変化を推定するものがあった（例えば、特許文献１参照）。
また、モータ電流と母線電圧とＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）時間幅とに基づきコイル抵抗を推定し、事前に得られたコイル抵抗とコイル温度の関係を用いてコイル温度を求めるものがあった（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−１３３１０７号公報 特開２０１０−２８９１１号公報

以上のように、従来はコイル温度を測定する温度センサまたはモータ電流を測定する電流センサが必要となるが、設置スペースの問題から、温度センサまたは電流センサを設置できない電制アクチュエータに用いられるＤＣモータには適用困難であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コイル温度を推定するために温度センサおよび電流センサなどを用いず、搭載のためのハードウエア変更が不要なコイル温度推定方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。

この発明のコイル温度推定方法は、モータに印加する電圧をＤｕｔｙ比指令値に応じてＰＷＭ制御する駆動回路と、モータの印加電圧を検出する電圧検出回路とを備えたモータ制御装置が、予め与えられた前記モータのコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに電圧検出回路の検出する印加電圧およびＤｕｔｙ比指令値に基づいて、モータのコイル温度を推定するものである。

この発明のモータ制御装置は、モータに印加する電圧をＤｕｔｙ比指令値に応じてＰＷＭ制御する駆動回路と、モータの印加電圧を検出する電圧検出回路と、予め与えられたモータのコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに電圧検出回路の検出する印加電圧およびＤｕｔｙ比指令値に基づいて、モータのコイル温度を推定するコイル温度推定部と、コイル温度推定部の推定したコイル温度が正常温度か否かを判定する温度異常判定部と、温度異常判定部によりコイル温度が正常温度でないと判定された場合に、Ｄｕｔｙ比指令値を低い値に制限するＤｕｔｙ制限部とを備えるものである。

この発明によれば、予め与えられた前記モータのコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに電圧検出回路の検出する印加電圧およびＤｕｔｙ比指令値に基づいて、モータのコイル温度を推定することにより、温度センサおよび電流センサなどを用いずにコイル温度を推定することができる。従って、コイル温度推定のためのハードウエア変更が不要なモータ制御装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の構成例を示す図である。 実施の形態１に係るモータ制御装置の動作を説明するフローチャートである。 実施の形態１に係るモータ制御装置のコイル温度異常判定処理を説明するグラフである。 矩形波状のＰＷＭ電圧で駆動されるＲＬ負荷の消費する電力シミュレーションモデルを示す図である。 Ｒ＝１Ω、Ｌ＝０．１ｍＨのＬＲ負荷に流れる電流と印加される電圧を計測した結果を示すグラフである。 Ｒ＝１Ω、Ｌ＝０．２ｍＨのＬＲ負荷に流れる電流と印加される電圧を計測した結果を示すグラフである。 Ｒ＝１Ω、Ｌ＝０．４ｍＨのＬＲ負荷に流れる電流と印加される電圧を計測した結果を示すグラフである。 Ｒ＝１Ω、Ｌ＝０．８ｍＨのＬＲ負荷に流れる電流と印加される電圧を計測した結果を示すグラフである。 Ｄｕｔｙ比指令値に対するＲＬ負荷の消費電力の大きさを示すグラフである。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係るモータ制御装置１０をモータ１に適用した場合の構成例を示す。図１に示すモータ制御装置１０は、モータ１を制御するマイクロコンピュータ（以下、マイコン）１１と、マイコン１１の出力するＤｕｔｙ比に応じたＰＷＭ信号を生成するＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）駆動回路１５と、ＰＷＭ信号に応じて直流電源２の電圧をチョッピングしてモータ１へ印加するＦＥＴブリッジ１６と、ＦＥＴブリッジ１６を介して直流電源２からモータ１へ印加される電圧（以下、印加電圧）を検出する電圧検出回路１７とから構成される。
なお、図１の例では、複数のＦＥＴをブリッジ接続して構成されたＦＥＴブリッジ１６（例えば、三相インバータ）により直流電源２からモータ１への通電を制御するが、ＦＥＴ以外のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ；Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用してもよい。

例えばターボチャージャ付きエンジンの排気通路の切り替えを行うウエストゲート（ＷＧ）バルブを駆動するためのアクチュエータにモータ１を適用する場合、エンジン制御装置においてアクチュエータの実ストローク値と目標ストローク値の偏差が０になるようにモータ１のＤｕｔｙ比を演算し、Ｄｕｔｙ比指令値としてモータ制御装置１０に通知する。
なお、本実施の形態１に係るモータ制御装置１０をＷＧアクチュエータ用のモータ以外に適用できることは言うまでもなく、例えば排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブを駆動するためのアクチュエータ用のモータ等に適用してもよい。
また、モータ制御装置１０の内部でＤｕｔｙ比指令値を演算してもかまわない。

マイコン１１は、内蔵メモリに記録されたプログラムを逐次読み出して実行することによって、モータ１のコイル温度を推定するコイル温度推定部１２、推定コイル温度に基づいてモータ１の過度な温度上昇を判定する温度異常判定部１３、および温度異常判定部１３の判定結果に基づいて外部入力されるＤｕｔｙ比指令値を制限するＤｕｔｙ制限部１４としての機能を実行する。

次に、図２に示すフローチャートを参照しながら、マイコン１１の動作を説明する。マイコン１１は所定のサンプリング時間（例えば、１秒）ごとに以下の処理を繰り返す。
先ずステップＳＴ１〜ＳＴ３において、コイル温度推定部１２が下式（１）〜（３）に基づいてモータ１のコイル温度を推定する。
Ｗ＝Ｖ／Ｒ×Ｖ×ｆ（ｘ） （１）
ΔＴ＝（Ｗ−Ｔｚ／Ｒｔｈ）／Ｃ （２）
Ｔ＝ΔＴ＋Ｔｚ （３）

ここで、Ｗはサンプリング時間あたりのモータ１の消費電力、Ｖは電圧検出回路１７で検出しコイル温度推定部１２に入力されるモータ１の印加電圧、ｆ（ｘ）は外部入力されるＤｕｔｙ比指令値を変数ｘとした関数、Ｒはモータ１のコイル等価抵抗、Ｃはモータ１のコイルの熱容量、Ｒｔｈはモータ１のコイルの熱抵抗である。
また、Ｔは現サンプリング時の推定コイル温度、ΔＴはサンプリング時間あたりの温度上昇値、Ｔｚは前回サンプリング時の推定コイル温度である。

上式（１）〜（３）のうち、コイル等価抵抗Ｒ、熱容量Ｃ、および熱抵抗Ｒｔｈは、予めコイル温度推定部１２に与えられているものとする。
例えば、実験により、Ｄｕｔｙ比を１にしてモータ１へ連続して電圧を印加した場合のモータ飽和温度を求める。ここではモータ１を安全側で制御するために、想定する最も厳しい条件で求めている。次にモータ１がロックしたときに流れるモータロック時電流から、モータ等価抵抗Ｒを求める。また、モータ飽和温度の６３．２％に到達するまでの時間を温度上昇時定数［ｓ］とする。そして、モータ飽和温度の６３．２％と温度上昇時定数から熱抵抗Ｒｔｈ［℃／Ｗ］を求め、熱抵抗Ｒｔｈと温度上昇時定数から熱容量Ｃ［Ｊ／℃］を求める。
Ｄｕｔｙ比指令値の関数ｆ（ｘ）の詳細は後述する。

コイル温度推定部１２は、ステップＳＴ１において上式（１）よりモータ１のサンプリング時間あたりの消費電力Ｗを算出し、ステップＳＴ２において上式（２）よりサンプリング時間あたりの温度上昇値ΔＴを算出し、ステップＳＴ３において上式（３）よりサンプリング時間あたりの温度上昇値ΔＴを積算して現在の推定コイル温度Ｔを推定する。

続くステップＳＴ４〜ＳＴ８において、温度異常判定部１３が予め与えられた正常温度／異常温度の判定値と推定コイル温度Ｔを比較して、モータ１の温度上昇の有無を判定し、温度異常フラグのＯＮ／ＯＦＦを設定する。
ここで、図３のグラフを用いて、コイル温度の異常判定処理を説明する。図３のグラフにおいて、縦軸に温度異常フラグのＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸にコイル温度を示す。異常温度の判定値を正常温度の判定値より高い値に設定し、さらに、正常温度の判定値と異常温度の判定値の間にヒステリシスを設けている。

温度異常判定部１３は、ステップＳＴ４において推定コイル温度Ｔが異常温度の判定値より大きければ（ステップＳＴ４“ＹＥＳ”）、モータ１が温度上昇していると判定して温度異常フラグをＯＮにする（ステップＳＴ５）。一方、推定コイル温度Ｔが異常温度の判定値以下の場合（ステップＳＴ４“ＮＯ”）、温度異常判定部１３は続いて推定コイル温度Ｔと正常温度の判定値を比較し（ステップＳＴ６）、推定コイル温度Ｔが正常温度の判定値より小さければ（ステップＳＴ６“ＹＥＳ”）、モータ１の温度は正常範囲内と判定して温度異常フラグをＯＦＦにする（ステップＳＴ７）。
他方、推定コイル温度Ｔが異常温度の判定値と正常温度の判定値の間にある場合（ステップＳＴ６“ＮＯ”）、温度異常判定部１３は温度異常フラグを前回サンプリング時のまま継続する（ステップＳＴ８）。

温度異常判定部１３の設定した温度異常フラグがＯＮのとき、Ｄｕｔｙ制限部１４は外部入力されたＤｕｔｙ比指令値をより低いＤｕｔｙ比（例えば、０）に制限した上でＦＥＴ駆動回路１５へ出力する。一方、温度異常フラグがＯＦＦのとき、Ｄｕｔｙ制限部１４はＤｕｔｙ比指令値をそのままＦＥＴ駆動回路１５へ出力する。

ＦＥＴ駆動回路１５は、Ｄｕｔｙ制限部１４の出力するＤｕｔｙ比に応じてパルス幅変調したＰＷＭ信号を生成し、ＦＥＴブリッジ１６を構成するＦＥＴのゲート端子に印加して導通状態にする。これにより、モータ制御装置１０は、モータ１が正常温度にある間はＤｕｔｙ比指令値に従って電圧を印加し、モータ１が異常温度になると電圧印加を制限して過度な温度上昇を防止しモータ１を保護する。また、異常判定と正常判定のヒステリシスの幅を調整することにより、モータ１が異常温度から正常温度に戻るまでの、電圧印加を制限する時間を調整できる。

次に、Ｄｕｔｙ比指令値の関数ｆ（ｘ）について説明する。
図４は、矩形波状のＰＷＭ電圧で駆動されるＲＬ負荷１ａの消費する電力シミュレーションモデルである。図４の例では、モータ１の代わりに、抵抗ＲとインダクタンスＬを直列に接続したＲＬ負荷１ａを用いる。モータ１で消費される電力は厳密にはＲＬ負荷１ａとは異なる。しかし発熱が大きい状態ではモータ１の回転による誘起電圧が小さく、大電流が流れているので、概ねＲＬのみに近い形態になっていると推察できる。よって、以下では、ＲＬ負荷１ａに矩形波ＰＷＭ電圧を印加したときに消費される電力とＤｕｔｙ比の関係についてシミュレーションして、消費電力とＤｕｔｙ比指令値の関係性を調べる。

図４の例では、ＲＬ負荷１ａにＦＥＴブリッジ１６を介して矩形波電圧を印加している。このＦＥＴブリッジ１６の直流電源２は１０Ｖに設定されていることとする。また、ＦＥＴ駆動回路１５は、内部で５００Ｈｚの矩形波信号を発生し、外部入力されるＤｕｔｙ比指令値に従って矩形波信号のＤｕｔｙ比を１０秒かけて０から１まで掃引してＰＷＭ信号を生成する。

図５〜図９に、図４でシミュレーションされた結果を示す。
図５〜図８は、ＲＬ負荷１ａのＬ／Ｒの値を変化させて消費電力をシミュレーションし、シミュレーション上の仮想的なマルチメータでＲＬ負荷１ａに流れる電流と印加される電圧を計測した結果を示すグラフである。抵抗Ｒはすべて１Ωで、インダクタンスＬを０．１ｍＨから０．８ｍＨまで変化させている。図５（ａ）〜図８（ａ）はＤｕｔｙ比を１０秒かけて０から１まで掃引したときのグラフであり、その一部を拡大して図５（ｂ）〜図８（ｂ）に示す。
図９は、Ｄｕｔｙ比指令値に対するＲＬ負荷１ａの消費電力の大きさを示すグラフである。図９に示す消費電力とは、マルチメータの計測する電流と電圧を乗算してＲＬ負荷１ａで消費される電力の瞬時値を計算し、フィルタ処理により平均化した値とする。

このシミュレーションでは直流電源２を１０Ｖ、ＲＬ負荷１ａの抵抗Ｒを１Ωに固定したので、Ｄｕｔｙ比指令値が１のとき消費電力はいずれも１００Ｗになる。図５（ｂ）〜図８（ｂ）より、ＲＬ負荷１ａに電圧を印加しても、抵抗ＲとインダクタンスＬの時定数τ（＝Ｌ／Ｒ）により、すぐに電流が増加せず一次遅れになることが分かる。ＰＷＭ信号の駆動周期Ｐ（この例では５００Ｈｚ）に対して時定数τが小さいと、図５（ｂ）のように電圧印加時の電流の一次遅れも小さくなるので、消費電力は図９に示すＤｕｔｙ比×１００の直線に近い曲線となる。インダクタンスＬを大きくしてゆくと、ＰＷＭ信号の駆動周期Ｐに対して時定数τが大きくなり、図８のように電圧印加時の電流の一次遅れも大きくなるので、消費電力は図９のＤｕｔｙ比×１００の直線から（Ｄｕｔｙ比）^２×１００の曲線に近づいてゆくのが分かる。

従って、関数ｆ（ｘ）は下式（４）となる。
ｆ（ｘ）＝（Ｄｕｔｙ比指令値）^ｎ×１００ （４）
ただし、１≦ｎ≦２とする。

図９より、ＰＷＭ信号の駆動周期Ｐに対してモータ１の時定数τが小さいとき（Ｐ＞τ）、式（４）においてｎ＝１とする。一方、ＰＷＭ信号の駆動周期Ｐに対してモータ１の時定数τが大きいとき（Ｐ≦τ）は１＜ｎ≦２とする。このｎはモータ１の時定数τに応じて決定すればよく、上述したようなシミュレーションにより計算してもよいし、実機を用いてＤｕｔｙ比指令値と消費電力の関係を測定する等して決定してもよい。

また、式（４）のＤｕｔｙ比指令値は、サンプリング時間あたりの平均値とする。また、この関数ｆ（ｘ）をルックアップテーブル形式でコイル温度推定部１２に設定してもよい。

以上より、実施の形態１によれば、モータ制御装置１０は、モータ１に印加する電圧をＤｕｔｙ比指令値に応じてＰＷＭ制御するＦＥＴ駆動回路１５と、ＦＥＴ駆動回路１５のＰＷＭ制御により駆動するＦＥＴブリッジ１６と、ＦＥＴブリッジ１６を介してモータ１に印加される電圧を検出する電圧検出回路１７と、予め与えられたモータ１のコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに電圧検出回路１７の検出する印加電圧およびＤｕｔｙ比指令値に基づいて、モータ１のコイル温度を推定するコイル温度推定部１２と、コイル温度推定部１２の推定したコイル温度が正常温度か否かを判定する温度異常判定部１３と、温度異常判定部１３によりコイル温度が正常温度でないと判定された場合にＤｕｔｙ比指令値を低い値に制限するＤｕｔｙ制限部１４とを備える構成にした。このため、温度センサおよび電流センサなどを用いずにコイル温度を推定することができる。従って、コイル温度推定のためのハードウエア変更が不要なモータ制御装置１０を提供することができる。

また、実施の形態１によれば、コイル温度推定部１２は、上式（１）により単位時間あたりのモータ１の消費電力を算出し、当該消費電力に応じた単位時間あたりのコイル温度上昇値を算出して積算することによりコイル温度を推定する構成にした。この上式（１）において、モータ１の時定数τを考慮した関数ｆ（ｘ）を導入することにより、特性の異なるモータのコイル温度を精度良く推定することができる。

また、実施の形態１によれば、温度異常判定部１３は、コイル温度推定部１２の推定したコイル温度が正常温度判定値より小さい場合に正常と判定し、当該正常温度判定値より大きい値である異常温度判定値より大きい場合に正常でないと判定し、当該正常温度判定値以上かつ当該異常温度判定値以下の場合には前回の判定結果を継続するように構成した。このため、正常温度判定値と異常温度判定値のヒステリシスの幅を調整することにより、モータ１が異常温度から正常温度に戻るまでの、電圧印加を制限する時間を調整できる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係るモータ制御装置は、ハードウエアを変更することなくモータのコイル温度を推定できるので、設置スペースの問題からセンサを追加できない電制アクチュエータを駆動するためのＤＣモータなどに用いるのに適している。

１ モータ、１ａ ＲＬ負荷、２ 直流電源、１０ モータ制御装置、１１ マイコン
１２ コイル温度推定部、１３ 温度異常判定部、１４ Ｄｕｔｙ制限部、１５ ＦＥＴ駆動回路、１６ ＦＥＴブリッジ、１７ 電圧検出回路。

この発明のモータ制御装置は、モータに印加する電圧をＤｕｔｙ比指令値に応じてＰＷＭ制御する駆動回路と、モータの印加電圧を検出する電圧検出回路と、予め与えられたモータのコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに電圧検出回路の検出する印加電圧およびＤｕｔｙ比指令値に基づいて、モータのコイル温度を推定するコイル温度推定部と、コイル温度推定部の推定したコイル温度が正常温度か否かを判定する温度異常判定部と、温度異常判定部によりコイル温度が正常温度でないと判定された場合に、Ｄｕｔｙ比指令値を低い値に制限するＤｕｔｙ制限部とを備え、コイル温度推定部は、下記の式により単位時間あたりのモータの消費電力Ｗを算出し、熱容量および熱抵抗を用いて当該消費電力Ｗに応じた単位時間あたりのコイル温度上昇値を算出し積算することによりコイル温度を推定するものである。
Ｗ＝Ｖ／Ｒ×Ｖ×ｆ（ｘ）
ここで、Ｖは電圧検出回路の検出する印加電圧、Ｒはコイル温度推定部に予め与えられたコイル等価抵抗、ｆ（ｘ）はＤｕｔｙ比指令値を変数ｘとした関数である。

Claims (6)

1. モータに印加する電圧をＤｕｔｙ比指令値に応じてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する駆動回路と、前記モータの印加電圧を検出する電圧検出回路とを備えたモータ制御装置が、予め与えられた前記モータのコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに前記電圧検出回路の検出する印加電圧および前記Ｄｕｔｙ比指令値に基づいて、前記モータのコイル温度を推定するコイル温度推定方法。
2. モータに印加する電圧をＤｕｔｙ比指令値に応じてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する駆動回路と、
   前記モータの印加電圧を検出する電圧検出回路と、
   予め与えられた前記モータのコイル等価抵抗、熱容量および熱抵抗、ならびに前記電圧検出回路の検出する印加電圧および前記Ｄｕｔｙ比指令値に基づいて、前記モータのコイル温度を推定するコイル温度推定部と、
   前記コイル温度推定部の推定したコイル温度が正常温度か否かを判定する温度異常判定部と、
   前記温度異常判定部により前記コイル温度が正常温度でないと判定された場合に、前記Ｄｕｔｙ比指令値を低い値に制限するＤｕｔｙ制限部とを備えるモータ制御装置。
3. 前記コイル温度推定部は、下記の式により単位時間あたりの前記モータの消費電力Ｗを算出し、前記熱容量および前記熱抵抗を用いて当該消費電力Ｗに応じた前記単位時間あたりのコイル温度上昇値を算出し積算することにより前記コイル温度を推定することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
   Ｗ＝Ｖ／Ｒ×Ｖ×ｆ（ｘ）
   ここで、Ｖは前記電圧検出回路の検出する印加電圧、Ｒは前記コイル温度推定部に予め与えられた前記コイル等価抵抗、ｆ（ｘ）は前記Ｄｕｔｙ比指令値を変数ｘとした関数である。
4. 前記関数ｆ（ｘ）は下記の式を満たすことを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
   ｆ（ｘ）＝（Ｄｕｔｙ比指令値）^ｎ×１００
   ただし、１≦ｎ≦２とする。
5. 前記関数ｆ（ｘ）のｎは、前記モータのコイル等価抵抗とインダクタンスにより決定される時定数に基づいて決定されることを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
6. 前記温度異常判定部は、前記コイル温度推定部の推定したコイル温度が正常温度判定値より小さい場合に正常と判定し、当該正常温度判定値より大きい値である異常温度判定値より大きい場合に正常でないと判定し、当該正常温度判定値以上かつ当該異常温度判定値以下の場合には前回の判定結果を継続することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。

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