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

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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)×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)×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)×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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