TWI577126B - 保護裝置及伺服馬達 - Google Patents

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TWI577126B
TWI577126B TW104132677A TW104132677A TWI577126B TW I577126 B TWI577126 B TW I577126B TW 104132677 A TW104132677 A TW 104132677A TW 104132677 A TW104132677 A TW 104132677A TW I577126 B TWI577126 B TW I577126B
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宮木淳一
安藤和秋
磯田□司
服部純
伊藤将太
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三菱電機股份有限公司
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    • H02P6/14—Electronic commutators
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Description

保護裝置及伺服馬達
本發明係關於保護馬達之保護裝置及伺服馬達。
馬達有依使用狀況而發生溫度過度上升之情形。保護裝置係保護馬達不會因該溫度上升而損壞之裝置。
專利文獻1中揭示一種監視集中繞組旋轉電機之溫度上升的集中繞組旋轉電機系統，此系統具備有：從集中繞組旋轉電機的定子各相的繞組電流及電壓來測定出繞組溫度之溫度測定手段；以及從集中繞組旋轉電機在負載狀態且在旋轉停止的狀態之各相的電流及電壓來推測繞組溫度上升之溫度上升推測手段。
專利文獻2中揭示一種同步電動機，此同步電動機具備有：檢測同步電動機的三相交流電流的兩相以上的交流電流之電流感測器(sensor)；檢測同步電動機的溫度之溫度感測器；以及抑制同步電動機的溫度上升之溫度保護手段。
[先前技術文獻] (專利文獻)
(專利文獻1)日本特開2005-80450號公報
(專利文獻2)日本特開2001-268989號公報
然而，專利文獻1及專利文獻2係在直流控制中或直流控制後等，各相線圈(coil)的溫度會不均，若是溫度感測器所檢測的線圈以外的線圈的溫度變高，就會有無法保護馬達之可能性。
本發明係有鑑於上述課題而完成者，其目的在於提供即使是溫度感測器所檢測的線圈以外的線圈的溫度變高，也可保護馬達之保護裝置。
為了解決上述的課題，達成上述目的，本發明係在保護由變頻器(inverter，商業上多稱為變頻器，國立編譯館之譯名為反相器、換流器，本文中稱為變頻器)裝置驅動的馬達之保護裝置中，具備有：檢測出馬達的第一相線圈的溫度之溫度檢測部；根據溫度檢測部所檢測出的溫度，算出該第一相線圈的電阻之第一電阻算出部；檢測出從變頻器裝置供給至馬達的電流之電流檢測部；以及根據第一電阻算出部所算出的電阻及電流檢測部所檢測出的電流，算出馬達的第二相線圈的溫度及第三相線圈的溫度，在檢測到第一相線圈的溫度、第二相線圈的溫度或第 三相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，輸出使馬達停止之訊號之處理部。
本發明之保護裝置即使是溫度感測器所檢測的線圈以外的線圈的溫度變高也可保護馬達。
1、6、7、8‧‧‧保護裝置
2‧‧‧變頻器裝置
3‧‧‧馬達
4‧‧‧熱檢測器
5‧‧‧旋轉檢測器
11‧‧‧溫度檢測部
12、32、34‧‧‧電阻算出部
13‧‧‧電流檢測部
13a‧‧‧檢測部
13b‧‧‧算出部
14、31、41、52‧‧‧處理部
15‧‧‧相位檢測部
16‧‧‧電壓算出部
16a‧‧‧第一電壓算出部
16b‧‧‧第二電壓算出部
17‧‧‧電阻算出部
18、34、58‧‧‧溫度算出部
19‧‧‧訊號產生部
20‧‧‧輸出部
21‧‧‧記憶部
33‧‧‧銅損算出部
34a、58a‧‧‧時間計測部
34b、58b‧‧‧熱阻算出部
34c、58c‧‧‧算出部
51‧‧‧電壓檢測部
53‧‧‧轉矩值算出部
54‧‧‧轉速檢測部
55‧‧‧輸出算出部
56‧‧‧輸入算出部
57‧‧‧總損失算出部
100、101、102、103‧‧‧伺服馬達
201‧‧‧CPU
202‧‧‧ROM
203‧‧‧RAM
204‧‧‧介面
第1圖係實施形態1之伺服馬達的構成圖。
第2圖係用來說明實施形態1中的處理部的動作之流程圖。
第3圖係實施形態2之伺服馬達的構成圖。
第4圖係用來說明實施形態2中的處理部的動作之流程圖。
第5圖係實施形態3之伺服馬達的構成圖。
第6圖係實施形態4之伺服馬達的構成圖。
第7圖係用來說明實施形態4中的處理部的動作之流程圖。
第8圖係顯示用來實現實施形態1之保護裝置、實施形態2之保護裝置、實施形態3之保護裝置及實施形態4之保護裝置之硬體構成例之圖。
以下，根據圖式來詳細說明本發明的實施形態之保護裝置及伺服馬達。惟本發明並不受此實施形態所限定。
實施形態1.
第1圖係顯示實施形態1之具備有保護裝置1的伺服馬達100的構成之圖。第2圖係用來說明實施形態1中的處理部14的動作之流程圖。
伺服馬達100係具備有：將從交流電源供給的交流電壓轉換為直流電壓，然後將轉換後的直流電壓再轉換為交流電壓，並輸出轉換後的交流電壓之變頻器(inverter)裝置2；由變頻器裝置2驅動之馬達3；保護馬達3之保護裝置1；用來檢測構成馬達3之一相的線圈(coil)的熱之屬於溫度感測器的熱檢測器4；以及檢測出馬達3的旋轉角度之旋轉檢測器5。
馬達3係由第一相線圈、第二相線圈及第三相線圈所構成。以下，將第一相線圈稱為U相線圈，將第二相線圈稱為V相線圈，將第三相線圈稱為W相線圈。
熱檢測器4係以檢測U相線圈的熱進行說明，但熱檢測器4亦可檢測V相線圈或W相線圈的熱。旋轉檢測器5係檢測出馬達3的旋轉角度。
保護裝置1係保護由變頻器裝置2加以驅動的馬達3之裝置。保護裝置1具備有：檢測出U相線圈的溫度之溫度檢測部11；算出U相線圈的電阻之作為第一電阻算出部之電阻算出部12；檢測出電流之電流檢測部13；輸出使馬達3停止之訊號之處理部14；以及根據旋轉檢測器5所檢測出的值，檢測出馬達3的電壓及電流相位之相 位檢測部15。
溫度檢測部11係根據熱檢測器4所檢測的值，檢測出馬達3的U相線圈的溫度。
電阻算出部12係根據溫度檢測部11所檢測出的溫度，算出U相線圈的電阻。
電流檢測部13係檢測出從變頻器裝置2供給至馬達3之電流。具體而言，電流檢測部13係檢測出U相線圈的電流、V相線圈的電流、W相線圈的電流。
處理部14係根據第一電阻算出部12所算出的電阻及電流檢測部13所檢測出的電流，算出馬達3的V相線圈的溫度及W相線圈的溫度。處理部14係在檢測到U相線圈的溫度、V相線圈的溫度或W相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，輸出使馬達3停止之訊號。
在此，針對在對馬達3進行伺服鎖定(servo lock)的狀態中的處理部14的具體的構成進行說明。其中，伺服鎖定係利用直流電流來控制馬達3的動作之控制，以下也將之稱為直流控制。進行直流控制時，雖然馬達3的動作是停止的，但有直流電流從變頻器裝置2供給至馬達3。
處理部14係具備有：算出各相線圈的電壓之電壓算出部16、算出V相線圈及W相線圈的電阻之作為第二電阻算出部之電阻算出部17、算出V相線圈及W相線圈的溫度之溫度算出部18、產生訊號之訊號產生部19、以及輸出訊號之輸出部20。
電壓算出部16係根據U相線圈的電阻、電流檢測部13所檢測出的電流、及旋轉角度，算出U相線圈的電壓、V相線圈的電壓及W相線圈的電壓。另外，電壓算出部16係由算出U相線圈的電壓之第一電壓算出部16a、及算出V相線圈及W相線圈的電壓之第二電壓算出部16b所構成。
第一電壓算出部16a係根據電阻算出部12所算出的U相線圈的電阻、及電流檢測部13所檢測出的U相線圈的電流，算出U相線圈的電壓。
第二電壓算出部16b係根據U相線圈的電壓及旋轉角度來算出相電壓。第二電壓算出部16b係根據旋轉角度加120度之角度及相電壓來算出V相線圈的電壓，並根據旋轉角度加240度之角度及相電壓來算出W相線圈的電壓。
電阻算出部17係根據V相線圈的電流及電壓來算出V相線圈的電阻，並根據W相線圈的電流及電壓來算出W相線圈的電阻。
溫度算出部18係根據V相線圈的電阻來算出V相線圈的溫度，並根據W相線圈的電阻來算出W相線圈的溫度。
訊號產生部19係在檢測到U相線圈的溫度、V相線圈的溫度或W相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使馬達3停止之訊號。輸出部20係輸出使馬達3停止之訊號。其中，設定的溫度係根據馬達3中使用的 線圈的絕緣材料的耐熱特性而決定，依絕緣的種類而異。在種類為F種之情況，耐熱溫度為155度，在種類為H種之情況，耐熱溫度為180度，依據該值，設定減去「環境溫度上限值+溫度容許偏差」之值。
接著，針對上述處理部14的具體的動作，利用第2圖所示的流程圖來進行說明。
在步驟ST1，保護裝置1係判斷是否在進行馬達3的直流控制。若判斷為在進行直流控制(是)，則前進至步驟ST2，若判斷為不在進行直流控制，亦即馬達3在驅動中(否)，則前進至步驟ST13。關於步驟ST13到步驟ST17之各步驟，將在後面的實施形態4中說明。
在步驟ST2，溫度檢測部11係檢測出U相線圈的溫度Tu。
在步驟ST3，電阻算出部12係根據步驟ST2中檢測出的U相線圈的溫度Tu算出U相線圈的電阻Ru。具體而言，電阻算出部12係將U相線圈的溫度Tu代入以下之式(1)來算出U相線圈的電阻Ru。其中，R為20度時的電阻，為已知的值。此外，θ係假想之環境溫度[℃]。
Ru=(234.5+Tu+θ)÷(234.5+20)×R．．．(1)
在步驟ST4，電流檢測部13係檢測出U相線圈的電流Iu、V相線圈的電流Iv、W相線圈的電流Iw。
在步驟ST5，電壓算出部16係算出U相線圈的電壓Eu。其中，U相線圈的電壓Eu係瞬間電壓。具體而言，電壓算出部16係將U相線圈的電阻Ru、U相線 圈的電流Iu代入以下之式(2)來算出U相線圈的電壓Eu。
Eu=Iu×Ru．．．(2)
在步驟ST6，電壓算出部16係算出V相線圈的電壓Ev及W相線圈的電壓Ew。其中，V相線圈的電壓Ev及W相線圈的電壓Ew係瞬間電壓。具體而言，電壓算出部16係將U相線圈的電壓Eu及旋轉角度α代入以下之式(3)來算出相電壓E。然後，電壓算出部16係將相電壓E及旋轉角度α代入以下之式(4)來算出V相線圈的電壓Ev。其中，式(4)中之(α+2/3×π)係表示U相線圈與V相線圈的相位差為120度之意。電壓算出部16係將相電壓E及旋轉角度α代入以下之式(5)來算出W相線圈的電壓Ew。其中，式(5)中之(α+4/3×π)係表示U相線圈與W相線圈的相位差為240度之意。
Eu=E×cos(α)．．．(3)
Ev=E×cos(α+2/3×π)．．．(4)
Ew=E×cos(α+4/3×π)．．．(5)
又，在U相線圈、V相線圈及W相線圈的角度為90之情況，係難以計算，但可在旋轉角度α為90度的情況置換為91度來求出近似值。
另外，雖然也可考慮利用電壓檢測器來直接檢測出各相線圈的電壓之構成，但在直流控制時，檢測出的電壓很小，誤差會很大。因此，在步驟ST5及步驟ST6中利用電壓算出部16來算出各相線圈的電壓。
在步驟ST7，電阻算出部17係算出V相線 圈的電阻Rv及W相線圈的電阻Rw。具體而言，電阻算出部17係將V相線圈的電壓Ev及電流Iv代入以下之式(6)來算出V相線圈的電阻Rv。電阻算出部17係將W相線圈的電壓Ew及電流Iw代入以下之式(7)來算出W相線圈的電阻Rw。
Rv=Ev÷Iv．．．(6)
Rw=Ew÷Iw．．．(7)
在步驟ST8，溫度算出部18係算出V相線圈的溫度Tv1及W相線圈的溫度Tw1。具體而言，溫度算出部18係將步驟ST7中算出的V相線圈的電阻Rv、及20度時的電阻R代入以下之式(8)來算出V相線圈的溫度Tv1。溫度算出部18係將步驟ST7中算出的W相線圈的電阻Rw、及20度時的電阻R代入以下之式(9)來算出W相線圈的溫度Tw1。此外，θ係假想之環境溫度[℃]。
Rv=(234.5+Tv1+θ)÷(234.5+20)×R．．．(8)
Rw=(234.5+Tw1+θ)÷(234.5+20)×R．．．(9)
在步驟ST9，訊號產生部19係判斷U相線圈的溫度Tu1、V相線圈的溫度Tv1或W相線圈的溫度Tw1是否超過設定的溫度。若判斷為有任一相線圈的溫度超過設定的溫度(是)，就前進至步驟ST11，若判斷為所有線圈的溫度都未超過設定的溫度(否)，則前進至步驟ST10。
在步驟ST10，溫度算出部18係將U相線圈的溫度Tu1、V相線圈的溫度Tv1及W相線圈的溫度Tw1記憶至記憶部21。又，在從後述的步驟ST17進入到本步 驟之時，係以溫度Tu2作為溫度Tu1，以溫度Tv2作為溫度Tv1，以溫度Tw2作為溫度Tw1而記憶至記憶部21。另外，在冷起動時，係設為「Tu1-θ=Tv1-θ=Tw1-θ=0」。執行步驟ST10之後回到步驟ST1。
在步驟ST11，訊號產生部19係產生使馬達3停止之訊號。
在步驟ST12，輸出部20係輸出使馬達3停止之訊號至變頻器裝置2。變頻器裝置2係在有使馬達3停止之訊號輸入之情況，停止直流電流之供給。馬達3係會因直流電流的供給停止而冷卻，溫度就會下降。
因此，保護裝置1係在馬達3正接受直流控制之狀態下，有任一相線圈的溫度超過設定的溫度時，藉由輸出使馬達3之驅動停止之訊號，即使是熱檢測器4所檢測的線圈以外的線圈的溫度變高，也可保護馬達3。
另外，保護裝置1係直接利用電壓及電流的瞬間值，即時(real time)地算出各相線圈的溫度，所以即使是馬達3的冷卻狀態已變化之情況，也可與該變化對應而算出各相線圈的溫度。
又，馬達3係藉由反覆進行驅動及直流控制來決定驅動態樣(pattern)。直流控制時的溫度的上升係取決於直流電流，因此隨著電氣角的相位之不同，各相線圈的溫度也不同。保護裝置1係在直流控制時，即時地算出各相線圈的溫度，在有任一相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，使馬達3之驅動停止，藉此而可保護馬達3。
實施形態2.
接著，針對實施形態2之具備有保護裝置6的伺服馬達101的構成進行說明。第3圖係顯示實施形態2之伺服馬達101的構成之圖。第4圖係用來說明實施形態2中的處理部31的動作之流程圖。
伺服馬達101係具備有：將從交流電源供給的交流電壓轉換為直流電壓，然後將轉換後的直流電壓再轉換為交流電壓，並輸出轉換後的交流電壓之變頻器裝置2；由變頻器裝置2驅動之馬達3；保護馬達3之保護裝置6；用來檢測構成馬達3之一相的線圈的熱之熱檢測器4；以及檢測出馬達3的旋轉角度之旋轉檢測器5。
馬達3係由第一相線圈、第二相線圈及第三相線圈所構成。以下，將第一相線圈稱為U相線圈，將第二相線圈稱為V相線圈，將第三相線圈稱為W相線圈。
熱檢測器4係以檢測U相線圈的熱進行說明，但熱檢測器4亦可檢測V相線圈或W相線圈的熱。旋轉檢測器5係檢測出馬達3的旋轉角度。
此外，實施形態2之伺服馬達101與實施形態1之伺服馬達100係只在保護裝置6及保護裝置1的構成不同，其他的構成都相同。以下，將與伺服馬達100相同的構成要件標以相同的符號。
在此，針對保護裝置6的構成及動作進行說明。保護裝置6係保護由變頻器裝置2驅動的馬達3之裝 置。保護裝置6具備有：檢測出U相線圈的溫度之溫度檢測部11；算出U相線圈的電阻之作為第一電阻算出部之電阻算出部12；檢測出電流之電流檢測部13；輸出使馬達3停止之訊號之處理部31；以及檢測出馬達3的電壓及電流相位之相位檢測部15。
溫度檢測部11係根據熱檢測器4所檢測的值，檢測出U相線圈的溫度。
電阻算出部12係根據溫度檢測部11所檢測出的溫度，算出U相線圈的電阻。
電流檢測部13係根據檢測出的電流之U相線圈的電流或V相線圈的電流、及旋轉角度，算出W相線圈的電流。具體而言，電流檢測部13係具備有：檢測出U相線圈的電流及V相線圈的電流之檢測部13a、以及算出W相線圈的電流之算出部13b。
在此，針對在對馬達3進行直流控制的狀態中之處理部31的具體的構成進行說明。
處理部31係具備有：記憶V相線圈的溫度及W相線圈的溫度之記憶部21、算出V相線圈的電阻及W相線圈的電阻之作為第二電阻算出部之電阻算出部32、算出銅損之銅損算出部33、算出V相線圈及W相線圈的溫度之溫度算出部34、產生訊號之訊號產生部19、以及輸出訊號之輸出部20。
記憶部21係記憶由前次的處理所算出的V相線圈的溫度及W相線圈的溫度。
電阻算出部32係根據記憶部21中記憶的V相線圈的溫度來算出V相線圈的電阻。電阻算出部32係根據記憶部21中記憶的W相線圈的溫度來算出W相線圈的電阻。
銅損算出部33係根據U相線圈的電流及電阻來算出U相線圈的銅損，根據V相線圈的電流及電阻來算出V相線圈的銅損，並且根據W相線圈的電流及電阻來算出W相線圈的銅損。
溫度算出部34係根據U相線圈的銅損及溫度來算出熱阻。溫度算出部34係根據該熱阻及V相線圈的銅損來算出V相線圈的溫度，並且，根據該熱阻及W相線圈的銅損來算出W相線圈的溫度。具體而言，溫度算出部34係具備有：計測時間之時間計測部34a、算出熱阻之熱阻算出部34b、以及算出V相線圈的溫度及W相線圈的溫度之算出部34c。熱阻算出部34b係計測依時間計測部34a開始直流控制之時刻t1，並且計測依時間計測部34a開始直流控制後經過n秒之時刻t2。熱阻算出部34b係根據時刻t1之U相線圈的溫度、時刻t2之U相線圈的溫度、及U相線圈的銅損來算出熱阻。
訊號產生部19係在檢測到U相線圈的溫度、V相線圈的溫度或W相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使馬達3停止之訊號。輸出部20係輸出使馬達3停止之訊號。
接著，針對上述處理部31的具體的動作， 利用第4圖所示的流程圖進行說明。其中，設定為記憶部21中記憶有前次的處理所算出的V相線圈的溫度Tv1及W相線圈的溫度Tw1。
在步驟ST21，保護裝置6係判斷是否在進行馬達3的直流控制。若判斷為在進行直流控制(是)，則前進至步驟ST22，若判斷為不在進行直流控制，亦即馬達3在驅動中(否)，則前進至步驟ST13。關於步驟ST13到步驟ST17之各步驟，將在後面的實施形態4中說明。
在步驟ST22，溫度檢測部11係檢測出U相線圈的溫度Tu。
在步驟ST23，電阻算出部12係根據步驟ST22中檢測出的U相線圈的溫度Tu而算出U相線圈的電阻Ru。具體而言，電阻算出部12係將U相線圈的溫度Tu代入以下之式(10)來算出U相線圈的電阻Ru。其中，R為20度時的電阻，為常數。此外，θ係假想之環境溫度[℃]。
Ru=(234.5+Tu+θ)÷(234.5+20)×R．．．(10)
在步驟ST24，電阻算出部32係算出V相線圈的電阻Rv及W相線圈的電阻Rw。具體而言，電阻算出部32係讀出記憶部21中記憶的V相線圈的溫度Tv1及W相線圈的溫度Tw1，將V相線圈的溫度Tv1代入以下之式(11)來算出V相線圈的電阻Rv，並且，將W相線圈的溫度Tw1代入以下之式(12)來算出W相線圈的電阻Rw。此外，θ係假想之環境溫度[℃]。
Rv=(234.5+Tv1+θ)÷(234.5+20)×R．．．(11)
Rw=(234.5+Tw1+θ)÷(234.5+20)×R．．．(12)
在步驟ST25，電流檢測部13係算出W相線圈的電流Iw。在此，針對電流檢測部13的具體的動作進行說明。惟，U相線圈的電流Iu及V相線圈的電流Iv係由電流檢測部13直接檢測出。
電流檢測部13係將U相線圈的電流Iu代入以下之式(13)來算出相電流I。此外，電流檢測部13亦可將V相線圈的電流Iv代入以下之式(14)來算出相電流I。電流檢測部13係將相電流I及旋轉角度α代入以下之式(15)來算出W相線圈的電流Iw。
Iu=I×cos(α)‧‧‧(13)
Iv=I×cos(α+2/3×π)‧‧‧(14)
Iw=I×cos(α+4/3×π)‧‧‧(15)
在步驟ST26，銅損算出部33係算出U相線圈的銅損Pu、V相線圈的銅損Pv及W相線圈的銅損Pw。具體而言，銅損算出部33係將U相線圈的電流Iu及電阻Ru代入以下之式(16)來算出U相線圈的銅損Pu。銅損算出部33係將V相線圈的電流Iv及電阻Rv代入以下之式(17)來算出V相線圈的銅損Pv。銅損算出部33係將W相線圈的電流Iw及電阻Rw代入以下之式(18)來算出W相線圈的銅損Pw。
Pu=Iu2×Ru‧‧‧(16)
Pv=Iv2×Rv‧‧‧(17)
Pw=Iw2×Rw‧‧‧(18)
在步驟ST27，溫度算出部34係根據U相線 圈的銅損Pu及溫度Tu來算出熱阻Rth。其中，熱阻Rth係U相線圈與大氣之間的熱阻。具體而言，溫度算出部34係以直流控制開始時檢測出的U相線圈的溫度作為Tu1，以直流控制開始後經過n秒時檢測出的U相線圈的溫度作為Tu2，且將該n(秒)及U相線圈的銅損Pu代入以下之式(19)來算出熱阻Rth[K/W]。其中，C係熱容量[J/K]，為已知的值。而且，C受到溫度變化的影響很小。另外，式(19)中的θ為假想之環境溫度[℃]，而熱阻Rth為指數函數，所以係採用差分計算、Z轉換或雙線性轉換(bilinear transformation)來算出。
Tu2=(Pu×Rth)×(1-exp(-n÷(C×Rth)))+(Tu1-θ)×exp(-n÷(C×Rth))+θ．．．(19)
在步驟ST28，溫度算出部34係算出V相線圈的溫度Tv2及W相線圈的溫度Tw2。具體而言，溫度算出部34係將熱阻Rth、V相線圈的銅損Pv及記憶部21中記憶的V相線圈的溫度Tv1代入以下之式(20)來算出V相線圈的溫度Tv2。溫度算出部34係將熱阻Rth、W相線圈的銅損Pw及記憶部21中記憶的W相線圈的溫度Tw1代入以下之式(21)來算出W相線圈的溫度Tw2。其中，熱阻Rth係三相都使用相同的值。
Tv2=(Pv×Rth)×(1-exp(-n÷(C×Rth)))+(Tv1-θ)×exp(-n÷(C×Rth))+θ．．．(20)
Tw2=(Pw×Rth)×(1-exp(-n÷(C×Rth)))+(Tw1-θ)×exp(-n÷(C×Rth))+θ．．．(21)
在步驟ST29，訊號產生部19係判斷U相線 圈的溫度Tu2、V相線圈的溫度Tv2或W相線圈的溫度Tw2是否超過設定的溫度。若判斷為有任一相線圈的溫度超過設定的溫度(是)，則前進至步驟ST31，若判斷為所有線圈的溫度都未超過設定的溫度(否)，則前進至步驟ST30。
在步驟ST30，溫度算出部34係將U相線圈的溫度Tu2、V相線圈的溫度Tv2及W相線圈的溫度Tw2記憶至記憶部21。其中溫度算出部34係以溫度Tu2作為溫度Tu1，以溫度Tv2作為溫度Tv1，以溫度Tw2作為溫度Tw1而記憶至記憶部21。另外，在冷起動(cold start)時，係設為「Tu1-θ=Tv1-θ=Tw1-θ=0」。執行步驟ST30之後回到步驟ST21。
在步驟ST31，訊號產生部19係產生使馬達3停止之訊號。
在步驟ST32，輸出部20係輸出使馬達3停止之訊號至變頻器裝置2。變頻器裝置2係在有使馬達3停止之訊號輸入之情況，停止直流電流之供給。馬達3係會因直流電流的供給停止而冷卻，溫度就會下降。
因此，保護裝置6係在馬達3正接受直流控制之狀態下，有任一相線圈的溫度超過設定的溫度時，藉由輸出使馬達3之驅動停止之訊號，即使是熱檢測器4所檢測的線圈以外的線圈的溫度變高，也可保護馬達3。
另外，保護裝置6係預先設定熱容量，且在設定的時點(timing)算出各相線圈的溫度，來檢測是否有任一相線圈的溫度超過設定的溫度，所以在馬達3的冷卻狀 態變化，有任一相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，可藉由使馬達3之驅動停止來保護馬達3。
實施形態3.
接著，針對實施形態3之具備有保護裝置7的伺服馬達102的構成進行說明。第5圖係顯示實施形態3之伺服馬達102的構成之圖。又，實施形態3中係將馬達3設想為水冷式馬達而進行說明，但並不限於水冷式馬達。
伺服馬達102係具備有：將從交流電源供給來的交流電壓轉換為直流電壓，然後將轉換後的直流電壓再轉換為交流電壓，並輸出轉換後的交流電壓之變頻器裝置2；由變頻器裝置2驅動之馬達3；保護馬達3之保護裝置7；用來檢測構成馬達3之一相的線圈的熱之熱檢測器4；以及檢測出馬達3的旋轉角度之旋轉檢測器5。
馬達3係由第一相線圈、第二相線圈及第三相線圈所構成。以下，將第一相線圈稱為U相線圈，將第二相線圈稱為V相線圈，將第三相線圈稱為W相線圈。
熱檢測器4係以檢測U相線圈的熱進行說明，但熱檢測器4亦可檢測V相線圈或W相線圈的熱。旋轉檢測器5係檢測出馬達3的旋轉角度。
實施形態3之伺服馬達102的保護裝置7與實施形態2之伺服馬達101的保護裝置6，係只在處理部41及處理部31的構成不同，其他的構成都相同。以下，將與伺服馬達101相同的構成要件標以相同的符號。
在此，針對在對馬達3進行直流控制之狀態中的處理部41的具體的構成進行說明。
處理部41係具備有：算出銅損之銅損算出部33、計測時間之時間計測部34a、算出熱阻之熱阻算出部34b、產生訊號之訊號產生部19、以及輸出訊號之輸出部20。
銅損算出部33係根據U相線圈的電流及電阻來算出U相線圈的銅損。具體而言，銅損算出部33係將U相線圈的電流Iu及電阻Ru代入以下之式(22)來算出U相線圈的銅損Pu。
Pu=Iu2×Ru．．．(22)
熱阻算出部34b係根據U相線圈的銅損及溫度來算出熱阻。具體而言，熱阻算出部34b係計測依時間計測部34a開始直流控制時之時刻t1，並且計測直流控制開始後經過n秒時之時刻t2。熱阻算出部34b係以在時刻t1檢測出的U相線圈的溫度作為Tu1，以在時刻t2檢測出的U相線圈的溫度作為Tu2，並將U相線圈的銅損Pu代入以下之式(23)來算出熱阻Rth[K/W]。其中，C係熱容量[J/K]，為已知的值。另外，式(23)中的θ為假想之環境溫度[℃]，而熱阻Rth為指數函數，所以係採用差分計算、Z轉換或雙線性轉換來算出。
Tu2=(Pu×Rth)×(1-exp(-n÷(C×Rth)))+(Tu1-θ)×exp(-n÷(C×Rth))+θ．．．(23)
訊號產生部19係在由熱阻算出部34b所算出的熱阻超過設定的值之情況，產生使馬達3之驅動停止 之訊號。輸出部20係輸出使馬達3停止之訊號。
因此，保護裝置7係在馬達3正接受直流控制之狀態下，熱阻超過設定的值時，藉由輸出使馬達3之驅動停止之訊號，即使是熱檢測器4所檢測的線圈以外的線圈的溫度變高，也可保護馬達3。
另外，保護裝置7係預先設定熱容量，且在設定的時點(timing)算出熱阻，來檢測熱阻是否超過設定的值，所以在馬達3的冷卻狀態惡化，超過了設定的熱阻值之情況時，可藉由使馬達3之驅動停止來保護馬達3。
實施形態4.
接著，針對實施形態4之具備有保護裝置8的伺服馬達103的構成進行說明。第6圖係顯示實施形態4之伺服馬達103的構成之圖。第7圖係用來說明實施形態4中的處理部52的動作之流程圖。
伺服馬達103係具備有：將從交流電源供給來的交流電壓轉換為直流電壓，然後將轉換後的直流電壓再轉換為交流電壓，並輸出轉換後的交流電壓之變頻器裝置2；由變頻器裝置2驅動之馬達3；保護馬達3之保護裝置8；用來檢測構成馬達3之一相的線圈的熱之熱檢測器4；以及檢測出馬達3的旋轉角度之旋轉檢測器5。
馬達3係由第一相線圈、第二相線圈及第三相線圈所構成。以下，將第一相線圈稱為U相線圈，將第二相線圈稱為V相線圈，將第三相線圈稱為W相線圈。
熱檢測器4係以檢測U相線圈的熱進行說明，但熱檢測器4亦可檢測V相線圈或W相線圈的熱。旋轉檢測器5係檢測出馬達3的旋轉角度。
實施形態4之伺服馬達103的保護裝置8與實施形態2之伺服馬達101的保護裝置6，係只在處理部52及處理部31的構成不同，其他的構成都相同。以下，將與伺服馬達101相同的構成要件標以相同的符號。
保護裝置8係具備有：檢測出U相線圈的溫度之溫度檢測部11；檢測出電流之電流檢測部13；檢測出從變頻器裝置2供給至馬達3的電壓之電壓檢測部51；輸出使馬達3停止之訊號之處理部52；以及根據旋轉檢測器5所檢測出的值，檢測出馬達3的電壓及電流相位之相位檢測部15。
在此，針對馬達3在驅動之狀態中的處理部52的具體的構成進行說明。處理部52係具備有：記憶V相線圈的溫度及W相線圈的溫度之記憶部21；算出轉矩(torque)值之轉矩值算出部53；檢測出馬達3的轉速之轉速檢測部54；算出輸出之輸出算出部55；算出輸入之輸入算出部56；算出總損失之總損失算出部57；算出V相線圈及W相線圈的溫度之溫度算出部58；產生訊號之訊號產生部19；以及輸出訊號之輸出部20。
記憶部21係記憶前次的處理所算出的V相線圈的溫度及W相線圈的溫度。
轉矩值算出部53係根據電流檢測部13所檢 測出的電流來算出轉矩值。具體而言，轉矩值算出部53係根據電流檢測部13所檢測出的電流，進行dq座標轉換來算出轉矩值。
轉速檢測部54係將馬達3的極數及從變頻器裝置2檢測出的頻率f代入以下之式(24)來檢測出馬達3的轉速N。
N=120×f/馬達的極數．．．(24)
輸出算出部55係根據轉矩值及馬達3的轉速來算出輸出。具體而言，輸出算出部55係將轉矩值T及轉速N代入以下之式(25)來算出輸出Pout。
Pout(kw)=T×(2 π×N÷60)÷1000．．．(25)
輸入算出部56係根據電流檢測部13所檢測出的電流及電壓檢測部51所檢測出的電壓來算出輸入。具體而言，輸入算出部56係將電流I及電壓V代入以下之式(26)來算出輸入Pin。其中，cos β係表示功率因數。
Pin=√3×I×V×cos β．．．(26)
總損失算出部57係根據輸出及輸入來算出馬達3之驅動的總損失。具體而言，總損失算出部57係如以下之式(27)所示將輸入Pin減去輸出Pout來算出總損失P。
P=Pin-Pout．．．(27)
溫度算出部58係根據總損失及U相線圈的溫度來算出熱阻，並根據該熱阻及總損失來算出V相線圈的溫度及W相線圈的溫度。具體而言，溫度算出部58係 具備有：計測時間之時間計測部58a；算出熱阻之熱阻算出部58b；以及算出V相線圈的溫度及W相線圈的溫度之算出部58c。熱阻算出部58b係計測依據時間計測部58a開始驅動之時刻t1，以及計測依據時間計測部58a結束驅動時之時刻t2。熱阻算出部58b係根據時刻t1之U相線圈的溫度、時刻t2之U相線圈的溫度、及總損失，來算出熱阻。
訊號產生部19係在檢測到U相線圈的溫度、V相線圈的溫度或W相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使馬達3之驅動停止之訊號。輸出部20係輸出使馬達3停止之訊號。
接著，針對上述處理部52的具體的動作，利用第7圖所示的流程圖來進行說明。以下，針對在上述的步驟ST1及上述的步驟ST21中判斷為並未進行直流控制，亦即馬達3在驅動中之情況(否)的處理部52的動作進行說明。
在步驟ST13，溫度算出部58係計測依據時間計測部58a設定的驅動時間。
在步驟ST14，溫度算出部58係根據計測的驅動時間來算出從驅動開始到結束的時間。以下，將溫度算出部58所算出的時間稱為「n1」。
在步驟ST15，溫度算出部58係根據總損失算出部57所算出的總損失P、溫度檢測部11所檢測出的U相線圈的溫度Tu，來算出熱阻Rth。具體而言，溫度算出 部58係以驅動開始時溫度檢測部11所檢測出的U相線圈的溫度作為Tu1，以驅動結束時溫度檢測部11所檢測出的U相線圈的溫度作為Tu2，且將總損失P及步驟ST14中算出的時間n1代入以下之式(28)來算出熱阻Rth[K/W]。其中，C係熱容量[J/K]，為已知的值。另外，式(28)中的θ為假想之環境溫度[℃]，而熱阻Rth為指數函數，所以係採用差分計算、Z轉換或雙線性轉換來算出。
Tu2=(P×Rth)×(1-exp(-n1÷(C×Rth)))+(Tu1-θ)×exp(-n1÷(C×Rth))+θ．．．(28)
在步驟ST16，溫度算出部58係算出V相線圈的溫度Tv2及W相線圈的溫度Tw2。具體而言，溫度算出部58係將熱阻Rth、總損失P及記憶部21中記憶的V相線圈的溫度Tv1代入以下之式(29)來算出V相線圈的溫度Tv2。另外，溫度算出部58係將熱阻Rth、總損失P及記憶部21中記憶的W相線圈的溫度Tw1代入以下之式(30)來算出W相線圈的溫度Tw2。其中，熱阻Rth及總損失P係三相都使用相同的值。而且，在冷起動時，係設為「Tu1-θ=Tv1-θ=Tw1-θ=0」。
Tv2=(P×Rth)×(1-exp(-n1÷(C×Rth)))+(Tv1-θ)×exp(-n1÷(C×Rth))+θ．．．(29)
Tw2=(P×Rth)×(1-exp(-n1÷(C×Rth)))+(Tw1-θ)×exp(-n1÷(C×Rth))+θ．．．(30)
在步驟ST17，訊號產生部19係判斷U相線圈的溫度Tu2、V相線圈的溫度Tv2或W相線圈的溫度Tw2 是否超過設定的溫度。若判斷為有任一相線圈的溫度超過設定的溫度(是)，則前進至步驟ST11或步驟ST31，若判斷為所有線圈的溫度都未超過設定的溫度(否)，則前進至步驟ST10或步驟ST30。
因此，保護裝置8係在馬達3為驅動之狀態下，有任一相線圈的溫度超過設定的溫度，就輸出使馬達3之驅動停止之訊號，所以即使是熱檢測器4所檢測的線圈以外的線圈的溫度變高也可保護馬達3。
另外，保護裝置8係在馬達3反覆進行短時間的驅動及直流控制，各相線圈的溫度不同之狀態下，若有任一相線圈的溫度超過設定的溫度，就輸出使馬達3之驅動停止，所以可保護馬達3。
實施形態1之保護裝置1、實施形態2之保護裝置6、實施形態3之保護裝置7及實施形態4之保護裝置8，係可如第8圖所示，由進行演算之CPU 201、保存供CPU 201讀取的程式(program)之ROM 202、用來展開ROM 202中保存的程式之RAM 203、以及進行訊號的輸入輸出之介面(interface)204所構成。
具體而言，ROM 202中係儲存有執行上述保護裝置1的各構成要件的機能之程式。CPU 201係將ROM 202中保存的程式讀出到RAM 203，並根據U相線圈的電阻、電流、及旋轉角度來算出U相線圈的電壓、V相線圈的電壓及W相線圈的電壓。CPU 201係根據V相線圈的電流及電壓而算出V相線圈的電阻，根據W相線圈的電流及 電壓而算出W相線圈的電阻。CPU 201係根據V相線圈的電阻而算出V相線圈的溫度，根據W相線圈的電阻而算出W相線圈的溫度。CPU 201係在U相線圈的溫度、V相線圈的溫度或W相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使馬達3之驅動停止之訊號。使馬達3之驅動停止之訊號係經由介面204而輸出至變頻器裝置2。
或者，ROM 202中係儲存有執行上述保護裝置6的各構成要件的機能之程式。CPU 201係將ROM 202中保存的程式讀出到RAM 203，並根據V相線圈的溫度而算出V相線圈的電阻、根據W相線圈的溫度而算出W相線圈的電阻。CPU 201係根據U相線圈的電流及電阻而算出U相線圈的銅損，根據V相線圈的電流及電阻而算出V相線圈的銅損，根據W相線圈的電流及電阻而算出W相線圈的銅損。CPU 201係根據U相線圈的銅損及溫度而算出熱阻，根據該熱阻及V相線圈的銅損而算出V相線圈的溫度，根據該熱阻及W相線圈的銅損而算出W相線圈的溫度。CPU 201係在U相線圈的溫度、V相線圈的溫度或W相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使馬達3之驅動停止之訊號。使馬達3之驅動停止之訊號係經由介面204而輸出至變頻器裝置2。
或者，ROM 202中係儲存有執行上述保護裝置7的各構成要件的機能之程式。CPU 201係將ROM 202中保存的程式讀出到RAM 203，並根據U相線圈的電流及電阻而算出U相線圈的銅損。CPU 201係根據U相線圈的 銅損及溫度而算出熱阻。CPU 201係在熱阻超過設定的值之情況，產生使馬達3之驅動停止之訊號。使馬達3之驅動停止之訊號係經由介面204而輸出至變頻器裝置2。
或者，ROM 202中係儲存有執行上述保護裝置8的各構成要件的機能之程式。CPU 201係將ROM 202中保存的程式讀出到RAM 203，並根據電流而算出轉矩值。CPU 201係檢測出馬達3的轉速。CPU 201係根據轉矩值及馬達3的轉速而算出輸出。CPU 201係根據檢測出的電流及電壓而算出輸入。CPU 201係根據輸出及輸入而算出馬達3之驅動的總損失。CPU 201係根據總損失及U相線圈的溫度而算出熱阻，並根據該熱阻及總損失而算出V相線圈的溫度及W相線圈的溫度。CPU 201係在檢測出U相線圈的溫度、V相線圈的溫度或W相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使馬達3之驅動停止之訊號。使馬達3之驅動停止之訊號係經由介面204而輸出至變頻器裝置2。
以上的實施形態所揭示之構成係表示本發明的內容的一例，亦可與別的公知的技術相組合，也可在未脫離本發明的主旨之範圍內將構成的一部分省略或變更。
1‧‧‧保護裝置
2‧‧‧變頻器裝置
3‧‧‧馬達
4‧‧‧熱檢測器
5‧‧‧旋轉檢測器
11‧‧‧溫度檢測部
12‧‧‧電阻算出部
13‧‧‧電流檢測部
14‧‧‧處理部
15‧‧‧相位檢測部
16‧‧‧電壓算出部
16a‧‧‧第一電壓算出部
16b‧‧‧第二電壓算出部
17‧‧‧電阻算出部
18‧‧‧溫度算出部
19‧‧‧訊號產生部
20‧‧‧輸出部
21‧‧‧記憶部
100‧‧‧伺服馬達

Claims (6)

  1. 一種保護裝置，係保護由變頻器裝置驅動的馬達，該保護裝置具備有：檢測出前述馬達的第一相線圈的溫度之溫度檢測部；根據前述溫度檢測部所檢測出的溫度，算出該第一相線圈的電阻之第一電阻算出部；檢測出從前述變頻器裝置供給至前述馬達的電流之電流檢測部；以及根據前述第一電阻算出部所算出的電阻及前述電流檢測部所檢測出的電流，算出前述馬達的第二相線圈的溫度及第三相線圈的溫度，且在檢測到前述第一相線圈的溫度、前述第二相線圈的溫度或前述第三相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，輸出使前述馬達停止之訊號之處理部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之保護裝置，該保護裝置具備有：在對前述馬達進行直流控制之狀態下，檢測出前述馬達的旋轉角度之旋轉檢測器，前述電流檢測部係檢測出前述第一相線圈的電流、前述第二相線圈的電流、及前述第三相線圈的電流，前述處理部係具備有：根據前述第一相線圈的電阻、前述電流檢測部所檢測出的電流、及前述旋轉角度，來算出前述第一相線圈 的電壓、前述第二相線圈的電壓及前述第三相線圈的電壓之電壓算出部；根據前述第二相線圈的電流及電壓來算出前述第二相線圈的電阻，並根據前述第三相線圈的電流及電壓來算出前述第三相線圈的電阻之第二電阻算出部；根據前述第二相線圈的電阻來算出前述第二相線圈的溫度，並根據前述第三相線圈的電阻來算出前述第三相線圈的溫度之溫度算出部；在檢測到前述第一相線圈的溫度、前述第二相線圈的溫度或前述第三相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使前述馬達停止之訊號之訊號產生部；以及輸出前述訊號之輸出部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之保護裝置，該保護裝置具備有：在對前述馬達進行直流控制之狀態下，檢測出前述馬達的旋轉角度之旋轉檢測器，前述電流檢測部係根據檢測出的電流亦即前述第一相線圈的電流或前述第二相線圈的電流、以及前述旋轉角度，來算出前述第三相線圈的電流，前述處理部係具備有：記憶前次的處理所算出的前述第二相線圈的溫度及前述第三相線圈的溫度之記憶部；根據前述第二相線圈的溫度來算出前述第二相線圈的電阻，並根據前述第三相線圈的溫度來算出前述第 三相線圈的電阻之第二電阻算出部；根據前述第一相線圈的電流及電阻來算出前述第一相線圈的銅損，並根據前述第二相線圈的電流及電阻來算出前述第二相線圈的銅損，並根據前述第三相線圈的電流及電阻來算出前述第三相線圈的銅損之銅損算出部；根據前述第一相線圈的銅損及溫度來算出熱阻，並根據該熱阻及前述第二相線圈的銅損來算出前述第二相線圈的溫度，並根據該熱阻及前述第三相線圈的銅損來算出前述第三相線圈的溫度之溫度算出部；在檢測到前述第一相線圈的溫度、前述第二相線圈的溫度或前述第三相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使前述馬達停止之訊號之訊號產生部；以及輸出前述訊號之輸出部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之保護裝置，該保護裝置在對前述馬達進行直流控制之狀態下，前述處理部係具備有：根據前述第一相線圈的電流及電阻，來算出前述第一相線圈的銅損之銅損算出部；根據前述第一相線圈的銅損及溫度來算出熱阻之熱阻算出部；在檢測到前述熱阻超過設定的值之情況，產生使前述馬達停止之訊號之訊號產生部；以及輸出前述訊號之輸出部。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之保護裝置，該保護裝置在對前述馬達進行驅動之狀態下，具備有：檢測出前述馬達的旋轉角度之旋轉檢測器；以及檢測出從前述變頻器裝置供給至前述馬達之電壓之電壓檢測部；前述電流檢測部係根據檢測出的電流亦即前述第一相線圈的電流或前述第二相線圈的電流、以及前述旋轉角度，來算出前述第三相線圈的電流，前述處理部係具備有：記憶前次的處理所算出的前述第二相線圈的溫度及前述第三相線圈的溫度之記憶部；根據前述電流檢測部所檢測出的電流來算出轉矩值之轉矩值算出部；檢測出前述馬達的轉速之轉速檢測部；根據前述轉矩值及前述馬達的轉速來算出輸出之輸出算出部；根據前述電流檢測部所檢測出的電流及前述電壓檢測器所檢測出的電壓來算出輸入之輸入算出部；根據前述輸入及前述輸出來算出前述馬達之驅動的總損失之總損失算出部；根據前述總損失及前述第一相線圈的溫度來算出熱阻，並根據該熱阻及前述總損失來算出前述第二相線圈的溫度及前述第三相線圈的溫度之溫度算出部； 在檢測到前述第一相線圈的溫度、前述第二相線圈的溫度或前述第三相線圈的溫度超過設定的溫度之情況，產生使前述馬達停止之訊號之訊號產生部；以及輸出前述訊號之輸出部。
  6. 一種伺服馬達，其特徵在於：具備有申請專利範圍第1至5項中任一項所述之保護裝置。
TW104132677A 2015-03-30 2015-10-05 保護裝置及伺服馬達 TWI577126B (zh)

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