JP2005218226A

JP2005218226A - モータ制御方法および装置

Info

Publication number: JP2005218226A
Application number: JP2004022007A
Authority: JP
Inventors: Tatsunobu Kobori; 辰信小堀; Shigeru Sakurai; 繁櫻井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】熱的性能限界まで性能を引き出し、寿命の長いモータ駆動方法を提供する。
【解決手段】制御回路と電力変換回路からなるモータ制御装置において電力変換回路が搭載されるフィン温度を検出する温度検出器と複数の冷却器を付加し、制御サンプリング時間ごとに制御回路損失値とトルク指令から電力変換回路の損失値を算定し、電力変換回路の損失値を熱等価回路に入力して電力変換回路の内部温度上昇値を推定し、フィン温度と温度上昇値を加算して電力変換回路の内部温度を推定し、推定内部温度があらかじめ設定した複数の温度規格範囲に応じて、複数の冷却器を選択し、動作させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明はオーバヒートからモータ制御装置を保護するモータ制御方法および装置に関する。

従来のモータ制御装置のオーバヒート保護方法には、例えば特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１は放熱フィンに取り付けられたトランジスタおよびサーミスタからなる駆動装置をさらに小形化しようとしたもので、トランジスタとサーミスタをフィンの表裏の最も近い位置に取り付けてサーミスタがトランジスタの温度をタイムラグなく検知しようとしたものである。さらに、ファンは消費電力が大きく、できるだけ、駆動する時間を少なくするため、フィンの温度が規定値を超えたら動作させようとしている。図１２において、１０２は放熱フィン、１１０はトランジスタ、１０９はサーミスタ、１０８は冷却ファンである。
特開２０００−２９４７０６号公報

しかしながら、従来技術では、フィンの温度が規定値を超えた場合の動作が、ファンを駆動するか、回路の動作周波数を下げることしか記述されていない。ファンの起動・停止に関する規定はファンの寿命を伸ばす上で重要である。かりに、従来技術のように、ひとつの規格値だけでファンを起動、停止させると、起動停止の頻度が増えファンの寿命を著しく低下させるばかりか、ファンに供給される電力も増大することになる。
図１３は一つの規格値だけでファンを起動停止した場合のタイムチャートを示したものであり、ファンの起動停止回数はかなり多くなる。なお、図１３は図１１の熱等価回路を使用してシミュレーションした結果であり、実測ではない。シミュレーションの条件は、ジャンクション−ダイ間熱抵抗を０．１℃／Ｗ、ダイ−ケース（フィン）間熱抵抗を０．２℃／Ｗ、フィン−周囲間熱抵抗をファンが非動作の時で３℃／Ｗ、ファンが動作している時で１℃／Ｗ、ダイの熱容量を１Ｊｏｕｌｅ／℃、フィンの熱容量を１０００００Ｊｏｕｌｅ／℃、温度検出からファン動作までの遅れ時間を０．５ｓｅｃ、制御回路の損失が２０Ｗ、電力変換回路動作時の損失を４０Ｗとしている。この例では１分間に７〜８回もファンが動作・非動作を繰り返しており、寿命上問題である。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、モータ駆動装置の性能を熱的性能限界まで引き出し、かつ、寿命の長いモータ制御方法および装置を提供する。

請求項１記載の本発明は、制御回路と電力変換回路からなるモータ制御装置の制御方法において、電力変換回路が搭載されるフィン温度を検出する温度検出器と複数の冷却器を付加し、制御サンプリング時間ごとに制御回路損失値とトルク指令から電力変換回路の損失値を算定し、電力変換回路の損失値を熱等価回路に入力して電力変換回路の内部温度上昇値を推定し、フィン温度と前記温度上昇値を加算して前記電力変換回路の内部温度を推定し、推定内部温度に応じて、前記複数の冷却器を選択して動作させるようにした。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御方法において、冷却器はファンであり、第１ファンと第２ファンで構成され、あらかじめ、第１温度＜第２温度＜第３温度＜第４温度なる温度を設定し、推定内部温度が第１温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオフにし、推定内部温度が第１温度よりも高く、第２温度よりも低い時は、第１ファンを前のサンプリング時間に決定された状態を維持し、第２ファンはオフとし、推定内部温度が第２温度よりも高く第３温度よりも低い時は、第１ファンはオンにし、第２ファンは前のサンプリング時間で決定された状態を維持し、推定内部温度が第３温度よりも高く、第４温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオンにし、推定内部温度が第４温度よりも高いときは、電力変換回路のスイッチング素子をすべてオフにしてシャットダウンし、外部にオーバヒートのアラーム信号を出力するようにした。
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載のモータ制御方法において、冷却器はｎ個のファンであり、温度範囲を第１温度から第ｎ＋２温度に分類し請求項１または２と同様なファン設定を行うようにした。
請求項４記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御方法において、温度検出器はサーミスタであり、サーミスタの出力信号をＡＤコンバータでディジタル量に変換してＣＰＵに取り込むようにした。
請求項５記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御方法において、温度検出器を制御回路のプリント配線板に取り付け、モータ制御装置の内気温度を検出し、あらかじめ測定して求めた過渡熱等価回路を使用して、電力変換回路の内部の温度上昇値を推定し、内気温度に加算して内部温度を推定し、冷却器を駆動するようにした。
請求項６記載の本発明は、制御回路と電力変換回路からなるモータ制御装置において
電力変換回路が搭載されるフィン温度を検出する温度検出器と複数の冷却器を備え、制御サンプリング時間ごとに制御回路損失値とトルク指令から電力変換回路の損失値を算定する損失値算定手段と、電力変換回路の損失値を熱等価回路に入力して電力変換回路の内部温度上昇値を推定する内部温度上昇値推定手段と、フィン温度と前記温度上昇値を加算して電力変換回路の内部温度を推定し、推定内部温度があらかじめ設定した複数の温度規格範囲に応じて、複数の冷却器を選択し、動作させる手段とを備えるようにした。
請求項７記載の本発明は、請求項６記載のモータ制御装置において、冷却器をファンとして第１ファンと第２ファンを備え、あらかじめ、第１温度＜第２温度＜第３温度＜第４温度なる温度を設定し、推定内部温度が第１温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオフにし、推定内部温度が第１温度よりも高く、第２温度よりも低い時は、第１ファンを前のサンプリング時間に決定された状態を維持し、第２ファンはオフとし、推定内部温度が第２温度よりも高く第３温度よりも低い時は、第１ファンはオンにし、第２ファンは前のサンプリング時間で決定された状態を維持し、推定内部温度が第３温度よりも高く、第４温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオンにし、推定内部温度が第４温度よりも高いときは、電力変換回路のスイッチング素子をすべてオフにしてシャットダウンし、外部にオーバヒートのアラーム信号を出力する手段からなるようにした。
請求項８記載の本発明は、請求項６または請求項７記載のモータ制御装置において、冷却器はｎ個のファンであり、温度範囲を第１温度から第ｎ＋２温度に分類し請求項７と同様なファン設定を行う手段からなるようにした。

本発明のモータ制御方法および装置によれば、電力変換回路の内部温度を正確に推定でき、複数の冷却器を用いて冷却するので、モータ制御装置の性能を熱的限界まで引き出すことができ、かつ、寿命を長くすることができる。

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示すモータ制御方法を備えたモータ制御装置のブロック図である。
図１において、１は電力変換回路、２は制御回路、３はインバータ回路、４は整流器、５は温度検出器、６はＡＤコンバータ、７はＣＰＵ、８はファン制御回路、９は第１ファン、１０は第２ファン、１１は制御電源である。外部の上位システムから速度指令や位置指令が与えられると、インタフェース回路ＩＦは指令データをＣＰＵが解読可能なデータ変換する。モータに結合された位置検出器は位置データを制御回路の位置検出器入力回路に出力し、位置検出入力回路はＣＰＵが解読可能なデータを変換する。図に示してはいないが、ＣＰＵは制御サンプリング時間ごとに、位置指令データ、位置データを取り込み、位置制御演算、速度制御演算を行いトルク指令を生成し、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令を生成し電流制御部に出力する。電流検出器はモータの３相電流を検出し、制御回路に渡す。制御回路の３相−ｄｑ変換部は３相電流をｄ軸電流、ｑ軸電流に座標変換し、電流制御部に出力する。電流制御部はｄｑ軸電流制御を行い、ｄｑ−３相の座標変換を行い３相電圧指令を生成、さらに、３相電圧指令から３相パルス幅変調信号を生成し、ゲートドライブ回路に出力する。ゲートドライブ回路はゲート信号を絶縁増幅してインバータ回路のＩＧＢＴのゲートを駆動する。インバータはモータにパルス幅変調された電圧を印加して、速度やモータ定数に合った電流が生成される。モータに電流が流れるとトルクを発生し、負荷や慣性モーメントに応じた速度で回転する。
温度検出器は電力変換回路を冷却するフィンに取り付けられており、フィンの温度を検出する。検出された温度信号はＡＤ変換器でＣＰＵが読める形に変換される。ＣＰＵはフィン温度を読み込み、トルク指令から、テーブルを参照して電力変換回路の損失を生成する。電力変換回路の損失はトルク指令に関係した値であるので、事前に実験などでトルク指令と損失の関係（図２）を取得し、ＣＰＵのメモリテーブルに記憶しておく（図６）。ＣＰＵは電力変換回路の損失がわかると、事前に取得しておいた図３の熱等価回路を参照して電力変換回路内部のＩＧＢＴのジャンクション温度上昇値を推定する。このジャンクション温度があらかじめ、設定した温度範囲のどこに入るかにより、冷却器を選択し、動作させる。
図３はモータ制御装置の熱等価回路を示したもので、３０はトータル損失値、３１はジャンクション、３２はダイ、３３はケースまたはフィンの温度を示す部分である。また３４はジャンクション−ダイ間の熱抵抗Ｒ１（℃／Ｗ）、３５はダイ−ケース（フィン）間の熱抵抗Ｒ２（℃／Ｗ）、３６はフィン−周囲間熱抵抗Ｒ３（℃／Ｗ）である。冷却器はＲ３を小さくする効果がある。

図４は、本発明の題２実施例を示す構成図であり、複数の冷却器を第１ファンと第２ファンで構成、温度検出器をサーミスタで構成している。図５はオーバヒート保護のフローチャートである。
図４において、１は電力変換回路、２は制御回路が搭載されたプリント配線板、５はフィンに取り付けられた温度検出器、７はプリント配線板に搭載されたＣＰＵ，９は冷却器である第１ファン、１０は冷却器である第２ファン、２２は制御回路部の発熱部である。
ステップＳＴ１は制御サンプリングによる定時割込みである。
ステップＳＴ２でＡＤコンバータからサーミスタが検出した温度信号を読込む。
次にステップＳＴ３でモータ制御演算に使用したトルク指令を読込む。
ステップＳＴ４でトルク指令から図６のテーブルを参照して電力変換回路の損失値を生成する。
ステップＳＴ５で電力変換回路の損失を熱等価回路に入力して電力変換回路のＩＧＢＴのジャンクション温度の情承知を推定し、フィンの温度に加算してジャンクション温度を推定する。
また、あらかじめ、第１温度、第２温度、第３温度、第４温度の４レベルの規定温度を準備しておき、電力変換回路のジャンクション温度推定値と比較する。
ステップＳＴ６で、推定温度が第１温度よりも低い場合は第１ファン、第２ファンともにオフして終了する。
ステップＳＴ７では推定温度が第１温度よりも高く第２温度よりも低い場合を判別し、第１ファンは、前のサンプリング時間で決定した値を維持し、第２ファンは、オフする。
ステップＳＴ８では、推定温度が第２温度よりも高く第３温度よりも低い場合を判別し、第１ファンをオン、第２ファンを前のサンプリング時間で決定した状態を維持する。
ステップＳＴ１０では、推定温度が第３温度よりも高く、第４温度よりも低い場合を判別し、第１ファン、第２ファンともにオンする。
ステップＳＴ１２では推定温度が第４温度よりも高い場合を判別し、第１ファン、第２ファンをオンするとともにオーバヒート信号を生成して外部にアラーム信号を出力する。
図７はこれら判定に使用した条件を表にまとめたものである。
図８は制御回路損失２０Ｗで電力変換回路損失を１００Ｗを加えたときのタイムチャートである。条件は第１温度を９０℃、第２温度を１００℃、第３温度を１１０℃、第４温度を１２０℃に選定し、過渡熱等価回路の条件は従来例のシミュレーションと同じ条件である。つまり、ジャンクション−ダイ間熱抵抗を０．１℃／Ｗ、ダイ−ケース（フィン）間熱抵抗を０．２℃／Ｗ、フィン−周囲間熱抵抗をファンが非動作の時で３℃／Ｗ、ファンが動作している時で１℃／Ｗ、ダイの熱容量を１Ｊｏｕｌｅ／℃、フィンの熱容量を１０００００Ｊｏｕｌｅ／℃、温度検出からファン動作までの遅れ時間を０．５ｓｅｃ、制御回路の損失が２０Ｗとしている。異なるのは電力変換回路動作時の損失を４０Ｗから１００Ｗにアップしていることである。第１ファンは動作したまま、第２ファンがオン・オフを繰り返している。オン・オフの繰り返し頻度は２分に１回程度であり、従来例に比較して１／２０に低下している。また、ファンを駆動することによるジャンクション温度のΔＴｊも１０℃以下であり、パワーサイクルに関する寿命にはほとんど影響しないレベルである。
図９は本発明の第３の実施例を示したものであり、ファンの数がｎ個に増加させ、温度範囲もｎ＋２に増加させている。基本的には第２実施例と同じである。
図１０は本発明の第４の実施例を示したものであり、温度検出器を制御回路のプリント配線板に取り付け、モータ制御装置の内気温度を検出し、あらかじめ測定して求めた図１１の過渡熱等価回路を使用して、電力変換回路の内部の温度上昇値を推定し、内気温度に加算して内部温度を推定し、冷却器を制御している。
図１１の過渡熱等価回路は図３の熱等価回路に熱容量を追加したものであり、３７はダイの熱容量、３８はフィンの熱容量である。
サンプリング時間中の電力変換回路のジャンクション温度上昇は、ジャンクション−ダイ間熱抵抗をＲ１、ダイ−ケース（フィン）間熱抵抗をＲ２、ケース−周囲間熱抵抗をＲ３、ダイ熱容量をＣ１、フィン熱容量をＣ２、発生するロスＰ（Ｗ）とすれば、近似的に（１）式で表すことができ、等価回路を用いなくとも計算式に代入するだけでもとめることができる。
θ＝ＰＲ₁＋θ₁＋θ₂ （１）
ここでθは温度上昇値である。ｔ１、ｔ２、θ１、θ２は次式で表すことができる。
ｔ₁＝２Ｃ₁Ｃ₂Ｒ₂Ｒ₃
／（Ｃ₁（Ｒ₂＋Ｒ₃）＋Ｃ₂Ｒ₂＋√（Ｃ₁ ²（Ｒ₂＋Ｒ₃）²）ー４Ｃ₁Ｃ₂Ｒ₂Ｒ₃）
（２）
ｔ₂＝２Ｃ₁Ｃ₂Ｒ₂Ｒ₃
／（Ｃ₁（Ｒ₂＋Ｒ₃）＋Ｃ₂Ｒ₂−√（Ｃ₁ ²（Ｒ₂＋Ｒ₃）²）ー４Ｃ₁Ｃ₂Ｒ₂Ｒ₃）
（３）
θ₁＝θ₁₀＊ｅｘｐ（−ｔ_s／ｔ₁）＋
Ｐ（１−ｅｘｐ（−ｔ_s／ｔ₁））（Ｃ₂Ｒ₂Ｒ₃−（Ｒ₂＋Ｒ₃）ｔ₁）／（ｔ₂−ｔ₁）
（４）
θ₂＝θ₂₀ｅｘｐ（−ｔ_s／ｔ₂）＋
Ｐ（１−ｅｘｐ（−ｔ_s／ｔ₂））（Ｃ₂Ｒ₂Ｒ₃−（Ｒ₂＋Ｒ₃）ｔ₂）／（ｔ₁−ｔ₂）
（５）
ここで、さらにθ₁₀、θ₂₀は１サンプリング前の温度上昇値である。

温度過熱による破壊、もしくは装置の停止を防ぐことにより、安全かつ連続使用することができるので、ロボット、工作機械、産業機械などのモータ制御の用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示すブロック図本発明の実施例での温度タイムチャート熱等価回路本発明の第２実施例を示す構成図本発明の第２実施例のオーバヒートを防ぐフローチャートトルク指令から電力変換回路の損失を引くメモリテーブル冷却器の状態を制御する表第２実施例のタイムチャート第３実施例の構成図第４実施例の構成図過渡熱等価回路従来例の構成図従来例のタイムチャート

符号の説明

１電力変換回路
２制御回路
３インバータ回路
４整流回路
５温度検出器
６ＡＤ変換器
７ＣＰＵ
８ファン制御回路
９第１ファン
１０第２ファン
１１制御電源
２１フィン
３０熱源
３１ジャンクション温度
３２ダイ温度
３３フィン温度
３４ジャンクション−ダイ間熱抵抗
３５ダイ−ケース（フィン）間熱抵抗
３６ケース（フィン）−周囲間熱抵抗
３７ダイ熱容量
３８フィン熱容量

Claims

制御回路と電力変換回路からなるモータ制御装置の制御方法において、
前記電力変換回路が搭載されるフィン温度を検出する温度検出器と複数の冷却器を付加し、
制御サンプリング時間ごとに制御回路損失値とトルク指令から電力変換回路の損失値を算定し、
前記電力変換回路の損失値を熱等価回路に入力して電力変換回路の内部温度上昇値を推定し、
前記フィン温度と前記温度上昇値を加算して前記電力変換回路の内部温度を推定し、
前記推定内部温度があらかじめ設定した複数の温度規格範囲に応じて、前記複数の冷却器を選択し、動作させることを特徴とするモータ制御方法。
前記冷却器はファンであり、第１ファンと第２ファンで構成され、
あらかじめ、第１温度＜第２温度＜第３温度＜第４温度なる温度を設定し、
前記推定内部温度が第１温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオフにし、
前記推定内部温度が第１温度よりも高く、第２温度よりも低い時は、前記第１ファンを前のサンプリング時間に決定された状態を維持し、第２ファンはオフとし、
前記推定内部温度が第２温度よりも高く第３温度よりも低い時は、第１ファンはオンにし、第２ファンは前のサンプリング時間で決定された状態を維持し、
前記推定内部温度が第３温度よりも高く、第４温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオンにし、
前記推定内部温度が第４温度よりも高いときは、電力変換回路のスイッチング素子をすべてオフにしてシャットダウンし、外部にオーバヒートのアラーム信号を出力することを特徴とする請求項１記載のモータ制御方法。
前記冷却器はｎ個のファンであり、温度範囲を第１温度から第ｎ＋２温度に分類し請求項２と同様なファン設定を行うことを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御方法。
前記温度検出器はサーミスタであり、サーミスタの出力信号をＡＤコンバータでディジタル量に変換してＣＰＵに取り込むことを特徴とする請求項１記載のモータ制御方法。
前記温度検出器を制御回路のプリント配線板に取り付け、モータ制御装置の内気温度を検出し、あらかじめ測定して求めた過渡熱等価回路を使用した計算式を用いて、電力変換回路の内部の温度上昇値を推定し、前記内気温度に加算して内部温度を推定し、前記冷却器を駆動することを特徴とする請求項１記載のモータ制御方法。
制御回路と電力変換回路からなるモータ制御装置において、
前記電力変換回路が搭載されるフィン温度を検出する温度検出器と複数の冷却器を備え、
制御サンプリング時間ごとに制御回路損失値とトルク指令から電力変換回路の損失値を算定する損失値算定手段と、
前記電力変換回路の損失値を熱等価回路に入力して電力変換回路の内部温度上昇値を推定する内部温度上昇値推定手段と、
前記フィン温度と前記温度上昇値を加算して前記電力変換回路の内部温度を推定し、前記推定内部温度があらかじめ設定した複数の温度規格範囲に応じて、前記複数の冷却器を選択し、動作させる手段とを備えたことを特徴とするモータ制御装置。
前記冷却器をファンとして第１ファンと第２ファンを備え、
あらかじめ、第１温度＜第２温度＜第３温度＜第４温度なる温度を設定し、前記推定内部温度が第１温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオフにし、前記推定内部温度が第１温度よりも高く、第２温度よりも低い時は、前記第１ファンを前のサンプリング時間に決定された状態を維持し、第２ファンはオフとし、前記推定内部温度が第２温度よりも高く第３温度よりも低い時は、第１ファンはオンにし、第２ファンは前のサンプリング時間で決定された状態を維持し、前記推定内部温度が第３温度よりも高く、第４温度よりも低い時は、第１ファン、第２ファンともにオンにし、前記推定内部温度が第４温度よりも高いときは、電力変換回路のスイッチング素子をすべてオフにしてシャットダウンし、外部にオーバヒートのアラーム信号を出力する手段からなることを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
前記冷却器はｎ個のファンであり、温度範囲を第１温度から第ｎ＋２温度に分類し請求項７と同様なファン設定を行う手段からなることを特徴とする請求項６または７記載のモータ制御装置。