JP2016187250A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で電動機の磁石温度を推定できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電動機制御装置１０は、トルク指令値Ｔ＊、回転速度ω、および磁石温度推定値ｔｅｓｔに対応して電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊が予め定められた多次元マップを用いて、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊を出力する電流指令生成部１１と、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊をインバータ回路４に出力する電流制御部１３と、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊または電流検出値ｉｄおよびｉｑ、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊、並びに回転速度ωに基づいてトルク推定値Ｔｅｓｔを出力するトルク推定部２０と、トルク指令値Ｔ＊とトルク推定値Ｔｅｓｔとの差分であるトルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値を累積加算することによって磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力する磁石温度推定部３０とを備えている。【選択図】 図４

Description

この発明は、永久磁石を用いた電動機の電動機制御装置に関する。

永久磁石を有するモータにおいて高負荷運転を継続する場合、モータの温度上昇により永久磁石が過熱される。永久磁石の磁石温度が過度に上昇すると、永久磁石の磁力が不可逆的に減少し、磁石温度が常温に戻っても、磁力が元に戻らない。このため、同一電流を通流した場合に電動機から得られるトルクが、磁力が元に戻らなかった分だけ減少してしまう。このような事態をさけるため、モータの温度上昇による過熱から永久磁石が保護される必要がある。

永久磁石を過熱から保護する方法には、磁石温度を検知して加熱時には運転負荷を緩めたり冷却器を作動させたりして運転制御する方法がある。
さらに、磁石温度を検知する方法は、温度センサまたは磁石温度に応じて変動する磁束を検出するセンサを別途設置して磁石温度を検知するものと、モータの運転時の電流や電圧などから磁石温度を推定するものとに大別される。

従来の磁石温度を推定するものとしては、電動機の電流検出値から算出されるトルクと、電動機に与えられる電力および回転速度に基づいて算出されるトルクとから、磁石温度の変動に起因するトルク変動を算出し、予め定められたトルク変動および磁石温度の関係を用いて磁石温度を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、電動機モデルに基づいて磁石温度を推定する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００９−２６１１８２号公報 特開２００６−２６２５９８号公報

特許文献１に開示される技術では、磁石温度変動に起因するトルク変動および磁石温度の関係から磁石温度を推定している。しかしながら、磁石温度の変化に応じて変化する磁石トルクと磁石温度の変化に応じて変化しないリラクタンストルクとの比率が異なる電動機の場合には、前記のトルク変動および磁石温度の関係が個々の電動機によって異なる。このため、正確な磁石温度推定を行うには、電動機の種類毎にトルク変動および磁石温度の関係を用意する必要があり、簡易な構成で磁石温度を推定できない課題があった。

また、特許文献２に開示される技術では、電動機モデルに基づいて磁石温度を推定する場合に、予め設定された電動機特性のマップ（例えば、基準温度における回転速度およびトルク指令に対する電圧指令値のマップ、または電流検出値に対する磁束特性マップ）に加えて、基準温度を取得する温度検知手段が必要であったため、簡素な構成で精度よく磁石温度を推定できないという課題があった。

この発明の目的は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で磁石温度を推定できる電動機制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電動機制御装置は、電動機のトルク指令値、電動機の回転速度、および電動機の磁石温度の推定値である磁石温度推定値に対応して電流指令値が予め定められた多次元マップを用いて、電流指令値を出力する電流指令生成部と、インバータ回路から電動機に供給される電流の検出値である電流検出値を電流指令値に近づける電圧指令値をインバータ回路に出力する電流制御部と、電流指令値または電流検出値、電圧指令値、および回転速度に基づいてトルク推定値を出力するトルク推定部と、トルク指令値とトルク推定値との差分であるトルク誤差にトルク指令値の符号を乗算した値を累積加算することによって、磁石温度推定値を出力する磁石温度推定部とを備えたものである。

上記のように構成された電動機制御装置は、磁石温度推定部が、トルク指令値とトルク推定値に基づいて磁石温度推定値を算出し、磁石温度推定値を電流指令生成部にフィードバックするため、簡易な構成で磁石温度を推定できる。

この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置を備える電動機システムのハードウエア構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置を備える電動機システムの電動機上半面の側断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置を備える電動機システムのインバータ回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置を備える電動機システムの制御構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置における電流指令生成部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置におけるトルク推定部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置における磁石温度推定部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。 この発明の実施の形態２に係る電動機制御装置を備える電動機システムの制御構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る電動機制御装置におけるトルク抑制部の設定例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る電動機制御装置における時間とトルク指令値および磁石温度推定値との関係図である。 この発明の実施の形態２に係る電動機制御装置における時間とトルク指令値および磁石温度推定値との関係図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る電動機制御装置を備える電動機システムのハードウエア構成を示す図である。
図１において、電動機システム２００は、上位のコントローラ１０２と、電動機制御装置１０と、電動機１と、位置検出器２と、電流検出器３と、インバータ回路４とを備える。
電動機制御装置１０は、ハードウエアとして、プロセッサ１００と、記憶装置１０１と、を備える。

記憶装置１０１は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、記憶装置１０１は、不揮発性の補助記憶装置の代わりにハードディスク等の補助記憶装置を具備してもよい。

プロセッサ１００は、記憶装置１０１から入力されたプログラムを実行する。記憶装置１０１が補助記憶装置と揮発性記憶装置とを具備するため、プロセッサ１００に、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果等のデータを記憶装置１０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に前記データを保存してもよい。
図１におけるハードウエアの構成要素間におけるデータ等の入出力については、後述する。

図２は、本実施の形態１に係る電動機制御装置を備える電動機システムの電動機の上半面の側断面図である。図２において、電動機１は、円環状の固定子１３１と、固定子１３１の内側に配置され、固定子１３１に対して回転可能な回転子１３０とを備えている。

固定子１３１は、固定子鉄心１３２および固定子鉄心１３２に巻回された巻線１３３を有し、固定子鉄心１３２の外周がフレーム１１０に固定されている。固定子鉄心１３２は、所定の形状に成形された複数枚の磁性鋼板が回転子１３０の中心軸方向に積層一体化されて構成されている。また、固定子鉄心１３２は、円筒状のコアバックおよびコアバックの内周面から回転子１３０の中心軸に垂直な方向である径方向に突出し、周方向に等角ピッチで配置された複数個のティースを備えている。図２において、ティースおよびコアバックは省略されている。固定子１３１は、ティースに巻回され三相電流が流れる巻線１３３を有するが、図２では詳細の巻線分布は省略されている。

回転子１３０は、起磁力発生源としての磁石１３４、回転子鉄心１３５、および回転軸１３８を有している。また、回転子１３０は、回転軸１３８の中心軸方向両端に取り付けられたベアリング１３９を介して、フレーム１１０の中心軸方向両端に取り付けられたブラケット１１１およびブラケット１１２に、回転自在に取り付けられている。回転子鉄心１３５は、回転軸１３８の外周に固定されている。さらに、回転子鉄心１３５は、固定子鉄心１３２に対向させて配置されている。磁石１３４は、回転子鉄心１３５に形成された穴に挿入されている。また、複数の磁石１３４が、回転軸１３８に対して周方向に配置されて交互に異なる極性を有する磁極を形成している。位置検出器２は、電動機１の回転軸子１３８に設置されており、回転子１３０の角度θを検出する。

なお、電動機１は、回転機に限らず、回転子の代わりに可動子を有する直動機であってもよい。この場合、磁石は、固定子または可動子のどちらに設けられていてもよい。また、位置検出器２は、電動機１の可動子に設置され、可動子の直動方向の位置をθとして検出する。

図３は、本実施の形態に係る電動機制御装置を備える電動機システムのインバータ回路の構成を示す図である。図３には、本実施例のインバータ回路４の具体的な構成例が示されている。インバータ回路４は、三相ブリッジ回路１４０およびドライバ回路１４１を具備する。三相ブリッジ回路１４０には、バッテリ等の電源１５２から直流電力が供給されている。三相ブリッジ回路１４０は、図３に示すように、６個のスイッチング素子１４２〜１４７を有する。

ドライバ回路１４１は、三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に相当する電圧に応じてスイッチング素子１４２〜１４７をスイッチングさせる波形からなるスイッチング信号を、スイッチング素子１４２〜１４７に送る。

三相ブリッジ回路１４０は、それぞれ、例えばＭＯＳＦＥＴのような６個のスイッチング素子１４２〜１４７を用いたブリッジで構成されている。三相ブリッジ回路では、スイッチング素子１４２、１４５が直列接続され、スイッチング素子１４３、１４６が直列接続され、スイッチング素子１４４、１４７が直列接続されて、さらにこれらの３組のスイッチング素子が並列に接続されている。

また、下側の３つのスイッチング素子１４５、１４６、１４７のＧＮＤ１５４（グランド）側には、図示していないがそれぞれシャント抵抗が電流検出器３として１つずつ接続されていてもよい。これらのシャント抵抗は、三相ブリッジ回路１４０から電動機１に流れる三相電流の検出に用いられる。なお、シャント抵抗は、３個の例を示したが、２個のシャント抵抗であってもよいし、１個のシャント抵抗であっても電流検出は可能であり、そのような構成であってもよい。

また、電流検出器３として１個のシャント抵抗が用いられる場合において、図示していないが、電流検出器３は、位相同期回路であるＰＬＬ等によって電流位相を検出し、三相電流が概ね平衡しているという仮定に基づいて、三相電流を推定する。

三相電流は、スイッチング素子１４２とスイッチング素子１４５との間からバスバー等を通じて電動機１の巻線１３３におけるＵ相端子１５１−１へ、スイッチング素子１４３とスイッチング素子１４６との間からバスバー等を通じて電動機１の巻線１３３におけるＶ相端子１５１−２へ、スイッチング素子１４４とスイッチング素子１４７との間からバスバー等を通じて電動機１の巻線１３３におけるＷ相端子１５１−３へそれぞれ流れて電動機１に供給される。

また、これらのバスバー等には、カレントトランス等を１つずつ設置してもよい。これらのカレントトランス等は、三相ブリッジ回路１４０から電動機１に流れる三相電流の検出に用いられる。最も好適な実施の形態として、図１には、３個のカレントトランスと周辺アンプ回路から構成される電流検出器３を示している。
なお、カレントトランスは２個でもよい。この場合、電流検出器３は、三相電流の和がゼロであることを用いて残りの１相の電流値を得る。
また、カレントトランスは１個でもよい。この場合、電流検出器３は、前述と同様に電流位相検出と三相電流が概ね平衡しているとの仮定とから、三相電流を得る。
あるいは、コスト的な観点から、カレントトランスに代えて、バスバー等に直列にシャント抵抗を接続してもよい。

図４は、本実施の形態に係る電動機制御装置を備える電動機システムの制御構成を示す図である。電動機制御装置１０は、電流指令生成部１１と、電流制御部１３と、トルク推定部２０と、磁石温度推定部３０と、速度検出部１２と、ＵＶＷ／ｄｑ座標変換部１４と、ｄｑ／ＵＶＷ座標変換部１５とを備えている。電動機制御装置１０は、電動機１に設置された位置検出器２で検出される角度θの情報と、インバータ回路４から電動機１に供給され電流検出器３で検出された三相電流の検出値である三相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの情報とを取得する。電動機制御装置１０は、これらの情報に基づいて、外部の上位のコントローラ１０２から入力されたトルク指令値Ｔ＊に従って電動機１にトルクを出力させる制御をインバータ回路４に対して行って、電動機１を駆動する。詳細は後述するが、電動機制御装置１０は、電動機１が有する磁石１３４の磁石温度の推定値である磁石温度推定値ｔｅｓｔを上位のコントローラ１０２に出力する。

ＵＶＷ／ｄｑ座標変換部１４は、周知の座標変換の手法を用いて、電流検出器３で検出された三相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、ｄ軸電流検出値ｉｄおよびｑ軸電流検出値ｉｑの電流検出値に変換する。

電流制御部１３は、加算減算器１６ａ、１６ｂと、ＰＩ制御部１３ａ、１３ｂとを有する。電流制御部１３は、電流指令生成部１１から出力される電流指令値であるｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊と、電流検出値であるｄ軸電流検出値ｉｄおよびｑ軸電流検出値ｉｑとが一致するようＰＩ制御を行い、電圧指令値であるｄ軸電圧指令値ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を生成する。すなわち、電流制御部１３は、電流検出値ｉｄおよびｉｑを電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊に近づける電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊をインバータ回路４に出力する。具体的には、加算減算器１６ａおよび１６ｂは、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊と、電流検出値ｉｄおよびｉｑとの偏差を取って、電流偏差であるｄ軸電流偏差ｉｄ＊−ｉｄおよびｑ軸電流偏差ｉｑ＊−ｉｑを生成する。ＰＩ制御部１３ａ、１３ｂは、電流偏差ｉｄ＊−ｉｄおよびｉｑ＊−ｉｑに基づいて、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊をそれぞれ生成する。ＰＩ制御部１３ａ、１３ｂにおける計算例を式（１）、（２）に示す。ここで、ＫｐｄおよびＫｐｑはそれぞれｄ軸比例ゲインおよびｑ軸比例ゲイン、ＫｉｄおよびＫｉｑはそれぞれｄ軸積分ゲインおよびｑ軸積分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。

ｖｄ＊＝（Ｋｐｄ＋Ｋｉｄ／ｓ）（ｉｄ＊−ｉｄ） （１）
ｖｑ＊＝（Ｋｐｑ＋Ｋｉｑ／ｓ）（ｉｑ＊−ｉｑ） （２）

ｄｑ／ＵＶＷ座標変換部１５は、電動機１の回転子の角度θに基づいて、周知の座標変換の手法を用いて、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊を三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換する。

そして、電動機制御装置１０は、三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に基づいて、インバータ回路４を駆動する。

速度検出部１２は、位置検出器２で検出された角度θを時間微分することによって回転速度ωを検出する。

トルク推定部２０は、電流検出値ｉｄおよびｉｑ、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊、並びに速度検出部１２で検出される回転速度ωに基づいて、トルク推定値Ｔｅｓｔを生成する。

磁石温度推定部３０は、トルク指令値Ｔ＊とトルク推定値Ｔｅｓｔとに基づいて、磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力する。磁石温度推定値ｔｅｓｔは、電流指令生成部１１および上位のコントローラ１０２にフィードバックされる。

また、図４における電流指令生成部１１と、電流制御部１３と、トルク推定部２０と、磁石温度推定部３０と、速度検出部１２と、ＵＶＷ／ｄｑ座標変換部１４と、ｄｑ／ＵＶＷ座標変換部１５とは、記憶装置１０１に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ１００、または図示していないシステムＬＳＩ等の処理回路により実現される。また、複数のプロセッサ１００および複数の記憶装置１０１が連携して上記機能を実行してもよいし、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。また、複数のプロセッサ１００および複数の記憶装置１０１と、複数の処理回路との組み合わせにより連携して上記機能を実行してもよい。

図５は、本実施の形態に係る電動機制御装置における電流指令生成部の構成例を示す図である。電流指令生成部１１は、トルク指令値Ｔ＊と、回転速度ωと、後述する磁石温度推定部３０が推定した電動機１の磁石１３４の磁石温度の推定値である磁石温度推定値ｔｅｓｔとに対応して、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊が予め定められた多次元マップを用いて、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊を出力する。図５に示すように、複数の磁石温度（図５の例では、ｔｅｓｔ＝−４０℃、２０℃、８０℃の場合）においてトルク指令値Ｔ＊および回転速度ωに対応する電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊の多次元マップが予め設定される。これらの多次元マップでは、磁石の減磁が発生してもトルク指令値Ｔ＊どおりにトルクが出力されるように、高温になるにつれて大きくなるｑ軸電流指令値ｉｑ＊が設定される。

図６は、本実施の形態に係る電動機制御装置におけるトルク推定部の構成を示す図である。トルク推定部２０は、入力電力演算部２１と、損失演算部２２と、加算減算器２３と、乗算除算器２４とを有する。

入力電力演算部２１は、電流検出値ｉｄおよびｉｑと、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊との内積によって、電動機１に入力される入力電力Ｐａｃを演算する。

損失演算部２２は、電流検出値ｉｄおよびｉｑと回転速度ωとに基づいて、電動機１における損失Ｐｌｏｓｓを演算する。例えば、銅損は、電流検出値ｉｄおよびｉｑに基づいて算出される。鉄損は、電流検出値ｉｄおよびｉｑと回転速度ωとに基づいて算出される。機械損は、回転速度ωに基づいて算出される。

また、図４および図６には記載されていないが、トルク推定部２０および損失演算部２２の入力にトルク指令Ｔ＊を加えることで、損失演算部２２は、トルク指令値Ｔ＊および回転速度ωに対応して予め定められた銅損以外の損失（例えば鉄損と機械損の和）のマップを用いて、損失Ｐｌｏｓｓを算出してもよい。また、図４および図６におけるトルク推定部２０は、電流検出値ｉｄおよびｉｑを入力として演算を行っているが、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊を入力として演算を行ってもよい。

加算減算器２３は、入力電力演算部２１で演算された入力電力Ｐａｃから損失演算部２２で算出された損失Ｐｌｏｓｓを差し引く。
乗算除算器２４は、加算減算器２３で出力された結果を回転速度ωで除算する。
この結果、トルク推定値Ｔｅｓｔは、入力電力演算部２１で算出された入力電力Ｐａｃ、損失演算部２２で算出された損失Ｐｌｏｓｓ、および回転速度ωに基づいて、式（３）のように算出される。

Ｔｅｓｔ＝（Ｐａｃ−Ｐｌｏｓｓ）／ω （３）

図７は、本実施の形態に係る電動機制御装置における磁石温度推定部の構成を示す図である。磁石温度推定部３０は、符号設定部３１と、積分器３２と、基準温度設定部３３と、ローパスフィルタ３４と、時定数設定部３５と、加算減算器３６ａ、加算器３６ｂとを有する。

符号設定部３１は、加算減算器３６ａでトルク指令値Ｔ＊からトルク推定値Ｔｅｓｔが差し引かれたトルク誤差Ｔｅｒｒと、トルク指令値Ｔ＊とに基づいて、トルク指令値Ｔ＊が正の場合には、符号を変えずにトルク誤差Ｔｅｒｒを出力し、トルク指令値Ｔ＊が負の場合には、符号を反転させたトルク誤差−Ｔｅｒｒを出力する。すなわち、符号設定部３１は、トルク指令値Ｔ＊とトルク推定値Ｔｅｓｔとの差分であるトルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値を出力する。

積分器３２は、予め定められた比例係数ＫＩを、符号設定部３１の出力であるトルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値に乗算して、時間積分することによって累積加算する。

加算器３６ｂは、積分器３２で累積加算された結果に、基準温度設定部３３で設定される値である磁石温度の基準温度ｔｉｎｉｔが加算された磁石温度算出値を出力する。磁石温度の基準温度ｔｉｎｉｔには、電動機１の周囲の環境温度が予め設定される。

最後に、ローパスフィルタ３４は、時定数設定部３５で設定された時定数の波形を出力するフィルタを、加算器３６ｂで出力された磁石温度算出値にかけて、磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力する。このとき、ローパスフィルタ３４の時定数は、時定数設定部３５で可変に設定される。

なお、図４および図７には記載されていないが、磁石温度推定部３０および時定数設定部３５の入力に回転速度ωを加え、時定数設定部３５が、ローパスフィルタ３４の時定数を回転速度ωに対応させて可変に設定してもよい。例えば、トルク推定値Ｔｅｓｔが安定して出力される低速回転時には時定数を小さくし、トルク推定値Ｔｅｓｔが脈動しやすい高速回転時には時定数を大きく設定することにより、各回転数において最も速い応答で磁石温度を推定することができる。
また、時定数設定部３５は、回転速度ωに対応して予め定められたローパスフィルタ３４の時定数マップを用いて、ローパスフィルタ３４の時定数を設定してもよい。

このように構成される電動機の制御装置の動作について説明する。
図８は、本実施の形態に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。図８の横軸は、ともに時間を表し、図８の縦軸は、それぞれ上段がトルク推定値Ｔｅｓｔ、下段が磁石温度推定値ｔｅｓｔを表す。図８は、磁石温度が基準温度ｔｉｎｉｔからΔｔだけ上昇した温度ｔｎｏｗの状態において、正のトルク指令値Ｔ＊をステップ入力した場合におけるトルク推定値Ｔｅｓｔと磁石温度推定値ｔｅｓｔとの動作例を示している。

図８の上段において、トルク指令値Ｔ＊のステップ入力直後において、磁石温度の変動量Δｔに起因するトルクの誤差ΔＴだけ、トルク指令値Ｔ＊に対してトルク推定値Ｔｅｓｔが小さくなる。磁石温度推定部３０では、この正のトルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の正の符号を乗算した値が積分器３２で累積加算される。加算器３６ｂでは、この累積加算された結果に基準温度ｔｉｎｉｔが加算されて磁石温度推定値ｔｅｓｔが出力される。この結果、磁石温度推定値ｔｅｓｔは、時間の経過とともに大きくなる。そして、磁石温度推定値ｔｅｓｔがフィードバックされる電流指令生成部１１において、高温時の磁石温度に対応した電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊が生成されるため、トルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値の大きさは、次第に小さくなる。トルク指令値Ｔ＊とトルク推定値Ｔｅｓｔとが一致したとき、図８の下段に示すように、磁石温度推定値ｔｅｓｔは現在の磁石温度ｔｎｏｗに一致する。

図９は、本実施の形態に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。図９の横軸は、ともに時間を表し、図９の縦軸は、それぞれ上段がトルク推定値Ｔｅｓｔ、下段が磁石温度推定値ｔｅｓｔを表す。図９は、図８と同様に、磁石温度が基準温度ｔｉｎｉｔからΔｔだけ上昇した温度ｔｎｏｗの状態において、負のトルク指令値Ｔ＊をステップ入力した場合のトルク推定値Ｔｅｓｔと磁石温度推定値ｔｅｓｔとの動作例を示している。

図９の上段において、磁石温度の変動に起因するトルク誤差Ｔｅｒｒの正負が、図８の上段の場合と反転する。このため、磁石温度推定３０の符号設定部３１は、トルク誤差Ｔｅｒｒの正負を反転させる。この動作によって、図９の下段では、図８の下段の場合と同様に、負のトルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値が磁石温度推定部３０における積分器３２で累積加算される。加算器３６ｂでは、この累積加算された結果に基準温度ｔｉｎｉｔが加算されて磁石温度推定値ｔｅｓｔが出力される。この結果、磁石温度推定値ｔｅｓｔが時間の経過とともに大きくなる。そして、図９の上段では、図８の上段の場合と同様に、電流指令生成部１１に磁石温度推定値ｔｅｓｔがフィードバックされるため、トルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値の大きさは次第に小さくなり、トルク指令値Ｔ＊とトルク推定値Ｔｅｓｔとが一致する。このとき、図９の下段に示すように、磁石温度推定値ｔｅｓｔが、現在の磁石温度ｔｎｏｗに一致する。このため、磁石温度推定とトルク変動の抑制とが可能となる。

したがって、本実施の形態に係る電動機制御装置１０は、トルク指令値Ｔ＊、回転速度ω、および磁石温度推定値ｔｅｓｔに対応して電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊が予め定められた多次元マップを用いて、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊を出力する電流指令生成部１１と、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊をインバータ回路４に出力する電流制御部１３と、電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊または電流検出値ｉｄおよびｉｑ、電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊、並びに回転速度ωに基づいてトルク推定値Ｔｅｓｔを出力するトルク推定部２０と、トルク指令値Ｔ＊とトルク推定値Ｔｅｓｔとの差分であるトルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値を累積加算することによって、磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力する磁石温度推定部３０とを備えている。

この構成によって、磁石温度推定部３０が、トルク指令値Ｔ＊とトルク推定値Ｔｅｓｔに基づいて磁石温度推定値ｔｅｓｔを算出し、磁石温度推定値ｔｅｓｔを電流指令生成部１１にフィードバックするため、簡易な構成で磁石温度を推定できる。また、磁石温度の変動に起因するトルク変動を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る電動機制御装置１０のおける磁石温度推定部３０は、トルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値が累積加算された値を磁石温度の基準温度ｔｉｎｉｔに加算することによって磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力する。

この構成によって、上述と同様の効果に加えて、簡易な構成で、現在の磁石温度ｔｎｏｗを推定することができる。

また、本実施の形態に係る電動機制御装置１０のおける磁石温度推定部３０は、トルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値が累積加算された値と、予め定められた時定数とに基づいて、磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力するローパスフィルタ３４を有し、時定数は、回転速度ωに対応して時定数が予め定められた時定数マップを用いて設定される。

この構成によって、上述と同様の効果に加えて、各回転数において最も速い応答で磁石温度を推定することができる。

なお、電流指令生成部１１の多次元マップにおいて、実際の運転で想定される複数の磁石温度に対して、効率最大となる電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊が予め設定されることにより、トルク変動を抑制しながら効率最大で電動機１を駆動することができる。

また、電動機制御装置１０の他の動作例について説明する。
図１０は、本実施の形態に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。図１０の横軸は、ともに時間を表し、図１０の縦軸は、それぞれ上段がトルク推定値Ｔｅｓｔ、下段が磁石温度推定値ｔｅｓｔを表す。図１０は、磁石温度が基準温度ｔｉｎｉｔからΔｔだけ上昇した温度ｔｎｏｗの状態において、正のトルク指令値Ｔ＊をゼロに変更した場合のトルク推定値Ｔｅｓｔと磁石温度推定値との動作例を示している。

図１０の上段において、トルク指令値Ｔ＊がゼロの場合には、磁石温度の変動に起因するトルク変動が発生しないため、磁石温度を推定することができない。そこで、図１０の動作例では、トルク指令値Ｔ＊の絶対値が予め定められた値（例えば、電動機１の定格トルクの１％）より小さい場合には、磁石温度推定部３０における積分器３２が出力する値を、トルク指令値Ｔ＊がゼロになる直前の磁石温度推定値ｔｅｓｔの値であるｔｎｏｗでホールドする。この結果、磁石温度推定値ｔｅｓｔは、トルク指令値Ｔ＊がゼロになる直前の値で維持されている。例えば、磁石温度の時定数が大きい電動機１に対しては、トルク指令値Ｔ＊をゼロにした場合でも、磁石温度の減少量が小さい。したがって、磁石温度推定値ｔｅｓｔは、トルク指令値Ｔ＊が予め定められた値以下となる直前の磁石温度推定値ｔｅｓｔである磁石温度ｔｎｏｗであってもよい。

したがって、本実施の形態に係る電動機制御装置１０のおける磁石温度推定部３０は、トルク指令値Ｔ＊の大きさが予め定められた値以下の場合には、磁石温度推定値ｔｅｓｔとして予め定められた温度を出力し、トルク指令値Ｔ＊の大きさが予め定められた値より大きい場合には、トルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値を累積加算することによって、磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力する。

この構成によって、上述と同様の効果に加えて、磁石温度の変動に起因するトルク変動が発生しない状態においても適切な磁石温度を推定することができる。

また、本実施の形態に係る電動機制御装置１０において、トルク指令値Ｔ＊の大きさが予め定められた値以下の場合に、磁石温度推定値ｔｅｓｔとして出力された予め定められた温度は、トルク指令値Ｔ＊が予め定められた値以下となる直前の磁石温度推定値ｔｅｓｔである。

この構成によって、上述と同様の効果に加えて、磁石温度推定値ｔｅｓｔを、トルク指令値Ｔ＊がゼロになる直前の値で維持することができ、磁石温度の変動に起因するトルク変動が発生しない状態においても適切な磁石温度を推定することができる。

図１１は、本実施の形態に係る電動機制御装置における時間とトルク推定値および磁石温度推定値との関係図である。図１１の横軸は、ともに時間を表し、図１１の縦軸は、それぞれ上段がトルク推定値Ｔｅｓｔ、下段が磁石温度推定値ｔｅｓｔを表す。図１１は、図１０の下段と同様に、磁石温度が基準温度ｔｉｎｉｔからΔｔだけ上昇した温度ｔｎｏｗの状態において、正のトルク指令値Ｔ＊をゼロに変更した場合のトルク推定値Ｔｅｓｔと磁石温度推定値ｔｅｓｔとの動作例を示している。

図１１の上段において、トルク指令値Ｔ＊の大きさが予め定められた値（例えば、電動機１の定格トルクの１％）より小さい場合には、磁石温度推定部３０における積分器３２は、出力値をリセットし、ゼロの値を出力する。磁石温度推定部３０における加算器３６ｂは、積分器３２のゼロの出力値に基準温度ｔｉｎｉｔを加算した磁石温度算出値を、ローパスフィルタ３４に出力する。この結果、ローパスフィルタ３４の出力である磁石温度推定値ｔｅｓｔは、ローパスフィルタ３４の時定数に従って、基準温度ｔｉｎｉｔに向けて滑らかに低下する。例えば、ローパスフィルタ３４の時定数は、電動機１の磁石温度の時定数に基づいて設定される。

したがって、本実施の形態に係る電動機制御装置１０において、予め定められた温度は、磁石温度の基準温度ｔｉｎｉｔである。

この構成によって、上述と同様の効果に加えて、磁石温度の時定数が小さい電動機１の場合であって、本動作により磁石温度の変動に起因するトルク変動が発生しない状態においても、トルク指令値Ｔ＊を予め定められた値以下にした場合における磁石温度を推定することができる。

また、本実施の形態に係る電動機制御装置１０のおける磁石温度推定部３０は、トルク誤差Ｔｅｒｒにトルク指令値Ｔ＊の符号を乗算した値が累積加算された値と、予め定められた時定数とに基づいて磁石温度推定値ｔｅｓｔを出力するローパスフィルタ３４を有し、時定数は、磁石温度の時定数に基づいて設定される。

この構成によって、上述と同様の効果に加えて、図１０の下段の場合とは異なり、磁石温度の時定数が小さい電動機１の場合であって、本動作により磁石温度の変動に起因するトルク変動が発生しない状態においても、適切な磁石温度を推定することができる。

なお、ローパスフィルタ３４の時定数は、電動機１の磁石温度の時定数と等しく設定されてもよい。
これにより、電動機１の磁石温度の時定数と同じ減衰曲線で磁石温度を推定できるため、過渡状態における磁石温度の推定精度を向上できる。

実施の形態２．
図１２は、この発明を実施するための実施の形態２に係る電動機制御装置を備える電動機システムの制御構成を示す図である。本実施の形態に係る電動機制御装置１０は、抑制前のトルク指令値Ｔ０＊および磁石温度推定値ｔｅｓｔを入力とし、トルク指令値Ｔ＊を出力する保護機能部４０をさらに備える点で実施の形態１と異なる。保護機能部４０は、トルク抑制部４１と、異常判定部４２とを有する。

トルク抑制部４１は、外部の上位のコントローラ１０２から与えられた抑制前のトルク指令Ｔ０＊に対し、磁石温度推定値ｔｅｓｔが予め定められた値を超えた場合には、トルク指令値Ｔ０＊の絶対値より小さいトルク指令値Ｔ＊を電流指令生成部１１に出力する。ここで、トルク指令値Ｔ＊は、磁石温度推定値ｔｅｓｔの絶対値に応じて抑制前のトルク指令値Ｔ０＊の絶対値を小さくする予め定められたトルク制限ゲインをトルク指令値Ｔ０＊に乗算して演算される。すなわち、トルク抑制部４１は、磁石温度推定値ｔｅｓｔに基づいて、トルク指令値Ｔ＊の大きさを抑制前のトルク指令Ｔ０＊の大きさよりも小さくする。
異常判定部４２は、磁石温度推定値ｔｅｓｔに基づいて電動機１の異常を検出する。

図１３は、本実施の形態に係る電動機制御装置におけるトルク抑制部の設定例を示す図である。図１３の横軸は、磁石温度を表し、図１３の縦軸は、トルク制限ゲインを表す。図１３において、磁石温度に対応して０．０〜１．０のトルク制限ゲインが設定されている。図１３に示すように、トルク抑制部４１は、磁石温度が予め定められた制限値ｔｌｉｍｉｔ以下の場合には、抑制前のトルク指令Ｔ０＊と同じ値を、トルク指令値Ｔ＊として出力する。トルク抑制部４１は、磁石温度が予め定められた制限値ｔｌｉｍｉｔを超えた場合には、予め定められたトルク制限ゲインを抑制前のトルク指令値Ｔ０＊に乗算した値を、トルク指令値Ｔ＊として出力する。このため、磁石温度が制限値ｔｌｉｍｉｔを超えた場合には、トルク指令値Ｔ＊が抑制されて小さくなる。そして、磁石温度が予め定められた最大値ｔｍａｘを超過した場合には、トルク制限ゲインがゼロになることによって、トルク指令値Ｔ＊がゼロになる。なお、これらの磁石温度の制限値ｔｌｉｍｉｔおよび最大値ｔｍａｘは、トルクが制限される温度範囲を２０℃としてｔｍａｘ＝ｔｌｉｍｉｔ＋２０［℃］と設定してもよい。

このように構成される電動機の制御装置の動作について説明する。
図１４は、本実施の形態に係る電動機制御装置における時間とトルク指令値および磁石温度推定値との関係図である。図１４の横軸は、ともに時間を表し、図１４の縦軸は、それぞれ上段がトルク指令値Ｔ＊、下段が磁石温度推定値ｔｅｓｔを表す。図１４は、基準温度ｔｉｎｉｔの状態から、一定のトルク指令値Ｔ＊を与え続けた場合のトルク指令値Ｔ＊と磁石温度推定値ｔｅｓｔとの動作例を示している。

図１４の下段において、電動機１に通電されることにより電動機１が発熱するため、磁石温度推定値ｔｅｓｔは上昇を続ける。磁石温度推定値ｔｅｓｔが予め定められた制限値ｔｌｉｍｉｔを超えると、トルク抑制部４１が動作することによって、図１４の上段に示すようにトルク指令値Ｔ＊が制限される。図１４の下段では、トルク指令値Ｔ＊が制限されたことによって、磁石温度推定値ｔｅｓｔの上昇が収まり、磁石温度推定値ｔｅｓｔは、予め定められた制限値ｔｌｉｍｉｔに収束するよう減少する。

したがって、本実施の形態に係る電動機制御装置１０は、磁石温度推定値ｔｅｓｔに基づいてトルク指令値Ｔ＊の大きさを小さくするトルク抑制部４１とをさらに備えている。

この構成によって、実施の形態１と同様の効果に加えて、電動機１の過剰な発熱を防止し、電動機１の動作を継続することができる。

なお、図１４の動作を実現するには、図１２における保護機能部４０は、トルク抑制部４１を有していればよい。保護機能部４０が異常判定部４２を有していなくても、図１４の動作を実現し上述の効果を奏することができる。

図１５は、本実施の形態に係る電動機制御装置における時間とトルク指令値および磁石温度推定値との関係図である。図１５の横軸は、ともに時間を表し、図１５の縦軸は、それぞれ上段がトルク指令値Ｔ＊、下段が磁石温度推定値ｔｅｓｔを表す。図１５は、図１４と同様に、基準温度ｔｉｎｉｔの状態から、一定のトルク指令値Ｔ＊を与え続けた場合のトルク指令値Ｔ＊と磁石温度推定値ｔｅｓｔとの動作例を示している。図１５において、トルク抑制部４１の動作によってトルク指令値Ｔ＊が制限されても、磁石温度推定値ｔｅｓｔの上昇が収まらない点が、図１４と異なる。
図１５の下段において、異常判定部４２は、磁石温度推定値ｔｅｓｔが予め定められた警告温度ｔｗａｒｎを超過すると、電動機１の異常を示す異常信号を、図示していない上位のコントローラ１０２に出力する。上位のコントローラ１０２は、異常信号を受けて、直流電源からインバータ回路４への電力供給を遮断する。この結果、電動機１が停止するため、磁石温度推定値ｔｅｓｔの上昇が抑制される。

なお、異常判定部４２は、異常信号を電流指令生成部１１に出力してもよい。電流指令生成部１１は、後述するように、異常信号を受けて、電動機１への通電を停止する電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊を電流制御部１３に出力してもよい。

また、異常判定部４２は、電動機１への通電を停止する停止信号を電流指令生成部１１に出力してもよい。この場合、電流指令生成部１１は、停止信号を受けて、電動機１を減速後停止させる電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊を電流制御部１３に出力する。電流制御部１３は、電動機１を減速後停止させる電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊をｄｑ／ＵＶＷ座標変換部１５に出力する。ｄｑ／ＵＶＷ座標変換部１５は、電動機１を減速後停止させる三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換してインバータ回路４に出力する。インバータ回路４は、三相電流を電動機１に出力して電動機１を減速後停止させる。この結果、電動機１が停止するため、磁石温度推定値ｔｅｓｔの上昇が抑制される。

なお、電流指令生成部１１は、電動機１への通電を停止する停止信号を受けて、０の電流指令値ｉｄ＊およびｉｑ＊を電流制御部１３に出力してもよい。この場合、電流制御部１３は、０の電圧指令値ｖｄ＊およびｖｑ＊をｄｑ／ＵＶＷ座標変換部１５に出力する。ｄｑ／ＵＶＷ座標変換部１５は、０の三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換してインバータ回路４に出力する。インバータ回路４は、０の三相電流を電動機１に出力して電動機１への通電を停止する。この結果、上述の電動機１を減速後停止させる場合よりも早く電動機１への通電が停止されるため、磁石温度推定値ｔｅｓｔの上昇が早く抑制される。

したがって、本実施の形態に係る電動機制御装置１０は、磁石温度推定値ｔｅｓｔに基づいて電動機１の異常を判定する異常判定部４２とをさらに備え、異常判定部４２は、磁石温度推定値ｔｅｓｔが予め定められた警告温度ｔｗａｒｎより大きい場合には、電動機１の異常である異常信号を出力し、または電動機１への通電を停止する。

この構成によって、実施の形態１と同様の効果に加えて、トルク指令値Ｔ＊が制限され、磁石温度推定値ｔｅｓｔの上昇が収まらない場合でも、電動機１の過剰な発熱による電動機１の破損や磁石１３４の不可逆減磁を防止し、電動機１を保護することができる。

１ 電動機、２ 位置検出器、３ 電流検出器、４ インバータ回路、１０ 電動機制御装置、１１ 電流指令生成部、１２ 速度検出部、１３ 電流制御部、１４ ＵＶＷ／ｄｑ座標変換部、１５ ｄｑ／ＵＶＷ座標変換部、１６ａ、１６ｂ、２３、３６ａ 加算減算器、２０ トルク推定部、２１ 入力電力演算部、２２ 損失演算部、２４ 乗算除算器、３０ 磁石温度推定部、３１ 符号設定部、３２ 積分器、３３ 基準温度設定部、３４ ローパスフィルタ、３５ 時定数設定部、３６ｂ 加算器、４０ 保護機能部、４１ トルク抑制部、４２ 異常判定部、１００ プロセッサ、１０１ 記憶装置、１０２ 上位のコントローラ、１１０ フレーム、１１１、１１２ ブラケット、１３０ 回転子、１３１ 固定子、１３２ 固定子鉄心、１３３ 巻線、１３４ 磁石、１３５ 回転子鉄心、１３８ 回転軸、１３９ ベアリング、１４０ 三相ブリッジ回路、１４１ ドライバ回路、１４２〜１４７ スイッチング素子、１５１−１ Ｕ相端子、１５１−２ Ｖ相端子、１５１−３ Ｗ相端子、１５２ 電源、１５４ ＧＮＤ、２００ 電動機システム。

Claims (9)

1. 電動機のトルク指令値、前記電動機の回転速度、および前記電動機の磁石温度の推定値である磁石温度推定値に対応して電流指令値が予め定められた多次元マップを用いて、前記電流指令値を出力する電流指令生成部と、
   インバータ回路から前記電動機に供給される電流の検出値である電流検出値を前記電流指令値に近づける電圧指令値を前記インバータ回路に出力する電流制御部と、
   前記電流指令値または前記電流検出値、前記電圧指令値、および前記回転速度に基づいてトルク推定値を出力するトルク推定部と、
   前記トルク指令値と前記トルク推定値との差分であるトルク誤差に前記トルク指令値の符号を乗算した値を累積加算することによって、前記磁石温度推定値を出力する磁石温度推定部とを備えた電動機制御装置。
2. 前記磁石温度推定部は、前記トルク誤差に前記トルク指令値の符号を乗算した値が累積加算された値を前記磁石温度の前記基準温度に加算することによって前記磁石温度推定値を出力する請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 前記磁石温度推定部は、前記トルク指令値の大きさが予め定められた値以下の場合には、前記磁石温度推定値として予め定められた温度を出力し、
   前記トルク指令値の大きさが前記予め定められた値より大きい場合には、前記トルク誤差に前記トルク指令値の符号を乗算した値を累積加算することによって、前記磁石温度推定値を出力する請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
4. 前記予め定められた温度は、前記トルク指令値が前記予め定められた値以下となる直前の前記磁石温度推定値である請求項３に記載の電動機制御装置。
5. 前記予め定められた温度は、前記磁石温度の基準温度である請求項３に記載の電動機制御装置。
6. 前記磁石温度推定部は、前記トルク誤差に前記トルク指令値の符号を乗算した値が累積加算された値と、予め定められた時定数とに基づいて、前記磁石温度推定値を出力するローパスフィルタを有し、
   前記時定数は、前記磁石温度の時定数に基づいて設定された請求項５に記載の電動機制御装置。
7. 前記磁石温度推定部は、前記トルク誤差に前記トルク指令値の符号を乗算した値が累積加算された値と、予め定められた時定数とに基づいて、前記磁石温度推定値を出力するローパスフィルタを有し、
   前記時定数は、前記回転速度に対応して前記時定数が予め定められた時定数マップを用いて設定された請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
8. 前記磁石温度推定値に基づいて前記トルク指令値の大きさを小さくするトルク抑制部とをさらに備えた請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
9. 前記磁石温度推定値に基づいて前記電動機の異常を判定する異常判定部とをさらに備え、
   前記異常判定部は、前記磁石温度推定値が予め定められた警告温度より大きい場合には、前記電動機の異常を出力し、または前記電動機への通電を停止する請求項８に記載の電動機制御装置。

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