JP6508021B2

JP6508021B2 - モータ温度推定装置

Info

Publication number: JP6508021B2
Application number: JP2015237450A
Authority: JP
Inventors: 美宏奥松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: JP2017103978A

Description

本発明はモータ温度推定装置に関し、例えば、モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置に関する。

モータは、回転運動を続けると発熱する。しかし、この発熱量が過剰になるとモータが破損するおそれが生じる。そのため、動作状態に応じたモータの温度を推定し、適切なモータ制御を行うことが望まれる。

例えば、モータ温度推定装置の一例として、モータ回転時及びモータ停止時において温度推定を行うものが提案されている（特許文献１）。この手法では、モータ回転時とモータ停止時とで、温度推定に用いるパラメータを切り替えることで、モータの動作状態に応じた温度推定を行うことができる。

また、他にも、回転ロック時の電動モータの巻線への電流集中による発熱を抑える手法が提案されている（特許文献２）。この手法では、回転ロック時のロータ回転位置が属する角度領域において、損失が最も少なくなるように、ｄ軸電流及びｑ軸電流の目標値が決定される。これにより、損失を抑制し、その結果、発熱を抑えることができる。

特開２００３−２８４３７５号公報特開２０１５−７３４１５号公報

近年、モータは、人が存在する環境で用いられるロボットにも組み込まれている。この場合、ロボットには、高い安全性と瞬時の大出力が求められる。そのため、モータの熱の制御が重要であり、例えば、上記のような手法や、モータへ供給する電流の積算値によって温度推定が行われる。また、このようなロボットでは、モータの回転、停止の切り替えが頻繁に発生するため、モータの回転時と停止時との間でシームレスな温度推定を行うことが求められる。

これに対し、特許文献１では、固定時にパラメータを切り替えるものの、そのパラメータの決定方法が不明である。また、パラメータを替えても、ロータの固定位置による発熱の相違や特定の相への電流集中を考慮できないため、モータ停止時の温度推定を精度よく行うことはできない。

特許文献２では、モータの回転時とモータ停止時（回転ロック時）とでは、温度推定の方法を切り替える必要が有る。そのため、モータ停止の前後でのシームレスな（同一アルゴリズムでの）温度推定ができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、モータの巻線温度を高い精度で推定することを目的とするものである。

本発明の第１の態様であるモータ温度推定装置は、モータのトルク、回転速度及び回転角度の少なくとも１つを制御するシステムにおいて前記モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置であって、前記モータの損失を算出する損失計算部と、前記モータのロータ角度を検出するロータ角度検出部と、前記ロータ角度の時間変化に基づいてロータ速度を算出する実速度演算部と、前記ロータ速度に基づいて、前記モータが停止しているか否かを判定する停止判定部と、前記モータが停止している場合の前記モータのロータ角度に基づいて、各相の中から最も電流が多く流れる相を選択して、当該選択された相を流れる電流量に応じた値を有するように変換係数を設定する係数設定部と、前記損失に前記変換係数が乗じられた値に基づいて推定温度を算出する推定温度算出部と、を有するものである。

本発明の第２の態様であるモータ温度推定装置は、上記のモータ温度推定装置であって、前記係数設定部は、前記モータが回転している場合、前記変換係数として１を算出する、ことが望ましい。

本発明の第３の態様であるモータ温度推定装置は、前記ロータ角度検出部は、前記ロータ角度を複数回サンプリングし、前記係数設定部は、ｎを２以上の整数とした場合に、（ｎ−１）回目のサンプリングにおいて、電流量に応じた値に係数Ａ（Ａは、０＜Ａ＜１を満たす値）を乗じた第１の値を、各相について算出し、ｎ回目のサンプリングにおいて、電流量に応じた値に、１から前記係数Ａを減じた値を乗じた第２の値を、各相について算出し、各相について前記第１の値と前記第２の値とを加算し、前記加算した値が最も大きくなる相を選択して、当該選択された相にかかる前記加算した値に応じた値を、ｎ回目のサンプリングにおける変換係数として設定する、ことが望ましい。

本発明によれば、モータの巻線温度を高い精度で推定することができる。

実施の形態１にかかるモータ温度推定装置のブロック図である。ロータ角度θとＵ相、Ｖ相及びＷ相に流れる電流との関係を示すグラフである。式（４）〜（６）にｑ軸電流を三相電流に変換するために乗じる係数√（３／２）を乗じた値を示すグラフである。モータの熱抵抗、熱容量及び損失ｋ・Ｐｌｏｓｓを並列に接続した一次のローパスフィルタモデルを示す図である。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置における推定温度の計算手順を説明するフローチャートを示す。実施の形態２にかかる温度推定装置における温度推定を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

また、以下の説明では、本発明をブラシレスＤＣモータに適用した例について説明するが、本発明は、ブラシレスＤＣモータに限らず、交流モータ、直流モータ等にも適用できるものである。

実施の形態１
まず、図１に実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１のブロック図を示す。図１では、モータ温度推定装置１以外に、温度の推定対象であるモータ２３、モータ２３を制御する速度制御器２０、電流制御器２１及びインバータ２２を示した。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、図１に示したモータを駆動するシステムから取得した情報に基づきモータ２３の巻線温度を推定する。

速度制御器２０に入力される速度指令値Ｎｒｅｆは、図１に示したシステムの上位のシステムであって、図示を省略したシステムに設けられる制御部等から出力される。速度制御器２０は、速度指令値Ｎｒｅｆと、モータの実際の回転速度を測定した実速度値との差に基づき電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを生成する。この電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆは、モータ２３を駆動する駆動電流の大きさを指示するものである。

電流制御器２１は、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと、モータを実際に駆動している電流を測定した実電流値との差に基づき電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃを生成する。電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃは、モータ２３を駆動するモータ端子電圧の大きさを指示するものである。インバータ２２は、電圧指令値Ｖａ〜Ｖｃに基づきモータ２３に与えるモータ端子電圧ｖａ〜ｖｃを生成する。

実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、速度指令値Ｎｒｅｆ、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆ、モータ２３のロータ角度に基づき推定温度Ｔｓを算出する。図１に示すように、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、損失計算部１０、ロータ角度検出部１１、実速度演算部１２、停止判定部１３、係数設定部１４、乗算器１５及び推定温度算出部１６を有する。

損失計算部１０は、電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを用いてモータ２３の損失Ｐｌｏｓｓを算出する。ここで、損失Ｐｌｏｓｓの計算に用いる電流値は、電流指令値でもよいし、実電流値でもよい。また、損失Ｐｌｏｓｓは、銅損のみを考慮した値でもよく、銅損と鉄損とを考慮した値でもよい。銅損のみを考慮した損失Ｐｌｏｓｓは式（１）によって表される。

式（１）において、Ｒａはモータの巻線抵抗であり、Ｉは電流指令値である。

また、銅損と鉄損とを考慮した損失Ｐｌｏｓｓは式（２）によって表される。

式（２）において、ｋ_ｈはヒステリシス損の係数であり、ｋ_ｅは渦電流損の係数であり、ｆはモータ端子電圧の周波数である。

損失計算部１０は、算出した損失Ｐｌｏｓｓを乗算器１５へ出力する。

ロータ角度検出部１１は、モータ２３のロータの角度（電気角）を検出するものであり、例えばレゾルバなどにより構成することができる。この例では、ロータ角度検出部１１は、モータ２３のロータ角度を示すロータ角度信号Ｓ_θから、ロータ角度θを取得し、実速度演算部１２及び係数設定部１４へ出力する。

実速度演算部１２は、ロータ角度θの時間変化を観測することで、モータ２３のロータの回転速度Ｖ_θを算出し、停止判定部１３へ出力する。

停止判定部１３は、モータ２３のロータの回転速度Ｖ_θに基づいて、モータ２３のロータが停止しているか否かを判定する。なお、以下でモータが停止している状態とは、いわゆる回転が外部要因によりロックされており、モータが停止しているものの各相への電流供給が継続している状態を意味する。具体的には、停止判定部１３は、例えば判定閾値Ｖｔｈを設定し、モータ２３のロータ回転速度Ｖ_θが判定閾値Ｖｔｈよりも小さい（Ｖ_θ＜Ｖｔｈ）場合に、モータ２３のロータが停止しているものと判定する。この判定閾値Ｖｔｈは、モータ２３のゴギングトルクなどから決まる不感帯などを考慮して設定できる。この例では、停止判定部１３は、モータ２３が回転していると判定した場合には判定結果を示す判定信号ＤＥＴとして「１」を係数設定部１４へ出力し、停止していると判定した場合には判定信号ＤＥＴとして「０」を係数設定部１４へ出力する。

係数設定部１４は、損失Ｐｌｏｓｓに乗じる変換係数ｋを算出し、乗算器１５へ出力する。ここでは、係数設定部１４は、停止判定部１３がモータ２３は停止していると判定した場合、すなわち判定信号ＤＥＴが「０」である場合に、ロータ角度に基づいた係数設定を実行する。以下、係数設定部１４での係数設定とロータ角度（電気角）θとの関係について説明する。

モータ２３が停止しているときには、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れる電流が異なる。図２は、ロータ角度θとＵ相、Ｖ相及びＷ相に流れる電流との関係を示すグラフである。図２では、縦軸は各相に流れる規格化電流（すなわち、最大値は１）を示し、横軸はロータ角度θ（ｒａｄ）を示している。図２においては、例えばロータ角度θが１．９（ｒａｄ）付近の場合には、Ｕ相の電流量が最大となる。そのため、Ｕ相における発熱量が最大となることが理解できる。

このとき、各相の規格化電流の最大値は１であるので、ロータ角度θ（ｒａｄ）においてＵ相、Ｖ相及びＷ相に流れる規格化電流のうちで最大のものは、規格化電流の最大値（１）に、以下の式（３）で示す変換係数ｋを乗じることで表すことができる。

３相の各成分であるＵ（θ）、Ｖ（θ）、Ｗ（θ）は、それぞれ以下の式（４）〜（６）で表される。

よって、式（３）は、式（４）〜（６）を用いて、以下の式（７）に書き換えることができる。

なお、式（７）において、右辺先頭の√（３／２）は、ｑ軸電流（電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆ）を三相電流に変換するために乗じる係数である。図３は、上式（４）〜（６）にｑ軸電流を三相電流に変換するために乗じる係数√（３／２）を乗じた値を示すグラフである。式（７）は、図３のグラフにおいて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のうちで電流が最大のものを選択していることを意味している。

乗算器１５は、損失Ｐｌｏｓｓに変換係数ｋを乗じてｋ・Ｐｌｏｓｓを算出し、算出した損失ｋ・Ｐｌｏｓｓを推定温度算出部１６へ出力する。

推定温度算出部１６は、乗算器１５から出力される損失ｋ・Ｐｌｏｓｓに基づき推定温度Ｔｓを算出する。推定温度算出部１６は、図４に示すように、モータ２３の熱抵抗Ｒｔｈ、熱容量Ｃｔｈ及び損失ｋ・Ｐｌｏｓｓを並列に接続した一次のローパスフィルタモデル（以下、一次の熱モデルと称す）を用いる。具体的には、一次の熱モデルは式（８）で表すことができる。

式（８）において、Ｔａは環境温度を示す。モータ２３の熱抵抗Ｒｔｈ及び熱容量Ｃｔｈは、モータ２３の形式等に併せて、事前に与えることができる。また、式（８）を推定温度Ｔｓについて解くと、以下の式（９）が得られる。

推定温度算出部１６は、式（９）に、モータ２３の熱抵抗Ｒｔｈ及び熱容量Ｃｔｈと、損失ｋ・Ｐｌｏｓｓを代入することで、推定温度Ｔｓを算出することができる。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１における推定温度Ｔｓの計算手順について説明する。そこで、図５に実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１における推定温度の計算手順を説明するフローチャートを示す。

まず、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、図５に示すフローチャートで示される計算サイクルを所定の間隔で実施する。図５に示すように、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、計算サイクルが開始されると、速度制御器２０が出力する電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを取得する（ステップＳ１）。

次いで、停止判定部１３は、モータ２３のロータの回転速度Ｖ_θに基づいて、モータ２３のロータが停止しているか否かを判定する（ステップＳ２）。

係数設定部１４は、ステップＳ２においてモータ２３のロータが停止していると判断された場合には、上式（７）を用いて変換係数ｋを設定する（ステップＳ３）。

係数設定部１４は、ステップＳ２においてモータ２３のロータが停止していないと判断された場合には、変換係数ｋとして、「１」を設定する（ステップＳ４）。

次いで、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１の損失計算部１０は、ステップＳ１で取得した電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆに基づき、モータ２３の損失Ｐｌｏｓｓを算出する（ステップＳ５）。

乗算器１５は、損失Ｐｌｏｓｓに変換係数ｋを乗じる（ステップＳ６）。

続いて、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、推定温度算出部１６により、推定モデル（例えば、一次の熱モデル）に基づき推定温度Ｔｓを算出する（ステップＳ７）。ステップＳ７の計算では、式（９）にモータ２３の熱抵抗Ｒｔｈ及び熱容量Ｃｔｈと、損失ｋ・Ｐｌｏｓｓとを代入することで、推定温度Ｔｓを算出する。実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、このように推定温度Ｔｓが算出されたことに応じて、現計算サイクルを終了させる。

上記説明より、実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１は、電流指令値とロータが停止している場合のロータ角度とを考慮して、損失を見積もることができる。具体的には実施の形態１にかかるモータ温度推定装置１では、モータでの銅損や鉄損だけでなく、モータ停止時のロータ角度に依存した特定の相への電流集中までも考慮して、高精度に損失を算出することができる。これにより、モータの動作時及び停止時においてモータの巻線温度を高精度に推定することが可能となり、モータの推定温度の推定精度を高めることができる。

なお、上記説明では、モータ温度推定装置１をハードウェアにより構成する例について説明したが、モータ温度推定装置１内の処理をソフトウェアにより実行することもできる。ソフトウェアによりモータ温度推定装置１の機能を実現する場合、演算部（例えば、ＣＰＵ）上で必要な処理を実行するプログラムを動作させる。

上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

実施の形態２
実施の形態１では、単純にモータが停止した場合の温度推定について説明した。しかし、モータが回転と停止とを繰り返す場合、モータが停止したときのロータ角度がそれぞれ異なることが予想される。この場合、停止中のロータ角度を逐次サンプリングし、より精密に変換係数を求める必要が有る。

以下、実施の形態２にかかる温度推定方法について説明する。ｎを２以上の整数とすると、ｎ回目のサンプリングにかかる変換係数ｋ_ｎは、以下の式（１０）で表すことができる。

３相の各成分であるｕ（θ）_ｎ、ｖ（θ）_ｎ、ｗ（θ）_ｎは、それぞれ以下の式（１１）〜（１３）で表される。

なお、式（１１）〜（１３）において、ＡはＬＰＦによって決まる係数であり、０≦Ａ≦１を満たす値である。また、式（１１）〜（１３）において、右辺第１項を第１の値とも称し、右辺第２項を第２の値とも称する。

式（１１）〜（１３）に示す通り、本実施の形態では、最新のサンプリング（ｎ）に基づく式（４）〜（６）の計算結果（第２の値）だけでなく、１つ前のサンプリング（ｎ−１）のに基づく式（４）〜（６）の計算結果（第１の値）を考慮して、変換係数ｋを算出している。その結果、各相への電流集中の時間変化を考慮した温度推定が可能となる。

図６は、実施の形態２にかかる温度推定装置における温度推定を示す図である。図６は、初期状態においてモータ２３は停止しており、その後回転と停止とを２回ずつ繰り返す例について示している。具体的には、モータ２３は、初期状態における停止状態（図６の「停止１」）から、回転状態（図６の「回転１」）、停止状態（図６の「停止２」）、回転状態（図６の「回転２」）、停止状態（図６の「停止３」）の順で状態が遷移する。

初期状態における停止状態（「停止１」）では、Ｕ相及びＶ相は実施の形態１と同様に計算される。その後、回転状態（「回転１」）を経て再び停止状態（「停止２」）となると、本実施の形態における温度推定が適用される。この場合、初期状態における停止状態の終期における式（４）〜（６）の計算結果を１つ前のサンプリングにおける式（４）〜（６）の計算結果とすることで、式（１１）〜（１３）を計算することができる。図６に示すように、最新のサンプリング（ｎ）に基づく式（４）〜（６）の計算結果だけでなく、１つ前のサンプリングに基づく式（４）〜（６）の計算結果を考慮して変換係数ｋを計算するので、実施の形態１ように単純な係数設定を行う場合と比較して、変換係数ｋは緩やかに変化する。

その後、回転状態（「回転２」）を経て再び停止状態（「停止３」）となる場合には、前回の停止状態（「停止２」）の終期における式（４）〜（６）の計算結果を１つ前のサンプリングおける式（４）〜（６）の計算結果とすることで、式（１１）〜（１３）を計算することができる。図６に示すように、後の停止状態においても、実施の形態１ように単純な係数設定を行う場合と比較して、変換は緩やかに変化する。この例では、この停止状態（「停止３」）の途中で、発熱量が最大の相がＵ相からＶ相に入れ替わることが理解できる。

その他の実施の形態
上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上述では、図４に示す熱モデルを用いて損失を計算したが、これは一例にすぎず、他のモデルを用いて損失を算出してもよい。

１モータ温度推定装置
１０損失計算部
１１ロータ角度検出部
１２実速度演算部
１３停止判定部
１４係数設定部
１５乗算器
１６推定温度算出部
２０速度制御器
２１電流制御器
２２インバータ
２３モータ
ＤＥＴ判定信号
Ｉｑ＿ｒｅｆ電流指令値
Ｎｒｅｆ速度指令値
Ｓ_θ ロータ角度信号
Ｔｓ推定温度
ｖａ〜ｖｃモータ端子電圧
Ｖａ〜Ｖｃ電圧指令値
Ｖ_θ ロータ回転速度
θ ロータ角度

Claims

モータのトルク、回転速度及び回転角度の少なくとも１つを制御するシステムにおいて前記モータの巻線温度を推定するモータ温度推定装置であって、
前記モータの損失を算出する損失計算部と、
前記モータのロータ角度を検出するロータ角度検出部と、
前記ロータ角度の時間変化に基づいてロータ速度を算出する実速度演算部と、
前記ロータ速度に基づいて、前記モータが停止しているか否かを判定する停止判定部と、
前記モータが停止している場合の前記モータのロータ角度に基づいて、各相の中から最も電流が多く流れる相を選択して、当該選択された相を流れる電流量に応じた値を有するように変換係数を設定する係数設定部と、
前記損失に前記変換係数が乗じられた値に基づいて推定温度を算出する推定温度算出部と、を備える、
モータ温度推定装置。
前記係数設定部は、前記モータが回転している場合、前記変換係数として１を算出する、
請求項１に記載のモータ温度推定装置。
前記ロータ角度検出部は、前記ロータ角度を複数回サンプリングし、
前記係数設定部は、ｎを２以上の整数とした場合に、
（ｎ−１）回目のサンプリングにおいて、電流量に応じた値に係数Ａ（Ａは、０＜Ａ＜１を満たす値）を乗じた第１の値を、各相について算出し、
ｎ回目のサンプリングにおいて、電流量に応じた値に、１から前記係数Ａを減じた値を乗じた第２の値を、各相について算出し、
各相について前記第１の値と前記第２の値とを加算し、
前記加算した値が最も大きくなる相を選択して、当該選択された相にかかる前記加算した値に応じた値を、ｎ回目のサンプリングにおける変換係数として設定する、
請求項１又は２に記載のモータ温度推定装置。