CN103368499B

CN103368499B - 通过推定的温度进行电动机过热保护的电动机控制装置

Info

Publication number: CN103368499B
Application number: CN201310116357.1A
Authority: CN
Inventors: 森田有纪; 堤智久
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: JP2013219846A; JP5502925B2; CN203251270U; CN103368499A

Abstract

本发明的通过推定的温度进行电动机过热保护的电动机控制装置具有为进行PWM控制把直流电压变换为预定频率的交流电压，并将其向电动机施加的电力变换装置（1）；控制流过电动机的电流的电动机电流控制部（2）；设定PWM频率的PWM频率设定部（3）；根据PWM频率计算发热系数的发热系数计算部（4）；检测流过电动机的实际电流值的实际电流值检测部（5）；存储电动机的热时间常数的存储部（6）；和根据发热系数、实际电流值以及电动机的热时间常数推定电动机的温度的温度推定部（7），电动机电流控制部在温度推定部推定的温度超过预定的阈值的情况下，使流过电动机的电流减少到预定值以下。

Description

通过推定的温度进行电动机过热保护的电动机控制装置

技术领域

本发明涉及电动机控制装置，特别涉及通过推定电动机的温度进行过热保护的电动机控制装置。

背景技术

在为了应对为了削减成本不在电动机内设置温度传感器的情况或者即使设置有温度传感器而温度传感器的动作异常的情况，已知在进行双重监视的情况下，通过软件推定电动机的温度的技术（例如参照日本专利申请，特开2007－253735号公报）。

图1是使用软件推定电动机温度的现有的控制装置的结构图。首先，发热量计算部101根据电动机电流、电动机的热时间常数、发热系数以及周围温度计算发热量。接着目标电流选择部109设定成为目标的电流值。最后，电流反馈控制部93c控制向电动机82输出的电流。在图1表示的电动机控制装置中，根据固定值的发热系数和电动机电流值计算电动机的发热量，推定电动机温度。

另一方面，有时根据电流的大小、或者速度的大小等，一边切换PWM频率一边进行控制。在通过PWM控制驱动电动机的情况下，在用始终固定的PWM频率驱动电动机时，能够根据与该PWM频率对应的发热系数和流过电动机的实际电流值进行电动机的温度推定。

对于一般的电动机温度的上升量T_up，当设电动机实际电流值为I、发热系数为K、热时间常数为τ、时间为t时，可以使用式（1）计算。

T_up（此次）=K×I²×（1－exp（－t/τ））+T_up（上次）×exp(－t/τ)（1）

这里，有时PWM频率根据条件变化。在这种情况下，对于在式（1）中使用的发热系数K，当对于PWM频率作为固定值对待时，温度上升T_up的计算精度恶化。此时，使用单一的发热系数进行温度推定，产生不能正确地推定的问题。

另外，有时在电流传感器输出中包含噪声成分。因为电动机实际电流受噪声成分的影响大，所以有时不使用实际电流而使用电流指令值进行温度推定。在那样的情况下，当对于PWM频率K是固定值时，温度上升T_up的计算精度也会恶化。进而，在PWM指令的调制度超过1的情况下，由于高次谐波的影响，在使用式（1）得到的温度推定中产生误差。

发明内容

本发明的一个实施例的电动机控制装置的特征在于，具有为进行PWM控制，把直流电压变换为预定频率的交流电压，并将该交流电压施加给电动机的电力变换装置；控制流过电动机的电流的电动机电流控制部；设定PWM频率的PWM频率设定部；根据PWM频率计算发热系数的发热系数计算部；检测流过电动机的实际电流值的实际电流值检测部；存储电动机的热时间常数的存储部；和根据发热系数、实际电流值、以及电动机的热时间常数推定电动机的温度的温度推定部，电动机电流控制部，在温度推定部推定出的温度超过预定的阈值的情况下，使流过电动机的电流减少到预定值以下。

本发明的另一实施例的电动机控制装置的特征在于，为进行PWM控制，把直流电压变换为预定频率的交流电压、并将该交流电压施加给电动机的电力变换装置；控制流过电动机的电流的电动机电流控制部；设定PWM频率的PWM频率设定部；根据上述PWM频率计算发热系数的发热系数计算部；检测用于决定流过电动机的电流的电动机电流指令值的电动机电流指令值检测部；存储电动机的热时间常数的存储部；和根据发热系数、电动机电流指令值、以及电动机的热时间常数推定电动机的温度的温度推定部，电动机电流控制部，在温度推定部推定出的温度超过预定的阈值的情况下，使流过电动机的电流减少到预定值以下。

另外，通过根据本发明的电动机控制装置，对PWM频率修正发热系数K的值，能够提高电动机的温度推定的计算精度。

此外，在使用电流指令值进行温度推定时，根据PWM频率对K值进行修正，并且对电动机电流指令进行施加了调制度的修正，由此能够提高电动机的温度推定的计算精度。

附图说明

图1是现有的电动机控制装置的结构图。

图2是本发明实施例1的电动机控制装置的结构图。

图3是用于说明本发明实施例1的电动机控制装置的动作方法的流程图。

图4是用于说明本发明实施例1的电动机控制装置的发热系数的计算方法的框图。

图5是表示在本发明实施例1的电动机控制装置中改变PWM频率的情况下的电动机实际电流和电动机温度的关系的图表。

图6是本发明的实施例2的电动机控制装置的结构图。

图7是用于说明本发明实施例2的电动机控制装置的动作方法的流程图。

图8是用于说明本发明实施例2的电动机控制装置的发热系数的计算方法的框图。

图9是表示在本发明实施例2的电动机控制装置中改变PWM频率时的电动机电流指令值和电动机温度的关系的图表。

图10是本发明实施例3的电动机控制装置的结构图。

图11是用于说明本发明实施例3的电动机控制装置的动作方法的流程图。

图12是用于说明本发明的实施例3的电动机控制装置的发热系数的计算方法的框图。

图13是表示在本发明的实施例3的电动机控制装置具有与PWM指令的调制度对应的修正时和没有与PWM指令的调制度对应的修正时的PWM指令的调制度和电动机温度的关系的图表。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的电动机控制装置。但是希望留意本发明的技术范围不限于那些实施方式，而涉及权利要求书中记载的发明及其等价物。

（实施例1）

图2表示本发明的实施例1的电动机控制装置的结构图。本发明的实施例1的电动机控制装置100的特征为具有：为进行PWM控制而把直流电压变换为预定频率的交流电压，将其向电动机20施加的电力变换装置1；控制流过电动机20的电流的电动机电流控制部2；设定PWM频率的PWM频率设定部3；根据PWM频率计算发热系数的发热系数计算部4；检测流过电动机20的实际电流值的实际电流值检测部5；存储电动机20的热时间常数的存储部6；和根据发热系数、实际电流值以及电动机20的热时间常数推定电动机20的温度的温度推定部7，电动机电流控制部2在温度推定部7推定的温度超过预定的阈值的情况下，使流过电动机20的电流减少到预定值以下。这里，预定的值例如可以采用预先确认电动机的温度不超过安全的水平上升的电流。

另外，把从电力变换装置1输出的电流输入给电动机20，驱动电动机20。并且，通过传感器等（未图示）检测电动机20的速度，在第一加法部9中与速度指令值比较，把比较结果传送给速度控制部8进行速度控制。另外，把从电力变换装置1输出的电流在第二加法部10中与速度控制部8指定的电动机电流指令值进行比较，把比较结果传送给电动机电流控制部2。另外，温度推定部7具有一阶低通滤波器（LPF）7a，时间常数为τ。

接着说明本发明的实施例1的电动机控制装置的动作方法。图3是用于说明本发明的实施例1的电动机控制装置的动作方法的流程图。首先，在步骤S101，发热系数计算部4从存储部6读出发热系数K_conl。如后述，发热系数K_conl是不依存于PWM频率的常数，存储在存储部6中。

接着在步骤S102，根据PWM频率设定部3设定的PWM频率F，发热系数计算部4计算基于该PWM频率F的修正系数K_freq（F）。这里，K_freq（F）是根据PWM频率F变化的修正系数，优选对于PWM频率F成反比例那样设定。

接着，在步骤S103，实际电流检测部5检测电动机实际电流I。

接着在步骤S104，温度推定部7计算电动机实际电流I的平方I²。

接着在步骤S105，温度推定部7根据发热系数（K_conl+K_freq（F））、实际电流值I、以及在存储部6中存储的电动机的热时间常数τ，根据下述式（2）计算温度上升量T_up1。

T_up1=I²×（K_conl+K_freq（F））×(1－exp（－t/τ））+T_up1’×exp（－t/τ）

（2）

式中，F表示PWM频率，T_up1表示计算温度上升量的计算环的此次的温度上升量，t表示时间，T_up1’表示计算温度上升量的计算环的此次的前一次的温度上升量。

图4表示表示上述式（2）的导出过程的框图。如图4所示，发热系数，由不根据PWM频率变化的成分K_conl和根据PWM频率变化的修正系数K_freq（F）之和来表示。因为PWM频率越高，电动机实际电流中包含的高次谐波成分（频率的整数倍的成分及其边带成分）越小，所以作为电动机的发热量相对变小。因此，把发热系数K作为式（3）那样形式的发热系数，如图4的框图那样计算电动机温度。

K=K_conl+K_freq（F）（3）

式中，如上所述，K_conl是不根据PWM频率变化的发热系数，K_freq（F）是根据PWM频率变化的修正系数，F是PWM频率。

另外，优选设定为K_freq（F）对于PWM频率F成反比例。例如，作为K_freq（F）的函数，预先存储成为基准的PWM频率F0和在该PWM频率F0下的发热系数K_freq0，如果当前的PWM频率是F，则考虑如式（4）那样给出。

K_freq（F）=K_freq0×F0/F（4）

通过使用通过PWM频率进行变化的发热系数K_freq（F），电动机实际电流的平方和电动机温度的关系成为图5那样。

接着，在步骤S106，温度推定部7使用下述式（5）推定电动机温度T_m1。

T_m1=T_up1+T_m0（5）

式中，T_up1表示温度上升量，T_m0是使计算温度上升量的计算环刚刚开始之前的电动机温度，通常是外部的环境温度。

接着，在步骤S107，电动机电流控制部2判断电动机温度T_m1是否超过阈值T_th。这里，阈值T_th是为了检测电动机的动作异常而预先设定的温度。

在电动机温度T_m1不超过阈值T_th的情况下，返回步骤S102，继续电动机温度的推定。

另一方面，在电动机温度T_m1超过阈值T_th的情况下，在步骤S108，电动机电流控制部2使电动机电流减小到预定值以下。这里，在减小电动机电流中包含停止电动机电流使其成为0的情况。

如上所述，根据本发明的实施例1的电动机控制装置，因为根据PWM频率计算发热系数，所以即使在改变PWM频率的情况下也能够正确地推定电动机温度，能够防止由于电动机温度的上升引起的电动机的动作的异常。

（实施例2）

接着说明本发明的实施例2的电动机控制装置。在电流传感器输出中包含噪声成分那样的情况下，不是像实施例1那样检测电动机实际电流，而是使用噪声影响小的电动机电流指令值，进行电动机的温度推定，有时更为理想。在这种情况下，如果不考虑PWM指令的调制度超过1的区域中的电流的高次谐波成分则无法进行高精度的温度推定。此时，考虑PWM频率、电流指令值、以及PWM指令的调制度进行温度推定是有效的。

图6表示本发明的实施例2的电动机控制装置的结构图。本发明的实施例2的电动机控制装置200的特征为具有：为了进行PWM控制而把直流电压变换为预定频率的交流电压，将该交流电压向电动机20施加的电力变换装置1；控制流过电动机20的电流的电动机电流控制部2；设定PWM频率的PWM频率设定部3；根据PWM频率计算发热系数的发热系数计算部4；检测用于决定流过电动机20的电流的电动机电流指令值的电动机电流指令值检测部11；存储电动机20的热时间常数的存储部6；和根据发热系数、电动机电流指令值以及电动机20的热时间常数推定电动机20的温度的温度推定部7，电动机电流控制部2在温度推定部7推定的温度超过预定的阈值的情况下，使流过电动机20的电流减少到预定值以下。这里，预定的值可以采用预先确认电动机的温度不会上升的电流。在实施例1的电动机控制装置100中使用电动机的实际电流推定电动机的温度。对此，实施例2的电动机控制装置200的特征是，使用电动机电流指令值推定电动机的温度这点。在实施例2的电动机控制装置200的结构中，对于与实施例1的电动机控制装置100的结构相同的结构，用同一符号表示，省略详细的说明。

接着说明本发明的实施例2的电动机控制装置的动作方法。图7是用于说明本发明的实施例2的电动机控制装置的动作方法的流程图。首先，在步骤S201，发热系数计算部4从存储部6读出发热系数K_conl。如后所述，发热系数K_conl是不依存于PWM频率的常数，存储在存储部6中。

接着在步骤S202，根据由PWM频率设定部3设定的PWM频率F，发热系数计算部4计算基于PWM频率F的修正系数K_freq（F）。这里，K_freq（F）是根据PWM频率F变化的修正系数，优选设定为对于PWM频率F成反比例。

接着，在步骤S203，电动机电流指令值检测部11检测用于决定流过电动机20的电流的电动机电流指令值I_cmd。

接着在步骤S204，温度推定部7计算电动机电流指令值I_cmd的平方I_cmd ²。

接着在步骤S205，温度推定部7根据发热系数（K_conl+K_freq（F））、电动机电流指令值I_cmd、以及在存储部6中存储的电动机的热时间常数τ，根据下述式（6）计算温度上升量T_up2。

T_up2=I_cmd ²×（K_conl+K_freq（F））×(1－exp（－t/τ））+T_up2’×exp（－t/τ）

（6）

式中，F表示PWM频率，T_up2表示计算温度上升量的计算环的此次的温度上升量，t分别表示时间。T_up2’表示计算温度上升量的计算环的此次的前一次的温度上升量。

图8表示表示上述式（6）的导出过程的框图。如图8所示，关于发热系数，由不根据PWM频率变化的成分K_conl与根据PWM频率变化的修正系数K_freq（F）之和来表示。因为K_freq（F）的设定方法和实施例1时相同所以省略详细的说明。

通过使用不根据PWM频率变化的发热系数K_freq（F），电动机电流指令值的平方和电动机温度的关系成为图9那样。

接着，在步骤S206，温度推定部7使用下述式（7）推定电动机温度T_m2。

T_m2=T_up2+T_m0（7）

式中，T_up2表示温度上升量，T_m0是使计算温度上升量的计算环刚开始之前的电动机温度，通常是外部的环境温度。

接着，在步骤S207，电动机电流控制部2判断电动机温度T_m2是否超过阈值T_th。这里，阈值T_th是为检测电动机的动作异常预先设定的温度。

在电动机温度T_m2不超过阈值T_th的情况下，返回步骤S202，继续电动机温度的推定。

另一方面，在电动机温度T_m2超过阈值T_th的情况下，在步骤S208，电动机电流控制部2使电动机电流减小到预定值以下。这里，在减小电动机电流中包含停止电动机电流使其成为0。另外，预定的值例如可以采用预先确认电动机的温度不会超过安全的水平而上升的电流。

如上所述，根据本发明的实施例2的电动机控制装置，使用电动机电流指令值，根据PWM频率计算发热系数。因此，即使在电动机电流中包含噪声成分的状况下改变PWM频率时，也能够正确地推定电动机温度。结果，能够防止由于电动机温度的上升引起的电动机的动作异常。

（实施例3）

接着说明本发明的实施例3的电动机控制装置。图10表示本发明的实施例3的电动机控制装置的结构图。本发明的实施例3的电动机控制装置300的特征为除了实施例2的电动机控制装置200之外，还具有：检测PWM指令的调制度的PWM指令调制度检测部13和使用表示PWM指令的调制度与电动机实际电流的高次谐波成分的关系的函数，通过根据该函数计算的高次谐波成分修正电动机电流指令值I_cmd的电动机电流指令值修正部12。在实施例3的电动机控制装置300的结构中，对于与实施例2的电动机控制装置200的结构相同的结构，用同一符号表示，省略详细的说明。

接着，说明本发明的实施例3的电动机控制装置的动作方法。图11是用于说明本发明的实施例3的电动机控制装置的动作方法的流程图。首先，在步骤S301，发热系数计算部4从存储部6读出发热系数K_conl。如后述，发热系数K_conl是不依存于PWM频率的常数，存储在存储部6中。

接着在步骤S302，根据PWM频率设定部3设定的PWM频率F，发热系数计算部4计算基于PWM频率F的修正系数K_freq（F）。这里，K_freq（F）是根据PWM频率F变化的修正系数，优选设定为对于PWM频率F成反比例。

接着，在步骤S303，PWM指令调制度检测部13检测PWM指令的调制度M。接着，在步骤S304，电动机电流指令值修正部12计算表示PWM指令的调制度M与电动机实际电流的高次谐波成分的关系的函数K_mod（M）。在PWM指令的调制度M大（调制度M>1）的情况下，因为在电动机实际电流中包含的高次谐波成分（相对于基波，5次、7次、11次等高次谐波）变大，所以作为电动机的发热量相对变大。在用电动机电流指令值进行电动机温度推定的情况下，需要考虑上述高次谐波成分。因此，准备根据调制度M计算高次谐波成分的函数K_mod（M），如图12的框图那样计算电动机温度。作为K_mod（M）的函数的给予方法，例如是在调制度M在1以下的情况下取值0，在调制度M大于1的情况下取比0大的值的函数。可以根据电动机实际电流的高次谐波成分和PWM指令的调制度的系数G，如式（8）那样给出。

K_mod（M）=MAX（0，G（M））（8）

即，可改写为

（在M≤1时）K_mod（M）=0（9）

（在M>1时）K_mod（M）=G（M）（G（M）>0）（10）

式中，K_mod（M）是PWM指令的调制度M的函数，G（M）是PWM指令的调制度M的多项式，M是PWM指令的调制度。如后述，温度推定部7使用函数K_mod（M），通过根据该函数计算的高次谐波成分修正电动机电流指令值I_cmd。

然后，在步骤S305中，电动机电流指令值检测部11检测用于决定在电动机20中流过的电流的电动机电流指令值I_cmd。

接着，在步骤S306，温度推定部7计算电动机电流指令值I_cmd的平方I_cmd ²。

接着在步骤S307，温度推定部7根据发热系数（K_conl+K_freq（F））、电动机电流指令值I_cmd以及在存储部6中存储的电动机的热时间常数τ，根据下述式（11）计算温度上升量T_up3。

T_up3=（I_cmd ²+K_mod（M））×（K_conl+K_freq（F））×(1－exp（－t/τ））+T_up3’×exp（－t/τ）(11）

式中，F表示PWM频率，T_up3表示计算温度上升量的计算环的此次的温度上升量，t表示时间。T_up3’表示计算温度上升量的计算环的此次前的一次的温度上升量。

图12表示用于表示上述式（11）的导出过程的框图。如图12所示，发热系数，由不根据PWM频率F变化的成分K_conl和根据PWM频率F变化的修正系数K_freq（F）之和来表示。在本实施例中，特征是PWM指令调制度检测部13检测PWM指令的调制度M，电动机电流指令值修正部12使用表示检测出的PWM指令的调制度M与电动机实际电流的高次谐波成分的关系的函数K_mod（M），通过根据该函数计算出的高次谐波成分修正电动机电流指令值I_cmd这点。

图13表示PWM指令的调制度M和电动机温度的关系。在调制度M在1以下的情况下，与调制度M无关电动机温度被视为恒定。另一方面，在调制度M在1以上的情况下，可以认为伴随调制度的上升电动机温度上升。通过本发明那样进行修正，能够考虑调制度M的影响正确地进行电动机温度的推定。

接着，在步骤S308，温度推定部7使用下述式（12）推定电动机温度T_m3。

T_m3=T_up3+T_m0（12）

式中，T_up3表示温度上升量，T_m0是使计算温度上升量的计算环刚刚开始之前的电动机温度，通常是外部的环境温度。

接着，在步骤S309，电动机电流控制部2判断电动机温度T_m3是否超过阈值T_th。这里，阈值T_th是为检测电动机的动作异常预先设定的温度。

在电动机温度T_m3未超过阈值T_th的情况下，返回步骤S302，继续电动机温度的推定。

另一方面，在电动机温度T_m3超过阈值T_th的情况下，在步骤S310，电动机电流控制部2使电动机电流减小到预定值以下。这里，在减小电动机电流中包含停止电动机电流使其成为0的情况。另外，预定的值例如可以采用预先确认电动机的温度不会超过安全的水平而上升的电流。

如上所述，根据本发明的实施例3的电动机控制装置，使用根据PWM指令的调制度M变化的发热系数K_mod（M），即使在使PWM指令的调制度变化的情况下，也能够正确地推定电动机温度，能够防止通过电动机温度的上升引起的电动机的动作的异常。

Claims

1.一种电动机控制装置，其特征在于，具有：

为进行PWM控制，把直流电压变换为预定频率的交流电压，并将该交流电压施加给电动机的电力变换装置；

控制流过电动机的电流的电动机电流控制部；

设定PWM频率的PWM频率设定部；

根据上述PWM频率计算发热系数的发热系数计算部；

检测流过电动机的实际电流值的实际电流值检测部；

存储电动机的热时间常数的存储部；和

根据上述发热系数、上述实际电流值、以及上述电动机的热时间常数推定电动机的温度的温度推定部，

上述电动机电流控制部，在上述温度推定部推定出的温度超过预定的阈值的情况下，使流过电动机的电流减少到预定值以下。

2.一种电动机控制装置，其特征在于，具有：

控制流过电动机的电流的电动机电流控制部；

设定PWM频率的PWM频率设定部；

根据上述PWM频率计算发热系数的发热系数计算部；

检测用于决定流过电动机的电流的电动机电流指令值的电动机电流指令值检测部；

存储电动机的热时间常数的存储部；和

根据上述发热系数、上述电动机电流指令值、以及电动机的热时间常数推定电动机的温度的温度推定部，

3.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

还具有：检测PWM指令的调制度的PWM指令调制度检测部；以及

使用表示上述PWM指令的调制度和电动机实际电流的高次谐波成分的关系的函数，根据由该函数计算出的高次谐波成分修正上述电动机电流指令值的电动机电流指令值修正部。

4.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，

上述发热系数计算部计算的发热系数是不根据PWM频率变化的发热系数与对于PWM频率反比例那样变化的修正系数之和，使用下式来计算，

K＝K_conl+K_freq(F)

K_conl：不根据PWM频率变化的发热系数，

K_freq(F)：对于PWM频率反比例那样变化的修正系数，

F：PWM频率。

5.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，

用于计算上述电动机实际电流的高次谐波成分的函数，是在PWM指令的调制度在1以下时取值0、在调制度超过1时取比0大的值的函数，用下式表示，

在M≤1时，K_mod(M)＝0

在M>1时，K_mod(M)＝G(M)，G(M)>0

K_mod(M)：PWM指令的调制度的函数，

G(M)：PWM指令的调制度的多项式，

M：PWM指令的调制度。