JP4572907B2 - モータ制御装置、制御方法及び制御プログラム - Google Patents

Description

永久磁石を有するロータの同心円状外側に、ステータコイルを有するステータを、配置したモータを作動させ、永久磁石の温度を推定する磁石温度推定手段と、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御手段と、を含むモータ制御装置、制御方法及び制御プログラムに関する。

近年、ハイブリッド自動車、電気自動車及び燃料電池自動車等が注目され、従来のエンジン駆動型自動車を上回る動力性能を目指して様々な改良が加えられている。例えば、ハイブリッド自動車では、エネルギー効率を高め、動力性能を向上させるために、高電圧化や、モータの駆動方式の改良等が行われている。

しかし、モータを高出力状態で長時間使用を続けると、ステータ及びロータの温度が限界温度を超えることでロータの永久磁石が減磁してしまい、以後、モータのトルクが落ちてしまうという問題がある。そこで、モータ内部の温度上昇を抑えるため、モータの冷却能力の向上の他に、限界温度を超えないような温度管理が重要となる。

温度管理を正確に行うには、ロータやステータの温度測定が必要となる。一般的に、ステータはモータケースに固定されているため、ステータに熱電対を設けることで容易に測定が可能である。しかし、ロータはステータ内で回転することから、ステータに設けた熱電対の信号をロータのシャフトにスリップリング又はロータリコネクタを設け、これらを介して信号を取り出すことが必要となり、コストアップ及びモータ構造が複雑になるという問題があった。

そこで、特許文献１には、予め測定したモータの温度分布を記憶し、複数のサーミスタによりステータコイルの温度を検出し、検出した複数の温度と、記憶されたモータの温度分布と、を比較して磁気センサ温度、軸受け温度、ロータ磁石温度等を推定する技術が開示されている。

また、特許文献２には、ステータ側の油冷系とロータ側の油冷系を分離し、ロータ油冷系を循環する冷却油の流量を測定すると共に、ロータ油冷系におけるロータ冷却前の冷却油の流入温度とロータ冷却後の冷却油の流出温度とを測定し、冷却油の温度差によりロータ磁石の温度を推定する技術が示されている。

特開２００５−７３３３３号公報 特開２０００−２３４２１号公報

しかし、特許文献１と２では、ロータ磁石と、ステータコイルと、冷却油と、の熱的な相互相関を見出しておらず、ロータ磁石に熱的な影響を与えるステータコイル及び冷却油がどのようにロータ磁石温度と関係しているのかというモータ全体としての熱的な影響が考慮されていない。

また、特許文献２の技術では、モータ冷却油温度からロータ磁石温度を推定するものであるが、高出力を出すためのモータの制御方法が複雑になるに従い、ロータ磁石自身の発熱の影響が大きくなり、結果的に従来の推定方法では十分な精度で予測することが困難となった。特に、時々刻々と運転状態が変化するハイブリッド自動車のモータにおいて、モータ冷却油温度だけではロータ磁石温度は所定の誤差が含まれることとなる。

このような課題を解決するために、本発明の目的は、モータを小型でかつ、性能の良いモータとするため、ロータに組み込まれた永久磁石の温度を推定する磁石温度推定手段と、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御手段と、を含むモータ制御装置、方法及びプログラムを提供することである。

以上のような目的を達成するために、本発明に係るモータ制御装置は、永久磁石を有するロータの同心円状外側に、ステータコイルを有するステータを、配置したモータを作動させ、永久磁石の温度を推定する磁石温度推定手段と、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御手段と、を含むモータ制御装置において、モータには、冷却液によってステータ外周を冷却する冷却手段と、冷却液の液温度を検出する液温検出手段と、ステータコイルの温度を検出するコイル温度検出手段と、が設けられ、磁石温度推定手段は、冷却液とステータコイルとの間の熱抵抗と、ステータコイルと永久磁石との間の熱抵抗と、の比である熱抵抗比と、ステータコイルと永久磁石との発熱比と、を予め求め、モータ運転時には、ステータコイル温度と、冷却液の液温度と、発熱比と、熱抵抗比と、に基づいて磁石温度を演算により求めることを特徴とする。

また、本発明に係るモータ制御装置において、制御手段は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とを切り替えてモータを制御し、磁石温度推定手段は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とによる発熱比の変化に応じて演算することを特徴とする。

また、本発明に係るモータ制御方法は、永久磁石を有するロータの同心円状外側に、ステータコイルを有するステータを、配置したモータを作動させ、モータの作動に伴い、発熱するステータコイルの温度を検出するコイル温度検出工程と、ステータ外周を冷却する冷却液の液温度を検出する液温検出工程と、発熱する永久磁石の温度を推定する磁石温度推定工程と、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御工程と、を含むモータ制御方法において、磁石温度推定工程は、冷却液とステータコイルとの間の熱抵抗と、ステータコイルと永久磁石との間の熱抵抗と、の比である熱抵抗比と、ステータコイルと永久磁石との発熱比と、を予め求め、モータ運転中は、ステータコイル温度と、冷却液の液温度と、発熱比と、熱抵抗比と、に基づいて磁石温度を演算により求めることを特徴とする。

さらに、本発明に係るモータ制御方法において、制御工程は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とを切り替えてモータを制御し、磁石温度推定工程は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とによる発熱比の変化に応じて演算することを特徴とする。

また、本発明に係るモータ制御プログラムは、永久磁石を有するロータの同心円状外側に、ステータコイルを有するステータを、配置したモータを作動させ、モータの作動に伴い、発熱するステータコイルの温度を検出するコイル温度検出ステップと、ステータ外周を冷却する冷却液の液温度を検出する液温検出ステップと、発熱する永久磁石の温度を推定する磁石温度推定ステップと、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御ステップと、をコンピュータに実行させるモータ制御プログラムにおいて、磁石温度推定ステップは、冷却液とステータコイルとの間の熱抵抗と、ステータコイルと永久磁石との間の熱抵抗と、の比である熱抵抗比と、ステータコイルと永久磁石との発熱比と、を予め求め、モータ運転中は、ステータコイル温度と、冷却液の液温度と、発熱比と、熱抵抗比と、に基づいて磁石温度を演算により求めることを特徴とする。

また、本発明に係るモータ制御プログラムにおいて、制御ステップは、ＰＷＭ制御と矩形波制御とを切り替えてモータを制御し、磁石温度推定ステップは、ＰＷＭ制御と矩形波制御とによる発熱比の変化に応じて演算することを特徴とする。

本発明を用いると、複数のパラメータに基づき、ロータ磁石温度が演算されるので、精度の良いロータ磁石温度が推定できるという効果があり、適切なモータ制御が可能となる。

さらに、予め求められた発熱比及び熱抵抗比と、容易に測定可能な部位の温度と、を用いてロータ磁石温度を算出するようにしたため、コンピュータの計算負荷を高めることなく、ロータ磁石温度の算出処理を実行できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、モータ１０を制御するモータ制御装置２０の構成が示されている。モータ１０は、永久磁石を有するロータ１２と、ロータ１２に設けられたレゾルバ１３と、ロータ１２の外側に位置しステータコイル１６を有するステータ１１と、ステータコイル１６の温度を検出する温度センサ１４と、を含んでいる。

モータ１０を制御するモータ制御装置２０は、ステータコイル温度アンプ２１と、モータ冷却油温度アンプ２２と、車両制御部２３と、モータ制御部２４とを含んでいる。さらに、モータ１０に電力を供給する電力供給部３０は、バッテリ３３と、バッテリ電圧を昇圧する昇圧コンバータ３２と、モータ制御部２４からの指令によりモータ１０に電力を供給するモータインバータ３１と、を含んでいる。

ステータコイルの温度は、温度センサ１４にて検出され、ステータコイル温度アンプ２１により増幅されて、車両制御部２３へ伝えられる。また、ステータ外周を冷却するモータ冷却油１７は、ステータコイル１６のエンドコイル部（図中破線で示す経路）に沿ってステータコイル１６を冷却する。ステータコイル１６によって昇温したモータ冷却油の温度は、温度センサ１５によって検出され、モータ冷却油温度アンプ２２を介して車両制御部２３へ同様に伝えられる。

車両制御部２３は、モータ冷却油温度及びステータコイル温度を入力として、モータ冷却油と、ステータコイル１６とロータ磁石１２の熱モデル（温度、発熱量、熱抵抗との関係）と、に基づいてロータ磁石温度を推定し、モータ制御部２４に制御指示を送る。

図２には、モータの熱モデルが示されている。モータの熱モデルでは、温度の低い順にモータ冷却油１７、ステータコイル１６，ロータ磁石１２が配置され、それぞれの熱抵抗（Ｒ１，Ｒ２）と温度差（ΔＴ１，ΔＴ２）が示されている。

以下、図２を用いて説明する。まず、過渡状態におけるステータコイル温度Ｔｓｔの関係式を式１に示す。ロータ磁石１２はステータコイルに比べて発熱量が少ないため（例えば、１／１０程度）、ロータ磁石１２の発熱量Ｑｒｔは無視できる。

Ｔｓｔ＝Ｑｓｔ・Ｒ１｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｍｓｔ／Ｒ１）｝＋Ｔｏｉｌ・・・（式１）
式中、Ｔｓｔ[℃]：ステータコイル温度、
Ｑｓｔ[Ｗ]：ステータコイルの発熱量、
Ｍｓｔ［Ｗ／℃］：ステータコイルの熱の伝わりやすさ、
Ｔｏｉｌ［℃］：モータ冷却油の温度、
Ｒ１［℃／Ｗ］：ステータコイルとモータ冷却油との間の熱抵抗である。

次に、定常状態ではｔが無限大となるため、ｅｘｐ（−ｔ／Ｍｓｔ／Ｒ１）が無視できるほど小さくなり、ステータコイル温度Ｔｓｔは式２のように単純化される。

Ｔｓｔ＝Ｑｓｔ・Ｒ１＋Ｔｏｉｌ・・・（式２）
式２の右辺のＴｏｉｌを左辺に移すと、ステータコイルとモータ冷却油との温度差である式３が求まる。

Ｔｓｔ−Ｔｏｉｌ＝Ｑｓｔ・Ｒ１＝ΔＴ１・・・（式３）
式中、ΔＴ１［℃］：ステータコイルとモータ冷却油との温度差である。

次に、過渡状態におけるロータ磁石温度Ｔｒｔの関係式を式４に示す。

Ｔｒｔ＝Ｑｒｔ・Ｒ２｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｍｒｔ／Ｒ２）｝＋Ｔｓｔ・・・（式４）
式中、Ｔｒｔ[℃]：ロータ磁石温度、
Ｑｒｔ[Ｗ]：ロータ磁石の発熱量、
Ｍｒｔ［Ｗ／℃］：ロータ磁石の熱の伝わりやすさ、
Ｒ２［℃／Ｗ］：ステータコイルとロータ磁石との間の熱抵抗である。

定常状態ではｔが無限大となるため、ｅｘｐ（−ｔ／Ｍｒｔ／Ｒ２）が無視できるほど小さくなり、ロータ磁石温度Ｔｒｔは式５のように単純化される。

Ｔｒｔ＝Ｑｒｔ・Ｒ２＋Ｔｓｔ・・・（式５）
式５の右辺のＴｓｔを左辺に移すと、ロータ磁石とステータコイルとの温度差である式６が求まる。

Ｔｒｔ−Ｔｓｔ＝Ｑｒｔ・Ｒ２＝ΔＴ２・・・（式６）
式中、ΔＴ２［℃］：ステータコイルとロータ磁石との温度差である。式６を式３で割ると、ΔＴ２／ΔＴ１を得ることができ、式７に示すような式となる。

ΔＴ２／ΔＴ１＝Ｑｒｔ／Ｑｓｔ・Ｒ２／Ｒ１・・・（式７）
さらに、式７を変形してロータ磁石温度を求める式とすると、式８が得られる。

Ｔｒｔ＝Ｔｓｔ＋ΔＴ２＝Ｔｓｔ＋Ｑｒｔ／Ｑｓｔ・Ｒ２／Ｒ１・ΔＴ１
Ｔｒｔ＝Ｔｓｔ＋Ｑｒｔ／Ｑｓｔ・Ｒ２／Ｒ１・（Ｔｓｔ−Ｔｏｉｌ）・・・（式８）

ここで、ステータコイル温度Ｔｓｔとモータ冷却油温度Ｔｏｉｌは実測で求まり、Ｑｒｔ／Ｑｓｔ・Ｒ２／Ｒ１は、事前の測定により求めることが可能であるので、式８にてロータ磁石温度を求めることが可能となる。

図７には、実測による実験結果が示されている。本実験は、ロータ磁石の温度測定をモータシャフトに設けたスリップリングにより測定可能とする実験車を特別に製作して実験を行った。図７（Ｅ）にはモータ冷却油温度上昇に対するステータコイル温度上昇が比例関係であることが示され、さらに図７（Ｆ）には、ステータコイル温度上昇に対するロータ磁石温度上昇も比例関係となることが示されている。このことから、モータ冷却油温度上昇とロータ磁石温度上昇との間に所定の比例関係があることが確認できた。

図７（Ｇ）には、本実施形態における実測により求めたＴｓｔ，Ｔｒｔ，Ｔｏｉｌの温度からΔＴ２／ΔＴ１の値（図中、○印）を求め、さらに、Ｑｒｔ／Ｑｓｔ＊Ｒ２／Ｒ１は演算によって求め、図７（Ｇ）にプロットしている。また。図７（Ｇ）中、４０００ｒｐｍ付近（時速に換算すると例えば、約８０ｋｍ／ｈ）で増加している点は、ＰＷＭ制御における高周波ノイズがロータ磁石に影響して発熱量が増加したものであると考えられる。この実験結果より、ＰＷＭ制御と矩形波制御の変曲点付近の補正を行うことで、Ｒ２／Ｒ１は、例えば、約３．５の一定値として計算可能であることが実測により求められた。

次に、図３のロータ磁石温度計算における処理の流れを説明するために、最初に本処理で用いるマップデータを最初に説明する。図５（Ａ）にはステータコイル発熱マップ及び図５（Ｂ）にはロータ磁石発熱マップと、図６（Ｃ）にはロータ磁石熱減磁温度限界マップが示されている。

図５（Ａ）のステータコイル発熱マップにおける等高線状の発熱量は、図５（Ｂ）に示すロータ磁石発熱マップのほぼ１０倍を示している。また、図５（Ｂ）に示すロータ磁石発熱マップでは、上述したＰＷＭ制御と矩形波制御の変曲点を境にして不連続な発熱特性を示している。このようなことから、図６に示すロータ磁石熱減磁温度限界マップでは、５，０００ｒｐｍから１０，０００ｒｐｍの特性に同様の不連続な発熱特性となっている。

図６（Ｃ）に示したロータ磁石熱減磁温度限界マップには、モータの駆動に伴って発生する弱め磁界による熱減磁限界温度が１６０℃から２１０℃まで５段階で区切られており、回転数とトルクとの組み合わせによる各運転条件下において、ロータ磁石温度を熱減磁限界温度以下で動作させることが必要となる。

次に、図３を用いてロータ磁石温度の計算フローを説明する。ロータ磁石熱減磁限界温度を算出する為には、最初にロータ磁石温度を算出し（ステップＳ１）、次に、ロータ磁石熱減磁限界温度を算出する（ステップＳ２）。ステップＳ１において、図３に示すロータ磁石温度算出４１は、外部より指示されたトルク指令値と、レゾルバ１３で検出された回転数測定値と、により図５に示すステータコイル発熱マップ及びロータ磁石発熱マップから発熱量（Ｑｓｔ，Ｑｒｔ）を参照する。さらに、実験によって予め求められたＲ２／Ｒ１を用いることにより、上述した式８に代入してロータ磁石温度を算出する。

次に、ステップＳ２において、ロータ磁石熱減磁限界温度算出４２は、トルク指令値と、回転数測定値と、ステップＳ１で算出されたロータ磁石温度と、図６（Ｃ）に示すロータ磁石熱減磁温度限界マップと、に基づいて所定のトルクと回転数におけるロータ磁石熱減磁限界温度を読み取ることができる。

例えば、図６（Ｃ）に示す指令条件Ｍ１は、トルク１４０Ｎｍ，回転数８０００から１２０００ｒｐｍまでの加速指令である。この指令が入力された場合、同じトルクを出力させるロータ磁石温度は、８０００から９０００ｒｐｍまでは限界温度１９０℃までであるが、９０００から１１０００ｒｐｍでは限界温度１８０℃となり、１１０００から１２０００ｒｐｍでは１７０℃まで下がることになる。

ここで、仮にロータ磁石温度が１９０℃であった場合、指令条件Ｍ１は制限されて指令条件Ｍ２に示すように、回転数優先の場合は、トルクが９０Ｎｍまで下がる指令条件に補正される。同様に、トルク優先の場合は、回転数９０００ｒｐｍで回転数が制限されることになる。

図４には、ロータ磁石熱減磁保護制御の処理（以下、保護制御と略す。）の流れが示されている。最初に、図示しないメイン処理から保護制御が開始されると、ステップＳ１０においてロータ磁石温度を計算し、ステップＳ１２においてロータ磁石熱減磁限界温度を計算する。

ステップＳ１４において計算によって得られたロータ磁石温度が、回転数とトルクとの組み合わせによる熱減磁限界温度以下「Ｎｏ」であれば、通常の処理を実行する。もし、熱減磁限界温度を超えている場合には「Ｙｅｓ」の処理を実行するために、ステップＳ１６へ移る。ステップＳ１６では減磁しない許容トルク値を計算する。さらに、ステップＳ１８では、許容トルクまでトルク指令値を制限する又は回転数を制限することでロータ磁石温度の上昇を防ぎ、メイン処理に戻る。

以上、上述したように、本実施形態を用いると、複数のパラメータに基づき、ロータ磁石温度が演算されるので、精度の良いロータ磁石温度が推定でき、適切なモータ制御が可能となる。また、容易に測定可能な部位の温度からロータ磁石温度を算出するようにしたため、コンピュータの計算負荷を高めることなく、処理を実行できる。さらに、モータの制御方法が変わることで発生するロータ磁石の発熱を考慮して補正することで、予期せぬロータ磁石の発熱を防止することも可能となる。

なお、本実施形態では自動車用のモータ制御について説明したが、本実施形態は自動車用に限らず、鉄道車両用、ロボット用及び産業機器一般のモータに適応できることはいうまでもない。また、本実施形態の説明を容易にするため、詳細な数値を用いたが、これらの数値に限定するものではなく、モータ特性や制御条件等に応じて適切に設定されるものである。

本実施形態に係るモータを制御するモータ制御装置の構成を示す構成図である。 本実施形態に係るモータの熱モデルを説明する説明図である。 本実施形態に係るモータ磁石温度の計算フロー図である。 本実施形態に係るモータ磁石熱減磁保護制御のフローチャート図である。 本実施形態に係るステータコイル発熱マップ及びロータ磁石発熱マップの模式図である。 本実施形態に係るロータ磁石熱減磁温度限界マップの模式図である。 実測による実験結果図及び相関関係図である。

符号の説明

１０ モータ、１１ ステータ、１２ ロータ、１３ レゾルバ、１４，１５ 温度センサ、１６ ステータコイル、１７ モータ冷却油、２０ モータ制御装置、２１ ステータコイル温度アンプ、２２ モータ冷却油温度アンプ、２３ 車両制御部、２４ モータ制御部、３０ 電力供給部、３１ モータインバータ、３２ 昇圧コンバータ、３３ バッテリ、４１ ロータ磁石温度算出、４２ ロータ磁石熱減磁限界温度算出。

Claims (6)

1. 永久磁石を有するロータの同心円状外側に、ステータコイルを有するステータを、配置したモータを作動させ、永久磁石の温度を推定する磁石温度推定手段と、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御手段と、を含むモータ制御装置において、
   モータには、
   冷却液によってステータ外周を冷却する冷却手段と、
   冷却液の液温度を検出する液温検出手段と、
   ステータコイルの温度を検出するコイル温度検出手段と、
   が設けられ、
   磁石温度推定手段は、
   冷却液とステータコイルとの間の熱抵抗と、ステータコイルと永久磁石との間の熱抵抗と、の比である熱抵抗比と、ステータコイルと永久磁石との発熱比と、を予め求め、
   モータ運転時には、ステータコイル温度と、冷却液の液温度と、発熱比と、熱抵抗比と、に基づいて磁石温度を演算により求めることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   制御手段は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とを切り替えてモータを制御し、
   磁石温度推定手段は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とによる発熱比の変化に応じて演算することを特徴とするモータ制御装置。
3. 永久磁石を有するロータの同心円状外側に、ステータコイルを有するステータを、配置したモータを作動させ、モータの作動に伴い、発熱するステータコイルの温度を検出するコイル温度検出工程と、ステータ外周を冷却する冷却液の液温度を検出する液温検出工程と、発熱する永久磁石の温度を推定する磁石温度推定工程と、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御工程と、を含むモータ制御方法において、
   磁石温度推定工程は、
   冷却液とステータコイルとの間の熱抵抗と、ステータコイルと永久磁石との間の熱抵抗と、の比である熱抵抗比と、ステータコイルと永久磁石との発熱比と、を予め求め、
   モータ運転中は、ステータコイル温度と、冷却液の液温度と、発熱比と、熱抵抗比と、に基づいて磁石温度を演算により求めることを特徴とするモータ制御方法。
4. 請求項３に記載のモータ制御方法において、
   制御工程は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とを切り替えてモータを制御し、
   磁石温度推定工程は、ＰＷＭ制御と矩形波制御とによる発熱比の変化に応じて演算することを特徴とするモータ制御方法。
5. 永久磁石を有するロータの同心円状外側に、ステータコイルを有するステータを、配置したモータを作動させ、モータの作動に伴い、発熱するステータコイルの温度を検出するコイル温度検出ステップと、ステータ外周を冷却する冷却液の液温度を検出する液温検出ステップと、発熱する永久磁石の温度を推定する磁石温度推定ステップと、推定された磁石温度に基づいてモータを制御する制御ステップと、をコンピュータに実行させるモータ制御プログラムにおいて、
   磁石温度推定ステップは、
   冷却液とステータコイルとの間の熱抵抗と、ステータコイルと永久磁石との間の熱抵抗と、の比である熱抵抗比と、ステータコイルと永久磁石との発熱比と、を予め求め、
   モータ運転中は、ステータコイル温度と、冷却液の液温度と、発熱比と、熱抵抗比と、に基づいて磁石温度を演算により求めることを特徴とするモータ制御プログラム。
6. 請求項５に記載のモータ制御プログラムにおいて、
   制御ステップは、ＰＷＭ制御と矩形波制御とを切り替えてモータを制御し、
   磁石温度推定ステップは、ＰＷＭ制御と矩形波制御とによる発熱比の変化に応じて演算することを特徴とするモータ制御プログラム。

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