JP6333772B2 - 同期電動機の温度推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の温度推定装置に関し、特に、ｄ相電流を変化させて端子間電圧等をモニタし、逆起電圧、巻線抵抗を推定することにより巻線の温度を推定する同期電動機の温度推定装置に関する。

同期電動機を制御するためには、同期電動機の温度を知ることが重要である。同期電動機の温度を推定する方法として、同期電動機の駆動中において、逆起電圧の低下割合により磁石温度を推定する方法が知られている。ここで、逆起電圧は、端子間電圧から電流により生じる電圧を減算することにより算出できる。あるいは、巻線抵抗の上昇割合により巻線温度を推定する方法が知られている。

また、内部温度測定手段により、同期電動装置の回転子の速度、３相の電圧及び電流を測定し、コイルの抵抗と磁石の磁束のための状態観測器を用いて同期電動装置の内部温度（コイルと磁石の温度）を求め、求めた内部温度に基づいて同期電動装置を診断、制御する同期電動装置の診断方法が知られている（例えば、特許文献１）。

また、ｎ点近似関数を用いてｑ軸インダクタンスＬ_qのモデルを求め、演算条件を満足しているかを演算し、演算可能信号が出力している場合のみ、電機子鎖交磁束モデルを演算し、電機子巻線温度モデルから求めた電機子巻線抵抗モデルに予め設定したモデルの主回路ケーブル抵抗を加えた電機子抵抗モデルを演算し、回転子の磁極位置モデル信号と回転子速度モデル信号の演算用のモータ定数を補正演算するモータ定数推定部を備え、電機子鎖交磁束のモデル誤差を抑制できる制御装置が知られている（例えば、特許文献２）。

特開２０１４−２３０４８６号公報 特開２００８−９２６４９号公報

しかしながら、ｑ軸インダクタンスＬ_qは電流による変化が大きいため、電流の変化により生じる電圧の算出が正確ではないという問題がある。また、磁石は回転子に装着され、回転するため、素子により温度を直接測定することも困難であるという問題がある。

本発明の一実施例に係る同期電動機の温度推定装置は、ｄ相電圧及びｑ相電圧を指令により増減させてｄ相電流を制御する電圧指令生成部と、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電圧及びｑ相電圧を取得する電圧取得部と、同期電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、ｄ相電流及びｑ相電流を検出する電流検出部と、同期電動機の巻線の温度を取得する巻線温度取得部と、取得した巻線温度から巻線抵抗を算出する巻線抵抗換算部と、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｑ相電圧の変化分、及び回転速度に基づいてｄ軸インダクタンスを算出するインダクタンス演算部と、ｑ相電圧、変化後のｄ相電流、回転速度、ｄ軸インダクタンス、ｑ相電流、及び巻線抵抗から逆起電圧定数を算出する逆起電圧定数演算部と、逆起電圧定数に基づいて同期電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定部と、を有することを特徴とする。

本発明の一実施例に係る同期電動機の温度推定装置によれば、温度の計算にｑ軸インダクタンスＬ_qを用いていないため、同期電動機の温度を精度よく推定でき、例えば、同期電動機の適切な過熱保護、及び出力の推定精度向上を図ることができる。

本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置の構成図である。 本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置において、ｄ相電流を変える前と変えた後におけるｄ相電流、ｑ相電流、回転速度、巻線抵抗、ｄ軸インダクタンス、及び逆起電圧定数と、端子間電圧ベクトルとの関係を表すグラフである。 本発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置の構成図である。 本発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係る同期電動機の温度推定装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

［実施例１］
まず、本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置について説明する。図１に本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置の構成図を示す。発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置１０１は、ｄ相電圧及びｑ相電圧を指令により増減させてｄ相電流を制御する電圧指令生成部１と、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電圧及びｑ相電圧を取得する電圧取得部２と、同期電動機の回転速度を検出する回転速度検出部３と、ｄ相電流及びｑ相電流を検出する電流検出部４と、同期電動機の巻線の温度を取得する巻線温度取得部５と、取得した巻線温度から巻線抵抗を算出する巻線抵抗換算部６と、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｑ相電圧の変化分、及び回転速度に基づいてｄ軸インダクタンスを算出するインダクタンス演算部７と、ｑ相電圧、変化後のｄ相電流、回転速度、ｄ軸インダクタンス、ｑ相電流、及び巻線抵抗から逆起電圧定数を算出する逆起電圧定数演算部８と、逆起電圧定数に基づいて同期電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定部９と、を有することを特徴とする。

図１に示した本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置について、詳細に説明する。三相交流電源３０からコンバータ２０へ三相交流電圧が入力され、コンバータ２０は直流電圧に変換して出力する。出力された直流電圧は平滑コンデンサ３１により平滑化された後、インバータ４０に入力されＰＷＭ制御されて同期電動機５０を駆動するための所望の周波数の交流電圧に変換される。同期電動機５０は被駆動体６０を駆動する。同期電動機５０に供給されるＵ相電流Ｉ_u、Ｖ相電流Ｉ_v、Ｗ相電流Ｉ_wは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流検出器４_u、４_v、４_wにより検出され、検出結果は電流検出部４に送信される。電流検出部４は、Ｕ相電流Ｉ_u、Ｖ相電流Ｉ_v、Ｗ相電流Ｉ_wから、ｄ相電流Ｉ_d及びｑ相電流Ｉ_qを算出する。

同期電動機５０は、巻線５５_u、５５_v、５５_wを備えた固定子５３を有する。さらに、同期電動機５０は、固定子５３の内側に、磁極５４ａ〜５４ｄを備え、中心軸５１を中心に回転する回転子５２を備えている。また、同期電動機５０の近傍には、同期電動機５０の回転角θを検出する回転角検出器７０が設置されている。検出された回転角θは回転速度検出部３に送信されて、回転角θを微分することにより回転速度ωが算出される。なお、駆動電流周波数から回転速度ωを算出するようにしてもよい。

同期電動機（モータ）制御装置１００は、ｑ相電流指令値生成部１２と、ｄ相電流指令値生成部１３と、駆動部１４と、電流検出部４と、を備えている。ｑ相電流指令値生成部１２は、上位制御装置２１から速度指令ω_comを取得し、回転速度検出部３からの回転速度ωを減算器１２ａで減算して差分Δωを算出する。差分ΔωはＰＩ制御部１２ｂに入力され、ｑ相電流指令Ｉ_qcomが出力される。

ｄ相電流指令値生成部１３は、メモリ９０に記憶されたｄ相電流値Ｉ_dkと回転速度検出部３からの回転速度ωに基づいて、ｄ相電流指令値Ｉ_dcomを出力する。

ｄ相電流指令Ｉ_dcomは駆動部１４内の減算器１４ａに入力される。減算器１４ａは、ｄ相電流指令Ｉ_dcomから電流検出部４からのｄ相電流Ｉ_dを減算して差分ΔＩ_dを出力する。出力されたΔＩ_dはＰＩ制御部１４ｃでｄ相電圧Ｖ_dに変換され、ｄ相電圧Ｖ_dは電圧指令生成部１に入力される。

ｑ相電流指令Ｉ_qcomは駆動部１４内の減算器１４ｂに入力される。減算器１４ｂは、ｑ相電流指令Ｉ_qcomから電流検出部４からのｑ相電流Ｉ_qを減算して差分ΔＩ_qを出力する。出力されたΔＩ_qはＰＩ制御部１４ｄでｑ相電圧Ｖ_qに変換され、ｑ相電圧Ｖ_qは電圧指令生成部１に入力される。

電圧指令生成部１は、ｄ相電圧Ｖ_d及びｑ相電圧Ｖ_qをＵ相電圧Ｖ_u、Ｖ相電圧Ｖ_v、Ｗ相電圧Ｖ_wに変換して、ＰＷＭ信号生成部１４ｆに出力する。ベクトル制御においてはｄ相電圧Ｖ_d及びｑ相電圧Ｖ_qを指令により増減させてｄ相電流Ｉ_d及びｑ相電流Ｉ_qを制御する。

電圧取得部（Ｖ_d、Ｖ_q、ΔＶ_d、ΔＶ_q取得部）２は、ＰＩ制御部１４ｃ及び１４ｄから、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電圧Ｖ_d及びｑ相電圧Ｖ_qを取得する。ｄ相電圧Ｖ_d及びｑ相電圧Ｖ_qの代わりにそれぞれの電圧の指令値を代用することも可能である。外部測定器により端子間電圧を直接観測出来れば、それをｓｉｎ、ｃｏｓに分離し、Ｖ_d、Ｖ_qとすることも可能である。ここで、ｑ軸の電流位相はベクトル制御においては当然に把握されているので、端子間電圧の位相とｑ軸の位相差を割り出して、ｓｉｎ、ｃｏｓとすることができる。

巻線温度取得部５は、同期電動機５０の巻線５５_u、５５_v、５５_wの温度Ｔ_cを取得する。巻線の温度Ｔ_cは、温度検出素子（図示せず）を巻線５５_u、５５_v、５５_wに設置することにより取得することができる。

巻線抵抗換算部（Ｒ換算部）６は、巻線温度取得部５から巻線温度Ｔ_cを取得し、巻線抵抗Ｒを算出する。

インダクタンス演算部（Ｌ_d演算部）７は、ｄ相電流をＩ_d1からＩ_d2に変化させたときのｄ相電流の変化分（Ｉ_d2−Ｉ_d1）、ｑ相電圧の変化分ΔＶ_q及び回転速度ωに基づいてｄ軸インダクタンスＬ_dを算出する。

逆起電圧定数演算部（Ｋ_v演算部）８は、ｑ相電圧Ｖ_q、変化後のｄ相電流Ｉ_d2、回転速度ω、ｄ軸インダクタンスＬ _d 、ｑ相電流Ｉ_q、及び巻線抵抗Ｒから逆起電圧定数Ｋ_vを算出する。

磁石温度推定部９は、逆起電圧定数Ｋ_vに基づいて同期電動機５０の磁石温度Ｔ_mを推定する。

次に、本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置の動作手順について、図２に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１においてｄ相電流Ｉ_dをＩ_d1からＩ_d2に変化させる。このとき、ｄ相電流を変える前と変えた後におけるｄ相電流、ｑ相電流、回転速度、巻線抵抗、ｄ軸インダクタンス、及び逆起電圧定数と、端子間電圧ベクトルとの関係を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。図３（ａ）及び（ｂ）において、Ｉ_d1、Ｉ_d2はｄ相電流（無効電流）、Ｉ_qはｑ相電流（トルク生成電流）、Ｒは巻線抵抗、Ｌ_qはｑ軸インダクタンス、Ｌ_dはｄ軸インダクタンス、ωは回転速度、Ｋ_vは逆起電圧定数である。

本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置においては、ベクトル制御を行う同期電動機が対象であって、以下の２つの条件が前提となる。
（前提条件１）Ｉ_d1からＩ_d2への変化は短時間で行われるため、変化の前後で巻線温度及び磁石温度は変わらない。
（前提条件２）Ｉ_d1からＩ_d2への変化におけるｄ軸インダクタンスＬ_dの変化量は小さい。

さらに、Ｉ_dの変化の前後でＫ_vω、Ｉ_dＲ，Ｉ_qωＬ_qは同じである必要がある。即ち、回転速度ωが同じであり、トルクも同じであるという条件が必要である。これは、例えば、外力がなく一定速度で回転している場合が該当する。この際、軸の動摩擦と釣り合うほぼ一定のトルクが出力されていると考えられる。

次に、ステップＳ１０２において、ｄ軸インダクタンスＬ_dを算出する。図３（ａ）及び（ｂ）からＩ_d2ωＬ_dとＩ_d1ωＬ_dとの差分がｑ相電圧の差分ΔＶ_qとなっている。従って、以下の式（１）が得られる。
ΔＶ_q＝Ｉ_d2ωＬ_d−Ｉ_d1ωＬ_d （１）
従って、式（１）を変形して、ｄ軸インダクタンスＬ_dは下記の式（２）から算出できる。
Ｌ_d＝△Ｖ_q／（Ｉ_d2−Ｉ_d1）ω （２）

また、ステップＳ１０３において、巻線温度を温度検出素子で読み取り、ステップＳ１０４において、巻線抵抗Ｒを下記の式（３）に従って換算する。
Ｒ＝Ｒ₁×（Ｔ₁＋２３４．５（銅固有の値））／（巻線温度＋２３４．５） （３）
ただし、Ｒ₁は温度Ｔ₁のときの巻線抵抗である。

次に、ステップＳ１０５において、逆起電圧定数Ｋ_vを算出する。図３（ｂ）から端子間電圧ベクトルのｑ軸成分であるＶ_qはＫ_vω＋Ｉ_qＲ＋Ｉ_d2ωＬ_dで与えられる。ただし、Ｉ_d2は図の矢印の向きを正にとっている。従って、Ｋ_vは下記の式（４）から算出することができる。
Ｋ_v＝（Ｖ_q−Ｉ_d2ωＬ_d−Ｉ_qＲ）／ω （４）

次に、ステップＳ１０６において、逆起電圧定数Ｋ_vを用いて磁石温度を推定する。即ち、逆起電圧定数Ｋ_vから磁束密度を算出し、磁石の温度特性から磁石温度を下記の式（５）に従って推定する。
α（Ｔ−Ｔ₁）＝ １ − (Ｋ_v ／ Ｋ_v1） （５）
ただし、αは磁石の種類によって決まる定数、Ｔは推定温度、Ｋ_v1は温度Ｔ₁(例えば２０℃)での逆起電圧定数である。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る同期電動機の温度推定装置によれば、ｄ相電流を変化させて端子間電圧等をモニタし、逆起電圧及び巻線抵抗を推定する際に、ｑ軸インダクタンスＬ_qを用いていないため、同期電動機の温度を精度よく推定でき、例えば、電動機の適切な過熱保護及び出力の推定精度向上を図ることができる。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置について説明する。図４に本発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置の構成図を示す。発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置１０２は、ｄ相電圧及びｑ相電圧を指令により増減させてｄ相電流を制御する電圧指令生成部１と、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電圧及びｑ相電圧を取得する電圧取得部２と、同期電動機の回転速度を検出する回転速度検出部３と、ｄ相電流及びｑ相電流を検出する電流検出部４と、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｄ相電圧の変化分から巻線抵抗を算出する巻線抵抗演算部１０と、巻線抵抗から同期電動機の巻線の温度を推定する巻線温度推定部１１と、ｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｑ相電圧の変化分、及び回転速度に基づいてｄ軸インダクタンスを算出するインダクタンス演算部７と、ｑ相電圧、変化後のｄ相電流、回転速度、ｄ軸インダクタンス、ｑ相電流、及び巻線抵抗から逆起電圧定数を算出する逆起電圧定数演算部８と、逆起電圧定数に基づいて同期電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定部９と、を有することを特徴とする。

本発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置１０２が、実施例１に係る同期電動機の温度推定装置１０１と異なっている点は、以下の点である。即ち、実施例１に係る同期電動機の温度推定装置１０１においては、巻線温度取得部５が同期電動機の巻線の温度を取得し、巻線抵抗換算部６が、取得した巻線温度から巻線抵抗を算出しているのに対して、実施例２に係る同期電動機の温度推定装置１０２においては、巻線抵抗演算部１０がｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｄ相電圧の変化分から巻線抵抗を算出し、巻線温度推定部１１が、巻線抵抗から同期電動機の巻線の温度を推定している点である。実施例２に係る同期電動機の温度推定装置１０２におけるその他の構成は、実施例１に係る同期電動機の温度推定装置１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

次に、本発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置の動作手順について、図５に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１において、ｄ相電流Ｉ_dをＩ_d1からＩ_d2に変化させる。このとき、ｄ相電流を変える前と変えた後におけるｄ相電流、ｑ相電流、回転速度、巻線抵抗、ｄ軸インダクタンス、及び逆起電圧定数と、端子間電圧ベクトルとの関係は実施例１において示した図３（ａ）及び（ｂ）と同様である。

次に、ステップＳ２０２において、巻線抵抗Ｒを算出する。巻線抵抗Ｒは図３（ａ）及び（ｂ）からΔＶ_d＝Ｉ_d2Ｒ−Ｉ_d1Ｒであるので、以下の式（６）で求められる。
Ｒ＝ΔＶ_d／（Ｉ_d2−Ｉ_d1） （６）

次に、ステップＳ２０３において、算出した巻線抵抗から同期電動機の巻線の温度を実施例１と同様に推定する。

次に、ステップＳ２０４において、ｄ軸インダクタンスＬ_dを算出する。ｄ軸インダクタンスＬ_dは上記の式（２）から算出できる。

次に、ステップＳ２０５において、逆起電圧定数Ｋ_vを算出する。Ｋ_vは上記の式（４）から算出することができる。

次に、ステップＳ２０６において、逆起電圧定数Ｋ_vを用いて磁石温度を推定する。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る同期電動機の温度推定装置によれば、実施例１に係る同期電動機の温度推定装置と同様に、ｄ相電流を変化させて端子間電圧等をモニタし、逆起電圧及び巻線抵抗を推定する際に、ｑ軸インダクタンスＬ_qを用いていないため、同期電動機の温度を精度よく推定でき、例えば、電動機の適切な過熱保護及び出力の推定精度向上を図ることができる。さらに、ｄ相電流及びｄ相電圧の検出値から巻線抵抗を算出し、これに基づいて巻線温度を推定しているため、巻線への温度検出用の素子の設置を省略することができる。

１ 電圧指令生成部
２ 電圧取得部
３ 回転速度検出部
４ 電流検出部
５ 巻線温度取得部
６ 巻線抵抗換算部
７ インダクタンス演算部
８ 逆起電圧定数演算部
９ 磁石温度推定部
１０ 巻線抵抗演算部
１１ 巻線温度推定部

Claims (2)

1. ｄ相電圧及びｑ相電圧を指令により増減させてｄ相電流を制御する電圧指令生成部と、
   ｄ相電流を変化させたときのｄ相電圧及びｑ相電圧を取得する電圧取得部と、
   同期電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、
   ｄ相電流及びｑ相電流を検出する電流検出部と、
   同期電動機の巻線の温度を取得する巻線温度取得部と、
   取得した巻線温度から巻線抵抗を算出する巻線抵抗換算部と、
   ｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｑ相電圧の変化分、及び前記回転速度に基づいてｄ軸インダクタンスを算出するインダクタンス演算部と、
   前記ｑ相電圧、変化後のｄ相電流、前記回転速度、前記ｄ軸インダクタンス、前記ｑ相電流、及び前記巻線抵抗から逆起電圧定数を算出する逆起電圧定数演算部と、
   前記逆起電圧定数に基づいて同期電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定部と、
   を有することを特徴とする同期電動機の温度推定装置。
2. ｄ相電圧及びｑ相電圧を指令により増減させてｄ相電流を制御する電圧指令生成部と、
   ｄ相電流を変化させたときのｄ相電圧及びｑ相電圧を取得する電圧取得部と、
   同期電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、
   ｄ相電流及びｑ相電流を検出する電流検出部と、
   ｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｄ相電圧の変化分から巻線抵抗を算出する巻線抵抗演算部と、
   前記巻線抵抗から同期電動機の巻線の温度を推定する巻線温度推定部と、
   ｄ相電流を変化させたときのｄ相電流の変化分、ｑ相電圧の変化分、及び前記回転速度に基づいてｄ軸インダクタンスを算出するインダクタンス演算部と、
   前記ｑ相電圧、変化後のｄ相電流、前記回転速度、前記ｄ軸インダクタンス、前記ｑ相電流、及び前記巻線抵抗から逆起電圧定数を算出する逆起電圧定数演算部と、
   前記逆起電圧定数に基づいて同期電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定部と、
   を有することを特徴とする同期電動機の温度推定装置。

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