JP7632089B2 - Motor magnet temperature estimation method - Google Patents
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Description
開示する技術は、モータの磁石温度推定方法に関する。 The disclosed technology relates to a method for estimating the magnet temperature of a motor.
近年、ハイブリッド車、電気自動車など、電力を用いて走行する車両が増加している。通常、このような車両には、永久磁石同期モータ(単にモータともいう)が駆動源として搭載されている。そのモータでは、ロータに永久磁石(単に磁石ともいう)が設置されている。インバータによって制御された交流電流を、そのモータのステータに通電する。そうすることで変化する磁界の作用でロータが回転し、モータは駆動する。 In recent years, the number of vehicles that run on electricity, such as hybrid cars and electric cars, has been increasing. Typically, such vehicles are equipped with a permanent magnet synchronous motor (also simply called a motor) as a drive source. In such motors, a permanent magnet (also simply called a magnet) is installed on the rotor. An alternating current controlled by an inverter is passed through the stator of the motor. This causes the rotor to rotate due to the effect of the changing magnetic field, and the motor is driven.
モータが駆動すると、磁石は発熱する。そのため、長い時間、モータを連続して駆動すると、磁石は高温になる。それに対し、磁石の最大磁束は温度依存性がある。磁石の温度が所定の上限値を超えると、磁石の磁力は急激に低下し、低下した磁力は復帰しない。すなわち、磁石が不可逆的に減磁する。 When the motor runs, the magnet generates heat. Therefore, if the motor runs continuously for a long period of time, the magnet becomes hot. However, the maximum magnetic flux of the magnet is temperature dependent. When the temperature of the magnet exceeds a certain upper limit, the magnet's magnetic force drops sharply and the dropped magnetic force does not return to normal. In other words, the magnet becomes irreversibly demagnetized.
そのため、モータの駆動中は、その上限値を超えないように、磁石の温度を厳格に管理する必要がある。それには、磁石の温度を計測しなければならないが、ロータは回転している。温度センサなどを用いて、磁石の温度を直接的に計測することは困難である。 Therefore, while the motor is running, the magnet temperature must be strictly controlled so that it does not exceed the upper limit. To do this, the magnet temperature must be measured, but the rotor is rotating. It is difficult to directly measure the magnet temperature using a temperature sensor, etc.
そこで従来は、ステータの温度、誘起電圧などに基づいて、間接的な方法で、磁石の温度を推定することが行われている(例えば特許文献1)。 Therefore, conventionally, the magnet temperature has been estimated indirectly based on the stator temperature, induced voltage, etc. (for example, see Patent Document 1).
また、ここで開示する技術の応用例に関連する先行技術として、特許文献2がある。そこには、モータの温度、具体的には、コイルの過渡的な温度を推定する技術が開示されている。
Furthermore, prior art related to an application example of the technology disclosed here is
特許文献2にはまた、全状態オブザーバが用いられている、状態フィードバック制御のブロック図が開示されている。そして、システムである実際のモータのコイルの温度を実測して得られる実サーミスタ温度と、オブザーバであるシミュレーションモデルから出力される推定サーミスタ温度と、の誤差にフィードバックゲインを掛けて、シミュレーションモデルの入力に加算することで、推定サーミスタ温度を補正している。
フィードバックゲインには、予め決めた値が用いられている(段落0040)。 A predetermined value is used for the feedback gain (paragraph 0040).
推定値は、誤差が大きくなるおそれがある。従って、推定値に基づいて磁石の温度を管理する場合には、その誤差を考慮しなければならないので、磁石の温度は、上限値よりも過度に低い温度で管理せざるを得ない。その結果、現状では、モータは、その性能を十分に発揮できていない。磁石の温度の推定精度を向上させる必要がある。 There is a risk of a large error in the estimated value. Therefore, when managing the magnet temperature based on the estimated value, this error must be taken into consideration, and the magnet temperature must be managed at a temperature that is excessively lower than the upper limit. As a result, the motor is currently not able to perform to its full potential. There is a need to improve the accuracy of magnet temperature estimation.
その点、誘起電圧に基づく磁石の温度の推定は、比較的簡素な構造で実現できるし、比較的高い精度を得られる利点がある。一方、その推定方法は、即応性に欠ける不利がある。例えば、上述した特許文献1では、誘起電圧を検出するために、モータに流れる電流を「0」にしている。
In this regard, estimating the magnet temperature based on the induced voltage has the advantage that it can be achieved with a relatively simple structure and can provide relatively high accuracy. On the other hand, this estimation method has the disadvantage of lacking in responsiveness. For example, in the above-mentioned
モータに流れる電流を0にすると、モータが出力するトルクも0になる。しかも、モータに流れる電流が0になるまでには、ある程度の時間が必要である。そのため、特許文献1の推定方法は、モータがトルクを出力する時は使用できない。車両の減速期間に限って使用できる。すなわち、モータの運転状態によって制限を受けるので、即応性に欠ける。
When the current flowing through the motor is set to zero, the torque output by the motor also becomes zero. Moreover, it takes a certain amount of time for the current flowing through the motor to become zero. For this reason, the estimation method of
ここで開示する技術は、従来の誘起電圧に基づく推定方法を改良することにより、推定精度、即応性に優れたモータの磁石温度推定方法の実現を目指すものである。それにより、モータの運転状態に関係無く、磁石温度の高精度な推定を実現させる。 The technology disclosed here aims to realize a motor magnet temperature estimation method with excellent estimation accuracy and responsiveness by improving the conventional estimation method based on induced voltage. This makes it possible to realize highly accurate estimation of magnet temperature regardless of the operating state of the motor.
開示する技術は、磁極を構成する磁石がロータに設置されていて、ステータの複数のコイルに、インバータのスイッチング素子をオンオフ制御して形成される交流の電流を通電することによって回転するモータの、磁石温度推定方法に関する。そして、当該磁石温度推定方法は、次に示す各処理を実行する。 The disclosed technology relates to a magnet temperature estimation method for a motor in which magnets constituting magnetic poles are installed in a rotor, and which rotates by passing an AC current formed by controlling the on/off of switching elements of an inverter through multiple coils of a stator. The magnet temperature estimation method executes the following processes:
前記モータの運転中に、前記スイッチング素子をオフ制御することによって前記コイルへの通電を瞬断する。前記瞬断時における電流値である瞬断時電流値、および、前記瞬断過渡時における前記コイルの電圧値である過渡時コイル電圧値を取得する。前記瞬断後における前記コイルの電圧変化に基づいて立式された所定の数式と、前記瞬断時電流値および前記過渡時コイル電圧値とを用いて、誘起電圧を算出する。そして、算出した誘起電圧に基づいて前記磁石の温度を推定する。 While the motor is in operation, the switching element is controlled to turn off to momentarily interrupt the flow of current to the coil. An interruption current value, which is the current value at the time of the interruption, and a transient coil voltage value, which is the voltage value of the coil during the interruption transient, are obtained. An induced voltage is calculated using a predetermined formula formulated based on the voltage change in the coil after the interruption, and the interruption current value and the transient coil voltage value. The temperature of the magnet is then estimated based on the calculated induced voltage.
すなわち、この磁石温度推定方法によれば、瞬間的な停止(瞬断または瞬停)を行う。従って、モータが出力するトルクにほとんど影響しない。瞬断であれば、モータの運転状態に関係無く行える。車両の減速期間に限らず、加速期間でも行えるので、即応性に優れる。 In other words, this magnet temperature estimation method involves an instantaneous stop (momentary interruption or momentary power outage). Therefore, it has almost no effect on the torque output by the motor. A momentary interruption can be performed regardless of the operating state of the motor. It can be performed not only during deceleration periods of the vehicle, but also during acceleration periods, providing excellent responsiveness.
そして、その瞬断時に、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を取得し、これらと所定の数式とを用いて、誘起電圧を算出する。その数式は、瞬断後のコイルの電圧変化に基づいて立式されているため、その数式を用いることで、過渡後の誘起電圧の算出が可能になる。そして、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を実測し、その値をその数式に代入すれば、誘起電圧を算出できる。後は、算出した誘起電圧に基づいて磁石の温度を推定すればよい。 Then, at the time of the interruption, the current value at the interruption and the coil voltage value at the transient are acquired, and the induced voltage is calculated using these and a specified formula. This formula is formulated based on the change in coil voltage after the interruption, so by using this formula, it is possible to calculate the induced voltage after the transient. The current value at the interruption and the coil voltage value at the transient are then actually measured, and the values are substituted into the formula to calculate the induced voltage. After that, the magnet temperature can be estimated based on the calculated induced voltage.
従って、この磁石温度推定方法を適用すれば、モータの運転状態に関係無く、磁石温度の高精度な推定が可能になる。その結果、磁石の適切な温度管理が容易になるので、モータの性能を十分に発揮させることができ、燃料および/またはバッテリの消費を抑制できる。 Therefore, by applying this magnet temperature estimation method, it becomes possible to estimate the magnet temperature with high accuracy, regardless of the operating state of the motor. As a result, it becomes easier to properly manage the temperature of the magnet, allowing the motor to perform at its full potential and reducing fuel and/or battery consumption.
前記磁石温度推定方法はまた、前記コイルは、U相、V相、および、W相からなる3つのコイル群を構成しており、前記インバータは、前記コイル群の各々に、直流電源から供給される電力を制御して、位相が異なる交流の電流を通電するように構成されており、前記数式として次式を用いる、としてもよい。 The magnet temperature estimation method may also be such that the coils are configured into three coil groups consisting of U-phase, V-phase, and W-phase, the inverter is configured to control the power supplied from a DC power source to each of the coil groups to pass AC currents of different phases, and the following formula is used as the formula:
ここで、Vemf:誘起電圧、Vf:スイッチング素子と逆並列に接続されているダイオードの順方向電圧、V:直流電源の電圧、L:インダクタンス、i:電流、添え字のP1,P2,P3:U,V,Wの各相を特定する表示、ω:回転角速度、φ:P1に対応する相の瞬断時における電流の位相、R:直流電源の内部抵抗、Rl:瞬断時におけるスイッチング素子の抵抗、t:瞬断後の経過時間、である。 Here, V emf is induced voltage, V f is forward voltage of the diode connected inversely parallel to the switching element, V is voltage of the DC power supply, L is inductance, i is current, the subscripts P 1 , P 2 , P 3 are indications identifying the phases U, V, and W, ω is angular velocity of rotation, φ is phase of the current at the time of momentary interruption in the phase corresponding to P 1 , R is internal resistance of the DC power supply, R l is resistance of the switching element at the time of momentary interruption, and t is time elapsed after momentary interruption.
すなわち、この磁石温度推定方法に適用するモータは、いわゆる3相モータである。直流電源から供給される電力をインバータで交流の電流に変換してモータに通電する。従って、車載モータに好適な方法である。 In other words, the motor to which this magnet temperature estimation method is applied is a so-called three-phase motor. The power supplied from a DC power source is converted to AC current by an inverter and then passed through the motor. Therefore, this method is suitable for vehicle-mounted motors.
そして、ここで示す数式は、瞬断過渡時の等価回路モデルに基づいて立式された回路方程式であり、瞬断後の過渡状態を表現している。従って、この数式を用いて演算することで、誘起電圧の推定が可能になる。 The formula shown here is a circuit equation formulated based on an equivalent circuit model during a momentary interruption transient, and expresses the transient state after a momentary interruption. Therefore, by performing calculations using this formula, it is possible to estimate the induced voltage.
前記磁石温度推定方法はまた、前記数式として、次式を用いる、としてもよい。
Vemf=Ka・VP(t)+Kb・I0+Kc
ここで、VP(t):過渡時コイル電圧値、I0:瞬断時電流値、Ka,Kb,Kc:変数を含む所定の係数、である。
The magnet temperature estimation method may also use the following formula as the formula:
V emf = Ka・V P (t)+Kb・I 0 +Kc
Here, V P (t) is the coil voltage value during a transient state, I 0 is the current value during an instantaneous interruption, and Ka, Kb, and Kc are predetermined coefficients including variables.
ここで示す数式は、瞬断後の過渡状態を表現した回路方程式を一般化したものである。従って、この数式を用いて演算することで、比較的容易に誘起電圧の推定が可能になる。汎用性、利便性に優れる。 The formula shown here is a generalized circuit equation that expresses the transient state after a momentary interruption. Therefore, by performing calculations using this formula, it is possible to estimate the induced voltage relatively easily. It is highly versatile and convenient.
更に前記磁石温度推定方法はまた、前記所定の係数であるKa,Kb,および、Kcをデータ化することによってデータベースに記憶し、前記データベースを用いて誘起電圧を算出する、としてもよい。 Furthermore, the magnet temperature estimation method may also involve storing the predetermined coefficients Ka, Kb, and Kc in a database by digitizing them, and calculating the induced voltage using the database.
そうすれば、データベースを参照することで、係数が変数を含むことによる複雑な演算を簡略化できる。それにより、演算処理の負担を軽減でき、演算処理を高速化できる。 In this way, by referencing the database, it is possible to simplify complex calculations that occur when coefficients include variables. This reduces the burden of calculation processing and speeds up the calculation process.
前記磁石温度推定方法はまた、各相の前記コイルのインダクタンスLu,Lv,Lwとして、一定値Lを用いる、としてもよい。 The magnet temperature estimation method may also use a constant value L for the inductances Lu, Lv, and Lw of the coils of each phase.
そうすれば、インダクタンスを共通の値に定数化できるので、演算処理を簡略化できる。それにより、演算処理の負担を軽減でき、演算処理を高速化できる。 By doing so, the inductance can be made a common constant value, simplifying the calculation process. This reduces the burden on the calculation process and speeds up the calculation process.
前記磁石温度推定方法はまた、前記数式として、前記スイッチング素子のオフ制御時に、当該スイッチング素子に流れる漏れ電流を考慮しない、等価回路モデルに基づいて簡略化した数式を立式し、当該簡略化した数式を用いて誘起電圧を算出する、としてもよい。 The magnet temperature estimation method may also formulate a simplified formula based on an equivalent circuit model that does not take into account the leakage current flowing through the switching element when the switching element is turned off, and calculate the induced voltage using the simplified formula.
スイッチング素子をオフ制御した場合、実際には漏れ電流が存在する。従って、推定精度を優先すれば、その影響を考慮するのが好ましい。しかし、漏れ電流の影響を考慮して数式を立式すると、数式が複雑になり、演算処理の負担が大きくなる。それに対し、漏れ電流を考慮しない等価回路モデルに基づけば、簡略化した数式を立式することができる。その数式を用いることで、演算処理の負担を軽減でき、演算処理を高速化できる。 When the switching element is controlled to be off, leakage current actually exists. Therefore, if estimation accuracy is a priority, it is preferable to take this effect into consideration. However, formulating an equation taking the effect of leakage current into consideration makes the equation complicated and increases the burden of computational processing. In contrast, a simplified equation can be formulated based on an equivalent circuit model that does not take leakage current into consideration. Using this equation can reduce the burden of computational processing and speed up computational processing.
前記磁石温度推定方法はまた、電流の位相が90°となるタイミングで瞬断し、ωt=nπ(ωは回転角速度、tは瞬断後の経過時間、nは自然数)となるタイミングで2つの前記過渡時コイル電圧値を取得し、前記数式に前記2つの過渡時コイル電圧値を用いて差分を求めることにより、簡略化した数式を立式し、当該簡略化した数式を用いて誘起電圧を算出する、としてもよい。 The magnet temperature estimation method may also involve: an interruption occurs when the current phase is 90°; two transient coil voltage values are obtained when ωt = nπ (ω is the rotational angular velocity, t is the time elapsed after the interruption, and n is a natural number); a simplified equation is formulated by calculating the difference between the two transient coil voltage values in the equation; and the induced voltage is calculated using the simplified equation.
このようにして数式を立式することで、三角関数を含む項を省略できる。従って、複雑な数式が簡略化されるので、演算処理の負担を軽減でき、演算処理を高速化できる。 By formulating the formula in this way, terms containing trigonometric functions can be omitted. This simplifies the complex formula, reducing the burden of calculation processing and speeding up the calculation process.
前記磁石温度推定方法はまた、前記数式を構成している各項のうち、変数を含む少なくとも一部を、データ化することによってデータベースに記憶し、前記データベースを用いて誘起電圧を算出する、としてもよい。 The magnet temperature estimation method may also involve converting at least some of the terms constituting the formula, including variables, into data and storing them in a database, and then calculating the induced voltage using the database.
そうすれば、データベースを参照することで、変数を含む複雑な演算を簡略化できる。それにより、演算処理の負担を軽減でき、演算処理を高速化できる。 By doing this, complex calculations involving variables can be simplified by referencing the database. This reduces the burden of calculation processing and makes the processing faster.
開示する技術によれば、モータの運転状態に関係無く、磁石温度の高精度な推定が可能になる。その結果、磁石の適切な温度管理が容易になるので、モータの性能を十分に発揮させることができ、燃料および/またはバッテリの消費を抑制できる。 The disclosed technology enables highly accurate estimation of magnet temperature regardless of the operating state of the motor. As a result, proper temperature management of the magnet becomes easier, allowing the motor to perform at its full potential and reducing fuel and/or battery consumption.
以下、開示する技術の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎない。便宜上、開示する技術に関する数式は、明細書および図面の双方にて表示する。数式では共通の文字を用いる(図6に示す表を参照)。 Below, an embodiment of the disclosed technology is described in detail with reference to the drawings. However, the following description is merely exemplary in nature. For convenience, mathematical expressions related to the disclosed technology are shown in both the specification and the drawings. Common letters are used in the mathematical expressions (see the table in Figure 6).
<モータシステム>
図1に、開示する技術の適用に好適なモータシステム1の簡略図を示す。このモータシステム1は、ハイブリッド車、電気自動車などの、電力を利用した走行が可能な車両(電動車両)に搭載されている。モータシステム1は、駆動用のモータ2、インバータ3、モータコントロールユニット(MCU4)などで構成されている。
<Motor system>
1 shows a simplified diagram of a
モータ2は、永久磁石型の同期モータである。モータ2には、ロータ20およびステータ21が備えられている。ロータ20は、ステータ21の内側に配置されている。ロータ20はステータ21の外側に配置されていてもよいが、このモータ2は、インナーロータ型である。ロータ20の中心にシャフト22が固定されている。シャフト22は、ロータ20およびステータ21を収容しているモータケースに回転自在に軸支されている。シャフト22を介してモータ2の回転動力が出力される。つまりモータ2が駆動する。それにより、車両は走行する。
The
ロータ20の外周部分には、永久磁石23(単に磁石23ともいう)が設置されている。この磁石23により、ロータ20の磁極が構成されている。すなわち、ロータ20の外周部分に、周方向にS極とN極とが交互に等間隔で並ぶように、磁石23が配置されている。磁石23の個数、配置、形状などは、モータ2の仕様に応じて設定される。例えば、複数の板状の磁石23を設置してもよいし、複数の磁極を有する1つの環状の磁石23を設置してもよい。
A permanent magnet 23 (also simply referred to as magnet 23) is installed on the outer periphery of the
ステータ21は、ロータ20の周囲に、僅かな隙間(ギャップ24)を隔てて配置されている。ステータ21は、ステータコア21aと、複数のコイル25と、を有している。ステータコア21aの内側から放射状に張り出す複数のティースに電線を所定の順序で巻き掛けることで、複数のコイル25が形成されている。
The
ステータコア21aの形状、コイル25の個数、配置などは、モータ2の仕様に応じて設定される。このモータ2の場合、これらコイル25は、U相、V相、およびW相からなる3つのコイル群25U,25V,25Wを構成している。これらコイル群25U,25V,25Wの各々は、接続ケーブル26を介してインバータ3と接続されている。
The shape of the
インバータ3は、直流電源5と、給電ケーブル30を介して接続されている。直流電源5の具体例としては、例えば、定格電圧が50V以下の低電圧バッテリ、定格電圧が300V以上の高電圧バッテリなどを挙げることができる。直流電源5は、インバータ3に電力を供給する。
The
インバータ3はまた、MCU4とハーネス40を介して接続されている。MCU4は、プロセッサ、メモリ、インターフェイスなどのハードウエアと、制御プログラムなどのソフトウエアとで構成されている。そして、これらハードウエアおよびソフトウエアの組み合わせにより、MCU4には、機能的な構成として、インバータ制御部41、磁石温度推定部42、および、データベース43が設けられている。
The
インバータ制御部41は、インバータ3を制御することにより、モータ2を駆動する。磁石温度推定部42は、後述する所定の数式(回路方程式等)を用いて、磁石23の温度を推定する。データベース43には、インバータ3の制御および磁石23の温度の推定に用いられるデータが記憶されている。データの形式は様々であり、数値、数式、マップ、テーブルなど、用途に応じた形式でデータがデータベース43に記憶されている。インバータ制御部41および磁石温度推定部42は、必要に応じてこれらデータを使用する。
The
図2に、モータシステム1の電気回路を簡略化して示す。インバータ3には、公知のインバータ回路31が内蔵されている。インバータ3は、そのインバータ回路31により、直流電源5の電力を3相の交流の電流に変換し、モータ2のコイル群25U,25V,25Wの各々に通電する。それにより、ロータ20の磁極とステータ21のコイル群25U,25V,25Wの各々との間に、周期的に変化する磁界が形成される。その磁界の変化に伴ってロータ20およびシャフト22が回転し、モータ2が駆動する。
Figure 2 shows a simplified electrical circuit of the
直流電源5における、Rは内部抵抗を表し、Vは直流電圧を表している。インバータ3が内蔵するインバータ回路31は、U,V,Wの各相に対応した3つのアーム31aを有している。これらアーム31aは、直流電源5の高電圧(プラス)側および低電圧(マイナス)側の各々に、給電ケーブル30を介して接続されている。
In the
これらアーム31aの各々に、2つのスイッチング素子(上流側スイッチング素子33Uおよび下流側スイッチング素子33L)が直列に接続されている。スイッチング素子33U,33Lは、例えば、MOS-FET、IGBTなどの半導体スイッチである。アーム31aの各々にはまた、2つのダイオード34が、スイッチング素子33U,33Lの各々と逆並列に接続されている。これらダイオード34は、いわゆる還流ダイオードである。
Two switching elements (upstream switching element 33U and
上流側スイッチング素子33Uおよび下流側スイッチング素子33Lの各々の間に、モータ2の各相のコイル群25U,25V,25Wに連なる接続ケーブル26が接続されている。コイル群25U,25V,25Wの各々における、rは内部抵抗を表し、Lは各相のコイル25のインダクタンスを表している。インバータ回路31は、これらのスイッチング素子33U,33Lをオンオフ制御することによって交流の電流を形成し、モータ2の各相のコイル群25U,25V,25Wに通電する。
A
図2の上図は、モータ2の運転中における所定の状態を表している。ここでは、U相の上流側スイッチング素子33U、V相の下流側スイッチング素子33L、および、W相の下流側スイッチング素子33Lが、オン制御されている。一方、U相の下流側スイッチング素子33L、V相の上流側スイッチング素子33U、および、W相の上流側スイッチング素子33Uは、オフ制御されている。
The upper diagram in Figure 2 shows a specific state when the
それにより、破線の矢印で示すように、各相のコイル群25U,25V,25Wに電流が通電される。U相の接続ケーブル26を通じてモータ2に電流が流入し、V相およびW相の接続ケーブル26を通じてモータ2から電流が流出する(U相の電流が正、V相およびW相の電流が負)。インバータ制御部41は、所定のタイミングで各スイッチング素子33U,33Lをオンオフ制御する。そうすることにより、例えば、V相の電流が正、W相およびU相の電流が負となるように、各相の電流の流れが切り替わる。各相のコイル群25U,25V,25Wに、位相の異なる交流の電流が通電される。
As a result, current flows through the
図2の下図は、上図の状態から通電を遮断し、モータ2の運転を停止した時の状態を表している。すなわち、オン制御されていたU相の上流側スイッチング素子33U、V相の下流側スイッチング素子33L、および、W相の下流側スイッチング素子33Lがオフ制御されている。このとき、各相のコイル群25U,25V,25Wには誘起電力が発生し、破線の矢印で示すように、短時間、電流(誘導電流)が流れる。
The lower diagram in Figure 2 shows the state when the current is cut off from the state shown in the upper diagram and the operation of the
スイッチング素子33U,33Lをオフ制御する場合、理想的には、オンの状態からオフの状態に時間差無く切り替わる。しかし、実際には、オンの状態とオフの状態との間には過渡状態が存在する。図3に、スイッチング素子33U,33Lのオンオフ制御の前後における電流変化を示す。オフ制御はt0のタイミングである。
When switching
理想的なオフ制御では、破線で示すように、電流は、t0のタイミングで0になる。過渡状態は存在しない。それに対し、実際のオフ制御では、実線で示すように、t0のタイミングで電流は0にならずに、t0後の所定のタイミングで0になる(電流の立ち下がり)。すなわち、t0後にも一定の時間、電流が流れる。 In ideal off control, as shown by the dashed line, the current becomes zero at time t0. There is no transient state. In contrast, in actual off control, as shown by the solid line, the current does not become zero at time t0, but becomes zero at a specified time after t0 (current falling). In other words, the current continues to flow for a certain period of time after t0.
従って、実際のオフ制御の場合、モータ2の停止直後のモータシステム1における電流の流れは、図2の下図に破線の矢印で示す電流の経路に加え、実線の矢印で示す経路にも電流が流れる(この電流を「漏れ電流」ともいう)。
Therefore, in the case of actual off control, the current flow in the
<磁石温度の推定>
モータ2が駆動すると、磁石23は発熱する。そのため、長い時間、モータ2を連続して駆動すると、磁石23は高温になる。それに対し、磁石23の最大磁束は温度依存性がある。磁石23の温度(以下、磁石温度ともいう)が上昇すると、磁束密度が低下する。そして、磁石温度が所定の上限値を超えると、磁石23の磁力は急激に低下し、低下した磁力は復帰しない。すなわち、磁石23が不可逆的に減磁する。
<Magnet temperature estimation>
When the
そのため、モータ2の駆動中は、その上限値を超えないように、磁石23を厳格に温度管理する必要がある。それには、磁石温度を計測しなければならないが、磁石23は回転するロータ20に設置されている。従って、磁石温度を直接的に計測することは困難である。磁石温度は、間接的な方法で推測するしかない。
Therefore, while the
そこで、MCU4には、磁石温度推定部42が設けられている。磁石温度推定部42は、磁石23の磁束に起因する誘起電圧(単に誘起電圧ともいう)に基づいて磁石温度を推定する。誘起電圧と磁石温度との間には相関関係があるので、誘起電圧(詳細には誘起電圧の極大値等)を精度高く検知できれば、磁石温度も、高い精度で推定できる。
Therefore, the
しかし、従来の誘起電圧の検知方法は、モータ2を停止し、ある程度時間の経過を待つ必要がある。そのため、即応性に欠ける不利がある。
However, conventional methods for detecting induced voltage require stopping the
図4に、モータ2の停止直後、つまりコイル25への通電を停止した直後の、コイル25の電圧変化を例示する。モータ2はt0のタイミングで停止されている。実線のグラフGyが誘起電圧を、破線のグラフGzがコイル25に印加される端子電圧(誘起電圧と逆起電力とを合算した電圧)を、それぞれ表している。
Figure 4 shows an example of the voltage change in
上述したように、モータ2を停止すると、誘導電流が流れて、コイル25に逆起電力が発生する。それにより、モータ2の停止直後のコイル電圧は、逆起電力および誘起電圧の合算値となる。そして、時間が経過し、誘導電流が流れなくなって逆起電力が0になると(t1のタイミング)、コイル電圧は誘起電圧のみとなり、誘起電圧の検知が可能になる。
As described above, when
すなわち、従来の誘起電圧の検知方法は、t1以降のタイミングで誘起電圧を検知するため、モータ2の運転が制限される。例えば、モータ2の運転中に誘起電圧の検知を行うと、トルクを出力できない時間が生じる。それにより、トルクショックが発生し、車両は円滑に走行できない。車両の走行に悪影響を与えないためには、トルクを出力しない時間が確保できる時、例えば、車両の減速期間に限って使用できる。すなわち、従来の誘起電圧の検知方法は、モータ2の運転状態によって制限を受けるので、即応性に欠ける。
In other words, the conventional method of detecting induced voltage detects the induced voltage at a timing after t1, which limits the operation of
それに対し、磁石温度推定部42は、例えばt0からt2の間など、スイッチング素子33U,33Lをオフ制御することによってコイル25への通電を、瞬間的に停止(瞬断)する。瞬断によって通電を停止する時間は、例えば、10ミリ秒(ms)以下である。5ミリ秒以下が好ましい。そして、今回新たに立式した所定の回路方程式等の数式を用いて誘起電圧を推定する。
In response to this, the magnet
詳細には、瞬断時(t0かその前後のタイミング)における電流値(瞬断時電流値)と、瞬断過渡時(瞬断して定常状態になるまでの期間、t0からt1のタイミング)におけるコイル25の電圧値(過渡時コイル電圧値)とを実測することによって取得する。そして、これら瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を、所定の回路方程式(詳細には回路方程式から導出される解析解の式)に代入する。そうして、誘起電圧を推定する。
In detail, it is obtained by actually measuring the current value (current value during momentary interruption) at the time of momentary interruption (at or around t0) and the voltage value (coil voltage value during transient) of
つまり、モータ2の運転にほとんど影響しない程度の瞬間的な停止(瞬断)により、誘起電圧を検知する。コイル25への通電を瞬間的に停止するだけでよいので、モータ2が出力するトルクにほとんど影響しない。従って、モータ2の運転状態に関係無く、誘起電圧を検知できる。車両の減速期間に限らず、加速期間でも誘起電圧を検知できるので、即応性に優れる。
In other words, the induced voltage is detected by a momentary stop (instantaneous interruption) that has almost no effect on the operation of the
<回路方程式>
(基本回路方程式)
図5に、瞬断過渡時におけるモータシステム1の等価回路モデルを示す。この等価回路モデルは、図2に対応している。なお、図5を含め、以降の数式では共通の文字を用いる(図6に示す表を参照)。
<Circuit Equation>
(Basic circuit equation)
Fig. 5 shows an equivalent circuit model of the
すなわち、U相の電流が正、V相およびW相の電流が負の時に瞬断された場合を表している。V相またはW相が正の電流の時に瞬断された場合の等価回路モデルは、U相に対応している部分を、それぞれの相に置き換えるだけである。従って、便宜上、瞬断時に正の電流を通電していた相(瞬断時通電相ともいう)は、特に言及しない限り、U相であるものとして以降説明する。 That is, it represents a case where a momentary interruption occurs when the U-phase current is positive and the V-phase and W-phase currents are negative. In the equivalent circuit model where a momentary interruption occurs when the V-phase or W-phase has a positive current, the part corresponding to the U-phase is simply replaced with the respective phase. Therefore, for convenience, the phase that was carrying a positive current at the time of the momentary interruption (also called the current-carrying phase during momentary interruption) will be described hereafter as being the U-phase unless otherwise specified.
この図では、上述した漏れ電流も考慮されている。各相の誘起電圧Vemfは、簡略化して表示してある。各相の誘起電圧を正確に示せば、次のようになる。 This diagram also takes into account the leakage current mentioned above. The induced voltage Vemf of each phase is shown in a simplified manner. If the induced voltage of each phase were shown precisely, it would be as follows.
U相の誘起電圧:Vemf・sin(ωt)
V相の誘起電圧:Vemf・sin(ωt-2π/3)
W相の誘起電圧:Vemf・sin(ωt+2π/3)。
Induced voltage of U phase: V emf sin(ωt)
V-phase induced voltage: V emf sin(ωt-2π/3)
W-phase induced voltage: V emf · sin(ωt + 2π/3).
この等価回路モデルに基づいて、今回新たに回路方程式(基本回路方程式)を立式した。図7に、その基本回路方程式を、数式(1)として示す。この基本回路方程式は、瞬断後の過渡状態を表現しており、U相を瞬断時通電相とする基本回路方程式を示す。 Based on this equivalent circuit model, we have formulated a new circuit equation (basic circuit equation). Figure 7 shows the basic circuit equation as formula (1). This basic circuit equation expresses the transient state after an instantaneous interruption, and shows the basic circuit equation with U-phase as the current-carrying phase during an instantaneous interruption.
この基本回路方程式の解は、ラプラス変換により、解析的に求めることができる。基本回路方程式から得られる解析解の式を誘起電圧について整理し、簡略化すると、次の式で表すことができる。 The solution to this basic circuit equation can be analytically found using the Laplace transform. If the analytical solution equation obtained from the basic circuit equation is rearranged and simplified for the induced voltage, it can be expressed as the following equation.
Vemf=Ka・VP(t)+Kb・I0+Kc ・・・一般式(1)
ここで、VP(t)は、瞬断時通電相の過渡時コイル電圧値であり、I0は、瞬断時電流値である。なお、Ka,Kb,Kcは所定の係数である。Ka,Kb,Kcは、回路方程式の内容によって定まる係数であり、変数を含む。
V emf = Ka・V P (t)+Kb・I 0 +Kc ... General formula (1)
Here, Vp (t) is a transient coil voltage value of the energized phase at the time of the instantaneous interruption, and I0 is a current value at the time of the instantaneous interruption. Ka, Kb, and Kc are predetermined coefficients. Ka, Kb, and Kc are coefficients determined by the contents of the circuit equation and include variables.
すなわち、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を取得すれば、基本回路方程式を用いることによって、誘起電圧を推定できる。従って、基本回路方程式または基本回路方程式から得られる数式をMCU4に記憶すればよい。瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値は、インバータ3で実測することによって取得し、そのデータをMCU4に出力すればよい。そうすれば、MCU4は、誘起電圧を推定できるようになる。
In other words, if the current value during an instantaneous interruption and the coil voltage value during a transient are obtained, the induced voltage can be estimated by using the basic circuit equation. Therefore, the basic circuit equation or a formula obtained from the basic circuit equation can be stored in the
なお、基本回路方程式に対し、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を用いる代わりに、後述するように、瞬断時における瞬断時通電相のコイル電圧の傾きを用いて、誘起電圧を推定してもよい。 In addition, instead of using the current value during an interruption and the coil voltage value during a transient in the basic circuit equation, the induced voltage may be estimated using the slope of the coil voltage of the current-carrying phase during an interruption, as described below.
<基本回路方程式の簡略化>
基本回路方程式を用いた誘起電圧の推定は、誘起電圧を精度高く推定できるが、解析解の算出などにおいて、演算処理の負担が大きい。そのため、プロセッサは高性能が求められるし、高性能なプロセッサでも短時間で演算するのは難しい。従って、磁石温度を推定する度に、基本回路方程式それ自体を用いて誘起電圧を推定するのは、効率的ではない。
<Simplification of basic circuit equations>
Estimating the induced voltage using the basic circuit equations can estimate the induced voltage with high accuracy, but it places a heavy burden on the computational processing when calculating the analytical solution. This requires a high-performance processor, and even a high-performance processor has difficulty performing calculations in a short time. Therefore, it is not efficient to estimate the induced voltage using the basic circuit equations themselves every time the magnet temperature is estimated.
それに対し、実用上、誘起電圧の推定精度は、ある程度の誤差であれば許容できる場合も多い。また、モータ2の運転状態によっては、基本回路方程式を簡略化できる場合もある。従って、そのような場合は、上述した基本回路方程式を簡略化して用いるのが好ましい。演算処理の負担軽減、処理速度の高速化が図れる。そこで次に、基本回路方程式の簡略化手法について説明する。
In contrast, in practice, a certain degree of error in the estimation accuracy of the induced voltage is often tolerable. Also, depending on the operating state of the
(変数含有項のデータ化)
図7に示したように、基本回路方程式は、変数を含む項(変数含有項)を有している。例えば、誘導電流は瞬断過渡時に変化するので、変数である。そして、インダクタンスは、モータ2の回転角によって変化するし、コイル25の温度によっても変化する。従って、これらを考慮する場合は、インダクタンスも変数となる。スイッチング素子33U,33Lの抵抗も経時的に変化するので、これを考慮する場合は、スイッチング素子33U,33Lの抵抗も変数となる。
(Data conversion of variable-containing terms)
As shown in Fig. 7, the basic circuit equation has terms that include variables (variable-containing terms). For example, induced current is a variable because it changes during a momentary interruption transient. Inductance changes with the rotation angle of the
基本回路方程式を用いて演算する時に、変数が多いと、それだけ演算処理の負担が増大する。従って、実験等により、数値などへの置き換えが可能な変数については、予めデータ化してデータベース43に記憶するのが好ましい。変数含有項の全体をデータ化してもよいし、変数含有項の一部をデータ化してもよい。データの形式は、その用途に応じて適宜選択すればよい。
When performing calculations using basic circuit equations, the more variables there are, the greater the burden of calculation processing. Therefore, it is preferable to convert variables that can be replaced with numerical values, etc., through experiments, etc., into data in advance and store them in
(第1の簡略化回路方程式)
基本回路方程式は、漏れ電流が生じる実際のオフ制御を考慮して立式している。それに対し、図8の上段に示すように、スイッチング素子33U,33Lの抵抗Rlを無限大と仮定することで、漏れ電流が生じない理想的なオフ制御を表現することが可能になる。そして、そうすることにより、図5に示した等価回路モデルを簡略化できる。図8の中段に、その簡略化した等価回路モデル(簡略化等価回路モデル)を示す。
(First Simplified Circuit Equation)
The basic circuit equation is formulated taking into consideration the actual off control in which leakage current occurs. In contrast, as shown in the upper part of Fig. 8, by assuming that the resistance Rl of the switching
この簡略化等価回路モデルに基づいて回路方程式を立式することで、漏れ電流を考慮しない簡略化した回路方程式(第1の簡略化回路方程式)が得られる。図8の下段に、その第1の簡略化回路方程式を、数式(2)として示す。なお、数式(2)ではコイル25の抵抗rは簡略化のために考慮していない(考慮する場合は、RをR+2rに置き換えればよい)。
By formulating a circuit equation based on this simplified equivalent circuit model, a simplified circuit equation that does not take leakage current into account (first simplified circuit equation) is obtained. The first simplified circuit equation is shown in the lower part of Figure 8 as equation (2). Note that, for simplification, the resistance r of
(インダクタンスの定数化)
上述したように、インダクタンスは、モータ2の回転角、コイル25の温度などによって変化する。しかし、その変化の程度が実用上無視できる場合は、各相のコイル25のインダクタンスを定数化してもよい。具体的には、基本回路方程式または簡略化回路方程式において、図9の上段に示すように、各相のコイル25のインダクタンスLu,Lv,Lwとして、同じ一定値Lを用いる。
(Constant inductance)
As described above, the inductance changes depending on the rotation angle of the
その一例として、第1の簡略化回路方程式において、各相のコイル25のインダクタンスを定数化した式を、図9に数式(3)として示す。
As an example, the equation in which the inductance of the
(解析解の導出)
次に、この数式(3)に示す第1の簡略化回路方程式を用いて、解析解の導出について説明する。
(Derivation of analytical solution)
Next, the derivation of the analytical solution will be described using the first simplified circuit equation shown in Equation (3).
ラプラス変換により、数式(3)に示す第1の簡略化回路方程式から電流を導出する。そして、v=L・di/dtの関係から、U相のコイル電圧VU(t)を求める。それによって得られる解析解の式を、図9に数式(4)として示す。 The current is derived from the first simplified circuit equation shown in formula (3) by Laplace transformation. Then, the U-phase coil voltage VU(t) is found from the relationship v = L di/dt. The analytical solution obtained from this is shown in Figure 9 as formula (4).
数式(4)において、αは2R/3Lである。tは、瞬断後の経過時間である。数式(4)により、過渡時コイル電圧値を取得した時までの瞬断後の経過時間tを代入することにより、その過渡時コイル電圧値が算出できる。 In formula (4), α is 2R/3L. t is the time that has elapsed since the momentary interruption. The transient coil voltage value can be calculated by substituting the time that has elapsed since the momentary interruption, t, from the time that the transient coil voltage value was acquired, into formula (4).
なお、数式(4)は、数式(3)に示す第1の簡略化回路方程式を用いて導出した解析解である。従って、漏れ電流は考慮していない。漏れ電流を考慮する場合は、図10に数式(5)として示すように、数式(4)において、V等を置き換えた式を用いればよい。また、コイル25の内部抵抗rを考慮する場合には、RをR+2rに置き換えた式を用いればよい。
Note that equation (4) is an analytical solution derived using the first simplified circuit equation shown in equation (3). Therefore, leakage current is not taken into consideration. If leakage current is taken into consideration, an equation in which V and other factors are replaced in equation (4) can be used, as shown as equation (5) in FIG. 10. Furthermore, if the internal resistance r of
数式(4)を、更に誘起電圧Vemfについて解くと、図10に数式(6)で示す式が得られる。この式は、図10に数式(7)で示す式に、書き換えることができる。すなわち、上述した一般式(1)となる。ただし、ここでのKa,Kb,Kcは、数式(7)に付帯して示すものとなる。 When formula (4) is further solved for the induced voltage V emf , the formula shown in formula (6) in Fig. 10 is obtained. This formula can be rewritten as formula (7) in Fig. 10. That is, it becomes the above-mentioned general formula (1). However, Ka, Kb, and Kc here are shown as annexed to formula (7).
従って、瞬断時電流値と過渡時コイル電圧値とを取得し、過渡時コイル電圧値を取得した時までの瞬断後の経過時間tと共に、第1の簡略化回路方程式(詳細には、第1の簡略化回路方程式から導出される式)を用いることにより、誘起電圧を推定できる。 Therefore, the induced voltage can be estimated by acquiring the current value during the momentary interruption and the coil voltage value during the transient, and by using the first simplified circuit equation (more specifically, an equation derived from the first simplified circuit equation) together with the time t that has elapsed since the momentary interruption until the transient coil voltage value was acquired.
(検知タイミングの選択)
瞬断するタイミング、および、過渡時コイル電圧値を取得するタイミングを選択することで、回路方程式を簡略化できる。
(Selection of detection timing)
The circuit equation can be simplified by selecting the timing of the momentary interruption and the timing of acquiring the transient coil voltage value.
具体的には、電流の位相が90°となるタイミングで瞬断する。すなわち、瞬断時に通電しているU相の交流の電流が極大となるタイミングで瞬断する。そして、ωt=nπ(nは自然数)となるタイミングで、2つの過渡時コイル電圧値を取得する。そうして、回路方程式に2つの過渡時コイル電圧値を用いて差分を求める。そうすることにより、簡略化した回路方程式(第2の簡略化回路方程式)が立式できる。 Specifically, the interruption occurs when the phase of the current becomes 90°. In other words, the interruption occurs when the AC current flowing through the U-phase at the time of the interruption becomes maximum. Then, two transient coil voltage values are obtained when ωt = nπ (n is a natural number). The difference is then calculated using the two transient coil voltage values in the circuit equation. In this way, a simplified circuit equation (second simplified circuit equation) can be formulated.
図11に、電流の位相が90°となるタイミングで瞬断した場合における第1の簡略化回路方程式を、数式(8)として示す。電流の位相を90°とすることで、三角関数の項を簡略化できる(図9の数式(4)参照)。 Figure 11 shows the first simplified circuit equation as equation (8) when a momentary interruption occurs when the current phase is 90°. By setting the current phase to 90°, the trigonometric function terms can be simplified (see equation (4) in Figure 9).
更に、ωt=nπとなるタイミングで2つの過渡時コイル電圧値を取得して、数式(8)に示す式に、それら2つの過渡時コイル電圧値を用いて差分を求める。それによって立式される第2の簡略化回路方程式の一例を、図11に数式(9)として示す。このようにすることで、三角関数の項を消去できる。従って、回路方程式をよりいっそう簡略化できる。 Furthermore, two transient coil voltage values are obtained at the timing when ωt = nπ, and the difference is calculated using these two transient coil voltage values in the equation shown in formula (8). An example of the second simplified circuit equation thus formulated is shown in Figure 11 as formula (9). In this way, the trigonometric function terms can be eliminated. Therefore, the circuit equation can be further simplified.
なお、この手法を採用する場合、回転間隔を隔てた2点で過渡時コイル電圧値を取得する。そのため、モータ2の回転数が高くなるほど、短時間で誘起電圧を推定できる。従って、この手法は、モータ2が高回転で運転している場合に用いるのが効果的である。
When this method is used, the transient coil voltage value is obtained at two points separated by a rotation interval. Therefore, the higher the rotation speed of the
(瞬断時におけるコイル電圧の傾きに基づく誘起電圧の推定)
上述した回路方程式に、瞬断時における瞬断時通電相のコイル電圧の傾き(時間に対する変化量)を用いることによっても、誘起電圧を推定することができる。瞬断時のみを考慮し、過渡時を考慮しないので、短時間で誘起電圧を推定できる。
(Estimation of induced voltage based on the gradient of coil voltage during momentary interruption)
The induced voltage can also be estimated by using the gradient (amount of change with respect to time) of the coil voltage of the energized phase during an instantaneous interruption in the above circuit equation. Since only the instantaneous interruption is taken into consideration, and not the transient period, the induced voltage can be estimated in a short time.
ただし、この手法の場合、瞬断時にコイル電圧の傾きを実測する必要がある。従って、モータ2が低回転で運転している場合に用いるのが効果的である。
However, with this method, it is necessary to actually measure the slope of the coil voltage during a momentary interruption. Therefore, it is effective to use this method when
第1の簡略化回路方程式にこの手法を適用して立式した簡略化回路方程式(第3の簡略化回路方程式)を、図11に数式(10)として示す。t=0なので、式を簡略化できる。数式(10)を、更に誘起電圧Vemfについて整理すると、図11に数式(11)で示す式が得られる。従って、瞬断時におけるコイル電圧の傾きの実測値を用いることによっても、演算処理の負担軽減および高速化を実現しながら、誘起電圧を推定できる。 A simplified circuit equation (third simplified circuit equation) formulated by applying this method to the first simplified circuit equation is shown as formula (10) in Fig. 11. Since t = 0, the equation can be simplified. When formula (10) is further rearranged with respect to the induced voltage V emf , the equation shown in formula (11) in Fig. 11 is obtained. Therefore, even by using the actual measured value of the gradient of the coil voltage during an instantaneous interruption, the induced voltage can be estimated while reducing the burden of calculation processing and increasing the speed.
MCU4は、これらのような数式、つまり、基本回路方程式、簡略化回路方程式、または、これらから導出される式を、モータシステム1の仕様に応じて選択し、磁石温度推定部42またはデータベース43に記憶する。複数の数式を記憶してもよいし、1つの数式を記憶してもよい。
The
そして、その数式を構成している各項のうち、変数を含む部分は、予め実験等により、数値などに置き換えてデータ化し、そのデータをデータベース43に記憶するのが好ましい。そうすれば、誘起電圧を推定する際に、データベース43を用いることで、複雑な演算処理を簡略化、高速化できる。
Then, among the terms that make up the formula, it is preferable to convert the parts containing variables into numerical values or the like in advance through experiments or the like, and to store the data in
特に、上述した一般式(1)を、MCU4に記憶させるのが好ましい。そして、Ka,Kb,および、Kcの係数を、数値などに置き換えてデータ化し、これら係数のデータをテーブルなどの形式で、データベース43に記憶させる。
In particular, it is preferable to store the above-mentioned general formula (1) in the
そうすれば、誘起電圧を推定する際には、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を取得すれば、後は、データベース43から適当なデータ化した係数を抽出し、それらを一般式(1)に代入するだけで、誘起電圧を推定できるようになる。
In this way, when estimating the induced voltage, if the current value during the momentary interruption and the coil voltage value during the transient are obtained, the induced voltage can be estimated simply by extracting appropriate digitized coefficients from
<磁石温度の推定の具体例>
図12に、磁石温度を推定する処理の具体的な流れを例示する。MCU4(インバータ制御部41)は、インバータ3を制御することによって、モータ2の運転を瞬断する。そして、MCU4(磁石温度推定部42)は、その時の電流値、つまり瞬断時電流値を取得する(ステップS1)。
<Example of magnet temperature estimation>
A specific flow of the process for estimating the magnet temperature is illustrated in Fig. 12. The MCU 4 (inverter control unit 41) momentarily interrupts the operation of the
具体的には、オン制御しているスイッチング素子33U,33Lを瞬間的にオフ制御することにより、モータ2への通電を瞬間的に遮断(瞬断)する(図2参照)。瞬断するだけなので、モータ2が出力するトルクには、ほとんど影響しない。従って、モータ2の運転状態に関係無く、必要に応じて瞬断できる。モータ2の運転中は常時、または、モータ2の運転中の所定の期間、一定の間隔で瞬断してもよい。車両の減速期間に限らず、加速期間でも誘起電圧を検知できるので、即応性に優れる。
Specifically, the current to the
車両の場合、特に磁石温度が高くなるのは、加速期間であることが多い。そのときに磁石温度を推定できることは、磁石23の温度管理において効果的である。しかも、短時間で精度高く推定できる。必要な時に必要なだけ磁石温度を推定できる。従って、従来よりも、磁石23の適切な温度管理が容易になる。その結果、モータ2の性能を十分に発揮させることができるようになるので、燃料および/またはバッテリの消費を抑制できる。
In the case of a vehicle, magnet temperature is often particularly high during acceleration periods. Being able to estimate the magnet temperature at such times is effective in managing the temperature of the
なおこのとき、数式として第2の簡略化回路方程式を用いる場合は、上述した所定のタイミングで実施すればよい。また、数式として第3の簡略化回路方程式を用いる場合は、瞬断時にコイル電圧の傾きを実測して取得すればよい。 In this case, if the second simplified circuit equation is used as the formula, it is sufficient to carry out the above-mentioned predetermined timing. Also, if the third simplified circuit equation is used as the formula, it is sufficient to obtain the slope of the coil voltage by actually measuring it at the time of the momentary interruption.
MCU4は、瞬断すると、その過渡時の所定のタイミングでコイル電圧を取得する(ステップS2)。具体的には、MCU4(磁石温度推定部42)が、瞬断期間中に、瞬断時通電相のコイル電圧、つまり過渡時コイル電圧値を取得する。過渡時であれば、任意のタイミングで実施できる。
When an instantaneous interruption occurs, the
なおこのとき、数式として第2の簡略化回路方程式を用いる場合は、上述した所定のタイミングで2回実施すればよい。また、数式として第3の簡略化回路方程式を用いる場合は、この処理は不要である。 In this case, if the second simplified circuit equation is used as the formula, it is sufficient to perform this process twice at the specified timing described above. Also, if the third simplified circuit equation is used as the formula, this process is not necessary.
MCU4(磁石温度推定部42)は、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を取得すると、過渡時コイル電圧値を取得した時間と共に、数式にこれら値を用いて、誘起電圧を推定する(ステップS3)。用いる数式は、仕様に応じて適宜選択できる。基本回路方程式でもよいし、簡略化回路方程式でもよい。これらをベースに変更した数式であってもよい。数式として第3の簡略化回路方程式を用いる場合は、瞬断時電流値および瞬断時のコイル電圧の傾きの値を用いればよい。 When the MCU4 (magnet temperature estimation unit 42) acquires the current value during an instantaneous interruption and the coil voltage value during a transient, it estimates the induced voltage by using these values in a formula together with the time at which the coil voltage value during a transient was acquired (step S3). The formula to be used can be appropriately selected according to the specifications. It may be a basic circuit equation or a simplified circuit equation. It may also be a formula modified based on these. When the third simplified circuit equation is used as the formula, it is sufficient to use the current value during an instantaneous interruption and the value of the slope of the coil voltage during an instantaneous interruption.
なおこのとき、数式の変数を含む部分は、上述したように、極力、データ化してデータベース43に記憶しておくのが好ましい。そうすれば、誘起電圧を推定する際、磁石温度推定部42がデータベース43を用いることで、演算処理の負担を軽減でき、演算処理を高速化できる。
At this time, as described above, it is preferable to convert the part of the formula containing variables into data and store it in the
MCU4(磁石温度推定部42)は、誘起電圧を推定すると、誘起電圧と磁石温度との相関関係に基づいて、磁石温度を推定する(ステップS4)。誘起電圧と磁石温度との相関関係を特定するデータは、予め実験等によって求められ、データベース43に記憶されている。推定した誘起電圧を、そのデータと照合すれば、磁石温度を容易に推定できる。
After estimating the induced voltage, the MCU4 (magnet temperature estimation unit 42) estimates the magnet temperature based on the correlation between the induced voltage and the magnet temperature (step S4). Data specifying the correlation between the induced voltage and the magnet temperature is obtained in advance by experiments or the like and stored in the
このように、開示する技術を適用したモータシステム1によれば、瞬断過渡時の挙動を表したモータシステム1の等価回路モデルに基づいて、回路方程式を立式し、誘起電圧を推定する際に、その回路方程式または回路方程式から得られる数式を用いる。それにより、モータ2の運転中に瞬断し、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を実測するだけで、誘起電圧を検知できる。
In this way, according to the
従って、モータ2の運転状態に関係無く、磁石温度の高精度な推定が可能になる。その結果、磁石23の適切な温度管理が容易になるので、モータ2の性能を十分に発揮させることができ、燃料および/またはバッテリの消費を抑制できる。
This allows for highly accurate estimation of the magnet temperature regardless of the operating state of the
=磁石温度推定方法の応用例=
上述した磁石温度推定方法では、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を実測し、これらの値に基づいて磁石温度を推定する。その実測には、高感度な測定で高い精度が求められる。そのため、これら実測値、更には、これら実測値によって得られる誘起電圧、磁石温度などの、磁石温度の推定に関連した状態量には、様々なノイズが重畳する。ノイズは、磁石温度の推定精度に影響する。
=Application example of magnet temperature estimation method=
In the magnet temperature estimation method described above, the current value during an instantaneous interruption and the coil voltage value during a transient are actually measured, and the magnet temperature is estimated based on these values. Such measurements require high sensitivity and high accuracy. Therefore, various noises are superimposed on these actual measurements, as well as on state quantities related to the estimation of the magnet temperature, such as the induced voltage and magnet temperature obtained from these actual measurements. Noise affects the estimation accuracy of the magnet temperature.
ローパスフィルタ(LPF)を用いてノイズを処理(除去)することも考えられるが、精度を高めるとそれに伴って応答性が低下する。そのため、LPFによるノイズ処理で精度を確保するためには、ある程度、長い時間を要する。従って、極短時間で磁石温度を推定する場合、それに対応した応答性と精度を両立できない。そのため、瞬断による磁石温度推定でのノイズの処理に、LPFを用いるは好ましくない。 It is possible to process (remove) noise using a low-pass filter (LPF), but increasing accuracy comes at the expense of reduced responsiveness. For this reason, ensuring accuracy through noise processing using an LPF requires a certain amount of time. Therefore, when estimating magnet temperature in an extremely short time, it is not possible to achieve both the appropriate responsiveness and accuracy. For this reason, it is not advisable to use an LPF to process noise in magnet temperature estimation due to momentary interruptions.
特に、モータ2が車載されている場合、ノイズは多種多様である。ノイズによっては、その振れ幅も大きく異なる。そのようなノイズが重畳した状態量を用いて、磁石温度を推定すると、推定精度が低下して、磁石23を適切に温度管理できなくなるおそれがある。
In particular, when the
それに対し、この応用例では、オブザーバなどを適用することにより、瞬断による極短時間の磁石温度の推定であっても、応答性と精度とを両立しながら、ノイズを適切に処理できるように、磁石温度推定方法が工夫されている。 In contrast, in this application example, a magnet temperature estimation method is devised that uses an observer or the like to achieve both responsiveness and accuracy while also being able to properly process noise, even when estimating magnet temperature for an extremely short period of time due to a momentary interruption.
<応用例の概要>
図13の上図に、従来のオブザーバモデルのブロック図を示す。uは入力、xは状態量、yは出力である。A,B,C,Kの各々は、オブザーバモデルを構成する行列要素であり、Kはオブザーバゲインである。文字上の表示「^」は推定値を表している。1/sは積分要素である。
<Application Overview>
The block diagram of a conventional observer model is shown in the upper diagram of Figure 13. u is the input, x is the state quantity, and y is the output. A, B, C, and K are matrix elements that configure the observer model, and K is the observer gain. The notation "^" on the characters represents an estimated value. 1/s is an integral element.
ブロック図における破線L1の上側が、制御対象であるシステムに相当し、破線L1の下側が、状態量を推定するシミュレータ(オブザーバ)に相当する。システムの出力yとシミュレータの出力y^(推定値)との差、つまり推定誤差を、オブザーバゲインKに掛けて、シュミュレータにフィードバック(誤差フィードバック)する。それにより、状態量の推定誤差を収束させることが可能になる。そして、オブザーバゲインKの選択により、その収束の速さが調整できる。 The part above the dashed line L1 in the block diagram corresponds to the system to be controlled, and the part below the dashed line L1 corresponds to the simulator (observer) that estimates the state quantity. The difference between the system output y and the simulator output y^ (estimated value), i.e., the estimation error, is multiplied by the observer gain K and fed back (error feedback) to the simulator. This makes it possible to converge the estimation error of the state quantity. The speed of convergence can be adjusted by selecting the observer gain K.
すなわち、オブザーバゲインKを大きくするほど、状態量の推定誤差の収束を速くできる。従って、オブザーバゲインKは大きい方が好ましいが、オブザーバゲインKを大きくすると、ノイズが大きいような場合に、収束が不安定になる。そして、オブザーバゲインKを大きくし過ぎると、発散する。従って、オブザーバゲインKは、収束性および安定性を考慮して、適当な大きさに設定する必要がある。 In other words, the larger the observer gain K, the faster the convergence of the estimation error of the state quantity. Therefore, it is preferable to have a large observer gain K, but if the observer gain K is made large, the convergence becomes unstable when there is a lot of noise. Furthermore, if the observer gain K is made too large, divergence will occur. Therefore, the observer gain K needs to be set to an appropriate value taking into account convergence and stability.
そこで今回、図13の下図に示すように、入力uにより、オブザーバゲインKを予測的に変化できるように、オブザーバモデルを修正し、新たなオブザーバモデル(修正オブザーバモデル)を作成した。応用例の磁石温度推定方法では、この修正オブザーバモデルを利用して、磁石温度を推定する。 Therefore, this time, as shown in the lower diagram of Figure 13, we modified the observer model and created a new observer model (modified observer model) so that the observer gain K can be changed predictively based on the input u. In the magnet temperature estimation method of the application example, this modified observer model is used to estimate the magnet temperature.
<応用例の具体例>
図14に、応用例の磁石温度推定方法を適用した磁石温度推定システム420の構成を概略的に例示する。図14において破線L2で示す部分が、その磁石温度推定システム420の主体部分であり、これに修正オブザーバモデルが利用されている。磁石温度推定システム420は、第1磁石温度推定部421、第2磁石温度推定部422などで構成されている。Kは、オブザーバゲインに相当するフィードバックゲイン(補正係数)である。
<Specific examples of applications>
Fig. 14 shows a schematic configuration of a magnet
なお、このような磁石温度推定システム420の機能的な構成部分は、上述した磁石温度推定部42を拡張するようにして、MCU4に、ソフトウエアとして実装すればよい。
The functional components of the magnet
モータ2には、磁石23の推定に関連する状態量が入力される。インバータ3からモータ2に入力される状態量は、少なくとも電流、電圧を含む(詳細には、これらの位相、電力なども含む)。その状態量には、様々なノイズが重畳する。
State quantities related to the estimation of the
第1磁石温度推定部421は、上述した磁石温度推定部42に相当する。第1磁石温度推定部421は、そのような状態量を用いて、モータ2(実機)に基づいて磁石温度を推定する処理(第1の磁石温度推定処理)を実行する。
The first magnet
具体的には、第1磁石温度推定部421は、磁石温度推定部42と同様に、モータ2の運転中にコイル25への通電を瞬断し、インバータ3からモータ2に入力される状態量として、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を取得する。そして、上述した回路方程式などの数式と、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値とを用いて、誘起電圧を推定する。推定した誘起電圧に基づいて磁石温度を推定する。
Specifically, like the magnet
一方、第2磁石温度推定部422は、モータ2の熱モデルに基づいて磁石温度を推定する処理(第2の磁石温度推定処理)を実行する。熱モデルは、モータ2の実機に対応して設計された動的な熱伝達モデルである。熱モデルは、モータ2の仕様に応じて適宜設計することができる。
On the other hand, the second magnet
図15に、その熱モデルの一例を簡略的に示す。Pは、熱源を表している。熱源は、モータ2に入力される状態量(電流、電圧などの熱を発生させる状態量)である。熱源の単位は「W」である。Cmは、磁石23の熱容量「J/K」を表している。Csは、ステータ21の熱容量「J/K」を表している。HgおよびHcは、それぞれ熱伝達率「W/K」を表している。そして、Tcは、モータケースの温度「K」を表している。なお、Hgは、ロータ20とステータ21の間のギャップ24に相当する。
An example of the thermal model is shown in a simplified form in FIG. 15. P represents a heat source. The heat source is a state quantity (a state quantity that generates heat, such as a current or voltage) input to the
Tmは磁石23の温度「K」であり、Tsはステータ21の温度「K」である。磁石23およびステータ21の各々の熱容量には、磁石23の温度Tmおよびステータ21の温度Tsが入力される。このような動的な熱伝達モデルに基づいて、第2磁石温度推定部422は、磁石温度を推定する。
Tm is the temperature of the
図14に示すように、インバータ3からモータ2に電流等の状態量が入力される際に、その状態量に基づいて、第1の磁石温度推定処理では、回路方程式等を用いた演算によって誘起電圧が推定され、その誘起電圧に基づいて磁石温度が推定される。対して、第2の磁石温度推定処理では、その状態量に基づいて、熱伝達モデルを用いて演算することにより、磁石温度が推定される。
As shown in FIG. 14, when a state quantity such as current is input from the
そうして、第1の磁石温度推定処理で推定される磁石温度を第1推定値とし、第2の磁石温度推定処理で推定される磁石温度を第2推定値とし、これら第1推定値および第2推定値の差、つまり推定誤差が求められる。この推定誤差に応じて、第2の磁石温度推定処理に用いる状態量が、フィードバックゲインKで補正される(誤差フィードバック)。なお、第1推定値および第2推定値は、磁石温度に限らず、比較可能な推定値であればよい。 The magnet temperature estimated by the first magnet temperature estimation process is then set as a first estimated value, and the magnet temperature estimated by the second magnet temperature estimation process is set as a second estimated value, and the difference between the first and second estimated values, i.e., the estimation error, is calculated. In accordance with this estimation error, the state quantity used in the second magnet temperature estimation process is corrected by the feedback gain K (error feedback). Note that the first and second estimated values are not limited to magnet temperatures, and may be any comparable estimated values.
具体的には、推定誤差が、フィードバックゲインKに掛けられた後、第2の磁石温度推定処理に用いる状態量に加算される。このとき、フィードバックゲインKが推定誤差に対して適当な大きさであれば、推定誤差は速やかに収束していく。収束性および安定性の双方を確保できる。その結果、磁石温度を迅速に精度高く推定できる。 Specifically, the estimation error is multiplied by the feedback gain K and then added to the state quantity used in the second magnet temperature estimation process. At this time, if the feedback gain K is of an appropriate magnitude relative to the estimation error, the estimation error will converge quickly. Both convergence and stability can be ensured. As a result, the magnet temperature can be estimated quickly and accurately.
(ノイズの影響とその対策)
第1磁石温度推定部421では、上述したように、モータ2の運転中にコイル25への通電を瞬断し、インバータ3からモータ2に入力される状態量として、瞬断時電流値および過渡時コイル電圧値を取得する。これら状態量は、極短時間で精度高く実測しなければならないので、高感度な測定が求められる。
(The effects of noise and its countermeasures)
As described above, the first magnet
しかも、車両の走行中に磁石温度の推定を行う。そのため、その状態量には多種多様なノイズが重畳する。そのような多種多様なノイズが重畳した状態量を用いて、磁石温度を推定すると、ノイズの影響により、第1推定値の精度が低下する場合がある。第1推定値の精度が低下すると、推定誤差が増大する。それにより、フィードバックゲインKが、推定誤差に対して過大となり、誤差フィードバックが不適切な状態になるおそれがある。 Moreover, the magnet temperature is estimated while the vehicle is running. As a result, a wide variety of noises are superimposed on the state quantity. If the magnet temperature is estimated using a state quantity on which such a wide variety of noises are superimposed, the accuracy of the first estimated value may decrease due to the influence of the noise. If the accuracy of the first estimated value decreases, the estimation error increases. As a result, the feedback gain K may become excessively large relative to the estimation error, and the error feedback may become inappropriate.
そこで、この応用例では、上述したように、修正オブザーバモデルを利用して磁石温度を推定する。具体的には、磁石温度推定システム420が、状態量に重畳されるノイズを予測し、そのノイズに応じてフィードバックゲインKの大きさを変更する(いわゆるフィードフォワード補償に相当)。
Therefore, in this application example, as described above, the modified observer model is used to estimate the magnet temperature. Specifically, the magnet
(ノイズ)
磁石温度の推定において問題となるノイズは、インバータ3それ自体に起因して発生するノイズ(内在ノイズ)と、インバータ3の外部由来のノイズ(外在ノイズ)とに大別できる。内在ノイズは、その原因である内在ノイズ因子に基づいて予測できる。外在ノイズは、その原因である外在ノイズ因子に基づいて予測できる。
(noise)
Noise that becomes a problem in estimating the magnet temperature can be roughly divided into noise generated by the
内在ノイズ因子としては、特に、電力、電流、および、電圧が挙げられる。インバータ3の内部には、様々な電子部品が密集しており、大電流が流れる。そのため、インバータ3の内部での高感度な実測は、それらの影響を受け易い。インバータ3に入出力する電力等が大きくなると、それに伴ってノイズも大きくなる。
The inherent noise factors include power, current, and voltage, among others. Various electronic components are densely packed inside the
モータパワーも、内在ノイズ因子となり得る。すなわち、モータ2の出力が大きくなれば、それだけインバータ3に入出力する電力等も大きくなる。更には、モータパワーは、車両のアクセル開度に応じて変化するので、アクセル開度も、内在ノイズ因子となり得る。アクセル開度に基づくノイズの予測は、モータパワーに基づくノイズの予測よりも早いタイミングで予測できる。
Motor power can also be an inherent noise factor. In other words, the greater the output of the
変速機(トランスミッション)に対する変速指令も、内在ノイズ因子となり得る。すなわち、変速比が切り替わるタイミングなどにおいて、モータ2のトルクが変動する場合がある。トルクの変動は、インバータ3に入出力する電力等に影響する。インバータ3の内部の電子部品の経年劣化も、内在ノイズ因子となり得る。例えば、インバータ3のローパスフィルタの特性が変化すれば、ノイズに影響を与え得る。
Shift commands to the transmission can also be an inherent noise factor. That is, the torque of the
一方、外在ノイズ因子としては、車載されている電装品の電力が挙げられる。例えば、上述したモータシステム1には、インバータ3の他に、昇圧コンバータなどの電力ユニットが備えられている。これらに入出力する電力もノイズに影響を与え得る。
On the other hand, an example of an external noise factor is the power of electrical equipment installed in the vehicle. For example, the
補機系統(いわゆる鉛蓄電池による12Vの電圧系統)の電力も、外在ノイズ因子となり得る。補機系統もモータシステム1と電気的に接続されているので、その電力の大きな変動は、ノイズに影響を与え得る。例えば、パワーウインドウの作動時などは、比較的大きな電力が消費されるので、ノイズに影響を与え易い。
The power of the auxiliary system (a 12V voltage system using a lead-acid battery) can also be an external noise factor. Because the auxiliary system is also electrically connected to the
更に、車両は様々な環境を走行する。そのため、特定の環境に起因してノイズ(特定環境ノイズ)が発生する場合がある。例えば、電波塔の近辺など、強電界の環境下を車両が走行する場合があり得る。そのような場合、ノイズに影響を与え得る。従って、特定環境も外在ノイズ因子となり得る。 Furthermore, vehicles travel in a variety of environments. Therefore, noise (specific environmental noise) may occur due to a specific environment. For example, a vehicle may travel in an environment with a strong electric field, such as near a radio tower. In such cases, the noise may be affected. Therefore, the specific environment may also be an external noise factor.
このような内在ノイズ因子および外在ノイズ因子の中から、予測対象とされるノイズ因子が、適宜選択されて、磁石温度推定システム420に予め設定される。磁石温度推定システム420は、設定されているノイズ因子に基づいて、状態量に重畳されるノイズを予測する。そして、磁石温度推定システム420は、そのノイズに応じて、フィードバックゲインKを変更する。
From these internal and external noise factors, the noise factors to be predicted are appropriately selected and set in advance in the magnet
例えば、電力、電流、および、電圧は、インバータ3からモータ2に入力される状態量であり、直接的な内在ノイズ因子である。電力等が大きくなれば、それに応じてこれらに重畳するノイズは大きくなる。電力等が小さくなれば、それに応じてこれらに重畳するノイズは小さくなる。すなわち、電力等の大きさと、これらに重畳するノイズの大きさとの間には、正の相関関係がある。
For example, power, current, and voltage are state quantities input from the
従って、磁石温度推定システム420では、図14に示すように、インバータ3からモータ2に電力等が入力される時に、フィードバックゲインKを変更する。具体的には、電流および/または電圧が大きくなるほど、フィードバックゲインKが小さくなるように変更する。
Therefore, in the magnet
図16に、フィードバックゲインKと電流および電圧との対応関係を示す。K1は電流に対応したフィードバックゲイン(第1フィードバックゲイン)であり、K2は電圧に対応したフィードバックゲインである(第2フィードバックゲイン)。この応用例のフィードバックゲインKは、これら第1フィードバックゲインK1と第2フィードバックゲインK2との積で構成されている。 Figure 16 shows the correspondence between the feedback gain K and the current and voltage. K1 is the feedback gain corresponding to the current (first feedback gain), and K2 is the feedback gain corresponding to the voltage (second feedback gain). The feedback gain K in this application example is composed of the product of the first feedback gain K1 and the second feedback gain K2.
第1フィードバックゲインK1は、電流が大きくなるほど小さくなるように変更される。第2フィードバックゲインK2も、電圧が大きくなるほど小さくなるように変更される。電流の変化に対する第1フィードバックゲインK1の変化の比率、つまりグラフG1の傾きは、モータシステム1の仕様に応じて適宜設定される。同様に、電圧の変化に対する第2フィードバックゲインK2の変化の比率、つまりグラフG2の傾きも、モータシステム1の仕様に応じて適宜設定される。なお、これらグラフG1,G2は直線に限らず、曲線であってもよい。
The first feedback gain K1 is changed so that it becomes smaller as the current increases. The second feedback gain K2 is also changed so that it becomes smaller as the voltage increases. The ratio of the change in the first feedback gain K1 to the change in current, i.e., the slope of graph G1, is set appropriately according to the specifications of the
また、これらグラフG1,G2の傾きは異なっていても同じであってもよい。ただし、電圧に較べて電流は、大きなノイズが重畳し易いので、電圧よりも電流の方がグラフの傾きが大きいのが好ましい。このような対応関係を特定するテーブル等のデータが、MCU4のデータベース43に記憶され、磁石温度を推定する時に、必要に応じて用いられる。
The slopes of graphs G1 and G2 may be the same or different. However, since current is more susceptible to large noise superimposition than voltage, it is preferable that the slope of the graph for current is greater than that for voltage. Data such as a table specifying such a correspondence is stored in
図14に実線L3で示すように、磁石温度推定システム420に入力される状態量から、フィードバックゲインKを予測的に変更するので、状態量にノイズが重畳していても、誤差フィードバックを行う前に、その大きさに応じたフィードバックゲインKに変更できる。それにより、誤差フィードバックが適切に行える。状態量に大きなノイズが重畳していても、収束性および安定性を適切な状態で両立できる。その結果、磁石温度を迅速に精度高く推定できる。
As shown by the solid line L3 in FIG. 14, the feedback gain K is changed predictively based on the state quantity input to the magnet
予測対象とされるノイズ因子が電力等以外の場合も、ノイズに対する対処は、電力等の場合と同様である。すなわち、そのノイズ因子とノイズの大きさとの対応関係を特定するデータを、予め実験等により取得し、MCU4のデータベース43に記憶させる。
Even if the noise factor to be predicted is other than power, etc., the approach to noise is the same as for power, etc. In other words, data specifying the correspondence between the noise factor and the noise magnitude is obtained in advance by experiments, etc., and stored in the
そして、磁石温度を推定する時に、磁石温度推定システム420が、そのデータに基づいて状態量に重畳されるノイズを予測し、図14に二点鎖線L4で示すように、そのノイズに応じてフィードバックゲインKの大きさを変更するようにすればよい。
Then, when estimating the magnet temperature, the magnet
<応用例での磁石温度の推定の具体例>
図17に、応用例での磁石温度の推定に関する処理の流れを例示する。車両の運転が開始されて、モータ2の出力が要求されると、MCU4(インバータ制御部41)は、インバータ3を制御することによって、モータ2の運転を開始する(ステップS10)。
<Specific examples of magnet temperature estimation in application examples>
17 illustrates a process flow for estimating the magnet temperature in the application example. When the vehicle starts to drive and an output of the
そして、磁石温度の推定が要求されると、MCU4(磁石温度推定システム420)は、磁石温度の推定を行う(ステップS11)。上述したように、磁石温度の推定は、モータ2の運転状態に関係無く行える。
When magnet temperature estimation is requested, the MCU4 (magnet temperature estimation system 420) estimates the magnet temperature (step S11). As described above, magnet temperature estimation can be performed regardless of the operating state of the
磁石温度の推定を行う場合、MCU4は、第1の磁石温度推定処理および第2の磁石温度推定処理を実行する(ステップS12,S13)。MCU4はまた、上述したように、電力等に重畳するノイズを予測し、フィードバックゲインKの変更が必要か否かを判断する(ステップS14)。これらステップS12,S13,S14の各処理は、同時に並行して行うのが好ましい。 When estimating the magnet temperature, the MCU4 executes a first magnet temperature estimation process and a second magnet temperature estimation process (steps S12 and S13). As described above, the MCU4 also predicts noise superimposed on the power, etc., and determines whether or not the feedback gain K needs to be changed (step S14). It is preferable to perform the processes of steps S12, S13, and S14 simultaneously in parallel.
そして、フィードバックゲインKの変更が必要と判断すると、MCU4は、そのノイズの大きさに応じてフィードバックゲインKの大きさを変更する(ステップS15)。なおこのとき、電力等の大きさに応じてフィードバックゲインKの大きさを変更する場合は、上述したように、モータ2に入力される電力等の大きさに応じて変更すればよい。この場合、変更の必要性の判断は省略できる。予測されるノイズに応じてフィードバックゲインKの大きさが変更されるようにすればよい。一方、MCU4は、フィードバックゲインKの変更は必要ないと判断すると、そのまま次のステップS17に移行する。
If it is determined that the feedback gain K needs to be changed, the
MCU4はまた、第1の磁石温度推定処理および第2の磁石温度推定処理の実行により、推定誤差を取得する(ステップS16)。そして、MCU4は、取得した推定誤差、フィードバックゲインKを用いて、誤差フィードバックを行い、第2の磁石温度推定処理に用いる状態量を補正する(ステップS17)。 The MCU4 also acquires an estimation error by executing the first magnet temperature estimation process and the second magnet temperature estimation process (step S16). Then, the MCU4 performs error feedback using the acquired estimation error and feedback gain K, and corrects the state quantity used in the second magnet temperature estimation process (step S17).
そうすることにより、推定誤差は、安定して速やかに収束し、磁石温度が迅速かつ正確に推定される(ステップS18)。フィードバックゲインKは、ノイズの大きさに応じた適当な大きさに変更されているので、電力等に大きなノイズが重畳していたとしても、迅速かつ正確に磁石温度を推定できる。 By doing so, the estimation error converges stably and quickly, and the magnet temperature is estimated quickly and accurately (step S18). Because the feedback gain K is changed to an appropriate value according to the magnitude of the noise, the magnet temperature can be estimated quickly and accurately even if a large noise is superimposed on the power, etc.
MCU4はまた、推定した磁石温度を所定の閾値Tmと比較する(ステップS19)。閾値Tmは、磁石温度の上限値に近い値であり、MCU4のデータベース43に記憶されている。すなわち、磁石温度を迅速かつ正確に推定できるので、磁石温度の上限値に近い値での温度管理が可能になる。
The
その結果、推定した磁石温度が閾値Tmより大きいと判断すると、MCU4は、インバータ3の電流量を制限する(ステップS20)。そうすることで、磁石温度の上昇が抑制され、磁石温度が上限値に達するのを防止できる。
As a result, if it is determined that the estimated magnet temperature is greater than the threshold Tm, the
このように、開示する技術を適用した応用例のモータシステム1によれば、上述した瞬断による磁石温度推定方法に加えて、電力等に重畳するノイズを予測的に推定して適切に処理するので、極短時間での磁石温度の推定に対するノイズの影響を抑制できる。
In this way, according to the
従って、モータ2の運転状態に関係無く、磁石温度の、より高精度な推定が可能になる。その結果、磁石23の適切な温度管理が容易になるので、モータ2の性能を十分に発揮させることができ、燃料および/またはバッテリの消費を抑制できる。
This allows for more accurate estimation of the magnet temperature, regardless of the operating state of the
<実証試験>
開示する技術の効果を検証するために試験を行った。その試験では、所定の試験機を用い、そのモータにテレメータを装着することにより、磁石温度を実測できるようにした。
<Demonstration test>
A test was conducted to verify the effect of the disclosed technology. In the test, a specified testing machine was used and a telemeter was attached to the motor so that the magnet temperature could be measured.
試験では、モータを1000rpmで回転させ、その状態で、数msの瞬断を、ms単位の間隔で繰り返し行った。そして、その瞬断毎に、上述した磁石温度推定システム420を用いて磁石温度の推定を行った。なお、試験機であることから、問題となる大きなノイズは無い。従って、フィードバックゲインKの変更はない。その試験結果の概略を、図18に示す。
In the test, the motor was rotated at 1000 rpm, and in that state, short interruptions of several ms were repeated at intervals of ms. Then, for each short interruption, the magnet temperature was estimated using the magnet
図18に示す実測値のグラフは、磁石温度の実測値の経時変化を表している。そして、推定値のグラフが、磁石温度推定システム420によって推定された磁石温度の推定値の経時変化を表している。これらは秒単位の経時変化である。
The graph of actual measurements shown in FIG. 18 represents the change over time in the actual measured magnet temperature. The graph of estimated values represents the change over time in the estimated magnet temperature estimated by the magnet
これらグラフが示すように、推定値は実測値に次第に近づく傾向が認められた。そして、この実証試験での最大誤差は5℃程度であった。従って、開示する技術を用いることにより、モータの運転状態に関係無く、磁石温度の高精度な推定が可能になることが実証された。 As these graphs show, there was a tendency for the estimated values to gradually approach the actual measured values. Furthermore, the maximum error in this demonstration test was approximately 5°C. Therefore, it was demonstrated that the use of the disclosed technology makes it possible to estimate the magnet temperature with high accuracy, regardless of the operating state of the motor.
なお、開示する技術は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。 The disclosed technology is not limited to the above-described embodiments, but also includes various other configurations.
例えば、上述した実施形態では、車載のモータシステムを例示したが、開示する技術が適用できるモータシステムは、車載に限るものではない。 For example, in the above-described embodiment, an in-vehicle motor system is illustrated, but the motor systems to which the disclosed technology can be applied are not limited to in-vehicle motor systems.
上述した実施形態ではまた、基本回路方程式に所定の簡略化手法を適用した複数の簡略化回路方程式を示したが、これらは例示である。基本回路方程式に、説明した簡略化手法を適宜組み合わせることにより、例示した以外の簡略化回路方程式を立式できる。モータシステムの仕様に応じて、簡略化回路方程式を適宜選択すればよい。また、例示した式それ自体を用いなくてもよい。例示した式を適宜修正して用いてもよい。 In the above-described embodiment, multiple simplified circuit equations are shown by applying a specific simplification method to the basic circuit equation, but these are merely examples. By appropriately combining the simplification methods explained with the basic circuit equation, simplified circuit equations other than those shown as examples can be formulated. The simplified circuit equations can be appropriately selected according to the specifications of the motor system. In addition, the exemplified equations themselves do not have to be used. The exemplified equations may be appropriately modified before use.
応用例において列挙した内在ノイズ因子および外在ノイズ因子は、一例である。磁石温度の推定に関連した状態量に重畳するノイズの原因となるものであれば、ノイズ因子になり得る。 The intrinsic and extrinsic noise factors listed in the application examples are just examples. Anything that causes noise superimposed on the state quantities related to the estimation of the magnet temperature can be a noise factor.
1 モータシステム
2 モータ
3 インバータ
4 モータコントロールユニット(MCU)
5 直流電源
20 ロータ
21 ステータ
22 シャフト
23 磁石
24 ギャップ
25 コイル
26 接続ケーブル
30 給電ケーブル
31 インバータ回路
33U,33L スイッチング素子
34 ダイオード
41 インバータ制御部
42 磁石温度推定部
43 データベース
420 磁石温度推定システム
421 第1磁石温度推定部
422 第2磁石温度推定部
1
Claims (6)
前記コイルは、U相、V相、および、W相からなる3つのコイル群を構成し、前記インバータは、前記コイル群の各々に、直流電源から供給される電力を制御して、位相が異なる交流の電流を通電するように構成されており、
前記モータの運転中に、前記スイッチング素子をオフ制御することによって前記コイルへの通電を瞬断し、
前記瞬断時における電流値である瞬断時電流値、および、前記瞬断過渡時における前記コイルの電圧値である過渡時コイル電圧値を取得し、
前記瞬断後における前記コイルの電圧変化に基づいて立式された所定の数式と、前記瞬断時電流値および前記過渡時コイル電圧値とを用いて、誘起電圧を算出し、
算出した誘起電圧に基づいて前記磁石の温度を推定し、
前記数式として次式を用いる、磁石温度推定方法。
ここで、V emf :誘起電圧、V f :スイッチング素子と逆並列に接続されているダイオードの順方向電圧、V:直流電源の電圧、L:インダクタンス、i:電流、添え字のP 1 ,P 2 ,P 3 :U,V,Wの各相を特定する表示、ω:回転角速度、φ:P 1 に対応する相の瞬断時における電流の位相、R:直流電源の内部抵抗、R l :瞬断時におけるスイッチング素子の抵抗、t:瞬断後の経過時間、である。 A magnet temperature estimation method for a motor in which magnets constituting magnetic poles are installed in a rotor and rotated by passing AC current formed by controlling switching elements of an inverter through a plurality of coils of a stator, comprising the steps of:
the coils constitute three coil groups consisting of a U-phase, a V-phase, and a W-phase, and the inverter is configured to control power supplied from a DC power source to each of the coil groups to pass AC currents of different phases;
During operation of the motor, the switching element is turned off to momentarily cut off current to the coil;
Acquire an instantaneous interruption current value, which is a current value at the time of the instantaneous interruption, and a transient coil voltage value, which is a voltage value of the coil at the time of the instantaneous interruption transient,
Calculating an induced voltage using a predetermined formula established based on a voltage change in the coil after the instantaneous interruption, the instantaneous interruption current value, and the transient coil voltage value;
Estimating a temperature of the magnet based on the calculated induced voltage ;
A magnet temperature estimation method using the following formula as the formula :
Here, V emf is induced voltage, V f is forward voltage of the diode connected inversely parallel to the switching element, V is voltage of the DC power supply, L is inductance, i is current, the subscripts P 1 , P 2 , P 3 are indications identifying the phases U, V, and W, ω is angular velocity of rotation, φ is phase of the current at the time of momentary interruption of the phase corresponding to P 1 , R is internal resistance of the DC power supply, R l is resistance of the switching element at the time of momentary interruption, and t is time elapsed after momentary interruption.
前記モータの運転中に、前記スイッチング素子をオフ制御することによって前記コイルへの通電を瞬断し、
前記瞬断時における電流値である瞬断時電流値、および、前記瞬断過渡時における前記コイルの電圧値である過渡時コイル電圧値を取得し、
前記瞬断後における前記コイルの電圧変化に基づいて立式された所定の数式と、前記瞬断時電流値および前記過渡時コイル電圧値とを用いて、誘起電圧を算出し、
算出した誘起電圧に基づいて前記磁石の温度を推定し、
前記数式として、前記スイッチング素子のオフ制御時に、当該スイッチング素子に流れる漏れ電流を考慮しない、等価回路モデルに基づいて簡略化した数式を立式し、当該簡略化した数式を用いて誘起電圧を算出する、磁石温度推定方法。 A magnet temperature estimation method for a motor in which magnets constituting magnetic poles are installed in a rotor and rotated by passing AC current formed by controlling switching elements of an inverter through a plurality of coils of a stator, comprising the steps of:
During operation of the motor, the switching element is turned off to momentarily cut off current to the coil;
Acquire an instantaneous interruption current value, which is a current value at the time of the instantaneous interruption, and a transient coil voltage value, which is a voltage value of the coil at the time of the instantaneous interruption transient,
Calculating an induced voltage using a predetermined formula established based on a voltage change in the coil after the instantaneous interruption, the instantaneous interruption current value, and the transient coil voltage value;
Estimating a temperature of the magnet based on the calculated induced voltage;
A magnet temperature estimation method comprising: formulating a simplified formula based on an equivalent circuit model that does not take into account a leakage current flowing through the switching element when the switching element is controlled to be off; and calculating an induced voltage using the simplified formula .
前記モータの運転中に、前記スイッチング素子をオフ制御することによって前記コイルへの通電を瞬断し、
前記瞬断時における電流値である瞬断時電流値、および、前記瞬断過渡時における前記コイルの電圧値である過渡時コイル電圧値を取得し、
前記瞬断後における前記コイルの電圧変化に基づいて立式された所定の数式と、前記瞬断時電流値および前記過渡時コイル電圧値とを用いて、誘起電圧を算出し、
算出した誘起電圧に基づいて前記磁石の温度を推定し、
電流の位相が90°となるタイミングで瞬断し、
ωt=nπ(ωは回転角速度、tは瞬断後の経過時間、nは自然数)となるタイミングで2つの前記過渡時コイル電圧値を取得し、
前記数式に前記2つの過渡時コイル電圧値を用いて差分を求めることにより、簡略化した数式を立式し、当該簡略化した数式を用いて誘起電圧を算出する、磁石温度推定方法。 A magnet temperature estimation method for a motor in which magnets constituting magnetic poles are installed in a rotor and rotated by passing AC current formed by controlling switching elements of an inverter through a plurality of coils of a stator, comprising the steps of:
During operation of the motor, the switching element is turned off to momentarily cut off current to the coil;
Acquire an instantaneous interruption current value, which is a current value at the time of the instantaneous interruption, and a transient coil voltage value, which is a voltage value of the coil at the time of the instantaneous interruption transient,
Calculating an induced voltage using a predetermined formula formulated based on a voltage change in the coil after the instantaneous interruption, the instantaneous interruption current value, and the transient coil voltage value;
Estimating a temperature of the magnet based on the calculated induced voltage;
The current is interrupted at the timing when the phase of the current becomes 90°.
The two transient coil voltage values are obtained at a timing when ωt=nπ (ω is the rotational angular velocity, t is the elapsed time after the instantaneous interruption, and n is a natural number),
A magnet temperature estimation method comprising: formulating a simplified equation by calculating a difference between the two transient coil voltage values in the equation; and calculating an induced voltage using the simplified equation .
前記数式として、次式を用いる、磁石温度推定方法。
Vemf=Ka・VP(t)+Kb・I0+Kc
ここで、VP(t):過渡時コイル電圧値、I0:瞬断時電流値、Ka,Kb,Kc:変数を含む所定の係数、である。 2. The magnet temperature estimation method according to claim 1,
A magnet temperature estimation method using the following formula as the formula.
V emf = Ka・V P (t)+Kb・I 0 +Kc
Here, V P (t) is the coil voltage value during a transient state, I 0 is the current value during an instantaneous interruption, and Ka, Kb, and Kc are predetermined coefficients including variables.
前記所定の係数であるKa,Kb,および、Kcをデータ化することによってデータベースに記憶し、
前記データベースを用いて誘起電圧を算出する、磁石温度推定方法。 5. The magnet temperature estimation method according to claim 4,
The predetermined coefficients Ka, Kb, and Kc are converted into data and stored in a database;
A magnet temperature estimation method, comprising: calculating an induced voltage using the database.
各相の前記コイルのインダクタンスLu,Lv,Lwとして、一定値Lを用いる、磁石温度推定方法。 The magnet temperature estimation method according to claim 1 or 4,
A magnet temperature estimation method in which a constant value L is used as the inductances Lu, Lv, and Lw of the coils of each phase.
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