(57)【要約】【課題】容易にフィールドコイルの温度を推定することができる直流分巻モータの制御装置及びモータユニットを提供する。【解決手段】マイコン５０は、フィールドコイル２１とアーマチャ２２が並列接続された直流分巻モータ２０を制御する。マイコン５０は、ロータの回転停止状態においてフィールドコイル２１を通電状態にしたときのフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定するＣＰＵ５１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィールドコイルとアーマチャが並列接続された直流分巻モータを制御する直流分巻モータの制御装置であって、
ロータの回転停止状態において前記フィールドコイルを通電状態にしたときの前記フィールドコイルに印加する電圧又は前記フィールドコイルに流れる電流から前記フィールドコイルの温度を推定するフィールドコイル温度推定部を有することを特徴とする直流分巻モータの制御装置。
【請求項２】
前記フィールドコイル温度推定部は、ロータの回転停止状態において、前記フィールドコイルに流れる電流が一定のもとで前記フィールドコイルに印加する電圧から前記フィールドコイルの温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の直流分巻モータの制御装置。
【請求項３】
前記フィールドコイル温度推定部は、ロータの回転停止状態において、前記フィールドコイルに印加する電圧が一定のもとで前記フィールドコイルに流れる電流から前記フィールドコイルの温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の直流分巻モータの制御装置。
【請求項４】
前記フィールドコイル温度推定部は、前記フィールドコイルに印加する電圧又は前記フィールドコイルに流れる電流を複数回サンプリングして前記フィールドコイルの温度を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流分巻モータの制御装置。
【請求項５】
フィールドコイルとアーマチャが並列接続された直流分巻モータと、
直流電源と前記直流分巻モータとの間に設けられたドライブ回路と、
前記ドライブ回路を駆動して前記直流電源で前記フィールドコイル及び前記アーマチャを通電する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、ロータの回転停止状態において前記フィールドコイルを通電状態にしたときの前記フィールドコイルに印加する電圧又は前記フィールドコイルに流れる電流から前記フィールドコイルの温度を推定するフィールドコイル温度推定部を有することを特徴とするモータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流分巻モータの制御装置及びモータユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示のモータ温度推定装置においては、モータの損失を算出し、モータが停止している場合のロータ角度に基づいて各相の中から最も電流が多く流れる相を選択して、選択された相を流れる電流量に応じた値を有するように変換係数を設定し、損失に変換係数が乗じられた値に基づいて推定温度を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１０３９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、温度センサが備わっていない直流分巻モータにおいて、容易にフィールドコイルの温度を推定してその推定した温度に基づいて、例えば出力特性を設計通りのものにしたいという要求がある。
【０００５】
本発明の目的は、容易にフィールドコイルの温度を推定することができる直流分巻モータの制御装置及びモータユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための直流分巻モータの制御装置は、フィールドコイルとアーマチャが並列接続された直流分巻モータを制御する直流分巻モータの制御装置であって、ロータの回転停止状態において前記フィールドコイルを通電状態にしたときの前記フィールドコイルに印加する電圧又は前記フィールドコイルに流れる電流から前記フィールドコイルの温度を推定するフィールドコイル温度推定部を有することを要旨とする。
【０００７】
これによれば、ロータの回転停止状態においてフィールドコイルを通電状態にしたときのフィールドコイルに印加する電圧又はフィールドコイルに流れる電流から容易にフィールドコイルの温度を推定することができる。
【０００８】
また、直流分巻モータの制御装置において、前記フィールドコイル温度推定部は、ロータの回転停止状態において、前記フィールドコイルに流れる電流が一定のもとで前記フィールドコイルに印加する電圧から前記フィールドコイルの温度を推定するとよい。
【０００９】
また、直流分巻モータの制御装置において、前記フィールドコイル温度推定部は、ロータの回転停止状態において、前記フィールドコイルに印加する電圧が一定のもとで前記フィールドコイルに流れる電流から前記フィールドコイルの温度を推定するとよい。
【００１０】
また、直流分巻モータの制御装置において、前記フィールドコイル温度推定部は、前記フィールドコイルに印加する電圧又は前記フィールドコイルに流れる電流を複数回サンプリングして前記フィールドコイルの温度を推定するとよい。
【００１１】
上記課題を解決するためのモータユニットは、フィールドコイルとアーマチャが並列接続された直流分巻モータと、直流電源と前記直流分巻モータとの間に設けられたドライブ回路と、前記ドライブ回路を駆動して前記直流電源で前記フィールドコイル及び前記アーマチャを通電する制御装置と、を備え、前記制御装置は、ロータの回転停止状態において前記フィールドコイルを通電状態にしたときの前記フィールドコイルに印加する電圧又は前記フィールドコイルに流れる電流から前記フィールドコイルの温度を推定するフィールドコイル温度推定部を有することを要旨とする。
【００１２】
これによれば、ロータの回転停止状態においてフィールドコイルを通電状態にしたときのフィールドコイルに印加する電圧又はフィールドコイルに流れる電流から容易にフィールドコイルの温度を推定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、容易にフィールドコイルの温度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態における直流分巻モータの電気的構成図。
【図２】電流経路を説明するための電気的構成図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は作用を説明するための、回転速度、テストモード期間、アーマチャ電流Ｉａ、フィールド電流Ｉｆ、スイッチング素子Ｑ４のデューティを示すタイムチャート。
【図４】印加電圧と温度の関係を示す特性図。
【図５】温度に応じた出力マップを説明するための図。
【図６】アーマチャ電流Ｉａとフィールド電流Ｉｆとの関係を示す特性図。
【図７】アーマチャ電流Ｉａとフィールド電流Ｉｆとの関係を示す特性図。
【図８】印加電圧とフィールド電流の関係を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を、産業車両の油圧ポンプ駆動用の直流分巻モータに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、モータユニット１０は、フィールドコイル２１とアーマチャ２２を有する直流分巻モータ２０と、直流電源であるバッテリ３０でフィールドコイル２１及びアーマチャ２２を通電するためのドライブ回路４０と、直流分巻モータの制御装置としてのマイコン５０を備える。
【００１６】
直流分巻モータ２０は、ステータ側のフィールドコイル２１と、ロータ側のアーマチャ２２が並列接続されている。
直流分巻モータ２０と、直流電源であるバッテリ３０との間にドライブ回路４０が設けられている。ドライブ回路４０は、４つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を有する。バッテリ３０の正極と負極に繋がる正負の母線Ｌｐ，Ｌｎ間において、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とが直列接続されている。また、正負の母線Ｌｐ，Ｌｎ間において、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４とが直列接続されている。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４には、それぞれ、バイポーラトランジスタが用いられている。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４には、それぞれ、ダイオードＤが逆並列接続されている。
【００１７】
フィールドコイル２１の一端が正の母線Ｌｐに接続されている。フィールドコイル２１の他端がスイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との間に接続されている。
アーマチャ２２の一端が正の母線Ｌｐに接続されている。アーマチャ２２の他端がスイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との間に接続されている。
【００１８】
各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のベースはマイコン５０と接続されており、制御装置としてのマイコン５０によりドライブ回路４０を駆動して直流電源としてのバッテリ３０でフィールドコイル２１及びアーマチャ２２を通電することができるようになっている。詳しくは、マイコン５０によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のデューティを調整することにより直流分巻モータをチョッパ制御する。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とは反転動作する。つまり、一方がオンのとき他方がオフするように制御される。また、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４とは反転動作する。つまり、一方がオンのとき他方がオフするように制御される。
【００１９】
バッテリ３０の電圧が電圧センサ６０により検出され、測定結果がマイコン５０に送られる。
フィールドコイル２１と、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との間には、電流センサ６１が設けられ、電流センサ６１によりフィールドコイル２１に流れる電流が検出される。電流センサ６１による測定結果がマイコン５０に送られる。
【００２０】
図１に示すように、マイコン５０は、ＣＰＵ５１と、ＲＡＭ及びＲＯＭ等からなる記憶部５２と、を備える。記憶部５２には、制御するための種々のプログラムが記憶されている。マイコン５０は、各種処理のうち少なくとも一部の処理を実行する専用のハードウェア、例えば、特定用途向け集積回路：ＡＳＩＣを備えていてもよい。マイコン５０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ、ＡＳＩＣ等の１つ以上の専用のハードウェア回路、あるいは、それらの組み合わせを含む回路として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ、並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリを含む。メモリは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコード又は指令を格納している。メモリ、即ち、コンピュータ可読媒体は、汎用又は専用のコンピュータでアクセスできるあらゆるものを含む。
【００２１】
記憶部５２は、温度推定マップ５２ａ及び出力マップ５２ｂを有する。
直流分巻モータの制御装置としてのマイコン５０は、直流分巻モータ２０を制御する。マイコン５０は、ロータの回転停止状態においてフィールドコイル２１を通電状態にしたときのフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定する機能を有する。
【００２２】
具体的には、フィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１は、ロータの回転停止状態において、フィールドコイル２１に流れる電流が一定のもとでフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定することができる。
【００２３】
次に、作用について説明する。
まず、通常運転時について説明する。
図２に示すように、通常運転時においては、ＣＰＵ５１はスイッチング素子Ｑ４（及びスイッチング素子Ｑ３）のデューティを調整してフィールド電流Ｉｆを、バッテリ３０の正極→フィールドコイル２１→スイッチング素子Ｑ４→バッテリ３０の負極の経路で流す。この時流れる電流Ｉｆはスイッチング素子Ｑ４のデューティにより調整できる。
【００２４】
また同時に、ＣＰＵ５１はスイッチング素子Ｑ２（及びスイッチング素子Ｑ１）のデューティを調整してアーマチャ電流Ｉａを、バッテリ３０の正極→アーマチャ２２→スイッチング素子Ｑ２→バッテリ３０の負極の経路で流す。この時流れる電流はスイッチング素子Ｑ２のデューティにより調整できる。
【００２５】
このとき発生するトルクＴは、フィールド電流Ｉｆとアーマチャ電流Ｉａと係数ｋで規定できる。具体的には、Ｔ＝ｋ×Ｉｆ×Ｉａとなる。ここで、ｋの値はフィールドコイル２１の抵抗成分により決定され、抵抗成分は温度の関数である。よって、温度に応じてｋ値が決まる。即ち、フィールド電流Ｉｆとアーマチャ電流Ｉａの積（＝Ｉｆ×Ｉａ）が同じでも温度が変わるとｋの値が変化して出力トルクが変わってしまう。このように温度によりトルクが変わり、要求トルクよりも大きいトルクを発生させると効率の悪化を招く。
【００２６】
次に、上述した通常運転に先立ち行われるフィールドコイル２１の温度の推定処理について説明する。
ＣＰＵ５１は、図３（ａ）に示すようにロータの回転停止状態、即ち、回転速度がゼロの状態において、図３（ｂ）に示すようにテストモードを設定する。
【００２７】
ＣＰＵ５１は、図３（ｃ）に示すように、アーマチャ電流Ｉａを流すことなく、図３（ｄ）に示すように所定のフィールド電流Ｉｆを流す。具体的には、図３（ｅ）に示すようにスイッチング素子Ｑ４（及びスイッチング素子Ｑ３）を所望のデューティとすることにより一定のフィールド電流Ｉｆを流す。例えば、通常運転時にはアーマチャ電流は１００Ａ程度、フィールド電流は数Ａ〜数１０Ａであるが、テストモードではフィールド電流は数Ａで固定とする。
【００２８】
テストモードにおいても、図２に示すように、フィールドコイル２１の温度の推定処理におけるフィールド電流Ｉｆは、バッテリ３０の正極→フィールドコイル２１→スイッチング素子Ｑ４→バッテリ３０の負極の経路で流れる。
【００２９】
図４は記憶部５２の温度推定マップ５２ａを示す。図４において横軸に印加電圧をとり、縦軸に温度をとっており、電流一定の条件下において特性線Ｌ１を有する。特性線Ｌ１は、印加電圧が低いほど温度も低い値をとる。
【００３０】
ＣＰＵ５１は図４の温度推定マップでの特性線Ｌ１を用いてフィールドコイル２１の印加電圧からフィールドコイル２１の温度を推定する。
図３（ｄ）に示すように、ＣＰＵ５１は、フィールドコイル２１に流れる電流を複数回サンプリングしてフィールドコイル２１の温度を推定する。
【００３１】
詳しくは、電圧センサ６０によりバッテリ３０の電圧が検出されるとともに電流センサ６１によりフィールド電流Ｉｆが検出され、ＣＰＵ５１において所望のフィールド電流Ｉｆとなるようにスイッチング素子Ｑ４のデューティを調整する。このとき、バッテリ３０の電圧にデューティを乗算した値がフィールドコイル２１に印加する電圧となる。
【００３２】
このように、フィールドコイル２１に流れる電流が一定になった状態、即ち、電流安定状態になった後において、フィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定する。つまり、ロータの回転停止状態において、フィールドコイル２１に流れる電流が一定のもとでフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定する。
【００３３】
以下、詳しく説明する。
直流分巻モータの特性を決める一つの要素として温度がある。つまり、直流分巻モータは高温時と低温時で出力特性が変わる。
【００３４】
本実施形態では、直流分巻モータに温度センサが備わっていない。この場合でも、フィールド電流をテスト的に流して印加電圧と電流を測定することで直流分巻モータの温度を推定することができる。
【００３５】
図８に示すように、異なる温度において、フィールドコイル２１に流れる電流と印加電圧の関係は下記のようになる。
室温時と比較した場合、低温時はより電流が流しやすくなり、高温時はより電流が流れにくくなる。これは、導線の抵抗値が温度によって変化することに起因する。
【００３６】
また、直流分巻モータにおいては回転速度がゼロのとき、フィールド電流のみを流しても直流分巻モータを回転させることはない。直流分巻モータ停止時に温度推定用のテスト電流を定電流で短時間（図３（ａ）のｔ１〜ｔ２の期間）流すことによって現在の印加電圧と電流の関係から、フィールドコイル２１の内部抵抗値を推定することによって温度を求めることができる。
【００３７】
図４の特性線Ｌ１を用いて得た温度情報をもとに、各種適合値、即ち、特性線を複数用意することによって、温度センサレスで制御性の高いシステムを構築できる。具体的には、図５に示すように、温度に応じた出力マップを用意する。図６、図７には、出力マップの例を示す。
【００３８】
図６、図７において、横軸にアーマチャ電流Ｉａをとり、縦軸にフィールド電流Ｉｆをとっている。図５に示す温度毎の出力マップは、図６における、Ａ値とＢ値とＣ値とＤ値のうちの少なくとも一つが異なっている。Ａ値は、アーマチャ電流Ｉａが小さい時のフィールド電流Ｉｆの大きさを規定している。Ｂ値は、アーマチャ電流Ｉａが小さい時のフィールド電流Ｉｆを一定とする際のアーマチャ電流Ｉａの範囲を規定している。Ｃ値は、アーマチャ電流Ｉａが中程度の時のフィールド電流Ｉｆの立ち上がり角度を規定している。Ｄ値は、アーマチャ電流Ｉａが大きい時のフィールド電流Ｉｆの大きさを規定している。
【００３９】
図６、図７において、例えば、図６の特性線Ｌ１０と図７の特性線Ｌ１１とでは、Ａ値とＢ値とＣ値とＤ値が異なっている。
この温度推定結果により、意図せず直流分巻モータが高温になった時に電流を制限したりモータを停止させることができる。
【００４０】
このように、温度推定により直流分巻モータ出力適合値を変える（出力マップを複数用意する）ことにより、より効率のよいポイントで運転することができる。また、温度センサがない状態で運転を続けるとモータの過熱を招くが本実施形態では高温時の制限制御することができる。
【００４１】
従来では、温度センサが備わっていない直流分巻モータを制御する時、直流分巻モータの温度変化に対する制御補正や制限を加味せずに成り行きで出力している。これはシステム設計に安全性を加味した上でロバスト性を持たせているので、問題にはならない。本実施形態では、温度を推定することによって、過剰に安全性を重視した設計をしなくてもよく、より出力特性のばらつきを抑えることに貢献することができる。
【００４２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）フィールドコイル２１とアーマチャ２２が並列接続された直流分巻モータ２０を制御する直流分巻モータの制御装置としてのマイコン５０は、ロータの回転停止状態においてフィールドコイル２１を通電状態にしたときのフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定するフィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１を有する。よって、容易にフィールドコイルの温度を推定することができる。
【００４３】
（２）モータユニット１０の構成として、フィールドコイル２１とアーマチャ２２が並列接続された直流分巻モータ２０と、直流電源としてのバッテリ３０と直流分巻モータ２０との間に設けられたドライブ回路４０と、ドライブ回路４０を駆動して直流電源としてのバッテリ３０でフィールドコイル２１及びアーマチャ２２を通電する制御装置としてのマイコン５０と、を備え、マイコン５０は、ロータの回転停止状態においてフィールドコイル２１を通電状態にしたときのフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定するフィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１を有する。よって、容易にフィールドコイルの温度を推定することができる。
【００４４】
（３）具体的には、フィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１は、ロータの回転停止状態において、フィールドコイル２１に流れる電流が一定のもとでフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定する。よって、フィールドコイル２１の発熱を抑制しつつ温度を推定することができる。
【００４５】
（４）フィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１は、フィールドコイル２１に流れる電流を複数回サンプリングしてフィールドコイル２１の温度を推定する。
これにより、例えば、フィールドコイル２１に流れる電流を安定させた状態でフィールドコイル２１に印加する電圧を測定することにより、過渡状態ではなく定常状態での測定として、抵抗成分のみでオームの法則から温度を正確に推定することができる。
【００４６】
他にも、複数回サンプリングして複数回測定することにより、例えばその平均化する若しくは測定結果の確からしさ（測定結果の信頼度）に基づく重み付けする等により、より安定した測定を行うことができ、精度が上がる。これらの場合、測定結果と実際の温度との乖離具合に基づいて設定されることが好ましい。
【００４７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  フィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１は、ロータの回転停止状態において、フィールドコイル２１に流れる電流が一定のもとでフィールドコイル２１に印加する電圧からフィールドコイル２１の温度を推定した。これに代わり、フィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１は、ロータの回転停止状態において、フィールドコイル２１に印加する電圧が一定のもとでフィールドコイル２１に流れる電流からフィールドコイル２１の温度を推定してもよい。
【００４８】
要は、直流分巻モータの制御装置としてのマイコン５０は、ロータの回転停止状態においてフィールドコイル２１を通電状態にしたときのフィールドコイル２１に印加する電圧又はフィールドコイル２１に流れる電流からフィールドコイル２１の温度を推定するフィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１を有する構成とすればよい。
【００４９】
また、フィールドコイル温度推定部としてのＣＰＵ５１は、フィールドコイル２１に印加する電圧又はフィールドコイル２１に流れる電流を複数回サンプリングしてフィールドコイル２１の温度を推定すればよい。
【００５０】
○  フィールドコイル２１の印加電圧はバッテリ電圧とスイッチング素子Ｑ４のデューティから求めたが、これに代わり、フィールドコイル２１の両端電圧を検出するセンサを用いてフィールドコイル２１の印加電圧を直接求めてもよい。
【００５１】
○  産業車両の油圧ポンプ駆動用の直流分巻モータに具体化したが、直流分巻モータは産業車両の油圧ポンプ駆動用以外のものに具体化してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０…モータユニット、２０…直流分巻モータ、２１…フィールドコイル、２２…アーマチャ、３０…バッテリ、４０…ドライブ回路、５０…マイコン、５１…ＣＰＵ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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