(57)【要約】【課題】  本発明は、平衡状態だけでなく過渡状態も含めて、コイルや永久磁石の温度をより正確に推定し、推定した温度を用いてモータの制御特性を向上することを目的とする。  【解決手段】  永久磁石同期モータに対してパルス幅変調された電圧を印加し、前記永久磁石同期モータを駆動するインバータと、前記永久磁石同期モータの電流を検出する手段と、前記インバータが出力するパルス幅変調電圧を調整して前記永久磁石同期モータを駆動する制御器とを備えた永久磁石同期モータの制御装置において、前記制御器は、前記永久磁石同期モータの温度を演算する温度演算部を備え、該温度演算部は、前記永久磁石同期モータの各相コイルの温度と永久磁石の温度を演算し、前記温度演算部により演算された温度に基づいて、前記永久磁石同期モータを制御することで達成できる。【選択図】  図１
2015116021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期モータに対してパルス幅変調された電圧を印加し、前記永久磁石同期モータを駆動するインバータと、前記永久磁石同期モータの電流を検出する手段と、前記インバータが出力するパルス幅変調電圧を調整して前記永久磁石同期モータを駆動する制御器とを備えた永久磁石同期モータの制御装置において、
前記制御器は、前記永久磁石同期モータの温度を演算する温度演算部を備え、
該温度演算部は、前記永久磁石同期モータの各相コイルの温度と永久磁石の温度を演算し、
前記温度演算部により演算された温度に基づいて、前記永久磁石同期モータを制御することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置において、
前記温度演算部は、前記永久磁石同期モータの熱抵抗と熱容量からなる熱回路を用いて前記永久磁石同期モータの各相コイルの温度と永久磁石の温度を演算することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の永久磁石同期モータの制御装置において、
前記永久磁石同期モータの熱回路を複数の部位に分け、
前記熱抵抗および前記熱容量を、前記複数の部位にそれぞれ設定することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の永久磁石同期モータの制御装置において、
前記熱抵抗および前記熱容量を、前記永久磁石同期モータの各相コイル部、ステータ部、ハウジング部、磁石・ロータ部にそれぞれ設定することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置において、
前記制御器は、前記温度演算部で演算した前記永久磁石同期モータの永久磁石の温度に基づいて、前記永久磁石同期モータの電流指令を選択することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項６】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置において、
前記制御器は、前記温度演算部で演算した前記永久磁石同期モータの各相コイルの温度が閾値を超えないように、前記永久磁石同期モータの出力を制限することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項７】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置において、
前記永久磁石同期モータの雰囲気温度を測定する温度検出器を備え、前記制御器は、前記雰囲気温度を用いて、前記温度演算部で前記永久磁石同期モータの各相コイルの温度と永久磁石の温度を演算することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項８】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置において、
前記制御器は、前記温度演算部で演算した前記永久磁石同期モータの各相コイルの温度ならびに永久磁石の温度に基づいて、前記永久磁石同期モータの定数を演算し、前記定数を用いて前記永久磁石同期モータを制御することを特徴とした永久磁石同期モータの制御装置。
【請求項９】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置を用いた、電動パワーステアリングシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置を用いた、電動倍力装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の永久磁石同期モータの制御装置を用いた、電動オイルポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石同期モータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期モータは、小形・高効率という特徴を活かし、家電、産業、自動車等、適用用途を拡大している。特に近年では、自動車分野においてシステムの電動化が進み、直流モータとともに適用用途が増えている。これら車載用途では、モータが使用される温度条件のレンジが、低温から高温まで幅広いことが特徴である。
【０００３】
温度によって変わる特性のうち主なものは、コイルの電気抵抗と、永久磁石の残留磁束密度である。温度が上がるほど、前者は増大、後者は低下し、その結果モータ定数が変化する。
【０００４】
永久磁石同期モータに対して、センサレス制御や弱め界磁制御などを行う際に、モータ定数を使用する手法が知られている。例えば、コイル鎖交磁束の計算に残留磁束密度を変数とした関数式を用いてモータを制御する技術が特許文献１に示されている。また、永久磁石温度に対するコイル鎖交磁束をテーブルから算出し、それに応じた弱め界磁電流指令値を用いてモータを制御する技術が特許文献２に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１０−１１６８１５号公報
【特許文献２】特開２００２−９５３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、モータの駆動制御に用いるコイル鎖交磁束の演算に、温度によって変化する永久磁石の残留磁束密度を用いているが、モータの温度を把握するために温度検出器が用いられている。しかし、回転する永久磁石の温度を検出するのは容易ではなく、その具体的手法は記載されていない。
【０００７】
特許文献２では、コイルに温度検出器を埋め込み、温度が平衡した状態ではコイルの温度と永久磁石の温度とがほぼ等しくなると仮定して、コイルの温度を永久磁石の温度とみなしている。しかし、温度が平衡していない過渡状態では永久磁石温度を正確に検出できず、また、温度が平衡した状態でも、コイルと永久磁石の温度が等しくなるとは限らない。
【０００８】
本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、平衡状態だけでなく過渡状態も含めて、コイルや永久磁石の温度をより正確に推定し、推定した温度を用いてモータの制御特性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、永久磁石同期モータに対してパルス幅変調された電圧を印加し、前記永久磁石同期モータを駆動するインバータと、前記永久磁石同期モータの電流を検出する手段と、前記インバータが出力するパルス幅変調電圧を調整して前記永久磁石同期モータを駆動する制御器とを備えた永久磁石同期モータの制御装置において、前記制御器は、前記永久磁石同期モータの温度を演算する温度演算部を備え、該温度演算部により演算された温度に基づいて、前記永久磁石同期モータを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、永久磁石同期モータのコイル温度および永久磁石の温度を、温度検出器を用いて直接計測することなく演算により算出し、モータ駆動時の温度をより正確に把握して、温度ごとに最適な制御を実現することができる。その結果、モータの出力や効率を向上させ、モータを小型化できる。また、材料の耐熱温度を超えそうな場合に、モータ駆動に制約を設けることで、コイルの焼損や永久磁石の不可逆減磁を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の永久磁石同期モータ制御装置のブロック図
【図２】永久磁石同期モータの断面図
【図３】永久磁石同期モータの断面図その２
【図４】本発明の熱回路図
【図５】本発明の熱回路による温度上昇計算結果と実測結果
【図６】本発明の実施例２の永久磁石同期モータ制御装置のブロック図
【図７】本発明の実施例３の永久磁石同期モータ制御装置のブロック図
【図８】コイル抵抗Ｒとコイル温度ＴCの関係
【図９】誘起電圧定数Ｋｅと磁石温度ＴMの関係
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態を以下に説明する。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明の第１の実施例について図１から図５を用いて説明する。本実施例では、永久磁石同期モータ制御装置の例として、位置検出器があり、電流指令テーブルを用いてトルク制御する場合について述べる。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施例に係る、永久磁石同期モータの制御装置のブロック図である。本実施例の制御装置は、モータにトルク指令τ＊を与えるトルク指令発生器１と、モータの交流印加電圧を演算し、パルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号と略）に変換して出力する制御器２と、このＰＷＭ信号により駆動されるインバータ３と、インバータ３に電力を供給する電源４と、制御対象である永久磁石同期モータ５（以下、ＰＭモータと略）と、ＰＭモータ５の回転子位置を検出する位置検出器６と、インバータ３がＰＭモータ５へ供給する電流Ｉｕを検出する電流検出器７ａと電流Ｉｗを検出する電流検出器７ｂと、を備える。
【００１５】
制御器２は、位置検出器６が検出したＰＭモータ５の永久磁石の位置から回転子の位相角θを演算する位相演算部２１と、検出した電流Ｉｕ，Ｉｗを、位相角θによって、モータの回転座標系において直交するｄ，ｑ各軸上の成分Ｉｄｃ，Ｉｑｃに座標変換するｄｑ座標変換部２２と、位相角θからＰＭモータ５の回転角速度ωを演算する速度演算部２３と、検出した電流Ｉｕ、ＩｗからＰＭモータ５の磁石温度ＴMおよびコイル温度ＴCを演算する温度演算部２４と、トルク指令τ*、回転角速度ω、磁石温度ＴM、コイル温度ＴCからｄ軸電流指令Ｉｄ*を発生するＩｄ指令発生部２５と、トルク指令τ*、回転角速度ω、磁石温度ＴM、コイル温度ＴCからｑ軸電流指令Ｉｑ*を発生するＩｑ指令発生部２６と、Ｉｄ*、Ｉｑ*、Ｉｄｃ、Ｉｑｃ、回転角速度ωからｄ軸電圧指令Ｖｄ*とｑ軸電圧指令Ｖｑ*を算出する制御部２７と、Ｖｄ*、Ｖｑ*を、位相角θによって、三相交流電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換するｄｑ座標逆変換部２８と、三相交流電圧指令に基づいて、インバータ３をスイッチ動作するためのＰＷＭ信号を発生させるＰＷＭ信号発生部２９と、からなる。
【００１６】
次に、本発明の特徴である温度演算部２４の動作を、図２から図５を用いて説明する。
【００１７】
図２は、永久磁石同期モータの軸方向（回転子の回転軸に平行な方向）に沿った断面図である。永久磁石同期モータは、ステータ５１と、その径方向内側に対向するロータ５２から構成され、両者の間にはエアギャップが存在する。ステータ５１は、ハウジング５３に固定され、ステータコア５４と、コイル５５と、コイルとステータコアを絶縁するためのボビン（図示せず）とを備えている。ロータ５２は、ロータコア５６と、ロータコア５６の外周側に配置された永久磁石５７と、ロータコア５６の内周側に配置されたシャフト５８とを備えている。シャフト５８はハウジング５３またはフランジ５９に固定されたベアリング６０に回転可能に支持される。
【００１８】
本実施例では、図３にハッチングで示したように、永久磁石同期モータを、コイル５５からなる各相コイル部、ステータコア５４からなるステータ部、ハウジング５３からなるハウジング部、ロータ５２とフランジ５９とからなる磁石・ロータ部の４つの部位に分ける。
【００１９】
図４は、本実施例における永久磁石同期モータの熱回路モデルである。図３に示した４つの部位に、熱抵抗と熱容量をそれぞれ設定し、各相コイルの発熱を電流源とする。
【００２０】
例えば、ハウジング部の雰囲気温度を雰囲気温度１（Ｔ1）、磁石・ロータ部の雰囲気温度すなわちフランジ側の雰囲気温度を雰囲気温度２（Ｔ2）とする。また、各相コイル部の熱容量をＣC、各相コイル部とステータ部との間の熱抵抗をＲCS、ステータ部の熱容量をＣS、ステータ部とハウジング部との間の熱抵抗をＲSH、ステータ部と磁石・ロータ部との間の熱抵抗をＲSM、ハウジング部の熱容量をＣH、ハウジング部とモータ外部との間の熱抵抗をＲH1、磁石・ロータ部の熱容量をＣM、磁石・ロータ部とモータ外部との間の熱抵抗をＲM2とする。
【００２１】
Ｕ相コイル温度をＴU、Ｖ相コイル温度をＴV、Ｗ相コイル温度をＴW、ステータ温度をＴS、ハウジング温度をＴH、磁石温度をＴMとする。
【００２２】
Ｕ相コイル発熱量をＱU、Ｖ相コイル発熱量をＱV、Ｗ相コイル発熱量をＱWとし、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルからステータ部への放熱量を、それぞれＱUS、ＱVS、ＱWSとし、ステータ部からハウジング部への放熱量をＱSHとし、ステータ部から磁石・ロータ部への放熱量をＱSMとし、ハウジング部からモータ外部への放熱量をＱH1とし、磁石・ロータ部からモータ外部への放熱量をＱM2とする。
【００２３】
図４の熱回路モデルに対し以下のように式を連立させ、各部位の温度を計算する。
各相コイル部：
2015116021.tif 000003
ここで，ｉ：Ｕ、Ｖ、Ｗであり、Ｉ：電流[Ａ]、Ｒ20：２０℃の電気抵抗[Ω]、α：導体抵抗の温度係数（銅の場合０．００３９３）である。
ステータ部：
2015116021.tif 000004
ハウジング部：
2015116021.tif 000005
磁石・ロータ部：
2015116021.tif 000006
各部位の温度上昇計算：
2015116021.tif 000007
ここで，ＱINPUT：該当部位への入力熱量であり、ＱOUTPUT：該当部位からの放熱量である。これをΔｔ[ｓ]ごとに順次繰り返すことで，ｔ[ｓ]における各部位の温度が算出される。
【００２４】
図５に、本実施例に述べた手法を用いて、永久磁石同期モータの各相コイル、永久磁石、およびハウジングの温度を算出した結果の例を、実測値と重ねて示す。点が実測値、線が計算値である。本計算例は、Ｕ相からＶ相とＷ相に直流電流を通電した結果であり、Ｖ相とＷ相の電流の大きさは、Ｕ相の１／２である。各部位の計算値は、実測値を過渡状態も含めて良好に再現できている。
【００２５】
本実施例では、算出した温度のうち、磁石温度ＴMと、各相コイル温度のうちの最大温度ＴCが出力され、Ｉｄ指令発生部２５およびＩｑ指令発生部２６に入力される。磁石温度ＴMは、磁石温度ごとにあらかじめ用意された電流指令テーブルの選択に用いられる。このように、磁石温度ごとに最適な電流指令を用いて制御することで、永久磁石同期モータの効率向上および出力向上を実現できる。
【００２６】
また、コイル温度ＴCをＩｄ指令発生部２５およびＩｑ指令発生部２６に入力し、コイル温度ＴCがコイル許容温度を超えないように、ｄ軸電流指令Ｉｄ*およびｑ軸電流指令Ｉｑ*の出力を制限する。このように、コイル許容温度を超えないように電流指令を制限することで、コイルの焼損やボビンの融解を防止できる。
【実施例２】
【００２７】
以下、本発明の第２の実施例について図６を用いて説明する。本実施例では、永久磁石同期モータ制御装置の例として、位置検出器および温度検出器があり、電流指令テーブルを用いてトルク制御する場合について述べる。
【００２８】
図６は、本発明の第２の実施例に係る、永久磁石同期モータの制御装置のブロック図である。図１と異なる点は、ＰＭモータ５の雰囲気温度を検出する温度検出器８があり、制御器２が制御器２ａに置き換わり、温度演算部２４が温度演算部２４ａに置き換わり、雰囲気温度Ｔ1およびＴ2が温度演算部２４ａに入力される点である。その他は、図１と同様である。
【００２９】
車載用途では、モータが使用される温度条件のレンジが、低温から高温まで幅広いため、温度検出器８を用いてモータ周囲の雰囲気温度を検出し、それに基づいて温度を計算することで、より正確な温度演算を実現できる。
【実施例３】
【００３０】
以下、本発明の第３の実施例について図７を用いて説明する。本実施例では、永久磁石同期モータ制御装置の例として、温度検出器があり、モータ定数を用いて位置センサレスにて速度制御する場合について述べる。
【００３１】
図７は、本発明の第３の実施例に係る、永久磁石同期モータの制御装置のブロック図である。図１と異なる点は、ＰＭモータ５の雰囲気温度を検出する温度検出器８があり、制御器２が制御器２ｂに置き換わり、温度演算部２４が温度演算部２４ｂに置き換わり、雰囲気温度Ｔ1およびＴ2が温度演算部２４ｂに入力される点と、位置検出器６がなく、制御部２７が制御部２７ｂに置き換わり、位相角θが制御部２７ｂで演算される点と、トルク指令発生器１とＩｄ指令発生部２５とＩｑ指令発生部２６と速度演算部２３がなくなり、速度指令発生器１ｂから出力される速度指令ω*が制御部２７ｂに入力される点と、温度演算部２４ｂで演算された磁石温度ＴMとコイル温度ＴCが定数演算部３０に入力され、定数演算部３０からモータ定数が制御部２７ｂに入力される点である。その他は、図１と同様である。
【００３２】
本実施例におけるモータ定数とは、例えば、モータのコイル抵抗Ｒ、ｄｑ軸インダクタンスＬｄ、Ｌｑ、誘起電圧定数Ｋｅである。図８に、コイル抵抗Ｒとコイル温度ＴCの関係を示し、図９に、誘起電圧定数Ｋｅと磁石温度ＴMの関係を示す。一般に、コイル温度ＴCの上昇に伴ってコイル抵抗Ｒは増大し、磁石温度ＴMの上昇に伴って誘起電圧定数Ｋｅは低下する。そこで定数演算部３０に、あらかじめ磁石温度ＴMやコイル温度ＴCに対する各モータ定数の温度依存性をテーブル化または関数化しておき、温度演算部２４ｂで演算された磁石温度ＴMとコイル温度ＴCに対するモータ定数を出力し、制御部２７ｂに入力することで、より正確なモータ定数に基づく位相角θの演算が実現され、モータ定数を用いた位置推定の精度を向上できる。
【００３３】
その他のモータ定数として、例えばＷＯ２０１０／１１６８１５におけるＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６、Ｉ０、φ０などに用いてもよい。
【００３４】
〔その他の実施例〕
これまでの説明では、電流指令テーブルを用いてトルク制御する場合や、モータ定数を用いて位置センサレスによる速度制御する場合について説明したが、電流指令テーブルやモータ定数を用いたモータ制御であれば、位置制御する場合などにも用いることができる。
【００３５】
また、本発明に基づく永久磁石同期モータの制御装置は、様々な車載システム、例えば電動パワーステアリングシステム、電動倍力装置、電動オイルポンプ装置などに適用できる。使用環境や動作条件が異なる場合でも、本発明に基づいて永久磁石同期モータの各相コイル温度および永久磁石温度を演算し、各温度において最適なモータ制御を行うことで、モータの動作特性を向上させ、システムを小形化できる。また、各温度が閾値を超えないように指令値を制限することで、システムの故障を防止できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  トルク指令発生器
１ｂ  速度指令発生器
２、２ａ、２ｂ  制御器
３  インバータ
４  電源
５  ＰＭモータ
６  位置検出器
７ａ，７ｂ  電流検出器
８  位置検出器
２１  位相演算部
２２  ｄｑ座標変換部
２３  速度演算部
２４  温度演算部
２５  Ｉｄ指令発生部
２６  Ｉｑ指令発生部
２７、２７ａ、２７ｂ  モータ制御部
２８  ｄｑ逆変換部
２９  ＰＷＭ信号発生部
３０  モータ定数演算部
５１  ステータ
５２  ロータ
５３  ハウジング
５４  ステータコア
５５  コイル
５６  ロータコア
５７  永久磁石
５８  シャフト
５９  フランジ
６０  ベアリング
【図１】
2015116021.tif 000008
【図２】
2015116021.tif 000009
【図３】
2015116021.tif 000010
【図４】
2015116021.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
2015116021.tif 000014
【図８】
2015116021.tif 000015
【図９】
2015116021.tif 000016