(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
また、ｎ点近似関数を用いてｑ軸インダクタンスＬq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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２３０４８６号公報
【特許文献２】特開２００８−９２６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ｑ軸インダクタンスＬq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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
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Ｌq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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
［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。
【００１２】
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Ｉu、Ｖ相電流Ｉv、Ｗ相電流Ｉwは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流検出器４u、４v、４w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Ｉu、Ｖ相電流Ｉv、Ｗ相電流Ｉwから、ｄ相電流Ｉd及びｑ相電流Ｉqを算出する。
【００１３】
同期電動機５０は、巻線５５u、５５v、５５w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。
【００１４】
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ωcom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Ｉqcomが出力される。
【００１５】
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Ｉdk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Ｉdcomを出力する。
【００１６】
ｄ相電流指令Ｉdcom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Ｉdcomから電流検出部４からのｄ相電流Ｉdを減算して差分ΔＩdを出力する。出力されたΔＩdはＰＩ制御部１４ｃでｄ相電圧Ｖdに変換され、ｄ相電圧Ｖdは電圧指令生成部１に入力される。
【００１７】
ｑ相電流指令Ｉqcom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Ｉqcomから電流検出部４からのｑ相電流Ｉqを減算して差分ΔＩqを出力する。出力されたΔＩqはＰＩ制御部１４ｄでｑ相電圧Ｖqに変換され、ｑ相電圧Ｖqは電圧指令生成部１に入力される。
【００１８】
電圧指令生成部１は、ｄ相電圧Ｖd及びｑ相電圧ＶqをＵ相電圧Ｖu、Ｖ相電圧Ｖv、Ｗ相電圧Ｖw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Ｖd及びｑ相電圧Ｖqを指令により増減させてｄ相電流Ｉd及びｑ相電流Ｉqを制御する。
【００１９】
電圧取得部（Ｖd、Ｖq、ΔＶd、ΔＶq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Ｖd及びｑ相電圧Ｖqを取得する。ｄ相電圧Ｖd及びｑ相電圧Ｖq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、Ｖd、Ｖq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。
【００２０】
巻線温度取得部５は、同期電動機５０の巻線５５u、５５v、５５wの温度Ｔcを取得する。巻線の温度Ｔcは、温度検出素子（図示せず）を巻線５５u、５５v、５５wに設置することにより取得することができる。
【００２１】
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Ｔcを取得し、巻線抵抗Ｒを算出する。
【００２２】
インダクタンス演算部（Ｌd演算部）７は、ｄ相電流をＩd1からＩd2に変化させたときのｄ相電流の変化分（Ｉd2−Ｉd1）、ｑ相電圧の変化分ΔＶq及び回転速度ωに基づいてｄ軸インダクタンスＬdを算出する。
【００２３】
逆起電圧定数演算部（Ｋv演算部）８は、ｑ相電圧Ｖq、変化後のｄ相電流Ｉd2、回転速度ω、ｄ軸インダクタンスＬd、ｑ相電流Ｉq、及び巻線抵抗Ｒから逆起電圧定数Ｋvを算出する。
【００２４】
磁石温度推定部９は、逆起電圧定数Ｋvに基づいて同期電動機５０の磁石温度Ｔmを推定する。
【００２５】
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ＩdをＩd1からＩd2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、Ｉd1、Ｉd2はｄ相電流（無効電流）、Ｉqはｑ相電流（トルク生成電流）、Ｒは巻線抵抗、Ｌqはｑ軸インダクタンス、Ｌdはｄ軸インダクタンス、ωは回転速度、Ｋvは逆起電圧定数である。
【００２６】
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）Ｉd1からＩd2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）Ｉd1からＩd2への変化におけるｄ軸インダクタンスＬdの変化量は小さい。
【００２７】
さらに、Ｉdの変化の前後でＫvω、ＩdＲ，ＩqωＬq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。
【００２８】
次に、ステップＳ１０２において、ｄ軸インダクタンスＬdを算出する。図３（ａ）及び（ｂ）からＩd2ωＬdとＩd1ωＬdとの差分がｑ相電圧の差分ΔＶqとなっている。従って、以下の式（１）が得られる。
ΔＶq＝Ｉd2ωＬd−Ｉd1ωＬd          （１）
従って、式（１）を変形して、ｄ軸インダクタンスＬdは下記の式（２）から算出できる。
Ｌd＝△Ｖq／（Ｉd2−Ｉd1）ω          （２）
【００２９】
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。
【００３０】
次に、ステップＳ１０５において、逆起電圧定数Ｋv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ＶqはＫvω＋ＩqＲ＋Ｉd2ωＬdで与えられる。ただし、Ｉd2は図の矢印の向きを正にとっている。従って、Ｋvは下記の式（４）から算出することができる。
Ｋv＝（Ｖq−Ｉd2ωＬd−ＩqＲ）／ω          （４）
【００３１】
次に、ステップＳ１０６において、逆起電圧定数Ｋvを用いて磁石温度を推定する。即ち、逆起電圧定数Ｋv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 − (Ｋv ／ Ｋv1）          （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、Ｋv1は温度Ｔ1(例えば２０℃)での逆起電圧定数である。
【００３２】
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Ｌq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。
【００３３】
［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。
【００３４】
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。
【００３５】
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ＩdをＩd1からＩd2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。
【００３６】
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ΔＶd＝Ｉd2Ｒ−Ｉd1Ｒであるので、以下の式（６）で求められる。
Ｒ＝ΔＶd／（Ｉd2−Ｉd1）          （６）
【００３７】
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。
【００３８】
次に、ステップＳ２０４において、ｄ軸インダクタンスＬdを算出する。ｄ軸インダクタンスＬdは上記の式（２）から算出できる。
【００３９】
次に、ステップＳ２０５において、逆起電圧定数Ｋvを算出する。Ｋvは上記の式（４）から算出することができる。
【００４０】
次に、ステップＳ２０６において、逆起電圧定数Ｋvを用いて磁石温度を推定する。
【００４１】
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Ｌq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。
【符号の説明】
【００４２】
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
【図１】
0006333772.tif 000002
【図２】
0006333772.tif 000003
【図３】
0006333772.tif 000004
【図４】
0006333772.tif 000005
【図５】
0006333772.tif 000006