電動機控制裝置以及具備該電動機控制裝置的電動機的制作方法

本發明涉及一種一邊監視電動機的溫度一邊控制電動機的電動機控制裝置以及具備該電動機控制裝置的電動機。

背景技術：

當使電動機進行動作時，電動機的轉子的溫度上升到某種程度的溫度。這樣，在轉子的溫度上升的期間，即使對電動機施加的指令相同，電動機的輸出有時也發生變化。在利用電動機的轉子來驅動工具的機床中，當電動機的輸出隨著轉子的溫度變化而變化時，有可能對機床的加工質量造成影響。因此，正研究一種在機床的電動機中估計轉子的溫度的技術。也就是說，能夠基于所估計出的轉子的溫度來控制電動機，使得在相同的指令下電動機的輸出也為固定。

作為這種估計轉子的溫度、即估計旋轉體的溫度的技術，日本特開2008-170354號公報公開了一種對汽車或其它車輛的車輪的制動裝置的溫度或溫度變化進行估計的溫度估計裝置。

日本特開2008-170354號公報中記載的溫度估計裝置具備信號產生單元，該信號產生單元以與同車輪一起旋轉的旋轉體隔開間隙的方式設置在不會旋轉的部位。而且，信號產生單元產生與同旋轉體之間的間隙相應地變化的信號。當旋轉體發生熱膨脹時，信號產生單元與旋轉體之間的間隙發生變化。能夠將該間隙的變化量視為旋轉體的熱膨脹量。而且，日本特開2008-170354號公報中記載的溫度估計裝置根據從信號產生單元產生的信號的強度的變化來獲取旋轉體的熱膨脹量，并根據該熱膨脹量來估計旋轉體的溫度上升量。

但是，在將日本特開2008-170354號公報中記載的溫度估計裝置應用于電動機的情況下，存在如下問題。在電動機的情況下，電動機整體的溫度隨著轉子的溫度上升而上升，因此不僅轉子發生熱膨脹，信號產生單元的安裝部也發生熱膨脹。因此，即使通過日本特開2008-170354號公報中記載的溫度估計裝置根據從信號產生單元產生的信號的強度的變化來估計出轉子的溫度，所估計出的轉子的溫度也不準確。也就是說，在日本特開2008-170354號公報中記載的溫度估計裝置中，在估計旋轉體的溫度時沒有考慮信號產生單元的安裝部發生熱膨脹這一點。由此，在日本特開2008-170354號公報中記載的溫度估計裝置中，轉子的溫度不準確，因此對于相同指令的電動機的輸出有可能不固定。

另外，當考慮通過其它方法來準確地測量轉子的溫度時，由于轉子是旋轉體，因此難以使溫度計直接接觸旋轉中的轉子。因此，作為非接觸式的溫度測量方法，能夠考慮使用紅外線的方法。但是，需要在電動機中另外安裝紅外線溫度測量裝置，因此成本大幅增加。另外，在紅外線的情況下，還存在只能測量被測量物的表面的溫度的問題。

技術實現要素：

本發明提供一種能夠簡單且準確地估計轉子的溫度的電動機控制裝置以及具備該電動機控制裝置的電動機。

根據本發明的第一方式，提供一種對電動機進行控制的電動機控制裝置，該電動機具備：傳感器齒輪，其安裝于電動機的轉子；磁式傳感器，其將以規定的間隔依次設置于傳感器齒輪的外周部的多個齒部的各個齒部是否存在作為信號來檢測出；傳感器安裝臺，在該傳感器安裝臺上安裝有磁式傳感器；以及溫度檢測器，其檢測傳感器安裝臺的溫度，該電動機控制裝置具備：

傳感器齒輪膨脹量估計部，其基于磁式傳感器的輸出信號的強度的變化量來估計傳感器齒輪的膨脹量；

傳感器安裝臺膨脹量估計部，其基于由溫度檢測器檢測出的溫度來估計傳感器安裝臺的膨脹量；

傳感器齒輪膨脹量校正部，其通過從估計出的傳感器齒輪的膨脹量減去所估計出的傳感器安裝臺的膨脹量，來對估計出的傳感器齒輪的膨脹量進行校正；以及

轉子溫度估計部，其基于校正后的傳感器齒輪的膨脹量來估計轉子的溫度。

根據本發明的第二方式，提供如下的電動機控制裝置，在上述第一方式的電動機控制裝置中，

還具備傳感器輸出信號校正部，該傳感器輸出信號校正部基于由溫度檢測器檢測出的溫度來校正磁式傳感器的輸出信號的強度，

傳感器齒輪膨脹量估計部基于由傳感器輸出信號校正部校正后的磁式傳感器的輸出信號的強度的變化量來估計傳感器齒輪的膨脹量。

根據本發明的第三方式，提供如下的電動機控制裝置，在上述第一方式或第二方式的電動機控制裝置中，

傳感器齒輪膨脹量校正部從估計出的傳感器齒輪的膨脹量減去所估計出的傳感器安裝臺的膨脹量以及與轉子的轉速相應的傳感器齒輪的由離心力引起的膨脹量，由此對估計出的傳感器齒輪的膨脹量進行校正。

根據本發明的第四方式，提供如下的電動機控制裝置，在上述第三方式的電動機控制裝置中，

轉子的轉速是根據磁式傳感器的輸出信號的頻率來計算出的，

傳感器齒輪膨脹量校正部對表示傳感器齒輪的由離心力引起的膨脹量與轉子的轉速的相關關系的表格進行存儲保持，通過表格求出與計算出的轉子的轉速對應的、傳感器齒輪的由離心力引起的膨脹量。

根據本發明的第五方式，提供一種具備上述第一方式至第四方式中的任一方式的電動機控制裝置的電動機。

附圖說明

根據附圖所示的本發明的典型的實施方式的詳細說明，本發明的這些目的、特征和優點以及其它目的、特征和優點會更加明確。

圖1是示意性地表示本發明的一個實施方式的電動機控制裝置的框圖。

圖2是由圖1所示的電動機控制裝置控制的電動機的主視圖。

圖3是表示霍爾元件的輸出信號的溫度特性的曲線圖。

圖4A是示出從電動機開始動作時起經過了規定的時間時的磁式傳感器的輸出電壓的曲線圖。

圖4B是示出電動機開始動作時的磁式傳感器的輸出電壓的曲線圖。

具體實施方式

接著，參照附圖來說明本發明的實施方式。在以下的附圖中，對相同的構件標注相同的附圖標記。而且，設為在不同的附圖中被標注了相同的附圖標記的構成要素是指具有相同功能的構成要素。另外，為了容易理解，將這些附圖適當變更了比例尺。

圖1是示意性地表示本發明的一個實施方式的電動機控制裝置的框圖，圖2是由圖1所示的電動機控制裝置控制的電動機的主視圖。

參照圖1和圖2，本實施方式的電動機10具備：傳感器齒輪12，其安裝于電動機10的轉子11；磁式傳感器13，其將以規定的間隔依次設置于傳感器齒輪12的外周部的多個齒部12a的各個齒部是否存在作為信號來檢測出；傳感器安裝臺14，在該傳感器安裝臺14上安裝有磁式傳感器13；溫度檢測器15，其例如是熱敏電阻，用于檢測傳感器安裝臺14的溫度；以及電動機控制裝置21。電動機10例如是伺服馬達。

如圖1所示，安裝于傳感器安裝臺14的磁式傳感器13以與傳感器齒輪12的外周部隔開規定的間隔G的方式彼此相向配置。并且，溫度檢測器15設置在傳感器安裝臺14上。另外，傳感器安裝臺14被電動機主體(未圖示)支承，在傳感器安裝臺14中形成有通孔14a。而且，轉子11以不與傳感器安裝臺14接觸的方式貫穿通孔14a。

磁式傳感器13還具備霍爾元件13a，該霍爾元件13a的輸出電壓與磁場的變化相應地變化。傳感器齒輪12含有磁性材料，因此在與霍爾元件13a相向的位置處存在傳感器齒輪12的齒部12a時和不存在傳感器齒輪12的齒部12a時，針對霍爾元件13a的磁場發生變化。因此，當傳感器齒輪12的多個齒部12a中的一個齒部與霍爾元件13a相向地配置時，磁式傳感器13的霍爾元件13a輸出存在齒部12a的意思的檢測信號(脈沖信號)。另外，當傳感器齒輪12隨著轉子11的旋轉而進行旋轉時，傳感器齒輪12的多個齒部12a以橫穿磁式傳感器13的前方的方式移動，因此從磁式傳感器13周期性地輸出信號。因此，電動機控制裝置21能夠根據從電動機10的磁式傳感器13輸出的信號的頻率來獲取轉子11的轉速、旋轉位置。也就是說，磁式傳感器13被用作旋轉編碼器。

此外，電動機控制裝置21按照對電動機10提供的指令值來一邊監視磁式傳感器13的檢測值一邊控制轉子11的扭矩、轉速、旋轉位置等。

另外，圖1所示的傳感器齒輪12與磁式傳感器13之間的間隔G越短則從上述磁式傳感器13輸出的信號的強度越大，間隔G越長則從上述磁式傳感器13輸出的信號的強度越小。因此，在本申請中，利用這種間隔G與磁式傳感器13的輸出信號的強度的相關關系，來根據磁式傳感器13的輸出信號的強度求出間隔G。

并且，在本申請中，電動機控制裝置21具備能夠估計轉子11的溫度的功能。也就是說，在本申請的電動機控制裝置21中，基于如上所述的根據磁式傳感器13的輸出信號的強度求出的間隔G的變化量來估計傳感器齒輪12的熱膨脹量，根據估計出的熱膨脹量來計算出傳感器齒輪12的溫度。而且，認為傳感器齒輪12的溫度與轉子11的溫度幾乎一致，將傳感器齒輪12的溫度視為轉子11的溫度。

具體地說，當轉子11的溫度由于電動機的動作而上升時，傳感器齒輪12、傳感器安裝臺14分別發生熱膨脹。此時，在沿著傳感器安裝臺14的方向上，傳感器齒輪向圖1中箭頭A所示的方向發生熱膨脹，傳感器安裝臺14向圖1中箭頭B所示的方向發生熱膨脹。由于這種轉子11和傳感器安裝臺14這兩者的熱膨脹，傳感器齒輪12與磁式傳感器13之間的間隔G降低至間隔G’。從間隔G向間隔G’的變化如上所述那樣表現為磁式傳感器13的輸出信號的強度的變化。因而，能夠根據磁式傳感器13的輸出信號的強度的變化來計算間隔G的變化量(Δd＝G-G’)。能夠假定為所計算出的間隔G的變化量Δd是傳感器齒輪12的熱膨脹量。如果已知傳感器齒輪12的熱膨脹量，則能夠根據傳感器齒輪12的材料的熱膨脹系數來估計傳感器齒輪12的溫度、即轉子11的溫度。

但是，所計算出的間隔G的變化量Δd是受到傳感器齒輪12和傳感器安裝臺14這兩者的熱膨脹而產生的。也就是說，在熱膨脹后的間隔G’中包含傳感器安裝臺14的熱膨脹量。因此，為了更加準確地估計轉子11的溫度，需要通過從計算出的間隔G的變化量Δd減去傳感器安裝臺14的膨脹量來求出傳感器齒輪12自身的膨脹量。因而，在本申請中求出傳感器齒輪12的準確的膨脹量，并根據該膨脹量估計傳感器齒輪12的溫度、即轉子11的溫度。

為了如上述那樣準確地估計轉子11的溫度，電動機控制裝置21如圖1所示那樣具備溫度存儲部22、傳感器輸出信號校正部23、傳感器齒輪膨脹量估計部24、傳感器齒輪膨脹量校正部25、傳感器安裝臺膨脹量估計部26以及轉子溫度估計部27。以下，依次詳細地說明這些構成部。

溫度存儲部22對由溫度檢測器15檢測出的傳感器安裝臺14的溫度的隨時間的變化進行存儲保持。具體地說，溫度存儲部22通過溫度檢測器15獲取電動機開始動作時的溫度檢測器15的周圍的溫度并進行存儲，并且通過溫度檢測器15每隔固定時間依次獲取電動機動作過程中的溫度檢測器15的周圍的溫度并進行存儲。

傳感器輸出信號校正部23對從磁式傳感器13輸出的信號進行校正。本實施方式的磁式傳感器13是利用霍爾元件13a檢測傳感器齒輪12的外周部的齒部12a是否存在的傳感器。

圖3是表示霍爾元件13a的輸出信號的溫度特性的曲線圖。特別是圖3示出了電動機開始動作時的溫度為20℃、從其開始動作起經過了規定的時間H時的溫度為70℃、再經過了時間H時的溫度為120℃的情況下的霍爾元件13a的輸出信號的強度的變化。根據圖3的曲線圖可知，霍爾元件13a的輸出信號的強度隨著磁式傳感器13的溫度的上升而降低。因此，為了更加準確地估計轉子11的溫度，傳感器輸出信號校正部23對從磁式傳感器13輸出的信號補償與溫度上升相應的信號降低量。

例如，如圖3所示那樣由溫度上升導致的霍爾元件13a的信號降低呈非線性，因此事先制作表示霍爾元件13a的信號強度與溫度的相關關系的表格并預先存儲保持到傳感器輸出信號校正部23中。然后，傳感器輸出信號校正部23從溫度存儲部22獲取從電動機開始動作時起經過了規定的時間H時的溫度檢測器15的周圍的溫度(在圖3中為70℃)。進而，傳感器輸出信號校正部23根據所獲取到的該溫度并參照上述表格來求出信號強度的降低量(在圖3中標記Q所示的信號降低量)。然后，傳感器輸出信號校正部23對從磁式傳感器13輸出的信號補償所求出的信號強度的降低量。

此外，溫度檢測器15優選與磁式傳感器13相鄰地配置。由此，能夠準確地制作如圖3所示的表示信號強度與溫度的相關關系的表格。另外，在本實施方式中，在磁式傳感器13中使用了輸出信號的強度與溫度上升相應地降低的霍爾元件13a，因此設置有傳感器輸出信號校正部23。但是，在磁式傳感器13中使用了輸出信號的強度不易受溫度的影響的元件、例如磁阻效應元件的情況下，本發明的電動機控制裝置21也可以不具備傳感器輸出信號校正部23。

接著，傳感器齒輪膨脹量估計部24根據磁式傳感器13的輸出信號的變化量來估計傳感器齒輪12的膨脹量。在此使用的磁式傳感器13的輸出信號是通過傳感器輸出信號校正部23校正后的輸出信號。另外，能夠假定為傳感器齒輪12的膨脹量是如圖1所示的傳感器齒輪12與磁式傳感器13的間隔G的變化量Δd(即Δd＝G-G’)。

圖4A是示出從電動機開始動作時起經過了規定的時間H時的磁式傳感器13的輸出電壓的曲線圖。圖4B是示出電動機開始動作時的磁式傳感器13的輸出電壓的曲線圖。

能夠基于從磁式傳感器13輸出的信號的強度的變化、即如圖4B至圖4A所示的電壓信號的振幅V的變化來求出上述間隔G的變化量Δd。此時，磁式傳感器13的電壓信號的振幅V與轉子11的轉速Rw成比例，因此優選將轉子11的轉速Rw設為固定。

在電動機以某一轉速Rw開始動作時，如圖4B所示，磁式傳感器13的電壓信號的振幅為V0(以下設為“基準電壓”)。然后，在從電動機開始動作起使轉速Rw保持固定并經過了規定的時間H時，設為傳感器齒輪12與磁式傳感器13的間隔G變化了Δd(即Δd＝G-G’)。此時，如圖4A所示，磁式傳感器13的電壓信號的振幅為V1，相對于基準電壓V0擴大。因此，能夠假定為圖4B所示的電壓信號的振幅的變化量(即ΔV＝V1-V0)與Δd成比例。也就是說，能夠將ΔV表示為

ΔV＝k·Δd···(1)。

其中，k是比例常數。該比例常數k是通過實驗、仿真等事先獲取到的值。顯然，表示ΔV與Δd的相關關系的公式并不限定于上述式(1)，也可以使用通過實驗、仿真等導出的相關關系式。

在本實施方式中，基于上述式(1)，通過下述式(2)來計算出間隔G的變化量Δd、即所假定的傳感器齒輪12的膨脹量。

Δd＝ΔV/k···(2)

其中，上述間隔G的變化量Δd是受到傳感器齒輪12和傳感器安裝臺14這兩者的熱膨脹而產生的。也就是說，在如圖1所示的熱膨脹后的間隔G’中包括傳感器安裝臺14的熱膨脹量。

因此，傳感器齒輪膨脹量校正部25從計算出的間隔G的變化量Δd減去傳感器安裝臺14的膨脹量S來求出傳感器齒輪12自身的膨脹量。換言之，傳感器齒輪膨脹量校正部25將通過上述式(2)計算出的間隔G的變化量Δd校正為更加準確的值。

在此，能夠將校正后的變化量Δd’表示為

Δd’＝Δd-S····(3)。

此外，傳感器安裝臺膨脹量估計部26估計傳感器安裝臺14的膨脹量S并將估計出的膨脹量S輸出到上述傳感器齒輪膨脹量校正部25。使用傳感器安裝臺14的材料的熱膨脹系數，如下述式(4)那樣表示傳感器安裝臺14的膨脹量S。

S＝R1·α1·ΔTa···(4)

其中，R1是傳感器安裝臺14的直徑[m]，α1是傳感器安裝臺14的材料的熱膨脹系數，ΔTa是傳感器安裝臺14的溫度上升量[℃]。

上述傳感器安裝臺14的溫度上升量ΔTa是從電動機開始動作時起到經過規定的時間H為止由傳感器安裝臺14上的溫度檢測器15檢測出的溫度的變化量，能夠從溫度存儲部22獲取到。另外，傳感器安裝臺14的直徑R1和熱膨脹系數α1的各值是能夠在電動機的設計階段獲取的已知的值，因此優選事先被輸入到上述式(4)。

然后，將通過上述式(2)計算出的間隔G的變化量Δd和通過上述式(4)求出的膨脹量S代入上述式(3)，由此計算出校正后的變化量Δd’、即傳感器齒輪12自身的膨脹量。

接著，轉子溫度估計部27根據傳感器齒輪12自身的膨脹量Δd’來估計傳感器齒輪12的溫度、即轉子11的溫度。具體地說，還能夠使用傳感器齒輪12的材料的熱膨脹系數將傳感器齒輪12自身的膨脹量Δd’表示為下述式(5)。

Δd’＝R2·α2·ΔTb···(5)

其中，R2是傳感器齒輪12的直徑[m]，α2是傳感器齒輪12的材料的熱膨脹系數，ΔTb是傳感器齒輪12的溫度上升量[℃]。

并且，能夠使用電動機開始動作時的傳感器齒輪12的溫度T0將當前的傳感器齒輪12的溫度T1表示為

T1＝T0+ΔTb···(6)。

基于上述式(5)，傳感器齒輪12的溫度上升量ΔTb為

ΔTb＝Δd’/(R2·α2)···(7)。

然后，轉子溫度估計部27將通過上述式(7)求出的ΔTb代入上述式(6)，由此計算出當前的傳感器齒輪12的溫度T1。在此，在通過上述式(7)求出ΔTb時，基于上述式(3)事先計算出Δd’。并且，上述傳感器齒輪12的直徑R2和熱膨脹系數α2是能夠在電動機的設計階段獲取的已知的值。另外，作為電動機開始動作時的傳感器齒輪12的溫度T0的值，使用在電動機開始動作時由溫度檢測器15檢測出的溫度。

此外，本實施方式的轉子溫度估計部27將計算出的傳感器齒輪12的溫度T1視為轉子11的溫度。這是由于，傳感器齒輪12通過過盈配合而嵌合于轉子11，因此能夠認為傳感器齒輪12的溫度與轉子11的溫度幾乎一致。但是，在彼此嵌合的傳感器齒輪12與轉子11之間存在熱阻的情況下，優選將計算出的傳感器齒輪12的溫度T1乘以固定的校正系數來估計轉子11的溫度。

(其它實施方式)

另外，在上述傳感器齒輪膨脹量校正部25中，從由傳感器齒輪膨脹量估計部24估計出的傳感器齒輪膨脹量(即間隔G的變化量Δd)減去傳感器安裝臺14的膨脹量S來準確地求出傳感器齒輪12自身的膨脹量。但是，在本申請發明中，為了更加準確地求出傳感器齒輪12自身的膨脹量，優選考慮如下的情況。

也就是說，轉子11的轉速越快，傳感器齒輪12的離心力越大。而且，傳感器齒輪12的離心力越大，傳感器齒輪12的膨脹量越大。因而，有時在由轉子11的溫度上升產生的傳感器齒輪12的膨脹量中包含傳感器齒輪12的由離心力引起的膨脹量。也就是說，在如圖1所示的熱膨脹后的間隔G’中不僅包含傳感器安裝臺14的熱膨脹量，還包含傳感器齒輪12的由離心力引起的膨脹量。

因此，當求取傳感器齒輪12自身的膨脹量、即變化量Δd’時，不使用上述式(3)而優選使用下述式(8)。

Δd’＝Δd-S-L····(8)

其中，L是傳感器齒輪12的由離心力引起的膨脹量。

在此，事先通過實驗、仿真等來制作表示傳感器齒輪12的由離心力引起的膨脹量L與轉子11的轉速的相關關系的表格，并將該表格預先存儲保持在傳感器齒輪膨脹量校正部25中。另外，根據磁式傳感器13的輸出信號的頻率來計算轉子11的轉速。也就是說，對從磁式傳感器13輸出的脈沖信號進行計數，并調查每隔固定時間輸出了幾個脈沖信號，由此能夠計算出轉子11的轉速。

由此，圖1所示的傳感器齒輪膨脹量校正部25使用磁式傳感器13來獲取轉子11的轉速，參照表示上述膨脹量L與轉速的相關關系的表格能夠求出與所獲取到的該轉子11的轉速對應的膨脹量L。然后，將像這樣求出的膨脹量L、通過上述式(2)計算出的間隔G的變化量Δd以及通過上述式(4)求出的膨脹量S代入上述式(8)，由此計算出更加準確的傳感器齒輪12自身的膨脹量。

這樣，在本申請中考慮傳感器安裝臺14的熱膨脹和傳感器齒輪12的由離心力引起的膨脹來準確地求出傳感器齒輪12自身的膨脹量，因此能夠準確地估計轉子11的溫度。也就是說，在傳感器安裝臺14的溫度也隨著轉子11的溫度上升而上升的電動機10中，能夠高精度地估計轉子11的溫度。

此外，在以上說明的實施方式中，將電動機10設為機床用電動機來進行了說明，但本發明的機床用電動機并不限定于應用于機床，在加工過程中使用產業用機器人的情況下，也可以應用于對這種機器人的各軸進行驅動的電動機。

以上示出了典型的實施方式，但本發明并不限定于上述實施方式，在不脫離本發明的思想的范圍內能夠將上述實施方式變更為各種形式、構造、材料等。

由發明的各方式產生的效果

根據本發明的第一方式，能夠基于與傳感器齒輪隔開間隔地配置的磁式傳感器的輸出信號的強度的變化量來估計傳感器齒輪的膨脹量。而且，如果已知傳感器齒輪的熱膨脹量，則能夠根據傳感器齒輪的材料的熱膨脹系數來估計傳感器齒輪的溫度、即轉子的溫度。特別是，在本申請中，根據安裝于傳感器安裝臺的溫度檢測器的檢測溫度來估計傳感器安裝臺的膨脹量，從估計出的傳感器齒輪的膨脹量減去所估計出的傳感器安裝臺的膨脹量。由此，能夠將估計出的傳感器齒輪的膨脹量校正為更加準確的值。因而，在傳感器安裝臺的溫度也隨著轉子的溫度上升而上升的電動機中能夠準確地估計轉子的溫度。

并且，只要對傳感器安裝臺僅添加如熱敏電阻這樣的簡單的溫度檢測器，就能夠如上所述那樣估計轉子的溫度，因此能夠避免大幅增加成本地提供電動機。

根據本發明的第二方式，在磁式傳感器的輸出信號的強度具有與溫度上升相應地降低的特性的情況下，基于溫度來校正磁式傳感器的輸出信號的強度，由此能夠比上述第一方式更準確地估計轉子的溫度。

根據本發明的第三方式和第四方式，還從估計出的傳感器齒輪的膨脹量減去與轉子的轉速相應的、傳感器齒輪的由離心力引起的膨脹量，因此與第一方式相比能夠將估計出的傳感器齒輪的膨脹量校正為更加準確的值。由此，能夠比上述第一方式或第二方式更準確地估計轉子的溫度。

根據本發明的第五方式，能夠準確地估計電動機的轉子的溫度，因此易于基于該準確的轉子的溫度來控制電動機，使得在相同的指令下電動機的輸出也為固定。