电动机控制装置以及具备该电动机控制装置的电动机的制作方法

本发明涉及一种一边监视电动机的温度一边控制电动机的电动机控制装置以及具备该电动机控制装置的电动机。

背景技术：

当使电动机进行动作时，电动机的转子的温度上升到某种程度的温度。这样，在转子的温度上升的期间，即使对电动机施加的指令相同，电动机的输出有时也发生变化。在利用电动机的转子来驱动工具的机床中，当电动机的输出随着转子的温度变化而变化时，有可能对机床的加工质量造成影响。因此，正研究一种在机床的电动机中估计转子的温度的技术。也就是说，能够基于所估计出的转子的温度来控制电动机，使得在相同的指令下电动机的输出也为固定。

作为这种估计转子的温度、即估计旋转体的温度的技术，日本特开2008-170354号公报公开了一种对汽车或其它车辆的车轮的制动装置的温度或温度变化进行估计的温度估计装置。

日本特开2008-170354号公报中记载的温度估计装置具备信号产生单元，该信号产生单元以与同车轮一起旋转的旋转体隔开间隙的方式设置在不会旋转的部位。而且，信号产生单元产生与同旋转体之间的间隙相应地变化的信号。当旋转体发生热膨胀时，信号产生单元与旋转体之间的间隙发生变化。能够将该间隙的变化量视为旋转体的热膨胀量。而且，日本特开2008-170354号公报中记载的温度估计装置根据从信号产生单元产生的信号的强度的变化来获取旋转体的热膨胀量，并根据该热膨胀量来估计旋转体的温度上升量。

但是，在将日本特开2008-170354号公报中记载的温度估计装置应用于电动机的情况下，存在如下问题。在电动机的情况下，电动机整体的温度随着转子的温度上升而上升，因此不仅转子发生热膨胀，信号产生单元的安装部也发生热膨胀。因此，即使通过日本特开2008-170354号公报中记载的温度估计装置根据从信号产生单元产生的信号的强度的变化来估计出转子的温度，所估计出的转子的温度也不准确。也就是说，在日本特开2008-170354号公报中记载的温度估计装置中，在估计旋转体的温度时没有考虑信号产生单元的安装部发生热膨胀这一点。由此，在日本特开2008-170354号公报中记载的温度估计装置中，转子的温度不准确，因此对于相同指令的电动机的输出有可能不固定。

另外，当考虑通过其它方法来准确地测量转子的温度时，由于转子是旋转体，因此难以使温度计直接接触旋转中的转子。因此，作为非接触式的温度测量方法，能够考虑使用红外线的方法。但是，需要在电动机中另外安装红外线温度测量装置，因此成本大幅增加。另外，在红外线的情况下，还存在只能测量被测量物的表面的温度的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种能够简单且准确地估计转子的温度的电动机控制装置以及具备该电动机控制装置的电动机。

根据本发明的第一方式，提供一种对电动机进行控制的电动机控制装置，该电动机具备：传感器齿轮，其安装于电动机的转子；磁式传感器，其将以规定的间隔依次设置于传感器齿轮的外周部的多个齿部的各个齿部是否存在作为信号来检测出；传感器安装台，在该传感器安装台上安装有磁式传感器；以及温度检测器，其检测传感器安装台的温度，该电动机控制装置具备：

传感器齿轮膨胀量估计部，其基于磁式传感器的输出信号的强度的变化量来估计传感器齿轮的膨胀量；

传感器安装台膨胀量估计部，其基于由温度检测器检测出的温度来估计传感器安装台的膨胀量；

传感器齿轮膨胀量校正部，其通过从估计出的传感器齿轮的膨胀量减去所估计出的传感器安装台的膨胀量，来对估计出的传感器齿轮的膨胀量进行校正；以及

转子温度估计部，其基于校正后的传感器齿轮的膨胀量来估计转子的温度。

根据本发明的第二方式，提供如下的电动机控制装置，在上述第一方式的电动机控制装置中，

还具备传感器输出信号校正部，该传感器输出信号校正部基于由温度检测器检测出的温度来校正磁式传感器的输出信号的强度，

传感器齿轮膨胀量估计部基于由传感器输出信号校正部校正后的磁式传感器的输出信号的强度的变化量来估计传感器齿轮的膨胀量。

根据本发明的第三方式，提供如下的电动机控制装置，在上述第一方式或第二方式的电动机控制装置中，

传感器齿轮膨胀量校正部从估计出的传感器齿轮的膨胀量减去所估计出的传感器安装台的膨胀量以及与转子的转速相应的传感器齿轮的由离心力引起的膨胀量，由此对估计出的传感器齿轮的膨胀量进行校正。

根据本发明的第四方式，提供如下的电动机控制装置，在上述第三方式的电动机控制装置中，

转子的转速是根据磁式传感器的输出信号的频率来计算出的，

传感器齿轮膨胀量校正部对表示传感器齿轮的由离心力引起的膨胀量与转子的转速的相关关系的表格进行存储保持，通过表格求出与计算出的转子的转速对应的、传感器齿轮的由离心力引起的膨胀量。

根据本发明的第五方式，提供一种具备上述第一方式至第四方式中的任一方式的电动机控制装置的电动机。

附图说明

根据附图所示的本发明的典型的实施方式的详细说明，本发明的这些目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点会更加明确。

图1是示意性地表示本发明的一个实施方式的电动机控制装置的框图。

图2是由图1所示的电动机控制装置控制的电动机的主视图。

图3是表示霍尔元件的输出信号的温度特性的曲线图。

图4A是示出从电动机开始动作时起经过了规定的时间时的磁式传感器的输出电压的曲线图。

图4B是示出电动机开始动作时的磁式传感器的输出电压的曲线图。

具体实施方式

接着，参照附图来说明本发明的实施方式。在以下的附图中，对相同的构件标注相同的附图标记。而且，设为在不同的附图中被标注了相同的附图标记的构成要素是指具有相同功能的构成要素。另外，为了容易理解，将这些附图适当变更了比例尺。

图1是示意性地表示本发明的一个实施方式的电动机控制装置的框图，图2是由图1所示的电动机控制装置控制的电动机的主视图。

参照图1和图2，本实施方式的电动机10具备：传感器齿轮12，其安装于电动机10的转子11；磁式传感器13，其将以规定的间隔依次设置于传感器齿轮12的外周部的多个齿部12a的各个齿部是否存在作为信号来检测出；传感器安装台14，在该传感器安装台14上安装有磁式传感器13；温度检测器15，其例如是热敏电阻，用于检测传感器安装台14的温度；以及电动机控制装置21。电动机10例如是伺服马达。

如图1所示，安装于传感器安装台14的磁式传感器13以与传感器齿轮12的外周部隔开规定的间隔G的方式彼此相向配置。并且，温度检测器15设置在传感器安装台14上。另外，传感器安装台14被电动机主体(未图示)支承，在传感器安装台14中形成有通孔14a。而且，转子11以不与传感器安装台14接触的方式贯穿通孔14a。

磁式传感器13还具备霍尔元件13a，该霍尔元件13a的输出电压与磁场的变化相应地变化。传感器齿轮12含有磁性材料，因此在与霍尔元件13a相向的位置处存在传感器齿轮12的齿部12a时和不存在传感器齿轮12的齿部12a时，针对霍尔元件13a的磁场发生变化。因此，当传感器齿轮12的多个齿部12a中的一个齿部与霍尔元件13a相向地配置时，磁式传感器13的霍尔元件13a输出存在齿部12a的意思的检测信号(脉冲信号)。另外，当传感器齿轮12随着转子11的旋转而进行旋转时，传感器齿轮12的多个齿部12a以横穿磁式传感器13的前方的方式移动，因此从磁式传感器13周期性地输出信号。因此，电动机控制装置21能够根据从电动机10的磁式传感器13输出的信号的频率来获取转子11的转速、旋转位置。也就是说，磁式传感器13被用作旋转编码器。

此外，电动机控制装置21按照对电动机10提供的指令值来一边监视磁式传感器13的检测值一边控制转子11的扭矩、转速、旋转位置等。

另外，图1所示的传感器齿轮12与磁式传感器13之间的间隔G越短则从上述磁式传感器13输出的信号的强度越大，间隔G越长则从上述磁式传感器13输出的信号的强度越小。因此，在本申请中，利用这种间隔G与磁式传感器13的输出信号的强度的相关关系，来根据磁式传感器13的输出信号的强度求出间隔G。

并且，在本申请中，电动机控制装置21具备能够估计转子11的温度的功能。也就是说，在本申请的电动机控制装置21中，基于如上所述的根据磁式传感器13的输出信号的强度求出的间隔G的变化量来估计传感器齿轮12的热膨胀量，根据估计出的热膨胀量来计算出传感器齿轮12的温度。而且，认为传感器齿轮12的温度与转子11的温度几乎一致，将传感器齿轮12的温度视为转子11的温度。

具体地说，当转子11的温度由于电动机的动作而上升时，传感器齿轮12、传感器安装台14分别发生热膨胀。此时，在沿着传感器安装台14的方向上，传感器齿轮向图1中箭头A所示的方向发生热膨胀，传感器安装台14向图1中箭头B所示的方向发生热膨胀。由于这种转子11和传感器安装台14这两者的热膨胀，传感器齿轮12与磁式传感器13之间的间隔G降低至间隔G’。从间隔G向间隔G’的变化如上所述那样表现为磁式传感器13的输出信号的强度的变化。因而，能够根据磁式传感器13的输出信号的强度的变化来计算间隔G的变化量(Δd＝G-G’)。能够假定为所计算出的间隔G的变化量Δd是传感器齿轮12的热膨胀量。如果已知传感器齿轮12的热膨胀量，则能够根据传感器齿轮12的材料的热膨胀系数来估计传感器齿轮12的温度、即转子11的温度。

但是，所计算出的间隔G的变化量Δd是受到传感器齿轮12和传感器安装台14这两者的热膨胀而产生的。也就是说，在热膨胀后的间隔G’中包含传感器安装台14的热膨胀量。因此，为了更加准确地估计转子11的温度，需要通过从计算出的间隔G的变化量Δd减去传感器安装台14的膨胀量来求出传感器齿轮12自身的膨胀量。因而，在本申请中求出传感器齿轮12的准确的膨胀量，并根据该膨胀量估计传感器齿轮12的温度、即转子11的温度。

为了如上述那样准确地估计转子11的温度，电动机控制装置21如图1所示那样具备温度存储部22、传感器输出信号校正部23、传感器齿轮膨胀量估计部24、传感器齿轮膨胀量校正部25、传感器安装台膨胀量估计部26以及转子温度估计部27。以下，依次详细地说明这些构成部。

温度存储部22对由温度检测器15检测出的传感器安装台14的温度的随时间的变化进行存储保持。具体地说，温度存储部22通过温度检测器15获取电动机开始动作时的温度检测器15的周围的温度并进行存储，并且通过温度检测器15每隔固定时间依次获取电动机动作过程中的温度检测器15的周围的温度并进行存储。

传感器输出信号校正部23对从磁式传感器13输出的信号进行校正。本实施方式的磁式传感器13是利用霍尔元件13a检测传感器齿轮12的外周部的齿部12a是否存在的传感器。

图3是表示霍尔元件13a的输出信号的温度特性的曲线图。特别是图3示出了电动机开始动作时的温度为20℃、从其开始动作起经过了规定的时间H时的温度为70℃、再经过了时间H时的温度为120℃的情况下的霍尔元件13a的输出信号的强度的变化。根据图3的曲线图可知，霍尔元件13a的输出信号的强度随着磁式传感器13的温度的上升而降低。因此，为了更加准确地估计转子11的温度，传感器输出信号校正部23对从磁式传感器13输出的信号补偿与温度上升相应的信号降低量。

例如，如图3所示那样由温度上升导致的霍尔元件13a的信号降低呈非线性，因此事先制作表示霍尔元件13a的信号强度与温度的相关关系的表格并预先存储保持到传感器输出信号校正部23中。然后，传感器输出信号校正部23从温度存储部22获取从电动机开始动作时起经过了规定的时间H时的温度检测器15的周围的温度(在图3中为70℃)。进而，传感器输出信号校正部23根据所获取到的该温度并参照上述表格来求出信号强度的降低量(在图3中标记Q所示的信号降低量)。然后，传感器输出信号校正部23对从磁式传感器13输出的信号补偿所求出的信号强度的降低量。

此外，温度检测器15优选与磁式传感器13相邻地配置。由此，能够准确地制作如图3所示的表示信号强度与温度的相关关系的表格。另外，在本实施方式中，在磁式传感器13中使用了输出信号的强度与温度上升相应地降低的霍尔元件13a，因此设置有传感器输出信号校正部23。但是，在磁式传感器13中使用了输出信号的强度不易受温度的影响的元件、例如磁阻效应元件的情况下，本发明的电动机控制装置21也可以不具备传感器输出信号校正部23。

接着，传感器齿轮膨胀量估计部24根据磁式传感器13的输出信号的变化量来估计传感器齿轮12的膨胀量。在此使用的磁式传感器13的输出信号是通过传感器输出信号校正部23校正后的输出信号。另外，能够假定为传感器齿轮12的膨胀量是如图1所示的传感器齿轮12与磁式传感器13的间隔G的变化量Δd(即Δd＝G-G’)。

图4A是示出从电动机开始动作时起经过了规定的时间H时的磁式传感器13的输出电压的曲线图。图4B是示出电动机开始动作时的磁式传感器13的输出电压的曲线图。

能够基于从磁式传感器13输出的信号的强度的变化、即如图4B至图4A所示的电压信号的振幅V的变化来求出上述间隔G的变化量Δd。此时，磁式传感器13的电压信号的振幅V与转子11的转速Rw成比例，因此优选将转子11的转速Rw设为固定。

在电动机以某一转速Rw开始动作时，如图4B所示，磁式传感器13的电压信号的振幅为V0(以下设为“基准电压”)。然后，在从电动机开始动作起使转速Rw保持固定并经过了规定的时间H时，设为传感器齿轮12与磁式传感器13的间隔G变化了Δd(即Δd＝G-G’)。此时，如图4A所示，磁式传感器13的电压信号的振幅为V1，相对于基准电压V0扩大。因此，能够假定为图4B所示的电压信号的振幅的变化量(即ΔV＝V1-V0)与Δd成比例。也就是说，能够将ΔV表示为

ΔV＝k·Δd···(1)。

其中，k是比例常数。该比例常数k是通过实验、仿真等事先获取到的值。显然，表示ΔV与Δd的相关关系的公式并不限定于上述式(1)，也可以使用通过实验、仿真等导出的相关关系式。

在本实施方式中，基于上述式(1)，通过下述式(2)来计算出间隔G的变化量Δd、即所假定的传感器齿轮12的膨胀量。

Δd＝ΔV/k···(2)

其中，上述间隔G的变化量Δd是受到传感器齿轮12和传感器安装台14这两者的热膨胀而产生的。也就是说，在如图1所示的热膨胀后的间隔G’中包括传感器安装台14的热膨胀量。

因此，传感器齿轮膨胀量校正部25从计算出的间隔G的变化量Δd减去传感器安装台14的膨胀量S来求出传感器齿轮12自身的膨胀量。换言之，传感器齿轮膨胀量校正部25将通过上述式(2)计算出的间隔G的变化量Δd校正为更加准确的值。

在此，能够将校正后的变化量Δd’表示为

Δd’＝Δd-S····(3)。

此外，传感器安装台膨胀量估计部26估计传感器安装台14的膨胀量S并将估计出的膨胀量S输出到上述传感器齿轮膨胀量校正部25。使用传感器安装台14的材料的热膨胀系数，如下述式(4)那样表示传感器安装台14的膨胀量S。

S＝R1·α1·ΔTa···(4)

其中，R1是传感器安装台14的直径[m]，α1是传感器安装台14的材料的热膨胀系数，ΔTa是传感器安装台14的温度上升量[℃]。

上述传感器安装台14的温度上升量ΔTa是从电动机开始动作时起到经过规定的时间H为止由传感器安装台14上的温度检测器15检测出的温度的变化量，能够从温度存储部22获取到。另外，传感器安装台14的直径R1和热膨胀系数α1的各值是能够在电动机的设计阶段获取的已知的值，因此优选事先被输入到上述式(4)。

然后，将通过上述式(2)计算出的间隔G的变化量Δd和通过上述式(4)求出的膨胀量S代入上述式(3)，由此计算出校正后的变化量Δd’、即传感器齿轮12自身的膨胀量。

接着，转子温度估计部27根据传感器齿轮12自身的膨胀量Δd’来估计传感器齿轮12的温度、即转子11的温度。具体地说，还能够使用传感器齿轮12的材料的热膨胀系数将传感器齿轮12自身的膨胀量Δd’表示为下述式(5)。

Δd’＝R2·α2·ΔTb···(5)

其中，R2是传感器齿轮12的直径[m]，α2是传感器齿轮12的材料的热膨胀系数，ΔTb是传感器齿轮12的温度上升量[℃]。

并且，能够使用电动机开始动作时的传感器齿轮12的温度T0将当前的传感器齿轮12的温度T1表示为

T1＝T0+ΔTb···(6)。

基于上述式(5)，传感器齿轮12的温度上升量ΔTb为

ΔTb＝Δd’/(R2·α2)···(7)。

然后，转子温度估计部27将通过上述式(7)求出的ΔTb代入上述式(6)，由此计算出当前的传感器齿轮12的温度T1。在此，在通过上述式(7)求出ΔTb时，基于上述式(3)事先计算出Δd’。并且，上述传感器齿轮12的直径R2和热膨胀系数α2是能够在电动机的设计阶段获取的已知的值。另外，作为电动机开始动作时的传感器齿轮12的温度T0的值，使用在电动机开始动作时由温度检测器15检测出的温度。

此外，本实施方式的转子温度估计部27将计算出的传感器齿轮12的温度T1视为转子11的温度。这是由于，传感器齿轮12通过过盈配合而嵌合于转子11，因此能够认为传感器齿轮12的温度与转子11的温度几乎一致。但是，在彼此嵌合的传感器齿轮12与转子11之间存在热阻的情况下，优选将计算出的传感器齿轮12的温度T1乘以固定的校正系数来估计转子11的温度。

(其它实施方式)

另外，在上述传感器齿轮膨胀量校正部25中，从由传感器齿轮膨胀量估计部24估计出的传感器齿轮膨胀量(即间隔G的变化量Δd)减去传感器安装台14的膨胀量S来准确地求出传感器齿轮12自身的膨胀量。但是，在本申请发明中，为了更加准确地求出传感器齿轮12自身的膨胀量，优选考虑如下的情况。

也就是说，转子11的转速越快，传感器齿轮12的离心力越大。而且，传感器齿轮12的离心力越大，传感器齿轮12的膨胀量越大。因而，有时在由转子11的温度上升产生的传感器齿轮12的膨胀量中包含传感器齿轮12的由离心力引起的膨胀量。也就是说，在如图1所示的热膨胀后的间隔G’中不仅包含传感器安装台14的热膨胀量，还包含传感器齿轮12的由离心力引起的膨胀量。

因此，当求取传感器齿轮12自身的膨胀量、即变化量Δd’时，不使用上述式(3)而优选使用下述式(8)。

Δd’＝Δd-S-L····(8)

其中，L是传感器齿轮12的由离心力引起的膨胀量。

在此，事先通过实验、仿真等来制作表示传感器齿轮12的由离心力引起的膨胀量L与转子11的转速的相关关系的表格，并将该表格预先存储保持在传感器齿轮膨胀量校正部25中。另外，根据磁式传感器13的输出信号的频率来计算转子11的转速。也就是说，对从磁式传感器13输出的脉冲信号进行计数，并调查每隔固定时间输出了几个脉冲信号，由此能够计算出转子11的转速。

由此，图1所示的传感器齿轮膨胀量校正部25使用磁式传感器13来获取转子11的转速，参照表示上述膨胀量L与转速的相关关系的表格能够求出与所获取到的该转子11的转速对应的膨胀量L。然后，将像这样求出的膨胀量L、通过上述式(2)计算出的间隔G的变化量Δd以及通过上述式(4)求出的膨胀量S代入上述式(8)，由此计算出更加准确的传感器齿轮12自身的膨胀量。

这样，在本申请中考虑传感器安装台14的热膨胀和传感器齿轮12的由离心力引起的膨胀来准确地求出传感器齿轮12自身的膨胀量，因此能够准确地估计转子11的温度。也就是说，在传感器安装台14的温度也随着转子11的温度上升而上升的电动机10中，能够高精度地估计转子11的温度。

此外，在以上说明的实施方式中，将电动机10设为机床用电动机来进行了说明，但本发明的机床用电动机并不限定于应用于机床，在加工过程中使用产业用机器人的情况下，也可以应用于对这种机器人的各轴进行驱动的电动机。

以上示出了典型的实施方式，但本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的思想的范围内能够将上述实施方式变更为各种形式、构造、材料等。

由发明的各方式产生的效果

根据本发明的第一方式，能够基于与传感器齿轮隔开间隔地配置的磁式传感器的输出信号的强度的变化量来估计传感器齿轮的膨胀量。而且，如果已知传感器齿轮的热膨胀量，则能够根据传感器齿轮的材料的热膨胀系数来估计传感器齿轮的温度、即转子的温度。特别是，在本申请中，根据安装于传感器安装台的温度检测器的检测温度来估计传感器安装台的膨胀量，从估计出的传感器齿轮的膨胀量减去所估计出的传感器安装台的膨胀量。由此，能够将估计出的传感器齿轮的膨胀量校正为更加准确的值。因而，在传感器安装台的温度也随着转子的温度上升而上升的电动机中能够准确地估计转子的温度。

并且，只要对传感器安装台仅添加如热敏电阻这样的简单的温度检测器，就能够如上所述那样估计转子的温度，因此能够避免大幅增加成本地提供电动机。

根据本发明的第二方式，在磁式传感器的输出信号的强度具有与温度上升相应地降低的特性的情况下，基于温度来校正磁式传感器的输出信号的强度，由此能够比上述第一方式更准确地估计转子的温度。

根据本发明的第三方式和第四方式，还从估计出的传感器齿轮的膨胀量减去与转子的转速相应的、传感器齿轮的由离心力引起的膨胀量，因此与第一方式相比能够将估计出的传感器齿轮的膨胀量校正为更加准确的值。由此，能够比上述第一方式或第二方式更准确地估计转子的温度。

根据本发明的第五方式，能够准确地估计电动机的转子的温度，因此易于基于该准确的转子的温度来控制电动机，使得在相同的指令下电动机的输出也为固定。