(57)【要約】      （修正有）【課題】モータ駆動とモータとの間の配線接続の損傷、ゆるみ、接続ミスによる始動不具合、トルクリップル発生などの電気的接続の欠陥を検出する。【解決手段】多相回転磁界を用いる機械において欠相を検出するための方法であって、電流ベクトルに第１の電流ベクトル位置をとらせるために、機械の巻線に第１の電流を供給する工程と、機械の少なくとも１つの選択された相巻線を流れる第１の電流を検知する工程と、少なくとも１つの選択された相巻線を流れる検知された第１の電流を、選択された相巻線について計算された第１の電流計算値と比較する工程と、第１の電流計算値と検知された第１の電流との差が所定の値を上回る場合に、第１の相故障が発生したことを検出する工程とを備える方法。【選択図】図１
2006238688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相回転磁界を用いる機械において欠相を検出する方法であって、
電流ベクトルに第１の電流ベクトル位置をとらせるために、前記機械の巻線に第１の電流を供給する工程と、
前記機械の少なくとも１つの選択された相巻線を流れる第１の電流を検知する工程と、
前記少なくとも１つの選択された相巻線を流れる前記検知された第１の電流を、前記選択された相巻線について計算された第１の電流計算値と比較する工程と、
前記第１の電流計算値と前記検知された第１の電流との差が所定の値を上回る場合に、第１の相故障が発生したことを検出する工程と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記電流ベクトルに第２の電流ベクトル位置をとらせるために、前記機械の巻線に第２の電流を供給する工程と、
前記機械の少なくとも１つの選択された相巻線を流れる第２の電流を検知する工程と、
前記少なくとも１つの選択された相巻線を流れる前記検知された第２の電流を、前記選択された相巻線について計算された第２の電流計算値と比較する工程と、
前記第２の電流計算値と前記検知された第２の電流との差が所定の値を上回る場合に、第２の相故障が発生したことを検出する工程と
を備える方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、更に、
前記機械の巻線に電流を供給する前に、前記機械を制御するための制御器を始動モードに切り替える工程を備える方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、更に、
前記第１の相故障または前記第２の相故障が検出された場合に、相故障信号を生成する工程を備える方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、更に、
前記相故障信号が生成されなかった場合に、前記制御器を通常動作モードに切り替える工程を備える方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記比較する工程は、
前記機械への電流指示値を決定するために使用される電流パラメータを用意する工程と、
前記電流パラメータを１つの値で乗算する工程と、
前記乗算の工程で得られた積を、前記検知された第１の電流と比較して、前記検知された第１の電流と前記積との差が前記所定の値を上回るか否かを決定する工程と
を含む、方法。
【請求項７】
請求項３に記載の方法であって、
前記第２の比較する工程は、
前記機械への電流指示値を決定するために使用される電流パラメータを用意する工程と、
前記電流パラメータを１つの値で乗算する工程と、
前記乗算の工程で得られた積を、前記検知された第２の電流と比較して、前記検知された第２の電流と前記積との差が前記所定の値を上回るか否かを決定する工程と
を含む、方法。
【請求項８】
請求項３に記載の方法であって、更に、
前記相故障信号が生成されなかった場合に、速度調整器の出力を前記制御器に供給して機械動作を制御する工程を備える方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、更に、
相故障信号が生成されなかった場合に、前記制御器に前記機械のロータ角の推定値を供給する工程を備える方法。
【請求項１０】
多相回転磁界を用いる機械において欠相を検出するためのシステムであって、
電流ベクトルに第１の電流ベクトル位置をとらせるために、前記機械の巻線に第１の電流を供給するための機器と、
前記機械の少なくとも１つの選択された相巻線を流れる第１の電流を検知するための検知器と、
前記少なくとも１つの選択された相巻線を流れる前記検知された第１の電流を、前記選択された相巻線について計算された第１の電流計算値と比較するための比較器と、
前記第１の電流計算値と前記検知された第１の電流との差が所定の値を上回る場合に、第１の相故障の発生を検出するための検出器と
を備えるシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、更に、
前記機器は、前記電流ベクトルに第２の電流ベクトル位置をとらせるために、前記機械の巻線に第２の電流を供給し、
前記検知器は、前記機械の少なくとも１つの選択された相巻線を流れる第２の電流を検知し、
前記比較器は、前記少なくとも１つの選択された相巻線を流れる前記検知された第２の電流を、前記選択された相巻線について計算された第２の電流計算値と比較し、
前記検出器は、前記第２の電流計算値と前記検知された第２の電流との差が所定の値を上回る場合に、第２の相故障の発生を検出する、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、更に、
前記機械の巻線に電流を供給する前に、前記機械を制御するための制御器を始動モードに切り替えるスイッチを備えるシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、更に、
前記検出器は、前記第１の相故障または前記第２の相故障が検出された場合に、相故障信号を生成するシステム。
【請求項１４】
請求項１２に記載のシステムであって、更に、
前記相故障信号が生成されなかった場合に、前記制御器を通常動作モードに切り替えるためのスイッチを備えるシステム。
【請求項１５】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記比較器は、前記機械へのトルク電流指示値を決定するために使用される第１の電流パラメータを受信し、
前記システムは、更に、電流パラメータをある値で乗算するための乗算器を含み、
前記比較器は、前記乗算器で得られた積を、前記検知された第１の電流と比較して、前記検知された第１の電流と前記積との差が前記所定の値を上回るか否かを決定する、システム。
【請求項１６】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記比較器は、前記機械へのトルク電流指示値を決定するために使用される第２の電流パラメータを受信し、
更に、前記乗算器は、前記第２の電流パラメータをある値で乗算し、
更に、前記比較器は、前記乗算器で得られた積を、前記検知された第２の電流と比較して、前記検知された第２の電流と前記積との差が前記所定の値を上回るか否かを決定する、システム。
【請求項１７】
請求項１２に記載のシステムであって、更に、
前記相故障信号が生成されなかった場合に、前記制御器に出力を供給して機械動作を制御する速度調整器を備えるシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムであって、更に、
前記機械のロータ角を推定するためのロータ角推定器を備え、
前記機器の始動後、前記相故障信号が生成されなかった場合に、前記ロータ角推定器は、前記制御器に前記ロータ角推定値を供給するスイッチに出力を供給する、システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムであって、
前記機械の巻線に前記第１の電流および前記第２の電流を供給するための前記機器は、前記電流ベクトルに前記第１の電流ベクトル位置および前記第２の電流ベクトル位置をそれぞれとらせるために、始動時にそれぞれロータ角信号を供給する、システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムであって、
前記スイッチは、前記機器によってロータ角推定値が供給される始動時の第１の位置から前記ロータ角推定器によってロータ角推定値が供給される第２の位置へと切り替わる、システム。
【請求項２１】
請求項１８に記載のシステムであって、
前記制御器は、トルクおよびフラックス電流調整器に結合された出力を有する速度調整器を含み、前記トルクおよびフラックス電流調整器は、ＰＷＭゲート段に結合された出力を有するベクトル回転器に結合された出力を有し、前記ＰＷＭゲート段は、前記機械を駆動するインバータに結合された出力を有し、フィードバック信号は、前記インバータの出力からベクトル復調器に供給され、前記ベクトル復調器は、前記トルクおよびフラックス電流調整器に入力を供給する出力を有し、更に、前記ロータ角推定器は、前記ベクトル回転器および前記ベクトル復調器に前記ロータ角推定値を供給する、システム。
【請求項２２】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記機械は、永久磁石同期モータまたは誘導モータである、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石モータ駆動システムおよび誘導モータ駆動システムなどの回転磁界機械における故障検出に関するものである。本発明は、より具体的には、回転磁界機械における欠相検出に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石（ＰＭ）モータ駆動システムおよび誘導モータ駆動システムは、運動＆速度の制御に関わるさまざまな用途における使用が知られている。モータ駆動のなかには、多相モータの各相に選択的に動力を送る動力インバータを含むタイプがある。あるタイプのモータは、三相を使用している。各相は、特定の手順にしたがってそれぞれ励磁され、永久磁石に作用することによって、所望の変化図にしたがってモータを駆動する。デザイン上およびその他の実施上の配慮のため、動力インバータからモータへの接続の多くは、動力インバータをモータから切り離し可能であるように、可変長のケーブルまたは配線を用いて実現される。通常は、モータ駆動システムにしばしば見られるＥＭＩおよびその他のノイズ信号による影響からケーブル接続および配線接続を保護するため、予防措置がとられている。
【０００３】
動力インバータとモータとの間のケーブル接続および配線接続を保護するために一般にとられている付加的な予防措置にもかかわらず、ケーブル接続および配線接続は、往々にして、それに関連した問題を生じる。例えば、モータ駆動とモータとの間の配線接続の損傷、ゆるみ、または接続ミスは、駆動動作の不具合を引き起こす。そして、これらの問題は、いずれも、モータを始動させる際の不具合に繋がる可能性がある。
【０００４】
大きな始動トルクを必要としない場合は、モータは始動され、作動しつづける。これは、しかしながら、かなりのトルクリップルを伴う。トルクリップルは、駆動効率を大幅に低下させ、可聴ノイズを増加させ、ひいては連結軸の負荷を損なう恐れがある。したがって、モータの電気的接続の欠陥を検出して、その場合に破壊応答を提供することが望まれている。
【発明の開示】
【０００５】
本発明にしたがって、誘導モータまたはセンサレスフィードバック検出システムを有する永久磁石同期モータなどの回転磁界機械において欠相を検出するためのシステムおよび方法が開示される。始動時における永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）の初期化は、モータを所定の角度で停止させ、モータを始動および作動させるための初期条件を得ることによって、実現することができる。モータを停止させる技術は、１つには、モータ巻線に直流電流を強制的に流すことによって、モータ軸をとある所定の角度で停止させるものである。モータの停止は、いくつかの段階を経て実現することができる。すなわち、同期回転座標系の電流調整器の電流ベクトルを、先ずは第１の相に、次いで別の相にアライメントされ、それらのアライメントの最中にその他の相の電流を測定する。電流ベクトルのアライメント先でない相の電流は、測定されたときに、予想される範囲内に収まっている、または、さもなければエラーが観測される。特定の電流が予想範囲外の振幅を有するときは、欠相エラーが示される。
【０００６】
したがって、本発明は、回転磁界機械の始動時に、当該回転磁界機械と回転磁界機械駆動システムとの間における相の断線を、すなわち欠相エラーを検出する方法について開示している。欠相は、永久磁石モータ駆動の始動時に、２段階の直流電流注入により得られた１相の電流フィードバックのみを監視することによって、決定することができる。
【０００７】
本発明の欠相検出方式は、始動期間を延長することなくモータの始動順序に組み入れることができる。このようなモータの始動順序は、欠相検出の結果に基づいて停止することによって、モータによって駆動されるシステムの物理的損傷を阻止することができる。
【０００８】
本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照にした以下の発明の説明により明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、欠相検出システムと、ファームウェアとして実行されることが好ましい欠相検出アルゴリズムとに関する。図１を参照せよ。図１は、本発明にしたがった欠相検出ブロック１８を有するモータ制御システムを、概してシステム１０として示したものである。システム１０は、同期回転座標系の電流調整器を有するＰＭＳＭ駆動システムである。該システムは、例えば誘導モータなど、別のタイプの回転磁界機械を駆動することもできる。ベクトル回転器制御１２は、調整器１４からトルク＆フラックス調整パラメータを供給され、また、ロータ角推定器１６から基準回転角Ｒｔｒ−Ａｎｇを供給される。ベクトル回転器制御１２に供給される基準回転角は、スイッチＳＷ２を通じてロータ角推定器１６に繋がれる。しかしながら、スイッチＳＷ２は、始動時は、欠相検出動作を実施するために、本発明にしたがって欠相検出器１８に繋がれる。このとき、欠相検出器１８は、ベクトル回転器制御１２に回転角信号を供給する。また、欠相検出器１８は、始動時に、スイッチＳＷ１を通じて調整器１４にトルク電流指示値ｉｑ＊を供給する。通常動作時は、すなわち始動後は、スイッチＳＷ１は、速度調整器１１を調整器１４に繋ぐことによって、速度調整器１１からトルク電流指示値ｉｑ＊を供給することを可能にする。
【００１０】
欠相検出器１８は、欠相の有無を検出するために、ＰＭＳＭ１３から電流フィードバックを受信する。図１に示された代表的な実施形態において、Ｗ相のための電流フィードバック信号は、信号ｉＷとして検出器１８に供給される。もし、欠相検出器１８が欠相の決定を下した場合は、その事実を示すために、欠相故障が告示される。
【００１１】
欠相検出器１８の動作は、「初期ロータ角を決定するため、ＰＭＳＭ１３は、モータの始動時に先ず停止されている」という原則から導かれる。初期ロータ角は、センサレス永久磁石モータの始動時に、モータに直流電流を強制的に流し、モータ軸をとある所定の角度で停止させることによって識別される。停止動作は、一般に、初期のロータ軸角度を識別するために、２段階を経て実現される。
【００１２】
図２を参照せよ。ベクトル図２２は、２段階を経てＰＭＳＭ１３に強制的に流される電流を示している。図中、ベクトルは、３０度に開かれた状態で例示されている。停止動作の第１の段階において、電流ベクトルＩは、電流調整器の使用を通じて一定期間に渡ってＶ相にアライメントされる。この第１の段階は、図２において、Ｖ軸上にある番号１のベクトルとして示されている。電流ベクトルＩがこのようにアライメントされたとき、Ｕ相およびＷ相の電流は、Ｖ相の電流量Ｉの半分に等しい。電流量は、調整器１４に供給されるｉｑ＊に等しい。
【００１３】
停止動作の第２の段階では、電流調整器の使用を通じて電流ベクトルＩをＵ相に垂直にアライメントさせるように、電流ベクトル角Ｒｔｒ＿Ａｎｇ（図１を参照せよ）を変化させる。この第２の段階は、図２において、番号２を付された電流ベクトルＩで表されている。この第２の段階では、Ｕ相の電流はゼロであるのに対し、Ｖ相およびＷ相の電流は、ともに電流量Ｉの約０．８６６６倍の振幅を有する互いに逆向きの電流である。したがって、欠相の検出は、フィードバック電流を、すなわち、この代表的な実施形態では位相Ｗのフィードバック電流を、予想される電流振幅（段階１では−０．５×Ｉ、段階２では−０．８６６６×Ｉ）と比較することによって、実施することができる。すなわち、もし予想される電流が、これらの動作中に測定された電流に一致しない場合は、欠相が示される。予想される電流値の範囲は、測定された電流が有効であるとみなされる範囲、すなわち欠相が示されない範囲の閾値窓として提供される。予想される電流値の範囲、すなわち閾値の範囲は、所望の用途のパラメータに応じて可変である、または設定可能である。
【００１４】
予想される電流値と測定された電流値との比較は、電流制御のために十分な整定時間を取ることができるように、停止動作の各段階の終了時に実施される。もし、比較結果が一定の電流帯域内に含まれない場合は、欠相が告示される。欠相が示されたとき、モータ駆動システム１０は、二重安全モードで動作する、低機能性モードで動作する、モータを無効にするなどを含むいくつかの反応を示すことができる。なお、もし欠相が初期に検出された場合は、再始動メカニズムを使用してモータの再始動を試みることが可能であると考えられる。例えば、モータ駆動システム１０は、欠相検出エラーの生成後、停止段階の間に、同モータ駆動システムを再初期化するようにプログラムすることが可能である。
【００１５】
停止の各段階１，２がエラーを生じることなく完了すると、通常の動作が再開される。スイッチＳＷ１は、上側の位置に切り替わり、速度調整器１１によるトルク電流指示値ｉｑ*の供給を可能にし、スイッチＳＷ２は、下側の位置に切り替わり、ロータ角推定器１６による推定ロータ角Ｒｔｒ＿Ａｎｇの生成を可能にする。
【００１６】
図３は、欠相検出器１８のシステムブロック図である。図中には、欠相検出アルゴリズムのための計算の一部を構成する乗算器３１への入力として、電流パラメータＩｐａｒｋが示されている。欠相検出アルゴリズムは、スイッチ３２の状態および停止角度に応じて、例えば、段階１用の０．５または段階２用の０．８６６のいずれかの乗数を提供される。スイッチ３２の状態および停止角度に応じて、その他の値を用いることも可能である。電流パラメータＩｐａｒｋは、調整器１４にトルク電流指示値を供給するために、図１に示されたスイッチＳＷ１に送られる。したがって、電流パラメータＩｐａｒｋによって提供される電流量は、停止段階中にトルク電流指示値Ｉｑ＊用に供給される電流量である。
【００１７】
段階制御３６は、乗算ブロック３１に適切なパラメータを供給するために、そして、推定ロータ角Ｒｔｒ＿Ａｎｇを供給するために、スイッチ３２，３４に切り替え論理を提供する。この実施例の段階１において、電流パラメータＩｐａｒｋは、０．５で乗算され、その結果を電流フィードバックｉＷに加算される。前述のように、乗数は、スイッチ３２の状態と停止角度とに依存する。加算の結果は、モータ電流が範囲外であるか否か、欠相を示しているか否かを判断するために、フィルタを通されて比較器に加えられる。また、段階１において、推定ロータ角Ｒｔｒ＿Ａｎｇは、所望の電流フィードバックｉＷを得るために、Ｖ相について３０度に設定される。電流パラメータＩｐａｒｋおよびトルク電流指示値Ｉｑ＊に対するこれらの設定の結果として得られたフィードバックｉＷは、比較器Ｃに供給される信号を適切な範囲にすることができる。欠相検出器１８による欠相検出は、逐次的に生じるので、故障は、段階１または段階２のいずれかで検出されると考えられる。段階１の完了後、段階制御３６は、スイッチ３２，３４を作動させることによって、段階２における欠相検出の決定に適したパラメータをモータ駆動システム１０に加える。したがって、この実施例では、０．８６６６の値が電流パラメータＩｐａｒｋと共に乗算器３１に加えられ、次いで、電流フィードバックＩＷと比較される。比較の結果は、フィルタを通されて比較器Ｃに加えられる。これは、やはり比較器Ｃに加えられた電流帯域の閾値を基準にして、欠相発生の有無を決定するためである。乗数は、スイッチ３２の状態と停止角度とに依存する。段階２において、スイッチ３４は、Ｖ相について０度の推定ロータ角を電流ベクトルに対して設定するように操作されるので、電流ベクトルは、Ｕ相に対して直交する。したがって、欠相検出は、段階２において独立に完了され、段階１とは異なる独立した欠相表示を提供する。もし、段階１または段階２のいずれかで欠相故障が示された場合は、その結果は、欠相検出信号のかたちで告示される。
【００１８】
本発明にしたがった欠相検出器の数々の変形版も、本発明の範囲内であると見なされる。非限定的な例として、所望のモータ駆動システムパラメータに応じてパラメータを調整可能であるプログラム可能なまたは適応性の欠相検出器を用意することが挙げられる。更に、欠相検出器では、図３に例示された単一の比較器Ｃに代わって複数の比較器を使用することも可能である。また、Ｗ相以外の他の相を使用して欠相検出を実現することも可能である。
【００１９】
以上、具体的な実施形態との関連のもとで本発明が説明された。しかしながら、当業者にとっては、その他の変更および修正、ならびにその他の使用が明白である。したがって、本発明は、本明細書で開示された具体的内容には限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ロータ角推定機能を有するＰＭＳＭコントロールのシステムブロック図である。
【図２】電流ベクトル図である。
【図３】本発明にしたがった欠相検出器のシステムブロック図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０…ＰＭＳＭ駆動システム
１１…速度調整器
１２…ベクトル回転器制御
１３…ＰＭＳＭ
１４…調整器
１６…ロータ角推定器
１８…欠相検出器
２２…ベクトル図
３１…乗算器
３２，３４…スイッチ
３６…段階制御
【図１】
2006238688.tif 000003
【図２】
2006238688.tif 000004
【図３】
2006238688.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月9日(2006.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
請求項３に記載の方法であって、
前記第２の電流計算値と比較する工程は、
前記機械への電流コマンドを決定するために使用される電流パラメータを用意する工程と、
前記電流パラメータを１つの値で乗算する工程と、
前記乗算の工程で得られた積を、前記感知された第２の電流と比較して、前記感知された第２の電流と前記積との差が前記所定の値を上回るか否かを決定する工程と
を含む、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
請求項４に記載の方法であって、更に、
前記相故障信号が生成されなかった場合に、速度調整器の出力を前記制御器に供給して機械動作を制御する工程を備える方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１７】
請求項１３に記載のシステムであって、更に、
前記相故障信号が生成されなかった場合に、前記制御器に出力を供給して機械動作を制御する速度調整器を備えるシステム。
【外国語明細書】
1. TITLE OF THE INVENTION
PHASE-LOSS DETECTION FOR ROTATING FIELD MACHINE
2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION
1.  Field of the Invention
[0001]The present invention relates to fault detection in rotating field machines, including permanent magnet motor and induction motor drive systems, and relates more particularly to detection of phase loss in a rotating field machine.
2.  Description of Related Art
[0002]Permanent magnet (PM) and induction motors and motor drive systems are known for use in a variety of applications involving motion and velocity control.  Some types of motor drives include a power inverter that selectively delivers power to various phases in a multiphase motor.  One type of motor uses three phases that are each excited according to a particular methodology to interact with a permanent magnet to drive the motor according to a desired profile.  Due to design and other practical considerations, connections to the motor from the power inverter are often made with cables or wiring connections that may vary in length, such that the power inverter is separated from the motor.  Precautions are typically taken to protect the cables and wiring connections from the impact of EMI and other noise signals that are often found in motor drive systems.
[0003]Despite the additional precautions usually taken in protecting the cables and wiring connections between the power inverter and the motor, problems with respect to the cables or wiring connections can sometimes occur.  For example, drive operation failure occurs when wiring connections between drive and motor are broken, loose or misconnected.  For example, any of the above problems may lead to motor startup failure.
[0004]In cases where a large starting torque is not required, the motor may start and continue to run, but with significant torque ripple.  The torque ripple substantially reduces drive efficiency, increases audible noise and eventually may damage the connecting shaft load.  It would be desirable to detect when a faulty motor electrical connection exists, and provide a failure response in that case.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0005]In accordance with the present invention there is provided a system and method for detecting the loss of a phase in a rotating field machine such as a permanent magnet synchronous motor with a sensorless feedback detection system or an induction motor.  Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) may be initialized upon startup by being parked at a certain angle to obtain an initial condition for starting and running the motor.  A technique for parking the motor involves forcing DC current through the motor windings to cause the motor shaft to park at a certain prescribed angle.  Parking may be accomplished in several stages where a current vector in a synchronous rotating frame current regulator is aligned with a first phase and then another phase, during which alignments the currents of other phases may be measured.  When the current of phases that are not aligned to the current vector are measured, they fall within expected ranges, or else an error is observed.  When particular current amplitudes fall outside of anticipated ranges, a phase loss error is indicated.
[0006]Accordingly, the present invention describes a method of detecting rotating field machine phase disconnection or phase errors between a rotating field machine drive and a rotating field machine during startup of the rotating field machine.  Phase loss can be determined by monitoring only one phase current feedback derived from a 2-stage DC current injection during the startup of a permanent magnet motor drive.
[0007]The Phase-Loss detection scheme of the invention can be incorporated into the start-up sequence of a motor without extending startup duration.  Advantageously, the startup sequence of the motor can be stopped to prevent mechanical damage to the system driven by the motor, based on the results of the phase loss detection.
[0008]Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of the invention which refers to the accompanying drawings.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
[0009]The present invention relates to a phase loss detection system and algorithm that is preferably implemented in firmware.  Referring now to Fig. 1, a motor control system with a phase loss detection block 18 according to the present invention is shown generally as a system 10.  System 10 is PMSM drive system with a synchronous rotating frame current regulator.  The system can also drive another type of rotating field machine, such as an induction motor.  A vector rotator control 12 is provided with torque and flux current regulation parameters from a regulator 14, and is also provided with a rotating angle reference Rtr-Ang from a rotor angle estimator 16.  The rotating angle reference supplied to control 12 is connected through a switch SW2 to estimator 16.  During startup, however, switch SW2 is connected to a phase loss detector 18 according to the invention to perform a phase loss detection operation, where detector 18 supplies the rotator angle signal to vector rotator 12.  In addition, detector 18 also supplies a torque current command iq* to regulator 14 during startup through a switch SW1.  During normal operation, that is, after startup, switch SW1 connects speed regulator 11 to regulator 14 to permit speed regulator 11 to supply torque current command iq*.
[0010]Detector 18 receives current feedback from a phase of PMSM 13 to detect whether a phase has been lost.  In the exemplary embodiment illustrated in Fig. 1, a current feedback signal for phase W is supplied as a signal iW to detector 18.  If detector 18 determines a phase has been lost, a phase loss fault is annunciated to indicate the event.
[0011]Operation of phase loss detector 18 is derived from the principle that PMSM 13 is initially parked upon motor startup for the determination of an initial rotor angle.  During the startup of a sensorless permanent magnet motor, the initial rotor angle is identified by forcing DC current into the motor and thereby forcing the motor shaft to park at a certain prescribed angle.  The parking operation typically occurs in two stages to identify the initial rotor shaft angle.
[0012]Referring now to Fig. 2, a vector diagram 22 illustrates current being forced into PMSM 13 in two stages, where the vectors are illustratively separated by a 30° angle.  In a first stage of parking, a current vector I~ is forced to align through the use of current regulators with a V-phase for a certain period of time.  This first stage is illustrated in Fig. 2 as a vector on the V-axis during a step No. 1.  When current vector I~ is so forced, the currents in the U and the W-phases are equal to half of the current magnitude I in the V-phase.  The current magnitude I is equal to iq* supplied to regulator 14.
[0013]In a second stage of parking, a current vector angle Rtr_Ang (see Fig. 1) is changed such that current vector I~ is forced through the use of current regulators to align orthogonal to the U-phase.  This second stage is represented by current vector I~ labeled No. 2 in Fig. 2.  In this second stage the current in the U-phase is zero and the current in the V and W-phases are equal and opposite with amplitudes, for example, of approximately 0.8666 times that of current magnitude I.  By comparing the feedback current, phase W in this exemplary embodiment, with an anticipated current amplitude (-0.5*I in stage 1, - 0.8666*I in stage 2), phase loss can be detected.  That is, if the expected current does not match the measured current during these operations, a lose of phase is indicated.  A range of values for expected currents may be provided to obtain a threshold window in which the measured current is considered valid, in which no phase loss is indicated.  The range of expected current values or thresholds may be made variable or may be set to depend upon the application parameters as desired.
[0014]The comparison between expected and measured current values is done at the end portion of each of the parking stages to allow sufficient settling time for current control.  If the comparison does not fall within a certain current band, phase loss will be announced.  When a phase loss is indicated, motor drive system 10 can react in a number of ways, including operating in a failsafe mode, operating in a low functionality state, disabling the motor and so forth.  It is contemplated that a restart mechanism may be employed to attempt to restart the motor if a phase loss is initially detected.  For example, motor drive system 10 may be programmed to reinitialize the motor drive system in the parking stage after a phase loss detection error is produced.
[0015]After parking stages 1 and 2 are completed without error, normal operation resumes.  Switch SW1 is placed in the upper position to permit speed regulator 11 to supply torque current command iq* and switch SW2 is placed in the lower position to permit estimator 16 to generate estimated rotor angle Rtr_Ang.
[0016]Referring now to Fig. 3, a system block diagram of detector 18 is illustrated.  A current parameter Ipark is shown as an input to a multiplier 31 that forms a portion of the calculation for the phase loss detection algorithm that is supplied with a multiplier, for example, of either 0.5 for stage 1 or 0.866 for stage 2, depending upon the state of a switch 32 and the parking angle.  Other values will be used depending on the state of switch 32 and the parking angle.  Current parameter Ipark is delivered to switch SW1 illustrated in Fig. 1 to supply the torque current command to regulator 14.  Accordingly, the magnitude provided by current parameter Ipark is the magnitude supplied for torque current command iq* during the parking stage.
[0017]A stage control 36 provides a switching logic to switch switches 32 and 34 to supply the appropriate parameters to multiplication block 31 and estimated rotor angle Rtr_Ang.  During stage 1, in the example, current parameter Ipark is multiplied by 0.5, and the result is added to current feedback iW.  As discussed, the multiplier depends on the state of switch 32 and the parking angle.  The result of the addition is filtered and applied to a comparator to determine if the motor current is out of range, indicating a phase loss.  Also during stage 1, estimated rotor angle Rtr_Ang is set to 30° with respect to the V-phase to obtain the desired current feedback iW.  The feedback current iW obtained as a result of the settings for current parameter Ipark and torque current command iq* permits an appropriate range for the signal supplied to comparator C.  The phase loss detection according to detector 18 occurs serially, so that a fault may be detected in either of stages 1 or 2.  After stage 1 is complete, stage control 36 operates switches 32, 34 to apply the appropriate parameters to motor drive system 10 to determine phase loss detection in stage 2.  Accordingly, in the example, a value of 0.8666 is applied to multiplier 31 in combination with current parameter I park, which is then compared against current feedback IW, the result of which is passed through a filter and applied to comparator C to determine whether a phase loss has occurred with respect to the current band thresholds also applied to comparator C.  The multiplier depends on the state of switch 32 and the parking angle.  During stage 2, switch 34 is operated to apply a 0° angle to the current vector with respect to V-phase, so that the current vector is orthogonal to U-phase.  A phase loss detection is thus completed separately for stage 2 to provide a separate phase loss indication from stage 1.  If a phase loss fault is indicated in either stage 1 or stage 2, the result is announced by the phase loss detection signal.
[0018]A number of variations of the phase loss detector according to the present invention are contemplated to be within the scope of the present invention.  Some non-limiting examples include providing a programmable or adaptive phase loss detector with variable parameters that may be modified in accordance with the desired motor drive system parameters.  Moreover, several comparators may be used in the phase loss detector rather than the single comparator C illustrated in Fig. 3.  Other phases may be used to achieve the phase loss detection aside from W-phase as well.
[0019]Although the present invention has been described in relation to particular embodiments thereof, many other variations and modifications and other uses will become apparent to those skilled in the art.  Therefore, the present invention should be limited not by the specific disclosure herein, but only by the appended claims.
3. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Fig. 1 is a system block diagram of a PMSM control with rotor angle estimation.
Fig. 2 is a current vector diagram.
Fig. 3 is a system block diagram of a phase loss detector according to the present invention
1.  A method for detecting a loss of a phase in a multiphase rotating field machine, the method comprising:
providing a first electrical current into the machine windings to cause the current vector to assume a first current vector position;
sensing a first current in at least one selected phase winding of the machine;
comparing the sensed first current in the at least one selected phase winding with a first calculated current for the selected phase winding; and
detecting that a first phase fault has occurred if the first calculated and sensed first currents differ by more than a predetermined value.
2.  The method of claim 1, further comprising:
providing a second electrical current into the machine windings to cause the current vector to assume a second current vector position;
sensing a second current in at least one selected phase winding of the machine;
comparing the sensed second current in the at least one selected phase winding with a second calculated current for the selected phase winding; and
detecting that a second phase fault has occurred if the second calculated and sensed second currents differ by more than a predetermined value.
3.  The method of claim 2, further comprising:
switching a controller for the machine into a start-up mode prior to providing the electrical current into the machine windings.
4.  The method of claim 3, further comprising generating a phase fault signal if either the first or second phase faults has been detected.
5.  The method of claim 4, further comprising switching the controller to normal operation if no phase fault signal is generated.
6.  The method of claim 1, wherein the step of comparing comprises:
providing a current parameter that is used to determine a current command to the machine;
multiplying the current parameter by a value; and
comparing a product of the step of multiplying with the sensed first current to determine if the sensed first current differs from the product by more than the predetermined value.
7.The method of claim 3, wherein the second step of comparing comprises:
providing a current parameter that is used to determine a current command to the machine;
multiplying the current parameter by a value; and
comparing a product of the step of multiplying with the sensed second current to determine if the sensed second current differs from the product by more than the predetermined value.
8.  The method of claim 3, further comprising providing the output of a speed regulator to the controller to control machine operation if no phase fault signal is generated.
9.  The method of claim 8, further comprising providing an estimate of the machine rotor angle to the controller if no phase fault signal is generated.
10.  A system for detecting a loss of a phase in a multiphase rotating field machine, the system comprising:
a device for providing a first electrical current into the machine windings to cause the current vector to assume a first current vector position;
a sensor for sensing a first current in at least one selected phase winding of the machine;
a comparator for comparing the sensed first current in the at least one selected phase winding with a first calculated current for the selected phase winding; and
a detector for detecting a first phase fault if the first calculated and sensed first currents differ by more than a predetermined value.
11.  The system of claim 10, further wherein:
the device provides a second electrical current into the machine windings to cause the current vector to assume a second current vector position;
the sensor senses a second current in at least one selected phase winding of the machine;
the comparator compares the sensed second current in the at least one selected phase winding with a second calculated current for the selected phase winding; and
the detector detects a second phase fault if the second calculated and sensed second currents differ by more than a predetermined value.
12.  The system of claim 11, further comprising:
a switch switching a controller for the machine into a start-up mode prior to providing the electrical current into the machine winding.
13.  The system of claim 12, further wherein the detector generates a phase fault signal if either the first or second phase faults has been detected.
14.  The system of claim 12, further comprising a switch for switching the controller to normal operation if no phase fault signal is generated.
15.  The system of claim 10, wherein:
the comparator receives a first current parameter that is used to determine a torque current command to the machine;
further comprising a multiplier for multiplying the current parameter by a value; and wherein
the comparator compares a product of the multiplier with the sensed first current to determine if the sensed first current differs from the product by more than the predetermined value.
16.  The system of claim 12, wherein the comparator receives a second current parameter that is used to determine a torque current command to the machine;
further wherein the multiplier multiplies the second current parameter by a value; and
further wherein the comparator compares a product of the multiplier with the sensed second current to determine if the sensed second current differs from the product by more than the predetermined value.
17.  The system of claim 12, further comprising a speed regulator providing an output to the controller to control machine operation if no phase fault signal is generated.
18.  The system of claim 17, further comprising a rotor angle estimator for estimating the rotor angle of the machine, the rotor angle estimator providing an output to a switch which provides the rotor angle estimate to the controller after machine start-up and if no phase fault signal is generated.
19.  The system of claim 18, wherein the device for providing the first and second electrical currents into the machine windings provides respective rotor angle signals during start-up to cause the current vectors to assume the respective first and second current vector positions.
20.  The system of claim 19, wherein the switch switches from a first position during start-up wherein the rotor angle estimate is provided by the device to a second position whereby the rotor angle estimate is provided by the rotor angle estimator.
21.  The system of claim 18, wherein the controller comprises a speed regulator having an output coupled to a torque and flux current regulator, the torque and flux current regulator having an output coupled to a vector rotator having an output coupled to a PWM gating stage, the PWM gating stage having an output coupled to an inverter driving the machine, and wherein feedback signals are provided from the output of the inverter to a vector demodulator, the vector demodulator having an output providing an input to the torque and flux current regulator, further wherein the rotor angle estimator provides the rotor angle estimate to the vector rotator and to the vector demodulator.
22.  The system of claim 10, wherein the machine comprises a permanent magnet synchronous motor or an induction motor.
1. ABSTRACT
A method for detecting a loss of a phase in a multiphase rotating field machine, the method comprising providing a first electrical current into the machine windings to cause the current vector to assume a first current vector position, sensing a first current in at least one selected phase winding of the machine, comparing the sensed first current in the at least one selected phase winding with a first calculated current for the selected phase winding, and detecting that a first phase fault has occurred if the first calculated and sensed first currents differ by more than a predetermined value.
2. REPRESENTATIVE DRAWING
Fig. 1
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