(57)【要約】      （修正有）【課題】始動失敗検出システムは、磁束振幅信号値に基づいてモータ始動失敗の表示を提供する。【解決手段】磁束振幅信号は、ロータ角度推定と組み合わせて、モータ磁束推定から導かれる。磁束振幅信号値は、上方及び下方閾値と比較され、磁束振幅信号値が上方及び下方閾値によって定義される範囲外である場合に、始動失敗が示される。モータドライブシステムは、モータドライブ始動失敗が検出された時、ユーザが選択可能な再試行電流、継続時間、及び総再試行回数により、再始動を試みるように設定することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータドライブシステムにおける始動失敗を検出する回路であって、
モータ磁束又はロータ角度推定に基づいてモータ磁束振幅信号を生成するモータ磁束振幅信号発生器と、
前記振幅信号を受信するために前記発生器に結合された第１の入力を含む複数の入力を有し、前記複数の入力の二つ以上の間での比較結果を示す信号を生成するための出力を有する比較器と、
前記複数の入力のうちの第２の入力であって、前記振幅信号との比較のための基準値に結合された第２の入力と、
を備え、
前記比較器の出力は、前記振幅信号が前記基準値を上回る時又は下回る時を示すことにより、始動失敗を示す、
回路。
【請求項２】
請求項１に記載の回路であって、
前記基準値は低閾値であり、前記比較器は、前記磁束振幅信号が前記低閾値を下回る時を示すための出力を生成する、回路。
【請求項３】
請求項１に記載の回路であって、
前記基準値は高閾値であり、前記比較器の出力は、前記磁束振幅信号が前記高閾値を上回る時を示す、回路。
【請求項４】
請求項１に記載の回路は、さらに、
複数の入力を有する別の比較機であって、前記磁束振幅信号は、前記別の比較機の複数の入力のうちの一つに供給される、前記別の比較器と、
前記別の比較器の第２の入力に供給される別の基準値であって、前記磁束振幅信号と前記別の基準値との比較結果を示す第２の出力を生成するための、前記別の基準値と、
を備える、回路。
【請求項５】
請求項４に記載の回路は、さらに、
前記比較器のそれぞれの出力に結合され、前記比較器のいずれかが始動失敗信号を生成した場合に始動失敗信号を生成するように動作するＯＲゲートを備える、回路。
【請求項６】
請求項１に記載の回路は、さらに、
前記比較器の前記出力に結合され、前記比較器出力信号の通過を選択的に許可又は防止するためのゲートを備える、回路。
【請求項７】
請求項６に記載の回路は、さらに、
前記ゲートに結合され、前記比較器出力信号の通過を選択的に許可又は防止するためのイネーブル信号を備える、回路。
【請求項８】
請求項７に記載の回路において、
前記イネーブル信号は、前記磁束振幅信号が有効になった後で前記ゲートを有効にするように動作する、回路。
【請求項９】
請求項１に記載の回路は、さらに、
前記モータに始動再試行エネルギを供給する始動再試行発生回路を備え、前記始動再試行発生回路は、始動失敗の検出後に前記モータの再始動を試みるために、前記モータに始動エネルギを供給するように動作する、回路。
【請求項１０】
請求項９に記載の回路において、
前記モータに供給される前記始動再試行エネルギは、継続期間を変更可能である、回路。
【請求項１１】
請求項９に記載の回路において、始動失敗が検出された後、選択可能な回数の始動再試行を前記モータに対して適用する、回路。
【請求項１２】
請求項９に記載の回路において、
始動再試行の間隔を変更可能である、回路。
【請求項１３】
モータドライブシステムにおける始動失敗を検出する方法であって、
モータ磁束又はロータ角度推定に由来する磁束振幅信号を生成し、
始動失敗を示す出力を生成するために、前記磁束振幅信号を基準値と比較し、
始動失敗を示す出力が生成された時に前記モータの始動を中断する、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法は、さらに、
始動失敗が検出された時、前記モータドライブシステムを再初期化する、方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法は、さらに、
始動失敗が検出された後、前記モータの再始動を試みる、方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法は、さらに、
記磁束振幅信号を前記基準値としての低閾値と比較し、
前記磁束振幅信号が前記低閾値より小さい時に始動失敗を示す、方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法は、さらに、
前記磁束振幅信号を前記基準値としての高閾値と比較し、
前記磁束振幅信号が前記高閾値より大きい時に始動失敗を示す、方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法は、さらに、
始動失敗が発生したかを判断するために、前記磁束振幅信号を別の基準値と比較する、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法は、さらに、
前記基準値間の範囲を得るために前記基準値の比較を組み合わせ、
モータの始動失敗は、前記磁束振幅信号が前記範囲外である場合に示される、方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法は、さらに、
始動失敗が検出された後、前記モータに始動再試行を提供する、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法は、さらに、
前記始動再試行の継続時間を変化させる、方法。
【請求項２２】
勢急行２０に記載の方法は、さらに、
始動失敗の検出後、選択可能な回数の始動再試行を前記モータに提供する、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法は、さらに、
始動失敗の検出後、前記モータに対して提供する始動再試行の時間間隔を変更する、方法。
【請求項２４】
モータの始動失敗を検出するシステムであって、
モータ磁束又はロータ角度推定に基づいて磁束振幅信号を生成するデバイスと、
前記磁束振幅信号を受信するために前記デバイスに結合され、基準値の入力を有することにより、前記磁束振幅信号と前記基準値との間の比較を示す信号を出力する比較器と、
前記比較器の出力に結合され、前記比較器の出力に基づいて前記モータの始動を中断するように動作する中断部と、
を備えるシステム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のシステムは、さらに、
始動失敗の検出後に、前記モータのドライブシステムを再初期化及び再始動する再始動セクションを備える、システム。
【請求項２６】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記基準値は、プログラム可能である、システム。
【請求項２７】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記デバイス、比較器、及び始動失敗の表示は、ソフトウェアにおいて実行される、システム。
【請求項２８】
請求項２４に記載のシステムは、さらに、
前記モータを再始動するための再始動発生コンポーネントを備え、前記再始動発生コンポーネントは、始動失敗の検出後に、前記モータにエネルギを供給するように動作する、システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載のシステムにおいて、
前記再始動発生コンポーネントは、始動失敗の検出後に、前記モータに供給される再始動のエネルギの継続時間を変化させるように構成される、システム。
【請求項３０】
請求項２８に記載のシステムにおいて、
前記再始動発生コンポーネントは、始動失敗の検出後に、前記モータに対して複数回の再始動の試行を適用するよう動作する、システム。
【請求項３１】
請求項３０に記載のシステムにおいて、
前記再始動発生コンポーネントは、始動失敗の検出後に、前記モータに対して適用される再始動の試行間の時間間隔を選択的に設定可能である、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサレス同期モータドライブに関し、特に、始動失敗検出機能を備えたドライブに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期マシン（ＰＭＳＭ）は、高品質なパワーエレクトロニクスと、強力な信号処理マイクロプロセッサの発達により、電気モータとして広く使用されている。ＰＭＳＭデバイスは、通常、ＤＣマシンより安価であり、ＤＣマシンより高い性能特性を有することができる。ＰＭＳＭデバイスは、高い効率と、低い維持費と、一定のサイズ寸法に対する高いトルク出力とについても魅力的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＰＭＳＭの動作では、通常、所望の出力特性を得るために、モータのロータの角度を同期させる必要がある。従来のＰＭＳＭは、位相励起をロータ位置に同期するのに寄与するように、エンコーダ又はレゾルバのような位置センサを含んでいた。しかしながら、多くの用途及び環境において、エンコーダ又はレゾルバの存在は、コスト、信頼性、マシン寸法、及び雑音排除性を含め、いくつかの欠点を有する。
【０００４】
位置センサの排除を可能にするセンサレスロータ位置フィードバックを得るために、ＰＭＳＭモータにおいてロータ位置を検出する様々な手法が開発されてきた。一部のケースでは、センサレスロータ位置検出手法は、ロータ突極性と、モータコイルの局所飽和とに注目している。こうした種類のシステムは、突極性が容易に測定される内部永久磁石を有する。ロータ突極性は、更に、モータコイルに関する永久磁石の位置に反応する高周波正弦波電圧又は他の外乱を注入することで検出できる。しかしながら、信号注入は、効率又は可聴ノイズに関連する他の問題を発生させる。
【０００５】
表面実装型ＰＭモータのような最低限の突極性を有する他の種類の機械システムは、逆起電力を使用してロータ角度を検知する。逆起電力も、モータコイルの磁束を推定するための情報を抽出することが観測されている。
【０００６】
ＰＭＳＭモータのセンサレス制御のための逆起電力センサレス手法では、始動時と、低速での動作中とに難点が生じる。ロータが静止状態であっても、上記の手法を使用してロータ位置を検出し得るが、始動時に表面実装型ＰＭによりＰＭＳＭモータを制御すると、突極性の測定が容易に利用できないため、問題が生じる。
【０００７】
センサレスモータドライブの始動中には、モータトルクを増進させ、ドライブのスティクション及び摩擦を乗り越えてロータを回転及び加速させる。モータシャフトのスティクション及び摩擦は、加わる負荷の特性に応じて劇的に変化し得る。例えば、低温に晒される屋外用ポンプのスティクションは、通常の値から劇的に増加し得る。場合によっては、モータシャフトが部分的につかえ、モータの始動回転を妨げる可能性がある。このようなケースでは、始動失敗が生じる場合があり、これはアンペア当たりのトルク比が劇的に低下し、モータを加速できないことを意味する。加えて、ゼロ速度又は低速のセンサレスドライブにおけるロータ位置の検出が困難であることから、モータ速度の情報が、正確なものにならない恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、ＰＭＳＭモータにおける始動失敗状態を迅速に判定する方法が提供される。モータ磁束範囲を提供して、範囲外の磁束レベルによる始動失敗を検出できるように、始動の成功を判定する。モータ磁束範囲は、用途に応じて調整できる。正常な始動中、モータ磁束が蓄積され、特定の規定範囲内にとどまる。モータ磁束レベルは、モータ磁束範囲との比較のためにセンサレスＰＭＳＭドライブから抽出され、始動失敗が生じたか否かが判定される。
【０００９】
本発明の別の特徴によれば、始動失敗が検出された時に自動再始動シーケンスが提供される。始動失敗の検出時、ＰＭＳＭモータドライブは初期化し、再始動サイクルに入る。本発明によれば、ＰＭＳＭドライブは、始動再試行用に選択可能な再始動トルクにより、特定の回数の始動再試行を行うように構成できる。
【００１０】
本発明の別の特徴によれば、始動失敗検出は、２００２年１１月１２日提出の同時系属出願第１０／２９４，２０１号「永久磁石同期モータドライブのロータ角度推定（ＩＲ−２１３０）」において説明されるようなロータ角度推定回路への追加として提供される。始動失敗検出器は、ロータ角度推定器のベクトル回転子の出力から入力磁束振幅を取得し、磁束振幅を高閾値及び低閾値と比較して、磁束振幅が適切な範囲内にあるかを判定する。ロータ角度推定器からの磁束振幅が範囲を外れた場合、始動失敗状態が示され、ドライブは、モータ制御信号をオフにするようにデフォルトシーケンスに設定され、必要な場合は、始動電流を増加させ（設定可能）、始動シーケンスを再始動する。
【００１１】
成功する始動において、モータ磁束レベルは、特定の帯域限界内にとどまるべきである。モータ磁束が帯域限界を外れた場合には、始動失敗を検出できる。この始動失敗の検出時、ドライブは、再初期化し、再始動サイクルに入る。ドライブは、可変数の始動再試行と、始動再試行の再始動トルクの可変値とについて設定可能である。モータ磁束レベルは、上で述べた出願第１０／２９４，２０１号（ＩＲ−２１３０）において説明されるように、センサレス制御ドライブから容易に抽出できる。
【００１２】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照してなされる以下の本発明の説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１Ａは、センサレス位置検出を備えたモータドライブシステムを例示している。図１Ｂは、入力Ｕｄ及びＵｑと、モータ電流及びロータ位置を表す出力ｉｄ、ｉｑ、及びθとを備えたセンサレス制御の制御システム図を例示している。
【００１４】
次に図２を参照すると、ロータ角度推定器のシステムブロック図が、ダイアグラム２０として図示されている。ダイアグラム２０のロータ角度推定器は、位相ロックループにより動作する。位相ロックループにおいて、推定ロータ角度と、アルファ及びベータにより図示される磁束信号との組み合わせに基づいて、位相ロックループエラーＰＬＬ＿ＥＲＲが決定される。ロータ角度推定器の動作については、米国特許第６９１０３８９号において詳述されている。ベクトル回転子ブロック２２は、二つの出力Ｄ及びＱを提供し、そのうち出力Ｑのみが磁束の閉ループ追跡に使用される。位相ロックループは、位相ロックループエラーＰＬＬ＿ＥＲＲを安定状態でゼロに強制することで動作する。比例積分（ＰＩ）補正器２４は、出力Ｑを強制するのに寄与し、したがってＰＬＬ＿ＥＲＲの値をゼロに強制するのに寄与する。ベクトル回転子ブロック２２の出力Ｄはロータ角度の推定に使用されないが、出力Ｄの信号は、モータ磁束振幅に関する情報を含み、始動失敗の検出のために本発明に従って使用される。
【００１５】
次に図３を参照すると、始動失敗検出のシステムブロック図が、ダイアグラム３０として例示されている。図２は、ダイアグラム２０のロータ角度推定器に提供されたものと全く同じ特徴と、始動失敗検出回路の追加とを示している。ベクトル回転子ブロック２２は、出力Ｄから磁束振幅信号を提供し、磁束振幅信号は、始動失敗検出のための閾値範囲の評価に使用される。当初、ドライブの始動中、出力Ｄの磁束振幅信号は、始動時のシステム内の過渡電流のため有効ではない。したがって、始動シーケンス又は制御信号３２を使用して、ＡＮＤゲート３３において始動失敗検出を有効にする。出力Ｄからの磁束振幅信号が有効になると、これを使用して、磁束振幅が指定範囲内にあるか否かを判断し、始動失敗が生じたか否かを判断し得る。したがって、制御信号３２は、磁束振幅信号が有効になり、磁束振幅レベルの範囲における適切な指標が得られるように定められた遅延時間の後に、始動検出での失敗の表示を可能にする。
【００１６】
ベクトル回転子部ブロック２２からの出力Ｄによって供給される磁束振幅は、磁束振幅信号が一定の範囲内にあるか否かを決定するために、比較器３５、３６の入力に供給される。磁束振幅信号は、好ましくは、高閾値ＦＬＸＨＩＴＨＲ及び低閾値ＦＬＸＬＯＴＨＲと並行して比較され、磁束振幅が閾値ＦＬＸＨＩＴＨＲ及びＦＬＸＬＯＴＨＲによって指定される範囲内にあるか否かが即座に決定される。閾値ＦＬＸＨＩＴＨＲ及びＦＬＸＬＯＴＨＲは、磁束振幅信号と共に、比較器３５、３６のそれぞれの比較器入力に供給される。比較の結果は、比較器３５、３６の出力に提供される。磁束振幅が高閾値ＦＬＸＨＩＴＨＲを下回る場合、比較器３５の出力は、論理ゼロ、すなわち、低レベルとなる。磁束振幅が低閾値ＦＬＸＬＯＴＨＲを上回る場合も、比較器３６の出力は、同様に論理ゼロ、すなわち、低レベルとなる。正常な始動シーケンスにおいて、比較器３５、３６の出力は、共にゼロであり、始動失敗検出は示されない。比較は、特定の時間間隔（設定可能）が経過した後に実行される。これが行われるのは、正常な磁束の蓄積に十分な時間を確保するためである。
【００１７】
磁束振幅が高閾値ＦＬＸＨＩＴＨＲを上回る場合、比較器３５の出力は、論理「１」、すなわち、高レベルに設定され、磁束振幅が高磁束閾値の境界を外れたことを示す。磁束振幅が低閾値ＦＬＸＬＯＴＨＲを下回る場合、比較器３６の出力は、論理「１」、すわなち、高レベルに設定され、磁束振幅が低磁束閾値の境界を外れたことを示す。比較器３５、３６の出力のいずれかが論理「１」、すなわち、高レベルを生成する場合、始動失敗検出が示される。
【００１８】
次に図４Ａ〜４Ｃを参照すると、本発明による実験結果が、グラフ４１〜４３に例示されている。図４Ａのグラフ４１は、モータ電流と、計算されたロータ角度と、計算された磁束とについて、正常始動の結果を示している。図４Ｂのグラフ４２は、始動失敗の検出を示している。この例では、モータシャフトがつかえ、磁束振幅が閾値境界から外れ、モータの停止に至っている。図４Ｃのグラフ４３では、モータシャフトが最初につかえ、始動失敗検出が発生している。本発明の特徴によれば、つかえたシャフトが自由になったか、或いはロック状態が除去されたか否かを判断するために、自動再始動が開始される。図４Ｃに例示したグラフ４３では、三回の自動再始動の試行が、ポイントＡ、Ｂ、及びＣにおいて行われ、ポイントＣにおける再始動の試行前に、モータのシャフトが解放されている。したがって、モータを再始動する三度目の試行において、シャフトがつかえることはなく、モータは始動し、正常に動作できる。再始動試行のそれぞれの場合において、磁束振幅を閾値ＦＬＸＨＩＴＨＲ及びＦＬＸＬＯＴＨＲに対して測定し、モータシャフトがつかえているか、自由であるかを判断する。
【００１９】
本発明の実現において多数の変形例が可能であり、これには、自動再始動試行数を変化させること、再始動試行間の遅延時間を変化させること、再始動試行中のモータへの電力供給を変化させること、その他が含まれる。例えば、本発明の一実施形態において、始動失敗が検出された後、次の自動再始動では、ブロックされたシャフトを自由にするために、より高い始動電流レベルをモータに加えることができる。電流の量と、電流を加える期間とは、モータシャフト動作の復旧を試みることができるように、例えば、用途及び環境に応じて設定され得る。
【００２０】
例えば、磁束振幅パラメータは、モータドライブシステムの経過年数又は環境条件による劣化に従って、或いは、高負荷又は過酷な環境に晒された際に、経時的に変化させても良い。始動電流限定閾値は、モータドライブシステムにおける始動失敗検出が一貫して動作するように、経過年数に従って、モータドライブシステムに合わせて変化させてよい。
【００２１】
更に、再始動時、モータに供給されるパルス、又は更に具体的には、任意の波形を有し得る再試行エネルギは、多数の異なる構成に変化させることができる。再始動パルス又は試行の数は、変更し得る。例えば、三回の再始動を試行した後に、始動失敗を観測するようにしても良い。パルス間の期間も、変更しても良い。例えば、より長い又は短い間隔を再試行と再試行との間に適用しても良い。パルス又は再試行の継続時間も変更し得る。例えば、より長い又は短いパルスをモータに加えて、より多い又は少ない電流及びトルクを供給するようにしても良い。
【００２２】
本発明の別の変形例において、高閾値及び低閾値は、ハードウェアにプリセット可能であり、或いは、プログラム可能である。例えば、モータが異なる用途で使用される場合、或いは、変化する始動条件に晒される場合には、手動設定又は自動設定に基づいて選択可能な閾値のセットを比較器に提供することができる。
【００２３】
以上、本発明につきその特定の実施形態に関連して説明してきたが、他の多くの変形例
及びその他の使用法は当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本明細書の具
体的な開示ではなく添付された特許請求の範囲のみによって限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】永久磁石同期モータドライブシステムの概略ブロック図である。
【図１Ｂ】永久磁石同期モータドライブシステムの制御システムの概略ブロック図である。
【図２】ロータ角度推定器のシステムブロック図である。
【図３】始動検出回路のシステムブロック図である。
【図４Ａ】本発明によるシステムパラメータを例示するグラフである。
【図４Ｂ】本発明によるシステムパラメータを例示するグラフである。
【図４Ｃ】本発明によるシステムパラメータを例示するグラフである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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