(57)【要約】【課題】モータ駆動システムが起動することに先立って、モータロータが順方向又は逆方向に回転している場合に、モータをロバストに始動させるようにモータ駆動システムを制御するキャッチ始動シーケンサを含む、センサレスモータのためのモータ駆動システムを提供すること。【解決手段】キャッチ始動シーケンサ１２６は、モータ駆動システム１１０が初期にロータ位置を見つけ追跡するようにし、次いで、速度と場合によってはロータの回転方向を決定する。ロータが逆方向に回転している場合、キャッチ始動シーケンサ１２６は、モータ駆動システム１１０を制御して、回転速度を減速し、次いでロータの順方向の回転を開始させる。【選択図】図１
2007014198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータを有するセンサレスモータを始動するためのモータ駆動装置を制御するための制御方法であって、
前記ロータが順方向に回転しているか又は逆方向に回転しているかを決定するステップと、
前記ロータが前記逆方向に回転している場合、前記センサレスモータの相巻線の短絡を引き起こし、それによって前記ロータの前記逆回転を減速するステップと、
前記モータ相巻線の前記短絡を除去し、開ループ順回転電流ベクトルを前記モータに印加し、それによって前記ロータを前記順方向で初期速度に回転させるステップと、
その後、閉ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加し、それによって前記ロータを設定速度にまで加速させるステップと
を有することを特徴とする制御方法。
【請求項２】
前記決定するステップが、前記ロータが前記順方向に回転していると決定した場合、前記ロータを前記設定速度にまで加速させるステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記ロータの回転方向を決定する前記ステップに先立って、前記ロータの回転速度を推定するステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項４】
前記ロータの回転速度を推定するステップは、
ロータ磁束の振幅を閾値と比較するステップと、
前記ロータ磁束の振幅は前記閾値よりも大きいか小さいかに基づいて、前記回転速度を推定するステップと
を含むことを特徴とする請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
低速のロータ速度が推定される場合、さらに、
前記ロータを前記順方向で前記初期速度に回転させるステップと、
その後、前記ロータを前記設定速度にまで加速させるステップとを有し、
高速のロータ速度が推定される場合、前記ロータの前記回転方向を決定するステップを実行するステップを有することを特徴とする請求項３に記載の制御方法。
【請求項６】
前記ロータの前記回転方向を決定するステップに先立って、前記モータ駆動装置が初期に付勢されるとき、モータ電流値を強制的にゼロにするステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項７】
前記モータ電流値を強制的にゼロにするステップは、前記ロータの位置を初期に追跡するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の制御方法。
【請求項８】
前記ロータの前記回転方向を決定するステップに先立って、前記モータ駆動装置が初期に付勢されるとき、該モータ駆動装置のインバータの出力電圧を、前記センサレスモータの逆起電力と合致させるステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項９】
前記モータ相巻線の前記短絡を引き起こすステップは、前記モータ駆動装置のインバータにゼロ電圧ベクトルを印加させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項１０】
前記開ループ順回転電流ベクトルを前記モータに印加させるステップは、前記ロータを前記順方向で回転させることに先立って、前記ロータを停止させることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項１１】
前記開ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加させるステップは、前記順回転電流ベクトルが、前記ロータの位置と実質的に一致する位置か又はその後方の位置を初期に有するようにするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項１２】
前記開ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加させるステップに先立って、ロータマグネット角度を決定するステップをさらに有し、
前記開ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加させるステップは、前記決定されたロータマグネット角度に基づいて、前記順回転電流ベクトルを初期に位置決めするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項１３】
前記角度を決定するステップは、
前記モータ相巻線の前記短絡を引き起こす際に、短絡モータ電流ベクトルの位相を決定するステップと、
前記ロータマグネット角度を得るために、前記短絡モータ電流ベクトルの前記位相に位相角シフトを加えるステップと
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の制御方法。
【請求項１４】
前記位相角シフトは、予め設定された定数であることを特徴とする請求項１３に記載の制御方法。
【請求項１５】
前記位相角シフトは、前記ロータの速度によって索引付けされたテーブルの値から決定されることを特徴とする請求項１３に記載の制御方法。
【請求項１６】
前記センサレスモータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項１７】
ロータを有するセンサレスモータを始動するためのモータ駆動装置を制御するためのキャッチ始動シーケンサであって、
前記モータ駆動装置は、前記センサレスモータを駆動するためのインバータと、該インバータを制御するためのパルス幅変調モジュールと、該パルス幅変調モジュールを制御するためのベクトル回転モジュールと、前記インバータと前記ベクトル回転モジュールの間の帰還ループとして構成された電流調整器と、ロータ磁束を推定するためのロータ磁束推定モジュールとを備え、
前記キャッチ始動シーケンサは、
前記電流調整器と前記ロータ磁束推定モジュールをインターフェースするための１つ又は複数のインターフェースを備え、
前記ロータが順方向に回転しているか又は逆方向に回転しているかを決定し、
前記ロータが前記逆方向に回転している場合に、前記ロータの前記逆回転を減速させるために前記センサレスモータの相巻線の短絡を引き起こし、
前記ロータを前記順方向で初期速度に回転させるために前記モータ相巻線の前記短絡を除去して開ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加し、
その後、前記ロータを設定速度にまで加速させるために閉ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加するように構成されていることを特徴とするキャッチ始動シーケンサ。
【請求項１８】
前記ロータが前記順方向に回転していると前記キャッチ始動シーケンサが決定した場合、前記ロータを前記設定速度にまで加速させるようにさらに構成されていることを特徴とする請求項１７に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【請求項１９】
前記ロータの前記回転方向を決定することに先立って、前記ロータ磁束推定モジュールによって提供されるロータ磁束の振幅に基づいて、前記ロータの回転速度を推定するように構成されていることを特徴とする請求項１７に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【請求項２０】
前記キャッチ始動シーケンサが低速のロータ速度を推定する場合、前記キャッチ始動シーケンサは、
前記ロータを前記順方向で初期速度に回転させ、
その後、前記ロータを前記設定速度にまで加速させるように構成され、
前記キャッチ始動シーケンサが高速の回転速度を推定する場合、前記キャッチ始動シーケンサは、前記ロータの前記回転方向を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【請求項２１】
前記ロータの前記回転方向を決定することに先立って、前記キャッチ始動シーケンサは、前記モータ駆動装置が初期に付勢されるとき、前記インバータの出力電圧を、前記センサレスモータの逆起電力と実質的に合致させるよう構成されていることを特徴とする請求項１７に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【請求項２２】
前記開ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加させると、さらに前記キャッチ始動シーケンサは、前記順回転電流ベクトルが、前記ロータの位置と実質的に一致する位置か又はその後方の位置を初期に有するようにするよう構成されていることを特徴とする請求項１７に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【請求項２３】
前記開ループ順回転電流ベクトルを前記センサレスモータに印加させることに先立って、前記キャッチ始動シーケンサは、
ロータマグネットの角度を決定し、
その後、前記決定されたロータマグネット角度に基づいて、前記順回転電流ベクトルの初期位相角を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１７に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【請求項２４】
前記ロータマグネット角度を決定するために、前記キャッチ始動シーケンサはさらに、
前記モータ相巻線の前記短絡を引き起こす際に、短絡モータ電流ベクトルの位相を決定し、
前記ロータマグネット角度を得るために、前記短絡モータ電流ベクトルの前記位相に位相角シフトを加えるように構成されていることを特徴とする請求項２３に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【請求項２５】
前記位相角シフトは、予め設定された定数であることを特徴とする請求項２４に記載のキャッチ始動シーケンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサレスモータを始動するためのモータ駆動装置を制御するための制御方法及びキャッチ始動シーケンサに関し、より詳細には、モータ駆動システムの起動に先立ってモータロータが回転している可能性がある場合に、センサレスモータを始動するためのモータ駆動装置を制御するための制御方法及びキャッチ始動シーケンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）など多くのモータ駆動システム及びモータは、コストを低減し信頼性を高めるためにセンサレス制御技術を使用している。これらのモータ駆動システム及びモータは、モータロータの位置を検出するためにモータ及び／又はセンサから電圧帰還を測定する機能を有していないという点でセンサレスである。代わりに、ロータ位置は、モータ巻線電流の推定に基づいて決定される。
【０００３】
注目すべきことに、モータ駆動インバータの起動に先立って、外部負荷に起因し、モータのロータが、（順方向又は逆方向に）回転していることがある。例えば、センサレスモータ駆動システム及びモータが（空調装置などの）屋外ファン用である場合、インバータの起動に先立って、風がファンを駆動させ、したがって、モータロータが回転することがある。周知のように、ひとたびロータが回転すると、モータは逆起電力（ｂａｃｋ  ＥＭＦ）を発生させる。しかし、モータ駆動システム及びモータがセンサレスのため、インバータが起動しているとき、この逆起電力の位相及び大きさは、モータ駆動システムには不明である。その結果、インバータが起動されたとき、インバータ出力電圧は、通常、モータ逆起電力とは位相及び大きさが合っていない。問題として、モータが十分に高い速度で回転しそれにより大きな逆起電力を発生している場合に、この不整合は、大きなモータ電流をもたらし、それによりインバータの過電流シャットダウン（ｏｖｅｒ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｈｕｔｄｏｗｎ）を引き起こすおそれがある。
【０００４】
インバータの起動に先立ってロータが逆回転しているとき、さらに別の問題も生じる。これらの条件では、センサレス（すなわち、電圧又はホールセンサ（Ｈａｌｌ  ｓｅｎｓｏｒ）がない、電流センサのみ）モータ駆動システムは、逆方向から順方向に移行するためにモータ速度を制御しなければならず、これは、インバータが回生機能を持たず、ロータが高速で回転しているときに困難となりうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、センサレス制御技術を使用し、モータ駆動インバータの起動に先立ってモータロータが順方向又は逆方向に回転している可能性がある場合に、モータをロバスト（ｒｏｂｕｓｔｌｙ）に始動することのできるモータ駆動システムを提供することが望ましい。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モータ駆動システムの起動に先立ってモータロータが回転している可能性がある場合に、センサレスモータを始動するためのモータ駆動装置を制御するための制御方法及びキャッチ始動シーケンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、センサレスモータを駆動するためのモータ駆動システムは、制御装置及びインバータを含み、この制御装置は、外部回転力（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｔｏｒｑｕｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）によりモータロータが初期に回転している場合に、モータをロバストに始動するようにモータ駆動システムを制御するためのキャッチ始動シーケンサ（ｃａｔｃｈ  ｓｔａｒｔ  ｓｅｑｕｅｎｃｅｒ）を含んでいる。特に、インバータを初期に付勢したあと、キャッチ始動シーケンサは、モータロータが既に回転している可能性があると想定し、モータ駆動システムがロータ位置を追跡し、ゼロ電流調整（ｚｅｒｏ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）を実施するようにし、その結果、インバータ出力電圧の位相及び大きさが、モータ逆起電力の位相及び大きさと合致する。結果として、大きなモータ電流は、インバータの初期の始動において防止され、それにより、インバータの過電流シャットダウンが防止される。
【０００８】
その後、キャッチ始動シーケンサは、ロータ速度を推定する。この推定は、ロータ磁束の振幅に基づく。例えば、ほぼゼロのロータ速度（すなわち、ロータが回転していないかあるいは順方向又は逆方向に低速で回転していること）が決定されたとすると、キャッチ始動シーケンサは、ロータが順方向に回転することを保証するために、インバータがモータに順回転電流ベクトルを強制／印加するようにし、ロータが閾値の速度に達すると、モータの速度を設定点にまで上げてその後に通常動作を想定するようにモータ駆動システムを構成することによって動作を完了する。
【０００９】
一方、キャッチ始動シーケンサは、ロータが相当の速度で回転していると決定した場合、キャッチ始動シーケンサは、次に、ロータの回転の方向を決定する。キャッチ始動シーケンサが順方向のロータの回転を決定したとすると、キャッチ始動シーケンサは、その後、モータの速度を設定点にまで上げて通常動作を想定するようにモータ駆動システムを構成することによって動作を完了する。
【００１０】
しかし、キャッチ始動シーケンサが逆方向のロータの回転を検出したとすると、キャッチ始動シーケンサは、次に、ロータの逆回転を減速させ場合によっては停止させる。このキャッチ始動シーケンサは、インバータがゼロ電圧ベクトルをモータに印加するようにし、ゼロ電圧ベクトルはモータ相巻線を短絡し、それによって、ロータの回転スピンを減速し場合によってはロータを停止させる効果がある。
【００１１】
その後、キャッチ始動シーケンサは、モータ駆動システムが、ゼロ電圧ベクトルモードから開ループモードに切り替わるようにし、インバータが、（ロータが依然として逆方向で回転していることを想定して）ロータをゆっくり停止させ、次いで順方向に回転を開始させる目的で、順回転電流ベクトルをモータに強制／印加するようにする。注目すべきことに、ロータへの外部回転力のため、ロータの回転と順回転電流ベクトルは、初期に互いに対向する。そのため、キャッチ始動シーケンサは、ベクトルの初期位置がロータマグネット（ｒｏｔｏｒ  ｍａｇｎｅｔ）の位置に一致するか又はその後方になるよう順回転電流ベクトルが印加されるようにする。この位置決めは、順回転電流ベクトルに、外部回転力に常に対向したロータに対するトルクを発生させるという点で有益である。（順回転電流ベクトルについての初期位置を得るために）ロータマグネットの位置は、上述したように、インバータがゼロ電圧ベクトルをモータに印加している間にモータ電流の位相に基づいて決定される。
【００１２】
順回転電流ベクトルがモータに印加されると、ロータ角度が回転電流ベクトルから離れるのに伴ってモータトルクが増大する。増大されたトルクは、最終的に外部の逆回転力に打ち勝ち、ロータを停止させ、方向を反転し、次いで電流ベクトルと同期し順方向に回転させる。ロータ速度は、電流ベクトルの加速に伴って増大する。
【００１３】
キャッチ始動シーケンサは、ロータの順方向の速度が閾値を超えるまで、開ループ順回転電流ベクトルの印加を続ける。その後、キャッチ始動シーケンサは、モータ駆動システムが閉ループ制御に切り替わるようにし、モータの速度を設定点にまで上げ通常動作を想定するようモータ駆動システムを構成することによって動作を完了する。
【００１４】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照する本発明の以下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】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明のモータ駆動システムの起動に先立って初期に回転している可能性があるロータを有するモータを始動するようにモータ駆動システムを制御するためのキャッチ始動シーケンサを含む、モータ駆動システムを示す機能図である。
【００１６】
図１を参照すると、三相永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）のようなセンサレスモータ１０２を駆動するための本発明によるモータ駆動システム１００の機能図が示されている。このモータ駆動システム１００は、センサレスモータ１０２を駆動する電力信号を生成する三相インバータなどのインバータ１０４と、このモータ電力信号を生成するためにインバータ１０４のスイッチを構成するための制御装置１１０とを含んでいる。この制御装置１１０は、モータ速度指令を受け取るための制御入力１１２と、ベクトル回転モジュール（ｖｅｃｔｏｒ  ｒｏｔａｔｏｒ  ｍｏｄｕｌｅ）１１４と、パルス幅変調モジュール１１６と、ロータ磁束推定モジュール１２４及びインバータ１０４と制御入力１１２の間の電流帰還ループとして構成されるｄ−ｑ電流調整器１１９とを備えている。図示のように、ｄ−ｑ電流調整器１１９は、インバータ１０４と接続し、センサレスモータ１０２の三相モータ電流（ｔｈｒｅｅ  ｍｏｔｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）の表現を得るためのフィードバック線１１８と、このフィードバック線１１８と接続し、三相モータ電流を等価な二相の値に変換するための電流処理モジュール１２０と、この電流処理モジュール１２０と接続し、前記等価な二相値を、２つのＤＣ電流成分である（トルクを表す）Ｉｑと（磁束を表す）Ｉｄに分離するためのベクトル復調モジュール１２２とを含んでいる。やはり図示されるように、ベクトル回転モジュール１１４の出力及び電流処理モジュール１２０の出力に基づいて、ロータ磁束推定モジュール１２４は、センサレスモータ１０２のロータ磁束を推定し、その後、例えば、位相同期ループ（ＰＬＬ）を用いて、ロータ位相角及びロータ速度／周波数の値を推定し、ロータ位相角を、ベクトル回転モジュール１１４及びベクトル復調モジュール１２２に提供する。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、ベクトル回転モジュール１１４と、パルス幅変調モジュール１１６と、ロータ磁束推定モジュール１２４と、電流処理モジュール１２０及びベクトル復調モジュール１２２は、ファームウェアとして実装することができる。しかし、これらのモジュールの１つ又は複数は、例えば、ハードウェア、及び／又はＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）上で実行されるソフトウェアとして実装することを含む、他の方法で実装することもできることは当業者には理解されよう。また、各モジュールの機能は、それぞれがファームウェア、ハードウェア、及び／又はソフトウェアとして、いくつかのモジュールとして実装することができることも当業者には理解されよう。
【００１８】
一般に、ベクトル回転モジュール１１４と、パルス幅変調モジュール１１６と、ロータ磁束推定モジュール１２４と、ｄ−ｐ電流調整器１１９及びインバータ１０４は、センサレスモータ１０２を駆動するための標準センサレスモータ駆動システムとして動作する。具体的には、ロータ磁束推定モジュール１２４からのロータ角度情報と、制御入力１１２における所望ロータ速度情報及びｄ−ｑ電流調整器１１９からの電流帰還に基づいて、ベクトル回転モジュール１１４は、パルス幅変調モジュール１１６に送られる２つの指令電圧Ｖ＿Ａｌｐ及びＶ＿Ｂｅｔａ（正弦波形）を生成する。パルス幅変調モジュール１１６は、その出力において、インバータ１０４のスイッチの各ゲートにインターフェースされる。指令電圧Ｖ＿Ａｌｐ及びＶ＿Ｂｅｔａに基づいて、パルス幅変調モジュール１１６は、制御入力１１２で指定される所望の速度でセンサレスモータ１０２を駆動するようインバータ１０４を構成するために、インバータのスイッチのゲートのオン／オフを適切にスケジュールする、パルス幅変調指令信号を発生する。
【００１９】
さらに図１に示されるように、制御装置１１０は、また、キャッチ始動シーケンサ１２６を含んでいる。制御装置１１０の他のモジュールと同様に、このモジュールは、ファームウェアとして実装することも、あるいはハードウェア又はソフトウェアとして実装することもできる。また、キャッチ始動シーケンサ１２６の機能は、それぞれがファームウェア、ハードウェア、及び／又はソフトウェアとしていくつかのモジュールとして実装することができることも当業者には理解されよう。
【００２０】
電流処理モジュール１２０からの電流値、ならびに、ロータ磁束推定モジュール１２４からのロータ速度及びロータ磁束の大きさ／振幅の推定値に基づいて、キャッチ始動シーケンサ１２６は、センサレスモータ１０２の初期の始動を制御する。詳細には、インバータ１０４がセンサレスモータ１０２に電力供給するために初期に付勢されたとき、キャッチ始動シーケンサ１２６は、風などの外部負荷がロータを強制的に回すときのようにモータロータが既に回転している場合に、ロバストにセンサレスモータ１２０が始動するようにモータ駆動システム１００を構成する。特に、さらに以下で説明するように、キャッチ始動シーケンサ１２６は、制御装置１１０／インバータ１０４が初期にロータ位置を見つけ追跡するようにし、次いで、ロータの速度及び回転方向に基づいて、センサレスモータ１０２のロバストな始動を保証するように制御装置１１０／インバータ１０４を構成する。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態による、初期にセンサレスモータを始動するために図１のキャッチ始動シーケンサによって行われる処理を示す図で、初期にセンサレスモータ１０２を始動するためにキャッチ始動シーケンサ１２６によって実行されるプロセスが示されている。ステップ２０２から開始し、インバータ１０４が初期に付勢されると、キャッチ始動シーケンサ１２６は、モータロータが既に回転している可能性があると想定し、インバータの過電流シャットダウンを防止するように制御装置１１０を構成する。詳細には、キャッチ始動シーケンサ１２６は、センサレスモータ１２０の電流がゼロ電流調整によってゼロになされるように制御入力１１２を初期に構成する。注目すべきことに、ゼロ電流調整により、また、ロータ磁束推定モジュール１２４によって推定されるようなロータの位相角を追跡することによって、ベクトル回転モジュール１１４は、モータ逆起電力に合致する指令電圧Ｖ＿Ａｌｐ及びＶ＿Ｂｅｔａを速やかに発生させる。結果として、インバータ出力電圧の位相及び大きさは、モータ逆起電力の位相及び大きさと合致するようになされ、したがって、インバータの初期の始動における大きなモータ電流が防止され、したがって、インバータの過電流シャットダウンが防止される。
【００２２】
ステップ２０４で示されるように、ゼロ電流調整は、設定可能でありうる固定された期間の間だけ継続され、その後ステップ２０６に進む。具体的には、インバータ出力電圧がモータ逆起電力に合致するために、およそ５０ミリ秒もかからないであろう。しかし、インバータ及びセンサレスモータがこの状態に達することを確かにするため、ゼロ電流調整の継続期間は、例えば、約２００ミリ秒に設定されうる。
【００２３】
次に、ステップ２０６に進み、次いで、キャッチ始動シーケンサ１２６は、モータロータが回転しているかどうかを決定し、回転している場合、この回転の速度に関する相対測度を決定する。一般に、ロータの速度を計算するための方法は、モータ逆起電力が小さい（例えば、１％未満）、つまり、センサレスモータが低速で回転しているとき、ロバストではない。したがって、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ロータの速度を推定する方法として、ロータ磁束の振幅を使用する。
【００２４】
詳細には、ロータ磁束推定モジュール１２４は、ロータ磁束の振幅（Ｖ／Ｈｚ）を計算するための１つ又は複数の非理想の積分器を含んでいる。注目すべきことに、これらの積分器で計算された磁束振幅は、ロータの速度に関する情報を間接的に推定／抽出するために使用することができる。例えば、図３を参照すると、非理想積分器から計算された磁束振幅対ロータ速度／周波数のグラフが示されている。図３における式は、周波数の関数として磁束の振幅を与えていることに留意されたい。グラフに示されるように、磁束振幅は、ロータ速度が高速のとき決定的かつ一定であり、ロータ速度が低下していくのに伴って漸進的に減少を始める（非理想積分器のコーナー周波数カットオフ点（ｃｏｒｎｅｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｕｔｏｆｆ  ｐｏｉｎｔ））。したがって、ゼロ電流調整を行った後、ロータ磁束の振幅を観測することによって、ロータ速度の相対測度を近似することができる。
【００２５】
詳細には、ステップ２０６で、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ロータ磁束推定モジュール１２４から入力としてロータ磁束の振幅を受け取り、この磁束振幅を、設定可能でありうる閾値と比較する。ロータ磁束振幅が閾値を下回る場合、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ロータがほぼゼロ速度である（すなわち、ロータは回転していないかあるいは順方向又は逆方向に低速で回転している）と結論付ける。この場合、キャッチ始動シーケンサ１２６は、制御装置１１０がゼロ電流調整を停止するように構成し、ステップ２１６に進み、後述のように、通常のゼロ速度の始動を実行するよう制御装置及びインバータを構成する。しかし、キャッチ始動シーケンサ１２６が、ロータ速度が閾値を上回る（例えば、１％より大きい）と決定した場合、このキャッチ始動シーケンサ１２６は、ロータが相当の速度で回転していると結論付け、その結果として、キャッチ始動シーケンス（ｃａｔｃｈ  ｓｔａｒｔ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を実行する。後述のように、キャッチ始動シーケンスは、ロータが、順方向（正の回転周波数）で回転しているか、又は逆方向（負の回転周波数）で回転しているかによって異なる。
【００２６】
したがって、ステップ２０８に進み、キャッチ始動シーケンサ１２６は、次に、センサレスモータ１０２の回転方向を決定する。詳細には、上記のように、ロータ磁束推定モジュール１２４が、ロータの周波数／速度を決定することができる。この周波数／速度は、キャッチ始動シーケンサ１２６に提供され、キャッチ始動シーケンサ１２６は、この周波数が正か負かに基づいて、ロータの方向の決定を行う。正／順回転が検出されたとすると、電流調整器１１９は、追跡の状態に入り、したがって、モータ駆動システム１００は、モータトルク（ｍｏｔｏｒｉｎｇ  ｔｏｒｑｕｅ）を発生させる準備ができる。それに応じて、キャッチ開始シーケンサ１２６は、制御器１１０がゼロ電流調整を停止するように構成し、ステップ２２０に進む。ここで、キャッチ始動シーケンサ１２６は、速度調整器を始動することによって動作を完了し、速度調整器は、引き継いで、速度調整のために入力１１２において適切な速度／電流指令を生成する。その結果、モータ駆動システム１００は、通常の動作を続け、中断することなく動作して設定点にまでセンサレスモータ１０２の速度を上げる。
【００２７】
しかし、キャッチ始動シーケンサ１２６が、ステップ２０８で、負／逆ロータ回転を検出したとすると、このキャッチ始動シーケンサ１２６は、次いでステップ２１０に進み、逆ロータ回転を減速し場合によっては停止させる。詳細には、ステップ２１０で、キャッチ始動シーケンサ１２６は、インバータ１０４のパワー段のそれぞれにおける各ボトム／低側スイッチをオンにさせることによって、インバータ１０４がゼロ電圧ベクトル（すなわち、ゼロインバータ出力電圧（ｚｅｒｏ  ｉｎｖｅｒｔｅｒ  ｏｕｔｐｕｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）をセンサレスモータ１０２に印加するようにする。このゼロ電圧ベクトルは、モータ端子（すなわち相巻線）がインバータによって短絡するので、ロータの回転スピンを減速する効果がある。結果として、ロータは、より低速に減速する。注目すべきことに、外部トルクが無いか又は不十分な外部トルクにより、ロータが逆方向に回転するようになされている場合、ロータ速度はゼロになる（すなわち、停止する）。しかし、十分な外部の逆トルクがある場合、ロータは、目下のところ低速で逆方向に回転を続ける。インバータ１０４のパワー段のそれぞれにおける各トップ／高側スイッチをオンにさせることによっても同じ結果を得られることは当業者には理解されよう。
【００２８】
ステップ２１２に示されるように、ゼロ電圧ベクトルモードは、十分な時間でモータを減速／制動するために、設定可能でありうる固定された期間の間だけ継続される。その後、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ステップ２１６に進み、モータ駆動システム１００がゼロ電圧ベクトルモードから開ループモードに切り替わるようにし、開ループモードでは、電流は、完全に制御され、角度は、トルク電流帰還によって決定される所定のプロファイルによって前進するようになされ（角度＝速度の積分、速度はゲインで乗算したトルク電流の積分）、そして、キャッチ始動シーケンサ１２６は、インバータ１０４が順回転電流ベクトルをモータに強制／印加するように制御装置１１０を構成する。この開ループ順回転電流ベクトルは、ロータが依然として逆方向に回転していると、ロータを緩やかに停止させ、次いで順方向に回転を開始させることを目的としている。
【００２９】
注目すべきことに、順回転電流ベクトルが印加されたとき、ロータの逆回転とベクトルは、外部の負荷トルクのため初期に互いに対向する。したがって、順回転電流ベクトルの初期位置は、ロータマグネットの位置に一致するか又はその後方になるように選択される。この位置決めは、順回転電流ベクトルに、外部回転力に常に対向したロータに対するトルクを発生させるという点で有益であり、これにより、ロータが減速する。例えば、図４Ａは、ロータマグネットの位相角と一致する順回転電流ベクトルの初期位相角を示す図である。この初期の位相合わせでは、発生したモータトルクは、常にゼロから開始し、ロータを逆方向に回転させる外部負荷トルクと対向する。同様に、図４Ｂは、ロータマグネットの後方にベクトルを配置する順回転電流ベクトルの初期位相角を示す図である。やはり、この初期位相も、反対方向のトルクを発生する。一方、図４Ｃを参照すると、ベクトルがロータマグネットの前方に初期に配置された順回転電流ベクトルについての所期位相角が示されている。この位相は、ロータを逆方向に加速させ、したがって望ましくない。したがって、ベクトルがロータマグネットに一致するかその後方に初期に配置できるように、順回転電流ベクトルを印加することに先立って、ロータマグネット位置（すなわち、位相角）を決定することが望ましい。
【００３０】
注目すべきことに、ロータが低速で回転する場合、小さい逆起電力のためロータマグネット位相角を決定することが難しいことがある。したがって、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ステップ２１４で、ゼロ電圧ベクトルモードによって発生させた短絡モータ電流を監視し、モータ電流位相に基づいて、ロータマグネット位相角を推定する。詳細には、図５を参照すると、ロータマグネット角度／位置と、ゼロ電圧ベクトルモードに起因する短絡モータ電流ベクトルの間の関係が示されている。図５に示されるように、ロータ角度は、短絡電流ベクトルから、９０°に加えて位相角シフト（すなわち角度θ）によって変位する。低速のロータ速度（例えば、４％未満）で、ｑ軸電流（ｉｑ）は、全電流を占め、ロータ角度が、短絡電流ベクトルから９０°接近することに注目することができる。θ同様に、ロータ速度が上がるのに従って、ｄ軸電流（ｉｄ）が増大を始め、θが増大する。全般に、図６Ａ及び６Ｂは、短絡電流ベクトル（ｉｄ及びｉｑ）とロータ速度との関係を示す図で、図６Ａは、ロータ速度が増大するときの短絡電流ベクトルの変化を示し、図６Ｂは、ロータ速度が増大するときのθの増加を示している。
【００３１】
見れば分かるように、短絡電流ベクトルの位相を決定し、次いでθの値を決定することにより、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ロータマグネット位相角度を推定することができる。詳細には、ステップ２１４で、ベクトルが、例えば、αが「Ｕ」相モータ巻線と一致する静止基準座標系である、β又はα軸を通るとき、キャッチ始動シーケンサ１２６は、まず、短絡電流ベクトルの位相を決定／測定する。その後、キャッチ始動シーケンサ１２６は、θの値を決定し、短絡電流ベクトル位相及びθの関数としてロータ角度を推定する。一般に、キャッチ始動シーケンサ１２６は、いくつかの方法でθを決定することができる。特に、（図６に示すような）θと回転速度との関係は、オフラインで測定し、制御装置１１０の処理装置／メモリにテーブルとして格納することができる。キャッチ始動シーケンサ１２６がロータの速度を有するとすると、そのモジュールは、テーブルにアクセスしてθを決定することができる。本発明の他の実施形態によれば、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ベクトル成分ｉｄ及びｉｑを、測定された短絡電流ベクトルから計算し、次いでｉｄ及びｉｑからθを計算することができる。例えば、式（１）によって示すようにｉｄ及びｉｑを推定することができる。 
ｉｑ＝−Ｗｅ＊ＦｌｘＭ／（Ｒ＋Ｗｅ＊Ｗｅ＊Ｌｄ＊Ｌｑ／Ｒ）・・・（１）
ｉｄ＝Ｗｅ＊Ｌｑ＊ｉｑ／Ｒ
式中、Ｗｅは、周波数、Ｆｌｘｍは、磁束鎖交、Ｌｄ及びＬｑは、モータｄ−ｑインダクタンス、Ｒは、モータの固定子抵抗である。
【００３２】
注目すべきことに、多くの事例において、ゼロ電圧ベクトルモードは、ロータ速度をかなり減速する。したがって、本発明の他の実施形態によれば、キャッチ始動シーケンサ１２６は、θを計算する代わりに、設定可能でありうる小さな一定の位相角シフトとしてθを推定することができる。一般に、小さな一定の位相角シフトは、図４Ａ及び図４Ｂに示されるようなほぼ最適の位相を達成し、図４Ｃに示される望ましくない状態を回避する。
【００３３】
再び図２を参照すると、上述したように、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ロータマグネット角度を決定すると、モジュールはステップ２１６に進み、上述したように、モジュールはモータ駆動システム１００がゼロ電圧ベクトルモードから開ループモードに切り替わるようにし、インバータ１０４が順回転電流ベクトルを強制／印加するように制御装置１１０を構成する。やはり、ゼロ電圧ベクトルモードから開ループ順回転電流ベクトルの印加へのスイッチインスタンス（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｉｎｓｔａｎｃｅ）は、推定されたロータ角度に基づき、したがって、順回転電流ベクトルの初期位置は、ロータと一致するか又はその後方になる。
【００３４】
順回転電流ベクトルが印加されると、モータトルクは、ロータ角度が順回転電流ベクトルから離れるのに伴って、（ベクトルが初期にロータと一致すると）ゼロから増大する。増大したトルクは、十分なモータ電流の大きさが印加された場合、最終的に外部の逆回転力に打ち勝つ。その後、ロータは、停止し、方向を反転し、次いで電流ベクトルと同期し順方向に回転する。そして、ロータ速度は、電流ベクトルが加速するのに伴い増大する。
【００３５】
ステップ２１８に示すように、開ループ順回転電流ベクトルは、ロータの順方向の周波数／速度が閾値（すなわち、初期速度）を超えるまで印加される。この閾値は、例えば、センサレスモータの定格速度の１０％であり、設定可能でありうる。その後、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ステップ２２０に進み、モジュールはアンペア当たりの最適トルク動作のために、モータ駆動システム１００が閉ループ制御に切り替わるようにする。具体的には、キャッチ始動シーケンサ１２６は、速度調整器を開始することによって動作を完了し、速度調整器は、引き継いで、速度調整のために入力１１２において適切な速度／電流指令を生成し、それにより、閉ループ順回転電流ベクトルがセンサレスモータに印加されるようにする。その結果、モータ駆動システム１００は、通常の動作を続け、中断することなく動作して設定点にまでセンサレスモータ１０２の速度を上げる。
【００３６】
上述したように、ステップ２０６で、キャッチ始動シーケンサが、ロータが回転していないかあるいは低速で逆方向又は順方向に回転していると決定した場合、キャッチ始動シーケンサ１２６は、ステップ２１６に直接進む。このシナリオでは、キャッチ始動シーケンサ１２６は、上述したように、モータ駆動システム１００を開ループモードに構成し、インバータ１０４が順回転電流ベクトルを強制／印加するようにする。ただし、ここでは、ロータ位置についての順回転電流ベクトルの初期位相は、ロータの回転が低速であるのでそれほど懸念されない。その後、動作は、上述したのと同様に進む。
【００３７】
次に、図７Ａを参照すると、外部の回転力の結果として逆方向に初期に回転しているロータを有するセンサレスモータを始動するための、本発明の一実施形態による動作の例示的シーケンスが図示されている。ステージ（ｓｔａｇｅ）３０２に示すように、キャッチ始動シーケンサ２２６は、モータ駆動システム１００をゼロ電流調整モードに初期に配置し、それによって、インバータ出力電圧の位相及び大きさがモータ逆起電力の位相及び大きさと合致するようにし、それによって、インバータの初期の始動における大きなモータ電流を阻止する。その後、ロータが相当の速度で逆方向に回転していると決定すると、ステージ３０４に示すように、キャッチ始動シーケンサ１２６は、モータ駆動システム１００をゼロ電圧ベクトルモードに配置し、それによってロータの回転速度が減少するようにする。
【００３８】
次に、キャッチ始動シーケンサは、ロータの位置を決定し（ステージ３０６）、次いで、モータ駆動システム１００を開ループモードに配置し、例えば、ロータと初期に一致する順方向電流ベクトルを印加する。ステージ３０８に示すように、順方向電流ベクトルは、ロータを停止させ、方向を反転し、順方向に緩やかに速度を増大させる。最後に、ロータが、ある一定の回転速度を得ると、キャッチ始動シーケンサは、ステージ３１０に示すように、モータ駆動システム１００を閉ループベクトル制御モードに配置し、このモードでは、ロータの速度が、設定点にまで上げられ維持される。
【００３９】
図７Ｂ及び図７Ｃを参照すると、モータＵ相における電流の例示的変化、及び推定されたロータ角度の例示的変化がそれぞれ示されており、それぞれ図７Ａのステージに対応している。
【００４０】
本発明は、その特定の実施形態と関連して説明されているが、当業者には、他の多数の変形形態、修正形態、及び用途は明らかであろう。したがって、本発明は、本明細書の特定の開示によってではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態による、モータ駆動システムの起動に先立って初期に回転している可能性があるロータを有するセンサレスモータを始動するようにモータ駆動システムを制御するためのキャッチ始動シーケンサを含む、モータ駆動システム示す機能図である。
【図２】本発明の実施形態による、初期にセンサレスモータを始動するために図１のキャッチ始動シーケンサによって行われる処理を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による、ロータ磁束振幅とロータ速度の例示的関係をグラフに示す図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による、ロータの回転方向を反転するために使用される順回転電流ベクトルを、逆方向に回転しているロータを有するセンサレスモータに印加するための、望ましい初期位置を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による、ロータの回転方向を反転するために使用される順回転電流ベクトルを、逆方向に回転しているロータを有するセンサレスモータに印加するための、望ましい初期位置を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａ及び図４Ｂの順回転電流ベクトルの望ましくない初期位置を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による、モータ相巻線が短絡されるときのモータロータとセンサレスモータの電流ベクトルの位置関係を示し、位置関係は、位相角シフトθの関数である図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による、図５の短絡電流ベクトルとロータ速度の例示的関係をグラフに示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、図５の位相角シフトとロータ速度の例示的関係を示すグラフである。
【図７Ａ】本発明の実施形態による、図２の処理の異なる段にわたるロータ速度の例示的変化を示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明の実施形態による、図７Ａの各ステージに対応するモータＵ相電流の例示的変化を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の実施形態による、図７Ａの各ステージに対応する推定されたロータ角度の例示的変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１００  モータ駆動システム
１０２  センサレスモータ
１０４  インバータ
１１０  制御装置
１１２  制御入力
１１４  ベクトル回転モジュール
１１６  パルス幅変調モジュール
１１８  フィードバック線
１１９  ｄ−ｑ電流調整器
１２０  電流処理モジュール
１２２  ベクトル復調モジュール
１２４  ロータ磁束推定モジュール
１２６  キャッチ始動シーケンサ
【図１】
2007014198.tif 000003
【図２】
2007014198.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
2007014198.tif 000006
【図４Ｂ】
2007014198.tif 000007
【図４Ｃ】
2007014198.tif 000008
【図５】
2007014198.tif 000009
【図６Ａ】
2007014198.tif 000010
【図６Ｂ】
2007014198.tif 000011
【図７Ａ】
2007014198.tif 000012
【図７Ｂ】
2007014198.tif 000013
【図７Ｃ】
2007014198.tif 000014
【外国語明細書】
2007014198000001.pdf