JP2019533409A - 同期モータを始動させるためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

風車状態であるＰＭＳＭの始動に起因する制御障害を回避するために、初期速度及び位置を始動前に判定する。コントローラは、速度ＰＩ制御ループ、弱め界磁制御、電流ＰＩ制御ループ、及び速度オブザーバを有するＦＯＣルーチンを使用する。コントローラは、ＰＭＳＭを始動させる命令を受信すると、始動を遅らせ、「推定」段階を実行し、この段階では、コントローラは、速度ＰＩ制御ループ及び弱め界磁制御を不能にした状態でＦＯＣルーチンを実行する。推定段階は複数回繰り返され、推定値は、連続した繰り返しによって実際の速度及び位置に収束する。推定された速度及び位置の値が安定化したとき、これらの推定値を、ＰＭＳＭを駆動させるための初期速度及び位置として使用して、モータは始動される。速度ＰＩ制御ループ及び弱め界磁制御を可能にした状態で、ＦＯＣルーチンを使用して、ＰＭＳＭは駆動される。

Description

（優先権）
本出願は、２０１６年１１月９日に出願された中国特許出願第２０１６１０９８７２４５．７号に対する優先権を主張し、その内容がその全体にわたって本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に、始動前の回転に影響されやすい同期モータの始動に関し、より具体的には、始動時に風車状態であり得るが、回転子の初期位置（角度）及び／又は回転速度に関する情報を受信するためのセンサを有しない、三相永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）の始動に関する。

永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）は、同じ種類の他のモータと比較して高いパワー密度、速い動的応答、及び高い効率性を有することから、装置製造業者の間で人気のある選択肢である。ＰＭＳＭを使用する場合、回転子場速度は、固定子（電機子）場速度と等しい（即ち、同期している）必要がある。回転子場と固定子場との間の同期の喪失は、モータを停止させる恐れがあり、そのため、回転子の速度及び位置を知ることが、係るモータにおいて制御故障を回避する上で重要であり得る。回転子の位置及び速度を判定するための従来のアプローチは、レゾルバエンコーダ、インクリメンタルＡＢＺエンコーダ、アブソリュート位置エンコーダ、及び正弦／余弦エンコーダなどのエンコーダの使用を含むが、これらは費用及び空間要件を増大させる。ホール効果センサが時々使用されるが、これらは費用を増加させ、また低い信頼性を有する。三相モータ端子電圧検知回路もまた使用され得るが、これらは、モータを動作させるために使用されているコントローラのリソースを必要とする。例えば、従来の制御方法は、生成されたトルクに振動を生じさせるために６工程のプロセスで固定子を駆動させることを必要とする。このような６工程の制御では、回転子が次の位置に到達するまで対の巻線が通電され、次いで、モータが次の工程に転流される。ホールセンサは、電子的にモータを転流させるための回転子位置を判定するために使用され得る。

費用を低く維持するために、「センサレス」モータ」と称される、エンコーダ及びホールセンサのないモータがしばしば使用される。これらのセンサの欠落を補うために、センサレスモータは、固定子巻線に生じた逆ＥＭＦ（逆起電力）を使用して回転子位置を判定するアルゴリズムを実装し得る。他のセンサレスモータは、駆動している間、速度オブザーバを使用して回転子の速度及び位置を推定し得る。しかしながら、いくつかの用途では、モータは、そのコントローラが動作を停止させた後でも回転することができる可能性がある。即ち、モータは外部荷重トルクによって回転され得、又はモータは、コントローラがモータを動作させることを止めた後に、それ自体の慣性の結果として回転し続け得る。このようなモータは、一般に、モータが駆動されなくなったらすぐにモータの回転を停止させるブレーキを有しない。始動前に回転子が勝手に回転することができる（即ち、風車状態に影響されやすい）場合、コントローラは、始動時に回転子の初期位置及び速度が分からない。センサレスモータは、モータが駆動されている間、逆ＥＭＦ又は速度オブザーバを使用して回転子の位置及び／又は速度を判定又は推定することが可能であり得るが、これらのアプローチは、モータが始動する前に、風車状態のモータの初期速度及び位置に関する情報を提供しない。

いくつかのセンサレスモータは、モータの速度、位置、トルク、及び電圧を測定せずに磁界方向制御（ＦＯＣ）ベクトルアルゴリズムを使用する。これは、空気調節ユニット、天井ファン、ポンプ、電動自転車、ハンドドライヤー、風力発電機、及びドローンのような無人航空機などの用途において一般的である。モータコントローラ／マイクロコントローラ（「ＭＣＵ」）及びインバータは、このようなＰＭＳＭを駆動させるためにしばしば使用される。これらのモータの回転子は、コントローラがモータを始動させる前に初期「フリーラン」速度を有し得るので、初期フリーラン速度及び回転子位置は、コントローラ／ＭＣＵにとって不明である。これは、モータを滑らかに作動させることを困難にしており、ＰＭＳＭに対するセンサレスＦＯＣの利用可能性を低下させている。

ＰＭＳＭの効果的な制御には、モータ始動時におけるＰＭＳＭの初期位置及び速度を知る必要がある。現行のシステムは、エンコーダ若しくはホールセンサを使用して速度／位置を測定するか、又は追加の検知回路を使用してモータ相電圧を測定しており、これらは、システムをより複雑かつ高価なものにしている。必要とされているのは、始動前にＰＭＳＭの位置及び／又は速度をセンサ読み取り値から入手することができないとき、これらの情報を推定するための経済的な方法及びシステムである。

開示する発明は、モータが始動される前の同期モータの位置及び速度の推定を含む。例示的な実施形態では、コントローラ（「ＭＣＵ」）は、速度比例積分（ＰＩ）制御ループ、弱め界磁制御、電流ＰＩ制御ループ、及び速度オブザーバを含む磁界方向制御（ＦＯＣ）ベクトル制御ルーチンを使用して永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）を制御する。ＭＣＵは、命令を受信してＰＭＳＭを始動させるとき、測定及び同期（「ＭＡＳ」）段階又は「推定」段階を実行することができるように、始動を遅延期間にわたって遅らせる。ＭＡＳ段階では、ＭＣＵは、モータを作動させるために通常使用されているＦＯＣベクトル制御ルーチンを実行するが、ＭＣＵは、ＦＯＣベクトル制御ルーチン内の速度ＰＩ制御ループ及び弱め界磁制御を非活動化する。速度ＰＩ制御ループ及び弱め界磁制御は、速度ＰＩ制御ループ及び弱め界磁制御によって出力される（並びにＦＯＣベクトル制御ルーチン内の他のモジュールによって使用される）電流を実質的に０（又は一定の低い値）に設定することによって効果的に非活動化される。

ＭＡＳ段階は、遅延期間の間に複数回実行されることができ、各繰り返しは、速度及び位置の推定値を提供する。ＭＡＳ段階の各繰り返しでは、ＦＯＣベクトル制御ルーチンの速度オブザーバは、入力としてＰＭＳＭから電流測定値を受信し、入力として電流ＰＩ制御ループから電圧を受信し、出力として速度及び位置の推定値を提供する。速度オブザーバによって出力される推定された速度及び位置の値は、ＭＡＳ段階の各繰り返しによって異なり、速度及び位置の推定値は、ＭＡＳ段階が繰り返されるにつれてＰＭＳＭの実際の速度及び位置に収束していく。

推定された速度及び位置が安定化したら、即ち、ＭＡＳ段階の後続の繰り返しにわたる推定された速度及び位置の変動が受け入れ可能に小さくなると、遅延期間を終了させることができる。遅延期間の終了時、ＭＣＵは、ＦＯＣベクトル制御ルーチンを使用してＰＭＳＭを始動させるが、速度ＰＩ制御ループ及び弱め磁束制御は再活動化される。遅延期間終了時の速度及び位置の最終推定値は、コントローラがＰＭＳＭの駆動を開始するときに、初期速度及び位置として使用される。任意追加的に、ＭＡＳ段階の実行前又は実行後にモータが風車状態であるかどうかを判定することができる。

モータ始動前にＭＡＳ段階を使用して速度及び／又は位置を推定することは、センサを使用して位置及び速度を測定しなくても、同期モータの制御を大いに強化する。ＭＡＳ段階では、ゼロ電流コマンドは、コントローラがモータを始動するときのトルクショックをなくすことができる。この段階では、速度オブザーバは、回転子の速度及び位置をリアルタイムで解析及び推定しており、コントローラがそのアルゴリズムをモータと同期させることができる遅延期間を提供する。有利には、このような始動は、追加のハードウェアを必要とせずに、ＰＭＳＭのマイクロコントローラを使用して実現することができる。

本発明の更なる利点及び特徴は、関連する図面と併せて本文書の残り部分から明白となるであろう。

永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）を駆動するためのセンサレス磁界方向制御（ＦＯＣ）アルゴリズムのブロック図表現である。 図１のＦＯＣアルゴリズムで使用されている、クラーク変換を示す。 図１のＦＯＣアルゴリズムで使用されている、パーク変換を示す。 図１のＦＯＣアルゴリズムの比例積分（ＰＩ）制御ループをどのように実装できるかを示す。 図１のＦＯＣアルゴリズムで使用されている、逆クラーク変換を示す。 図１のＦＯＣアルゴリズムで使用されている、逆パーク変換を示す。 インバータ出力の８つの可能な状態のうちの６つを表している空間ベクトル変調（ＳＶＭ）「星形」を示す。 合成ベクトルが、２つの隣接するベクトルの成分の和によって表されている、ＳＶＭプロセスを表す。 ベクトルＴ１がＴ１／Ｔに対して出力され、ベクトルＴ２がＴ２／Ｔに対して出力され、ヌルベクトルが残りの時間に対して出力される、パルス幅変調（ＰＷＭ）期間Ｔを表す。 位置推定器機能ブロック図を提供する。モータの位置及び速度は、図１のＦＯＣアルゴリズムにおいて、測定された電流及び計算された電圧に基づいて推定されることができる。 弱め界磁プロセスの機能ブロック図を表す。 左側（測定及び同期（「ＭＡＳ」）段階）では速度ＰＩ制御ループ及び弱め磁束制御を非活動化するように修正されており、右側（ＰＭＳＭを継続的に駆動するために使用されるＦＯＣベクトル制御ルーチンを示す）では修正されていない、図１のＦＯＣアルゴリズムの単純化したブロック図表現を提供する。 風車状態に影響されやすいＰＭＳＭが図９のＭＡＳ段階を使用して始動され得る、例示的なプロセスの流れ図である。 風車状態に影響されやすいＰＭＳＭが図９のＭＡＳ段階を使用して始動され得る、例示的なプロセスの流れ図である。

特定の例示的な実施形態が図面で示され、本明細書において詳細に説明されているが、本明細書における特定の例示的な実施形態の説明は、本明細書に開示される特定の形態に本開示を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

本発明は、磁界方向制御（「ＦＯＣ」）下で駆動される三相永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）の始動に関する。モータのＦＯＣベクトル制御は、三相ＡＣ電動モータの固定子電流がモータの磁束及びそのトルクによって特徴付けられる制御方法である。ＦＯＣは、固定子電流のトルク生成成分及び磁束生成成分を分離することを目的として、磁束のうちの１つ（回転子、固定子、又は空隙）が、他の磁束のうちの１つに対する基準フレームを作成するための基礎として扱われる、方法である。このような分離は、複雑な三相モータに対して、他励磁を有するＤＣモータと同じように容易に制御するのに役立つ。電機子電流はトルク生成に使用され得、励磁電流は磁束生成に使用され得る。特定の用途では、回転子磁束は、固定子及び空隙磁束に対する基準フレームと見なされ得る。ＦＯＣの背景にある原理は、両方が参照により本明細書に組み込まれる、ＡＮ１０７８，「Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｆｉｅｌｄ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ＰＭＳＭ」（２０１０）、及びＡＮ１２９２，「Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｆｉｅｌｄ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＦＯＣ）ｆｏｒ ａ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）Ｕｓｉｎｇ ａ ＰＬＬ Ｅｓｔｉｍａｔｏｒ ａｎｄ Ｆｉｅｌｄ Ｗｅａｋｅｎｉｎｇ（ＦＷ）Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ」（２００９）など、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．のいくつかのアプリケーションノートを含めて、文献に記載されている。

最初に、図１にあるセンサレスＦＯＣベクトル制御用のブロック図を参照すると、ＰＭＳＭ１０５は、三相ブリッジ１３５から電流を受け取り、三相ブリッジ１３５は、整流器、インバータ、並びに取り込み及び保護回路を含み得る。マイクロコントローラ（「ＭＣＵ」）によって実行されたソフトウェアを使用して実装することができる、間接型ベクトル制御プロセスは、以下のように要約することができる。１．ｉ_ａ及びｉ_ｂの値を提供するように三相固定子電流を測定する。ｉ_ｃの値は、等式ｉ_ａ＋ｉ_ｂ＋ｉ_ｃ＝０を使用して計算することができる。２．三相電流を２軸系に変換する。この変換は、測定されたｉ_ａ及びｉ_ｂ値、並びに計算されたｉ_ｃ値を使用して、変数ｉ_α及びｉ_βを提供し、ｉ_α及びｉ_βは、固定子から見て、時間的に変化する直角電流値である。３．制御ループの最後の繰り返しで計算された変換角度を使用して、回転子磁束と揃うように２軸座標系を回転させる。この変換は、ｉ_α及びｉ_βからＩ_ｄ及びＩ_ｑ変数を提供する。Ｉ_ｄ及びＩ_ｑは、回転座標系に変換された直角電流である。定常条件の場合、Ｉ_ｄ及びＩ_ｑは一定である。

４．Ｉ_ｄ及びＩ_ｑをそれぞれの基準値と共に使用して誤差信号を形成する。Ｉ_ｄ基準は、回転子磁化磁束の制御に関与しており、Ｉ_ｑ基準は、モータのトルク出力の制御に関与している。誤差信号は、ＰＩコントローラに入力される。コントローラの出力は、Ｖ_ｄ及びＶ_ｑを提供し、これらは、モータに送られる電圧ベクトルである。５．ｖ_α、ｖ_β、ｉ_α、及びｉ_βを入力として、変換角度を推定する。変換角度は、次の電圧ベクトルを配置する場所に関してＦＯＣアルゴリズムをガイドする。６．変換角度を使用して、ＰＩコントローラからのＶ_ｄ及びＶ_ｑ出力値を静止基準フレームへと逆回転させる。この計算は、次の直角電圧値ｖ_α及びｖ_βを提供する。７．ｖ_α及びｖ_β値を三相値ｖ_ａ、ｖ_ｂ、及びｖ_ｃに逆変換する。この三相電圧値は、所望の電圧ベクトルを生成する新しいパルス幅変調（ＰＷＭ）デューティサイクル値を計算するために使用される。変換、ＰＩ繰り返し、逆変換、及びＰＷＭの生成のプロセスは、図１に示されている。次に、この間接型ベクトル制御プロセスの更なる詳細を提供する。

一連の座標変換によって、トルク及び磁束の時不変値を古典的なＰＩ制御ループで間接的に決定及び制御することができる。プロセスは、三相モータ電流を測定することから始まる。最初に、クラーク変換は、固定子に参照付けられた、３軸の、２次元座標系を２軸系上に移動させ、同じ基準を維持する（図２Ａを参照のこと、ｉ_ａ、ｉ_ｂ、及びｉ_ｃは個別の相電流である）。α−β軸を有する２軸の直交系上に表された固定子電流を用いて、次の工程は、回転子磁束と共に回転している別の２軸系に変換する。この変換は、図２Ｂに示されているように、パーク変換を使用する。この２軸の回転座標系は、ｄ−ｑ軸と呼ばれる。ここで、θは回転子角度を表す。

３つの相互作用的な変数、即ち、回転子速度、回転子磁束、及び回転子トルク、を独立して制御するための３つの相互依存のＰＩ制御ループが存在しており、それぞれが別個のＰＩモジュールによって制御されている。具体的には、１つのＰＩループは、モータ速度を制御するためのものであり、２つは、変換されたモータ電流Ｉ_ｄ及びＩ_ｑを制御するためのものである。Ｉ_ｄループは、磁束を制御することに関与しており、Ｉ_ｑ値は、モータトルクを制御することに関与している。実装は、積分飽和現象を制限するために、図３に示されているように、項「Ｋｃ・Ｅｘｃｅｓｓ」を含む。「Ｅｘｃｅｓｓ」は、制限されていない出力（Ｕ）及び制限された出力（Ｏｕｔ）を減算することによって計算される。項ＫｃはＥｘｃｅｓｓを乗算し、累積された積分部分（Ｓｕｍ）を制限する。ＰＩ繰り返しの後、回転ｄ−ｑ軸において２つの電圧成分ベクトルが存在する。三相モータ電圧に戻すために、相補的な逆変換が使用される。最初に、プロセスは、２軸の回転ｄ−ｑフレームから２軸の静止フレームα−βに変換する。この変換は、図４Ａに示されている逆パーク変換を使用する。次に、プロセスは、静止２軸α−βフレームから静止３軸の、固定子の三相基準フレームに変換する。数学的には、この変換は、図４Ｂに示されている逆クラーク変換で達成される。

ベクトル制御プロセスの最終工程は、三相モータ電圧信号のそれぞれに対してパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成することであり、これは、空間ベクトル変調（ＳＶＭ）技術を使用して達成することができる。プロセスを単純化するために、逆クラーク変換は、ＳＶＭルーチンに組み込むことができる。３つのインバータ出力のそれぞれは、２つの状態の一方になり得る。インバータ出力は、プラス（＋）バスレール又はマイナス（−）バスレールのいずれかに接続されることができ、表１に示すように、２の３乗（即ち、８）とおりの出力の状態が可能となる。

３つ全ての出力がプラス（＋）バス又はマイナス（−）バスのいずれかに接続されている２つの状態は、いずれの相を横切ってもライン間電圧が存在しないため、ヌル状態であると見なされる。これらは、ＳＶＭ星形の原点にプロットされる。残りの６つの状態は、図５Ａに示されているように、各状態の間に６０度の回転を有するベクトルとして表される。ＳＶＭプロセスは、２つの隣接するベクトルの成分の和によって任意の合成ベクトルの表現が可能である。図５Ｂにおいて、ＵＯＵＴは所望の合成値である。これは、Ｕ６０とＵ０との間のセクタ内に存在する。所与のＰＷＭ期間Ｔの間、Ｕ０がＴ１／Ｔに対して出力され、Ｕ６０がＴ２／Ｔに対して出力されると、この期間に対する平均はＵＯＵＴになる。Ｔ０は、実効電圧が巻線に印加されていない、即ち、ヌルベクトルが印加されている、時間を表している。Ｔ１及びＴ２に対する値は、修正された逆クラーク変換を使用することによって、追加の計算なしで得ることができる。Ｖ_α及びＶ_βが反転されると、ＳＶＭ星形から３０度シフトされた基準軸が生成される。結果として、６つのセグメントのそれぞれについて、１つの軸がそのセグメントとちょうど反対側にあり、他の２つの軸は、対称的にセグメントと境を接している。それら２つの境界軸に沿ったベクトル成分の値は、Ｔ１及びＴ２に等しい。

図６では、ＰＷＭ期間Ｔに対して、ベクトルＴ１はＴ１／Ｔに対して出力され、ベクトルＴ２はＴ２／Ｔに対して出力されていることを見ることができる。残りの時間の間は、ヌルベクトルが出力されている。マイクロコントローラは、期間の中心に対する対称性を強制するセンターアラインＰＷＭ用に構成されることができる。この構成は、各期間の間、ライン間に２つのパルスを生成する。実効スイッチング周波数は２倍になり、パワー装置におけるスイッチング損失を増加させることなくリップル電流を減少させる。

転流角度（θ）及びモータ速度（ω）を推定するために、センサレス制御技術は、位置センサを使用せずにモータの位置を推定することによってＦＯＣアルゴリズムを実装する。図７は、位置推定器機能の単純化したブロック図を示している。モータ位置及び速度は、測定された電流及び計算された電圧に基づいて推定される。

ＰＭＳＭ用の弱め界磁制御は、回転フレームのｄ−軸上で固定子電流用に負の値を課すことを意味しており、空隙鎖交磁束を弱める役割を有する。インバータの場合、電圧出力は、固定子の抵抗及び誘導リアクタンスに対して低下し、残りの電圧は、モータの速度及びモータの電圧定数ΚΦに比例する、逆ＥＭＦを相殺するために使用される。インバータの最大出力電圧の制限を考慮して、速度の増加（公称速度を上回る）は、空隙鎖交磁束に比例する、電圧定数（ΚΦ）を減少させることによって達成することができる。空隙鎖交磁束の減少は、トルクの減少と同義である。しかしながら、特定の用途の場合、モータは、定格速度よりも速く作動する必要があり、したがって、弱め界磁機能は、公称の速度レーティングを超えてモータの速度範囲を拡大させるために有用である。図８は、弱め界磁のブロック図を示しており、ｙ軸はアンペア単位のＩ_ｄであり、ｘ軸は回転毎分（ＲＰＭ）単位の速度である。

図９を参照すると、本発明の例示的な実施形態は、センサレスＦＯＣベクトル制御ルーチン１００の下で三相ＰＭＳＭ１０５の始動を強化している。通常、このような用途は、費用を低く維持するために、モータ速度、位置、トルク、及び電圧を測定せずに、モータ電流のみを測定する。コントローラ（ＭＣＵ）、例えば、デジタル信号コントローラ（ＤＳＣ）、又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を有するマイクロコントローラ、が、ＰＭＳＭ１０５用のドライバ１１０の一部として使用されることになる。段階１００は、ＰＭＳＭを通常作動時に駆動するために使用されるセンサレスＦＯＣベクトル制御ルーチンを表している。ドライバ１１０は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）及びインバータ駆動ユニットを含んでおり、モータ相に印加された実三相電圧ベクトル
から電圧ベクトルコマンド
を実現することを担うアクチュエータである。
がＰＭＳＭ１０５に印加されると、ＰＭＳＭ１０５は、モータ電流
トルクＴ_ｅ、回転子位置θ_ｅ、及び回転子回転速度ω_ｅをもたらすことになる。

ＰＭＳＭセンサレスＦＯＣベクトル制御ルーチン１００では、回転子位置、速度、及びトルクは、システムがそれらを測定するための対応するセンサ（ホールセンサ、ＡＢＺエンコーダなど）を含んでいないので、ＭＣＵにとって不明である。ＭＣＵで利用可能であり得る唯一の測定された応答は、モータ電流ベクトル
である。モータ電流は、ＬＥＭ電流センサなど、任意の好適な電流センサを使用して測定することができ、ＭＣＵは、測定された電流を合計モータ電流ベクトルに変換することができる。回転子位置及び速度はＰＭＳＭ ＦＯＣベクトル制御ルーチンにとって不可欠であるため、センサレス制御モードでは、速度オブザーバ１３０を使用して、回転子速度及び位置が推定される。速度オブザーバ１３０は、制御理論及び電気モータ数学的モデリングに基づいている、適応アルゴリズムであり、
を入力として受け取り、推定した速度
及び位置
を出力として提供するものである。後続の制御ループの間、推定された速度出力及び位置出力は、実際のモータ速度及び位置に収束することになる。ＦＯＣベクトル制御ルーチンは、様々なタイプの速度オブザーバに適応可能である。使用され得る速度オブザーバタイプとしては、ＳＭＯ（スライディングモードオブザーバ）、位相同期ループ（ＰＬＬ）オブザーバ、フルオーダーオブザーバ、カルマンフィルタオブザーバなどが挙げられる。

ブロック１４５は、速度ＰＩ制御ループ１１５及び弱め磁束制御１２０を含み、ブロック１５０は、電流ＰＩ制御ループ１２５と組み合わせてブロック１４５を含む。電流ＰＩ制御ループ１２５の機能は、モータフィードバック電流ベクトル
及びブロック１４５からの電流ベクトルコマンド
が、出力電圧ベクトルコマンド
を調節することを可能にするものである。ブロック１４５の機能は、モータが所望の速度で作動し続けるのに役立つように、モータ電流ベクトルコマンド
を調節するものである。

ＰＭＳＭ１０５が始動される前に、測定及び同期（ＭＡＳ）段階２００が実行される。風車状態の間、回転子位置θ_ｅ及び速度ω_ｅは、ＭＣＵにとって不明であり、これは、ＭＣＵに、モータ１０５の始動を失敗させる可能性がある。新しい制御段階２００は、継続モータ動作のためにＰＭＳＭ ＦＯＣベクトル制御ルーチン１００が使用される前に、第１の制御段階として使用される。ＭＡＳ段階２００の間、ＭＣＵは、電流ベクトルコマンド
を０に設定する
これは、ブロック１４５を効果的に不能にするが、残りのブロックは続行可能にする。電流ＰＩ１２５制御ループは、ＭＡＳ段階２００の間、アクティブな状態を維持してモータ電流ベクトル
を強制的に０に等しくさせる。ＭＡＳ段階２００において、速度オブザーバ１３０は作動し、回転子の位置
及び速度
の値をリアルタイムで推定する。ＭＣＵがＭＡＳ２００から推定値を受け取った後、ＭＣＵは、継続ＦＯＣ制御ルーチン１００のブロック１５０内でそれらを初期値として使用することができる。

ＭＡＳ段階２００は、推定された位置及び速度が安定した状態になるように十分な期間にわたって継続することになる。ＭＡＳ段階２００が作動する、好適な遅延の期間は、用途によって様々である。より長い期間は、推定された位置及び速度が実際の位置及び速度に収束することができるように、より多くの時間が提供されることから、好ましいものであり得るが、より長い遅延は、迅速なモータ始動を必要とする特定の用途には適していないことがある。多くの用途では、遅延期間は、数十ミリ秒〜数百秒の範囲であり得る。

図１０を参照すると、例示的な始動制御プロセス５は、システム電源オン（１０）及び始動前に風車状態であり得るモータ（１５）から始まる。ＭＣＵは、ＰＭＳＭ１０５を始動させる（即ち、ドライバ１１０を使用してモータ１０５を作動させること始める）コマンドを受信し得る（２０）。モータ１０５が始動される前に、ＭＣＵは、ＭＡＳ段階２００を開始して、モータ速度及び位置を推定し得る（３０）。ＭＡＳ段階２００の各繰り返しの後に続いて、ＭＣＵは、推定された位置及び速度の値が安定化しているかどうかを評価し得る（３５）。これは、現在の速度及び位置の推定値を前の繰り返しの推定された速度及び位置と比較することによって達成され得る。ＭＡＳ段階が繰り返されるにしたがって、推定値の変動は減少する（及び０に近づき得る）と期待される。値が安定化していなければ（３５）、ＭＣＵは、ＭＡＳ段階２００の新たな繰り返しに戻る（３０）。反対に、これらの差が十分小さい値に縮小しているときは、遅延期間が終了し得、ＭＣＵは、推定された速度及び位置の値に合わせて回転子の回転を続けるように、ＰＭＳＭ１０５を駆動するためのモータ始動（４０）及び継続ＦＯＣ制御ルーチン（４５）に進み得る。これは、モータが、風車状態条件下であっても滑らかに回転するのに役立つ。モータを停止させる命令が受信されると（５０）、ＭＣＵは、ＰＭＳＭを駆動させることを停止し得る（５５）。モータ停止５５の後に続いて、モータは、再び風車状態を開始し得（１５）、プロセスは繰り返し行うことができる。

ＰＭＳＭ１０５が風車状態であるかどうかを判定すべきである場合、ＭＣＵは、ＭＡＳ段階２００（３０）を実行する前に、ＰＭＳＭ１０５が風車状態であるかどうか（及び潜在的にどの程度そうであるか）（２５）を評価するように任意追加的に構成され得る。風車状態が存在するかどうかを判定するために、ＭＣＵは、モータ電流センサを使用して、ＰＭＳＭ１０５からの検出可能なモータ電流読み取り値が存在するかどうかを判定し得る。存在しない場合、ＭＣＵは、工程３０及び３５（即ち、ＭＡＳ段階２００）を飛び越してモータ始動４０に（及び、続いて、ＦＯＣ制御（４５）に）進み得る。これは、風車状態があまり発生しない状況、及び判定工程（２５）に要する時間が、ＭＡＳ２００（ブロック３０及び３５）を実行するための遅延よりも小さくなると予測される状況において望ましいことがある。任意追加的に、システムは、ユーザが、ユーザオーバーライド入力及びＭＣＵへの対応する飛び越し命令によって、ＭＡＳ２００段階をオーバーライドし（図示せず）、始動（４０）まで飛び越すことを可能にし得る。

代替実施形態では、例示的なシステム及び方法は、頻繁な作動／停止操作を必要とする（又はそれらを伴って別の方法で操作されている）モータを制御するために使用することができる。ここで、コントローラは、作動コマンドの後に続いて、（図１に示されているような、及び図９の段階１００のような）ＦＯＣ制御ルーチンを使用してモータを駆動させることができる。コントローラが停止コマンドを受信すると、コントローラは、システム及びモータが段階２００（図９）に入ることを可能にし、モータは、ゼロ電流ベクトルによって駆動されることになる。速度オブザーバ１３０は、モータ速度及び位置をリアルタイムで推定し、ＭＣＵは、停止コマンド期間の間、推定された値を有することになる。停止コマンド期間の間、段階２００が機能し続けることにより、ＭＣＵはモータの正確な推定された速度及び位置の値を既に知っているため、コントローラが作動コマンドを受信したら、システムは直ちに段階１００に入ることができる。ゼロ電流ベクトルがモータに印加されているので、システムが停止コマンドステータス下にある間は、現実の停止状況下で経験されるように、モータに作用するトルクの効果を無視することができる。このような代替実施形態の特定のバージョンが、図１０Ｂのプロセス３００によって表されており、作動コマンドが受信されるまで（３１０）、ＭＡＳ工程（３１５）が実施される。

本開示は、１つ以上の実施形態に関して記述されており、多くの等価物、代替物、変形物、付加物、及び修正物が、特に明言されたものは別として、前述の版の様々な機能を様々な方法で組み合わせること以外に、作成されることができ、またこれらが本発明の範囲内にあることは、理解されよう。

Claims (15)

1. 永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）を駆動させるように構成されているモータコントローラであって、前記モータコントローラが、プロセッサ及び非一時的機械可読媒体を含み、前記媒体が命令を含み、前記命令が、前記プロセッサによってロードされ、実行されたとき、
   前記ＰＭＳＭを始動させるコマンドを受信し、
   前記ＰＭＳＭを始動させる前に、磁界方向制御（ＦＯＣ）ベクトル制御ルーチンを使用することによって前記ＰＭＳＭの位置及び速度を推定し、
   前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの間、速度比例積分（ＰＩ）制御ループを不能にし、
   前記推定された位置及び速度を回転子の初期速度及び位置として使用して前記ＰＭＳＭを始動させ、
   前記速度ＰＩ制御ループを可能にした状態で、前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンを使用して前記ＰＭＳＭを駆動させる、ように前記モータコントローラを構成する、モータコントローラ。
2. 前記モータコントローラが、
   前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの間、弱め磁束ルーチンを実行し、
   前記弱め磁束ルーチンが前記ＰＭＳＭの位置及び速度を推定することを不能にする、ように更に構成されている、請求項１又は３〜１３のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
3. 前記モータコントローラが、速度及び位置に関する受信されたセンサ読み取り値なしで前記ＰＭＳＭを駆動させるように更に構成されている、請求項１〜２又は４〜１３のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
4. 前記モータコントローラが、
   前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの間、速度観測を実行し、モータ電流及び電圧が入力として受信され、位置及び速度が出力として判定され、
   前記ＰＭＳＭを始動させる前に位置及び速度を推定するとき、前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンを複数回繰り返し、
   前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの連続した繰り返しによって、推定された位置及び速度を実際の位置及び速度に収束させる、ように更に構成されている、請求項１〜３又は６〜１３のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
5. 前記推定された位置及び速度が安定化し、その結果、連続したループ間で、推定された位置及び速度に変動性が実質的に存在しなくなるまで、前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンをループさせるように、前記モータコントローラが、更に構成されている、請求項４に記載のモータコントローラ。
6. 前記モータコントローラが、前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの間、前記ＰＭＳＭを駆動させるために使用される電圧を出力するように構成された電流比例積分（ＰＩ）制御ループを実行するように、更に構成されている、請求項１〜５又は７〜１３のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
7. 前記ＰＭＳＭのモータ電流を測定し、
   前記モータ電流を前記モータコントローラに提供する、ように構成されている電流センサを更に含む、請求項１〜６又は１０〜１３のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
8. 前記モータコントローラが、前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの間、速度観測を実行して、速度及び位置をモータ電流入力に基づいて判定するように、更に構成されている、請求項７に記載のモータコントローラ。
9. 前記モータコントローラが、前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの間、速度観測用の電圧を出力するように構成された比例積分（ＰＩ）制御ループを実行するように、更に構成されている、請求項８に記載のモータコントローラ。
10. 前記モータコントローラが、
    前記ＰＩ制御ループから出力された電流値を受信し、
    前記電流値を実質的に０に設定して、前記速度ＰＩ制御ループが始動前の前記ＰＭＳＭの位置及び速度を推定することを不能にする、ように更に構成されている、請求項１〜９又は１１〜１３のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
11. 前記モータコントローラが、
    前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンの間、弱め磁束ルーチンを実行し、
    始動前の前記ＰＭＳＭの位置及び速度を推定するとき、前記ＦＯＣベクトル制御ルーチンを使用するときに前記弱め磁束ルーチンを不能にする、ように更に構成されている、請求項１〜１０又は１３のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
12. 前記モータコントローラが、
    前記弱め磁束ルーチンの間、電流値を識別し、
    前記電流値を実質的に０に設定して、前記弱め磁束ルーチンが始動前の前記ＰＭＳＭの位置及び速度を推定することを不能にする、ように更に構成されている、請求項１１に記載のモータコントローラ。
13. 前記モータコントローラが、前記ＰＭＳＭに電圧ベクトルを提供するように構成された多相ブリッジを有するモータ駆動回路を通じて前記ＰＭＳＭを駆動させるように更に構成されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のモータコントローラ。
14. システムであって、
    磁界方向制御（ＦＯＣ）を通じて制御されるように構成された永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）であって、前記ＰＭＳＭが、回転可能な回転子を含む、ＰＭＳＭと、
    請求項１〜１３に記載の前記モータコントローラのうちのいずれかと、を含む、システム。
15. 回転子を有する永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）を制御する方法であって、請求項１〜１３に記載の前記モータコントローラのうちのいずれかの操作を含む、方法。