JP4209900B2 - 回転磁界機械のための欠相検出 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 電流ベクトル図である。 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

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

Claims (20)

1. 複数の巻線を有する多相回転磁界機械において欠相を検出する方法であって、
   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と
   前記制御器を始動モードに切り換えた後に、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。
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。
3. 請求項２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。
4. 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、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。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記検知された第１の電流と前記計算された第１の電流計算値とを比較する工程は、
   前記機械への電流指示値を決定するために使用される第１の電流パラメータを用意する工程と、
   前記第１の電流パラメータを第１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。
6. 請求項２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第２の電流パラメータを用意する工程と、
   前記第２の電流パラメータを第２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。
7. 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。
8. 請求項７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。
9. 複数の巻線を有する多相回転磁界機械において欠相を検出するためのシステムであって、
   前記機械に接続されている制御器と、
   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前記制御器を始動モードに切り替えるスイッチと、
   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。
10. 請求項９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。
11. 請求項１０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。
12. 請求項９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。
13. 請求項９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。
14. 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。
15. 請求項１１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。
16. 請求項１５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。
17. 請求項１６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、前記第１および第２の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。
18. 請求項１７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。
19. 請求項１６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。
20. 請求項９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。

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