JP7348225B2 - エンコーダの無い永久磁石式同期機械の起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、三相交流変換器を用いて、エンコーダの無い永久磁石式同期機械を静止状態から予め決められた回転数にまで起動する方法に関する。更に、本発明は、エンコーダの無い永久磁石式同期機械と、そのような永久磁石式同期機械を用いて駆動される真空ポンプとに関する。

永久磁石式同期機械をエンコーダ無しに起動する場合、永久磁石式同期機械のローターの磁束に関する角度情報、即ち、位相角が、逆向きに作用する起電力（逆起電力）とも呼ばれる、磁束によって誘導される電圧の測定に基づき検出される。逆起電力のモデルに基づくエンコーダ無しの動作は、そのロバスト性及びその高い性能のために、中回転数から高回転数の範囲において、例えば、真空ポンプのローターの駆動部として、永久磁石式同期機械を適用するための最適な解決策であることが分かっている。確かに、逆起電力を知ること無く、ローターの磁束に関する角度情報を抽出するために、高周波信号を供給する形態を使用するアプローチが存在する。しかし、そのアプローチの実現可能性は、永久磁石式同期機械の回転数が高くなるにつれて制限される。

更に、誘導電圧又は逆起電力を測定するためには、永久磁石式同期機械のローターが或る最小回転数となることが必要である。従って、永久磁石式同期機械のエンコーダ無しの動作は、回転数範囲全体に渡って、（逆起電力を用いて、エンコーダ無しの動作が行われる、中間回転数から高回転数までの標準モードと、逆起電力に関する情報が得られない形で永久磁石式同期機械を駆動する特別なアプローチを使用しなければならない、低回転数でのモードとの）二つの異なるモードを有する。それらの二つのモードの間の問題の無い移行は、エンコーダ無しの動作全体の安定性とロバスト性に関して決定的に重要である。

低回転数でのモードの主要な目的は、燃焼エンジンの始動時と同様に、任意の方法を用いて、永久磁石式同期機械を標準モード、即ち、逆起電力に基づく動作への切替が可能となる回転数にまで持って行くことである。低回転数でのモードを実現する二つの技法が知られており、ローターの位相角を監視して、その加速度を適合させる「制御による起動」と、基本的に、電圧・周波数制御である、「開ループ」制御による、即ち、制御の意味において「フィードバックの無い」制御による起動である。しかし、両方の技法は、永久磁石式同期機械の特定のタイプにしか適さない。

そのような「制御による起動」は、ローターの永久磁石によって引き起こされる非対称の磁気飽和を使用している。供給される高周波信号の雑音が許容可能である限り、そのアプローチは、成功する起動を実現可能である。しかし、同期機械のステーターが、磁気飽和に到達するように設計されていない場合、或いは同期機械の変換器が、その巻線を飽和させるのに十分な性能を持たない場合、そのような起動のアプローチは最早機能しない。

同期機械を始動させる「フィードバックの無い」制御による起動、即ち、電圧・周波数制御では、基本的に、その起動が所望通り進行することが保証されない。従って、そのアプローチでは、電圧・周波数制御の使用後に、起動の有効性を検査しなければならない。そのアプローチでは、或る時間長後（この後に、起動を終了させる）に、振幅がローターの磁束の回転速度に比例する誘導電圧又は逆起電力を測定するために、変換器が一時的に停止される。その誘導電圧の測定は、それに続く標準モードでのエンコーダ無しの動作を初期化するためには必須である。しかし、変換器の停止後に、ローターの回転数が摩擦のために急速に低下する可能性があり、その結果、誘導電圧の測定が最早不可能となる。そのような場合、標準モードへの移行が行われず、永久磁石式同期機械のエンコーダ無しの動作を実施できなくなる。

その問題は、先ずはバッキングポンプが起動されて、真空設備内の圧力が十分に低くなった時に、漸くターボ分子ポンプの起動が始まる真空設備におけるターボ分子ポンプとそれに対応するバッキングポンプの組合せを起動させる場合と特に関連する。変換器の停止後に、バッキングポンプの回転数が摩擦のために通常は非常に速く低下して、その結果、誘導電圧又は逆起電力の測定と、それと関連するエンコーダ無しの動作への移行とを行うことができなくなる。

本発明の課題は、エンコーダの無い永久磁石式同期機械の起動の信頼性が改善された方法を実現することである。この方法は、特に、ターボ分子ポンプに割り当てられたバッキングポンプの起動に適している。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。この方法は、三相交流変換器を用いて、エンコーダの無い永久磁石式同期機械を停止状態から予め決められた回転数にまで起動するために規定される。このエンコーダの無い永久磁石式同期機械は、特に、真空ポンプの三相交流機械、例えば、ターボ分子ポンプ用のバッキングポンプである。この場合、永久磁石式同期機械を駆動するために使用される電圧は、絶対値と位相角を有する電圧ベクトルに基づき決定される。

本方法では、特に、起動の第一段階中に、電圧ベクトルの絶対値の最大が第一段階の始めにも終わりにも生じないように、電圧ベクトルの絶対値が先ずは上昇して、次に再び低下する。それに対して、この起動の第二段階中に、特に、電圧ベクトルの絶対値と回転周波数の両方が上昇する。この起動の第三段階中に、特に、電圧ベクトルの絶対値と回転周波数の両方が、例えば、予め決められた時間長の間、一定に留まり、第三段階の終わりに、この起動の検証措置を実施することができる。

そのため、この起動の第三段階中に、電圧ベクトルの絶対値と回転周波数が一定に留まるので、第三段階は、永久磁石式同期機械を定常状態に移行させるために規定された安定化段階である。この安定化段階によって、起電力モデルの初期化の準備が整って、次に、標準動作モードにおいて、例えば、推定された起電力に基づき、永久磁石式同期機械をエンコーダ無しで動作させることができるようになる。

第三段階中における電圧ベクトルの一定の絶対値と一定の回転周波数のために、第三段階の終わりには、永久磁石式同期機械は高い確率で定常状態にあり、それによって、第三段階の終わりの検証措置を用いて、永久磁石式同期機械の起動が成功したと評価される確率が一層高められる。この方法の三つの段階は、有利には、中断無しに時間的に連続して実施される。更に、この方法の三つの段階中に、追加の電流制御を必要とすること無く、或いは規定すること無く、電圧ベクトルの直接的な調節が行われる。そのため、本発明による方法は、特に、電圧・周波数制御による、冒頭で述べた「開ループ」制御による起動の改善構成である。

本発明の有利な改善構成は、従属請求項、本明細書及び図面に記載されている。

一つの実施構成では、第三段階の終わりの検証措置は、逆向きに作用する起電力（逆起電力）の推定を含み、この逆起電力の推定に基づき、同期機械の起動が成功した、或いは失敗したと評価される。逆起電力が推定されて、直接測定されないので、逆起電力を測定するために、三相交流変換器を停止する必要がない。従って、三相交流変換器が、本方法の第三段階中においても引き続き動作して、停止されないので、三相交流変換器の停止によって引き起こされる、永久磁石式同期機械の回転数の低下が起こらない。それによって、同期機械の起動の安定性が改善されて、その起動が成功したと評価されて、同期機械のエンコーダ無しの動作への正しい移行が行われる確率が向上する。

更に、逆起電力は、同期機械の測定された相電圧と相電流に基づき、並びに同期機械のパラメータに基づき推定することができる。同期機械のパラメータは、有利には、相抵抗、巻線の主インダクタンス及び同期機械のローターの磁束の絶対値を包含する。そのため、この実施構成では、逆起電力の推定は、例えば、巻線の主インダクタンスなどの同期機械の既知のパラメータと、何れにせよ同期機械を駆動するためには既知である測定変量とを使用しており、三相交流変換器の停止を必要としない。

更に、推定された逆起電力の絶対値は、第三段階中における同期機械のローターの磁束の絶対値と電圧ベクトルの回転周波数の積に基づき算出される理論値と比較することができる。この場合、同期機械の起動は、特に、推定された逆起電力の絶対値が理論値から高々予め決められた値だけずれている場合に成功したと評価し、そうでない場合に、同期機械の起動が失敗したと評価することができる。推定された逆起電力の絶対値が理論値からずれてもよい予め決められた値によって、逆起電力を推定するための変量の不正確さと測定誤差が考慮される。それによって、例えば、測定変量の中の一つの僅かな変動により引き起こされる可能性がある、検証措置を用いた起動の誤った評価によって生じる、起動の不必要な中断が防止される。

別の実施構成では、同期機械は、起動が成功したと評価された場合に、逆起電力に関するモデルに基づく制御による動作モードに移行することができる。この逆起電力に関するモデルは、本方法の第三段階中に推定される逆起電力により初期化することができる。

そのため、第三段階中の逆起電力の推定は、その逆起電力の推定に基づき、一方で同期機械の起動が評価され、他方で第三段階後の動作モードにおける逆起電力のモデルに対する初期化が準備されることとなるので、二重の機能を果たす。そのため、第三段階での推定を用いた逆起電力の初期化によって、本方法の第三段階から第三段階の後に続く制御動作への滑らかで簡単な移行を行うことができる。この場合、制御動作は、推定された逆起電力がローターの磁束の絶対値と位相に依存するので、磁界に基づく形で行われ、永久磁石式同期機械では、磁束の絶対値が動作パラメータとして固定的に与えられ、磁束の位相角は、測定された電流及び電圧に基づき、並びに相抵抗及び巻線の主インダクタンスに基づき推定することができる。更に、本方法の第三段階から制御動作への滑らかな移行時に、逆起電力又は誘導電圧を測定するために、永久磁石式同期機械の変換器を一時的に停止する必要はない。それに代わって、逆起電力は推定値により初期化されるので、同期機械の変換器は、第三段階から制御動作への移行時においても、引き続き連続して動作することができる。

それに対して、起動が失敗したと評価された場合、独立した監視手段を使用して、同期機械が新たに始動したのかを決定することができる。この独立した監視手段は、有利には、起動が成功したと評価される毎に０にリセットされるカウンターを備えることができる。それに対して、起動が失敗したと評価された場合、それぞれカウンターを１だけ増大させることができる。更に、カウンターが予め決められた数に到達した場合に、エラー通報を出力することができる。

そのため、起動が失敗したと評価された場合、必ずしも単純に本方法を中断するのではなく、予め決められた繰り返し回数だけ、この同期機械を起動する方法を新たに開始することができる。それによって、起動が以前に偶然失敗したと評価されてしまった場合及び／又は一時的な障害が起こった場合に、同期機械の新たな始動が高い確率で成功裏に進行するので、不必要なエラー通報回数を削減することができる。そして、エラー通報が出力される。そのため、この独立した監視手段は、同期機械の動作の信頼性を改善する。独立した監視手段は、カウンターの外に、同期機械の動作パラメータを監視する別の機器を備えることができ、これらの動作パラメータの中の一つが予め決められた範囲外となった場合に、同期機械の新たな始動を防止することができる。

第一段階中、電圧ベクトルの絶対値は、０から最大値にまで上昇した後、再び０よりも大きな値にまで低下する一方、電圧ベクトルの回転周波数は０の近傍にある、即ち、僅か数ヘルツである。この関連において、「僅か数ヘルツ」とは、１０ヘルツよりも小さな値を意味する。電圧ベクトルの非常に低い回転周波数のために、同期機械のローターは、第一段階中、既知の方向を向いた形でほぼ静止状態に保持することができる。従って、第一段階は、同期段階と呼ぶことができる。

第二段階中、電圧ベクトルの回転周波数は、初期値から最終値にまで線形的に上昇することができ、この初期値は予め決められており、特に、第一段階中の電圧ベクトルにおける一定の回転周波数に等しい。

第二段階中、電圧ベクトルの回転周波数が最終値にまで上昇することができるので、第二段階中に、電圧ベクトルの回転周波数の最終値が起動の終わりにおけるローターの回転数と一致するように、同期機械のローターの加速が行われる。このようなローターの回転数で、本方法の第三段階後に、エンコーダ無しの動作への移行を行うことができる。更に、本方法の第三段階中及びそれに続くエンコーダ無しの動作中に、逆起電力に関するモデルを使用できるようにするためには、回転周波数の最終値を予め決められた値よりも大きくすべきである。

第二段階の時間長は、例えば、３～３０秒であるとすることができ、この精確な時間長は、同期機械のパラメータと性能に依存する。それに対して、第一段階の時間長は、僅か２～５秒であるとすることができる。更に、第二段階中に、さもなければ回転モーメントをローターに伝達できなくなるので、電圧ベクトルとローターの磁束の間の位相シフトが生じる。それに対して、第三段階の時間長は、僅かに約１秒であるとすることができる。

更に、電圧ベクトルの回転周波数の最終値と初期値の間の差は、第二段階中、回転周波数の上昇によって引き起こされる、電圧ベクトルの絶対値の上昇に比例することができる。第二段階中の電圧ベクトルの絶対値の上昇は、さもなければローターの加速を低下させてしまう逆起電力の上昇を相殺するのに必要である。

第一段階から第二段階への移行時に、有利には、電圧ベクトルの位相角の飛躍的な変化を起こすことができ、この変化は、９０°よりも小さくすることができるとともに、電圧ベクトルの回転方向に起こすことができる。この位相角の飛躍的な変化のために、ローターの磁束と電圧ベクトルは、最早互いの方向が揃わず、その結果、回転モーメントをローターに伝達することができる。

更に、本発明の別の対象は、特に、真空ポンプの三相交流機械である永久磁石式同期機械、並びにそのような永久磁石式同期機械を備えた真空ポンプである。この同期機械は、三相交流変換器を備え、この三相交流変換器を用いて、前に述べた通りの方法の実施によって起動されるように構成される。

以下において、添付図面を参照して、有利な実施構成に基づき本発明を例示して説明する。

本発明に適用可能な、永久磁石式同期機械用の三相交流変換器の例のブロック図 直交座標系で表示された、本発明を適用するための出発点としての電圧ベクトルの図 本発明による方法の第一段階又は同期段階中の電圧ベクトルの絶対値の時間推移のグラフ図 本発明による方法の第二段階又は起動段階中の電圧ベクトルの絶対値の時間推移のグラフ図 本発明による方法の第二段階又は起動段階中の電圧ベクトルの回転周波数の時間推移のグラフ図 本発明による方法の第三段階又は安定化段階中の電圧ベクトルの絶対値の時間推移のグラフ図 本発明による方法の第三段階又は安定化段階中の電圧ベクトルの回転周波数の時間推移のグラフ図 第三段階又は安定化段階に関連する電磁的な変量のベクトル図 本発明による永久磁石式同期機械を備えた真空ポンプが駆動される真空設備のブロック図

図１Ａは、三つの相ζ＝Ｕ，Ｖ，Ｗの各々に関して、ハーフブリッジ部を有し、その結果、各相Ｕ，Ｖ，Ｗの出力電圧ｕ_Ｖ，ｕ_Ｕ，ｕ_Ｗを正又は負の中間回路電位Ｕ_ｄｃに設定できる三相交流変換器１１の例を模式的に図示している。これらの出力電圧ｕ_Ｖ，ｕ_Ｕ，ｕ_Ｗは、永久磁石式同期機械２３（図６を参照）の相応の電磁石に電源を供給するために、そのため永久磁石式同期機械２３を駆動するために与えられる。各相ζの電位ｕ_ζは、切替状態ｓ_ζがＨに等しい場合に値Ｕ_ｄｃを占め、切替状態ｓ_ζ＝Ｌの場合に値０を占める。所与のデューティ比λ_ζ∈（０，１）において、各相ζに関して、電圧ｕ_ζ＝λ_ζ×Ｕ_ｄｃが得られる。

図１Ｂは、電圧ベクトル

を直交座標系で図示している。この座標系の座標は、電圧ベクトルの実数成分ｕ_αと虚数成分ｕ_βに一致する。そのため、電圧ベクトルは、次の等式で表すことができる。

第二の式では、ｆ（ｔ）が電圧ベクトルの回転周波数を表す一方、γ_０は位相シフトである。そのため、図２は、電圧ベクトルの一般的なポインター図であり、その振幅又は絶対値ｕが時間ｔの関数として周波数ｆで巡回する。

永久磁石式同期機械２３に電源を供給するための三つの電位又は出力電圧ｕ_Ｕ，ｕ_Ｖ及びｕ_Ｗは、次の通り、クラーク変換を用いて、実数成分と虚数成分ｕ_α，ｕ_βにより定義される電圧ベクトルに変換することができる。

逆クラーク変換を用いて、次の通り、

所望の電圧ベクトル

をゼロ電位に対する三つの電位

に変換することができる。

本発明によるエンコーダの無い永久磁石式同期機械を起動する方法は、例えば、図１Ａに図示された三相交流変換器を使用することと、永久磁石式同期機械のローターの静止状態から予め決められた回転数への起動が行われることとを出発点とする。

本方法の第一段階又は同期段階では、同期機械のローターを静止状態において既知の向きに維持すべきである。それは、正しい又は所望の加速度で永久磁石式同期機械を始動するために必要である。

本方法の第一段階又は同期段階中に、電圧ベクトルは、前記の式（１）に対応して、以下の通り与えられる。

この位相シフトγ_０は、同期段階中、０であり、回転周波数は、次の通り、同期段階中、一定である。
ｆ_ｓｙｎｃ（ｔ）＝ｆ_ｓｙｎｃ （５）

この一定の回転周波数ｆ_ｓｙｎｃは、０に等しいか、或いは僅か数ヘルツ、即ち、１０ヘルツよりも低い。ｆ_ｓｙｎｃ＝０の場合、それは定常的な同期と呼ばれる。永久磁石式同期機械が組み込まれているが、大きな静摩擦又は静止摩擦を有する駆動システムでは、後の起動のために同期機械のローターをその軸受けから解放できるようにするために、同期段階中に、非常に緩慢に、即ち、前に述べた１０ヘルツ以内の回転周波数で回転する電圧ベクトルを使用することが、より有利である。

図２には、第一段階又は同期段階中の電圧ベクトルの絶対値又は振幅ｕ_ｓｙｎｃが時間ｔの関数として図示されている。同期段階の全体の時間長は、Ｔ_ｓｙｎｃにより与えられて、約２～５秒である。同期段階の始めに、電圧ベクトルの絶対値が単調に０から、時間長ｋ_Ｔ・Ｔ_ｓｙｎｃ後に到達する先端値Ｕ_ｓｙｎｃにまで上昇し、ここで、ｋ_Ｔ∈（０，１）である。従って、電圧ベクトルの絶対値の最大Ｕ_ｓｙｎｃは、同期段階の始めにも、終わりにも生じない。時点ｋ_Ｔ・Ｔ_ｓｙｎｃ後に、電圧ベクトルの絶対値は、再び値ｋ_Ｕ・Ｕ_ｓｙｎｃにまで低下し、ここで、ｋ_Ｕ∈（０，１）である。同期段階の終わりに加わる電圧ベクトルの向きがローターの磁束の向きに等しいと仮定されるので、ローターを保持する或る程度の「剛性」を実現するには、同期段階の終わりにおいて、最小電圧ｋ_Ｕ・Ｕ_ｓｙｎｃ＞０を保証することが重要である。

基本的に、同期段階中に一定の電圧ベクトルを加えることは、一定の電流ベクトルを生じさせ、その電流ベクトルは、ローターの磁束の向きが電流ベクトルの向きと一致しない限り、回転モーメントをその向きの方向に作用させる。これは、トーションバネの挙動と比較でき、電圧ベクトルの絶対値がそのバネの剛性を決める。減衰が小さいシステムでは、所与の電圧ベクトルの向きの周りにローターの角度の振動が起こる可能性がある。この振動を低減するために、同期段階中、電圧ベクトルの絶対値を０から上昇させる。ローターの磁束が電圧ベクトルと向きが揃っている場合、オーバーシュートを防止するためには、バネの剛性を再び低減すべきである。従って、電圧ベクトルの絶対値の最大は、同期段階の始めにも、終わりにも生じるべきではない。

本方法の第二段階は、電圧・周波数制御を使用した（開ループ）制御による本来の起動段階又は発進段階である。これは、電圧と周波数がフィードバックを用いて制御されるのではなく、電流制御を用いない、電圧ベクトルの直線的な調節が行われることを意味する。第一又は同期段階の終わりのローターの磁束が電圧ベクトルと向きが揃っていると仮定される。図１Ｂのα／β座標系において、磁束の角度がγ_ｓｙｎｃで表されている。同期後に、同期機械は、電圧・周波数制御による起動の準備が整う。

本方法の第二段階中の電圧ベクトルは、以下の式で表すことができ、

ここで、γ_ｕｐは第二又は起動段階中の初期角度であり、次の式で表すことができる。
γ_ｕｐ＝γ_ｓｙｎｃ＋Δγ （７）

この場合、Δγは、角度γ_ｓｙｎｃにおけるローターの初期の向きに対する、０と異なるオフセットである。さもなければ電圧ベクトルが完全にローターの磁束と向きが揃ってしまうと、その結果として生じる回転モーメントが０に向かってしまうので、このオフセットΔγは、第二又は起動段階の始めにローターを加速させる回転モーメントである。このオフセットΔγの絶対値は、同期の損失を防止するために、９０°よりも小さくすべきである。同期機械のローターの回転方向に応じて、Δγの符号は正又は負となる。

図３Ａと図３Ｂは、第二段階に関して式（６）に基づき定義される通り、電圧ベクトルの絶対値ｕ_ｕｐ（ｔ）又は回転周波数ｆ_ｕｐ（ｔ）の時間推移を図示している。この回転周波数ｆ_ｕｐ（ｔ）は、第一段階又は同期段階での一定の周波数ｆ_ｓｙｎｃから、第二又は起動段階の終わりでのエンコーダ無しの動作への移行が行われる同期機械の回転数と一致する最終周波数ｆ_{ｆｉｎａｌ}にまで単調に上昇する。従って、ｆ_{ｆｉｎａｌ}は、エンコーダ無しの動作に関する逆起電力モデルの要件を満たすためには、低過ぎるべきではない。

この絶対値ｕ_ｕｐ（ｔ）は、周波数ｆ_ｕｐ（ｔ）で初期電圧ｕ_ｕｐから線形的に上昇して、最終周波数又はｆ_{ｆｉｎａｌ}において最大増分ΔＵに到達する。さもなければ結果として生じる巻線電流が減少して、加速の低下が引き起こされてしまうので、逆起電力の上昇を相殺するためには、そのような電圧ベクトルの絶対値の上昇が必要である。全体的な電圧上昇ΔＵの絶対値は、以下の通り計算することができ、
ΔＵ＝２π・Ψ_ｍ・（ｆ_{ｆｉｎａｌ}－ｆ_ｓｙｎｃ）， （８）
ここで、Ψ_ｍは、ローターの磁束の絶対値である。これは、永久磁石式同期機械において、動作パラメータとして知られている。

本方法の第二段階中に、時間長Ｔ_ｕｐに渡って、絶対値ｕ_ｕｐと回転周波数ｆ_ｕｐの増大が行われる（図３Ａと３Ｂを参照）。Ｔ_ｕｐは、典型的には、約３～３０秒であり、それは、その時々の同期機械の能力又は性能に依存する。式（８）に基づく電圧ベクトルの絶対値の上昇は、逆起電力を相殺することだけを考慮している。リアクタンスの上昇のために電圧降下を最早無視できくなった場合、それに対応して、ΔＵを再び上昇させるべきである。

電圧・周波数制御による第二又は起動段階の終わりに、同期機械をエンコーダ無しの動作に移行すべきである。しかし、この場合、例えば、誘導電圧の測定に頼ることができる、逆起電力に関するモデルの初期化が必要である。しかし、第二段階の終わりの誘導電圧又は逆起電力は、変換器１１（図１Ａを参照）が一時的に活動を停止している場合にのみ測定可能である。しかし、変換器の活動停止は、同期機械のローターの回転数の速い低下を引き起こす可能性があり、詳しくは、当該ローターが、負荷に対する慣性モーメントの比率が小さいシステムの駆動部として使用される場合に、特に、そうである。これは、特に、真空ポンプの場合、特に、低真空及び中真空領域用のバッキングポンプの場合である。更に、ローターの慣性モーメントが比較的小さいことは、多くの移行状態が定常的でない駆動システムの複雑な動特性を引き起こす可能性がある。

従って、そのようなシステムでは、エンコーダ無しの動作への移行のために、変換器１１を停止すべきである。しかし、その場合、誘導電圧を直接測定できなくなる。しかし、同期機械に加わる相電圧と相電流を測定量として利用可能であるにも関わらず、電磁モデルに基づく誘導電圧の計算は、例えば、電圧・周波数制御（開ループ）によって引き起こされる既知でない角加速度及び既知でない遷移域を含む、システムの動特性の既知でない変量のために不正確過ぎる。

しかし、このエンコーダの無い永久磁石式同期機械を起動させる方法が、エンコーダ無しの動作への移行前に、第三又は安定化段階を有する場合に、システムの動特性の既知でない変量の影響を小さくできることが分かった。第三又は安定化段階の終わりに、測定された相電圧と測定された相電流に基づく逆起電力のモデルの初期化を行うことができる。

第三又は安定化段階中に、変換器１１（図１を参照）は、予め決められた時間長Ｔ_ｓｔａｂの間、第二又は起動段階の終わりに達成された電圧ベクトルの回転周波数ｆ_{ｆｉｎａｌ}及び絶対値Ｕ_ｕｐ＋ΔＵを維持する。この電圧ベクトルの絶対値と回転周波数の時間的に一定な推移が、それぞれ図４Ａ又は図４Ｂに図示されている。そのため、電圧ベクトルは、全体として以下の通り与えられ、

ここで、さもなければ電圧ベクトルの飛躍的な変化によって起こってしまう追加の移行が引き起こされてしまうので、電圧ベクトルの初期角度γ_ｓｔａｂは、電圧・周波数制御による第二又は起動段階の終わりの角度に等しくなければならない。

時間長Ｔ_ｓｔａｂ後の同期機械のローターは、一定の角周波数ω＝２πｆ_{ｆｉｎａｌ}で定常状態にあると仮定される。相電圧、相電流及び誘導電圧のベクトルは、図５のα／β座標系（図１Ｂも参照）に図示されているポインター図において、第三又は安定化段階に関するポインター

として表すことができる。この場合、モーター巻線の主インダクタンスＬ_ｈと相抵抗Ｒ_ｓは、同期機械の動作パラメータとして既知であると仮定される。

第三又は安定化段階の終わりの誘導電圧又は逆起電力を推定するために、ローターの磁束と誘導電圧の以下の関係式が使用され、

である。

磁束の絶対値Ψ_ｍが永久磁石式同期機械のパラメータとして既知であるので、この角度γ_ｍが、同期機械のエンコーダ無しの動作に関する逆起電力のモデルを初期化するために算出すべき未知数である。

図５のポインター図に基づき、相電圧のベクトルに関して、次の関係式が成り立つことが分かる。

測定された相電圧と測定された相電流がα／β座標系で次の通り表される場合、

次の通り、式（１２）を実数成分と虚数成分に分割することができる。

この連立方程式は、次の通り、誘導電圧に関して解くことができる。

そのため、誘導電圧の実数成分と虚数成分が既知となるので、これらの間の角度γｉは、α／β座標系において、次の通り計算することができる。

最終的に、ローターの磁束に関して求める角度γ_ｍは、次の通り計算することができる。

同期機械の起動が如何なる場合でも成功することを出発点とすることができないので、第三又は安定化段階の終わりに、逆起電力のモデルに関して推定された誘導電圧を検査する起動の検証措置を実施することが必要である。例えば、たまたま機械的にブロックされてしまった同期機械のような技術的な障害が起こる可能性がある。

逆起電力の直接的な測定が変換器１１の停止を前提としており、それが望ましくないので、この検証措置も間接的に、即ち、誘導電圧を直接測定しない形で実現しなければならない。式（１６）に基づき、誘導電圧又は逆起電力の絶対値を次の通り推定することができる。

起動が成功して、ローターの磁束がω＝２πｆ_{ｆｉｎａｌ}で回転する場合、次の式が成り立ち、

ローターの磁束

は、ω＝２πｆ_{ｆｉｎａｌ}で回転し、さもなければ誘導電圧の絶対値は０に向かって行く。

しかし、相電圧と相電流の測定時におけるＲ_ｓ，Ｌ_ｈ及びΨ_ｍに関する不正確性と測定誤差のために、式（２０）は、起動の検証のために直に使用することはできない。その代わりに、次の式に基づき起動を検証するために、σ∈（０，１）とする散乱係数σが導入される。

そのため、起動を検証するために、先ずは誘導電圧又は逆起電力の実数成分と虚数成分を式（１６）に基づき推定して、式（１９）に基づき逆起電力の絶対値を計算し、式（２１）に基づく条件が満たされるのかを検査する。そうである場合、エンコーダ無しの動作に関する逆起電力のモデルを初期化するために、式（１７）と（１８）に基づき、ローターの磁束の角度γ_ｍを計算することができる。この場合、起動が成功したと見做される。

しかし、式（２１）に基づく条件が満たされない場合、起動が失敗したと評価される。この場合、同期機械を起動する方法が第一段階又は同期段階から新たに開始される。起動の試みが失敗した回数に関して、同期機械の起動が成功する毎に０にリセットされ、起動の試みが失敗する毎に１だけ増大されるカウンターが使用される。このカウンターが、起動の試みが連続して失敗することに関する予め決められた数に到達すると、エラー通報が出力される。

このエンコーダの無い永久磁石式同期機械を起動させる方法は、そのような永久磁石式同期機械を用いて動作する真空ポンプに適用可能である。図６は、ターボ分子ポンプ１５と接続されたレシピアント部１３を備えた真空設備の例を模式的に図示している。このターボ分子ポンプ１５は、例えば、ローター１７に属するローターディスクなどのポンプ能動構造を有する。ターボ分子ポンプ１５のローター１７を駆動するために、永久磁石式同期機械を使用することができる。

このターボ分子ポンプ１５は、更に、バッキングポンプ１９と接続されており、このバッキングポンプは、同じくバッキングポンプ１９のポンプ能動部品の一部としてローター２１を備えている。図１の変換器１１を備えた、本発明によるエンコーダの無い永久磁石式同期機械２３が、ローター２１を駆動する役割を果たす。真空設備の使用開始時に、先ずは、ターボ分子ポンプ１５を動かすのに適した負圧がレシピアント部１３に生じるまで、バッキングポンプ１９が動かされる。

ターボ分子ポンプ１５を起動する場合、誘導電圧を測定して、エンコーダ無しの動作を初期化するために、起動の終わりに、短時間、変換器の活動を停止させることができる。それに対して、バッキングポンプ１９の起動後に変換器１１を停止させた場合、バッキングポンプ１９では、摩擦のために、回転数が速く低下し過ぎてしまう。従って、バッキングポンプ１９の起動時にエンコーダ無しの動作を初期化するために誘導電圧を測定することは、通常不可能である。しかし、本発明による方法をバッキングポンプ１９の同期機械２３を起動するために使用した場合、初期化するための相応の誘導電圧が推定され、そのため、変換器１１を動かしたままにすることができるので、エンコーダ無しの動作を初期化するために変換器１１を停止させる必要はない。
なお、本願は、特許請求の範囲に記載の発明に関するものであるが、他の態様として以下の構成も包含し得る：
１．
三相交流変換器（１１）を用いて静止状態から予め決められた回転数にまで、エンコーダの無い永久磁石式同期機械（２３）、特に、真空ポンプ（１９）の三相交流機械を起動する方法であって、
この永久磁石式同期機械（２３）を駆動するために使用される電圧が、絶対値と位相角を有する電圧ベクトルに基づき定義され、
この方法は、
ｉ）この起動の第一段階中に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ _ｓｙｎｃ ）が、先ずは上昇して、次に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ _ｓｙｎｃ ）の最大が第一段階の始めにも、第一段階の終わりにも生じないように低下し、
ｉｉ）この起動の第二段階中に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ _ｕｐ ）と回転周波数（ｆ _ｕｐ ）の両方が上昇し、
ｉｉｉ）この起動の第三段階中に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ _ｓｔａｂ ）と回転周波数（ｆ _ｓｔａｂ ）の両方が一定に留まって、第三段階の終わりに、この起動の検証措置が実施される工程を有することを特徴とする方法。
２．
前記の第三段階の終わりの検証措置が、逆向きに作用する起電力（逆起電力）

を推定する工程を含み、
この逆起電力

の推定に基づき、同期機械の起動が成功した、或いは失敗したと評価される上記１に記載の方法。
３．
前記の逆起電力

が、同期機械の測定された相電圧

と相電流

に基づき、並びに同期機械のパラメータに基づき推定される上記２に記載の方法。
４．
前記の同期機械のパラメータが、同期機械の相抵抗（Ｒ _ｓ ）、巻線の主インダクタンス（Ｌ _ｈ ）及びローターの磁束（Ψ _Ｍ ）の絶対値を包含する上記３に記載の方法。
５．
前記の推定された逆起電力の絶対値（Ｕ _ｉ ）が、第三段階中に、同期機械のローターの磁束（Ψ _Ｍ ）の絶対値と電圧ベクトルの回転周波数の積に基づき算出される理論値と比較される上記４に記載の方法。
６．
同期機械の起動は、前記の推定された逆起電力の絶対値（Ｕ _ｉ ）が理論値から高々予め決められた値だけずれている場合に成功したと評価され、そうでない場合に失敗したと評価される上記５に記載の方法。
７．
起動が成功したと評価された場合に、前記の同期機械が、逆起電力に関するモデルに基づく制御による動作モードに移行されて、このモデルが、第三段階中に推定された逆起電力により初期化される上記２～６のいずれか１つに記載の方法。
８．
起動が失敗したと評価された場合に、独立した監視手段を使用して、同期機械が新たに始動されるかが決定される上記２～７のいずれか１つに記載の方法。
９．
前記の独立した監視手段がカウンターを備え、
このカウンターは、起動が成功したと評価される毎にゼロにリセットされ、起動が失敗したと評価される毎に１だけ増大されて、
このカウンターが予め決められた数に到達した場合に、エラー通報が出力される上記８に記載の方法。
１０．
第一段階中に、電圧ベクトルの絶対値がゼロから最大値（Ｕ _ｓｙｎｃ ）にまで上昇した後、ゼロよりも大きな値までに低下して、電圧ベクトルの回転周波数（ｆ _ｓｙｎｃ ）がゼロ又は僅か数ヘルツである上記１～９のいずれか１つに記載の方法。
１１．
第二段階中に、電圧ベクトルの回転周波数（ｆ _ｕｐ ）が初期値から最終値（ｆ _{ｆｉｎａｌ} ）にまで線形的に上昇し、この初期値が、予め決められて、特に、第一段階中の電圧ベクトルの一定の回転周波数（ｆ _ｓｙｎｃ ）である上記１～１０のいずれか１つに記載の方法。
１２．
前記の最終値（ｆ _{ｆｉｎａｌ} ）と初期値の間の差が、回転周波数の上昇によって起こる電圧ベクトルの絶対値の上昇（ΔＵ）に比例する上記１１に記載の方法。
１３．
第一段階から第二段階への移行時に、９０°よりも小さく、電圧ベクトルの回転方向に生じる、電圧ベクトルの位相角の飛躍的な変化（Δγ）が起こる上記１～１２のいずれか１つに記載の方法。
１４．
三相交流変換器を備えた、真空ポンプの永久磁石式同期機械（２３）、特に、三相交流機械であって、この機械が、三相交流変換器（１１）を用いて、上記１から１３までのいずれか一つに記載の方法を実施することによって、静止状態から予め決められた回転数にまで起動されるように構成されていることを特徴とする機械。
１５．
上記１４に記載の永久磁石式同期機械（２３）を備えた真空ポンプ。

１１ 三相交流変換器
１３ レシピアント部
１５ ターボ分子ポンプ
１７ ローター
１９ バッキングポンプ
２１ ローター
２３ 永久磁石式同期機械
Ｕ，Ｖ，Ｗ 変換器の相
Ｕ_ｄｃ 中間回路電圧
ｕ_Ｖ，ｕ_Ｕ，ｕ_Ｗ 出力電圧
λ_σ 各相σに関するデューティ比

ｕ_α 電圧ベクトルの実数成分
ｕ_β 電圧ベクトルの虚数成分

ｕ_ｓｙｎｃ 同期中の電圧ベクトルの絶対値
ｆ_ｓｙｎｃ 同期中の回転周波数
Ｔ_ｓｙｎｃ 第一段階又は同期段階の時間長
γ_ｓｙｎｃ 第一段階の終わりにおける電圧ベクトルの角度

ｕ_ｕｐ 起動中の電圧ベクトルの絶対値
ｆ_ｕｐ 起動中の回転周波数
γ_ｕｐ 起動中の電圧ベクトルの初期角度
Δγ 位相角のオフセット
ΔＵ 電圧増分
Ψ_Ｍ 三相交流機械の磁束密度
ｆ_{ｆｉｎａｌ} 起動の終わりにおける回転周波数
Ｔ_ｕｐ 第二又は起動段階の時間長

ｕ_ｓｔａｂ 安定化中の電圧ベクトルの絶対値
ｆ_ｓｔａｂ 安定化中の回転周波数
Ｔ_ｓｔａｂ 第三又は安定化段階の時間長
γ_ｓｔａｂ 安定化段階中の電圧ベクトルの位相角

Ｒ_ｓ 相抵抗
Ｌ_ｈ 主インダクタンス
γ_ｍ 磁束の位相角
γ_ｉ 誘導電圧の位相角
σ 散乱係数

Claims (15)

1. 負荷に対する慣性モーメントの比率が小さいローターを有する、エンコーダの無い永久磁石式同期機械（２３）を、三相交流変換器（１１）の停止なしに、この三相交流変換器（１１）を用いて前記ローターの低回転数でのモードから中間回転数から高回転数までの標準モードに移行させることによって、静止状態から予め決められた回転数にまで起動する方法であって、
   この永久磁石式同期機械（２３）を駆動するために使用される電圧が、絶対値と位相角を有する電圧ベクトルに基づき定義され、
   この方法は、
   ｉ）この起動の第一段階中に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ_sync）が、先ずは上昇して、次に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ_sync）の最大が第一段階の始めにも、第一段階の終わりにも生じないように低下し、
   ｉｉ）この起動の第二段階中に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ_up）と回転周波数（ｆ_up）の両方が上昇し、
   ｉｉｉ）この起動の第三段階中に、電圧ベクトルの絶対値（ｕ_stab）と回転周波数（ｆ_stab）の両方が一定に留まって、第三段階の終わりに、この起動の検証措置が実施される工程を有することを特徴とする方法。
2. 前記の第三段階の終わりの検証措置が、逆向きに作用する起電力（逆起電力）
   

   

   を推定する工程を含み、
   この逆起電力
   

   

   の推定に基づき、同期機械の起動が成功した、或いは失敗したと評価される請求項１に記載の方法。
3. 前記の逆起電力
   

   

   が、同期機械の測定された相電圧
   

   

   と相電流
   

   

   に基づき、並びに同期機械のパラメータに基づき推定される請求項２に記載の方法。
4. 前記の同期機械のパラメータが、同期機械の相抵抗（Ｒ_s）、巻線の主インダクタンス（Ｌ_h）及びローターの磁束（Ψ_M）の絶対値を包含する請求項３に記載の方法。
5. 前記の推定された逆起電力の絶対値（Ｕ_i）が、第三段階中に、同期機械のローターの磁束（Ψ_M）の絶対値と電圧ベクトルの回転周波数の積に基づき算出される理論値と比較される請求項４に記載の方法。
6. 同期機械の起動は、前記の推定された逆起電力の絶対値（Ｕ_i）が理論値から高々予め決められた値だけずれている場合に成功したと評価され、そうでない場合に失敗したと評価される請求項５に記載の方法。
7. 起動が成功したと評価された場合に、同期機械が、逆起電力に関するモデルに基づく制御による動作モードに移行されて、このモデルが、第三段階中に推定された逆起電力により初期化される請求項２～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 起動が失敗したと評価された場合に、独立した監視手段を使用して、同期機械が新たに始動されるかが決定される請求項２～７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記の独立した監視手段がカウンターを備え、
   このカウンターは、起動が成功したと評価される毎にゼロにリセットされ、起動が失敗したと評価される毎に１だけ増大されて、
   このカウンターが予め決められた数に到達した場合に、エラー通報が出力される請求項８に記載の方法。
10. 第一段階中に、電圧ベクトルの絶対値がゼロから最大値（Ｕ_sync）にまで上昇した後、ゼロよりも大きな値までに低下して、電圧ベクトルの回転周波数（ｆ_sync）がゼロ又は僅か数ヘルツである請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
11. 第二段階中に、電圧ベクトルの回転周波数（ｆ_up）が初期値から最終値（ｆ_final）にまで線形的に上昇し、この初期値が、予め決められて、第一段階中の電圧ベクトルの一定の回転周波数（ｆ_sync）に等しい請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記の最終値（ｆ_final）と初期値の間の差が、回転周波数の上昇によって起こる電圧ベクトルの絶対値の上昇（ΔＵ）に比例する請求項１１に記載の方法。
13. 第一段階から第二段階への移行時に、９０°よりも小さく、電圧ベクトルの回転方向に生じる、電圧ベクトルの位相角の飛躍的な変化（Δγ）が起こる請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 三相交流変換器を備えた、エンコーダの無い永久磁石式同期機械（２３）であって、この機械が、三相交流変換器（１１）の停止なしに、この三相交流変換器（１１）を用いて、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法を実施することによって、低回転数でのモードから中間回転数から高回転数までの標準モードに移行されることによって、静止状態から予め決められた回転数にまで起動されるように構成されていることを特徴とする機械。
15. 請求項１４に記載の永久磁石式同期機械（２３）を備えた真空ポンプ。

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