WO2023112304A1 - ドライブシステム及び制御方法 - Google Patents

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WO2023112304A1
WO2023112304A1 PCT/JP2021/046735 JP2021046735W WO2023112304A1 WO 2023112304 A1 WO2023112304 A1 WO 2023112304A1 JP 2021046735 W JP2021046735 W JP 2021046735W WO 2023112304 A1 WO2023112304 A1 WO 2023112304A1
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WO
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phase
synchronous motor
rotor
initial
command
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/046735
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English (en)
French (fr)
Inventor
拓巳 伊藤
Original Assignee
東芝三菱電機産業システム株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 東芝三菱電機産業システム株式会社 filed Critical 東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to drive systems and control methods.
  • Some drive systems capable of controlling the speed of excitation-type synchronous motors use the initial magnetic pole positions at startup to perform phase control after startup. If the value of the initial magnetic pole position used for this control contains an error that exceeds a predetermined amount, it may not start.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a drive system and control method that can more accurately specify the phase of the starting stage of a synchronous motor.
  • a drive system includes a rotor phase detector, a phase estimator, a phase error adjuster, and a drive controller.
  • the rotor phase detector detects the phase of the rotor of the synchronous motor and outputs phase information indicating the detected phase.
  • the phase estimator generates an initial phase command that defines the position of the rotor of the synchronous motor using the correction amount for correcting the phase error.
  • the phase error adjusting section uses the phase error of the initial phase command at the timing defined by the phase information to generate the correction amount for adjusting the phase error of the initial magnetic pole position of the synchronous motor.
  • the drive control unit uses the initial phase command with the phase error adjusted to control the drive of the synchronous motor.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a drive system according to an embodiment;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of position detectors according to the embodiment; 4 is a diagram showing the relationship between the rotor phase and the output signal of the position detector used for position control of the embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram showing rotor coordinates used for position control according to the embodiment; 4 is a timing chart relating to initial magnetic pole position detection in the startup stage of the embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between position numbers and positions output by the position detection unit of the embodiment; The figure which shows the example which starts normally of embodiment. The figure which shows the example which does not start normally of embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of position detectors according to the embodiment
  • 4 is a diagram showing the relationship between the rotor phase and the output signal of the position detector used for position control of the embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing rotor coordinates used for
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of correcting the initial phase value of the phase command shown in FIG. 7;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining correction processing of an initial magnetic pole position according to the embodiment;
  • 4 is a flow chart of correction processing of the initial magnetic pole position according to the embodiment;
  • FIG. 1A is a configuration diagram of the drive system 1 of the embodiment.
  • FIG. 1B is a configuration diagram of the second phase estimator 12 in the controller 10 of the embodiment.
  • the drive system 1 includes, for example, a synchronous motor 2, an inverter 3, an excitation device 4, a potential transformer 5, and a control section 10.
  • the synchronous motor 2 includes a main body 21 and a position detector 22 ( FIG. 2 , rotor phase detector).
  • the synchronous motor 2 is, for example, an excitation type synchronous motor provided with a field winding 24 .
  • a rotor 21 ⁇ /b>R ( FIG. 2 ), stator windings (not shown), and field windings 24 are provided in a main body 21 of the synchronous motor 2 .
  • the synchronous motor 2 is driven by, for example, U-phase V-phase W-phase three-phase AC power.
  • an excitation type synchronous motor having a general structure may be applied.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of the position detectors 22 of the embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the rotor phase used for position control of the embodiment and the output signal of the position detector 22.
  • FIG. 3B is a diagram showing rotor coordinates used for position control according to the embodiment.
  • the schematic diagram shown in FIG. 2 shows the position of the position detector 22 when the position detector 22 is viewed from the axial direction.
  • the shaft of the rotor 21R is provided with a rotor 22R for the position detector 22 that rotates together with the shaft.
  • the position detector 22 detects the position of the rotor 21R (referred to as rotor position) by detecting the position of the rotor 22R. It should be noted that the detection accuracy of the position detector 22 should be such that it is possible to identify angular regions obtained by dividing one round into several equal parts.
  • the position detector 22 includes a proximity sensor switch (referred to as a proximity switch) arranged to detect the phase of the rotor 21R of the synchronous motor 2 .
  • the position detector 22 detects the rotor position with a resolution of 60° using a semicircular rotating body 22R and three proximity switches arranged with a 120° shift in the circumferential direction of the shaft. For example, an identification number from 1 to 6 is used to denote this rotor position.
  • the position detector 22 indicates the detected rotor position by a position number using a value from 1 to 6, and outputs this position number as position information.
  • the position may become the position indicated by reference numeral 22Z.
  • the positions at which the position detectors 22 are arranged may deviate from the mechanical positions around the shaft of the synchronous motor 2 by a predetermined amount. included.
  • the detected position (initial magnetic pole position) of the rotating body 22R may be detected with a predetermined deviation from the correct position.
  • the detected position of the rotating body 22R may include an error exceeding a predetermined amount determined by the model or individual of the synchronous motor 2 . It should be noted that the above phenomenon is not due to variations in the positions of the position detectors 22, but may occur even when the position detectors 22 are arranged 120° apart from each other in the circumferential direction of the shaft.
  • FIG. 3A is a timing chart showing the relationship between the PS1 signal, PS2 signal, and PS3 signal respectively output by the three proximity switches of the position detector 22 during rotation and the detection result of the position detector 22.
  • the PS1 signal, PS2 signal, and PS3 signal are binary signals with a duty ratio of 50%.
  • the above signals are 120° out of phase with each other depending on the position where the proximity switch is placed.
  • the position detector 22 converts combinations of logic values indicated by the PS1 signal, the PS2 signal, and the PS3 signal to generate position information identified by a value of 1 to 6, for example.
  • the position detector 22 is formed with a lower resolution than that of a position sensor such as a rotary encoder generally used for position control.
  • a relatively high-resolution rotary encoder as the position detector 22 is not limited. For example, if a signal detected by a relatively high-resolution rotary encoder is converted into a low-resolution signal, it can be handled in the same way as the position detector 22 .
  • FIG. 3B shows the position detected by the position detector 22 using rotor coordinates.
  • Rotor coordinates have orthogonal d- and q-axes. It is divided into angle regions from 1 to 6 counterclockwise with the direction of the +q axis as a starting point. This angular region is equally divided into predetermined larger angles within the range of detection accuracy required to start the synchronous motor 2 .
  • the phases of the PS1 signal, PS2 signal, and PS3 signal output by the position detector 22 are shifted by the dashed lines shown in FIG. 3A. are detected out of phase as in
  • Inverter 3 is a power converter including a plurality of semiconductor switching elements.
  • the inverter 3 converts the DC power into three-phase AC power and supplies it to the synchronous motor 2 .
  • the configuration of the inverter 3 is not limited, and a general configuration may be applied.
  • the excitation device 4 supplies desired DC power to the field winding 24 of the synchronous motor 2 .
  • the primary winding of the instrument transformer 5 is connected to the electric line of each phase that connects the inverter 3 and the synchronous motor 2, and outputs a voltage corresponding to the voltage of each phase to the secondary winding.
  • the control unit 10 includes a first phase estimation unit 11, a second phase estimation unit 12, a drive control unit 13, a voltage integration unit (state estimation unit) 14, a state determination unit 15, a sequence control unit 16, An offset angle adjustment unit 17 , an input/output unit 18 and a storage unit 19 are provided.
  • the control unit 10 includes, for example, a processor such as a CPU, and the processor executes a predetermined program stored in the storage unit 19, whereby the first phase estimating unit 11, the second phase estimating unit 12, A part or all of the functional units such as the drive control unit 13, the voltage integration unit 14, the state determination unit 15, the sequence control unit 16, the offset angle adjustment unit 17, and the input/output unit 18 may be realized.
  • a combination of circuits may also be used to achieve the above.
  • the control unit 10 may use the storage area of the storage unit 19 to execute the transfer processing of each data and the arithmetic processing for analysis by executing a predetermined program by the processor.
  • the control unit 10 may be a so-called computer, and may be configured using an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the input/output unit 18 may include a display unit that displays a display prompting a user's operation for controlling the control unit 10 and an operation reception unit that receives the user's operation.
  • the input/output unit 18 having such a configuration may include, for example, a touch panel type liquid crystal display unit, and is not limited to this.
  • the input/output unit 18 may be configured to include a communication unit that communicates with the outside instead of or in addition to the above.
  • the input/output unit 18 transmits to an external device information for displaying a display prompting a user's operation for controlling the control unit 10, and receives a user's operation notified from the external device. You may The input/output unit 18 adds the information for control of the control unit 10 received or acquired as described above to the storage unit 19 and notifies the sequence control unit 16 of the information. The input/output unit 18 receives the notification from the sequence control unit 16, acquires information indicating the control state of the sequence control unit 16, and displays it on the display unit.
  • the user's operation for controlling the control unit 10 may include an operation for initializing the control unit 10 .
  • the sequence control unit 16 controls each unit shown below at a predetermined timing to execute desired operations.
  • the sequence control unit 16 receives a user's operation for controlling the control unit 10 .
  • initialization processing of each unit in the control unit 10 is executed.
  • this initialization process includes adjustment of the offset angle adjuster 17 . Details of the control will be described later.
  • the first phase estimator 11 estimates the phase of the rotor 21R based on the initial phase in the rotor coordinate system associated with the actual rotor position at the starting stage of the synchronous motor 2, and obtains the first phase estimator. Generate the phase ⁇ s. The first phase estimator 11 corrects the first phase using the detection result of the rotor position detected from the start of the starting procedure of the synchronous motor 2 to the successful start.
  • the second phase estimator 12 generates a second phase obtained by estimating the phase of the rotor 21R based on the operating state of the synchronous motor 2.
  • the state determination unit determines the operating state of the synchronous motor 2 .
  • the drive control unit 13 controls driving of the synchronous motor 2 using either the first phase ⁇ s or the second phase according to the determination result of the operating state of the synchronous motor 2 .
  • a voltage integrator (state estimator) 14 calculates a voltage vector Vuvw_fbk based on a detected value obtained by integrating the phase voltages of the synchronous motor 2, and further calculates a voltage value V_fbk ⁇ abs as an index indicating the amplitude of the phase voltage. do.
  • the state determination unit 15 determines the operating state of the synchronous motor 2 . For example, the state determination unit 15 may determine the operating state of the synchronous motor 2 based on the voltage value V_fbk ⁇ abs and the speed ⁇ _fbk, which will be described later.
  • the offset angle adjuster 17 is an example of a phase error adjuster.
  • the offset angle adjuster 17 generates a correction amount for adjusting the phase error of the initial magnetic pole position with respect to the phase of the rotor 21R.
  • the phase of the rotor 21R is detected by the position detector 22 as described above.
  • the offset angle adjustment unit 17 generates a phase offset value ⁇ _mo for adjusting the phase error of the initial magnetic pole position of the rotor 21R with respect to the detection result.
  • the offset angle adjustment unit 17 writes the offset value ⁇ _mo of the initial magnetic pole position, which is the adjustment result, to the storage unit 19 and stores it.
  • the offset angle adjustment unit 17 adjusts the initial magnetic pole position with respect to the phase of the rotor 21R in accordance with the initialization processing request from the sequence control unit 16, thereby reducing the phase error of the initial magnetic pole position.
  • the second phase estimating section 12 includes, for example, a coordinate transforming section 121, a PI computing section 122, and an integrator 123.
  • FIG. 1B the second phase estimating section 12 includes, for example, a coordinate transforming section 121, a PI computing section 122, and an integrator 123.
  • the coordinate transformation unit 121 calculates the field voltage feedback Vdq_fbk using the second phase ⁇ sync based on the field voltage feedback Vuvw_fbk generated by the voltage integrator 14 .
  • This calculation is, for example, a dq transformation that transforms a three-phase signal into a two-phase signal in the rotor coordinate system.
  • the PI calculation unit 122 performs a proportional integral calculation whose characteristics are defined by a coefficient of a predetermined value based on the value of the q-axis component (voltage Vq_fbk) of the field voltage feedback Vdq_fbk described above.
  • the PI calculation unit 122 includes calculation blocks 122a, 122b, 122c, and 122d.
  • the calculation block 122a uses the coefficient Kp to perform a proportional calculation on the voltage Vq_fbk.
  • the calculation block 122b uses the coefficient Ki to perform a proportional calculation on the voltage Vq_fbk. Note that the coefficient Ki is used as a coefficient for integral calculation.
  • the calculation block 122c performs integral calculation on the product of the coefficient Ki and the voltage Vq_fbk, which is the calculation result of the calculation block 122b.
  • the calculation block 122d adds the result of the proportional calculation of the calculation block 122a and the result of the integral calculation of the calculation block 122c.
  • the integrator 123 integrates the result of the proportional integration calculation by the PI calculator 122 to generate the second phase ⁇ sync.
  • the second phase estimating section 12 uses the coordinate transforming section 121, the PI computing section 122, and the integrator 123 to form a PLL.
  • the first phase estimator 11 includes, for example, a proportional calculator 111, an integral calculator 112, an initial magnetic pole position estimator 113, an initial phase command generator 115, and an addition calculator 116. Prepare.
  • a proportional calculation unit 111 uses the coefficient K to perform a proportional calculation with respect to the speed command ⁇ _ref.
  • the integral calculation unit 112 integrates the result of the proportional calculation by the proportional calculation unit 111 to generate the phase ⁇ .
  • the phase ⁇ corresponds to the angle by which the rotor 21R rotates after starting.
  • the proportional calculation unit 111 and the integral calculation unit 112 are examples of a calculation processing unit that calculates the phase ⁇ based on the speed command of the synchronous motor 2 .
  • the initial magnetic pole position estimator 113 estimates the initial magnetic pole position ⁇ _fbk based on the field voltage feedback Vdq_fbk.
  • the initial magnetic pole position estimator 113 calculates the initial magnetic pole position ⁇ _fbk using the following equation (1).
  • ⁇ _fbk tan ⁇ -1 (Vd_fbk/Vq_fbk) + ⁇ _mo (1)
  • the initial magnetic pole position estimator 113 adds the phase offset value ⁇ _mo to the initial magnetic pole position ⁇ _fbk as shown in Equation (1).
  • the phase offset value ⁇ _mo may be, for example, a value that is determined in advance during an adjustment stage of the synchronous motor 2 such as during installation. More specifically, the phase offset value ⁇ _mo may be adjusted by the offset angle adjuster 17 according to the detection result of the position detector 22 .
  • the initial phase command generator 115 acquires, for example, the detected phase corresponding to the phase of the rotor detected by the position detector 22 and the calculation result of the initial magnetic pole position estimator 113 .
  • Initial phase command generator 115 generates initial phase command ⁇ 0 based on the result of calculation by initial magnetic pole position estimator 113 .
  • Addition operation unit 116 adds phase ⁇ generated by integration operation unit 112 to initial phase command ⁇ 0 generated by initial phase command generation unit 115 as shown in the following equation (2) to obtain a first Generate the phase ⁇ s. This first phase ⁇ s is used in the starting phase of the synchronous motor 2 .
  • the first phase ⁇ s is estimated from the phase of the rotor 21R with reference to the initial phase in the rotor coordinate system.
  • the first phase estimator 11 corrects the first phase using the detection result (detected phase) of the rotor position detected from the start of the starting procedure of the synchronous motor 2 to the successful start.
  • Starting the synchronous motor 2 starting procedure means, for example, starting to supply an exciting current to the field winding 24 .
  • the drive control unit 13 includes, for example, a speed control unit 132, a current control unit 134, a GP control unit 135, and a switching unit 136.
  • the speed control unit 132 Based on the speed command ⁇ _ref, the speed control unit 132 generates a current command such that the estimated speed ⁇ _fbk matches the speed command ⁇ _ref. Based on the current command, the current control unit 134 generates a voltage command Euvw_ref such that the estimated current matches the current command.
  • the GP controller 135 generates gate pulses based on the voltage command Euvw_ref and the phase ⁇ . For example, the GP control unit 135 uses the voltage command Euvw_ref as a coefficient and the sine value of the phase ⁇ to generate a sine wave of each phase of UVW.
  • the GP controller 135 generates a gate pulse of each phase by PWM-modulating the sine wave of each phase of the UVW using a triangular carrier signal. It should be noted that the generation of gate pulses for each phase by the GP control unit 135 is not limited to the above method, and a general method can be applied instead.
  • the switching unit 136 selects either the first phase ⁇ s generated by the first phase estimating unit 11 or the second phase ⁇ sync generated by the second phase estimating unit 12 based on the determination result of the state determining unit 15. Make a selection and output the result of the selection as the phase ⁇ .
  • the drive control unit 13 controls the drive of the synchronous motor 2 using either the first phase ⁇ s or the second phase depending on the determination result of the operating state of the synchronous motor 2 .
  • FIG. 4 is a timing chart relating to initial magnetic pole position detection at the startup stage of the embodiment.
  • the operation command B_EXT, the exciter operation command FL_CMD, the field current reference FC_ref, the exciter operation FL_RNTD, the gate command GATE_CMD, the field current feedback FC_fbk, and the field voltage feedback Vuvw_fbk , and AC voltage feedback VAC_fbk are arranged in order, and changes in the amplitude of each signal are shown.
  • An operation command B_EXT is an operation command for the drive system 1 supplied from a host device.
  • the H level of this signal designates the operation of the synchronous motor 2
  • the L level of this signal designates the stop. For example, the transition of this signal from L level to H level indicates the start of operation (or activation).
  • the sequence control unit 16 When the H level indicating start of operation is supplied by the operation command B_EXT, the sequence control unit 16 generates a signal for starting the synchronous motor 2 .
  • Each signal of the exciter operation command FL_CMD, the field current reference FC_ref, and the exciter operation FL_RNTD is an example of a signal for starting the synchronous motor 2 .
  • the exciter operation command FL_CMD activates the exciter 4 to enable output of an exciting current.
  • a field current reference FC_ref indicates a reference level that defines the magnitude of the field current.
  • the exciter operation FL_RNTD is a signal for outputting an exciting current from the exciter 4 after the exciter 4 is activated.
  • the gate command GATE_CMD is a control signal that controls the supply of gate pulses to the inverter 3.
  • a gate pulse is supplied to the inverter 3, and when this signal becomes L level, the supply of the gate pulse to the inverter 3 is stopped.
  • the sequence control unit 16 generates an exciter operation command FL_CMD, a field current reference FC_ref, an exciter operation FL_RNTD, and a gate command GATE_CMD, and controls each unit in the control unit 10 using these.
  • the field current feedback FC_fbk is the amplitude of the current indicated by the detected value of the current flowing through the field winding 24 detected by the transformer provided in the wiring connected to the field winding 24 .
  • the field voltage feedback Vuvw_fbk is the amplitude of the voltage indicated by the detected voltage across the field winding 24 .
  • AC voltage feedback VAC_fbk ⁇ abs (referred to as VAC_fbk) is a detected value of the three-phase AC voltage.
  • the run command B_EXT, the exciter run command FL_CMD, the exciter run FL_RNTD, and the gate command GATE_CMD are at the L level.
  • Field current reference FC_ref, field current feedback FC_fbk, field voltage feedback Vuvw_fbk, and AC voltage feedback VAC_fbk are all low.
  • the operation command B_EXT transitions to H level.
  • the sequence control section 16 detects this transition and starts the timer T1.
  • the period of timer T1 may be predetermined.
  • the timer T1 expires at time t1.
  • the sequence control unit 16 outputs the exciter operation command FL_CMD at H level, changes the field current reference FC_ref stepwise to a desired level, and starts timers T2 to T4.
  • the duration of timers T2 to T4 may be predetermined. Note that the sequence control unit 16 maintains the output levels of other signals.
  • Timer T2 expires at time t2.
  • the sequence control unit 16 sets the excitation device operation FL_RNTD to H level and outputs it.
  • the excitation device 4 detects this and starts outputting the voltage and supplying the field current.
  • the output voltage of the exciter 4 also rises at the same time. Accordingly, the amplitudes of field current feedback FC_fbk and field voltage feedback Vuvw_fbk change.
  • the voltage integration unit 14 integrates the field voltage feedback Vuvw_fbk to generate the AC voltage feedback VAC_fbk.
  • the timer T3 expires at time t3.
  • the period of this timer T3 corresponds to the period for calculating the initial position.
  • the coordinate transformation unit 121 calculates the field voltage feedback Vdq_fbk based on the field voltage feedback Vuvw_fbk using the initial value of the second phase ⁇ sync. This calculation is, for example, a dq transformation that transforms a so-called three-phase signal into a two-phase signal in the rotor coordinate system.
  • the initial magnetic pole position estimator 113 uses the elements of the field voltage feedback Vdq_fbk to calculate the initial magnetic pole position ⁇ _fbk according to Equation (1) described above.
  • the initial phase command generation unit 115 generates an initial position ⁇ _0 based on the initial magnetic pole position ⁇ _fbk to which the initial magnetic pole position offset ⁇ _mo is added.
  • the initial phase command generation unit 115 receives a command from the sequence control unit 16, holds the initial magnetic pole position ⁇ _fbk at that time, and generates the initial position ⁇ _0 based on this. Output.
  • the initial phase command generator 115 compares the position number of the phase indicated by the initial position ⁇ _0 of the calculation result by the initial magnetic pole position estimator 113 with the position number detected by the position detector 22 to detect the position. If the actual phase detected by the unit 22 (referred to as actual phase ⁇ _det) cannot follow the initial phase command ⁇ 0, the initial phase command ⁇ 0 is adjusted by a predetermined method. This adjustment will be described later.
  • the sequence control unit 16 accordingly sets the gate command GATE_CMD to H level and starts supplying AC power from the inverter 3 to the synchronous motor 2. do.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between position numbers and positions output by the position detector 22 of the embodiment.
  • the identification information PCID of P1 to P6 designates PC1 as the central position in the area.
  • the position of PC1 is ⁇ PC1
  • the angle range of the region P1 is ⁇ centered on ⁇ PC1.
  • Other regions P2 to P6 centered on PC2 to PC6 are the same as above.
  • FIG. 6 The operation of the embodiment at the start-up stage will be described with reference to FIGS. 6 to 8.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of normal activation of the embodiment.
  • An example shown in FIG. 6 is a case of normal startup. If there is no problem in estimating the initial magnetic pole position, and sufficient current for the required starting torque can be supplied, the motor rotates at a desired speed based on the phase command. By the way, in order to estimate the initial magnetic pole position more accurately, it is desirable that the position detector 22 can correctly detect the initial magnetic pole position. It is desirable that the correct position matches the actual position.
  • FIG. 7 is a diagram showing a case where the embodiment does not start normally.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of correcting the initial phase value of the phase command shown in FIG.
  • the initial magnetic pole position which is the phase of the phase command used to control the synchronous motor 2 during the start-up stage, is determined during the start-up stage of the synchronous motor 2 .
  • the synchronous motor 2 may not start normally depending on the suitability of the initial magnetic pole position based on this phase command.
  • the mechanical position detected as the initial magnetic pole position used as the phase when the synchronous motor 2 is started does not match the actual position within a predetermined range.
  • the initial magnetic pole position of the phase command is adjusted at the starting stage of the synchronous motor 2 to increase the possibility of starting.
  • the second phase estimator 12 including the voltage integrator 14 and the coordinate converter 121 can detect the field voltage feedback Vdq_fbk with a desired accuracy, and the position detector 22 can detect the initial magnetic pole position with a desired accuracy. conducted under conditions that can be detected by In the following description, being able to detect the initial magnetic pole position with desired accuracy means being able to correctly detect the initial magnetic pole position. This case will be described below.
  • the starting stage of the synchronous motor 2 is, for example, the period after time t4 in FIG.
  • the process of the present embodiment may be performed after the sequence control unit 16 has expired the period of the timer T4.
  • the position number based on the phase command and the actual rotor position number may differ from each other before the synchronous motor 2 is started, and the difference may be relatively large.
  • the state shown in the drawing is an example.
  • the phase command position number is in the area identified as P3, but the actual rotor position number is in the area identified as P1.
  • a more desirable state in the starting stage is that the position number according to the phase command and the actual rotor position number match when the synchronous motor 2 starts. It is preferable to correct the mismatch between the position number based on the phase command and the actual position number of the rotor by correcting the phase command.
  • the actual rotor position number corresponds to the actual phase detected by the position detector 22 . This may be indicated by identification information PID.
  • the initial magnetic pole position indicated by the phase command is corrected to the position corresponding to the actual position number.
  • the position detector 22 In order to increase the accuracy of starting the synchronous motor 2, the position detector 22 must be used to correctly detect the initial magnetic pole position, and the mechanical position used for phase control at the time of starting the synchronous motor 2 must be actually determined. It is desirable that both of the following conditions are satisfied: The latter may be interpreted as that at least the position number indicating the mechanical position and the position number indicating the actual position are the same.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining correction processing of the initial magnetic pole position according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram similar to FIGS. 7 and 8 described above.
  • the solid arrows shown in FIG. 9 indicate mechanical positions, and the dashed arrows indicate actual positions.
  • the actual position in this case should be detected as the phase of the boundary between the actual position number area "1" and the adjacent position number area "2", within the position number area "1" Indicates the detected condition.
  • the phase difference at this time is ⁇ . A state in which this phase difference is included as a phase error is shown.
  • the actual position is corrected to the position corresponding to the number.
  • the synchronous motor 2 may be controlled using the position indicated by the corrected phase command.
  • FIG. 10 is a flow chart of correction processing of the initial magnetic pole position of the embodiment.
  • the initial phase command generation unit 115 generates a signal based on the detection result of the position detector 22 The initial value of the initial magnetic pole position is held, and the initial phase command ⁇ 0 based on this is output.
  • the sequence control unit 16 detects that there has been an operation relating to an initialization request for the initial magnetic pole position (step SA12), and accordingly identifies whether or not the initial magnetic pole position can be detected (step SA12). SA14). Note that step SA12 may be omitted when a predetermined condition is satisfied.
  • the sequence control unit 16 rotates the synchronous motor 2 at a relatively slow speed from the initial magnetic pole position.
  • the offset angle adjustment unit 17 detects the change point of the position number according to the detection result of the position detector 22 (step SA16). Thereby, the offset angle adjustment unit 17 detects the boundaries (edges) of the phase-divided regions.
  • the offset angle adjustment unit 17 adjusts the phase difference between the phase ⁇ s when the region boundary is detected and the initial value of the initial magnetic pole position (initial position ⁇ _0 based on the initial magnetic pole position ⁇ _fbk) to the initial magnetic pole position be the phase error.
  • This phase difference is equal to the phase ⁇ described above.
  • the offset angle adjuster 17 adjusts the offset amount ⁇ _mo of the initial magnetic pole position so that the phase error becomes small.
  • the initial magnetic pole position estimating unit 113 re-estimates the initial magnetic pole position ⁇ _fbk based on the offset amount ⁇ _mo of the adjusted initial magnetic pole position and the field voltage feedback Vdq_fbk using the above equation (1). Thereby, the initial phase command generator 115 readjusts the initial phase command ⁇ 0 based on the new estimation result by the initial magnetic pole position estimator 113 .
  • the first phase estimator 11 preferably corrects the initial magnetic pole position (initial magnetic pole phase) by the above-described processing (step SA18).
  • Step SA18 the sequence control unit 16 gradually accelerates the synchronous motor 2 using the initial magnetic pole position ( Step SA20), the acceleration is continued until the desired speed is reached.
  • the position detector 22 of the drive system 1 detects the phase of the rotor 21R of the synchronous motor 2 and outputs phase information indicating the detected phase.
  • the first phase estimator 11 generates an initial phase command that defines the position of the rotor 21R of the synchronous motor 2 using the correction amount for correcting the phase error.
  • the offset angle adjuster 17 generates a correction amount for adjusting the phase error of the initial magnetic pole position.
  • the drive control unit 13 controls driving of the synchronous motor 2 using the initial phase command with the phase error adjusted. Thereby, the phase of the starting stage of the synchronous motor 2 can be specified more accurately.
  • the offset angle adjusting section 17 preferably generates a correction amount for correcting the phase error using the above phase information and the initial phase command ⁇ 0.
  • the position number is an example of the above phase information.
  • the offset angle adjustment unit 17 calculates an adjustment amount (offset amount ⁇ _mo) that reduces a phase error larger than a predetermined value.
  • the initial phase command generation unit 115 generates a phase command value using the adjustment amount and the estimation result.
  • the offset angle adjustment unit 17 may calculate an adjustment amount (offset amount ⁇ _mo) that reduces the phase error of the initial magnetic pole position.
  • the initial phase command generator 115 preferably generates the phase command value ⁇ 0 using the above adjustment amount and the above estimation result.
  • the initial phase command generator 115 and the offset angle adjuster 17 may use the corrected initial magnetic pole position as the phase when the synchronous motor 2 is started.
  • the synchronous motor 2 of the embodiment is an excitation synchronous motor.
  • a plurality of angular regions obtained by dividing the entire electrical angle range of the synchronous motor 2 are determined and used.
  • the position detector 22 detects the phase of the rotor using the boundary of this angular region as an index.
  • the initial phase command generation unit 115 can adjust the initial magnetic pole position with accuracy in units of the angle region.
  • the adjustment of the initial phase related to the phase command ⁇ may be performed by the initial phase command generator 115 adding an offset to the phase ⁇ 0.
  • An adjustment method in which the calculation unit 112 directly changes the value of the phase ⁇ , which is its output value, may also be used.
  • the drive system includes a rotor phase detector, a phase estimator, a phase error adjuster, and a drive controller.
  • the drive system includes a rotor phase detector, a phase estimator, a phase error adjuster, and a drive controller.
  • the rotor phase detector detects the phase of the rotor of the synchronous motor and outputs phase information indicating the detected phase.
  • the phase estimator generates an initial phase command that defines the position of the rotor of the synchronous motor using the correction amount for correcting the phase error.
  • the phase error adjusting section uses the phase error of the initial phase command at the timing defined by the phase information to generate the correction amount for adjusting the phase error of the initial magnetic pole position of the synchronous motor.
  • the drive control unit uses the initial phase command with the phase error adjusted to control the drive of the synchronous motor. This allows the phasing of the starting phase of the synchronous motor to be specified more precisely.

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Abstract

実施形態の一態様のドライブシステムは、回転子位相検出部と、位相推定部と、位相誤差調整部と、駆動制御部とを備える。前記回転子位相検出部は、同期電動機の回転子の位相を検出して、前記検出した位相を示す位相情報を出力する。前記位相推定部は、位相誤差を補正するための補正量を用いて、前記同期電動機の回転子の位置を規定する初期位相指令を生成する。前記位相誤差調整部は、前記位相情報によって規定されるタイミングにおける前記初期位相指令の位相誤差を用いて、前記同期電動機の初期磁極位置の位相誤差を調整するための前記補正量を生成する。前記駆動制御部は、前記位相誤差が調整された前記初期位相指令を用いて、前記同期電動機の駆動を制御する。

Description

ドライブシステム及び制御方法
　本発明の実施形態は、ドライブシステム及び制御方法に関する。
　励磁型同期電動機（以下、単に同期電動機という。）の速度制御可能なドライブシステムには、起動時の初期磁極位置を用いて、起動後の位相制御を実施するものがある。この制御に用いる初期磁極位置の値に所定量を超える誤差が含まれていると起動しないことがあった。
日本国特開２０１１－１０９８７０号公報
　本発明が解決しようとする課題は、同期電動機の起動段階の位相を、より正確に指定できるドライブシステム及び制御方法を提供することである。
　実施形態の一態様のドライブシステムは、回転子位相検出部と、位相推定部と、位相誤差調整部と、駆動制御部とを備える。前記回転子位相検出部は、同期電動機の回転子の位相を検出して、前記検出した位相を示す位相情報を出力する。前記位相推定部は、位相誤差を補正するための補正量を用いて、前記同期電動機の回転子の位置を規定する初期位相指令を生成する。前記位相誤差調整部は、前記位相情報によって規定されるタイミングにおける前記初期位相指令の位相誤差を用いて、前記同期電動機の初期磁極位置の位相誤差を調整するための前記補正量を生成する。前記駆動制御部は、前記位相誤差が調整された前記初期位相指令を用いて、前記同期電動機の駆動を制御する。
実施形態のドライブシステムの構成図。 実施形態の第２位相推定部の構成図。 実施形態の位置検出器の配置を示す模式図。 実施形態の位置制御に用いる回転子位相と位置検出器の出力信号の関係を示す図。 実施形態の位置制御に用いる回転子座標を示す図。 実施形態の起動段階の初期磁極位置検出に係るタイミングチャート。 実施形態の位置検出部が出力するポジション番号と位置の関係を示す図。 実施形態の正常に起動する事例を示す図。 実施形態の正常に起動しない事例を示す図。 図７に示した位相指令の初期位相の値を補正する事例を示す図。 実施形態の初期磁極位置の補正処理を説明するための図。 実施形態の初期磁極位置の補正処理のフローチャート。
　以下、実施形態のドライブシステム及び制御方法を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それらの構成の重複する説明は省略する場合がある。なお、電気的に接続されることを、単に「接続される」ということがある。
　図１Ａは、実施形態のドライブシステム１の構成図である。図１Ｂは、実施形態の制御部１０内の第２位相推定部１２の構成図である。
　ドライブシステム１は、例えば、同期電動機２と、インバータ３と、励磁装置４と、計器用変圧器５と、制御部１０とを備える。
　同期電動機２は、本体２１と、位置検出器２２（図２、回転子位相検出部）とを備える。
　同期電動機２は、例えば界磁巻線２４が設けられている励磁型同期電動機である。
　同期電動機２の本体２１内に回転子２１Ｒ（図２）、固定子巻線（不図示）と、界磁巻線２４とが設けられている。同期電動機２は、例えば、U相V相W相の３相交流電力によって駆動される。同期電動機２の本体２１の詳細な説明を省略するが、一般的な構造の励磁型同期電動機を適用してよい。
　図２から図３Ｂを参照して、実施形態の回転子２１Ｒの位置検出について説明する。
　図２は、実施形態の位置検出器２２の配置を示す模式図である。図３Ａは、実施形態の位置制御に用いる回転子位相と位置検出器２２の出力信号の関係を示す図である。図３Ｂは、実施形態の位置制御に用いる回転子座標を示す図である。
　図２に示す模式図は、位置検出器２２を軸方向から見た位置検出器２２の位置を示す。
　回転子２１Ｒの軸には、軸とともに回転する位置検出器２２用の回転体２２Ｒが設けられている。位置検出器２２は、回転体２２Ｒの位置を検出することで回転子２１Ｒの位置（回転子位置という。）を検出する。なお、位置検出器２２の検出精度は、１周を数等分に分けた角度領域を識別し得る精度を有していればよい。
　例えば、位置検出器２２は、同期電動機２の回転子２１Ｒの位相を検出可能に配置された近接センサのスイッチ（近接スイッチという。）を含む。位置検出器２２は、半円上の回転体２２Ｒと、軸の周方向に120°ずらして配置された３つの近接スイッチを用いて、60°の分解能で回転子位置を検出する。例えば、１から６までの識別番号を用いて、この回転子位置を示す。位置検出器２２は、検出した回転子位置を、１から６までの値を用いたポジション番号で示し、このポジション番号を位置情報として出力する。
　なお、位置検出器２２の位置の調整が適正でない場合、位置検出器２２の位置の調整を行わない場合などに、その位置が符号２２Ｚで示される位置になることがある。例えば、上記の位置検出器２２の位置の調整が適正でない場合には、同期電動機２の軸周りの機械的位置に対して、位置検出器２２をそれぞれ配置する位置が所定量ずれている場合が含まれる。このような場合には、検出された回転体２２Ｒの位置（初期磁極位置）が、正しい位置から所定量ずれて検出されることが生じ得る。換言すれば、検出された回転体２２Ｒの位置に、同期電動機２の機種又は個体により定まる所定量を超える誤差が含まれることがあった。なお、上記の事象は、各位置検出器２２の位置のばらつきによるものではなく、各位置検出器２２が軸の周方向に互いに120°隔てて配置されている状況でも生じることがある。
　図３Ａに、回転中に位置検出器２２の３つの近接スイッチが夫々出力するＰＳ１信号、ＰＳ２信号、及びＰＳ３信号と、位置検出器２２の検出結果との関係を、タイミングチャートにして示す。
　ＰＳ１信号、ＰＳ２信号、及びＰＳ３信号は、duty比が50%の２値の信号である。近接スイッチが配置された位置により、上記の各信号の位相が互いに120°ずれている。位置検出器２２は、ＰＳ１信号、ＰＳ２信号、及びＰＳ３信号が示す論理値の組み合わせを変換して、例えば１から６の値で識別される位置情報を生成する。このように、位置検出器２２は、一般的な位置制御用に利用されるロータリーエンコーダなどの位置センサの分解能に比べて低分解能に形成されている。なお、位置検出器２２として、比較的高分解能のロータリーエンコーダの適用を制限するものではない。例えば、比較的高分解能のロータリーエンコーダによって検出された信号を低分解能な信号に変換すれば、位置検出器２２と同様に扱うことができる。
　図３Ｂに、位置検出器２２による検出結果の位置を、回転子座標を用いて示す。回転子座標は、直交するｄ軸とｑ軸とを有する。＋ｑ軸の方向を起点にして反時計回りに、１から６までの角度領域に区分されている。この角度領域は、同期電動機２を起動させるのに必要とされる検出精度の範囲のなかで、より大きく定められた所定の角度に等分されている。
　なお、図２に示したように位置検出器２２の位置の調整が適正でない場合などに、位置検出器２２が出力するＰＳ１信号、ＰＳ２信号、及びＰＳ３信号の各位相が、図３Ａに示す破線のように位相がずれて検出されることがある。
　図１Ａに戻り、ドライブシステム１の説明を続ける。
　インバータ３は、複数の半導体スイッチング素子を含む電力変換器である。インバータ３は、直流電力を３相交流電力に変換して、同期電動機２に供給する。インバータ３の構成に制限はなく、一般的な構成を適用してよい。
　励磁装置４は、同期電動機２の界磁巻線２４に所望の直流電力を供給する。
　計器用変圧器５は、インバータ３と同期電動機２とを繋ぐ各相の電線路に１次巻線が接続され、２次巻線に、各相の電圧に応じた電圧を出力する。
　制御部１０は、第１位相推定部１１と、第２位相推定部１２と、駆動制御部１３と、電圧積算部（状態推定部）１４と、状態判定部１５と、シーケンス制御部１６と、オフセット角調整部１７と、入出力部１８と、記憶部１９とを備える。
　なお、制御部１０は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサを含み、記憶部１９に格納された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって、第１位相推定部１１と、第２位相推定部１２と、駆動制御部１３と、電圧積算部１４と、状態判定部１５と、シーケンス制御部１６、オフセット角調整部１７、入出力部１８などの機能部の一部又は全部を実現してもよく、電気回路の組み合わせ（circuitry）によって上記を実現してもよい。制御部１０は、記憶部１９の記憶領域を利用して各データの転送処理、及び解析のための演算処理を、プロセッサによる所定のプログラムの実行によって実行してもよい。例えば、制御部１０は、所謂コンピュータであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いて構成されていてもよい。
　例えば、入出力部１８は、制御部１０の制御のためのユーザの操作を促す表示を表示させる表示部と、ユーザの操作を受け付ける操作受付部とを含めて構成してもよい。このような構成の入出力部１８には、例えばタッチパネル型の液晶型表示部が含まれていてもよく、これに制限されない。入出力部１８は、上記に代えて、又は上記に加えて、外部と通信する通信部を含めて構成されていてもよい。入出力部１８は、外部の装置に、制御部１０の制御のためのユーザの操作を促す表示を表示させるための情報を送信したり、外部の装置から通知される、ユーザの操作を受け付けたりしてもよい。入出力部１８は、上記のように受け付けた又は取得した、制御部１０の制御のための情報を、記憶部１９に追加して、さらにシーケンス制御部１６に通知する。入出力部１８は、シーケンス制御部１６から通知を受けて、シーケンス制御部１６の制御状態を示す情報を取得して、表示部に表示させる。例えば、制御部１０の制御のためのユーザの操作には、制御部１０の初期化のための操作が含まれてよい。
　シーケンス制御部１６は、所定のタイミングに、以下に示す各部を制御して、所望の動作を実行させる。シーケンス制御部１６は、制御部１０の制御のためのユーザの操作を受け付ける。例えば、制御部１０の制御のためのユーザの操作が、制御部１０の初期化のための操作である場合には、制御部１０内の各部の初期化処理を実行する。例えば、この初期化処理には、オフセット角調整部１７の調整が含まれる。その制御の詳細については後述する。
　第１位相推定部１１は、同期電動機２の起動段階の実際の回転子位置に対応付けられた回転子座標系における初期位相を基準にして回転子２１Ｒの位相を推定して得られた第１位相θｓを生成する。第１位相推定部１１は、同期電動機２の起動処置の開始から起動成功までの間に検出された回転子位置の検出結果を用いて前記第１位相を補正する。
　第２位相推定部１２は、回転子２１Ｒの位相を、同期電動機２の動作状態に基づいて推定して得た第２位相を生成する。前記状態判定部は、同期電動機２の動作状態を判定する。
　駆動制御部１３は、同期電動機２の動作状態の判定結果によって、第１位相θｓと前記第２位相の何れかを用いて同期電動機２の駆動を制御する。
　電圧積算部（状態推定部）１４と、同期電動機２の相電圧を積算して検出値に基づいて、電圧ベクトルVuvw_fbkを演算し、さらに相電圧の振幅を示す指標の電圧値V_fbk^absを演算する。
　状態判定部１５は、同期電動機２の動作状態を判定する。例えば、状態判定部１５は、電圧値V_fbk^absと、後述する速度ω_fbkとに基づいて同期電動機２の動作状態を判定するとよい。
　オフセット角調整部１７は、位相誤差調整部の一例である。オフセット角調整部１７は、回転子２１Ｒの位相に対する初期磁極位置の位相誤差をするための補正量を生成する。上記の通り、回転子２１Ｒの位相が位置検出器２２によって検出される。オフセット角調整部１７は、その検出結果に対して回転子２１Ｒの初期磁極位置の位相誤差を調整するための、位相のオフセット値θ_moを生成する。オフセット角調整部１７は、調整の結果である初期磁極位置のオフセット値θ_moを記憶部１９に書き込んで保持させる。
　例えば、オフセット角調整部１７は、シーケンス制御部１６からの初期化処理の要求に従って、回転子２１Ｒの位相に対する初期磁極位置を調整して、これに係る初期磁極位置の位相誤差を削減させる。
　以下、上記の各部のより具体的な構成例について説明する。
　図１Ｂに示すように、第２位相推定部１２は、例えば、座標変換部１２１と、PI演算部１２２と、積分器１２３とを備える。
　座標変換部１２１は、電圧積算部１４によって生成された界磁電圧フィードバックVuvw_fbkに基づいて、第２位相θsyncを用いて界磁電圧フィードバックVdq_fbkを演算する。この演算は、例えば、３相信号を、回転子座標系の２相信号に変換するｄｑ変換である。
　PI演算部１２２は、前述の界磁電圧フィードバックVdq_fbkのｑ軸成分の値（電圧Vq_fbk）に基づいて、所定の値の係数によって特性が規定される比例積分演算を実施する。
　例えば、PI演算部１２２は、演算ブロック１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、及び１２２ｄを備える。演算ブロック１２２ａは、係数Ｋｐを用いて、電圧Vq_fbkに対する比例演算を実施する。演算ブロック１２２ｂは、係数Ｋｉを用いて、電圧Vq_fbkに対する比例演算を実施する。なお、係数Ｋｉは、積分演算の係数として用いられる。演算ブロック１２２ｃは、演算ブロック１２２ｂの演算結果である、係数Ｋｉと電圧Vq_fbkの積に対する積分演算を実施する。演算ブロック１２２ｄは、演算ブロック１２２ａの比例演算の結果と、演算ブロック１２２ｃの積分演算の結果とを加算する。
　積分器１２３は、PI演算部１２２による比例積分演算の結果を積分して、第２位相θsyncを生成する。
　これにより、第２位相推定部１２は、座標変換部１２１と、PI演算部１２２と、積分器１２３とを用いて、PLLを構成する。
　図１Ａに示すように、第１位相推定部１１は、例えば比例演算部１１１と、積分演算部１１２と、初期磁極位置推定部１１３と、初期位相指令生成部１１５と、加算演算部１１６とを備える。
　比例演算部１１１は、係数Ｋを用いて、速度指令ω_refに対する比例演算を実施する。
　積分演算部１１２（積分）は、比例演算部１１１による比例演算の結果を積分して、位相Δθを生成する。位相Δθは、始動後に回転子２１Ｒが回転した角度に相当する。比例演算部１１１と積分演算部１１２は、同期電動機２の速度指令に基づいた位相Δθを演算する演算処理部の一例である。
　初期磁極位置推定部１１３は、界磁電圧フィードバックVdq_fbkに基づいて初期磁極位置θ_fbkを推定する。初期磁極位置推定部１１３は、次の式（１）を用いて初期磁極位置θ_fbkを演算する。
θ_fbk = tan^-1 (Vd_fbk/Vq_fbk)+θ_mo　・・・（１）
　さらに初期磁極位置推定部１１３は、式（１）に示すように、初期磁極位置θ_fbkに、位相のオフセット値θ_moを加算する。位相のオフセット値θ_moは、例えば、据え付け時などの同期電動機２の調整段階で予め定められる値であってよい。より具体的な、位相のオフセット値θ_moは、位置検出器２２による検出結果に応じて、オフセット角調整部１７によって調整されたものであるとよい。
　初期位相指令生成部１１５は、例えば、位置検出器２２によって検出された回転子の位相に対応する検出位相と、初期磁極位置推定部１１３による演算結果とを取得する。初期位相指令生成部１１５は、初期磁極位置推定部１１３による演算結果に基づいて、初期位相指令θ０を生成する。加算演算部１１６は、次の式（２）に示すように、初期位相指令生成部１１５によって生成された初期位相指令θ０に、積分演算部１１２によって生成された位相Δθを加算して、第１位相θｓを生成する。この第１位相θｓは、同期電動機２の起動段階に用いられる。
θｓ=θ０＋Δθ　・・・（２）
　上記の通り、第１位相θｓは、回転子座標系における初期位相を基準にして回転子２１Ｒの位相から推定される。第１位相推定部１１は、同期電動機２の起動処置の開始から起動成功までの間に検出された回転子位置の検出結果（検出位相）を用いて第１位相を補正する。同期電動機２の起動処置の開始とは、例えば、界磁巻線２４に励磁電流を流し始めたことをいう。
　図１Ａに示すように、駆動制御部１３は、例えば速度制御部１３２と、電流制御部１３４と、GP制御部１３５と、切替部１３６とを備える。
　速度制御部１３２は、速度指令ω_refに基づいて、推定速度ω_fbkが速度指令ω_refに一致するような電流指令を生成する。電流制御部１３４は、電流指令に基づいて、推定電流が電流指令に一致するような電圧指令Euvw_refを生成する。GP制御部１３５は、電圧指令Euvw_refと、位相θとに基づいて、ゲートパルスを生成する。例えば、GP制御部１３５は、電圧指令Euvw_refを係数にして、位相θの正弦値を用いて、ＵＶＷの各相の正弦波を生成する。GP制御部１３５は、ＵＶＷの各相の正弦波を、三角波のキャリア信号を用いたＰＷＭ変調によって、各相のゲートパルスを生成する。なお、GP制御部１３５による各相のゲートパルスの生成は、上記の手法に制限されず、これに換えて一般的な手法を適用できる。
　切替部１３６は、状態判定部１５の判定結果に基づいて、第１位相推定部１１によって生成された第１位相θｓと、第２位相推定部１２によって生成された第２位相θsyncとの何れか選択して、選択の結果を位相θとして出力する。
　このように駆動制御部１３は、同期電動機２の動作状態の判定結果によって、第１位相θｓと前記第２位相の何れかを用いて同期電動機２の駆動を制御する。
　次に、図４を参照して、実施形態の起動段階の初期磁極位置検出について説明する。
　図４は、実施形態の起動段階の初期磁極位置検出に係るタイミングチャートである。
　図４において、上段側から、運転指令B_EXTと、励磁装置運転指令FL_CMDと、界磁電流基準FC_refと、励磁装置運転FL_RNTDと、ゲート指令GATE_CMDと、界磁電流フィードバックFC_fbkと、界磁電圧フィードバックVuvw_fbkと、交流電圧フィードバックVAC_fbkと、の各信号が順に並べて配置され、各信号の振幅の変化が示されている。
　運転指令B_EXTは、上位装置から供給されるドライブシステム１の運転指令である。
この信号のHレベルは、同期電動機２に対する運転を指定し、この信号のLレベルは、停止を指定する。例えば、この信号のLレベルからHレベルへの遷移は、運転開始（又は起動）を示す。
　運転指令B_EXTによって運転開始を示すHレベルが供給されると、シーケンス制御部１６は、同期電動機２を起動するための信号を生成する。励磁装置運転指令FL_CMDと、界磁電流基準FC_refと、励磁装置運転FL_RNTDとの各信号は、同期電動機２を起動するための信号の一例である。励磁装置運転指令FL_CMDは、励磁装置４を活性化して、励磁電流を出力可能な状態にする。界磁電流基準FC_refは、界磁電流の大きさを規定する基準レベルを示す。励磁装置運転FL_RNTDは、励磁装置４が活性化した後に、励磁装置４から励磁電流を出力させるための信号である。
　ゲート指令GATE_CMDは、インバータ３に対するゲートパルスの供給を制御する制御信号である。この信号がHレベルになると、インバータ３に対するゲートパルスが供給され、この信号がLレベルになると、インバータ３に対するゲートパルスの供給が停止される。シーケンス制御部１６は、励磁装置運転指令FL_CMDと、界磁電流基準FC_refと、励磁装置運転FL_RNTDと、ゲート指令GATE_CMDとを生成して、これらを用いて制御部１０内の各部を制御する。
　界磁電流フィードバックFC_fbkは、界磁巻線２４に接続される配線に設けられた変成器によって検出される界磁巻線２４に流れる電流の検出値が示す電流の振幅である。界磁電圧フィードバックVuvw_fbkは、界磁巻線２４の両端に掛かる電圧の検出値が示す電圧の振幅である。交流電圧フィードバックVAC_fbk^abs（VAC_fbkという。）は、３相交流電圧の検出値である。
　この図４に示す初期段階では、同期電動機２が停止している状態にある。運転指令B_EXTと、励磁装置運転指令FL_CMDと、励磁装置運転FL_RNTDと、ゲート指令GATE_CMDは、Lレベルである。界磁電流基準FC_refと、界磁電流フィードバックFC_fbkと、界磁電圧フィードバックVuvw_fbkと、交流電圧フィードバックVAC_fbkは、何れも低レベルになっている。
　時刻ｔ０に、運転指令B_EXTがHレベルに遷移する。シーケンス制御部１６は、この遷移を検出して、タイマーT1をスタートする。タイマーT1の期間は予め定められていてよい。
　時刻ｔ１にタイマーT1が満了する。シーケンス制御部１６は、これに応じて、励磁装置運転指令FL_CMDをHレベルにして出力し、さらに界磁電流基準FC_refを所望のレベルまでステップ状に変化させて、タイマーT2からT4をスタートする。タイマーT2からT4の期間は予め定められていてよい。なお、シーケンス制御部１６は、その他の信号の出力レベルを維持する。
　時刻ｔ２にタイマーT2が満了する。シーケンス制御部１６は、これに応じて、励磁装置運転FL_RNTDをHレベルにして出力する。励磁装置４は、これを検出して、電圧の出力と界磁電流の供給を開始する。励磁装置４の出力電圧もこれと同時に上昇する。これに応じて、界磁電流フィードバックFC_fbkと、界磁電圧フィードバックVuvw_fbkの振幅が変化する。電圧積算部１４は、界磁電圧フィードバックVuvw_fbkを積算して、交流電圧フィードバックVAC_fbkを生成する。
　時刻ｔ３にタイマーT3が満了する。このタイマーT3の期間は、初期位置を計算するための期間に対応する。座標変換部１２１は、第２位相θsyncの初期値を用いた界磁電圧フィードバックVuvw_fbkに基づいて、界磁電圧フィードバックVdq_fbkを演算する。この演算は、例えば、所謂３相信号を、回転子座標系の２相信号に変換するｄｑ変換である。初期磁極位置推定部１１３は、界磁電圧フィードバックVdq_fbkの要素を用いて、前述した式（１）に従い、初期磁極位置θ_fbkを演算する。
　初期位相指令生成部１１５は、初期磁極位置オフセットθ_moが加算された初期磁極位置θ_fbkに基づいた初期位置θ_０を生成する。
　例えば、時刻ｔ４にタイマーT4が満了すると、初期位相指令生成部１１５は、シーケンス制御部１６からの指令を受けて、その時点の初期磁極位置θ_fbkを保持して、これに基づいた初期位置θ_０を出力する。
　このとき、初期位相指令生成部１１５は、初期磁極位置推定部１１３による演算結果の初期位置θ_０が示す位相のポジション番号と、位置検出器２２によって検出されたポジション番号とを対比して、位置検出器２２によって検出された実際の位相（実位相θ_detという。）が、初期位相指令θ０に追従できていない場合には、所定の方法で初期位相指令θ０を調整する。この調整について、後述する。初期位相指令θ０を用いた同期電動機２の起動が成功した場合、シーケンス制御部１６は、これに応じて、ゲート指令GATE＿CMDをHレベルにして、インバータ３から同期電動機２に交流電力の供給を開始する。
　図５を参照して、実施形態の位置検出器２２が出力するポジション番号と位置との関係について説明する。図５は、実施形態の位置検出器２２が出力するポジション番号と位置の関係を示す図である。
　Ｐ１からＰ６の識別情報ＰＩＤを用いて識別される６つの領域（位相領域）と、その領域に割り当てられた角度範囲θＰと、その領域内の中央の位置の識別情報ＰＣＩＤと、中央の位置の角度θＰＣとの関係を示す。例えば、識別情報ＰＩＤがＰ１として識別される領域は、識別情報ＰＣＩＤがＰＣ１をその領域内の中央の位置とする。ＰＣ１の位置がθＰＣ１であり、領域Ｐ１の角度範囲は、θＰＣ１を中心とした±αの範囲になる。ＰＣ２からＰＣ６を中心とする他の領域Ｐ２からＰ６も上記と同様である。
　図６から図８を参照して、実施形態の起動段階の動作について説明する。
　図６は、実施形態の正常に起動する事例を示す図である。図６に示す一例は、正常に起動する事例である。初期磁極位置の推定に問題がなく、かつ必要な起動トルクに対して十分な通電電流を流すことができた場合には、位相指令に基づいてモータが所望の速度で回転する。
　ところで、初期磁極位置をより正確に推定するには、位置検出器２２によって初期磁極位置を正しく検出できることが望ましく、さらに、同期電動機２の起動時の位相として用いる初期磁極位置として検出された機械的なポジションが、実際のポジションに一致していることが望ましい。
　図４と図７と図８とを参照して、実施形態の正常に起動しない一例と、これに対する対応策について説明する。図７は、実施形態の正常に起動しない事例を示す図である。図８は、図７に示した位相指令の初期位相の値を補正する事例を示す図である。
　例えば、同期電動機２の起動段階の制御に用いられる位相指令の位相である初期磁極位置は、同期電動機２の起動段階で決定されている。
　比較例の場合には、この位相指令による初期磁極位置の適否によって、同期電動機２が正常に起動しないことがある。その一例は、同期電動機２の起動時の位相として用いる初期磁極位置として検出された機械的なポジションが、実際のポジションに所定の範囲内で一致していないことによるものである。
　本実施形態では、図４に示す手順で起動させる際に、この位相指令の初期磁極位置を、同期電動機２の起動段階で調整して、起動可能性を高めるようにした。なお、この実施形態は、電圧積算部１４と座標変換部１２１を含む第２位相推定部１２によって界磁電圧フィードバックVdq_fbkを所望の精度で検出でき、位置検出器２２によって初期磁極位置を所望の精度で検出できる状況で実施される。以下の説明で、初期磁極位置を所望の精度で検出できることを、初期磁極位置を正しく検出できる、ということがある。
　以下、この事例について説明する。
　同期電動機２の起動段階とは、例えば前述の図４における時刻ｔ４以降の期間であって、ゲート指令がHレベルに遷移した段階である。例えば、シーケンス制御部１６がタイマーT4の期間が満了した後に、本実施形態の処理が実施されるとよい。
　図７に示すように、位相指令によるポジション番号と、実際の回転子のポジション番号（識別情報ＰＩＤ）とが、同期電動機２の起動前に互いに異なっていて、その差が比較的大きい場合がある。図に示す状態は一例である。例えば、位相指令によるポジション番号がＰ３として識別される領域にあるが、実際の回転子のポジション番号がＰ１として識別される領域にある。起動段階におけるより望ましい状態は、位相指令によるポジション番号と、実際の回転子のポジション番号とが、同期電動機２の起動時に、一致していることである。このような位相指令によるポジション番号と、実際の回転子のポジション番号との不一致を、位相指令を補正することで、その不一致を解消させるとよい。なお、実際の回転子のポジション番号は、位置検出器２２によって検出された実際の位相に対応する。これを識別情報ＰＩＤで示すことがある。
　例えば、図８に示すように、実際のポジション番号の領域「１」と、その隣のポジション番号の領域「２」との境界の位相に、位相指令が示す初期磁極位置を補正することで、実際のポジション番号に相当する位置に、位相指令が示す初期磁極位置が補正される。
　ところで、同期電動機２を起動させる確度をより高めるには、位置検出器２２を用いて初期磁極位置を正しく検出できることと、同期電動機２の起動時の位相制御に用いられる機械的なポジションが、実際のポジションに一致していることの両方が満たされることが望ましい。この後者を、少なくとも機械的なポジションを示すポジション番号と、実際のポジションを示すポジション番号とが一致していることに読み替えてもよい。
　ただし、同期電動機２に位置検出器２２をただ取り付けただけの比較例の場合には、上記の機械的なポジションと実際のポジションとの間に誤差が生じること、或いは上記のポジション番号が互いに異なることがある。このように、ポジションの誤差が比較的大きい状態の比較例の場合に、位置検出器２２が初期磁極位置を検出できていても、位相制御に用いられる機械的なポジションが実際のポジションと整合しないことがあり、同期電動機２が安定して起動しないことがあった。
　そこで、本実施形態では、前述の位置検出器２２を用いて初期磁極位置の検出が正しく実施できる状態の下で、上記の機械的なポジションと、実際のポジションとの間に生じるポジションの誤差（初期磁極位置の位相誤差）を、より低減させる一手法について説明する。
　図９は、実施形態の初期磁極位置の補正処理を説明するための図である。
　図９は、前述の図７と図８と同様の図である。図９に示す実線の矢印は、機械的ポジションを示し、破線の矢印は、実際のポジションを示す。この場合の実際のポジションが、実際のポジション番号の領域「１」と、その隣のポジション番号の領域「２」との境界の位相として検出されるべきところ、ポジション番号の領域「１」内で検出された状態を示す。この時の位相差は、Δθである。この位相差が、位相誤差として含まれる状態を示す。
　そこで、上記の場合、実際のポジション番号の領域「１」と、その隣のポジション番号の領域「２」との境界の位相に、位相指令が示す初期磁極位置を補正することで、実際のポジション番号に相当する位置に、位相指令が示す初期磁極位置が補正される。この補正後の位相指令が示す位置を用いて、同期電動機２を制御するとよい。
　図１０は、実施形態の初期磁極位置の補正処理のフローチャートである。
　例えば、シーケンス制御部１６の制御により、同期電動機２を励磁して、ゲート指令をＨレベルに遷移させて起動させた後に、初期位相指令生成部１１５は、位置検出器２２の検出結果に基づいた初期磁極位置の初期値を保持して、これに基づく初期位相指令θ０を出力する。
　シーケンス制御部１６は、初期磁極位置の初期化要求に関する操作があったことを検出して（ステップＳＡ１２）、これに応じて、初期磁極位置の検出が可能な状況か否かを識別する（ステップＳＡ１４）。なお、予め定められた条件を満たす場合に、ステップＳＡ１２を省略してもよい。
　初期磁極位置の検出が可能と識別された場合に、シーケンス制御部１６は、初期磁極位置から比較的ゆっくりとした速度で同期電動機２を回転させる。上記の回転中に、オフセット角調整部１７は、位置検出器２２の検出結果に係るポジション番号の変化点を検出する（ステップＳＡ１６）。これによって、オフセット角調整部１７は、位相を区分した領域の境界（エッジ）を検出する。
　例えば、オフセット角調整部１７は、領域の境界が検出されたときの位相θｓと、初期磁極位置の初期値（初期磁極位置θ_fbkに基づいた初期位置θ_０）との位相差を、初期磁極位置の位相誤差とする。この位相差は、上記の位相Δθに等しい。オフセット角調整部１７は、初期磁極位置の位相誤差（位相Δθ）が所定値を超える場合に、この位相誤差が小さくなるように初期磁極位置のオフセット量θ_moを調整する。
　初期磁極位置推定部１１３は、前述の式（１）を用いて、調整後の初期磁極位置のオフセット量θ_moと界磁電圧フィードバックVdq_fbkとに基づいて初期磁極位置θ_fbkを改めて推定する。これにより、初期位相指令生成部１１５は、初期磁極位置推定部１１３による新たな推定結果に基づいて初期位相指令θ０を再調整する。上記のような処理により、第１位相推定部１１は、初期磁極位置（初期磁極位相）の補正を実施するとよい（ステップＳＡ１８）。
　初期磁極位置の検出が可能と識別されなかった場合に、又は上記のステップＳＡ１８の処理を終えた場合に、シーケンス制御部１６は、初期磁極位置を用いて同期電動機２を徐々に加速して（ステップＳＡ２０）、所望の速度になるまで加速を継続する。
　これにより、上記のポジションの誤差を制御的に埋めることができる。
　上記の実施形態によれば、ドライブシステム１の位置検出器２２は、同期電動機２の回転子２１Ｒの位相を検出して、検出した位相を示す位相情報を出力する。第１位相推定部１１は、位相誤差を補正するための補正量を用いて、同期電動機２の回転子２１Ｒの位置を規定する初期位相指令を生成する。オフセット角調整部１７は、初期磁極位置の位相誤差を調整するための補正量を生成する。駆動制御部１３は、位相誤差が調整された初期位相指令を用いて、同期電動機２の駆動を制御する。これにより、同期電動機２の起動段階の位相を、より正確に指定できる。
　なお、オフセット角調整部１７は、上記の位相情報と、初期位相指令θ０とを用いて位相誤差を補正するための補正量を生成するとよい。ポジション番号は、上記の位相情報の一例である。例えば、オフセット角調整部１７は、予め定められた所定値よりも大きな位相誤差を小さくする調整量（オフセット量θ_mo）を演算する。これに応じて、初期位相指令生成部１１５は、その調整量と、前記推定結果とを用いて位相指令値を生成する。
　回転子２１Ｒの位相の検出結果と、初期位相の推定値とを用いて、回転子２１Ｒの位相に対する初期磁極位置の誤差を補正するとよい。オフセット角調整部１７は、予め定められた所定値よりも大きな位相誤差が生じている場合には、初期磁極位置の位相誤差を小さくする調整量（オフセット量θ_mo）を演算するとよい。初期位相指令生成部１１５は、上記の調整量と上記の推定結果とを用いて位相指令値θ０を生成するとよい。初期位相指令生成部１１５とオフセット角調整部１７は、上記の補正後の初期磁極位置を、同期電動機２の起動時の位相として用いるとよい。
　実施形態の同期電動機２は、励磁型同期電動機である。実施形態の制御方法では、同期電動機２の電気角の全範囲を複数に区分した角度領域を定めて、これを用いている。
　位置検出器２２は、この角度領域の境界を指標にして、回転子の位相を検出する。初期位相指令生成部１１５は、上記の角度領域を単位にした精度で初期磁極位置を調整できる。
（実施形態の変形例）
　実施形態の変形例について説明する。
　上記の位相指令θに関わる初期位相の調整は、初期位相指令生成部１１５が位相θ０にオフセットを付与して調整してもよく、これに代えて、初期位相指令生成部１１５の指示により、積分演算部１１２が、その出力値である位相Δθの値を直接変更する調整方法でもよい。
　以上に説明した少なくとも一つの実施形態によれば、ドライブシステムは、回転子位相検出部と、位相推定部と、位相誤差調整部と、駆動制御部とを備える。ドライブシステムは、回転子位相検出部と、位相推定部と、位相誤差調整部と、駆動制御部とを備える。前記回転子位相検出部は、同期電動機の回転子の位相を検出して、前記検出した位相を示す位相情報を出力する。前記位相推定部は、位相誤差を補正するための補正量を用いて、前記同期電動機の回転子の位置を規定する初期位相指令を生成する。前記位相誤差調整部は、前記位相情報によって規定されるタイミングにおける前記初期位相指令の位相誤差を用いて、前記同期電動機の初期磁極位置の位相誤差を調整するための前記補正量を生成する。前記駆動制御部は、前記位相誤差が調整された前記初期位相指令を用いて、前記同期電動機の駆動を制御する。これにより、同期電動機の起動段階の位相を、より正確に指定できる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…ドライブシステム、２…同期電動機、３…インバータ、４…励磁装置、１０…制御部、１１…第１位相推定部、１２…第２位相推定部、１３…駆動制御部、１４…電圧積算部（状態推定部）、１５…状態判定部、１６…シーケンス制御部、１７…オフセット角調整部、１８…入出力部、１９…記憶部、２２…位置検出器（回転子位相検出部）

Claims (5)

  1. 　同期電動機の回転子の位相を検出可能に配置され、検出した位相を示す位相情報を出力する回転子位相検出部と、
    　位相誤差を補正するための補正量を用いて、前記同期電動機の回転子の位置を規定する初期位相指令を生成する位相推定部と、
    　前記位相情報によって規定されるタイミングにおける前記初期位相指令の位相誤差を用いて、前記同期電動機の初期磁極位置の位相誤差を調整するための前記補正量を生成する位相誤差調整部と、
    　前記位相誤差が調整された前記初期位相指令を用いて、前記同期電動機の駆動を制御する駆動制御部と、
    　を備えるドライブシステム。
  2. 　前記位相情報によって規定されるタイミングは、
    　前記位相情報により示される位相領域が切り替わるタイミングである
    　請求項１記載のドライブシステム。
  3. 　前記位相推定部は、
    　前記補正量と前記回転子の位相の推定結果とを用いて位相指令値を生成する初期磁極位置推定部と、
    　前記回転子位相検出部によって検出された前記回転子の位相に対応する検出位相を取得する初期位相指令生成部と、
    　前記同期電動機の速度指令に基づいた位相Δθを生成する演算処理部と
    　を備える請求項１記載のドライブシステム。
  4. 　前記位相誤差調整部は、
    　予め定められた所定値よりも大きな位相誤差を小さくする調整量を演算する
    　請求項１記載のドライブシステム。
  5. 　同期電動機の回転子の位相を検出可能に配置された回転子位相検出部によって検出した位相を示す位相情報が出力されて、
    　位相誤差を補正するための補正量を用いて、前記同期電動機の回転子の位置を規定する初期位相指令を生成するステップと、
    　前記位相情報によって規定されるタイミングにおける前記初期位相指令の位相誤差を用いて、前記同期電動機の初期磁極位置の位相誤差を調整するための前記補正量を生成するステップと、
    　前記位相誤差が調整された前記初期位相指令を用いて、前記同期電動機の駆動を制御するステップと、
    　を含む制御方法。
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