(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-28
(45)【発行日】2023-10-06
(54)【発明の名称】ドライブシステム及び制御方法
(51)【国際特許分類】
H02P 6/20 20160101AFI20230929BHJP
【ＦＩ】
H02P6/20
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2022567218
(86)(22)【出願日】2021-12-17
(86)【国際出願番号】 JP2021046735
【審査請求日】2022-11-04
(73)【特許権者】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100135301
【弁理士】
【氏名又は名称】梶井 良訓
(74)【代理人】
【識別番号】100196689
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 康一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100207192
【弁理士】
【氏名又は名称】佐々木 健一
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 拓巳
【審査官】安池 一貴
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１２０５１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０３７２７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０７２０３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０３９８９１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ６／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、前記同期電動機の速度指令に応じて変化する位相Δθを生成し、位相誤差を補正するための補正量と前記位相Δθとを用いて、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。
【請求項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。
【請求項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て前記速度指令の積分値に対応する前記位相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。
【請求項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。
【請求項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、前記同期電動機の速度指令に応じて変化する位相Δθを生成し、位相誤差を補正するための補正量と前記位相Δθとを用いて、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】日本国特開２０１１－１０９８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1A】実施形態のドライブシステムの構成図。
【図1B】実施形態の第２位相推定部の構成図。
【図2】実施形態の位置検出器の配置を示す模式図。
【図3A】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。
【図3B】実施形態の位置制御に用いる回転子座標を示す図。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】実施形態の正常に起動する事例を示す図。
【図7】実施形態の正常に起動しない事例を示す図。
【図9】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。
【図10】実施形態の初期磁極位置の補正処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0007】
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。
【0008】
【0009】
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。
【0010】
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。
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
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。
【0013】
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。
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
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。
【0017】
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。
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
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。
【0026】
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。
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。
【0027】
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。
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
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。
【0035】
θ_fbk = tan^-1 (Vd_fbk/Vq_fbk)+θ_mo ・・・（１）
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
θｓ=θ０＋Δθ ・・・（２）
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
【0045】
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。
【0046】
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。
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
【0059】
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。
【0060】
【0061】
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。
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
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。
【0064】
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。
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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）。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
（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。
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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【符号の説明】
【0087】
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）
【要約】
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。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】