JP6375431B2 - 永久磁石モータのロータ位置の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石モータのロータ位置を決定する方法に関する。

ロータ位置を知ることは、ブラシレスモータの相巻線を正確な時間に転流させるために必須である。永久磁石モータは、ロータ位置を示す信号を出力するホール効果センサを有する場合が多い。センサの部品コストは比較的安価であるが、センサをモータ内に組み込むと、モータの設計及び製造が複雑になることが多い。また、センサからの出力信号は、多くの場合、モータが発生するモータ電磁ノイズの影響を受けやすい。

ロータの位置を間接的に決定するセンサレススキームは公知である。永久磁石モータに関し、相巻線に誘起される逆起電力の極性の変化は、ロータ位置を決定するために使用できる。多相モータに関し、ロータ位置は、非励起の相巻線に誘起される逆起電力の検知により決定することができる。単相モータでは、追加の巻線がないため、この形式の制御は実行不可能である。それにもかかわらず、ロータ位置は、電気サイクルにおいて逆起電力の極性の変化が予期される時点で励起を停止することにより決定することができる。

残念ながら、励起の停止は、モータに供給できる電力を低下させるという欠点がある。

本発明は、永久磁石モータのロータの位置を決定する方法を提供し、本方法は、第１の速度範囲で回転している場合、第１のスキームを使用してロータの位置を決定する段階と、第２の速度範囲で回転している場合、第２のスキームを使用してロータの位置を決定する段階とを含み、第１のスキームは、モータの巻線を順次励起及びフリーホイールする段階と、励起又はフリーホイール時の巻線の電流の変化率に依存するパラメータを測定する段階と、測定パラメータを閾値と比較する段階と、測定パラメータが閾値よりも小さい場合又は大きい場合、ロータは所定位置にあると決定する段階とを含み、第２のスキームは、巻線を横切る電圧に比例する電圧を有する信号を生成する段階と、巻線の電流の変化率に依存する電圧を有する別の信号を生成する段階と、信号の電圧と別の信号の電圧とを比較する段階と、信号の電圧と別の信号の電圧とが一致する場合、ロータは所定位置にあると決定する段階とを含む。

第１のスキームは、励起又はフリーホイール時に（例えば、フリーホイールの開始時又は終了時に）巻線の電流の変化率に依存するパラメータを測定する段階を備える。例えば、パラメータはフリーホイールの開始時又は終了時での電流の大きさとすること、又はパラメータは励起時に電流が上限電流限界に立ち上がるのに要する時間又はフリーホイール時に電流が下限電流限界に立ち下がるのに要する時間とすることができる。回転時、ロータは巻線に逆起電力を誘起し、その大きさはロータの角度位置に依存する。この逆起電力は、巻線の電流が励起時に立ち上がる及びフリーホイール時に立ち下がる速度に影響を及ぼす。その結果、測定パラメータを使用してロータの角度位置を決定することができる。特に、測定パラメータが閾値よりも小さい場合又は大きい場合に、ロータは特定の所定位置にあると決定することができる。

第２のスキームは、電圧方程式Ｖ_ph＝ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ＋Ｅ_phを使用し、式中、Ｖ_phは巻線を通る電圧、ｉ_phは巻線の電流、Ｒ_phは巻線の抵抗、Ｌ_phは巻線のインダクタンス、Ｅ_phはロータが巻線に誘起する逆起電力である。第２のスキームは、Ｖ_phに比例する電圧を有する信号を生成する段階と、ｄｉ_ph／ｄｔに依存する電圧を有する別の信号を生成する段階とを含む。別の信号の電圧は、ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔに比例することができる。代替的に、モータのｉ_phＲ_ph項は比較的小さくなる場合があるので、無視することができる。従って、本実施例において、別の信号の電圧は、Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔに比例する。従って、２つの信号のスケール調整方法に依存する特定の値を逆起電力が有する場合は常に、２つの信号の電圧は一致する。逆起電力の大きさはロータの角度位置に依存するので、ロータが所定位置にある場合、２つの信号の電圧は一致する。

第１のスキームを実行する場合、ロータ位置は、順次励起及びフリーホイールされる巻線の電流の変化率に依存するパラメータを測定することにより決定される。従って、同じ巻線を使用して、モータの駆動及びロータの位置の両方を決定することが可能である。同様に、第２のスキームを実行する場合、電圧方程式は、巻線にかかる電圧に無関係に当てはまる。その結果、ロータの位置は巻線の励起時に決定することができる。従って、単一の巻線を使用して、モータの駆動及びロータの位置の両方を決定することが可能である。従って、本方法は、単相モータを制御するために使用できる。さらに、本方法は、ロータ位置を決定するために励起の停止を必要としない。従って、既存の単相モータのセンサレス制御に比較して、より多くの電力をモータに供給することができる。

第１のスキームは、比較的簡単なハードウェアを使用して実行できるとう利点をもつ。例えば、単一の感知抵抗を使用することができ、励起時にのみ巻線の電流を測定する。代替的に、一対の感知抵抗を使用することができ、励起時及びフリーホイール時の両方における巻線の電流を測定する。従って、第１のスキームは、費用効果が高いロータ位置の決定方法を提供する。しかしながら、第１のスキームは、ロータの位置の決定するために電流チョッピングに依存する。ロータ速度が上昇するにつれて電流チョッピングの頻度は低下するので、決定されたロータ位置に関連する誤差範囲が増大する。比較的高い速度で、決定されたロータ位置の誤差は比較的大きい場合がある。更に、比較的高い速度での電流チョッピングは望ましくない場合がある。第２のスキームは、ロータの位置の決定するために電流チョッピングに依存しないという利点をもつ。従って、第２のスキームは、より高い速度でのロータ位置を決定するために使用することができる。通常、第１のスキームと比較して、第２のスキームは追加的なハードウェアを必要とするのでコストが高くなる。しかしながら、信号及び／又は別の信号に関する正しい電圧を励起時にのみ生成するハードウェアを使用することにより、コストは比較的低くすることができる。より低い速度で第１のスキームを使用し、より高い速度で第２のスキームを使用することにより、ロータの速度の決定に関し、ロータ速度の範囲全体にわたって費用効果が高い解決法を得ることができる。

ロータが所定位置にあると決定された後、ロータの位置は依然として所定位置又はその近くにある。その結果、第１のスキームを実行する場合、パラメータが継続して測定されて閾値と比較されると、同じ実際の所定位置に関して、更なる所定位置が決定される可能性がある。従って、パラメータの測定及び／又は比較は、所定位置が決定された後、停止期間にわたって停止することができる。従って、このことは同じ実際の所定位置に関して更なる位置が決定されることを防止する。

ロータの速度が上昇するにつれて、各電気半サイクルの長さは減少する。その結果、特に、モータの速度範囲が比較的大きい場合、一定の停止期間は適切でない場合がある。従って、本方法は、ロータの速度の変化に応じて停止期間を調整する段階を更に含むことができる。特に、本方法は、ロータの速度の上昇に応じて停止期間を減少させる段階を含むことができる。

第１のスキームを実行する場合、閾値に関して選択された値は、所定位置の決定精度に影響を及ぼす。例えば、測定されるパラメータは、巻線が所定期間にわたってフリーホイールされた後の巻線の電流の大きさとすることができる。設定された閾値が小さすぎると、特により低いロータ速度の場合では、所定位置はより早い時点で決定される。一方、設定された閾値が大きすぎると、特により高いロータ速度の場合では、所定位置はより遅い時点で決定される。従って、第１のスキームは、ロータの速度に応じて閾値を調節する段階を含むことができる。その結果、所定位置は、第１の速度範囲にわたって高い精度で決定される。

巻線の電流が立ち上がる速度は、励起電圧の大きさに依存する。特に、励起電圧が上昇するにつれて電流が立ち上がる速度は上昇する。その結果、測定されるパラメータが励起時の電流立ち上がり速度に依存する場合、励起電圧の変化により、所定位置が異なる時点で決定される場合がある。特に、所定位置は、励起電圧が上昇すればより早い時点で決定され、励起電圧が降下すればより遅い時点で決定される場合がある。従って、第１のスキームは、巻線を励起するために使用される励起電圧の大きさに依存する閾値を選択する段階を含むことができる。その結果、ロータの位置は、異なる励起電圧に関して良好に決定することができる。

逆起電力のゼロクロスは、ロータが整列位置又は非整列位置にある場合に発生する。逆起電力のゼロクロスにおいて、巻線の電圧方程式は、Ｖ_ph＝ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔに帰着する。従って、信号及び別の信号は、逆起電力の各ゼロクロスに応答して各電圧が一致するようにスケール調整することができる。その結果、第２のスキームは、ロータが整列位置又は非整列位置にあることを決定する。

別の信号を生成する際、第２のスキームは、巻線の電流に比例する電圧を有する暫定信号を生成する段階と、この暫定信号を微分する段階とを含むことができる。

第２のスキームは、巻線を励起及びフリーホイールする段階と、信号の電圧と別の信号の電圧とが励起時にのみ一致する場合、ロータは所定位置にあると決定する段階とを含むことができる。その結果、本方法は、励起時にのみ別の信号に関する正しい電圧を生成可能な、より簡単なハードウェアを使用して実行することができる。

第１のスキームを実行する場合、所定位置の精度は電流チョッピングの頻度に依存することができる。励起電圧が低下するにつれて、巻線の電流はより低い速度で立ち上がるので、電流チョッピングの頻度は低下する。比較的低い速度で、電流チョッピングの頻度は比較的高く、従って励起電圧の低下は所定位置の精度に影響する見込みはない。しかしながら、電流チョッピングの頻度が比較的低い、比較的高い速度では、励起電圧の低下は、所定位置の決定に悪影響を与える場合がある。従って、より低い励起電圧に関し、より低い速度では、異なるスキームへの切り換えが望ましい場合がある。従って、第１の速度範囲（及び、特に第１の速度範囲の上限限界）は、巻線を励起するために使用される励起電圧の大きさで規定することができる。特に、より高い励起電圧に応じて、第１の速度範囲の上限に関してより高い値を規定することができる。

第２のスキームを実行するために使用されるハードウェアに依存して、巻線の励起時にのみ、ロータは所定位置にあることを決定することができる。従って、所定位置に先立って巻線を励起する必要である。電流限界を使用すると、巻線の電流は、ロータが所定位置に到達する前に電流限界を超えないことが重要である。第２の速度範囲の下限は、定格励起電圧に関し、ロータが所定位置を通過する後まで巻線の電流が電流限界を超えないように規定することができる。しかしながら、励起電圧が上昇すると、電流はより高い速度で立ち上がるので、より早い時点で電流電界に到達する。場合によっては、電流は、ロータが所定位置を通過する前に、電流限界を超えることもある。従って、より高い励起電圧に関し、より高い速度では、第２のスキームへ切り換えることが望ましい。従って、第２の速度範囲（及び、特に第２の速度範囲の下限限界）は、巻線を励起するために使用される励起電圧の大きさで規定することができる。特に、より高い励起電圧に応じて、第２の速度範囲の下限に関してより高い値を規定することができる。

本方法は、ロータ速度が速度閾値を超える場合、第１のスキームと第２のスキームとの間を切り換える段階を含むことができる。先行する２つ段落で説明した理由により、巻線を励起するために使用される励起電圧の大きさに依存する速度閾値を使用することが望ましい。特に、より低い励起電圧に関し、より低い速度閾値を使用することができる。

ロータが所定位置にあるとの決定に応じて、本方法は巻線を転流させる段階を含むことができる。転流は、ロータが所定位置にあると決定されると直ぐに発生することができる。代替的に、転流は、ロータが所定位置にあるとの決定の後、所定時間遅らせることができる。いずれの場合も、巻線は所定位置が決定された時点に対応する時間に転流させる。

また、本発明は、ブラシレス永久磁石モータに関する制御システムを提供し、制御システムは、先行する段落のいずれかに記載の方法を実行する。

更に、本発明は、ブラシレス永久磁石モータと、先行する段落に記載の制御システムと、を備えたモータシステムを提供する。

モータは、単一の相巻線を備えることができる。このことはモータの制御が簡単になるとの利点をもたらす。その結果、比較的簡単で安価な制御システムを使用して本方法を実行することができる。前述したように、本方法は、モータの駆動及びロータの位置の決定を同時に行うことができる。従って、電力消費に妥協することなく単相モータのセンサレス制御を実現することができる。

本発明をより容易に理解できるように、以下に添付図面を参照して、例示的に本発明の実施形態を説明する。

本発明によるモータシステムのブロック図である。 モータシステムの概略図である。 モータシステムのコントローラが発生する制御信号に応答するインバータの許容状態の詳細である。 加速モードで比較的低速で作動するモータシステムの種々の波形を示す。 加速モードで比較的高速で作動するモータシステムの種々の波形を示す。 モータシステムの逆起電力センサの概略図である。 定常モードにおけるモータシステムの種々の波形を示す。 モータシステムの代替的な逆起電力センサの概略図である。 本発明による代替的なモータシステムの概略図である。 定常モードで作動する代替的なモータシステムの種々の波形を示す。 本発明による別の代替的なモータシステムの概略図である。 定常モードで作動する別の代替的なモータシステムの種々の波形を示す。 加速モードで比較的低速で作動する、本発明による別の代替的なモータシステムの種々の波形を示す。

図１及び図２のモータシステム１は、交流電源２から電力を供給され、ブラシレスモータ３及び制御システム４を備える。

モータ３は、４極ステータ６に対して回転する４極永久磁石ロータ５を備える。導線はステータ６の回りに巻かれ、一緒に接続されて（例えば、直列又は並列で）単一の相巻線７を形成するようになっている。

制御システム４は、直流リンクフィルタ８、インバータ９、ゲート駆動モジュール１０、電流センサ１１、逆起電力センサ１２、及びコントローラ１３を備える。

直流リンクフィルタ８は、インバータ９の切り換えにより発生する比較的高周波のリップルを平滑化するコンデンサＣ１を備える。

インバータ９は、直流リンク電圧を相巻線７に接続する４つのパワースイッチＱ１−Ｑ４から構成される全波ブリッジを備える。パワースイッチＱ１−Ｑ４の各々は、フリーホイールダイオードを含む。

ゲート駆動モジュール１０は、コントローラ１３から受信した制御信号に応答してスイッチＱ１−Ｑ４を開閉駆動する。

電流センサ１１は、インバータ９の負レールに配置された検知抵抗Ｒ１を備える。電源２に接続される場合、電流センサ１１にかかる電圧は、相巻線７の電流測定値をもたらす。電流センサ１１を横切る電圧は、電流検知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥとして逆起電力センサ１２及びコントローラ１３へ出力される。

逆起電力センサ１２は、コントローラ１３へ出力されるデジタル信号ＢＥＭＦを生成する。逆起電力センサ１２の詳細な説明は、「定常モード」の項目で与えられる。

コントローラ１３は、プロセッサ、記憶装置、及び複数の周辺機器（例えば、ＡＤＣ、比較器、タイマ等）を有するマイクロプロセッサを備える。記憶装置は、プロセッサにより実行される命令、及びプロセッサで用いるための制御パラメータ（例えば、電流限界、立ち上がり時間閾値、速度閾値、フリーホイール期間、進角期間、導通期間等）を記憶する。コントローラ１３は、モータシステム１の作動の制御を担うとともに、３つの制御信号、即ちＤＩＲ１、ＤＩＲ２、及びＦＷ＃を生成する。制御信号は、ゲート駆動モジュール１０へ出力され、これに応じてゲート駆動モジュールは、インバータ９のスイッチＱ１−Ｑ４を開閉駆動する。

ＤＩＲ１及びＤＩＲ２は、インバータ９を通過する、つまり相巻線７を通過する電流の方向を制御する。ＤＩＲ１が論理ＨＩＧＨにプルされ、ＤＩＲ２が論理ＬＯＷにプルされる場合、ゲート駆動モジュール１０は、スイッチＱ１及びＱ４を閉じるとともにスイッチＱ２及びＱ３を開くので、電流は相巻線７を左から右へ流れる。反対に、ＤＩＲ２が論理ＨＩＧＨにプルされ、ＤＩＲ１が論理ＬＯＷにプルされる場合、ゲート駆動モジュール１０は、スイッチＱ２及びＱ３を閉じるとともにスイッチＱ１及びＱ４を開くので、電流は相巻線７を右から左へ流れる。従って、相巻線７内の電流は、ＤＩＲ１及びＤＩＲ２を反転することで転流される。ＤＩＲ１及びＤＩＲ２の両方が論理ＬＯＷにプルされると、ゲート駆動モジュール１０は、全てのスイッチＱ１−Ｑ４を開く。

ＦＷ＃は、相巻線７を直流リンク電圧から切り離して、相巻線７の電流がインバータ９のＬＯＷ側のループの周りをフリーホイール可能となるように使用される。従って、論理的ＬＯＷにプルされたＦＷ＃信号に応答して、ゲート駆動モジュール１０は、ＨＩＧＨ側の両方のスイッチＱ１及びＱ３を開く。

各パワースイッチＱ１−Ｑ４は一方向のみに導通する。その結果、電流は、ＬＯＷ側のスイッチＱ２、Ｑ４の一方、及び他のＬＯＷ側のスイッチＱ２、Ｑ４のフリーホイールダイオードをフリーホイールする。ある形式のパワースイッチ（例えば、半導体電界効果トランジスタ）は、両方向に導通できる。従って、フリーホイールダイオードを介してフリーホイールする代わりに、電流がＬＯＷ側のスイッチＱ２、Ｑ４をフリーホイールするように、ＬＯＷ側のスイッチＱ２、Ｑ４の両方を閉じることができる、即ち、ＨＩＧＨ側のスイッチＱ１、Ｑ３の両方を開放することに加えて、論理ＬＯＷにプルされたＦＷ＃信号に応答してＬＯＷ側のスイッチＱ２、Ｑ４の両方を閉じることができる。

図３は、コントローラ１３の制御信号に応答するスイッチＱ１−Ｑ４の許容状態をまとめたものである。以下において、用語「セット」及び「クリア」は、それぞれ信号が論理ＨＩＧＨ及び論理ＬＯＷにプルされることを示すために使用される。

過剰の電流は、制御システム４の構成部品（例えば、パワースイッチＱ１−Ｑ４）に損傷を与える及び／又はモータ５を消磁する場合がある。従って、コントローラ１３は、相巻線７の励起時に電流検知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥを監視する。相巻線７の電流が電流限界を超える場合は、コントローラ１３は、ＦＷ＃をクリアすることにより相巻線７をフリーホイールする。フリーホイールはフリーホイール期間にわたって続き、その時間の間に、相巻線７の電流は電流限界を下回るレベルに低下する。フリーホイール期間の終了時に、コントローラ１３は、ＦＷ＃をセットすることにより相巻線７を再び励起する。その結果、相巻線７の電流は電流限界にチョッピングされる。

コントローラ１３は、ロータ５の速度に応じて３つのモードのうちの１つで作動する。ロータ５が静止している場合、コントローラ１３は始動モードで作動し、これは単にロータ５を正方向に始動させるために使用される。ロータ５が正方向に回転すると、コントローラ１３は加速モードに切り換わる。コントローラ１３は、ロータ５の速度が速度閾値を超えるまで加速モードで作動し、その後、コントローラ１３は定常モードに切り換わる。各作動モードにおいて、コントローラ１３は、専用のロータセンサを必要とすることなく、異なる制御スキームを使用してモータ３を制御する。

始動モード
始動モードで作動する場合、コントローラ１３は、ロータ５の位置を決定しない。その代わりに、コントローラ１３は、所定のシーケンスで相巻線７を励起し、この励起により、ロータ５は、該ロータ５の停止位置にかかわらず確実に正方向に駆動される。

コントローラ１３は、相巻線７を所定期間にわたって特定方向に励起することから始める。方向の選択は重要ではない。従って、例えば、コントローラ１３は、ＤＩＲ１をセットしてＤＩＲ２をクリアすることができ、相巻線７を左から右へ励起する。

ステータ６の極と及びロータ５の極との間の空隙は非対称である。その結果、ロータ５の停止位置において、ロータ極は、ステータ極に対して僅かに位置合わせされていない場合がある。ロータ５は、ステータから印加される電磁場に対する２つの位置の一方で停止する。ロータ５は、第１の位置では印加されるステータ電磁場と概ね位置合わせされる。ロータ５は、第２の位置では印加されるステータ磁場と概して位置合わせされていない。ロータ５は、第１の位置で停止した場合、相巻線７の励起に応じて逆方向に回転する。ロータ５は、該ロータ５が完全に位置合わせされた位置になるまで比較的小さい角度だけ回転する。ロータ５は、第２の位置で停止した場合、相巻線７の励起に応じて正方向に回転する。ロータ５は、再び該ロータ５が完全に位置合わせされた位置になるまで比較的大きい角度だけ回転する。従って、ロータ５は、該ロータ５の停止位置に関係なく、相巻線７の励起により整列位置へ回転される。その間に相巻線７が励起される所定期間により、ロータ５は、何れかの停止位置から整列位置へ確実に回転される。

所定期間にわたる相巻線７の励起後、コントローラ１３は、ＤＩＲ１及びＤＩＲ２の両方をクリアすることにより相巻線７をオフする。相励起の停止により、ロータ５は、小さい角度だけ正方向に回転して第１の停止位置をとる。相励起を停止する期間は、ロータ５が確実に第１の停止位置に停止するのに十分な長さである。次に、コントローラ１３は、相巻線７を以前に励起したのとは反対方向に励起する。従って、例えば、コントローラ１３は、ＤＩＲ２をセットしかつＤＩＲ１クリアすることができ、相巻線７を右から左へ励起する。次に、これにより、ロータ５は正方向に回転される。この段階で、コントローラ１３は加速モードに切り換わる。

加速モード
加速モードで作動する場合、コントローラ１３は、ロータ５の位置を決定するために第１のセンサレススキームを使用する。

加速モードに入る際に、コントローラ１３は既に相巻線７を励起している。前述したように、コントローラ１３は、電流制御スキームを使用し、ここでは、相巻線７は、巻線７の電流が電流限界を超える場合は常にフリーホイールされる。コントローラ１３は、所定のフリーホイール期間にわたって相巻線７をフリーホイールする。フリーホイール期間の終了時に、コントローラ１３は、相巻線７を再び励起する。従って、コントローラ１３は、各電気半サイクルにわたって相巻線７を順次励起してフリーホイールする。

相巻線７に誘起される逆起電力は、相巻線７の電流が、励起中に立ち上がり、フリーホイール中に立ち下がる速度に影響を及ぼす。特に、逆起電力が上昇すると、相巻線７の電流は、より遅い速度で立ち上がり、より速い速度で立ち下がる。その結果、ロータ５が回転するにつれて、相電流は、各フリーホイール期間の間に異なるレベルに低下する。従って、相電流は、各励起期間の間に異なるレベルから出発し、異なる速度で立ち上がる。本出願人は、相電流が各励起期間の間に電流限界まで上昇するのに要する時間は、ロータ５の角度位置に依存することを見出した。さらに、電流立ち上がり期間は、ロータ５が整列位置に近づくにつれて減少する。従って、この知見をコントローラ１３で利用してロータ５の位置を決定する。

各フリーホイール期間の終了時に、コントローラ１３はタイマを始動させる。相電流が電流限界を超えた場合、コントローラ１３はタイマを停止させる。次に、コントローラ１３は、タイマに記憶した電流立ち上がり期間を所定の立ち上がり時間閾値と比較する。電流立ち上がり期間が立ち上がり時間閾値よりも小さい場合、コントローラ１３は、ロータ５が整列位置にあると決定する。

コントローラ１３は、加速モードで作動する場合、決定された各整列位置に応じて相巻線７を転流させる。従って、ロータ５が整列位置にあるとの決定に応じて、コントローラ１３は、相巻線７を直ちに転流させる（即ち、ＤＩＲ１及びＤＩＲ２を反転させ、ＦＷ＃をセットすることにより）。しかしながら、必要であれば、コントローラ１３は、代替的に、決定された整列位置の前又は後に、相巻線７を転流させることができる。決定された整列位置に対して異なる時間に相巻線７を転流させるスキームは、定常状態モードの項目で説明する。

コントローラ１３は、各電流チョッピングによりロータ５の位置を評価する。その結果、電流チョッピングの頻度が、モータ５の整列位置が決定される分解能を定める。ロータ５の速度が比較的遅いとき、各電気半サイクルの長さは比較的長く、しかも逆起電力の大きさは比較的小さい。その結果、通常、コントローラ１３は各電気半サイクルにわたって相電流を多数回チョッピングするので、モータ５の整列位置は比較的高い精度で決定することができる。ロータ５の速度が上昇するにつれて電気半サイクルの長さは減少し、逆起電力の大きさは増加する。従って、コントローラ１３が各相電流をチョッピングする頻度は低くなるので、コントローラ１３が決定する整列位置の誤差範囲は増大する。例示的に、図４は、ロータが比較的遅い速度で作動する場合における、相電流、パワースイッチＱ１のオン／オフ信号、及び各電気半サイクルの１つに対する逆起電力の波形を示す。次に、図５は、ロータが比較的速い速度で作動する場合の同じ波形を示す。決定された整列位置の誤差（即ち、実際の整列位置とコントローラ１３により決定される整列位置との間の差異）は、より速い速度でより大きいことが分かる。

前述の段落で特定した挙動の結果として、立ち上がり時間閾値に関して選択した値は、決定された整列位置の精度に影響する。例えば、設定した立ち上がり閾値が高すぎると、特により遅い速度で作動している場合、コントローラ１３は、ロータ５の整列位置をより早い時点で決定する可能性がある。反対に、設定された立ち上がり閾値が低すぎると、特により速い速度で作動している場合、コントローラ１３は、ロータ５の整列位置をより遅い時点で決定する可能性がある。相巻線７は、決定された整列位置に対する時間に転流されるので、決定された整列位置の精度がモータシステム１の出力及び／又は効率に影響を及ぼす。

決定された整列位置の精度を改善するために、コントローラ１３は、ロータ速度に伴って変動する立ち上がり時間閾値を使用できる。特に、コントローラ１３は、上昇するロータ速度に伴って上昇する立ち上がり時間閾値を使用できる。その結果、電流チョッピングの頻度が比較的高い、より遅い速度で、より低い立ち上がり時間閾値を使用することができる。反対に、電流チョッピングの頻度が比較的低い、より速い速度で、より高い立ち上がり時間閾値を使用することができる。その結果、決定された整列位置は、ロータ速度の範囲にわたって改善された精度で決定することができる。

決定された整列位置の精度はまた、フリーホイール期間を減少することでも改善される。フリーホイール期間が減少すると、電流チョッピングの頻度が高くなるので、整列位置は改善された精度で決定することができる。最小の許容可能なフリーホイール期間は、ハードウェアの速度（例えば、コントローラ１３の速度及びパワースイッチＱ１−Ｑ４の最大の切換え周波数）、及びモータ３の特性（例えば、相巻線７の抵抗及びインダクタンス、並びに逆起電力の形状及び大きさ）により決定することができる。

一定のフリーホイール期間を使用するよりも、ロータ速度に応じて、フリーホイール期間を変動させることが望ましい場合がある。例えば、より遅い速度では、より長いフリーホイール期間を使用してスイッチング損失を最小に抑えることができ、より速い速度ではより短いフリーホイール期間を使用して、電流チョッピングの頻度を大きくして整列位置の精度を改善することができる。

加速モードで使う時間は比較的短くできるので、加速モードで作動する場合、モータシステム１の出力及び／又は効率は重要でない場合がある。その結果、立ち上がり時間閾値及び／又はフリーホイール期間に関する速度依存値を使用する場合の利点にもかかわらず一定値を使用することができる。実際、立ち上がり時間閾値及び／又はフリーホイール期間に関する一定値を使用すれば、制御スキームが簡素になるという利点がある。

コントローラ１３は、該コントローラ１３により決定される２つの連続する整列位置の間の間隔を測定することでロータ５の速度を決定する。前述したように、コントローラ１３が決定する各整列位置に関連する誤差範囲が存在する。従って、ロータ速度のより正確な測定値を得るために、コントローラ１３は、複数の決定された整列位置の平均間隔を測定できる。例えば、コントローラ１３は、４つの連続する整列位置に対する間隔の平均値を求めることによりロータ速度を決定できる。

モータ５が整列位置にあることをコントローラ１３が決定した直後は、モータ５の位置は依然として整列位置又はその近くにある場合がある。その結果、コントローラ１３が電流立ち上がり時間の測定及び比較を継続している場合は、同じ実際の整列位置に関して、更なる整列位置が決定される可能性がある。これは、遅いモータ速度において特に当てはまり、そこでは、逆起電力の大きさが比較的小さいので、励起中の相電流の立ち上がり速度が比較的速い。従って、ロータ５が整列位置にあると決定された後、コントローラ１３は、所定期間にわたって電流立ち上がり期間の測定を停止する。この期間は、以下では停止期間と呼ぶことにする。停止期間の長さは、停止期間の終了時にモータ５がそれ以上整列位置又はその近くにないことを保証する長さである。例えば、停止期間は、加速モードの速度範囲にわたってモータが停止期間の間に少なくとも電気角度で７０度だけ回転するように設定できる。

モータ５の速度が上昇するにつれて、各電気半サイクルの長さは減少する。その結果、特に速度範囲が比較的大きい場合、一定の停止期間は不適切となる場合がある。例えば、加速モードで作動するときの速度範囲は１，０００から５０，０００ｒｐｍとなる場合がある。１，０００ｒｐｍにおいて、４極モータに関する電気半サイクルの期間は１５ｍｓである。従って、停止期間５．８ｍｓが約７０度の電気角度に対応する。５０，０００ｒｐｍにおいて、電気半サイクルの期間は０．３ｍｓである。従って、停止期間５．８ｍｓは、この速度では明らかに不適切である。従って、コントローラ１３は、ロータ速度に関して変動する停止期間を使用できる。特に、コントローラ１３は、上昇するロータ速度につれて減少する停止期間を使用できる。

前述したスキームにおいて、電流立ち上がり期間は、フリーホイール期間の終了時に開始する。その結果、電流立ち上がり期間及びフリーホイール期間の両方に関して単一のタイマを使用することができる。それにもかかわらず、フリーホイール期間は予め定められているので、代替的に、電流立ち上がり期間は、フリーホイール期間の始めに開始できる。従って、一般的には、電流立ち上がり期間は、フリーホイール期間の開始時又は終了時と、相巻線の電流が電流限界を超える時点との間の間隔と言うことができる。

各電気半サイクルの期間は、ロータ速度が上昇するにつれて減少するので、相インダクタンスと関連する時定数（Ｌ／Ｒ）がますます重要となる。更に、相巻線７に誘起される逆起電力は上昇し、結果として、相巻線７における電流の立ち上がり速度に影響を及ぼす。従って、相巻線７に電流を供給することがますます困難になる。比較的速いロータ速度において、コントローラ１３は、各電気半サイクルの間に相電流をたった１回又は２回チョッピングできる。その結果、コントローラ１３が決定した整列位置の誤差範囲は比較的大きくなる可能性がある。誤差の大きさは、モータシステム１の出力及び／又は効率に悪影響を及ぼす場合がある。さらに、誤差はモータ３の更なる加速を妨げる場合がある。従って、コントローラ１３は、ロータ５の速度が速度閾値を超える場合は、加速モードから定常モードに切り換わる。

定常モード
定常モードで作動する場合、コントローラ１３は、ロータ５の位置を決定するために第２のセンサレススキームを使用する。

第２のセンサレススキームは、逆起電力センサ１２を使用する。以下で説明するように、逆起電力センサ１２はデジタル信号を出力し、その特定のエッジがロータ５の整列位置に対応する。

何らかの著しい飽和又は突極性がなければ、相巻線７の電圧方程式は、以下のように表わすことができる。
Ｖ_ph＝ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ＋Ｅ_ph
式中、Ｖ_phは相巻線７を横切る電圧、ｉ_phは相巻線７の電流、Ｒ_phは相巻線７の抵抗、Ｌ_phは相巻線７のインダクタンス、Ｅ_phはロータ５が相巻線７に誘起する逆起電力である。

ロータ５が整列位置にある場合、相巻線７に誘起される逆起電力はゼロである。逆起電力の各ゼロクロスにおいて、電圧方程式は以下のようになる。
Ｖ_ph＝ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ

以下に記載する理由により、項ｉ_phＲ_phは、逆起電力のゼロクロスの周辺では無視可能である。その結果、ロータ５の各整列位置に関して、以下の電圧方程式に帰着する。
Ｖ_ph＝Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ

起電力センサ１２は、この式を使用して、ロータ５の整列位置に対応するエッジを有する出力信号を生成する。

図６に示すように、逆起電力センサ１２は、電圧センサ１５、増幅器１６、微分器１７、ローパスフィルタ１８、及び比較器１９を含む。

電圧センサ１５は、直流リンク電圧Ｖ_DCに比例する電圧を有する第１の信号を出力する分圧器Ｒ３、Ｒ４を備える。相巻線７が励起される場合、相巻線にかかる電圧Ｖ_phは、直流リンク電圧Ｖ_DCからパワースイッチＱ１−Ｑ４を横切る電圧降下を減算した電圧に相当する。その結果、電圧センサ１５が出力する第１の信号は、励起中に相巻線を横切る電圧Ｖ_phに比例する電圧を有する。

増幅器１６は、電流センサ１１が出力するＩ＿ＳＥＮＳＥ信号で作動する。次に、微分器１７は増幅器１６の出力信号で作動し、ローパスフィルタ１８は微分器１７の出力信号で作動する。電流センサ１１は、相巻線７の電流に比例する電圧を有する第２の信号を出力すると言うことができる。次に、微分器１７は、第２の信号を微分して、それに応じて相巻線の電流の変化率ｄｉ_ph／ｄｔに比例する電圧を有する第３の信号を生成する。相巻線７のインダクタンスは一定であると仮定され（この仮定は、モータ３の突極性が殆ど又は全く無く、飽和効果が最小である場合は正しい）、結果的に第３の信号の電圧はＬ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔに比例する。

ローパスフィルタ１８は、単に微分器１７が第３の信号に持ち込む場合がある何らかのノイズを抑制するために使用される。ノイズの問題がない場合、フィルタ１８は省略できる。図６において、ローパスフィルタ１８及び微分器１７は、２つの別個の構成要素として示されている。代替的に、ローパスフィルタ１８は、微分器１７の一部として実装することができ、追加的な演算増幅器の必要がなくなる。

増幅器１６は、第１の信号及び第３の信号の電圧の適切なスケール調整を保証しており、相巻線７に誘起される逆起電力がゼロの場合に２つの信号の電圧は一致する、即ち電圧は、Ｖ_ph＝Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔが成立する場合に一致する。電流センサ１１の検知抵抗Ｒ１及び電圧センサ１５の分圧器Ｒ３、Ｒ４は、第１の信号及び第２の信号の電圧が即座に適切にスケール調整されるように構成することができるので、増幅器１６は必要なくなると考えることができる。代替的に、第２の信号で作動する増幅器１６よりも、電圧スケーラー（例えば、増幅器又は減衰器）を使用して、逆起電力がゼロの場合に第１の信号の電圧と第３の信号の電圧とが一致するように、第１の信号、第２の信号、及び第３の信号の１つ又はそれ以上をスケール調整することができる。

比較器１９は、第１の信号の電圧と第３の信号の電圧とを比較して、この比較に応じてデジタル出力信号を生成する。出力信号は、第１の信号の電圧が第２の信号の電圧よりも高い場合（Ｖ_ph＞Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ）に論理ＨＩＧＨ（又は代替的に論理ＬＯＷ）であり、第１の信号の電圧が第２の信号の電圧よりも低い場合（Ｖ_ph＜Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ）に論理ＬＯＷ（又は代替的に論理ＨＩＧＨ）である。従って、２つの信号の電圧が一致する場合、即ちＶ_ph＝Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔが成立する場合は、出力信号にエッジが生成される。この条件は、相巻線７に誘起される逆起電力がゼロの場合に満足される。その結果、ロータ５が整列位置にある場合に、出力信号にエッジが生成される。しかしながら、以下で説明するように、出力信号には、ロータ５の整列位置に対応しないので無視する必要がある他のエッジが生成される。

加速モードで作動する場合、コントローラ１３は、各電気半サイクルの全長にわたって、相巻線７を順次励起してフリーホイールする。対照的に、定常モードで作動する場合、コントローラ１３は、各電気半サイクルの一部のみにまたがる導通期間にわたって相巻線７を順次励起してフリーホイールする。導通期間の終りに、コントローラ１３は、ＦＷ＃をクリアすることにより相巻線７をフリーホイールする。次に、フリーホイールは、コントローラ１３が相巻線７を転流させる時間まで、無期限に継続する。低下する逆起電力の領域内で、所定の相電流に関してより小さいトルクが達成される。その結果、この範囲内において相巻線７をフリーホイールすることにより、効率がより高いモータシステム１を実現することができる。加えて、逆起電力が低下するにつれて、相電流は望ましくないレベルまで鋭く立ち上がる場合がある。低下する逆起電力の範囲内で相巻線７をフリーホイールすることにより、この電流スパイクを避けることができる。

定常モードで作動する場合、コントローラ１３は、ロータ５の各整列位置より前に相巻線７を転流させるようになっており、その理由を以下に説明する。前記の段落で説明したように、相巻線７は転流の直前にフリーホイールしている。フリーホイールの間に、相電流は、インバータ９のＬＯＷ側のループの周りを循環し、電流センサ１１をバイパスする。その結果、電流センサ１１を通過する電流はないので、第２の信号の電圧はゼロである。対照的に、相巻線７を通過する電流はゼロではなく、比較的大きい可能性がある。従って、相巻線７を転流させる際に、電流センサ１１を通過する電流の大きさは急激に変化する。加えて、相巻線７を転流させる際に、相巻線７のインダクタンスの結果として、電流センサ１１を通る電流の最初の極性は負である。次に、電流は、鋭く立ち上がり、速やかに正になる。従って、相巻線７を転流させる際、電流センサ１１が出力する第２の信号の電圧は、ゼロから負の値へ鋭く変化し、その後正の値へ鋭く立ち上がる。その結果、微分器１７が出力する第３の信号の電圧は、負のスパイク（第２の信号の電圧におけるゼロから負の値への急激な変化の結果として）を有し、これに正スパイク（第２の信号の電圧の急激な立ち上がりの結果として）が直ぐに続く。第３の信号の電圧における正のスパイクの結果として、逆起電力信号にエッジが生成される。しかしながら、このエッジは、逆起電力のゼロクロスに対応しない。その代わりに、エッジは、電流センサ１１を通過する電流の急激な変化のアーチファクトであり、これはフリーホイール中に電流センサ１１が相電流を検知できないために生じる。

前記の段落で説明したように、相巻線７の電流は、転流させる際に比較的速やかに立ち上がる。その結果、第３の信号の電圧は、比較的高く第１の信号の電圧を超える。しかしながら、逆起電力が低下し、ゼロと交差し、その後直流リンク電圧に対抗すると、電流の立ち上がり速度は低下するので、第３の信号の電圧は低下する。いくつかの時点で、第３の信号の電圧は、第１の信号の電圧と一致し、逆起電力信号に更なるエッジが生成される。次に、このエッジは逆起電力のゼロクロスに対応する。

その結果、相巻線７を転流させる際に、電流センサ１１を通過する電流の急激な変化の結果として、逆起電力信号に第１のエッジが生成される。次に、逆起電力のゼロクロスの結果として、逆起電力信号の第２のエッジがこれに続く。従って、コントローラ１３は、第１のエッジを無視して、第２のエッジに応じてロータ５が整列位置にあると決定する。

第２のエッジの検知に応じて、コントローラ１３は、該コントローラ１３が再び相巻線を転流させるまで、逆起電力信号を無視する。その理由は以下の通りである。加速モードと同じように、相巻線７の電流が電流限界を超える場合は常に、コントローラ１３は、所定のフリーホイール期間にわたって相巻線７をフリーホイールする。従って、各導通時間の間に、コントローラ１３は相電流をチョッピングできる。電流チョッピングが発生するならば、コントローラ１３が相巻線７をフリーホイール及び励起する際に、電流センサ１１を通過する電流は急激に変化する。電流センサ１１を通過する電流の何らかの急激な変化は、逆起電力信号のスプリアスエッジにつながる場合がある。加えて、任意のフリーホイール期間の間に、相電流は、インバータ９のＬＯＷ側のループの周りを循環して、電流センサ１１をパイパスする。その結果、電流センサ１１が出力する第２の信号の電圧はゼロとなるので、微分器１７が出力する第３の信号の電圧は有効ではない。従って、コントローラ１３は、相巻線７の転流にだけ呼応して逆起電力信号の監視を開始する。次に、コントローラ１３は、逆起電力信号の第１のエッジを無視して、逆起電力信号の第２のエッジに応じてロータ５が整列位置にあると決定する。その後、コントローラ１３は、該コントローラ１３が再び相巻線７を転流させる時間まで、逆起電力信号を無視する。本実施形態において、第１のエッジは立ち上がりエッジであり、第２のエッジは立ち下がりエッジである。従って、コントローラ１３は逆起電力信号を監視するとともに、立ち下がりエッジに応じてロータ５が整列位置にあると決定する。

モータシステム１の動作を説明するために、図７は、１つの電気サイクルにわたる相電流、第２の信号の電圧、第３の信号の電圧、逆起電力信号の可能性のある波形を示す。相巻線７を転流させる際に、第２信号の電圧は、ゼロから負の値へ急激に変化し、その後正の値へ急激に立ち上がることが分かる。その結果、第３の信号の電圧は、負のスパイク（第２の信号の電圧のゼロから負の値への急激な変化に対応する）を有し、正のスパイク（第２の信号の電圧の急激な立ち上がりに対応する）が直ぐこれに続く。正のスパイクの大きさは、第３の信号の電圧が第１の信号のそれを超えるようになっているので、逆起電力信号に立ち上がりエッジが生成される。第３の信号の電圧が低下するにつれて、第１の信号の電圧及び第３の信号の電圧は再び一致し、逆起電力信号に立ち下がりエッジが生成される。

前述したように、コントローラ１３は、モータ５の各整列位置の前に相巻線７を転流させる。その理由は以下の通りである。励起中に相電圧Ｖ_phは、直流リンク電圧Ｖ_DCに比例する。一方、フリーホイール中に相電圧はゼロである。その結果、電圧センサ１５が出力する信号の電圧は、相巻線７が励起される場合のみ、相電圧Ｖ_phに比例する。加えて、電流センサ１１は、励起中のみ相電流の測定値を与える。従って、逆起電力センサ１２は、相巻線７が励起される場合にのみロータ位置を決定できる。従って、コントローラ１３は、ロータ５の各整列位置の前に相巻線７を転流させる。これにより、ロータ５が各整列位置を通過する際に、相巻線７が確実に励起されるようになる。

相巻線７を転流させるために、コントローラ１３は、逆起電力信号の各立ち下がりエッジに応じて作動する。逆起電力信号の立ち下がりエッジに応じて、コントローラ１３は、電気半サイクルの期間Ｔ＿ＨＣから進角期間Ｔ＿ＡＤＶを減算して、転流期間Ｔ＿ＣＯＭを取得する。
Ｔ＿ＣＯＭ＝Ｔ＿ＨＣ−Ｔ＿ＡＤＶ

次に、コントローラ１３は、立ち下がりエッジの後で、時間Ｔ＿ＣＯＭに相巻線７を転流させる。その結果、コントローラ１３は、ロータ５の次の整列位置に先立って、相巻線７を進角期間Ｔ＿ＡＤＶだけ転流させる。電気半サイクルの期間Ｔ＿ＨＣは、逆起電力信号の２つの連続するエッジ間の間隔で定義される。

進角期間は、励起の相（即ち、ロータ５の整列位置に対する相巻線７が励起される角度）を定義し、導通期間は励起の長さ（即ち、相巻線７が励起される角度）を定義する。コントローラ１３は、ロータ５の速度変化に応じて、進角期間及び／又は導通期間を調整できる。例えば、コントローラ１３は、ロータ速度の範囲にわたって同じ入力又は出力パワーを実現できるように、進角期間及び／又は導通期間を調整できる。

前記の説明において、相電圧方程式の抵抗の項ｉ_phＲ_phは、逆起電力のゼロクロス付近では無視できることに注意されたい。これにはいくつかの理由がある。第１に、抵抗の項は、ロータ位置に無関係に比較的小さい。例えば、７０度における相抵抗Ｃは０．０３Ωとすること、電源２の電圧は２４Ｖとすること、及び電流限界は３０Ａとすることができる。従って、相電流が最大値３０Ａである場合、項ｉ_phＲ_phは０．９Ｖとなる。一方、相電圧は約２４Ｖである。従って、ロータ位置に関係なく、相巻線７に関する電圧方程式は、誘起及び逆起電力の項に支配される。第２に、定常モードで作動する場合、コントローラ１３は、逆起電力の立ち下がり期間の間に相巻線７をフリーホイールする。その結果、相電流は、逆起電力のゼロクロスの前の期間に減衰する。第３に、コントローラ１３は、逆起電力のゼロクロスの前に相巻線７を転流させる。転流は、必然的に相電流のゼロクロスを含む。一般的に、相電流は転流の前にゼロではなく、転流は逆起電力のゼロクロスの前に起こるので、相電流のゼロクロスは、逆起電力のゼロクロス又はその近くで発生する。その結果、抵抗の項は、逆起電力のゼロクロスで無視可能である。

速度閾値において、加速モードでの電流チョッピングの頻度は比較的低い場合がある。その結果、コントローラ１３が決定する整列位置の誤差範囲は、比較的大きい可能性がある。定常モードでは、ロータの整列位置の前に相巻線７を励起することが要求される。しかしながら、決定された整列位置の誤差が比較的大きい場合、転流は、ロータの整列位置又はその後で発生することが可能である。従って、定常モードに入る前に、ロータ５の整列位置を改善した精度で実現することが必要な場合又は望ましい場合がある。従って、図８に示すように、逆起電力センサ１２は、一対の分圧器Ｒ５、Ｒ６及びＲ７、Ｒ８、差動増幅器２０、並びにゼロクロス検知器２１を備える。分圧器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の出力は増幅器２０に送られ、これは相電圧の測定値を出力する。増幅器２０の出力は、ゼロクロス検知器２１へ送られ、これは相電圧のゼロクロスに対応するエッジを有するデジタル信号を出力する。加速モードから定常モードへ移行する際に、コントローラ１３は、インバータ９の全てのスイッチＱ１−Ｑ４を開放してゼロクロス検知器２１が出力する信号を監視する。全てのスイッチの開放により、相電流は、相巻線７を通過する電流がなくなるまで、スイッチＱ１−Ｑ４のフリーホイールダイオードを通過して減衰する。この時点で、相巻線７を横切る電圧は、相巻線７が誘起する逆起電力に一致する。その結果、ゼロクロス検知器２１が出力する信号の各エッジは、逆起電力のゼロクロスに対応する。従って、コントローラ１３は、ロータの整列位置のより正確な測定値を取得する。ロータの整列位置が特定された後（即ち、ゼロクロス検知器２１が出力する信号の各エッジを検知した後）、コントローラ１３は、定常モードに切り換わり、前述の方法でモータ３を制御する。特に、コントローラ１３は逆起電力信号を監視して、逆起電力信号の立ち下がりエッジに応じて相巻線７を転流させる。

前述の実施形態において、逆起電力センサ１２は、相励起の間でのみ逆起電力のゼロクロスを検知可能である。従って、コントローラ１３は、逆起電力の各ゼロクロスの前に相巻線７を転流させることが要求される。これは問題とはみなされず、その理由は、定常モードで発生する比較的高い速度において、一般的に、各電気半サイクルにわたって十分な電流を引き起こして相巻線７に電力を供給するために、進角転流が要求されるからである。それにもかかわらず、逆起電力のゼロクロスに対して転流を同期させること又は遅らせることが望ましい場合もある。

進角、同期、又は遅角転流は、全て、前述したのと同じ制御スキームを用いて実行できる。逆起電力信号の立ち下がりエッジに応じて、コントローラ１３は、電気半サイクルの期間Ｔ＿ＨＣから相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥを減算して、転流期間Ｔ＿ＣＯＭを得る。
Ｔ＿ＣＯＭ＝Ｔ＿ＨＣ−Ｔ＿ＰＨＡＳＥ

次に、コントローラ１３は、立ち下がりエッジの後、時間Ｔ＿ＣＯＭで相巻線７を転流させる。その結果、コントローラ１３は、次のロータ整列位置に対して、相巻線７を相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥだけ転流させる。相期間が正であれば、転流はロータ整列位置の前で発生する（進角転流）。相期間がゼロであれば、転流はロータ整列位置で発生する（同期転流）。相期間が負であれば、転流はロータ整列位置の後で発生する（遅角転流）。

同期又は遅角転流を使用すると、ロータ整列位置は、相巻線７をフリーホイールする場合に発生する可能性がある。従って、フリーホイール中及び励起中の相電圧及び相電流を測定するために、電流センサ１１及び電圧センサ１５の別の様式が必要となる。

図９は、代替の実施形態を示し、電流センサ１１及び電圧センサ１５が異なる。制御システム４の他の全ての特徴は変更されていない。特に、逆起電力センサ１２は、増幅器１６、微分器１７、ローパスフィルタ１８、及び比較器１９を引き続き備える。

電流センサ１１は、一対の検知抵抗Ｒ１及びＲ２とマルチプレクサ２５とを備える。各抵抗Ｒ１及びＲ２は、インバータ９の下流側に配置され、一方の抵抗Ｒ２は、左から右へ励起された場合の相電流の測定値を与え、他方の抵抗Ｒ１は、右から左へ励起された場合の相電流の測定値を与える。マルチプレクサ２５は、検知抵抗Ｒ１、Ｒ２が出力する２つの信号の一方を選択する。

電圧センサ１５は、一対の分圧器Ｒ５、Ｒ６及びＲ７、Ｒ８、一対の差動増幅器２２、２３、並びにマルチプレクサ２４を備える。分圧器Ｒ５、Ｒ６及びＲ７、Ｒ８は相巻線７の両側に配置され、分圧器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の出力は、差動増幅器２２、２３へ送られる。一方の増幅器２２が出力する信号は、左から右へ励起された場合の相電圧の測定値を与え、他方の増幅器２３が出力する信号は、右から左へ励起された場合の相電圧の測定値を与える。マルチプレクサ２４は、増幅器２２、２３が出力する２つの信号の一方を選択する。

コントローラ１３が出力するＤＩＲ１信号は、両方のマルチプレクサ２４、２５に関するセレクタ入力として使用される。従って、マルチプレクサ２４、２５は、相巻線７を通過する電流の方向に従って、増幅器２２、２３の一方及び検知抵抗Ｒ１、Ｒ２の一方を選択する。分圧器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８を相巻線７の反対側に配置し、しかも検知抵抗Ｒ１、Ｒ２をインバータ９の反対側のレッグに配置することにより、フリーホイール及び励起の間に、相電圧及び相電流を検知できる。

図６の逆起電力センサ１２は、フリーホイールの間に相電圧又は相電流を検知することができない。その結果、フリーホイールの間に逆起電力信号にスプリアスエッジが生成される。一方、図９の逆起電力センサ１２は、励起及びフリーホイールの両方の間に相電圧又は相電流を検知できる。その結果、フリーホイールの間に、スプリアスエッジは生成されない。それにもかかわらず、相巻線７を転流させる際に、逆起電力信号に立ち上がりエッジが生成され続ける。立ち上がりエッジは、相巻線のインダクタンスの結果として、選択された検知抵抗Ｒ１又はＲ２を通過する電流が最初は負であるために発生する。その結果、負及びその後に正となるスパイクが、第３の信号の電圧に発生する。従って、コントローラ１３は、フリーホイール及び励起の間に逆起電力信号を監視して、逆起電力信号の立ち下がりエッジに対する時間に相巻線７を転流させる。

図１０は、図９の配置を使用した場合の、１つの電気サイクルに対する相電流、第２の信号の電圧、第３の信号の電圧、及び逆起電力信号の波形を示す。

図１１は、電流センサ１１及び電圧センサ１５が再度変更された別の代替的な実施形態を示す。

電流センサ１１は、励起及びフリーホイールの間に相電流を検知する電流変換器２６を備える。電流変換器２６が出力する信号の極性は、相巻線７を通過する電流の方向を反映する。

電圧センサ１５は、相巻線７の両側に配置された一対の分圧器Ｒ５、Ｒ６及びＲ７、Ｒ８を備え、その出力は単一の差動増幅器２２へ送られる。増幅器２２が出力する信号は、励起の方向を反映する電圧の極性を有する相電圧の測定値を与える、即ち相電圧は、相巻線７が左から右へ励起される場合は正で、右から左へ励起される場合は負である。

図９で説明した実施形態と同様に、電流センサ１１及び電圧センサ１５は、励起及びフリーホイールの両方の間に、相電流及び相電圧を検知する。しかしながら、図９の実施形態とは対照的に、電流センサ１１が出力する信号の電圧は、相巻線７を転流させる際に急激に変化しない。後述するように、これは、逆起電力センサ１２が出力する逆起電力信号に関して重要な意味をもつ。

図１２は、図１１の配置を使用した場合の、１つの電気サイクルに対する相電流、第２の信号の電圧、第３の信号の電圧、及び逆起電力信号の波形を示す。電流センサ１１が出力する第２の信号の電圧は相電流のものを鏡映することが分かる。図１０で説明した波形とは異なり、転流時点で第２の信号の電圧で急激に変化しない。その結果、第３の信号の電圧に負のスパイクはない。図１２では、第１の信号及び第３の信号の電圧は、フリーホイール時点及び転流時点で一致するように見える可能性がある。しかしながら、これは事実ではない。その代わりに、２つの信号の電圧は一緒に立ち上がり及び立ち下がる。従って、２つの信号の電圧は一致せず、逆起電力信号にエッジは生成されない。実際、図１２から明らかなように、エッジは、逆起電力信号において逆起電力のゼロクロスにのみ、即ちＶ_ph＝Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔが成立する場合にのみ生成される。従って、逆起電力信号は、従来のホール効果センサが出力する信号に近似する。

前記では相電圧及び相電流を測定するための特定の実施形態を説明した。電圧及び電流を測定する他の構成が存在することに留意されたい。例示的に、電流センサ１１は、ホール効果センサ又は他の電流変換器を備えることができる。

前述した実施形態において、逆起電力センサ１２は、コントローラ１３とは別個であり、コントローラ１３の外部にあるハードウェアで実行される。しかしながら、必要とされるハードウェアがコントローラ１３の周辺機器の一部を形成すれば、逆起電力センサ１２の１つまたはそれ以上の構成要素（例えば、増幅器１６、微分器１７、ローパスフィルタ１８、及び／又は比較器１９）はコントローラ１３の不可欠な部分を形成できると考えることができる。

逆起電力センサ１２のローパスフィルタ１８は、第３の信号に位相遅延を導入することができ、これは逆起電力信号の位相シフトにつながる。従って、フィルタ１８は、可能な限り小さな位相遅延で、第３の信号から十分なノイズを除去するように構成されている。

前記ではロータ５の位置を検知する２つのスキームを説明した。第１のスキームにおいて（加速モードで使用する）、相電流が電流限界を超えるのに必要な時間は、ロータ５の位置を決定するために使用される。第２のスキームにおいて（定常モードで使用する）、相電圧と相電流の変化率とが比較されてロータ５の位置を決定する。

第１のスキームには、何らかの追加的なハードウェアを必要とすることなく実施できるという利点がある。実際には、ホール効果センサを使用する従来のモータシステムと比較して、第１のスキームは、少なくとも１つの少ない構成要素を使用する。相電流が電流限界を超えた場合、相巻線７は、フリーホイール期間にわたってフリーホイールされる。従って、フリーホイール期間の間に相電流を検知する必要はない。その結果、第１のスキームは、相電流を検知するための単一の検知抵抗を用いて実施することができる。従って、第１のスキームは、費用効率が高いロータ位置の決定方法を提供する。

第１のスキームは、電流チョッピングに依存してロータ５の位置を決定する。さらに、電流チョッピングの頻度が分解能、結果的にロータ位置を決定する精度を決める。その結果、電流のチョッピングがまれである場合（例えば、比較的高い速度において）、決定したロータ位置の精度は比較的不十分な場合がある。第２のスキームには、ロータ５の位置を決定するために電流チョッピングに依存しないとの利点がある。その結果、ロータ位置は、ロータ速度に関係なく決定できる。決定されたロータ位置の精度は、部分的に抵抗の項ｉ_phＲ_phで定義される。好都合なことに、通常、抵抗の項は小さくて無視可能である。さらに、抵抗の項が大きくても、この項は、単に決定した整列位置の誤差を増加させるに過ぎない。それにもかかわらず、ロータに関する整列位置を引き続き決定することが可能である。第２のスキームの欠点は、スキームを実行するための追加的なハードウェアを必要とすることであり、モータシステム１のコストは必然的に高くなる。それにもかかわらず、部品コストの増加は、ホール効果センサの省略の結果として得られる組み立てコストの低減により相殺できる。

図６に説明するように、第２のスキームを実行するコストは、電圧センサ１５に関する単一の分圧器Ｒ３、Ｒ４の使用、及び電流センサ１１に関する単一の検知抵抗Ｒ１の使用により、比較的安価にすることができる。単一の分圧器Ｒ３、Ｒ４及び単一の検知抵抗Ｒ１を使用すると、ロータ５の位置は、相巻線７が励起される場合のみ検知可能である。これは、ロータ整列位置に先立って相巻線７を転流させることにより達成される。比較的低い速度において、相電流は、比較的迅速に電流限界まで立ち上がる。従って、逆起電力のゼロクロスは、相巻線７がフリーホイールされている時間に発生できる。従って、第２のスキームの特定の実施例は、費用効果があるが、比較的低い速度では適当でない場合がある。しかしながら、より低い速度では第１スキームを使用し、より高い速度では第２スキームを使用することにより、ロータ速度の全範囲にわたってモータ３を制御するための費用効率の高い解決法が得られる。

電源２は、経時的に変動する電圧を出力できる。例えば、電源２は、使用時に放電するバッテリを備えることができる。代替的に、電源２は、交流電源と、整流電圧を供給する整流器とを備えることができる。直流リンクフィルタ８の静電容量に応じて、直流リンク電圧は比較的大きなリップルをもつ場合がある。代替的に、直流リンクフィルタ８は整流電圧を平滑化するが、交流電源の正弦波電圧は、経時的にドリフトする場合がある。相巻線７の電流立ち上がり速度は相電圧の大きさに依存する。従って、第１のセンサレススキームを使用する場合、電源２の電圧の何らかの変化は、コントローラ１３が整列位置を決定する時点に影響を及ぼす場合がある。例えば、電源２の電圧が上昇するにつれて、相電流の立ち上がり速度は高くなるので、電流立ち上がり期間の長さは短くなる。同じ電流立ち上がり閾値が使用される場合、電源２の電圧変化により、整列位置をより早い時点（電圧が上昇するとき）、又はより遅い時点（電圧が低下するとき）に決定することが可能になる。従って、コントローラ１３は、電源２の電圧変化に応じて立ち上がり時間閾値を調整できる。特に、コントローラ１３は、相電圧の上昇に応じて立ち上がり時間閾値を低下させることができ、その逆も同様である。その結果、電圧範囲にわたって、高い精度で整列位置を決定することができる。

立ち上がり時間閾値の調整に加えて、コントローラ１３はまた、電源２の電圧の変化に応じて、フリーホイール期間を調整できる。例えば、電源２の電圧が低下したときは、相電流は励起中により遅い速度で立ち上がり、電流チョッピングの頻度は低下する。これを補償するために、より短いフリーホイール期間を使用できる。一般的には、コントローラ１３は、ロータ速度及び／又は供給電圧の変化に応じて、相電流の波形を良好に整形するように電流限界及び／又はフリーホイール期間を調整することができ、結果的に、モータシステム１の出力及び／又は効率が向上する。

また、コントローラ１３は、電源２の電圧に依存する速度閾値を使用できる。第１のセンサレススキームを使用する場合、整列位置の精度は電流チョッピングの頻度に依存する。電源２の電圧が低下するにつれて、相電流はより遅い速度で立ち上がるので、電流チョッピングの頻度は低下する。比較的遅い速度において、電流チョッピングの頻度は比較的高いので、電源２の電圧の低下は、整列位置の精度にそれ程影響しない。しかしながら、電流チョッピングの頻度が比較的低い、比較的速い速度において、電源２の電圧の低下は、整列位置の精度に悪影響を及ぼす場合がある。従って、供給電圧がより低い間、より遅い速度では、第２のセンサレススキームへの切り換えが望ましい場合がある。第２のセンサレススキームを使用する場合、又は図６及び図７に説明する特定の実施形態を選択する場合、ロータ５の位置は、相励起の間にのみ決定可能である。従って、コントローラ１３は、各整列位置に先立って相巻線７を転流させて、ロータ５が整列位置を通るとき、相巻線７が確実に励起されるようにする。しかしながら、コントローラ１３は、相巻線７の電流が電流限界を超える場合は常に、相巻線７をフリーホイールする。従って、ロータ５が整列位置に達する前に相電流は電流限界を超えないことが重要である。従って、定格供給電圧に関し、速度閾値及び進角期間は、ロータ５が整列位置を通過する後まで相電流が電流限界を超えないように選択される。しかしながら、電源２の電圧が上昇すれば、相電流は、より速い速度で立ち上がるので、より早い時点で電流限界に到達する。場合によれば、相電流はロータ５が整列位置に達する前に電流限界を超える可能性がある。従って、より高い供給電圧に関して、より高い速度において第２のセンサレススキームへ切り換えることが望ましい場合があり、ここでは逆起電力の大きさはより高くなる。従って、両方のセンサレススキームは、供給電圧の大きさに依存する速度閾値からの恩恵を受ける。従って、コントローラ１３は、供給電圧の大きさに依存する速度閾値を使用できる。より具体的には、コントローラ１３は、より低い供給電圧に関し、より低い速度閾値を使用できる。

前述した第１のセンサレススキームは、電流立ち上がり期間を使用してロータ５の位置を決定する。しかしながら、本出願人は、各フリーホイール期間の終わりでの相電流の大きさも同様にロータ５の位置を決定するために使用できることを見出した。前述したように、相巻線７の電流が電流限界を超える場合は常に、コントローラ１３は、相巻線７をフリーホイールする。コントローラ１３は、所定のフリーホイール期間にわたって相巻線７をフリーホイールし、この時間内に相巻線７の電流は減衰する。各フリーホイール期間にわたって相巻線７に誘起される逆起電力は、相巻線７内の電流の方向とは反対方向に作用する。従って、相電流の減衰率は、逆起電力の大きさに依存する。その結果、各フリーホイール期間の終わりでの相電流の大きさは、相巻線７の逆起電力の大きさに依存する。相巻線７に誘起される逆起電力の大きさは特にロータ５の角度位置に依存する。従って、各フリーホイール期間の終わりでの相電流の大きさは、ロータの位置を決定するために使用できる。

通常、逆起電力の波形は正弦曲線（図４及び図５に説明するように）又は台形状であり、逆起電力のゼロクロスはロータ５の整列位置で発生する。その結果、ロータ５が整列位置に近づくにつれて逆起電力の大きさは低下するので、各フリーホイール期間の終わりで相電流は大きくなる。従って、コントローラ１３は、ロータ５の位置を決定するためにこの挙動を利用できる。特に、コントローラ１３は、各フリーホイール期間の終了時での相電流の大きさを測定して、電流閾値と比較できる。相電流が電流閾値を超える場合、コントローラ１３は、ロータ５が整列位置にあると決定する。

図１３は、第１のセンサレススキームを実行する代替的方法を使用した場合の、１つの電気半サイクルに対する相電流、パワースイッチＱ１のオン／オフ信号、及び逆起電力の波形を示す。ロータ５の位置は、電流立ち上がり期間ではなく、各フリーホイール期間の終了時での相電流の大きさを用いて決定されることを除いて、波形は図４の波形に対応する。

電流立ち上がり期間を使用してロータ位置を決定する場合、電流立ち上がり閾値に関して選択される値は、コントローラ１３が決定する整列位置の精度に影響する。同様に、各フリーホイール期間の終了時での相電流の大きさを使用してロータ５の位置を決定する場合、電流閾値に関して選択される値は、決定された整列位置の精度に影響する。特に、設定した電流閾値が低すぎる場合、コントローラ１３は、ロータ５の整列位置をより早い時点で決定する可能性がある。反対に、設定した電流閾値が高すぎる場合、コントローラ１３は、ロータ５の整列位置をより遅い時点で決定する可能性がある。

ロータ速度が上昇するにつれて、電流チョッピングの頻度は低下する。また、逆起電力の大きさは、各フリーホイール期間の間に増大するので、相電流はより速い速度で減衰する。従って、ロータ５が整列位置又はその近くにある場合、フリーホイール期間の終了時での相電流の大きさは、ロータのより速い速度において低下する可能性がある。このことは、例えば、それぞれロータ速度がより遅い又はより速い図４及び図５から理解できる。ロータ速度に関係なく同じ電流閾値が使用される場合、コントローラ１３は、ロータ５がより遅いロータ速度で作動している場合はより早い時点で整列位置にあり、ロータ５がより速いロータ速度で作動している場合はより遅い時点で整列位置にあると決定する可能性が高い。従って、決定された整列位置の精度を高くするために、コントローラ１３は、ロータ速度に応じて変動する電流閾値を使用できる。特に、コントローラ１３は、上昇するロータ速度に応じて低下する電流閾値を使用できる。その結果、電流チョッピングの頻度がより高い、より遅い速度において、より高い電流閾値を使用することができる。反対に、電流チョッピングの頻度がより低い、より速い速度において、より低い電流閾値を使用することができる。その結果、整列位置は、ロータの速度範囲にわたって高い精度で決定することができる。

従って、第１のセンサレススキームを実行するために、２つの異なる方法が利用可能である。第１の方法は、電流立ち上がり期間が使用されてロータの位置を決定する。第２の方法は、フリーホイール期間の終了時での相電流の大きさを使用してロータ位置を決定する。従って、一般的に、第１のセンサレススキームは、相巻線の順次励起する段階及びフリーホイールを行う段階を含むと言うことができる。巻線は、電流限界を超える巻線の電流に応じて、所定のフリーホイール期間にわたってフリーホイールされる。次に、電流立ち上がり期間又はフリーホイール期間の終了時での相電流の大きさの何れかに対応するパラメータを測定する。次に、測定したパラメータが閾値と比較して、測定したパラメータが閾値より小さい場合（例えば、電流立ち上がり期間が立ち上がり時間閾値よりも短い）、又は閾値より大きい場合（例えば、相電流の大きさが電流閾値より大きい）、ロータは整列位置にあると決定する。

第１のセンサレススキームは、ロータ５が整列位置に近づくにつれて、電流立ち上がり期間は短くなり、フリーホイール期間の終了時での相電流の大きさが高くなるとの知見を利用する。また、本出願人は、ロータ５が非整列位置と整列位置との間の中間点又はその近くにある場合、電流立ち上がり期間は最大となること、及びフリーホイール期間の終了時での相電流の大きさは最小になることを見出した。従って、電流立ち上がり期間が立ち上がり時間閾値より小さい場合又はフリーホイール期間の終わりでの相電流が電流閾値より大きい場合、ロータが整列位置にあると決定するのではなく、代わりに、コントローラ１３は、電流立ち上がり期間が立ち上がり時間閾値より大きい場合又はフリーホイール期間の終わりでの相電流が電流閾値より小さい場合にロータが中間位置にあると決定する。従って、一般的に、測定パラメータが閾値より小さい又は閾値より大きい場合に、コントローラ１３は、ロータ５が所定位置にあると決定すると言える。

立ち上がり時間閾値又は電流閾値の適切な選択により、ロータ５に関する任意の所定位置をコントローラ１３により決定することができる。例えば、電流立ち上がり期間が立ち上がり時間閾値より小さい場合に、コントローラ１３は、ロータ５が特定位置にあると決定したとする。立ち上がり時間閾値を大きくすることにより、ロータ位置は、より早い時点で決定される。反対に、立ち上がり時間閾値を低下させることにより、ロータ位置は、より遅い時点で決定される。従って、立ち上がり時間閾値又は電流閾値の値は、ロータ５の特定の所定位置に関する比較動作（即ち、測定パラメータは閾値より小さいか又は閾値より大きいか）が満たされるように定義できる。さらに、閾値の値は、相巻線７に関する転流時点を制御するために定義できる。例えば、電流立ち上がり期間が立ち上がり時間閾値よりも小さいとの決定の直後に、コントローラ１３は、相巻線７を転流させるとする。さらに、ロータ５が整列位置にある場合に、立ち上がり時間の値を、閾値電流立ち上がり期間が立ち上がり時間閾値よりも小さくなるように最初に決定するとする。立ち上がり時間閾値の値を上昇させることにより、電流立ち上がり期間はより早い時点で立ち上がり時間閾値よりも小さくなるので、コントローラ１３は、整列位置の前で、つまり進角転流で相巻線７を転流させる。反対に、立ち上がり時間閾値の値を低下させることにより、電流立ち上がり期間はより遅い時点で立ち上がり時間閾値より小さくなるので、コントローラ１３は、整列位置の後で、つまり遅角転流で相巻線７を転流させる。従って、立ち上がり時間閾値又は電流閾値の適切な選択により、進角、同期、又は遅角転流を実現できる。結果として、このことは、転流期間Ｔ＿ＣＯＭの計算又は転流期間を測定する専用タイマを使用することなく転流時点を設定できるという利点をもたらす。

前記では第１のセンサレススキームを実行する２つの異なる方法を説明した。各方法において、コントローラ１３は相電流が電流限界を超えるまで相巻線７を励起し、これに応じて、コントローラ１３は、所定のフリーホイール期間にわたって相巻線７をフリーホイールする。以下において、第１のセンサレススキームを実行する追加的な２つの方法を説明する。第３の方法において、コントローラ１３は、所定のフリーホイール期間の使用を断念し、代わりに上限電流限界及び下限電流限界を使用する。次に、コントローラ１３は相電流が上限電流限界へ立ち上がるまで相巻線７を励起し、その時点で、コントローラ１３は、相巻線７をフリーホイールする。次に、フリーホイールは相電流が下限電流限界へ減衰するまで続き、その時点で、コントローラ１３は、再び相巻線７を励起する。次に、コントローラ１３は、相電流が下限電流限界から上限電流限界まで立ち上がるのに要する時間又は上限電流限界から下限電流限界まで立ち下がるのに要する時間を測定する。前述したように、相巻線７の逆起電力の大きさは、励起中の相電流の立ち上がり速度及びフリーホイール中の相電流の立ち下がり速度に影響を及ぼす。従って、相電流が上限電流限界へ立ち上がり又は下限電流限界へ立ち下がるのに要する時間は、ロータ５の角度位置に依存する。次に、コントローラ１３は、測定時間を閾値と比較して、測定時間が閾値よりも小さい場合又は閾値よりも大きい場合、ロータ５が所定位置にあると決定する。例えば、コントローラ１３は、測定時間が閾値より小さい場合に、ロータ５が所定位置にあると決定する。第４の方法において、コントローラ１３は、相電流が電流限界を超えるまで最初から相巻線７を励起する。次に、コントローラ１３は、所定のフリーホイール期間にわたって又は相電流が下限電流限界へ低下するまで相巻線７をフリーホイールする。フリーホイールの終了時に、コントローラ１３は、相巻線７を再び励起する。しかしながら、コントローラ１３は、相電流が電流限界を超える時間まで相巻線７を励起するのではなく、代わりに相巻線７を所定の励起期間にわたって励起する。コントローラ１３は、励起期間の終了時に相電流の大きさを測定して閾値と比較する。相巻線７の逆起電力の大きさは励起中の相電流の立ち上がり速度に影響を及ぼすので、励起期間の終わりでの相電流の大きさはロータ５の角度位置に依存する。次に、測定相電流が閾値よりも小さい場合又は大きい場合に、コントローラ１３は、ロータ５が所定位置にあると決定する。例えば、コントローラ１３は、測定相電流が閾値よりも大きい場合に、ロータ５が整列位置にあると決定できる。この第４の方法が欠点は、各励起期間の終わりでの相電流の大きさの制御が不十分なことである。その結果、相電流は、潜在的にモータシステム１の構成要素を損傷するレベルまで立ち上がる可能がある。しかしながら、この問題は、比較的短い励起期間とすることで緩和できる。

従って、第１のセンサレススキームを実行するためにいくつかの方法が利用可能である。これらの方法に関係なく、第１のセンサレススキームは、相巻線７を順次励起する段階及びフリーホイールを行う段階を含む。次に、フリーホイールの開始時又は終了時でパラメータを測定する。このパラメータは、励起又はフリーホイールの間における相巻線７の電流の変化率に依存する。例えば、パラメータは、フリーホイールの開始時又は終了時における相電流の大きさとすることができき、又はパラメータは、相電流が励起中に上限電流限界へ立ち上がり又はフリーホイール中に下限電流限界へ立ち下がるのに要する時間とすることができる。

第２のセンサレススキームは、第１の信号及び第３信号の電圧が対応する場合は常に、逆起電力信号にエッジを生成する。前記の実施形態において、２つの信号は、逆起電力にエッジがある場合、即ちロータ５が整列位置にある場合は常に電圧が一致するように調整されている。しかしながら、信号は、電圧が逆起電力波形の異なる時点、従って異なるロータ位置で一致するように調整できる。例えば、図７に説明した実施形態において、第１の信号の電圧を上昇させると、より早い時点で立ち下がりエッジが生成される。反対に、第１の信号の電圧を低下させると、より遅い時点で立ち下がりエッジが生成される。その結果、２つ信号を適切に調整することにより、ロータ５が特定の所定位置にある場合に２つの信号の電圧が一致するようにできる。

第２のセンサレススキームは、抵抗の項ｉ_phＲ_phは比較的小さくて無視できると仮定する。しかしながら、必要であれば、抵抗の項を考慮できる。例えば、逆起電力センサ１２は、電流センサ１１が出力する信号を調整してｉ_phＲ_phに比例する電圧を有する第４の信号を生成する増幅器又は他のハードウェアを備えることができる。逆起電力センサ１２はさらに、加算増幅器又は他のハードウェアを備えることがきる。加算増幅器又は他のハードウェアは、第３の信号の電圧（Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ）及び第４の信号の電圧（ｉ_phＲ_ph）を加算して、ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔに比例する電圧を有する第５の信号を生成する。次に、比較器１９は、第１の信号の電圧（Ｖ_ph）と第５の信号の電圧（ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔ）とを比較し、Ｖ_ph＝ｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔが成立する場合は常に、出力信号にエッジが生成される。従って、一般的に、第２のセンサレススキームは、Ｖ_phに比例する電圧を有する信号の生成、及びｄｉ_ph／ｄｔに依存する電圧を有する更なる信号の生成を備えることできると言える。抵抗の項ｉ_phＲ_phは無視することができ、その場合、更なる信号の電圧はＬ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔに比例する。代替的に、抵抗の項は考慮することができ、その場合、更なる信号の電圧はｉ_phＲ_ph＋Ｌ_ph・ｄｉ_ph／ｄｔに比例する。次に、２つの信号の電圧を比較し、２つ電圧が対応した場合に、ロータの所定位置が決定される。

前述した実施形態において、コントローラ１３は、インバータ９のパワースイッチＱ１−Ｑ４を制御するために、３つの制御信号（ＤＩＲ１、ＤＩＲ２、及びＦＷ＃）を生成する。パワースイッチＱ１−Ｑ４を制御するために他のスキームを使用できることを理解されたい。例示的に、コントローラ１３のプロセッサは、４つのパワースイッチＱ１−Ｑ４の各々に対して切り換え信号Ｓ１−Ｓ４を生成できる。次に、コントローラ１３の内部又は外部のハードウェアは、相電流が電流限界を超える場合は常に、論理ＨＩＧＨである電流限界信号を生成できる。電流限界信号は切り換え信号に優先するので、パワースイッチＱ１−Ｑ４の状態に関係なく、ＨＩＧＨ側スイッチＱ１、Ｑは、論理ＨＩＧＨの電流限界信号に応じて開放される。ハードウェアを使用して電流限界信号を生成すると、制御システム４が電流限界の発生に比較的迅速に応答できるという利点が得られる。

前述した実施形態において、フリーホイールは、ＨＩＧＨ側スイッチＱ１、Ｑ３を開放して、相巻線７の電流がインバータ９のＬＯＷ側ループの周りを再循環可能とすることを含む。場合によっては、フリーホイールは、代わりに、ＬＯＷ側スイッチＱ２、Ｑ４を開放して、相巻線７の電流がインバータ９のＨＩＧＨ側ループの周りを再循環可能とすることを含むことができる。従って、一般的に、フリーホイールは、相巻線７に電圧を印加しないことを意味すると理解すべきである。図９に説明した実施形態において、インバータ９のＨＩＧＨ側ループの周りのフリーホイールは望ましくない。その理由は、電流センサ１１の検知抵抗Ｒ１、Ｒ２をインバータ９の上流側に配置する必要があるからである。その結果、各抵抗Ｒ１、Ｒ２を横切る電圧がフロートして相電流の測定は困難になる。

前記では単相４極のモータ３を有するモータシステム１を参照した。しかしながら、制御システム４は同様により少ない又はより多い数の極を有するモータ３を駆動するために使用できる。単相モータ３には、比較的簡単なので安価な制御システムに使用されてモータ３を制御できる利点がある。一般的に、単相モータを制御するための既存のセンサレススキームは、電気サイクルにおいて逆起電力のゼロクロスが予想される時点で励起を停止する。その結果、モータに供給する電力は大幅に低下する。また、モータの効率は低下し及び／又はトルクリップルは上昇する場合がある。対照的に、前述したセンサレススキームは、相巻線の励起中にロータの位置を検知できる。その結果、電力、効率、又はトルクリップルに悪影響を及ぼすことなく、何れか一方のスキームを使用して単相モータを制御することができる。

前述したセンサレススキームは、単相モータで使用した場合に特別の利点があったが、多相モータに何れか一方のスキームを使用することができる。多相モータに関しては特定の相巻線が励起されない期間がある。従って、センサレススキームが相励起に依存してロータの位置を検知する場合、電流検知を１つの相巻線から別の相巻線へ切り換えることが必要であろう。

１：モータシステム
２：電源
３：モータ
４：制御システム
５：ロータ
６：ステータ
７：相巻線
８：直流リンクフィルタ
９：インバータ
１０：ゲート駆動モジュール
１１：電流センサ
１２：逆起電力センサ
１３：コントローラ
１５：電圧センサ
１６：増幅器
１７：微分器
１８：ローパスフィルタ
１９：比較器
２０：差動増幅器
２１：ゼロクロス検知器
Ｑ１−Ｑ４：パワースイッチ
Ｃ１：コンデンサ
Ｒ１、Ｒ２：検知抵抗
Ｒ３−Ｒ８：分圧器
２２、２３：分圧器
２４、２５：マルチプレクサ
２６：電流変換器

Claims (17)

1. 永久磁石モータのロータの位置を決定する方法であって、第１の速度範囲で回転している場合、第１のスキームを使用して前記ロータの位置を決定する段階と、第２の速度範囲で回転している場合、第２のスキームを使用して前記ロータの位置を決定する段階とを含み、
   前記第１のスキームは、
   前記モータの巻線を順次励起及びフリーホイールする段階と、
   励起又はフリーホイール時の前記巻線の電流の変化率に依存するパラメータを測定する段階と、
   前記測定パラメータを閾値と比較する段階と、
   前記測定パラメータが前記閾値よりも小さい場合又は大きい場合の一方において、前記ロータが所定位置にあると決定する段階とを含み、
   前記巻線は、所定の励起期間にわたって又は前記巻線の電流が上限電流限界へ立ち上がるまで励起され、前記巻線は、所定のフリーホイール期間にわたって又は前記巻線の電流が下限電流限界へ低下するまでフリーホイールされ、
   前記パラメータは、フリーホイールの開始時又は終了時の電流の大きさであるか、又は、前記パラメータは、電流が励起中に前記上限電流限界へ立ち上がり又はフリーホイール中に前記下限電流限界へ低下するのに要する時間であり、
   前記第２のスキームは、
   前記巻線にかかる電圧に比例する電圧を有する信号を生成する段階と、
   前記巻線の電流の変化率に依存する電圧を有する別の信号を生成する段階と、
   前記信号の電圧と前記別の信号の電圧とを比較する段階と、
   前記信号の電圧と前記別の信号の電圧とが一致する場合、前記ロータが所定位置にあると決定する段階とを含む、方法。
2. 前記パラメータの測定段階又は比較段階は、前記ロータが前記所定位置にあると決定した後に停止期間にわたって停止される、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法は、前記ロータの速度の変化に応じて前記停止期間を調整する段階を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記方法は、前記ロータの速度の上昇に応じて前記停止期間を減少させる段階を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記方法は、前記ロータの速度の変化に応じて前記閾値を調整する段階を含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記巻線は励起電圧で励起され、前記閾値は該励起電圧の大きさに依存する、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記巻線に誘起される逆起電力の大きさがゼロの場合、前記信号の電圧と前記別の信号の電圧とが一致する、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記別の信号を生成する段階は、前記巻線の電流に比例する電圧を有する暫定信号を生成する段階と、前記暫定信号を微分する段階とを含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記第２のスキームは、前記巻線を励起及びフリーホイールする段階と、前記信号の電圧と前記別の信号の電圧とが前記励起時にのみ一致する場合、前記ロータが所定位置にあると決定する段階とを含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記巻線は励起電圧で励起され、前記方法は、該励起電圧の大きさに依存する速度閾値を規定する段階と、前記ロータの速度が前記速度閾値を超える場合、前記第１のセンサレススキームと前記第２のセンサレススキームとを切り換える段階とを含む、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. より低い励起電圧に対してより低い速度閾値が規定される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記巻線は励起電圧で励起され、前記第１の速度範囲及び前記第２の速度範囲の少なくとも一方が、前記励起電圧の大きさにより規定される、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記第１の速度範囲の上限、及び前記第２の速度範囲の下限の少なくとも一方に関し、より高い励起電圧に応答してより高い値が規定される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の速度範囲は前記第２の速度範囲よりも小さい、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. ブラシレス永久磁石モータを制御する方法であって、
    請求項１から１４のいずれかに従って前記モータのロータの位置を決定する段階と、
    前記ロータが前記所定位置にあるとの決定に応じて前記巻線を転流させる段階と、
    を含む方法。
16. 請求項１から１５のいずれかに記載の方法を実行する、ブラシレス永久磁石モータの制御システム。
17. ブラシレス永久磁石モータと、請求項１６に記載の制御システムとを備え、前記モータが単一の相巻線を備える、モータシステム。

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