(57)【要約】【課題】【解決手段】低速から高速の全速度範囲に渡る動作を単独で可能にするセンサレスモータ制御アルゴリズム。この「融合」アルゴリズムは、高速および低速センサレスアルゴリズムそれぞれによって生成された位置データをシームレスに融合する。結果的に生じるセンサレスドライブは、ＰＭモータの全速度範囲に渡って、有効な位置センサレス動作を可能にする。【選択図】図６
2007518390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブであって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領し、前記ＰＭモータのロータ位置を決定し、ゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成する制御モジュールと、を備える位置センサレスドライブ。
【請求項２】
請求項１記載のドライブであって、
相対的に低い速度において、前記制御モジュールは、ロータインダクタンスの変動に基づいて前記ロータ位置を導出する、ドライブ。
【請求項３】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブであって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領し、前記ＰＭモータのロータ位置を決定し、ゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成する制御モジュールと、を備え、
相対的に低い速度において、前記制御モジュールは、ロータインダクタンスの変動に基づいて前記ロータ位置を導出し、
前記インダクタンスの変動は、
【数１】
2007518390.tif 000012
に従って決定され、ここで、
・ＶdrおよびＶqrは、直流および直交電圧であり、
・ｉdrおよびｉqrは、直流および直交電流であり、
・ωmは、ロータの機械的速度であり、
・λrは、等価磁石の磁束であり、
・Ｌは、平均ステータ巻線インダクタンスであり、
・Ｒは、ステータ抵抗であり
・ΔＬrは、突極性による、ｄ軸線とｑ軸線のインダクタンス間における一定の差である、ドライブ。
【請求項４】
請求項３記載のドライブであって、
ゼロ速度および低速において、前記制御モジュールは、前記ロータ位置の極性を決定する、ドライブ。
【請求項５】
請求項３記載のドライブであって、
相対的に高いモータ速度において、前記制御モジュールは、逆ＥＭＦに基づいて前記ロータ位置を導出する、ドライブ。
【請求項６】
請求項３記載のドライブであって、
前記制御モジュールは、更に、前記インダクタンスの変動を増幅するために、前記モータの前記ステータへの高周波励起電圧の印加を制御する、ドライブ。
【請求項７】
請求項６記載のドライブであって、
前記励起電圧は、モータ速度が増加するにつれて低減される、ドライブ。
【請求項８】
請求項７記載のドライブであって、
前記励起電圧は、
【数２】
2007518390.tif 000013
に従って制御される、ドライブ。
【請求項９】
請求項６記載のドライブであって、
前記励起電圧による電流フィードバックは、復調モジュールによって復調される、ドライブ。
【請求項１０】
請求項９記載のドライブであって、
前記復調モジュールは、フィルタと、基準フレーム変換と、ＰＬＬとを有する、ドライブ。
【請求項１１】
請求項１０記載のドライブであって、
逆ＥＭＦ観測器モジュールを備える、ドライブ。
【請求項１２】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブであって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領し、前記ＰＭモータのロータ位置を決定し、ゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成する制御モジュールと、を備え、
相対的に高いモータ速度において、前記制御モジュールは、逆ＥＭＦに基づいて当該ロータ位置を導出し、
前記ドライブは、逆ＥＭＦ観測器モジュールを備え、
推定逆ＥＭＦ値は、
【数３】
2007518390.tif 000014
によって表現される、ドライブ。
【請求項１３】
請求項１２記載のドライブであって、
前記ロータ位置は、
【数４】
2007518390.tif 000015
によって表現される、ドライブ。
【請求項１４】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブであって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領し、前記ＰＭモータのロータ位置を決定し、ゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成する制御モジュールと、を備え、
相対的に高いモータ速度において、前記制御モジュールは、逆ＥＭＦに基づいて当該ロータ位置を導出し、
前記ドライブは、逆ＥＭＦ観測器モジュールを備え、
ＰＬＬは、前記逆ＥＭＦ観測器モジュールの出力からロータ位置を抽出する、ドライブ。
【請求項１５】
請求項１記載のドライブであって、
前記制御モジュールは、
インダクタンスの変動を抽出および処理し、相対的に低い速度またはゼロ速度における位置情報を供給する第一のモジュールと、
逆ＥＭＦの変動を抽出および処理し、相対的に高い速度における位置情報を供給する第二のモジュールと、を備える、ドライブ。
【請求項１６】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブであって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領し、前記ＰＭモータのロータ位置を決定し、ゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成する制御モジュールと、を備え、
前記制御モジュールは、
インダクタンスの変動を抽出および処理し、相対的に低い速度またはゼロ速度における位置情報を供給する第一のモジュールと、
逆ＥＭＦの変動を抽出および処理し、相対的に高い速度において位置情報を供給する第二のモジュールと、を備え、
前記ロータ位置は、前記インダクタンスおよび逆ＥＭＦの変動と次のように関連し、
【数５】
2007518390.tif 000016
ここで、θeは、前記ロータの電気的位置である、ドライブ。
【請求項１７】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブであって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領し、前記ＰＭモータのロータ位置を決定し、ゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成する制御モジュールと、を備え、
前記制御モジュールは、
インダクタンスの変動を抽出および処理し、相対的に低い速度またはゼロ速度における位置情報を供給する第一のモジュールと、
逆ＥＭＦの変動を抽出および処理し、相対的に高い速度における位置情報を供給する第二のモジュールと、
前記ゼロ速度、低速、および高速のすべてについて、前記第一および第二のモジュールによって出力された位置データを合成し、前記ゼロ速度、低速、および高速のすべてについて位置データを送給する合成モジュールを備える、ドライブ。
【請求項１８】
請求項１７記載のドライブであって、
前記合成モジュールは、前記第一および第二のモジュールにそれぞれのＰＬＬを備える、ドライブ。
【請求項１９】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブを提供する方法であって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路を提供する工程と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領するステップ、前記ＰＭモータのロータ位置を決定するステップ、およびゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成するステップによって前記駆動回路を制御する工程と、を備える方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法であって、
相対的に低い速度において、前記制御する工程では、ロータインダクタンスの変動に基づいて前記ロータ位置を導出する、方法。
【請求項２１】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブを提供する方法であって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路を提供する工程と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領するステップ、前記ＰＭモータのロータ位置を決定するステップ、およびゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成するステップによって前記駆動回路を制御する工程と、を備え、
相対的に低い速度において、前記制御する工程では、ロータインダクタンスの変動に基づいて前記ロータ位置を導出し、
前記インダクタンスの変動は、
【数６】
2007518390.tif 000017
に従って決定され、ここで、
・ＶdrおよびＶqrは、直流および直交電圧であり、
・ｉdrおよびｉqrは、直流および直交電流であり、
・ωmは、ロータの機械的速度であり、
・λrは、等価磁石の磁束であり、
・Ｌは、平均ステータ巻線インダクタンスであり、
・Ｒは、ステータ抵抗であり
・ΔＬrは、突極性による、ｄ軸線とｑ軸線のインダクタンス間における一定の差である、方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法であって、
前記制御する工程では、更に、前記インダクタンスの変動を増幅するために、前記モータの前記ステータへの高周波励起電圧の印加を制御する、方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の方法であって、
前記励起電圧は、モータ速度が増加するにつれて低減される、方法。
【請求項２４】
請求項２３記載の方法であって、
前記励起電圧は、
【数７】
2007518390.tif 000018
に従って制御される、方法。
【請求項２５】
請求項２２記載の方法であって、
更に、前記励起電圧による電流フィードバックを復調する工程を備える、方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法であって、
前記復調する工程は、フィルタリングと、基準フレーム変換と、ＰＬＬによる抽出とのステップを含む、方法。
【請求項２７】
請求項２１記載の方法であって、
ゼロ速度および低速において、前記制御する工程では、前記ロータ位置の極性を決定する、方法。
【請求項２８】
請求項２１記載の方法であって、
相対的に高いモータ速度において、前記制御する工程では、逆ＥＭＦに基づいて前記ロータ位置を導出する、方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法であって、
ＰＬＬは、逆ＥＭＦ観測器モジュールの出力からロータ位置を抽出する、方法。
【請求項３０】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブを提供する方法であって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路を提供する工程と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領するステップ、前記ＰＭモータのロータ位置を決定するステップ、およびゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成するステップによって前記駆動回路を制御する工程と、を備え、
相対的に高いモータ速度において、前記制御する工程では、逆ＥＭＦに基づいて前記ロータ位置を導出し、
推定逆ＥＭＦ値は、
【数８】
2007518390.tif 000019
によって表現される、方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法であって、
前記ロータ位置は、
【数９】
2007518390.tif 000020
によって表現される、方法。
【請求項３２】
請求項１９記載の方法であって、
前記制御する工程は、
インダクタンスの変動を抽出および処理し、これに基づいて相対的に低い速度またはゼロ速度における位置情報を供給する第一のステップと、
逆ＥＭＦの変動を抽出および処理し、これに基づいて相対的に高い速度における位置情報を供給する第二のステップと、を含む、方法。
【請求項３３】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブを提供する方法であって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路を提供する工程と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領するステップ、前記ＰＭモータのロータ位置を決定するステップ、およびゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成するステップによって前記駆動回路を制御する工程と、を備え、
前記制御する工程は、
インダクタンスの変動を抽出および処理し、これに基づいて相対的に低い速度またはゼロ速度における位置情報を供給する第一のステップと、
逆ＥＭＦの変動を抽出および処理し、これに基づいて相対的に高い速度における位置情報を供給する第二のステップと、を含み、
前記ロータ位置は、前記インダクタンスおよび逆ＥＭＦの変動と次のように関連し、
【数１０】
2007518390.tif 000021
ここで、θeは、前記ロータの電気的位置である、方法。
【請求項３４】
ＰＭ同期モータ用の位置センサレスドライブを提供する方法であって、
ＰＭ同期モータを駆動する動作が可能な駆動回路を提供する工程と、
前記ＰＭ同期モータから電圧および電流情報を受領するステップ、前記ＰＭモータのロータ位置を決定するステップ、およびゼロ速度、低速、および高速のモータ速度における前記ロータ位置に基づいて、前記駆動回路を制御する制御信号を生成するステップによって前記駆動回路を制御する工程と、を備え、
前記制御する工程は、
インダクタンスの変動を抽出および処理し、これに基づいて相対的に低い速度またはゼロ速度における位置情報を供給する第一のステップと、
逆ＥＭＦの変動を抽出および処理し、これに基づいて相対的に高い速度における位置情報を供給する第二のステップと、
前記ゼロ速度、低速、および高速のすべてについて、前記第一および第二のステップによって出力された位置データを合成し、前記ゼロ速度、低速、および高速のすべてについて位置データを送給するステップと、を備える、方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法であって、
前記合成するステップでは、前記第一および第二のステップについて、それぞれのＰＬＬを利用する、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本願は、出典を明示することによりその開示内容全体を本願明細書の一部とする２００４年１月１４日提出の米国仮出願第６０／５３６，５６６号および２００４年１０月２７日提出の第６０／５３６，５６６号に基づいており、その優先権を主張する。
【０００２】
永久磁石（ＰＭ）モータは、業界で勢いを増しているように思われる。これは、効率性の増加と、ロータ内の永久磁石の存在に由来する小さなサイズとのためである。特に、正弦波逆ＥＭＦを備えたＰＭモータは、台形波逆ＥＭＦの等価物に比べ、発生するトルクリプルが大幅に少ないため、関心を集めている。同期モータは、一般に、位置に基づく制御アルゴリズムをサポートするために位置センサを含んできた。この種のモータに対する市場の需要の明らかな増加を考慮すると、制御および駆動の実施における位置センサレス技術の使用は、極めて価値のあるものとなる。実際、位置センサを除去することに伴うコスト削減は、大量生産において大きな利益源となり得る。更に、機械的位置センサは、場所を取り、過酷な環境で故障しやすいため、センサレスアルゴリズムに置き換えることで、モータドライブの信頼性を向上できる。
【０００３】
本明細書において提案されているセンサレスアルゴリズムは、二つの異なるカテゴリ、即ち、高速でのみ動作するものと、低速でのみ動作するものとに分類可能である。今日現在、全速度範囲での動作を単独で可能にするセンサレスアルゴリズムは存在しない。この事実は、ロボティクスおよび自動車用途で採用されるもの等、サーボシステムにおけるセンサレステクノロジの使用を制限する。
【０００４】
ＰＭモータに採用される高速センサレスアルゴリズムは、すべて直接的または間接的に、モータ逆ＥＭＦからの位置情報の抽出に基づいている。逆ＥＭＦは、低速では事実上存在しないため、こうした手法は、低速では機能できない。逆ＥＭＦから位置情報を抽出する手段として、様々なアルゴリズムが提案されてきた。例えば、状態観測器と、カルマンフィルタと、仮定ロータ位置と、電圧および電流測定とは、高速センサレス手法としての使用に成功してきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
低速センサレスアルゴリズムは、すべてロータの突極性により生じるステータインダクタンスの変動からの位置情報抽出に基づいている。したがって、高速センサレスアルゴリズムとは異なり、低速センサレスアルゴリズムは、突極性を示すＰＭモータでの動作に制限される。こうした突極性は、ＩＰＭ（内部永久磁石）モータの場合のように、モータの構造の特徴となる場合が多い。ＩＰＭモータにおいて、ロータの突極性により生じるステータインダクタンスの変動は、様々な種類の励起を用いることで、低速またはゼロ速度でも検出できる。検出されたステータインダクタンスの変動は、その後、位置情報の検出に使用できる。したがって、低速センサレスアルゴリズムは、ステータインダクタンスの変動の励起および検出方法により分類できる。例えば、テストパルスによる励起および電流振幅測定と、変動ベクトル励起および高周波インピーダンス測定と、変動ベクトル励起および位相測定と、回転ベクトル励起および電流復調とに基づく方法は、低速およびゼロ速度における位置の推定での利用に成功してきた。高速では必要な前提が無効となるため、こうした低速センサレスアルゴリズムは、高速では機能できない。更に、すべてが共通の限定を有しており、これにより、推定位置の極性（即ち、正または負）が未知となるため、他の手段により決定する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の問題に対応して、本発明は、モータ位置を推定するために、高速および低速センサレスアルゴリズムにより生じた情報を融合する、「融合アルゴリズム」と呼ばれる新規のアルゴリズムに関する。情報の融合はシームレスであり、結果的に生じる推定位置は、全速度範囲に渡って有効である。実験結果は、低速または高速アルゴリズムのいずれか単独で得られた誤差と比べ、殆どの速度スペクトルにおいて、この融合アルゴリズムにより得られた位置推定誤差が小さいことを示している。更に、融合アルゴリズムが、低速センサレスアルゴリズムの特徴である位置極性の問題を解消することを示している。
【０００７】
本開示は、（Ａ）説明の全体で使用されるモータのモデルと、（Ｂ）高速で位置を推定するのに利用される高速センサレスアルゴリズムと、（Ｃ）低速またはゼロ速度で位置を推定するのに利用される低速センサレスアルゴリズムと、（Ｄ）提案する融合アルゴリズムと、（Ｅ）新規の融合アルゴリズムに基づいた、システム全体の実験結果と、（Ｅ）結論とを含む。
【０００８】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照する本発明の実施形態の以下の説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
Ａ．モータの数学モデル
突極性を備えて構築されたＰＭモータは、回転基準系のｄ軸線に沿って観測されるステータインダクタンスＬと、ｑ軸線に沿って観測されるものとの間に、一定の差ΔＬrを示す。静止基準系において、この差は、ロータ位置の関数であるLにおける変動として現れる。これは、突極性を示す、図１に示したＩＰＭモータのケースである。このＩＰＭモータにおいて、磁束ΦαSは、主に低リラクタンス磁石材料の長さに沿って流れるため、遭遇するリラクタンスは磁束ΦβSよりも少ない。したがって、インダクタンスＬαは、Ｌβとは異なる。
【００１０】
このインダクタンスの変動は、モータの電気力学を定める異なる式に現れる。これらの式は、回転基準系において、（１）および（２）によって表される。
【数１】
2007518390.tif 000003
ここで、
・ＶdrおよびＶqrは、直流および直交電圧である。
・ｉdrおよびｉqrは、直流および直交電流である。
・ωmは、ロータの機械的速度である。
・λrは、等価磁石の磁束である。
・Ｌは、平均ステータ巻線インダクタンスである。
・Ｒは、ステータ抵抗である。
・ΔＬrは、突極性による、ｄ軸線とｑ軸線のインダクタンス間における一定の差である。
【００１１】
式（２）において、ΔＬrは、モータが突極性を示さない場合、ゼロになる。
【００１２】
式（１）および（２）は、静止基準系に変換できる。これにより、式（３）および（４）が生じる。
【数２】
2007518390.tif 000004
ここで、θeは、ロータの電気的位置である。
【００１３】
（３）および（４）から、静止基準系において、インダクタンス変動ΔＬrがロータ位置のシヌソイド関数になることは明らかである。したがって、低速センサレスアルゴリズムがすべきことは、この位置情報の抽出である。同様に、モータ逆ＥＭＦ λrωmも、静止基準系では、ロータ位置のシヌソイド関数になることは明らかである。高速では逆ＥＭＦが豊富であるため、高速センサレスアルゴリズムがすべきことは、この埋め込まれた位置情報の抽出である。
【００１４】
磁石の磁束に対して直角に流れるステータ電流は、式（５）によって表されるトルクを生成する。
【数３】
2007518390.tif 000005
【００１５】
ここで、Ｔmは、モータのトルクであり、Ｐは、モータ内に構築された極対数である。トルクは、（６）により表される微分方程式が定めるように、ロータを回転させる。
【数４】
2007518390.tif 000006
ここで、
・Ｊは、ロータ組立体の慣性モーメントである。
・βは、ロータとステータとの間の減衰係数である。
・ＴLは、負荷または外乱トルクである。
【００１６】
Ｂ．高速センサレスアルゴリズム
式（３）および（４）から、絶対ロータ位置情報は、モータ逆ＥＭＦの項に埋め込まれていることが分かる。そのため、高速センサレスアルゴリズムの第一の段階は、逆ＥＭＦ観測器である。ロータ突極性によるインダクタンス変動と、クロスカップリングの項を（３）および（４）において無視すると、こうした観測器を定める微分方程式は、（７）および（８）によって表される。逆ＥＭＦ観測器のブロック図を、追加として図２に示す。
【数５】
2007518390.tif 000007
ここで
・￣ｉαsは、推定モータα軸線電流である。
・￣ｉβsは、推定モータβ軸線電流である。
・ＫPは、比例定数である。
・Ｋiは、積分定数である。
【００１７】
逆ＥＭＦ観測器の出力は、式（９）によって表現される推定逆ＥＭＦ項である。
【数６】
2007518390.tif 000008
【００１８】
こうした推定逆ＥＭＦ項を前提として、ロータ位置は、式（１０）に示す逆正接関数を使用して計算できる。
【数７】
2007518390.tif 000009
【００１９】
逆正接関数は、計算集約的になる可能性があるため、実施の観点から、位相ロックループ（ＰＬＬ）を使用してロータ位置情報を抽出するのが、より実用的である。こうしたＰＬＬのブロック図を、図３に示す。ＰＬＬは、推定逆ＥＭＦ項を入力として取り込み、ロータ位置を抽出する。「ｓｉｇｎ」ブロックは、￣ωmの符号によって￣θを乗算する。ＰＬＬは、高速で有効な、絶対ロータ電気位置の推定を生成する。
【００２０】
低速およびゼロ速度では、モータ逆ＥＭＦは存在しなくなり、ＰＬＬ出力（即ち、推定ロータ位置）は、無効になる。この問題は、モータ逆ＥＭＦからの位置情報抽出に基づくすべてのセンサレスアルゴリズムに共通である。
【００２１】
Ｃ．低速センサレスアルゴリズム
低速およびゼロ速度では、モータ逆ＥＭＦは存在しない。そのため、（Ｂ）節で説明したように逆ＥＭＦ項から位置情報を抽出するのは不可能である。代わりに、絶対ロータ位置情報が同様に埋め込まれた、ロータ突極性によって生じるインダクタンス変動を利用する。式（３）および（４）から分かるように、このインダクタンス変動の振幅は、モータ電流の微分の関数である。こうした微分を増幅し、したがって、インダクタンス変動の項を観測可能にする手段として、モータを高周波電圧によって励起する。励起電圧は、図４に示したようにステータに注入する。
【００２２】
この励起によって生じる電流フィードバックは、サンプリングされ、サンプルは、図４に示した復調アルゴリズムを使用してデジタル処理される。低速では、電流フィードバックは、図５のフェーザ図によって表現できる。
【００２３】
したがって、電流は、三つの成分で構成される。第一の成分、Ｉｅjωetは、ロータの速度で回転するトルク生成電流である。第二の成分、ＩFｅjωhtは、励起周波数で順方向（即ち、反時計回り）に回転する。第三の成分、ＩBｅj(2θe-ωht-π/2)は、励起周波数で順方向（即ち、反時計回り）に回転する。しかしながら、この第三の成分は、その位相にロータ位置情報を埋め込んでいる。したがって、復調アルゴリズムの目的は、この位置情報を抽出することである。
【００２４】
復調アルゴリズムは、図４に示したように、四段階で構成される。第一の段階は、トルク生成電流を除去する帯域通過フィルタである。第二の段階は、順方向回転電流成分を除去するノッチフィルタである。第三の段階は、残りの逆方向成分を、負の励起周波数と同時に回転する基準系に変換する基準系変換である。これは、−ωhｔに対して、逆方向回転成分の依存性を除去する効果を有する。この第三の段階の出力は、ロータの絶対位置の関数として回転する単純なベクトルである。第四の最後の段階として、位相ロックループを使用して、このロータの絶対位置を抽出する。
【００２５】
図４において、電流コマンドは、モータ内で発生させるべき好適な電流の量を表す。通常、モータは、制御システムによって駆動される。制御システムは、位置コントローラ、スピードコントローラ、または電流コントローラにできる。この本発明の実施形態では、電流コントローラを使用する。電流コントローラがすべきことは、ステータにおいて発生する電流の量が命令された電流（即ち、電流コマンドが示す量）と等しくなるような形で、モータを駆動することである。言い換えると、電流コントローラにより、モータ電流は、継続的に電流コマンドの後を追う。速度コントローラの場合、モータは、モータ速度が速度コマンドの後を追うように駆動される。この原理は、位置コントローラにも該当する。
【００２６】
高速では、図５のフェーザ図が変形することに留意されたい。これは、元になる図５において無視された逆ＥＭＦの存在によるものである。そのため、高速では、逆方向回転電流成分に埋め込まれた位置の抽出は、単純ではなくなる。そのため、この低速センサレスアルゴリズムは、高速では機能しない。
【００２７】
低速では、このセンサレスアルゴリズムによって生成された推定位置は、位置極性の問題を示す。これは、抽出位置が磁極の位置であるという事実に起因する。ロータの電気的回転毎に二極（即ち、磁石のＮおよびＳ）が存在するため、抽出位置は、ロータ位置の二倍の関数となり、本体のロータ極性が失われる。（Ｄ）節では、提案する融合アルゴリズムが、この位置極性の問題を解消できることを示す。
【００２８】
Ｄ．提案する融合アルゴリズム
高速センサレスアルゴリズムは低速で機能せず、低速センサレスアルゴリズムは高速で機能しないため、全速度範囲でのセンサレス動作を可能にするように、新規の融合アルゴリズムを提案する。提案するアルゴリズムは、低速および高速センサレスアルゴリズムに由来する情報を融合する。センサレスアルゴリズムは、図６に示すように、両方とも融合アルゴリズムで利用される。図６の「融合アルゴリズム」ブロックには、図３に示した高速アルゴリズム用のＰＬＬが組み込まれる。更に、この実施形態では図３に示したＰＬＬと同一にしてよい図４に示した高速アルゴリズム用のＰＬＬが組み込まれる。図６において、信号ＩsBαβは、復素指数ではなく、矩形成分によって表現された信号ＩBｅj(2θeπ/2)を表す。
【００２９】
図８のブロック図によって表現した融合アルゴリズムは、比例積分（ＰＩ）コントローラへの入力として使用される誤差信号ｅ（￣θe）を、下の式（１１）により生成する。誤差信号により、ＰＩコントローラの出力は、実際のロータ位置に収束する。融合アルゴリズムの主な目的に従って、誤差信号は、全速度範囲に渡ってシームレスに利用可能であり、任意の速度でのセンサレス動作を可能にする。提案する誤差信号は、式（１１）によって表される。追加として、図７では、推定位置の関数として、実際のロータ位置がπ／４に固定された場合についてプロットしている。
【数８】
2007518390.tif 000010
【００３０】
図７において、点線は、速度がゼロの場合の誤差信号を表す。速度が増加すると、誤差信号の形状は、プラス線および実線へと変化する。確認できるように、収束点（即ち、π／４）は、任意の速度で有効な状態を維持する。更に、図７では、ゼロ速度で二個の収束点が存在することが明らかである。これは、低速センサレスアルゴリズムを特徴付ける位置極性の問題に一致する。しかしながら、速度が増加すると、誤った収束点（即ち、−３π／４）は消滅する。このようにして、融合アルゴリズムは位置極性の問題を解消可能である。式（１１）の誤差信号を前提とすると、融合アルゴリズムは、図８のブロック図によって表現できる。上記のように、融合アルゴリズムには、両方とも図３に示した基本ＰＬＬ回路に基づいた、高速および低速アルゴリズムそれぞれのＰＬＬが組み込まれる。
【００３１】
速度が増加すると、融合アルゴリズムにより、低速センサレスアルゴリズムが必要とする励起信号の抑制が可能となる。実際、この励起信号は、自動車システム等の特定の用途において極めて望ましくない可聴ノイズを形成する。速度が増加すると、融合アルゴリズムは、ロータ位置を抽出するために、モータ逆ＥＭＦに依存する度合いが高まり、低速センサレスアルゴリズムに依存する度合いが減る。低速センサレスアルゴリズムは速度の増加と共に必要性が減少することから、可聴ノイズを減らすために、励起を次第に弱めることができる。本発明の研究において、モータの励起は、推定位置が実際の位置と等しくなる点で評価した誤差信号の微分の関数として制御した。即ち、励起振幅Ｖhは、式（１２）により制御した。
【数９】
2007518390.tif 000011
【００３２】
式（１２）は、誤差の微分を負に維持し、融合アルゴリズムの安定した収束を可能にするように、励起振幅を制御するためのものである。
【００３３】
モータ速度が増加し、これにより、モータ逆ＥＭＦが豊富になると、式（１２）の微分項は、更に負になる。これにより、励起振幅Ｖｈが減少する（即ち、高速では、励起の必要が無くなる）。励起振幅は、最小のゼロと最大のＶｈｍａｘとに制限される。モータ速度が減少すると、式（１２）の微分項は、負の度合いが小さくなる。こうした場合、励起振幅は増加する。図８Ａは、この挙動を表している。
【００３４】
Ｅ．実験結果
図９は、本節に提示した結果を得るのに使用した実験設備を示している。電子制御ユニット（ＥＣＵ）の要素は、本明細書で説明した融合アルゴリズムを実施する新規のＤＳＰを除いて従来通りである。ＲＢＥＨモータシリーズは、Ｋｏｌｌｍｏｒｇｅｎが製造している。
【００３５】
図１０および図１１は、それぞれ低速および高速で記録された推定および実際のロータ位置を示している。推定位置は、融合アルゴリズムによって生成される。これらの図から確認できるように、推定誤差は最小を維持している。
【００３６】
図１２は、融合アルゴリズムを使用して取得した推定誤差と、低速および高速センサレスアルゴリズムを単独で使用して取得した推定誤差とを、ロータ速度の関数として示している。
【００３７】
図１２から、融合アルゴリズムが、単独の低速または高速センサレスアルゴリズムより小さい推定誤差を提供することが確認できる。これは、殆どの速度範囲に当てはまる。したがって、性能の観点からすれば、低速センサレスアルゴリズムを使用して、何らかの速度閾値に達した時に、高速センサレスアルゴリズムへ急に切り替えるよりも、融合アルゴリズムを使用する方が有利である。
【００３８】
最後に、図１３は、位置極性の解消の例を示す。
【００３９】
Ｆ．結論
本明細書で説明したように、新規の融合アルゴリズムは、広い速度範囲に渡ってセンサレス動作を実現する。次の結論が導かれる。
・融合アルゴリズムは、テストしたモータの全速度範囲であるゼロから約２０００ｒ．ｐ．ｍ．の全体に渡って、有効なセンサレス動作を可能にし、任意のＰＭモータの全速度範囲に渡って同様に有効となるはずである。
・融合アルゴリズムが示す推定誤差は、単独の低速および高速センサレスアルゴリズムよりも小さい。
・融合アルゴリズムは、モータ速度が増加した際の位置極性の問題を解消する。
・融合アルゴリズムを使用することで、速度が増加した際に、可聴ノイズを低減するために、モータの励起を弱めることができる。
【００４０】
以上、本発明について、その特定の実施形態に関連して説明してきたが、他の多くのバリエーションおよび変形例とその他の用途とは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本明細書の特定の開示によって限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の原理を例示するのに使用される二極ＩＰＭモータの断面図である。
【図２】高速センサレスアルゴリズムの一部を形成する逆ＥＭＦ観測器を示すブロック図である。
【図３】高速センサレスアルゴリズムおよび本発明の他の態様において使用する位相ロックループを示すブロック図である。
【図４】低速センサレスアルゴリズムを示すブロック図である。
【図５】低速センサレスアルゴリズムにおける電流フィードバックを表すフェーザ図である。
【図６】融合アルゴリズムを示す高レベルブロック図である。
【図７】融合誤差信号を示すグラフである。
【図８】融合アルゴリズムのブロック図である。
【図８Ａ】励起振幅を表すグラフである。
【図９】実験設備を示すブロック図である。
【図１０】２７３ＲＰＭでの推定および実際の位置および値を示すグラフである。
【図１１】１０００ＲＰＭでの推定および実際の位置および値を示すグラフである。
【図１２】推定の誤差を速度の関数として示すグラフである。
【図１３】位置極性の解消の例を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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