JP2002142496A - 同期モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】経済性、制御安定性に優れ常に所望のトルクを
得ることが可能な同期モータ制御装置を提供すること。 【解決手段】同期モータ１に装備されたパルス式回転位
置センサ３は、回転によりパルス信号を発生する。コン
トローラ４は低速回転時、特に、その減速時に、このパ
ルス信号のエッジタイミングにてインバータ２のスイッ
チング素子の通電制御を実施する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期モータを制御
する同期モータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロータの回転位置を検出する回転位置検
出手段を装備する同期モータでは、検出したロータ回転
位置に対応する界磁極位置を基準とする電機子電流の通
電開始位相角（以下、単に位相角ともいう）を調整して
所望のモータ特性を実現する位相角制御を行うのが一般
的である。

【０００３】回転位置検出手段としては、費用などの点
で、ロータが所定の角度位置にある場合にレベル変更す
なわち立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジが生じる
パルス信号を出力するパルス式回転位置センサを用いる
ことが通常である。

【０００４】同期モータでは、回転数により最大トルク
を発生する位相角が異なるため、位相角制御を実施する
のが通常である。

【０００５】上記パルス式回転位置センサでは、直前の
エッジ間の周期に対する直前のエッジからの遅延時間の
比率を設定することにより回転位置検出手段に対する転
流タイミング（つまり位相角）を決定している。

【０００６】本出願人の出願になる特開平８ー１４１４
５号公報は、、エンジンを始動するとともにエンジン始
動後は発電を行う同期機を開示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たエンジン始動用同期機では、エンジン始動の初期にお
けるエンジンの周期的負荷トルク変動がピストンの運動
に起因してきわめて大きいために、パルス式回転位置セ
ンサからのパルス信号に基づいて形成した位相角が実際
の位相角に対して大きくずれてしまい、必要なエンジン
始動トルクを得られない場合が生じた。

【０００８】この問題は、上記したエンジン始動用途の
みならず、低回転数時に負荷トルク変動が大きい負荷を
パルス式回転位置センサを装備した同期モータで駆動す
る場合に共通する問題であった。

【０００９】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、経済性に優れるにもかかわらず制御安定性に優れ
常に所望のトルクを得ることが可能な同期モータ制御装
置を提供することをその目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の同期モー
タ制御装置は、同期モータに装備されて前記同期モータ
の回転位置及び回転数を検出するためのパルス信号を出
力する回転位置検出手段と、内蔵するスイッチング素子
の断続により直流電力を交流電力に変換して前記同期モ
ータに給電するインバータと、前記同期モータの回転制
御のために前記パルス信号に基づいて前記スイッチング
素子を開閉制御する制御手段とを備え、前記制御手段
は、前記パルス信号のエッジから所望の位相角に相当す
る所定の遅延時間だけ遅延した転流タイミングで前記ス
イッチング素子の断続を指令する同期モータ制御装置に
おいて、前記制御手段は、回転数が所定値以下である場
合に前記遅延時間を所定値未満に抑制する位相差制限手
段を有することを特徴としている。

【００１１】本校性では、遅延時間は実質的に０とする
のが好適である。これにより、経済性及び制御安定性に
優れ、常に所望のトルクを得ることが可能な同期モータ
制御装置を実現することができる。なお、回転位置検出
手段としては、磁気センサを用いたパルス式回転位置セ
ンサなどのインクリメンタルロータリーエンコーダを用
いることができる。

【００１２】以下、更に詳しく説明する。

【００１３】上記説明したように、回転位置検出手段
は、ロータが所定の角度位置にある場合に立ち上がりエ
ッジ又は立ち下がりエッジが生じるパルス信号を出力
し、制御手段は、回転位置検出手段から入力される上記
パルス信号の上記エッジ間の周期により回転数を決定
し、上記周期に対する直前のエッジからの遅延時間の比
率によりスイッチング素子の転流タイミングを決定して
いる。

【００１４】ところが、低速で負荷トルクの変動が大き
い負荷を駆動する場合には、速度変動率が大きくなるた
め、パルス式回転位置センサの出力に基づいて決定した
位相角が本来設定されるべき位相角に対して大きな位相
角誤差をもつ場合が生じ、これにより所望のトルクを得
ることができない場合が生じる。

【００１５】これは、上記位相角が、パルス式回転位置
センサが出力するパルス信号のエッジ（立ち上がりエッ
ジ又は立ち下がりエッジ）からの遅延時間が長い時点に
設定される場合、この遅延時間中におけるロータの速度
変動が上記位相角誤差を生じさせるためである。

【００１６】そこで、本発明では、回転数が低い運転状
態では、パルス式回転位置センサが出力するパルス信号
のエッジからの遅延時間が所定値未満（たとえば実質的
に０）となる時間帯に、位相角を設定する。なお、この
位相角の設定は、算出されたパルス周期に対するパルス
信号のエッジから電機子電圧又は電流の供給開始時点ま
での遅延時間の比率により決定されることができる。し
たがって、この遅延時間が小さければ、パルス信号のエ
ッジからカウントする遅延時間内の回転数変動による位
相角誤差は当然小さくなる。

【００１７】最も好適には、遅延時間は０とされる。そ
の結果、位相角誤差を最も小さくすることができる。も
ちろん、この遅延時間は信号処理や伝送、インバータの
スイッチング素子の動作遅れなどの遅延要素を含むもの
ではない。

【００１８】本発明は要するに、パルス式回転位置セン
サから出力されるパルス信号を用いてロータ回転位置を
推定する場合、ロータ速度変動にもかかわらず、パルス
信号のエッジ近傍ではまだロータ回転位置検出誤差が小
さいので、このエッジタイミングにてインバータのスイ
ッチング素子の通電開始タイミングとすれば、あらかじ
め、この通電開始タイミングにて設定した位相角（電機
子電流ベクトルと界磁ベクトルとの間の）が実際のそれ
よりも大きくずれることがないという知見に基づくもの
である。

【００１９】なお、上記したパルス周期としては、パル
ス幅期間でもよいし、パルス間隔期間でもよいし、パル
ス幅期間とパルス間隔期間との合計であるいわゆるパル
ス周期でもよい。また、パルス幅期間（パルス信号ハイ
レベル期間）及びパルス間隔期間（パルス信号ローレベ
ル期間）をそれぞれ独立のパルス周期とすることもでき
る。いずれにせよ、パルス式回転位置センサのパルス信
号のエッジからの遅延時間が０である位相に設定される
場合、パルス周期は算出する必要はなく、したがって回
転速度変動の影響も受けない。これは、このエッジを基
準とする位相角が０であるからである。

【００２０】請求項２記載の構成は請求項１記載の同期
モータ制御装置において更に、前記位相差制限手段が、
減速率が所定値より大きい減速時に前記遅延時間を前記
所定値未満に抑制することを特徴としている。

【００２１】これにより、更に一層、制御安定性を向上
することができる。なお、電動モードでは、回転速度の
減速方向への変化は、図５において、位相角をその増大
方向へシフトさせるので、電動トルクは位相角が正しい
場合に比べて大きく低下する。

【００２２】請求項３記載の構成は請求項２記載の同期
モータ制御装置において更に、前記同期モータが、エン
ジンのクランクシャフトに結合されてエンジンに始動ト
ルクを与え、前記位相差制限手段は、前記エンジンの負
荷トルクの周期変動による前記エンジン始動開始後の少
なくとも最初の減速期間に前記遅延時間を前記所定値未
満に抑制することを特徴としている。

【００２３】内燃機関始動においては、ピストンの各行
程の推移により周期的にトルク変動し、特に圧縮行程に
おいて大きな減速すなわち速度変化が生じる。エンジン
始動初期の回転数は小さく、減速率は大きくなる。これ
に対し二回目以降の圧縮行程では、回転数が大きくなっ
ており、機械的要因からも減速率ははるかに小さくな
る。

【００２４】本発明は、この点に着目したものであり、
始動開始直後の最初の圧縮行程期間において、上記遅延
時間を所定値以下に制限するものである。これにより、
この最初の圧縮行程期間において大きな位相角誤差が発
生することを防止することができる。

【００２５】請求項４記載の構成は請求項３記載の同期
モータ制御装置において更に、前記エンジンの負荷トル
クの周期変動による前記エンジン始動開始後の二番目の
減速期間の最低回転数値未満の回転数において前記遅延
時間を前記遅延時間を所定値未満に抑制することを特徴
としている。

【００２６】これにより、更に一層、制御安定性を向上
することができる。上述したように、減速率は最初の圧
縮工程において最も大きく、二番目以降では格段に小さ
いので、位相誤差を大きくすることなく所望の位相制御
（遅延時間／パルス周期設定）を行うことができる。

【００２７】請求項５記載の構成は請求項１乃至４のい
ずれか記載の同期モータ制御装置において更に、前記回
転位置検出手段が、前記パルス信号のエッジからのカウ
ントした前記遅延時間が実質的に０である場合に前記同
期モータの電動トルクが所定値以上となる角度位置にて
前記パルス信号のエッジを出力するように設定されてい
ることを特徴としている。

【００２８】本構成によれば、遅延時間０でインバータ
のスイッチング素子への通電開始を行う場合の界磁ベク
トル位置と電機子電流ベクトルとの間の位相角を、大き
な電動トルク（本明細書では最大トルクの８０％以上）
を発生する値に設定しているため、遅延時間を０に制限
する上記位相差制限を行った場合に大きな電動トルクを
得ることができ、電動運転特にエンジン始動を円滑に実
施することができる。

【００２９】請求項６記載の構成は請求項１乃至５のい
ずれか記載の同期モータ制御装置において更に、前記位
相差制限手段が、前記エンジンの負荷トルクの周期変動
による前記エンジン始動開始後の最初の減速期間が開始
される回転数値以上に設定された所定の回転数値以上の
回転数範囲において前記抑制を実施しないことを特徴と
している。

【００３０】これにより、速やかに通常の位相制御に復
帰することができ、制御切り替えショックも小さくする
ことができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の同期モータ制御装置の好
適な実施態様を以下の実施例により具体的に説明する。

【００３２】

【実施例】本発明の同期モータ制御装置をエンジン結合
同期発電電動機の制御に適用した実施例を図１を参照し
て以下に説明する。

【００３３】（回路構成）１はインバータ、２は同期発
電電動機（本発明でいう同期モータ）、３は磁極センサ
（本発明でいう回転位置検出手段）、４はコントローラ
（本発明でいう制御手段）、５はバッテリ、６は平滑コ
ンデンサである。

【００３４】インバータ１は、各スイッチング素子にフ
ライホイルダイオードを逆並列に接続した周知の三相イ
ンバータ回路であるが、周知のであるので説明は省略す
る。

【００３５】同期発電電動機２は、通常の界磁コイル型
同期機であり、三相星形接続の電機子コイルをもつステ
ータと、界磁コイルをもつロータとを有している。この
種の同期機自体も周知の構造であるので説明を省略する
が、他の種々の種類の同期機に変更することも当然可能
である。

【００３６】この実施例では、同期発電電動機２は、エ
ンジンのクランクシャフトに直結あるいは動力伝達手段
を通じて連結されている。動力伝達手段として、ベルト
機構を採用する場合、このベルトで他の補機を連結する
ことも可能である。この場合、同期発電電動機２を後述
する位相差制限モードで電動運転すると、この位相差制
限モードと通常の位相制御モードとの切り替え期間など
において、大きなトルク変動が生じて補機運転に悪影響
を与える可能性が生じるので、上記位相差制限モードで
の電動運転は、所定回転数たとえばエンジン始動初期
（たとえば３００rpm以下）に制限することが好まし
い。

【００３７】磁極センサ３は、回転する永久磁石と、そ
の磁界が所定値を超えた場合にパルス電圧を出力するパ
ルス式回転位置センサであって、この実施例では、互い
に電気角で１２０度離れた三相のパルス信号電圧をコン
トローラ４に出力する。各相のパルス信号電圧のパルス
幅は電気角π、パルス間隔は電気角πに設定され、した
がって、パルス周期は電気角２πに設定されている。

【００３８】コントローラ４は、入力される三相のパル
ス信号電圧に基づいて同期発電電動機２を制御するため
のスイッチング素子制御信号を形成するマイクロコンピ
ュータと、マイクロコンピュータから出力される上記ス
イッチング素子制御信号を電力増幅して、インバータ１
の各スイッチング素子の制御端子に出力するドライバと
を有している。マイクロコンピュータの機能をハードウ
エア回路に置換することは当然可能である。

【００３９】（動作）次に、この同期発電電動機２によ
るエンジン始動動作（電動動作）時のコントローラ４の
制御動作を、図２に示すタイミングチャート（位相差制
限モード時）、及び、図３に示すフローチャートを参照
して以下に説明する。

【００４０】同一の位相角では電動トルクは回転数によ
り変化する。この実施例では、各磁極センサ３から出力
されるパルス信号電圧のエッジで遅延時間なしにインバ
ータ１のスイッチング素子に通電を開始する（スイッチ
ング素子をターンオン）場合に、低速回転（たとえば０
〜１００rpm以下）で最大の電動トルクが得られるよう
に、ロータの界磁極角度が磁極センサ３の上記永久磁石
に対して配置されているものとする（図７参照）。すな
わち、この実施例では、パルス信号電圧のエッジ入力タ
イミングでこのエッジに該当する相のスイッチング素子
の通電を断続する場合の電機子電流ベクトルと界磁ベク
トルとの間の位相差は電動トルク最大の位相差に設定さ
れている。

【００４１】まず、スタートとともにリセットを施し
（Ｓ１００）、磁極センサ３からの三相のパルス信号の
エッジの入力を待ち（Ｓ１０２）、入力すれば、任意の
相の前回のエッジ入力時点からのタイマのカウント値を
今回周期（現実には電気角６０度に相当する時間であ
る）として記憶し（Ｓ１０４）、このタイマをリセット
して今回のカウントを開始する（Ｓ１０６）。

【００４２】次に、回転数を算出する（Ｓ１０８）。こ
の回転数は、上記今回周期の逆数値を６倍した値である
が、便宜的に今回周期をそのまま用いてもよい。ただ
し、任意相のエッジ入力が最初であれば、今回周期は０
となってしまうのを防止するために、今回周期が０であ
れば、回転数極小すなわち周期を最大値に書き換える。

【００４３】次に、回転数が所定値（ここではエンジン
回転数換算で３００rpm）未満かどうかを調べ（Ｓ１１
０）、未満であれば、位相差制限モードに移行し（Ｓ１
１２）、以上であれば通常の位相制御モードに移行する
（Ｓ１１４）。

【００４４】Ｓ１１２の位相差制限モードでは、磁極セ
ンサ３から入力するパルス信号電圧のエッジタイミング
で遅延時間なしにインバータの対応するスイッチング素
子をターンオン、ターンオフする。パルス信号電圧と各
スイッチング素子のゲート電圧（制御端子電圧）との関
係は図２に示す通りである。これにより、大きな電動ト
ルクで、かつ位相ずれによるトルク低下を抑止しつつ、
エンジンを始動することができる。なお、この位相差制
限モードにおいて、インバータのスイッチング素子のタ
ーンオフ（通電終了）のタイミングは、磁極センサ３が
出力するパルス信号のエッジに設定したが、遅延回路な
どを用いて他のタイミングで行ってもよい。

【００４５】Ｓ１１４の位相制御モードでは、マイクロ
コンピュータに入力されるトルク要求値に基づいて位相
差を演算し、この位相差に相当するエッジからの遅延時
間でインバータ１の各スイッチング素子を断続する。こ
の位相制御モード自体は通常の制御であるので説明を省
略する。図５に、同期モータの電動トルクと位相角との
関係を示す。

【００４６】（変形態様）変形態様を図４に示すフロー
チャートを参照して以下に説明する。

【００４７】この変形態様は、上記実施例において、エ
ンジン始動開始時点（インバータ通電開始時点）から、
ピストンの各行程の推移に伴うエンジン負荷トルクの周
期変動における最初のエンジン回転数減速期間（最初の
圧縮行程）の終了までの間だけ、上記位相差制限モード
を実施するものである。これは、図６に示すように、エ
ンジン始動開始直後の最初のエンジン回転数減速期間
（最初の圧縮行程）の減速率が特に大きく、このとき位
相制御を行うと、位相ずれが大きくなって電動トルクが
低下するためである。

【００４８】具体的には、図３のフローチャートにおい
て、回転数が所定値（ここではエンジン回転数換算で３
００rpm）未満かどうかを調べ（Ｓ１１０）、以上であ
れば通常の位相制御モードに移行し（Ｓ１１４）、未満
であれば、最初のエンジン回転数減速期間（最初の圧縮
行程）が終了したかどうかを調べ（Ｓ２００）、終了し
ていなければ位相差制限モードに移行し（Ｓ１１２）、
終了していれば通常の位相制御モードに移行する（Ｓ１
１４）。

【００４９】なお、上記した最初のエンジン回転数減速
期間（最初の圧縮行程）は、あらかじめ記憶する前回周
期と上記今回周期とから算出した減速率が所定値以上で
あり、かつこれが最初の減速期間に含まれることを判定
して行う。そして、その後、この減速率が加速に転じた
点でその終了と判定する。

【００５０】（その他の変形態様１）上記変形態様で
は、最初のエンジン回転数減速期間（最初の圧縮行程）
が終了した時点で位相制御モードに変更したが、最初の
エンジン回転数減速期間（最初の圧縮行程）が開始され
る時点の所定の回転数値をあらかじめ設定しておき、エ
ンジン回転数がこの所定の回転数値を超えた時点で位相
制御モードに移行するようにしてもよい。このようにす
れば、同期発電電動機トルクに比較してエンジン負荷ト
ルクが相対的に大きく、エンジン回転数の増加率が小さ
い場合でも、早期に位相制御に移行することがなく、信
頼性が向上する。

【００５１】（その他の変形態様２）エンジンがクラッ
チを介して同期発電電動機（本発明でいう同期モータ）
２を駆動する形態の車両動力系を図８に示す。

【００５２】８はエンジン、９はクラッチ、１０、１１
は補機、１２はコンプレッサである補機１１を断続する
クラッチ、１３はベルトである。

【００５３】この態様では、たとえばアイドルストップ
などの車両停止時にクラッチ９を切り離してエンジン８
を停止させ、同期発電電動機（本発明でいう同期モー
タ）２により補機１０、１１を電動駆動する場合を示
す。

【００５４】この場合、同期発電電動機２によるエンジ
ン８の始動には、同期発電電動機２の停止状態でクラッ
チ９を繋いでから同期発電電動機２を起動してエンジン
８を始動させる場合と、同期発電電動機２を先に回転さ
せてから又は所定回転数で運転している状態でクラッチ
９を繋ぐことにより、同期発電電動機２の慣性エネルギ
ーも利用して、エンジン８の回転立ち上がりをアシスト
する構成が考えられるが、後者の場合、クラッチを接続
した直後の同期発電電動機２の減速率は大きくなるが、
この時の同期発電電動機２の回転エネルギーの減少分を
エンジン８の加速に利用できるので、速やかにエンジン
８を始動可能状態まで移行させることができるはずであ
る。

【００５５】しかしながら、この場合、同期発電電動機
２の減速率が、上述した説明のように増大し、それによ
り回転位置検出誤差が増大し、それにより電動トルクが
減少するという不具合が一層深刻となる。

【００５６】そこで、上述した実施例に記載した減速率
が大きい場合の位相差制限を行うことにより、この電動
トルク減少問題を改善して比較的小型の同期発電電動機
２の減速率は大きくなるが、この時の同期発電電動機２
により安定にエンジン始動を実現することができる。

【００５７】（その他の変形態様３）上記実施例では、
同期発電電動機（本発明でいう同期モータ）２によるエ
ンジン始動時における減速による電動トルク減少を回避
するためになされたが、アイドルストップ時において、
同期発電電動機２によるコンプレッサ（往復動型）の始
動時にも適用できることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の同期モータ制御装置を適用した同期発
電電動機の制御装置を示すブロック回路図である。

【図２】磁極センサのパルス信号とインバータのスイッ
チング素子の動作タイミングとを示すタイミングチャー
トである。

【図３】図１のコントローラのエンジン始動制御を示す
フローチャートである。

【図４】変形態様を示すフローチャートである。

【図５】同期モータの電動トルクと位相角との関係を示
すフローチャートである。

【図６】エンジン始動時のトルクの周期変動を示すタイ
ミングチャートである。

【図７】同期モータの電動トルクと位相角との関係を示
す特性図である。

【図８】アイドルストップ型動力系を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１ インバータ ２ 同期発電電動機（同期モータ） ３ 磁極センサ（回転位置検出手段） ４ コントローラ（制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H576 CC01 DD02 DD07 FF01 GG01 HA03 HB02 JJ03 JJ12 JJ18 LL09 LL41 PP01 5H590 AA01 CA07 CB03 CC01 CC18 CC24 CD03 EA01 EA10 EA13 FA05 FA08 FB07 FC22 GB05 HA11 HA27 JA02 JA09 JB15

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同期モータに装備されて前記同期モータの
   回転位置及び回転数を検出するためのパルス信号を出力
   する回転位置検出手段と、 内蔵するスイッチング素子の断続により直流電力を交流
   電力に変換して前記同期モータに給電するインバータ
   と、 前記同期モータの回転制御のために前記パルス信号に基
   づいて前記スイッチング素子を開閉制御する制御手段
   と、 を備え、 前記制御手段は、 前記パルス信号のエッジから所望の位相角に相当する所
   定の遅延時間だけ遅延した転流タイミングで前記スイッ
   チング素子の断続を指令する同期モータ制御装置におい
   て、 前記制御手段は、 回転数が所定値以下である場合に前記遅延時間を所定値
   未満に抑制する位相差制限手段を有することを特徴とす
   る同期モータ制御装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の同期モータ制御装置におい
   て、 前記位相差制限手段は、減速率が所定値より大きい減速
   時に前記遅延時間を前記所定値未満に抑制することを特
   徴とする同期モータ制御装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の同期モータ制御装置におい
   て、 前記同期モータは、 エンジンのクランクシャフトに結合されてエンジンに始
   動トルクを与え、 前記位相差制限手段は、 前記エンジンの負荷トルクの周期変動による前記エンジ
   ン始動開始後の少なくとも最初の減速期間に前記遅延時
   間を前記所定値未満に抑制することを特徴とする同期モ
   ータ制御装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の同期モータ制御装置におい
   て、 前記位相差制限手段は、 前記エンジンの負荷トルクの周期変動による前記エンジ
   ン始動開始後の二番目の減速期間の最低回転数値未満の
   回転数において前記遅延時間を前記遅延時間を所定値未
   満に抑制することを特徴とする同期モータ制御装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか記載の同期モー
   タ制御装置において、 前記回転位置検出手段は、 前記パルス信号のエッジからのカウントした前記遅延時
   間が実質的に０である場合に前記同期モータの電動トル
   クが所定値以上となる角度位置にて前記パルス信号のエ
   ッジを出力するように設定されていることを特徴とする
   同期モータ制御装置。
6. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれか記載の同期モー
   タ制御装置において、 前記位相差制限手段は、 前記エンジンの負荷トルクの周期変動による前記エンジ
   ン始動開始後の最初の減速期間が開始される回転数値以
   上に設定された所定の回転数値以上の回転数範囲におい
   て前記抑制を実施しないことを特徴とする同期モータ制
   御装置。