JP2005086947A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出範囲が限られる位置検出回路を用いた場合でも、空転状態からの再始動を容易に行うことが可能な電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】 エンジンの状態から回転子の位置検出条件を満たしているか否かを判定し（ステップＳ５）、満たされていると判定した場合に、逆起電力に基づく回転子の位置推定を実行する（ステップＳ７、８）。
【選択図】 図３

Description

本発明は電動機の制御装置に関し、特に、外力によって電動機の回転子が空転される同期電動機において、その空転状態からの駆動を行う制御を行う同期電動機、例えば、同期電動機でアシスト力を付与する電動機付ターボチャージャの電動機、の制御に関する。

印加する交流電流の周波数に同期して回転する同期電動機が知られている。このような同期電動機においては、インバータにより交流電流の周波数を変えることで電動機の回転数を制御する。そして、インバータにおける電流の位相切替のタイミングは、回転子の位置に同期して行われる必要がある。回転子の位置を検出するセンサを有している場合には、そのセンサ出力を基にしてインバータの位相切替タイミングを制御して電動機の始動を行うことができる。しかし、回転子の位置検出センサを取り付けると、機構が複雑になり、製品コストも上がるため、センサのないセンサレス式のモータが広く用いられており、この種のセンサレス式同期電動機を空転状態から始動させる方法として特許文献１に記載された技術が知られている。

この技術では、回転子空転時に、インバータの半導体スイッチング素子のうち一つをオンにして電動機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流を基にして回転子の位置を推定し、電動機の起動を行うものである。
特開平１１−７５３９４号公報（段落００２３〜００４３、図３）

しかしながら、この巻線電流や電圧によって回転子の位置を推定する場合、位置検出が可能な回転数範囲が位置検出回路の仕様により制限される場合がある。回転数の下限は、発生する巻線電流が小さいことにより、上限は巻線電流の波形の乱れ等により周波数判定がしにくくなることが原因である。位置検出可能な回転数範囲を拡大しようとすると、検出回路のコストアップとなり、センサレス式モータを用いる利点が削がれることになる。

そこで本発明は、検出範囲が限られる位置検出回路を用いた場合でも、空転状態からの再始動を容易に行うことが可能な電動機の制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電動機の制御装置は、同期電動機の回転子を外力により駆動可能とした電動機の制御装置であって、電動機のコイルの逆起電力を取得する逆起電力取得手段と、この逆起電力に基づいて回転子位置を推定する回転子位置推定手段と、この回転子位置に基づいて電動機に電力を付与するインバータの作動を制御して回転子を駆動する回転子駆動手段と、回転子を駆動する外力の状態から回転子の駆動状態を推定し、この駆動状態が所定範囲内にあると推定した場合に、回転子位置推定手段による回転子位置推定を行う推定開始手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明に係る電動機の制御装置は、センサレス式の電動機を用い、外力によって電動機の回転子が空転させられている場合に、この外力の状態から推定開始手段がこの空転状態を推定し、空転状態が所定の範囲内、具体的には、回転子位置推定手段により所定の精度での位置推定が可能な範囲内、にあると推定した場合に、回転子位置推定を実行させる。

例えば、この電動機の回転子は、内燃機関に配設されるターボチャージャーの回転軸であって、外力は、排気エネルギーである。

回転子の駆動状態推定に用いられる外力の状態は、内燃機関の回転数と燃料噴射量に基づいて推定されるとよい。あるいは、回転子の駆動状態推定に用いられる外力の状態は、ターボチャージャによる過給圧と、吸入空気量に基づいて推定されるとよい。

このように、外力の状態から回転子の空転状態を推定し、回転子位置推定手段による位置推定を所定の精度で実行しうると判定した場合に、その位置推定を実行することで、回転子の位置推定を精度良く実行することができる。これにより、その後の空転状態からの電動機の再始動を確実に行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
図１は、本発明に係る電動機の制御装置を含む内燃機関の概略構成図である。ここでは、電動機としてターボチャージャのアシスト電動機を用いた場合を例に説明する。また、ここでは、筒内噴射型のガソリンエンジンを例に説明するが、吸気管内に燃料を噴射するタイプのガソリンエンジンや、ディーゼルエンジンに対しても同様に適用可能である。

このエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここでは、そのうちの１気筒のみの断面を示している。エンジン１は、インジェクタ２によってシリンダ３内のピストン４の上面に燃料を噴射するタイプのエンジンである。このエンジン１は、成層燃焼を可能とした、いわゆるリーンバーンエンジンである。すなわち、エンジン１は、吸気通路５を通過してシリンダ３内へと吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部へとインジェクタ２から燃料を噴射することで、濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させる。これによって、燃焼室全体の空気に対して少ない燃料量での燃焼を可能としている。そして、後述するターボチャージャによって、より多くの吸入空気を過給しつつ、希薄燃焼を行うことによって、燃料消費量を抑え、高出力化だけでなく低燃費化をも実現している。

シリンダ３には、吸気通路５と排気通路６が接続され、それぞれの間に設けられた吸気バルブ８と排気バルブ９によってその開閉が制御される。吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ１０、ターボユニット１１のコンプレッサ側インペラー１１ｃ、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３、吸気圧センサ１９が配置されている。一方、排気通路６上には、上流側からターボユニット１１のタービン側インペラー１１ｄ、排気浄化触媒２３が配置されている。つまり、ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６にまたがるように配置されている。

エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。ターボユニット１１は、吸気通路５側に配置される回転翼であるコンプレッサ側インペラー１１ｃ（吸気を圧縮するコンプレッサとして機能する。以下、単にコンプレッサと称する。）と、排気通路６側に配置される回転翼であるタービン側インペラー１１ｄ（排気エネルギーにより回転駆動されるタービンとして機能する。以下、単にタービンと称する。）とが共通の回転軸１１ａで連結されている。さらに、この回転軸１１ａには、回転子（永久磁石）が固定され、その周囲に固定子（鉄心に巻かれたコイル）が配置されて、回転軸を出力軸とする電動機１１ｂを構成する。この電動機１１ｂは、インバータ２１に電気的に接続された同期式の交流モータであり、回転軸１１ａを入力軸とする発電機としても機能する。固定子は、三相交流に対応するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのコイルを有している。そして、インバータ２１はバッテリ２２に電気的に接続されている。

図２は、このインバータ２１まわりの詳細を説明するブロック図である。インバータ２１の内部には、電動機１１ｂのＵ相コイルに対応するスイッチング素子対ＳＷ_１１、ＳＷ_１２と、還流ダイオード対ＢＤ_１１、ＢＤ_１２を有する。さらに、Ｖ相コイルに対応するスイッチング素子対ＳＷ_２１、ＳＷ_２２と、還流ダイオード対ＢＤ_２１、ＢＤ_２２、ならびに、Ｗ相コイルに対応するスイッチング素子対ＳＷ_３１、ＳＷ_３２と、還流ダイオード対ＢＤ_３１、ＢＤ_３２を備えている。

バッテリ２２の電源電圧は、各スイッチング素子対ＳＷと、還流ダイオード対ＢＤの両端に印加されている。そして、各スイッチング素子対ＳＷのオン・オフを切り替えることで、電動機１１ｂのＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルにより生ずる磁界を制御して、電動機１１ｂの回転軸１１ａを所望の速度で回転させることが可能となる（本発明に係る回転子駆動手段である）。

モータコントロール回路１６ａは、電動機１１ｂのＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルそれぞれの両端に生ずる電圧（以下、それぞれＵ電圧、Ｖ電圧、Ｗ電圧と称する。）を検出する機能を有している（本発明に係る逆起電力取得手段である）。そして、これらの電圧に基づいて、電動機１１ｂにおける回転子の角度位置（以下、単に回転子位置と称する。）を推定し（本発明に係る回転子位置推定手段である）、推定した位置に基づいて、インバータ２１の各スイッチング素子ＳＷのオン、オフを制御するゲート信号を発して、電動機１１ｂに付与される三相交流信号を制御する。

モータコントロール回路１６ａには、ターボコントローラ１６ｂが接続されており、モータコントロール回路１６ａからターボコントローラ１６ｂには電動機１１ｂの回転に同期したＶＯＣ信号が送られており、ターボコントローラ１６ｂからモータコントロール回路１６ａには起動信号が出力される。さらに、モータコントロール回路１６ａからインバータ２１にゲート信号を送る６本の信号ラインには、ｎｐｎ型のインバータ切断トランジスタ１６ｃのコレクタ側が接続され、このトランジスタ１６ｃのベースは、ターボコントローラ１６ｂに接続され、エミッタは接地されている。このインバータ切断トランジスタ１６ｃにより、ゲート信号を全て接地電位に切り替えることで、インバータ２１内の全スイッチを同時にオフにし、インバータ２１を非作動状態に固定することができる。

このモータコントロール回路１６ａと、ターボコントローラ１６ｂは、例えば、エンジンＥＣＵ１６内に内蔵されている。この場合、他の制御部とハード的に区分されていてもよいが、ＣＰＵを共有して、ソフト的に区分されていてもよい。もちろん、エンジンＥＣＵ１６とは、独立して設けられていてもよい。

吸気通路５上のコンプレッサ１１ｃの下流側には、空冷式のインタークーラー１２が配置されている。このインタークーラー１２は、ターボユニット１１のコンプレッサ１１ｃによる過給時の空気圧縮（圧力上昇）に伴い、温度が上昇した吸入空気を冷却することで、その容積を減らし、シリンダ３への充填効率を向上させるものである。

インタークーラー１２の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１３が配置されている。このスロットルバルブ１３は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、スロットルモータ１７によって駆動される。そして、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１８が配置されている。

クランクシャフトにはクランク角センサ２６が、アクセルペダル１４にはアクセル開度センサ１５が設けられ、エンジン制御用のエンジンＥＣＵ１６にその信号が入力されている。エンジンＥＣＵ１６には、そのほか、スロットルポジショニングセンサ１８、吸気圧センサ１９、バッテリ２２（電圧）から信号が入力され、インジェクタ２、点火プラグ７、スロットルモータ１７、インバータ２１の作動を制御する。このエンジンＥＣＵ１６は、本発明に係る内燃機関の制御装置である。

本実施形態のターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常のターボチャージャとして作動させることもできるが、電動機１１ｂによってコンプレッサ１１ｃ、タービン１１ｄを強制的に駆動することで、過給効率を上げることも可能である。特に、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだような場合に、この強制駆動を行うことでターボチャージャーの作動のタイムラグを小さくして、エンジン回転数を早期に増大させることができ、レスポンスが向上する。また、排気によってタービン１１ｄを駆動して、電動機１１ｂの入力軸である回転軸１１ａを回転させることにより、回生発電させ、発電された電力をバッテリ２２に貯めて、排気エネルギーの一部を回収することもできる。

ところで、回転軸１１ａが空転状態の場合に、電動機１１ｂによる回転軸１１ａの強制駆動を開始するためには、回転軸１１ａ（正確には、回転軸１１ａに取り付けられている電動機１１ｂの回転子）の回転に同期してインバータ２１内のスイッチング素子ＳＷのオンオフを切り替える必要がある。そのためには、回転子位置を正確に検知する必要があるが、本実施形態の電動機１１ｂは、回転子の位置検出手段を持たないセンサレス式のモータであるため、回転子位置を直接に知ることはできない。そこで、起動に際して、回転子位置を判定する必要がある。

図３は、この判定処理を含む電動機１１ｂの制御ルーチンのフローチャートである。この制御ルーチンは、車両の電源スイッチがオンにされて、エンジン１が起動されている間、モータコントロール回路１６ａにより、繰り返し実行される。

ステップＳ１では、回転子の位置検出を要するか否かを判定する。回転子の位置検出を要する場合とは、電動機１１ｂが非作動の状態で、排気エネルギーによって空転中の場合であり、かつ、電動機１１ｂによるターボユニット１１の強制駆動条件を満たしている場合である。

条件が満たされない場合には、回転子の位置を検出する必要はないと判定し、回転子位置検出フラグＦｌａｇＳＲを０にリセットして（ステップＳ２）処理を終了する。条件が満たされている場合には、回転子位置検出フラグＦｌａｇＳＲの値をチェックすることにより、すでに回転子の位置検出に成功しているか否かを判定する（ステップＳ３）。ＦｌａｇＳＲの値が１の場合には、検出済みとして、その後の処理をスキップして処理を終了する。

回転子の位置検出を要するが、位置検出が未了の場合には、ステップＳ５へと移行して、現在のエンジン１の状態が回転子の位置検出条件を満たしているか否かを判定する。モータコントロール回路１６ａによって回転子位置を精度良く測定するには、空転している回転子（回転軸１１ａ）の回転数が所定範囲内にある必要がある。これは、低回転側では、空転時に固定子のコイルに発生する電圧が小さく、精度良く測定することが困難であること、高回転側では、電圧波形が乱れたり、周波数が高くなり、やはり精度良く測定することが困難であることによる。通常、ターボユニット１１の使用回転数領域は６０００〜２０万回転／分であり、常に回転子位置を検出するには、この使用回転数領域全体での検出が必要となる。しかしながら、電動機１１ｂにより強制駆動を行う場合の初期回転数は、６０００〜１０万回転／分であることから、例えば、モータコントロール回路１６ａによって回転子位置を精度良く（例えば、±０．２度以内）検出できる回転軸１１ａの回転数が１万〜１０万回転／分の範囲で回転子位置を検出して電動駆動を実行することにより、使用回転数域全体での電動駆動が可能となる。

本実施形態では、回転軸１１ａの回転数を直接検出することはできないから、ターボユニット１１を駆動する排気エネルギーの状態、つまり、エンジン１の駆動状態からターボユニット１１がこの回転数範囲で空転されているか否かの判定を行う。具体的には、エンジン回転数と燃料噴射量、または、過給圧と空気流量が所定の範囲内にある場合に、条件を満たしていると判定する。この判定条件を満たしているか否かは、これらの情報をエンジンＥＣＵ１６からモータコントロール回路１６ａに送信して、モータコントロール回路１６ａ内で判定するほか、条件を満たしているか否かをエンジンＥＣＵ１６内で判定して、その判定結果をモータコントロール回路１６ａに送信するようにしてもよい。前者の場合には、本発明に係る推定開始手段は、モータコントロール回路１６ａであるが、後者の場合には、エンジンＥＣＵ１６とモータコントロール回路１６ａが協働して本発明に係る推定開始手段を構成する。

位置検出条件が満たされていない場合には、その後の処理をスキップして処理を終了する。位置検出条件が満たされている場合には、実際の位置検出処理に移行する。まず、ゲート信号を接地電位に固定して、各スイッチング素子ＳＷをオフにするため、インバータ切断トランジスタ１６ｃをオンにする（ステップＳ７）。次に、モータコントロール回路１６ａは、各相コイルに発生する逆起電力に基づいて回転子位置を推定する（ステップＳ９）。この回転子位置推定に際しては、回転子の回転数変動の影響を抑制するため、エンジン１の運転条件の変動が所定の範囲内にある状態で一定時間内に複数回検出を行い、その差がエンジン１の運転条件の変動から予想される所定範囲内であることを確認することが好ましい。次に、回転子位置推定に成功したか否かを判定し（ステップＳ１１）、成功した場合には、回転子位置検出フラグＦｌａｇＳＲを１にセットして（ステップＳ１３）処理を終了する。失敗した場合には、そのまま処理を終了する。

ターボユニット１１の強制駆動は、ターボコントローラ１６ｂからの起動信号により、モータコントロール回路１６ａが推定した回転子位置を基にしてゲート信号を制御して各スイッチング素子ＳＷのオンオフを切り替えることで、電動機１１ｂを所定の回転数で同期回転させることにより行う。これにより、空転状態からの電動機１１ｂの始動をスムースに行うことができる。

このように、回転子の位置推定を行う検出回路において、位置推定が可能な回転数範囲が限定される場合であっても、回転子を駆動する外力の条件、ここでは、排気エネルギーの状態であり、これはエンジン１の運転条件でもある、から位置推定が可能な回転数範囲にあることを推定して実際の回転数検出を行うことにより精度良く回転子の位置推定を行うことができ、センサレス式のモータを用いた電動機付ターボチャージャーの空転時からの始動制御が簡便かつ確実なものとなる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、電動機１１ｂの出力軸がコンプレッサ１１ｃ／タービン１１ｄの回転軸に一致していた。しかし、電動機の出力軸とコンプレッサ／タービンの回転軸が一致しないような（例えばギアなどによる減速機構を介している場合）電動機付ターボチャージャに対しても本発明は適用し得る。

さらに、電動機付ターボチャージャーのほか、駆動軸に直結した電動機を有するハイブリッド車両のように、外力で空転される電動機に対しても本発明は適用できる。

本発明に係る電動機の制御装置を含む内燃機関の概略構成図である。 図１の装置のインバータまわりの詳細を説明するブロック図である。 図１の電動機の制御ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１…エンジン、２…インジェクタ、３…シリンダ、４…ピストン、５…吸気通路、６…排気通路、７…点火プラグ、８…吸気バルブ、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボユニット、１１ａ…回転軸、１１ｂ…電動機、１１ｃ…コンプレッサ側インペラー、１１ｃ…コンプレッサ、１１ｄ…タービン側インペラー、１１ｄ…タービン、１２…インタークーラー、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセル開度センサ、１６…エンジンＥＣＵ、１６ａ…モータコントロール回路、１６ｂ…ターボコントローラ、１６ｃ…インバータ切断トランジスタ、１７…スロットルモータ、１８…スロットルポジショニングセンサ、１９…吸気圧センサ、２６…クランク角センサ、２１…インバータ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒、ＢＤ…還流ダイオード対、ＳＷ…スイッチング素子。

Claims (4)

1. 同期電動機の回転子を外力により駆動可能とした電動機の制御装置であって、
   前記電動機のコイルの逆起電力を取得する逆起電力取得手段と、
   該逆起電力に基づいて回転子位置を推定する回転子位置推定手段と、
   該回転子位置に基づいて前記電動機に電力を付与するインバータの作動を制御して回転子を駆動する回転子駆動手段と、
   回転子を駆動する外力の状態から回転子の駆動状態を推定し、該駆動状態が所定範囲内にあると推定した場合に、前記回転子位置推定手段による回転子位置推定を行う推定開始手段と、
   を備えていることを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記電動機の回転子は、内燃機関に配設されるターボチャージャーの回転軸であって、前記外力は、排気エネルギーであることを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
3. 前記回転子の駆動状態推定に用いられる外力の状態は、前記内燃機関の回転数と燃料噴射量に基づいて推定されることを特徴とする請求項２記載の電動機の制御装置。
4. 前記回転子の駆動状態推定に用いられる外力の状態は、前記ターボチャージャによる過給圧と、吸入空気量に基づいて推定されることを特徴とする請求項２記載の電動機の制御装置。

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