JP4078890B2 - 内燃機関用スタータジェネレータの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関を始動する始動用電動機（スタータモータ）とバッテリを充電する発電機（ジェネレータ）とを兼ねるスタータジェネレータを制御する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に取り付ける発電機として、磁石発電機が多く用いられている。磁石発電機は、磁石界磁回転形の回転電機であって、機関のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、機関のケース等に固定される固定子とにより構成される。固定子は、磁石回転子の磁極にギャップを介して対向させられる磁極部を有する電機子鉄心と、該電機子鉄心に巻回された電機子コイルとからなっていて、磁石回転子の回転に伴なって電機子コイルに交流電圧を誘起する。
【０００３】
磁石界磁回転形の回転電機は、その固定子に星形結線または環状結線されたｎ個（ｎは３以上の整数）の電機子コイルを設けて、回転子の位置に応じて励磁する電機子コイルを切り換える制御を行うことにより、ブラシレス電動機として動作させることができる。
【０００４】
このように、磁石界磁回転形の回転電機は、磁石発電機としても、電動機としても動作させることができるため、この回転電機を機関始動用の電動機とバッテリ充電用発電機とを兼ねるスタータジェネレータ（始動用電動機兼発電機）として動作させることが検討されている。
【０００５】
磁石界磁回転形回転電機をスタータジェネレータとして動作させるように制御する制御装置は、固定子側で磁石回転子の磁極の極性を検出して検出している磁極の極性が変化する毎にレベルが変化する位置検出信号を出力する位置検出器と、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個の上辺及びｎ個の下辺がそれぞれ構成されて正極側及び負極側の直流側端子間にバッテリが接続されるとともにｎ個の交流側端子が固定子のｎ個の外部端子にそれぞれ接続されたブリッジ形のインバータ回路と、内燃機関の始動時には該内燃機関を始動させる方向に磁石回転子を回転させるべく位置検出器の出力に基づいて決定した相の電機子コイルにバッテリから駆動電流を供給し、内燃機関が始動した後は電機子コイルからインバータ回路の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通してバッテリ側に負荷電流を供給するようにインバータ回路のスイッチ素子を制御するコントローラとにより構成される。
【０００６】
機関が始動した後スタータジェネレータを発電機として運転する際には、負荷の状況に応じて、バッテリに印加される電圧が変化し、負荷が軽いときには、バッテリに印加される電圧が上昇してバッテリ及び該バッテリに接続された負荷が破壊されるおそれがある。
【０００７】
特にスタータジェネレータにおいては、機関の始動時に大きなトルクを発生させるように電機子コイルの巻線仕様が設定されるため、機関が始動した後、発電機として動作させた際に電機子コイルに高い誘起電圧が発生し、バッテリ及び負荷に印加される電圧が過大になりやすい。
【０００８】
そこで、バッテリの両端の電圧（バッテリ電圧）を検出して、検出した電圧が設定値を超えたときに、インバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子を同時にオン状態にして電機子コイルを短絡するか、またはブリッジの下辺のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフさせて電機子コイルの出力を位相制御することにより出力電圧を調整して、バッテリ及び負荷に過電圧が印加されるのを防止することが考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロコンピュータを用いたコントローラにより制御されるスタータジェネレータにおいて、該スタータジェネレータを発電機として運転する際に、その出力電圧が設定値を超えないように調整する調整動作を行わせる際には、バッテリ電圧を検出するために、バッテリ電圧をサンプリングした後、そのサンプリング値をＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換してマイクロコンピュータに読み込む必要がある。
【００１０】
この場合、バッテリ電圧のサンプリング間隔が長いと、発電機の出力をリアルタイムで検出することができず、バッテリ及び負荷に印加される電圧の調整をきめ細かく行うことができないため、サンプリング周波数は、発電機の出力周波数に比べて十分に高くする必要がある。
【００１１】
しかしながら、バッテリ電圧をサンプリングしてマイクロコンピュータに取り込む際には、サンプルホールド時間や、Ａ／Ｄ変換器の変換時間が必要であるため、バッテリ電圧をリアルタイムで検出して、電圧調整をきめ細かく行うためには、高速のＡ／Ｄ変換器を備えた高価なコントローラを用いる必要があり、スタータジェネレータのコストが高くなるのを避けられない。
【００１２】
本発明の目的は、バッテリ電圧を高速でサンプリングすることなく、きめの細かい電圧調整を行うことができるようにした内燃機関用スタータジェネレータの制御装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、星形結線または環状結線されたｎ個（ｎは３以上の整数）の電機子コイルを有して該ｎ個の電機子コイルからｎ個の外部端子が導出された固定子とを備えたスタータジェネレータの制御装置に係わるもので、本発明においては、固定子側で磁石回転子の磁極の極性を検出して検出している磁極の極性が変化する毎にレベルが変化する位置検出信号を出力する位置検出器と、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個の上辺及びｎ個の下辺がそれぞれ構成されて正極側及び負極側の直流側端子間にバッテリが接続されるとともにｎ個の交流側端子が前記固定子のｎ個の外部端子にそれぞれ接続されたブリッジ形のインバータ回路と、内燃機関の始動時には該内燃機関を始動させる方向に磁石回転子を回転させるべく位置検出器の出力に基づいて決定した相の電機子コイルにバッテリから駆動電流を供給するようにインバータ回路のスイッチ素子に駆動信号を供給し、内燃機関が始動した後は電機子コイルからインバータ回路の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通してバッテリ側に負荷電流を供給すべくインバータ回路のスイッチ素子への駆動信号の供給を停止するインバータ制御手段と、電機子コイルから整流回路を通してバッテリと該バッテリに接続された負荷とを通して流れる負荷電流を特定する負荷電流特定手段と、磁石回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、回転速度検出手段により検出された回転速度と負荷電流特定手段により特定された負荷電流と電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングとの間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶手段と、回転速度検出手段により検出された回転速度と負荷電流特定手段により特定された負荷電流とに対して上記マップを検索して電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングを調整動作開始タイミングとして求める調整動作開始タイミング演算手段と、位置検出器が出力する位置検出信号のレベルが変化するタイミングを基準にして前記調整動作開始タイミングを検出する調整開始動作タイミング検出手段と、調整動作開始タイミングが検出されたときにインバータ回路のブリッジの上辺のスイッチ素子をオン状態にするか、またはインバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子をオン状態にして電機子コイルの出力を実質的に短絡する電圧調整手段とが設けられる。
【００１４】
上記回転速度検出手段は、例えば、位置検出器が出力する位置検出信号のレベル変化の周期から回転子の回転速度を演算により求めるように構成することができる。
【００１５】
上記負荷電流特定手段は、電機子コイルからインバータの帰還用ダイオードにより構成される整流回路を通してバッテリ側に流れる負荷電流を推定するか、または実際に検出することにより特定する手段である。
【００１６】
電機子コイルから整流回路を通してバッテリ及び負荷に流れる負荷電流は、バッテリに接続されている負荷の状態（例えば投入されている負荷の数や、負荷の種類）により推定することができる。例えば、バッテリに、複数の既知の負荷がそれぞれ専用の負荷投入用スイッチを通して接続される場合には、いずれの負荷投入用スイッチが閉じられているかを見ることにより、負荷電流を推定することができる。この場合、負荷電流特定手段は、いずれの負荷投入用スイッチが投入されているかを判定する手段により構成することができる。
【００１７】
また本発明で用いる負荷電流特定手段は、実際に流れている負荷電流を検出する手段（シャント抵抗器などの電流検出手段）により構成することもできる。
【００１８】
上記のスタータジェネレータが発電機として動作する際の出力電圧対出力電流特性は、一般的な磁石発電機の特性と同様であり、負荷電流（平均値でもよく、定格電圧印加時等の一定の条件下で流れる瞬時値などでもよい。）の増大に伴って出力電圧（波高値）が低下していく特性になる。また各負荷電流が流れたときの出力電圧は、回転速度が高い場合ほど高い値を示す。この出力電圧対出力電流特性は、予め求めることができるため、回転速度が分かり、負荷電流を特定することができれば、そのときの出力電圧の波高値を推定することができる。
【００１９】
またこの種のスタータジェネレータの制御装置では、発電機として動作した際に電機子コイルに誘起する交流電圧の波形が、固定子側の定位置で回転子の磁極の極性を検出している位置検出器の出力のレベル変化のタイミングと一定の関係を有するため、位置検出器の出力のレベル変化のタイミングから発電機の出力電圧の波形の零点を特定することができ、このようにして特定した零点と発電機の出力電圧対出力電流特性とから推定した出力電圧の波高値とに基づいて、発電機の出力電圧波形を推定することができる。
【００２０】
このように、本発明が対象とするスタータジェネレータにおいては、各負荷電流及び回転速度に対して発電機の出力電圧の波形を推定することができるため、各負荷電流と回転速度とに対して、出力電圧が設定値（制限値）を超えるタイミングを推定することができる。
【００２１】
スタータジェネレータが磁石発電機として動作しているときに、その出力電圧が設定値を超えるタイミングは、マップ演算により求めるのが好ましい。即ち、負荷電流と回転速度と出力電圧が設定値を超えるタイミングとの間の関係を与えるマップを予め作成しておいて、検出された回転速度と、推定した負荷電流とに対してこのマップを検索することにより、出力電圧が設定値を超えるタイミングを調整動作開始タイミングとして求めることができる。
【００２２】
そして、このようにして求められた調整動作開始タイミングを、位置検出器が出力する位置検出信号のレベル変化のタイミングを基準にして検出して、該調整動作開始タイミングが検出されたときに、インバータ回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ素子またはブリッジの上辺を構成するスイッチ素子を同時にオン状態にするようにすれば、電機子コイルの出力電圧が設定値を大きく超える前に電圧調整動作を開始させて、バッテリ及び負荷に印加される電圧を設定値以下に抑えることができるため、バッテリ及び負荷を過電圧から確実に保護することができる。
【００２３】
このように、本発明の制御装置においては、電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングをソフトウェア上の処理により予測して、電圧調整動作を開始させるため、バッテリ電圧をサンプリングすることなく出力電圧の調整を的確に行わせて、バッテリ及び負荷を過電圧から保護することができる。
【００２４】
本発明によれば、高いサンプリング周波数でのバッテリ電圧のサンプリング及びＡ／Ｄ変換を必要とせず、変換速度が速いＡ／Ｄ変換器を備えた高価なマイクロコンピュータを用いる必要がないため、安価なマイクロコンピュータを用いてスタータジェネレータを制御することができる。
【００２５】
上記の構成では、調整動作開始タイミングが検出されたときにインバータ回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ素子またはブリッジの上辺を構成するスイッチ素子を同時にオン状態にすることにより電機子コイルの出力を短絡して、バッテリ及び負荷に印加される電圧を制限するようにしたが、インバータ回路の交流側端子と負極側直流端子との間に、オン状態になったときに固定子の電機子コイルをインバータ回路の帰還用ダイオードを通して短絡する電圧調整用スイッチを設けて、調整動作開始タイミングが検出されたときにこの電圧調整用スイッチをオン状態にすることによりバッテリの充電を停止させるように電圧調整用スイッチ制御手段を構成してもよい。
【００２６】
また本発明の好ましい態様では、固定子のｎ個の電機子コイルの少なくとも一部とインバータ回路の対応する交流側端子との間にコイル選択用スイッチを挿入して、内燃機関を始動する際には固定子のすべての電機子コイルをインバータ回路に接続し、内燃機関が始動した後は固定子の一部の電機子コイルのみをインバータ回路に接続するようにコイル選択用スイッチを制御するコイル選択用スイッチ制御手段が更に設けられる。
【００２７】
このように構成すると、スタータジェネレータを発電機として動作させた際にバッテリ及び負荷に印加される電圧が過大になるのを抑制することができるため、電圧調整動作時に流れる短絡電流を少なくして、回路素子での発熱を抑制することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明に係わるスタータジェネレータの制御装置の全体的な構成を示したブロック図、図２は図１の要部の具体的な構成例を示した回路図である。
【００２９】
図１において１は内燃機関、２はスタータジェネレータ（ＳＧ）、３はバッテリ、４はバッテリ３とスタータジェネレータ２との間に設けられたインバータ回路、５はインバータ回路４とスタータジェネレータ２との間に挿入されたスイッチ回路、６はインバータ回路４及びスイッチ回路５を制御するコントローラ、７はバッテリ３の両端に接続された負荷である。
【００３０】
スタータジェネレータ２は、内燃機関１のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、星形結線または環状結線されたｎ個（ｎは３以上の整数）の電機子コイルを有して該ｎ個の電機子コイルからｎ個の外部端子が導出された固定子とを備えたものである。図示の例では、固定子に４個の電機子コイルが設けられていて、固定子から４個の外部端子２ａ，２b，２ｃ及び２ｄが導出されている。この例では、４個の電機子コイルがＵ，Ｖ２相の電機子コイルからなっている。
【００３１】
スタータジェネレータの固定子側には、Ｕ，Ｖ２相の電機子コイルのそれぞれに対して回転子の磁極の極性を検出して、検出している磁極がＳ極のときとＮ極のときとで異なるレベルを示す位置検出信号Ｈｕ及びＨｖを出力する位置検出器ｈｕ及びｈｖが設けられている。位置検出器ｈｕ，ｈｖは例えばホールＩＣからなっていて、図４（Ｂ）及び（Ｃ）のように矩形波状を呈する位置検出信号Ｈｕ及びＨｖを出力する。なお図４においては、横軸に時間ｔをとっている。
【００３２】
インバータ回路４は、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個（図示の例ではｎ＝４）の上辺及び下辺がそれぞれ構成されたブリッジ形の回路からなっている。図示の例では、ｎ＝４に設定されていて、各スイッチ素子がＭＯＳＦＥＴからなっている。
【００３３】
即ち、図示のインバータ回路４は、図２に示したように、ドレインが共通接続されたＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄと、これらのＭＯＳＦＥＴのドレインソース間にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤａないしＤｄとによりブリッジの上辺が構成され、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄのソースにそれぞれドレインが接続され、ソースが共通に接続されたＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｄ’と、これらに逆並列接続された帰還用ダイオードＤａ’ないしＤｄ’とによりブリッジの下辺が構成されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄのドレインの共通接続点及びＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｄ’のソースの共通接続点からそれぞれ正極側直流側端子４ｐ及び負極側の直流側端子４ｎが導出され、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄのソースとＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｄ’のドレインとの接続点からそれぞれ交流側端子４ａないし４ｄが導出されている。
【００３４】
なお図示の例では、帰還用ダイオードＤａないしＤｄ及びＤａ’ないしＤｄ’としてそれぞれＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のドレインソース間に形成された寄生ダイオードが利用されている。
【００３５】
このインバータ回路においては、帰還用ダイオードＤａないしＤｄ及びＤａ’ないしＤｄ’により、ダイオードブリッジ全波整流回路が構成され、スタータジェネレータが発電機として動作しているときにインバータ回路のスイッチ素子を構成するＭＯＳＦＥＴをオフ状態に保つと、スタータジェネレータの電機子コイルから帰還用ダイオードにより構成された整流回路を通してバッテリ側に負荷電流が供給される。
【００３６】
インバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のゲートにはそれぞれコントローラ６から駆動信号ＡないしＤ及びＡ’ないしＤ’が与えられるようになっていて、これらの駆動信号ＡないしＤ及びＡ’ないしＤ’がそれぞれ与えられたときにＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’がオン状態になる。
【００３７】
インバータ回路４の交流側端子４ａないし４ｄはそれぞれリレーの接点５ａないし５ｄを通してスタータジェネレータ２の固定子から引き出された外部端子２ａないし２ｄに接続され、直流側端子４ｐ及び４ｎはそれぞれバッテリ３の正極端子及び負極端子に接続されている。この例では、リレーの接点５ａないし５ｄによりそれぞれコイル選択用スイッチが構成され、これらのコイル選択用スイッチ群によりスイッチ回路５が構成されている。
【００３８】
バッテリ３の両端には、抵抗Ｒ１及びＲ２の直列回路からなる抵抗分圧回路が接続され、この抵抗分圧回路と抵抗Ｒ２の両端に接続されたコンデンサＣ１とによりバッテリの両端の電圧の平均値を検出する電圧検出回路８が構成されている。本実施形態では、この電圧検出回路を、機関の始動が完了したことを検出するために用いる。
【００３９】
図２に示した例では、バッテリ３に複数の負荷７ａ，７b，…７ｎがそれぞれ負荷投入用スイッチＳａ，Ｓｂ，…，Ｓｋを通して接続されていて、負荷投入用スイッチＳａ，Ｓｂ，…，Ｓｋのうちのいずれがオン状態にあるかを見ることにより、バッテリに接続されている負荷の容量を知ることができるようになっている。
【００４０】
コントローラ６はマイクロコンピュータとその入出力インターフェースとＡ／Ｄ変換器とを備えていて、コントローラ６のＡ／Ｄ変換器に抵抗Ｒ２の両端に得られる電圧検出回路８の出力電圧が入力されている。コントローラ６にはまた位置検出器ｈｕ及びｈｖがそれぞれ出力する位置検出信号Ｈｕ及びＨｖと、負荷投入用スイッチＳａ，Ｓｂ，…，Ｓｋのオンオフの状態（負荷の使用状態）を示す検出信号とが入力されている。
【００４１】
本発明においては、コントローラ６のマイクロコンピュータに所定のプログラムを実行させることにより、各種の機能実現手段を構成する。コントローラ６により実現される機能実現手段を含む制御装置の全体的な構成を図８に示した。
【００４２】
コントローラ６は、マイクロコンピュータに所定のプログラムを実行させることにより、インバータ制御手段１０と、コイル選択用スイッチ制御手段１１と、負荷電流特定手段１２と、回転速度検出手段１３と、マップ記憶手段１４と、調整動作開始タイミング演算手段１５と、調整動作開始タイミング検出手段１６と、電圧調整手段１７とを実現する。
【００４３】
インバータ制御手段１０は、機関の始動時にスタータジェネレータをブラシレス直流電動機として動作させ、機関が始動した後はスタータジェネレータを磁石発電機として動作させるようにインバータ回路を制御する手段で、以下の如くインバータ回路を制御するように構成される。
【００４４】
即ち、インバータ制御手段１０は、内燃機関の始動時に、スタータジェネレータをブラシレス直流電動機として動作させて、機関を始動させる方向に磁石回転子を回転させるべく、位置検出器ｈｕ，ｈｖが出力する位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖに基づいて決定した相の電機子コイルにバッテリ３から駆動電流を供給するようにインバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ（スイッチ素子）ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のゲートに駆動信号を供給し、内燃機関が始動した後は、磁石発電機として動作するスタータジェネレータの電機子コイルからインバータ回路の帰還ダイオードＤａないしＤｄ及びＤａ’ないしＤｄ’により構成されるダイオードブリッジ全波整流回路を通してバッテリ３及び負荷７ａ，７ｂ，…に負荷電流を供給するべく、インバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ（スイッチ素子）ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のゲートへの駆動信号の供給を停止して、これらのＭＯＳＦＥＴをオフ状態にするように構成される。
【００４５】
スタータジェネレータをブラシレス直流電動機として動作させる際のインバータ回路の制御のアルゴリズムは、一般のブラシレス直流電動機を位置検出器の出力に応じて駆動する際の制御アルゴリズムと同様でよい。
【００４６】
コイル選択用スイッチ制御手段１１は、内燃機関を始動する際に固定子のすべての電機子コイルをインバータ回路４に接続し、内燃機関が始動したことが検出された後は固定子の一部の電機子コイルのみをインバータ回路に接続するようにコイル選択用スイッチ５ａないし５ｄを制御する手段である。
【００４７】
本実施形態では、機関の始動時にすべてのコイル選択用スイッチ５ａないし５ｄをオン状態にし、電圧検出回路８の出力から機関が始動したことが検出されたときに、スイッチ回路５を構成するリレーを制御してコイル選択用スイッチ５ａ及び５ｃのみをオン状態にするようにコイル選択用スイッチ制御手段が構成される。
【００４８】
負荷電流特定手段１２は、スタータジェネレータの電機子コイルから帰還用ダイオードにより構成される整流回路を通してバッテリ３と該バッテリに接続された負荷７とを通して流れる負荷電流を特定する手段で、この負荷電流特定手段は、例えば、インピーダンスが既知の負荷７ａ，７ｂ，…をそれぞれ投入する負荷投入用スイッチＳａ，Ｓｂ，…のオンオフの状態を検出する手段により構成することができる。この負荷電流特定手段が特定する負荷電流は、平均値でもよく、電機子コイルの出力電圧が設定値に等しいときに流れる負荷電流の瞬時値等でもよい。
【００４９】
回転速度検出手段１３は、スタータジェネレータの磁石回転子の回転速度（内燃機関の回転速度）を演算により求める手段で、この手段は例えば、位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖがレベルの変化を示すタイミング間の時間から演算により回転速度を求めるように構成することができる。位置検出器から図４（Ｂ）及び（Ｃ）のような位置検出信号Ｈｕ及びＨｖが得られる場合には、位置検出信号Ｈｕの立上がりから立下がりまでの時間や、位置検出信号Ｈｕの立上がりから位置検出信号Ｈｖの立上がりまでの時間などから回転速度を演算することができる。
【００５０】
マップ記憶手段１４は、スタータジェネレータ２の磁石回転子の回転速度と負荷電流特定手段により特定された負荷電流と電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングとの間の関係を与えるマップを記憶する手段で、このマップ記憶手段は、マイクロコンピュータのＲＯＭ（不揮発性メモリ）やＥＥＰＲＯＭ（書き換えが可能な不揮発性メモ）により構成される。
【００５１】
磁石発電機においては、電機子コイルの出力電圧（最大値）Ｖが、負荷電流Ｉに対して図５に示すように変化し、各負荷電流Ｉに対する出力電圧Ｖは回転速度Ｎ［ｒｐｍ］の上昇に伴って高くなっていく。図５において、符号Ｎ１，Ｎ２，…，Ｎ８が付された曲線はそれぞれ回転速度ＮがＮ１，Ｎ２，…，Ｎ８（Ｎ１＜Ｎ２＜…＜Ｎ８）のときの出力電圧対負荷電流特性である。図５において、負荷電流がＩ１で、回転速度がＮ１，Ｎ２，…，Ｎ８のときの出力電圧の最大値をそれぞれＶ11，Ｖ21，Ｖ31，…，Ｖ81とし、負荷電流がＩ２で、回転速度がＮ１，Ｎ２，…，Ｎ８のときの出力電圧をそれぞれＶ12，Ｖ22，…，Ｖ82（以下同じ）のように、回転速度と負荷電流とに関連させた添え字を付して出力電圧Ｖを表すと、図５の特性は、図６に示したようなマップで表すことができ、このマップを用いて各負荷電流及び回転速度における出力電圧の波高値を求めることができる。
【００５２】
またこの種のスタータジェネレータの制御装置では、発電機として動作した際に電機子コイルに誘起する交流電圧の波形が、固定子側の定位置で回転子の磁極の極性を検出している位置検出器の出力のレベル変化のタイミングと一定の関係を有するため、位置検出器の出力のレベル変化のタイミングから発電機の出力電圧の波形の零点を特定することができ、このようにして特定した零点と図６に示したマップから求めた出力電圧の波高値とに基づいて、発電機の出力電圧波形を推定することができる。
【００５３】
本発明においては、このようにして推定した発電機の出力電圧の波形に基づいて発電機の出力電圧が設定値を超えるタイミングを調整動作開始タイミングとして求め、この調整動作開始タイミングが検出されたときに発電機の出力を短絡する電圧調整動作を行わせる。
【００５４】
そのため、本発明においては、負荷電流と回転速度と上記調整動作開始タイミングとの関係を与えるマップを作成しておいて、負荷電流と回転速度とに対してこのマップを検索することにより調整動作開始タイミングを演算する。
【００５５】
図４（Ａ）は、本実施形態のスタータジェネレータを発電機として動作させた際に電機子コイルが出力する交流電圧の全波整流波形を示したものである。この例では、発電機の出力電圧の零点が位置検出信号Ｈｕの立上がり及び立下がりのタイミングに一致しているため、位置検出信号Ｈｕがレベル変化を示すタイミングを発電機の出力電圧の零点とすることができ、位置検出信号Ｈｕの信号幅に相当する期間ＲＥＶＤＡＴを出力電圧の半波の期間とすることができる。本実施形態では、出力電圧の全波整流波形の半波の期間ＲＥＶＤＡＴを１８０の単位タイミングに分割して、いずれのタイミングで出力電圧が設定値Ｖｓを超えるかを推定する。そのため、出力電圧の零点から該出力電圧が設定値を超えるまでの期間をＳＨＣＮＴとして、図７に示すように、負荷電流Ｉと回転速度ＮとＳＨＣＮＴとの間の関係を与えるマップを作成し、このマップをマップ記憶手段１４に記憶させておく。図７においてＩ１，Ｉ２，…，Ｉ８は負荷電流を示し、Ｎ１，Ｎ２，…，Ｎ８は回転速度を示している。同図に示された８０，６５，５０等の数値は、各負荷電流及び回転速度におけるＳＨＣＮＴの値を示し、−印が付された欄は、発電機の出力電圧が設定値に達していないことを示している。
【００５６】
図８に示した調整動作開始タイミング演算手段１５は、負荷電流特定手段１２により特定された負荷電流と回転速度検出手段１３により検出された回転速度とに対して図７のマップを検索して、電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングＳＣＨＮＴを調整動作開始タイミングとして求める。
【００５７】
また調整動作開始タイミング検出手段１６は、調整動作開始タイミングＳＨＣＮＴを用いて下記の（１）式により、位置検出信号がレベル変化を示すタイミングから調整開始動作タイミングまでの時間ＳＨＴＤＡＴを演算する。
【００５８】
ＳＣＨＤＡＴ＝ＲＥＶＤＡＴ＊｛（９０＋ＳＨＴＣＮＴ）／１８０｝…（１）
上記（１）式において＊は乗算記号を示している。
【００５９】
調整動作開始タイミング検出手段１６は、位置検出信号Ｈｖが検出されたときに上記（１）式により求められたＳＣＨＤＡＴをマイクロコンピュータのタイマに設定して図４（Ｄ）に示したようにその計時動作を開始させ、該タイマが計時動作を終了したときに調整動作開始タイミングを検出する。
【００６０】
本実施形態においては、位置検出信号Ｈｂのレベル変化が検出される毎にマイクロコンピュータに図１０に示した割り込みルーチンを実行させることにより、調整動作開始タイミング演算手段１５と、調整動作開始タイミング検出手段１６とを実現する。図１０に示した割り込みルーチンにおいては、先ずステップ１において前回の割り込み時に演算されたＳＨＴＣＮＴから（１）式を用いてＳＨＴＤＡＴを演算し、ステップ２でＳＨＴＤＡＴをタイマ１にセットして該タイマ１の計時動作を開始させる。次いでステップ３で負荷電流Ｉと回転速度Ｎとに対して調整動作開始タイミングＳＨＴＣＮＴをマップ演算してメインルーチンに戻る。図１０に示したアルゴリズムに従う場合には、ステップ１及びステップ２により調整動作開始タイミング検出手段１６が構成され、ステップ３により調整動作開始タイミング演算手段１５が構成される。
【００６１】
電圧調整手段１７は、調整動作開始タイミングが検出されたときにインバータ回路４のブリッジの上辺のスイッチ素子ＦａないしＦｄまたはインバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子Ｆａ’ないしＦｄ’を同時に駆動信号を与える。
【００６２】
本実施形態では、前記タイマ１が計時動作を終了したときに図１１に示すタイマ１割り込みルーチンを実行する。この割り込みルーチンでは、ステップ１において位置検出信号Ｈｕの信号幅ＲＥＶＤＡＴからＳＨＴＣＮＴを減算することにより求めた値（電圧調整時にインバータのスイッチ素子に与える駆動信号の信号幅）をタイマ２にセットして該タイマの計時動作を開始させた後、ステップ２でインバータの下辺のスイッチ素子Ｆａ’ないしＦｄ’のうち、負荷に通電している電機子コイルにつながるスイッチ素子Ｆａ’及びＦｃ’に同時に駆動信号Ａ’及びＣ’を与える。これによりスイッチ素子Ｆａ’及びＦｃ’を同時にオン状態にして、これらのスイッチ素子の一方と、他方のスイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとを通して負荷に通電している電機子コイルを実質的に短絡する。これにより、電機子コイルの出力電圧を低下させ、バッテリ及び負荷に印加される電圧を設定値以下に低下させる。
【００６３】
またタイマ２が計時動作を終了したとき（電圧調整のためにスイッチ素子に駆動信号を与える期間が終了したとき）に、図１２に示した割り込みルーチンを実行させて、インバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子への駆動信号の供給を停止する。
【００６４】
本実施形態では、図１１の割り込みルーチンと図１２の割り込みルーチンとにより、調整動作開始タイミングが検出されたときにインバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子をオン状態にして電機子コイルの出力を実質的に短絡する電圧調整手段１７が構成される。
【００６５】
上記の実施形態では、調整動作開始タイミングが検出されたときにインバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子に同時に駆動信号を与えているが、インバータ回路のブリッジの上辺のスイッチ素子に同時に駆動信号を与えることにより電圧調整動作を行わせてもよい。
【００６６】
また上記の実施形態では、インバータ回路のブリッジの上辺のスイッチ素子または下辺のスイッチ素子に同時に駆動信号を与えることにより電圧調整動作を行わせているが、インバータ回路を構成するスイッチ素子とは別に設けた電圧調整用スイッチに駆動信号を与えることにより電機子コイルの出力を短絡して電圧調整動作を行わせるようにしてもよい。
【００６７】
図３は、インバータ回路を構成するスイッチ素子とは別に電圧調整用スイッチを設けた例を示したもので、この例では、インバータ回路４の交流側端子４ａないし４ｄのうち、発電機として動作する際に負荷電流が流れる交流側端子４ａ及び４ｃと負極性の直流側端子４ｎとの間にそれぞれアノードを交流側端子４ａ及び４b側に向けたサイリスタＴha及びＴhcが接続され、これらのサイリスタＴha及びＴhcのゲートにそれぞれ抵抗Ｒａ及びＲｂを通してＰＮＰトランジスタＴＲ１のコレクタが接続されている。トランジスタＴＲ１のエミッタは正極性の直流側端子４ｐに接続され、トランジスタＴＲ１のベースはコントローラ６の出力ポートに接続されている。この例では、サイリスタＴha及びＴhbにより電圧調整用スイッチ２０が構成され、トランジスタＴＲ１により、電圧調整用スイッチの駆動回路２１が構成されている。その他の点は図２に示した実施形態と同様に構成されている。
【００６８】
図３に示した例において、調整動作開始タイミングが検出される前の状態では、コントローラ６がトランジスタＴＲ１をオフ状態に保持している。このときサイリスタＴha及びＴhbにはトリガ信号が与えられないため、これらのサイリスタはオフ状態にある。従ってスタータジェネレータの電機子コイルが短絡されることはなく、電機子コイルからインバータ回路４の帰還用ダイオードにより構成された整流回路を通してバッテリ３及び負荷７に電流が供給される。電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるようになって、調整動作開始タイミングが検出されると、コントローラ６がトランジスタＴＲ１をオン状態にするため、サイリスタＴha及びＴhbにトリガ信号が与えられ、これらのサイリスタがオン状態にされる。従って、スタータジェネレータの電機子コイルがサイリスタＴha及びＴhbを通して短絡され、バッテリ３及び負荷に印加される電圧が低下させられる。
【００６９】
図３に示したように、インバータ回路と別に電圧調整用スイッチが設けられる場合の制御装置の全体的な構成を図９に示した。このように、インバータ回路と別に電圧調整用スイッチが設けられる場合には、調整動作開始タイミングが検出されたときに電圧調整用スイッチをオン状態にするように電圧調整手段１７が構成される。
【００７０】
上記の例では、負荷の状態から負荷電流を推定することによりバッテリ及びその負荷に流れる負荷電流を特定するようにしたが、負荷電流の通電路にシャント抵抗器などの負荷電流検出手段を設けて、実際に流れている負荷電流を検出することにより負荷電流を特定するようにしてもよい。
【００７１】
上記の実施形態では、スタータジェネレータのすべての電機子コイルとインバータ回路の対応する交流側端子との間にそれぞれコイル選択用スイッチを挿入したが、スタータジェネレータを発電機として運転する際にインバータ回路から切り離す一部の電機子コイルとインバータ回路の対応する交流側端子との間にのみコイル選択用スイッチを挿入するようにしてもよい。
【００７２】
上記の例では、インバータ回路とスタータジェネレータとの間にスイッチ回路５を設けているが、このスイッチ回路を省略して、電機子コイルを短絡する電圧調整動作のみによりバッテリ及び負荷に印加される電圧を制限するようにすることもできる。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、内燃機関が始動した後、スタータジェネレータが発電機として運転される際に、発電機からインバータ回路の帰還用ダイオードを通してバッテリ側に流れる負荷電流と、発電機の回転速度と、発電機の出力電圧が設定値を超えるタイミングとの関係を与えるマップを予め作成しておいて、負荷電流及び回転速度に対してこのマップを検索することにより、電圧調整を開始するタイミングを求め、このようにして求めた電圧調整開始タイミングで電機子コイルを短絡する電圧調整動作を行わせるようにしたので、高速での出力電圧のサンプリングやＡ／Ｄ変換を行うことなく発電機の出力電圧調整をきめ細かく行って、バッテリ及び負荷を過電圧から確実に保護することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる制御装置のハードウェアの全体的な構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の構成を示した回路図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の構成を示した回路図である。
【図４】図２の実施形態においてスタータジェネレータからバッテリに供給される電圧の波形と、位置検出器から得られる位置検出信号の波形と、調整動作開始タイミングを検出するタイマの計時動作とを示したタイミングチャートである。
【図５】スタータジェネレータを発電機として動作させた際の出力電圧対負荷電流特性を示した線図である。
【図６】磁石発電機の回転速度と負荷電流と出力電圧との間の関係を与えるマップの構造の一例を示した図表である。
【図７】本発明でマップ記憶手段に記憶させておくマップの構造の一例を示した図表である。
【図８】本発明の第１の実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図１０】本発明の実施形態において位置検出信号のレベル変化が検出される毎にマイクロコンピュータが実行する割り込みルーチンのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態において調整動作開始タイミング検出用のタイマが計時動作を終了したときにマイクロコンピュータが実行する割り込みルーチンのアルゴリズムを示したフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態において駆動信号の信号幅を計測する他のタイマが計時動作を完了したときにマイクロコンピュータが実行する割り込みルーチンのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
２…スタータジェネレータ、３…バッテリ、４…インバータ回路、５…スイッチ回路、６…コントローラ、７…負荷、１０…インバータ制御手段、１１…コイル選択用スイッチ制御手段、１２…負荷電流特定手段、１３…回転速度検出手段、１４…マップ記憶手段、１５…調整動作開始タイミング演算手段、１６…調整動作開始タイミング検出手段、１７…電圧調整手段。

Claims (3)

1. 内燃機関のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、星形結線または環状結線されたｎ個（ｎは３以上の整数）の電機子コイルを有して該ｎ個の電機子コイルからｎ個の外部端子が導出された固定子とを備えた内燃機関用スタータジェネレータを制御する制御装置であって、
   前記固定子側で前記磁石回転子の磁極の極性を検出して検出している磁極の極性が変化する毎にレベルが変化する位置検出信号を出力する位置検出器と、
   スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個の上辺及びｎ個の下辺がそれぞれ構成されて正極側及び負極側の直流側端子間にバッテリが接続されるとともにｎ個の交流側端子が前記固定子のｎ個の外部端子にそれぞれ接続されたブリッジ形のインバータ回路と、
   前記内燃機関の始動時には該内燃機関を始動させる方向に前記磁石回転子を回転させるべく前記位置検出器の出力に基づいて決定した相の電機子コイルに前記バッテリから駆動電流を供給するように前記インバータ回路のスイッチ素子に駆動信号を供給し、前記内燃機関が始動した後は前記電機子コイルから前記インバータ回路の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通して前記バッテリ側に負荷電流を供給すべく、前記インバータ回路のスイッチ素子への駆動信号の供給を停止するインバータ制御手段と、
   前記電機子コイルから前記整流回路を通して前記バッテリと該バッテリに接続された負荷とを通して流れる負荷電流を特定する負荷電流特定手段と、
   前記磁石回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段により検出された回転速度と前記負荷電流特定手段により特定された負荷電流と前記電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングとの間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶手段と、
   前記回転速度検出手段により検出された回転速度と前記負荷電流特定手段により特定された負荷電流とに対して前記マップを検索して、前記電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングを調整動作開始タイミングとして求める調整動作開始タイミング演算手段と、
   前記位置検出器が出力する位置検出信号のレベルが変化するタイミングを基準にして前記調整動作開始タイミングを検出する調整動作開始タイミング検出手段と、
   前記調整動作開始タイミングが検出されたときに前記インバータ回路のブリッジの上辺のスイッチ素子をオン状態にするか、または前記インバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子をオン状態にして前記電機子コイルの出力を実質的に短絡する電圧調整手段と、
   を備えてなる内燃機関用スタータジェネレータの制御装置。
2. 内燃機関のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、星形結線または環状結線されたｎ個（ｎは３以上の整数）の電機子コイルを有して該ｎ個の電機子コイルからｎ個の外部端子が導出された固定子とを備えた内燃機関用スタータジェネレータを制御する制御装置であって、
   前記固定子側で前記磁石回転子の磁極の極性を検出して検出している磁極の極性が変化する毎にレベルが変化する位置検出信号を出力する位置検出器と、
   スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個の上辺及びｎ個の下辺がそれぞれ構成されて正極側及び負極側の直流側端子間にバッテリが接続されるとともにｎ個の交流側端子が前記固定子のｎ個の外部端子にそれぞれ接続されたブリッジ形のインバータ回路と、
   前記インバータ回路の交流側端子と負極側直流端子との間に接続されて、オン状態になったときに前記固定子の電機子コイルを前記インバータ回路の帰還用ダイオードを通して短絡する電圧調整用スイッチと、
   前記内燃機関の始動時には該内燃機関を始動させる方向に前記磁石回転子を回転させるべく前記位置検出器の出力に基づいて決定した相の電機子コイルに前記バッテリから駆動電流を供給するように前記インバータ回路のスイッチ素子に駆動信号を供給し、前記内燃機関が始動した後は前記電機子コイルから前記インバータ回路の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通して前記バッテリ側に負荷電流を供給すべく、前記インバータ回路のスイッチ素子への駆動信号の供給を停止するインバータ制御手段と、
   前記電機子コイルから前記整流回路を通して前記バッテリと該バッテリに接続された負荷とを通して流れる負荷電流を特定する負荷電流特定手段と、
   前記磁石回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段により検出された回転速度と前記負荷電流特定手段により特定された負荷電流と前記電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングとの間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶手段と、
   前記回転速度検出手段により検出された回転速度と前記負荷電流特定手段により特定された負荷電流とに対して前記マップを検索して前記電機子コイルの出力電圧が設定値を超えるタイミングを調整動作開始タイミングとして求める調整動作開始タイミング演算手段と、
   前記位置検出器が出力する位置検出信号のレベルが変化するタイミングを基準にして前記調整動作開始タイミングを検出する調整動作開始タイミング検出手段と、
   前記調整動作開始タイミングが検出されたときに前記電圧調整用スイッチをオン状態にして前記バッテリの充電を停止させる電圧調整手段と、
   を備えてなる内燃機関用スタータジェネレータの制御装置。
3. 前記固定子のｎ個の電機子コイルの少なくとも一部と前記インバータ回路の対応する交流側端子との間にコイル選択用スイッチが挿入され、
   前記内燃機関を始動する際には前記固定子のすべての電機子コイルを前記インバータ回路に接続し、前記内燃機関が始動した後は前記固定子の一部の電機子コイルのみを前記インバータ回路に接続するように前記コイル選択用スイッチを制御するコイル選択用スイッチ制御手段が更に設けられている請求項１または２に記載の内燃機関用スタータジェネレータの制御装置。

Images