JP5223280B2

JP5223280B2 - 電動機付ターボチャージャ制御システム

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Publication number: JP5223280B2
Application number: JP2007252345A
Authority: JP
Inventors: 成文遠嶋; 隆彦村山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP2009089462A

Description

本発明は、電動機付ターボチャージャ制御システムに関する。

近年、エンジンの過給器として、排気エネルギーを回収してエンジンへの過給気圧を高めるターボチャージャの回転軸に電動機を連結し、エンジンの運転状態に応じて電動機（例えば永久磁石同期モータ）を駆動することによりタービンの回転をアシストする電動機付ターボチャージャが注目されている。このような電動機付ターボチャージャに関する技術については、下記特許文献１〜５を参照されたい。
特開平６−２５７４５０号公報特開平６−２５７４５１号公報特開平６−２５７４５２号公報特開平６−２８０５９３号公報特開平５−９８９８７号公報

ところで、永久磁石同期モータによるアシストの停止後、タービン単体のみでの駆動によって最高回転数に到達するまでの期間のモータフリーラン状態において、永久磁石同期モータの誘導起電力（ＥＭＦ）がインバータの直流電圧より高くなると、永久磁石同期モータからインバータへ電流が逆流するという回生現象（永久磁石同期モータが発電機として作用し、タービンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して電源側であるインバータに返す現象）が生じるため、タービンの回転にブレーキがかかることになる。このような回生現象は、モータアシスト回転数とアシスト停止後の最高回転数との差が大きい程顕著に発生する。

このような回生現象を防止するために、最高回転数において、永久磁石同期モータの誘導起電力がインバータの直流電圧を超えないように永久磁石同期モータを設計する必要がある。具体的には、誘導起電力はモータの鉄損とほぼ比例関係にあるので、最高回転数における誘導起電力がインバータの直流電圧以下となるように鉄損を小さくする一方、銅損を大きくして、モータ電流が大きくなるように設計する。しかしながら、このような大電流仕様で設計された永久磁石同期モータは、鉄損と銅損のバランスが崩れて銅損側にモータ損失が偏ってしまい、モータ効率が著しく低下するという問題があった。また、銅損を大きくするために巻線の巻数などを増やす必要があるので、モータ自体が大型化してしまい、コスト及び重量の増大、モータの設置スペースの確保などが大きな問題となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電動機付ターボチャージャにおける電動機の回生現象を防止すると共に、電動機の高効率化及び小型化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第１の解決手段として、エンジンに付設されたターボチャージャに、インバータによって駆動信号が供給されるアシスト用の電動機が連結された電動機付ターボチャージャの制御システムであって、前記インバータと前記電動機とを接続する駆動信号線の開閉状態を切り替える開閉切替手段と、前記電動機の回転状態を示す回転状態値を把握する回転状態把握手段と、前記回転状態把握手段によって把握された前記回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記開閉切替手段を開状態に切り替わるように制御する開閉制御手段と、を具備し、前記回転状態設定値は、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致する場合における前記電動機の回転状態値に設定されている、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電動機の回転状態値が、前記電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致するように前記電動機は設計されており、前記回転状態設定値は前記アシスト回転状態値に設定されていることを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、前記開閉切替手段は、前記インバータと前記センサレス永久磁石同期モータとを接続する全ての相の駆動信号線の開閉状態を切り替え、前記回転状態把握手段は、前記開閉切替手段と前記センサレス永久磁石同期モータとの間に設けられ、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、少なくとも２相の駆動信号線の各々に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、前記電流検出手段が検出した電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して前記開閉制御手段及び上位のエンジン制御装置に出力する出力選択手段と、を有する、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、前記開閉切替手段は、前記インバータと前記センサレス永久磁石同期モータとを接続する全ての相の駆動信号線の開閉状態を切り替え、前記回転状態把握手段は、前記開閉切替手段と前記センサレス永久磁石同期モータとの間に設けられ、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記インバータに供給される電源電流を検出する電源電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、前記電源電流検出手段が検出した電源電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して前記開閉制御手段及び上位のエンジン制御装置に出力する出力選択手段と、を有する、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第５の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、前記開閉切替手段は、前記インバータと前記センサレス永久磁石同期モータとを接続する全ての相の駆動信号線の開閉状態を切り替え、前記回転状態把握手段は、前記開閉切替手段と前記センサレス永久磁石同期モータとの間に設けられ、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記インバータのスイッチアームに流れるアーム電流を検出するアーム電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、前記アーム電流検出手段が検出するアーム電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して前記開閉制御手段及び上位のエンジン制御装置に出力する出力選択手段と、を有する、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第６の解決手段として、上記第３〜第５のいずれかの解決手段において、前記電圧検出手段は、１相の駆動信号線の電圧を検出し、前記回転状態検出手段は、前記１相の駆動信号線の電圧のゼロクロス点に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第７の解決手段として、上記第３〜第５のいずれかの解決手段において、前記電圧検出手段は、２相の駆動信号線の各々の電圧を検出し、前記回転状態検出手段は、前記２相の駆動信号線の各々の電圧の差分に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第８の解決手段として、上記第１〜第７のいずれかの解決手段において、前記回転状態値として角速度を用いる、ことを特徴とする。

本発明によると、電動機の回転状態に応じて、インバータと電動機とを接続する駆動信号線の開閉状態を切り替える開閉切替手段を設けることにより、電動機の回転状態値が、回生現象が発生する回転状態値、つまり電動機の誘導起電力がインバータの直流電圧と一致する回転状態値（回転状態設定値）以上の値になった場合に、開閉切替手段を制御して駆動信号線を開状態に切り替えることが可能となる。これにより、駆動信号線には電流が流れないので回生現象は発生し得ず、電動機の設計自由度が増すことになる。つまり、鉄損を大きくする一方、銅損を小さくしてモータ効率の高い小電流仕様で電動機を設計することも可能である。従って、本発明によると、電動機付ターボチャージャにおける電動機の回生現象を防止すると共に、電動機の高効率化及び小型化を図ることが可能である。

さらに、電動機の回転状態値が、電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、電動機の誘導起電力がインバータの直流電圧と一致するように電動機を設計し、回転状態設定値はアシスト回転状態値に設定することが好ましい。このように電動機を設計し、回転状態設定値をアシスト回転状態値に設定することにより、電動機の高効率化及び小型化の効果を最大限に得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの構成ブロック図である。この図１に示すように、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムは、電動機付きターボチャージャ１、モータ駆動部２、電磁開閉器３、第１の電流センサ４、第２の電流センサ５、モータ制御部６、電圧センサ７、速度検出部８、出力スイッチ９及び開閉制御器１０から構成されている。

電動機付きターボチャージャ１は、永久磁石同期モータ１ａ、タービン１ｂ及びコンプレッサ１ｃから構成されており、モータ駆動部２は、直流電源２ａ、昇圧回路２ｂ及びインバータ２ｃから構成されている。永久磁石同期モータ（電動機）１ａは、回転子の回転状態（回転位置、回転速度、回転数等）を検出するセンサを具備しないセンサレスタイプの永久磁石同期モータであり、タービン１ｂの回転軸と同軸上に連結され、インバータ２ｃから供給される３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のモータ駆動信号によって回転駆動し、タービン１ｂの回転を補助（アシスト）する。タービン１ｂとコンプレッサ１ｃは同軸上に連結されてターボチャージャを構成しており、図示しないエンジンの排気エネルギーを利用してタービン１ｂを回転させることにより、コンプレッサ１ｃを回転させて吸入空気をエンジンに過給するものである。

直流電源２ａは、１あるいは複数のバッテリを直列接続したものであり、所定の直流電源電圧を昇圧回路２ｂに出力する。昇圧回路２ｂは、必要に応じて設けられるものであり、直流電源２ａから供給された直流電源電圧を昇圧してインバータ２ｃに供給する。インバータ２ｃは、モータ制御部６から供給されるＰＷＭ信号に基づいて昇圧回路２ｂから供給された直流電源電圧をスイッチングすることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相のモータ駆動信号を生成して永久磁石同期モータ１ａに供給する。

電磁開閉器（開閉切替手段）３は、開閉制御器１０から入力される開閉制御信号に応じて、インバータ２ｃのＵ相出力端と永久磁石同期モータ１aのＵ相固定子巻線とを接続するＵ相駆動信号線、インバータ２ｃのＶ相出力端と永久磁石同期モータ１aのＶ相固定子巻線とを接続するＶ相駆動信号線、インバータ２ｃのＷ相出力端と永久磁石同期モータ１aのＷ相固定子巻線とを接続するＷ相駆動信号線の開閉状態を切り替える開閉器である。

第１の電流センサ（電流検出手段）４は、Ｕ相駆動信号線に流れるモータ駆動電流Ｉｕを検出してモータ制御部６に出力する。第２の電流センサ（電流検出手段）５は、Ｖ相駆動信号線に流れるモータ駆動電流Ｉｖを検出してモータ制御部６に出力する。

モータ制御部６は、図示するように減算器６ａ、速度制御器６ｂ、電流制御器６ｃ、第１の座標変換器６ｄ、ロータ位置・速度推定器６ｅ、第２の座標変換器６ｆ及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号発生器６ｇから構成されている。これらの構成要素の内、減算器６ａ、速度制御器６ｂ、電流制御器６ｃ、第１の座標変換器６ｄ、ロータ位置・速度推定器６ｅは、回転状態推定手段を構成するものである。

減算器６ａは、上位制御装置であるエンジン制御装置(ＥＣＵ)から供給される角速度目標値ω_０とロータ位置・速度推定器６ｅから出力される角速度推定値ωeとの差分を速度誤差Δωとして演算し速度制御器６ｂに出力する。速度制御器６ｂは、一種のＰＩＤ制御器であり、上記速度誤差Δωに所定の比例積分・微分演算を施することにより速度誤差Δωに対応する電流操作量Ｉqsを演算して電流制御器６ｃに出力する。

電流制御器６ｃは、上記電流操作量Ｉqs、ＥＣＵから供給される電流操作量Ｉds、第１の座標変換器６ｄから入力される駆動電流検出量Ｉq、Ｉdに基づいて電流操作量Ｉqs、Ｉdsに各々対応する電圧操作量Ｖq、Ｖdを演算してロータ位置・速度推定器６ｅ及び第２の座標変換器６ｆに出力する。

第１の座標変換器６ｄは、第１の電流センサ４、第２の電流センサ５によって各々検出されたＵ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu、Ｉvと、ロータ位置・速度推定器６ｅから入力される回転角推定値θeとに基づいて永久磁石同期モータ１ａの回転子上に設定された２次元座標系（ｑ軸とｄ軸とからなる座標系）上におけるｑ軸の駆動電流検出量Ｉqとｄ軸の駆動電流検出量Ｉdを生成する。より詳細には、第１の座標変換器６ｄは、上記モータ駆動電流Ｉu，Ｉvに基づく内部演算によってＷ相のモータ駆動電流Ｉwを求め、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３次元座標系上のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwに所定の座標変換を施すことにより上記駆動電流検出量Ｉq，Ｉdを求める。なお、上記ｄ軸は、回転子の回転面上において永久磁石のＳ極とＮ極との対向方向に設定された座標軸であり、ｄ軸は、上述したｑ軸に直交する座標軸である。

ロータ位置・速度推定器６ｅは、上記駆動電流検出量Ｉq，Ｉd及び電圧操作量Ｖq，Ｖdに基づいて永久磁石同期モータ１ａの回転状態を推定するものである。ロータ位置・速度推定器６ｅは、例えば、内部に永久磁石同期モータ１ａを模擬したモータモデルを備えており、このモータモデルに電圧操作量Ｖq，Ｖd及び駆動電流検出量Ｉq，Ｉdを入力信号として角速度推定値ωe及び回転角推定値θeを演算する。ロータ位置・速度推定器６ｅは、このような手法で推定した回転角推定値θeを第１の座標変換器６ｄ、第２の座標変換器６ｆにそれぞれ出力すると共に角速度推定値ωeを上記減算器６ａ及び出力スイッチ９に出力する。

なお、センサレスタイプの永久磁石同期モータの回転制御では、一般的にモータの角速度及び回転角等を何らかの方法で推定し、その推定値に基づいて永久磁石同期モータをベクトル制御あるいはＶ／ｆ制御する。ロータ位置・速度推定器６ｅにおける角速度推定値ωe及び回転角推定値θeの推定手法は、非特許文献（竹下隆晴他:「電流推定誤差に基づくセンサレスブラシレスＤＣモータ制御」，平成７年電気学会全国大会講演論文集）に記載されている手法と同等なものであるが、他の非特許文献（市川真土：「回転座標系で拡張誘起電圧推定によるＩＰＭＳＭのセンサレス制御」，平成１３年電気学会全国大会講演論文集）、（大沢博：「埋込磁石形ＰＭモータの高性能Ｖ／ｆ制御」，テクノフロンティアシンポジウム2004 モータ技術シンポジウム，（社）日本能率協会）や、特許文献（特開２００５-１３７１０６号公報）に記載されているような推定手法を用いても良い。

第２の座標変換器６ｆは、上記ロータ位置・速度推定器６ｅから入力される回転角推定値θeに基づいて電流制御器６ｃから入力される上記ｑ軸及びｄ軸に対応する電圧操作量Ｖq，ＶdをＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３次元座標系上の電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換し、当該電圧操作量Ｖu，Ｖv，ＶwをＰＷＭ信号発生器６ｇに出力する。

ＰＷＭ信号発生器６ｇは、上記電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいてインバータ２ｃをスイッチング動作させるためのＰＷＭ信号を生成してインバータ２ｃに出力する。モータ制御部６は正弦波通電方式に基づいて動作するものであり、したがってＰＷＭ信号発生器６ｇは、インバータ２ｃが永久磁石同期モータ１ａの全回転角（３６０°）に亘ってモータ駆動信号を出力するようにＰＷＭ信号を出力する。

電圧センサ（電圧検出手段）７は、電磁開閉器３と永久磁石同期モータ１ａとの間に設けられ、Ｕ相駆動信号線の電圧を検出し、電圧検出値として速度検出器８に出力する。電磁開閉器３が開状態（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線が全てオープン）の場合、永久磁石同期モータ１ａのＵ相入力端にはＵ相固定子巻線と永久磁石からなる回転子との電磁誘導によって正弦波状の誘起電圧が発生する。電圧センサ７は、このような誘起電圧を電圧検出値として速度検出器８に出力する。

速度検出器（回転状態検出手段）８は、図示するようにコンパレータ８ａとＦ／Ｖ変換器８ｂとから構成されている。コンパレータ８ａは、電圧センサ７から入力された電圧検出値を接地電圧と比較することにより誘起電圧のゼロクロス点で状態遷移するパルス信号を生成してＦ／Ｖ変換器８ｂに出力する。Ｆ／Ｖ変換器８ｂは、上記パルス信号をその周波数に応じた直流電圧に変換し、角速度検出値ωkとして出力スイッチ９に出力する。

出力スイッチ（出力選択手段）９は、ＥＣＵから供給される動作指示信号Ｊに基づいてロータ位置・速度推定器６ｅから入力された角速度推定値ωeと速度検出器８から入力された角速度検出値ωkとを択一的に選択し、角速度信号ωとしてＥＣＵ及び開閉制御器１０に出力する。上記動作指示信号Ｊは、モータ制御部６に永久磁石同期モータ１ａによるタービン１ｂのアシストを指示すると共に、出力スイッチ９に角速度推定値ωeと角速度検出値ωkとの出力切り替えを指示するためのものである。

開閉制御器（開閉制御手段）１０は、例えば差動アンプであり、出力スイッチ９から入力される角速度信号ωと、予め設定されている角速度設定値ωｓ（直流電圧）との差分信号を開閉制御信号として電磁開閉器３に出力する。詳細には、この開閉制御器１０は、出力スイッチ９から入力される角速度信号ωが角速度設定値ωｓより小さい値の場合、正の直流電圧である開閉制御信号を電磁開閉器３に出力する。この場合、電磁開閉器３は閉状態となる（つまりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線は共に導通状態となる）。また、開閉制御器１０は、出力スイッチ９から入力される角速度信号ωが角速度設定値ωｓ以上の値の場合、ゼロレベルもしくは負の直流電圧である開閉制御信号を電磁開閉器３に出力する。この場合、電磁開閉器３は開状態となる。

ここで、角速度設定値ωｓは、永久磁石同期モータ１ａによるアシストの停止を規定するアシスト回転数に応じた角速度（アシスト角速度）に設定されている。そして、永久磁石同期モータ１ａの角速度が、上記アシスト角速度に到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）がインバータ２ｃの直流電圧と一致するように、永久磁石同期モータ１ａは設計されている。このように永久磁石同期モータ１ａを設計することが可能になったのは、永久磁石同期モータ１ａの回転状態（本実施形態では角速度）に応じてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線の開閉状態を切り替える電磁開閉器３を設けたためであり、このように設計することにより、電動機付ターボチャージャ１における永久磁石同期モータ１ａの回生現象を防止すると共に、永久磁石同期モータ１ａの高効率化及び小型化を図ることが可能となる。以下、このような効果が得られる理由について、図２（a）及び図３を参照して説明する。

図２（a）において、横軸は永久磁石同期モータ１ａの回転数を示し、縦軸は永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）を示しており、また、符号１００は従来技術における回転数−ＥＭＦ特性を示し、符号２００は、本実施形態における回転数−ＥＭＦ特性を示している。図３において、横軸はモータ駆動電流を示し、縦軸はモータ損失（鉄損及び銅損）とモータ効率を示しており、符号３００は鉄損−モータ駆動電流特性を示し、符号４００は銅損−モータ駆動電流特性を示し、符号５００はモータ効率−モータ駆動電流特性を示している。

図２（a）の符号１００に示すように、従来技術では、永久磁石同期モータによるアシストの停止後、タービン単体のみでの駆動によって最高回転数に到達するまでの期間のモータフリーラン状態において、永久磁石同期モータの誘導起電力（ＥＭＦ）がインバータの直流電圧より高くなると、永久磁石同期モータからインバータへ電流が逆流するという回生現象が生じるため、最高回転数において、永久磁石同期モータの誘導起電力がインバータの直流電圧を超えないように永久磁石同期モータを設計する必要がある。この場合、誘導起電力はモータの鉄損とほぼ比例関係にあるので、図３に示すように、最高回転数における誘導起電力がインバータの直流電圧以下となるように鉄損（誘導起電力）を小さくする一方、銅損を大きくして、モータ駆動電流が大きくなるように設計することになる。しかしながら、このような大電流仕様で設計された永久磁石同期モータは、鉄損と銅損のバランスが崩れて銅損側にモータ損失が偏ってしまい、モータ効率が著しく低下し、また、銅損を大きくするために巻線の巻数などを増やす必要があるので、モータ自体が大型化するという問題があった。

これに対し、本実施形態では、永久磁石同期モータ１ａの回転状態（本実施形態では角速度）に応じてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線の開閉状態を切り替える電磁開閉器３を設けることにより、永久磁石同期モータ１ａの角速度が、回生現象が発生する角速度、つまり永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２cの直流電圧と一致する角速度（本実施形態ではこの角速度を角速度設定値とする）以上の値になった場合に、電磁開閉器３を制御してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線を開状態に切り替えることが可能となった。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線には電流が流れないので回生現象は発生し得ず、永久磁石同期モータ１ａの設計自由度が増すことになる。

そこで、本実施形態では、図２（a）の符号２００に示すように、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度）が、永久磁石同期モータ１ａによるアシストの停止を規定するアシスト回転数（アシスト角速度）に到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２cの直流電圧と一致するように永久磁石同期モータ１ａを設計し、角速度設定値ωｓを上記アシスト角速度に設定した。つまり、従来技術（符号１００）と比較すると、同じ回転数において本実施形態の方が誘導起電力を大きくする方向に設計を行うことになる。従って、図３に示すように、本実施形態では、鉄損を大きくする一方、銅損を小さくして小電流仕様で永久磁石同期モータ１ａを設計することができ、永久磁石同期モータ１ａの高効率化及び小型化を図ることが可能となる。

次に、このように構成された電動機付ターボチャージャ制御システムの動作について、図２（a）及び（b）を参照して詳細に説明する。
＜アシスト時＞
まず、図２（a）及び（b）に示すアシスト時において、モータ制御部６は、エンジン制御装置(ＥＣＵ)から入力される動作指示信号Ｊによってアシスト指示を受けると、モータ駆動部２を動作させることによって永久磁石同期モータ１ａの駆動を行う。

具体的には、モータ駆動信号が各相の駆動信号線を介してインバータ２cから永久磁石同期モータ１ａに供給され、永久磁石同期モータ１aが回転駆動される。ここで、モータ制御部６は正弦波通電方式を採用しているので、アシスト時にはモータ駆動信号がインバータ２cから永久磁石同期モータ１ａに常時出力され、この結果、各相の駆動信号線には誘起電圧が発生しない。従って、アシスト時には、角速度検出値ωkが速度検出器８から出力されず、出力スイッチ９は、モータ制御部６から入力された角速度推定値ωeを角速度信号ωとして開閉制御器１０及びＥＣＵに出力する。

第１の電流センサ４、第２の電流センサ５から出力されたＵ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu，Ｉvは第１の座標変換器６ｄに入力される。第１の座標変換器６ｄは、もう１相つまりＷ相のモータ駆動電流ＩwをＵ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu，Ｉvから算出し、３相（Ｕ相，Ｖ相及びＷ相）のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwに回転角推定値θeに応じた要素からなる変換マトリクスを用いて座標変換処理を施すことにより、永久磁石同期モータ１ａに固有のｑ軸−ｄ軸座標系におけるｑ軸の駆動電流検出量Ｉqとｄ軸の駆動電流検出量Ｉdを生成する。

一方、ＥＣＵから角速度目標値ω_０が減算器６ａに入力されると共に、同じくＥＣＵから上記駆動電流検出量Ｉdの目標値に相当する電流操作量Ｉdsが電流制御器６ｃに入力される。ここで、上記電流操作量Ｉdsは「０」に設定される。

減算器６ａは、上記角速度目標値ω_０とロータ位置・速度推定器６ｅから入力された永久磁石同期モータ１ａの角速度推定値ωeとの差分を演算することにより速度誤差Δωを生成し、速度制御器６ｂは、速度誤差Δωに比例積分・微分処理を施すことによって上記駆動電流検出量Ｉqに対応する電流操作量Ｉqsを生成する。そして、電流制御器６ｃは、上記電流操作量Ｉqs，Ｉdsに比例積分・微分演算を各々施することにより、永久磁石同期モータ１ａに印加すべき駆動電圧に相当する電圧操作量Ｖq，Ｖdを生成する。

そして、ロータ位置・速度推定器６ｅは、永久磁石同期モータ１ａの回転子に固定設定されたｑ軸−ｄ軸座標系におけるｑ軸の駆動電流検出量Ｉq及び電圧操作量Ｖq並びにｄ軸の駆動電流検出量Ｉd及び電圧操作量Ｖdを入力信号として角速度推定値ωe及び回転角推定値θeを推定する。

すなわち、ロータ位置・速度推定器６ｅは、インバータ２cから永久磁石同期モータ１ａに供給される駆動電流を示す駆動電流検出量Ｉq，Ｉd及び自らが推定した永久磁石同期モータ１ａの回転角推定値θeに基づいて生成された駆動電流検出量Ｉq，Ｉdと、同じく自らが推定した角速度推定値ωeに基づいて生成されると共にＰＭＷ信号の生成を規定する電圧操作量Ｖq，Ｖdとを用いて角速度推定値ωe及び回転角推定値θeを推定するので、角速度推定値ωe及び回転角推定値θeは、永久磁石同期モータ１ａの回転状態を正確に示す値となる。

開閉制御器１０は、上記のようにして得られた角速度信号ω（角速度推定値ωe）と、アシスト角速度に設定された角速度設定値ωｓとの差分信号を開閉制御信号として電磁開閉器３に出力する。ここで、アシスト時、つまり永久磁石同期モータ１aの角速度がアシスト角速度に到達しない期間においては、開閉制御信号は正の直流電圧信号となり、図２（b）に示すように、電磁開閉器３は閉状態（ＯＮ）となる。つまりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線は共に導通状態となり、インバータ２cによって生成されるモータ駆動信号は正常に永久磁石同期モータ１aに供給されることになる。

＜アシスト停止時＞
そして、図２（a）に示すように、角速度信号ω（角速度推定値ωe）がアシスト角速度に設定された角速度設定値ωｓと一致した場合、開閉制御器１０はゼロレベルの開閉制御信号を電磁開閉器３に出力する。この場合、図２（b）に示すように、電磁開閉器３は開状態（ＯＦＦ）となる。つまりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線は共にオープン状態となる。一方、モータ制御部６には、ＥＣＵからアシスト停止を指示する動作指示信号Ｊが入力され、モータ制御部６は、モータ駆動部２の動作を停止して永久磁石同期モータ１ａの駆動を停止する。このようにモータ駆動部２が動作を停止した状態において、永久磁石同期モータ１ａは、排気エネルギーによるタービン１ｂの回転によってフリーラン状態となる。

この場合、各相の駆動信号線は高インピーダンス状態となり、電磁開閉器３と永久磁石
同期モータ１aとの間の各駆動信号線には固定子巻線と回転子との電磁誘導によって正弦
波状の誘起電圧が発生する。この誘起電圧は、永久磁石同期モータ１ａの固定子巻線と回
転子との電磁誘導によって誘起されるので、接地電位（ゼロ電位）を中心電位とすると共
に回転子の回転周期（角速度）に対応する角周波数の交流電圧である。

電圧センサ７は、Ｕ相駆動信号線の誘起電圧を検出して、誘起電圧検出値（正確にはＵ
相誘起電圧検出値）として速度検出器８のコンパレータ８ａに出力する。この誘起電圧検
出値は、コンパレータ８ａによって接地電位と比較されることによりゼロクロス点（接地
電位と交差する点）で状態遷移するパルス信号に変換される。このパルス信号は、回転子
の回転周期に同期した信号であり、Ｆ／Ｖ変換器８ｂに入力されることによって回転子の
角速度に対応した直流電圧に変換される。

すなわち、Ｆ／Ｖ変換器８ｂから出力スイッチ９に出力される角速度検出値ωkは、Ｕ
相誘起電圧検出値に基づいて生成されたものであり、永久磁石同期モータ１ａの角速度を示す検出信号である。出力スイッチ９は、アシスト停止時の場合、角速度検出値ωkを角速度信号ωとして開閉制御器１０及びＥＣＵに出力する。

このように、アシスト停止時においては、永久磁石同期モータ１ａの誘起電圧のゼロクロス点で状態遷移するパルス信号に基づいて角速度検出値ωkを生成することにより、温度変動等に起因して誘起電圧の振幅が変動した場合であっても、その変動に影響されることなく高精度の角速度を検出することができる。

そして、角速度信号ω（角速度検出値ωk）がアシスト角速度に設定された角速度設定値ωｓを超えた場合、開閉制御器１０は負の直流電圧信号である開閉制御信号を電磁開閉器３に出力し、電磁開閉器３は開状態（ＯＦＦ）を維持する。このように、アシスト停止時には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線には電流が流れないので回生現象は発生しない。なお、アシスト停止時において、永久磁石同期モータ１ａの角速度（角速度検出値ωk）が、角速度設定値ωｓより低くなった場合、電磁開閉器３は閉状態（ＯＮ）に切り替わり、
ＥＣＵから再びアシスト開始指示が出力され、インバータ２cからモータ駆動信号が永久磁石同期モータ１ａに供給されてタービン１bのアシストが行われる。

以上説明したように、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムによると、電動機付ターボチャージャにおける永久磁石同期モータ１ａの回生現象を防止すると共に、永久磁石同期モータ１ａの高効率化及び小型化を図ることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度）が、永久磁石同期モータ１ａによるアシストの停止を規定するアシスト回転数（アシスト角速度）に到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２cの直流電圧と一致するように永久磁石同期モータ１ａを設計し、角速度設定値ωｓを上記アシスト角速度に設定した。これは、図３からわかるように、このように設計することにより、高効率化及び小型化の効果を最大限に得ることができるためである。一方、高効率化及び小型化の効果は落ちるが、例えば、図２（a）におけるアシスト回転数から最大回転数の間の所定の回転数に応じた角速度を角速度設定値ωｓに設定し、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度）が、上記のように設定した角速度設定値ωｓに到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２cの直流電圧と一致するように永久磁石同期モータ１ａを設計しても良い。

（２）上記実施形態では、第１の電流センサ４、第２の電流センサ５によってモータ駆動電流Ｉu，Ｉvを検出し、このモータ駆動電流Ｉu，Ｉvをモータ制御部６に供給することにより永久磁石同期モータ１ａの回転子に固有のｑ軸−ｄ軸座標系における駆動電流検出量Ｉq，Ｉdを演算するが、これに代えて、図４に示すように昇圧回路２ｂからインバータ２ｃに供給される電源電流Ｉpを第３の電流センサ（電源電流検出手段）２０によって検出し、この電源電流Ｉpをモータ制御部６Ａに供給することにより駆動電流検出量Ｉq，Ｉdを演算するようにしても良い。また、このような駆動電流検出量Ｉq，Ｉdの演算に代えて、電源電流Ｉpからモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，モータ駆動電流Ｉv，Ｉw，モータ駆動電流Ｉu，Ｉwあるいはモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを演算するようにしても良い。

この場合のモータ制御部６Ａは、図５に示すようにモータ制御部６に相電流再現器６ｈを付加した構成となる。この相電流再現器６ｈは、ＰＷＭ信号発生器６ｇから供給されるＰＷＭ信号及びロータ位置・速度推定器６ｅから供給される回転角推定値θeに基づいて電源電流Ｉpを３相のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwに変換する。また、モータ制御部６では第１の座標変換器６ｄにおいてＵ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu，ＩvからＷ相のモータ駆動電流Ｉwを演算するようにしたが、モータ制御部６Ａでは相電流再現器６ｈにおいてＷ相のモータ駆動電流Ｉwを生成するので、第１の座標変換器６ｄ’は座標変換処理のみを行う。なお、図４では、第３の電流センサ２０を電源の＋側に設けて電源電流Ｉpを検出する場合を示したが、電源の−側に第３の電流センサ２０を設けて電源電流Ｉpを検出するようにしても良い。

（３）図６は、図４の変形例を示すブロック図である。この図に示すように、インバータ２ｃは、３相モータである永久磁石同期モータ１ａを駆動するものなので、各相（Ｕ相，Ｖ相及びＷ相）に対応した３つのスイッチアーム３０〜３２を備えている。図４では、昇圧回路１ｂからインバータ２ｃに供給される電源電流Ｉpを検出したが、本変形例ではスイッチアーム３０〜３２に流れるアーム電流Ｉaを第４の電流センサ２１で検出して上述したモータ制御部６Ａに供給する。なお、図６では、第４の電流センサ２１をＵ相のスイッチアーム３０に設けているが、他の相つまりＶ相あるいはＷ相のスイッチアーム３１、３２に設けるようにしても良い。

（４）また、例えば、図７に示すように電圧センサ７に加えてＶ相駆動信号線の電圧を検出する電圧センサ７Ａを設け、Ｕ相及びＶ相駆動信号線の電圧を速度検出器８Ａに供給し、両電圧をコンパレータで比較することによって両電圧の大小関係が逆転するタイミングで状態遷移するパルス信号を生成するようにしても良い。両電圧は、１２０°の位相差を有しているので、１周期の間に２回大小関係が逆転する。なお、速度検出器８Ａに供給する電圧は、Ｕ相及びＶ相の駆動信号線に限定されず、３相（Ｕ相，Ｖ相及びＷ相）のうちいずれか２相を選択すれば良い。

（５）また、上記実施形態ではコンパレータ８ａとＦ／Ｖ変換器８ｂとからなる速度検出器８を用いるが、速度検出器８の構成はこれに限定されるものではない。電圧センサ７によって検出される電圧の変動周期を直流電圧に変換するものであれば他の構成でも良い。
他の構成例としては、例えばＰＬＬ（Phas Locked Loop）回路を用いるものやマイコンを用いたソフトウエア処理によるもの等が考えられる。

（６）上記実施形態では、ＥＣＵから供給される動作指示信号Ｊに基づいて角速度推定値ωeと角速度検出値ωkとを切り替え角速度信号ωとしてＥＣＵに出力するようにしたが、これに代えて動作指示信号Ｊをモータ制御部６内で生成するようにしても良い。角速度目標値ω_０及び電流操作量Ｉdsはアシスト時にのみＥＣＵからモータ制御部６に供給されるので、モータ制御部６は、角速度目標値ω_０あるいは電流操作量Ｉdsの供給／非供給を判断し、この判断結果に基づいて動作指示信号Ｊを生成する。

（７）さらに、上記実施形態では電流操作量Ｉdsを「０」に設定したが、これはベクトル制御において一般的に行われることである。しかし、本発明はこれに限定されない。必要に応じて電流操作量Ｉdsに「０」以外の定数を設定しても良い。また、この電流操作量Ｉdsについては、モータ制御部６自身が生成しても良い。

（８）電流操作量Ｉdsは定数として設定されるものであり、また動作指示信号Ｊについては角速度目標値ω_０に基づいてモータ制御部６内で生成することが可能なので、ＥＣＵからモータ制御部６あるいは出力スイッチ９に供給する信号を角速度目標値ω_０のみとしても良い。また、速度制御器６ｂをＥＣＵ側に設けることにより、角速度目標値ω_０に代えて電流目標値Ｉ_０をモータ制御部６に供給するように構成しても良い。

（９）上記実施形態では永久磁石同期モータ１ａの回転状態を示す回転状態値として角速度を用いたが、これに限らず、回転状態値として回転数などを用いても良い。

本発明の一実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの構成ブロック図である。本発明の一実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの動作に関する説明図である本発明の一実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムにおける永久磁石同期モータ１ａの設計手法に関する説明図である。本発明の一実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの第１変形例である。本発明の一実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの第１変形例に関する詳細説明図である。本発明の一実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの第２変形例である。本発明の一実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの第３変形例である。

符号の説明

１…電動機付きターボチャージャ、１a…永久磁石同期モータ、１b…タービン、１c…コンプレッサ、２…モータ駆動部、２a…直流電源、２b…昇圧回路、２c…インバータ、３…電磁開閉器、４…第１の電流センサ、５…第２の電流センサ、６…モータ制御部、７…電圧センサ、８…速度検出部、９…出力スイッチ、１０…開閉制御器、６a…減算器、６b…速度制御器、６c…電流制御器、６d…第１の座標変換器、６e…ロータ位置・速度推定器、６f…第２の座標変換器、６g…ＰＷＭ信号発生器

Claims

エンジンに付設されたターボチャージャに、インバータによって駆動信号が供給されるアシスト用の電動機が連結された電動機付ターボチャージャの制御システムであって、
前記インバータと電動機とを接続する駆動信号線の開閉状態を切り替える開閉切替手段と、
前記電動機の回転状態を示す回転状態値を把握する回転状態把握手段と、
前記回転状態把握手段によって把握された前記回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記開閉切替手段を開状態に切り替わるように制御する開閉制御手段と、を具備し、
前記電動機の回転状態値が、前記電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致するように前記電動機は設計されており、前記回転状態設定値は前記アシスト回転状態値に設定されており、
前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、
前記開閉切替手段は、前記インバータと前記センサレス永久磁石同期モータとを接続する全ての相の駆動信号線の開閉状態を切り替え、
前記回転状態把握手段は、
前記開閉切替手段と前記センサレス永久磁石同期モータとの間に設けられ、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、
少なくとも２相の駆動信号線の各々に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、
前記電流検出手段が検出した電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、
前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して前記開閉制御手段及び上位のエンジン制御装置に出力する出力選択手段と、を有する、
ことを特徴とする電動機付ターボチャージャ制御システム。
エンジンに付設されたターボチャージャに、インバータによって駆動信号が供給されるアシスト用の電動機が連結された電動機付ターボチャージャの制御システムであって、
前記インバータと電動機とを接続する駆動信号線の開閉状態を切り替える開閉切替手段と、
前記電動機の回転状態を示す回転状態値を把握する回転状態把握手段と、
前記回転状態把握手段によって把握された前記回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記開閉切替手段を開状態に切り替わるように制御する開閉制御手段と、を具備し、
前記電動機の回転状態値が、前記電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致するように前記電動機は設計されており、前記回転状態設定値は前記アシスト回転状態値に設定されており、
前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、
前記開閉切替手段は、前記インバータと前記センサレス永久磁石同期モータとを接続する全ての相の駆動信号線の開閉状態を切り替え、
前記回転状態把握手段は、
前記開閉切替手段と前記センサレス永久磁石同期モータとの間に設けられ、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記インバータに供給される電源電流を検出する電源電流検出手段と、
前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、
前記電源電流検出手段が検出した電源電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、
前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して前記開閉制御手段及び上位のエンジン制御装置に出力する出力選択手段と、を有する、
ことを特徴とする電動機付ターボチャージャ制御システム。
エンジンに付設されたターボチャージャに、インバータによって駆動信号が供給されるアシスト用の電動機が連結された電動機付ターボチャージャの制御システムであって、
前記インバータと電動機とを接続する駆動信号線の開閉状態を切り替える開閉切替手段と、
前記電動機の回転状態を示す回転状態値を把握する回転状態把握手段と、
前記回転状態把握手段によって把握された前記回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記開閉切替手段を開状態に切り替わるように制御する開閉制御手段と、を具備し、
前記電動機の回転状態値が、前記電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致するように前記電動機は設計されており、前記回転状態設定値は前記アシスト回転状態値に設定されており、
前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、
前記開閉切替手段は、前記インバータと前記センサレス永久磁石同期モータとを接続する全ての相の駆動信号線の開閉状態を切り替え、
前記回転状態把握手段は、
前記開閉切替手段と前記センサレス永久磁石同期モータとの間に設けられ、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記インバータのスイッチアームに流れるアーム電流を検出するアーム電流検出手段と、
前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、
前記アーム電流検出手段が検出するアーム電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、
前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して前記開閉制御手段及び上位のエンジン制御装置に出力する出力選択手段と、を有する、
ことを特徴とする電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電圧検出手段は、１相の駆動信号線の電圧を検出し、
前記回転状態検出手段は、前記１相の駆動信号線の電圧のゼロクロス点に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電圧検出手段は、２相の駆動信号線の各々の電圧を検出し、
前記回転状態検出手段は、前記２相の駆動信号線の各々の電圧の差分に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記回転状態値として角速度を用いる、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。