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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen
Elektromotor. Die Erfindung betrifft im Besonderen eine Steuervorrichtung
und ein Steuerverfahren zur Ansteuerung eines Synchronmotors ohne Verwendung
eines Sensors.
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Aus der japanischen Offenlegungsschrift
JP 1999-75394 A ist
eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Synchronmotors ohne Verwendung
eines Sensors bekannt. Die japanische Offenlegungsschrift Nr.
JP 2001-69784 A und
das U.S. Patent Nr. 4928043 offenbaren relevante Technologien. Zur
Ansteuerung des Synchronmotors unter Verwendung eines Wechselrichters
ist es erforderlich, die Stellung des Läufers des Elektromotors zu
erfassen und in Abhängigkeit von
der erfassten Läuferstellung
die Einschalt-/Ausschaltzustände
einer Vielzahl von Schaltelementen im Wechselrichter bedarfsgerecht
zu schalten. Wenn die Ansteuerung des Elektromotors beginnt, während der
Läufer
des Elektromotors im Leerlauf läuft,
muss daher zunächst
die Stellung des Läufers
erfasst werden.
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Die vorstehend dargestellte Vorrichtung schaltet
wenigstens eines der Schaltelemente im Wechselrichter ein und schließt eine
Wicklung des Elektromotors kurz, wenn eine Anweisung zum Starten
der Ansteuerung des Elektromotors erteilt wird, während der
Läufer
im Leerlauf läuft.
wenn die Wicklung des Elektromotors während eines Leerlaufs des Läufers kurzgeschlossen
wird, fließt
in der Wicklung ein Strom infolge einer gegenelektromotorischen Kraft.
Die vorstehend dargestellte Vorrichtung erfasst die Stellung des
Läufers
in Abhängigkeit
von dem in der Wicklung fließenden
Strom.
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Wenn sich der Zustand der Schaltelemente im
Wechselrichter ändert,
während
der Läufer
im Leerlauf läuft,
und anschließend
in der Wicklung des Elektromotors der Kurzschlussstrom fließt, ist
jedoch eine Änderung
des Ausgangsmoments des Elektromotors oder die Entwicklung eines
abnormen Geräuschs
in der Nähe
des Elektromotors zu beobachten. Die vorstehend dargestellte Vorrichtung
kann daher die Ansteuerung des Elektromotors nicht immer problemlos
einleiten, wenn die Ansteuerung des Elektromotors beginnt, während der
Läufer
des Elektromotors im Leerlauf läuft
(im Folgenden wird dieser Zustand als: "der Elektromotor läuft im Leerlauf" bezeichnet).
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung
nun die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung und ein entsprechendes
Steuerverfahren für
einen Elektromotor zu schaffen, die ermöglichen, dass die Ansteuerung
eines im Leerlauf laufenden Elektromotors problemlos gestartet werden
kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 6 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird eine Elektromotor-Steuervorrichtung geschaffen, die einen Elektromotor
unter Verwendung eines Wechselrichters antreibt bzw. ansteuert.
Die Elektromotor-Steuervorrichtung weist auf: eine Einrichtung zur Ermittlung
der in den Phasenwicklungen des Synchronmotors ohne Verwendung des
Wechselrichters erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen; eine Einrichtung
zur Ermittlung der Stellung des Läufers des Elektromotors in
Abhängigkeit
von der gegenelektromotorischen Spannung; eine Läuferantriebseinrichtung zur
Steuerung einer an eine Vielzahl von Schaltelementen im in Wechselrichter
zu übertragenen
Signale in Abhängigkeit
von der Stellung des Läufers
so, dass sich der Läufer
dreht; und eine Wechselrichterausschalteinrichtung zum Ausschalten
sämtlicher
Schaltelemente nach der Erteilung einer Anweisung, den Elektromotor
elektrischen anzusteuern, und zum Halten sämtlicher Schaltelemente im
ausgeschalteten Zustand, bis die Stellung des Läufers ermittelt ist.
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Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird
ein Elektromotor-Steuerverfahren geschaffen, nach dem ein Elektromotor
unter Verwendung eines Wechselrichters angetrieben bzw. angesteuert
wird. Das Steuerverfahren umfasst die folgenden Schritte: Ermitteln
der in den Phasenwicklungen des Elektromotors ohne Verwendung des
Wechselrichters erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen; Ermitteln
der Stellung des Läufers
des Elektromotors in Abhängigkeit
von der gegenelektromotorischen Spannung; Steuern einer an eine
Vielzahl von Schaltelementen im Wechselrichter zu übertragenen
Signale in Abhängigkeit
von der Stellung des Läufers
so, dass sich der Läufer
dreht; und Ausschalten sämtlicher
Schaltelemente nach der Erteilung einer Anweisung, den Elektromotor
elektrisch anzusteuern, und Halten sämtlicher Schaltelemente im
ausgeschalteten Zustand, bis die Stellung des Läufers ermittelt ist.
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Mit der vorgenannten Elektromotor-Steuervorrichtung
bzw. dem vorgenannten Elektromotor-Steuerverfahren können sämtliche
Schaltelemente im Wechselrichter ausgeschaltet werden, nachdem eine
Anweisung zur elektrischen Ansteuerung des Elektromotors erteilt
wurde, und sämtliche
Schaltelemente solange im ausgeschalteten Zustand gehalten werden,
bis die Stellung des Läufers
ermittelt ist.
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Die Stellung des Läufers lässt sich
in Abhängigkeit
von den in den Phasenwicklungen des Elektromotors ohne Verwendung
des Wechselrichters erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen
ermitteln. Erfindungsgemäß wird der
Zustand der Phasenwicklungen solange nicht durch den Zustand des Wechselrichters
beeinflusst, bis die Stellung des Läufers ermittelt ist. Im Ergebnis
kann die Ansteuerung des Elektromotors problemlos eingeleitet werden.
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Bei der vorgenannten Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem vorgenannten Elektromotor-Steuerverfahren ist der Elektromotor
vorzugsweise ein Elektromotor zum elektrischen Antrieb eines Turboladers
einer Brennkraftmaschine.
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Mit der vorgenannten Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem vorgenannten Elektromotor-Steuerverfahren kann der Elektromotor
zum elektrischen Antrieb des Turboladers der Brennkraftmaschine
problemlos angesteuert werden.
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Bei der vorgenannten Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem vorgenannten Elektromotor-Steuerverfahren werden, wenn die
Anweisung zur elektrischen Ansteuerung des Elektromotors erteilt
wird, die an die Vielzahl von Schaltelementen zu übertragenen
Signale so gesteuert, dass der Läufer in
einer vorgegebenen Stellung festgelegt wird (Ausrichtungsmodus),
und nach der Festlegung des Läufers
in der vorgegebenen Stellung werden die an die Vielzahl von Schaltelementen
zu übertragenen
Signale so geregelt/gesteuert, dass die Drehzahl des Läufers bis
auf eine Drehzahl ansteigt, bei der sich die Stellung des Läufers ermitteln
lässt (Hochfahrmodus).
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Mit der Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem Elektromotor-Steuerverfahren werden, wenn die Anweisung
zur elektrischen Ansteuerung des Elektromotors erteilt wird, zunächst der
Ausrichtungsmodus und anschließend
der Hochfahrmodus durchgeführt.
Erfindungsgemäß können die Schaltelemente im
Wechselrichter im ausgeschalteten Zustand gehalten werden. Daher
kann selbst dann, wenn der Ausrichtungsmodus oder der Hochfahrmodus
durchgeführt
wird, verhindert werden, dass die Phasenwicklungen mit elektrischer
Leistung versorgt werden. Im Ergebnis kann die Ansteuerung des Elektromotors
problemlos eingeleitet werden.
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Bei der vorgenannten Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem vorgenannten Elektromotor-Steuerverfahren wird, wenn die
Anweisung zur elektrischen Ansteuerung des Elektromotors erteilt wird,
vorzugsweise bestimmt, ob der Elektromotor läuft, und in dem Fall, in dem
bestimmt wird, dass der Elektromotor nicht läuft, wenn die Anweisung zur elektrischen
Ansteuerung des Elektromotors erteilt wird, verhindert, dass der
Wechselrichter ausgeschaltet wird.
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Mit der Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem Elektromotor-Steuerverfahren kann in dem Fall, in dem der
Elektromotor nicht läuft,
wenn die Anweisung zur elektrischen Ansteuerung des Elektromotors
erteilt wird, verhindert werden, dass die Schaltelemente im Wechselrichter
zwangsausgeschaltet werden. Erfindungsgemäß kann daher, wenn der Elektromotor
aus dem Stillstand heraus gestartet wird, ein Startverhalten entsprechend
dem Zustand des Wechselrichter erzielt werden.
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Bei der vorgenannten Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem vorgenannten Elektromotor-Steuerverfahren werden, wenn der
Antrieb des Läufers
des Elektromotors geregelt/gesteuert wird, die an die Vielzahl von
Schaltelementen zu übertragenen
Signale vorzugsweise so geschaltet, dass die Phasenwicklungen des
Elektromotors sequentiell in einen aberregten Zustand gebracht werden,
und, wenn die in den Phasenwicklungen des Elektromotors erzeugten
gegenelektromotorischen Spannungen ermittelt werden, die in den
aberregten Phasenwicklungen erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen
sequentiell ermittelt.
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Mit der vorgenannten Elektromotor-Steuervorrichtung
und dem vorgenannten Elektromotor-Steuerverfahren werden, wenn der
Elektromotor durch eine Regelung/Steuerung des Antriebs des Läufers gesteuert
wird, die Phasenwicklungen des Elektromotors sequentiell in den
aberregten Zustand gebracht. Durch die sequentielle Ermittlung der
in den aberregten Wicklungen erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen
lässt sich
die Stellung des Läufers
zuverlässig
erfassen.
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Die vorstehend dargestellte beispielhafte Ausführungsform
und weitere beispielhafte Ausführungsformen,
Gegenstände,
Merkmale, Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutsamkeit dieser
Erfindung wird im Wechselrichter der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verständlicher, in
denen:
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1 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Konfiguration einer Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 ein
Blockdiagramm zur Erläuterung der
Konfiguration eines Systems der Ausführungsform der Erfindung zur
Ansteuerung eines Elektromotors ist;
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3 eine
Zeittafel zur Erläuterung
einer Grundsteuerung ist, die von einem in 2 gezeigten Motorsteuerkreis ausgeführt wird;
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4 eine
Zeittafel zur Erläuterung
einer Steuerung in einem Laufmodus ist, die von dem in 2 gezeigten Motorsteuerkreis
ausgeführt
wird;
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5(A) eine
Zeittafel zur Erläuterung
eines Problem ist, das die Steuerung des Elektromotors durch die
Grundsteuerung aufwirft, und 5(B) eine
Zeittafel zur Erläuterung
einer Steuerung ist, die in dem System der Ausführungsform der Erfindung angewendet
wird, um das vorgenannte Problem zu beheben; und
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6 ein
Ablaufschema einer Steuerungsroutine ist, die von einer in 2 gezeigten Turboladersteuerung
ausgeführt
wird, um den Elektromotor zu steuern.
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BESCHREIBUNG
EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In der nachfolgenden Beschreibung
und den begleitenden Zeichnungen wird die Erfindung an einer beispielhaften
Ausführungsform
ausführlich
erläutert.
Die Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
erläutert.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den Zeichnungen denselben Elementen
dieselben Bezugszeichen zugeordnet sind, und Elemente mit demselben
Bezugszeichen daher nur einmal erläutert werden.
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1 zeigt
eine Darstellung zur Erläuterung einer
Konfiguration der Ausführungsform
der Erfindung. Wie es in 1 gezeigt
ist, ist in dieser Ausführungsform
eine Brennkraftmaschine 10 vorhanden. Eine Saugleitung 12 und
eine Abgasleitung 14 kommunizieren mit der Brennkraftmaschine 10.
Zwischen der Saugleitung 12 und der Abgasleitung 14 ist
eine Turboladereinheit 16 vorgesehen.
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Die Turboladereinheit 16 umfasst
eine auf Seiten der Abgasleitung 14 vorgesehene Turbine 18 und
einen auf Seiten der Saugleitung 12 vorgesehenen Verdichter 20.
Zwischen der Turbine 18 und dem Verdichter 20 ist
ein Elek tromotor 24 vorgesehen, dessen Drehwelle 22 gleichermaßen als
Drehwelle der Turbine 18 und des Verdichters 20 fungiert.
In der Turboladereinheit 16 kann der Verdichter 20 durch eine
Drehung der Turbine 18 unter Verwendung der Abgasenergie
oder durch eine Drehung der Drehwelle 22 unter Verwendung
des Elektromotors 24 angetrieben werden. So angetrieben
kann der Verdichter 20 einen hohen Ladedruck stromabwärts des
Verdichters 20 erzeugen.
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Die Saugleitung 12 enthält eine Überbrückungsleitung 26 zur
Herstellung einer Verbindung zwischen der Stromaufwärtsseite
und der Stromabwärtsseite
des Verdichters 20. In der Überbrückungsleitung 26 ist
ein Überbrückungsventil 28 vorgesehen,
das bei einem übermäßigen Anstieg
des Ladedrucks aufmacht. Des weiteren sind stromabwärts des
Verdichters 20 ein Ladeluftkühler 30 und eine Drosselklappe 32 vorgesehen.
Die Drosselklappe 32 ist ein elektronisch angesteuertes
Ventil, das in Abhängigkeit
von der Gaspedalstellung, etc. von einem Drosselklappenstellmotor 34 betätigt wird.
In der Nähe
der Drosselklappe 32 sind ein Drosselklappenstellungssensor 36 zum
Erfassen der Drosselklappenstellung und ein Gaspedalstellungssensor 38 zum
Erfassen der Gaspedalstellung vorgesehen.
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Stromaufwärts der Turbine 18 kommuniziert eine
AGR (Abgasrückführung)-Leitung 40 mit
der Abgasleitung 14. Die AGR-Leitung 40 wird verwendet, um
einen Teil des Abgases in das Saugsystem zurückzuführen, und kommuniziert über ein
AGR-Ventil 42 mit der Saugleitung 12. Stromabwärts der
Turbine 18 ist in der Abgasleitung 14 des weiteren
ein Katalysator 44 vorgesehen. Das von der Brennkraftmaschine 10 ausgestoßene Abgas
strömt
durch die Turbine 18, wird im Katalysator 44 gereinigt,
und wird anschließend
an die Atmosphäre
abgegeben.
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Das System der Ausführungsform
umfasst eine ECU 50 zur Regelung/Steuerung des gesamten Systems,
ein Steuergerät 52 zur
Regelung/Steuerung des Zustands des Elektromotors 24 und
eine Batterie 54 zur Bereitstellung der für den Betrieb
des Systems notwendigen elektrischen Leistung. Die charakteristischen
Merkmale des Systems der Ausführungsform
liegen in dem Abschnitt betreffend die Steuerung des Elektromotors 24.
Im Folgenden werden daher die Funktionsweisen der ECU 50 und
des Steuergeräts 52 in
dem zur Beschreibung der charakteristischen Merkmale erforderlichen
Umfang erläutert.
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2 ist
ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer
Konfiguration des Systems der Ausführungsform zum Antrieb bzw.
zur Ansteuerung des Elektromotors 24. In der Ausführungsform
ist der Elektromotor 24 ein elektrischer Permanentmagnet
(PM)-Synchronmotor mit drei Wicklungen bestehend aus einer U-Phasenwicklung,
einer V-Phasenwicklung und einer W-Phasenwicklung.
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Die in 2 gezeigte
Konfiguration beinhaltet einen Wechselrichter 60. Im Wechselrichter 60 sind
ein Schaltelementepaar 62, 64 und ein Rückführungsdiodenpaar
(Gleichrichterdiodenpaar) 66, 68 vorgesehen, die
der U-Phasenwicklung
des Elektromotors 24 zugeordnet sind. Des weiteren sind
im Wechselrichter 60 ein Schaltelementepaar 70, 72 und
ein Rückführungsdiodenpaar
(Gleichrichterdiodenpaar) 74, 76, die der V-Phasenwicklung
zugeordnet sind, sowie ein Schaltelementepaar 78, 80 und ein
Rückführungsdiodenpaar
(Gleichrichterdiodenpaar) 82, 84, die der W-Phasenwicklung
zugeordnet sind, vorgesehen.
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Die Batterie 54 ist mit
dem Wechselrichter 60 verbunden; an den beiden Seiten der
drei Schaltelementepaare und der drei Rückführungsdiodenpaare ist eine
Leistungsversorgungsspannung angelegt. Durch geeignetes Ein- /Ausschalten der
Schaltelemente im Wechselrichter 60 las sen sich mittels
des Wechselrichters 60 in der U-Phasenwicklung, V-Phasenwicklung
und W-Phasenwicklung sequentiell entsprechende Magnetfelder erzeugen.
Im Ergebnis lässt
sich ein entsprechender Synchronbetrieb des Elektromotors 24 durchführen.
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Das in 2 gezeigte
System umfasst einen Motorsteuerkreis 86. Der Motorsteuerkreis 86 hat
die Funktion, die an den beiden Enden der U-Phasenwicklung erzeugte
Spannung (die im Folgenden als "U-Spannung" bezeichnet wird),
die an den beiden Enden der V-Phasenwicklung erzeugte Spannung (die
im Folgenden als "V-Spannung" bezeichnet wird) und
die an den beiden Enden der W-Phasenwicklung erzeugte Spannung (die
im Folgenden als "W-Spannung" bezeichnet wird)
des Elektromotors 24 zu erfassen. Der Motorsteuerkreis 86 hat
weiter die Funktion, in Abhängigkeit
von der U-Spannung, der V-Spannung und der W-Spannung die Stellung des Läufers des
Elektromotors 24 zu erfassen und jedem der sechs Schaltelemente
im Wechselrichter 60 in Abhängigkeit von der erfassten
Läuferstellung
ein geeignetes Gate-Signal zu übermitteln.
Der Motorsteuerkreis 86 hat ferner die Funktion, nach der
Ermittlung der Läuferstellung
des Elektromotors 24 ein VCO-Signal zu übertragen, das in Intervallen
entsprechend der Drehzahl des Elektromotors 24 schwankt.
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Das in 2 gezeigte
System umfasst eine Turboladersteuerung 88 und einen Wechselrichterausschalttransistor 90.
Die Turboladersteuerung 88 ist eine Einheit, die den Zustand
der Turboladereinheit 16 in Abhängigkeit vom Betriebszustand
der Brennkraftmaschine 10 angemessen steuert. Die Turboladersteuerung 88 überträgt im Besonderen
ein Startsignal an den Motorsteuerkreis 86, wenn die Turboladereinheit 16 elektrisch
unterstützt
werden muss, und schaltet den Zustand des Wechselrichterausschalttransistors 90 in
Abhängigkeit
von dem vom Motorsteuerkreis 86 übertragenen VCO-Signal.
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Der Wechselrichterausschalttransistor 90 ist ein
Transistor, der die sechs Gate-Signal-Leiter, die mit den sechs
Schaltelementen im Wechselrichter 60 in Verbindung stehen,
auf das Massepotential legt. Die Schaltelemente im Wechselrichter 60 sind
ausgeschaltet, wenn die Gate-Spannung
dem Massepotential entspricht. Daher ist es mittels des Wechselrichterausschalttransistors 90 möglich, den
Wechselrichter 60 ungeachtet des vom Motorsteuerkreis 86 übertragenen
Gate-Signals in einem ausgeschalteten Zustand festzulegen.
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Bezugnehmend auf die 3 und 4 wird
anschließend
die grundlegende Funktionsweise des Motorsteuerkreises 86 ausführlich beschrieben. 3 ist eine Zeittafel zur
Erläuterung
der Tendenz eines Drehzahlanstiegs des Elektromotors, wenn der Motorsteuerkreis 86 nach
seiner Inbetriebnahme den Elektromotor 24 der grundlegenden
Funktionsweise entsprechend steuert. Wie es in 3 gezeigt ist, steuert der Motorsteuerkreis 86 den
Elektromotor 24 im Anschluss an die Übertragung eines Startsignals von
der Turboladersteuerung 88 in einem Ausrichtungsmodus.
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Im Ausrichtungsmodus wird das Gate-Signal nach
einem bestimmten Schema an den Wechselrichter 60 übertragen.
Der Läufer
des Elektromotors 24 wird dadurch in einer vorgegebenen
Stellung festgelegt. Zur Durchführung
eines Synchronbetriebs des Elektromotors 24 muss die Stellung
des Läufers im
Voraus ermittelt werden. Der Ausrichtungsmodus ermöglicht es,
den Läufer
unmittelbar nach dem Start des Elektromotors 24 zuverlässig in
einer vorgegebenen Stellung festzulegen. Die Verwendung der vorgegebenen
Stellung des Läufers
als einen Startpunkt ermöglicht
daher den Start eines Synchronbetriebs des Elektromotors 24.
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Nach Abschluss der Ausrichtungsmodus-Steuerung
steu ert der Motorsteuerkreis 86 den Elektromotor 24 in
einem Rampen- oder Hochfahrmodus. Im Hochfahrmodus wird die Drehzahl
des Elektromotors 24 mit einer Beschleunigung erhöht, bei
der die Drehung des Läufers
nicht asynchron zum drehenden Magnetfeld wird. Da die Drehzahl des Läufers in
diesem Stadium nicht genügend
hoch ist, wird in den Phasenwicklungen des Elektromotors 24 keine
ausreichende gegenelektromotorische Spannung erzeugt, um die Stellung
des Läufers
zu erfassen. Dementsprechend wird im Hochfahrmodus die Frequenz,
mit der das Gate-Signal geschaltet wird, nach und nach erhöht in der
Annahme, dass der Läufer
nicht asynchron zum drehenden Magnetfeld dreht, ohne dessen Stellung
zu überwachen.
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Der Hochfahrmodus wird solange fortgesetzt,
bis die Drehzahl des Elektromotors 24 eine Drehzahl erreicht
hat, bei der in den Phasenwicklungen jeweils eine ausreichende gegenelektromotorische
Spannung erzeugt wird. Wenn die Drehzahl des Elektromotors 24 bis
auf die Drehzahl angestiegen ist, bei der in den Phasenwicklungen
ausreichende gegenelektromotorische Spannungen erzeugt werden, startet
der Motorsteuerkreis 86 die Steuerung des Elektromotors
in einem Laufmodus. Im Laufmodus werden die in den Phasenwicklungen
des Elektromotors 24 erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen
und in Abhängigkeit
von den gegenelektromotorischen Spannungen die Stellung des Läufers erfasst.
In Abhängigkeit
von der erfassten Läuferstellung
wird dann die Drehzahl des Elektromotors 24 mit einer maximalen
Beschleunigung innerhalb eines Bereichs, in dem sich der Läufer nicht
asynchron zum drehenden Magnetfeld dreht, bis auf die Soll-Drehzahl
erhöht.
Anschließend
wird im Laufmodus das Intervall, mit dem das an den Wechselrichter 60 zu übertragene
Gate-Signal geschaltet wird, in der Weise geregelt/gesteuert, dass
die Drehzahl des Elektromotors 24 gleich der Soll-Drehzahl
wird, während
gleichzeitig die Läuferstellung
erfasst wird.
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4 ist
eine Zeittafel zur Erläuterung
der Wellenformen des vom Motorsteuerkreis 86 an den Wechselrichter 60 zu übertragenen
Gate-Signals und der Zeitpunkte, an denen die gegenelektromotorische
Spannung an jeder Phasenwicklung abgetastet wird. Im Besonderen
zeigt 4(A) die Wellenform des
durch den Motorsteuerkreis 86 erzeugten VCO-Signals. Jeder
der in 4 gezeigten Bereiche #1
bis #6 entspricht einem Läuferdrehwinkel
von 60°. Daher
ist das VCO-Signal ein Signal, das während einer Drehung des Läufers um
60° ein-
und ausgeschaltet wird.
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4(B) bis 4(G) zeigen die Wellenformen des
an die sechs Schaltelemente im Wechselrichter 60 zu übertragenen
Gate-Signals. Das in der Figur angegebene Bezugszeichen U1 kennzeichnet
das Schaltelement 62 auf der Seite des Leistungsversorgungspotentials
der U-Phase. Das in der Figur angegebene Bezugszeichen V1 kennzeichnet
das Schaltelement 70 auf der Seite des Leistungsversorgungspotentials
der V-Phase. Das in der Figur angegebene Bezugszeichen W1 kennzeichnet
das Schaltelement 78 auf der Seite des Leistungsversorgungspotentials der
W-Phase. Das in der Figur angegebene Bezugszeichen U2 kennzeichnet
das Schaltelement 64 auf der Seite des Massepotentials
der U-Phase. Das
in der Figur angegebene Bezugszeichen V2 kennzeichnet das Schaltelement 72 auf
der Seite des Massepotentials der V-Phase. Das in der Figur angegebene Bezugszeichen
W2 kennzeichnet das Schaltelement 80 auf der Seite des
Massepotentials der W-Phase. wie es in der Figur gezeigt ist, wird
in der Ausführungsform
das Rnsteuerungsverfahren der so genannten 120°-Ansteuerung/120°-Erregung
verwendet. Nach dem Verfahren werden den Phasenwicklungen des Elektromotors 24 zugeordnete
Schaltelemente während
eines Zyklus jeweils nur für
eine Dauer von 120° im
eingeschalteten Zustand gehalten. Daher wird in dem System der Ausführungsform
in einem Zyklus für
jeden Bereich eine Dauer von 60°,
in der beide Schaltelemente einer Phasenwicklung ausgeschaltet sind,
erhalten.
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4(H) zeigt
die Zeitpunkte, an dem die in der U-Phasenwicklung erzeugte gegenelektromotorische
Spannung abgetastet wird. 4(I) die
Zeitpunkte, an dem die in der V-Phasenwicklung erzeugte gegenelektromotorische
Spannung abgetastet wird. 4(J) zeigt
die Zeitpunkte, an dem die in der W-Phasenwicklung erzeugte gegenelektromotorische
Spannung abgetastet wird. In den Phasenwicklungen wird jeweils während der
Dauer von 60°,
in der die beiden Schaltelemente einer jeden Phasenwicklung sich
in einem aberregten Zustand befinden, d.h. während der Dauer von 60°, in der
die jeweilige Wicklung nicht erregt wird, eine gegenelektromotorische
Spannung erzeugt. Daher macht der Motorsteuerkreis 86 die
Dauer, in der die beiden, der U-Phase zugeordneten Schaltelemente 62, 64,
ausgeschaltet sind (Dauer #3 und #6 in 4), zur Abtastdauer für die U-Phase. Analog macht
die Motorsteuerkreis 86 die Dauer, in der die beiden, der
V-Phase zugeordneten Schaltelemente 70, 72 ausgeschaltet
sind (Dauer #2 und #5 in 4),
zur Abtastdauer für
die V-Phase. Des Weiteren macht der Motorsteuerkreis 86 die Dauer,
in der die beiden, der W-Phase
zugeordneten Schaltelemente 78, 80 ausgeschaltet
sind (Dauer #1 und #4 in 4),
zur Abtastdauer für
die W-Phase.
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Nach der bisherigen Beschreibung
wird in dem System der Ausführungsform
die 120°-Ansteuerung/Erregung
als Verfahren zur Ansteuerung des Elektromotors 24 verwendet;
weiter wird die gegenelektromotorische Kraft in den Phasenwicklungen während der
Dauer von 60° abgetastet,
in der die Wicklungen sich jeweils in einem aberregten Zustand befinden.
Das System der Ausführungsform
ermöglicht
es daher, die gegenelektromotorische Kraft in den Phasenwicklungen
während
des Laufmodus zu erfassen, in Abhängigkeit von der gegenelektromotorischen
Spannung die Läuferstellung
zu erfassen, und in Abhängigkeit
von der Läuferstellung
einen Synchronbetrieb des Elektromotors 24 durchzuführen.
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In dem System der Ausführungsform
dient die Drehwelle 22 des Elektromotors 24 gleichermaßen als
die Drehwelle der Turbine 18 und des Verdichters 20 der
Turboladereinheit 16. Die Turbine 18 dreht sich
auch während
eines Leerlaufs der Brennkraftmaschine 10 mit einem bestimmten
Drehzahlgrad. Selbst wenn der Elektromotor 24 nicht elektrisch
angetrieben wird, läuft
der Elektromotor 24 daher während des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 im
Leerlauf bei einem bestimmten Drehzahlgrad.
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5(A) zeigt
eine Zeittafel zur Erläuterung der
Arbeitsweise des Elektromotors 24 bei der Einleitung der
Steuerung des im Leerlauf laufenden Elektromotors 24 nach
der vom Motorsteuerkreis 86 durchgeführten Grundsteuerung. Wie vorstehend
erwähnt,
führt der
Motorsteuerkreis 86 im Ansprechen auf einen Startbefehl der Turboladersteuerung 88 zunächst den
Ausrichtungsmodus zum Festlegen des Läufers in der vorgegebenen Stellung
und anschließend
den Hochfahrmodus und den Laufmodus durch. Wenn der Elektromotor 24 vor
der Übertragung
des Startbefehls an den Motorsteuerkreis 86 bereits im
Leerlauf läuft,
sinkt daher die Drehzahl des Motors gleichzeitig mit Einleitung
des Ausrichtungsmodus abrupt ab, wie es in 5(A) gezeigt ist. Das abrupte Absinken
der Drehzahl des Motors führt
zu einer Verdrillung der Drehwelle 22 und zu einer Vergeudung
der Drehenergie der Turbine 18. Daher gilt es, einen derartigen
abrupten Abfall der Drehzahl des Motors möglichst zu vermeiden.
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5(B) ist
eine Zeittafel zur Erläuterung
der in dem System der Ausführungsform
realisierten Arbeitsweise, die dieser Forderung Rechnung trägt. Wie
es in der Figur gezeigt ist, werden in dem System der Ausführungsform
in dem Fall, in dem der Elektromotor 24 im Leerlauf läuft, wenn
eine Anweisung zur Einleitung einer Unterstützung der Turboladereinheit 16 durch
den Elektromotor 24 erteilt wird, insbesondere in dem Fall,
in dem der Elektromotor 24 mit einer Geschwindigkeit im
Leerlauf läuft,
bei der in den Phasenwicklungen jeweils eine erfassbare gegenelektromotorische
Spannung erzeugt wird, wenn die Anweisung zur Einleitung der Unterstützung der
Turboladereinheit 16 durch den Elektromotor 24 erteilt
wird, der Ausrichtungsmodus und der Hochfahrmodus ausgelassen. Ohne
den Ausrichtungsmodus und den Hochfahrmodus wird der Elektromotor 24 unmittelbar aus
dem Leerlaufzustand in den Laufmodus geschaltet.
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Das System der Ausführungsform
enthält den
vorstehend genannten Wechselrichterausschalttransistor 90.
Wenn eine Anweisung zur Einleitung der Unterstützung der Turboladereinheit 16 durch den
Elektromotor 24 erteilt wird, schaltet die Turboladersteuerung 88 zunächst den
Wechselrichterausschalttransistor 90 ein und überträgt anschließend einen
Startbefehl an den Motorsteuerkreis 86. Im eingeschalteten
Zustand des Wechselrichterausschalttransistors 90 liegen
die sechs Gate-Signal-Leiter, die mit dem Wechselrichter 60 verbunden
sind, alle auf dem Massepotential, so dass der Ausrichtungsmodus
und der Hochfahrmodus ausgelassen werden. Wenn der Motorsteuerkreis 86 die
Laufmodus-Steuerung startet, d.h. wenn der Motorsteuerkreis 86 mit
der Ausgabe des VCO-Signals beginnt, schaltet die Turboladersteuerung 88 den
Wechselrichterausschalttransistor 90 aus. Nach dem Ausschalten
des Wechselrichterausschalttransistors 90 werden die Schaltelemente
im Wechselrichter 60 entsprechend dem vom Motorsteuerkreis 86 übertragenen
Gate-Signal gesteuert. Im Ergebnis wird der Elektromotor 24 im
Laufmodus gesteuert.
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Mit Hilfe von 6 wird im Folgenden der konkrete Inhalt
des von der Turboladersteuerung 88 ausgeführten Prozesses
zur Realisierung der vorstehend genannten Arbeitsweise beschrieben. 6 ist ein Ablaufschema der von
der Turboladersteuerung 88 ausgeführten Steuerungsroutine zur
Regelung/Steuerung des Zustands des Elektromotors 24 in
der Ausführungsform.
In der in 6 gezeigten Routine
wird zunächst
bestimmt, ob eine Anweisung zur Unterstützung der Turboladereinheit 16 durch den
Elektromotor 24 erteilt wurde (Schritt 100).
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Wenn bestimmt wird, dass keine Anweisung zur
Unterstützung
des Turboladers 16 durch den Elektromotor 24 erteilt
wurde, muss der Elektromotor 24 nicht angesteuert werden.
Daher werden die nachfolgenden Prozesse nicht ausgeführt, und
die momentane Routine wird beendet. Wenn dagegen bestimmt wird,
dass eine Anweisung zur Unterstützung
des Turboladers 16 durch den Elektromotor 24 erteilt
wurde, wird bestimmt, ob die momentane Routine während eines Starts der Brennkraftmaschine 10 ausgeführt wird,
insbesondere ob die Drehzahl des Elektromotors 24 momentan über einem
vorgegebenen Wert liegt (Schritt 102).
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In der Ausführungsform erteilt die Turboladersteuerung 88 eine
Anweisung zur Unterstützung durch
den Elektromotor 24, um während eines Betriebs der Brennkraftmaschine 10 die
Ansprechempfindlichkeit der Aufladung zu erhöhen bzw. während eines Kaltstarts der
Brennkraftmaschine 10 die Temperatur der Ansaugluft zu
erhöhen.
Wenn im Schritt 102 bestimmt wird, dass die Brennkraftmaschine 10 gestartet
wird (die Brennkraftmaschinendrehzahl auf oder unter dem vorgegebenen
Wert liegt), lässt
sich somit bestimmen, dass eine Anweisung zur Unterstützung durch
den Elektromotor 24 erteilt wird, um die Temperatur der
Ansaugluft zu erhöhen.
Da der Elektromotor 24 vor dem Start der Ansteuerung nicht im
Leerlauf läuft,
kann in diesem Fall bestimmt werden, dass die Drehzahl des Elektromotors 24 durch den
Ausrichtungsmodus und den Hochfahrmodus nach der vom Motorsteuerkreis 86 durchgeführten Grundsteuerung
erhöht
werden soll. Wenn im Schritt 102 bestimmt wird, dass die Brennkraftmaschine 10 gestartet wird,
werden daher der Schritt 106 und die nachfolgenden Schritte unverzüglich ausgeführt.
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Wenn im Schritt 102 andererseits
bestimmt wird, dass die Brennkraftmaschine 10 nicht gestartet wird,
lässt sich
bestimmen, dass die Anweisung zur Unterstützung der Turboladereinheit 16 erteilt
wird, um in einem Zustand, in dem der Elektromotor 24 bereits
bei einem bestimmten Drehzahlgrad im Leerlauf läuft, den Ladedruck zu erhöhen. In
diesem Fall wird der Wechselrichterausschalttransistor 90 eingeschaltet,
um das Gate-Signal auf das Massepotential zu legen (das Potential,
bei dem die Schaltelemente ausgeschaltet sind) (Schritt 104).
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In der in 6 gezeigten Routine wird anschließend der
Prozess zur Inbetriebnahme des Motorsteuerkreises 86 durchgeführt (Schritt
106). Nach der Inbetriebnahme des Motorsteuerkreises 86 wird das
vorgegebene Gate-Signal an die Gate-Signal-Leitung übertragen,
um die Ausrichtungsmodus-, Hochfahrmodus- und Laufmodus-Steuerung
zu realisieren. Im Ergebnis wird die Drehzahl des Elektromotors 24 während eines
Kaltstarts gemäß der in 3 gezeigten Wellenform erhöht. Wenn
der Elektromotor 24 aber bereits im Leerlauf läuft, wird
die Drehzahl des Elektromotors 24 so lange auf der Drehzahl
gehalten, mit der der Elektromotor 24 im Leerlauf läuft, bis
der Laufmodus gestartet wird, wie es in 5(B) gezeigt ist.
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In der in 6 gezeigten Routine wird anschließend bestimmt,
ob der Motorsteuerkreis 86 die Laufmodus-Steuerung gestartet
hat, d.h. ob der Motorsteuerkreis 86 die Stellung des Läufers in
Abhängigkeit
von den an den Phasenwicklungen des Elektromotors 24 induzierten
gegenelektromotorischen Spannungen erfasst und die Steuerung des
Gate-Signals in Abhängigkeit
von der Stellung des Läufers begonnen
hat (Schritt 108). Der Motorsteuerkreis 86 startet die
Ausgabe des VCO-Signals mit Beginn der Laufmodus- Steuerung. Daher wird im Schritt 108
im Besonderen bestimmt, ob der Motorsteuerkreis 86 mit
der Ausgabe des VCO-Signals begonnen hat Wenn im Schritt 108 bestimmt
wird, dass der Motorsteuerkreis 86 die Laufmodus-Steuerung
gestartet hat, wird anschließend
bestimmt, ob die Frequenz des VCO-Signals auf oder unter einem vorgegebenen
Wert Nf liegt (Schritt 110).
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wie vorstehend erwähnt, schwankt
das VCO-Signal in Intervallen entsprechend der Drehzahl des Elektromotors 24.
Der Referenzwert Nf wird verwendet, um zu bestimmen, ob der Elektromotor 24 nicht
mit einer übermäßig hohen
Drehzahl läuft. Wenn
bestimmt wird, dass die Frequenz des VCO-Signals auf oder unter
dem Referenzwert Nf liegt, lässt sich
daher bestimmen, dass der Elektromotor 24 mit einer angemessenen
Drehzahl läuft.
In diesem Fall wird der Wechselrichterausschalttransistor 90 ausgeschaltet
und die Festlegung des Gate-Signals auf das Massepotential aufgehoben,
um die Unterstützung entsprechend
dem Laufmodus zu ermöglichen (Schritt
112).
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Wenn dagegen bestimmt wird, dass
die Frequenz des VCO-Signals weder auf noch unter dem Referenzwert
Nf liegt, lässt
sich bestimmn, dass der Elektromotor 24 momentan mit einer übermäßig hohen
Drehzahl läuft.
In diesem Fall wird der Wechselrichterausschalttransistor 90 eingeschaltet,
um eine Unterstützung
durch den Elektromotor 24 zu verhindern, und das Gate-Signal
auf das Massepotential gelegt (Schritt 114).
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Gemäß der bisherigen Beschreibung
entsprechend der in 6 gezeigten
Routine kann in dem Fall, in dem während eines Kaltstarts eine
Anweisung zur Unterstützung
der Turboladereinheit 16 mittels des Elektromotors 24 erteilt
wird, dadurch, dass der Motorsteuerkreis 86 die Grund steuerung durchführt, die
Temperatur der Ansaugluft angemessen erhöht werden. Wenn die Anweisung
zur elektrischen Unterstützung
der Turboladereinheit 16 in einem Zustand erteilt wird,
in dem der Elektromotor 24 bereits im Leerlauf läuft, kann
dadurch, dass der Ausrichtungsmodus und der Hochfahrmodus ausgelassen
werden, eine Unterstützung
eingeleitet werden, ohne eine Verdrillung der Drehwelle 22 der
Turboladereinheit 16 zu verursachen und ohne Drehenergie zu
vergeuden. Daher lässt
sich mittels des Systems der Ausführungsform eine Unterstützung der
Turboladereinheit 16 durch den Elektromotor 24 problemlos
und zuverlässig
einleiten, ohne eine Drehmomentschwankung und ein abnormes Geräusch hervorzurufen.
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In der vorstehend genannten Ausführungsform
ist der Elektromotor 24 ein Elektromotor, der die Turboladereinheit 16 unterstützt. Die
Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung
auf eine beliebige Vorrichtung und ein beliebiges Verfahren zur
Steuerung eines im Leerlauf anzusteuernden Elektromotors angewendet
werden.
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In der vorgenannten Ausführungsform
ist der Motorsteuerkreis 86 ein Motorsteuerkreis, der vor dem
Laufmodus den Ausrichtungsmodus und Hochfahrmodus ausführt. Die
Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, die Verursachung einer Drehmomentschwankung und
eines abnormen Geräuschs
infolge einer Zustandsänderung
des Wechselrichters 60 zu verhindern, wenn die Ansteuerung
eines im Leerlauf laufenden Elektromotors eingeleitet wird. Daher
kann der Motorsteuerkreis irgendein Motorsteuerkreis sein, sofern
er den Wechselrichter 60 in einem ausgeschalteten Zustand
halten kann, bis die Stellung des Läufers erfasst ist.
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In der vorgenannten Ausführungsform
wird die Einrichtung zur Ermittlung der gegenelektromotorischen
Spannung realisiert, indem der Motorsteuerkreis 86 die
U-Spannung, V-Spannung und W-Spannung zu den in 4(H) bis (J) gezeigten
Abtastzeitpunkten erfasst. Die Einrichtung zur Ermittlung der Läuferstellung
wird realisiert, indem der Motorsteuerkreis 86 die Stellung
des Läufers
in Abhängigkeit
von der ermittelten U-Spannung, V-Spannung und W-Spannung ermittelt. Die Läuferantriebseinrichtung wird
realisiert, indem der Motorsteuerkreis 86 das Gate-Signal
nach den in 4(B) bis 4(G) gezeigten Schemata schaltet.
Die Wechselrichterausschalteinrichtung wird realisiert, indem die
Turboladersteuerung 88 den Prozess im Schritt 104 ausführt.
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In der vorgenannten Ausführungsform
wird die Ausrichtungsmoduseinrichtung realisiert, indem der Motorsteuerkreis 86 die
in 3 veranschaulichte
Steuerung entsprechend dem Ausrichtungsmodus ausführt. Die
Hochfahrmoduseinrichtung wird realisiert, indem der Motorsteuerkreis 86 die
Steuerung entsprechend dem Hochfahrmodus ausführt.
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Des Weiteren wird in der vorgenannten
Ausführungsform
die Drehungsbestimmungseinrichtung realisiert, indem die Turboladersteuerung 88 den Prozess
im Schritt 102 ausführt.
Die Wechselrichterausschaltverhinderungseinrichtung wird realisiert,
indem der Prozess im Schritt 104 übersprungen wird, wenn die
Bedingung im Schritt 102 erfüllt
ist.
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Der Elektromotor (24) wird
unter Verwendung des Wechselrichters (60) angesteuert.
Der Motorsteuerkreis (86) ermittelt die ohne Verwendung des
Wechselrichters (60) in den Phasenwicklungen des Elektromotors
(24) erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen und ermittelt
die Stellung des Läufers
des Elektromotors (24) in Abhängigkeit von den gegenelektromotorischen
Spannungen. Des Weiteren steuert der Motorsteuerkreis (86)
das an die Vielzahl der Schaltelemente im Wechselrichter (60) zu übertragene
Gate-Signal in Abhängigkeit
von der erfassten Stellung des Läufers
so, dass sich der Läufer
dreht. während
der Dauer nach der Erteilung der Anweisung zur elektrischen Ansteuerung
des Elektromotors (24) bis zur Ermittlung der Stellung
des Läufers
durch den Motorsteuerkreis (86) wird das Gate-Signal auf
das Ausschaltpotential gelegt, wodurch sämtliche Schaltelemente im ausgeschalteten Zustand
gehalten werden. Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung und
ein Steuerverfahren zum Antrieb bzw. zur Ansteuerung eines Synchronmotors ohne
Verwendung eines Sensors. Erfindungsgemäß kann der im Leerlauf laufende
Elektromotor problemlos gestartet werden.