JP2004028009A - エンジン始動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ロータ位置検出センサを有しないブラシレスモータによるエンジン始動性能を高める。
【解決手段】エンジンの高負荷域ではエンジンを正逆回転した後、加速正回転して始動させる。エンジンの負荷域では直ちにエンジンを加速正回転させる。高負荷域であるか軽負荷域であるかは始動動作開始時の回転速度により判断する。即時始動判断部３６は始動動作開始後、正回転速度が第１の速度に到達し、予定時間経過後も第１の速度より高い第２の速度が得られているときに始動正転制御部３７へ検出信号を出力する。始動正転制御部３７は正転指示を駆動部３０に入力するとともに加速正回転のための制御目標値を駆動演算回路２９に入力する。これにより、軽負荷時には位置決めのための正回転から即座に始動開始することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】エンジンの高負荷域ではエンジンを正逆回転した後、加速正回転して始動させる。エンジンの負荷域では直ちにエンジンを加速正回転させる。高負荷域であるか軽負荷域であるかは始動動作開始時の回転速度により判断する。即時始動判断部３６は始動動作開始後、正回転速度が第１の速度に到達し、予定時間経過後も第１の速度より高い第２の速度が得られているときに始動正転制御部３７へ検出信号を出力する。始動正転制御部３７は正転指示を駆動部３０に入力するとともに加速正回転のための制御目標値を駆動演算回路２９に入力する。これにより、軽負荷時には位置決めのための正回転から即座に始動開始することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジン始動装置に関し、特にエンジンの圧縮行程の負荷を克服して安定的にエンジンを始動させるのに好適なエンジン始動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの圧縮行程で上死点を乗り越えるためには大きいトルクが必要となる。このため、上死点前９０度付近からエンジンを始動させると、高負荷のために上死点を乗り越えられないことがある。そこで、始動装置のモータ（スタータモータ）には、圧縮行程の高負荷域を乗り越えることができるだけの余裕を持った出力トルクが要求される。
【０００３】
一方、このような高負荷域ないしはその直前からの始動を回避できれば、比較的小さいトルクのスタータモータでも圧縮行程を乗り切ることができる。特開平７−７１３５０号公報には、エンジンのクランク角を読み込んで現在位置つまり始動開始位置を確認し、この位置に対応する所定回転角または所定時間の逆転からなる予備回転を指令した後に正規の正転を指令する始動装置、あるいはエンジンのクランク角を読み込んで始動開始位置を確認し、この位置から負荷トルク減少方向を判別してトルク減少方向に予備回転を指令した後に正規の正転を指令する始動装置が開示されている。
【０００４】
この始動装置では、逆回転つまり予備回転によるオイルの広がり等で摩擦面が略動摩擦面化つまり摩擦係数が低下して負荷トルクが減少することに着目し、始動指令後に直ちに正転する場合よりも始動性を向上させようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の始動装置では、始動トルクがあまり大きくないスタータモータを使用した場合にも、ある程度の始動性向上を期待できる。しかし、前述のような圧縮行程の高負荷域を乗り越えるという観点からは依然として十分とはいえない。
【０００６】
また、始動開始位置を確認してこれに応じた回転角あるいは時間だけ予備的に逆回転させる構成をとるために始動開始位置の検出手段が必須であり、汎用の始動装置として利用する観点からは好ましくない。特に、回転子の位置検出センサを有しないブラシレスモータをスタータモータとして使用する場合、特開平７−７１３５０号公報に記載されたようにエンジン位置検出手段を設ける必要がある。
【０００７】
さらに、特開平７−７１３５０号公報の始動装置においては、始動開始位置を確認した時点で、正転方向が負荷トルクの減少方向である場合には、そのまま正転させて所定時間経過後にエンジン回転数がしきい値回転数を超過したか否かによって始動成功および始動失敗を判断している。しかし、正転時に高負荷域を乗り越えられるかどうかの判断にかなりの時間をかけなくてはならないため、始動失敗時の再始動に時間がかかりすぎるという問題点もあった。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解消し、始動開始位置を確認することなく大きい慣性力が得られる正転開始位置へピストンを移動させ、その位置から大きい慣性力を利用したエンジン始動トルクで始動させることができるエンジン始動装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータに初期励磁電流を流してエンジンを正回転させ、回転速度が第１の時間内に第１の速度に到達すること、及び第２の時間経過後も前記第１の速度より高い第２の速度が得られていることの２条件を満たしたときに前記モータを始動用目標回転数に従って駆動する駆動制御手段を具備した点に第１の特徴がある。
【００１０】
第１の特徴によれば、モータの回転速度が第１の速度に到達したことでモータが始動されたことを示す第１の条件が満たされ、その後、少なくとも第２の速度で正回転していることによりエンジン状態が高負荷位置にない、すなわち高負荷域を乗り越えられたという第２の条件が満たされる。したがって、第２の条件が満たされた場合、直ちに加速してエンジンを始動させることができるので、始動用目標回転数に従って一気に加速正回転させる。
【００１１】
特に、低い初期励磁電流で回転速度が抑制されていても第２の速度が得られていることが前提なので、確実に高負荷域を乗り越えられたことを判断できる。
【００１２】
また、本発明は、前記駆動制御手段が、前記２条件の少なくとも一方が満たされない場合に前記モータに初期励磁電流を流して前記エンジンを逆回転させ、回転速度が一旦上昇後第３の速度以下に低下した後に前記モータを始動用目標回転数に従って駆動するように構成された点に第２の特徴がある。
【００１３】
第２の特徴では前記２条件が満たされない場合は高負荷域であると判断してエンジンを逆回転させる。高負荷位置から逆方向へ回転させる場合は軽負荷となるので、正回転後の逆回転ではさらにエンジン負荷が増大する位置までモータを回転させることができる。こうして軽負荷でエンジン始動動作に入ることができる位置にモータを移動させた後に正回転させることにより、小トルクのモータで一気に圧縮行程の高負荷域を乗り越えてクランキング回転速度までエンジンを加速することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は、前記モータが、ブラシレスモータであり、３相固定巻線のうち、２相に駆動用通電をしたときに通電されていない巻線に誘起される電圧信号に基づいて回転子の回転位置信号および回転速度信号を形成するように構成され、前記回転速度検出手段が、前記回転速度信号に基づいてモータの回転速度を検出する点に第３の特徴がある。
【００１５】
さらに、本発明は、前記モータが、ブラシレスモータであり、固定巻線に通電するための電流出力値と前記固定子巻線での電流測定値との偏差に基づいて回転子の回転位置信号および回転速度信号を形成するように構成され、前記回転速度検出手段が、前記回転速度信号に基づいてモータの回転速度を検出する点に第４の特徴がある。
【００１６】
第３および第４の特徴によれば、巻線の誘起電圧または巻線に供給される電流に基づいてモータの回転速度つまり始動時のエンジンの回転速度が検出され、モータやエンジンの回転位置センサを設けなくても、回転速度に基づいてモータの正回転および逆回転の反転位置を決定できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２はスタータモータとしてブラシレスモータを使用したエンジン発電装置の側面図、図３は図２のＶ−Ｖ断面図である。エンジン発電装置１は４サイクル内燃エンジン（以下、単に「エンジン」という）２と磁石式多極発電機である発電機３とを備える。発電機３は発電電動機であり、電動機としても動作する。詳細は後述する。エンジン２のクランク軸４は、クランクケース５の側壁５ａに設けられる軸受６等で支持された状態でエンジン２の外部に引き出される。クランク軸４を囲むクランクケース５の側壁５ａの周縁ボス部には環状星型鉄心７がボルト８０によって固着される。鉄心７は環状の継鉄部７ａとそれから放射状に突出せられる２７個の突極部７ｂとからなる。前記突極部７ｂには、３相の巻線が順次交互に巻回されてステータ８を構成する。
【００１８】
クランク軸４の先端には鍛造品のハブ９が嵌着され、このハブ９にロータヨークを兼ねるフライホイール１０が結合される。フライホイール１０は高張力鋼板をカップ状にプレス成形して形成されたディスク部１０ａと円筒部１０ｂとからなる。ディスク部１０ａがハブ９に固着され、円筒部１０ｂが鉄心７の突極部７ｂ外側を覆うように取り付けられる。
【００１９】
フライホイール１０の円筒部１０ｂの内周面には高い磁力を有するネオジウム系の磁石１１が周方向に亘って１８個固着されてアウタロータ型磁石ロータ１２を構成する。このようなロータ１２は磁石１１を円筒部１０ｂの内周面に敷き詰めてあることで十分なマス（質量）を確保してフライホイールとしての機能を果たすことができる。
【００２０】
フライホイール１０のディスク部１０ａには冷却ファン１３が取り付けられる。冷却ファン１３は、円環状の基板１３ａの一方の側面に複数の羽根１３ｂが周方向に亘り立設されたもので、基板１３ａはフライホイール１０のディスク部１０ａの外表面に固着される。冷却ファン１３を覆うファンカバー１４は、フライホイール１０の側方からエンジン２に至る冷却風の導風路１４ａを形成する。
【００２１】
図４は、エンジン発電装置１のシステム図である。発電機３はエンジン２で駆動されて３相交流を発生する。発電機３の出力交流は半導体整流素子をブリッジに組んだ整流回路からなるコンバータ１５で全波整流されて直流に変換される。コンバータ１５から出力される直流はコンデンサ平滑回路１６で平滑化されてインバータ１７に入力され、インバータ１７を構成するＦＥＴのブリッジ回路で所定周波数の交流に変換される。インバータ１７から出力される交流は復調フィルタ１８に入力され、低周波成分（例えば商用周波数）のみが通過する。復調フィルタ１８を通過した交流は、リレー１９およびヒューズ２０を介して出力端子２１に接続される。リレー１９はエンジン２の始動時には「開」になり、エンジン２が所定程度まで始動された後は「閉」になる。
【００２２】
エンジン発電装置１の発電機３は、前述のように発電電動機であって、エンジン２を始動するためのスタータモータとして使用することができる。以下、スタータモータとして使用する場合は、発電機３をスタータモータ３ａとして説明する。スタータモータ３ａのためのスタータドライバ２２が設けられる。スタータドライバ２２にエンジン２の始動のための電流を供給するため、整流回路２３と平滑回路２４とが設けられる。整流回路２３には高調波フィルタ２３１およびコンバータ２３２が設けられる。高調波フィルタ２３１は出力端子２１に接続される。
【００２３】
発電機３の出力側は、例えば、交流２００Ｖの単相電源２５に接続され、エンジン始動時にはこの電源２５から交流が供給される。この交流は高調波フィルタ２３１に入力されて高調波が除去され、コンバータ２３２で直流に変換された後、さらに平滑回路２４を介してスタータドライバ２２に制御用電源として供給される。
【００２４】
スタータドライバ２２の出力側は、リレー２６を介して発電機３の３相巻線の各相に接続される。リレー２６はエンジン２の始動時には「閉」になり、エンジン２が所定程度まで始動された後は「開」になる。エンジン２の始動のため、発電機３の３相巻線の各相に予定の順序で順次電流を供給する。各相の巻線に電流を順次供給するためのスイッチング素子（ＦＥＴ）２２１と、ＣＰＵ２２２と、ロータ１２の位置を検出するためのセンサを使用しないセンサレス駆動部２２３とが設けられる。
【００２５】
図５は、センサレス駆動部２２３の要部機能を示すブロック図である。同図において、誘起電圧検出部２７は、インバータ回路つまりスイッチング素子２２１によってステータ８の２相間に通電されてロータが回転したときに残りの１相と中点との間に誘起される電圧信号の波形を検出する。位置検出部２８は、検出された電圧波形に基づいてステータ８の各相とロータ１２の各磁石との位置関係つまり回転位置を判別する。駆動演算回路２９は、ステータ８の各相とロータ１２の各磁石との位置関係に基づき、スイッチング素子２２１を駆動するための周期を演算する。駆動部３０は駆動演算回路２９で算出された周期に基づいてインバータ回路２２１に通電信号を供給する。
【００２６】
図６は、エンジン発電装置１の始動制御の全体動作を示すタイムチャートである。タイミングｔ１でエンジン始動指令が入力されて、制御装置（ＥＣＵ）のスタート信号がオンとなり、待機時間（例えば１秒）の後、リレー１９，２６をスタータモータ３ａ制御用に切り換えて、タイミングｔ２でスタータモータ３ａを正回転させる。そして、正回転中に回転速度が所定値以下に低下したことで判断される高負荷域に達するタイミングｔ３でスタータモータ３ａを逆回転させる。この正回転および逆回転では、スタータモータ３ａは定常運転時に供給される電流よりも小さな初期励磁電流で駆動される。このような初期励磁電流によって回転速度を抑制することにより、正回転および逆回転時に、高負荷位置つまり反転時に十分な始動トルクが期待できる位置で容易にスタータモータ３ａを停止できるし、高負荷位置を乗り越えられないときの反作用力（回転速度が大きいと反作用力も大きい）を抑制することができる。
【００２７】
スタータモータ３ａを正・逆回転させて、十分な始動トルクが期待できる位置にクランク軸４を位置決めしたときに、タイミングｔ４で正回転方向に加速を開始する。この正回転では、初期励磁電流よりも高い始動電流をスタータモータ３ａに供給する。
【００２８】
タイミングｔ５でスタータモータ３ａがクランキングの目標回転速度になると、クランキング中はこの回転速度が維持される。そして、点火タイミングｔ６のエンジン初爆後はエンジンの回転数が上昇を始め、タイミングｔ７でリレー１９を閉じ、リレー２６を開いて発電機３の制御に切り換える。タイミングｔ８まで（例えばタイミングｔ１から１０秒）はスタート信号は維持されるが、タイミングｔ８までに規定回転数（例えば１５００ｒｐｍ）に達しない場合は始動失敗であるので、初爆後に始動を失敗したと判断し、予定時間（例えば１０秒）をおいて再びスタート信号をオンにする。
【００２９】
上記十分な始動トルクが期待できる位置にスタータモータ３ａを動かすための正回転および逆回転の停止位置は、スタータモータ３ａの回転速度が予定値以下になったことで判断する。スタータモータ３ａの回転速度は、例えば、前記誘起電圧波形の周期に基づいて算出することができる。
【００３０】
図７、図８はエンジン発電装置１の始動制御のフローチャートであり、図９は始動制御のタイムチャートである。図７のステップＳ１では、エンジン始動指令の有無を判別する。エンジン始動指令が入力されたならばステップＳ２に進み、スタータモータ３ａを正回転つまりエンジン２の正回転方向に駆動する。ステップＳ３では、ステップＳ２の正回転動作開始から時間Ｔ１（例えば０．３秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ１は正回転方向への駆動の可否を判断する時間である。ステップＳ４では、スタータモータ３ａの回転速度が第１の速度である始動完了速度（例えば、３３ｒｐｍ）以上か否かが判断される。これによって、スタータモータ３ａが回転し始めたかどうかが判断される。時間Ｔ１が経過するまでに回転速度が始動完了速度以上にならない場合はステップＳ１１に進んで逆回転を開始させる（図９▲１▼）。
【００３１】
スタータモータ３ａが始動完了速度以上になると、ステップＳ４は肯定となってステップＳ５に進み、位置合わせのための正回転目標速度（例えば２３０ｒｐｍ）に収斂するよう速度制御を伴う正回転が行われる。ステップＳ６では、ステップＳ５の正回転動作開始から時間Ｔ２（例えば０．５秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ２は、位置合わせの必要性と逆転動作への移行とを判断する時間である。時間Ｔ２が経過するまではステップＳ７に進む。
【００３２】
ステップＳ７では、スタータモータ３ａの回転速度が、第２の速度である反転判定速度（例えば、そこまでの最高速度の７５％）まで低下したか否かが判断される。これによって、クランク角が上死点前の高負荷位置の近くで減速してしまったかどうかが判断される。時間Ｔ２が経過しても（ステップＳ６が肯定）、回転速度が低下しない場合（ステップＳ７が否定）は、エンジンが上死点後の軽負荷域にあってそのまま加速が可能だと判断される。したがって、この場合は逆回転には移らず、加速正回転のためステップＳ２３（図８）に進む（図９▲２▼）。
【００３３】
回転速度が反転判定速度まで低下したならばステップＳ７は肯定となり、ステップＳ８に進んでブレーキ制御によりスタータモータ３ａの正回転を停止させる。停止判断のための時間Ｔ３（例えば０．２秒）が経過する（ステップＳ９肯定）か、回転停止とみなされる第３の速度（例えば２３ｒｐｍ（図９▲４▼））以下になる（ステップＳ１０肯定）と、スタータモータ３ａはそれ以上正回転しないと判断してステップＳ１１に進む。
【００３４】
ステップＳ１１では、スタータモータ３ａを逆回転させてエンジン２を逆回転させる。ステップＳ１２では、ステップＳ１１の逆回転動作開始から時間Ｔ４（例えば０．３秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ４は速度制御を伴う逆回転動作に移るための判断時間である。時間Ｔ４が経過するまでに始動完了速度（例えば、３３ｒｐｍ）に達した場合は、ステップＳ１３が肯定となりステップＳ１４に進む。時間Ｔ４が経過しても始動完了速度以上にならない場合はステップＳ２０に進む（図９▲３▼）。
【００３５】
ステップＳ１４では、速度制御を伴う逆回転動作が行われる。ステップＳ１５では、ステップＳ１４の逆回転動作開始から時間Ｔ５（例えば０．５秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ５は逆回転停止判断のための時間である。時間Ｔ５が経過するまではステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、スタータモータ３ａの回転速度が反転判定速度（例えば、そこまでの最高速度の７５％）まで低下したか否かが判断される。これによって、エンジン負荷が大きくなり、クランク角が上死点前（正回転方向の上死点後に対応）の高負荷位置に到達したかどうかが判断される。
【００３６】
時間Ｔ５が経過した場合（ステップＳ１５が肯定）、または回転速度が低下した場合（ステップＳ１６が肯定）は、ステップＳ１７に進んでブレーキ制御によりスタータモータ３ａの逆回転を停止させる。停止判断のための時間Ｔ６（例えば０．２秒）が経過した場合（ステップＳ１８肯定）、または回転停止とみなされる速度（例えば２３ｒｐｍ（図９▲５▼）以下になる（ステップＳ１９肯定）と、スタータモータ３ａを加速正回転させるため、ステップＳ２０（図８）に進む。
【００３７】
図８のステップＳ２０では、加速正回転を行う。位置決め後の正回転では、まず、速度制御を行わないで、電流値を固定して加速正回転させる。スタータモータ３ａの回転速度が制御開始速度（例えば、１９８ｒｐｍ（図９▲６▼）になると、速度制御を伴う正回転に切り換える。初期の制御目標値は、例えば、３３１ｐｍとする。そして、この制御目標値を予定の加速度（例えば３３００ｒｐｍ／ｓｅｃ）で変化させていく。
【００３８】
すなわち、ステップＳ２１では、一定電流での加速制限時間Ｔ７が経過したか否かが判断される。ステップＳ２２では、制御開始速度以上になったか否かが判断される。時間Ｔ６が経過するかスタータモータ３ａの回転速度が制御開始速度以上になると、ステップＳ２３に進み、制御目標値に従って速度制御を行う。制御目標値は徐々に増大させていくので、実際の回転速度も増大していく。ステップＳ２４では、回転速度がクランキングの速度（例えば、８００ｒｐｍ）に到達したか否かが判断される。回転速度が増大してステップＳ２４が肯定となれば、回転速度をクランキング速度に維持するため制御目標値をクランキング速度に設定し、始動のシーケンスは終了される。なお、ステップＳ２３の速度制御が開始されてから所定の時間Ｔ８が経過しても目標速度に達しない場合に故障と判断して始動動作を停止するのが好ましい。つまり、ステップＳ２３ａが肯定ならば始動動作を停止してこのフローチャートの処理を終了する。
【００３９】
図１は、エンジン始動位置決めの要部機能ブロック図である。誘起電圧検出部２７で検出された誘起電圧の波形はモータ回転速度算出部３１に入力される。モータ回転速度算出部３１は誘起電圧の周期に基づいてスタータモータ３ａの回転速度を算出する。最大速度記憶部３２は始動制御でそれまでに検出されたスタータモータ３ａの最大速度をラッチする。最大速度は回転方向が変わるとクリアされる。速度判定部３３は、現在のスタータモータ３ａの回転速度と予定の反転判定速度（例えば、前記最大速度の７５％）とを比較し、現在の回転速度が反転判定速度以下になっていれば、速度低下検出信号を正・逆転制御部３４に出力する。
【００４０】
正・逆転制御部３４は該速度低下検出信号に応答して、スタータモータ３ａを停止させて反転させる反転指示を駆動部３０に供給する。正・逆転制御部３４は、前記反転指示とともに正回転および逆回転時の制御目標値を駆動演算回路２９に入力し、駆動演算回路２９はスタータモータの回転速度をこの制御目標値に制御すべくスイッチング素子２２１を駆動するための周期を演算する。スタータモータ３ａは、スイッチング素子２２１の駆動周期で決定される速度で回転するよう制御される。
【００４１】
即時始動判断部３６は、始動動作時の正回転において速度判定部３３からの速度低下検出信号の有無を所定時間監視する。そして所定時間経過までに速度低下検出信号を検出しなかった場合、つまり所定の速度（第２速度）で回転されていると判断した場合は、始動正転制御部３７へ加速正回転指示信号を入力する。この信号に応答して始動正転制御部３７は正転指示を駆動部３０に入力するとともに加速正回転のための制御目標値を駆動演算回路２９に入力する。これにより、軽負荷時には、位置決めのための正回転から引き続いて即座に始動開始することができる。電流供給部３５は、位置決め時およびその後の加速正回転時に初期励磁電流および始動電流をそれぞれスタータモータ３ａに供給する。
【００４２】
本実施形態によれば、最初にエンジン負荷が大きくなる位置まで正回転させ、その後、逆回転させて再びエンジン負荷が大きくなる位置で停止させる。そして、その位置から一気にクランキング可能な速度まで加速する。このように、エンジン負荷が大きくなる位置で停止させることによって、続く反転時には軽負荷になるので、加速が容易である。したがって、正・逆回転による位置決め後に始動電流を供給することにより慣性力を使用でき、圧縮行程を容易に乗り越えてクランキング動作をさせることができる。
【００４３】
なお、上述の説明では、モータの回転速度をスタータモータの誘起電圧の周期に基づいて算出するように構成した。しかし、スタータモータを次に示す方法によって制御する場合は、スタータモータの固定子巻線に供給する電流によって回転速度を算出することができる。
【００４４】
図１０は、変形例に係るスタータモータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、スタータモータ３ａのロータ１２の外周に沿って設けられる磁石１１で形成される磁束がロータ１２を径方向に貫く軸をｄ軸と呼ぶ。また、ステータコイルで形成される磁束がロータ１２を径方向に貫く軸をｑ軸と呼ぶ。これらｄ軸およびｑ軸に各層の電流をベクトル分解することによりスタータモータ３ａの動作を把握し、その結果に基づいて制御が行われる。
【００４５】
図１０において、スタータモータ制御装置は、電流目標値演算部４１、２相／３相変換部４２、ＰＷＭ制御部４３、インバータ回路つまりスイッチング素子２２１、３相／２相変換部４４、および回転角度推定部４５を備える。電流目標値演算部４１は回転速度目標値に基づいて決定されたｑ軸電流目標値と実際にスタータモータ３ａに供給された電流（ｑ軸電流測定値）とに基づいてｑ軸電流出力値を演算するとともに、ｄ軸電流測定値および回転角度推定部４５で推定された回転速度とに基づいてｄ軸電流出力値を演算する。ｑ軸電流出力値およびｄ軸電流出力値は２相／３相変換部４２と回転角度推定部４５に入力される。
【００４６】
２相／３相変換部４２は入力を３相のＰＷＭデータに変換してＰＷＭ制御部４３に出力する。ＰＷＭ制御部４３はＰＷＭデータに基づいてインバータ回路２２１の各スイッチング素子のオン・オフデューティを算出し、インバータ回路２２１にオン・オフ信号を入力する。インバータ回路２２１は、各相の電流を検出し、３相／２相変換部４４に入力する。３相／２相変換部４４から出力されるｑ軸電流測定値とｄ軸電流測定値は回転角度推定部４５および電流目標値演算部４１に入力される。
【００４７】
回転角度推定部４５は、前回のｑ軸電流出力値およびｄ軸電流出力値と今回のｑ軸電流測定値およびｄ軸電流測定値との偏差により回転角度（ｒａｄ）と回転速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）とを推定する。回転角度は２相／３相変換部４２および３相／２相変換部４４に供給され、回転速度は電流目標値演算部４１に供給される。なお、回転角度推定部４５は、例えば、特開平８−３０８２８６号公報に開示された構成とすることができる。
【００４８】
本実施形態の始動制御において、クランク軸４の位置決めのための正・逆回転および始動のための加速正回転で使用されるスタータモータ３ａの回転速度情報は、前記回転角度推定部４５で推定される回転速度に基づいて決定できる。
【００４９】
図１１は、ｑ軸電流による回転速度制御のフローチャートである。図１１において、ステップＳ３０では、モータ回転速度の目標値と推定回転速度との差を算出する。ステップＳ３１では、ステップＳ３０で算出された速度差に基づいてｑ軸電流出力値を算出する。速度差が大きいほどｑ軸電流出力値が大きくなるように設定した算出式が使用される。ステップＳ３２では、ｑ軸電流測定値と現在の回転速度に基づいてｄ軸電流出力値を算出する。ｑ軸電流測定値と現在の回転速度が大きいほどｄ軸電流出力値が大きくなるように設定した算出式が使用される。ステップＳ３３では、ｑ軸電流出力値およびｄ軸電流出力値により決定されたインバータ回路２２１を制御するＰＷＭ信号が出力される。この制御では、ｄ軸電流値によりｑ軸電流の位相ずれが生じる。そして、この位相ずれによって電機子反作用効果による減磁効果が発生し、スタータモータ３ａの界磁が減少する。したがって、スタータモータ３ａの回転速度は目標回転速度に制御される。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項４の発明によれば、モータの回転速度が低下しないことを検出して圧縮上死点近くの高負荷域にエンジン回転位置がないと判断される。したがって、高負荷域にないときは速やかにエンジンを正回転させることにより、一気にクランキング速度までエンジンを加速させることが可能である。
【００５１】
また、請求項２の発明によれば、エンジンが高負荷域にあると判断したときは、この高負荷域からの回転により回転の慣性力を利用して反転側の高負荷域まで移動させて正回転用の慣性力が十分に得られる位置にエンジンの回転位置を移動させることができる。したがって、次の正回転では、始動電流と併せて大きい慣性も利用して一気に圧縮行程の上死点前の高負荷域を乗り越え、エンジンをクランキング速度まで加速させることができる。
【００５２】
特に、請求項１または２の発明では、位置検出センサによらず、モータ回転速度が予定値以上に維持されているとき、または予定値まで低下したときをもって高負荷域でないか高負荷域であるかを的確に判断することができるし、モータの始動開始位置を確認する必要もない。
【００５３】
さらに、請求項３，４の発明によれば、巻線の誘起電圧または巻線に供給される電流に基づいてモータの回転速度つまり始動時のエンジンの回転速度が検出され、モータやエンジンの回転位置センサを設けずに、この回転速度に基づいてモータの正回転および逆回転の反転位置を決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジン始動装置の要部機能ブロック図である。
【図２】スタータモータとしてブラシレスモータを使用したエンジン発電装置の側面図である。
【図３】図２のＶ−Ｖ断面図である。
【図４】エンジン発電装置のシステム図である。
【図５】センサレス駆動部の要部機能を示すブロック図である。
【図６】エンジン発電装置の始動制御の全体動作を示すタイムチャートである。
【図７】エンジン発電装置の始動制御のフローチャート（その１）である。
【図８】エンジン発電装置の始動制御のフローチャート（その２）である。
【図９】始動制御の要部タイムチャートである。
【図１０】変形例に係るスタータモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】回転速度制御のフローチャートである。
【符号の説明】
３…発電機、 ３ａ…モータ、 ４…クランク軸、 ８…ステータ、 １９，２６…リレー、 ２２…スタータドライバ、 ２３…整流回路、 ２７…誘起電圧検出部、 ２８…位置検出部、 ２９…駆動演算回路、 ３０…駆動部、 ３１…モータ回転速度算出部、 ３２…最大速度記憶部、 ３３…速度判定部、 ３４…正・逆転制御部、 ３５…電流供給部、 ３６…即時始動判断部、 ３７…始動正転制御部、 ２２１…スイッチング素子（インバータ）
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジン始動装置に関し、特にエンジンの圧縮行程の負荷を克服して安定的にエンジンを始動させるのに好適なエンジン始動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの圧縮行程で上死点を乗り越えるためには大きいトルクが必要となる。このため、上死点前９０度付近からエンジンを始動させると、高負荷のために上死点を乗り越えられないことがある。そこで、始動装置のモータ（スタータモータ）には、圧縮行程の高負荷域を乗り越えることができるだけの余裕を持った出力トルクが要求される。
【０００３】
一方、このような高負荷域ないしはその直前からの始動を回避できれば、比較的小さいトルクのスタータモータでも圧縮行程を乗り切ることができる。特開平７−７１３５０号公報には、エンジンのクランク角を読み込んで現在位置つまり始動開始位置を確認し、この位置に対応する所定回転角または所定時間の逆転からなる予備回転を指令した後に正規の正転を指令する始動装置、あるいはエンジンのクランク角を読み込んで始動開始位置を確認し、この位置から負荷トルク減少方向を判別してトルク減少方向に予備回転を指令した後に正規の正転を指令する始動装置が開示されている。
【０００４】
この始動装置では、逆回転つまり予備回転によるオイルの広がり等で摩擦面が略動摩擦面化つまり摩擦係数が低下して負荷トルクが減少することに着目し、始動指令後に直ちに正転する場合よりも始動性を向上させようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の始動装置では、始動トルクがあまり大きくないスタータモータを使用した場合にも、ある程度の始動性向上を期待できる。しかし、前述のような圧縮行程の高負荷域を乗り越えるという観点からは依然として十分とはいえない。
【０００６】
また、始動開始位置を確認してこれに応じた回転角あるいは時間だけ予備的に逆回転させる構成をとるために始動開始位置の検出手段が必須であり、汎用の始動装置として利用する観点からは好ましくない。特に、回転子の位置検出センサを有しないブラシレスモータをスタータモータとして使用する場合、特開平７−７１３５０号公報に記載されたようにエンジン位置検出手段を設ける必要がある。
【０００７】
さらに、特開平７−７１３５０号公報の始動装置においては、始動開始位置を確認した時点で、正転方向が負荷トルクの減少方向である場合には、そのまま正転させて所定時間経過後にエンジン回転数がしきい値回転数を超過したか否かによって始動成功および始動失敗を判断している。しかし、正転時に高負荷域を乗り越えられるかどうかの判断にかなりの時間をかけなくてはならないため、始動失敗時の再始動に時間がかかりすぎるという問題点もあった。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解消し、始動開始位置を確認することなく大きい慣性力が得られる正転開始位置へピストンを移動させ、その位置から大きい慣性力を利用したエンジン始動トルクで始動させることができるエンジン始動装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータに初期励磁電流を流してエンジンを正回転させ、回転速度が第１の時間内に第１の速度に到達すること、及び第２の時間経過後も前記第１の速度より高い第２の速度が得られていることの２条件を満たしたときに前記モータを始動用目標回転数に従って駆動する駆動制御手段を具備した点に第１の特徴がある。
【００１０】
第１の特徴によれば、モータの回転速度が第１の速度に到達したことでモータが始動されたことを示す第１の条件が満たされ、その後、少なくとも第２の速度で正回転していることによりエンジン状態が高負荷位置にない、すなわち高負荷域を乗り越えられたという第２の条件が満たされる。したがって、第２の条件が満たされた場合、直ちに加速してエンジンを始動させることができるので、始動用目標回転数に従って一気に加速正回転させる。
【００１１】
特に、低い初期励磁電流で回転速度が抑制されていても第２の速度が得られていることが前提なので、確実に高負荷域を乗り越えられたことを判断できる。
【００１２】
また、本発明は、前記駆動制御手段が、前記２条件の少なくとも一方が満たされない場合に前記モータに初期励磁電流を流して前記エンジンを逆回転させ、回転速度が一旦上昇後第３の速度以下に低下した後に前記モータを始動用目標回転数に従って駆動するように構成された点に第２の特徴がある。
【００１３】
第２の特徴では前記２条件が満たされない場合は高負荷域であると判断してエンジンを逆回転させる。高負荷位置から逆方向へ回転させる場合は軽負荷となるので、正回転後の逆回転ではさらにエンジン負荷が増大する位置までモータを回転させることができる。こうして軽負荷でエンジン始動動作に入ることができる位置にモータを移動させた後に正回転させることにより、小トルクのモータで一気に圧縮行程の高負荷域を乗り越えてクランキング回転速度までエンジンを加速することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は、前記モータが、ブラシレスモータであり、３相固定巻線のうち、２相に駆動用通電をしたときに通電されていない巻線に誘起される電圧信号に基づいて回転子の回転位置信号および回転速度信号を形成するように構成され、前記回転速度検出手段が、前記回転速度信号に基づいてモータの回転速度を検出する点に第３の特徴がある。
【００１５】
さらに、本発明は、前記モータが、ブラシレスモータであり、固定巻線に通電するための電流出力値と前記固定子巻線での電流測定値との偏差に基づいて回転子の回転位置信号および回転速度信号を形成するように構成され、前記回転速度検出手段が、前記回転速度信号に基づいてモータの回転速度を検出する点に第４の特徴がある。
【００１６】
第３および第４の特徴によれば、巻線の誘起電圧または巻線に供給される電流に基づいてモータの回転速度つまり始動時のエンジンの回転速度が検出され、モータやエンジンの回転位置センサを設けなくても、回転速度に基づいてモータの正回転および逆回転の反転位置を決定できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２はスタータモータとしてブラシレスモータを使用したエンジン発電装置の側面図、図３は図２のＶ−Ｖ断面図である。エンジン発電装置１は４サイクル内燃エンジン（以下、単に「エンジン」という）２と磁石式多極発電機である発電機３とを備える。発電機３は発電電動機であり、電動機としても動作する。詳細は後述する。エンジン２のクランク軸４は、クランクケース５の側壁５ａに設けられる軸受６等で支持された状態でエンジン２の外部に引き出される。クランク軸４を囲むクランクケース５の側壁５ａの周縁ボス部には環状星型鉄心７がボルト８０によって固着される。鉄心７は環状の継鉄部７ａとそれから放射状に突出せられる２７個の突極部７ｂとからなる。前記突極部７ｂには、３相の巻線が順次交互に巻回されてステータ８を構成する。
【００１８】
クランク軸４の先端には鍛造品のハブ９が嵌着され、このハブ９にロータヨークを兼ねるフライホイール１０が結合される。フライホイール１０は高張力鋼板をカップ状にプレス成形して形成されたディスク部１０ａと円筒部１０ｂとからなる。ディスク部１０ａがハブ９に固着され、円筒部１０ｂが鉄心７の突極部７ｂ外側を覆うように取り付けられる。
【００１９】
フライホイール１０の円筒部１０ｂの内周面には高い磁力を有するネオジウム系の磁石１１が周方向に亘って１８個固着されてアウタロータ型磁石ロータ１２を構成する。このようなロータ１２は磁石１１を円筒部１０ｂの内周面に敷き詰めてあることで十分なマス（質量）を確保してフライホイールとしての機能を果たすことができる。
【００２０】
フライホイール１０のディスク部１０ａには冷却ファン１３が取り付けられる。冷却ファン１３は、円環状の基板１３ａの一方の側面に複数の羽根１３ｂが周方向に亘り立設されたもので、基板１３ａはフライホイール１０のディスク部１０ａの外表面に固着される。冷却ファン１３を覆うファンカバー１４は、フライホイール１０の側方からエンジン２に至る冷却風の導風路１４ａを形成する。
【００２１】
図４は、エンジン発電装置１のシステム図である。発電機３はエンジン２で駆動されて３相交流を発生する。発電機３の出力交流は半導体整流素子をブリッジに組んだ整流回路からなるコンバータ１５で全波整流されて直流に変換される。コンバータ１５から出力される直流はコンデンサ平滑回路１６で平滑化されてインバータ１７に入力され、インバータ１７を構成するＦＥＴのブリッジ回路で所定周波数の交流に変換される。インバータ１７から出力される交流は復調フィルタ１８に入力され、低周波成分（例えば商用周波数）のみが通過する。復調フィルタ１８を通過した交流は、リレー１９およびヒューズ２０を介して出力端子２１に接続される。リレー１９はエンジン２の始動時には「開」になり、エンジン２が所定程度まで始動された後は「閉」になる。
【００２２】
エンジン発電装置１の発電機３は、前述のように発電電動機であって、エンジン２を始動するためのスタータモータとして使用することができる。以下、スタータモータとして使用する場合は、発電機３をスタータモータ３ａとして説明する。スタータモータ３ａのためのスタータドライバ２２が設けられる。スタータドライバ２２にエンジン２の始動のための電流を供給するため、整流回路２３と平滑回路２４とが設けられる。整流回路２３には高調波フィルタ２３１およびコンバータ２３２が設けられる。高調波フィルタ２３１は出力端子２１に接続される。
【００２３】
発電機３の出力側は、例えば、交流２００Ｖの単相電源２５に接続され、エンジン始動時にはこの電源２５から交流が供給される。この交流は高調波フィルタ２３１に入力されて高調波が除去され、コンバータ２３２で直流に変換された後、さらに平滑回路２４を介してスタータドライバ２２に制御用電源として供給される。
【００２４】
スタータドライバ２２の出力側は、リレー２６を介して発電機３の３相巻線の各相に接続される。リレー２６はエンジン２の始動時には「閉」になり、エンジン２が所定程度まで始動された後は「開」になる。エンジン２の始動のため、発電機３の３相巻線の各相に予定の順序で順次電流を供給する。各相の巻線に電流を順次供給するためのスイッチング素子（ＦＥＴ）２２１と、ＣＰＵ２２２と、ロータ１２の位置を検出するためのセンサを使用しないセンサレス駆動部２２３とが設けられる。
【００２５】
図５は、センサレス駆動部２２３の要部機能を示すブロック図である。同図において、誘起電圧検出部２７は、インバータ回路つまりスイッチング素子２２１によってステータ８の２相間に通電されてロータが回転したときに残りの１相と中点との間に誘起される電圧信号の波形を検出する。位置検出部２８は、検出された電圧波形に基づいてステータ８の各相とロータ１２の各磁石との位置関係つまり回転位置を判別する。駆動演算回路２９は、ステータ８の各相とロータ１２の各磁石との位置関係に基づき、スイッチング素子２２１を駆動するための周期を演算する。駆動部３０は駆動演算回路２９で算出された周期に基づいてインバータ回路２２１に通電信号を供給する。
【００２６】
図６は、エンジン発電装置１の始動制御の全体動作を示すタイムチャートである。タイミングｔ１でエンジン始動指令が入力されて、制御装置（ＥＣＵ）のスタート信号がオンとなり、待機時間（例えば１秒）の後、リレー１９，２６をスタータモータ３ａ制御用に切り換えて、タイミングｔ２でスタータモータ３ａを正回転させる。そして、正回転中に回転速度が所定値以下に低下したことで判断される高負荷域に達するタイミングｔ３でスタータモータ３ａを逆回転させる。この正回転および逆回転では、スタータモータ３ａは定常運転時に供給される電流よりも小さな初期励磁電流で駆動される。このような初期励磁電流によって回転速度を抑制することにより、正回転および逆回転時に、高負荷位置つまり反転時に十分な始動トルクが期待できる位置で容易にスタータモータ３ａを停止できるし、高負荷位置を乗り越えられないときの反作用力（回転速度が大きいと反作用力も大きい）を抑制することができる。
【００２７】
スタータモータ３ａを正・逆回転させて、十分な始動トルクが期待できる位置にクランク軸４を位置決めしたときに、タイミングｔ４で正回転方向に加速を開始する。この正回転では、初期励磁電流よりも高い始動電流をスタータモータ３ａに供給する。
【００２８】
タイミングｔ５でスタータモータ３ａがクランキングの目標回転速度になると、クランキング中はこの回転速度が維持される。そして、点火タイミングｔ６のエンジン初爆後はエンジンの回転数が上昇を始め、タイミングｔ７でリレー１９を閉じ、リレー２６を開いて発電機３の制御に切り換える。タイミングｔ８まで（例えばタイミングｔ１から１０秒）はスタート信号は維持されるが、タイミングｔ８までに規定回転数（例えば１５００ｒｐｍ）に達しない場合は始動失敗であるので、初爆後に始動を失敗したと判断し、予定時間（例えば１０秒）をおいて再びスタート信号をオンにする。
【００２９】
上記十分な始動トルクが期待できる位置にスタータモータ３ａを動かすための正回転および逆回転の停止位置は、スタータモータ３ａの回転速度が予定値以下になったことで判断する。スタータモータ３ａの回転速度は、例えば、前記誘起電圧波形の周期に基づいて算出することができる。
【００３０】
図７、図８はエンジン発電装置１の始動制御のフローチャートであり、図９は始動制御のタイムチャートである。図７のステップＳ１では、エンジン始動指令の有無を判別する。エンジン始動指令が入力されたならばステップＳ２に進み、スタータモータ３ａを正回転つまりエンジン２の正回転方向に駆動する。ステップＳ３では、ステップＳ２の正回転動作開始から時間Ｔ１（例えば０．３秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ１は正回転方向への駆動の可否を判断する時間である。ステップＳ４では、スタータモータ３ａの回転速度が第１の速度である始動完了速度（例えば、３３ｒｐｍ）以上か否かが判断される。これによって、スタータモータ３ａが回転し始めたかどうかが判断される。時間Ｔ１が経過するまでに回転速度が始動完了速度以上にならない場合はステップＳ１１に進んで逆回転を開始させる（図９▲１▼）。
【００３１】
スタータモータ３ａが始動完了速度以上になると、ステップＳ４は肯定となってステップＳ５に進み、位置合わせのための正回転目標速度（例えば２３０ｒｐｍ）に収斂するよう速度制御を伴う正回転が行われる。ステップＳ６では、ステップＳ５の正回転動作開始から時間Ｔ２（例えば０．５秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ２は、位置合わせの必要性と逆転動作への移行とを判断する時間である。時間Ｔ２が経過するまではステップＳ７に進む。
【００３２】
ステップＳ７では、スタータモータ３ａの回転速度が、第２の速度である反転判定速度（例えば、そこまでの最高速度の７５％）まで低下したか否かが判断される。これによって、クランク角が上死点前の高負荷位置の近くで減速してしまったかどうかが判断される。時間Ｔ２が経過しても（ステップＳ６が肯定）、回転速度が低下しない場合（ステップＳ７が否定）は、エンジンが上死点後の軽負荷域にあってそのまま加速が可能だと判断される。したがって、この場合は逆回転には移らず、加速正回転のためステップＳ２３（図８）に進む（図９▲２▼）。
【００３３】
回転速度が反転判定速度まで低下したならばステップＳ７は肯定となり、ステップＳ８に進んでブレーキ制御によりスタータモータ３ａの正回転を停止させる。停止判断のための時間Ｔ３（例えば０．２秒）が経過する（ステップＳ９肯定）か、回転停止とみなされる第３の速度（例えば２３ｒｐｍ（図９▲４▼））以下になる（ステップＳ１０肯定）と、スタータモータ３ａはそれ以上正回転しないと判断してステップＳ１１に進む。
【００３４】
ステップＳ１１では、スタータモータ３ａを逆回転させてエンジン２を逆回転させる。ステップＳ１２では、ステップＳ１１の逆回転動作開始から時間Ｔ４（例えば０．３秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ４は速度制御を伴う逆回転動作に移るための判断時間である。時間Ｔ４が経過するまでに始動完了速度（例えば、３３ｒｐｍ）に達した場合は、ステップＳ１３が肯定となりステップＳ１４に進む。時間Ｔ４が経過しても始動完了速度以上にならない場合はステップＳ２０に進む（図９▲３▼）。
【００３５】
ステップＳ１４では、速度制御を伴う逆回転動作が行われる。ステップＳ１５では、ステップＳ１４の逆回転動作開始から時間Ｔ５（例えば０．５秒）が経過したか否かが判断される。時間Ｔ５は逆回転停止判断のための時間である。時間Ｔ５が経過するまではステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、スタータモータ３ａの回転速度が反転判定速度（例えば、そこまでの最高速度の７５％）まで低下したか否かが判断される。これによって、エンジン負荷が大きくなり、クランク角が上死点前（正回転方向の上死点後に対応）の高負荷位置に到達したかどうかが判断される。
【００３６】
時間Ｔ５が経過した場合（ステップＳ１５が肯定）、または回転速度が低下した場合（ステップＳ１６が肯定）は、ステップＳ１７に進んでブレーキ制御によりスタータモータ３ａの逆回転を停止させる。停止判断のための時間Ｔ６（例えば０．２秒）が経過した場合（ステップＳ１８肯定）、または回転停止とみなされる速度（例えば２３ｒｐｍ（図９▲５▼）以下になる（ステップＳ１９肯定）と、スタータモータ３ａを加速正回転させるため、ステップＳ２０（図８）に進む。
【００３７】
図８のステップＳ２０では、加速正回転を行う。位置決め後の正回転では、まず、速度制御を行わないで、電流値を固定して加速正回転させる。スタータモータ３ａの回転速度が制御開始速度（例えば、１９８ｒｐｍ（図９▲６▼）になると、速度制御を伴う正回転に切り換える。初期の制御目標値は、例えば、３３１ｐｍとする。そして、この制御目標値を予定の加速度（例えば３３００ｒｐｍ／ｓｅｃ）で変化させていく。
【００３８】
すなわち、ステップＳ２１では、一定電流での加速制限時間Ｔ７が経過したか否かが判断される。ステップＳ２２では、制御開始速度以上になったか否かが判断される。時間Ｔ６が経過するかスタータモータ３ａの回転速度が制御開始速度以上になると、ステップＳ２３に進み、制御目標値に従って速度制御を行う。制御目標値は徐々に増大させていくので、実際の回転速度も増大していく。ステップＳ２４では、回転速度がクランキングの速度（例えば、８００ｒｐｍ）に到達したか否かが判断される。回転速度が増大してステップＳ２４が肯定となれば、回転速度をクランキング速度に維持するため制御目標値をクランキング速度に設定し、始動のシーケンスは終了される。なお、ステップＳ２３の速度制御が開始されてから所定の時間Ｔ８が経過しても目標速度に達しない場合に故障と判断して始動動作を停止するのが好ましい。つまり、ステップＳ２３ａが肯定ならば始動動作を停止してこのフローチャートの処理を終了する。
【００３９】
図１は、エンジン始動位置決めの要部機能ブロック図である。誘起電圧検出部２７で検出された誘起電圧の波形はモータ回転速度算出部３１に入力される。モータ回転速度算出部３１は誘起電圧の周期に基づいてスタータモータ３ａの回転速度を算出する。最大速度記憶部３２は始動制御でそれまでに検出されたスタータモータ３ａの最大速度をラッチする。最大速度は回転方向が変わるとクリアされる。速度判定部３３は、現在のスタータモータ３ａの回転速度と予定の反転判定速度（例えば、前記最大速度の７５％）とを比較し、現在の回転速度が反転判定速度以下になっていれば、速度低下検出信号を正・逆転制御部３４に出力する。
【００４０】
正・逆転制御部３４は該速度低下検出信号に応答して、スタータモータ３ａを停止させて反転させる反転指示を駆動部３０に供給する。正・逆転制御部３４は、前記反転指示とともに正回転および逆回転時の制御目標値を駆動演算回路２９に入力し、駆動演算回路２９はスタータモータの回転速度をこの制御目標値に制御すべくスイッチング素子２２１を駆動するための周期を演算する。スタータモータ３ａは、スイッチング素子２２１の駆動周期で決定される速度で回転するよう制御される。
【００４１】
即時始動判断部３６は、始動動作時の正回転において速度判定部３３からの速度低下検出信号の有無を所定時間監視する。そして所定時間経過までに速度低下検出信号を検出しなかった場合、つまり所定の速度（第２速度）で回転されていると判断した場合は、始動正転制御部３７へ加速正回転指示信号を入力する。この信号に応答して始動正転制御部３７は正転指示を駆動部３０に入力するとともに加速正回転のための制御目標値を駆動演算回路２９に入力する。これにより、軽負荷時には、位置決めのための正回転から引き続いて即座に始動開始することができる。電流供給部３５は、位置決め時およびその後の加速正回転時に初期励磁電流および始動電流をそれぞれスタータモータ３ａに供給する。
【００４２】
本実施形態によれば、最初にエンジン負荷が大きくなる位置まで正回転させ、その後、逆回転させて再びエンジン負荷が大きくなる位置で停止させる。そして、その位置から一気にクランキング可能な速度まで加速する。このように、エンジン負荷が大きくなる位置で停止させることによって、続く反転時には軽負荷になるので、加速が容易である。したがって、正・逆回転による位置決め後に始動電流を供給することにより慣性力を使用でき、圧縮行程を容易に乗り越えてクランキング動作をさせることができる。
【００４３】
なお、上述の説明では、モータの回転速度をスタータモータの誘起電圧の周期に基づいて算出するように構成した。しかし、スタータモータを次に示す方法によって制御する場合は、スタータモータの固定子巻線に供給する電流によって回転速度を算出することができる。
【００４４】
図１０は、変形例に係るスタータモータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、スタータモータ３ａのロータ１２の外周に沿って設けられる磁石１１で形成される磁束がロータ１２を径方向に貫く軸をｄ軸と呼ぶ。また、ステータコイルで形成される磁束がロータ１２を径方向に貫く軸をｑ軸と呼ぶ。これらｄ軸およびｑ軸に各層の電流をベクトル分解することによりスタータモータ３ａの動作を把握し、その結果に基づいて制御が行われる。
【００４５】
図１０において、スタータモータ制御装置は、電流目標値演算部４１、２相／３相変換部４２、ＰＷＭ制御部４３、インバータ回路つまりスイッチング素子２２１、３相／２相変換部４４、および回転角度推定部４５を備える。電流目標値演算部４１は回転速度目標値に基づいて決定されたｑ軸電流目標値と実際にスタータモータ３ａに供給された電流（ｑ軸電流測定値）とに基づいてｑ軸電流出力値を演算するとともに、ｄ軸電流測定値および回転角度推定部４５で推定された回転速度とに基づいてｄ軸電流出力値を演算する。ｑ軸電流出力値およびｄ軸電流出力値は２相／３相変換部４２と回転角度推定部４５に入力される。
【００４６】
２相／３相変換部４２は入力を３相のＰＷＭデータに変換してＰＷＭ制御部４３に出力する。ＰＷＭ制御部４３はＰＷＭデータに基づいてインバータ回路２２１の各スイッチング素子のオン・オフデューティを算出し、インバータ回路２２１にオン・オフ信号を入力する。インバータ回路２２１は、各相の電流を検出し、３相／２相変換部４４に入力する。３相／２相変換部４４から出力されるｑ軸電流測定値とｄ軸電流測定値は回転角度推定部４５および電流目標値演算部４１に入力される。
【００４７】
回転角度推定部４５は、前回のｑ軸電流出力値およびｄ軸電流出力値と今回のｑ軸電流測定値およびｄ軸電流測定値との偏差により回転角度（ｒａｄ）と回転速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）とを推定する。回転角度は２相／３相変換部４２および３相／２相変換部４４に供給され、回転速度は電流目標値演算部４１に供給される。なお、回転角度推定部４５は、例えば、特開平８−３０８２８６号公報に開示された構成とすることができる。
【００４８】
本実施形態の始動制御において、クランク軸４の位置決めのための正・逆回転および始動のための加速正回転で使用されるスタータモータ３ａの回転速度情報は、前記回転角度推定部４５で推定される回転速度に基づいて決定できる。
【００４９】
図１１は、ｑ軸電流による回転速度制御のフローチャートである。図１１において、ステップＳ３０では、モータ回転速度の目標値と推定回転速度との差を算出する。ステップＳ３１では、ステップＳ３０で算出された速度差に基づいてｑ軸電流出力値を算出する。速度差が大きいほどｑ軸電流出力値が大きくなるように設定した算出式が使用される。ステップＳ３２では、ｑ軸電流測定値と現在の回転速度に基づいてｄ軸電流出力値を算出する。ｑ軸電流測定値と現在の回転速度が大きいほどｄ軸電流出力値が大きくなるように設定した算出式が使用される。ステップＳ３３では、ｑ軸電流出力値およびｄ軸電流出力値により決定されたインバータ回路２２１を制御するＰＷＭ信号が出力される。この制御では、ｄ軸電流値によりｑ軸電流の位相ずれが生じる。そして、この位相ずれによって電機子反作用効果による減磁効果が発生し、スタータモータ３ａの界磁が減少する。したがって、スタータモータ３ａの回転速度は目標回転速度に制御される。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項４の発明によれば、モータの回転速度が低下しないことを検出して圧縮上死点近くの高負荷域にエンジン回転位置がないと判断される。したがって、高負荷域にないときは速やかにエンジンを正回転させることにより、一気にクランキング速度までエンジンを加速させることが可能である。
【００５１】
また、請求項２の発明によれば、エンジンが高負荷域にあると判断したときは、この高負荷域からの回転により回転の慣性力を利用して反転側の高負荷域まで移動させて正回転用の慣性力が十分に得られる位置にエンジンの回転位置を移動させることができる。したがって、次の正回転では、始動電流と併せて大きい慣性も利用して一気に圧縮行程の上死点前の高負荷域を乗り越え、エンジンをクランキング速度まで加速させることができる。
【００５２】
特に、請求項１または２の発明では、位置検出センサによらず、モータ回転速度が予定値以上に維持されているとき、または予定値まで低下したときをもって高負荷域でないか高負荷域であるかを的確に判断することができるし、モータの始動開始位置を確認する必要もない。
【００５３】
さらに、請求項３，４の発明によれば、巻線の誘起電圧または巻線に供給される電流に基づいてモータの回転速度つまり始動時のエンジンの回転速度が検出され、モータやエンジンの回転位置センサを設けずに、この回転速度に基づいてモータの正回転および逆回転の反転位置を決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジン始動装置の要部機能ブロック図である。
【図２】スタータモータとしてブラシレスモータを使用したエンジン発電装置の側面図である。
【図３】図２のＶ−Ｖ断面図である。
【図４】エンジン発電装置のシステム図である。
【図５】センサレス駆動部の要部機能を示すブロック図である。
【図６】エンジン発電装置の始動制御の全体動作を示すタイムチャートである。
【図７】エンジン発電装置の始動制御のフローチャート（その１）である。
【図８】エンジン発電装置の始動制御のフローチャート（その２）である。
【図９】始動制御の要部タイムチャートである。
【図１０】変形例に係るスタータモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】回転速度制御のフローチャートである。
【符号の説明】
３…発電機、 ３ａ…モータ、 ４…クランク軸、 ８…ステータ、 １９，２６…リレー、 ２２…スタータドライバ、 ２３…整流回路、 ２７…誘起電圧検出部、 ２８…位置検出部、 ２９…駆動演算回路、 ３０…駆動部、 ３１…モータ回転速度算出部、 ３２…最大速度記憶部、 ３３…速度判定部、 ３４…正・逆転制御部、 ３５…電流供給部、 ３６…即時始動判断部、 ３７…始動正転制御部、 ２２１…スイッチング素子（インバータ）
Claims (4)
- エンジンを始動させる正逆回転可能なモータと、
前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記モータに初期励磁電流を流して前記エンジンを正回転させ、回転速度が第１の時間内に第１の速度に到達すること、及び第２の時間経過後も前記第１の速度より高い第２の速度が得られていることの２条件を満たしたときに前記モータを始動用目標回転数に従って駆動する駆動制御手段とを具備したことを特徴とするエンジン始動装置。 - 前記駆動制御手段が、前記２条件の少なくとも一方が満たされない場合に前記モータに初期励磁電流を流して前記エンジンを逆回転させ、回転速度が一旦上昇後第３の速度以下に低下した後に前記モータを始動用目標回転数に従って駆動するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のエンジン始動装置。
- 前記モータが、ブラシレスモータであり、
３相固定巻線のうち、２相に駆動用通電をしたときに通電されていない巻線に誘起される電圧信号に基づいて回転子の回転位置信号および回転速度信号を形成するように構成され、
前記回転速度検出手段が、前記回転速度信号に基づいてモータの回転速度を検出することを特徴とする請求項１または２記載のエンジン始動装置。 - 前記モータが、ブラシレスモータであり、
固定巻線に通電するための電流出力値と前記固定子巻線での電流測定値との偏差に基づいて回転子の回転位置信号および回転速度信号を形成するように構成され、
前記回転速度検出手段が、前記回転速度信号に基づいてモータの回転速度を検出することを特徴とする請求項１または２記載のエンジン始動装置。
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