JP2007520987A - 電気式ブーストアプリケーション用電動機制御およびドライバ - Google Patents

Abstract

本発明は、かご形ロータを有する、圧縮機（３）を駆動するための誘導電動機（２）と、誘導電動機を制御するコントローラ（１）とを備える圧縮機を駆動するためのシステムにおいて、前記コントローラが、誘導電動機を駆動する駆動パターンを格納するメモリ、界磁指令に基づいて界磁周波数を生成する第１の周波数生成手段、および／または電圧指令に基づいて電圧周波数を生成する第２の周波数生成手段を備えるシステムであって、生成された１つまたは複数の周波数に基づいて、駆動パターンがメモリから抽出されるシステムを提案する。あるいは、本発明は、かご形ロータを有する、圧縮機（３）を駆動するための誘導電動機（２）、および誘導電動機を制御するコントローラ（１）を備える圧縮機を駆動するためのシステムであって、コントローラが、誘導電動機の定常状態と過渡状態とを区別するようになされたシステムを提案する。

Description

本発明は、電気駆動圧縮機または電気補助式ターボチャージャを駆動するシステムに関する。

圧縮機は空気を圧縮する働きをし、その重要な一用途はターボチャージャに用いることである。ターボチャージャは、シリンダに供給する空気を増加させるために、エンジンに流入する空気を圧縮する。このようにして、より多くの燃料を加えることができ、その結果、ターボチャージャが用いられていない場合に比べて、より大きな動力をシリンダから得ることができる。

ターボチャージャは、圧縮機およびタービンから構成され、エンジンの排気ガスにより回転する。タービン、すなわちタービンホイールは、軸によって圧縮機ホイールに連結されている。したがって、タービンが回転すると、圧縮機を駆動し、それによりさらに、圧縮機に供給される大気を圧縮し、それをエンジンのシリンダに供給する。

ターボチャージャの主要な問題は、例えば車両のアクセルペタルの操作によって、即時に動力上昇を要求されたとき、それを実現できないことである。すなわち、動力上昇が可能になる前、タービンが必要な速度に到達するのに、ある時間が掛かるからである。この時間の長さは、「ターボラグ」とも呼ばれる。

この問題を扱う対策として、エンジンを過給するのにターボチャージャを補助する補助電動式機械を用いることが提案されている。さらに、その電動式機械はまた、電動機／発電機として構成されたとき、バッテリを充電し、または電力消費機器に直接電力を供給するのに使用することができる。例えば、文献ＵＳ ５，４０６，７９７には、そのようなターボチャージャが記載されており、それには電動式回転機械が使用されており、その電動式回転機械はかご形誘導電動機でもよい。

ただし、ターボチャージャは高速度を必要とし、その速度は２５０ｋＲＰＭにも達し得る。すなわち、電動式機械およびそれに対応する電動式機械用電子コントローラは、高速度能力を持たなければならない。さらに、大きな低速トルク、高い全体効率が達成されるべきであり、構成要素はまた、高温環境に耐えられるべきである。

大量生産を意図する場合は、低コストを解決することが、特に電子コントローラに関し必須である。

ターボラグ問題を改善することができる別の方法は、電気駆動圧縮機を（通常のターボチャージャの前、または後に）直列に追加することである。その場合、電動機を設計する上での制約は、速度が低い（１２０ｋＲＰＭ）ことを除けば、極めて類似している。
米国特許番号５，４０６，７９７

したがって、本出願は、例えば車両電気ネットワークを利用して、ターボチャージャまたは電気駆動圧縮機を電動機で駆動すること（電気式ブーストシステムとも呼ばれている）に向けられている。

そこで、本発明の目的は、高速度で作動させることができる、圧縮機を駆動するためのシステムを提供することである。

この目的は、かご形ロータを有する、圧縮機を駆動するための誘導電動機と、誘導電動機を制御するコントローラとを備える圧縮機を駆動するためのシステムによって解決され、前記コントローラは、誘導電動機を駆動する駆動パターンを格納するメモリ、界磁指令に基づいて界磁周波数を生成する第１の周波数生成手段、および／または電圧指令に基づいて電圧周波数を生成する第２の周波数生成手段を備え、生成された１つまたは複数の周波数に基づいて駆動パターンがメモリから抽出される。

すなわち、本発明によれば、駆動パターンは、事前に格納され、界磁指令および／または電圧指令に基づいてメモリから抽出される。

制御は、事前に格納された駆動パターンに基づくので、その応答性は著しく改善される。さらに、メモリへのアクセスが電圧信号から生成される周波数に基づくので、メモリへのアクセスを極めて速く実行することができる。

したがって、応答の速い圧縮機制御を達成することができる。

コントローラは、入力要求に基づいて界磁指令および／または電圧指令を生成する処理手段を備えることができる。

コントローラは、誘導電動機の定常状態と過渡状態とを区別するように構成することができる。このようにして、コントローラは、状態、すなわち誘導電動機が定常状態か、過渡状態かに基づいてその制御方式を設定することができる。

特に、コントローラ（すなわち、界磁指令および電圧指令を生成する処理手段）は、誘導電動機の状態に応じて、界磁指令および／または電圧指令を生成するように構成することができる。

界磁指令および／または電圧指令は、参照テーブルに基づいて生成することができる。このようにして、応答性をさらに改善することができる。

界磁指令および／または電圧指令は、モデルに基づく制御に基づいて生成することができる。

本発明の第２の態様によれば、上記目的は、圧縮機を駆動するためにターボチャージャを駆動する、かご形ロータを有する誘導電動機と、誘導電動機の定常状態と過渡状態とを区別するようになされた、誘導電動機を制御するコントローラとを備える、圧縮機を駆動するためのシステムによって解決される。

すなわち、誘導電動機が定常状態にあるか、過渡状態にあるかに応じて、圧縮機を駆動することができる。したがって、過渡状態では、定常状態とは異なる制御方式が必要になる。例えば、フィードバック制御はある量の計算を必要とするが、その計算は定常状態では容易に行うことができる。しかし、同じ種類のフィードバック制御が過渡状態で行われると、特にターボチャージャのような高速に適用する場合、コントローラの能力によるが、コントローラが電動機の速度変化に正確に追従することができないことが起こり得る。したがって、常に誘導電動機の適切な制御を達成することができるように、過渡状態では、別の種類のフィードバック制御を適用してもよい。

コントローラは、誘導電動機の状態に応じて誘導電動機を制御するように構成することができる。

コントローラは、誘導電動機の状態に応じた界磁指令および／または電圧指令を生成することができる。

界磁指令および／または電圧指令は、参照テーブルに基づいて生成することができる。このようにすれば、複雑な計算を必要としないので、速い制御応答を達成することができる。

界磁指令および／または電圧指令は、モデルに基づく制御に基づいて生成することができる。このようにして、極めて信頼性が高く、正確な制御を達成することができる。

コントローラは、誘導電動機の駆動パターンを格納するメモリ、界磁指令に基づいて界磁周波数を生成する第１の周波数生成手段、および／または電圧指令に基づいて電圧周波数を生成する第２の周波数生成手段を備え、駆動パターンが、生成された１つまたは複数の周波数に基づいてメモリから抽出される。

したがって、このようにして本発明の第１の態様と第２の態様の利点を合体することができる。

コントローラは、入力要求に基づいて界磁指令および／または電圧指令を生成する処理手段を備えることができる。

第１および／または第２の周波数生成手段は、電圧制御発振器でもよい。それにより、入力電圧信号を周波数信号に容易に変換することができる。

システムは、周波数生成手段の周波数出力を受信するカウンタをさらに備えることができ、そのカウンタが、周波数生成手段の周波数に基づいて値を計数するようになされており、その周波数がメモリにアクセスするためのアドレスとして用いられる。

第１の周波数生成手段は、界磁周波数を生成するのに用いることができ、第２の周波数生成手段は、電圧周波数を生成するのに用いることができ、メモリは、第１のアドレスおよび第２のアドレスを使用してアクセスされ、システムは、第１のカウンタおよび第２のカウンタをさらに備え、第１のカウンタは、第１の周波数生成手段の周波数に基づいて値を計数するようになされ、第２のカウンタは、第２の周波数生成手段の周波数に基づいて値を計数するようになされ、第１の周波数生成手段の計数値は、第１のアドレスとして使用され、第２の周波数生成手段の計数値は、第２のアドレスとして使用される。

第１および第２のアドレスの一方が列アドレスになり得、第１および第２のアドレスの他方のアドレスが行アドレスになり得る。

圧縮機は、ターボチャージャの一部であり得る。すなわち、上記の通り、本発明は、誘導電動機が、ターボチャージャの圧縮機のように高速で駆動されるときにもっとも有利に適用することができる。

詳細には、圧縮機は電気駆動圧縮機でもよく、または電気補助式ターボチャージャの一部でもよい。

本発明が、図面を参照して以下に記述される。

以下に、本発明の好ましい実施形態を記述する。

既に記述した通り、本発明は、ターボチャージャまたは電気駆動圧縮機を電動機で駆動することを目指している。すなわち、本発明は、電気駆動圧縮機または電気補助式ターボチャージャに利用することができる。どちらの場合も、ターボラグを解消すべき短い過渡状態中のみ電動機のスイッチが入れられる。

そのようなシステムは、電気式ブーストシステム（ＥＢＳ）とも呼ばれる。そのようなシステムを車両に用いるとき、好ましくは、車両の電気ネットワークが電源として使用される。電動機およびその電子コントローラは、高速能力（最大２５０ｋＲＰＭ）、高いローエンドトルク、高い総合効率、および耐高温環境性を有さねばならない。さらに、大量生産を意図する場合は、低コストを解決することが、特に電子コントローラに関し必須である。

したがって、システムのハードウェア構成（電子コントローラおよび誘導電動機）は制御方式と共に本発明の関心事である。

本発明によるハードウェアおよびソフトウェア構成は、
速い応答時間（電動機および電子コントローラに関し）、
ターボチャージャ／圧縮機軸に対する大きなトルク、
高い全体電気システム効率、
電動機がオフのとき電動機の誘導損失が生じない、
高環境温度で電磁限界が生じない、
電子回路のシステム適合性／実装簡易性、
制御の正確度、
低コストのアプリケーション、
を提供することを目標とする。

賢明な制御方式および簡単ながら効率のよい電子コントローラアーキテクチャと共に最良の電動機技術を選択することによって、これら問題を解決する。

以下に、本発明を、ターボチャージャがかご形誘導電動機によって駆動される、本発明の好ましい実施形態を参照してより詳細に記述する。

本実施形態によるシステムは、２つの主要なハードウェア部分に分けられる。すなわち、
かご形誘導電動機、
特別なハードウェアおよびソフトウェアを用いた電子コントローラ
である。

最初に、ＥＢＳ（電気式ブーストシステム）の電気的機能の全体構成を記述する。その後、２つのサブシステム、すなわち誘導電動機を駆動する制御方式、および電子コントローラアーキテクチャを記述する。

ＥＢＳの電気的機能の全体構成が図１に示されている。

参照番号１は、入力信号としての指令信号および軸速度フィードバック信号に基づいてかご形誘導電動機を駆動する交流を生成するＤＣ／ＡＣ変換器を示す。指令信号は、速度指令（軸の目標速度）、または動力指令（バッテリ／ＶＥＮ車両電気ネットワークから要求される抽出電力）または軸への機械的動力とすることができる。

かご形誘導電動機２が、ターボチャージャの圧縮機／タービンアセンブリを駆動する。本実施形態の変更形態によれば、かご形誘導電動機２は、圧縮機のみを駆動することもできる。

誘導電動機を使用することにより、幾つかの利点が生じる。例えば、電動機がオフ（かつ、そのロータがターボチャージャの回転によって駆動されている）のとき、界磁が生成されていないので、付加的電磁損失が発生しない。さらに、電磁損失を、電子コントローラによって、簡単な界磁弱化方法を用いて制御することができる。さらに、磁石が使用されていないので、環境温度に対する界磁の感応性を低減させることができる。

本実施形態は、図２に幾分、より詳しく示されており、そこでは電気補助式ターボチャージャ（ｅ−Ｔｕｒｂｏ（商標））が示される。ここでは、図１に示されたＤＣ／ＡＣ変換器１は、２つの部分、すなわち電力段１ａ、およびＥＢＳ ＥＣＵ（ＥＢＳ電子制御ユニット：ＥＢＳ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）１ｂで示されている。ＥＢＳ ＥＣＵ １ｂは、指令信号Ｓ１をＥＣＵ（電子制御ユニット：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）４から受信する。指令信号は、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号、ＣＡＮ（車両領域ネットワーク：ｃａｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）ＢＵＳ信号、アナログ電圧信号、または他の適切な信号形態でよい。さらに、指令信号Ｓ１が送信される回線は双方向であり、したがって、ＥＣＵ ４とＥＢＳ ＥＣＵとは、指令、情報などを双方向に交換することができる。

ＥＢＳ ＥＣＵ １ｂは、必要な電力段駆動信号Ｓ２、すなわち電力段１ａに備えられているインバータを駆動するのに必要な信号を供給する。参照番号Ｓ３は、誘導電動機２のそれぞれの相に印加される電動機相電力信号を示す。図２に示されるように、電動機２は、圧縮機３ａとタービン３ｂとのアセンブリ、すなわちターボチャージャを駆動する。

参照番号Ｓ４は、速度フィードバック信号を示し、その速度フィードバック信号は電動機の軸速度を示し、制御方式に用いられる。この信号は、ＥＢＳ ＥＣＵ １ｂに供給される。速度信号Ｓ４は、速度検出器（例えばレゾルバなど）、光学センサ、磁気センサなどによって取得することができ、または、速度センサを使用しない、無センサ方式を用いて速度を計算することさえできる（基本的に、無センサ方式では、ロータから来る界磁を、その瞬間には電流が供給されていないステータ位相巻線を通して計測し、この計測値に基づいて速度を計算することができる）。

さらに、１２Ｖバッテリ５（例えば自動車に使用されている）が、ＤＣ／ＡＣ変換器１、すなわちＥＢＳ ＥＣＵ １ｂおよび電力段１ａに電力を供給する。ただし、異なる電圧値（例えば２４Ｖなど）を供給する他のバッテリも使用することができることに留意されたい。

電気駆動圧縮機（ｅ−Ｃｈａｒｇｅｒ（商標））を示す、本実施形態の変更形態が図３に示されている。その基本的な作動は、図２に示すシステムの作動と基本的に同じであり、同じ要素は、同じ参照番号で示されている。両システムは、図２によるシステムが、タービンを備えていないことのみが異なる。

先ず、本実施形態による電子コントローラの論理機構のハードウェア構成を、本実施形態によるターボチャージャまたは圧縮機駆動システムのハードウェア配置を示す図４を参照して記述する。このハードウェア配置は、マイクロプロセッサ、ＶＣＯ、カウンタ、およびＥＰＲＯＭの混成である。この論理機構は、次に電力段１ａ（例えば、ＭＯＳＦＥＴを用いた伝統的Ｈブリッジ構成）を駆動する。

特に、図２に示されるＥＢＳ ＥＣＵ １ｂが、より詳細に図４に示される。入力要求Ａ１（指令信号Ｓ１に対応する）が、入力端末４１を介して受信され、マイクロプロセッサ４２に供給される。入力要求Ａ１は、指令信号Ｓ１に関して上述したような、様々な形態をとることができることに留意されたい。マイクロプロセッサ４２が、入力要求に基づき（かつ速度フィードバック信号Ｓ４にも基づいて）、界磁周波数指令−Ｖ Ａ２（ＦＦＣ−Ｖとも呼称される）および相電圧指令−Ｖ Ａ３（ＰＶＣ−Ｖとも呼称される）を生成する。界磁周波数指令−Ｖ Ａ２および相電圧指令−Ｖ Ａ３は、両方ともアナログ電圧値であり、したがって、それらは「−Ｖ」で表示される。

界磁周波数指令−Ｖ Ａ２は、界磁ＶＣＯ ４３（電圧制御発振器、周波数値が制御可能な発振器）によって、界磁周波数指令−Ｈｚ Ａ４（ＦＦＣ−Ｈｚとも呼称される）に変換される。相電圧指令−Ｖ Ａ３は、電圧ＶＣＯ ４４によって、相電圧指令−Ｈｚ Ａ５（ＰＶＣ−Ｈｚとも呼称される）に変換される。両ＶＣＯの出力は、それらは実際には周波数値であることを示すために「−Ｈｚ」によって表示する。

これら２つの周波数指令Ａ４およびＡ５は、アドレスとして使用される計数値を生成（後に、より詳細に説明される）するカウンタ４５および４６それぞれに供給される。計数値、すなわち信号Ａ６およびＡ７は、メモリ４７に供給される。メモリ４７は、ＥＰＲＯＭ（消去可能プログラム可能読出し専用メモリ）でもよい。計数値Ａ６およびＡ７に基づいて、パターン、すなわちＰＷＭシーケンスＡ８が、メモリから抽出される。すなわち、ＰＷＭシーケンスＡ８は、電力段４８（図２に参照符号１ａで示される）に送信される電力段信号Ｓ２に対応し、電力段４８は、次に、相電流Ｓ３、すなわち、誘導電動機４９（図２に参照符号２で示す）向け電動機指令シーケンスＡ９を生成する。

さらに、速度フィードバック信号Ａ１０が、誘導電動機４９からマイクロプロセッサ４２に送信される。

ＶＣＯ−ＥＰＲＯＭ構成が、より詳細に図５に示される。

特に、図５の左側の、界磁ＶＣＯ ４３および電圧ＶＣＯ ４４を示す２つの線図によって、界磁周波数指令−Ｈｚがどのように界磁周波数指令−Ｖから生成されるか、また、相電圧指令−Ｈｚが相電圧指令−Ｖからどのように生成されるかが示されている。すなわち、電圧値から周波数値への変換は、以下の式によって表される。

（ＦＦＣ−Ｈｚ）＝ａｆ ＊ （ＦＦＣ−Ｖ） ＋ ｂｆ
（ＰＶＣ−Ｈｚ）＝ａｐ ＊ （ＰＶＣ−Ｖ） ＋ ｂｐ
値ａｆおよびｂｆは、ＦＦＣ−Ｈｚ生成に関し固有であり、値ａｐおよびｂｐは、ＰＶＣ−Ｈｚ生成に関し固有である。したがって、線図からも推定できるように、線形関係が存在する。

周波数出力は、ＥＰＲＯＭにアクセスするのに使用される。これは、周波数出力をカウンタ４５および４６に供給することによって、実行される。

詳細には、ＦＦＣ−Ｈｚは、第１の２進法カウンタであるカウンタ４５に供給される。このカウンタでは、ＦＦＣ−Ｈｚはクロックであり、リセットが用いられる。リセットは、ＥＰＲＯＭからの１ビットによって行われる。すなわち、ＥＥＰＲＯＭ内でリセットビットは、各回転期間の終わりに発生する。

ＰＶＣ−Ｈｚ信号は、やはり２進法カウンタであり得る第２のカウンタ４６に与えられる。それは、リセットとして用いられ、ステータの諸相に印加される電圧を変化させるのに用いられる。このカウンタで用いられる別の入力は、所与の周波数で切り替えを行うクロックである。

ＥＰＲＯＭは、ある内容を有するメモリである。所与の入力アドレスに対して、所与の出力ビットセット（すなわち電力段用の駆動パターン）が、ＥＰＲＯＭから得られ、電力段に伝送される。内容は、各相に対応する駆動パターン（スイッチングパターンとも呼称される）が並行に出力されるような構造にすることができる。すなわち、図５は、「Ｘ相」への出力を示す。

詳細には、ＥＰＲＯＭの内容は、ＦＦＣ−Ｈｚによって与えられるアドレスが行アドレスを指すように構成されている。この特定の例では、行アドレスビットはｎ１ビットを備えている。第２のカウンタによって出力される値は、ＥＰＲＯＭの列アドレスビットを示し、この特定の例では、その列アドレスビットはｎ２ビットを備えている。

すなわち、ＥＰＲＯＭの内容は、２次元マップに構成されている。

図６は、図５に示す構成で得られるスイッチングパターンを示す。図６は、所与のＶＣＯ構成に対するＥＰＲＯＭからの１相の出力信号であることに留意されたい。

図５は、用いられる構造の例のみを示すものであり、カウンタの規模およびＥＰＲＯＭの内容は、ＥＢＳ用途に使用されているものを代表していないことに留意されたい。例えば、ＥＰＲＯＭのアドレスは、駆動パターンの解像度を向上させるために３または４ビットよりも大幅に多くのビットを有する。

したがって、この実施形態によるこの種の電子コントローラ構成を使用することによって、数個の構成要素しか使用していないので、電子回路の速い時間応答が可能になる。

特に、ＶＣＯとカウンタとを組み合わせることによって、極めて速いアドレスの生成が可能になる。すなわち、ＶＣＯは、入力アナログ電圧信号に基づいて周波数信号を素早く生成することができ、カウンタは、単にＶＣＯから送られたパルスを計数する。したがって、極めて広い周波数範囲が達成でき、その周波数は従来の自動車用マイクロプロセッサよりも高い。

例えば、誘導電動機を様々な周波数範囲で駆動できるようにＶＣＯ周波数範囲を容易に改良することができるので、ハードウェアの実装を容易に行うことができる。

別法として、ＶＣＯの代わりに、ＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）、ＦＰＧＡ（現場でプログラム可能なゲートアレイ）、マイクロプロセッサ、ＣＰＬＤ（複合プログラマブル論理素子）などの専用ハードウェアを用いることによっても、周波数生成を行うことができる。

さらに、この制御法は様々なアプリケーションに容易に適用することができる。すなわち、ＥＰＲＯＭは、例えば、様々なタイプの駆動方式用の様々な駆動パターンを収容する。さらに、異なるタイプの誘導電動機を用いる場合、または同じ電動機に対して改良型スイッチングパターンを用いる場合、スイッチングパターンを収容するＥＰＲＯＭは、容易に交換、または再プログラムすることができる。動作モードが過度状態動作モードか、定常状態動作モードかに応じて異なる出力を有するパターンスイッチを、作動中に使用することもできる。

以下に、本実施形態による制御方式アルゴリズムをより詳細に記述する。

以下では、説明を簡単にするために、速度の入力要求のみが考慮されていることに留意されたい。ただし、すべての説明は、他のタイプの入力要求（例えば、より高いトルクなど）に対して容易に置き換えることができる。

誘導電動機を適切に駆動するために、コントローラは、各ループ時間毎に、相電圧および界磁周波数の両方に最適な値を設定する必要がある。これは、後に示すように、特定のアルゴリズムによって実行される。図７は、本実施形態によるマイクロプロセッサに実装された制御方式の入力／出力（Ｉ／Ｏ）を示す。

図７に示すように、前述の指令ＦＦＣ−ＶおよびＰＶＣ−Ｖは、所望のロータ速度、実際のロータ速度、実際の界磁速度、ならびに、最大所望トルクおよび／または（バッテリから引き出され、またはステータに送られる）最大所望電流Ｉｍａｘを指示する指令に基づいて、ＩＭ電動機の制御方式を用いて生成される。

図８は、界磁周波数指令−Ｖを生成する詳細なアルゴリズムを示す。

各ループ時間毎に、軸速度の実際の値と設定値とに基づいて、第１の論理機構が、電動機が加速（急速過渡）モードにあるのか、定常（緩変化）状態モードにあるのかを決定する。次いで、すべりの（加速状態または定常状態モードの）設定値が、実験的に充当された参照テーブルから、またはモデルに基づくアルゴリズムなどのより精巧な技法によって求められる。最後に、界磁周波数値指令が、閉ループコントローラ（例えばフィードフォワード項を有する比例積分）、または、より精巧なコントローラによって計算される。

定常状態モードと加速モードとの違いに留意されたい。すなわち、過渡モードは、非常に速い加速を実現するために実行されており、それにより高い過渡トルクに到達する。定常状態モードは、所与の目標速度に対して速度を調節するために実行されている。すなわち、定常状態モードは、速度が実際に一定であることを意味するのではなく、僅かな変化、すなわち小さな加速しか生じないことを意味する。

上記のアルゴリズムを、より詳細に以下に記述する。上記の所望のロータ速度、実際のロータ速度、および実際の界磁速度を、ロータ速度の誤差の検出を行う第１のブロックに入力する。すなわち、ブロック８１では、所望のロータ速度と実際のロータ速度との差を求め、この差を、実際のロータ速度および実際の界磁速度と共に第２のブロック８２に入力する。

ブロック８２では、モードの検出を行う。すなわち、誘導電動機が過渡状態（例えば加速状態）であるか、または定常状態であるかを検出する。これは、例えば、ロータ速度誤差を検討することによって行う。すなわち、ロータ速度がある閾値を超えた場合、誘導電動機が加速モードにあると決定する。

本例では、定常状態モードと加速モードの違いのみが重要であることに留意されたい。ただし、望むなら、ロータ速度誤差の符号（＋／−）に基づいて、誘導電動機が減速モードかどうかを検出することもできる。すなわち、ロータ速度誤差の絶対値に基づいて、誘導電動機が定常状態にあるのか、過渡状態にあるのかを決定することができ、ロータ速度誤差の符号に基づいて、誘導電動機が加速モードにあるのか、減速モードにあるのか決定することができる。

一方、ロータ速度誤差が閾値以下のときは、誘導電動機は定常状態にあると判定される。

検出された誘導電動機の状態に基づいて、図８に、加速モードについてはブロック８３ａおよび８４ａ、定常状態モードについては８３ｂおよび８４ｂで示されるように、異なる制御方式が用いられる。

詳細には、誘導電動機が加速モードにある場合、ブロック８２は、界磁速度およびロータ速度をブロック８３ａに送り、ブロック８３ａでは、得られた値に基づいて加速に対する適切なすべり設定が行われる。ブロック８３ａは、すべり設定が格納されている参照テーブルを備えることができる。あるいは、ブロック８３は、システムのモデルを備え、それにより、モデルに基づく制御が実施され、すべり設定がモデルに基づいて生成される。

ブロック８３ａで得た加速に対するすべり設定に基づいて、界磁速度指令および指令にセットするための新界磁（新界磁速度指令）が、界磁シェーパを有するブロック８４ａに前送される。ブロック８４ａは、閉ループ制御（ＰＩおよびフィードフォワード、その他）などを行うことができる。このようにして、界磁シェーパ（ブロック８４ａ）は、界磁周波数指令−Ｖ（ＦＦＣ−Ｖ）を生成し、その界磁周波数指令−Ｖは次いで、図５を参照して前述した界磁ＶＣＯに送られる。

他方、誘導電動機が定常状態モードにある場合、ブロック８２は、界磁速度およびロータ速度を、定常状態に対するすべり設定を生成するブロック８３ｂに送る。加速モードに対するブロック８３ａと同様に、このブロックも参照テーブルを有し、またはモデルに基づく制御を実施することができる。

界磁速度指令および新設定界磁指令がブロック８４ｂに送られ、ブロック８４ｂは、ブロック８４ａと同様に、界磁シェーパを備え、界磁周波数指令−Ｖを生成する。ただし、ブロック８４ｂに適用される制御法は、ブロック８４ａに適用されるものと異なってもよい。

図９は、本発明の本実施形態による相電圧指令−Ｖを生成するアルゴリズムを詳細に示す。

各ループ時間毎に、軸速度の実際の値と設定値とに基づいて、第１の論理回路が、電動機が加速（急速過渡）モードにあるのか、定常（緩変化）モードにあるのかを決定する。加速モードでは、相電圧の設定値を、実験的に充当された参照テーブルから、またはモデルに基づくアルゴリズムなどのより精巧な技法によって求めることができる。定常状態モードでは、速度設定値に到達するために、相電圧が、閉ループコントローラ（例えばフィードフォワード項を有する比例積分、または、より精巧なコントローラ）によって計算される。

これをより詳細に以下に記述する。図８に示す場合と同様に、上記の所望のロータ速度および実際のロータ速度が、ロータ速度の誤差の検出を行う第１のブロック９１に入力される。すなわち、ブロック９１では、所望のロータ速度と実際のロータ速度との差を求め、この差を、実際のロータ速度と共に第２のブロック９２に入力する。

図８に示すブロック８２におけると同様に、モード検出が行われる。すなわち、誘導電動機が過渡状態（例えば加速状態）であるか、または定常状態であるかを検出する。これは、ブロック８２を参照して前述したのと同様に行われる。

一方のブロック８１および８２と、ブロック９１および９２とは、界磁周波数指令および相電圧指令を生成するのに別々のブロックである必要はないことに留意されたい。すなわち、図９の構成では、やはり、図８のブロック８１および８２を用い、ブロック８２の検出結果を、誘導電動機のモードを検出するために用いることができる。

検出された誘導電動機の状態に基づいて、加速モードについてはブロック９３ａ、定常モードについては９３ｂで図９に示されるように、異なる制御方式が用いられる。

詳細には、誘導電動機が加速モードにある場合、ブロック９２は、ロータ速度を、正確な相電圧指令−Ｖ（ＰＶＣ−Ｖ）が生成されるブロック９３ａに送る。詳細には、ブロック９３ａは、ロータ速度に基づいて電圧値を指令する電圧指令部を備える。例えば、これは参照テーブルによって実行される。

ブロック９３ａに電圧指令部を設けることによって（すなわちフィードバック制御などがない）、加速モードに対する制御応答時間が向上することに留意されたい。

他方、誘導電動機が定常状態モードにある場合、ブロック９２は、ロータ速度およびロータ速度誤差を、それに対応する相電圧指令−Ｖを生成するブロック９３ｂに送る。ブロック９３ｂとは対照的に、相電圧指令−Ｖの生成は、例えばロータ速度およびロータ速度誤差に基づくＰＩ制御またはフィードバック制御を実施する電圧コントローラを用いることによって実行される。

したがって、定常状態モードでは、極めて正確な制御を達成することができる。

図８および９を参照して前述した本実施形態による制御方式によって、誘導電動機の速い時間応答が可能になる。さらに、高いトルク能力が可能になる。さらに、計算の数が限られ、それにより、小さなマイクロプロセッサを使用することができる。これによりまた、プロセスを極めて速く実行することができるようになる。

さらに、高い制御精度を達成することができ、それにより、高い電動機効率が得られる。

本発明は、上記の実施形態およびその変更形態に限定されるものではない。

例えば、本発明は一般的な形態として、例えば図３に示すように、圧縮機を駆動するかご形ロータを有する誘導電動機、およびコントローラのみを備える圧縮機駆動システムに適用することができる。この場合、コントローラは、誘導電動機の駆動パターンが格納されたメモリを備え、第１の電圧制御発振器は界磁指令に基づいて界磁周波数を生成し、第２の電圧制御発振器は電圧指令に基づいて電圧周波数を生成する。次いで、界磁周波数および電圧周波数に基づいて、駆動パターンがメモリから抽出される。

さらに、前述の実施形態およびその変更形態によれば、界磁周波数指令および相電圧指令が生成され、ＥＰＲＯＭにアクセスするのに使用される。しかし、ただ１つのパラメータ、例えば周波数指令または相電圧指令のいずれかのみを使用することが可能である。この場合、ただ１つの電圧制御発振器およびただ１つのカウンタが設けられる。そのとき、ＥＰＲＯＭは、例えば、行アドレスのみに基づいてアクセスされる。すなわち、この場合、ＥＰＲＯＭの内容は、１次元のみのマップとして配置される。

さらに、駆動パターンを格納するのに用いられるメモリは、ＥＰＲＯＭに限定されない。その代わりに、他の適切なメモリタイプ、例えば、通常のＲＯＭ、ＰＲＯＭ（プログラマブル読出し専用メモリ）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラム可能読出し専用メモリ）などの他の種類の読出し専用メモリを使用することができる。あるいは、例えば、通常のＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲＡＭなど、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）もまた使用することができる。

さらに、既に記述したように、ＶＣＯの代わりに、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、マイクロプロセッサ、ＣＰＬＤなど専用のハードウェアもまた、必要な周波数を生成するために使用することができる。

本発明の実施形態による電気式ブーストシステムの電気的機能の全体構成を示す図である。 本発明の実施形態による電気補助式ターボチャージャを示す図である。 本発明の実施形態の変更形態による電気駆動圧縮機を示す図である。 本実施形態によるターボチャージャまたは圧縮機駆動システムのハードウェア配置を示す図である。 図４に示されたＶＣＯ−ＥＰＲＯＭ構成をより詳細に示す図である。 本実施形態によるＥＰＲＯＭから得られる駆動パターンの例を示す図である。 本実施形態によるマイクロプロセッサ中で実行される制御方式の全体概略図である。 本実施形態による、界磁周波数指令−Ｖを生成するための詳細なアルゴリズムを示す図である。 本実施形態による、相電圧指令−Ｖを生成するための詳細なアルゴリズムを示す図である。

Claims (20)

1. かご形ロータを有する、圧縮機（３ａ）を駆動するための誘導電動機（２）と、
   前記誘導電動機を制御するコントローラ（１）と
   を備える圧縮機を駆動するためのシステムにおいて、
   前記コントローラは、
   前記誘導電動機を駆動する駆動パターンを格納するメモリ（４７）と、
   界磁指令に基づいて界磁周波数を生成する第１の周波数生成手段（４３）、および／または
   電圧指令に基づいて電圧周波数を生成する第２の周波数生成手段（４４）と、
   を備え、
   前記生成された１つまたは複数の周波数に基づいて、駆動パターンが前記メモリから抽出される、
   圧縮機を駆動するシステム。
2. 前記コントローラは、入力要求に基づいて前記界磁指令および／または前記電圧指令を生成する処理手段（４２）を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コントローラは、前記誘導電動機の定常状態と過渡状態とを区別するように適合される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記処理手段（４２）は、前記誘導電動機の前記状態により、前記界磁指令および／または前記電圧指令を生成するように適合される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記界磁指令および／または電圧指令は、参照テーブルに基づいて生成される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記界磁指令および／または電圧指令は、モデルに基づく制御に基づいて生成される、請求項４に記載のシステム。
7. かご形ロータを有する、圧縮機（３ａ）を駆動するための誘導電動機（２）と、
   前記誘導電動機を制御するコントローラ（１）と、
   を備える圧縮機を駆動するためのシステムであって、
   前記コントローラは、前記誘導電動機の定常状態と過渡状態とを区別するように適合される、システム。
8. 前記コントローラは、前記誘導電動機の前記状態に応じて、前記誘導電動機を制御するように適合される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記コントローラは、前記誘導電動機の前記状態に応じた界磁指令および／または電圧指令を生成する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記界磁指令および／または電圧指令は、参照テーブルに基づいて生成される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記界磁指令および／または電圧指令は、モデルに基づく制御に基づいて生成される、請求項９に記載のシステム。
12. 前記コントローラは、
    前記誘導電動機用の駆動パターンを格納するメモリ（４７）、
    界磁指令に基づいて界磁周波数を生成する第１の周波数生成手段（４３）、および／または
    電圧指令に基づいて電圧周波数を生成する第２の周波数生成手段（４４）と、
    を備え、
    前記生成された１つまたは複数の周波数に基づいて、駆動パターンが前記メモリから抽出される、請求項７に記載のシステム。
13. 前記コントローラは、入力要求に基づいて前記界磁指令および／または前記電圧指令を生成する処理手段（４２）を備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１および／または前記第２の周波数生成手段（４３、４４）は電圧制御発振器である、請求項１または１２に記載のシステム。
15. 前記周波数生成手段（４３、４４）の前記周波数出力を受信するカウンタ（４５、４６）をさらに備え、
    前記カウンタは、前記周波数生成手段の前記周波数に基づいて値を計数するように適合され、
    前記周波数が前記メモリ（４７）にアクセスするためのアドレスとして用いられる、請求項１または１２に記載のシステム。
16. 前記界磁周波数を生成する前記第１の周波数生成手段（４３）および電圧周波数を生成する前記第２の周波数生成手段（４４）が使用されるシステムであって、
    前記メモリ（４７）は、第１のアドレスおよび第２のアドレスを使用してアクセスされ、システムは、第１のカウンタ（４５）および第２のカウンタ（４６）をさらに備え、
    前記第１のカウンタは、前記第１の周波数生成手段の前記周波数に基づいて値を計数するようにするように適合され、前記第２のカウンタが、前記第２の周波数生成手段の前記周波数に基づいて値を計数するようにするように適合され、
    前記第１の周波数生成手段の前記計数値が前記第１のアドレスとして使用され、前記第２の周波数生成手段の前記計数値が前記第２のアドレスとして使用される、請求項１または１２に記載のシステム。
17. 前記第１および第２のアドレスの一方が列アドレスであり、前記第１および第２のアドレスの他方のアドレスが行アドレスである、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記圧縮機（３ａ）はターボチャージャ（３）の一部である、請求項１から１７のいずれかに記載のシステム。
19. 前記圧縮機は電気駆動圧縮機である、請求項１から１７のいずれかに記載のシステム。
20. 前記圧縮機は電気補助式ターボチャージャの一部である、請求項１から１７のいずれかに記載のシステム。

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