JP2008206367A - モータ制御駆動装置及び電動機付ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】性能が従来よりも安定したモータ制御駆動装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャＥの回転軸に軸結合してターボチャージャＥの回転を支援するモータＣを制御駆動するモータ制御駆動装置Ａであって、車両バッテリＢから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧する変圧回路１ａと、該変圧回路１ａから入力された直流電力を交流電力に電力変換してモータＣを駆動する電力変換回路２ａと、変圧回路１ａと電力変換回路２ａとを制御する制御回路１ｂ，２ｂとを具備し、変圧回路１ａと電力変換回路２ｂとが単一ユニットとして一体に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャの回転軸に軸結合してターボチャージャの回転を補助する同期モータを制御・駆動するモータ制御駆動装置及び電動機付ターボチャージャに関する。

例えば下記特許文献１には、車輌用ターボチャージャに同軸接続され、当該車輌用ターボチャージャの回転を補助（アシスト）する同期モータを制御・駆動するモータ制御駆動装置が開示されている。このモータ制御駆動装置は、車両のバッテリから供給された所定電圧の直流電力を昇圧回路で特定電圧まで昇圧した後、インバータ（電力変換回路）で交流電力に電力変換することにより同期モータを制御・駆動するものであり、上記昇圧回路と電力変換回路とが制御回路によって各々制御されることによって同期モータをアシストする。
特開２００６−２００４０４号公報

ところで、車両のバッテリの出力電圧は、車両の車種に応じて異なることが一般的である。したがって、上記昇圧回路は、車種に応じて異なる昇圧比のものが使用されるために、電力変換回路とは別体として構成され、車両に実装されている。
しかしながら、このような昇圧回路と電力変換回路とが別体として構成された従来のモータ制御駆動装置では、昇圧回路と電力変換回路とを所定の配線で接続する必要があるが、車種に応じて両者の実装距離が異なるため配線の長さが異なること、また車種に応じて配線の仕様や敷設状態が異なるために、配線の回路定数（つまりインダクタンス、静電容量及び抵抗）が車種に応じて変動する。そして、この変動に起因して性能が安定しないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、性能が従来よりも安定したモータ制御駆動装置及び電動機付ターボチャージャを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、モータ制御駆動装置に係る第１の解決手段として、ターボチャージャの回転軸に軸結合してターボチャージャの回転を支援するモータを制御駆動するモータ制御駆動装置であって、外部のバッテリから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧する変圧回路と、該変圧回路から入力された直流電力を交流電力に電力変換してモータを駆動する電力変換回路と、前記変圧回路と前記電力変換回路とを制御する制御回路とを具備し、前記変圧回路と前記電力変換回路とが単一ユニットとして一体に形成されている、という手段を採用する。
モータ制御駆動装置に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、変圧回路は、チョッパ方式変圧回路である、という手段を採用する。
モータ制御駆動装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、電力変換回路は、インバータである、という手段を採用する。
モータ制御駆動装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、制御回路は、内部の不揮発性記憶部に記憶された設定値に基づいて変圧制御信号を生成して変圧回路に出力する、という手段を採用する。
モータ制御駆動装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、変圧回路と電力変換回路とが１つのヒートシンク上に実装される、という手段を採用する。
また、本発明では、電動機付ターボチャージャに係る解決手段として、上記第１〜第４のいずれかのモータ制御駆動装置と、ターボチャージャと、該ターボチャージャの回転軸に軸結合し、前記モータ制御駆動装置による制御の下に前記ターボチャージャの回転を支援するモータとを具備する、という手段を採用する。

本発明によれば、変圧部と電力変換部とが単一ユニットとして一体に形成されているので、変圧部と電力変換部とを別体として構成して配線で接続した場合に比較して、回路定数（つまりインダクタンス、静電容量及び抵抗）を安定化することが可能であり、よってモータ制御駆動装置の性能を安定化することが可能である。
変圧部と電力変換部とを別体として構成して配線で接続した場合には、配線の仕様や長さあるいは敷設状態に応じて変圧部と電力変換部との間の配線の回路定数が変動するが、本発明ではこ、のような変動が発生しないので、例えば変圧部から電力変換部に供給される直流電力に電圧リップルが発生することを防止することが可能である。

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、本実施形態に係るモータ制御駆動装置及び電動機付ターボチャージャのブロック図である。この図に示すように、本モータ制御駆動装置Ａは、昇圧部１と電力変換部２とが単一の筐体内に実装されることにより単一ユニットとして一体に形成されたものである。昇圧部１は昇圧回路１ａと昇圧制御部１ｂとから構成され、また、電力変換部２はインバータ２ａと電力変換制御部２ｂとから構成されている。

昇圧回路１ａは、チョッパ方式昇圧回路であり、昇圧制御部１ｂによる制御の下に、外部の車両バッテリＢから供給された所定電圧の直流電力（バッテリ電力）を特定の電圧（出力電圧）に昇圧してインバータ２ａに出力する。より詳細には、昇圧回路１ａは、図２に示すように、昇圧制御部１ｂから入力される変圧制御信号に基づいて上記バッテリ電力をスイッチングするチョッパ回路１ｃと、当該チョッパ回路１ｃから出力されたパルス状電力を平滑化する平滑回路１ｄ（コイル１ｅとコンデンサ１ｆとから構成される積分回路）と、上記出力電圧及び車両バッテリＢから入力する電源電流を検出するセンサ（図示略）、等々から構成されている。

昇圧制御部１ｂは、不揮発性の内部メモリ（不揮発性記憶部）に記憶された出力電圧に関する設定値及び上記センサの検出値に基づいて昇圧回路１ａを制御するものである。より詳細には、昇圧制御部１ｂは、センサの検出値及び内部メモリの設定値に基づいて変圧制御信号を生成することにより、出力電圧が設定値と等しくなるようにチョッパ回路のスイッチングデューティ比を制御する。なお、チョッパ回路１ｄのスイッチング周期は所定値に固定されている。

インバータ２ａは、三相インバータであり、電力変換制御部２ｂによる制御の下に、昇圧回路１ａから入力された直流電力を図示するように三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の交流電力に変換して永久磁石同期モータＣ（三相同期モータ）に出力する。三相インバータについては電力変換回路として広く周知であり、よって詳細については省略するが、電力変換制御部２ｂから入力されるＰＷＭ（Pulse Wideth Modulation）信号に基づいて電力用スイッチングトランジスタを駆動することにより、直流電力を互いに１２０°の位相差を有する三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の交流電力に変換する。

電力変換制御部２ｂは、周知のベクトル制御方式に基づいてＰＷＭ信号を生成するものであり、位置センサＤから入力されるロータの回転位置に関する検出値（回転検出値）と外部のＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）から供給される回転速度指令値ω_０とに基づいて上記ＰＷＭ信号を生成することによりインバータ２ａを制御する。より詳細には、電力変換制御部２ｂは、上記回転検出値に基づいてロータの回転速度を演算し、当該回転速度が回転速度指令値ω_０と一致するようにＰＷＭ信号を生成する。

上記昇圧回路１ａとインバータ２ａとは電力回路であり、昇圧制御部１ｂや電力変換制御部２ｂに比較して電力損失が大きく、よって放熱対策を施す必要がある。このような事情から、昇圧回路１ａとインバータ２ａとは１つのヒートシンク上に実装され、当該ヒートシンクを介して永久磁石同期モータＣあるいはターボチャージャＥのケーシングに固定されている。また、昇圧回路１ａとインバータ２ａとは、バスバー等の十分な電力容量を備えた配線部品によって相互接続されている。
なお、昇圧制御部１ｂと電力変換制御部２ｂとは、本実施形態における制御回路を構成している。

また、上記永久磁石同期モータＣは、エンジンの排気ガスによって回転駆動するターボチャージャＥの回転軸に軸結合し、ロータが永久磁石から構成されたブラシレス型の三相同期モータである。本モータ制御駆動装置Ａ、永久磁石同期モータＣ、位置センサＤ及びターボチャージャＥは、全体としてエンジンを補助する電動機付ターボチャージャを構成しており、通常は排気ガスによって回転駆動するターボチャージャＥを、必要に応じて永久磁石同期モータＣで補助することにより、ターボチャージャＥの性能をそれ単体の場合よりも向上させるものである。

つまり、本モータ制御駆動装置Ａを構成要素とする電動機付ターボチャージャは、エンジンによって駆動する車両等に実装されるものであり、上記車両バッテリＢは車両に備えられたバッテリである。車両に備えられるバッテリは、例えば１２ボルトや２４ボルト等、その出力電圧が車種に応じて異なっている。

次に、このように構成された本モータ制御駆動装置Ａの動作及び効果について詳しく説明する。

本モータ制御駆動装置Ａでは、昇圧制御部１ｂは、昇圧回路１ａからインバータ２ａに出力する出力電圧を、上述したように昇圧制御部１ｂの内部メモリに予め記憶された設定値となるように常に一定値に制御する。また、ＥＣＵから回転速度指令値ω_０が入力されると、電力変換制御部２ｂは、当該回転速度指令値ω_０に応じた回転速度で永久磁石同期モータＣが回転するように、つまり位置センサＤの回転検出値に基づく角速度検出値が回転速度指令値ω_０に一致するようにインバータ２ａを制御する。永久磁石同期モータＣの回転数（つまりターボチャージャＥの回転数）は、回転速度指令値ω_０に応じて自在に可変設定される。

ここで、本モータ制御駆動装置Ａでは、昇圧部１と電力変換部２とが単一ユニットとして一体に形成されることにより、昇圧回路１ａとインバータ２ａとの間の配線が固定化されている。この結果、昇圧回路１ａの出力電圧は、昇圧回路１ａとインバータ２ａとが別体として構成され、外部配線によって別途接続された場合に比較して、上記内部メモリの設定値に対してより安定的に一致したものとなる。

すなわち、平滑回路１ｄは、上述したようにコイル１ｅとコンデンサ１ｆとから構成される積分回路として構成されるが、コイル１ｅが設計値である所定のインダクタンスを有し、またコンデンサ１ｆが設計値である所定の静電容量を有することにより、つまり設計値に等しい回路定数を有することにより、チョッパ回路１ｃが生成したパルス状の電力を良好に平滑化することができる。しかしながら、別体の昇圧回路１ａとインバータ２ａとを外部配線によって相互接続した場合には、外部配線の仕様や長さあるいは敷設状態に応じて外部配線の回路定数としてのインダクタンス、静電容量あるいは抵抗が変動することによって、上記平滑回路１ｄの回路定数が等価的に変動することになり、これによって平滑性能が低下する。

図３は、本モータ制御駆動装置Ａにおける昇圧回路１ａの出力電圧の特性図（ａ）と別体の昇圧回路１ａとインバータ２ａとを外部配線によって相互接続した場合における昇圧回路の出力電圧の特性図である。両者を比較すると分るように、本モータ制御駆動装置Ａにおける昇圧回路１ａの出力電圧は安定しているが、昇圧回路１ａとインバータ２ａとを別体とした場合の出力電圧はチョッパ回路のスイッチングに同期したリップルが残っており、安定性が低い。また、このリップルの振幅は、外部配線の仕様や長さあるいは敷設状態に応じた回路定数の変動に応じて変化するものとなる。

以上のように、本実施形態によれば、昇圧部１と電力変換部２とが単一ユニットとして一体に形成されることにより、昇圧回路１ａとインバータ２ａとを別体とした場合に比較して昇圧回路１ａの出力電圧が設定値に安定化され、この結果としてインバータ２ａの出力電圧が安定化する。そして、これによって永久磁石同期モータＣの制御性能が安定化するので、永久磁石同期モータＣを高精度に回転制御することが可能となる。
また、昇圧回路１ａの昇圧比（つまり出力電圧）は、昇圧制御部１ｂの内部メモリに記憶された設定値によって設定されるので、設定値を書き換えることにより出力電圧を容易に変更可能である。

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が考えられる。
（１）上記実施形態では、変圧回路を昇圧回路１ａとして構成したが、必要に応じて変圧回路を降圧回路としても良い。
（２）上記実施形態では、電力変換回路をインバータ２ａとしたが、他の方式の電力変換回路としても良い。

本発明の一実施形態に係わるモータ制御駆動装置及び電動機付ターボチャージャの機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係わるモータ制御駆動装置における昇圧回路１ａの回路図である。 本発明の一実施形態に係わるモータ制御駆動装置の作用・効果を示す特性図である。

符号の説明

Ａ…モータ制御駆動装置、１…昇圧部、１ａ…昇圧回路、１ｂ…昇圧制御部、１ｃ…チョッパ回路、１ｄ…平滑回路、１ｅ…コイル、１ｆ…コンデンサ、２…電力変換部、２ａ…インバータ、２ｂ…電力変換制御部

Claims (6)

1. ターボチャージャの回転軸に軸結合してターボチャージャの回転を支援するモータを制御駆動するモータ制御駆動装置であって、
   外部のバッテリから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧する変圧回路と、
   該変圧回路から入力された直流電力を交流電力に電力変換してモータを駆動する電力変換回路と、
   前記変圧回路と前記電力変換回路とを制御する制御回路とを具備し、
   前記変圧回路と前記電力変換回路とが単一ユニットとして一体に形成されていることを特徴とするモータ制御駆動装置。
2. 前記変圧回路は、チョッパ方式変圧回路であることを特徴とする請求項１記載のモータ制御駆動装置。
3. 前記電力変換回路は、インバータであることを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御駆動装置。
4. 前記制御回路は、内部の不揮発性記憶部に記憶された設定値に基づいて変圧制御信号を生成して変圧回路に出力することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のモータ制御駆動装置。
5. 前記変圧回路と前記電力変換回路とが１つのヒートシンク上に実装されることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のモータ制御駆動装置。
6. 請求項１〜４いずれかに記載のモータ制御駆動装置と、ターボチャージャと、該ターボチャージャの回転軸に軸結合し、前記モータ制御駆動装置による制御の下に前記ターボチャージャの回転を支援するモータとを具備することを特徴とする電動機付ターボチャージャ。

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