JP2010101324A - 内燃エンジンに結合された電気機械のローターの電気的位置を検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼロ速度からエンジンの始動の全作動範囲に渡って電気機械のローターの角位置を精度よく測る手法を提供する。
【解決手段】最低速度測定値（ＶＭ）よりも大きい速度に対する第１角位置信号を配信するセンサ（８）を備えた内燃エンジン（７）に結合（６）された電気機械のローター（４）の電気的位置を検出するために、電気機械の特性に基づき、推定速度（ＶＡ）よりも小さい速度でのローターの推定角位置を表わす第２信号を発生する工程と、推定回転速度に基づいて、電気機械を制御する手段に、推定速度が第１閾値（Ｓ１）を下回る時の角位置の推定値、あるいは推定速度が第２閾値（Ｓ２）を上回る時のセンサからの信号のいずれかが供給される工程と、第１閾値と第２閾値間の範囲で一方の信号から他方の信号に切り換えが行われる工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１所定閾値よりも大きい回転速度で内燃エンジンの角位置を表わす信号を配信する歯車センサを備えた内燃エンジンに対して、スリップのない回転で結合された電気機械のローターの電気的位置を検出する分野における改良に関する。

用語「電気機械」は、エンジンによって駆動されれば、発電機として、または電気的に動力が加えられれば、電気モーターとして作動可能であり、またその制御手段が両作動モードを適切に実行することを保証する回転式電気機械を意味するものとして使用される。

オルタネータ・スタータ、より詳しくは可変リラクタンス・オルタネータ・スタータのような電気機械の適切な制御においては、そのローターの電気的位置が正確に把握されている必要がある。現在、この位置を知ることは、特定のセンサ、例えば電気機械のローターの極数に等しい歯数を有する歯車を使用する位置測定装置によって得られる。これは、内燃エンジンによって確保された全回転速度範囲（静止（ゼロ速度）から最高速度まで）、また、影響（温度、電圧のオンーボード・ネットワーク等）を有するパラメータの全範囲に渡った必要な情報を提供するためである。

それにもかかわらず、優れた性能を提供し、それ自体において完全に満足のいくこれらの位置測定装置は複雑、かつ高価である。さらに、これらは、エンジンおよびトランスミッション・ユニット（特に、クラッチの先端において）と、エンジンを制御するための既存の歯車センサと一緒に物理的に関連して取り付けられる。特定のセンサの容積が、非常に小さく（一般的に、約６ミリ（ｍｍ）の厚さを有する）造られているにもかかわらず、センサは、エンジンおよびトランスミッション・ユニットを不十分なスペースへ取り付けること、および調節および／または較正の実行の障害となっている。さらに、このようにして取り付けられた装置は過度に露出され、装置の操作条件およびその寿命について望ましくない影響を与えるエンジンからの熱、ほこり、オイル等にさらされ易い。

そのため、既存の装置ほど高価でなく、現在搭載されている位置から離れて搭載され、より大きな空間が利用でき、何よりも望ましくない状態に今ほどさらされない位置に配置可能な、電気機械のローターの電気的位置を検出する装置は急を要する。

エンジン制御のために歯車センサが使用され、電気機械のローター内の極数に等しくない歯数を有するクランクシャフト（世界標準にある６０−２歯付きセンサ）の角位置のための絶対値が配信可能である点に留意しなければならない。

従って、このセンサは、回転速度のある最小値のみにおいてクランクシャフトの角位置で信頼できる値を提供でき、また実際においては一分当り５００回転（ｒｐｍ）程度の速度である。

従って、この種のセンサは、ゼロ速度からセンサが適切に作動する最低速度までに至る速度においては、クランクシャフトの角位置に関する所望の情報を提供するために使用することができない。

残念なことに、特にオルタネータ・スタータに関して、クランクシャフトの角位置の把握は、エンジンの始動時、すなわち、遅い速度において、またゼロ速度から始動する時に、オルタネータ・スタータを制御するために必要である。

従って、本発明の目的は、上述の欠点を有効な手法で軽減することができ、ゼロ速度からエンジンの始動の全作動範囲に渡って電気機械のローターの角位置を確実に知ることができ、かつ、これが比較的簡単で安価である技術条件下で実行でき、その構造が従来と比べ容易な手法を提供することである。

これらの目的のために、本発明の第１の形態において、本発明は、最低測定速度よりも大きい回転速度で内燃エンジンの角位置を表わす第１信号を配信するセンサの固定された内燃エンジンに対して、スリップのない回転で結合された電気機械のローターの角位置を検出する方法を提供し、この方法は、電気機械の少なくとも一つの特性に基づいて、最高推定速度未満の回転速度で電気機械のローターの推定角位置を表わす第２信号が発生され、推定回転速度の関数として、推定回転速度が最低測定速度よりも大きいかまたは等しい第１閾値以下である時は、常に第２信号が、または、推定回転速度が第１閾値よりも大きいかまたはこれに等しい第２閾値よりは大きいが、最大推定速度よりも小さいかまたはこれに等しい時は、常に第１信号が、電気機械を制御するための手段に配信され、第２信号から第１信号へ、およびその逆への転換が、第１閾値と第２閾値の間にある推定回転速度で実行されることを特徴とする。

本発明の有利な変形例において、第２信号の配信中に回転速度が増大している間において、推定回転速度が第２閾値に達した時、第２信号から第１信号への切り換えが実行され、第１信号の配信中に回転速度が減少している間において、推定回転速度が第１閾値に達した時、第１信号から第２信号への切り換えが実行される。好ましくは、第２閾値は、内燃エンジンのアイドリング速度未満であることである。これによって、内燃エンジンがアイドリング中、平常全動作範囲にわたる、すなわち、エンジンのアイドリング速度から最高回転速度までにわたる、第１信号から第２信号への無駄な切り換えが回避される。

本発明の他の態様によれば、一つの信号から他の信号への切り換えを実行するために、推定回転速度が、電気機械の少なくとも一つの電気特性に基づいて、またはエンジンが始動された時に連動し、一定時間経過後にスイッチオーバーを実行するタイマー手段によって決定される。その一定時間長が決定されるため、その速度は、第１閾値と第２閾値間にあることを想定することができる。

実際には、例えば第１閾値は約５００ｒｐｍであり、第２閾値は約７００ｒｐｍである。

本発明の特性によれば、内燃エンジンを作動させるために既に存在する歯車センサと、低速度に制限され、かつエンジンの全速度範囲に渡って動作する従来技術による角位置推定装置の性能よりも制限された性能を呈する位置推定装置とを共に設けることで、その全回転範囲（ゼロ速度から始動）に渡ってローターの角位置を検出することができる。この位置推定装置は、より簡単な技術によって構成され、従ってより安価に提示される。この種の位置推定装置は、電気機械に関する電圧および電流情報を受信する入力および、そのローターの角位置を表わす信号を配信する出力を有する計算装置の形式で装備することができ、この種の計算機は、電気モーターの制御ソフトウエア内に一体化することができる。

本発明に係る方法の原理を示したグラフである。 本発明に基づいて作られた装置の実施例を示すブロック図である。 図２の装置の変形例を示すブロック図である。

本発明は、添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読むことによってよりよく理解できるであろう。

参照例を最初に図１Ａから１Ｄに示し、本発明に基づく方法を説明する。

図１Ａにおいて、曲線１は、オルタネータ・スタータ、特に回転のゼロ速度から最高速度間で可変リラクタンスを有するようなオルタネータ・スタータなどの電気機械のトルク／回転速度特性を示す。

図１Ｂにおいて、参照符号２は、電気機械のローターの角位置を推定するための推定手段の有効作動範囲を示す。この推定手段は簡略化設計であり、またゼロ速度と最高推定速度Ｖ_Ａ（例えば、約１０００ｒｐｍ）の遅い速度範囲内のみで有効であり、推定位置以上においては、もはや信頼できないと考えられる。

図１Ｃにおいて、参照符号３は、エンジンを制御する目的のため、内燃エンジン内に装備された歯車センサもしくはトップデッドセンター（ＴＤＣ）センサの有効な作動範囲を示す。この種のセンサは、エンジンのアイドリング速度とその最高速度間で全平常作動範囲にわたるクランクシャフトの角位置に対する絶対値を配信する。実際において、センサは、エンジンのアイドリング速度（例えば、約７５０ｒｐｍ）を下回る速度であって、また、上述した推定手段の最高推定速度Ｖ_Ａをはるかに下回る最低測定速度Ｖ_Ｍ（例えば、４５０ｒｐｍ）よりも大きい速度において信頼できることを示す指示信号を配信する。

図１Ｄに示すように、本発明に係る方法は、推定回転速度が最高推定速度Ｖ_Ａよりも大きい間、歯車センサによって測定された角位置を表わす第１信号と、推定回転速度が最低測定速度Ｖ_Ｍ未満の間、推定角位置を表わす第２信号を使用する工程と、最低測定速度Ｖ_Ｍよりも大きい第１閾値Ｓ１と、第１閾値Ｓ１よりも大きいかこれに等しいが、最高推定速度Ｖ_Ａ未満かこれに等しい第２閾値Ｓ２との間にある間、第１信号から第２信号に、またはこの逆に切り替える工程を備える。

図示した好ましい形態において、第２信号は、ゼロ回転速度から第２閾値Ｓ２に達する回転速度までに使用され、一方、回転速度が低下している間、第１信号は、回転速度が第１閾値Ｓ１に達するまで使用される。さらに、第２閾値Ｓ２は、内燃エンジンのアイドリング速度未満かこれに等しい。実際においてこれは、第２信号は、エンジンを始動するためにのみ使用され、一方で第１信号は、エンジンの回転速度が増大するか減少するかに拘わらず、常時エンジンの平常作動中使用されることを意味する。従って、第１信号から第２信号への切り換えは、エンジンが停止したときのみ実行される。これは、エンジンの再始動に好都合である状態に制御手段を置くためである。

この方法を実施するために、図２に図式的に示した構成を使用することができる。この例において、オルタネータ・スタータ、特に１６極を備えたローターを有する可変リラクタンス式のオルタネータ・スタータである電気機械についてより詳しく示されており、本発明の特性が特に有利となる適用例である。

制御手段５によって制御されたオルタネータ・スタータ４は、内燃エンジン７との回転が（例えば、結合シャフト６を介して）制限されており、この内燃エンジン７は、エンジンを制御するために使用される歯車センサ８を備える。回路９の形成後、「第１」信号と呼ばれるセンサ８からの出力信号が、スイッチ１０の一つの入力端子１０_ｅ１に印加される。歯車センサ８は、最低測定速度Ｖ_Ｍよりも大きい回転速度において、信頼できることが知られている。

さらに、角位置推定手段１１が、オルタネータ・スタータ４の電圧および電流の電気特性を示す電気信号を受信する。これらの角位置推定手段１１は、この入力信号（電圧、電流）に応答し、オルタネータ・スタータのローターの角位置を表わす「第２」信号と呼ばれる出力信号を生成する。この第２信号が、スイッチ１０の別の入力端子１０_ｅ２に印加される。位置推定手段１１は、最高推定速度Ｖ_Ａを下回る速度においてのみ信頼できることが知られている簡略化型である。位置推定手段は、簡易な構造の計算機の形状で構成され、エンジン制御ソフトウエア内に一体化することもできる。

スイッチ１０は、オルタネータ・スタータ４の制御手段５の入力に接続されている出力端子１０ｓを有している。

出力端子１０ｓは、推定速度値を表わす信号を生成するための手段にも接続されており、その出力は、スイッチ１０の可動接点を作動させるための部材１３に接続されている。この例において、速度推定手段１２は、オルタネータ・スタータ４の電気特性から決定された回転情報（例えば、回転周期）に基づく推定速度を与える計算機の形態をとることができる。

この構成によって、速度推定手段１２は、次のような方法でスイッチ１０を作動するための適切なモーメントを検出するのに適している。すなわち、
・ゼロ速度から始動して、回転速度が上述した第２閾値Ｓ２より下がった時、可動接点が入力端子１０_ｅ２と協働し、位置推定装置１１が、オルタネータ・スタータの制御手段に印加されるローター角位置信号を提供する。

・回転速度が上述の第２閾値Ｓ２を超えた時、可動接点がスイッチ１０の入力端子１０_ｅ１と協働し、歯車センサ８によって生成された信号が、オルタネータ・スタータ制御手段５に印加される。

閾値Ｓ１とＳ２に対してそれぞれ比較的離れた値（例えば、Ｓ１＝５００ｒｐｍ、Ｓ２＝７００ｒｐｍ）をとると、速度推定手段１２は極めて正確である必要はなく、従って簡易、かつ、低コストになる。

スイッチ１０の制御に関して、直接的にオルタネータ・スタータの電気特性から推定される速度によってではなく、ある他のパラメータ、例えば時間によって制御されることが変形例として可能である。スイッチ１０は、Ｓ１からＳ２の範囲のいずれか、すなわち、概してエンジンのアイドリング速度よりも一般的に遅い速度で作動する必要がある。換言すれば、エンジンが始動され、エンジンがゼロ速度からアイドリング速度まで加速された時に、切り換えが実行されなければならない。この始動段階の期間が、常時ほぼ同じであれば、エンジンは、Ｓ１とＳ２の範囲にある速度に、エンジンが始動されたときから開始する所定の時間経過後に、達するものと仮定することができる。

図３に示す装置は、この考察に基づいており、図２の装置の速度推定手段１２を使用する換わりに、エンジン７が始動されると同時に、接点回路１５によってトリガーされるタイマー手段１４を備える。この種のタイマー手段１４は、速度推定手段１２よりも低費用で実現できる。従って、タイミングが閾値Ｓ２として作用し、一方閾値Ｓ１は省略できる。この場合において、タイマー手段は、エンジンが停止したときに再始動されることができ、これによって新たなタイムアウトを可能にし、エンジンが始動される次の時間が開始される。

ローター位置推定手段１１は、電気機械に関する電圧および電流の電気的データだけでなく、他のパラメータ、例えば特に温度をも考慮することが好ましく、これによって温度補正または他のパラメータの関数として補正された情報が配信される。

当然、本発明は開示した実施例に限定されず、また変形例が特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を越えることなく実施例に施すことができる。

特に、閾値Ｓ１およびＳ２は、それぞれ速度Ｖ_ＭおよびＶ_Ａと一致してもよい。これに対して、閾値Ｓ１およびＳ２は、互いに一致し、Ｖ_ＭからＶ_Ａの範囲にある任意の点にあってもよい。

Claims (6)

1. 最低測定速度（Ｖ_Ｍ）よりも大きい回転速度における内燃エンジンの角位置を表わす第１信号を配信するセンサ（８）が固定された内燃エンジン（７）に、スリップのない回転で結合された電気機械（４）のローターの角位置を検出する方法であって、
   前記電気機械の少なくとも一つの特性に基づいて、最高推定速度（Ｖ_Ａ）未満の回転速度での前記電気機械の前記ローターの推定角位置を表わす第２信号が生成され、前記推定速度は最低測定速度（Ｖ_Ｍ）に等しいかまたはそれ以上であり、
   推定回転速度の関数として、
   前記推定回転速度が、前記最低測定速度（Ｖ_Ｍ）よりも大きいかまたは等しい第１閾値（Ｓ１）以下である時、常に第２信号が、または、
   前記推定回転速度が、前記第１閾値よりも大きいかまたはこれに等しい第２閾値（２）より大きいが、前記最高推定速度（Ｖ_Ａ）よりも小さいかまたはこれに等しい時、常に第１信号が、
   前記電気機械を制御するための手段に配信され、
   前記第２信号から前記第１信号への切換え、およびその逆への切換えが、前記第１閾値と前記第２閾値との間にある推定回転速度で実行される
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第２信号の配信中に回転速度が増大している間において、前記推定回転速度が前記第２閾値に達したときに前記第２信号から前記第１信号への切り換えが実行され、
   前記第１信号の配信中に回転速度が減少している間において、前記推定回転速度が前記第１閾値に達したときに前記第１信号から前記第２信号へ切り換えが実行される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２閾値（Ｓ２）は、前記内燃エンジンのアイドリング速度未満である
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記推定回転速度は、前記電気機械の少なくとも一つの電気特性に基づいて決定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記推定回転速度は、エンジン（５）が始動されたときにトリガー可能なタイマー手段（１４）によって決定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記第１閾値（Ｓ１）は５００ｒｐｍに等しく、また前記第２閾値（Ｓ２）が７００ｒｐｍに等しい
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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