JP3688273B2 - 電動機の回転駆動制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の回転駆動制御装置に係り、特に、同期電動機をセンサレスで効率よく駆動するうえで好適な電動機の回転駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、同期電動機をセンサレスで駆動する装置としては、例えば、米国特許第４，９２８，０４３号公報に開示される装置が知られている。この装置は、電動機が有する３つのコイルのそれぞれに対応する３組のスイッチング素子対と、個々のスイッチング素子に併設された６つの還流ダイオードとを含むインバータ回路を備えている。インバータ回路は、いわゆる１２０度通電の手法で制御されるため、電動機が有する３つのコイルは、それぞれ、１２０度通電される毎に６０度無通電状態とされる。
【０００３】
コイルが無通電状態とされる６０度の間は、そのコイルに逆起電圧が発生する。そして、その逆起電圧は、コイルが無通電状態とされた後、電動機の中性点電位より低い（または高い）値から、その中性点電位より高い（または低い）値に変化する。ここで、１２０度通電の手法で電動機を駆動する場合、優れた駆動効率を得るために、コイルに生ずる逆起電力が、そのコイルが無通電状態とされる６０度のほぼ中央で上記の中性点電位と一致することが望ましい。換言すると、１２０度通電の手法で電動機を駆動する場合、無通電状態のコイルに生ずる逆起電力が電動機の中性点電位より低くなる期間と、その逆起電力が中性点電位より高くなる期間とがほぼ均衡するようにインバータを制御することが、高い駆動効率を得る上で有効である。
【０００４】
従来の装置は、上記の要求に応えるべく、コイルが無通電状態になった後、コイルの端子に生ずる逆起電圧と、３相コイルの電圧から得られた中性点電位との差分より得られる誤差の積分値に基づいて、そのコイルの無通電状態を解除すべくインバータの状態を変化させる。より具体的には、従来の装置は、通常は逆起電圧と中性点電位との差分の積分値がゼロとなる時点でコイルの無通電状態を解除すべくインバータの状態を変化させる。また、この装置は、駆動パルスの基準となるVCO信号の周波数を上昇或いは下降させることにより、目標回転数との差異を縮小するための通電時間制御を併せて行っている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許４，９２８，０４３号公報
【特許文献２】
特開２００２−９５２８３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の装置において、インバータに内蔵される個々のスイッチング素子がオン状態からオフ状態に変化した直後には、そのスイッチング素子に併設されている還流ダイオードを通って還流電流が流通する。具体的には、電動機のＵ相を通過した電流を接地電位線に流通させるためのスイッチング素子がオンからオフに変化した直後は、Ｕ相コイルに蓄えられているエネルギが消費されるまでの間、Ｕ相コイルには還流電流が流通し続ける。
【０００７】
この還流電流は、インバータの内部において、Ｕ相コイルから電源電位線に向かう電流の流れを許容する還流ダイオードを通って流通する。そして、その電流が流通している間は、Ｕ相コイルの端子電圧が電源電位にまで上昇し、還流電流が消滅して初めて、Ｕ相コイルの端子電圧は、本来の電位、つまり、逆起電圧に起因する電位となる。
【０００８】
このように、上述した従来の装置において、無通電状態のコイルの端子電位は、必ずしも常にそのコイルに発生する逆起電圧の大きさと一致しない。このため、コイルの端子電圧と中性点電位との差分の積分値に基づいて、そのコイルを無通電状態から通電状態に変化させたのでは、電動機を効率良く駆動するうえでの理想的なタイミングでインバータを動作させることはできない。この点、従来の装置は、電動機を効率的に駆動するうえで、未だ改良の余地を残すものであった。
【０００９】
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであり、無通電状態のコイルを通電状態に変化させるタイミングを、電動機を効率的に駆動するうえでの理想的なタイミングに設定することのできる電動機の回転駆動制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、電動機の回転駆動制御装置であって、
電動機のコイルの通電状態を切り換えるスイッチング素子と当該スイッチング素子に併設される還流ダイオードとを含む通電制御手段と、
無通電状態のコイルに生ずる逆起電圧の積分値を求める逆起電圧積分手段と、
前記コイルが無通電状態となった後の電動機の中性点電位の積分値を求める中性点電位積分手段と、
前記逆起電圧の積分値と前記中性点電位の積分値とが一致した時点で、無通電状態の前記コイルが通電状態となるように、前記スイッチング素子の状態を切り換えるスイッチング素子制御手段とを備え、
前記逆起電圧積分手段は、
無通電状態のコイルの端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、当該還流電流の影響が排除されるように前記端子電圧に補正を施す補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、電動機の回転駆動制御装置であって、
電動機のコイルの通電状態を切り換えるスイッチング素子と当該スイッチング素子に併設される還流ダイオードとを含む通電制御手段と、
無通電状態のコイルに生ずる逆起電圧と、前記コイルが無通電状態となった後の電動機の中性点電位との差分の積分値を求める差分電位積分手段と、
前記差分の積分値の正負判断に基づいて、無通電状態の前記コイルを通電状態とするための前記スイッチング素子の状態切り換えを行うスイッチング素子制御手段とを備え、
前記差分電位積分手段は、
無通電状態のコイルの端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、当該還流電流の影響が排除されるように前記端子電圧に補正を施す補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記補正手段は、無通電中のコイルの端子電圧を、所定の逆起電圧相当値に置き換える疑似電圧発生手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記補正手段は、電動機のコイルが無通電状態に維持されるべき期間より短く、かつ、無通電中のコイルに還流電流が流通する期間以上のマスク期間を設定するマスク期間設定手段を備え、
前記疑似電圧発生手段は、電動機のコイルが無通電状態となった後、前記マスク期間が経過するまでの間、当該コイルの端子電圧を前記逆起電力相当値に置き換えることを特徴とする。
【００１４】
また、第５の発明は、第４の発明において、
電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記マスク期間設定手段は、前記回転数に基づいて前記マスク期間を設定することを特徴とする。
【００１５】
また、第６の発明は、第３乃至第５の発明の何れかにおいて、
電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記疑似電圧発生手段は、前記回転数に基づいて前記逆起電圧相当値を設定することを特徴とする。
【００１６】
また、第７の発明は、第６の発明において、前記疑似電圧発生手段は、前記回転数に基づいて、当該回転数が高いほど、前記スイッチング素子の状態が切り換えられる時期が進角されるように前記逆起電圧相当値を設定することを特徴とする。
【００１７】
また、第８の発明は、第１乃至第７の発明において、前記電動機は、内燃機関のターボチャージャを電動駆動するためのものであることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２と排気通路１４の間には、ターボチャージャユニット１６が配置されている。
【００２０】
ターボチャージャユニット１６は、排気通路１４側に位置するタービン１８と、吸気通路１２側に位置するコンプレッサ２０とを備えている。更に、タービン１８とコンプレッサ２０との間には、それらと回転軸２２を共通にする電動機２４が配置されている。ターボチャージャ１６は、排気エネルギによりタービン１８を回転させることにより、或いは、電動機２４により回転軸２２を回転させることにより、コンプレッサ２０を駆動することができる。コンプレッサ２０は、このようにして駆動されることにより、その下流に高い過給圧を発生させることができる。
【００２１】
吸気通路１２には、コンプレッサ２０の上流と下流とを連通するバイパス通路２６が設けられている。バイパス通路２６には、過給圧が過剰になった場合に開弁するバイパス弁２８が設けられている。また、コンプレッサ２０の下流には、インタークーラ３０、およびスロットルバルブ３２が配置されている。スロットルバルブ３２は、アクセル開度などに基づいてスロットルモータ３４により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ３２の近傍には、スロットル開度を検出するためのスロットルポジションセンサ３６、およびアクセル開度を検出するためのアクセルポジションセンサ３８が配置されている。
【００２２】
排気通路１４には、タービン１８の上流においてEGR(Exhaust Gas Recirculation) 通路４０が連通している。EGR通路４０は、排気ガスの一部を吸気系に還流させるための通路であり、EGRバルブ４２を介して吸気通路１２に連通している。また、排気通路１４には、タービン１８の下流に触媒４４が配置されている。内燃機関１０から排出された排気ガスは、タービン１８を通過した後、触媒４４において浄化された後、大気に放出される。
【００２３】
本実施形態のシステムは、システム全体を制御するためのECU５０、電動機２４の状態制御するためのコントローラ５２、およびシステムの作動に必要な電力を供給するバッテリ５４を備えている。本実施形態のシステムは、電動機２４の制御に関する部分に特徴を有しているため、以下、その特徴を説明するうえで必要な範囲で、ECU５０やコントローラ５２の内容を説明する。
【００２４】
図２は、本実施形態のシステムが電動機２４を駆動するために備えている構成の内容を説明するためのブロック図である。本実施形態において、電動機２４は、永久磁石式の同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の３つのコイルを有している。
【００２５】
図２に示す構成は、インバータ６０を備えている。インバータ６０の内部には、電動機２４のＵ相コイルに対応するスイッチング素子対６２，６４、および還流ダイオード対６６，６８が設けられている。また、その内部には、Ｖ相コイルに対応するスイッチング素子対７０，７２、および還流ダイオード対７４，７６、並びに、Ｗ相コイルに対応するスイッチング素子対７８，８０、および還流ダイオード対８２，８４が設けられている。
【００２６】
インバータ６０にはバッテリ５４が接続されており、上述した３つのスイッチング素子対、および３つの還流ダイオード対の両側には、電源電圧が印加されている。インバータ６０によれば、内蔵するスイッチング素子を適当にオン・オフさせることにより、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルに、順次適当な磁界を発生させて電動機２４を適当に同期運転させることができる。
【００２７】
図２に示すシステムは、センサレスコントロールIC８６と、マスク制御回路８８を備えている。これらは、何れも図１に示すコントローラ５２に含まれる要素である。マスク制御回路８８は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせにより、或いは、ソフトウェアを利用せず、ハードウェアのみで構成された回路であり、電動機２４の各相コイルの端子電圧を検出し、それらの端子電圧を、直接、或いは、必要な場合には補正して、センサレスコントロールIC８６に供給する機能を有している。以下、電動機２４のＵ相コイル、Ｖ相コイル、およびＷ相コイルに生ずる端子電圧を、それぞれ「Ｕ電圧」、「Ｖ電圧」、および「Ｗ相電圧」と称す。
【００２８】
センサレスコントロールIC８６は、Ｕ相コイルに対応する電圧を受けるためのＵ端子、Ｖ相コイルに対応する電圧を受けるためのＶ端子、およびＷ相コイルに対応する電圧を受けるためのＷ端子を備えている。また、センサレスコントロールIC８６は、それらの端子に供給される電圧に基づいて電動機２４のロータ位置を検出し、その検出位置に基づいて、インバータ６０に内蔵される６つのスイッチング素子のそれぞれに適当なゲート信号を供給する機能を有している。更に、センサレスコントロールIC８６は、電動機２４のロータ位置が検出された後に、電動機２４の回転速度に応じた周期で変動するVCO信号を発する機能を有している。
【００２９】
センサレスコントロールIC８６は、ターボチャージャユニット１６の電力アシストが必要となると、図１に示すECU５０により起動が要求される。そして、センサレスコントロールICは、その起動が要求された後、定常状態では、図３に示すようなタイミングチャートに則って電動機２４の回転を制御する。
【００３０】
図３は、定常状態におけるセンサレスコントロールIC８６の動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、センサレスコントロールIC８６により生成されるVCO信号の波形である。図３に示す♯１〜♯６の領域は、それぞれ６０度のロータ回転角に対応している。従って、VCO信号は、ロータが６０度回転する毎に一周期の変化を示す信号である。
【００３１】
図３（Ｂ）〜図３（Ｇ）は、インバータ６０に内蔵される６つのスイッチング素子に対して供給されるゲート信号波形を示す。尚、これらの図に示すＵ１、Ｖ１、Ｗ１は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８を意味しており、一方、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０を意味している。
【００３２】
図３（Ｂ）〜図３（Ｇ）に示すように、本実施形態では、電動機２４の各相コイルに対応するスイッチング素子が、１サイクルの過程で１２０度相当期間だけオン状態とされるいわゆる１２０度通電の駆動方式が用いられている。このため、本実施形態のシステムでは、１サイクルの過程中に、各相コイルに対応する２つのスイッチング素子が何れもオフ状態となる期間、つまり、各相コイルが無通電状態となる期間が２回づつ（各回の無通電期間は６０度相当期間）確保されている。具体的には、Ｕ相コイルは、♯３，♯６の期間において無通電状態となる。Ｖ相コイルは、♯２，♯５の期間において無通電状態となる。また、Ｗ相コイルは、♯１，♯４の期間において無通電状態となる。
【００３３】
図３（Ｈ）〜図３（Ｊ）は、センサレスコントロールIC８６が、Ｕ端子、Ｖ端子、およびＷ端子に供給される電圧をサンプリングするタイミングを示す。これらの図が示すように、センサレスコントロールIC８６は、各相コイルに対応する電圧を、そのコイルが無通電状態となる期間、つまり、そのコイルに逆起電圧が発生する期間においてサンプリングする。センサレスコントロールIC８６は、それらのサンプリング期間において検出された電圧に基づき、電動機の回転位置を判断して、電動機２４が同期運転を継続するようにゲート信号の切り換えを行う。
【００３４】
図４は、センサレスコントロールIC８６が、特定相のコイルに対応する電圧に基づいてゲート信号を切り換える手法を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）は、理想的な切り換え動作を説明するための波形を示す。図４（Ｂ）は、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧を直接センサレスコントロールIC８６に供給した場合に実現される動作を説明するための波形を示す。また、図４（Ｃ）は、本実施形態のシステムにより実現される動作を説明するための波形を示す。
【００３５】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）において、破線または実線で示された正弦波は、特定の相のコイルに発生する逆起電力のイメージを示す。また、各図において、その正弦波の山および谷と重なるように描かれた実線の矩形波は、インバータ６０内のスイッチング素子がオンとなることによりそのコイルに印加される電圧の波形である。コイルが無通電状態となる６０度の期間中に、そのコイルの端子電圧が逆起電圧と一致するとすれば、そのコイルの端子電圧は、図４（Ａ）に実線で示すように、１２０度相当の期間だけ維持される印加電圧と、６０度相当の期間だけ表れる正弦波との組み合わせで構成されることになる。
【００３６】
１２０度通電の手法で電動機２４を効率良く駆動するためには、各相コイルに発生する逆起電力の正弦波の山と谷が、スイッチング素子がオンとされる１２０度相当の期間と同期していることが望ましい。つまり、電動機２４を効率良く駆動するためには、各相コイルが無通電状態となる６０度相当の期間中、そのコイルの端子電圧（逆起電圧）が電動機２４の中性点電位より低い期間（T1）と、その端子電圧（逆起電圧）が電動機２４の中性点電位より高い期間（T2）とが等しくなることが望ましい。換言すると、コイルの端子電圧と中性点電位との差を期間T1に渡って積分した値（面積S1に相当）と、その差を期間T2に渡って積分した値（面積S2に相当）とが等しくなるようにスイッチング素子の状態が切り換えられることが望ましい。
【００３７】
図４（Ａ）において、コイルが無通電状態となる６０度相当の期間中、コイルの端子電圧（逆起電圧）の積分値と、電動機２４の中性点電位の積分値とは、上記の面積S1とS2が等しくなる時点で、つまり、期間T1とT2が等しくなる時点で一致する。従って、無通電中のコイルの端子電圧が逆起電力と一致した変化を示すとすれば、その積分値と中性点電位の積分値が一致した時点でスイッチング素子の状態を切り換えることにより、電動機２４を効率よく駆動することが可能である。
【００３８】
センサレスコントロールIC８６は、無通電状態のコイルに対応する端子（Ｕ端子、Ｖ端子、またはＷ端子）に供給される電圧の積分値と、電動機２４の中性点電位の積分値とが一致した時点で、そのコイルが再び通電状態となるようにゲート信号の切り換えタイミングを制御する機能を有している。従って、コイルが無通電状態となる期間中に、そのコイルの端子電圧が図４（Ａ）に示すように逆起電圧と一致しているとすれば、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧をＵ端子、Ｖ端子、およびＷ端子に直接供給することで、電動機２４を効率的に駆動することが可能である。
【００３９】
しかしながら、本実施形態のシステムにおいて、コイルの端子電圧は、現実には、図４（Ａ）に示すような変化を示さず、図４（Ｂ）中に実線で示すような変化を示す。以下、便宜上図４（Ｂ）に示す波形は、Ｕ相コイルに対応するものであるとする。この場合、時刻t1−t2における印加電圧（接地電位）は、Ｕ相コイルに対応する接地電位側スイッチング素子６４がオンとなることで実現される。この間、Ｕ相コイルには、インバータ６０に向かって流出する方向の電流Ｉが流通している。
【００４０】
時刻t2においてスイッチング素子６４がオフとされた後も、Ｕ相コイルに蓄えられているエネルギ（Ｌ・Ｉ２／２、但しＬはＵ相コイルのインダクタンス）が消滅するまでは、その電流ＩはＵ相コイルを流れ続けようとする。この電流Ｉは、還流ダイオード６６を通ってのみ流通することができる。そして、還流ダイオード６６のカソードには電源電圧が印加されているため、電流Ｉがそこを流れる間は、還流ダイオード６６のアノード電位、つまり、Ｕ相コイルの端子電位は電源電圧にまで上昇する。このため、図４（Ｂ）に示すように、Ｕ相コイルの端子電圧は、現実には、スイッチング素子６４がオフとされた時刻t2の後、電流Ｉの還流が終了する時刻t3までの間、電源電圧となり、その後逆起電圧に一致するという変化を示す。
【００４１】
図４（Ｂ）に示す面積S3は、Ｕ相コイルの端子電圧と中性点電位との差を、電流Ｉの還流期間にわたって積分した値に相当している。センサレスコントロールIC８６のＵ端子、Ｖ端子およびＷ端子に、各相コイルの端子電圧、つまり、Ｕ電圧、Ｖ電圧およびＷ電圧が直接供給されるとすれば、Ｕ相コイルの電源電位側スイッチング素子６２は、面積S3と面積S2との和が面積S1と等しくなった時点でオンされることになる。この場合、面積S3が大きくなるに連れて、スイッチング素子６２がオンとされるタイミングが不当に進角される事態が生ずる。このため、センサレスコントロールIC８６に対して、電動機２４のＵ電圧、Ｖ電圧およびＷ電圧を直接供給したのでは、特に、還流電流Ｉが大きい運転状況下において、電動機２４の駆動効率が低下しやすい。
【００４２】
図４（Ｃ）は、コイルが無通電状態とされる時刻t2の後、所定のマスク期間θの間、コイルの端子電圧を所定電圧Vxに置き換えた波形を示している。ここで、上記のマスク期間θは、無通電状態となったコイルに還流電流Ｉが流れる期間以上であり、６０度相当期間より短い適当な期間である。また、所定電圧Vxは、マスク期間にわたるその値Vxの積分値が、その期間中における逆起電圧の積分値と等しくなるように設定された値である。尚、マスク期間θおよび所定電圧Vxを設定する手法については、後に詳細に説明する。
【００４３】
本実施形態のシステムにおいて、マスク制御回路８８は、上記のマスク期間の間だけ、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧を、それぞれ所定電圧Vxに補正してセンサレスコントロールIC８６に供給する。この場合、センサレスコントロールIC８６は、マスク期間にわたる所定電圧Vxの積分値と、その後の端子電圧（逆起電圧）の積分値との和が、中性点電位の積分値と等しくなった時点で無通電状態のコイルを通電状態とすべくスイッチング素子の状態を切り換える。そして、マスク期間にわたる所定電圧Vxの積分値は、その期間中における逆起電圧の積分値に等しいため、上記の処理によれば、逆起電圧が中性点電位より低くなる期間T1と、その逆の関係が成立する期間T2とが等しくなることを常に保証することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、還流電流Ｉの発生に影響されることなく、電動機２４を常に効率よく駆動することができる。
【００４４】
図５は、所定電圧Vxの設定手法を説明するための波形を示す。図５に示す正弦波、および矩形波は、上記図４（Ａ）に示す場合と同様に、各相コイルに表れる逆起電圧のイメージ波形、およびスイッチング素子がオンとなることで発生するコイルに対する印加電圧波形を示している。また、図５に示す横軸は、１目盛りが６０度に相当している。更に、図５に示す電圧V0およびVθは、それぞれ、コイルが無通電状態となった時点での逆起電圧の値、およびマスク期間θが終了した時点での逆起電圧の値を示している。
【００４５】
所定電圧Vxは、マスク期間θにわたる積分値が、マスク期間θにわたる逆起電圧の積分値と等しくなるように設定されるべき値である。そして、その値Vxは、マスク期間θにおいて逆起電圧が線形に変化すると見なせるとすれば、次式により近似的に求めることができる。
Vx＝（V0＋Vθ）／２ ・・・（１）
【００４６】
図５に示す逆起電圧は、電源電圧Vbの１／２の値、つまり、Vb／２を中心とする正弦波であると考えられる。そして、コイルが無通電状態となる６０度の期間中、逆起電力がその中心電圧Vb／２より低い期間と、その逆の関係が成立する期間とが等しいとすれば、すなわち、双方の期間がそれぞれ３０度づつであるとすれば、図５に示すV0と中心電圧Vb／２との差は（Vp−Vb／２）・sin３０°であり、また、図５に示すVθと中心電圧Vb／２との差は（Vp−Vb／２）・sin（３０−θ）である。但し、Vpは正弦波のピーク電圧である。
【００４７】
従って、図５に示すV0およびVθは、電源電圧Vb、逆起電圧のピーク電圧Vp、およびマスク期間θを用いて、それぞれ次式のように表すことができる。
V0 ＝Vb／２−（Vp−Vb／２）・sin３０° ・・・（２）
Vθ＝Vb／２−（Vp−Vb／２）・sin（３０−θ） ・・・（３）
【００４８】
電源電圧Vbは、容易に検知することができる。また、逆起電圧のピーク電圧Vpは、電動機２４の回転数に対してほぼ一義的に決まる値である。このため、その値Vpは、予めマップ等を準備しておくことにより、電動機２４の回転数に基づいて検知することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、マスク期間θが定まれば、上記（１）式〜（３）式に従って、図５に示すV0およびVθに対応する所定電圧Vxを精度良く設定することが可能である。
【００４９】
ところで、本実施形態のシステムでは、各相コイルに対応する接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０がオフ状態に切り替わった直後に電流Ｉの還流が生ずると共に、各相コイルに対応する電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８がオフ状態に切り替わった直後にも電流Ｉの還流が生ずる。従って、マスク期間θは、各相コイルについて、１サイクルの間に上記２つの場面において設ける必要がある。
【００５０】
図５に示すマスク期間θは、接地電位側のスイッチング素子がオフ状態に切り替わった直後に設定されるマスク期間である。このような場面では、コイルに発生する逆起電圧は、Vb／２（電源電圧Vbの半分）より小さな値となる。このため、このような場面では、上記（２）式および（３）式により、V0およびVθを精度良く算出することができる。
【００５１】
これに対して、マスク期間θを設定すべきもう一つの場面、つまり、電源電位側のスイッチング素子がオンからオフに切り替わった直後の場面では、各相コイルに発生する逆起電圧がVb／２より高い値となる。従って、この期間のV0およびVθは、上記（２）式および（３）式では得ることができず、それぞれ以下の演算式により算出することが必要である。
V0 ＝Vb／２＋（Vp−Vb／２）・sin３０° ・・・（４）
Vθ＝Vb／２＋（Vp−Vb／２）・sin（３０−θ） ・・・（５）
【００５２】
本実施形態において、マスク制御回路８８は、各相コイルに対応する接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０がオンからオフに切り替わった直後のマスク期間θにおいては、上記（１）〜（３）式の関係に従って所定電圧Vxを算出する。一方、各相コイルに対応する電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８がオンからオフに切り替わった直後のマスク期間θにおいては、上記（１）式、（４）式および（５）式の関係に従って所定電圧Vxを算出する。このため、マスク制御回路８８によれば、何れの場面においても、各相コイルに発生する逆起電圧に対応する所定電圧Vxを精度良く設定することができる。
【００５３】
上述したマスク期間θ（単位は角度）は、電流Ｉの還流期間（単位は角度）以上であり、かつ、コイルを無通電状態に維持すべき６０度より短い期間（角度）に設定することが必要である。電流Ｉの還流期間は、消滅すべきエネルギ（Ｌ・Ｉ２／２）が大きいほど長期間となり、また、電動機２４の回転数が高いほど大きな値となる。従って、その還流期間は、電動機２４を流れる電流Ｉと、電動機２４の回転数とにより求めることができる。
【００５４】
本実施形態において、マスク制御回路回路８８は、電動機２４を流れる電流Ｉと電動機２４の回転数との関係で、その電流Ｉの還流期間より僅かに長いマスク期間θを定めたマップを記憶している。このため、マスク制御回路８８は、電動機電流および電動機回転数に基づいて、還流期間以上の適正なマスク期間θを設定することができる。
【００５５】
図６は、本実施形態のシステムにおいて、センサレスコントロールIC８６が実行する処理の手順を説明するためのフローチャートを示す。
図６に示すように、センサレスコントロールIC８６は、起動要求が生じたか否かを監視している（ステップ１００）。
【００５６】
ターボチャージャユニット１６の電動アシストが要求され、センサレスコントロールIC８６の起動が要求されると、上記ステップ１００の条件が成立したと判断される。この場合、次に、VCO信号の立ち上げ動作が行われる（ステップ１０２）。
図３に示す通り、センサレスコントロールIC８６は、VCO信号の立ち上がりを受けてゲート信号等の切り換え動作を行う。従って、本ステップ１０２の処理が実行されると、VCO信号の立ち上がりを受けて、センサレスコントロールIC８６の内部において、ゲート信号の切り換え処理等が実行される。
【００５７】
次に、端子電圧積分値ΣVm、および中性点電位積分値ΣVcがクリアされる（ステップ１０４）。
端子電圧積分値ΣVmは、Ｕ端子、Ｖ端子、或いはＷ端子から入力される電圧、つまり、マスク制御回路８８を介して供給される電動機２４の各相コイルの端子電圧、またはその補正値（所定電圧Vx）を積分した値である。一方、中性点電位積分値ΣVcは、電動機２４の中性点電位Vcを積分した値である。尚、本実施形態において、センサレスコントロールIC８６は、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧の平均値（Ｕ電圧＋Ｖ電圧＋Ｗ電圧）／３を、中性点電位Vcとしている。
【００５８】
図６に示すルーチンでは、次に、端子電圧積分値ΣVm、および中性点電位積分値ΣVcが演算される（ステップ１０６）。
上記の処理によれば、VCO信号が立ち上がる毎に、つまり、ゲート信号の切り換えが行われる毎に、端子電圧積分値ΣVm、および中性点電位積分値ΣVcがクリアされ、その後新たにそれらの積分を開始することができる。
【００５９】
センサレスコントロールIC８６は、次に、起動要求が消滅していないかを判別する（ステップ１０８）。
【００６０】
その結果、起動要求が既に消滅していると判別された場合は、速やかに今回のルーチンが終了される。一方、未だ起動要求が消滅していないと判別された場合は、次に、端子電圧積分値ΣVmと、中性点電位積分値ΣVcとが等しいか否かが判別される（ステップ１１０）。
【００６１】
端子電圧積分値ΣVmと中性点電位積分値ΣVcとが未だ等しくないと判別された場合は、ゲート信号を切り換えるタイミング、つまり、無通電状態のコイルを通電状態に切り換えるタイミングが未だ到来していないと判断される。そして、この場合は、再び上記ステップ１０６以降の処理が繰り返される。一方、端子電圧積分値ΣVmと中性点電位積分値ΣVcとが一致していると判別された場合は、ゲート信号を切り換えるタイミングが到来したと判断される。この場合、センサレスコントロールIC８６は、以後、上記ステップ１０２に戻って上記の処理を繰り返す。その結果、VCO信号の立ち上げ、およびゲート信号の切り換えが行われ、再び端子電圧積分値ΣVmと、中性点電位積分値ΣVcの演算が新たに開始される。
【００６２】
以上説明した通り、図６に示すルーチンによれば、センサレスコントロールIC８６のＵ端子、Ｖ端子、およびＷ端子に入力される電圧の積分値ΣVmと、中性点電位の積分値ΣVcとが一致する毎に、無通電状態のコイルが通電状態となるように（その結果、他の相では、通電状態であったコイルが無通電状態となる）、インバータ６０を駆動するゲート信号を適切に切り換えることができる。
【００６３】
図７は、マスク制御回路８８が、センサレスコントロールIC８６に適正な電圧信号を供給するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートを示す。図７に示す通り、マスク制御回路８８では、先ず、センサレスコントロールIC８６により生成されるVCO信号の立ち上がりが監視される（ステップ１２０）。
【００６４】
VCO信号の立ち上がりが検知された場合は、回転角δがリセットされる（ステップ１２２）。
一方、VCO信号の立ち上がりが検知されない場合は、ステップ１２２の処理がジャンプされ、速やかに以後、ステップ１２４の処理が実行される。
上記の処理によれば、回転角δは、インバータ６０に供給されるゲート信号が切り換えられる毎に、つまり、無通電状態であったコイルが通電状態に切り換えられる毎にリセットされることになる。
【００６５】
図７に示すルーチンでは、次に、回転角δが更新される（ステップ１２４）。
上記の処理によれば、マスク制御回路８８は、インバータ６０に供給されるゲート信号が切り換えられた後の回転角をδとして検知することができる。
【００６６】
次に、回転角δがマスク期間θ以下であるかが判別される（ステップ１２６）。
δ≦θが成立すると判別された場合は、今回の処理サイクルは、マスク期間中に実行されたものであると判断できる。この場合、マスク回路８４は、所定電圧Vxを、電動機２４の端子電圧としてセンサレスコントロールIC８６に供給する（ステップ１２８）。
一方、δ≦θが成立しないと判別された場合、つまり、マスク期間θが既に終了していると判別された場合は、電動機２４の各相コイルの端子電圧Vm（Ｕ電圧、Ｖ電圧、またはＷ電圧）が、そのままセンサレスコントロールIC８６に供給される（ステップ１３０）。
【００６７】
以上説明した通り、マスク制御回路８８は、図７に示す手順で処理を実行することにより、ゲート信号が切り換えられた後、マスク期間θが終了するまでの間は、電動機２４の各相コイルの端子電圧（Ｕ電圧、Ｖ電圧、またはＷ電圧）に代えて、所定電圧VxをセンサレスコントロールIC８６に供給し、マスク期間θが終了した後は、各相コイルの端子電圧をそのままセンサレスコントロールIC８６に供給することができる。このため、センサレスコントロールIC８６は、上記図６に示すルーチンに沿った処理を行うことにより、各相コイルに生ずる逆起電力が中性点電位より低くなる期間と、その逆の関係が成立する期間とが等しくなるタイミングにおいて、適切にゲート信号を切り換え（図４（Ｃ）参照）、電動機２４を効率的に駆動することができる。
【００６８】
図８は、マスク制御回路８８が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを更新（演算）するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。図８に示す通り、マスク制御回路８８では、先ず、VCO信号の立ち上がりが監視される（ステップ１４０）。
【００６９】
VCO信号の立ち上がりが検知されない場合は、マスク期間θおよび所定電圧Vxの更新時期が未だ到来していないと判断される。この場合、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、VCO信号の立ち上がりが検知されると、それらの更新時期が到来したと判断され、以後、ステップ１４２以降の処理が実行される。尚、図８に示す手順は、VCO信号が立ち上がる毎に、つまり、ゲート信号が切り換えられる毎にマスク期間θおよび所定電圧Vxを更新することを前提として、その更新時期が到来したか否かを判断するためにVCO信号の立ち上がりを監視している。しかし、マスク期間θおよび所定電圧Vxの更新時期は、このタイミングに限定されるものではなく、従って、上記ステップ１４０において監視されるべきは、VCO信号の立ち上がりに限定されるものではない。つまり、上記ステップ１４０では、マスク期間θおよび所定電圧Vxの定期的な更新を可能とすべく、定期的に切り替わる何らかの事項を監視していればよい。
【００７０】
図８に示す手順によれば、VCO信号の立ち上がりが検知された後、電源電圧Vb、電動機２４の回転数Ｎ、および電動機電流Ｉが順次検出される（ステップ１４２，１４４，１４６）。
【００７１】
次いで、電動機２４の回転数Ｎと逆起電圧のピーク電圧Vpとの関係を定めたマップを参照して、現在の回転数Ｎに対応するピーク電圧Vpが求められる（ステップ１４８）。
【００７２】
更に、電動機電流Ｉおよび回転数Ｎと、マスク期間θとの関係を定めたマップを参照して、現在の電流Ｉおよび回転数Ｎに対応するマスク期間θが演算される（ステップ１５０）。
【００７３】
そして、マスク制御回路８８は、上記の如く検出または演算した電源電圧Vb、ピーク電圧Vp、およびマスク期間θに基づいて、上記（１）式乃至（３）式、或いは、上記（１）式、（４）式および（５）式に従って、所定電圧Vxを算出する（ステップ１５２，１５４，１５６）。
【００７４】
以上説明した通り、図８に示す手順によれば、VCO信号が立ち上がる毎に、マスク期間θ、および所定電圧Vxをその時点の状況に応じた最適な値に更新することができる。マスク制御回路８８は、このようにして適宜更新されるマスク期間θおよび所定電圧Vxの最新値を用いて上記図７に示す処理を実行する。このため、本実施形態のシステムによれば、電動機２４が如何なる状態で運転しているかに関わらず、常に最適なタイミングでゲート信号を切り換えることができ、電動機２４を常に優れた効率で駆動することができる。
【００７５】
ところで、上述した実施の形態１においては、電動機２４の各相コイルに発生する逆起電圧を正弦波のまま扱い、接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０がオンからオフに切り替わった直後と、電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８がオンからオフに切り替わった直後とで、所定電圧Vxの演算式を異ならしめることとしている。しかしながら、所定電圧Vxの演算手法は、これに限定されるものではない。すなわち、マスク制御回路８８の内部において、Vb／２を上限または下限として各相コイルの端子電圧を折り返し（整流し）、所定電圧Vxを、常に上記（１）式〜（３）式、或いは、常に上記（１）式、（４）式および（５）式に基づいて演算することとしてもよい。
【００７６】
また、上述した実施の形態１では、端子電圧積分値ΣVmと中性点電位積分値ΣVcとをそれぞれ算出し、それら両者が一致した時点でVCOを立ち上げることとしているが、VCOの立ち上げタイミングを決める手法はこれに限定されるものではない。すなわち、VCOの立ち上げタイミングは、電動機２４の各相コイルの端子電圧と中性点電位との差分の積算値を演算すると共に、その積算値の正負に基づいて、より具体的には、その積算値がゼロとなる時点に決定してもよい。
【００７７】
尚、上述した実施の形態１においては、インバータ６０が前記第１の発明における「通電制御手段」に相当していると共に、センサレスコントロールICが上記ステップ１０６においてΣVmおよびΣVcを算出することにより前記第１の発明における「逆起電圧積分手段」および「中性点電位積分手段」が、上記ステップ１１０および１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「スイッチング素子制御手段」が実現されている。また、マスク制御回路８８が、各相コイルの端子電圧（Ｕ電圧、Ｖ電圧、Ｗ電圧）を検出することにより前記第１の発明における「端子電圧検出手段」が、上記ステップ１２６〜１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「補正手段」が実現されている。
【００７８】、
また、上述した実施の形態１においては、所定電圧Vxが前記第３の発明における「逆起電圧相当値」に相当していると共に、マスク制御回路８８が、上記ステップ１２８の処理を実行することにより前記第３の発明における「疑似電圧発生手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、マスク制御回路８８が、上記ステップ１５０の処理を実行することにより、前記第４の発明における「マスク期間設定手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、マスク制御回路８８が、上記ステップ１４４の処理を実行することにより、前記第５または６の発明における「回転数検出手段」が実現されている。
【００７９】
実施の形態２．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムにおいて、マスク制御回路８８に、上記図８に示す手順に代えて、図９に示す手順で所定電圧Vxを設定させることにより実現することができる。
【００８０】
図９は、本実施形態において、マスク制御回路８８が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを設定するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。図９に示すフローチャートは、ステップ１５６に続いてステップ１６０および１６２の処理が実行される点を除き、図８に示すフローチャートと同様である。
【００８１】
すなわち、本実施形態にいおいて、マスク制御回路８８は、先ず、実施の形態１の場合と同様の手順でマスク回路θを設定し、かつ、所定電圧Vxを算出する（ステップ１４０〜１５６）。
これらの処理が終了すると、マスク制御回路８８は、次に、電動機電流Ｉおよび電動機回転数Ｎに基づき、進角補正係数Ｋを算出する（ステップ１６０）。
そして、上記ステップ１５６において算出された所定電圧Vxに進角補正係数Ｋを掛け合わせた値が、最終的な所定電圧Vxとして設定される（ステップ１６２）。
【００８２】
上述した進角補正係数Ｋは、電動機電流Ｉが大きいほど、また、電動機回転数Ｎが大きいほど小さな値に設定される（標準値は１．０）。このため、図９に示す手順によれば、電動機２４が大きなトルクを要求するほど、所定電圧Vxは、上記ステップ１５６において算出される値（以下、「標準値」と称す）より小さな値となる。
【００８３】
センサレスコントロールIC８６は、マスク期間θ中の所定電圧Vxの積分値と、マスク期間θ後の端子電圧の積分値との和（ΣVm）が、中性点電位の積分値（ΣVc）と等しくなった時点でゲート信号の切り換えを行う。前者（ΣVm）と後者（ΣVc）は、所定電圧Vxが小さいほど（つまり、Vmが小さいほど）、積分が開始された後短期間で一致する。このため、図９に示す手順によれば、電動機２４が大きなトルクを要求するほど、ゲート信号の切り換え時期が進角側にシフトする。
【００８４】
電動機２４において大きなトルクを確保するうえでは、ゲート信号の切り換え時期を適度に進角側にシフトすることが有効であることは広く知られている。本実施形態の装置によれば、電動機回転数Ｎの上昇、および電動機電流Ｉの情報に応じて、そのような有効な進角制御を適宜実現することができる。このため、本実施形態の装置によれば、高負荷領域において、実施の形態１の装置に比して更に効率的に電動機２４を駆動することが可能である。
【００８５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１または第２の発明によれば、電動機の中性点電位の積分値と、無通電のコイルに生ずる逆起電圧の積分値とが等しくなった時点でスイッチング素子の状態を切り換えることにより、電動機を効率的に駆動することができる。そして、無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、そのコイルの端子電圧に補正を施すことができるため、還流電流の影響を受けることなくコイルに発生する逆起電力を常に正しく検知することができる。
【００８６】
第３の発明によれば、無通電中のコイルの端子電圧を逆起電圧相当値に置き換えることにより、還流電流の流通中における逆起電圧が、現実の値から大きく外れた値として検知されるのを確実に防ぐことができる。
【００８７】
第４の発明によれば、適正なマスク期間を設定して、その期間中はコイルの端子電圧を逆起電力相当値に置き換えることにより、還流電流の流通に伴うコイルの端子電圧の影響を適切に排除することができる。
【００８８】
第５の発明によれば、電動機の回転数に基づいてマスク期間を設定することができる。コイルに還流電流が流通する時間は、電動機の回転角により影響される。このため、マスク期間を回転数に基づいて設定すると、還流電流の消滅に要する期間に対応する適正なマスク期間を設定することができる。
【００８９】
第６の発明によれば、電動機の回転数に基づいて逆起電圧相当値を設定することができる。コイルに生ずる逆起電力は、電動機の回転数により決定される。このため、逆起電力相当値を回転数に基づいて設定することによれば、逆起電力相当値を現実の逆起電力に近い値に設定することができる。
【００９０】
第７の発明によれば、電動機の回転数が高いほど、スイッチング素子の状態が切り換えられる時期を進角側にシフトさせることができる。このため、本発明によれば、高回転領域において、電動機を効率的に駆動することができる。
【００９１】
第８の発明によれば、内燃機関のターボチャージャを電動駆動する電動機を効率的に駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】 本発明の実施の形態１のシステムが、電動機を駆動するために備えている構成を説明するためのブロック図である。
【図３】 図２に示すセンサレスコントロールICの基本動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】 図４（Ａ）は、ゲート信号の理想的な切り換え動作を説明するための波形である。
図４（Ｂ）は、各相コイルの端子電圧をセンサレスコントロールICに直接供給した場合に実現される動作を説明するための波形である。
図４（Ｃ）は、実施形態１のシステムにより実現される動作を説明するための波形である。
【図５】 所定電圧Vxの設定手法を説明するための波形を示す。
【図６】 実施形態１のシステムにおいて、センサレスコントロールICが実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】 実施形態１のシステムにおいて、マスク制御回路が、センサレスコントロールICに適正な電圧信号を供給するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】 実施形態１のシステムにおいて、マスク制御回路が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを更新（演算）するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図９】 実施形態２のシステムにおいて、マスク制御回路が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを更新（演算）するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ ターボチャージャユニット
１８ タービン
２０ コンプレッサ
２２ 回転軸
２４ 電動機
５０ ECU(Electronic Control Unit)
５２ コントローラ
５４ バッテリ
６０ インバータ
６２，６４，７０，７２，７８，８０ スイッチング素子
８６ センサレスコントロールIC
８８ マスク制御回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の回転駆動制御装置に係り、特に、同期電動機をセンサレスで効率よく駆動するうえで好適な電動機の回転駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、同期電動機をセンサレスで駆動する装置としては、例えば、米国特許第４，９２８，０４３号公報に開示される装置が知られている。この装置は、電動機が有する３つのコイルのそれぞれに対応する３組のスイッチング素子対と、個々のスイッチング素子に併設された６つの還流ダイオードとを含むインバータ回路を備えている。インバータ回路は、いわゆる１２０度通電の手法で制御されるため、電動機が有する３つのコイルは、それぞれ、１２０度通電される毎に６０度無通電状態とされる。
【０００３】
コイルが無通電状態とされる６０度の間は、そのコイルに逆起電圧が発生する。そして、その逆起電圧は、コイルが無通電状態とされた後、電動機の中性点電位より低い（または高い）値から、その中性点電位より高い（または低い）値に変化する。ここで、１２０度通電の手法で電動機を駆動する場合、優れた駆動効率を得るために、コイルに生ずる逆起電力が、そのコイルが無通電状態とされる６０度のほぼ中央で上記の中性点電位と一致することが望ましい。換言すると、１２０度通電の手法で電動機を駆動する場合、無通電状態のコイルに生ずる逆起電力が電動機の中性点電位より低くなる期間と、その逆起電力が中性点電位より高くなる期間とがほぼ均衡するようにインバータを制御することが、高い駆動効率を得る上で有効である。
【０００４】
従来の装置は、上記の要求に応えるべく、コイルが無通電状態になった後、コイルの端子に生ずる逆起電圧と、３相コイルの電圧から得られた中性点電位との差分より得られる誤差の積分値に基づいて、そのコイルの無通電状態を解除すべくインバータの状態を変化させる。より具体的には、従来の装置は、通常は逆起電圧と中性点電位との差分の積分値がゼロとなる時点でコイルの無通電状態を解除すべくインバータの状態を変化させる。また、この装置は、駆動パルスの基準となるVCO信号の周波数を上昇或いは下降させることにより、目標回転数との差異を縮小するための通電時間制御を併せて行っている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許４，９２８，０４３号公報
【特許文献２】
特開２００２−９５２８３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の装置において、インバータに内蔵される個々のスイッチング素子がオン状態からオフ状態に変化した直後には、そのスイッチング素子に併設されている還流ダイオードを通って還流電流が流通する。具体的には、電動機のＵ相を通過した電流を接地電位線に流通させるためのスイッチング素子がオンからオフに変化した直後は、Ｕ相コイルに蓄えられているエネルギが消費されるまでの間、Ｕ相コイルには還流電流が流通し続ける。
【０００７】
この還流電流は、インバータの内部において、Ｕ相コイルから電源電位線に向かう電流の流れを許容する還流ダイオードを通って流通する。そして、その電流が流通している間は、Ｕ相コイルの端子電圧が電源電位にまで上昇し、還流電流が消滅して初めて、Ｕ相コイルの端子電圧は、本来の電位、つまり、逆起電圧に起因する電位となる。
【０００８】
このように、上述した従来の装置において、無通電状態のコイルの端子電位は、必ずしも常にそのコイルに発生する逆起電圧の大きさと一致しない。このため、コイルの端子電圧と中性点電位との差分の積分値に基づいて、そのコイルを無通電状態から通電状態に変化させたのでは、電動機を効率良く駆動するうえでの理想的なタイミングでインバータを動作させることはできない。この点、従来の装置は、電動機を効率的に駆動するうえで、未だ改良の余地を残すものであった。
【０００９】
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであり、無通電状態のコイルを通電状態に変化させるタイミングを、電動機を効率的に駆動するうえでの理想的なタイミングに設定することのできる電動機の回転駆動制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、電動機の回転駆動制御装置であって、
電動機のコイルの通電状態を切り換えるスイッチング素子と当該スイッチング素子に併設される還流ダイオードとを含む通電制御手段と、
無通電状態のコイルに生ずる逆起電圧の積分値を求める逆起電圧積分手段と、
前記コイルが無通電状態となった後の電動機の中性点電位の積分値を求める中性点電位積分手段と、
前記逆起電圧の積分値と前記中性点電位の積分値とが一致した時点で、無通電状態の前記コイルが通電状態となるように、前記スイッチング素子の状態を切り換えるスイッチング素子制御手段とを備え、
前記逆起電圧積分手段は、
無通電状態のコイルの端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、当該還流電流の影響が排除されるように前記端子電圧に補正を施す補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、電動機の回転駆動制御装置であって、
電動機のコイルの通電状態を切り換えるスイッチング素子と当該スイッチング素子に併設される還流ダイオードとを含む通電制御手段と、
無通電状態のコイルに生ずる逆起電圧と、前記コイルが無通電状態となった後の電動機の中性点電位との差分の積分値を求める差分電位積分手段と、
前記差分の積分値の正負判断に基づいて、無通電状態の前記コイルを通電状態とするための前記スイッチング素子の状態切り換えを行うスイッチング素子制御手段とを備え、
前記差分電位積分手段は、
無通電状態のコイルの端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、当該還流電流の影響が排除されるように前記端子電圧に補正を施す補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記補正手段は、無通電中のコイルの端子電圧を、所定の逆起電圧相当値に置き換える疑似電圧発生手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記補正手段は、電動機のコイルが無通電状態に維持されるべき期間より短く、かつ、無通電中のコイルに還流電流が流通する期間以上のマスク期間を設定するマスク期間設定手段を備え、
前記疑似電圧発生手段は、電動機のコイルが無通電状態となった後、前記マスク期間が経過するまでの間、当該コイルの端子電圧を前記逆起電力相当値に置き換えることを特徴とする。
【００１４】
また、第５の発明は、第４の発明において、
電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記マスク期間設定手段は、前記回転数に基づいて前記マスク期間を設定することを特徴とする。
【００１５】
また、第６の発明は、第３乃至第５の発明の何れかにおいて、
電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記疑似電圧発生手段は、前記回転数に基づいて前記逆起電圧相当値を設定することを特徴とする。
【００１６】
また、第７の発明は、第６の発明において、前記疑似電圧発生手段は、前記回転数に基づいて、当該回転数が高いほど、前記スイッチング素子の状態が切り換えられる時期が進角されるように前記逆起電圧相当値を設定することを特徴とする。
【００１７】
また、第８の発明は、第１乃至第７の発明において、前記電動機は、内燃機関のターボチャージャを電動駆動するためのものであることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２と排気通路１４の間には、ターボチャージャユニット１６が配置されている。
【００２０】
ターボチャージャユニット１６は、排気通路１４側に位置するタービン１８と、吸気通路１２側に位置するコンプレッサ２０とを備えている。更に、タービン１８とコンプレッサ２０との間には、それらと回転軸２２を共通にする電動機２４が配置されている。ターボチャージャ１６は、排気エネルギによりタービン１８を回転させることにより、或いは、電動機２４により回転軸２２を回転させることにより、コンプレッサ２０を駆動することができる。コンプレッサ２０は、このようにして駆動されることにより、その下流に高い過給圧を発生させることができる。
【００２１】
吸気通路１２には、コンプレッサ２０の上流と下流とを連通するバイパス通路２６が設けられている。バイパス通路２６には、過給圧が過剰になった場合に開弁するバイパス弁２８が設けられている。また、コンプレッサ２０の下流には、インタークーラ３０、およびスロットルバルブ３２が配置されている。スロットルバルブ３２は、アクセル開度などに基づいてスロットルモータ３４により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ３２の近傍には、スロットル開度を検出するためのスロットルポジションセンサ３６、およびアクセル開度を検出するためのアクセルポジションセンサ３８が配置されている。
【００２２】
排気通路１４には、タービン１８の上流においてEGR(Exhaust Gas Recirculation) 通路４０が連通している。EGR通路４０は、排気ガスの一部を吸気系に還流させるための通路であり、EGRバルブ４２を介して吸気通路１２に連通している。また、排気通路１４には、タービン１８の下流に触媒４４が配置されている。内燃機関１０から排出された排気ガスは、タービン１８を通過した後、触媒４４において浄化された後、大気に放出される。
【００２３】
本実施形態のシステムは、システム全体を制御するためのECU５０、電動機２４の状態制御するためのコントローラ５２、およびシステムの作動に必要な電力を供給するバッテリ５４を備えている。本実施形態のシステムは、電動機２４の制御に関する部分に特徴を有しているため、以下、その特徴を説明するうえで必要な範囲で、ECU５０やコントローラ５２の内容を説明する。
【００２４】
図２は、本実施形態のシステムが電動機２４を駆動するために備えている構成の内容を説明するためのブロック図である。本実施形態において、電動機２４は、永久磁石式の同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の３つのコイルを有している。
【００２５】
図２に示す構成は、インバータ６０を備えている。インバータ６０の内部には、電動機２４のＵ相コイルに対応するスイッチング素子対６２，６４、および還流ダイオード対６６，６８が設けられている。また、その内部には、Ｖ相コイルに対応するスイッチング素子対７０，７２、および還流ダイオード対７４，７６、並びに、Ｗ相コイルに対応するスイッチング素子対７８，８０、および還流ダイオード対８２，８４が設けられている。
【００２６】
インバータ６０にはバッテリ５４が接続されており、上述した３つのスイッチング素子対、および３つの還流ダイオード対の両側には、電源電圧が印加されている。インバータ６０によれば、内蔵するスイッチング素子を適当にオン・オフさせることにより、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルに、順次適当な磁界を発生させて電動機２４を適当に同期運転させることができる。
【００２７】
図２に示すシステムは、センサレスコントロールIC８６と、マスク制御回路８８を備えている。これらは、何れも図１に示すコントローラ５２に含まれる要素である。マスク制御回路８８は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせにより、或いは、ソフトウェアを利用せず、ハードウェアのみで構成された回路であり、電動機２４の各相コイルの端子電圧を検出し、それらの端子電圧を、直接、或いは、必要な場合には補正して、センサレスコントロールIC８６に供給する機能を有している。以下、電動機２４のＵ相コイル、Ｖ相コイル、およびＷ相コイルに生ずる端子電圧を、それぞれ「Ｕ電圧」、「Ｖ電圧」、および「Ｗ相電圧」と称す。
【００２８】
センサレスコントロールIC８６は、Ｕ相コイルに対応する電圧を受けるためのＵ端子、Ｖ相コイルに対応する電圧を受けるためのＶ端子、およびＷ相コイルに対応する電圧を受けるためのＷ端子を備えている。また、センサレスコントロールIC８６は、それらの端子に供給される電圧に基づいて電動機２４のロータ位置を検出し、その検出位置に基づいて、インバータ６０に内蔵される６つのスイッチング素子のそれぞれに適当なゲート信号を供給する機能を有している。更に、センサレスコントロールIC８６は、電動機２４のロータ位置が検出された後に、電動機２４の回転速度に応じた周期で変動するVCO信号を発する機能を有している。
【００２９】
センサレスコントロールIC８６は、ターボチャージャユニット１６の電力アシストが必要となると、図１に示すECU５０により起動が要求される。そして、センサレスコントロールICは、その起動が要求された後、定常状態では、図３に示すようなタイミングチャートに則って電動機２４の回転を制御する。
【００３０】
図３は、定常状態におけるセンサレスコントロールIC８６の動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、センサレスコントロールIC８６により生成されるVCO信号の波形である。図３に示す♯１〜♯６の領域は、それぞれ６０度のロータ回転角に対応している。従って、VCO信号は、ロータが６０度回転する毎に一周期の変化を示す信号である。
【００３１】
図３（Ｂ）〜図３（Ｇ）は、インバータ６０に内蔵される６つのスイッチング素子に対して供給されるゲート信号波形を示す。尚、これらの図に示すＵ１、Ｖ１、Ｗ１は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８を意味しており、一方、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０を意味している。
【００３２】
図３（Ｂ）〜図３（Ｇ）に示すように、本実施形態では、電動機２４の各相コイルに対応するスイッチング素子が、１サイクルの過程で１２０度相当期間だけオン状態とされるいわゆる１２０度通電の駆動方式が用いられている。このため、本実施形態のシステムでは、１サイクルの過程中に、各相コイルに対応する２つのスイッチング素子が何れもオフ状態となる期間、つまり、各相コイルが無通電状態となる期間が２回づつ（各回の無通電期間は６０度相当期間）確保されている。具体的には、Ｕ相コイルは、♯３，♯６の期間において無通電状態となる。Ｖ相コイルは、♯２，♯５の期間において無通電状態となる。また、Ｗ相コイルは、♯１，♯４の期間において無通電状態となる。
【００３３】
図３（Ｈ）〜図３（Ｊ）は、センサレスコントロールIC８６が、Ｕ端子、Ｖ端子、およびＷ端子に供給される電圧をサンプリングするタイミングを示す。これらの図が示すように、センサレスコントロールIC８６は、各相コイルに対応する電圧を、そのコイルが無通電状態となる期間、つまり、そのコイルに逆起電圧が発生する期間においてサンプリングする。センサレスコントロールIC８６は、それらのサンプリング期間において検出された電圧に基づき、電動機の回転位置を判断して、電動機２４が同期運転を継続するようにゲート信号の切り換えを行う。
【００３４】
図４は、センサレスコントロールIC８６が、特定相のコイルに対応する電圧に基づいてゲート信号を切り換える手法を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）は、理想的な切り換え動作を説明するための波形を示す。図４（Ｂ）は、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧を直接センサレスコントロールIC８６に供給した場合に実現される動作を説明するための波形を示す。また、図４（Ｃ）は、本実施形態のシステムにより実現される動作を説明するための波形を示す。
【００３５】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）において、破線または実線で示された正弦波は、特定の相のコイルに発生する逆起電力のイメージを示す。また、各図において、その正弦波の山および谷と重なるように描かれた実線の矩形波は、インバータ６０内のスイッチング素子がオンとなることによりそのコイルに印加される電圧の波形である。コイルが無通電状態となる６０度の期間中に、そのコイルの端子電圧が逆起電圧と一致するとすれば、そのコイルの端子電圧は、図４（Ａ）に実線で示すように、１２０度相当の期間だけ維持される印加電圧と、６０度相当の期間だけ表れる正弦波との組み合わせで構成されることになる。
【００３６】
１２０度通電の手法で電動機２４を効率良く駆動するためには、各相コイルに発生する逆起電力の正弦波の山と谷が、スイッチング素子がオンとされる１２０度相当の期間と同期していることが望ましい。つまり、電動機２４を効率良く駆動するためには、各相コイルが無通電状態となる６０度相当の期間中、そのコイルの端子電圧（逆起電圧）が電動機２４の中性点電位より低い期間（T1）と、その端子電圧（逆起電圧）が電動機２４の中性点電位より高い期間（T2）とが等しくなることが望ましい。換言すると、コイルの端子電圧と中性点電位との差を期間T1に渡って積分した値（面積S1に相当）と、その差を期間T2に渡って積分した値（面積S2に相当）とが等しくなるようにスイッチング素子の状態が切り換えられることが望ましい。
【００３７】
図４（Ａ）において、コイルが無通電状態となる６０度相当の期間中、コイルの端子電圧（逆起電圧）の積分値と、電動機２４の中性点電位の積分値とは、上記の面積S1とS2が等しくなる時点で、つまり、期間T1とT2が等しくなる時点で一致する。従って、無通電中のコイルの端子電圧が逆起電力と一致した変化を示すとすれば、その積分値と中性点電位の積分値が一致した時点でスイッチング素子の状態を切り換えることにより、電動機２４を効率よく駆動することが可能である。
【００３８】
センサレスコントロールIC８６は、無通電状態のコイルに対応する端子（Ｕ端子、Ｖ端子、またはＷ端子）に供給される電圧の積分値と、電動機２４の中性点電位の積分値とが一致した時点で、そのコイルが再び通電状態となるようにゲート信号の切り換えタイミングを制御する機能を有している。従って、コイルが無通電状態となる期間中に、そのコイルの端子電圧が図４（Ａ）に示すように逆起電圧と一致しているとすれば、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧をＵ端子、Ｖ端子、およびＷ端子に直接供給することで、電動機２４を効率的に駆動することが可能である。
【００３９】
しかしながら、本実施形態のシステムにおいて、コイルの端子電圧は、現実には、図４（Ａ）に示すような変化を示さず、図４（Ｂ）中に実線で示すような変化を示す。以下、便宜上図４（Ｂ）に示す波形は、Ｕ相コイルに対応するものであるとする。この場合、時刻t1−t2における印加電圧（接地電位）は、Ｕ相コイルに対応する接地電位側スイッチング素子６４がオンとなることで実現される。この間、Ｕ相コイルには、インバータ６０に向かって流出する方向の電流Ｉが流通している。
【００４０】
時刻t2においてスイッチング素子６４がオフとされた後も、Ｕ相コイルに蓄えられているエネルギ（Ｌ・Ｉ２／２、但しＬはＵ相コイルのインダクタンス）が消滅するまでは、その電流ＩはＵ相コイルを流れ続けようとする。この電流Ｉは、還流ダイオード６６を通ってのみ流通することができる。そして、還流ダイオード６６のカソードには電源電圧が印加されているため、電流Ｉがそこを流れる間は、還流ダイオード６６のアノード電位、つまり、Ｕ相コイルの端子電位は電源電圧にまで上昇する。このため、図４（Ｂ）に示すように、Ｕ相コイルの端子電圧は、現実には、スイッチング素子６４がオフとされた時刻t2の後、電流Ｉの還流が終了する時刻t3までの間、電源電圧となり、その後逆起電圧に一致するという変化を示す。
【００４１】
図４（Ｂ）に示す面積S3は、Ｕ相コイルの端子電圧と中性点電位との差を、電流Ｉの還流期間にわたって積分した値に相当している。センサレスコントロールIC８６のＵ端子、Ｖ端子およびＷ端子に、各相コイルの端子電圧、つまり、Ｕ電圧、Ｖ電圧およびＷ電圧が直接供給されるとすれば、Ｕ相コイルの電源電位側スイッチング素子６２は、面積S3と面積S2との和が面積S1と等しくなった時点でオンされることになる。この場合、面積S3が大きくなるに連れて、スイッチング素子６２がオンとされるタイミングが不当に進角される事態が生ずる。このため、センサレスコントロールIC８６に対して、電動機２４のＵ電圧、Ｖ電圧およびＷ電圧を直接供給したのでは、特に、還流電流Ｉが大きい運転状況下において、電動機２４の駆動効率が低下しやすい。
【００４２】
図４（Ｃ）は、コイルが無通電状態とされる時刻t2の後、所定のマスク期間θの間、コイルの端子電圧を所定電圧Vxに置き換えた波形を示している。ここで、上記のマスク期間θは、無通電状態となったコイルに還流電流Ｉが流れる期間以上であり、６０度相当期間より短い適当な期間である。また、所定電圧Vxは、マスク期間にわたるその値Vxの積分値が、その期間中における逆起電圧の積分値と等しくなるように設定された値である。尚、マスク期間θおよび所定電圧Vxを設定する手法については、後に詳細に説明する。
【００４３】
本実施形態のシステムにおいて、マスク制御回路８８は、上記のマスク期間の間だけ、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧を、それぞれ所定電圧Vxに補正してセンサレスコントロールIC８６に供給する。この場合、センサレスコントロールIC８６は、マスク期間にわたる所定電圧Vxの積分値と、その後の端子電圧（逆起電圧）の積分値との和が、中性点電位の積分値と等しくなった時点で無通電状態のコイルを通電状態とすべくスイッチング素子の状態を切り換える。そして、マスク期間にわたる所定電圧Vxの積分値は、その期間中における逆起電圧の積分値に等しいため、上記の処理によれば、逆起電圧が中性点電位より低くなる期間T1と、その逆の関係が成立する期間T2とが等しくなることを常に保証することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、還流電流Ｉの発生に影響されることなく、電動機２４を常に効率よく駆動することができる。
【００４４】
図５は、所定電圧Vxの設定手法を説明するための波形を示す。図５に示す正弦波、および矩形波は、上記図４（Ａ）に示す場合と同様に、各相コイルに表れる逆起電圧のイメージ波形、およびスイッチング素子がオンとなることで発生するコイルに対する印加電圧波形を示している。また、図５に示す横軸は、１目盛りが６０度に相当している。更に、図５に示す電圧V0およびVθは、それぞれ、コイルが無通電状態となった時点での逆起電圧の値、およびマスク期間θが終了した時点での逆起電圧の値を示している。
【００４５】
所定電圧Vxは、マスク期間θにわたる積分値が、マスク期間θにわたる逆起電圧の積分値と等しくなるように設定されるべき値である。そして、その値Vxは、マスク期間θにおいて逆起電圧が線形に変化すると見なせるとすれば、次式により近似的に求めることができる。
Vx＝（V0＋Vθ）／２ ・・・（１）
【００４６】
図５に示す逆起電圧は、電源電圧Vbの１／２の値、つまり、Vb／２を中心とする正弦波であると考えられる。そして、コイルが無通電状態となる６０度の期間中、逆起電力がその中心電圧Vb／２より低い期間と、その逆の関係が成立する期間とが等しいとすれば、すなわち、双方の期間がそれぞれ３０度づつであるとすれば、図５に示すV0と中心電圧Vb／２との差は（Vp−Vb／２）・sin３０°であり、また、図５に示すVθと中心電圧Vb／２との差は（Vp−Vb／２）・sin（３０−θ）である。但し、Vpは正弦波のピーク電圧である。
【００４７】
従って、図５に示すV0およびVθは、電源電圧Vb、逆起電圧のピーク電圧Vp、およびマスク期間θを用いて、それぞれ次式のように表すことができる。
V0 ＝Vb／２−（Vp−Vb／２）・sin３０° ・・・（２）
Vθ＝Vb／２−（Vp−Vb／２）・sin（３０−θ） ・・・（３）
【００４８】
電源電圧Vbは、容易に検知することができる。また、逆起電圧のピーク電圧Vpは、電動機２４の回転数に対してほぼ一義的に決まる値である。このため、その値Vpは、予めマップ等を準備しておくことにより、電動機２４の回転数に基づいて検知することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、マスク期間θが定まれば、上記（１）式〜（３）式に従って、図５に示すV0およびVθに対応する所定電圧Vxを精度良く設定することが可能である。
【００４９】
ところで、本実施形態のシステムでは、各相コイルに対応する接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０がオフ状態に切り替わった直後に電流Ｉの還流が生ずると共に、各相コイルに対応する電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８がオフ状態に切り替わった直後にも電流Ｉの還流が生ずる。従って、マスク期間θは、各相コイルについて、１サイクルの間に上記２つの場面において設ける必要がある。
【００５０】
図５に示すマスク期間θは、接地電位側のスイッチング素子がオフ状態に切り替わった直後に設定されるマスク期間である。このような場面では、コイルに発生する逆起電圧は、Vb／２（電源電圧Vbの半分）より小さな値となる。このため、このような場面では、上記（２）式および（３）式により、V0およびVθを精度良く算出することができる。
【００５１】
これに対して、マスク期間θを設定すべきもう一つの場面、つまり、電源電位側のスイッチング素子がオンからオフに切り替わった直後の場面では、各相コイルに発生する逆起電圧がVb／２より高い値となる。従って、この期間のV0およびVθは、上記（２）式および（３）式では得ることができず、それぞれ以下の演算式により算出することが必要である。
V0 ＝Vb／２＋（Vp−Vb／２）・sin３０° ・・・（４）
Vθ＝Vb／２＋（Vp−Vb／２）・sin（３０−θ） ・・・（５）
【００５２】
本実施形態において、マスク制御回路８８は、各相コイルに対応する接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０がオンからオフに切り替わった直後のマスク期間θにおいては、上記（１）〜（３）式の関係に従って所定電圧Vxを算出する。一方、各相コイルに対応する電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８がオンからオフに切り替わった直後のマスク期間θにおいては、上記（１）式、（４）式および（５）式の関係に従って所定電圧Vxを算出する。このため、マスク制御回路８８によれば、何れの場面においても、各相コイルに発生する逆起電圧に対応する所定電圧Vxを精度良く設定することができる。
【００５３】
上述したマスク期間θ（単位は角度）は、電流Ｉの還流期間（単位は角度）以上であり、かつ、コイルを無通電状態に維持すべき６０度より短い期間（角度）に設定することが必要である。電流Ｉの還流期間は、消滅すべきエネルギ（Ｌ・Ｉ２／２）が大きいほど長期間となり、また、電動機２４の回転数が高いほど大きな値となる。従って、その還流期間は、電動機２４を流れる電流Ｉと、電動機２４の回転数とにより求めることができる。
【００５４】
本実施形態において、マスク制御回路回路８８は、電動機２４を流れる電流Ｉと電動機２４の回転数との関係で、その電流Ｉの還流期間より僅かに長いマスク期間θを定めたマップを記憶している。このため、マスク制御回路８８は、電動機電流および電動機回転数に基づいて、還流期間以上の適正なマスク期間θを設定することができる。
【００５５】
図６は、本実施形態のシステムにおいて、センサレスコントロールIC８６が実行する処理の手順を説明するためのフローチャートを示す。
図６に示すように、センサレスコントロールIC８６は、起動要求が生じたか否かを監視している（ステップ１００）。
【００５６】
ターボチャージャユニット１６の電動アシストが要求され、センサレスコントロールIC８６の起動が要求されると、上記ステップ１００の条件が成立したと判断される。この場合、次に、VCO信号の立ち上げ動作が行われる（ステップ１０２）。
図３に示す通り、センサレスコントロールIC８６は、VCO信号の立ち上がりを受けてゲート信号等の切り換え動作を行う。従って、本ステップ１０２の処理が実行されると、VCO信号の立ち上がりを受けて、センサレスコントロールIC８６の内部において、ゲート信号の切り換え処理等が実行される。
【００５７】
次に、端子電圧積分値ΣVm、および中性点電位積分値ΣVcがクリアされる（ステップ１０４）。
端子電圧積分値ΣVmは、Ｕ端子、Ｖ端子、或いはＷ端子から入力される電圧、つまり、マスク制御回路８８を介して供給される電動機２４の各相コイルの端子電圧、またはその補正値（所定電圧Vx）を積分した値である。一方、中性点電位積分値ΣVcは、電動機２４の中性点電位Vcを積分した値である。尚、本実施形態において、センサレスコントロールIC８６は、Ｕ電圧、Ｖ電圧、およびＷ電圧の平均値（Ｕ電圧＋Ｖ電圧＋Ｗ電圧）／３を、中性点電位Vcとしている。
【００５８】
図６に示すルーチンでは、次に、端子電圧積分値ΣVm、および中性点電位積分値ΣVcが演算される（ステップ１０６）。
上記の処理によれば、VCO信号が立ち上がる毎に、つまり、ゲート信号の切り換えが行われる毎に、端子電圧積分値ΣVm、および中性点電位積分値ΣVcがクリアされ、その後新たにそれらの積分を開始することができる。
【００５９】
センサレスコントロールIC８６は、次に、起動要求が消滅していないかを判別する（ステップ１０８）。
【００６０】
その結果、起動要求が既に消滅していると判別された場合は、速やかに今回のルーチンが終了される。一方、未だ起動要求が消滅していないと判別された場合は、次に、端子電圧積分値ΣVmと、中性点電位積分値ΣVcとが等しいか否かが判別される（ステップ１１０）。
【００６１】
端子電圧積分値ΣVmと中性点電位積分値ΣVcとが未だ等しくないと判別された場合は、ゲート信号を切り換えるタイミング、つまり、無通電状態のコイルを通電状態に切り換えるタイミングが未だ到来していないと判断される。そして、この場合は、再び上記ステップ１０６以降の処理が繰り返される。一方、端子電圧積分値ΣVmと中性点電位積分値ΣVcとが一致していると判別された場合は、ゲート信号を切り換えるタイミングが到来したと判断される。この場合、センサレスコントロールIC８６は、以後、上記ステップ１０２に戻って上記の処理を繰り返す。その結果、VCO信号の立ち上げ、およびゲート信号の切り換えが行われ、再び端子電圧積分値ΣVmと、中性点電位積分値ΣVcの演算が新たに開始される。
【００６２】
以上説明した通り、図６に示すルーチンによれば、センサレスコントロールIC８６のＵ端子、Ｖ端子、およびＷ端子に入力される電圧の積分値ΣVmと、中性点電位の積分値ΣVcとが一致する毎に、無通電状態のコイルが通電状態となるように（その結果、他の相では、通電状態であったコイルが無通電状態となる）、インバータ６０を駆動するゲート信号を適切に切り換えることができる。
【００６３】
図７は、マスク制御回路８８が、センサレスコントロールIC８６に適正な電圧信号を供給するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートを示す。図７に示す通り、マスク制御回路８８では、先ず、センサレスコントロールIC８６により生成されるVCO信号の立ち上がりが監視される（ステップ１２０）。
【００６４】
VCO信号の立ち上がりが検知された場合は、回転角δがリセットされる（ステップ１２２）。
一方、VCO信号の立ち上がりが検知されない場合は、ステップ１２２の処理がジャンプされ、速やかに以後、ステップ１２４の処理が実行される。
上記の処理によれば、回転角δは、インバータ６０に供給されるゲート信号が切り換えられる毎に、つまり、無通電状態であったコイルが通電状態に切り換えられる毎にリセットされることになる。
【００６５】
図７に示すルーチンでは、次に、回転角δが更新される（ステップ１２４）。
上記の処理によれば、マスク制御回路８８は、インバータ６０に供給されるゲート信号が切り換えられた後の回転角をδとして検知することができる。
【００６６】
次に、回転角δがマスク期間θ以下であるかが判別される（ステップ１２６）。
δ≦θが成立すると判別された場合は、今回の処理サイクルは、マスク期間中に実行されたものであると判断できる。この場合、マスク回路８４は、所定電圧Vxを、電動機２４の端子電圧としてセンサレスコントロールIC８６に供給する（ステップ１２８）。
一方、δ≦θが成立しないと判別された場合、つまり、マスク期間θが既に終了していると判別された場合は、電動機２４の各相コイルの端子電圧Vm（Ｕ電圧、Ｖ電圧、またはＷ電圧）が、そのままセンサレスコントロールIC８６に供給される（ステップ１３０）。
【００６７】
以上説明した通り、マスク制御回路８８は、図７に示す手順で処理を実行することにより、ゲート信号が切り換えられた後、マスク期間θが終了するまでの間は、電動機２４の各相コイルの端子電圧（Ｕ電圧、Ｖ電圧、またはＷ電圧）に代えて、所定電圧VxをセンサレスコントロールIC８６に供給し、マスク期間θが終了した後は、各相コイルの端子電圧をそのままセンサレスコントロールIC８６に供給することができる。このため、センサレスコントロールIC８６は、上記図６に示すルーチンに沿った処理を行うことにより、各相コイルに生ずる逆起電力が中性点電位より低くなる期間と、その逆の関係が成立する期間とが等しくなるタイミングにおいて、適切にゲート信号を切り換え（図４（Ｃ）参照）、電動機２４を効率的に駆動することができる。
【００６８】
図８は、マスク制御回路８８が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを更新（演算）するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。図８に示す通り、マスク制御回路８８では、先ず、VCO信号の立ち上がりが監視される（ステップ１４０）。
【００６９】
VCO信号の立ち上がりが検知されない場合は、マスク期間θおよび所定電圧Vxの更新時期が未だ到来していないと判断される。この場合、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、VCO信号の立ち上がりが検知されると、それらの更新時期が到来したと判断され、以後、ステップ１４２以降の処理が実行される。尚、図８に示す手順は、VCO信号が立ち上がる毎に、つまり、ゲート信号が切り換えられる毎にマスク期間θおよび所定電圧Vxを更新することを前提として、その更新時期が到来したか否かを判断するためにVCO信号の立ち上がりを監視している。しかし、マスク期間θおよび所定電圧Vxの更新時期は、このタイミングに限定されるものではなく、従って、上記ステップ１４０において監視されるべきは、VCO信号の立ち上がりに限定されるものではない。つまり、上記ステップ１４０では、マスク期間θおよび所定電圧Vxの定期的な更新を可能とすべく、定期的に切り替わる何らかの事項を監視していればよい。
【００７０】
図８に示す手順によれば、VCO信号の立ち上がりが検知された後、電源電圧Vb、電動機２４の回転数Ｎ、および電動機電流Ｉが順次検出される（ステップ１４２，１４４，１４６）。
【００７１】
次いで、電動機２４の回転数Ｎと逆起電圧のピーク電圧Vpとの関係を定めたマップを参照して、現在の回転数Ｎに対応するピーク電圧Vpが求められる（ステップ１４８）。
【００７２】
更に、電動機電流Ｉおよび回転数Ｎと、マスク期間θとの関係を定めたマップを参照して、現在の電流Ｉおよび回転数Ｎに対応するマスク期間θが演算される（ステップ１５０）。
【００７３】
そして、マスク制御回路８８は、上記の如く検出または演算した電源電圧Vb、ピーク電圧Vp、およびマスク期間θに基づいて、上記（１）式乃至（３）式、或いは、上記（１）式、（４）式および（５）式に従って、所定電圧Vxを算出する（ステップ１５２，１５４，１５６）。
【００７４】
以上説明した通り、図８に示す手順によれば、VCO信号が立ち上がる毎に、マスク期間θ、および所定電圧Vxをその時点の状況に応じた最適な値に更新することができる。マスク制御回路８８は、このようにして適宜更新されるマスク期間θおよび所定電圧Vxの最新値を用いて上記図７に示す処理を実行する。このため、本実施形態のシステムによれば、電動機２４が如何なる状態で運転しているかに関わらず、常に最適なタイミングでゲート信号を切り換えることができ、電動機２４を常に優れた効率で駆動することができる。
【００７５】
ところで、上述した実施の形態１においては、電動機２４の各相コイルに発生する逆起電圧を正弦波のまま扱い、接地電位側のスイッチング素子６４，７２，８０がオンからオフに切り替わった直後と、電源電位側のスイッチング素子６２，７０，７８がオンからオフに切り替わった直後とで、所定電圧Vxの演算式を異ならしめることとしている。しかしながら、所定電圧Vxの演算手法は、これに限定されるものではない。すなわち、マスク制御回路８８の内部において、Vb／２を上限または下限として各相コイルの端子電圧を折り返し（整流し）、所定電圧Vxを、常に上記（１）式〜（３）式、或いは、常に上記（１）式、（４）式および（５）式に基づいて演算することとしてもよい。
【００７６】
また、上述した実施の形態１では、端子電圧積分値ΣVmと中性点電位積分値ΣVcとをそれぞれ算出し、それら両者が一致した時点でVCOを立ち上げることとしているが、VCOの立ち上げタイミングを決める手法はこれに限定されるものではない。すなわち、VCOの立ち上げタイミングは、電動機２４の各相コイルの端子電圧と中性点電位との差分の積算値を演算すると共に、その積算値の正負に基づいて、より具体的には、その積算値がゼロとなる時点に決定してもよい。
【００７７】
尚、上述した実施の形態１においては、インバータ６０が前記第１の発明における「通電制御手段」に相当していると共に、センサレスコントロールICが上記ステップ１０６においてΣVmおよびΣVcを算出することにより前記第１の発明における「逆起電圧積分手段」および「中性点電位積分手段」が、上記ステップ１１０および１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「スイッチング素子制御手段」が実現されている。また、マスク制御回路８８が、各相コイルの端子電圧（Ｕ電圧、Ｖ電圧、Ｗ電圧）を検出することにより前記第１の発明における「端子電圧検出手段」が、上記ステップ１２６〜１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「補正手段」が実現されている。
【００７８】、
また、上述した実施の形態１においては、所定電圧Vxが前記第３の発明における「逆起電圧相当値」に相当していると共に、マスク制御回路８８が、上記ステップ１２８の処理を実行することにより前記第３の発明における「疑似電圧発生手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、マスク制御回路８８が、上記ステップ１５０の処理を実行することにより、前記第４の発明における「マスク期間設定手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、マスク制御回路８８が、上記ステップ１４４の処理を実行することにより、前記第５または６の発明における「回転数検出手段」が実現されている。
【００７９】
実施の形態２．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムにおいて、マスク制御回路８８に、上記図８に示す手順に代えて、図９に示す手順で所定電圧Vxを設定させることにより実現することができる。
【００８０】
図９は、本実施形態において、マスク制御回路８８が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを設定するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。図９に示すフローチャートは、ステップ１５６に続いてステップ１６０および１６２の処理が実行される点を除き、図８に示すフローチャートと同様である。
【００８１】
すなわち、本実施形態にいおいて、マスク制御回路８８は、先ず、実施の形態１の場合と同様の手順でマスク回路θを設定し、かつ、所定電圧Vxを算出する（ステップ１４０〜１５６）。
これらの処理が終了すると、マスク制御回路８８は、次に、電動機電流Ｉおよび電動機回転数Ｎに基づき、進角補正係数Ｋを算出する（ステップ１６０）。
そして、上記ステップ１５６において算出された所定電圧Vxに進角補正係数Ｋを掛け合わせた値が、最終的な所定電圧Vxとして設定される（ステップ１６２）。
【００８２】
上述した進角補正係数Ｋは、電動機電流Ｉが大きいほど、また、電動機回転数Ｎが大きいほど小さな値に設定される（標準値は１．０）。このため、図９に示す手順によれば、電動機２４が大きなトルクを要求するほど、所定電圧Vxは、上記ステップ１５６において算出される値（以下、「標準値」と称す）より小さな値となる。
【００８３】
センサレスコントロールIC８６は、マスク期間θ中の所定電圧Vxの積分値と、マスク期間θ後の端子電圧の積分値との和（ΣVm）が、中性点電位の積分値（ΣVc）と等しくなった時点でゲート信号の切り換えを行う。前者（ΣVm）と後者（ΣVc）は、所定電圧Vxが小さいほど（つまり、Vmが小さいほど）、積分が開始された後短期間で一致する。このため、図９に示す手順によれば、電動機２４が大きなトルクを要求するほど、ゲート信号の切り換え時期が進角側にシフトする。
【００８４】
電動機２４において大きなトルクを確保するうえでは、ゲート信号の切り換え時期を適度に進角側にシフトすることが有効であることは広く知られている。本実施形態の装置によれば、電動機回転数Ｎの上昇、および電動機電流Ｉの情報に応じて、そのような有効な進角制御を適宜実現することができる。このため、本実施形態の装置によれば、高負荷領域において、実施の形態１の装置に比して更に効率的に電動機２４を駆動することが可能である。
【００８５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１または第２の発明によれば、電動機の中性点電位の積分値と、無通電のコイルに生ずる逆起電圧の積分値とが等しくなった時点でスイッチング素子の状態を切り換えることにより、電動機を効率的に駆動することができる。そして、無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、そのコイルの端子電圧に補正を施すことができるため、還流電流の影響を受けることなくコイルに発生する逆起電力を常に正しく検知することができる。
【００８６】
第３の発明によれば、無通電中のコイルの端子電圧を逆起電圧相当値に置き換えることにより、還流電流の流通中における逆起電圧が、現実の値から大きく外れた値として検知されるのを確実に防ぐことができる。
【００８７】
第４の発明によれば、適正なマスク期間を設定して、その期間中はコイルの端子電圧を逆起電力相当値に置き換えることにより、還流電流の流通に伴うコイルの端子電圧の影響を適切に排除することができる。
【００８８】
第５の発明によれば、電動機の回転数に基づいてマスク期間を設定することができる。コイルに還流電流が流通する時間は、電動機の回転角により影響される。このため、マスク期間を回転数に基づいて設定すると、還流電流の消滅に要する期間に対応する適正なマスク期間を設定することができる。
【００８９】
第６の発明によれば、電動機の回転数に基づいて逆起電圧相当値を設定することができる。コイルに生ずる逆起電力は、電動機の回転数により決定される。このため、逆起電力相当値を回転数に基づいて設定することによれば、逆起電力相当値を現実の逆起電力に近い値に設定することができる。
【００９０】
第７の発明によれば、電動機の回転数が高いほど、スイッチング素子の状態が切り換えられる時期を進角側にシフトさせることができる。このため、本発明によれば、高回転領域において、電動機を効率的に駆動することができる。
【００９１】
第８の発明によれば、内燃機関のターボチャージャを電動駆動する電動機を効率的に駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】 本発明の実施の形態１のシステムが、電動機を駆動するために備えている構成を説明するためのブロック図である。
【図３】 図２に示すセンサレスコントロールICの基本動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】 図４（Ａ）は、ゲート信号の理想的な切り換え動作を説明するための波形である。
図４（Ｂ）は、各相コイルの端子電圧をセンサレスコントロールICに直接供給した場合に実現される動作を説明するための波形である。
図４（Ｃ）は、実施形態１のシステムにより実現される動作を説明するための波形である。
【図５】 所定電圧Vxの設定手法を説明するための波形を示す。
【図６】 実施形態１のシステムにおいて、センサレスコントロールICが実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】 実施形態１のシステムにおいて、マスク制御回路が、センサレスコントロールICに適正な電圧信号を供給するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】 実施形態１のシステムにおいて、マスク制御回路が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを更新（演算）するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図９】 実施形態２のシステムにおいて、マスク制御回路が、マスク期間θおよび所定電圧Vxを更新（演算）するために実行する処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ ターボチャージャユニット
１８ タービン
２０ コンプレッサ
２２ 回転軸
２４ 電動機
５０ ECU(Electronic Control Unit)
５２ コントローラ
５４ バッテリ
６０ インバータ
６２，６４，７０，７２，７８，８０ スイッチング素子
８６ センサレスコントロールIC
８８ マスク制御回路
Claims (8)
- 電動機のコイルの通電状態を切り換えるスイッチング素子と当該スイッチング素子に併設される還流ダイオードとを含む通電制御手段と、
無通電状態のコイルに生ずる逆起電圧の積分値を求める逆起電圧積分手段と、
前記コイルが無通電状態となった後の電動機の中性点電位の積分値を求める中性点電位積分手段と、
前記逆起電圧の積分値と前記中性点電位の積分値とが一致した時点で、無通電状態の前記コイルが通電状態となるように、前記スイッチング素子の状態を切り換えるスイッチング素子制御手段とを備え、
前記逆起電圧積分手段は、
無通電状態のコイルの端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、当該還流電流の影響が排除されるように前記端子電圧に補正を施す補正手段と、
を備えることを特徴とする電動機の回転駆動制御装置。 - 電動機のコイルの通電状態を切り換えるスイッチング素子と当該スイッチング素子に併設される還流ダイオードとを含む通電制御手段と、
無通電状態のコイルに生ずる逆起電圧と、前記コイルが無通電状態となった後の電動機の中性点電位との差分の積分値を求める差分電位積分手段と、
前記差分の積分値の正負判断に基づいて、無通電状態の前記コイルを通電状態とするための前記スイッチング素子の状態切り換えを行うスイッチング素子制御手段とを備え、
前記差分電位積分手段は、
無通電状態のコイルの端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
無通電状態のコイルに還流電流が流通する期間は、当該還流電流の影響が排除されるように前記端子電圧に補正を施す補正手段と、
を備えることを特徴とする電動機の回転駆動制御装置。 - 前記補正手段は、無通電中のコイルの端子電圧を、所定の逆起電圧相当値に置き換える疑似電圧発生手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の電動機の回転駆動制御装置。
- 前記補正手段は、
電動機のコイルが無通電状態に維持されるべき期間より短く、かつ、無通電中のコイルに還流電流が流通する期間以上のマスク期間を設定するマスク期間設定手段を備え、
前記疑似電圧発生手段は、電動機のコイルが無通電状態となった後、前記マスク期間が経過するまでの間、当該コイルの端子電圧を前記逆起電力相当値に置き換えることを特徴とする請求項３記載の電動機の回転駆動制御装置。 - 電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記マスク期間設定手段は、前記回転数に基づいて前記マスク期間を設定することを特徴とする請求項４記載の電動機の回転駆動制御装置。 - 電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記疑似電圧発生手段は、前記回転数に基づいて前記逆起電圧相当値を設定することを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項記載の電動機の回転駆動制御装置。 - 前記疑似電圧発生手段は、前記回転数に基づいて、当該回転数が高いほど、前記スイッチング素子の状態が切り換えられる時期が進角されるように前記逆起電圧相当値を設定することを特徴とする請求項６記載の電動機の回転駆動制御装置。
- 前記電動機は、内燃機関のターボチャージャを電動駆動するためのものであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の電動機の回転駆動制御装置。
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