JP3812193B2

JP3812193B2 - ハイブリッド車両のモータ制御装置

Info

Publication number: JP3812193B2
Application number: JP36112098A
Authority: JP
Inventors: 淳田端
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: JP2000186608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車両のモータ制御装置であって、特にクランク軸の回転角度センサを利用してモータ出力制御を行うモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンを駆動させるための石油燃料の節約と、エンジン回転による騒音の低減、さらに石油燃料の燃焼により発生する排気ガスの低減を目的として、エンジン以外の異なる動力源として、モータを搭載したハイブリッド車両が提案されている。
【０００３】
このハイブリッド車両に用いられるモータは、ステータ（固定子）と、ステータの内周側に回転自在に配設されたロータ（回転子）とにより構成されており、ステータに対してロータの位置に同期した交流電流を流すことによりモータトルクを得ている。そのため、ステータに対するロータの絶対位置すなわち絶対回転角度を正確に検出する必要がある。
【０００４】
このロータのステータに対する絶対回転角度を検出する絶対回転角度センサとして例えば、レゾルバが使用されている。このレゾルバは、レゾルバステータと、レゾルバステータ内で回転するレゾルバロータ及び回転トランスにより構成されている。レゾルバロータはモータの出力軸と機械的に連結され、回転トランスを介して上記モータの出力軸の角度信号を電気的に取出す。
【０００５】
一方、４サイクルエンジンは、吸気、圧縮、燃焼膨張、排気の工程が間欠的に繰り返される。各気筒ごとに正確に点火時期、燃料噴射時期を正確に制御するためにクランク軸センサとカム角度センサを組み合わせて、相対的にクランク軸の回転角度を求めている。例えば、クランク角度センサは、例えばクランク軸に固定された歯車状の回転体と、この回転体の外周面に配置されたコイルと磁石からなる電磁ピックとで構成され、歯車の一個所に欠歯を設け、回転体の回転に伴いコイルに生じる鎖交磁束の変化に基づく電圧パルス信号を検出して欠歯部分を特定し、ここからの相対角度としてクランク軸の回転角度を求める。また、４サイクルエンジンでは、クランク軸２回転で１つの燃焼工程が終了するため、クランク軸の回転角度だけでは、各気筒の工程を判断することができないのでカム角度センサが設けられている。カム角度センサは、吸排気バルブを駆動するカムの軸の回転を検出するセンサであり、カム軸は、クランク軸の１／２の速度で回転しており、この回転角度を利用して、クランク軸の２回転にわたる角度を判別する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ハイブリッド車両は、低回転で高トルクが必要な発進時はモータにより走行し、高回転、低トルクの高速運転時は、エンジンにて走行するという特徴を有し、エンジンは断続的に利用されるため、エンジン始動が要求された時に、すぐにエンジン出力が得られる必要がある。そのためには、上死点にある気筒を早期に検出して点火、燃料の噴射を行う必要があり、クランク軸の回転角度が絶対値で要求される。
【０００７】
また、特にクランク軸とロータ軸とが同一軸上に連結された構造を有するハイブリッド装置においては、製造コストの低下、装置の小型化を図る観点からクランク軸とロータのそれぞれに回転角度センサを設けるのではなく、一つの回転角度センサを共用して、エンジンの気筒の点火制御、モータのトルク制御ができることが望まれる。
【０００８】
一方、ハイブリッド装置のエンジン部分とモータ部分とは別個に製造された後に最終的に組み立てるため、クランク軸の回転角度とモータのロータ回転角度とに関連性はなく、一つの回転角度センサを共用するためには、クランク軸とロータの連結の際に角度調整が必要となる。
【０００９】
そこで、本発明は、ハイブリッド装置の初期運転時にクランク軸とモータロータの絶対回転角度の初期位相変位を検出することにより、一つの回転角度センサにてエンジンの気筒の点火制御、モータのトルク制御ができる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】
上記目的を達成するために、第１の発明は、エンジンのクランク軸とモータのロータとが同一軸上に連結されたハイブリッド車両のモータ制御装置であって、クランク軸の絶対回転角度を検出するクランク軸角度センサと、所定の学習条件が成立したときに、前記クランク軸の絶対回転角度に対するモータのロータ回転角度の初期位相変位を学習する学習手段と、前記クランク軸センサの値及び初期位相変位からモータのロータ回転角度を求め、このモータのロータ回転角度に基づきモータを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
また、第２の発明は第１の発明のハイブリッド車両のモータ制御装置であって、初期位相変位の学習条件が、エンジン始動においてエンジン回転数が所定値以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明のハイブリッド車両のモータ制御装置であって、初期位相変位の学習手段は、エンジン駆動によりロータを回転させたときにモータのステータに発生する電流を検知する手段と、予め角度調整されたモータのステータ位置及び前記電流からロータ回転角度を求め、クランク軸の絶対回転角度との位相変位を求める演算手段とを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は第１から第３のいずれか１の発明のハイブリッド車両のモータ制御装置であって、クランク軸角度センサの値及び初期位相変位から求めたモータのロータ回転角度に基づくモータ制御により発生したモータトルクを測定する測定手段と、前記測定したモータトルクと、ロータ回転角度に基づくモータ制御により得られる設計上のモータトルクとを比較して初期位相変位の正否を判別する判別手段とを有することを特徴とする。
さらに、第５の発明は第４の発明のハイブリッド車両のモータ制御装置であって、前記判別手段により初期位相変位が正しい値ではないと判別された場合、再度クランク軸の絶対回転角度に対するモータのロータ回転角度の初期位相変位を学習することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１４】
図１には、本実施形態の概略構成が示されている。また、図２は、主要部分の内部構造を示す概略図であり、出力軸から先は省略されている。エンジン１０は、４サイクルエンジンであり、クランク軸１２と、吸排気バルブを駆動するカム軸（図示せず）を有している。クランク軸１２はモータ１６のロータ１４と同一軸上に結合されている。ロータ１４は、トルクコンバータ１８を介して、自動変速機２０に結合されている。クランク軸の回転センサであるレゾルバ２２がクランク軸１２上に設けられている。
【００１５】
エンジン１０は、エンジンの運転状態を示す各種検出値、例えば冷却水温、吸気管内圧力、エンジン油温などと、運転者の操作（主にアクセルペダルの操作）に基づき制御される。具体的には、各種センサの出力を基に、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２４が燃料の噴射量、噴射時期、点火時期などを制御し、運転者などの要求に沿った制御が行われる。吸気、圧縮、爆発膨張、排気の各工程が、間欠的に行われる４サイクルエンジンにおいては、これらの工程に同期させ、所定量の燃料を供給（噴射し）、点火を行う必要がある。多気筒型エンジンの場合、各気筒の工程を把握し、気筒ごとに上死点において噴射制御、点火制御を行う必要がある。各気筒の工程を判定するために、クランク軸の回転角度及びカム軸の回転角度を利用するレゾルバ２２およびカム角度エンコーダ２６が設けられている。
【００１６】
レゾルバ２２は、従来モータの回転角度センサとして用いられているレゾルバと同じであり、精度良くクランク軸の絶対回転角度を検出できる。レゾルバ２２はレゾルバステータと、クランク軸に固定された偏心したレゾルバロータと、レゾルバステータとレゾルバロータの間隔を検出する、ステータに固定された回転トランスとを有する。レゾルバステータには３つの回転トランスが９０°ずつずれて配置されている。レゾルバロータが偏心しているために、レゾルバロータが回転するとレゾルバステータとレゾルバロータの間隔が周期的に変化し、１つの回転トランスに交流電流を流すことにより、レゾルバロータ位置に応じた出力が残りの回転トランスに発生し、この出力変化に基づきクランク軸の回転角度を算出することができる。本実施の形態におけるレゾルバ２２は、図３に示すようにクランク軸の回転角度の０°から３６０°まで、線形に単調増加する信号であり、クランク軸１回転を周期としている。
【００１７】
４サイクルエンジンでは、クランク軸が２回転することで吸気、圧縮、爆発膨張、排気の各工程が終了する。よって、クランク軸の回転角度だけでは、各気筒の工程を判断することができない。クランク軸の２回転、すなわち０〜３６０°と３６０〜７２０°を区別するために、吸排気バルブを駆動するカムの軸の回転を検出するのが前記カム角度エンコーダ２６である。カム軸は、クランク軸の１／２の速度で回転しており、これの回転角度を利用すれば、クランク軸の２回転にわたる角度を判別できる。
【００１８】
カム角度エンコーダ２６は、クランク軸の回転角度０〜３６０°と３６０〜７２０°の対応する角度で、異なる値の信号を出力する。最も簡単な信号は、０〜３６０°でハイ、３６０〜７２０°でローの信号である。より現実的には、クランク軸の回転角度７２０°内で、奇数周期となる方形波とすることができる。図３には、このようなカム角度エンコーダ２６の信号の一例が示されている。この信号はクランク軸の回転角度７２０°で、２３周期の方形波であり、図示するようにクランク軸の回転角度の１周期目と２周期目では、位相が反転している。このカム角度信号（Ｇ信号）と、レゾルバ２２の出力を組み合わせれば、クランク軸の２回転にわたる回転角度が検出できる。すなわち、レゾルバ２２の出力に基づき検出された角度がαであった場合、これがαであるのか、α＋３６０°であるのか、判別できないが、カム角度エンコーダ２６の出力がハイかローかにより、どちらであるのかが判別できる。レゾルバ出力とカム角度信号から求められたクランク角度より、上死点にある気筒が判別できる。例えば図３では、第６気筒が上死点にくる角度を０°と設定しており、１２０°、２４０°、３６０°、４８０°、６００°、７２０°でそれぞれ第２、第４、第１、第５、第３気筒が上死点になる。尚、レゾルバ２２は、クランク軸の所定位置からの相対回転角度でなく絶対回転角度を検出できるため、エンジン停止状態から早期に上死点にある気筒を判別することができ、エンジン始動までの時間を短縮することができる。
【００１９】
モータ１６は、１°単位で角度調整して設置されたステータと、磁石を有するロータとからなる。ジェネレータ機能を持つモータジェネレータであってもよい。モータ１６には、バッテリ２８からの電力がインバータ３０を介して供給される。バッテリ２８からの直流電力が、インバータ３０により三相交流電力に変換され、所定のステータに供給されることによってモータ１６が駆動される。ＥＣＵ２４によってロータの回転角度に基づきインバータを制御して、所定の三相交流電力の位相を制御する。
【００２０】
レゾルバ２２の出力に基づき算出されたクランク軸の回転角度は、本来エンジンの制御に用いられるものであり、モータ１６のロータ回転角度とは、関連づけられていない。エンジン１０とモータ１６を組み付ける際に、クランク軸とロータの角度位置を機械的に位置合わせして結合させれば、レゾルバ２２の出力を直接、クランク軸の回転角度とすることもできる。しかし、この場合、エンジン１０とモータ１６の組付けの際、クランク軸とロータ軸の角度位置を合わせる作業が必要となる。また、修理などによりエンジン１０とモータ１６を分離した場合には再度、角度位置合わせの作業が必要となり煩わしい。本実施形態においては、エンジン１０とモータ１６を組み付けた後、レゾルバ２２の出力から求めたクランク軸回転角度とロータ回転時にステータに発生する回転電流から推定されるロータの磁石位置すなわち、ロータ回転角度とを比較し、初期の位相変位を求める。すなわち、レゾルバ２２の出力に基づき検出されたクランク軸回転角度における推定したロータ回転角度の角度差を求める。そして求めた初期位相変位は記憶（学習）され、以後は、この初期位相変位とレゾルバ出力に基づいてロータ回転角度を算出し、このロータ回転角度を用いてモータトルク制御を行う。
【００２１】
このように、クランク軸に設けられたレゾルバを利用してモータのトルク制御が行われるため、モータのロータ用のレゾルバが不要となり、モータ部分の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。また、エンジン部分とモータ部分の連結の際の角度合わせ調整が不要となり、製造工程を簡略化することができる。
【００２２】
図４、図５には、本実施形態における制御処理のフローチャートが示されている。モータロータ角度の学習は、シフトレバーがＰポジションでエンジン始動時に行われる。運転者がシフトレバーをＰポジションでイグニッションスイッチをＯＮにすると、イグニッション信号が入力される（Ｓ１０）。続いてエンジンが始動中であるかが判断される（Ｓ２０）。エンジンが始動しているのであれば、モータのロータ角度を学習する条件が成立しているか否かが判断される（Ｓ３０）。具体的には、エンジン回転数が所定値以上であることより判断される。エンジン始動時において、まだエンジン回転数が十分に高くなっていないと、正確な回転角度を検出できない可能性があるので、この場合を排除する。モータロータ角度学習条件が満たされている場合は、モータロータ角度の学習が行われる（Ｓ４０）。
【００２３】
エンジン１０のクランク軸の絶対回転角度は、図３に示すようにクランク軸に設けられたレゾルバの出力信号より検出される。クランク軸とロータが連結されているため、ロータは、クランク軸と同期して回転する。ロータが回転し、ステータを通過する時にそのステータに回転電流が出力される。この出力電流を検知することにより、ロータ位置が求められる。すなわち、予め角度調整して設けられたステータは各ステータの角度がわかっており、回転電流が出力されたステータ位置にロータが位置することから、ロータの回転角度が求められる。この求めたロータの回転角度とこのときのクランク軸の絶対角度から初期の位相変位が求められる。
【００２４】
求められた位相変位は、ＥＣＵ２４に記憶され、その後は、この位相変位とレゾルバ信号からロータの回転角度が求められ、ロータの回転角度に基づいてモータが制御される。このモータロータ角度学習は、基本的には、エンジン１０とモータを連結後一度だけ行えばよい。
【００２５】
続いて、通常のモータ制御における制御処理について説明する。Ｓ４０の学習に続く動作で説明する。エンジン１０が暖機され、バッテリの充電状態が良好であれば、エンジン１０は自動で停止する。発進時はモータのみで駆動するためである。運転者が発進しようとしてシフトレバーをＤポジションにいれると入力信号処理がされ（Ｓ５０）、モータの駆動指令がなされているかが判断される（Ｓ６０）。ハイブリッド車は、車両が停止した状態から発進する場合でエンジン出力が必要とされない場合は、運転者の意志によらずモータ駆動指令が実行される。モータ駆動指令がなされていれば、レゾルバ２２の出力と、位相変位に基づき、モータ回転角度が算出される。そしてこのロータ回転角度に基づいてインバータから三相交流電流がモータに供給され、モータ制御が行われる（Ｓ７０）。
【００２６】
モータ制御したときに発生するモータトルクを検出することでステップ４０における学習が正しく行われたかが判断される（Ｓ８０）。学習結果が正しくロータ回転角度がステータに対して適正位置で電力が供給されていれば、設計値のモータトルクが得られるが、学習結果が誤っており、ロータ回転角度がステータに対して適正位置でない場合は、設計値よりも低いモータトルクが検出される。設計値よりも低いモータトルクが検出された場合は、ステップ４０における学習が正しくなかったとして、次回の制御周期においてもう一度学習を実施するようにする（Ｓ１００）。また、正常なモータトルクが得られた場合は、次回からの学習は行わない（Ｓ９０）。
【００２７】
【発明の効果】
このように、本実施形態では、クランク軸の絶対回転角度をレゾルバで検出し、この絶対回転角度に対するロータ回転角度の初期位相変位を学習し、初期位相変位とレゾルバ出力を用いてモータのトルク制御が行われるようにしたので、ロータ側の角度センサを設ける必要がなく、装置全体の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のモータ制御装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の主要部の内部構造を示した図である。
【図３】カム角度エンコーダの出力信号に基づくクランク軸の周期判定、およびレゾルバ出力に基づく回転角度を示す信号に関する説明図である。
【図４】本実施形態におけるロータ回転角度の学習手順のフローチャートである。
【図５】本実施形態における学習したロータ回転角度に基づくモータ制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０エンジン、１２クランク軸、１４ロータ、１６モータ、１８トルクコンバータ、２０自動変速機、２２レゾルバ、２４ＥＣＵ、２６カム角度エンコーダ、２８バッテリ、３０インバータ。

Claims

エンジンのクランク軸とモータのロータとが同一軸上に連結されたハイブリッド車両のモータ制御装置であって、
クランク軸の絶対回転角度を検出するクランク軸角度センサと、
所定の学習条件が成立したときに、前記クランク軸の絶対回転角度に対するモータのロータ回転角度の初期位相変位を学習する学習手段と、
前記クランク軸センサの値及び初期位相変位からモータのロータ回転角度を求め、このモータのロータ回転角度に基づきモータを制御する制御手段と、
を有することを特徴とするハイブリッド車両のモータ制御装置。
初期位相変位の学習条件が、エンジン始動においてエンジン回転数が所定値以上であることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両のモータ制御装置。
初期位相変位の学習手段は、エンジン駆動によりロータを回転させたときにモータのステータに発生する電流を検知する手段と、
予め角度調整されたモータのステータ位置及び前記電流からロータ回転角度を求め、クランク軸の絶対回転角度との位相変位を求める演算手段とを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド車両のモータ制御装置。
クランク軸センサの値及び初期位相変位から求めたモータのロータ回転角度に基づくモータ制御により発生したモータトルクを測定する測定手段と、
前記測定したモータトルクと、ロータ回転角度に基づくモータ制御により得られる設計上のモータトルクとを比較して初期位相変位の正否を判別する判別手段とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１記載のハイブリッド車両のモータ制御装置。
前記判別手段により初期位相変位が正しい値ではないと判別された場合、再度クランク軸の絶対回転角度に対するモータのロータ回転角度の初期位相変位を学習することを特徴とする請求項４記載のハイブリッド車両のモータ制御装置。