JP4357826B2 - 電動機の運転制御装置 - Google Patents
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- H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサレスで回転子の位置を検出する電動機の運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータは、各相の巻線に電力を順次供給し、各相の巻線による磁界と永久磁石（回転子）による磁界との相互作用により回転子を回転させる。その際、同期モータでは、いずれの相の巻線に電力を供給するかのタイミングを決定するために、回転子の位置（電気角）を正確に検出する必要がある。その検出方法の一つとして、センサを用いずに、各相の巻線の端子に生じる逆起電圧を利用して位置を検出する方法がある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１７７７８８号公報
【特許文献２】
米国特許第４９２８０４３号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている検出方法では、同期モータの回転数が高回転時には逆起電力を利用して電気角を検出するが、低回転時には逆起電力が低下するので、異なる相間の巻線のインダクタンスの相違を利用して電気角を検出する。そのため、高回転時と低回転時とで回転子の電気角の検出方法が異なり、高回転時と低回転時との制御性が変化する。
【０００５】
そこで、本発明は、電動機の回転数に関係なく同一の方法により回転子の位置検出を行うことができる電動機の運転制御装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電動機の運転制御装置は、巻線による磁界と磁石による磁界との相互作用により回転子を回転させる電動機を制御する運転制御装置において、巻線の端子に生じる逆起電圧に基づいて、回転子の位置を検出する位置検出手段と、巻線の端子の電圧を分圧し、該分圧を位置検出手段に供給する分圧手段と、電動機の駆動装置の上側アームが通電される場合に分圧手段の分圧比を高回転に応じた分圧比とし、電動機の駆動装置の上側アームが通電されない場合に分圧手段の分圧比を電動機の回転数に応じて変更する分圧比変更手段とを備えることを特徴とする。さらに、本発明の上記電動機の運転制御装置では、分圧比変更手段は、電動機の回転数と切換回転数とを比較し、当該比較結果に基づいて複数の抵抗を切り換えて分圧手段の分圧比を変更し、切換回転数は、ヒステリシスを有する構成としてもよい。
【０００７】
この電動機の運転制御装置では、分圧手段によって巻線の端子の電圧を分圧する。そして、運転制御装置では、位置検出手段によって分圧手段からの分圧における巻線の端子に生じる逆起電圧の分圧に基づいて回転子の位置を検出する。この際、運転制御装置では、分圧比変更手段によって分圧手段での分圧比を電動機の回転数が高回転側では小さな分圧比に変更し、低回転側では大きな分圧比に変更する。そのため、運転制御装置では、分圧比を一定にする場合に比べて高回転時に生じる逆起電圧の分圧を小さくできるとともに低回転時に生じる逆起電圧の分圧を大きくできるので、電動機の回転数に拘わらず逆起電圧に基づいて回転子の位置を検出することができる。
【０００８】
本発明の上記電動機の運転制御装置は、分圧比変更手段を電動機の駆動装置の上側アームが通電される場合に高回転に応じた分圧比とするように構成してもよい。
【０００９】
電動機の駆動装置では、電動機の各相の巻線に対して設けられた上側アーム及び下側アームでの通電／非通電によって、各相の巻線に電力を順次供給している。運転制御装置では、分圧比変更手段によって駆動装置の上側アームが通電される場合に高回転での分圧比に変更して分圧を低くする。そのため、位置検出手段に供給される分圧は、位置検出手段の最大許容電圧を超えない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る電動機の運転制御装置の実施の形態を説明する。
【００１１】
本発明は、電動機の全回転領域で回転子の位置を巻線の端子に生じる逆起電圧に基づいて検出するために、逆起電圧の分圧の変動を小さくする。そのために、本発明では、巻線の端子電圧を分圧で検出する際の分圧比を電動機の回数数に応じて変更する。
【００１２】
本実施の形態では、本発明に係る電動機の運転制御装置を、自動車に搭載される電動機付ターボチャージャシステムにおける電動機の運転制御装置に適用する。本実施の形態では、分圧比の変更段階数が異なる２つの実施の形態がある。第１の実施の形態では、無段階で分圧比（ゲイン）を変更する。第２の実施の形態では、２段階で分圧比を変更する。
【００１３】
まず、第１の実施の形態について説明する。図１乃至図５を参照して、電動機付ターボチャージャシステム１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。図２は、インバータの構成図である。図３は、コントローラＩＣにおける制御信号及び電動機の各相の巻線の通電／非通電を示す波形である。図４は、ＡＧＣにおけるＶＣＯ周波数に対する設定ゲインを示すマップである。図５は、電動機の巻線の端子電圧の分圧の時間変化を示す波形であり、（ａ）が回転数に応じた分圧比制御を行った場合の分圧波であり、（ｂ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の低回転時の分圧波であり、（ｃ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の高回転時の分圧波である。
【００１４】
電動機付ターボチャージャシステム１は、自動車に搭載され、エンジン（図示せず）の吸入空気量をターボチャージャ２で過給する。また、電動機付ターボチャージャシステム１は、低回転域の過給圧の立ち上がりを向上させるために、電動機３によって強制的にタービンを駆動して所望の過給圧を得る。さらに、電動機付ターボチャージャシステム１では、電動機３が発電機としても機能し、減速時等にバッテリ４を充電する。そのために、電動機付ターボチャージャシステム１は、ターボチャージャ２、電動機３、バッテリ４、電動機の駆動装置としてのインバータ５、運転制御装置６を備えている。
【００１５】
ターボチャージャ２は、エンジンからの排気エネルギを利用して過給圧を上げる。ターボチャージャ２では、エンジンの排気通路側にタービンホイール２ａ、吸気通路側にコンプレッサホイール２ｂが配設されており、両ホイールがシャフト２ｃで連結されている。このシャフト２ｃの中央部には、電動機３の一構成要素であるロータ（図示せず）が固定されている。
【００１６】
電動機３は、永久磁石同期型の三相交流モータであり、ターボチャージャ２の過給圧をアシストするとともに回生時にはバッテリ４を充電する。電動機３は、回転子としてのロータの周囲にステータ（図示せず）が配設されている。ロータには、永久磁石が設けられている。ステータは、複数枚の積層鋼板に巻線を巻いたものであり、ターボチャージャ２のハウジングに対して固定されている。巻線には、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃがある（図２参照）。電動機３は、ロータ及びステータを主たる構成要素として、シャフト２ｃを出力軸としてターボチャージャ２のハウジングの内部に構築されている。電動機３では、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃに順次電力が供給されると磁界が順次発生し、このＵ相、Ｖ相、Ｗ相に順次発生する磁界とロータの永久磁石との磁界との相互作用によってロータが回転する。ちなみに、電動機３は、２０万回転程度の非常に高い回転数まで回転する。
【００１７】
インバータ５は、運転制御装置６からのゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃに電力を供給する。そのために、インバータ５は、６つのＦＥＴ[Field Effect Transistor]５ａ〜５ｆを備えており（図２参照）、ＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）を介してバッテリ４に接続されている。インバータ５では、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃに対して上側アーム及び下側アームを各々有しており、Ｕ相の巻線３ａに対しては上側アームにＦＥＴ５ａ及び下側アームにＦＥＴ５ｄが設けられ、Ｖ相の巻線３ｂに対しては上側アームにＦＥＴ５ｂ及び下側アームにＦＥＴ５ｅが設けられ、Ｗ相の巻線３ｃに対しては上側アームにＦＥＴ５ｃ及び下側アームにＦＥＴ５ｆが設けられている。
【００１８】
インバータ５による電力供給の一例として、Ｕ相の巻線３ａに対する電力供給について説明する。上側アームのＦＥＴ５ａはゲート信号Ｇａに基づいてオン／オフし、ゲート信号Ｇａが１の時にＦＥＴ５ａがオンして巻線３ａに電源電圧（１２Ｖ）を供給し、ゲート信号Ｇａが０の時にＦＥＴ５ａがオフする（図３参照）。一方、下側アームのＦＥＴ５ｄはゲート信号Ｇｄに基づいてオン／オフし、ゲート信号Ｇｄが１の時にＦＥＴ５ｄがオンして巻線３ａにはＦＥＴ５ｄを介してグランド（０Ｖ）が接続され、ゲート信号Ｇｄが０の時にＦＥＴ５ｄがオフする（図３参照）。
【００１９】
運転制御装置６は、電動機３の駆動を制御する装置である。運転制御装置６では、エンジンＥＣＵ[Electronic Control Unit]（図示せず）からの電動機３によるアシスト量を示す指令値に基づいて電動機３の目標回転数を決定し、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆをインバータ５に出力する。その際、運転制御装置６では、電動機３の３つの巻線３ａ〜３ｃのうちのいずれの巻線に電力を供給するかのタイミングを決定するために、電動機３のロータの位置（電気角）を検出している。さらに、運転制御装置６では、電動機３の回転数に拘わらず電動機３のロータの位置を検出するために、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を取り出す際の分圧比を電動機３の回転数に応じて無段階で変化させる。そのために、運転制御装置６は、コントローラＩＣ[Integrated Circuit]６ａ、位置検出手段としての位置検出回路６ｂ、分圧手段及び分圧比変更手段としてのＡＧＣ[Automatic Gain Control]６ｃ，６ｃ，６ｃを備えている。
【００２０】
コントローラＩＣ６ａは、エンジンＥＣＵからの電動機３によるアシスト量を示す指令値に基づいて、ＶＣＯ[Voltage Controlled Oscillator]の周波数（電動機３の回転数に相当）を決定する。さらに、コントローラＩＣ６ａでは、位置検出回路６ｂで検出した電動機３のロータの位置情報に基づいて、ＶＣＯの各パルスの立ち上がりを設定し、ＶＣＯを生成する。ＶＣＯは、１（コントローラＩＣ６ａの電源電圧）／０（グランド電圧）のパルス信号であり、電動機３の１回転当たり６つの周期からなる（図３参照）。
【００２１】
さらに、コントローラＩＣ６ａでは、位置検出回路６ｂで検出した電動機３のロータの位置情報及びＶＣＯに基づいて、６つのゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを生成する（図３参照）。ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆは、インバータ５のＦＥＴ５ａ〜５ｆをオン／オフするための信号であり、１（コントローラＩＣ６ａの電源電圧）／０（グランド電圧）のパルス信号である。ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆは、ＶＣＯの６周期のうち２周期分（電動機３の位相としては１２０°分）が１であり、他の４周期分が０である。ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆにおける１となる２周期間は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順で変わり、同相の上側アームと下側アームとでは上側アームが１の区間から１周期分経過した後に下側アームが１となる。
【００２２】
位置検出回路６ｂは、コントローラＩＣ６ｂ内に構成され、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を各々取り入れる。この分圧の時間変化を示す分圧波ＶＷは、上側アームに対するゲート信号の１の区間が上側アームの通電区間ＶＷａとなり、下側アームに対するゲート信号の１の区間が下側アームの通電区間ＶＷｂとなり、上側アーム及び下側アームに対するゲート信号が共に０の区間が非通電区間ＶＷｃとなる（図５（ａ）参照）。上側アームの通電区間ＶＷａでは、インバータ５の電源電圧の分圧が出力される。下側アームの通電区間ＶＷｂでは、グランド電圧が分圧として出力される。非通電区間ＶＷｃでは、上側アーム及び下側アームから電力が供給されないので、電動機３の回転数に応じて発生した発電電圧（逆起電圧）の分圧が出力される。非通電区間ＶＷｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相で順に変わり、その時間変化としては通電／非通電波ＮＥａ，ＮＥｂ，ＮＥｃとなる（図３参照）。なお、逆起電圧は、電動機３の回転数が高くなるほど高くなり、回転数が低くなるほど低くなる。
【００２３】
分圧は、非通電区間ＶＷｃでのみ時間とともに電圧が変化する。この電圧変化は、周期的な変化であり、正弦波ＳＷ１で表すことができる（図５（ａ）参照）。ちなみに、分圧比が一定の場合、電動機３が低回転数の場合には逆起電圧が低くなるので正弦波ＳＷ２の振幅は小さくなり（図５（ｂ）参照）、高回転数の場合には逆起電圧が高くなるので正弦波ＳＷ３の振幅は大きくなる（図５（ｃ）参照）。
【００２４】
電動機３では、正弦波ＳＷ１の振幅の頂点ＳＷａと分圧波ＶＷの上側アームの通電区間ＶＷａの中心点ＶＷａ１とが一致している場合（正弦波ＳＷ１の位相と分圧波ＶＷの位相とが一致している場合）に（図５（ａ）参照）、電動機３のロータの位置に応じて巻線３ａ，３ｂ，３ｃに正確なタイミングで電力が供給されている。そこで、運転制御装置６では、頂点ＳＷａと中心点ＶＷａ１とを一致させるための制御を行っている。
【００２５】
そのために、位置検出回路６ｂでは、分圧波ＶＷの振幅の中心線ＣＬで分断されて非通電区間ＶＷｃに形成される２つの三角形Ｔ１（斜線部分），Ｔ２（斜線部分）の面積を求め（図５（ａ）参照）、この２つの面積差を算出している。この面積差は、電動機３のロータの位置に対する巻線３ａ，３ｂ，３ｃに電力を供給するタイミングとのずれを示しており、電動機３のロータの位置情報に相当する。したがって、面積差がゼロの場合、電動機３のロータの位置と巻線３ａ，３ｂ，３ｃへの電力供給タイミングとにずれがない。なお、面積差は、プラス／マイナスで表され、プラスとマイナスにより三角形Ｔ１の面積と三角形Ｔ２の面積との大小関係も示す。
【００２６】
三角形Ｔ１，Ｔ２の面積が同一の面積になると頂点ＳＷａと中心点ＶＷａ１とが一致するので、コントローラＩＣ６ａでは、位置検出手段６ｂで求めた面積差の大きさ及びプラス／マイナスに基づいて、面積差がゼロになるように、ＶＣＯの各パルスの立ち上がりタイミングを設定している。
【００２７】
ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃは、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子に接続され、その各端子の電圧をゲインに応じて各々分圧する。ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、コントローラＩＣ６ａからＶＣＯを取り入れ、上側アームの通電区間ＶＷａ以外の区間では、ＶＣＯの周波数（すなわち、電動機３の回転数）に応じてゲイン（分圧比）を変える。ゲインは、予め実験等によって設定されたマップＭＰに基づいて（図４参照）、ＶＣＯの周波数が高いほど小さい値が設定される。したがって、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、電動機３の回転数が高いほどゲインを小さくし、回転数が低いほどゲインを大きくする。そのため、電動機３が高回転の場合、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから出力される非通電区間ＶＷｃの各分圧は、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧が高いにも拘わらず、ゲインが小さくなるので、分圧としては逆起電圧に応じた高い電圧にはならない。一方、電動機３が低回転の場合、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから出力される非通電区間ＶＷｃの各分圧は、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧が低いにも拘わらず、ゲインが大きくなるので、分圧としては逆起電圧に応じた低い電圧にはならない。ちなみに、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから出力される下側アームの通電区間ＶＷｂの各分圧は、グランド電圧（０Ｖ）である。
【００２８】
なお、マップＭＰに設定されているゲインは、非通電区間ＶＷｃにおける分圧の変化をコントローラＩＣ６ａの分解能で十分に検出できるような分圧となるような値に設定されている。
【００２９】
また、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを取り入れ、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて上側アームが通電区間ＶＷａの場合（上側アームに対するゲート信号が１の場合）にはコントローラＩＣ６ａに入力される分圧がコントローラＩＣ６ａの許容電圧を超えないような一定のゲインに変える。したがって、上側アームの通電区間ＶＷａでは、コントローラＩＣ６ａに入力される巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の各分圧は、インバータ５の電源電圧に一定のゲインで分圧した電圧となる。ちなみに、上側アームの通電区間ＶＷａでは、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子の電圧はインバータ５の電源電圧となるので、ゲインが大きいと分圧として高い電圧が出力され、コントローラＩＣ６ａの許容電圧を超える恐れがある。そこで、電動機３が低回転の場合でも大きいゲインとならないように、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、上側アームの通電区間ＶＷａの場合には、一定の小さいなゲイン（高回転時に設定されるゲイン）としている。
【００３０】
図１乃至図５を参照して、電動機３によるターボチャージャ２の過給圧のアシスト時における電動機付ターボチャージャシステム１の動作について説明する。
【００３１】
加速時に、エンジンＥＣＵでは、ターボチャージャ２の実際の過給圧と加速に応じた目標の過給圧とに基づいて電動機３によるアシストで必要な過給圧を求め、その指令値を運転制御装置６に送信する。
【００３２】
運転制御装置６のコントローラＩＣ６ａでは、エンジンＥＣＵからの指令値に基づいてＶＣＯの周波数を設定する。
【００３３】
また、運転制御装置６の位置検出回路６ｂでは、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧をＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから各々取り入れる。ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、上側アームの通電区間ＶＷａでは一定の小さなゲインに設定し，上側アームの通電区間ＶＷａ以外の区間ではＶＣＯの周波数に応じて周波数が大きいほど小さなゲインを設定する。したがって、位置検出回路６ｂには、電動機３の回転数に関係なく、分圧波ＶＷの非通電区間ＶＷｃにおける分圧の変化に応じて形成される正弦波ＳＷ１の振幅が略一定となるような分圧が入力される（図５（ａ）参照）。ちなみに、ＶＣＯの周波数に応じてゲインを設定しない場合、電動機３が低回転の場合には図５（ｂ）に示すように正弦波ＳＷ２の振幅が小さくなり、電動機３が高回転の場合には図５（ｃ）に示すように正弦波ＳＷ３の振幅が大きくなる。
【００３４】
位置検出回路６ｂでは、図５（ａ）に示す非通電区間ＶＷｃの２つの三角形Ｔ１，Ｔ２の面積を求め、さらに、その２つの面積Ｔ１、Ｔ２の面積差を算出する。
【００３５】
そして、コントローラＩＣ６ａでは、面積差がゼロになるように、ＶＣＯの各パルスの立ち上がりを設定し、図３に示すＶＣＯを生成する。さらに、コントローラＩＣ６ａでは、ＶＣＯに基づいて、図３に示す６つのゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを生成し、インバータ５に送信する。
【００３６】
インバータ５では、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて上側アームをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に通電するとともに下側アームもＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に通電し、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃに電力を順次供給する。
【００３７】
すると、電動機３では、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃに磁界が順次発生し、永久磁石が設けられたロータがＶＣＯの周波数に応じた回転数で回転する。この電動機３の回転によってターボチャージャ２がアシストされ、過給圧が増加する。
【００３８】
この運転制御装置６によれば、ＶＣＯの周波数（電動機３の回転数）に応じてＡＧＣ６ｃのゲインを変更するので、非通電区間ＶＷｃに検出される逆起電圧の分圧の変化幅を電動機３の回転数が変化しても略一定とすることができる。そのため、運転制御装置６では、電動機３の回転数に関係なく、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧を利用してロータの位置情報を検出することができる。したがって、運転制御装置６では、電動機３の低回転から高回転にわたる全回転領域において同じ制御により、電動機３の駆動をスムーズに制御できる。
【００３９】
また、この運転制御装置６では、上側アームの通電区間ＶＷａの場合、ＡＧＣ６ｃのゲインを一定の小さい値としているので、コントローラＩＣ６ａにはその許容電圧を超えるような分圧が入力されない。
【００４０】
次に、第２の実施の形態について説明する。図２乃至図６を参照して、電動機付ターボチャージャシステム１１の構成について説明する。図６は、第２の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。電動機付ターボチャージャシステム１１は、第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステム１と分圧比（ゲイン）を変更するための構成及び動作が異なり、その他の構成及び動作については基本的には同様の構成及び動作を有する。なお、電動機付ターボチャージャシステム１１では、電動機付ターボチャージャシステム１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
電動機付ターボチャージャシステム１１は、ターボチャージャ２、電動機３、バッテリ４、インバータ５、運転制御装置１６を備えている。
【００４２】
運転制御装置１６は、電動機３の駆動を制御する装置である。運転制御装置１６では、エンジンＥＣＵからの電動機３によるアシスト量を示す指令値に基づいて電動機３の回転数を決定し、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆをインバータ５に出力する。その際、運転制御装置１６では、電動機３の３つの巻線３ａ〜３ｃのうちのいずれの巻線に電力を供給するかのタイミングを決定するために、電動機３のロータの位置（電気角）を検出している。さらに、運転制御装置１６では、電動機３の回転数に拘わらず電動機３のロータの位置を検出するために、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を取り出すための分圧比を電動機３の回転数に応じて２段階で変化させる。そのために、運転制御装置１６は、コントローラＩＣ１６ａ、位置検出手段としての位置検出回路１６ｂ、分圧手段としての切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃ及び分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄ、分圧比変更手段としての切換制御回路１６ｅを備えている。
【００４３】
コントローラＩＣ１６ａは、第１の実施の形態に係るコントローラ６ａと略同様の構成を有するが、内部に分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄを備えている。分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄは、一端が切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃに各々接続されるとともに、他端がグランドに接続されている。
【００４４】
位置検出回路１６ｂは、第１の実施の形態に係る位置検出回路６ｂと略同様の構成を有するが、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧として切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとの分圧比による分圧を取り入れる。位置検出回路１６ｂには、切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとの接続点が各々接続されている。
【００４５】
切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃは、一端が巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子に接続されるとともに他端が分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄに接続され、抵抗値が異なる２つの抵抗１６ｆ，１６ｇを各々備えている。抵抗１６ｆは抵抗値Ｒを有し、抵抗１６ｇは抵抗値ｒを有し、抵抗値Ｒは抵抗値ｒより大きな抵抗値である。切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃでは、切換制御回路１６ｅからの切換信号ＣＳ，ＣＳ，ＣＳに基づいて、高回転を示す信号の場合には抵抗１６ｆに切り換え、低回転を示す信号の場合には抵抗１６ｇに切り換える。したがって、電動機３が高回転の場合、抵抗１６ｆ，１６ｆ，１６ｆと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとによって分圧比は小さくなり、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子の電圧に対して小さな分圧が位置検出回路１６ｂに入力される。一方、電動機３が低回転の場合、抵抗１６ｇ，１６ｇ，１６ｇと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとによって分圧比は大きくなり、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子の電圧に対して大きな分圧が位置検出回路１６ｂに入力される。
【００４６】
切換制御回路１６ｅは、切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃの抵抗の切換制御を行う。切換制御回路１６ｅでは、コントローラＩＣ１６ａからＶＣＯを取り入れ、ＶＣＯの周波数が切換周波数よりも高い周波数の場合には切換信号ＣＳに高回転を示す信号を設定し、低い周波数の場合には切換信号ＣＳに低回転を示す信号を設定する。そして、切換制御回路１６ｅでは、切換信号ＣＳ，ＣＳ，ＣＳを切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃに各々送信する。切換周波数は、電動機３の回転数と逆起電圧とが１対１で対応して増加するので、切換抵抗器１６ｃが低回転時の抵抗１６ｇの場合に電動機３の回転数が増加していく過程でコントローラＩＣ１６ａにその許容電圧に相当する分圧が入力される前に、高回転時の抵抗１６ｆに切り換える周波数に設定される。例えば、電動機３の最大回転数が２０万回転程度なので、切換周波数はその半分の１０万回転程度に相当するＶＣＯの周波数とする。また、切換周波数には、電動機３の回転数が常時変動することを考慮して制御を安定させるために、ヒステリシスが設けられている。
【００４７】
また、切換制御回路１６ｅでは、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを取り入れ、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて上側アームが通電区間ＶＷａの場合（上側アームに対するゲート信号が１の場合）にはコントローラＩＣ１６ａに入力される分圧がコントローラＩＣ１６ａの許容電圧を超えないように、切換信号ＣＳに高回転を示す信号を設定する。したがって、上側アームの通電区間ＶＷａでは、コントローラＩＣ１６ａに入力される巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の各分圧は、インバータ５の電源電圧を抵抗１６ｆと抵抗１６ｄとで分圧した電圧である。ちなみに、上側アームの通電区間ＶＷａでは、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子の電圧はインバータ５の電源電圧となるので、小さい抵抗値の抵抗１６ｇで分圧すると分圧として高い電圧が出力され、コントローラＩＣ１６ａの許容電圧を超える恐れがある。そこで、電動機３が低回転の場合でも抵抗１６ｇに切り換らないように、切換制御回路１６ｅでは、上側アームの通電区間ＶＷａの場合には、高回転時の抵抗１６ｆに切り換える。
【００４８】
図２乃至図６を参照して、電動機３によるターボチャージャ２の過給圧のアシスト時における電動機付ターボチャージャシステム１１の動作について説明する。
【００４９】
加速時に、エンジンＥＣＵでは、ターボチャージャ２の実際の過給圧と加速に応じた目標の過給圧とに基づいて電動機３によるアシストで必要な過給圧を求め、その指令値を運転制御装置１６に送信する。
【００５０】
運転制御装置１６のコントローラＩＣ１６ａでは、エンジンＥＣＵからの指令値に基づいてＶＣＯの周波数を設定する。
【００５１】
また、運転制御装置１６の位置検出回路１６ｂでは、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとの接続点から各々取り入れる。切換制御回路１６ｅでは、上側アームの通電区間ＶＷａでは切換信号ＣＳに高回転を示す信号を設定し，上側アームの通電区間ＶＷａ以外の区間では上記した切換周波数（ヒステリシス有り）とＶＣＯの周波数とに基づいて切換信号ＣＳに高回転を示す信号又は低回転を示す信号を設定する。そして、切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃでは、切換信号ＣＳに基づいて、高回転を示す信号の場合には抵抗１６ｆに切り換え、低回転を示す信号の場合には抵抗１６ｇに切り換える。したがって、位置検出回路１６ｃには、高回転側での小さい分圧比と低回転側での大きな分圧比との２段階のうちのいずれかの分圧比による分圧が入力される。
【００５２】
電動機付ターボチャージャシステム１１における以降の動作は、第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステム１と同様の動作であり、その説明を省略する。
【００５３】
この運転制御装置１６によれば、切換制御回路１６ｅによってＶＣＯの周波数（電動機３の回転数）に応じて切換抵抗器１６ｃにおける抵抗値の異なる抵抗１６ｆと抵抗１６ｇとを切り換えるので、非通電区間ＶＷｃで検出される分圧の変化幅の増減を電動機３の回転数が変化しても小さい範囲に抑えることができる。そのため、運転制御装置１６では、電動機３の回転数に関係なく、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧を利用してロータの位置情報を検出することができる。したがって、運転制御装置１６では、電動機３の低回転から高回転にわたる全回転領域において同じ制御により、電動機３の駆動をスムーズに制御できる。
【００５４】
また、この運転制御装置１６では、上側アームの通電区間ＶＷａの場合、切換制御回路１６ｅによって切換抵抗器１６ｃの抵抗を抵抗１６ｆに強制的に切り換えるので、コントローラＩＣ１６ａにはその許容電圧を超えるような分圧が入力されない。
【００５５】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では電動機付ターボチャージャシステムの電動機に適用したが、ガスタービン等の他の電動機にも適用可能である。
また、本実施の形態ではＡＧＣにより分圧比を無段階で変化させたが、可変抵抗器等の他の手段により分圧比を無段階で変化させてもよい。また、２つの抵抗を切り替えることによって分圧比を２段階で変化させたが、３段階等の他の複数段階で変化させてもよい。
また、本実施の形態ではＶＣＯの周波数を電動機の回転数として用いたが、電動機の回転をセンサで検出した回転数等を用いてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、巻線の端子の電圧を分圧として取り出す際の分圧比を電動機の回転数に応じて変更するので、高回転時に生じる逆起電圧の分圧と低回転時に生じる逆起電圧の分圧との電圧差を小さくでき、電動機の回転数に関係なく逆起電圧に基づいて回転子の位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。
【図２】本実施の形態に係るインバータの構成図である。
【図３】本実施の形態に係るコントローラＩＣにおける制御信号及び電動機の各相の巻線の通電／非通電を示す波形である。
【図４】図１のＡＧＣにおけるＶＣＯ周波数に対する設定ゲインを示すマップである。
【図５】本実施の形態に係る電動機の巻線の端子電圧の分圧の時間変化を示す波形であり、（ａ）が回転数に応じた分圧比制御を行った場合の分圧波であり、（ｂ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の低回転時の分圧波であり、（ｃ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の高回転時の分圧波である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。
【符号の説明】
１，１１…電動機付ターボチャージャシステム、２…ターボチャージャ、２ａ…タービンホイール、２ｂ…コンプレッサホイール、２ｃ…シャフト、３…電動機、３ａ〜３ｃ…巻線、４…バッテリ、５…インバータ、５ａ〜５ｆ…ＦＥＴ、６，１６…運転制御装置、６ａ，１６ａ…コントローラＩＣ、６ｂ，１６ｂ…位置検出回路、６ｃ…ＡＧＣ、１６ｃ…切換抵抗器、１６ｄ…分圧抵抗、１６ｅ…切換制御回路、１６ｆ，１６ｇ…抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサレスで回転子の位置を検出する電動機の運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータは、各相の巻線に電力を順次供給し、各相の巻線による磁界と永久磁石（回転子）による磁界との相互作用により回転子を回転させる。その際、同期モータでは、いずれの相の巻線に電力を供給するかのタイミングを決定するために、回転子の位置（電気角）を正確に検出する必要がある。その検出方法の一つとして、センサを用いずに、各相の巻線の端子に生じる逆起電圧を利用して位置を検出する方法がある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１７７７８８号公報
【特許文献２】
米国特許第４９２８０４３号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている検出方法では、同期モータの回転数が高回転時には逆起電力を利用して電気角を検出するが、低回転時には逆起電力が低下するので、異なる相間の巻線のインダクタンスの相違を利用して電気角を検出する。そのため、高回転時と低回転時とで回転子の電気角の検出方法が異なり、高回転時と低回転時との制御性が変化する。
【０００５】
そこで、本発明は、電動機の回転数に関係なく同一の方法により回転子の位置検出を行うことができる電動機の運転制御装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電動機の運転制御装置は、巻線による磁界と磁石による磁界との相互作用により回転子を回転させる電動機を制御する運転制御装置において、巻線の端子に生じる逆起電圧に基づいて、回転子の位置を検出する位置検出手段と、巻線の端子の電圧を分圧し、該分圧を位置検出手段に供給する分圧手段と、電動機の駆動装置の上側アームが通電される場合に分圧手段の分圧比を高回転に応じた分圧比とし、電動機の駆動装置の上側アームが通電されない場合に分圧手段の分圧比を電動機の回転数に応じて変更する分圧比変更手段とを備えることを特徴とする。さらに、本発明の上記電動機の運転制御装置では、分圧比変更手段は、電動機の回転数と切換回転数とを比較し、当該比較結果に基づいて複数の抵抗を切り換えて分圧手段の分圧比を変更し、切換回転数は、ヒステリシスを有する構成としてもよい。
【０００７】
この電動機の運転制御装置では、分圧手段によって巻線の端子の電圧を分圧する。そして、運転制御装置では、位置検出手段によって分圧手段からの分圧における巻線の端子に生じる逆起電圧の分圧に基づいて回転子の位置を検出する。この際、運転制御装置では、分圧比変更手段によって分圧手段での分圧比を電動機の回転数が高回転側では小さな分圧比に変更し、低回転側では大きな分圧比に変更する。そのため、運転制御装置では、分圧比を一定にする場合に比べて高回転時に生じる逆起電圧の分圧を小さくできるとともに低回転時に生じる逆起電圧の分圧を大きくできるので、電動機の回転数に拘わらず逆起電圧に基づいて回転子の位置を検出することができる。
【０００８】
本発明の上記電動機の運転制御装置は、分圧比変更手段を電動機の駆動装置の上側アームが通電される場合に高回転に応じた分圧比とするように構成してもよい。
【０００９】
電動機の駆動装置では、電動機の各相の巻線に対して設けられた上側アーム及び下側アームでの通電／非通電によって、各相の巻線に電力を順次供給している。運転制御装置では、分圧比変更手段によって駆動装置の上側アームが通電される場合に高回転での分圧比に変更して分圧を低くする。そのため、位置検出手段に供給される分圧は、位置検出手段の最大許容電圧を超えない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る電動機の運転制御装置の実施の形態を説明する。
【００１１】
本発明は、電動機の全回転領域で回転子の位置を巻線の端子に生じる逆起電圧に基づいて検出するために、逆起電圧の分圧の変動を小さくする。そのために、本発明では、巻線の端子電圧を分圧で検出する際の分圧比を電動機の回数数に応じて変更する。
【００１２】
本実施の形態では、本発明に係る電動機の運転制御装置を、自動車に搭載される電動機付ターボチャージャシステムにおける電動機の運転制御装置に適用する。本実施の形態では、分圧比の変更段階数が異なる２つの実施の形態がある。第１の実施の形態では、無段階で分圧比（ゲイン）を変更する。第２の実施の形態では、２段階で分圧比を変更する。
【００１３】
まず、第１の実施の形態について説明する。図１乃至図５を参照して、電動機付ターボチャージャシステム１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。図２は、インバータの構成図である。図３は、コントローラＩＣにおける制御信号及び電動機の各相の巻線の通電／非通電を示す波形である。図４は、ＡＧＣにおけるＶＣＯ周波数に対する設定ゲインを示すマップである。図５は、電動機の巻線の端子電圧の分圧の時間変化を示す波形であり、（ａ）が回転数に応じた分圧比制御を行った場合の分圧波であり、（ｂ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の低回転時の分圧波であり、（ｃ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の高回転時の分圧波である。
【００１４】
電動機付ターボチャージャシステム１は、自動車に搭載され、エンジン（図示せず）の吸入空気量をターボチャージャ２で過給する。また、電動機付ターボチャージャシステム１は、低回転域の過給圧の立ち上がりを向上させるために、電動機３によって強制的にタービンを駆動して所望の過給圧を得る。さらに、電動機付ターボチャージャシステム１では、電動機３が発電機としても機能し、減速時等にバッテリ４を充電する。そのために、電動機付ターボチャージャシステム１は、ターボチャージャ２、電動機３、バッテリ４、電動機の駆動装置としてのインバータ５、運転制御装置６を備えている。
【００１５】
ターボチャージャ２は、エンジンからの排気エネルギを利用して過給圧を上げる。ターボチャージャ２では、エンジンの排気通路側にタービンホイール２ａ、吸気通路側にコンプレッサホイール２ｂが配設されており、両ホイールがシャフト２ｃで連結されている。このシャフト２ｃの中央部には、電動機３の一構成要素であるロータ（図示せず）が固定されている。
【００１６】
電動機３は、永久磁石同期型の三相交流モータであり、ターボチャージャ２の過給圧をアシストするとともに回生時にはバッテリ４を充電する。電動機３は、回転子としてのロータの周囲にステータ（図示せず）が配設されている。ロータには、永久磁石が設けられている。ステータは、複数枚の積層鋼板に巻線を巻いたものであり、ターボチャージャ２のハウジングに対して固定されている。巻線には、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃがある（図２参照）。電動機３は、ロータ及びステータを主たる構成要素として、シャフト２ｃを出力軸としてターボチャージャ２のハウジングの内部に構築されている。電動機３では、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃに順次電力が供給されると磁界が順次発生し、このＵ相、Ｖ相、Ｗ相に順次発生する磁界とロータの永久磁石との磁界との相互作用によってロータが回転する。ちなみに、電動機３は、２０万回転程度の非常に高い回転数まで回転する。
【００１７】
インバータ５は、運転制御装置６からのゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃに電力を供給する。そのために、インバータ５は、６つのＦＥＴ[Field Effect Transistor]５ａ〜５ｆを備えており（図２参照）、ＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）を介してバッテリ４に接続されている。インバータ５では、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃに対して上側アーム及び下側アームを各々有しており、Ｕ相の巻線３ａに対しては上側アームにＦＥＴ５ａ及び下側アームにＦＥＴ５ｄが設けられ、Ｖ相の巻線３ｂに対しては上側アームにＦＥＴ５ｂ及び下側アームにＦＥＴ５ｅが設けられ、Ｗ相の巻線３ｃに対しては上側アームにＦＥＴ５ｃ及び下側アームにＦＥＴ５ｆが設けられている。
【００１８】
インバータ５による電力供給の一例として、Ｕ相の巻線３ａに対する電力供給について説明する。上側アームのＦＥＴ５ａはゲート信号Ｇａに基づいてオン／オフし、ゲート信号Ｇａが１の時にＦＥＴ５ａがオンして巻線３ａに電源電圧（１２Ｖ）を供給し、ゲート信号Ｇａが０の時にＦＥＴ５ａがオフする（図３参照）。一方、下側アームのＦＥＴ５ｄはゲート信号Ｇｄに基づいてオン／オフし、ゲート信号Ｇｄが１の時にＦＥＴ５ｄがオンして巻線３ａにはＦＥＴ５ｄを介してグランド（０Ｖ）が接続され、ゲート信号Ｇｄが０の時にＦＥＴ５ｄがオフする（図３参照）。
【００１９】
運転制御装置６は、電動機３の駆動を制御する装置である。運転制御装置６では、エンジンＥＣＵ[Electronic Control Unit]（図示せず）からの電動機３によるアシスト量を示す指令値に基づいて電動機３の目標回転数を決定し、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆをインバータ５に出力する。その際、運転制御装置６では、電動機３の３つの巻線３ａ〜３ｃのうちのいずれの巻線に電力を供給するかのタイミングを決定するために、電動機３のロータの位置（電気角）を検出している。さらに、運転制御装置６では、電動機３の回転数に拘わらず電動機３のロータの位置を検出するために、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を取り出す際の分圧比を電動機３の回転数に応じて無段階で変化させる。そのために、運転制御装置６は、コントローラＩＣ[Integrated Circuit]６ａ、位置検出手段としての位置検出回路６ｂ、分圧手段及び分圧比変更手段としてのＡＧＣ[Automatic Gain Control]６ｃ，６ｃ，６ｃを備えている。
【００２０】
コントローラＩＣ６ａは、エンジンＥＣＵからの電動機３によるアシスト量を示す指令値に基づいて、ＶＣＯ[Voltage Controlled Oscillator]の周波数（電動機３の回転数に相当）を決定する。さらに、コントローラＩＣ６ａでは、位置検出回路６ｂで検出した電動機３のロータの位置情報に基づいて、ＶＣＯの各パルスの立ち上がりを設定し、ＶＣＯを生成する。ＶＣＯは、１（コントローラＩＣ６ａの電源電圧）／０（グランド電圧）のパルス信号であり、電動機３の１回転当たり６つの周期からなる（図３参照）。
【００２１】
さらに、コントローラＩＣ６ａでは、位置検出回路６ｂで検出した電動機３のロータの位置情報及びＶＣＯに基づいて、６つのゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを生成する（図３参照）。ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆは、インバータ５のＦＥＴ５ａ〜５ｆをオン／オフするための信号であり、１（コントローラＩＣ６ａの電源電圧）／０（グランド電圧）のパルス信号である。ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆは、ＶＣＯの６周期のうち２周期分（電動機３の位相としては１２０°分）が１であり、他の４周期分が０である。ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆにおける１となる２周期間は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順で変わり、同相の上側アームと下側アームとでは上側アームが１の区間から１周期分経過した後に下側アームが１となる。
【００２２】
位置検出回路６ｂは、コントローラＩＣ６ｂ内に構成され、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を各々取り入れる。この分圧の時間変化を示す分圧波ＶＷは、上側アームに対するゲート信号の１の区間が上側アームの通電区間ＶＷａとなり、下側アームに対するゲート信号の１の区間が下側アームの通電区間ＶＷｂとなり、上側アーム及び下側アームに対するゲート信号が共に０の区間が非通電区間ＶＷｃとなる（図５（ａ）参照）。上側アームの通電区間ＶＷａでは、インバータ５の電源電圧の分圧が出力される。下側アームの通電区間ＶＷｂでは、グランド電圧が分圧として出力される。非通電区間ＶＷｃでは、上側アーム及び下側アームから電力が供給されないので、電動機３の回転数に応じて発生した発電電圧（逆起電圧）の分圧が出力される。非通電区間ＶＷｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相で順に変わり、その時間変化としては通電／非通電波ＮＥａ，ＮＥｂ，ＮＥｃとなる（図３参照）。なお、逆起電圧は、電動機３の回転数が高くなるほど高くなり、回転数が低くなるほど低くなる。
【００２３】
分圧は、非通電区間ＶＷｃでのみ時間とともに電圧が変化する。この電圧変化は、周期的な変化であり、正弦波ＳＷ１で表すことができる（図５（ａ）参照）。ちなみに、分圧比が一定の場合、電動機３が低回転数の場合には逆起電圧が低くなるので正弦波ＳＷ２の振幅は小さくなり（図５（ｂ）参照）、高回転数の場合には逆起電圧が高くなるので正弦波ＳＷ３の振幅は大きくなる（図５（ｃ）参照）。
【００２４】
電動機３では、正弦波ＳＷ１の振幅の頂点ＳＷａと分圧波ＶＷの上側アームの通電区間ＶＷａの中心点ＶＷａ１とが一致している場合（正弦波ＳＷ１の位相と分圧波ＶＷの位相とが一致している場合）に（図５（ａ）参照）、電動機３のロータの位置に応じて巻線３ａ，３ｂ，３ｃに正確なタイミングで電力が供給されている。そこで、運転制御装置６では、頂点ＳＷａと中心点ＶＷａ１とを一致させるための制御を行っている。
【００２５】
そのために、位置検出回路６ｂでは、分圧波ＶＷの振幅の中心線ＣＬで分断されて非通電区間ＶＷｃに形成される２つの三角形Ｔ１（斜線部分），Ｔ２（斜線部分）の面積を求め（図５（ａ）参照）、この２つの面積差を算出している。この面積差は、電動機３のロータの位置に対する巻線３ａ，３ｂ，３ｃに電力を供給するタイミングとのずれを示しており、電動機３のロータの位置情報に相当する。したがって、面積差がゼロの場合、電動機３のロータの位置と巻線３ａ，３ｂ，３ｃへの電力供給タイミングとにずれがない。なお、面積差は、プラス／マイナスで表され、プラスとマイナスにより三角形Ｔ１の面積と三角形Ｔ２の面積との大小関係も示す。
【００２６】
三角形Ｔ１，Ｔ２の面積が同一の面積になると頂点ＳＷａと中心点ＶＷａ１とが一致するので、コントローラＩＣ６ａでは、位置検出手段６ｂで求めた面積差の大きさ及びプラス／マイナスに基づいて、面積差がゼロになるように、ＶＣＯの各パルスの立ち上がりタイミングを設定している。
【００２７】
ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃは、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子に接続され、その各端子の電圧をゲインに応じて各々分圧する。ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、コントローラＩＣ６ａからＶＣＯを取り入れ、上側アームの通電区間ＶＷａ以外の区間では、ＶＣＯの周波数（すなわち、電動機３の回転数）に応じてゲイン（分圧比）を変える。ゲインは、予め実験等によって設定されたマップＭＰに基づいて（図４参照）、ＶＣＯの周波数が高いほど小さい値が設定される。したがって、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、電動機３の回転数が高いほどゲインを小さくし、回転数が低いほどゲインを大きくする。そのため、電動機３が高回転の場合、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから出力される非通電区間ＶＷｃの各分圧は、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧が高いにも拘わらず、ゲインが小さくなるので、分圧としては逆起電圧に応じた高い電圧にはならない。一方、電動機３が低回転の場合、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから出力される非通電区間ＶＷｃの各分圧は、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧が低いにも拘わらず、ゲインが大きくなるので、分圧としては逆起電圧に応じた低い電圧にはならない。ちなみに、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから出力される下側アームの通電区間ＶＷｂの各分圧は、グランド電圧（０Ｖ）である。
【００２８】
なお、マップＭＰに設定されているゲインは、非通電区間ＶＷｃにおける分圧の変化をコントローラＩＣ６ａの分解能で十分に検出できるような分圧となるような値に設定されている。
【００２９】
また、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを取り入れ、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて上側アームが通電区間ＶＷａの場合（上側アームに対するゲート信号が１の場合）にはコントローラＩＣ６ａに入力される分圧がコントローラＩＣ６ａの許容電圧を超えないような一定のゲインに変える。したがって、上側アームの通電区間ＶＷａでは、コントローラＩＣ６ａに入力される巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の各分圧は、インバータ５の電源電圧に一定のゲインで分圧した電圧となる。ちなみに、上側アームの通電区間ＶＷａでは、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子の電圧はインバータ５の電源電圧となるので、ゲインが大きいと分圧として高い電圧が出力され、コントローラＩＣ６ａの許容電圧を超える恐れがある。そこで、電動機３が低回転の場合でも大きいゲインとならないように、ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、上側アームの通電区間ＶＷａの場合には、一定の小さいなゲイン（高回転時に設定されるゲイン）としている。
【００３０】
図１乃至図５を参照して、電動機３によるターボチャージャ２の過給圧のアシスト時における電動機付ターボチャージャシステム１の動作について説明する。
【００３１】
加速時に、エンジンＥＣＵでは、ターボチャージャ２の実際の過給圧と加速に応じた目標の過給圧とに基づいて電動機３によるアシストで必要な過給圧を求め、その指令値を運転制御装置６に送信する。
【００３２】
運転制御装置６のコントローラＩＣ６ａでは、エンジンＥＣＵからの指令値に基づいてＶＣＯの周波数を設定する。
【００３３】
また、運転制御装置６の位置検出回路６ｂでは、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧をＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃから各々取り入れる。ＡＧＣ６ｃ，６ｃ，６ｃでは、上側アームの通電区間ＶＷａでは一定の小さなゲインに設定し，上側アームの通電区間ＶＷａ以外の区間ではＶＣＯの周波数に応じて周波数が大きいほど小さなゲインを設定する。したがって、位置検出回路６ｂには、電動機３の回転数に関係なく、分圧波ＶＷの非通電区間ＶＷｃにおける分圧の変化に応じて形成される正弦波ＳＷ１の振幅が略一定となるような分圧が入力される（図５（ａ）参照）。ちなみに、ＶＣＯの周波数に応じてゲインを設定しない場合、電動機３が低回転の場合には図５（ｂ）に示すように正弦波ＳＷ２の振幅が小さくなり、電動機３が高回転の場合には図５（ｃ）に示すように正弦波ＳＷ３の振幅が大きくなる。
【００３４】
位置検出回路６ｂでは、図５（ａ）に示す非通電区間ＶＷｃの２つの三角形Ｔ１，Ｔ２の面積を求め、さらに、その２つの面積Ｔ１、Ｔ２の面積差を算出する。
【００３５】
そして、コントローラＩＣ６ａでは、面積差がゼロになるように、ＶＣＯの各パルスの立ち上がりを設定し、図３に示すＶＣＯを生成する。さらに、コントローラＩＣ６ａでは、ＶＣＯに基づいて、図３に示す６つのゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを生成し、インバータ５に送信する。
【００３６】
インバータ５では、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて上側アームをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に通電するとともに下側アームもＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に通電し、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃに電力を順次供給する。
【００３７】
すると、電動機３では、Ｕ相の巻線３ａ、Ｖ相の巻線３ｂ、Ｗ相の巻線３ｃに磁界が順次発生し、永久磁石が設けられたロータがＶＣＯの周波数に応じた回転数で回転する。この電動機３の回転によってターボチャージャ２がアシストされ、過給圧が増加する。
【００３８】
この運転制御装置６によれば、ＶＣＯの周波数（電動機３の回転数）に応じてＡＧＣ６ｃのゲインを変更するので、非通電区間ＶＷｃに検出される逆起電圧の分圧の変化幅を電動機３の回転数が変化しても略一定とすることができる。そのため、運転制御装置６では、電動機３の回転数に関係なく、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧を利用してロータの位置情報を検出することができる。したがって、運転制御装置６では、電動機３の低回転から高回転にわたる全回転領域において同じ制御により、電動機３の駆動をスムーズに制御できる。
【００３９】
また、この運転制御装置６では、上側アームの通電区間ＶＷａの場合、ＡＧＣ６ｃのゲインを一定の小さい値としているので、コントローラＩＣ６ａにはその許容電圧を超えるような分圧が入力されない。
【００４０】
次に、第２の実施の形態について説明する。図２乃至図６を参照して、電動機付ターボチャージャシステム１１の構成について説明する。図６は、第２の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。電動機付ターボチャージャシステム１１は、第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステム１と分圧比（ゲイン）を変更するための構成及び動作が異なり、その他の構成及び動作については基本的には同様の構成及び動作を有する。なお、電動機付ターボチャージャシステム１１では、電動機付ターボチャージャシステム１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
電動機付ターボチャージャシステム１１は、ターボチャージャ２、電動機３、バッテリ４、インバータ５、運転制御装置１６を備えている。
【００４２】
運転制御装置１６は、電動機３の駆動を制御する装置である。運転制御装置１６では、エンジンＥＣＵからの電動機３によるアシスト量を示す指令値に基づいて電動機３の回転数を決定し、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆをインバータ５に出力する。その際、運転制御装置１６では、電動機３の３つの巻線３ａ〜３ｃのうちのいずれの巻線に電力を供給するかのタイミングを決定するために、電動機３のロータの位置（電気角）を検出している。さらに、運転制御装置１６では、電動機３の回転数に拘わらず電動機３のロータの位置を検出するために、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を取り出すための分圧比を電動機３の回転数に応じて２段階で変化させる。そのために、運転制御装置１６は、コントローラＩＣ１６ａ、位置検出手段としての位置検出回路１６ｂ、分圧手段としての切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃ及び分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄ、分圧比変更手段としての切換制御回路１６ｅを備えている。
【００４３】
コントローラＩＣ１６ａは、第１の実施の形態に係るコントローラ６ａと略同様の構成を有するが、内部に分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄを備えている。分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄは、一端が切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃに各々接続されるとともに、他端がグランドに接続されている。
【００４４】
位置検出回路１６ｂは、第１の実施の形態に係る位置検出回路６ｂと略同様の構成を有するが、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧として切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとの分圧比による分圧を取り入れる。位置検出回路１６ｂには、切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとの接続点が各々接続されている。
【００４５】
切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃは、一端が巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子に接続されるとともに他端が分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄに接続され、抵抗値が異なる２つの抵抗１６ｆ，１６ｇを各々備えている。抵抗１６ｆは抵抗値Ｒを有し、抵抗１６ｇは抵抗値ｒを有し、抵抗値Ｒは抵抗値ｒより大きな抵抗値である。切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃでは、切換制御回路１６ｅからの切換信号ＣＳ，ＣＳ，ＣＳに基づいて、高回転を示す信号の場合には抵抗１６ｆに切り換え、低回転を示す信号の場合には抵抗１６ｇに切り換える。したがって、電動機３が高回転の場合、抵抗１６ｆ，１６ｆ，１６ｆと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとによって分圧比は小さくなり、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子の電圧に対して小さな分圧が位置検出回路１６ｂに入力される。一方、電動機３が低回転の場合、抵抗１６ｇ，１６ｇ，１６ｇと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとによって分圧比は大きくなり、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端子の電圧に対して大きな分圧が位置検出回路１６ｂに入力される。
【００４６】
切換制御回路１６ｅは、切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃの抵抗の切換制御を行う。切換制御回路１６ｅでは、コントローラＩＣ１６ａからＶＣＯを取り入れ、ＶＣＯの周波数が切換周波数よりも高い周波数の場合には切換信号ＣＳに高回転を示す信号を設定し、低い周波数の場合には切換信号ＣＳに低回転を示す信号を設定する。そして、切換制御回路１６ｅでは、切換信号ＣＳ，ＣＳ，ＣＳを切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃに各々送信する。切換周波数は、電動機３の回転数と逆起電圧とが１対１で対応して増加するので、切換抵抗器１６ｃが低回転時の抵抗１６ｇの場合に電動機３の回転数が増加していく過程でコントローラＩＣ１６ａにその許容電圧に相当する分圧が入力される前に、高回転時の抵抗１６ｆに切り換える周波数に設定される。例えば、電動機３の最大回転数が２０万回転程度なので、切換周波数はその半分の１０万回転程度に相当するＶＣＯの周波数とする。また、切換周波数には、電動機３の回転数が常時変動することを考慮して制御を安定させるために、ヒステリシスが設けられている。
【００４７】
また、切換制御回路１６ｅでは、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを取り入れ、ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて上側アームが通電区間ＶＷａの場合（上側アームに対するゲート信号が１の場合）にはコントローラＩＣ１６ａに入力される分圧がコントローラＩＣ１６ａの許容電圧を超えないように、切換信号ＣＳに高回転を示す信号を設定する。したがって、上側アームの通電区間ＶＷａでは、コントローラＩＣ１６ａに入力される巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の各分圧は、インバータ５の電源電圧を抵抗１６ｆと抵抗１６ｄとで分圧した電圧である。ちなみに、上側アームの通電区間ＶＷａでは、巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子の電圧はインバータ５の電源電圧となるので、小さい抵抗値の抵抗１６ｇで分圧すると分圧として高い電圧が出力され、コントローラＩＣ１６ａの許容電圧を超える恐れがある。そこで、電動機３が低回転の場合でも抵抗１６ｇに切り換らないように、切換制御回路１６ｅでは、上側アームの通電区間ＶＷａの場合には、高回転時の抵抗１６ｆに切り換える。
【００４８】
図２乃至図６を参照して、電動機３によるターボチャージャ２の過給圧のアシスト時における電動機付ターボチャージャシステム１１の動作について説明する。
【００４９】
加速時に、エンジンＥＣＵでは、ターボチャージャ２の実際の過給圧と加速に応じた目標の過給圧とに基づいて電動機３によるアシストで必要な過給圧を求め、その指令値を運転制御装置１６に送信する。
【００５０】
運転制御装置１６のコントローラＩＣ１６ａでは、エンジンＥＣＵからの指令値に基づいてＶＣＯの周波数を設定する。
【００５１】
また、運転制御装置１６の位置検出回路１６ｂでは、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子電圧の分圧を切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃと分圧抵抗１６ｄ，１６ｄ，１６ｄとの接続点から各々取り入れる。切換制御回路１６ｅでは、上側アームの通電区間ＶＷａでは切換信号ＣＳに高回転を示す信号を設定し，上側アームの通電区間ＶＷａ以外の区間では上記した切換周波数（ヒステリシス有り）とＶＣＯの周波数とに基づいて切換信号ＣＳに高回転を示す信号又は低回転を示す信号を設定する。そして、切換抵抗器１６ｃ，１６ｃ，１６ｃでは、切換信号ＣＳに基づいて、高回転を示す信号の場合には抵抗１６ｆに切り換え、低回転を示す信号の場合には抵抗１６ｇに切り換える。したがって、位置検出回路１６ｃには、高回転側での小さい分圧比と低回転側での大きな分圧比との２段階のうちのいずれかの分圧比による分圧が入力される。
【００５２】
電動機付ターボチャージャシステム１１における以降の動作は、第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステム１と同様の動作であり、その説明を省略する。
【００５３】
この運転制御装置１６によれば、切換制御回路１６ｅによってＶＣＯの周波数（電動機３の回転数）に応じて切換抵抗器１６ｃにおける抵抗値の異なる抵抗１６ｆと抵抗１６ｇとを切り換えるので、非通電区間ＶＷｃで検出される分圧の変化幅の増減を電動機３の回転数が変化しても小さい範囲に抑えることができる。そのため、運転制御装置１６では、電動機３の回転数に関係なく、電動機３の巻線３ａ，３ｂ，３ｃの端子に生じる逆起電圧を利用してロータの位置情報を検出することができる。したがって、運転制御装置１６では、電動機３の低回転から高回転にわたる全回転領域において同じ制御により、電動機３の駆動をスムーズに制御できる。
【００５４】
また、この運転制御装置１６では、上側アームの通電区間ＶＷａの場合、切換制御回路１６ｅによって切換抵抗器１６ｃの抵抗を抵抗１６ｆに強制的に切り換えるので、コントローラＩＣ１６ａにはその許容電圧を超えるような分圧が入力されない。
【００５５】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では電動機付ターボチャージャシステムの電動機に適用したが、ガスタービン等の他の電動機にも適用可能である。
また、本実施の形態ではＡＧＣにより分圧比を無段階で変化させたが、可変抵抗器等の他の手段により分圧比を無段階で変化させてもよい。また、２つの抵抗を切り替えることによって分圧比を２段階で変化させたが、３段階等の他の複数段階で変化させてもよい。
また、本実施の形態ではＶＣＯの周波数を電動機の回転数として用いたが、電動機の回転をセンサで検出した回転数等を用いてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、巻線の端子の電圧を分圧として取り出す際の分圧比を電動機の回転数に応じて変更するので、高回転時に生じる逆起電圧の分圧と低回転時に生じる逆起電圧の分圧との電圧差を小さくでき、電動機の回転数に関係なく逆起電圧に基づいて回転子の位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。
【図２】本実施の形態に係るインバータの構成図である。
【図３】本実施の形態に係るコントローラＩＣにおける制御信号及び電動機の各相の巻線の通電／非通電を示す波形である。
【図４】図１のＡＧＣにおけるＶＣＯ周波数に対する設定ゲインを示すマップである。
【図５】本実施の形態に係る電動機の巻線の端子電圧の分圧の時間変化を示す波形であり、（ａ）が回転数に応じた分圧比制御を行った場合の分圧波であり、（ｂ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の低回転時の分圧波であり、（ｃ）が回転数に応じた分圧比制御を行わない場合の高回転時の分圧波である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る電動機付ターボチャージャシステムの構成図である。
【符号の説明】
１，１１…電動機付ターボチャージャシステム、２…ターボチャージャ、２ａ…タービンホイール、２ｂ…コンプレッサホイール、２ｃ…シャフト、３…電動機、３ａ〜３ｃ…巻線、４…バッテリ、５…インバータ、５ａ〜５ｆ…ＦＥＴ、６，１６…運転制御装置、６ａ，１６ａ…コントローラＩＣ、６ｂ，１６ｂ…位置検出回路、６ｃ…ＡＧＣ、１６ｃ…切換抵抗器、１６ｄ…分圧抵抗、１６ｅ…切換制御回路、１６ｆ，１６ｇ…抵抗
Claims (2)
- 巻線による磁界と磁石による磁界との相互作用により回転子を回転させる電動機を制御する運転制御装置において、
前記巻線の端子に生じる逆起電圧に基づいて、前記回転子の位置を検出する位置検出手段と、
前記巻線の端子の電圧を分圧し、該分圧を前記位置検出手段に供給する分圧手段と、
前記電動機の駆動装置の上側アームが通電される場合に前記分圧手段の分圧比を高回転に応じた分圧比とし、前記電動機の駆動装置の上側アームが通電されない場合に前記分圧手段の分圧比を前記電動機の回転数に応じて変更する分圧比変更手段と
を備えることを特徴とする電動機の運転制御装置。 - 前記分圧比変更手段は、前記電動機の回転数と切換回転数とを比較し、当該比較結果に基づいて複数の抵抗を切り換えて前記分圧手段の分圧比を変更し、
前記切換回転数は、ヒステリシスを有することを特徴とする請求項１に記載する電動機の運転制御装置。
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