JP4663796B2

JP4663796B2 - 電動過給機駆動回路の制御装置

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Publication number: JP4663796B2
Application number: JP2009044418A
Authority: JP
Inventors: 貴哉武藤; 雅宏家澤; 秀哲有田; 秀之早乙女
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010196644A

Description

この発明は、エンジン(内燃機関)の吸気通路上に設けられ電動機で駆動される電動過給機の上記電動機を駆動する駆動回路の制御を行う電動過給機駆動回路の制御装置に関する。

従来より、エンジンの出力を増加させるために吸気通路上に電動機で駆動する過給機を設ける技術が知られている。この電動機はタービンとコンプレッサ軸上に配設され、運転状態に応じて電動機の駆動による過給圧の増大または排気エネルギーを利用した発電による電力回生をする特徴をもつ。

電動過給機の駆動回路は、車両を動かすような一般的な電動機に比べ回転数が高く、最適な過給を行うためには数ｋＷ以上の大電力が必要となる。このような高回転／大電力状態で連続運転を行った時には、バッテリからの直流電力をスイッチングする半導体素子や配線抵抗の損失によりこれらの温度が上昇し、これらの部品が破損したり、劣化が早まる可能性がある。

このような温度上昇の対策として、電力部に温度センサを取付け、その信号により通電のデュ−ティ比制御や通電停止を行うものがあった(例えば特許文献１参照)。

また、電力部品の作動温度の検出手段からの信号に応じ、通電制御や警告を発するものがあった(例えば特許文献２参照)。

特開平６−３４６７４８号公報特公平７−４７９３４号公報

しかしながら、従来の上記特許文献１の装置に関しては、通電のデュ−ティ比を制御しているため、通電時間の減少による温度上昇の低減は行えるが、半導体素子の通電回数は変わらないため、半導体素子のスイッチングによる損失は低減できておらず、十分な温度上昇の低減ができないという課題がある。また、前記制御によって生じるトルク不足を補う方法に関しては記されていない。

また上記特許文献２の装置に関しては、各部の温度センサにより異常過熱状態を検出するが、検出後の異常過熱状態の修復のための具体的な措置(通電制御の方法等)は記されていない。また、前記制御によって生じるトルク不足を補う方法も記されていない。

この発明は上記の課題に鑑み、トルク不足が生じることなく電動過給機駆動回路での温度上昇を抑制することを可能にした電動過給機駆動回路の制御装置を提供することを目的とする。

この発明は、電動過給機に取り付けられた電動機の駆動回路を制御する電動過給機駆動回路の制御装置であって、前記駆動回路の駆動状態を示す少なくとも１つの検出信号と予め記憶されたそれぞれの設定値との比較により駆動回路の過負荷状態を判定し駆動モードを駆動負荷抑制制御モードに切り換えるモード切換手段と、前記駆動負荷抑制制御モードでは、前記駆動回路のスイッチングを行う半導体素子に供給する所定間隔の制御パルス信号を間欠制御して供給する電機子供給電力制御手段と、前記駆動負荷抑制制御モードでは、電動機の界磁電流を増大させる界磁電流制御手段と、を備えたことを特徴とする電動過給機駆動回路の制御装置にある。

温度上昇を抑制するよう間欠制御を行い、前記制御によるトルク不足を界磁電流により補うことで、最適な過給が可能となる。

この発明の一実施の形態による電動過給機駆動回路の制御装置を含む内燃機関の制御システムの概略構成図である。図１の電動機とその駆動回路であるインバータ回路の回路構成図である。図１のインバータ制御装置の機能ブロック図である。インバータ制御装置の動作フローチャートである。この発明の一実施の形態における制御動作の一例を説明するための図である。

この発明による電動過給機駆動回路の制御装置では、温度上昇を抑制するよう間欠制御(通電を定期的に禁止する制御)を行い、同時に前記制御によるトルク不足を界磁電流を大きくすることにより補うことで、温度上昇を抑制し、適正温度内で、適正トルクを得ることができる。以下、この発明を各実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による電動過給機駆動回路の制御装置を含む内燃機関の制御システムの概略構成図である。図１において、エンジン１は後述する過給機１２により多くの吸入空気を過給して、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。

なお、適用されるエンジンは気筒数の制限はない。またエンジンの燃焼方式についても制限はなく、シリンダ内に燃料を噴射する直墳エンジン、およびスロットルバルブ９の下流のインテークマニホールド１０内に燃料を噴射するポート噴射エンジンに適用することも可能である。

エンジン１において、吸気通路１４から吸入された吸気は、過給機１２のコンプレッサ１１を介して圧縮され、インタークーラ８で冷却後、エンジンＥＣＵ(電子制御ユニット)２によって決定されるスロットルバルブ９の開度に応じてインテークマニホールド１０よりエンジン１内に吸入される。エンジン１で燃焼後の排気ガスは、エギゾーストマニホールド１６を介して排気通路１５から排出される。

電動機７０は三相交流モータで、排気ガスにより駆動される排気タービン１３と過給機１２の軸上にあり、駆動により過給圧を増大させる。排気ガスにより十分な回転数が得られる場合は排気エネルギーを利用した発電による電力回生を行う。

図２には図１の電動機７０とその駆動回路であるインバータ回路４の回路構成図を示す。電動機７０は例えばＵ，Ｖ，Ｗ各相の電機子巻線７ａと、界磁巻線７ｂ含み、界磁巻線７ｂに流れる電流により磁場が調整される。

インバータ回路４は、電動機７０のＹ結線された各電機子巻線７ａの中性点と反対側の端子をバッテリ５の正極端子(＋)と負極端子(−)とのそれぞれに接続する３対の(６つ)のパワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆ、および界磁巻線７ｂの電源端子側を同様にバッテリ５の正極端子(＋)と負極端子(−)とのそれぞれに接続する１対の(２つ)のパワーＭＯＳＦＥＴ(半導体素子)４ｇ，４ｈを備える。そしてパワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆの各ゲート端子Ｇａ〜Ｇｆへの制御パルス信号によるスイッチングに従って各電機子巻線７ａへの供給電力を制御し、各電機子巻線７ａで所望の電流又は電圧を得る。また界磁巻線７ｂのパワーＭＯＳＦＥＴ４ｇ，４ｈには、通常はゲート端子Ｇｇ〜Ｇｈへ一定の制御パルス信号を送り、これによるスイッチングに従って界磁巻線７ｂで一定の界磁電流を得る。ただしこの発明では後述するようにゲート端子Ｇｇ〜Ｇｈへの制御パルス信号を変えることで界磁巻線７ｂの界磁電流を変化させる。そして電動機７０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子巻線７ａに電力を供給することで界磁による磁界との相互作用により電動機７０を回転させ過給機１２を動作させる。

次に、エンジンＥＣＵ２より動作指令を受け、電動機７０を駆動させることで最適な過給圧の制御を行うインバータ制御装置３に関して説明する。インバータ制御装置３はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄコンバータ等からなる算術論理演算回路(マイクロコンピューター)である。図３には図１のインバータ制御装置３の機能ブロック図を示す。インバータ制御装置３は、モード切換手段３１、電機子供給電力制御手段３２、界磁電流制御手段３３、記憶手段３４、回転数算出手段３５、および連続動作時間検出手段３６を含む。

電機子供給電力制御手段３２は、通常制御モードでは、上述のようにエンジンＥＣＵ２よりエンジン１の運転状態に適した動作指令を受け、これに基づき図２に示すインバータ回路４内の各電機子巻線７ａの６つのパワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆのゲート端子Ｇａ〜Ｇｆにそれぞれ、所定の電気角にわたってワンパルス通電させる所定の間隔、位相、デューティ比の制御パルス信号を供給する。

界磁電流制御手段３３は、通常制御モードでは、上記動作指令に基づき界磁巻線７ｂの２つのパワーＭＯＳＦＥＴ４ｇ，４ｈのゲート端子Ｇｇ〜Ｇｈに、それぞれ、所定の電気角にわたってワンパルス通電させる所定の間隔、位相、デューティ比の一定の制御パルス信号を供給する。

モード切換手段３１は、インバータ回路４の駆動状態を示す少なくとも１つの検出信号と予め記憶されたそれぞれの設定値との比較によりインバータ回路４の過負荷状態を判定し駆動モードを通常モードから駆動負荷抑制制御モードに切り換えるモード切換信号を発生する。

電機子供給電力制御手段３２および界磁電流制御手段３３は、インバータ回路４が過負荷状態にあることを示すモード切換手段３１のモード切換信号を受けると後述する駆動負荷抑制制御モードの制御を行う。

例えばＲＯＭ等からなる記憶手段３４は、各種検出信号に関するインバータ回路４の過負荷状態を判定するためのそれぞれの設定値、上記各種検出信号の値に応じた駆動負荷抑制制御モードでの電機子供給電力制御における間欠制御、および界磁電流制御の動作設定値等を格納している。回転数算出手段３５、連続動作時間検出手段３６については後述する。

図４にはインバータ制御装置３の動作フローチャートを示し、以下、具体的な動作を説明する。なお、ここではインバータ回路４の過負荷状態を判定するために、インバータ回路４のパワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆの温度を検出する図１、図２に示す温度センサＴＳ(通常は各パワーＭＯＳＦＥＴそれぞれに設ける)を温度検出手段として設けた場合について説明する。

モード切換手段３１は、温度センサＴＳの検出信号から検出値を取り込むと(Ｓ２０１)、ＲＯＭ等からなる記憶手段３４から温度センサＴＳの検出信号に関するインバータ回路の過負荷状態(パワーＭＯＳＦＥＴの過熱状態)すなわちモード切換えを判定するための設定値を読み出す(Ｓ２０２)。そして検出値と設定値を比較する(Ｓ２０３)。検出値が設定値以上と判断された場合は、電機子供給電力制御手段３２および界磁電流制御手段３３は、記憶手段３４から温度センサＴＳに関する検出値に応じた間欠制御と界磁電流制御の動作設定値をそれぞれに読み出し(Ｓ２０４)、電機子供給電力制御手段３２は動作設定値に従って電機子供給電力制御における間欠制御を開始し、界磁電流制御手段３３も動作設定値に従って界磁電流を増加させる界磁電流制御を開始する(Ｓ２０５)。一方、ステップＳ２０３で、検出値が設定値未満と判断された場合は、電機子供給電力制御手段３２および界磁電流制御手段３３は通常モードの動作を維持する(Ｓ２０６)。

なお、ステップＳ２０２にステップＳ２０４を組み合わせ、モード切換えを判定するための設定値をＲＯＭから読み出すと同時に、間欠制御の電機子供給電力制御と界磁電流を増加させる界磁電流制御の動作設定値をＲＯＭから読み出すようにしてもよい。

また、記憶手段３４に格納された間欠制御と界磁電流制御の動作設定値としては、例えばモード切換えを判定するための各設定値(設定温度)に対する間欠回数、界磁電流を増加させるための制御パルス信号の間隔、位相、デューティ比等を設定したマップを備える。

ここで間欠制御とは、所定の電気角にわたって通電する通電方式(ワンパルス通電)において、通電すべきタイミングで通電を禁止する制御であり、温度センサＴＳの検出値が予め記憶された設定値以上であった場合、図２に示すインバータ回路４内の電機子巻線７ａに接続された６つのパワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆのゲート端子Ｇａ〜Ｇｆに、所定の電気角にわたってワンパルス通電すべきタイミングのうち、少なくとも１回の通電を定期的に禁止する間欠制御の制御パルス信号を入力する。

間欠回数が多いほどスイッチング損失が減り、温度上昇を低減できるが、その分、回転磁界によるトルク成分が低下してしまう。そこでその低下分は界磁電流を大きくすることで補うことが可能である。界磁電流を増加させるためには、界磁電流を増加させるための間隔、位相、デューティ比等を有する制御パルス信号を、図２に示すインバータ回路４内の界磁巻線７ｂに接続された２つのパワーＭＯＳＦＥＴ４ｇ，４ｈのゲート端子Ｇｇ，Ｇｈに入力する。なお界磁電流を増減するための回路は上記の回路に限定されるものではない。

図５はこの実施の形態における制御動作の一例を示す。検出温度の上昇に応じて間欠回数および界磁電流が制御され、温度上昇に応じてインバータ制御装置３からゲート端子Ｇａ〜Ｇｆに入力される制御パルス信号の間欠回数を増加することで、温度上昇勾配が下がり、間欠回数に応じて界磁電流を大きくしている様子を示している。以上のようにして間欠制御および界磁電流制御を行うことで、温度上昇を抑制し、適正温度内で、適正トルクを得ることが可能となる。

なお、半導体素子の温度を検出する温度センサＴＳは、温度上昇が高いパワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆの温度を検出するが、パワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆが実装されている基板の温度を代わりに検出しても同様の効果を得ることが可能となる。温度センサＴＳとしては、例えばサーミスタ抵抗の変化を電圧としてインバータ制御装置３でＡ／Ｄコンバータ(図示省略)を介して入力する等の構成がある。

なお、上記説明では、駆動回路の過負荷状態を検出する手段が、インバータ回路のスイッチング半導体素子またはその付近の温度を検出する温度センサの場合を説明したが、その他の検出手段でも同様に実施可能である。

実施の形態２．
例えば、図２に示す電流センサＣＳで、温度上昇が高いインバータ回路４のパワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆの通電電流をそれぞれ検出し、モード切換手段３１が、検出値を予め記憶された電流検出用の設定値と比較し、設定値以上の場合に、電機子供給電力制御手段３２および界磁電流制御手段３３が、電流検出用の該設定値に対する動作設定値に従って間欠制御の電機子供給電力制御および界磁電流を増加させる界磁電流制御を行っても同様の効果を得ることが可能となる。また、パワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｆの通電電流の他にバッテリ５の電流を図２に示す電流センサＣＳで検出しても同様の効果を得る。

実施の形態３．
また、電動機７０の回転数を検出する回転数検出手段を用いる場合、図２に示す回転位置センサＲＰＳとして電動機７０にホールＩＣやレゾルバを用いて電動機７０の回転子の回転位置を検出し、インバータ制御装置３の回転数算出手段３５で演算処理し回転数を取得する。そしてモード切換手段３１が、回転数検出用の設定値と比較し、設定値以上の場合、電機子供給電力制御手段３２および界磁電流制御手段３３が、回転数検出用の該設定値に対する動作設定値に従って間欠制御の電機子供給電力制御および界磁電流を増加させる界磁電流制御を行っても同様の効果を得ることが可能となる。

また、図２に示す電流センサＣＳでＵ相／Ｖ相／Ｗ相の電流を検出したり、電圧検出回路(電圧センサ)ＶＳでＵ相／Ｖ相／Ｗ相の誘起電圧を検出し、インバータ制御装置３の回転数算出手段３５で演算処理することで回転位置検出および回転数を取得することも可能である。

なお、これらの場合、回転位置センサＲＰＳ、電流センサＣＳや電圧検出回路(電圧センサ)ＶＳ等のセンサと回転数算出手段３５が回転数検出手段を構成する。

実施の形態４．
また、インバータ制御装置３が、カウンタで電動機７０が連続動作している時間をカウントして検出する連続動作時間検出手段３６を備え、モード切換手段３１が、検出した連続動作時間と連続動作時間検出用の設定値と比較し、設定値以上の場合、電機子供給電力制御手段３２および界磁電流制御手段３３が、連続動作時間検出用の該設定値に対する動作設定値に従って間欠制御の電機子供給電力制御および界磁電流を増加させる界磁電流制御を行っても同様の効果を得ることが可能となる。

以上のように様々な検出に応じて、間欠制御の電機子供給電力制御および界磁電流を増加させる界磁電流制御を行うことで温度上昇を抑制し、適正温度内で、適正トルクを得ることが可能となる。

また、上記説明では、パワーＭＯＳＦＥＴ４ａ〜４ｈへはバッテリ５から電力供給されているが、バッテリ５をＤＣ／ＤＣコンバータ(図示省略)で昇圧した電力を供給しても良い。

この他にも電動過給機は、排気タービン１３を除き吸気通路上に電動機７０と過給機１２のみ配設され、電気エネルギーのみで過給されるいわゆる電動ブロアであっても良い。

またこの実施の形態では、インバータ制御装置３で動作を説明したが、例えばエンジンＥＣＵ２などに機能を集約できる場合は、インバータ制御装置３は電動機７０を駆動する単純なドライバとして機能しても同様の効果を得ることが可能となる。

以上、この発明をいくつかの実施の形態に関して説明したが、この発明はこれらの実施の形態のみに限られるものではなく、これらの可能な組み合わせを含むことは云うまでもない。また、例えば駆動回路の駆動状態を検出する上記複数の検出手段を並行して使用し、いずれかの検出手段からの検出値が該当する設定値以上になった状態で、間欠制御の電機子供給電力制御および界磁電流を増加させる界磁電流制御を行ってもよい。

１エンジン、２エンジンＥＣＵ、３インバータ制御装置、４インバータ回路、４ａ〜４ｈパワーＭＯＳＦＥＴ(半導体素子)、５バッテリ、７ａ電機子巻線、７ｂ界磁巻線、８インタークーラ、９スロットルバルブ、１０インテークマニホールド、１１コンプレッサ、１２過給機、１３排気タービン、１４吸気通路、１５排気通路、１６エギゾーストマニホールド、３１モード切換手段、３２電機子供給電力制御手段、３３界磁電流制御手段、３４記憶手段、３５回転数算出手段、３６連続動作時間検出手段、７０電動機、ＣＳ電流センサ、ＲＰＳ回転位置センサ、ＴＳ温度センサ、ＶＳ電圧検出回路(電圧センサ)。

Claims

電動過給機に取り付けられた電動機の駆動回路を制御する電動過給機駆動回路の制御装置であって、
前記駆動回路の駆動状態を示す少なくとも１つの検出信号と予め記憶されたそれぞれの設定値との比較により駆動回路の過負荷状態を判定し駆動モードを駆動負荷抑制制御モードに切り換えるモード切換手段と、
前記駆動負荷抑制制御モードでは、前記駆動回路のスイッチングを行う半導体素子に供給する所定間隔の制御パルス信号を間欠制御して供給する電機子供給電力制御手段と、
前記駆動負荷抑制制御モードでは、電動機の界磁電流を増大させる界磁電流制御手段と、
を備えたことを特徴とする電動過給機駆動回路の制御装置。
前記駆動回路の半導体素子またはその付近の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記温度検出手段の出力を前記駆動回路の駆動状態を示す検出信号としたことを特徴とする請求項１に記載の電動過給機駆動回路の制御装置。
前記駆動回路の半導体素子の通電電流または駆動回路の電源電流を検出する電流検出手段をさらに備え、前記電流検出手段の出力を前記駆動回路の駆動状態を示す検出信号としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電動過給機駆動回路の制御装置。
前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段をさらに備え、前記回転数検出手段の出力を前記駆動回路の駆動状態を示す検出信号としたことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の電動過給機駆動回路の制御装置。
前記電動機の連続動作時間を検出する電動機動作時間検出手段をさらに備え、前記電動機動作時間検出手段の出力を前記駆動回路の駆動状態を示す検出信号としたことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の電動過給機駆動回路の制御装置。