JP4811290B2 - モータ制御駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャの回転軸に軸結合してターボチャージャの回転を補助する同期モータを制御・駆動するモータ制御駆動装置に関する。

例えば下記特許文献１には、モータを車輌用のターボチャージャに軸結合し当該ターボチャージャの回転を上記モータによって補助（アシスト）する電動機付ターボチャージャ用のモータ制御装置が開示されている。このモータ制御装置は、車両のバッテリから供給された所定電圧の直流電力を昇圧回路で特定電圧まで昇圧した後、インバータ（電力変換回路）で交流電力に電力変換することにより、ＥＣＵ（エンジン自動制御装置）から指示された回転速度指令値となるようにモータを制御・駆動する。
特開２００６−２００４０４号公報

ところで、車両のバッテリの出力電圧（バッテリ電圧）は車両の動作状態やバッテリ自身の劣化等によって定格電圧から低下することがある。電動機付ターボチャージャは、上述したように車両のバッテリを電源とし、これを交流電力に変換することによりモータを駆動するものであり、バッテリ電圧が低下した状態で回転速度指令値を満足するようにモータを駆動しようとした場合、バッテリ電圧が定格電圧の場合よりもモータ駆動電流が大きくなり（つまり、昇圧回路あるいはインバータを構成する電力素子に流れる電流が大きくなり）、これら電力素子が破損する恐れがある。
また、電力素子の破損によってバッテリの負荷が多大になると、つまり負荷電流が増大すると、バッテリ電圧がさらに低下してバッテリを破損させる恐れがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、バッテリ電圧の低下に起因する電力素子及び／あるいはバッテリの破損を防止することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、ターボチャージャの回転軸に軸結合してターボチャージャの回転を支援するモータを制御・駆動するモータ制御駆動装置であって、外部のバッテリから供給された直流電力を交流電力に電力変換して前記モータを駆動する電力変換回路と、該前記電力変換回路を制御する制御回路と、バッテリから供給される直流電流を所定の上限値以下に制限する電流制限手段とを具備する、という手段を採用する。
第２の解決手段として、上記第１の手段において、電流制限手段は、速度制御器から出力される電流操作量Ｉsの最大値を制限することによりバッテリから供給される直流電流を所定の上限値以下に制限する、という手段を採用する。
第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、外部バッテリから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧して電力変換回路に出力する変圧回路をさらに備える、という手段を採用する。
第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、電力変換回路はインバータである、という手段を採用する。

本発明によれば、電流制限手段がバッテリから供給される直流電流を所定の上限値以下に制限するので、バッテリ電圧の低下に起因する電力素子及び／あるいはバッテリの破損を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るモータ制御駆動装置及び当該モータ制御駆動装置を構成要素とする電動機付ターボチャージャの機能構成を示すブロック図である。この図１において、符号Ａはモータ制御駆動装置、Ｂは永久磁石型同期モータ、Ｃ1〜Ｃ3は永久磁石型同期モータＢに付随的に設けられた位置センサ、Ｄはターボチャージャである。電動機付ターボチャージャは、モータ制御駆動装置Ａ、永久磁石型同期モータＢ、位置センサＣ1〜Ｃ3及びターボチャージャＤによって構成される。

モータ制御駆動装置Ａは、図示するように昇圧回路１、インバータ２、昇圧制御部３、電力変換制御部４、電圧センサ５及び電流センサ６Ａ，６Ｂから構成されている。このモータ制御駆動装置Ａは、外部の車両バッテリＥから供給された所定のバッテリ電圧Ｖbatの直流電力（バッテリ電力）をＥＣＵ（エンジン自動制御装置）から入力された回転速度指令値ωo及び位置センサＣ1〜Ｃ3の検出値に基づいて交流電力に変換することにより永久磁石型同期モータＢを制御・駆動するものである。

昇圧回路１は、車両バッテリＥから供給されたバッテリ電力を所望電圧に昇圧してインバータ２に供給する。インバータ２は、電力変換制御部４から供給されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮに基づいて昇圧回路１から供給された直流電力をスイッチングすることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相のモータ駆動信号Ｕ，Ｖ，Ｗを生成する三相インバータである。昇圧制御部３は、昇圧回路１の昇圧比が内部メモリに記憶された出力電圧設定値となるように昇圧回路１を制御するものである。

電力変換制御部４は、周知のベクトル制御方式に基づいて上記ＰＷＭ信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを生成するものであり、より詳細には上記回転速度指令値並びに電圧センサ５、電流センサ６Ａ，６Ｂ及び位置センサＣ1〜Ｃ3の各検出値に基づいてＰＷＭ信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを生成するものである。

より詳細には、電力変換制御部４は、図示するように減算器４ａ，４ｃ、速度制御器４ｂ、電流制御器４ｄ、ＰＷＭ信号発生器４ｅ、論理回路４ｆ、フィードバック電流演算器４ｇ、速度演算器４ｈ、制限値設定器４ｉ、最小値選択器４ｊ及びリミッタ４ｋから構成されている。
なお、制限値設定器４ｉ、最小値選択器４ｊ及びリミッタ４ｋ並びに上記電圧センサ５は、本実施形態における電流制限手段を構成している。

減算器４ａは、上位制御装置であるＥＣＵから供給される角速度指令値ω_０と速度演算器４ｈから供給される回転子の角速度ωとの差分を速度誤差Δωとして演算し速度制御器４ｂに出力する。速度制御器４ｂは、一種のＰＩＤ制御器であり、上記速度誤差Δωに所定の比例積分・微分演算を施すことにより速度誤差Δωに対応する電流操作量Ｉsを演算してリミッタ４ｋに出力する。リミッタ４ｋは、上記電流操作量Ｉsの最大値を最小値選択器４ｊから入力される制限値以下に制限して減算器４ｃに出力する。

減算器４ｃは、上記リミッタ４ｋによって最大値が制限された電流操作量Ｉsとフィードバック電流演算器４ｇから供給される合成駆動電流Ｉとの差分を誤差電流ΔＩとして演算し電流制御器４ｄに出力する。電流制御器４ｄは、一種のＰＩＤ制御器であり、上記誤差電流ΔＩに所定の比例積分・微分演算を各々施することにより電圧操作量Ｖsを生成してＰＷＭ信号発生器４ｅに出力する。

ＰＷＭ信号発生器４ｅは、上記電圧操作量Ｖsに基づいて、上記各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）に対応すると共に時系列的に連続するＰＷＭ信号（連続制御信号）を生成して論理回路４ｆに出力する。論理回路４ｆは、このような時系列的に連続するＰＷＭ信号の出力期間、つまりＰＷＭ信号をインバータ２に供給する期間を位置センサＣ1〜Ｃ3の検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷに基づいて設定することにより、各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）及び各スイッチング素子Ｓup，Ｓun，Ｓvp，Ｓvn，Ｓwp，Ｓwnに対応したＰＷＭ信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ（制御信号）を生成する。

なお、上記減算器４ａ，４ｃ、速度制御器４ｂ、電流制御器４ｄ及びＰＷＭ信号発生器４ｅにより一連の構成はモータ制御系の構成として一般的なものであり、各比例積分・微分演算の演算式や係数等は、一般的なモータ制御系の場合と同様に永久磁石型期モータＢのモータ特性に基づいて設定される。

フィードバック電流演算器４ｇは、電流センサ６Ａ，６Ｂから入力されるＵ相のモータ駆動電流Ｉu及びＶ相のモータ駆動電流Ｉv並びに各位置センサＣ1〜Ｃ3から入力される各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）に対応する３つの検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷに基づいて上記合成駆動電流Ｉを生成するものである。すなわち、フィードバック電流演算器４ｇは、Ｕ相のモータ駆動電流Ｉu及びＶ相のモータ駆動電流ＩvからＷ相のモータ駆動電流Ｉwを演算し、これら各相のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷに基づいてスイッチングすることにより合成駆動電流Ｉを生成する。

また、速度演算器４ｈは、上記３つの各位置センサＣ1〜Ｃ3のうち、Ｕ相に対応する位置センサＣ1から入力される検出信号ＨＵに基づいて回転子の角速度ωを演算する。なお、角速度ωの演算に用いる検出信号は、Ｕ相の検出信号ＨＵに限定されず、検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷの何れであっても良いことは勿論である

制限値設定器４ｉは、図２に示すように、回転子の角速度ω及びバッテリ電圧Ｖbatによって規定される電流操作量Ｉsの制限値特性（電流操作量Ｉsの最大値を規定する値の集合体）をデータテーブルとして予め記憶し、上記速度演算器４ｈから入力される回転子の角速度ωと電圧センサ５から入力されるバッテリ電圧Ｖbatとに基づいて上記データテーブルから特定の制限値を読み出し、制限値２として最小値選択器４ｊに出力する。
なお、上記制限値特性は、車両バッテリＥから供給されるバッテリ電流Ｉdcをバッテリ電圧Ｖbatの変動に関わりなく所定の一定値以下とするための電流操作量Ｉsの値を回転子の角速度ω及びバッテリ電圧Ｖbatをパラメータとして予め求めてデータテーブル化したものである。

最小値選択器４ｊは、上記制限値設定器４ｉから入力された制限値２と別途入力される制限値１との大小関係を判断し、最小の制限値を有効制限値として選択してリミッタ４ｋに出力する。なお、制限値１は、制限値２に関係なく有効制限値を規定するために設けられるものであり、通常は制限値２よりも大きな値に設定される。

電圧センサ５は、上記昇圧回路１に入力されるバッテリ電圧Ｖbatを検出して上記制限値設定器４ｉに出力する。電流センサ６Ａ，６Ｂのうち、電流センサ６Ａはモータ駆動信号Ｕの電流値（Ｕ相モータ駆動電流Ｉu）を検出してフィードバック電流演算器４ｇに出力し、電流センサ６Ｂはモータ駆動信号Ｖの電流値（Ｖ相モータ駆動電流Ｉv）を検出してフィードバック電流演算器４ｇに出力する。

永久磁石型同期モータＢは、回転子（ロータ）が永久磁石から形成された同期モータであり、ターボチャージャＤの回転軸に軸結合している。ターボチャージャＤは、周知のようにタービンとコンプレッサとから構成されるものであり、補機としてエンジンに付設されている。位置センサＣ1〜Ｃ3は、永久磁石型同期モータＢに付設されており、モータ駆動信号Ｕ，Ｖ，Ｗの各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）に対応する回転子の回転位置を検出し、当該回転位置を示す検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷを上記論理回路４ｆ及びフィードバック電流演算器４ｇに出力する。これら位置センサＣ1〜Ｃ3は、例えばホール素子で回転子の磁力を検出するものである。なお、位置センサＣ1の検出信号ＨＵは、上述したように速度演算器４ｈにも入力される。

次に、このように構成されたモータ制御駆動装置の動作について、図３及び図４をも参照して詳しく説明する。

図３は、ターボチャージャＤの回転数、バッテリ電流Ｉdc、モータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉw及びバッテリ電圧Ｖbatの時間変化を示す特性図である。ターボチャージャＤは、エンジンの排ガスによって駆動されて回転数が変化する一方、永久磁石型同期モータＢによるアシストによっても回転数が変化する。この図３に示すように、永久磁石型同期モータＢによるアシストが開始されると、ターボチャージャＤの回転数（つまり、永久磁石型同期モータＢの回転数）は徐々に上昇する。

永久磁石型同期モータＢによるアシストは、ターボチャージャＤの回転数を高速上昇させるために行われるものであり、このアシストによってターボチャージャＤの回転数は急速上昇する。すなわち、モータ制御駆動装置Ａは、ＥＣＵから入力される回転速度指令値ωoに基づいて永久磁石型同期モータＢの制御・駆動を開始（アシスト開始）し、ターボチャージャＤの回転数を急速上昇させる。

より詳細には、モータ制御駆動装置Ａにおける電力変換制御部４は、角速度指令値ω_０等に応じたＰＷＭ信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを生成してインバータ２を制御することにより、当該インバータ２から永久磁石型同期モータＢにモータ駆動信号Ｕ，Ｖ，Ｗを出力して当該永久磁石型同期モータＢを回転駆動する。一方、電流センサ６Ａ，６Ｂは、上記モータ駆動信号Ｕ，Ｖ，Ｗのうち、Ｕ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu，Ｉvを検出してフィードバック電流演算器４ｇに出力し、位置センサＣ1〜Ｃ3は、永久磁石型同期モータＢの回転子の回転位置を検出し、その検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷを論理回路４ｆ、フィードバック電流演算器４ｇ、また速度演算器４ｈに出力する。

フィードバック電流演算器４ｇは、上記Ｕ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu，ＩvからＷ相のモータ駆動電流Ｉwを演算し、各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷに基づいてスイッチングすることにより合成駆動電流Ｉを生成する。すなわち、フィードバック電流演算器４ｇは、このような検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷを切替タイミング信号としてモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを順次選択することにより当該モータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを１つの時系列信号（つまり合成駆動電流Ｉ）に合成する。このように生成された合成駆動電流Ｉは、モータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを平均化した信号であり、各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwの平均的な検出値として減算器４ｃに供給される。

速度演算器４ｈは、検出信号ＨＵを微分処理することにより回転子の角速度ωを抽出して減算器４ａに出力する。減算器４ａは、ＥＣＵから入力される角速度指令値ω_０と上記角速度ωとの差分を取ることにより速度誤差Δωを生成し、速度制御器４ｂは、この速度誤差Δωに所定の比例積分・微分演算を施することにより電流操作量Ｉsを生成する。そして、上記電流操作量Ｉsの最大値は、リミッタ４ｋによって最小値選択器４ｊから入力された有効制限値に制限されて減算器４ｃに供給される。

すなわち、制限値設定器４ｉは、速度演算器４ｈから入力される回転子の角速度ωと電圧センサ５から入力されるバッテリ電圧Ｖbatとに基づいて１つの制限値を選択し制限値２として最小値選択器４ｊに出力する。通常では制限値１は制限値２よりも大きな値に設定されるので、最小値選択器４ｊは、制限値２を選択してリミッタ４ｋに供給する。

速度制御器４ｂから出力される電流操作量ＩsはターボチャージャＤの回転数（つまり角速度指令値ω_０）の増加に比例して徐々に増加するが、リミッタ４ｋは、電流操作量Ｉsが制限値２よりも大きくなると電流操作量Ｉsを制限値２に制限する。この結果として、図３に示すように、バッテリ電流Ｉdcは最大値が一定値以下に制限され、モータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwは徐々に減少し、またバッテリ電圧Ｖbatは低下が抑制される。
なお、リミッタ４ｋは、電流操作量Ｉsが制限値２よりも小さい場合には電流操作量Ｉsを制限することなく、そのまま減算器４ｃに出力する。

制限値設定器４ｉに予め記憶された制限値特性は、上述したように車両バッテリＥから供給されるバッテリ電流Ｉdcをバッテリ電圧Ｖbatの変動に関わりなく所定の一定値以下とするための電流操作量Ｉsの値を回転子の角速度ω及びバッテリ電圧Ｖbatをパラメータとして予め求めてデータテーブル化したものである。したがって、電流操作量Ｉsの最大値が制限値２に制限されることにより、バッテリ電流Ｉdcの最大値は一定値以下に制限される。

減算器４ｃは、このように最大値が制限された電流操作量Ｉsとフィードバック電流演算器４ｇから入力される合成駆動電流Ｉとの差分を取ることにより誤差電流ΔＩを生成し、電流制御器４ｄは、この誤差電流ΔＩに所定の比例積分・微分演算を施することにより電圧操作量Ｖsを生成し、さらにＰＷＭ信号発生器４ｅは、上記電圧操作量Ｖsに基づいてインバータ１ｃの各スイッチング素子Ｓup，Ｓun，Ｓvp，Ｓvn，Ｓwp，ＳwnのＬ／Ｈタイミングを規定するＰＷＭ信号を生成する。

上記ＰＷＭ信号は、各スイッチング素子Ｓup，Ｓun，Ｓvp，Ｓvn，Ｓwp，Ｓwnに対応した６つの連続信号である。論理回路４ｆは、このようなＰＷＭ信号の出力期間を各検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷに基づいて設定することによりＰＷＭ信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを生成する。すなわち、論理回路４ｆは、回転子の半回転（１８０°）に対して１２０°分だけ、つまり１２０°通電方式に対応したＰＷＭ信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを出力する。

このような本実施形態によれば、電流制限手段によって電流操作量Ｉsの最大値が制限値２に制限されるので、バッテリ電流Ｉdcの最大値が一定値以下に制限された状態で永久磁石型同期モータＢが制御・駆動することが可能である。したがって、バッテリ電圧Ｖbatの低下に起因する昇圧回路１あるいは／及びインバータ２の電力素子及び／あるいは車両バッテリＥの破損を防止することが可能となる。

例えば、インバータ２のゲートブロック時、つまりインバータ２を構成する全スイッチングトランジスタがＯＦＦ状態となった場合におけるインバータ２の中間電圧はバッテリ電流Ｉdcの二乗に比例して大きくなることが知られているが、このようなゲートブロック時の中間電圧によってインバータ２を構成するスイッチングトランジスタが破壊されることを防止することができる。

また、３つの位置センサＣ1〜Ｃ3によってモータ駆動信号Ｕ，Ｖ，Ｗの各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）に対応する回転子の回転位置をそれぞれ検出するので、回転子の各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）に対応する回転位置を高精度に把握することができる。そして、このように高精度な回転子の回転位置を示す検出信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷに基づいて永久磁石型同期モータＢを制御・駆動するので、永久磁石型同期モータＢを安定して制御することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、電流操作量Ｉsの最大値を制限値２に制限することによってバッテリ電流Ｉdcの最大値を一定値以下に制限したが、本発明はこれに限定されるものではない。電流操作量Ｉs以外の量を制限することによってバッテリ電流Ｉdcの最大値を一定値以下に制限するようにしても良い。例えば、減算器４ａと速度制御器４ｂとの間にリミッタ４ｋを設ける構成としても良い。

（２）上記実施形態では、電力変換制御部４を図１のブロック図に示すベクトル制御方式に制御構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。図１以外の制御構成を採用しても良い。

（３）上記実施形態では、バッテリ電圧Ｖbatを昇圧回路１によって昇圧した後にインバータ２で交流電力に電力変換する構成を採用したが、昇圧回路１による昇圧処理は、バッテリ電圧Ｖbatがモータ制御上の要求電圧よりも低い場合に必要なものである。したがって、モータ制御駆動装置Ａの構成としては、昇圧回路１及び昇圧制御部３を備えないものであっても良い。

（４）また、上記実施形態では、電力変換回路としてインバータ２を採用したが、電力変換回路はインバータに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係わるモータ制御駆動装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における制限値設定器４ｉの制限値特性を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係わるモータ制御駆動装置の永久磁石型同期モータＢの回転数、バッテリ電流、モータ駆動電流及びバッテリ電圧の時間変化を示す特性図である。

符号の説明

Ａ…モータ制御駆動装置、Ｂ…永久磁石型同期モータ、Ｃ1〜Ｃ3…位置センサ、Ｄ…ターボチャージャ、１…昇圧回路、２…インバータ、３…昇圧制御部、４…電力変換制御部、４ａ，４ｃ…減算器、４ｂ…速度制御器、４ｄ…電流制御器、４ｅ…ＰＷＭ信号発生器、４ｆ…論理回路、４ｇ…フィードバック電流演算器、４ｈ…速度演算器、４ｉ…制限値設定器、４ｊ…最小値選択器、４ｋ…リミッタ、５…電圧センサ、６Ａ，６Ｂ…電流センサ

Claims (3)

1. ターボチャージャの回転軸に軸結合してターボチャージャの回転を支援するモータを制御・駆動するモータ制御駆動装置であって、
   外部のバッテリから供給された直流電力を交流電力に電力変換して前記モータを駆動する電力変換回路と、
   該前記電力変換回路を制御する制御回路と、
   前記モータの回転子の角速度を演算する速度演算器と、
   上位制御装置から入力される角速度指令値と前記速度演算器から入力される前記回転子の角速度との差分を速度誤差として演算する減算器と、
   前記減算器にて演算された前記速度誤差に対応する電流操作量を演算する速度制御器と、
   前記速度制御器から出力される前記電流操作量の最大値を制限することにより前記バッテリから供給される直流電流を所定の上限値以下に制限する電流制限手段と
   を具備し、
   前記電流制限手段は、
   前記バッテリの電圧を検出する電圧センサと、
   前記回転子の角速度及び前記バッテリの電圧によって規定される前記電流操作量の制限値特性をデータテーブルとして予め記憶しており、前記速度演算器から入力される前記回転子の角速度と前記電圧センサから入力される前記バッテリの電圧とに基づいて前記データテーブルから特定の制限値を読み出して出力する制限値設定器と、
   前記制限値設定器から入力された前記特定の制限値と別途入力される制限値との大小関係を判断し、最小の制限値を有効制限値として選択する最小値選択器と、
   前記速度制御器から入力される前記電流操作量の最大値を、前記最小値選択器にて選択された前記有効制限値以下に制限するリミッタと、を含む
   ことを特徴とするモータ制御駆動装置。
2. 前記バッテリから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧して前記電力変換回路に出力する変圧回路をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御駆動装置。
3. 前記電力変換回路はインバータであることを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御駆動装置。

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