JP4826550B2

JP4826550B2 - 電動機付ターボチャージャ制御システム

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Publication number: JP4826550B2
Application number: JP2007182454A
Authority: JP
Inventors: 成文遠嶋; 隆彦村山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: JP2009019561A

Description

本発明は、電動機付ターボチャージャ制御システムに関する。

近年、エンジンの過給器として、排気エネルギーを回収してエンジンへの過給気圧を高めるターボチャージャの回転軸に電動機を連結し、エンジンの運転状態に応じて電動機（例えば永久磁石同期モータ）を駆動することによりタービンの回転をアシストする電動機付ターボチャージャが注目されている。このような電動機付ターボチャージャに関する技術については、下記特許文献１〜５を参照されたい。
特開平６−２５７４５０号公報特開平６−２５７４５１号公報特開平６−２５７４５２号公報特開平６−２８０５９３号公報特開平５−９８９８７号公報

ところで、永久磁石同期モータによるアシストの停止後、タービン単体のみでの駆動によって最高回転数に到達するまでの期間のモータフリーラン状態において、永久磁石同期モータの誘導起電力（ＥＭＦ）がインバータの中間電圧（インバータに供給される直流電圧）より高くなると、永久磁石同期モータからインバータへ電流が逆流するという回生現象（永久磁石同期モータが発電機として作用し、タービンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して電源側であるインバータに返す現象）が生じるため、タービンの回転にブレーキがかかることになる。このような回生現象は、モータアシスト回転数とアシスト停止後の最高回転数との差が大きい程顕著に発生する。

このような回生現象を防止するために、最高回転数において、永久磁石同期モータの誘導起電力がインバータの中間電圧を超えないように永久磁石同期モータを設計する必要がある。具体的には、誘導起電力はモータの鉄損とほぼ比例関係にあるので、最高回転数における誘導起電力がインバータの中間電圧以下となるように鉄損を小さくする一方、銅損を大きくして、モータ電流が大きくなるように設計する。しかしながら、このような大電流仕様で設計された永久磁石同期モータは、鉄損と銅損のバランスが崩れて銅損側にモータ損失が偏ってしまい、モータ効率が著しく低下するという問題があった。また、銅損を大きくするために巻線の巻数などを増やす必要があるので、モータ自体が大型化してしまい、コスト及び重量の増大、モータの設置スペースの確保などが大きな問題となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電動機付ターボチャージャにおける電動機の回生現象を防止すると共に、電動機の高効率化及び小型化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第１の解決手段として、エンジンに付設されたターボチャージャに、昇圧回路から供給される直流電圧によって動作するインバータによって駆動されるアシスト用の電動機が連結された電動機付ターボチャージャの制御システムであって、前記電動機の回転状態を示す回転状態値を把握する回転状態把握手段と、前記回転状態把握手段によって把握された前記回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記直流電圧が前記電動機の誘導起電力以上の値となるように前記昇圧回路を制御する制御手段と、を具備し、前記回転状態設定値は、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致する場合における前記電動機の回転状態値に設定されている、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電動機の回転状態値が、前記電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致するように前記電動機は設計されており、前記回転状態設定値は前記アシスト回転状態値に設定されていることを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、前記回転状態把握手段は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転子の回転位置を検出し、当該回転位置を示す回転位置検出信号を出力する回転位置検出手段と、前記回転位置検出信号を微分処理することにより前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値として角速度を算出する速度算出手段と、を有し、前記制御手段は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転数と前記直流電圧の指令値との対応関係を記憶すると共に、前記速度算出手段が算出した角速度に対応する前記指令値を前記対応関係から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を制御する昇圧制御手段と、を有し、
前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転数が予め設定された設定回転
数以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力以上の値と
なるように設定されている、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第４の解決手段として、上記第１
または第２の解決手段において、前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、前記回転状態把握手段は、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、少なくとも２相の駆動信号線の各々に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、前記電流検出手段が検出した電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して出力する出力選択手段と、を有し、前記制御手段は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値と前記直流電圧の指令値との対応関係を記憶すると共に、前記出力選択手段から出力される回転状態値に対応する前記指令値を前記対応関係から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を制御する昇圧制御手段と、を有し、前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力以上の値となるように設定されている、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第５の解決手段として、上記第１
または第２の解決手段において、前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、前記回転状態把握手段は、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記インバータに供給される電源電流を検出する電源電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、前記電源電流検出手段が検出した電源電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して出力する出力選択手段と、を有し、前記制御手段は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値と前記直流電圧の指令値との対応関係を記憶すると共に、前記出力選択手段から出力される回転状態値に対応する前記指令値を前記対応関係から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を制御する昇圧制御手段と、を有し、前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力以上の値となるように設定されている、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第６の解決手段として、上記第１
または第２の解決手段において、前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、前記回転状態把握手段は、少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記インバータのスイッチアームに流れるアーム電流を検出するアーム電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシスト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、前記アーム電流検出手段が検出するアーム電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して出力する出力選択手段と、を有し、前記制御手段は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値と前記直流電圧の指令値との対応関係を記憶すると共に、前記出力選択手段から出力される回転状態値に対応する前記指令値を前記対応関係から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を制御する昇圧制御手段と、を有し、前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値が予め設定された回転状態設定値以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力以上の値となるように設定されている、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第７の解決手段として、上記第４
〜第６のいずれかの解決手段において、前記電圧検出手段は、１相の駆動信号線の電圧を検出し、前記回転状態検出手段は、前記１相の駆動信号線の電圧のゼロクロス点に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、ことを特徴とする。

また、電動機付ターボチャージャ制御システムに係る第８の解決手段として、上記第４
〜第６のいずれかの解決手段において、前記電圧検出手段は、２相の駆動信号線の各々の電圧を検出し、前記回転状態検出手段は、前記２相の駆動信号線の各々の電圧の差分に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、ことを特徴とする。

本発明によると、電動機の回転状態に応じて昇圧回路からインバータに供給される直流電圧を制御する制御手段を設けることにより、電動機の回転状態値が、回生現象が発生する回転状態値、つまり電動機の誘導起電力がインバータの直流電圧と一致する回転状態値（回転状態設定値）以上の値になった場合に、インバータの直流電圧が電動機の誘導起電力以上の値となるように昇圧回路を制御することが可能となる。これにより、電動機からインバータへの電流の逆流は発生せず、回生現象を防止することができ、電動機の設計自由度が増すことになる。つまり、鉄損を大きくする一方、銅損を小さくしてモータ効率の高い小電流仕様で電動機を設計することも可能である。従って、本発明によると、電動機付ターボチャージャにおける電動機の回生現象を防止すると共に、電動機の高効率化及び小型化を図ることが可能である。

さらに、電動機の回転状態値が、電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、電動機の誘導起電力がインバータの直流電圧と一致するように電動機を設計し、回転状態設定値はアシスト回転状態値に設定することが好ましい。このように電動機を設計し、回転状態設定値をアシスト回転状態値に設定することにより、電動機の高効率化及び小型化の効果を最大限に得ることができる。

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。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの構成ブロック図である。この図１に示すように、第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムは、電動機付きターボチャージャ１、モータ駆動部２、Ｕ相電流センサ３、Ｖ相電流センサ４、Ｗ相電流センサ５、インバータ制御部６、速度算出器７、中間電圧指令値生成部８及び昇圧制御回路９から構成されている。

電動機付きターボチャージャ１は、永久磁石同期モータ１ａ、回転位置センサ１b、タービン１c及びコンプレッサ１dから構成されており、モータ駆動部２は、直流電源２ａ、昇圧回路２ｂ、中間電圧センサ２c、平滑コンデンサ２d及びインバータ２eから構成されている。永久磁石同期モータ（電動機）１ａは、回転子の回転状態（回転位置、回転速度、回転数等）を検出するセンサを具備しないセンサレスタイプの永久磁石同期モータであり、タービン１cの回転軸と同軸上に連結され、インバータ２eから供給される３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のモータ駆動信号によって回転駆動し、タービン１cの回転を補助（アシスト）する。

回転位置センサ（回転位置検出手段）１bは、永久磁石同期モータ１ａの回転子の回転位置を検出し、当該回転位置を示す回転位置検出信号θを速度算出器７に出力する。より詳細には、この回転位置センサ１bは、回転子の磁力をホール素子で検出し、回転子の１回転毎に１パルス（Ｎ極の位置を示すパルス）となるパルス信号を出力する。タービン１cとコンプレッサ１dは同軸上に連結されてターボチャージャを構成しており、図示しないエンジンの排気エネルギーを利用してタービン１cを回転させることにより、コンプレッサ１dを回転させて吸入空気をエンジンに過給するものである。

直流電源２ａは、１あるいは複数のバッテリを直列接続したものであり、所定の直流電源電圧を昇圧回路２ｂに出力する。昇圧回路２ｂは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータであり、昇圧制御回路９による制御の下、直流電源２ａから供給された直流電源電圧を昇圧してインバータ２eに供給する。中間電圧センサ２cは、昇圧回路２bから出力される中間電圧（つまりインバータ回路２eに供給される直流電圧）を検出し、中間電圧検出値Ｖdcを昇圧制御回路９に出力する。平滑コンデンサ２dは、インバータ回路２eに供給される中間電圧を平滑化させるために設けられたものである。インバータ２eは、インバータ制御部６から供給されるＰＷＭ信号に基づいて昇圧回路２ｂから供給された中間電圧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を生成して永久磁石同期モータ１ａに供給する。

Ｕ相電流センサ３は、Ｕ相駆動信号線に流れるモータ駆動電流Ｉｕを検出してインバータ制御部６に出力する。Ｖ相電流センサ４は、Ｖ相駆動信号線に流れるモータ駆動電流Ｉｖを検出してインバータ制御部６に出力する。Ｗ相電流センサ５は、Ｗ相駆動信号線に流れるモータ駆動電流Ｉｗを検出してインバータ制御部６に出力する。

インバータ制御部６は、図示するように、減算器６ａ、速度制御器６ｂ、ｄ軸電流制御器６ｃ、ｑ軸電流制御器６ｄ、３相／２相変換器６ｅ、２相／３相変換器６ｆ及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号発生器６ｇから構成されている。

減算器６ａは、上位制御装置であるエンジン制御装置(ＥＣＵ)から供給される角速度目標値ω_０と速度算出器７から出力される角速度算出値ωkとの差分を速度誤差Δωとして演算し速度制御器６ｂに出力する。速度制御器６ｂ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・微分演算を施することにより速度誤差Δωに対応するｑ軸電流操作量Ｉqsを演算してｑ軸電流制御器６ｄに出力する。

ｄ軸電流制御器６ｃは、ＥＣＵから供給されるｄ軸電流操作量Ｉdsと、３相／２相変換器６ｅから入力されるｄ軸駆動電流検出量Ｉdとに基づいてｄ軸電流操作量Ｉdsに対応するｄ軸電圧操作量Ｖdを演算して２相／３相変換器６ｆに出力する。ｑ軸電流制御器６ｄは、速度制御器６ｂから入力されるｑ軸電流操作量Ｉqsと、３相／２相変換器６ｅから入力されるｑ軸駆動電流検出量Ｉqとに基づいてｑ軸電流操作量Ｉqsに対応するｑ軸電圧操作量Ｖqを演算して２相／３相変換器６ｆに出力する。これらｄ軸電流制御器６ｃ及びｑ軸電流制御器６ｄは、一種のＰＩＤ制御器であり、各電流操作量Ｉqs，Ｉdsに所定の比例積分・微分演算を各々施することにより各電圧操作量Ｖq，Ｖdを生成する。

３相／２相変換器６ｅは、Ｕ相電流センサ３、Ｖ相電流センサ４、Ｗ相電流センサ５によって各々検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいて永久磁石同期モータ１ａの回転子上に固定された２次元座標系（ｑ軸とｄ軸とからなる座標系）上におけるｑ軸駆動電流検出量Ｉqとｄ軸駆動電流検出量Ｉdを生成する。より詳細には、３相／２相変換器６ｅは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３次元座標系上のモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに所定の座標変換を施すことにより上記２次元座標系上のｑ軸駆動電流検出量Ｉqとｄ軸駆動電流検出量Ｉdを求める。上記ｑ軸は、回転子の回転面上において永久磁石のＳ極とＮ極との対向方向に設定された座標軸であり、ｄ軸は、上述したｑ軸に直交する座標軸である。

２相／３相変換器６ｆは、ｄ軸電流制御器６ｃから入力された上記ｄ軸に対応するｄ軸電圧操作量Ｖd及びｑ軸電流制御器６ｄから入力された上記ｑ軸に対応するｑ軸電圧操作量Ｖqを、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３次元座標系上の電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換し、当該電圧操作量Ｖu，Ｖv，ＶwをＰＷＭ信号発生器６ｇに出力する。

ＰＷＭ信号発生器６ｇは、上記電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいてインバータ２eをスイッチング動作させるためのＰＷＭ信号を生成してインバータ２eに出力する。インバータ制御部６は正弦波通電方式に基づいて動作するものであり、したがってＰＷＭ信号発生器６ｇは、インバータ２eが永久磁石同期モータ１ａの全回転角（３６０°）に亘ってモータ駆動信号を出力するようにＰＷＭ信号を出力する。

速度算出器（速度算出手段）７は、回転位置センサ１bから入力される回転位置検出信号θを微分処理することにより、永久磁石同期モータ１aの回転状態値として角速度を算出し、角速度算出値ωk（直流電圧）を減算器６a及び中間電圧指令値生成部８に出力する。

中間電圧指令値生成部（直流電圧指令値抽出手段）８は、モータ回転数fと中間電圧指令値Ｖdc’との対応関係を規定するマップを内部メモリに記憶しており、上記速度算出器７から入力される角速度算出値ωkをモータ回転数fに換算した後、当該換算したモータ回転数fに対応する中間電圧指令値Ｖdc’を上記マップから抽出し、当該抽出した中間電圧指令値Ｖdc’を昇圧制御回路９に出力する。

図２は、中間電圧指令値生成部８の内部メモリに記憶されている、モータ回転数fと中間電圧指令値Ｖdc’との対応関係を規定するマップを示すものである。この図２に示すように、このマップでは、モータ回転数fが予め設定された設定回転数fsに到達するまでは一定の中間電圧指令値Ｖdc’が出力されるように設定され、モータ回転数fが予め設定された設定回転数fs以上になった場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）以上の中間電圧指令値Ｖdc’が出力されるように設定されている。

昇圧制御回路（昇圧制御手段）９は、中間電圧センサ２cから入力される中間電圧検出値Ｖdcと、中間電圧指令値生成部８から入力される中間電圧指令値Ｖdc’とに基づいて、中間電圧検出値Ｖdcが中間電圧指令値Ｖdc’と一致するように昇圧回路２bを制御する。

本実施形態において、図２に示す設定回転数fsは、永久磁石同期モータ１ａによるアシストの停止を規定するアシスト回転数に設定されている。そして、永久磁石同期モータ１ａの回転数が、上記アシスト回転数に到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）がインバータ２eの中間電圧と一致するように、永久磁石同期モータ１ａは設計されている。このように永久磁石同期モータ１ａを設計することが可能になったのは、永久磁石同期モータ１ａの回転数に応じてインバータ２eの中間電圧を制御する中間電圧指令値生成部８及び昇圧制御回路９を設けたためであり、このように設計することにより、電動機付ターボチャージャ１における永久磁石同期モータ１ａの回生現象を防止すると共に、永久磁石同期モータ１ａの高効率化及び小型化を図ることが可能となる。以下、このような効果が得られる理由について、図３（a）及び図４を参照して説明する。

図３（a）において、横軸は永久磁石同期モータ１ａのモータ回転数fを示し、縦軸は永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）を示しており、また、符号１００は従来技術におけるモータ回転数−ＥＭＦ特性を示し、符号２００は、本実施形態におけるモータ回転数−ＥＭＦ特性を示している。図４において、横軸はモータ駆動電流を示し、縦軸はモータ損失（鉄損及び銅損）とモータ効率を示しており、符号３００は鉄損−モータ駆動電流特性を示し、符号４００は銅損−モータ駆動電流特性を示し、符号５００はモータ効率−モータ駆動電流特性を示している。

図３（a）の符号１００に示すように、従来技術では、永久磁石同期モータによるアシストの停止後、タービン単体のみでの駆動によって最高回転数に到達するまでの期間のモータフリーラン状態において、永久磁石同期モータの誘導起電力（ＥＭＦ）がインバータの中間電圧より高くなると、永久磁石同期モータからインバータへ電流が逆流するという回生現象が生じるため、最高回転数において、永久磁石同期モータの誘導起電力がインバータの中間電圧を超えないように永久磁石同期モータを設計する必要がある。この場合、誘導起電力はモータの鉄損とほぼ比例関係にあるので、図４に示すように、最高回転数における誘導起電力がインバータの中間電圧以下となるように鉄損（誘導起電力）を小さくする一方、銅損を大きくして、モータ駆動電流が大きくなるように設計することになる。しかしながら、このような大電流仕様で設計された永久磁石同期モータは、鉄損と銅損のバランスが崩れて銅損側にモータ損失が偏ってしまい、モータ効率が著しく低下し、また、銅損を大きくするために巻線の巻数などを増やす必要があるので、モータ自体が大型化するという問題があった。

これに対し、本実施形態では、永久磁石同期モータ１ａの回転数に応じてインバータ２eの中間電圧を制御する中間電圧指令値生成部８及び昇圧制御回路９を設けたことにより、永久磁石同期モータ１ａの回転数が、回生現象が発生する回転数、つまり永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２eの中間電圧と一致する回転数（本実施形態ではこの回転数を設定回転数fsとする）以上の値になった場合に、インバータ２eの中間電圧が永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）以上の値となるように昇圧回路１bを制御することが可能になった。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動信号線には電流が逆流しないので回生現象は発生せず、永久磁石同期モータ１ａの設計自由度が増すことになる。

そこで、本実施形態では、図３（a）の符号２００に示すように、永久磁石同期モータ１ａのモータ回転数fが、永久磁石同期モータ１ａによるアシストの停止を規定するアシスト回転数に到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２eの中間電圧と一致するように永久磁石同期モータ１ａを設計し、設定回転数fsを上記アシスト回転数に設定した。つまり、従来技術（符号１００）と比較すると、同じ回転数において本実施形態の方が誘導起電力を大きくする方向に設計を行うことになる。従って、図４に示すように、本実施形態では、鉄損を大きくする一方、銅損を小さくして小電流仕様で永久磁石同期モータ１ａを設計することができ、永久磁石同期モータ１ａの高効率化及び小型化を図ることが可能となる。

次に、このように構成された第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの動作について、図３（a）及び（b）を参照して詳細に説明する。
＜アシスト時＞
まず、図３（a）及び（b）に示すアシスト時において、インバータ制御部６は、エンジン制御装置(ＥＣＵ)から入力される動作指示信号Ｊによってアシスト指示を受けると、モータ駆動部２を動作させることによって永久磁石同期モータ１ａの駆動を行う。

具体的には、モータ駆動信号が各相の駆動信号線を介してインバータ２eから永久磁石同期モータ１ａに供給され、永久磁石同期モータ１aが回転駆動される。永久磁石同期モータ１aが回転すると、回転位置センサ１bから回転位置検出信号θが速度算出器７に出力され、速度算出器７から継続的に角速度算出値ωkが減算器６a及び中間電圧指令値生成部８に出力される。

そして、３相／２相変換器６ｅは、Ｕ相電流センサ３、Ｖ相電流センサ４、Ｗ相電流センサ５によって各々検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいてｑ軸駆動電流検出量Ｉqとｄ軸駆動電流検出量Ｉdを生成し、ｄ軸駆動電流検出量Ｉdをｑ軸電流制御器６cに出力し、ｄ軸駆動電流検出量Ｉdをｄ軸電流制御器６dに出力する。

また、ＥＣＵから角速度目標値ω_０が減算器６ａに入力されると共に、同じくＥＣＵから上記ｄ軸駆動電流検出量Ｉdの目標値に相当するｄ軸電流操作量Ｉdsがｄ軸電流制御器６ｃに入力される。ここで、上記ｄ軸電流操作量Ｉdsは「０」に設定される。

減算器６ａは、角速度目標値ω_０と速度算出器７から入力される角速度算出値ωkとの差分を速度誤差Δωとして演算し速度制御器６ｂに出力する。速度制御器６ｂは、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速度誤差Δωに対応するｑ軸電流操作量Ｉqsを演算してｑ軸電流制御器６ｄに出力する。そして、ｄ軸電流制御器６ｃは、ｄ軸電流操作量Ｉdsとｄ軸駆動電流検出量Ｉdとに基づいてｄ軸電流操作量Ｉdsに対応するｄ軸電圧操作量Ｖdを演算して２相／３相変換器６ｆに出力する。一方、ｑ軸電流制御器６ｄは、ｑ軸電流操作量Ｉqsとｑ軸駆動電流検出量Ｉqとに基づいてｑ軸電流操作量Ｉqsに対応するｑ軸電圧操作量Ｖqを演算して２相／３相変換器６ｆに出力する。

２相／３相変換器６ｆは、ｄ軸電流制御器６ｃから入力された上記ｄ軸に対応するｄ軸電圧操作量Ｖd及びｑ軸電流制御器６ｄから入力された上記ｑ軸に対応するｑ軸電圧操作量Ｖqを、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３次元座標系上の電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換し、当該電圧操作量Ｖu，Ｖv，ＶwをＰＷＭ信号発生器６ｇに出力する。ＰＷＭ信号発生器６ｇは、上記電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいてインバータ２eをスイッチング動作させるためのＰＷＭ信号を生成してインバータ２eに出力する。これにより、インバータ２eはモータ駆動信号を生成して永久磁石同期モータ１ａに供給する。

一方、中間電圧指令値生成部８は、アシスト時、つまり永久磁石同期モータ１aの角速度がアシスト角速度に到達しない期間において、速度算出器７から継続的に入力される角速度算出値ωをモータ回転数fに換算した後、当該換算したモータ回転数fに対応する中間電圧指令値Ｖdc’を図２に示すマップから抽出し、当該抽出した中間電圧指令値Ｖdc’を昇圧制御回路９に出力する。ここで、中間電圧指令値生成部８は、アシスト時、つまり永久磁石同期モータ１aの角速度がアシスト角速度に到達しない期間において、一定の中間電圧指令値Ｖdc’を昇圧制御回路９に出力する。

昇圧制御回路９は、中間電圧センサ２cから入力される中間電圧検出値Ｖdcと、中間電圧指令値生成部８から入力される中間電圧指令値Ｖdc’とに基づいて、中間電圧検出値Ｖdcが中間電圧指令値Ｖdc’と一致するように昇圧回路２bを制御する。
このように、アシスト時において、インバータ２eは一定の中間電圧の供給を受けて運転状態を継続し、永久磁石同期モータ１aのモータ回転数fは時間経過に伴い増加していくことになる。

＜アシスト停止時＞
そして、中間電圧指令値生成部８は、図３（a）及び（b）に示すように、角速度算出値ωkの回転数換算値がアシスト回転数に設定された設定回転数fs以上の値になった場合、図２のマップを基に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）以上の値を有する中間電圧指令値Ｖdc’を昇圧制御回路９に出力する。一方、インバータ制御部６には、ＥＣＵからアシスト停止を指示する動作指示信号Ｊが入力され、インバータ制御部６は、インバータ２eの運転を停止して永久磁石同期モータ１ａの駆動を停止する。このようにアシスト停止時において、永久磁石同期モータ１ａは、排気エネルギーによるタービン１cの回転によってフリーラン状態となる。

この時、昇圧制御回路９は、中間電圧センサ２cから入力される中間電圧検出値Ｖdcと、中間電圧指令値生成部８から入力される中間電圧指令値Ｖdc’とに基づいて、中間電圧検出値Ｖdcが中間電圧指令値Ｖdc’と一致するように、つまりインバータ２eに供給される中間電圧が永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力以上の値となるように昇圧回路２bを制御する。これにより、アシスト停止時において、インバータ２eに供給される中間電圧は、常に永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力以上の値となり、永久磁石同期モータ１ａからインバータ２eへの逆流電流は発生せず、その結果、回生現象は発生しない。

なお、アシスト停止時において、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度算出値ωk）が、設定回転数fsより低くなった場合、ＥＣＵから再びアシスト開始指示が出力され、インバータ２eからモータ駆動信号が永久磁石同期モータ１ａに供給されてタービン１cのアシストが行われる。

以上説明したように、第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムによると、電動機付ターボチャージャにおける永久磁石同期モータ１ａの回生現象を防止すると共に、永久磁石同期モータ１ａの高効率化及び小型化を図ることが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの構成ブロック図である。なお、図５において、図１と同様の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムは、第１実施形態と比較して、回転位置センサ１b、Ｗ相電流センサ５及び速度算出器７を削除し、インバータ制御部６を構成が異なるインバータ制御部１０と置き換え、電圧センサ１１、速度検出器１２、出力スイッチ１３を新たに設けた構成となっている。

インバータ制御部１０は、図示するように減算器１０ａ、速度制御器１０ｂ、電流制御器１０ｃ、第１の座標変換器１０ｄ、ロータ位置・速度推定器１０ｅ、第２の座標変換器１０ｆ及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号発生器１０ｇから構成されている。これらの構成要素の内、減算器１０ａ、速度制御器１０ｂ、電流制御器１０ｃ、第１の座標変換器１０ｄ、ロータ位置・速度推定器１０ｅは、回転状態推定手段を構成するものである。

減算器１０ａは、上位制御装置であるエンジン制御装置(ＥＣＵ)から供給される角速度目標値ω_０とロータ位置・速度推定器１０ｅから出力される角速度推定値ωeとの差分を速度誤差Δωとして演算し速度制御器１０ｂに出力する。速度制御器１０ｂ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・微分演算を施することにより速度誤差Δωに対応する電流操作量Ｉqsを演算して電流制御器１０ｃに出力する。

電流制御器１０ｃは、上記電流操作量Ｉqs、ＥＣＵから供給される電流操作量Ｉds、第１の座標変換器１０ｄから入力される駆動電流検出量Ｉq、Ｉdに基づいて電流操作量Ｉqs、Ｉdsに各々対応する電圧操作量Ｖq、Ｖdを演算してロータ位置・速度推定器１０ｅ及び第２の座標変換器１０ｆに出力する。

第１の座標変換器１０ｄは、Ｕ相電流センサ３、Ｖ相電流センサ４によって各々検出されたＵ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu、Ｉvと、ロータ位置・速度推定器１０ｅから入力される回転角推定値θeとに基づいて永久磁石同期モータ１ａの回転子上に設定された２次元座標系（ｑ軸とｄ軸とからなる座標系）上におけるｑ軸の駆動電流検出量Ｉqとｄ軸の駆動電流検出量Ｉdを生成する。より詳細には、第１の座標変換器１０ｄは、上記モータ駆動電流Ｉu，Ｉvに基づく内部演算によってＷ相のモータ駆動電流Ｉwを求め、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３次元座標系上のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwに所定の座標変換を施すことにより上記駆動電流検出量Ｉq，Ｉdを求める。なお、上記ｄ軸は、回転子の回転面上において永久磁石のＳ極とＮ極との対向方向に設定された座標軸であり、ｄ軸は、上述したｑ軸に直交する座標軸である。

ロータ位置・速度推定器１０ｅは、上記駆動電流検出量Ｉq，Ｉd及び電圧操作量Ｖq，Ｖdに基づいて永久磁石同期モータ１ａの回転状態を推定するものである。ロータ位置・速度推定器１０ｅは、例えば、内部に永久磁石同期モータ１ａを模擬したモータモデルを備えており、このモータモデルに電圧操作量Ｖq，Ｖd及び駆動電流検出量Ｉq，Ｉdを入力信号として角速度推定値ωe及び回転角推定値θeを演算する。ロータ位置・速度推定器１０ｅは、このような手法で推定した回転角推定値θeを第１の座標変換器１０ｄ、第２の座標変換器１０ｆにそれぞれ出力すると共に角速度推定値ωeを上記減算器１０ａ及び出力スイッチ１３に出力する。

なお、センサレスタイプの永久磁石同期モータの回転制御では、一般的にモータの角速度及び回転角等を何らかの方法で推定し、その推定値に基づいて永久磁石同期モータをベクトル制御あるいはＶ／ｆ制御する。ロータ位置・速度推定器１０ｅにおける角速度推定値ωe及び回転角推定値θeの推定手法は、非特許文献（竹下隆晴他:「電流推定誤差に基づくセンサレスブラシレスＤＣモータ制御」，平成７年電気学会全国大会講演論文集）に記載されている手法と同等なものであるが、他の非特許文献（市川真土：「回転座標系で拡張誘起電圧推定によるＩＰＭＳＭのセンサレス制御」，平成１３年電気学会全国大会講演論文集）、（大沢博：「埋込磁石形ＰＭモータの高性能Ｖ／ｆ制御」，テクノフロンティアシンポジウム2004 モータ技術シンポジウム，（社）日本能率協会）や、特許文献（特開２００５-１３７１０６号公報）に記載されているような推定手法を用いても良い。

第２の座標変換器１０ｆは、上記ロータ位置・速度推定器１０ｅから入力される回転角推定値θeに基づいて電流制御器１０ｃから入力される上記ｑ軸及びｄ軸に対応する電圧操作量Ｖq，ＶdをＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３次元座標系上の電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換し、当該電圧操作量Ｖu，Ｖv，ＶwをＰＷＭ信号発生器１０ｇに出力する。

ＰＷＭ信号発生器１０ｇは、上記電圧操作量Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいてインバータ２eをスイッチング動作させるためのＰＷＭ信号を生成してインバータ２eに出力する。インバータ制御部１０は正弦波通電方式に基づいて動作するものであり、したがってＰＷＭ信号発生器１０ｇは、インバータ２eが永久磁石同期モータ１ａの全回転角（３６０°）に亘ってモータ駆動信号を出力するようにＰＷＭ信号を出力する。

電圧センサ（電圧検出手段）１１は、Ｕ相駆動信号線の電圧を検出し、電圧検出値として速度検出器１２に出力する。アシスト停止時において、インバータ２eがモータ駆動信号を永久磁石同期モータ１ａに供給しない状態にある場合、Ｕ相駆動信号線にはＵ相固定子巻線と永久磁石からなる回転子との電磁誘導によって正弦波状の誘起電圧が発生する。電圧センサ１１は、このような誘起電圧を電圧検出値として速度検出器１２に出力する。

速度検出器（回転状態検出手段）１２は、図示するようにコンパレータ１２ａとＦ／Ｖ変換器１２ｂとから構成されている。コンパレータ１２ａは、電圧センサ１１から入力された電圧検出値を接地電圧と比較することにより誘起電圧のゼロクロス点で状態遷移するパルス信号を生成してＦ／Ｖ変換器１２ｂに出力する。Ｆ／Ｖ変換器１２ｂは、上記パルス信号をその周波数に応じた直流電圧に変換し、角速度検出値ωkとして出力スイッチ１３に出力する。

出力スイッチ（出力選択手段）１３は、ＥＣＵから供給される動作指示信号Ｊに基づいてロータ位置・速度推定器１０ｅから入力された角速度推定値ωeと速度検出器１２から入力された角速度検出値ωkとを択一的に選択し、角速度信号ωとしてＥＣＵ及び中間電圧指令値生成部８に出力する。上記動作指示信号Ｊは、インバータ制御部１０に永久磁石同期モータ１ａによるアシストを指示すると共に、出力スイッチ１３に角速度推定値ωeと角速度検出値ωkとの出力切り替えを指示するためのものである。

次に、このように構成された第２実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの動作について、図３（a）及び（b）を参照して説明する。
＜アシスト時＞
まず、図３（a）及び（b）に示すアシスト時において、インバータ制御部１０は、エンジン制御装置(ＥＣＵ)から入力される動作指示信号Ｊによってアシスト指示を受けると、モータ駆動部２を動作させることによって永久磁石同期モータ１ａの駆動を行う。

具体的には、モータ駆動信号が各相の駆動信号線を介してインバータ２eから永久磁石同期モータ１ａに供給され、永久磁石同期モータ１aが回転駆動される。ここで、インバータ制御部１０は正弦波通電方式を採用しているので、アシスト時にはモータ駆動信号がインバータ２eから永久磁石同期モータ１ａに常時出力され、この結果、各相の駆動信号線には誘起電圧が発生しない。従って、アシスト時には、角速度検出値ωkが速度検出器１２から出力されず、出力スイッチ１３は、インバータ制御部１０から入力された角速度推定値ωeを角速度信号ωとしてＥＣＵ及び中間電圧指令値生成部８に出力する。

Ｕ相電流センサ３、Ｖ相電流センサ４から出力されたＵ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu，Ｉvは第１の座標変換器１０ｄに入力される。第１の座標変換器１０ｄは、もう１相つまりＷ相のモータ駆動電流ＩwをＵ相及びＶ相のモータ駆動電流Ｉu，Ｉvから算出し、３相（Ｕ相，Ｖ相及びＷ相）のモータ駆動電流Ｉu，Ｉv，Ｉwに回転角推定値θeに応じた要素からなる変換マトリクスを用いて座標変換処理を施すことにより、永久磁石同期モータ１ａに固有のｑ軸−ｄ軸座標系におけるｑ軸の駆動電流検出量Ｉqとｄ軸の駆動電流検出量Ｉdを生成する。

一方、ＥＣＵから角速度目標値ω_０が減算器１０ａに入力されると共に、同じくＥＣＵから上記駆動電流検出量Ｉdの目標値に相当する電流操作量Ｉdsが電流制御器１０ｃに入力される。ここで、上記電流操作量Ｉdsは「０」に設定される。

減算器１０ａは、上記角速度目標値ω_０とロータ位置・速度推定器１０ｅから入力された永久磁石同期モータ１ａの角速度推定値ωeとの差分を演算することにより速度誤差Δωを生成し、速度制御器１０ｂは、速度誤差Δωに比例積分・微分処理を施すことによって上記駆動電流検出量Ｉqに対応する電流操作量Ｉqsを生成する。そして、電流制御器１０ｃは、上記電流操作量Ｉqs，Ｉdsに比例積分・微分演算を各々施することにより、永久磁石同期モータ１ａに印加すべき駆動電圧に相当する電圧操作量Ｖq，Ｖdを生成する。

そして、ロータ位置・速度推定器１０ｅは、永久磁石同期モータ１ａの回転子に固定設定されたｑ軸−ｄ軸座標系におけるｑ軸の駆動電流検出量Ｉq及び電圧操作量Ｖq並びにｄ軸の駆動電流検出量Ｉd及び電圧操作量Ｖdを入力信号として角速度推定値ωe及び回転角推定値θeを推定する。

すなわち、ロータ位置・速度推定器１０ｅは、インバータ２eから永久磁石同期モータ１ａに供給される駆動電流を示す駆動電流検出量Ｉq，Ｉd及び自らが推定した永久磁石同期モータ１ａの回転角推定値θeに基づいて生成された駆動電流検出量Ｉq，Ｉdと、同じく自らが推定した角速度推定値ωeに基づいて生成されると共にＰＭＷ信号の生成を規定する電圧操作量Ｖq，Ｖdとを用いて角速度推定値ωe及び回転角推定値θeを推定するので、角速度推定値ωe及び回転角推定値θeは、永久磁石同期モータ１ａの回転状態を正確に示す値となる。

中間電圧指令値生成部８は、アシスト時において、出力スイッチ１３から継続的に入力される角速度推定値ωeをモータ回転数fに換算した後、当該換算したモータ回転数fに対応する中間電圧指令値Ｖdc’を図２に示すマップから抽出し、当該抽出した中間電圧指令値Ｖdc’を昇圧制御回路９に出力する。ここで、中間電圧指令値生成部８は、アシスト時、つまり永久磁石同期モータ１aの角速度がアシスト角速度に到達しない期間において、一定の中間電圧指令値Ｖdc’を昇圧制御回路９に出力する。

＜アシスト停止時＞
そして、図３（a）及び（b）に示すように、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度推定値ωe）がアシスト回転数と一致した場合、ＥＣＵからアシスト停止を指示する動作指示信号Ｊが入力され、インバータ制御部１０は、インバータ２eの運転を停止して永久磁石同期モータ１ａの駆動を停止する。このようにアシスト停止時において、永久磁石同期モータ１ａは、排気エネルギーによるタービン１cの回転によってフリーラン状態となる。

この場合、各相の駆動信号線は高インピーダンス状態となり、永久磁石同期モータ１a
との間の各駆動信号線には固定子巻線と回転子との電磁誘導によって正弦波状の誘起電圧
が発生する。この誘起電圧は、永久磁石同期モータ１ａの固定子巻線と回転子との電磁誘
導によって誘起されるので、接地電位（ゼロ電位）を中心電位とすると共に回転子の回転
周期（角速度）に対応する角周波数の交流電圧である。

電圧センサ１１は、Ｕ相駆動信号線の誘起電圧を検出して、電圧検出値として速度検出
器１２のコンパレータ１２ａに出力する。この電圧検出値は、コンパレータ１２ａによっ
て接地電位と比較されることによりゼロクロス点（接地電位と交差する点）で状態遷移す
るパルス信号に変換される。このパルス信号は、回転子の回転周期に同期した信号であり、
Ｆ／Ｖ変換器１２ｂによって回転子の角速度に対応した直流電圧に変換され、角速度検出
値ωkとして出力スイッチ１３に出力される。出力スイッチ１３は、アシスト停止時の場
合、角速度検出値ωkを角速度信号ωとしてＥＣＵ及び中間電圧指令値生成部８に出力
する。

このように、アシスト停止時においては、永久磁石同期モータ１ａの誘起電圧のゼロク
ロス点で状態遷移するパルス信号に基づいて角速度検出値ωkを生成することにより、温度変動等に起因して誘起電圧の振幅が変動した場合であっても、その変動に影響されることなく高精度の角速度を検出することができる。

そして、中間電圧指令値生成部８は、角速度信号ω（角速度検出値ωk）の回転数換算値と図２のマップとを基に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力（ＥＭＦ）以上の値を有する中間電圧指令値Ｖdc’を昇圧制御回路９に出力する。この時、昇圧制御回路９は、中間電圧センサ２cから入力される中間電圧検出値Ｖdcと、中間電圧指令値生成部８から入力される中間電圧指令値Ｖdc’とに基づいて、中間電圧検出値Ｖdcが中間電圧指令値Ｖdc’と一致するように、つまりインバータ２eに供給される中間電圧が永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力以上の値となるように昇圧回路２bを制御する。これにより、アシスト停止時において、インバータ２eに供給される中間電圧は、常に永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力以上の値となり、永久磁石同期モータ１ａからの逆流電流は発生せず、その結果、回生現象は発生しない。

なお、アシスト停止時において、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度検出値ωk）が、設定回転数fsより低くなった場合、ＥＣＵから再びアシスト開始指示が出力され、インバータ２eからモータ駆動信号が永久磁石同期モータ１ａに供給されてタービン１cのアシストが行われる。

以上説明したように、第２実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムは、第１実施形態とは永久磁石同期モータ１ａの回転状態を把握する手段が異なるものであり、
電動機付ターボチャージャにおける永久磁石同期モータ１ａの回生現象を防止すると共に、永久磁石同期モータ１ａの高効率化及び小型化を図ることが可能である。

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）上記第１実施形態及び第２実施形態では、モータ回転数fと中間電圧指令値Ｖdc’との対応関係を規定するマップを基に、モータ回転数fが設定回転数fs以上になった場合に、インバータ２eに供給される中間電圧Ｖdが永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力以上の値となるように昇圧回路２bを制御する場合について説明した。本発明はこれに限らず、例えば、モータ回転数fが設定回転数fs以上になった場合に、モータから出力されるモータ電流をフィードバックし、その値がゼロになるように昇圧回路２bにより中間電圧Ｖdを制御するようにしても良い。このような制御を行うことにより、中間電圧Ｖdを永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力以上の値となるように制御することができる。

また、インバータ２eと昇圧回路２bとの間に電流センサを設置し、その電流センサで検出した電流値がゼロになるように昇圧回路２bにより中間電圧Ｖdを制御するようにしても良い。また、入力電源として直流電源２aを用いた場合、昇圧回路２bの入力側に電流センサを設置し、その電流センサで検出した電流値がゼロになるように昇圧回路２bにより中間電圧Ｖdを制御するようにしても良い。さらに、入力電源として交流電源を用いた場合、昇圧回路２bの入力側に電圧センサと電流センサを設置し、内部演算により有効電力と同じ成分の有効電流成分を求め、その値がゼロとなるように昇圧回路２bにより中間電圧Ｖdを制御するようにしても良い。

（２）上記第１及び第２実施形態では、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度）が、永久磁石同期モータ１ａによるアシストの停止を規定するアシスト回転数に到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２eの中間電圧と一致するように永久磁石同期モータ１ａを設計し、設定回転数fsを上記アシスト回転数に設定した。これは、図４からわかるように、このように設計することにより、高効率化及び小型化の効果を最大限に得ることができるためである。一方、高効率化及び小型化の効果は落ちるが、例えば、図３（a）におけるアシスト回転数から最大回転数の間の所定の回転数を設定回転数fsに設定し、永久磁石同期モータ１ａの回転数（角速度）が、このように設定した設定回転数fsに到達した場合に、永久磁石同期モータ１ａの誘導起電力がインバータ２eの中間電圧と一致するように永久磁石同期モータ１ａを設計しても良い。

（３）上記第１実施形態では、Ｕ相電流センサ３、Ｖ相電流センサ４、Ｗ相電流センサ５によって各々検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出し、このモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをインバータ制御部６（３相／２相変換器６ｅ）に供給することにより永久磁石同期モータ１ａの回転子に固有のｑ軸−ｄ軸座標系におけるｑ軸駆動電流検出量Ｉq及びｄ軸駆動電流検出量Ｉdを演算するが、これに代えて、図６に示すように昇圧回路２ｂからインバータ２eに供給される電源電流Ｉpを電流センサ２０によって検出し、この電源電流Ｉpをインバータ制御部６Ａに供給することによりｑ軸駆動電流検出量Ｉq及びｄ軸駆動電流検出量Ｉdを演算するようにしても良い。

この場合のインバータ制御部６Ａは、図７に示すようにインバータ制御部６に相電流再現器６ｈを付加した構成となる。この相電流再現器６ｈは、ＰＷＭ信号発生器６ｇから供給されるＰＷＭ信号に基づいて電源電流Ｉpを３相のモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに変換する。なお、図６では、電流センサ２０を電源の＋側に設けて電源電流Ｉpを検出する場合を示したが、電源の−側に電流センサ２０を設けて電源電流Ｉpを検出するようにしても良い。なお、このような電流検出手法は、第２実施形態でも同様に用いることができる。

（４）図８は、図６の変形例を示すブロック図である。この図に示すように、インバータ２eは、３相モータである永久磁石同期モータ１ａを駆動するものなので、各相（Ｕ相，Ｖ相及びＷ相）に対応した３つのスイッチアーム３０〜３２を備えている。図６では、昇圧回路１ｂからインバータ２eに供給される電源電流Ｉpを検出したが、本変形例ではスイッチアーム３０〜３２に流れるアーム電流Ｉaを電流センサ２１で検出して上述したインバータ制御部６Ａに供給する。なお、図８では、電流センサ２１をＵ相のスイッチアーム３０に設けているが、他の相つまりＶ相あるいはＷ相のスイッチアーム３１、３２に設けるようにしても良い。なお、このような電流検出手法は、第２実施形態でも同様に用いることができる。

（５）上記第２実施形態において、例えば、図９に示すように電圧センサ１１に加えてＶ相駆動信号線の電圧を検出する電圧センサ１１Ａを設け、Ｕ相及びＶ相駆動信号線の電圧を速度検出器１２Ａに供給し、両電圧をコンパレータで比較することによって両電圧の大小関係が逆転するタイミングで状態遷移するパルス信号を生成するようにしても良い。両電圧は、１２０°の位相差を有しているので、１周期の間に２回大小関係が逆転する。なお、速度検出器１２Ａに供給する電圧は、Ｕ相及びＶ相の駆動信号線に限定されず、３相（Ｕ相，Ｖ相及びＷ相）のうちいずれか２相を選択すれば良い。

（６）上記第１及び第２実施形態では、直流電源２aを用いているため昇圧回路２bをＤＣ／ＤＣコンバータとしたが、これに限定されず、交流電源を用いた場合は昇圧回路２bとしてＡＣ／ＤＣコンバータを用いても良い。

（７）上記第１実施形態では永久磁石同期モータ１aの１回転で１パルスのパルス信号を出力する回転位置センサ１bを用いたが、本発明はこれに限定されない。１回転で複数のパルスを出力する回転位置センサを用い、当該回転位置センサの出力を速度算出器７に入力しても良い。

（８）上記第１実施形態における回転位置センサ１bはホール素子を検出素子として用いるものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。回転位置センサ１bは、ホール素子以外の検出素子（例えば磁気抵抗素子）を用いたものであっても良い。

（９）さらに、上記第１実施形態ではｄ軸電流操作量Ｉdsを「０」に設定したが、これはベクトル制御において一般的に行われることである。しかし、本発明はこれに限定されない。必要に応じてｄ軸電流操作量Ｉdsに「０」以外の定数を設定しても良い。また、このｄ軸電流操作量Ｉdsについては、インバータ制御部６自身が生成しても良い。

（１０）また、上記第２実施形態ではコンパレータ１２ａとＦ／Ｖ変換器１２ｂとからなる速度検出器１２を用いるが、速度検出器１２の構成はこれに限定されるものではない。電圧センサ１１によって検出される電圧の変動周期を直流電圧に変換するものであれば他の構成でも良い。他の構成例としては、例えばＰＬＬ（Phas Locked Loop）回路を用いるものやマイコンを用いたソフトウエア処理によるもの等が考えられる。

（１１）上記第２実施形態では、ＥＣＵから供給される動作指示信号Ｊに基づいて角速度推定値ωeと角速度検出値ωkとを切り替え角速度信号ωとしてＥＣＵに出力するようにしたが、これに代えて動作指示信号Ｊをインバータ制御部１０内で生成するようにしても良い。角速度目標値ω_０及び電流操作量Ｉdsはアシスト時にのみＥＣＵからインバータ制御部１０に供給されるので、インバータ制御部１０は、角速度目標値ω_０あるいは電流操作量Ｉdsの供給／非供給を判断し、この判断結果に基づいて動作指示信号Ｊを生成する。

（１２）上記第１及び第２実施形態では永久磁石同期モータ１ａの回転状態を示す回転状態値として角速度を用いたが、これに限らず、回転状態値として回転数などを用いても良い。

本発明の第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの構成ブロック図である。本発明の第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの中間電圧指令値とモータ回転数との対応関係に関する説明図である。本発明の第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの動作に関する説明図である。本発明の第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムにおける永久磁石同期モータ１ａの設計手法に関する説明図である。本発明の第２実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの構成ブロック図である。本発明の第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの第１変形例である。本発明の第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの第１変形例に関する詳細説明図である。本発明の第１実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの第２変形例である。本発明の第２実施形態に係る電動機付ターボチャージャ制御システムの変形例である。

符号の説明

１…電動機付きターボチャージャ、１a…永久磁石同期モータ、１b…回転位置センサ、１c…タービン、１d…コンプレッサ、２…モータ駆動部、２a…直流電源、２b…昇圧回路、２c…中間電圧センサ、２d…平滑コンデンサ、２e…インバータ、３…Ｕ相電流センサ、４…Ｖ相電流センサ、５…Ｗ相電流センサ、６、１０…インバータ制御部、７…速度算出器、８…中間電圧指令値生成部、９…昇圧制御回路、１１…電圧センサ、１２…速度検出器、１３…出力スイッチ

Claims

エンジンに付設されたターボチャージャに、昇圧回路から供給される直流電圧によって動作するインバータによって駆動されるアシスト用の電動機が連結された電動機付ターボチャージャの制御システムであって、
前記電動機の回転状態を示す回転状態値を把握する回転状態把握手段と、
前記回転状態把握手段によって把握された前記回転状態値が予め設定された回転状態設
定値以上の値になった場合に、前記直流電圧が前記電動機の誘導起電力以上の値となるよ
うに前記昇圧回路を制御する制御手段と、
を具備し、
前記回転状態設定値は、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致す
る場合における前記電動機の回転状態値に設定されている、
ことを特徴とする電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電動機の回転状態値が、前記電動機によるアシストの停止を規定するアシスト回転状態値に到達した場合に、前記電動機の誘導起電力が前記インバータの直流電圧と一致するように前記電動機は設計されており、前記回転状態設定値は前記アシスト回転状態値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、
前記回転状態把握手段は、
前記センサレス永久磁石同期モータの回転子の回転位置を検出し、当該回転位置を示す回転位置検出信号を出力する回転位置検出手段と、
前記回転位置検出信号を微分処理することにより前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値として角速度を算出する速度算出手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記センサレス永久磁石同期モータの回転数と前記直流電圧の指令値との対応関係を記
憶すると共に、前記速度算出手段が算出した角速度に対応する前記指令値を前記対応関係
から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、
前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を
制御する昇圧制御手段と、を有し、
前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転数が予め設定された設定回
転数以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力以上の値
となるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、
前記回転状態把握手段は、
少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、
少なくとも２相の駆動信号線の各々に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシ
スト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、
前記電流検出手段が検出した電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、
前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して出力する出力選択手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値と前記直流電圧の指令値との対応関係
を記憶すると共に、前記出力選択手段から出力される回転状態値に対応する前記指令値を
前記対応関係から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、
前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を
制御する昇圧制御手段と、を有し、
前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値が予め設定された回
転状態設定値以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力
以上の値となるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、
前記回転状態把握手段は、
少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記インバータに供給される電源電流を検出する電源電流検出手段と、
前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシ
スト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、
前記電源電流検出手段が検出した電源電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、
前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して出力する出力選択手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値と前記直流電圧の指令値との対応関係
を記憶すると共に、前記出力選択手段から出力される回転状態値に対応する前記指令値を
前記対応関係から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、
前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を
制御する昇圧制御手段と、を有し、
前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値が予め設定された回
転状態設定値以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力
以上の値となるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電動機は、３相の駆動信号の供給を受けて駆動するセンサレス永久磁石同期モータであり、
前記回転状態把握手段は、
少なくとも１相の駆動信号線の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記インバータのスイッチアームに流れるアーム電流を検出するアーム電流検出手段と、
前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータのアシ
スト停止時における回転状態値を検出する回転状態検出手段と、
前記アーム電流検出手段が検出するアーム電流に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータによるアシスト時における回転状態値を推定する回転状態推定手段と、
前記アシスト停止時に前記回転状態検出手段が検出した回転状態値を選択する一方、前記アシスト時には前記回転状態推定手段が推定した回転状態値を選択して出力する出力選択手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値と前記直流電圧の指令値との対応関係
を記憶すると共に、前記出力選択手段から出力される回転状態値に対応する前記指令値を
前記対応関係から抽出する直流電圧指令値抽出手段と、
前記抽出された直流電圧の指令値と一致する直流電圧を生成するように前記昇圧回路を
制御する昇圧制御手段と、を有し、
前記対応関係は、前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値が予め設定された回
転状態設定値以上の値になった場合に、前記直流電圧の指令値が前記電動機の誘導起電力
以上の値となるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電圧検出手段は、１相の駆動信号線の電圧を検出し、
前記回転状態検出手段は、前記１相の駆動信号線の電圧のゼロクロス点に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。
前記電圧検出手段は、２相の駆動信号線の各々の電圧を検出し、
前記回転状態検出手段は、前記２相の駆動信号線の各々の電圧の差分に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの回転状態値を検出する、
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の電動機付ターボチャージャ制御システム。