JP5082216B2 - Rotation detection device for turbocharger with electric motor and rotation detection method for turbocharger with electric motor - Google Patents
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Description
本発明は、電動機付ターボチャージャ用回転検出装置及び電動機付ターボチャージャの回転検出方法に関する。 The present invention relates to a rotation detection device for a turbocharger with an electric motor and a rotation detection method for a turbocharger with an electric motor.
下記非特許文献1には、ターボチャージャに組み込んだPMモータ(永久磁石型同期モータ)の駆動システムが開示されている。PMモータを組み込んだターボチャージャ(ハイブリッドターボチャージャ)は、PMモータの回転子をターボチャージャの回転軸と一体化させたものであり、PMモータの回転動力によってターボチャージャの回転を補助するものである。本駆動システムは、ターボチャージャの補助用モータであるPMモータとして回転子の回転位置を検出する位置センサを具備しないブラシレスDCモータ(センサレスブラシレスDCモータ)を採用すると共に、当該センサレスブラシレスDCモータを120°通電方式で駆動するものであり、非通電期間に固定子巻線に誘起する誘起電圧を利用して回転子の回転位置を判定することにより各相の駆動電流を生成する。
なお、上記120°通電方式ではなく、180°通電方式を採用するセンサレスブラシレスDCモータの制御技術については、例えば以下の非特許文献2,3及び特許文献1等に詳細が開示されている。
Note that the details of the control technology of the sensorless brushless DC motor that adopts the 180 ° energization method instead of the 120 ° energization method are disclosed in, for example, Non-Patent Documents 2 and 3 and Patent Document 1 below.
ところで、上述したハイブリッドターボチャージャはエンジン(主機)を補助する補機として機能するものであり、補助用モータはエンジンと同様にエンジン制御装置(ECU)によって制御される。すなわち、補助用モータを駆動するモータ駆動装置は、上位制御装置であるエンジン制御装置による制御の下に補助用モータを駆動する。
しかしながら、補助用モータとしてセンサレスブラシレスDCモータを用いた場合におけるセンサレスブラシレスDCモータの回転数情報(つまりターボチャージャの回転数情報)をエンジン制御装置に提供する技術は未だ確立されていない。特に10万回転を超える高速回転域における補助用モータの制御では、エンジン制御装置は補助用モータを制御するためにセンサレスブラシレスDCモータに関する極めて正確な回転数情報を必要とするが、このような高精度な回転数情報をエンジン制御装置に提供する技術は未だ確立されていないのが現状である。
The hybrid turbocharger described above functions as an auxiliary machine that assists the engine (main machine), and the auxiliary motor is controlled by an engine control unit (ECU) in the same manner as the engine. That is, the motor driving device that drives the auxiliary motor drives the auxiliary motor under the control of the engine control device that is the host control device.
However, a technique for providing the engine control device with the rotational speed information of the sensorless brushless DC motor (that is, the rotational speed information of the turbocharger) when a sensorless brushless DC motor is used as the auxiliary motor has not yet been established. In particular, in the control of the auxiliary motor in a high-speed rotation region exceeding 100,000 rotations, the engine control device requires extremely accurate rotational speed information regarding the sensorless brushless DC motor in order to control the auxiliary motor. At present, the technology for providing accurate engine speed information to the engine control device has not yet been established.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、センサレス永久磁石同期モータを採用する電動機付ターボチャージャの回転状態、特に高精度な回転状態をエンジン制御装置に提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an engine control device with a rotation state, in particular, a highly accurate rotation state, of a turbocharger with an electric motor that employs a sensorless permanent magnet synchronous motor. .
上記目的を達成するために、本発明では、電動機付ターボチャージャ用回転検出装置に係る第1の解決手段として、モータ制御装置による制御の下にインバータによって駆動されるセンサレス永久磁石同期モータがエンジンに付設されたターボチャージャに取り付けられた電動機付ターボチャージャの回転状態を検出する装置において、永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、インバータから固定子巻線に供給される複数相のモータ駆動電流をそれぞれ検出する駆動電流検出手段と、誘起電圧検出手段が検出する誘起電圧に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態を検出する回転状態検出手段と、駆動電流検出手段が検出したモータ駆動電流に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定する回転状態推定手段と、非駆動時に回転速度検出手段の検出結果を選択する一方、駆動時には回転速度推定手段の推定結果を選択してエンジン制御装置に出力する出力選択手段とを具備する、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, in the present invention, a sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under the control of a motor control device is provided in an engine as a first solving means related to a rotation detecting device for a turbocharger with an electric motor. In an apparatus for detecting the rotation state of a turbocharger with an electric motor attached to an attached turbocharger, an induced voltage detection means for detecting an induced voltage induced in a stator winding of a permanent magnet synchronous motor, and an inverter from a stator winding Rotation state for detecting the rotation state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven based on the induced voltage detected by the induced voltage detection means and the drive current detection means for detecting the multi-phase motor drive current supplied to the wire Sensorless permanent detection based on the detection means and the motor drive current detected by the drive current detection means While selecting the rotation state estimation means for estimating the rotation state at the time of driving the magnet synchronous motor and the detection result of the rotation speed detection means at the time of non-driving, the estimation result of the rotation speed estimation means is selected at the time of driving to the engine control device. An output selection means for outputting is adopted.
電動機付ターボチャージャ用回転検出装置に係る第2の解決手段として、モータ制御装置による制御の下にインバータによって駆動されるセンサレス永久磁石同期モータがエンジンに付設されたターボチャージャに取り付けられた電動機付ターボチャージャの回転状態を検出する装置において、永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、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、誘起電圧検出手段が検出した誘起電圧に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態を検出する回転状態検出手段と、電源電流検出手段が検出した電源電流に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定する回転状態推定手段と、非駆動時に回転状態検出手段の検出結果を選択する一方、駆動時には回転状態推定手段の推定結果を選択してエンジン制御装置に出力する出力選択手段とを具備する、という手段を採用する。 As a second solution to the rotation detecting device for a turbocharger with an electric motor, a turbo with an electric motor attached to a turbocharger attached to an engine by a sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under the control of a motor control device In an apparatus for detecting the rotation state of a charger, an induced voltage detecting means for detecting an induced voltage induced in a stator winding of a permanent magnet synchronous motor, a power supply current detecting means for detecting a power supply current supplied to an inverter, an induction The rotation state detection means for detecting the rotation state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven based on the induced voltage detected by the voltage detection means, and the sensorless permanent magnet synchronous motor based on the power supply current detected by the power supply current detection means. Rotation state estimation means for estimating the rotation state during driving, and during non-driving While selecting the detection result of the rotation state detecting means, and an output selecting means for selecting and outputting an estimation result of the rotation state estimation unit to the engine control unit at the time of driving, to adopt a means of.
電動機付ターボチャージャ用回転検出装置に係る第3の解決手段として、モータ制御装置による制御の下にインバータによって駆動されるセンサレス永久磁石同期モータがエンジンに付設されたターボチャージャに取り付けられた電動機付ターボチャージャの回転状態を検出する装置において、永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、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、誘起電圧検出手段が検出した誘起電圧に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態を検出する回転状態検出手段と、アーム電流検出手段が検出するアーム電流に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定する回転状態推定手段と、非駆動時に回転状態検出手段の検出結果を選択する一方、駆動時には回転状態推定手段の推定結果を選択してエンジン制御装置に出力する出力選択手段とを具備する、という手段を採用する。 As a third means for solving the rotation detecting device for a turbocharger with an electric motor, a turbo with an electric motor attached to a turbocharger attached to an engine is a sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under the control of a motor control device. In the device for detecting the rotation state of the charger, an induced voltage detecting means for detecting an induced voltage induced in the stator winding of the permanent magnet synchronous motor, an arm current detecting means for detecting an arm current flowing through the switch arm of the inverter, Rotation state detection means for detecting a rotation state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven based on the induced voltage detected by the induced voltage detection means, and a sensorless permanent magnet synchronous motor based on the arm current detected by the arm current detection means Rotational state estimation to estimate the rotational state during driving And means for selecting a detection result of the rotation state detection means when not driven, and an output selection means for selecting the estimation result of the rotation state estimation means during driving and outputting the result to the engine control device. .
電動機付ターボチャージャ用回転検出装置に係る第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、回転状態検出手段は、誘起電圧のゼロクロス点に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの回転状態を検出する、という手段を採用する。 As a fourth solving means related to the rotation detecting device for a turbocharger with an electric motor, in any one of the first to third means, the rotation state detecting means rotates the sensorless permanent magnet synchronous motor based on the zero cross point of the induced voltage. A means of detecting the state is adopted.
電動機付ターボチャージャ用回転検出装置に係る第5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、回転状態検出手段は、各モータ駆動相の誘起電圧の差分に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの回転状態を検出する、という手段を採用する。 As a fifth solving means related to the rotation detecting device for a turbocharger with an electric motor, in any one of the first to third means, the rotation state detecting means is a sensorless permanent magnet based on a difference between induced voltages of motor driving phases. A means of detecting the rotation state of the synchronous motor is employed.
電動機付ターボチャージャ用回転検出装置に係る第6の解決手段として、上記第1〜第5いずれかの手段において、回転状態検出手段は回転状態としてセンサレス永久磁石同期モータの回転速度を検出し、回転状態推定手段は回転状態としてセンサレス永久磁石同期モータの回転速度を推定する、という手段を採用する。 As a sixth solving means relating to the rotation detection device for a turbocharger with an electric motor, in any one of the first to fifth means, the rotation state detection means detects the rotation speed of the sensorless permanent magnet synchronous motor as the rotation state, and rotates. The state estimation means employs means for estimating the rotation speed of the sensorless permanent magnet synchronous motor as the rotation state.
また、本発明では、電動機付ターボチャージャの回転検出方法に係る解決手段として、モータ制御装置による制御の下にインバータによって駆動されるセンサレス永久磁石同期モータがエンジンに付設されたターボチャージャに取り付けられた電動機付ターボチャージャの回転状態を検出する方法において、センサレス永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態を検出し、インバータから固定子巻線に供給される複数相のモータ駆動電流、インバータに供給される電源電流あるいはインバータのスイッチアームに流れるアーム電流に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定し、非駆動時に誘起電圧に基づいて検出された回転状態を選択してエンジン制御装置に出力する一方、駆動時にはモータ駆動電流、電源電流あるいはアーム電流に基づいて推定された回転状態を選択してエンジン制御装置に出力する、という手段を採用する。 Further, in the present invention, as a solution for the rotation detection method of the turbocharger with an electric motor, a sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under the control of the motor control device is attached to the turbocharger attached to the engine. In the method of detecting the rotation state of a turbocharger with an electric motor, the rotation state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven is detected based on the induced voltage induced in the stator winding of the sensorless permanent magnet synchronous motor and fixed from the inverter. Estimates the rotational state when driving a sensorless permanent magnet synchronous motor based on the motor drive current of multiple phases supplied to the slave winding, the power supply current supplied to the inverter or the arm current flowing through the switch arm of the inverter, and is not driven Rotation detected sometimes based on induced voltage You select one to be output to the engine control unit, the motor drive current at the time of driving, by selecting the rotational state that is estimated based on the power supply current or arm current outputs to the engine control unit, employing the means of.
電動機付ターボチャージャはエンジンに付設されるため周囲温度の変化が大きい。しかし、本発明によれば、このような劣悪な温度環境にも拘わらず、位置センサを具備しないセンサレス永久磁石同期モータを補助用モータとして備える電動機付ターボチャージャについて、センサレス永久磁石同期モータの非駆動時には誘起電圧に基づいて検出された回転状態をエンジン制御装置に出力する一方、センサレス永久磁石同期モータの駆動時にはモータ駆動電流、電源電流あるいはアーム電流に基づいて推定された回転状態をエンジン制御装置に出力するので、電動機付ターボチャージャの回転状態をエンジン制御装置に提供することができる。 Since the turbocharger with electric motor is attached to the engine, the ambient temperature changes greatly. However, according to the present invention, in spite of such a poor temperature environment, the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven in the turbocharger with an electric motor provided with a sensorless permanent magnet synchronous motor without a position sensor as an auxiliary motor. Sometimes, the rotational state detected based on the induced voltage is output to the engine control device, while when the sensorless permanent magnet synchronous motor is driven, the rotational state estimated based on the motor drive current, power supply current or arm current is sent to the engine control device. Since it outputs, the rotation state of the turbocharger with an electric motor can be provided to the engine control device.
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、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ用回転検出装置及びその関連機器の機能構成を示すブロック図である。この図において、符号1はモータ駆動装置、2は電動機付ターボチャージャ、3A,3Bは電流検出器、4は電圧検出器、5はモータ制御装置、6は速度検出器、7は出力スイッチである。これら各構成要件のうち、電流検出器3A,3B、電圧検出器4、モータ制御装置5、速度検出器6及び出力スイッチ7は、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ用回転検出装置を構成している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a rotation detection device for a turbocharger with an electric motor and related devices according to the present embodiment. In this figure, reference numeral 1 is a motor drive device, 2 is a turbocharger with an electric motor, 3A and 3B are current detectors, 4 is a voltage detector, 5 is a motor control device, 6 is a speed detector, and 7 is an output switch. . Among these components, the
モータ駆動装置1は、図示するように直流電源1a、昇圧回路1b及びインバータ1cから構成されており、また電動機付ターボチャージャ2は永久磁石型同期モータ2a及びターボチャージャ2bから構成されている。このモータ駆動装置1は、直流電源1aから出力された直流電圧(電源電圧)に基づいてモータ駆動信号(交流信号)を生成して永久磁石型同期モータ2aを駆動するものである。直流電源1a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、所定の直流電圧を昇圧回路1bに出力する。昇圧回路1bは、必要に応じて設けられるものであり、直流電源1aから供給された直流電圧を昇圧してインバータ1bに供給する。インバータ1bは、モータ制御装置5から供給されるPWM信号に基づいて昇圧回路1bから供給された直流電圧をスイッチングすることにより、図示するように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する。
As shown in the figure, the motor drive device 1 is composed of a
永久磁石型同期モータ2aは、回転子の回転(回転位置、回転速度あるいは/及び回転数)を検出するセンサを具備しないセンサレス永久磁石型同期モータであり、補助用モータとしてターボチャージャ2bの回転を補助するものである。ターボチャージャ2b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。
The permanent magnet type
電流検出器3Aは、上記インバータ1bのU相出力端と永久磁石型同期モータ2aのU相固定子巻線とを接続するU相駆動信号線に設けられており、上記U相出力端からU相固定子巻線に流れるモータ駆動電流Iuを検出して下記モータ制御装置5に出力する。一方、電流検出器3Bは、上記インバータ1bのV相出力端と永久磁石型同期モータ2aのV相固定子巻線とを接続するV相駆動信号線に設けられており、上記V相出力端からV相固定子巻線に流れるモータ駆動電流Ivを検出して下記モータ制御装置5に出力する。
The
電圧検出器4は、U相駆動信号線に誘起する誘起電圧を検出し、誘起電圧検出値として速度検出器6に出力する。モータ駆動装置1が非駆動状態にある場合、つまりインバータ1bがモータ駆動信号を永久磁石型同期モータ2a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。電圧検出器4は、このような誘起電圧を誘起電圧検出値として速度検出器6に出力する。
The
モータ制御装置5は、図示するように減算器5a、速度制御器5b、電流制御器5c、座標変換器5d,5f、ロータ位置・速度推定器5e及びPWM(Pulse Width Wodulation)信号発生器5gから構成されており、上記インバータ1bをPWM制御することによって永久磁石型同期モータ2aの回転を制御するものである。
As shown, the motor controller 5 includes a subtractor 5a, a
減算器5a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ω0とロータ位置・速度推定器5eから出力された角速度推定値ωeとの差分を速度誤差Δωとして演算し速度制御器5bに出力する。速度制御器5b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5cに出力する。
The subtractor 5a calculates the difference between the angular velocity target value ω 0 supplied from the engine control unit (ECU), which is a host controller, and the estimated angular velocity value ω e output from the rotor position /
電流制御器5cは、上記電流操作量Iqs、エンジン制御装置(ECU)から供給される電流操作量Ids、座標変換器5d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5e及び座標変換器5fに出力する。電流制御器5c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電圧操作量Vq,Vdを生成する。
The
座標変換器5dは、電流検出器3A,3B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(検出量)に基づいて永久磁石型同期モータ2a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、座標変換器5d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。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。
The
ロータ位置・速度推定器5e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型同期モータ2a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5eは、例えば、内部に永久磁石型同期モータ2a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5eは、このような手法で推定した回転角推定値θeを座標変換器5d,5f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5a及び出力スイッチ7に出力する。
The rotor position /
なお、センサレス永久磁石型同期モータの回転制御では、一般的にセンサレス永久磁石型同期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センサレス永久磁石型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5eにおける角速度推定値ωe1及び回転角推定値θeの推定手法は、非特許文献2に記載されて手法と同等なものであるが、非特許文献3,4及び特許文献1には、センサレス永久磁石型同期モータの回転制御における角速度及び回転角等の推定手法について開示されている。したがって、ロータ位置・速度推定器5eにおける角速度推定値ωe1及び回転角推定値θeの推定手法に上記非特許文献3,4及び特許文献1に開示された手法を用いても良い。
In rotation control of a sensorless permanent magnet synchronous motor, the angular velocity and rotation angle of the sensorless permanent magnet synchronous motor are generally estimated by some method, and the sensorless permanent magnet synchronous motor is vector-controlled based on the estimated value. Alternatively, V / f control is performed. The estimation method of the angular velocity estimation value ωe1 and the rotation angle estimation value θe in the rotor position /
座標変換器5fは、上記ロータ位置・速度推定器5eから入力された回転角推定値θeに基づいて電流制御器5cから入力された上記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5gに出力する。
The coordinate converter 5f uses the voltage operation amounts Vq and Vd corresponding to the q axis and the d axis input from the
PWM信号発生器5gは、上記電圧操作量Vu,Vv,Vwに基づいてインバータ1b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1bに出力する。モータ制御装置5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5gは、インバータ1bが永久磁石型同期モータ2a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。
The
速度検出器6は、図示するようにコンパレータ6aとF/V変換器6bとから構成されている。コンパレータ6aは、電圧検出器4から入力された誘起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6bに出力する。F/V変換器6b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7に出力する。
The speed detector 6 includes a comparator 6a and an F /
出力スイッチ7は、エンジン制御装置(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5eから入力された角速度推定値ωeあるいは速度検出器6から入力された角速度検出値ωkを択一的に選択し、角速度信号ωとしてエンジン制御装置(ECU)に出力する。上記動作指示信号Jは、モータ制御装置5に永久磁石型同期モータ2aによるターボチャージャ2bの補助(アシスト)を指示すると共に、出力スイッチ7に角速度推定値ωeと角速度検出値ωkとの切り替えを指示するためのものである。
The
次に、このように構成された電動機付ターボチャージャ用回転検出装置の動作について、図2をも参照して詳しく説明する。 Next, the operation of the rotation detector for a turbocharger with an electric motor configured as described above will be described in detail with reference to FIG.
図2は、電動機付ターボチャージャ2の回転数変化を示すものである。電動機付ターボチャージャ2は、エンジンの排ガスによってタービンが駆動されることによって回転数が上昇する一方、永久磁石型同期モータ2aによる補助(アシスト)によっても回転数が上昇する。永久磁石型同期モータ2aによるアシストは、図示する「電動アシスト」で示すように、電動機付ターボチャージャ2の回転数を高速上昇させるために行われるものである。永久磁石型同期モータ2aのアシストによって、電動機付ターボチャージャ2の回転数は、例えば低速回転数a1から10万回転を超える高速回転a2まで急速上昇する。
FIG. 2 shows changes in the rotational speed of the turbocharger 2 with electric motor. The turbocharger with electric motor 2 increases in rotational speed when the turbine is driven by engine exhaust gas, while the rotational speed also increases with assistance from the permanent magnet type
モータ制御装置5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「電動機アシスト」が指示されると、モータ駆動装置1を作動させることによって永久磁石型同期モータ2aの駆動を行い、一方、動作指示信号Jが「電動機アシスト」を指示しない場合(非電動機アシストの場合)には、モータ駆動装置1の作動を停止して永久磁石型同期モータ2aの駆動を行わない。このようにモータ駆動装置1が作動を停止した状態において、永久磁石型同期モータ2aは、ターボチャージャ2bの回転に同期してフリー回転する。
When “motor assist” is instructed by an operation instruction signal J input from an engine control unit (ECU), the motor control device 5 operates the motor drive device 1 to drive the permanent magnet type
以下、非電動機アシスト時及び電動機アシスト時の各場合毎に、本電動機付ターボチャージャ用回転検出装置の動作を説明する。
〔非電動機アシスト時〕
この場合、モータ駆動装置1は作動を停止してモータ駆動信号を永久磁石型同期モータ2aに供給しないので、インバータ1bと永久磁石型同期モータ2aとを接続する各相(U相,V相及びW相)の駆動信号線は高インピーダンス状態となり、この結果、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。上記誘起電圧は、永久磁石型同期モータ2a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周期(角速度)に対応する角周波数の交流電圧である。
Hereinafter, the operation of the rotation detection device for a turbocharger with an electric motor will be described for each case of non-motor assist and motor assist.
[Non-motor assist]
In this case, since the motor drive device 1 stops operating and does not supply a motor drive signal to the permanent magnet type
U相駆動信号線に設けられた電圧検出器4は、当該U相駆動信号線の誘起電圧を検出して、誘起電圧検出値(正確にはU相誘起電圧検出値)として速度検出器6のコンパレータ6aに出力する。この誘起電圧検出値は、コンパレータ6a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、回転子の回転周周期に同期した信号であり、F/V変換器6bに入力されること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る。
The
すなわち、F/V変換器6bから出力スイッチ7に出力される角速度検出値ωkは、U相誘起電圧検出値に基づいて生成されたものであり、永久磁石型同期モータ2aの角速度を示す検出信号である。出力スイッチ7は、非電動機アシストの場合、つまりエンジン制御装置(ECU)が「電動機アシスト」を指示している場合、角速度検出値ωkを角速度信号ωとしてエンジン制御装置(ECU)に出力する。
That is, the angular velocity detection value ωk output from the F /
このように、永久磁石型同期モータ2a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。
As described above, when the angular velocity detection value ωk is generated based on the pulse signal that makes a state transition at the zero crossing point of the induced voltage of the permanent magnet type
〔電動機アシスト時〕
続いて、電動機アシスト時には、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1bから永久磁石型同期モータ2aに供給され、永久磁石型同期モータ2aが回転駆動される。ここで、モータ制御装置5は正弦波通電方式を採用しているので、電動機アシスト時にはモータ駆動信号がインバータ1bから永久磁石型同期モータ2a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。したがって、電動機アシスト時には、角速度検出値ωkが速度検出器6から出力されず、出力スイッチ7は、モータ制御装置5から入力された角速度推定値ωeを角速度信号ωとしてエンジン制御装置(ECU)に出力する。
[During motor assist]
Subsequently, at the time of assisting the motor, a motor drive signal is supplied from the
電流検出器3A,3Bから出力されたU相及びV相のモータ駆動電流Iu,Ivは座標変換器5dに入力される。座標変換器5d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、永久磁石型同期モータ2a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。
The U-phase and V-phase motor drive currents Iu and Iv output from the
一方、電動機アシスト時には、エンジン制御装置(ECU)から角速度目標値ω0が減算器5aに入力されると共に、同じくエンジン制御装置(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5c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。
On the other hand, at the time of assisting the motor, an angular velocity target value ω 0 is input from the engine control unit (ECU) to the subtractor 5a, and a current operation corresponding to the target value of the drive current detection amount Id is also input from the engine control unit (ECU). The quantity Ids is input to the
減算器5aは、上記角速度目標値ω0とロータ位置・速度推定器5eから入力された永久磁石型同期モータ2a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5b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5c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、永久磁石型同期モータ2a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。
The subtractor 5a generates a speed error Δω by calculating a difference between the angular speed target value ω 0 and the angular speed estimated value ωe of the permanent magnet type
そして、ロータ位置・速度推定器5eは、永久磁石型同期モータ2a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。
Then, the rotor position /
すなわち、ロータ位置・速度推定器5eは、インバータ1cから永久磁石型同期モータ2a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型同期モータ2a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、永久磁石型同期モータ2aの回転状態を正確に示す値となる。
That is, the rotor position /
ここで、上述した非電動機アシスト時においては、インバータ1bから永久磁石型同期モータ2aにモータ駆動信号が供給されないので、電流検出器3A,3Bによってモータ駆動電流Iu,Ivを検出することができない。したがって、非電動機アシスト時において、ロータ位置・速度推定器5eは、角速度推定値ωeを正確に演算することができない。
Here, during the above-described non-motor assist, since the motor drive signal is not supplied from the
本実施形態によれば、図2に示すように、非電動機アシスト時には誘起電圧に基づいて速度検出器6が出力する角速度検出値ωkをターボチャージャ2bの回転情報としてエンジン制御装置(ECU)に提供し、一方、電動機アシスト時において永久磁石型同期モータ2aから誘起電圧が得られず、速度検出器6が機能しない場合において、モータ制御装置5から得られた角速度推定値ωeを上記回転情報としてエンジン制御装置(ECU)に提供するので、永久磁石型同期モータ2aによるターボチャージャ2bのアシスト状態に依らず、常に高精度の回転情報をエンジン制御装置(ECU)に提供することができる。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the angular velocity detection value ωk output from the velocity detector 6 based on the induced voltage at the time of non-motor assist is provided to the engine control unit (ECU) as rotation information of the
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、電流検出器3A,3Bによってモータ駆動電流Iu,Ivを検出し、このモータ駆動電流Iu,Ivをモータ制御装置5に供給することにより永久磁石型同期モータ2aの回転子に固有のq軸−d軸座標系における駆動電流検出量Iq,Idを演算するが、これに代えて、図3に示すように昇圧回路1bからインバータ1cに供給される電源電流Ipを電流検出器3Cによって検出し、この電源電流Ipをモータ制御装置5Aに供給することにより駆動電流検出量Iq,Idを演算するようにしても良い。また、このような駆動電流検出量Iq,Idの演算に代えて、電源電流Ipからモータ駆動電流Iu,Iv,モータ駆動電流Iv,Iw,モータ駆動電流Iu,Iwあるいはモータ駆動電流Iu,Iv,Iwを演算するようにしても良い。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, the following modifications can be considered.
(1) In the above embodiment, the motor drive currents Iu and Iv are detected by the
この場合のモータ制御装置5Aは、図4に示すようにモータ制御装置5に相電流再現器5hを付加した構成となる。この相電流再現器5hは、PWM信号発生器5gから供給されるPWM信号及びロータ位置・速度推定器5eから供給される回転角推定値θe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。また、モータ制御装置5では座標変換器5dにおいて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を演算するようにしたが、モータ制御装置5Aでは相電流再現器5hにおいてW相のモータ駆動電流Iwを生成するので、座標変換器5d’は座標変換処理のみを行う。
なお、図3の装置では、電流検出器3Cを電源の+側に設けて電源電流Ipを検出するようにしたが、電源の−側に電流検出器3Cを設けて電源電流Ipを検出するようにしても良い。
The
In the apparatus of FIG. 3, the
(2)図5は、図3に示した装置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1cは、3相モータである永久磁石型同期モータ2a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1d〜1fを備えている。図3の装置では、昇圧回路1bからインバータ1cに供給される電源電流Ipを検出したが、本変形例に係る装置ではスイッチアーム1d〜1fに流れるアーム電流Iaを電流検出器3Dで検出して上述したモータ制御装置5Aに供給する。なお、図5では、電流検出器3DをU相のスイッチアーム1d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1e,1fに設けるようにしても良い。
(2) FIG. 5 is a block diagram showing a modification of the apparatus shown in FIG. As shown in this figure, since the
(3)また、上記実施形態ではU相の誘起電圧euを検出する電圧検出器4と速度検出器6とによって角速度検出値ωkを生成するが、角速度検出値ωkの生成方法はこれに限定されない。例えば、図6に示すように電圧検出器4に加えてV相の誘起電圧evを検出する電圧検出器4Aを設け、U相及びV相の誘起電圧eu,evを電圧検出器6Aに供給し、誘起電圧eu,evをコンパレータで比較することによって両者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。誘起電圧eu,ev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、電圧検出器6Aに供給する誘起電圧は、U相及びV相の誘起電圧eu,ev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。
(3) In the above embodiment, the angular velocity detection value ωk is generated by the
(4)また、上記実施形態ではコンパレータ6aとF/V変換器6bとからなる速度検出器6を用いるが、速度検出器6の構成はこれに限定されるものではない。電圧検出器4から供給される誘導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。
(4) In the above embodiment, the speed detector 6 including the comparator 6a and the F /
(5)上記実施形態では、エンジン制御装置(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としてエンジン制御装置(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をモータ制御装置5内で生成するようにしても良い。角速度目標値ω0及び電流操作量Idsは電動機アシスト時にのみエンジン制御装置(ECU)からモータ制御装置5に供給されるので、モータ制御装置5は、角速度目標値ω0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。 (5) In the above embodiment, the angular velocity estimated value ωe and the detected angular velocity value ωk are output to the engine controller (ECU) as the switching angular velocity signal ω based on the operation instruction signal J supplied from the engine controller (ECU). However, instead of this, the operation instruction signal J may be generated in the motor control device 5. Since the angular velocity target value ω 0 and the current operation amount Ids are supplied from the engine control unit (ECU) to the motor control device 5 only when the motor is assisted, the motor control device 5 supplies the angular velocity target value ω 0 or the current operation amount Ids. / Non-supply is determined, and the operation instruction signal J is generated based on the determination result.
(6)さらに、上記実施形態では電流操作量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、この電流操作量Idsについては、モータ制御装置5自身が生成しても良い。 (6) Furthermore, in the above embodiment, the current operation amount Ids is set to “0”, but this is generally performed in vector control. However, the present invention is not limited to this. A constant other than “0” may be set in the current operation amount Ids as necessary. Further, the current control amount Ids may be generated by the motor control device 5 itself.
(7)電流操作量Idsは定数として設定されるものであり、また動作指示信号Jについては角速度目標値ω0に基づいてモータ制御装置5内で生成することが可能なので、エンジン制御装置(ECU)からモータ制御装置5あるいは出力スイッチ7に供給する信号を角速度目標値ω0のみとしても良い。
(7) The current operation amount Ids is set as a constant, and the operation instruction signal J can be generated in the motor control device 5 based on the angular velocity target value ω 0 , so that the engine control device (ECU ) To the motor controller 5 or the
(8)速度制御器5bをエンジン制御装置(ECU)側に設けることにより、角速度目標値ω0に代えて電流目標値I0をモータ制御装置に供給するように構成しても良い。
(8) By providing the
1…モータ駆動装置、2…電動機付ターボチャージャ、3A,3B…電流検出器、4…電圧検出器、5…モータ制御装置、6…速度検出器、7…出力スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Motor drive device, 2 ... Turbocharger with an electric motor, 3A, 3B ... Current detector, 4 ... Voltage detector, 5 ... Motor control device, 6 ... Speed detector, 7 ... Output switch
Claims (7)
前記永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、
前記インバータから固定子巻線に供給される複数相のモータ駆動電流をそれぞれ検出する駆動電流検出手段と、
前記誘起電圧検出手段が検出する誘起電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態を検出する回転状態検出手段と、
前記駆動電流検出手段が検出したモータ駆動電流から、前記センサレス永久磁石同期モータの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d軸と、当該d軸に直交するq軸とのそれぞれの座標軸について求めた駆動電流検出量に基づいて、前記センサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定する回転状態推定手段と、
前記非駆動時に前記回転状態検出手段の検出結果を選択する一方、前記駆動時には前記回転状態推定手段の推定結果を選択してエンジン制御装置に出力する出力選択手段とを具備することを特徴とする電動機付ターボチャージャ用回転検出装置。 A sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under vector control by a motor control device is a device for detecting a rotation state of a motorized turbocharger attached to a turbocharger attached to an engine,
Induced voltage detection means for detecting an induced voltage induced in a stator winding of the permanent magnet synchronous motor;
Drive current detection means for detecting each of a plurality of phases of motor drive current supplied from the inverter to the stator winding;
Rotation state detection means for detecting a rotation state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven based on the induced voltage detected by the induced voltage detection means;
A d-axis set in a facing direction between the south pole and the north pole of the permanent magnet on the rotation surface of the rotor of the sensorless permanent magnet synchronous motor from the motor driving current detected by the driving current detection means ; and each of the basis of the drive current detection amount obtained for the coordinate axes, the rotation state estimation means for estimating the rotational state at the time of driving the sensorless permanent magnet synchronous motor and the q-axis perpendicular to,
Output selection means for selecting a detection result of the rotation state detection means during the non-driving and selecting an estimation result of the rotation state estimation means during the driving and outputting the estimation result to the engine control device. Rotation detector for turbocharger with electric motor.
前記永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、
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、
前記誘起電圧検出手段が検出した誘起電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態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から、前記センサレス永久磁石同期モータの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d軸と、当該d軸に直交するq軸とのそれぞれの座標軸について求めた駆動電流検出量に基づいて、前記センサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定する回転状態推定手段と、
前記非駆動時に前記回転状態検出手段の検出結果を選択する一方、前記駆動時には前記回転状態推定手段の推定結果を選択してエンジン制御装置に出力する出力選択手段とを具備することを特徴とする電動機付ターボチャージャ用回転検出装置。 A sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under vector control by a motor control device is a device for detecting a rotation state of a motorized turbocharger attached to a turbocharger attached to an engine,
Induced voltage detection means for detecting an induced voltage induced in a stator winding of the permanent magnet synchronous motor;
Power supply current detection means for detecting a power supply current supplied to the inverter;
Rotation state detection means for detecting a rotation state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven based on the induced voltage detected by the induced voltage detection means;
From the power source current detected by the power source current detecting means, the d axis set in the opposing direction of the S pole and the N pole of the permanent magnet on the rotating surface of the rotor of the sensorless permanent magnet synchronous motor, and the d axis based on the drive current detection quantity obtained for each of the coordinate axes of the q-axis orthogonal, the rotational state estimating means for estimating a rotational state at the time of driving the sensorless permanent magnet synchronous motor,
Output selection means for selecting a detection result of the rotation state detection means during the non-driving and selecting an estimation result of the rotation state estimation means during the driving and outputting the estimation result to the engine control device. Rotation detector for turbocharger with electric motor.
前記永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、
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、
前記誘起電圧検出手段が検出した誘起電圧に基づいて前記センサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態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から、前記センサレス永久磁石同期モータの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d軸と、当該d軸に直交するq軸とのそれぞれの座標軸について求めた駆動電流検出量に基づいて、前記センサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定する回転状態推定手段と、
前記非駆動時に前記回転状態検出手段の検出結果を選択する一方、前記駆動時には前記回転状態推定手段の推定結果を選択してエンジン制御装置に出力する出力選択手段とを具備することを特徴とする電動機付ターボチャージャ用回転検出装置。 A sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under vector control by a motor control device is a device for detecting a rotation state of a motorized turbocharger attached to a turbocharger attached to an engine,
Induced voltage detection means for detecting an induced voltage induced in a stator winding of the permanent magnet synchronous motor;
Arm current detection means for detecting an arm current flowing in the switch arm of the inverter;
Rotation state detection means for detecting a rotation state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven based on the induced voltage detected by the induced voltage detection means;
From the arm current detected by the arm current detection means, the d-axis set in the opposing direction of the S-pole and N-pole of the permanent magnet on the rotating surface of the rotor of the sensorless permanent magnet synchronous motor, and the d-axis based on the drive current detection quantity obtained for each of the coordinate axes of the q-axis orthogonal, the rotational state estimating means for estimating a rotational state at the time of driving the sensorless permanent magnet synchronous motor,
Output selection means for selecting a detection result of the rotation state detection means during the non-driving and selecting an estimation result of the rotation state estimation means during the driving and outputting the estimation result to the engine control device. Rotation detector for turbocharger with electric motor.
前記センサレス永久磁石同期モータの固定子巻線に誘起する誘起電圧に基づいて、前記センサレス永久磁石同期モータの非駆動時における回転状態を検出し、
前記インバータから固定子巻線に供給される複数相のモータ駆動電流、インバータに供給される電源電流あるいは前記インバータのスイッチアームに流れるアーム電流から、前記センサレス永久磁石同期モータの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d軸と、当該d軸に直交するq軸とのそれぞれの座標軸について求めた駆動電流検出量に基づいて、前記センサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定し、
前記非駆動時に前記誘起電圧に基づいて検出された回転状態を選択してエンジン制御装置に出力する一方、前記駆動時には前記モータ駆動電流、電源電流あるいはアーム電流に基づいて推定された回転状態を選択してエンジン制御装置に出力することを特徴とする電動機付ターボチャージャの回転検出方法。 A sensorless permanent magnet synchronous motor driven by an inverter under vector control by a motor control device is a method for detecting a rotation state of a turbocharger with an electric motor attached to a turbocharger attached to an engine,
Based on the induced voltage induced in the stator winding of the sensorless permanent magnet synchronous motor, the rotational state when the sensorless permanent magnet synchronous motor is not driven is detected.
On the rotating surface of the rotor of the sensorless permanent magnet synchronous motor from the motor driving current of a plurality of phases supplied from the inverter to the stator winding, the power supply current supplied to the inverter, or the arm current flowing through the switch arm of the inverter Sensorless permanent magnet synchronization based on the detected drive current for each of the coordinate axes of the d axis set in the opposing direction of the S pole and N pole of the permanent magnet and the q axis orthogonal to the d axis. Estimate the rotation state when the motor is driven,
The rotation state detected based on the induced voltage at the time of non-driving is selected and output to the engine control device, while the rotation state estimated based on the motor driving current, power supply current or arm current is selected at the time of driving. And outputting the rotation to the engine control device.
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