JP5178693B2 - 電動過給機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気ガスおよび電動機により駆動され、吸気を圧縮して過給する電動過給機を制御するための制御装置に関する。

従来、エンジンからの排気ガスにより回転されるタービンと、回転軸を介してタービンと接続されたコンプレッサと、回転軸を回転させてコンプレッサの回転を補助する電動機（超高速回転機）とを備え、エンジンの出力を向上させるために、コンプレッサの回転により、吸気を圧縮して過給する電動過給機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような電動過給機によれば、電動機によりコンプレッサの回転を補助することで、エンジンの低速回転領域での過給圧の立ち遅れを解消することができる。

電動過給機では、所望の過給機動作特性を得るために、電動機を高精度に制御する必要がある。なお、電動機の回転数は、例えば２０万ｒｐｍ程度の超高速回転領域にまで達するので、電動機を高精度に駆動制御するためには、広い回転数領域にわたって電動機の回転子の磁極位置（位相）を高精度に検出することが重要となる。

これに対して、電動機（回転電機）のポジションセンサからの信号を全波整流回路により整流した後、コンパレータやパルス発生成形回路を介し、位相補正回路によりパルス信号の立ち上がりを検出して電動機の位相を検出する回転電機の位相検出装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

ここで、電動過給機にポジションセンサを設けた場合には、センサからの実際の出力に基づいて位相を検出することにより、電気角や電気角速度を推定するといった演算が不要となる。しかしながら、温度が３００〜４００℃と高温になる電動過給機に、信頼性の高いポジションセンサを組み込むことは、技術的に難易度が高く、信頼性が低下するとともに、コストが高くなる恐れがあった。そのため、ポジションセンサを用いない電動過給機が求められていた。

これに対して、電動機（超高速回転機）として永久磁石同期モータ（ＰＭモータ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）を備え、ＰＭモータを１２０度通電のパターンで駆動し、非通電期間に固定子巻線に誘起される誘起電圧を検出することにより、磁極位置のセンサレス制御を実行するモータ駆動システムが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、このモータ駆動システムにおいて、１４Ｖの低電源電圧で２ｋＷの出力を得ようとした場合、インバータの転流に伴って固定子巻線を流れる電流が転流する際に、電流がなかなか切れず転流時間が長くなり、誘起電圧の検出が困難になるという問題があった。また、このモータ駆動システムにおいて、電動機に永久磁石を用いているので、過給機によるアシスト効果の小さい２２万ｒｐｍ程度の超高速回転領域では、永久磁石の磁束による渦電流損等の損失が増え、電動機の発熱が増加したり、エンジンが高回転で回転しているときに逆に負荷になったりするという問題もあった。

これに対して、コントローラの内部で電動機の仮想的な電気角（内部電気角）を推定し、内部電気角に基づいて電動機の通電を制御する同期電動機駆動装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
このような同期電動機駆動装置によれば、制御に用いる内部電気角をコントローラの内部で推定するので、非特許文献１のモータ駆動システムのように、誘起電圧の検出が困難になるという問題は起こらない。

しかしながら、この同期電動機駆動装置を電動過給機に適用した場合、アイドリング回転数領域においては、界磁電流および固定子電流を切る（通電しない）領域が存在する。そのため、例えば発進加速のような瞬時に吸気を過給するトルクアシスト開始時には、内部で生成する電気角や電気角速度がアイドリング回転数に合うように、速度指令値や内部電気角を瞬時に修正する機能を新たに付加する必要があった。

そこで、上述したモータ駆動システムにおいて、ＰＭモータの代わりに界磁巻線付の同期電動機を用い、界磁巻線への通電を停止することにより、超高速回転領域における誘起電圧を取り去ることが考えられる（例えば、特許文献４参照）。
このとき、速度指令値や内部電気角を修正する情報として、例えば界磁電流を界磁巻線に流したときに発生する誘起電圧の情報を用いることができる。

特表２００５−５００４５２号公報 特開平４−２８７８３４号公報 特開２００３−２５９６８０号公報 国際公開第２００８／０５９６８１号パンフレット

高田陽介、他４名、「ターボチャージャ用２２００００ｒ／ｍｉｎ−２ｋＷ ＰＭモータ駆動システム」、平成１６年電気学会産業応用部門大会講演論文集１−９、Ｉ−１５５〜１６０

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上述したモータ駆動システムに界磁巻線付の同期電動機を適用した場合、界磁電流を適当に設定すると、低速回転領域ではＳ／Ｎ比が劣化して角度情報を誤る可能性が増加し、高速回転領域では鉄損による負荷が増加するという問題がある。また、２０万ｒｐｍ程度の超高速回転領域の誘起電圧と、２万ｒｐｍ程度のアイドリング回転数領域の誘起電圧とを識別する必要があるが、２０万ｒｐｍの超高速回転領域において誘起電圧情報から固定子の位相情報を取り出そうとすると、通常の車載用のマイコンを用いたコントローラでは処理が間に合わないことがある。そのため、例えばサンプリング周波数が誘起電圧の周波数に対して遅い場合には、誤った周波数が検出されて電動機が脱調し、電動機が負荷変動として作用する恐れがあるという問題もある。
すなわち、非特許文献１のモータ駆動システムに特許文献４の界磁巻線付の同期電動機を単に適用した場合には、電動機の回転数および磁極位置を高精度に推定することができないという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電動過給機の電動機の回転数および磁極位置を高精度に推定することができる電動過給機の制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電動過給機の制御装置は、界磁巻線付の同期電動機を用いた電動過給機を制御する制御装置であって、同期電動機の端子電圧から誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように、界磁巻線に流す界磁電流を制御する界磁電流制御手段と、誘起電圧の検出値または指令値と、界磁電流の検出値、指令値または界磁電流に相当する電圧値とに基づいて、同期電動機の回転数を推定する回転数推定手段と、同期電動機の端子電圧に基づいて、同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、磁極位置検出手段で検出された同期電動機の磁極位置に基づいて、内部電気角を修正するセンサレス制御手段とを備えたものである。

この発明に係る電動過給機の制御装置によれば、界磁電流制御手段は、誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように、界磁巻線に流す界磁電流を制御し、回転数推定手段は、誘起電圧の検出値または指令値と、界磁電流の検出値、指令値または界磁電流に相当する電圧値とに基づいて、同期電動機の回転数を推定し、磁極位置検出手段は、同期電動機の端子電圧に基づいて、同期電動機の磁極位置を検出する。
そのため、電動過給機の電動機の回転数および磁極位置を高精度に推定することができる電動過給機の制御装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る電動過給機の制御装置を含むシステム全体を示す構成図である。 図１に示した同期電動機の端子電圧を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る誘起電圧検出部を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る界磁電流制御部を、同期電動機および誘起電圧検出部とともに示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る回転数推定部を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機の制御装置における界磁電流指令と回転数との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る磁極位置検出手段による処理を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る位相リセット部を示すブロック図である。

以下、この発明の電動過給機の制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

上記特許文献３のもののように、制御ソフトウェア内部で回転子の磁極位置（位相）を生成するようなセンサレス制御を実行する場合には、加速開始時に現在の速度情報と磁極位置情報とが必要となる。この発明の電動過給機の制御装置は、加速開始時に現在の速度情報と磁極位置情報とをより正確に安定して推定することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動過給機の制御装置を含むシステム全体を示す構成図である。
図１において、このシステムは、界磁巻線付の同期電動機１（以下、単に「同期電動機１」と称する）と、同期電動機１を駆動する電動機駆動装置２と、同期電動機１の回転軸に取り付けられたタービン３とを備えている。
なお、同期電動機１は、上記特許文献４に示された同期電動機と同様のものである。また、同期電動機１およびタービン３は、電動過給機の一部を構成している。

電動機駆動装置２は、制御演算部４とインバータ５とを有している。制御演算部４は、ＵＶＷの三相の端子電圧、およびＵＶＷの三相電流（図示せず）を入力として、界磁電流指令および三相の通電指令をインバータ５に出力する。インバータ５は、同期電動機１を駆動するＵＶＷの三相の固定子巻線、および界磁巻線に電力を供給する。

ここで、エンジンのシリンダ（図示せず）からの排気ガスによりタービン３が回転されると、タービン３に接続された同期電動機１の回転子が回転される。このとき、制御演算部４から同期電動機１の界磁巻線に電流を供給すると、同期電動機１のＵＶＷの三相の端子電圧として、図２に示すような、互いに位相が１２０度ずれた三相の電圧が生じる。

制御演算部４は、同期電動機１のＵＶＷの三相の端子電圧から誘起電圧を検出する誘起電圧検出部（誘起電圧検出手段）６を有している。
図３は、この発明の実施の形態１に係る誘起電圧検出部６を示すブロック図である。
図３において、誘起電圧検出部６は、誘起電圧包絡線検出部７とフィルタ部８とを有している。

誘起電圧包絡線検出部７は、同期電動機１のＵＶＷの三相の端子電圧から誘起電圧の包絡線信号を検出する。ここでは、誘起電圧包絡線検出部７は、同期電動機１のＵＶＷの三相の端子電圧の正側の電圧の最大値を包絡線信号として検出している（図２の太い実線参照）。フィルタ部８は、誘起電圧包絡線検出部７で検出された誘起電圧の包絡線信号を平滑化して誘起電圧の検出信号を出力する。

また、制御演算部４は、誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように、界磁巻線に流す界磁電流を制御する界磁電流制御部（界磁電流制御手段）９を有している。
図４は、この発明の実施の形態１に係る界磁電流制御部９を、同期電動機１および誘起電圧検出部６とともに示すブロック図である。
図４において、界磁電流制御部９は、減算器１０と誘起電圧制御部１１と界磁電流生成部１２とを有している。

減算器１０は、制御演算部４内で生成された誘起電圧指令と誘起電圧検出部６から出力された誘起電圧の検出信号との差分信号を出力する。ここで、誘起電圧指令は、波高値が一定電圧の信号である。なお、誘起電圧指令は、外部装置、例えばエンジンの制御装置等から入力されてもよい。誘起電圧制御部１１は、減算器１０からの差分信号が０になるように、すなわち、誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように、界磁電流指令を出力する。界磁電流生成部１２は、界磁電流指令に応じた界磁電流を同期電動機１の界磁巻線に流す。

なお、界磁電流制御部９は、同期電動機１の回転数が大きい場合に誘起電圧の検出値が大きくなるという関係を用いて、後述する回転数推定部１３で推定された同期電動機１の回転数に基づいて、同期電動機１の加速可否（同期電動機１を駆動するかしないか）を判定してもよい。
この場合には、ノイズによる誤判定を防止することができる。

また、制御演算部４は、同期電動機１の回転数を推定する回転数推定部（回転数推定手段）１３を有している。
図５は、この発明の実施の形態１に係る回転数推定部１３を示すブロック図である。
図５において、回転数推定部１３は、誘起電圧指令および界磁電流指令に基づいて、同期電動機１の回転数を推定する。

時期飽和のない状態であれば、界磁電流指令と同期電動機１の回転数とは、図６に示すようにほぼ比例関係となり、誘起電圧指令Ｖｅと界磁電流指令Ｉｆとが既知であれば、同期電動機１の回転数ωを、Ｖｅ＝ω×Ｍｆ×Ｉｆ＝一定の関係を用いて求めることができる。なお、Ｍｆは相互インダクタンスを示している。
また、誘起電圧指令の代わりに誘起電圧の検出信号を用いてもよいし、界磁電流指令の代わりに界磁電流の検出値または界磁電流に相当する電圧値を用いてもよい。

また、制御演算部４は、同期電動機１の端子電圧に基づいて、同期電動機１の磁極位置を検出する磁極位置検出手段を有している。
以下、図７を参照しながら、磁極位置検出手段による処理について説明する。
図７は、この発明の実施の形態１に係る磁極位置検出手段による処理を示す説明図である。

図７において、１段目は、図４に示した界磁電流制御部９により、誘起電圧の波高値を一定電圧に制御したときの端子電圧波形を示し、２段目は、コンパレータで正負を判定した矩形波出力を示し、３段目は、矩形波出力の立ち上がりエッジで発生させたリセットバルス信号を示している。Ｓ／Ｎ比が十分に確保されるように界磁電流制御部９で誘起電圧の波高値を制御することにより、ノイズの少ないリセットバルス信号を発生させることができる。なお、コンパレータには、誤判定を防止するためのヒステリシス幅が設定されている。

また、図８は、この発明の実施の形態１に係る位相リセット部１４を示すブロック図である。
図８において、位相リセット部１４は、図７に示したリセットバルス信号とリセットバルス発生許可信号とに基づいて、制御演算部４内部の位相情報をリセットするための位相リセットパルス信号を出力する。リセットバルス発生許可信号は、エンジン回転数やスロットルバルブ開度等、運転状態検出手段からの出力に応じて上位コントローラから出力される信号であって、回転数推定部１３で推定された同期電動機１の回転数が所望の回転数推定範囲に達したときであって、かつ加速前に少なくとも１回はリセットバルス信号を発生するように生成される。

このように、制御演算部４が、アイドリング回転中や、同期電動機１の回転数が所望の回転数範囲に達した場合の非加速区間において、同期電動機１の無通電時の三相の端子電圧から検出される誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように界磁巻線に界磁電流を流した後、例えば上記特許文献３や伊東淳一、他２名、「永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御の高性能化」、電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２２，Ｎｏ３，２００２，ｐｐ２５３−２５９に示された位置センサレス制御の位相リセットおよび上述した回転数の推定を実行する（センサレス制御手段）ことにより、回転数の推定および磁極位置の検出に要する時間を短縮し、ターボラグを短縮することができる。

また、同期電動機１の三相の端子電圧から検出される誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように界磁電流指令が調整され、この界磁電流指令に基づいて同期電動機１の回転数を推定することにより、誘起電圧の零クロスの周期を、コントローラにより早い周期でカウントすることなく、同期電動機１の回転数を容易に推定することができる。

また、同期電動機１の三相の端子電圧から検出される誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように界磁電流指令を制御することにより、界磁巻線付の同期電動機１の三相の端子電圧からロータの磁極位置を検出する際の検出精度を向上させることができ、センサレス制御に用いる内部電気角の誤修正の確率を低減することができる。

また、同期電動機１の三相の端子電圧から検出される誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように界磁電流指令を制御することにより、高速回転領域において端子電圧が過剰に大きくならないように界磁巻線の磁束を小さくすることができ、界磁巻線からの磁束が固定子を横切ることによって発生する鉄損を小さくすることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、界磁電流制御手段は、誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように、界磁巻線に流す界磁電流を制御し、回転数推定手段は、誘起電圧の検出値または指令値と、界磁電流の検出値、指令値または界磁電流に相当する電圧値とに基づいて、同期電動機の回転数を推定し、磁極位置検出手段は、同期電動機の端子電圧に基づいて、同期電動機の磁極位置を検出する。
そのため、電動過給機の電動機の回転数および磁極位置を高精度に推定することができる電動過給機の制御装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態１では、誘起電圧の検出信号を出力するために、誘起電圧包絡線検出部７が同期電動機１のＵＶＷの三相の端子電圧から誘起電圧の包絡線信号を検出し、この包絡線信号をフィルタ部８で平滑化している。しかしながら、これに限定されず、ＵＶＷの三相の端子電圧の合成ベクトルの大きさの情報を含んでいれば、誘起電圧の検出信号は、他の形態の信号であってもよい。

１ 同期電動機、２ 電動機駆動装置、３ タービン、４ 制御演算部、５ インバータ、６ 誘起電圧検出部（誘起電圧検出手段）、９ 界磁電流制御部（界磁電流制御手段）、１３ 回転数推定部（回転数推定手段）。

Claims (3)

1. 界磁巻線付の同期電動機を用いた電動過給機を制御する制御装置であって、
   前記同期電動機の端子電圧から誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、
   前記誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように、前記界磁巻線に流す界磁電流を制御する界磁電流制御手段と、
   前記誘起電圧の検出値または指令値と、前記界磁電流の検出値、指令値または前記界磁電流に相当する電圧値とに基づいて、前記同期電動機の回転数を推定する回転数推定手段と、
   前記同期電動機の端子電圧に基づいて、前記同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
   前記磁極位置検出手段で検出された前記同期電動機の磁極位置に基づいて、内部電気角を修正するセンサレス制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電動過給機の制御装置。
2. 前記界磁電流制御手段は、前記回転数推定手段で推定された前記同期電動機の回転数に基づいて、前記同期電動機の加速可否を判定することを特徴とする請求項１に記載の電動過給機の制御装置。
3. 前記界磁電流制御手段は、アイドリング回転中または前記同期電動機の回転数が所望の回転数範囲に達した場合の非加速区間において、前記同期電動機の無通電時の三相の端子電圧から検出される誘起電圧の検出値が所望の指令値と一致するように、前記界磁巻線に界磁電流を流すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動過給機の制御装置。

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