JP5606562B2 - 電動過給機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の吸気通路に設置した過給機とこの過給機を駆動する電動機とを備えた電動過給機の制御装置に関するものである。

周知のように、自動車の低燃費を目的として内燃機関の出力を増加させるために、電動機により駆動される過給機、所謂、電動過給機を内燃機関の吸気通路に設ける技術が存在する。この電動過給機の電動機を制御する電動機制御装置は、通常、電動機の回転子の磁極位置を検出する位置センサを用い、この位置センサの出力を用いて電動機を制御している。

このような電動機制御装置に於いては、位置センサを取り付ける際に生じる物理的な位置ずれ（取り付け誤差）によって、位置センサに基づく電動機の誘起電圧の位相と実際の磁極位置との間にずれが生じると、制御特性の劣化を招き、例えば所望のトルク、効率が得られないといった問題が生じる可能性がある。又、一般的な電動機と異なりターボなどに用いられる７００００［ｒｐｍ］以上の超高速電動機に於いては、センサ自体が電動機の誘起電圧のポジションを検出してからマイコンへ入力されるまでの遅れ時間もあり、位置センサに基づく位相と実際の磁極位置（電気角位相）の相関を取ることが難しい。

電動機及び電動機制御装置を用いて内燃機関の過給を行う電動過給装置に於いては、電動機制御装置の制御特性の劣化が、電動過給装置の制御特性の劣化につながり、例えば所望の過給圧、効率が得られない等の問題が生じる可能性がある。位置センサの取り付け誤差を低減すれば、制御特性の劣化を低減することができるが、取り付け誤差の低減を追及すると電動機制御装置及び電動過給装置の高コスト化を招く。

従来、前述のような技術的背景に鑑み、例えば特許文献１には、位置センサの出力の位相を補正するために、通電を停止したときに誘起電圧が検出できることを利用する技術が提案されている。電動機の誘起電圧は電動機の回転速度に比例するため、低回転領域に於いては電動機の誘起電圧の振幅が小さくなり、検出の精度が低下するが、特許文献１による従来の装置は、電動機の所定の回転速度以上のときのみに誘起電圧の検出を行うため、誘起電圧の検出精度低下の影響を抑えることができる。尚、電動過給機に於ける電動機は、必要な時だけ通電して駆動させるため、電動機の誘起電圧検出のために特別に通電を停止する期間を設ける必要はなく、電動過給装置の通常動作の範囲内で位置センサの位相を補正することができる。

又、特許文献２には、位置センサの出力の位相を補正するために、機械的なポジションセンサと、電動機の電気的な位相基準位置を検出する位相検知手段とからの差分により位相基準位置を設けて位相差を測定する駆動装置が提案されている。この従来の駆動装置は、回転電機の非駆動時に位相差を測定するようにしたものである。

更に、特許文献３には、位置センサの位相を補正するために、電動機のステータコイルに流れる電流がピークに達した場合に、位置センサと電気的な位相の関係を補正するようにしたものである。

特開２００９−２４８７４９号公報 特開平５−３９７２７号公報 特開２００８−１１５７５１号公報

電動過給機では、例えば特許文献１に示された従来の電動パワーステアリング装置の制御装置のように、位置センサによる位相と電気角の位相の取り付け誤差に起因するオフセットをとり、電動機の回転速度が上昇すると得られたオフセットで位置センサの出力の位相を補正したとしても、位置センサの出力遅れ誤差等により所望の制御特性が得られないという課題がある。

又、特許文献２に示された従来のターボチャージャの駆動装置では、内燃機関の排気ガスのタービンにより駆動される電動機への通電オフに於いても回転数を上昇させることが可能になるが、電動過給機ではセンサの出力の遅延も考慮して、回転数毎にオフセット補正が必要であるのに対して、排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボチャージャでは、回転数が大きく変動し、回転基準位置に対する十分な補正ができない可能性があり、所望の制御特性が得られない可能性があるという課題が存在する。

更に、特許文献３に示された従来の電動過給機は、電動機への通電時に回転基準位置を補正するようにしているが、電動過給機を駆動しているときは制御により位相が決まっているので、実際の磁極位置との間のオフセットを補正するのが困難であるという課題がある。

この発明は、従来の電動過給機の制御装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、電動過給機の電動機を効率よく駆動することができる電動過給機の制御装置を提供することを目的とする。

この発明による電動過給機の制御装置は、
内燃機関の吸気通路に配置された過給機と前記過給機を駆動する電動機とを備えた電動過給機の制御装置であって、
前記電動機の回転子の回転位置を検出する位置センサと、
前記回転子の回転中に前記電動機への通電が停止しているとき、前記電動機の誘起電圧と前記位置センサの出力信号とのオフセットを前記電動機の回転数に基づいて補正するためのオフセット補正量を算出するオフセット補正量算出手段と、
前記算出した前記オフセット補正量により補正した制御信号に基づき、前記電動機を制御する電動機制御手段と、
を備えたとことを特徴とする。

この発明による電動過給機の制御装置によれば、回転子の回転中に電動機への通電が停止しているとき、前記電動機の誘起電圧と前記位置センサの出力信号とに基づいて、前記電動機の誘起電圧と前記位置センサの出力信号とのオフセットを補正するためのオフセット補正量を算出するオフセット補正量算出手段と、前記算出した前記オフセット補正量により補正した制御信号に基づき、前記電動機を制御する電動機制御手段とを備えているので、電動過給機を効率良く運転することが可能となる。

この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置を備えた内燃機関の全体構成図である。 この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置の制御ブロック図である。 この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置のオフセットマップ図である。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機の制御装置の動作を示すフローチャートでる。

実施の形態１．
以下、この発明の第1の実施の形態１による電動過給機の制御装置を、図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置を備えた内燃機関の全体構成図である。図１に於いて、内燃機関１は、多気筒内燃機関であるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として示されている。内燃機関１は、インジェクタ１０によりシリンダ１６内に燃料を噴射するタイプの内燃機関である。この内燃機関１は、後述する電動機１３により駆動される電動過給機１１のコンプレッサインペラ１２により多くの吸入空気が過給されて、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。

図１に於いて、内燃機関１は、シリンダ１６内に収納されているピストン１７と、このピストン１７の往復運動を回転運動に変換して車両の駆動輪を駆動するクランク１８を備えている。インジェクタ１０は、内燃機関１のシリンダ１６内に、直接、燃料を噴射する。インテークマニホールド１５は、吸入弁７を介してシリンダ１６に連結されている。インテークマニホールド１５の上流側の吸気通路には、スロットルバルブ６と、インタークーラ５と、電動過給機１１とエアクリーナ３が設けられている。電動過給機１１を駆動する電動機１３は、蓄電装置１４から電力変換装置（図示せず）を介して電力が供給されて駆動する。排気浄化装置１９は、排気弁９を介してシリンダ１６に接続された排気通路に設けられている。

尚、適用される内燃機関は、シリンダ内に燃料を噴射する直墳内燃機関だけでなく、スロットルバルブ後の吸気通路１５に燃料を噴射するポート噴射内燃機関に適用することも可能である。又、ガソリン内燃機関だけでなく、ディーゼル内燃機関に適用することも可能である。

以上のように構成された内燃機関の全体構成に於いて、吸入口２から吸入された吸入空気は、エアクリーナ３でゴミや塵などを取り除かれたあと、電動過給機１１の上流通路に至り、電動過給機１１により圧縮される。この圧縮された吸入空気は、電動過給機１１の下流通路４からインタークーラ５に通じる。インタークーラ５は、過給による圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げ充填効率を向上させる。

インタークーラ５により冷却された吸入空気は、更にスロットルバルブ６を介してインテークマニホールド１５に至る。インテークマニホールド１５内の過給された吸入空気は、吸入弁７が開くことによりシリンダ１６内に充填され、インジェクタ１０によりシリンダ１６内に噴射された燃料と混合される。シリンダ１６内の燃料と吸入空気との混合気は、点火プラグ８により点火されて燃焼し、ピストン１７及びクランク１８を介して車両の駆動輪を駆動する。シリンダ１６内で燃焼した混合気は、排気弁９を介して排気ガスとしてシリンダ１６外へ排出され、排気浄化触媒１９により浄化されて大気へ放出される。

電動過給機１１、及びスロットルバルブ６は、内燃機関の回転数、ドライバのアクセル操作を反映させたアクセルポジション、吸入空気圧、吸入空気量等に基づいて、エンジンＥＵＣ（図示せず）により制御される。電動過給機１１の電動機１３は、エンジンＥＣＵからの指令値を受けて制御される。ここで、吸入空気圧は、例えばインテークマニホールド１５内に圧力センサ等を設けることにより得ることが可能である。吸入空気量は、例えばエアクリーナ３の後方等にエアーフローセンサ等を設けることに得ることが可能である。

電動過給機１１の電動機１３は、容量や必要トルク等の条件に応じてＤＣブラシレスモータや誘導電動機、同期電動機が使用される。電動過給機１１の電力変換装置（図示せず）は、電動機１３に組み込まれており、蓄電装置１４から配線を通じて得られる直流電力を交流電力に変換するインバータ等により構成されている。

電力変換装置は、電動機１３のケース内に半導体素子を搭載した半導体モジュールやコンデンサ等の電子部品や、半導体素子を駆動する制御信号の生成回路や保護回路を備えた制御基板を備え、蓄電装置１４の直流電力を電動機が必要とする交流電力に変換する。電力変換装置のケースの材質は樹脂でもよいが、放熱性を高めるためにアルミなどの高熱伝導性の材質の方が好ましい。

蓄電装置１４は、既存の１２［Ｖ］系の、所謂、鉛バッテリでもよいが、大電力を必要とする場合には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等で構成された定格電圧が数十［Ｖ］〜数百［Ｖ］までの蓄電装置であってもよい。電力を供給する蓄電装置１４の電圧が高いほど電動機の効率が良くなるという特徴があるが、この発明には直接関係がないため、この実施の形態１による電動過給機の制御装置に於ける蓄電装置１４としては、電動過給機１１へ電力を供給可能なあらゆる蓄電装置を用いることが可能である。

図２は、この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置の制御ブロック図であって、電動過給機１１の機能ブロックで示している。図２に於いて、電流制御器２０と、オフセット補正量算出手段としての位相生成器２２は、マイクロコンピュータにより構成される演算機能ブロックである。電力変換装置としてのインバータ２１は、主にスイッチング素子等により構成された回路ブロックである。電流制御器２０と電力変換装置としてのインバータ２１は、この発明の実施の形態１に於ける電動機制御手段を構成する。

位置センサ２３は、電動機１３の回転子磁極の位置を検出する。電動機１３は、ここでは三相同期電動機が用いられているものとする。尚、この他にも多くの機能ブロック等が含まれるが、この発明に大きく関係するブロックではないのでここでは説明を省略する。

電流制御器２０は、上位のコントローラ（図示せず）からの回転速度指令とバッテリ電圧を示す電圧センサ（図示せず）からの出力信号と位置センサ２３からの出力信号を受け、電動機１３へ通電する電流の大きさを示す三相デューティ指令値と、通電するタイミングを示す電圧位相の演算を行う。このとき、電流制御器２０による電圧位相の演算は電気的な角度で演算されるため、実際の電動機１３の回転子の機械角度と合わせるためには、電気角と機械角のオフセットを除去する必要がある。位相生成器２２は、後述するように、電気角と機械角のオフセットを演算し、その演算したオフセットを電流制御器２０からの電圧位相に加算する。これにより、電流制御器２０により演算された電圧位相の電気的な角度と実際の電動機１３の回転子の機械角度とが合致し、高効率に電動機１３を運転することが可能となる。

次に、位置センサ２３の出力信号と電動機１３の誘起電圧の関係ついて説明する。位置センサ２３の出力信号は、電動機１３の回転子の磁極位置に応じて出力されるため、位置センサ２３の出力信号と電動機１３の誘起電圧との対応をとることができる。例えば、位置センサ２３の出力信号の立ち上がりと立ち下がりは、電動機１３の誘起電圧の立ち上がりと立ち下がりと理想的には一致する。

但し、位置センサ２３の取り付け位置に誤差がある場合は、位置センサ２３の出力信号の立ち上がりと立ち下がりは、夫々電動機１３の誘起電圧の立ち上がりと立ち下がりに対してずれを生じることになる。一般的に、位置センサ２３の組み付け精度には限界があるので、電動機１３の誘起電圧の電気角と回転子の磁極の機械角とは、一定のオフセットをもつ。

通常の電動機の回転数であれば、オフセットを補正することで精度よく位置センサの出力信号を利用することが可能であるが、この発明の実施の形態１の電動過給機の制御装置のように、数万［ｒｐｍ］で超高速に回転する電動機１３に関しては、位置センサ２３の取り付け位置のオフセットを補正しても、高速回転域で運転する際に位置センサ２３の出力信号の遅れが生じるため高効率に運転することが困難となる。

図３は、この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置のオフセットマップ図であり、縦軸は位相オフセット値、横軸は電動機１３の回転数を示す。位相生成器２２は、例えば図３に示すオフセットマップ図のように、固定値ではなく各回転数に応じたマップとすることで、高速回転まで高効率に電動機を駆動することができる。

次に、この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置の動作について説明する。図４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の動作を示すフローチャートでる。図４のスタートとエンドの間に、ステップＳ１からステップＳ４を含んでいる。先ず、ステップＳ１では、電動過給機１１の電動機１３に通電しているか否かを判定し、通電している場合（ＮＯ）には、電動機１３の誘起電圧と位置センサ２３のオフセットの関係が一意に決まらないためオフセットの補正を実施せず、処理を終了する。

ステップＳ１での判定の結果、電動機１３に通電していないと判定したときとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ２に進み電動機１３の回転数が所定値以上か否かを判定する。例えば、比較するための所定値を２０，０００［ｒｐｍ］とし、電動機１３の回転数がその所定値未満で運転している場合（ＮＯ）は、オフセットの補正を実施せず処理を終了する。一般的に、電動過給機１１は低回転時になると自身のコギングトルクの影響や軸受けの調心機能が低下してくるため、回転が不安定となる。このため低回転時は機械角と電気角の関係を定めるのに適していない。尚、例として所定値を２０，０００［ｒｐｍ］としたが、この所定値の数値は、電動過給機１１の電動機１３の仕様若しくは過給するコンプレッサインペラ１２の仕様により適宜設定可能である。

ステップＳ２にて電動機１３の回転数が所定値以上であると判定されたとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ３に進む。ステップＳ３では、位置センサ２３の出力信号の立ち上がりと電動機１３の誘起電圧の立ち上がりの時間を検出し、それらの時間差により得られる位相オフセットを電動機１３の回転数に対応して補正した位相オフセットを算出する。即ち、例えば図３に示すオフセットマップ図に基づき、そのときの電動機１３の回転数に対応して位相のオフセットを算出する。

次にステップＳ４では、ステップＳ３で演算されたオフセット算出値を位相補正量設定値として記憶し、前述の位相生成器２２の演算に利用する。即ち位相生成器２２は、記憶した位相補正量設定値に基づいてオフセットを演算し、その演算したオフセットを電流制御器２０からの電圧位相に加算する。電力変換装置としてのインバータ２１は、電流制御器２０からの電圧位相に位相生成器２２からのオフセットが加算された電圧位相に基づいた出力を電動機１３に印加する。

従って、電動機１３の誘起電圧の電気角と回転子の磁極の機械角とのオフセットが補正された位相の電圧が電動機１３に印加されるので、高効率に電動機１３を運転することが可能となる。このとき、前述したように、電動機１３の回転数に対応してオフセットが算出されるので、高速回転域で運転する際に位置センサ２３の出力信号の遅れによる問題も生じない。

尚、この実施の形態１では特に言及していないが、電動過給機１１の電動機１３に通電していない区間としては、例えば運転中に電動過給機１１を駆動したあと、電動過給機１１の出力が不要になった場合にその通電をオフするタイミング等がある。このとき、予め記憶している各回転数毎のオフセットマップは、全ての点で補正する必要はなく1点で補正し、残りの点は全体を補間することで実現可能である。

以上述べたように、この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置によれば、電動過給機のセンサ信号から得られる機械角と電気角信号の機械的なずれに起因するオフセットの補正だけでなく、位置センサの応答遅れや通信遅れを考慮したオフセットマップを設けることで、超高速回転時にも、電動過給機のモータを効率良く運転することが可能となる。

尚、実施の形態１では、電動過給機の回転数に応じたオフセットマップをもつ場合について説明したが、オフセットマップではなく回転数毎の関数とすることも可能である。位置センサの応答遅れが一定値である場合、図３に示すようにオフセットは回転数に対して比例関係にある。このように関数とすることで処理を簡素化することでマッチング工数削減の効果がある。

又、実施の形態１では、電動過給機の通電をオフするタイミングで回転数毎のオフセットマップをとるようにしたが、一般的に高速回転数している電動過給機から通電をオフすると回転数が減少する。本来、理想的には、通電していない状態で一定回転数の際の電動機に発生する誘起電圧と位置センサの出力信号を比較すると最も最適に比較することが可能となるが、現実的には先に述べたように回転変動する状態でのオフセット補正となる。

このような場合、取得された誘起電圧と位置センサ信号に対して速度変動の補正を行うとより精度の高いオフセットマップ補正が可能となる。具体的には、取得された位置センサ信号に対して加速度の補正を実施することで、誘起電圧の信号の立ち上がりと比較する。このようにして、より精度の高いオフセット補正を行うことで電動過給機のモータを効率良く運転することが可能となる。

又、実施の形態１に加えて、電動過給機のオフセット補正に対して上下限値を設けることでより精度の高い制御を実現可能となる。ノイズの混入などにより過剰なオフセット補正値が演算で入力されたとしても上下限値のリミットを設けておくことで過剰なオフセット補正を実施することを予防することが可能となる。

更に、実施の形態１に於けるオフセット補正の検出は、通電を停止するたびに毎回行ってもよいし、初回駆動時のみ行うようにしてもよく、検出の回数とタイミングは任意に定めることができる。

尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 内燃機関、２ 吸入口、３ エアクリーナ、４ 下流通路、５ インタークーラ、６スロットルバルブ、７ 吸入弁、８ 点火プラグ、９ 排気弁、１０ インジェクタ、１１ 電動過給機、１２ コンプレッサインペラ、１３ 電動機、１４ 蓄電装置、１５ インテークマニホールド、１６ シリンダ、１７ ピストン、１８ クランク、１９ 排気浄化触媒、２０ 電流制御器、２１ インバータ、２２ 位相生成器、２３ 位置センサ

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気通路に配置された過給機と前記過給機を駆動する電動機とを備えた電動過給機の制御装置であって、
   前記電動機の回転子の回転位置を検出する位置センサと、
   前記回転子の回転中に前記電動機への通電が停止しているとき、前記電動機の誘起電圧と前記位置センサの出力信号とのオフセットを前記電動機の回転数に基づいて補正するためのオフセット補正量を算出するオフセット補正量算出手段と、
   前記算出した前記オフセット補正量により補正した制御信号に基づき、前記電動機を制御する電動機制御手段と、
   を備えたとことを特徴とする電動過給機の制御装置。
2. 前記オフセット補正量算出手段は、前記電動機の回転数とオフセット補正量を設定したオフセットマップに基づいて、前記オフセット補正量を前記電動機の回転数に対応して算出する、
   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. 前記算出されるオフセット補正量は、前記電動機の回転数に対して1次比例する値である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動過給機の制御装置。
4. 前記オフセット補正量算出手段は、前記電動機の回転数が所定値以上のときに前記オフセット補正量の算出を行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の電動過給機の制御装置。
5. 前記オフセット補正量算出手段により算出される前記オフセット補正量は、上限値と下限値とのうち少なくとも一方を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の電動過給機の制御装置。