JP6933859B2 - 一体形スタータ‐ダイナモの制御方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、一体形スタータ‐ダイナモ（始動発電機）に関し、特に内燃エンジンに結合された一体形スタータ‐ダイナモを制御する方法およびシステムに関する。

一体形始動発電機（ＩＳＧ）システムは、一般に、内燃機関（ＩＣ）エンジンを始動させる目的でしかも発電を行うために用いられる。典型的には、ＩＳＧシステムは、車両のクランクシャフトに連結された単一の電気機械を含む。ＩＣエンジンの始動のため、電気機械を回転させ、それによりクランクシャフトを回転させる。かかる回転は、自己持続燃焼プロセスがＩＣエンジン内で始まることができるようにする前に十分に高い速度の状態であるべきである。発電作動中、クランクシャフトは、電気機械を回転させてバッテリを充電するのに必要な電力を発生させて車両の他の電気負荷に電力供給する。

従来型ＩＳＧシステムでは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）が車両のバッテリと電気機械との間に配置され、ＥＣＵは、バッテリと電気機械との間の電力の双方向流れを調整する。エンジン始動作動中、ＥＣＵは、バッテリから電力を引き出してこれを供給し、それにより電気機械を駆動し、これに対し、発電作動中、ＥＣＵは、電気機械からの電力の流れを調整してバッテリを充電するとともに電力を他の電気負荷に供給する。

大抵のＩＳＧシステムは、永久磁石ブラシレス電気機械（ＢＬＤＣ機械）を用いている。かかる機械は、多相巻線で作られた固定子と、永久磁石で作られた回転子とから成る。ＩＳＧシステムの最適作動のために、ＥＣＵは、電気機械の回転子の位置に対して固定子相巻線を特定の順序で励起する必要がある。この点に関し、多数のホール効果を利用したセンサが典型的には、回転子位置を検出するために用いられる。かかるセンサは、固定子相巻線の内側に配置されるか、あるいは、別個の磁石リングがホール効果利用センサをトリガするために用いられるかのいずれかが行われる。いずれの場合においても、センサは、ＩＣエンジンのケーシング内に配置される必要がある。ホール効果利用センサの代替手段は、クランクシャフトの絶対角度センサを用いることである。しかしながら、かかるセンサもまた、エンジンケーシング内に配置される必要がある。

かかるセンサは、エンジンケーシング内に配置されるので、これらセンサは、過酷な作動条件、例えば高温および振動を受け、それによりこれらセンサは、破損しやすくなる。さらに、センサを取り付けるのに特別な構造が必要となり、それによりコストが増大するとともにエンジンケーシング内のスペースが占有される。さらに、センサは、信号をセンサからＥＣＵに送るための電線を用いてＥＣＵに接続される必要がある。この目的のため、センサからＥＣＵへの電線の引き回しのための手段もまた必要である。さらに、電線の損傷があれば、この損傷がＩＳＧシステムの作動を損ねる。

上記を考慮して、少なくとも上述の問題に取り組むための要望が当該技術分野において存在する。

したがって、本発明は、一観点では、内燃エンジンに連結された一体形スタータ‐ダイナモを制御する方法を提供する。一体形スタータ‐ダイナモは、複数の永久磁石極を備えた回転子および複数の相巻線が施された固定子を有し、各相巻線は、複数のコイルを含む。本方法は、始動信号を受け取るステップと、固定子相巻線に対する回転子の初期位置を算定するステップと、算定した回転子の初期位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加するステップと、印加したパルス幅変調信号に対応して固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定するステップと、電流変化がしきい値を超えている場合、アップデートされた回転子位置を算定してアップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加するステップと、回転子の速度を算定し、回転子の速度がしきい値を超えている場合、内燃エンジンに結合されている点火トリガセンサからのトリガ信号をモニタするステップと、トリガ信号を受け取った場合、アップデートされた回転子位置を算定してアップデートされた回転子位置に対応して固定子相巻線を励起するステップとを含む。

別の観点では、本発明は、内燃エンジンに連結された一体形スタータ‐ダイナモを制御するシステムを提供する。一体形スタータ‐ダイナモは、複数の永久磁石極を備えた回転子および複数の相巻線が施された固定子を有し、各相巻線は、複数のコイルを含む。本システムは、回転子の位置を算定するために内燃エンジンに結合されるようになった点火トリガセンサと、一体形スタータ‐ダイナモに結合された制御ユニットとを含み、制御ユニットは、始動信号を受け取り、固定子相巻線に対する回転子の初期位置を算定し、算定した回転子の初期位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加し、印加したパルス幅変調信号に対応して固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定し、電流変化がしきい値を超えている場合、アップデートされた回転子位置を算定してアップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加し、回転子の速度を算定し、回転子の速度がしきい値を超えている場合、点火トリガセンサからのトリガ信号をモニタし、トリガ信号を受け取った場合、アップデートされた回転子位置を算定してアップデートされた回転子位置に対応して固定子相巻線を励起するよう構成されており、本システムは、制御ユニットおよび点火トリガセンサに連結された電力供給源を含む。

本発明の実施形態を参照し、かかる実施例が添付の図面に示されている。これらの図は、例示であって本発明を限定するものではない。本発明は、一般に、これら実施形態との関連を説明するが、理解されるべきこととして、本発明の範囲をこれら特定の実施形態に限定することは意図されていない。

本発明の実施形態としての一体形スタータ‐ダイナモを制御するシステムの略図である。 本発明の実施形態としての制御ユニットのアーキテクチャを示す図である。 本発明の実施形態としての一体形スタータ‐ダイナモを制御するために採用されるステップを示す流れ図である。 本発明の実施形態に従って回転子の初期位置を算定しながら得られた結果のグラフ図である。 本発明の実施形態による電流変化および電流変化に基づく整流のグラフ図である。 本発明の実施形態による点火トリガセンサの出力のグラフ図である。

本発明は、内燃エンジンに結合された一体形スタータ‐ダイナモを制御する方法およびシステムに関する。

図１は、本発明の実施形態としての一体形スタータ‐ダイナモ１３０を制御するシステム１００の略図である。一体形スタータ‐ダイナモは、内燃エンジンに結合された多相永久磁石型電気機械、例えば電気モータ／発電機である。かかる電気機械は、複数の永久磁石極を備えた回転子および固定子を含み、固定子には複数の相巻線が施され、各相巻線は、複数のコイルを含む。

図示のように、制御ユニット１１０は、電力供給源または電源１２０および電気モータ１３０に連結されている。この点に関し、制御ユニットは、車両の専用または搭載型電子制御ユニット（ＥＣＵ）であるのが良い。電力供給源は、車両のバッテリであるのが良い。

エンジンに結合された点火トリガセンサ１４０は、クランクシャフトの角度位置を算定するために設けられている。ＥＣＵによって受け取られた電圧、電流、電気モータの速度、点火トリガセンサからのトリガ信号などの形態をした種々の入力に基づいて、ＥＣＵは、回転子の位置を算定する。ＥＣＵは更に、必要な信号を提供して回転子位置に基づいて関連の固定子相巻線を励起する。

図２は、本発明の実施形態としての制御ユニットのアーキテクチャを示す図である。ＥＣＵは、バッテリ端子をモータ端子に選択的に接続するために用いられる１組の電力スイッチ２５０を含む。電力スイッチは、制御回路２４０によって駆動される。電力検出回路２６０が電気機械またはバッテリを通って流れる電流を中央処理装置（ＣＰＵ）２３０によって読み取り可能な形態に変換する。点火トリガセンサの出力は、センサの出力をＣＰＵによって読み取り可能な形態に変換するパルスコンディショナまたは点火トリガ処理回路２２０に送られる。制御回路、パルスコンディショナおよびＣＰＵは、論理電力供給源２１０から電力供給される。

電流検出回路および点火トリガ検出回路から受け取られた入力に基づき、ＣＰＵは、回転子の位置を算定して指令を制御回路に送り、それにより適当な電力スイッチを作動させてモータの選択された端子をバッテリの端子に接続する。

図３は、本発明の実施形態に従って一体形スタータ‐ダイナモを制御するために採用されたステップを示す流れ図である。ステップ３Ａでは、ＣＰＵは、始動指令を受け取ったかどうかをチェックする。始動指令を受け取られていない場合、ＣＰＵは、ステップ３Ａのままである。始動指令を受け取った場合、ステップ３Ｂにおいて、ＣＰＵは、固定子相巻線に対する回転子の初期位置を算定する。

固定子相巻線に対する回転子の初期位置の算定のため、ＣＰＵは、１対の固定子相巻線を選択し、電圧信号が所定の期間にわたって選択された１対の固定子相巻線に印加される。電流測定を選択された巻線の各々について実施し、固定子の初期位置を測定電流が最大である固定子相巻線対に基づいて判定する。ステップ３Ｃでは、ＣＰＵは、回転子の算定された初期位置に対応してパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を固定子相巻線に印加する。

図４は、本発明の一実施形態に従って回転子の初期位置を算定しながら得られた結果のグラフ図である。図４は、典型的な初期位置推定手順の結果を示しており、これは、２つの互いに異なる回転子位置に関する１組の指令について電流測定回路によって検出された電流を示している。図から分かるように、全ての指令について電流測定回路によって検出された電流は、同じではない。一指令に対応して検出された電流は、実質的に、他の指令の場合よりも大きい。電流が大きいことに対応した指令は、互いに異なる回転子位置について異なっている。かくして、検出された信号が最大である指令を観察することによって、回転子位置を判定することが可能である。

ステップ３Ｄでは、ＣＰＵは、印加されたＰＷＭ信号に応答して固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定する。ステップ３Ｅでは、電流変化を固定子電流変化のしきい値と比較する。電流変化がしきい値を超えている場合、ステップ３Ｆにおいて、アップデートされた回転子位置を算定し、ＰＷＭ信号をアップデートされた回転子位置に対応して固定子相巻線に印加する。電流変化がしきい値未満である場合、本方法は、ステップ３Ｃに戻り、ここで、ＰＷＭ信号を回転子の最後のアップデートに記載された位置に対応して固定子相巻線に印加し、そして印加されたＰＷＭ信号に応答した固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を求める。

図５は、本発明の実施形態による電流変化および電流変化に基づく整流のグラフ図である。ＰＷＭ制御シーケンスは、選択されたモータ端子がバッテリ端子に接続されているときのオン時間と、モータ端子中の電流が電力スイッチを通って再循環するオフ時間とから成る。図示のように、ＰＷＭ制御のオン時間の間、電流測定回路の出力は上昇し、他方、オフ時間の間、電流測定回路の出力は、モータ巻線の抵抗および電力スイッチにおけるエネルギー損失に起因して低下する。ＰＷＭ作動中における上昇および低下の度合いは、電気機械のインダクタンスの関数である。インダクタンスが高いと、その結果として、電流の変化に対する抵抗が高くなり、それにより上昇および低下の程度が小さくなり、他方、インダクタンスが低いと、その結果として、電流の変化に対する抵抗が小さくなり、それにより上昇および低下の度合いが大きくなる。さらに、電気機械のインダクタンスは、回転子位置の関数である。かくして、電気機械が稼働しているとき、その回転子位置およびそれ故にインダクタンスは、定期的に変化する。インダクタンスのこの変化の結果により、電流上昇および低下の度合いが変化する。かくして、電流の上昇および低下におけるこの度合いを観察することによって、励起シーケンスが変化することが必要な時点を求めることが可能である。

ステップ３Ｈでは、回転子の速度を算定し、ステップ３Ｉでは、かかる速度をしきい値と比較する。回転子の速度がしきい値よりも高い場合、ステップ３Ｊにおいて、ＣＰＵは、エンジンに結合されている点火トリガセンサからのトリガ信号があるかどうかをモニタする。回転子速度がしきい値よりも低い場合、本方法は、再び、ステップ３Ｃに戻り、ＰＷＭ信号を最後のアップデートされた回転子位置に対応して固定子相巻線に印加し、そして印加されたＰＷＭ信号に応答した固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を求める。

本発明の実施形態では、ステップ３Ｉに先立って、回転子速度をチェックして電気モータの状態を判定するのが良い。電気機械が停止状態にあり、すなわち、回転子速度がゼロであることが判定された場合、ＣＰＵは、図３に記載されている方法を抜ける。

ステップ３Ｋでは、本方法は、トリガ信号が存在しているかどうかをチェックする。トリガ信号が検出された場合、ステップ３Ｌにおいて、ＣＰＵは、かかるトリガ信号が基準トリガ信号に一致しているかどうかを判定する。トリガ信号が基準トリガ信号に一致している場合、本方法は、ステップ３Ｍに進み、基準回転子位置に対応した固定子相巻線を整流する。トリガ信号が基準トリガ信号に一致していない場合、本方法は、ステップ３Ｎに進み、ここで、アップデートされた回転子位置を算定し、そしてアップデートされた回転子位置に対応した固定子相巻線を励起する。

図６は、本発明の実施形態による点火トリガセンサの出力のグラフ図である。点火トリガセンサは、代表的には、エンジンのフライホイールにまたその近くに設けられた一連の突出部によってトリガされるよう配置されている。突起のパターンは、ある種の円形非一様性を有するよう構成され、その結果、２つのトリガ相互間の時間を観察することによって、図６に表されている非一様性を識別することができるようになっている。非一様性は、エンジン位置に対するあらかじめ決定された場所に存在するよう配置されている。かくして、点火トリガセンサの処理により、エンジンの絶対位置識別が可能である。点火トリガパルスを回転子位置に対して所定の位置のところに位置するよう配置することによって、この所定の位置を回転子位置の指標として用いることもまた可能である。

本発明の実施形態では、回転子の速度がしきい値よりも高い速度であると判定された場合、ＣＰＵは、固定子相巻線の電圧をモニタしてかかる電圧をしきい値と比較するのが良い。電圧がしきい値よりも高い場合にトリガ信号を発生させ、そしてこのトリガ信号に基づいてアップデートされた回転子位置を求める。したがって、アップデートされた回転子位置に対応した固定子相巻線を励起させることができる。それ故、この実施形態は、点火トリガセンサの代替手段として使用できる。

有利には、上述したＥＣＵアーキテクチャを用いると、エンジンケーシング内に配置された点火トリガセンサだけを用いて一体形スタータ‐ダイナモの作動制御を実施することが可能である。

ある特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には明らかなように、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更および改造を行うことができる。

Claims (7)

1. 内燃エンジンに連結された一体形スタータ‐ダイナモを制御する方法であって、前記一体形スタータ‐ダイナモは、複数の永久磁石極を備えた回転子および複数の相巻線が施された固定子を有し、各相巻線は、複数のコイルを含む、一体形スタータ‐ダイナモの制御方法において、前記方法は、
   始動信号を受け取るステップと、
   固定子相巻線に対する前記回転子の初期位置を算定するステップと、
   算定した前記回転子の初期位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加するステップと、
   印加した前記パルス幅変調信号に対応して前記固定子相巻線の電流を測定して電流変化を算定するステップと、
   前記電流変化がしきい値を超えている場合、アップデートされた回転子位置を算定して前記アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加するステップと、
   前記回転子の速度を算定し、前記回転子の速度がしきい値を超えている場合、前記内燃エンジンに結合されている点火トリガセンサからのトリガ信号をモニタするステップと、
   前記トリガ信号を受け取った場合、前記アップデートされた回転子位置を算定して前記アップデートされた回転子位置に対応して前記固定子相巻線を励起するステップとを含む、一体形スタータ‐ダイナモの制御方法。
2. ステータ相巻線に対する前記回転子の初期位置を算定する前記ステップは、
   （ａ）１対の固定子相巻線を選択するステップと、
   （ｂ）電圧信号を所定の期間にわたって前記選択された１対の固定子相巻線に印加するステップと、
   （ｃ）前記選択された巻線を通って流れる電流を測定するステップと、
   （ｄ）新たに選択された１対の固定子相巻線について前記ステップ（ａ）〜（ｃ）を繰り返し実施するステップと、
   （ｅ）前記測定された電流が最大である前記固定子相巻線対に基づいて前記回転子の位置を算定するステップとを含む、請求項１記載の一体形スタータ‐ダイナモの制御方法。
3. 前記電流変化がしきい値未満である場合または前記回転子の速度がしきい値未満である場合、
   最後にアップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加するステップと、
   前記印加されたパルス幅変調信号に応答して前記固定子相巻線の電流を測定して電流変化を算定するステップとを含む、請求項１記載の一体形スタータ‐ダイナモの制御方法。
4. 前記トリガ信号が基準トリガ信号に一致している場合、基準回転子位置に対応して前記固定子相巻線を整流するステップを含む、請求項１記載の一体形スタータ‐ダイナモの制御方法。
5. 前記トリガ信号を受け取らなかった場合、前記最後にアップデートされた回転子位置に対応して前記固定子相巻線を整流するステップを含む、請求項１記載の一体形スタータ‐ダイナモの制御方法。
6. 前記回転子の前記速度がしきい値を超えている場合、
   前記固定子相巻線の電圧をモニタするステップと、
   前記電圧をしきい値と比較するステップと、
   前記電圧がしきい値より高い場合、トリガ信号を発生させるステップと、
   前記トリガ信号に基づいて前記回転子の前記位置を算定するステップと、
   前記アップデートされた回転子位置に対応して前記固定子相巻線を励起するステップとを含む、請求項１記載の一体形スタータ‐ダイナモの制御方法。
7. 内燃エンジンに連結された一体形スタータ‐ダイナモを制御するシステムであって、前記一体形スタータ‐ダイナモは、複数の永久磁石極を備えた回転子および複数の相巻線が施された固定子を有し、各相巻線は、複数のコイルを含む、システムにおいて、前記システムは、
   前記回転子の位置を算定するために前記内燃エンジンに結合されるようになった点火トリガセンサを含み、
   前記一体形スタータ‐ダイナモに結合された制御ユニットを含み、前記制御ユニットは、
   始動信号を受け取り、
   固定子相巻線に対する前記回転子の初期位置を算定し、
   算定した前記回転子の初期位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加し、
   印加した前記パルス幅変調信号に対応して前記固定子相巻線の電流を測定して電流変化を算定し、
   前記電流変化がしきい値を超えている場合、アップデートされた回転子位置を算定して前記アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加し、
   前記回転子の速度を算定し、前記回転子の速度がしきい値を超えている場合、前記点火トリガセンサからのトリガ信号をモニタし、
   前記トリガ信号を受け取った場合、前記アップデートされた回転子位置を算定して前記アップデートされた回転子位置に対応して前記固定子相巻線を励起するよう構成され、
   前記制御ユニットおよび前記点火トリガセンサに連結された電力供給源を含む、システム。

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