JP2004028039A - ターボチャージャシステム - Google Patents

Abstract

【課題】より簡素な機能によってエンコーダの信号処理を行い、実位置と検出位置に誤差が生じるのを防止することができるターボチャージャシステムを提供することにある。
【解決手段】ＣＰＵ、その周辺回路及び外部とのＩ／Ｆ回路，外部から入力された目標開度信号によりモータを回転させ、該回転により、タービン翼角度を変化させて過給圧を調整する制御装置，モータの回転軸に設けられている２つのエンコーダの出力信号から得た位置情報と目標開度信号とを比較し両者が一致するように、モータ位置を制御するモータ位置制御装置のエンコーダ信号処理回路を有し、エンコーダ信号入力端子とＣＰＵの間に、デジタルフィルタ回路を設け、フィルタのサンプリング時間をＣＰＵにより可変し、且つこのサンプリング時間はエンコーダから入力される信号の最小値となるパルス幅よりも小さい。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボチャージャシステムに関する。特に、エンコーダ信号処理回路に係り、１つのエッジ検出用のポートと１つの電圧レベル検出用のポートの２つの機能を使いソフトウェアでエンコーダ信号からモータ位置を検出する方法に係るターボチャージャシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平２００１−１０７７３８号公報においては、可変ノズルの各ノズルベーンの開閉位置の初期設定を行うことが可能な内燃機関の可変ノズルターボチャージャ制御装置を提供することが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、これまでの技術が持つ問題点を種々検討した。ＣＰＵを用いてソフトウェアでエンコーダ信号からモータの位置を検出する場合、２つの立ち上がり及び立ち下がりエッジ検出用の端子と２つの電圧レベル検出用のポートを用いて検出する場合がある。即ち、一方の信号の立ち上がりもしくは立ち下がりエッジが発生した時の他方の信号のレベルを検出し、またこれと逆に他方の信号の立ち上がりもしくは立ち下がりエッジが発生した時の一方の信号のレベルを見て、モータの回転方向と位置の検出をおこなう。
【０００４】
上記の機能をソフトウェアで実現する場合、位置検出対象物の停止位置がエンコーダ出力のＨｉｇｈ／Ｌｏｗ　スレッショルド付近にある場合や、スタート／ストップ制御時、構造部品の遊び等の原因により、エンコーダ出力信号にチャタリングが発生することがある。このチャタリングパルスが非常に短くソフトウェアの信号処理時間より早い場合には処理がついていけずにモータ位置を読めなくなる場合があり、回転量や角度の検出精度が悪化してしまう欠点がある。また、電気ノイズや磁気ノイズによっても、同様に誤カウントが生じる恐れがある。
【０００５】
さらに、本機能を達成させる場合、通常用いるＣＰＵの機能として２つの入力信号のエッジ検出用端子と２つの電圧レベル検出用端子が必要であった。
【０００６】
本発明の目的は、より簡素な機能によってエンコーダの信号処理を行い、実位置と検出位置に誤差が生じるのを防止することができるターボチャージャシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、エッジ検出機能と該機能に接続されるエンコーダ信号入力端子との間にデジタルフィルタ回路を設ける。これにより、ＣＰＵの割り込みタスク処理時間より短い周期でエンコーダパルスが入力されることを防止する。
【０００８】
また、２つ以上のエンコーダのうち、１つのエンコーダの出力信号を前記デジタルフィルタを介してエッジ検出機能に入力し、この機能へのエッジ入力による割り込みを持って位置検出を行う。
【０００９】
これによると、最低１つの立ち上がり／立ち下がり両エッジ検出用割り込み機能と最低１つのレベル検出用機能の２機能をもってエンコーダの信号処理が可能となる。さらには、ソフトウェアで信号処理する際に、チャタリングやノイズに起因する、ソフト処理が間に合わなくなるような早い周期での割り込みが発生することを防止して、確実な位置検出が可能とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき実施形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明実施形態におけるエンコーダ信号処理回路を含む、ターボチャージャ内翼角度可変システムの制御システム構成を示すものである。制御システムは、本システムの統合的な制御を行うターボチャージャ可変翼制御装置１，排気から受ける過給圧を内部の翼角度を変化することで調整できる翼角度可変ターボチャージャ２，前記翼角度可変ターボチャージャ内の翼角度を変化させるための動力源となる動力用モータ３，前記動力用モータから前記翼角度可変ターボチャージャ内の可変翼に動力を伝達する動力伝達用ギアおよびリンク４，前記翼角度可変ターボチャージャの翼角度を検出するためのエンコーダ５，前記ターボチャージャ可変翼制御装置にターボチャージャ可変翼の目標開度信号１３ａを出力する外部コントロールユニット１３，前記ターボチャージャ可変翼制御装置に電力を供給するバッテリー電源６からなる。
【００１２】
エンコーダ５は、２つのエンコーダ５Ａ，５Ｂからなり、その信号５ａ，５ｂは、それぞれ動力用モータが２４度回転するたびに１つのパルスを出力するように設定されている。さらに、２つのエンコーダ５Ａ，５Ｂの信号５ａ，５ｂは、図３に示すように位相が異なっている。つまり、エンコーダ５Ａの信号５ａの方がエンコーダ５Ｂの信号５ｂより約９０度、位相が進んだパルスが出力されるように設置している。
【００１３】
またターボチャージャ可変翼制御装置１は、バッテリー電圧から電圧変換して内部回路を駆動するための電力を供給する電源回路７，バッテリー電圧をＰＷＭ制御で出力することで所望の回転方向に対応した電圧を動力用モータに供給するモータドライバ８，エンコーダ５Ａの信号線に設けられたＣＲフィルタ９，エンコーダ５Ｂの信号線に設けられたＣＲフィルタ１０およびＤフリップフロップ回路１１，演算装置（ＣＰＵ）１２から成っている。
【００１４】
図２は本実施形態におけるターボチャージャ可変翼制御装置の動作を示すフローチャートである。ターボチャージャ可変翼制御装置１に外部コントロールユニットより目標開度信号１３ａが与えられると、内部のＣＰＵは現在の回転位置との偏差を求める。そして、この偏差に対してＰＩＤ制御によりモータへの印加デューティおよび回転方向を求め、モータドライバに指令を与える。モータドライバは、ＣＰＵからの指令に基づくデューティで、バッテリー電圧を用いてＰＷＭ制御を行い、動力用モータを駆動する。これにより動力用モータ回転位置および翼角度可変ターボチャージャの翼角度が変化するとエンコーダから回転角度に応じたパルスが出力される。この信号はＣＲフィルタ９，１０およびＤフリップフロップ回路を介してＣＰＵに入力される。ＣＰＵはこれを演算して現在の回転位置を求め、目標開度との偏差の導出を繰り返す。そして、偏差がエンコーダパルス１パルス分（動力用モータ回転角２４度分）になった時点で偏差を減少させるための通常制御を終了する。
【００１５】
また、Ｄフリップフロップ回路は、クロック入力の立ち上がりエッジ時に、入力されているデータの値を状態として取込み、その後、クロック入力に再び立ち上がりエッジが入力されるまで状態を保持する回路である。クロック入力にＣＰＵから出力する１００μｓ周期のパルスを入力することにより、１００μｓのデジタルフィルタとして動作させている。また、エンコーダ５Ａの信号に対応する
ＣＰＵ入力信号５ａ′をＣＰＵの汎用ポート入力に、エンコーダ５Ｂの信号に対応するＣＰＵ入力信号５ｂ′をＣＰＵのインプットキャプチャ入力に入力する。ＣＰＵはこのパルスにより回転位置検出用のカウント値をインクリメント／ディクリメントして現在の可変翼位置を求め、目標開度と比較し、繰り返しモータを駆動する。
【００１６】
エンコーダパルスのカウントに関しては、従来の回転位置検出では２つのエンコーダの位相が異なることを利用して、図４に示すロジックでＣＰＵによる演算を行っていた。すなわち、エンコーダ５Ｂの出力信号５ｂの立ち上がり時にＣＰＵに割り込みをかけ、エンコーダ５Ａの出力信号５ａのレベルを判定する。そしてこのとき、エンコーダ５Ａの出力信号５ａがＨｉｇｈレベルであれば回転位置検出用のカウント値をインクリメント，エンコーダ５Ａの出力信号５ａがＬｏｗ　レベルであればディクリメントする。同様に、エンコーダ５Ｂの出力信号５ｂの立ち下がり時にもＣＰＵに割り込みをかける。この場合はエンコーダＢの出力信号５ｂの立ち上がり時とは逆に、エンコーダ５Ａの出力信号５ａがＬｏｗ　レベルであれば回転位置検出用のカウント値をインクリメント，エンコーダ５Ａの出力信号５ａがＨｉｇｈレベルであればディクリメントする。この方法を用いた場合のカウント値の変化を図５に示す。このように、エンコーダ５Ｂの出力信号５ｂの立ち上がり、立ち下がり時にエンコーダ５Ａの出力信号５ａのレベルを検出することにより、モータが正転しているか反転しているかを判別可能であり、正確にインクリメント／ディクリメントを選択することができる。
【００１７】
しかし、エンコーダ５Ｂの出力信号５ｂの立ち上がり／立ち下がりによる割り込みの周期が短くなると、それに伴ってＣＰＵのソフト負荷が増大し、場合によってはエンコーダ信号を処理しきれなくなり、誤カウントを生じる恐れがある。
ところで、本ユニットは自動車に取付けられ、エンジンや路面の凹凸による振動が加わる。また、動力モータと動力伝達用ギアの間には遊びが存在するためため、各種要因による振動の影響が動力用モータに伝えられると、比較的簡単に動力用モータ回転軸の機械的チャタリングが生じてしまう。また、本ユニットの制御基板は翼角度可変ターボチャージャおよび動力用モータと一体型であり、特に動力用モータからの磁界により、電磁ノイズが発生して不必要な割り込みが生じる可能性がある。そのため、エンコーダ５Ａ，５Ｂの出力信号５ａ，５ｂをそのままＣＰＵで処理した場合には、エンコーダ５Ｂの出力信号５ｂの立ち上がり／立ち下がりによる割り込みの周期が非常に短くなる可能性がある。
【００１８】
そこで、本発明の実施形態におけるエンコーダ処理回路に相当する、Ｄフリップフロップ回路を利用したデジタルフィルタを設けることにより、ＣＰＵへの余計な割り込みを防止することを考える。この場合、機械的・磁気的な原因によりエンコーダ出力信号にチャタリングが発生しても、または電磁界等によりパターンからエンコーダ出力信号に電気的にノイズが混入しても、誤カウントをせず、正確な位置検出が可能となる。このとき、エンコーダ５Ａ，５Ｂの出力信号５ａ，５ｂと、各々に対応するＣＰＵへの入力信号５ａ′，５ｂ′の波形は図５のようになる。（ただし、考察を簡単にするため、ＣＲフィルタの効果はここでは考慮していない。）ここで、Ｄフリップフロップ回路のクロック入力に入力する信号の周期、すなわちデジタルフィルタのフィルタリングタイムは１００μｓとした。これはＣＰＵの処理速度とエンコーダパルスのパルス周期を考慮して決定した。
【００１９】
前述したように、ＣＰＵ入力信号の立ち上がり／立ち下がりによる割り込みの周期が短くなると、それに伴ってＣＰＵのソフト負荷が増大してエンコーダ信号を処理しきれなくなり、誤カウントを生じる恐れがある。したがって、デジタルフィルタのフィルタリングタイムはＣＰＵの最大割り込み処理時間より長く設定する必要がある。割り込み時の処理に要する最大時間は、“割り込み処理の最大ステップ数”と“１ステップに要するＣＰＵクロック数”と“ＣＰＵクロック周期”の積で求まる。
【００２０】
“割り込み発生時の処理の最大ステップ数”≒５０［ｓｔｅｐ］
“１ステップに要するＣＰＵクロック数”≒５［ｃｌｏｃｋ］
“ＣＰＵクロック周期”≒１／１２ＭＨｚ
であるから、割り込み時の処理に要する最大時間は約２０μｓである。したがって、エンコーダ５Ｂの出力に対応するＣＰＵ入力信号５ｂ′による割り込みの周期は少なくとも２０μｓ以上に抑える必要があり、さらに割り込み以外の処理に要する時間も含めるとできる限り長いフィルタリングタイムとすることが理想である。
【００２１】
一方、デジタルフィルタを介しても正確なカウントを行うためには、エンコーダ５Ｂの出力信号５ｂのエッジ時からエンコーダ５Ａの出力信号５ａのレベル変化までの時間として、デジタルフィルタのフィルタリングタイム以上を確保できないと、カウント値にずれが生じてしまう可能性がある。たとえば図６に示すようなタイミングでパルス入力およびＤフリップフロップ出力値更新が行われたとすると、回転方向の判別に誤りが生じ、逆方向にカウントしてしまう。そのため、デジタルフィルタのフィルタリングタイムは、エンコーダ５Ａ，５Ｂの出力信号５ａ，５ｂの最小エッジ間隔より短く設定する必要がある。本システムの動力用モータには、電源電圧１４Ｖでの飽和速度が７８００ｒｐｍ　の直流モータを使用している。また、エンコーダへの磁束供給用の磁石は回転角２４度ごとに設置されている。よって、エンコーダ５Ａ，５Ｂの出力信号５ａ，５ｂのエッジの周期は、
１／｛モータ回転数［ｒｐｍ］／６０［ｓ］＊３６０［ｄｅｇ］
／２４［ｄｅｇ］＊４｝≒１２８［μｓ］
となる。電源電圧変動・温度特性・エンコーダ取付け角度公差などを考慮しても１００μｓ以上となる。
【００２２】
以上より、デジタルフィルタのフィルタリングタイムは
“エンコーダパルスエッジ周期”＜“フィルタリングタイム”＜“ＣＰＵ処理時間”
とする必要がある。本システムにおいては、ソフト負荷の軽減に重点を置き、できる限りフィルタリングタイムを大きく取ることとして、１００μｓに設定することとした。
【００２３】
このようにすると、チャタリング・電磁ノイズにより極端に早い周期のエンコーダパルスが発生しても、誤カウントを生じることなく正確な位置検出が可能となる。また、Ｄフリップフロップ回路のクロック入力へのパルスはＣＰＵから出力しているため、モータ回転数等の条件においてパルスの周期を変更することも可能である。たとえば動力用モータの回転数が低い時には、エンコーダ５Ａ，５Ｂの出力信号５ａ，５ｂのエッジの周期は、非常に長くなるため、デジタルフィルタのフィルタリングタイムを大きくしても誤カウントすることはない。よって、この場合にＤフリップフロップのクロック入力へ出力するＣＰＵからのパルス周期を大きくとれば、よりソフト負荷を軽減することができる。
【００２４】
以上の記述から、本発明のエンコーダ信号処理回路を設置することにより、機械的もしくは磁気的な原因によりエンコーダ出力信号にチャタリングが発生しても、または電磁界等によりパターンからエンコーダ出力信号に電気的にノイズが混入しても、誤カウントを生じず、正確な位置検出ができることが示された。また、本発明のエンコーダ処理回路に用いられるデジタルフィルタのフィルタリングタイムを可変とすることにより、より大きな効果を発揮することができる。
【００２５】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。たとえば、回転体ではない移動物の位置検出やエンコーダの使用数が２個以外の場合、Ｄフリップフロップ以外のハードウェアもしくはソフトウェアで実現されるデジタルフィルタ回路，エンコーダ信号検出器がマイクロコンピュータでない場合などにおいても適用でき、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【００２６】
以上の各実施態様によれば、より簡素かつ安価な機能によってエンコーダの信号処理を可能とし、且つソフトウェアで信号処理する際にチャタリングやノイズのために処理が追いつかなくなって、実位置と検出位置に誤差が生じるのを防止することができる。
【００２７】
また、各実施態様によるエンコーダ信号処理回路を設けると、機械的もしくは磁気的な原因によりエンコーダ出力信号にチャタリングが発生しても、または電磁界等によりパターンからエンコーダ出力信号に電気的にノイズが混入しても、誤カウントを生じず、正確な位置検出ができる。特に、エンコーダ信号をマイクロコンピュータの外部割り込み機能を用いてソフト処理している場合には、立ち上がりによる割り込みと立ち下がりによる割り込みの時間間隔が極端に短くなると、ソフト的な処理能力の限界を超えて正確なカウントができなくなるため、実施態様のエンコーダ信号処理回路はより大きな効果を発揮する。また、実施態様のエンコーダ処理回路に用いられるデジタルフィルタのフィルタリングタイムを、各種条件によって可変とすることで、効率的にソフト負荷の軽減をすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、より簡素な機能によってエンコーダの信号処理を行い、実位置と検出位置に誤差が生じるのを防止することができるターボチャージャシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボチャージャ内翼角度可変システムの制御システム構成。
【図２】ターボチャージャ可変翼制御装置の動作フローチャート。
【図３】エンコーダパルス波形。
【図４】エンコーダ信号検出ロジック。
【図５】エンコーダ処理回路の各部波形。
【図６】デジタルフィルタのフィルタリングタイム過大に起因するミスカウント。
【符号の説明】
１…ターボチャージャ可変翼制御装置、２…翼角度可変ターボチャージャ、３…動力用モータ、４…動力伝達用ギアおよびリンク、５…エンコーダ、５Ａ…エンコーダＡ、５Ｂ…エンコーダＢ、５ａ…エンコーダＡの出力信号、５ｂ…エンコーダＢの出力信号、５ａ′…５ａに対応するＣＰＵ入力信号、５ｂ′…５ｂに対応するＣＰＵ入力信号、６…バッテリー電源、７…電源回路、８…モータドライバ、９…エンコーダ５Ａ信号用ＣＲフィルタ、１０…エンコーダ５Ｂ信号用
ＣＲフィルタ、１１…Ｄフリップフロップ回路、１２…演算装置（ＣＰＵ）、
１３…外部コントロールユニット、１３ａ…目標開度信号。

Claims (3)

1. ＣＰＵ、その周辺回路及び外部とのＩ／Ｆ回路、
   外部から入力された目標開度信号によりモータドライバを制御しモータを回転させ、該モータの回転軸の回転により、自動車のターボチャージャのタービン翼角度を変化させて過給圧を調整する制御装置、
   前記モータの回転軸に設けられている少なくとも２つのエンコーダの出力信号から得た位置情報と前記目標開度信号とを比較し両者が一致するように、モータ位置を制御するモータ位置制御装置のエンコーダ信号処理回路を有し、
   エンコーダ信号入力端子とＣＰＵの間に、デジタルフィルタ回路を設け、このフィルタのサンプリング時間をＣＰＵにより可変し、且つこのサンプリング時間はエンコーダから入力される信号の最小値となるパルス幅よりも小さい事を特徴とするターボチャージャシステム。
2. 請求項１において、
   エンコーダ信号処理回路で、信号処理用に使用するＣＰＵの端子は、少なくとも任意の１信号の両エッジが検出可能な割り込み機能と、少なくとも任意の１信号の電圧レベルが検出可能な機能を持ち、両機能に入力された信号をもってモータ位置を検出する事を特徴とするターボチャージャシステム。
3. 請求項１において、
   エンコーダ信号処理回路で、エンコーダ信号の少なくとも１つをデジタルフィルタを介してＣＰＵのエッジ検出の割り込み端子へ入力し、この信号の立ち上がりと立ち下がりの信号のエッジを検出し、またその他の少なくとも１つの信号はＣＲフィルタを介してＣＰＵの電圧レベル検出用の端子へ入力する事を特徴とするターボチャージャシステム。

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