JP2004234039A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２相エンコーダを用いて検出した位置情報をもとに、モータを駆動して対象物を目標位置もしくは目標角度に到達させることを目的とする位置制御装置おいて、エンコーダ異常時に位置検出値が目標位置に到達しないことに起因するモータの暴走により、ターボチャージャ翼がストッパに高速で激突して構造部品が破損したり、ギアが噛みこんで反転できなくなる課題があった。
【解決手段】アクチュエータを駆動していても、エンコーダカウンタ値が２カウント以上変化しない状態が一定時間継続した場合に、エンコーダに異常があると判定してアクチュエータの動作を禁止する手段を設ける。
【効果】エンコーダ異常により、エンコーダカウンタ値が不正に変化しない場合、これを検出してモータ駆動を停止することにより、ターボチャージャ翼がストッパに高速で激突して構造部品が破損したり、ギアが噛みこんで反転できなくなることを防止することができる。
【選択図】 図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２相エンコーダを用いて検出した位置情報をもとに対象物を目標位置もしくは目標角度に到達させることを目的とする位置制御装置に係り、特に自動車の可変翼ターボチャージャの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実開昭５３−１４６８９３号公報には、Ｚ相信号をトリガ信号として用いてカウント値のチェックを行う方法が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭５３−１４６８９３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、直流モータとギアを利用して対象物を目標位置に移動させるような装置では、対象物の位置は検出する必要があるが、モータの回転位置は必ずしも検出する必要はない。そのため、Ｚ相信号も必ずしも必要ではない。また、このようなシステムでなくとも、コスト・部品数・実装上の問題からＺ相エンコーダが設置されないことが考えられる。この場合、上記の従来例にあるような、Ｚ相信号をトリガ信号として用いてカウント値のチェックを行う方法は実現できず、エンコーダの異常を検知できない。
【０００５】
本発明は、２相エンコーダを利用する位置制御システムにおいて、Ｚ相を付加することによるコスト・部品数・実装容積の増大を招くことなしに、一方の相もしくは両方の相の出力が停止するようなエンコーダの故障を検出できる、エンコーダ異常検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、モータを駆動しているにもかかわらず、エンコーダカウンタ値が２カウント以上変化しない状態が一定時間継続した場合に、エンコーダに異常があると判定し、アクチュエータの動作を禁止することとする。エンコーダの両相が故障した場合にはカウント値は全く変化せず、また、一方の相が故障した場合には１カウントずつのインクリメント／ディクリメントを繰り返すので、どちらの場合もエンコーダカウンタ値は２カウント以上変化せず、上記の方法で異常検知可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
位置制御装置は、対象物を目標位置に移動するために、移動手段としてのアクチュエータと、現在の位置情報を得るためのセンサを必要とする。２相エンコーダを用いて位置検出を行う場合、１／４周期だけ位相をずらして配置した２個のセンサの出力の時間的タイミングの相違から図４に示すロジックで方向を判別する。そして、その正方向・負方向のパルス数を積算することにより現在位置を知ることができる。こうして得られた現在位置と目標位置を比較し、その偏差を減らす方向にアクチュエータを駆動することにより対象物を目標位置に移動することができる。
【０００８】
ところで、上記２相エンコーダに故障が発生して、一方の相もしくは両方の相の出力が停止した場合、実際の位置と、検出された位置に、ずれが生じる。このため現在位置情報が把握できなくなり、望み通りの動作を行えない。そればかりか、エンコーダの異常を検知できずにそのまま制御を続行した場合、アクチュエータの暴走を引き起こす恐れがある。例えば、２相エンコーダの両方のセンサ出力が停止したとすると、アクチュエータを駆動しても検出される現在位置は変化しないため、その位置偏差も変化せず、アクチュエータは同一方向に駆動されつづけることになる。また、２相エンコーダのうち片方の相のセンサ出力のみが停止したとすると、その移動方向を正確に判別することができなくなり、検出される現在位置は１カウントずつのインクリメント／ディクリメントを繰り返すことになる。したがって、２相両方のエンコーダパルスが停止した時同様に、その位置偏差は収束することがなく、アクチュエータは同一方向に駆動されつづけることになる。特に、可変翼ターボチャージャ等、動作範囲が規定されている場合、その動作範囲を超えてしまうことによる不具合が発生する恐れがある。また、その動作範囲に対してストッパが設置されているとしても、構造部品の破壊やギアの噛み込み等の発生が考えられる。そこで、一方の相もしくは両方の相の出力が停止するようなエンコーダの故障が発生した場合、これを検知する必要がある。
【０００９】
従来は、上記のようなエンコーダ故障を検知するために、モータ一回転に１パルスを発生するＺ相信号を利用していた。Ｚ相信号は、モータの回転位置の基準を求めるために必要で、２相エンコーダとの組み合わせで一般的に使用されているものである。一般にエンコーダの異常検出装置としては、Ｚ相信号をトリガ信号として用いてカウント値のチェックを行う方法が知られている。
【００１０】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明実施形態における位置決め装置を含む、ターボチャージャ内翼角度可変システムの構成を示すものである。本システムにおいては、ターボチャージャ１内の可変翼１ａの角度を変化させることにより、タービンが排気から受ける圧力を調節し、過給圧を変化させることができる。可変翼１ａは動力用モータ２を動力とし、ギア２ａ，ギア２ｂ，ウォームギア７，ギア２ｃおよびリンク８を介して動作させる。動力用モータ２の制御はターボチャージャ可変翼制御装置５で行われる。また、翼角度の検出は動力用モータ２の出力軸に取り付けられた磁石プレート３Ａ，３Ｂとエンコーダ４Ａ，４Ｂで行われ、各々の磁石プレート３Ａ，３Ｂに一定の角度ごとに埋め込まれた磁石が動力用モータ２の回転に伴い、エンコーダ４Ａ，４Ｂ直近を通過すると、エンコーダ４Ａ，４Ｂはエンコーダ出力パルス４ａ，４ｂを発生し、これがターボチャージャ可変翼制御装置５に入力される。ターボチャージャ可変翼制御装置５は、エンコーダ出力パルス４ａ，４ｂを処理し、角度を算出して、外部コントロールユニット６からの通信信号６ａに含まれる目標角度情報と比較し、その差に応じてモータ制御信号５ａをもって動力用モータ２を制御する。
【００１２】
図２は、ターボチャージャ可変翼制御装置５の内部構成および前記ターボチャージャ可変翼制御装置５に電力を供給するバッテリー電源９を示している。ターボチャージャ可変翼制御装置５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１０，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１１，エンコーダ出力パルス４ａ，４ｂの信号線に設けられたＣＲフィルタであるエンコーダパルス用フィルタ１２Ａ，１２Ｂ，演算装置（ＣＰＵ）１３から成っている。
【００１３】
ところで、エンコーダ４Ａ，４Ｂは、それぞれの磁石プレート３Ａ，３Ｂが、すなわち動力用モータ２が２４度回転するたびに１つのパルスが出力されるように設定されている。さらに、２つのエンコーダ４Ａ，４Ｂの信号であるエンコーダ出力パルス４ａ，４ｂは、図３に示すように位相が異なっている。つまり、エンコーダ出力パルス４ａの方がエンコーダ出力パルス４ｂより、正転時には約９０度、位相が進んだパルスとなるように設置している。そこで、エンコーダ出力パルス４ａ，４ｂのカウントによる回転位置検出では、２つのエンコーダパルスの位相が異なることを利用して、図４に示すロジックでＣＰＵ１３による演算を行っている。
【００１４】
すなわち、エンコーダ４Ｂの出力信号であるエンコーダパルス５ｂの立ち上がり／立ち下がり時に、エンコーダ４Ａの出力信号であるエンコーダ出力パルス４ａのレベルを判定する。エンコーダ出力パルス４ｂの立ちあがり時において、エンコーダ出力パルス４ａがＨｉｇｈレベルであれば回転位置検出用のカウント値をアップカウント、エンコーダ出力パルス４ａがＬｏｗレベルであればダウンカウントする。また、エンコーダ出力パルス４ｂの立ち下がり時には、エンコーダ出力パルス４ａがＨｉｇｈレベルであれば回転位置検出用のカウント値をダウンカウント、エンコーダ出力パルス４ａがＬｏｗレベルであればアップカウントする。さらに、エンコーダ４Ａの出力信号４ａの立ち上がり／立ち下がり時にもカウントを行うべく、エンコーダ４Ｂの出力信号であるエンコーダ出力パルス４ｂのレベル判定をする。この場合は、エンコーダ出力パルス４ａの立ちあがり時において、エンコーダ出力パルス４ｂがＬｏｗレベルであれば回転位置検出用のカウント値をアップカウント、エンコーダ出力パルス４ｂがＨｉｇｈレベルであればダウンカウントする。また、エンコーダ出力パルス４ａの立ち下がり時には、エンコーダ出力パルス４ｂがＬｏｗレベルであれば回転位置検出用のカウント値をダウンカウント、エンコーダ出力パルス４ｂがＨｉｇｈレベルであればアップカウントする。
【００１５】
このように、エンコーダ出力パルス４ａ，４ｂの立ち上がり／立ち下がり時に、お互いにもう片方のエンコーダ出力パルス４ｂ，４ａのレベルを検出することにより、動力用モータ２が正転しているか反転しているかを判別可能であり、正確にアップカウント／ダウンカウントを選択することができる。
【００１６】
図５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５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５に外部コントロールユニット通信信号６ａから目標開度が与えられると、内部のＣＰＵ１３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制御により動力用モータ２への印加デューティーおよび回転方向を求め、モータドライバ１１に指令を与える。モータドライバ１１は、ＣＰＵ１３からの指令に基づくデューティーで、バッテリー電圧を用いてＰＷＭ制御を行い、動力用モータ２を駆動する。これにより動力用モータ２の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４Ａ，４Ｂから回転角度に応じたエンコーダ出力パルス４ａ，４ｂが出力される。この信号はＣＲフィルタであるエンコーダパルス用フィルタ１２Ａ，１２Ｂを介してＣＰＵ１３に入力される。ＣＰＵ１３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２パルス分（動力用モータ２の回転角４８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。ちなみに、上記の位置検出及びモータ制御はマイコンの１ｍｓタスクを用いて連続的に行っている。
【００１７】
ところで、２相エンコーダの両方のセンサ出力が停止したとする。この場合、翼角度の目標角度，実角度、および角度検出値は図６のようになる。すると、時間が経過しても位置偏差が減っていかない。このため、モータは駆動され続けることになる。この状態が続くと、やがてターボチャージャの翼は、相当な勢いを持ったままストッパに激突する。これにより、可変翼，ストッパ，ギア等の構造部品の破壊の恐れが生じると共に、ウォームギアにおける噛み込みが発生してモータを反転できなくなる恐れもある。
【００１８】
また、２相エンコーダのうち片方の相のセンサ出力のみが停止したとする。この場合は翼角度の目標角度，実角度、および角度検出値は図７のようになる。角度検出値は、１カウントずつのインクリメント／ディクリメントを繰り返すのみで、位置偏差がコンスタントに減っていかない。したがって、やはりモータは駆動されつづけることになり、２相両方が故障したとき同様の不具合が生じる恐れがある。
【００１９】
そこで、エンコーダに異常が発生した際にはそれを検出し、モータの駆動を停止させることにより、構造部品の破壊およびギアの噛み込みを防止する必要がある。これを実現するためには、モータを駆動しているにもかかわらず、エンコーダカウンタ値が１カウント以上変化しない状態が一定時間継続した場合に、エンコーダに異常があると判定し、モータの動作を禁止することとする。具体的な実現方法を図８を参考として以下に説明する。
【００２０】
まず、上記の条件が成立したことを検出するため、モータが一定時間連続して駆動されていることを検出する必要がある。このため、モータを駆動している間のみカウントアップするカウンタ（エンコーダ異常判定用のタイマ）を設ける（１４）。タイマには各種考えられるが、ここではマイコンのハードウェアタイマを用いることとする。これを位置制御開始と共にスタートさせる。ところでターボチャージャ翼角度の検出およびモータの出力制御は前述のように１ｍｓ毎に行っている。１ｍｓタスクによる割り込みが発生すると（１６）、まず翼角度が目標角度±２パルス以内に収束しているかを判別する（１７）。収束している場合は、モータの駆動を停止するとともに、上記タイマを０にクリアする（１８，１９）。その後、再び１ｍｓタスクの割り込み待機状態へ移行する。一方、目標角度に収束していない場合は、モータを駆動して翼角度を目標位置方向へ移動させる（２２）。ただし、その前にエンコーダに異常が発生していないかを判別するため、上記タイマが指定値を超えていないかを確認する（２１）。指定値を超えていない場合には引き続きモータの駆動を行い、１ｍｓタスクによる割り込み待機状態へ移行する。また、引き続きモータの連続駆動時間を計測するため、当然、０クリアは行わない。一方、超えている場合にはモータを駆動している期間が指定値を超えているということになるので、エンコーダ異常の判別へ移行する。
【００２１】
エンコーダ異常の判別を行うためには、上記のモータ駆動期間にエンコーダカウンタ値が２カウント以上変化しているかどうかを判別する必要がある。そこで、エンコーダ異常判定用タイマのカウント開始時または０クリア時のエンコーダカウント値と、タイマが指定値に達した時のエンコーダカウント値を比較する（２３）。そのために、上記タイマのスタート時および０クリア時には、カウント値を記憶しておく必要がある（１５，１９，２５）。そして、そのカウント値に２カウント以上の差がなかった場合にエンコーダ異常と判定することとする（２６）。一方、２カウント以上の差がある場合には正常と判断し、タイマを０クリアした後（２４）、通常の制御に復帰する。
【００２２】
以上のプロセスにより、エンコーダ異常を検出した場合には、即座にモータの駆動を停止する（２７）。
【００２３】
ところで上記タイマの閾値は、エンコーダが異常である時になるべく早くモータを停止させるために小さい値である必要があるが、エンコーダが正常な時に誤判定をしない程度には十分長く設定する必要がある。本ターボチャージャ可変翼制御装置においては、閉側ストッパ−開側ストッパ間の動作時間が１３０〜２００ｍｓであるため、少なくともこれより短く設定する必要がある。また、モータが動き始めるまでの時間は、モータの制御周期が１ｍｓであることからこれより十分大きくする必要がある。また、本ＶＧＴアクチュエータではＰＩＤ制御を用いてモータを駆動しているが、停止時かつ位置偏差が小さい時の出力デューティーは、積分項による出力が支配的である。モータを駆動する最小偏差である“偏差＝３”のとき、積分項による出力は１ｍｓ毎に０．６％ ずつ上乗せされる。本ＶＧＴでモータが回転し始めるのに必要な駆動デューティーは８％以上なので、積分項によるデューティーがこれを上回るには約１４ｍｓの時間を要する。以上の条件から、本ターボチャージャ可変翼制御装置におけるエンコーダ異常判定用タイマの閾値は２０ｍｓとした。
【００２４】
以上の方法により、モータを駆動しているにもかかわらずエンコーダカウンタ値が２カウント以上変化しない状態が一定時間継続した場合に、エンコーダに異常が生じたことを判別できる。本発明によるエンコーダ異常判別方法を用いると、エンコーダの異常の判別ができない場合に生じるような、高速でのターボチャージャ翼のストッパへの激突が防止でき、構造部品の破壊およびギアの噛み込みが抑制できる。
【００２５】
以上、本発明の一実施形態について記述したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、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】
【発明の効果】
以上の記述により、２相エンコーダを用いて検出した位置情報をもとに、アクチュエータを駆動して対象物を目標位置もしくは目標角度に到達させることを目的とする位置制御装置おいて、本発明による、アクチュエータを駆動しているにもかかわらず、エンコーダカウンタ値が２カウント以上変化しない状態が一定時間継続した場合に、エンコーダに異常があると判定してアクチュエータの動作を禁止する手段を設けると、エンコーダ異常時に位置検出値が目標位置に到達しないことに起因するアクチュエータの暴走により、ターボチャージャ翼がストッパに高速で激突して構造部品が破損したり、ギアが噛みこんで反転できなくなることを防止することができる。
【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構成。
【図２】ターボチャージャ可変翼制御装置の内部構成。
【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】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６】２相エンコーダ同時故障時の角度検出値の変化。
【図７】Ｂ相エンコーダ故障時の角度検出値の変化。
【図８】エンコーダ異常検出ロジック。
【符号の説明】
１…ターボチャージャ、１ａ…可変翼、２…動力用モータ、２ａ…動力伝達用ギアａ、２ｂ…動力伝達用ギアｂ、３ｃ…動力伝達用ギアｃ、３Ａ…エンコーダＡ相用磁石プレート、３Ｂ…エンコーダＢ相用磁石プレート、４Ａ…Ａ相エンコーダ、４Ｂ…Ｂ相エンコーダ、４ａ…Ａ相エンコーダ出力パルス、４ｂ…Ｂ相エンコーダ出力パルス、５…ターボチャージャ可変翼制御装置、５ａ…モータ制御信号、６…外部コントロールユニット、６ａ…外部コントロールユニット通信信号、７…ウォームギア、８…動力伝達用リンク、９…バッテリー電源、１０…電源回路、１１…モータドライバ、１２Ａ…Ａ相エンコーダパルス用フィルタ／ＣＲフィルタ、１２Ｂ…Ｂ相エンコーダパルス用フィルタ／ＣＲフィルタ、１３…演算装置（ＣＰＵ）、１３ａ…目標開度信号、１４…エンコーダ異常判定用タイマのスタート、１５，１９，２５…エンコーダカウンタ値の記憶、１６…１ｍｓタスク割り込み待機状態、１７…位置制御収束判定、１８，２４…エンコーダ異常判定用タイマの０クリア、２０…モータ駆動停止、２１…モータ連続駆動時間の判定、２２…通常位置制御状態、２３…移動角度の判定、２６…エンコーダ異常判定、２７…モータ駆動禁止。

Claims (8)

1. ２相エンコーダを用いて検出した位置情報をもとに制御を行う位置制御装置において、アクチュエータの連続駆動時間を計測・記憶する手段を有することを特徴とする位置制御装置。
2. ２相エンコーダを用いて検出した位置情報をもとに制御を行う位置制御装置において、一定時間毎のエンコーダカウンタ値を記憶・更新する手段を有することを特徴とする位置制御装置。
3. 上記請求項２記載の位置制御装置において、記憶したエンコーダカウンタ値と現在のエンコーダカウンタ値を比較することにより、一定時間のエンコーダカウンタ変化数を検出できることを特徴とする位置制御装置。
4. ２相エンコーダを用いて検出した位置情報をもとに制御を行う位置制御装置において、アクチュエータを駆動しているにもかかわらず、エンコーダカウンタ値が２カウント以上変化しない状態が一定時間継続した場合に、エンコーダに異常があると判定することを特徴とする位置制御装置。
5. 上記請求項４記載の位置制御装置において、エンコーダに異常があると判定した場合には、アクチュエータの動作を禁止することを特徴とする位置制御装置。
6. ２相エンコーダを用いて検出した位置情報をもとに制御を行う位置制御装置において、アクチュエータの連続駆動時間を計測・記憶する手段を有し、かつ上記連続駆動時間が一定時間に達する毎にエンコーダカウンタ値を記憶・更新する手段を有することにより、アクチュエータを駆動しているにもかかわらず、エンコーダカウンタ値が２カウント以上変化しない状態が一定時間以上継続したことを検出できることを特徴とする位置制御装置。
7. 上記請求項６記載の位置制御装置において、アクチュエータを駆動しているにもかかわらず、エンコーダカウンタ値が一定値以上変化しない状態が一定時間以上継続したことを検出した際には、エンコーダに異常があると判定し、アクチュエータの動作を禁止することを特徴とする位置制御装置。
8. 上記請求項６記載の位置制御装置において、上記一定時間を、積分項による出力がアクチュエータを動作させるのに十分なデューティーに達するまでの時間以上とし、かつ上記時間の２倍以下の時間とすることを特徴とする位置制御装置。

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