JP2005113767A

JP2005113767A - 電子制御弁駆動装置

Info

Publication number: JP2005113767A
Application number: JP2003348237A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Abe; 秀文阿部
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】小型軽量で応答性及び制御性が良い電子制御弁駆動装置を提供する。
【解決手段】エンジンの吸気量を制御するスロットルバルブ３の開度を制御するブラシレスモータ８と、その制御装置とから電子制御弁駆動装置を構成し、ブラシレスモータ８は２極のロータに対して３つのステータを有するモータとし、ブラシレスモータ８の出力軸９をスロットルバルブ３の弁軸４に直結した。また、制御装置は、バッテリの電圧を所定の倍率で昇圧させた後にブラシレスモータ８の駆動回路に供給する構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、スロットルバルブなどの電子制御弁を回転させるとともに、その回転角度を制御する電子制御弁駆動装置に関する。

電子制御弁駆動装置は、電子制御弁の回転角度や、位置を電子的に制御するもので、例えば、エンジンの吸気量を調整するスロットルバルブの開度を制御するものがあげられる。この種の電子制御弁駆動装置は、直流モータで発生させたトルクを中間ギヤで増幅し、スロットルバルブの弁軸を駆動させている（例えば、特許文献１参照）。また、２極のロータに２つのステータを有するブラシレスモータでスロットルバルブの弁軸を直接に回転させている（例えば、特許文献２参照）。ここで、電子制御弁駆動装置には、フェールセーフ用のリターンスプリングを備えるものがある。このリターンスプリングは、制御装置側をＯＦＦにしたとき（電源を遮断し、出力を無通電状態にしたとき）に、スロットルバルブを所定の開度に戻すようなトルクを発生させる。
特開平６−２６４７８０号公報（段落００２１、第２図）特開２０００−２１３３７６号公報（段落００１５、第１図）

しかしながら、特許文献１のような電子制御弁駆動装置では、多段構成の中間ギヤを有しているが、このような構成では部品数が増加し、電子制御弁駆動装置が大型化するという問題を有する。
また、この種のモータにはモータの磁場構造に起因するディテンドトルクや、コミネータなどの摺動抵抗トルクが発生するが、これらのトルクも中間ギヤによって増幅され、スロットルバルブに作用する。上述のリターンスプリングは、このようなトルクに抗してスロットルバルブを所定の開度に戻さなければならないので、内燃機関における吸引トルクに加えて、中間ギヤによって増幅される前記トルクの分だけリターンスプリングのトルクを大きく設定しなければならない。しかしながら、リターンスプリングで発生させるトルクが大きくなると、モータの動作時にはリターンスプリングのトルクが回転抵抗となるので、モータの消費電流が増加してしまう。さらに、直流モータを使用する場合にはコミネータや、中間ギヤの耐久性や信頼性を確保する必要が生じる。

特許文献２のようにモータでスロットルバルブの弁軸を直接に回転させる構成では、中間ギヤを備える場合に比べて部品数を減少できる。しかしながら、中間ギヤでトルクを増幅させないので、必要なトルクを広い動作角度で得難い。ここで、ステータ数を多くして必要なトルクを広い動作角度で得ようとすると電子制御弁駆動装置が大型化するとともに、複雑な制御が必要になる。電子制御弁駆動装置の小型化及び軽量化の観点からはモータのステータ数が少ないことが望ましいが、２つのステータからなるモータでは回転角度が大きくなるとトルクが小さくなってしまう。また、同じステータ数では磁力の高い磁石を使用するか、コイルの巻き数を増加すればトルクが大きくなるが、磁力の高い磁石は高価であるので好ましくない。さらに、コイルの巻き数を増加するとモータの大型化を招き、重量増加にもなる。これに加えて、コイルのインダクタンスや抵抗が増加し、応答性、制御性を低下させることがある。
この発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、小型軽量で応答性及び制御性が良い電子制御弁駆動装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、電子制御弁（例えば、実施形態のスロットルバルブ３）を回転させる電子制御弁駆動装置において、前記電子制御弁を回転させるモータと、前記電子制御弁の回転角度を検出するセンサ（例えば、実施形態のスロットル角センサ６）と、前記センサの出力を受けて前記モータの回転を制御する制御装置（例えば、実施形態の制御装置３０）とを有し、前記モータが２極のロータ（例えば、実施形態のロータ２０）に対して３つのステータ（例えば、実施形態のステータ１３，１４，１５）を有するブラシレスモータ（例えば、実施形態のブラシレスモータ８）であり、前記モータの出力軸（例えば、実施形態の出力軸９）と前記電子制御弁の弁軸（例えば、実施形態の弁軸４）とを直結したことを特徴とする電子制御弁駆動装置とした。

この電子制御弁駆動装置によれば、２極のロータに対して３つのステータを有するブラシレスモータを用いるので、ディテンドトルクが低減する。また、コミネータが不要になるので摺動抵抗に起因するトルクも低減する。さらに、ブラシレスモータの出力軸を電子制御弁の回転軸と直結するので、中間ギヤが不要になる。なお、ディテンドトルクはロータの永久磁石の磁極とステータの磁路との間で発生する磁気吸引力がロータの特定の回転位置に引き込もうとする力である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電子制御弁駆動装置において、前記制御装置は、前記モータの駆動回路（例えば、実施形態の駆動回路３５）に供給する電圧を約２倍から約１０倍に昇圧する昇圧回路（例えば、実施形態の電源昇圧回路３３）を備えることを特徴とする。

この電子制御弁駆動装置によれば、高い電圧でモータを駆動することができるので、モータのコイルの巻き数を少なくしても必要なトルクが得られる。また、コイルの巻き数を減らさない場合には目標とするトルクに到達するまでの時間を短くできる。

請求項１に記載した発明によれば、モータの出力軸と電子制御弁の回転軸とを直結したので、電子制御弁駆動装置を小型化できる。また、２極のロータに対して３つのステータを有するブラシレスモータを用いることでディテンドトルクや摺動抵抗トルクを低減することができる。したがって、リターンスプリングの戻りトルクを小さく設定することができ、モータの消費電流を低減できる。また、戻りトルクが小さいので制御性が良くなる。
請求項２に記載した発明によれば、昇圧回路で昇圧してからモータに電力供給を行うので、コイルの巻き数が少なくても必要なトルクを広い動作角度で発生させることができ、電子制御弁駆動装置を小型化できる。さらに、時定数を小さくできるので応答性を高めることができる。また、コイルの巻き数の減少させずに使用する場合には、コイルで発生する磁束、すなわち、反磁界を大きくすることができるので、わずかな消費電流で必要なトルクを発生させることができる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、エンジンの吸気マニホールドに連結されるスロットルボディ１には、その内部にエンジンに吸入される空気が通流する吸気通路２が形成されている。さらに、スロットルボディ１の一端から他端までの間には、吸気通路２を開閉するスロットルバルブ３が取り付けられている。このスロットルバルブ３は、バタフライ式の弁であり、弁軸４がスロットルボディ１の一方の周壁１ａと他方の周壁１ｂのそれぞれにベアリング５で回転自在に支持されると共に、これらを貫通している。

スロットルボディ１の一方の周壁１ａには、弁軸４を覆うようにケース２５が取り付けられている。ケース２５内にはリニアホールＩＣからなるスロットル角センサ６が取り付けられている。スロットル角センサ６は、リニアホールＩＣからなり、弁軸４に取り付けられた角度検出用のマグネット７と協働してスロットルバルブ３の実際の開度（実開度）を検出する。なお、スロットル角センサ６はフェールセーフのために複数設けてある。

ここで、スロットルバルブ３は、スロットルボディ１の長手方向と対して略直交し、図１に矢印で示す方向に通流する空気を全く通流させないか、ほとんど通流させない全閉位置から、空気を最大限に通流させる全開位置までの間で開閉動作をする。この実施の形態では、スロットルボディ１の長手方向に直交する位置から弁軸４を中心として反時計回りに約１４°だけ傾斜した姿勢を制御基準とする。そして、制御基準から反時計回りに約８０°回転した姿勢を全開位置、制御基準から時計回りに約１０°回転した姿勢を全閉位置とする。したがって、スロットルバルブ３の動作角度範囲Ｗθは約９０°であり、この角度範囲内でスロットル開度の制御が行われる。

スロットルボディ１の他方の周壁１ｂには、３相のブラシレスモータ８を固定するケース２６が弁軸４を覆うように取り付けられている。ブラシレスモータ８の出力軸９は、スロットルバルブ３の弁軸４と同軸に配置され、両者は不図示のネジなどで連結されている。また、スロットルバルブ３を所定の制御基準に戻すように弁軸４及び出力軸９を付勢する第１リターンスプリング１０と第２リターンスプリング１１がスロットルボディ１とブラシレスモータ８との間に配設されている。

図２に模式的に示すように、ブラシレスモータ８は、略円筒形状のヨーク１２を有し、ヨーク１２の内周面に等間隔に３つのステータ１３，１４，１５を備える３相モータである。各ステータ１３，１４，１５は磁性体材料に電線を巻き回してコイル１６，１７，１８を形成した構成を有している。
ヨーク１２の中心線上には、出力軸９が配置されている。この出力軸９の周囲にはＳ極とＮ極を有する永久磁石１９が取り付けられ、２極のロータ２０が形成されている。ロータ２０は不図示のベアリングによりヨーク１２に回転自在に支持されており、出力軸９の先端がヨーク１２から突出する。

図３に示すように、このブラシレスモータ８は制御装置３０から出力される電流により制御される。なお、この実施の形態における電子制御弁駆動装置はブラシレスモータ８と制御装置３０とスロットル角センサ６を含んで構成され、スロットルバルブ３を制御対象とする。

制御装置３０はリレー３２を介してバッテリ３１に接続されている。このリレー３２は緊急時に制御装置３０への電力供給を停止する。
バッテリ３１からの電力は制御装置３０の電源昇圧回路３３に供給され、その一部がＣＰＵ（中央演算装置）３４に供給されるとともに、一部が昇圧用コイル５１に供給される。昇圧用コイル５１には、トランジスタ５２と整流用のダイオード５３が並列に接続されている。トランジスタ５２のベースはＣＰＵ３４に接続され、エミッタは接地されている。ダイオード５３のカソードにはコンデンサ５４とモニタ回路５５が並列に接続されている。

ＣＰＵ３４には電源昇圧回路３３のモニタ回路５５とトランジスタ５２が接続されており、モニタ回路５５で検出する電圧値に応じてトランジスタ５２をＯＮ、ＯＦＦする。さらに、スロットル角センサ６のＩＦ回路３６と駆動回路３５が接続されており、スロットルバルブ３（図１参照）の実開度と、運転者の操作に応じて設定される目標開度とを取得し、目標開度に実開度を一致させるように駆動回路３５に制御信号を出力する。なお、ＩＦ回路３６は、電源と抵抗などを有し、スロットル角センサ６の出力をＣＰＵ３４に入力可能な信号に変換する。

駆動回路３５は、ＣＰＵ３４からの指令を受けてブラシレスモータ８の各相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）への通電を制御する。図４に示すように、駆動回路３５としてはＹ結線した各コイル１６，１７，１８への通電を４つのスイッチング素子（電界効果型トランジスタ）４１，４２，４３，４４で切り替えるＨブリッジ回路４５を用いることができる。

Ｈブリッジ回路４５の高電位側には第１スイッチング素子４１の一端が接続されている。第１スイッチング素子４１の他端には負荷であるブラシレスモータ８のステータ１３のコイル１６と、第２スイッチング素子４２の一端とが並列に接続されている。第２スイッチング素子４２の他端は低電位側に接続されている。また、高電位側には第３スイッチング素子４３の一端も接続されている。第３スイッチング素子４３の他端は、ブラシレスモータ８のステータ１５のコイル１８に接続されている。さらに、低電位側には第４スイッチング素子４４の他端が接続される。第４スイッチング素子４４の一端はブラシレスモータ８のステータ１４のコイル１７に接続されている。

第１スイッチング素子４１と第４スイッチング素子４４をＯＦＦ（通電不可状態）にし、第２スイッチング素子４２と第３スイッチング素子４３をＯＮ（通電可能状態）にすると、コイル１６とコイル１８に電流が流れ、図２に示すステータ１３がＳ極となり、ステータ１５がＮ極となる。これにより、ロータ２０は矢印Ｄに示す正転方向に回転する。
また、図４に示す第１スイッチング素子４１と第４スイッチング素子４４をＯＮにし、第２スイッチング素子４２と第３スイッチング素子４３をＯＦＦにすると、コイル１６とコイル１７に電流が流れ、図２に示すステータ１３がＮ極となり、ステータ１４がＳ極となる。これにより、ロータ２０は矢印Ｄと反対の逆転方向に回転する。
このようなＨブリッジ回路４５を用いる場合には、所定の制御基準を中心としてロータ２０を正転側に約１２０°、逆転側に約１２０°の合計約２４０°回転させることができる。

Ｈブリッジ回路４５を用いた場合のブラシレスモータ８の出力軸９の回転角度とトルクの関係は、図５に示すようになる。図５の横軸は回転角度を示し、縦軸はトルクを示す。また、制御基準を０°とし、正転側の回転角度をプラス、逆転側の回転角度をマイナスで表示してある。
ブラシレスモータ８を正転させたときには、制御基準から回転角度が増加するのに伴って、トルク曲線Ｌ１で示すトルクをスロットルバルブ３に作用させることができる。そして、ブラシレスモータ８を逆転させると、トルク曲線Ｌ２に従ってトルクが変化する。トルク曲線Ｌ１とトルク曲線Ｌ２とはピーク角度が異なり、制御基準を中心に略対称な形状を有し、全体として２つのピークを有するトルク特性になる。なお、トルク曲線Ｌ１に示すように、正転時には−６０°付近から１２０°付近まで回転することができる。また、トルク曲線Ｌ２に示すように、逆転時には６０°付近から−１２０°付近まで回転することができる。さらに、直線Ｌ４と直線Ｌ５は、ブラシレスモータ８でトルクを発生させられない角度領域においてリターンスプリング１０，１１により弁軸４に作用する戻りトルクである。

ここで、スロットルバルブ３の動作角度範囲Ｗθは、制御基準から正転側に約８０°、逆転側に約１０°に設定してある。また、図５には、比較として、２極のロータに対して２つのステータからなるモータの場合のトルク曲線（破線で示すトルク曲線Ｌ３）を図示してある。この実施形態の電子制御弁駆動装置は、２極のロータ２０に対して３つのステータ１４，１５，１６を有するブラシレスモータ８を使用することで、回転可能な角度が大きくなっている。また、制御基準の近傍を除いて、トルク曲線Ｌ３に比べて大きなトルクが得られており、回転角度が大きい場合でも少ない電流で大きなトルクを発生させることができる。

次に、電子制御弁駆動装置による制御処理を説明する。
運転者がアクセルを操作すると、スロットルバルブ３の目標開度が設定される。図３に示すように、この目標開度はＣＰＵ３４に入力される。その一方で、スロットル角センサ６で検出するスロットルバルブ３の実開度もＣＰＵ３４に入力されるので、ＣＰＵ３４は目標開度と実開度の角度差を演算するとともに、この角度差をなくすようなスロットルバルブ３の回転方向を決定する。そして、この角度差と回転方向に合わせて、駆動回路３５の各スイッチング素子４１，４２，４３，４４をＯＮ又はＯＦＦする制御信号を出力する。また、ＣＰＵ３４は、電源昇圧回路３３のモニタ回路５５からの出力信号に基づいてトランジスタ５２をＯＮ、ＯＦＦさせ、昇圧用コイル５１への通電を断続させる。トランジスタ５２により通電が遮断されるときに昇圧用コイル５１に高電圧が発生し、昇圧された電力がダイオード５３から取り出され、コンデンサ５４で平滑化された後に駆動回路３５に供給される。

そして、駆動回路３２のスイッチング素子４１，４２，４３，４４のＯＮ、ＯＦＦが切り替わると、ＣＰＵ３４により選択された２つのコイル（例えば、コイル１６とコイル１７、又はコイル１６とコイル１８）に昇圧された電力が供給される。そして、供給される電流の大きさと、コイル１６，１７，１８の巻き数とに応じて所定のトルクが発生し、ロータ２０が回転する。ロータ２０が回転すると、その出力軸９に直結された弁軸４が回転し、スロットルバルブ３が開閉する。ＣＰＵ３４はＩＦ回路３６を介してスロットル角センサ６が検出する実開度の情報を取得し、実開度が目標開度に一致するようにフィードバック制御を行う。
そして、このようにして開閉制御されるスロットルバルブ３の実開度に応じた空気量がエンジンに吸気される。

この電子制御弁駆動装置によれば、ブラシレスモータ８でスロットルバルブ３を直接駆動するようにしたので、中間ギヤや、コミネータが不要になり、部品点数を減少させることができる。また、コミテータなどを有しないので摺動抵抗を低減できる。
さらに、中間ギヤを有しないので、摺動抵抗トルクや、ディテンドトルクが発生しても、これらが中間ギヤで増幅されることがない。したがって、リターンスプリング１０，１１で発生させる戻りトルクの値を小さく設定できるので、ブラシレスモータ８の回転時の抵抗が低減し、所定角度を維持する場合にも消費電流を抑えることができる。

また、電子制御弁駆動装置は、２極のロータ２０に対して３つのステータ１３，１４，１５を有するブラシレスモータ８を用いるので、従来の２極のロータに対して２つのステータを有するブラシ付きモータに比べて、摺動抵抗トルクや、ディテンドトルクの発生を抑制することができる。ここで、摺動抵抗はコミネータが不要になることにより低減する。また、ディテンドトルクはロータ２０とステータ１３，１４，１５との間に発生する磁気吸引力がロータ２０を特定位置に引き込もうとする力が小さくなることで低減する。

さらに、制御回路３５により正転時のトルク特性（トルク曲線Ｌ１）と逆転時のトルク特性（トルク曲線Ｌ２）を異ならせ、正転時の回転可能な角度範囲と、逆転時の回転可能な角度範囲とをずらしたので、ピークが１つのトルク特性（トルク曲線Ｌ３に相当）を有するモータに比べて広い動作角度を得ることができる。また、この電子制御弁駆動装置は、制御基準の近傍を除いて、トルク曲線Ｌ３に比べて大きなトルクが得られ、少ない電流で大きなトルクを発生させることができる。特に、スロットルバルブ３の開度が最大角度に近づくと、トルク曲線Ｌ３に従うモータではトルクをほとんど発生させることができないので、そのような開度を保つには大きな電流が必要になる。これに対して、この電子制御弁駆動装置では、トルク曲線Ｌ１に従って大きなトルクが得られるので、少ない電流で済む。したがって、消費電流を低減することができ、エネルギ効率が良い。また、４つ以上のステータを有するモータを使用する場合に比べて電子制御弁駆動装置を小型化することができ、ブラシレスモータ８の制御も簡単になる。

さらに、制御装置３０の電源昇圧回路３３で駆動回路３５に供給する電圧を約２倍から約１０倍程度に昇圧するようにした。例えば、駆動電圧を３倍とした場合には、３倍の電流を流すことが可能になるので、コイル１６，１７，１８の巻き数を１／３にすることができる。これにより、コイル１６，１７，１８の外径が小さくなり、ブラシレスモータ８が小型化できる。また、コイル１６，１７，１８の時定数が小さくなるので通電電流の応答性が向上し、制御性が向上する。一方、時定数が同一、つまりコイル１６，１７，１８の巻き数が同じである場合には、電源昇圧回路３３で昇圧した電力を供給することで目標とする電流（トルク）に到達する時間が短くなり、制御の応答性が向上する。
そして、図５に示すように、制御基準からずれた位置にトルクのピークが来るようにしたので、回転角度が大きくなっても大きなトルクを得ることができる。
また、中間ギヤを用いたブラシ付きモータでは、メカ時定数が大きいため、応答性が低いが、仮に、同一の応答性を有する直動の３ステータブラシレスモータを考えれば、発生させるトルクを同一にした場合に、トルクは電流と巻き数の積に比例することから、細い線材で多くの巻き数を得ることができる。これにより、コイルの内部抵抗が増加するが、それに見合うように印加電圧を上げれば良いことになり、結果的に消費電流を少なくすることができ、少ない電流で必要なトルクを確保できる。

なお、本発明は上記した形態に限定されない。例えば、制御装置３０は電源昇圧回路３３を有しなくても良い。
また、制御対象は、２４０°程度の所定角度範囲で回転制御を行うものであればスロットルバルブ３に限定されない。
電源昇圧回路３３は、制御装置３０に供給される電圧から、制御対象を直接に駆動する電圧を得るのに十分な増幅率を有するものであれば、約２倍から約１０倍に限定されない。
また、駆動回路３５には、Ｙ結線した各コイル１６，１７，１８（図２参照）に流れる電流をＯＮ又はＯＦＦするスイッチング素子を６つ備える、いわゆるデルタ結線型の駆動回路を用いても良い。

本発明の実施形態におけるスロットルバルブとブラシレスモータを示す図である。ブラシレスモータの構成を示す模式図である。本発明の実施形態における電子制御弁駆動装置のブロック図である。ブラシレスモータの駆動回路の一例を示す図である。ブラシレスモータの回転角度とトルクの関係の一例を示す図である。

符号の説明

３スロットルバルブ（電子制御弁）
４弁軸
６スロットル角センサ
８ブラシレスモータ
９出力軸
１３，１４，１５ステータ
２０ロータ
３０制御装置
３３電源昇圧回路（昇圧回路）
３５駆動回路

Claims

電子制御弁を回転させる電子制御弁駆動装置において、
前記電子制御弁を回転させるモータと、前記電子制御弁の回転角度を検出するセンサと、前記センサの出力を受けて前記モータの回転を制御する制御装置とを有し、前記モータが２極のロータに対して３つのステータを有するブラシレスモータであり、前記モータの出力軸と前記電子制御弁の弁軸とを直結したことを特徴とする電子制御弁駆動装置。
前記制御装置は、前記モータの駆動回路に供給する電圧を約２倍から約１０倍に昇圧する昇圧回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子制御弁駆動装置。