JP2005113768A

JP2005113768A - 電子制御弁駆動装置

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Publication number: JP2005113768A
Application number: JP2003348238A
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】簡単な構成で、高性能な電子制御弁駆動装置を提供する。
【解決手段】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８を４つのスイッチング素子４１，４２，４３，４４を用いて回転制御する構成を有する。第２スイッチング素子４１と第３スイッチング素子４４を通電可能状態にしたときにステータ１３とステータ１５を用いてブラシレスモータ８を正転させる一方で、第１スイッチング素子４２と第４スイッチング素子４３を通電可能状態にしたときにステータ１３とステータ１４を用いてブラシレスモータ８を逆転させる。
【選択図】図４

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としては、多極多ステータからなるブラシレスモータでスロットルバルブを直接駆動するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このブラシレスモータは３つ相への通電を順番に切り替えてロータを多回転させるもので、通電する相の選択は、磁極位置検出器の出力信号に基づいて行われる。磁極位置検出器は、回転子と３個のホール素子とで構成される。また、スロットルバルブの開度は開度センサで検出し、制御装置によりフィードバック制御される。
特許第３０７０２９２号公報（段落００１１から００１４、００２０、第１図）

しかしながら、上記のようにしてブラシレスモータで電子制御弁を直接駆動させようとすると、相を切り替えるためにロータの回転角度を検出するセンサが３つ必要となる。さらに、この種のブラシレスモータの駆動回路には、各相の通電制御を行うスイッチング素子が１つの相に対して２つずつ、合計６個のスイッチング素子が必要なる。このため、電子制御弁駆動装置が大型化し、コストが高くなるという問題を有する。
また、相の切り替えを考慮しつつ、スロットルバルブを任意の回転角度で停止させるためには複雑な制御を行われなければならない。
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、簡単な構成で、高性能な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、制御装置（例えば、実施形態の制御装置３０）からの出力に基づいてモータを回転させて、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、前記モータを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）とし、前記制御装置には４つのスイッチング素子を有する駆動回路（例えば、実施形態の駆動回路３５）を備え、第１スイッチング素子（例えば、実施形態のスイッチング素子４１）の一端を前記モータの第１のステータ（例えば、実施形態のステータ１３）に接続するとともに、第２のスイッチング素子（例えば、実施形態のスイッチング素子４２）の一端に接続し、第３のスイッチング素子（例えば、実施形態のスイッチング素子４３）の他端を前記モータの第２のステータ（例えば、実施形態のステータ１４）に接続し、第４のスイッチング素子（例えば、実施形態のスイッチング素子４４）の一端を前記モータの第３のステータ（例えば、実施形態のステータ１５）に接続し、前記スイッチング素子を切り替えて前記第１のステータと前記第３のステータで前記モータを正転させる一方で、前記第１のステータと前記第２のステータで前記モータを逆転させる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を用い、４つのスイッチング素子で３相のモータを駆動するようにした。モータの正転と逆転の切り換えは、４つのスイッチング素子の通電状態を切り替えることで行い、正転時と逆転時でステータとロータの組み合わせを異ならせ、制御基準位置を中心として正転側に約１２０°、逆転側に約１２０°の合計２４０°回転させる。このため、モータの正転中、又は逆転中には相の切り替えが不要になる。

請求項１に記載した発明によれば、３相のモータを４つのスイッチング素子を用いて駆動させ、相を切り替えることなしにモータを正転又は逆転させるようにした。したがって、ロータの磁極位置を検出するセンサなどが不要になり、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２つのステータを有するモータに比べて、制御可能な角度範囲を大きくすることができる。回転角度が大きい領域では少ない電流で必要なトルクを得ることができるので消費電流を低減できる。さらに、正転中、又は逆転中に相の切り替えを行わないので、所定の角度を維持する際の精度が良い。そして、センサが不要であることと、制御が簡単であることから電子制御弁駆動装置のコストダウンが図れる。

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は、その内部に吸気通路２を備え、この吸気通路２は開閉するスロットルバルブ３が開閉自在に取り付けられている。具体的には、スロットルバルブ３の弁軸４がスロットルボディ１の直径方向を貫通し、それぞれの周壁１ａ，１ｂにベアリング５で回転自在に支持されている。

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１２が取り付けられている。ケース１２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の内部にロータ２０を回転自在に取り付けた３相モータである。ヨーク１２の内周面には等間隔に３つのステータ１３，１４，１５を備え、各ステータ１３，１４，１５は磁性体材料にコイル１６，１７，１８を巻回して構成されている。
ロータ２０はヨーク１２の中心線上に不図示のベアリングで支持される出力軸９の周囲に永久磁石１９が取り付けられた構成を有する。なお、出力軸９の先端は、ヨーク１２から突出し、前記した弁軸４に直結されている。

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。この電源昇圧回路３３はトランジスタ５２で昇圧用コイル５１への通電を断続させて昇圧用コイル５１に高電圧を発生させる。さらに、この高電圧をコンデンサ５４で平滑化してバッテリ電圧の約２倍から約１０倍の高電圧とし、駆動回路３５に供給する。

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を有する。
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スイッチング素子の一端が並列に接続されている。第２スイッチング素子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に接続される。さらに、低電位側には第４スイッチング素子４４の他端も接続されている。第４スイッチング素子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。

各スイッチング素子４１，４２，４３，４４は、トランジスタのベースに電圧が印加されると一端と他端の間が通電可能状態（ＯＮ）になり、ベースへの印加を中止すると一端と他端の間が通電不可状態（ＯＦＦ）となる。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。

ここで、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。また、スロットルバルブ３の動作角度範囲Ｗθは、制御基準から正回転に約８０°、逆回転に約１０°に設定してある。
図５に示すトルク曲線Ｌ１は、ブラシレスモータ８を正転させた際にスロットルバルブ３に作用するトルクと回転角度の関係を示している。正転時には、−６０°付近からピーク角度（約３０°）までは回転角度の増加に伴ってトルクが増加し、それ以降は回転角度の増加に伴ってトルクが減少し、１２０°付近でトルクがゼロになる。トルク曲線Ｌ２は、ブラシレスモータ８を逆転させた際にスロットルバルブ３に作用するトルクと回転角度の関係を示している。逆転時には６０°付近からピーク角度（約−３０°）までは回転角度が減少するとトルクが増加し、それ以降は回転角度の減少に伴ってトルクが減少し、−１２０°付近でトルクがゼロになる。したがって、ブラシレスモータ８は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がずれてはいるが、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。なお、図５には、比較として２極のロータに対して２つのステータを有するモータのトルク特性（トルク曲線Ｌ３）を図示してある。また、直線Ｌ４と直線Ｌ５は、第１リターンスプリング１０又は第２リターンスプリング１１で発生させる戻りトルクを示している。戻りトルクは、回転角度が約６０°以上の領域において正転から反転への切り替えをアシストしたり、回転角度が約−６０°以下の領域において逆転から正転への切り替えをアシストしたりするもので、ブラシレスモータ８を制御基準に戻すように作用する。

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のトランジスタ５２をＯＮ、ＯＦＦさせ、昇圧用コイル５１の出力端側に高電圧を発生させる。

スロットルバルブ３を開くときには、ＣＰＵ３４は第２スイッチング素子４２と、第３スイッチング素子４３をＯＮにする。電源昇圧回路３３で昇圧された電力はステータ１３とステータ１５の各コイル１６，１８に供給され、ロータ２０が正転する。そして、ロータ２０の回転角度に応じてトルク曲線Ｌ１（図５参照）に示すようなトルクが発生する。ロータ２０の出力軸９にはスロットルバルブ３の弁軸４が直結されているので、ロータ２０の回転角度と略等しい角度でスロットルバルブ３が開き、この実開度に応じた量の空気がエンジンに吸気される。
一方、スロットルバルブ３を閉じるときには、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にする。昇圧された電力がステータ１３とステータ１４の各コイル１６，１７に供給され、ロータ２０が逆転する。ロータ２０の回転角度に応じてトルク曲線Ｌ２（図５参照）に示すようなトルクが発生し、ロータ２０の回転角度と略等しい角度だけスロットルバルブ３が閉じ、実開度に応じた量の空気がエンジンに吸気される。
この間、スロットルバルブ３の実角度はスロットル角センサ６により検出されるので、ＣＰＵ３４はＩＦ回路３６を介して実開度の情報を取得し、目標開度と実開度が一致するようにフィードバック制御を行う。

この電子制御弁駆動装置によれば、４つのスイッチング素子４１，４２，４３，４４を有する駆動回路３５により、正転中にはステータ１３及びステータ１５のみを用い、逆転中にはステータ１３及びステータ１４のみを用い、正転中又は逆転中の相の切り替えを行わずに３相のブラシレスモータ８を駆動するようにした。したがって、ブラシレスモータ８側に磁極を検出するセンサが不要となり、装置を小型化、かつ軽量化でき、コストダウンも図れる。
また、この電子制御弁駆動装置は、ブラシレスモータ８の正転中又は逆転中に相の切り替えを行わないので、制御が容易になる。さらに、その可動範囲内での角度の制御性が良く、任意の角度で停止する必要があるスロットルバルブ３の開閉制御に好適である。ここで、ブラシレスモータ８の可動角度が制御基準から正転側に約１２０°、逆転側に約１２０°の合計約２４０°であることも、スロットルバルブ３の制御に適している。

さらに、図５に示すように、制御回路３５により正転時のトルク特性（トルク曲線Ｌ１）のピーク角度と、逆転時のトルク特性（トルク曲線Ｌ２）のピーク角度とを異ならせ、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をずらしたので、１つのピークのみを有するようなモータ（トルク曲線Ｌ３に相当）に比べて回転可能な角度を広くとることができる。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、電流消費量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、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トルクを低減でき、消費電流を抑えることができる。
また、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ので、コイル１６，１７，１８の外径を小さくでき、ブラシレスモータ８を小型化できる。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。

なお、本発明は上記した形態に限定されない。例えば、電源昇圧回路を有しなくても良い。
また、制御対象は、３６０°未満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に限定されずに、他の開閉バルブや、アクチュエータの駆動に用いることができる。
スイッチング素子４１，４２，４３，４４は、ＣＰＵ３４の制御によってブラシレスモータ８への通電状態を制御できるものであれば、トランジスタに限定されない。

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）
８ブラシレスモータ
１３ステータ（第１のステータ）
１４ステータ（第２のステータ）
１５ステータ（第３のステータ）
２０ロータ
３０制御装置
３５駆動回路
４１第１スイッチング素子
４２第２スイッチング素子
４３第３スイッチング素子
４４第４スイッチング素子

Claims

制御装置からの出力に基づいてモータを回転させて、電子制御弁を回転させる電子制御弁駆動装置において、
前記モータを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とし、前記制御装置には４つのスイッチング素子を有する駆動回路を備え、第１スイッチング素子の一端を前記モータの第１のステータに接続するとともに、第２のスイッチング素子の一端に接続し、第３のスイッチング素子の他端を前記モータの第２のステータに接続し、第４のスイッチング素子の一端を前記モータの第３のステータに接続し、前記スイッチング素子を切り替えて前記第１のステータと前記第３のステータで前記モータを正転させ、前記第１のステータと前記第２のステータで前記モータを逆転させることを特徴とする電子制御弁駆動装置。