JP2005117854A - ステッピングモータの制御方法およびそれを用いた車両用多方弁の流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の大型化およびコストアップを招くことなしに、電源電圧が大きく変動してもステッピングモータの誤動作や発熱による耐久性の低下を防止することができるステッピングモータの制御方法およびそれを用いた車両用多方弁の流量制御装置の提供。
【解決手段】 コントロールマイコン７には、電源電圧検出回路１５で検出された駆動電源電圧の変動（８〜１６Ｖ（ＤＣ））に応じて、コントロールマイコン７からステッピングモータ６に印加されるモータ制御パルスのパルス幅を変えてステッピングモータ６の回転速度を可変制御することによりステッピングモータ６の回転トルクを一定に維持させる回転速度可変制御回路１６が備えられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ステッピングモータの制御方法およびそれを用いた車両用多方弁の流量制御装置に関し、特に、ステッピングモータを用いて多方弁の流量分配比率制御を行うようにしたものに関する。

従来、ステッピングモータは、印加されるパルス電流の数（ステップ数）に比例したバルブ開度が得られると共に、脱調しない程度に出力トルクを大きめに設定しておくことにより、ポジションメータが不要になるため、水三方弁のような制御弁に利用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開平１１−３２５６４７号公報 （明細書（１）頁、図１） 特開２００２−２８６１４９号公報 （明細書（３）頁、図４）

しかしながら、ステッピングモータによる三方弁の流量分配比率制御が車両において採用される場合にあっては、ステッピングモータの電源である車載バッテリの電源電圧が、他の電力負荷の稼働状況によって約８〜１６Ｖという広い範囲に亙って大きく変動するもので、特に、電源電圧が大きく低下すると、ステッピングモータの回転トルクが低下し、これにより脱調して所定の弁開度に制御できなくなる等の誤動作を生じさせる虞があり、また、電源電圧が大きく上昇すると、ステッピングモータが発熱し、これにより、ステッピングモータの耐久性を低下させる虞がある。

そこで、このような電源電圧の変動による誤動作を防止するための手段として、ステッピングモータの出力トルクを十分に大きく設定しておくことや、電源電圧が一定になるように制御する定電圧手段を備えることが考えられる。

ところが、ステッピングモータの出力トルクを十分に大きく設定するためには、ステッピングモータが大型化し、また、電源電圧が一定になるように制御するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータが必要になり、しかも、このＤＣ／ＤＣコンバータからは大きなノイズが出てラジオノイズとして増幅されるため、このノイズ対策のために大型のコンデンサを組み込む必要があり、このため、部品点数の増加および制御システムの大型化を招き、従って、装置の小型化および低コスト化の要請を阻むという問題があった。

本発明の解決しようとする課題は、装置の大型化およびコストアップを招くことなしに、電源電圧が変動してもステッピングモータの誤動作や発熱による耐久性の低下を防止することができるステッピングモータの制御方法およびそれを用いた車両用多方弁の流量制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため請求項１記載のステッピングモータの制御方法は、供給される駆動電源電圧の変動に応じてステッピングモータの回転速度を可変制御することにより、回転トルクを一定に維持させるようにしたことを特徴とする手段とした。

請求項２に記載の車両用多方弁の流量制御装置は、請求項１に記載のステッピングモータの制御方法を、車両用多方弁の流量制御に用いたことを特徴とする手段とした。

請求項３に記載の車両用多方弁の流量制御装置は、請求項２に記載の車両用多方弁の流量制御装置において、前記車両用多方弁が、メイン流路の途中から分岐されるサブ流路の分岐部に設けられていて前記メイン流路とサブ流路に対する流量分配比率の調整が可能な三方弁で構成され、該三方弁を駆動するステッピングモータと、前記メイン流路とサブ流路に対する流量分配比率要求に応じてステッピングモータにモータ制御パルスを出力する流量分配比率制御手段と、前記ステッピングモータを駆動する電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、該電源電圧検出手段で検出された電源電圧の変動に応じて前記流量分配比率制御手段からステッピングモータに印加されるモータ制御パルスのパルス幅を変えてステッピングモータの回転速度を可変制御することによりステッピングモータの回転トルクを一定に維持させる回転速度可変制御手段と、を備えていることを特徴とする手段とした。

請求項１記載のステッピングモータの制御方法では、上述のように、供給される駆動電源電圧の変動に応じてステッピングモータの回転速度を可変制御することにより、回転トルクを一定に維持させるようにしたことで、ステッピングモータを駆動するための電源電圧が変動しても、ステッピングモータの回転トルクは一定に維持される。

即ち、電源電圧が低下した場合、ステッピングモータの回転速度を遅くして電源電圧に対する回転トルクを高めることにより、ステッピングモータにおける脱調等の誤動作が防止され、また、電源電圧が上昇した場合、ステッピングモータの回転速度を早めて電源電圧に対する回転トルクを低下させることにより、ステッピングモータの発熱による耐久性の低下が防止される。
また、変動する電源電圧をそのまま使用するため、ＤＣ／ＤＣコンバータや大型のコンデンサを組み込む必要がない。

従って、装置の大型化およびコストアップを招くことなしに、電源電圧が大きく変動してもステッピングモータの誤動作や発熱による耐久性の低下を防止することができるようになるという効果が得られる。

請求項２に記載の車両用多方弁の流量制御装置では、請求項１に記載のステッピングモータの制御方法を、車両用多方弁の流量制御に用い、また、請求項３に記載の車両用多方弁の流量制御装置では、請求項２に記載の車両用多方弁が、メイン流路の途中から分岐されるサブ流路の分岐部に設けられていて前記メイン流路とサブ流路に対する流量分配比率の調整が可能な三方弁で構成され、電源電圧検出手段で検出された電源電圧の変動に応じて流量分配比率制御手段からステッピングモータに印加されるモータ制御パルスのパルス幅を変えてステッピングモータの回転速度を可変制御することによりステッピングモータの回転トルクを一定に維持させる回転速度可変制御手段を備えた構成としたことにより、ステッピングモータの駆動電源である車載バッテリの電圧が大きく変動する車両において、装置の大型化およびコストアップを招くことなしにステッピングモータの誤動作や発熱による耐久性の低下を防止することができるようになる。

以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、この実施例のステッピングモータの制御方法およびこれを用いた車両用多方弁の流量制御装置を図面に基づいて説明する。

図１はこの実施例のステッピングモータの制御方法およびこれを用いた車両用多方弁の流量制御装置が適用されたエンジン冷却システムを示すブロック図、図２は車両用多方弁の流量制御装置における制御システム構成図、図３は電源電圧に対するステッピングモータ回転速度の可変制御特性図である。

この実施例が適用されるエンジン冷却システムは、図１に示すように、循環ポンプＰによりエンジン１とラジエータ２との間において冷却水を循環させる循環流路３が設けられ、この循環流路３のうち、エンジン１で加熱された冷却水をラジエータ２に循環させる加熱側循環流路（メイン流路）３ａの途中から分岐され、ラジエータ２で冷却された冷却水をエンジン１に循環させる冷却側循環流路３ｂに接続されるバイパス流路（サブ流路）４が設けられている。

また、前記分岐部には、ラジエータ２への加熱側循環流路（メイン流路）３ａとバイパス流路４に対する流量分配比率の調整が可能な三方弁（多方弁）５が介装されている。そして、この三方弁５は、ステッピングモータ６により、コントロールマイコン（流量分配比率制御手段）７から印加されるモータ制御パルス（ステップ数）に比例した弁開度（流量分配比率開度）になるように開閉駆動制御される。

また、前記バイパス流路４の途中には、熱交換器８が介装されていて、エンジン１で加熱された冷却水の温度を熱源として利用するようにしたもので、三方弁５の弁開度（流量分配比率開度）制御により、熱源の温度調整が行えるようになっている。

次に、前記コントロールマイコン７を含むステッピングモータ６の制御システム構成を図２に基づいて説明する。
この制御システムでは、エンジン１からの冷却水をラジエータ２に循環させる加熱側循環流路（メイン流路）３ａと熱交換器８に循環させるバイパス流路（サブ流路）４に対する流量分配比率要求に応じたＰＷＭ信号が、該ＰＷＭ信号を一時的に格納する入力バッファ９を経由してコントロールマイコン７に入力される。

そして、このコントロールマイコン７では、入力されたＰＷＭ信号のパルス幅を読み取り、ステッピングモータ６を制御するためのステップ数（モータ制御パルス）を計算し、セラミック発振子１０から発振される所定の周波数で、モータドライバ１１によりステッピングモータ６をステップ駆動させ、ステップ数に比例した弁開度（流量分配比率開度）になるように三方弁５の開閉駆動制御が行われる。

前記モータドライバ１１は、ユニポーラ型２−２相励磁方式で、４つのトランジスタＴ１〜Ｔ４を備え、前記ステッピングモータ６は、４相ハイブリッド型で、該ステッピングモータ６のステータには各相の固定子コイルＫ１〜Ｋ４が巻回され、第１相固定子コイルＫ１と第３相固定子コイルＫ３とが、また、第２相固定子コイルＫ２と第４相固定子コイルＫ４とがそれぞれ対をなし、これらの固定子コイルＫ１〜Ｋ４のコモン側は逆接用ダイオード１２および電源フィルタ１３を介して車載のバッテリ（電源）側に接続され、各相の固定子コイルＫ１〜Ｋ４の他側は対応するトランジスタＴ１〜Ｔ４のコレクタ側に接続されている。

また、前記電源フィルタ１３の出力側には、コントロールマイコン７に対し＋５Ｖの制御用直流電源を供給するための５Ｖ電源／電圧監視回路１４が介装されている。

また、前記ステッピングモータ６を駆動するモータドライバ１１に供給される電源フィルタ１３からの出力電圧（駆動電源電圧）を監視するため、この出力電圧がコントロールマイコン７に入力され、コントロールマイコン７内に備えた電源電圧検出回路（電源電圧検出手段）１５において駆動電源電圧が検出されるようになっている。

また、コントロールマイコン７には、電源電圧検出回路１５で検出された駆動電源電圧の変動（８〜１６Ｖ（ＤＣ））に応じて、コントロールマイコン７からステッピングモータ６に印加されるモータ制御パルスのパルス幅を変えてステッピングモータ６の回転速度を可変制御することによりステッピングモータ６の回転トルクを一定に維持させる回転速度可変制御回路（回転速度可変制御手段）１６が備えられている。

次に、この実施例の作用・効果を説明する。
この実施例では上述のように、駆動電源電圧に応じてステッピングモータ６の回転速度を可変制御する回転速度可変制御手段１６を備えたことで、ステッピングモータ６を駆動するための電源電圧が大きく変動しても、ステッピングモータ６の回転速度を可変制御することにより、ステッピングモータの回転トルクを一定に維持させることができる。

即ち、回転速度可変制御回路１６では、図３（電源電圧に対するステッピングモータ回転速度の可変制御特性図）に示すように、電源電圧が低下するにつれてモータ制御パルスのパルス幅を広げてステッピングモータ６の回転速度を遅くする方向に可変制御が行われることにより、電源電圧が低下してもステッピングモータ６の回転トルクを所定の値に維持させることができるため、回転トルクの低下による脱調を防止することができるようになる。

また、電源電圧が高くなるにつれてモータ制御パルスのパルス幅を狭くしてステッピングモータ６の回転速度を速くする方向に可変制御が行われることにより、ステッピングモータ６が発熱することを抑制することができる。

また、変動する電源電圧をそのまま使用するため、ＤＣ／ＤＣコンバータや大型のコンデンサを組み込む必要がない。

従って、装置の大型化およびコストアップを招くことなしに、電源電圧が変動してもステッピングモータ６の誤動作や発熱による耐久性の低下を防止することができるようになるという効果が得られる。

以上本実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、実施例では、車両用三方弁の流量制御装置を例にとって説明したが、ステッピングモータの駆動対象は任意である。

また、実施例では、分岐部を加熱側循環流路３ａに設け、熱交換器８を加熱手段として用いるようにた例を示したが、冷却側循環流路３ｂに設け、熱交換器を冷却手段とした用いるようにしてもよい。

また、実施例では、三方弁５によりエンジン冷却水を分岐させるようにしたが、メイン流路に流れる流体はエンジン冷却水に限られるものではない。
また、実施例では、発振回路としてセラミック発振子１０を用いたが、水晶発振子を用いることができる。

実施例のステッピングモータの制御方法およびこれを用いた車両用多方弁の流量制御装置が適用されたエンジン冷却システムを示すブロック図である。 車両用多方弁の流量制御装置における制御システム構成図である。 電源電圧に対するステッピングモータ回転速度の可変制御特性図である。

符号の説明

１ エンジン
２ ラジエータ
３ 循環流路
３ａ 加熱側循環流路（メイン流路）
３ｂ 冷却側循環流路
４ バイパス流路（サブ流路）
５ 三方弁（多方弁）
６ ステッピングモータ
７ コントロールマイコン（流量分配比率制御手段）
８ 熱交換器
９ 入力バッファ
１０ セラミック発振子
１１ モータドライバ
１２ 逆接用ダイオード
１３ 電源フィルタ
１４ ５Ｖ電源／電圧監視回路
１５ 電源電圧検出回路（電源電圧検出手段）
１６ 回転速度可変制御回路（回転速度可変制御手段）
Ｐ 循環ポンプ
Ｔ１〜Ｔ４ トランジスタ
Ｋ１ 第１相固定子コイル
Ｋ２ 第２相固定子コイル
Ｋ３ 第３相固定子コイル
Ｋ４ 第４相固定子コイル

Claims (3)

1. 供給される駆動電源電圧の変動に応じてステッピングモータの回転速度を可変制御することにより、回転トルクを一定に維持させるようにしたことを特徴とするステッピングモータの制御方法。
2. 請求項１に記載のステッピングモータの制御方法を、車両用多方弁の流量制御に用いたことを特徴とする車両用多方弁の流量制御装置。
3. 請求項２に記載の車両用多方弁の流量制御装置において、前記車両用多方弁が、メイン流路の途中から分岐されるサブ流路の分岐部に設けられていて前記メイン流路とサブ流路に対する流量分配比率の調整が可能な三方弁で構成され、
   該三方弁を駆動するステッピングモータと、
   前記メイン流路とサブ流路に対する流量分配比率要求に応じてステッピングモータにモータ制御パルスを出力する流量分配比率制御手段と、
   前記ステッピングモータを駆動する電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、 該電源電圧検出手段で検出された電源電圧の変動に応じて前記流量分配比率制御手段からステッピングモータに印加されるモータ制御パルスのパルス幅を変えてステッピングモータの回転速度を可変制御することによりステッピングモータの回転トルクを一定に維持させる回転速度可変制御手段と、
   を備えていることを特徴とする車両用多方弁の流量制御装置。

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