JP2005151621A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度上昇時にトルク不足となることがなく、また、位置制御の安定性を失うことなく、ソフトウェアの変更により安価で、効率的にモータやその駆動装置の発熱を抑制し、過熱による素子の破壊を予防・防止することができる位置制御装置を提供する。
【解決手段】 制御対象物（１ａ）の位置をモータ（３）の駆動により制御する位置制御装置（１００）であって、該位置制御装置（１００）は、前記制御対象物（１ａ）の位置を検出する位置検出手段（５）と、前記制御対象物（１ａ）の目標位置を設定する目標位置設定手段（６）と、前記検出位置と目標位置の偏差に基づいて該モータを制御するモータ制御手段（４１）と、前記位置制御装置の温度を検出する温度検出手段（４３）と、を備え、前記モータ制御手段（４１）は、前記偏差と前記検出温度に基づいて前記モータ（３）を制御してなる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、制御対象物を目標位置にモータ等で制御する位置制御装置に係り、特に、機器の発熱及び電流の消費を抑制することが可能となる、自動車のターボチャージャ内の可変ノズルの位置制御に用いて好適な位置制御装置に関する。

従来のモータによる位置制御としては、例えば、図９の制御概念図に示されているような位置制御が行われている。すなわち、制御すべき対象物の現在位置とその目標となる目標位置との偏差Δθを導出し、その偏差Δθがある値（不感帯）以上になると、ＰＩＤ制御（比例項Ｋ_pΔθ、積分項Ｋ_I∫（Δθ）ｄｔ、及び微分項Ｋ_Dｄ（Δθ）／ｄｔを加えた値をモータ駆動デューティーＤ（制御量）とした制御）を行なって、モータを駆動して制御対象物を位置移動させ、偏差Δθがある値（不感帯）以内に収まるように制御を行なっている。このような制御においては、ＰＩＤ制御のゲインＫ_p，Ｋ_I，Ｋ_Dは一定値であり、不感帯の値も一定値（図９に示した場合は位置検出分解能の対して２ｐｕｌｓｅ）が用いられている。そして、このようなモータにより対象物を位置移動制御する装置においては、モータやその駆動装置は、これらを構成する機器の自己発熱（過熱）等の起因により高温状態となって、機器そのものが破壊してしまうことがしばしば生じる。この発熱による機器の破損を防止するために、一般的に、以下に示すような手段が取られている。

具体的には、モータは通常通電により発熱するので、発熱しないように、温度上昇時に、モータに通電する電流を制限する方法がある。この電流を制御する手段としては、位置制御において目標値に達するまで、モータに通電する電流量を単に抑制するような位置制御装置が挙げられる。また、他の例としては、温度上昇に伴って小さくなる温度係数αを設定し、基本目標回転速度Ｒ_bにかけあわせて、目標回転速度Ｒを、Ｒ＝α・Ｒｂにより算出して制御を行うことにより、高温時の過熱を抑制することが行われている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−４８５６２号公報

しかし、位置制御のアクチュエータとしてモータを使用する場合、温度上昇時に、モータに通電する電流を通常時よりも制限すると、通電電流の減少に伴いモータトルクも減少するので、制限した電流では外部負荷に打ち勝つトルクを発生できず、制御対象物を移動できない虞がある。この場合、制御対象物が目標位置に到達できないことから、制御対象物を移動させるために電流が通電されたままとなり、かえって過熱を促進してしまう虞がある。また、目標回転速度を温度上昇に伴って小さくなるように温度係数で補正すると、上記の問題に加え、位置制御においては安定性が得られない場合がある。

また、発熱したモータ等を強制的に冷却することも考えられるが、この場合は、付帯装置の設置スペースを考慮する必要があり、制御装置そのものの大きさが、大型化するばかりでなく、付帯装置の設置に要する初期コスト及び装置稼動に要するランニングコストが発生する。

本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであって、その目的とするところは、温度上昇時にトルク不足となることがなく、また、位置制御の安定性を失うことなく、ソフトウェアの変更により安価で、効率的にモータやその駆動装置の発熱を抑制し、過熱による素子の破壊を予防・防止することができる位置制御装置を提供することにある。

上述の目的を達成すべく、本発明者は、位置制御の精度及びその応答性を考慮して、本発明に係る位置制御装置の制御ゲイン、不感帯などの制御パラメータを、機器の発熱温度の変化に伴って可変にすることにより、機器の発熱抑制ができることを着想したものであり、本発明に係る位置制御装置は、制御対象物の位置をモータの駆動により制御する位置制御装置であって、該位置制御装置は、前記制御対象物の位置を検出する位置検出手段と、前記制御対象物の目標位置を設定する目標位置設定手段と、前記検出位置と目標位置との偏差に基づいて該モータを制御するモータ制御手段と、前記位置制御装置の温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記モータ制御手段は、前記偏差と前記検出温度に基づいて前記モータを制御することを特徴としている。

また、本発明に係る位置制御装置は、前記モータ制御手段が、前記検出温度に基づいて制御ゲインを設定するゲイン設定手段を備え、前記偏差と前記制御ゲインに基づいて、前記モータの制御を行うことを特徴としている。

また、本発明に係る位置制御装置は、前記モータ制御手段が、前記検出温度に基づいて前記モータの駆動及び非駆動を判定するための偏差の閾値を設定する閾値設定手段を備え、該閾値と前記偏差に基づいて、前記モータを起動及び停止することを特徴としている。

また、本発明に係る位置制御装置は、前記モータ制御手段が、前記検出温度に基づいて、前記位置検出手段の検出分解能を変更することを特徴としている。

また、本発明に係る位置制御装置は、前記検出温度が所定の温度以上になると前記モータを停止させることを特徴としており、前記検出温度が所定の温度以下になると前記モータを起動させることを特徴としている。さらに、本発明に係る位置制御装置は、前記モータを起動及び停止するための前記所定温度が異なることを特徴としている。

また、本発明に係る位置制御装置は、外部制御装置に接続されて、前記検出温度、及び前記モータの制御状態を前記外部制御装置に伝達することを特徴としている。

さらに、先に示した位置制御装置の制御対象物は、ターボチャージャ内ノズル角度可変システムにおけるタービンに吹き付けられる排気ガスの流速の調整をする可変ノズルであることを特徴としている。

本発明による位置制御装置によれば、高温時に、比例項、及び／又は、積分項、及び／又は、微分項などの各ゲインを低減することによって、トルク不足に伴う過度の応答により電流を消費することなく、モータ及び駆動装置の発熱を抑制し、過熱を防止できる。そして、偏差の微分に関する項（微分項）によりブレーキ制御を行えるため、慣性を持つ制御対象物を位置制御する場合でも、目標値に対して行き過ぎ量（オーバーシュート）を小さく抑えることができ、また、偏差の積分値に関する項（積分項）により、制御対象物に外力が加えられている場合でも、偏差が残ることを防止することができる。さらに、比例項−積分項−微分項の各ゲインを温度条件毎にマッピングすることにより最適なゲイン設定を行うので、必要最小限の位置制御応答性の低下で、モータ及び駆動装置の発熱をより効率的に抑制し、過熱を予防・防止できる。

また、あまり外力の影響を受けない環境化において位置制御装置を使用する、もしくは、外力の影響が受けないようにウォームギア等を位置制御装置に適用することにより、目標位置到達後にモータの出力を停止しても、外力の影響を受けることがないので、ある位置偏差以内であればモータの出力を停止する不感帯（偏差の閾値）を設けて、モータの動作頻度を効果的に抑えることができる。そして、高温時には、前記不感帯の範囲を増大させることによってモータの動作頻度を低減し、消費電力を低減しつつ、過熱を防止できる。さらに、不感帯を温度条件毎にマッピングすることによって、必要最小限の位置制御精度の低下で、モータ及び駆動装置の発熱をより効率的に抑制、過熱を予防・防止できる。

さらには、装置の設計時の耐熱温度の規定を下げると共に、発熱体を冷却するような付帯装置を追加することもないので、機器スペース及びその配置の制限は受けず、装置の設計の自由度の幅広がる。前記付帯装置の設置及び稼動に伴いイニシャルコスト並びにランニングコストを低減できる。

特に、故障による異常発熱などが発生したことを想定して、それ以上、機器の温度が上昇しないようにフェイルセーフを考慮した設計ができるので、急激な温度上昇による機器の破損を最小限に留め、装置の信頼性が向上する。

以下に添付の図面を参照して、この発明の位置制御装置の一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の位置制御装置をターボチャージャ内のノズル角度可変システム１００に具現化した一実施形態を示したものであり、該ノズル角度可変システム１００の全体の構成の概略図を示したものである。

図１に示すように、ノズル角度可変システム（位置制御装置）１００は、可変ノズルターボチャージャ１、動力伝達機構２、モータ３、可変ノズル制御装置４、位置検出装置（位置検出手段）５、外部制御装置（目標位置設定手段）６、及びバッテリー７を備えている。

可変ノズルターボチャージャ１は、複数の可変ノズル（制御対象物）１ａと該タービン１ｂを備えており、可変ノズル１ａの角度を変化させることにより、タービン１ｂが排気ガスから受ける圧力を調整して、過給圧を変化させる。可変ノズル１ａの動作は、モータ３により駆動され、モータ３は、外部制御装置６で設定された可変ノズル１ａの目標角度θ_C（目標位置）と、後述する位置検出装置５で検出した検出角度θ（現在角度）との偏差Δθに基づく、可変ノズル制御装置４の出力信号により作動される。すなわち、モータ３の動力が、動力伝達機構２を介して、可変ノズル１ａに伝達されることにより、ノズル角度θが変化する。また、可変ノズル制御装置４及び外部制御装置６の電力は、バッテリー７から供給される。

可変ノズル制御装置４は、演算装置（モータ制御手段）４１、モータ駆動素子４２、温度検出回路（温度検出手段）４３、位置検出回路４４Ａ、４４Ｂ、ＣＡＮドライバ４５、電源回路４６からなっている。

電源回路４６は、バッテリー７の電圧を降圧して、演算装置４１、温度検出回路４３及び位置検出回路４４Ａ、４４Ｂなどに電力を供給する。外部制御装置６からの可変ノズルの目標角度情報である目標位置の信号６ａは、外部制御装置６と演算装置４１との通信の仲立ちをするＣＡＮドライバ４５に入力され、この信号６ａは、ＣＡＮドライバ４５から演算装置４１に入力される。一方、図２の説明で後述するように、位置検出回路４４Ａ、４４Ｂは、モータ３の回転に伴い変化する磁束を検出して、電気信号４４ａ、４４ｂを演算装置４１へ出力する。この電気信号４４ａ、４４ｂに基づいて、演算装置４１は、可変ノズル１ａの位置を算出する。さらに、温度検出回路４３は、温度信号を電圧に変換し、演算装置４１に出力する。演算装置４１は、検出された温度データ及び目標角度θ_Cと現在角度θとの偏差Δθに基づいて、モータ３の駆動又は非駆動の決定、駆動時のモータ駆動デューティーＤ、及び回転方向を決定し、モータ駆動素子４２に指令を与える。モータ駆動素子４２は、上記指令にしたがってモータ３に電力を供給し、モータ３をＰＷＭ駆動して回転させる。

また、温度検出回路４３は、温度を検出する回路であり、測定する温度は、演算装置４１、モータ駆動素子４２、ＣＡＮドライバ４５、電源回路４６、モータ３の素子温度や雰囲気温度など種々考えられるが、ノズル角度可変システム１００においては、モータ駆動素子４２の過熱が最も懸念される。そこで、温度検出回路４３を、可変ノズル制御装置４内かつモータ駆動素子４２の直近に設置し、モータ駆動素子４２の温度を測定する。そして、温度検出回路４３の出力電圧を、演算装置４１に入力して処理し、モータ駆動素子４２の温度を算出する。また、温度検出回路４３は、可変ノズル制御装置４に含まれているが、例えばモータ３の近辺に設置してもよく、温度条件が厳しい箇所に合わせて設置するのがよい。

さらに、本実施形態のノズル角度可変システム１００の動力伝達機構２は、モータ３を用いて可変ノズル１ａの角度を変化させるものであり、モータ３と可変ノズル１ａの間の動力伝達手段として、歯車伝達機構を採用している。ここでは、モータ３の出力軸にギア２ａが直結しており、該ギア２ａを介してギア２ｂを回転させる。そして、ギア２ｂとウォームギア２ｃとは、同軸で回転すると共に、ウォームギア２ｃを介して、ギア２ｄを回動させ、該ウォームギア２ｃに連結されているリンク２ｅを介して可変ノズル１ａを駆動させる。

そして、適度な減速比を設定した歯車伝達機構を用いることで、モータトルクを可変ノズル１ａに伝達するとき、モータトルクを減速比に応じて低減することができる。すなわち、モータトルクは、モータ３の通電電流にほぼ比例するため、モータトルクを減少させることで、モータ３の通電電流を小さくし、効率的に、機器の発熱を低減することができる。もし、歯車伝達機構を用いないならば、モータ３に要求されるトルクは大きく、それに伴う通電電流も増大する。このことは、可変ノズル制御装置４内のモータ駆動素子４２及び通電ラインにおける損失が大きくなり、効率の悪いシステムとなるうえ、可変ノズル制御装置４内の発熱量が増大し、電子部品の保証温度などの問題から放熱設計が困難となる。そこで、本実施形態のノズル角度可変システム１００においては、動力伝達機構２に減速比のある歯車伝達機構を用い、該歯車伝達機構を介して動力の伝達を行っている。

さらに、動力伝達機構２の歯車伝達機構として、ウォームギア２ｃを採用している。ウォームギア２ｃは、大きい減速比を、比較的簡素な構成で体積をそれほど大きく取ることなく実現できると共に、制御対象物側に加えられた外力を動力発生手段側には伝達しにくい利点がある。すなわち、ウォームギア２ｃは、ウォームギア２ｃの回転軸線方向に、ギア２ｄが移動するような構成となっているため、ウォームギア２ｃの回転軸線に対してスラスト方向（ギア２ｄの回転方向）に外力が作用したとしても、噛み合った歯で外力を受けるのでウォームギア２ｃが容易に回転することはない。さらに、制御対象物である可変ノズル１ａに加えられる外力は排気圧のみであり、それほど大きな外力とはならないので、可変ノズル１ａが目標角度近辺に到達した後、モータ３の出力を停止しても、本実施形態は、前記の如き構成であるのでその角度で可変ノズル１ａを保持することができる。

このように、歯車伝達機構を用いること、及び該歯車伝達機構の一部にウォームギア２ｃを用いることにより、モータ３の通電電流を低減し、目標角度到達後にはモータ３の出力を停止してもモータ３側に負荷がかからないので、モータ３及びモータ駆動素子４２の発熱を抑制することができる。

図２は、位置制御装置（ノズル角度可変システム）１００における位置検出装置５の検出原理を説明するための図であり、図１に示されているように、モータ３の出力軸には、円盤型の磁石プレート５Ａ、５Ｂが取り付けられており、磁石プレート５Ａ、５Ｂには、回転角２４度毎に磁石が埋め込まれている。図２に示すように、位置検出回路４４Ａ、４４Ｂへの入力磁束の波形は、２４度毎の周期性を持った波形となる。また、磁石プレート５Ａ、５Ｂには、相対的に１２度ずらした角度で磁石が埋め込まれているので、位置検出回路４４Ａに対して４分の１周期遅れて入力磁束の波形５ｂが位置検出回路４４Ｂへ出力される。

そして、モータ３の回転に伴い、磁石プレート５Ａ、５Ｂが回転すると、可変ノズル制御装置４内の位置検出回路４４Ａ、４４Ｂに入力される磁束５ａ、５ｂが変化する。位置検出回路４４Ａ、４４Ｂは、磁束の変化に応じた電気信号４４ａ、４４ｂを演算装置４１に出力し、該演算装置４１はこの電気信号４４ａ、４４ｂを処理し、モータ３の回転角度を算出して、可変ノズル１ａの角度を算出する。ここでは、演算装置４１は、電気信号４４ａ、４４ｂの立ち上がりと、立下りと、を検出するので、結果として、モータ回転角の検出分解能は６度となる。

ここで、本実施形態に係る位置制御装置の制御の概念を説明する。図３は、本実施形態の位置制御装置１００の発熱を抑制する手段を有する可変ノズル制御装置４の概念図である。

ここで、図３を説明する前に、制御特性と機器の発熱の関係を説明する。
まず、本実施形態において、モータ３及び可変ノズル制御装置４は、ターボチャージャ１の近傍に配置されているので、熱的に厳しい環境下にあり、モータ３及び可変ノズル制御装置４の周囲温度は最大１２５℃となる。可変ノズル制御装置４内の演算装置４１、モータ駆動素子４２、ＣＡＮドライバ４５、電源回路４６、及びモータ３は、自己発熱も含め保証温度が１５０℃以下であるので、前記全素子の温度が、自己発熱も含めて１５０℃以下となるようにしなければならない。このことから、検出温度が１２５℃である場合には、各素子の自己発熱による温度上昇が２５℃以下でなければならない。

ここで、このような過酷な温度条件下で、自己発熱による温度上昇を抑制するために、本実施形態における位置制御装置１００は、モータ３を制御する制御パラメータに関して以下の３点を考慮している。

まず、第一に、ＰＩＤ制御においては、そのゲインの選定、特に比例ゲインＫ_P−微分ゲインＫ_Dによって、応答性及び発熱が左右され、概して各項のゲインが小さいほど、応答性は遅くなるが、発熱を小さくすることができる。

第二に、本実施形態の位置制御装置１００のように、モータ駆動を停止しても制御対象物が移動しないシステムでは、位置偏差の不感帯（偏差がその値以下である場合にモータ駆動を停止する閾値）を大きくすると、位置精度は悪くなるが、動作頻度が小さくなって発熱を小さくすることができる。

第三に、角度分解能を荒くし、目標角度を２の倍数・３の倍数・・・・・・などに丸め込んで制御を行うと、位置精度は悪くなるが、動作頻度が小さくなって発熱を小さくすることができる。

このような、モータ３を制御する制御パラメータの変化による位置制御精度、制御応答性、及び発熱特性を考慮して、高温時における、該制御パラメータ（ＰＩＤ制御のゲイン及び不感帯）の大きさを変更している。

まず、図３において、本実施形態の位置制御装置１００は、外部制御装置６からの信号６ａである目標角度θ_C、及び位置検出装置５から現在角度θが与えられると、目標角度θ_Cと現在角度θとの偏差Δθを求める。そして、後述する図７の検出温度の変化に伴って設定してあるマップなどを用いて不感帯（該偏差の閾値）を設定し、偏差Δθと不感帯を比較し、偏差Δθが設定した不感帯以上であるならば、ＰＩＤ制御を行い、偏差Δθが不感帯以下であるならば、現在角度θが目標値に到達しているので、制御は行なわずに、モータ３を非駆動にする。

そして、ＰＩＤ制御を実施する場合、偏差Δθが、不感帯以上であり、下記の式（１）及び式（２）により、偏差Δθ及びその積分値・微分値に対して、後述する図５の温度変化に伴い設定してあるゲインＫ_P、Ｋ_I、Ｋ_Dのマップを用いて、これら係数をかけあわせて、モータ駆動デューティーＤ及び回転方向を求める。

Ｄ＝Ｋ_p・Δθ＋Ｋ_I・∫（Δθ）ｄｔ＋Ｋ_D・ｄ（Δθ）／ｄｔ …（１）
Δθ＝θ_C−θ …（２）

ここで、これらのパラメータは、Ｄ：モータ駆動デューティー, Δθ：偏差, θ_C：目標角度, θ：現在角度, Ｋ_P：比例項ゲイン, Ｋ_I：積分項ゲイン ,Ｋ_D：微分項ゲインを表わしており、上式（１）、（２）により求めたモータ駆動デューティーＤが、正数である場合にはモータ３を正転、負数である場合にはモータ３を反転する方向に駆動する。また、モータ駆動デューティーＤの絶対値をＰＷＭ駆動のデューティー値として用いてモータ３を駆動する。

これにより、モータ３の回転位置及び可変ノズル１ａの角度が変化すると、可変ノズル制御装置４は、変化した可変ノズル１ａの角度に対して、さらに、偏差Δθ及びモータ駆動デューティーＤ・回転方向を求めるべく制御が行われ、該制御を繰り返す。そして、偏差Δθが不感帯以内に到達した時点で、モータ３の駆動を停止する。よって、本システムにおける動作可能範囲は４００分解能分（モータ３の回転角度２４００度）であるから、ちなみに、不感帯を２分解能（２ｐｕｌｓｅ）とすると、全動作範囲に対する角度精度は±０．５％である。また、その精度は、本システムのギア比（約１：５３）を考慮すると、可変ノズル１ａの角度では±０．２２６度となる。

このように、温度変化に伴って制御パラメータを設定することにより、所望する制御精度を保ちつつ、通電による発熱を最大限に抑制するように設定することが可能となる。

図４は、図１の位置制御装置１００の制御ブロック図である。図３に示した概念に基づいて、本実施形態の位置制御装置１００のモータ制御手段（演算装置）４１を説明する。図４に示すように、モータ制御手段４１は、ゲイン設定手段４１１、閾値設定手段４１２、偏差算出手段４１３、判定手段４１４、及びＰＩＤ制御手段４１５を備えている。

まず、偏差算出手段４１３は、図示していない位置検出回路４４Ａ、４４Ｂを介して位置検出手段（位置検出装置）５によって得られたモータ３の現在角度θと、図示していないＣＡＮドライバ４５を介して目標位置設定手段（外部検出装置）６から得られた目標角度θ_Cと、の偏差Δθを算出し、偏差信号として判定手段４１４へ出力する。

一方、温度検出手段（温度検出回路）４３は、位置制御装置１００内の温度を測定し、その温度信号をゲイン設定手段４１１と閾値設定手段４１２へ出力する。ゲイン設定手段４１１は、該温度信号に基づいて、後述する図５のマップなどを用いて、制御ゲインを設定し、該制御ゲインをＰＩＤ制御手段４１５へ出力する。また、閾値設定手段４１２は、温度信号に基づいて、後述する図７のマップなどを用いて、モータ３が起動及び停止するための不感帯を設定し、該不感帯を、判定手段４１４へ出力する。

そして、判定手段４１４は、閾値設定手段４１２で求めた不感帯と偏差算出手段４１３で求めた偏差Δθとを比較して、モータ３を制御し駆動すべきであるかを判定する。すなわち、判定手段４１４は、可変ノズル１ａが、現在角度が所望する角度に到達しているかの判定を行い、モータ３を駆動すべきかどうかを判定している。そして、偏差Δθが大きいときは、判定手段４１４は、モータ３を駆動すべき信号をＰＩＤ制御手段へ出力する。ＰＩＤ制御手段４１５は、ゲイン設定手段４１１で設定したＰＩＤ制御の制御ゲインを用いて、偏差Δθが小さくなるように、モータ駆動デューティーＤを算出する。そして、このモータ駆動デューティーＤに基づいて、モータ駆動手段（モータ駆動素子）４２は、モータ３を駆動させる。また、判定手段４１４が、モータ３を駆動すべきでないと判定したときは、判定手段４１４は、停止信号をモータ駆動手段４２へ出力し、モータ駆動手段４２は、モータ３を非駆動させる。

このように、機器の発熱温度に合わせて制御ゲイン、不感帯などを設定し、モータ３などに通電する電流を最小減に抑え発熱を抑制している。

図５は、図４の温度設定手段の検出温度毎にＰＩＤ制御のゲインを設定したゲインマップを示している。温度上昇による素子の破壊の虞がない温度条件でのパラメータ（ＰＩＤゲイン）は、基本パラメータを用いている。この基本パラメータは、モータ３の性能を最大限有効に生かし、位置制御の応答性及び精度が最良となるように設定することが可能である。検出温度１００℃以下では、基本パラメータを使用領域とし、比例項ゲインＫ_P＝０．８、積分項ゲインＫ_I＝２００、微分項ゲインＫ_D＝５０に設定している。また、１００℃以上（高温時）では、以下に示すように、各温度毎に適切に低減されたゲインを設定している。

まず、高温時の温度変化に伴う比例ゲインＫ_Pの設定内容を説明する。モータ駆動素子４２の温度保証範囲は１５０℃までであることから、検出温度１５０℃時にＫ_Pが０となるように設定し、１００℃から１５０℃までの範囲で比例ゲインＫ_Pを直線的に変更している。

次に、温度変化に伴う微分ゲインＫ_Dの設定内容を説明する。微分ゲインＫ_Dは、モータ３の回転速度増大時にブレーキをかける項であり、比例ゲインＫ_Pを小さくしたにもかかわらず微分ゲインＫ_Dを変化させないと、相対的にブレーキ力が強くなりすぎ、位置制御の応答性を著しく悪化させる。さらに、ブレーキをかけたときは、モータ３が回転していることにより発生する誘導起電力と、モータ駆動素子４２が発生するモータ駆動電圧との方向が一致するため、通常時より大きい電流が発生する。よって、微分ゲインＫ_Dは、図５に示す如く比例ゲインＫ_Pの低減に従い、微分ゲインＫ_Dも小さく設定している。

さらに、積分ゲインＫ_Iは、以下に示す内容に基づいて設定されている。本実施形態では、比例ゲインＫ_P及び微分ゲインＫ_Dの低減時に、積分ゲインＫ_Iの変更をせずとも、位置制御の安定性が失われなかったことと、外力による定常偏差発生時のモータ駆動デューティーＤの上昇時間の問題と、から、Ｋ_Iは検出温度に関係なく、基本パラメータを用いることとした。すなわち、位置制御の応答性及び安定性が悪化する場合には、積分ゲインＫ_Iも調整することは必要であるが、積分ゲインＫ_Iを小さくすると外力による定常偏差発生時にモータ駆動デューティーＤが上昇していくまでの時間が長くなる。また、積分ゲインＫ_I＝０とすると、定常偏差を打ち消すことができないことから、比例項による電流が出力され続け、結果として過熱を促進させてしまうことがあるので注意が必要である。

図６は、図５に示す温度変化に伴ってＰＩＤ制御のゲイン設定した場合の制御応答性及び通電される電流量を示した図である。ここでは、高温時における比例ゲインＫ_P、微分ゲインＫ_Dを大きく設定した場合と、小さく設定した場合と、の位置制御の制御応答性及びモータ３の出力電流変化を示している。図６に示すように、比例ゲインＫ_Pを小さくした場合には、モータ３の回転加速時の出力電流が小さくなる。回転加速時のトルクは、モータ３の出力電流に比例して減少するので、位置制御の応答性は遅くなっている。しかし、モータ駆動素子４２の発熱は、モータ３の出力電流の２乗にほぼ比例するから、高温時に、比例ゲインＫ_Pを小さくすることによって、モータ駆動素子４２の発熱を抑制することができる。

さらに、微分ゲインＫ_Dを小さくし、ブレーキ力を低減させると、ピーク電流を低減することができる。このため、モータ３の回転減速時のトルクは、モータ３の出力電流に比例して減少するので、モータ３の回転減速時の速度変化が緩やかになる。また、モータ駆動素子４２の発熱は、モータ３の出力電流の２乗にほぼ比例するから、高温時に、比例ゲインＫ_Dを小さくすることによって、モータ駆動素子４２の発熱を抑制することができる。

以上のように、Ｋ_P、Ｋ_Dを低減し、出力電流を抑制して過熱を防止するが、ＰＩＤ制御においては積分項の存在により、ピーク出力が制限されることはない。すなわち、積分ゲインＫ_Iの値により、ピーク出力に到達するまでの時間は変化するが、Ｋ_I＝０でない限り、時間をおけば必ずピーク出力に到達する。したがって、温度によって変化する係数を出力に直接かけあわせる場合とは異なり、トルク不足になることはない。

図７は、図４の温度設定手段の検出温度毎に不感帯を設定した不感帯マップを示している。可変ノズル制御装置４では、検出温度１００℃以下を基本パラメータ使用領域とし、不感帯＝２分解能に設定している。モータ駆動素子４２の温度保証範囲は１５０℃までであることから、検出温度が１００℃を越える高温時から１５０℃までの範囲では、不感帯を直線的に変更させ、検出温度１５０℃時に不感帯の値が最も大きくなるように設定している。そして、このときの不感帯は、最低限満足したい位置精度として、全ストローク範囲に対して±２５％を満たすように設定した。すなわち、本実施形態の位置制御装置において、可変ノズル１ａの動作可能範囲は、演算装置４１の検出値で４００分解能分（モータ３の回転角度２４００度）であるから、検出温度１５０℃時の不感帯は前記２５％となる１００分解能分（モータ３の回転角度６００度）とした。

図８は、図７に示す温度変化に伴って不感帯を設定した場合の制御応答性とそのときに通電される電流の変化を示した図である。ここでは、高温時において不感帯を大きく設定した場合及び小さく設定した場合の位置制御の制御応答性及びモータ３の出力電流変化を示している。図８に示すように、可変ノズル制御装置４は、目標角度に到達した後は、目標角度が不感帯の幅以上に変化しない限りモータは停止したままであり、不感帯を大きくすると、位置制御の精度は低下するが、動作頻度を低減させることができる。よって、通電電流がピークとなるのは、静止摩擦力に打ち勝って動作を開始する動き始めのときであるので、動作頻度を低減することによって、発熱を抑制して過熱を防止することができる。

このように、各制御パラメータ（ＰＩＤゲイン及び不感帯）の設定は、図５、図７に示すようなマップデータで表わし、該マップデータを演算装置４１内に格納しておき、温度検出回路４３からの検出温度に対応したパラメータ（ＰＩＤゲイン及び不感帯）を用いて制御を行なっている。マップを設ける利点としては、同じ高温域であっても、温度によって許容できる発熱が異なるため、効率的な発熱抑制を行うためには有効である。例えば１４０℃のときよりも１３０℃のときの方が制御性能を優先したパラメータ（ＰＩＤゲイン及び不感帯）の設定をすることが可能であり、１３０℃のときよりも１２０℃のときの方が制御性能を優先したパラメータ（ＰＩＤゲイン及び不感帯）の設定をすることが可能であるからである。よって、ある温度を閾値としてパラメータ（ＰＩＤゲイン又は不感帯）を非連続的に切り替える場合と比較して、各温度条件に対して、必要最小限の性能低下で効率良く過熱を防止することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の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本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

本実施形態においては、不感帯を設けることによって、モータの起動停止を行ったが、過熱による素子の破壊の虞があるような非常に大きいレベルにまで温度上昇したときは、所定温度を設けて、検出温度が所定温度を上回る条件において、位置制御自体を停止してもよい。これは、雰囲気温度が高いときなど、制御状態に関わらず、素子の温度が上昇してしまう場合には特に有効である。そして、同様に、温度があるレベル以下に低下した（検出温度が所定温度を下回った）ときは、再び制御を開始する。また、位置制御を停止するレベルと、再び位置制御開始するレベルにある程度のヒステリシスを持たせることにより、モータの起動・停止が断続的に繰り返されることを防止することができる。

また、本実施形態においては、温度検出素子の検出温度に基づいて、ＰＩＤゲイン及び不感帯を変更したが、どちらか一方を変更してもよく、先に記載したと同様の効果が得らえれることは明らかである。また、本実施形態では、温度検出素子の検出温度に基づいて、ＰＩＤ制御の比例ゲインと微分ゲインを変更したが、比例ゲイン-積分ゲイン-微分ゲインのうち、任意のゲインを選定して、ゲインを変更してもよい。

また、ＰＩＤゲインの変更及び不感帯の変更に限定されず、温度検出素子の出力に基づき、所望する位置制御が確保でき、モータ等の発熱抑制が可能であれば、ここに用いられた制御パラメータ以外のパラメータを変更してもよい。

また、本実施形態における不感帯もしくは角度分解能の変更による発熱の抑制は、ウォームギアを用いているシステムのみならず、送りねじ式ギアなどの入出力のトルク伝達効率の異なるギアを使用している場合や、外力が小さい場合など、外力によってモータが回転させられることがないシステム全般において有効である。

また、温度検出素子の位置はモータ駆動素子直近に限定されるものではなく、その他の発熱素子や雰囲気温度を測定するものとして設置してもよい。

また、外部制御装置（目標位置設定手段）は、目標角度を設定し出力するものであるとしたが、検出温度、モータの制御状態が入力されてもよく、このような受信するための機能を持った装置を別に設けてもよい。

この他にも、検出温度が上昇したときに、最低限の位置精度の確保が可能な範囲で角度分解能を荒くし、目標角度を２の倍数・３の倍数・・・・・・などに丸め込んで制御してもよく、この場合は、位置偏差の不感帯を大きくした場合と同様に、動作頻度が小さくなって発熱を抑制することができることは当業者には、容易に想定できるであろう。

本発明の一実施形態の位置制御装置を備えたターボチャージャ内ノズル角度可変システムの全体の構成の概略図。 図１の位置制御装置における位置検出手段の検出原理を説明するための図。 図１の位置制御装置の制御を説明するための制御概念図。 図１の位置制御装置の制御ブロック図。 図４の温度設定手段の検出温度毎にＰＩＤ制御のゲインを設定したゲインマップ。 図５に示す温度変化に伴ってＰＩＤ制御のゲイン設定した場合の制御応答性及び通電される電流量を示した図。 図４の温度設定手段の検出温度毎に不感帯を設定した不感帯マップ。 図７に示す温度変化に伴って不感帯を設定した場合の制御応答性とそのときに通電される電流の変化を示した図。 従来のＰＩＤ制御を用いた位置制御装置の制御概念図。

符号の説明

１ ノズルターボチャージャ
１ａ 可変ノズル
１ｂ タービン
２ 動力伝達機構
３ モータ
４ 可変ノズル制御装置
５ 位置検出装置（位置検出手段）
６ 外部制御装置（目標位置設定手段）
４１ 演算装置（モータ制御手段）
４３ 温度検出回路（温度検出手段）
１００ ノズル角度可変システム（位置制御装置）
４１１ ゲイン設定手段
４１２ 閾値設定手段

Claims (9)

1. 制御対象物の位置をモータの駆動により制御する位置制御装置であって、
   該位置制御装置は、前記制御対象物の位置を検出する位置検出手段と、前記制御対象物の目標位置を設定する目標位置設定手段と、前記検出位置と目標位置との偏差に基づいて該モータを制御するモータ制御手段と、前記位置制御装置の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
   前記モータ制御手段は、前記偏差と前記検出温度に基づいて前記モータを制御することを特徴とする位置制御装置。
2. 前記モータ制御手段は、前記検出温度に基づいて制御ゲインを設定するゲイン設定手段を備え、前記偏差と前記制御ゲインに基づいて、前記モータの制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の位置制御装置。
3. 前記モータ制御手段は、前記検出温度に基づいて前記モータの駆動及び非駆動を判定するための前記偏差の閾値を設定する閾値設定手段を備え、該閾値と前記偏差に基づいて、前記モータを起動及び停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置制御装置。
4. 前記モータ制御手段は、前記検出温度に基づいて、前記位置検出手段の検出分解能を変更することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の位置制御装置。
5. 前記検出温度が所定の温度以上になると前記モータを停止させることを特徴とする請求項１に記載の位置制御装置。
6. 前記検出温度が所定の温度以下になると前記モータを起動させることを特徴とする請求項５に記載の位置制御装置。
7. 前記モータを起動及び停止するための前記所定温度が異なることを特徴とする請求項６に記載の位置制御装置。
8. 外部制御装置に接続され、前記検出温度、及び前記モータの制御状態を前記外部制御装置に伝達することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の位置制御装置。
9. 前記請求項１から８のいずれか一項に記載の位置制御装置の制御対象物は、タービンに吹き付けられる排気ガスの流速の調整をする可変ノズルであることを特徴とするターボチャージャ内ノズル角度可変システム。

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