JP2005320943A - ベルトのスリップ防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷が周期的に変動する被駆動機器をモータによりベルトで駆動する際に、ベルトのスリップを確実に検知して抑制する。
【解決手段】 エンジンを始動すべくスタータモータでベルトを介してクランクシャフトをクランキングする際に、エンジンから周期的な負荷を受けるスタータモータの回転数がクランクアングル１８０°を一周期として変化する。従って、このモータ回転数の一周期の変化パターンを予測するとともに、モータ回転数センサで実際のモータ回転数を検知し、両者を比較した差あるいは比が所定の閾値を超えたときにベルトのスリップを検知し、このスリップを抑制すべくスタータモータのトルクを低減する。これにより、周期的に負荷が変動するエンジンをスタータモータでクランキングする際に、ベルトに発生するスリップを的確に検知して抑制することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、モータに設けた駆動プーリと負荷が周期的に変動する被駆動機器に設けた従動プーリとに巻き掛けたベルトのスリップを防止するためのベルトのスリップ防止方法に関する。

エンジンのクランクシャフトの回転をベルトを介してコンプレッサの駆動軸に伝達する際に、クランクシャフトの回転数およびコンプレッサの駆動軸の回転数を検知し、両回転数の差あるいは比が所定の判定基準値を越えた場合にベルトがスリップしたことを判定するとともに、クランクシャフトの角加速度に応じて前記判定基準値を変更するものが、下記特許文献１により公知である。
実公平５−５４９９号公報

ところで、スタータモータでエンジンをクランキングして始動するような場合に、エンジンの回転負荷が周期的に変化するためにスタータモータの回転数も周期的に変化することになる。このような場合に、上記特許文献１のものの如く、スタータモータの回転数およびエンジン回転数の差あるいは比が所定の判定基準値を越えた場合にベルトのスリップを判定しようとしても、モータ回転数センサおよびエンジン回転数センサの特性のばらつき等により両センサの出力の位相が僅かにずれただけで大きな回転数差あるいは回転数比が検知されてしまい、これがベルトのスリップの誤判定が発生する原因となる可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、負荷が周期的に変動する被駆動機器をモータによりベルトで駆動する際に、ベルトのスリップを確実に検知して抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、モータに設けた駆動プーリと負荷が周期的に変動する被駆動機器に設けた従動プーリとに巻き掛けたベルトのスリップを防止するためのベルトのスリップ防止方法において、被駆動機器から周期的な負荷を受けるモータの回転数の一周期の変化パターンを予測する第１工程と、モータの実際の回転数を検知する第２工程と、前記予測した回転数の変化パターンと検知した回転数とを比較し、両者の差あるいは比が所定の閾値を越えた場合にベルトのスリップを検知する第３工程と、ベルトのスリップが検知されたときにモータのトルクを低減してスリップを防止する第４工程とを備えたことを特徴とするベルトのスリップ防止方法が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第４工程において、ベルトのスリップが解消するまで、あるいは前記一周期が終わるまで、モータのトルク指令値を所定時間間隔で段階的に低減することを特徴とするベルトのスリップ防止方法が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記第４工程において、ベルトのスリップが解消した後に、モータの応答遅れのためにトルク低減指令よりも遅れて発生する余剰なトルク低減をキャンセルすることを特徴とするベルトのスリップ防止方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第４工程において、ベルトのスリップが解消した後に、低減したトルクに基づいて予測した新たな回転数の変化パターンと実際の回転数とを比較してベルトのスリップを再度検知する第５工程を備えたことを特徴とするベルトのスリップ防止方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項４の構成に加えて、前記第５工程において、ベルトのスリップが検知されないとき、前記一周期が終わるまで、モータのトルク指令値を所定時間間隔で段階的に増加させることを特徴とするベルトのスリップ防止方法が提案される。

尚、実施例のスタータモータ１５は本発明のモータに対応し、実施例のスタータモータプーリ２５は本発明の駆動プーリに対応し、実施例のクランクプーリ１９は本発明の従動プーリに対応し、実施例のエンジンＥは本発明の被駆動機器に対応する。

請求項１の構成によれば、被駆動機器から周期的な負荷を受けるモータの回転数の一周期の変化パターンを予測するとともにモータの実際の回転数を検知し、両者を比較した差あるいは比が所定の閾値を越えた場合にベルトのスリップを検知し、ベルトのスリップが検知されたときにモータのトルクを低減するので、周期的に負荷が変動する被駆動機器をモータで駆動する際にベルトに発生するスリップを的確に検知して抑制することができる。

請求項２の構成によれば、第４工程でベルトのスリップが解消するまで、あるいはモータの回転数変化の一周期が終わるまで、モータのトルク指令値を所定時間間隔で段階的に低減するので、必要以上のトルク低減が行われるのを防止してベルトのスリップが被駆動機器の駆動に及ぼす影響を最小限に抑えることができる。

請求項３の構成によれば、第４工程でベルトのスリップが解消した後に、モータの応答遅れのためにトルク低減指令よりも遅れて発生する余剰なトルク低減をキャンセルするので、ベルトのスリップが解消したにも関わらずに不必要なトルク低減が行われるのを防止し、トルク低減の影響を最小限に抑えて被駆動機器を効果的に駆動することができる。

請求項４の構成によれば、第４工程でベルトのスリップが解消した後に、それに続く第５工程で、低減したトルクに基づいて予測した新たな回転数の変化パターンと実際の回転数とを比較してベルトのスリップを再度検知するので、一旦解消したスリップがモータの回転数変化の一周期が終わるまでに再発する場合にも対応することができる。

請求項５の構成によれば、第５工程でベルトのスリップが検知されないと、モータの回転数変化の一周期が終わるまでモータのトルク指令値を所定時間間隔で段階的に増加させるので、トルク低減によりスリップが一旦解消した後にベルトのスリップが再発しない範囲でモータのトルクを増加させ、トルク低減の影響を最小限に抑えて被駆動機器を効果的に駆動することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図１０は本発明の一実施例を示すもので、図１は自動車のエンジンの正面図、図２はエンジンの主位相角および副位相角の説明図、図３はエンジンをクランキングする際に発生する負荷変動の説明図、図４は回転数の予測値を求める手法の説明図、図５はベルトのスリップを検知する手法の説明図、図６はスリップ検知プロセスのフローチャート、図７はトルク指令値をゼロにした場合の実際のトルク低減率を示すグラフ、図８はトルク低減制御を３回行った場合の実際のトルク低減率を示すグラフ、図９はトルク指令値を変更する手法の説明図、図１０はトルク制御プロセスのフローチャートである。

図１に示すように、自動車の直列４気筒エンジンＥはエンジンブロック１１の側面に取り付けた補機ブラケット１２を備えており、補機ブラケット１２に空調用コンプレッサ１３、ウオータポンプ１４およびスタータモータ１５が支持される。またエンジンブロック１１の側面に取り付けたテンショナブラケット１６にオートテンショナ１７が支持される。エンジンＥのクランクシャフト１８に設けたクランクプーリ１９と、空調用コンプレッサ１３の回転軸２０に設けた空調用コンプレッサプーリ２１と、ウオータポンプ１４の回転軸２２に設けたウオータポンププーリ２３と、スタータモータ１５の回転軸２４に設けたスタータモータプーリ２５と、エンジンブロック１１に設けたアイドラプーリ２６と、オートテンショナ１７に設けたテンショナプーリ２７とにベルト２８が巻き掛けられる。クランクプーリ１９、空調用コンプレッサプーリ２１、ウオータポンププーリ２３、スタータモータプーリ２５、アイドラプーリ２６およびテンショナプーリ２７の回転方向は矢印で示される。

オートテンショナ１７は伸縮自在なテンショナ本体２９を備えており、その上端が支点ピン３０を介してテンショナブラケット１６に枢支される。テンショナブラケット１６には支点ピン３１を介して揺動アーム３２の中間部が枢支されており、揺動アーム３２の一端が支点ピン３３を介してテンショナ本体２９の下端に枢支され、揺動アーム３２の他端に回転軸３４を介して前記テンショナプーリ２７が枢支される。

エンジンＥを始動するイグニッションスイッチ３５と、スタータモータ１５のモータ回転数を検知するモータ回転数センサ３６Ａと、エンジンＥの上死点（ＴＤＣ）を検知する主位相角センサ３６Ｂと、クランクアングルを検知する副位相角センサ３６Ｃとが接続された電子制御ユニットＵは、モータコントローラ３７およびインバータ３８を介してスタータモータ１５の作動を制御する。

図２に示すように、エンジンＥのクランクシャフト１８が２回転する１サイクイルの間に、♯１〜♯４シリンダが、♯１→♯３→♯４→♯２の順番でクランクアングル１８０°毎に交互に上死点を迎えるため、主位相角センサ３６Ｂは１８０°毎に主位相角信号を出力する。また副位相角センサ３６Ｃはクランクアングル３０°毎に副位相角信号を出力する。

エンジンＥを始動すべくイグニッションスイッチ３５をオンすると、スタータモータ１５が作動してスタータモータプーリ２５、ベルト２８およびクランクプーリ１９を介してクランクシャフト１８をクランキングする。このとき、クランキングされたエンジンＥの負荷が周期的に変動することで、モータ回転数センサ３６Ａで検知されるスタータモータ１５の回転数が周期的に変動する。以下のその理由を図３に基づいて説明する。

♯２シリンダが上死点に達してから♯１シリンダが上死点に達するまでのクランクアングル１８０°の期間Ｔ１には、♯１シリンダが圧縮行程にあって♯２シリンダが膨張行程にある。♯１シリンダが上死点に達してから♯３シリンダが上死点に達するまでのクランクアングル１８０°の期間Ｔ２には、♯３シリンダが圧縮行程にあって♯１シリンダが膨張行程にある。♯３シリンダが上死点に達してから♯４シリンダが上死点に達するまでのクランクアングル１８０°の期間Ｔ３には、♯４シリンダが圧縮行程にあって♯３シリンダが膨張行程にある。♯４シリンダが上死点に達してから♯２シリンダが上死点に達するまでのクランクアングル１８０°の期間Ｔ４には、♯２シリンダが圧縮行程にあって♯４シリンダが膨張行程にある。

期間Ｔ１で、圧縮行程にある♯１シリンダの正の負荷（スタータモータ１５の回転に抵抗する負荷）が次第に増加し、膨張行程にある♯２シリンダの負の負荷（スタータモータ１５の回転を付勢する負荷）が次第に減少するため、トータルの負荷は負値から正値へ増加する。その結果、負荷が負値である期間Ｔ１の前半ではスタータモータ１５の回転数が増加し、負荷が正値である期間Ｔ１の後半ではスタータモータ１５の回転数が減少するため、クランクアングル１８０°の期間Ｔ１を１周期としてスタータモータ１５の回転数が増加→減少する。同様にして、期間Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４でもクランクアングル１８０°を１周期としてスタータモータ１５の回転数が増加→減少し、クランクシャフト１８が２回転する１サイクルの間にスタータモータ１５の回転数が４回増減することになる。

スタータモータ１５がエンジンＥをクランキングする間の回転数変化は、二つの成分を合成したものとなる。即ち、図４に示すように、スタータモータ１５の回転数は、時間の経過に伴って略リニアに増加する成分と、図３で説明したクランクアングル１８０°を周期として増減する成分とを加算したものとなり、そのうち前者の成分はスタータモータ１５のトルクが大きいほど上昇率が高くなり、後者の成分はスタータモータ１５のトルクが小さいほど変動量が大きくなる。従って、スタータモータ１５を起動してからの経過時間と、スタータモータ１５のトルク（デューティ値）とに基づいて、上死点からクランクアングル１８０°の１周期の回転数の変化パターンを予測することができる。

しかして、主位相角センサ３６Ｂが上死点を検知した時に、前記予測した次の１周期のモータ回転数の変化パターンを重ね合わせることで、スタータモータ１５の回転角に対する回転数の変化特性を予測することができる。ここで、横軸のスタータモータ１５の回転角は、クランクアングルをクランクプーリ１９およびスタータモータプーリ２５の直径比を用いて変換したものである。

ベルト２８がスタータモータプーリ２５あるいはクランクプーリ１９に対してスリップすると、その瞬間にスタータモータ１５の回転数が増加する。従って、図５において、上死点から始まる１周期の回転数の変化パターンの予測値と、モータ回転数センサ２６Ａで検知した実際値とを比較し、その差（あるいは比）が閾値以上になったときに、ベルト２８のスリップが発生したことを検知することができる。

次に、上記スリップ検知の作用を、図６のフローチャートに基づいて説明する。

先ず、ステップＳ１でエンジンＥを始動すべくスタータモータ１５を起動し、ステップＳ２で主位相角センサ３６Ｂが主位相角（上死点）を検知すると、ステップＳ３で前記上死点に続くモータ回転数の１周期（クランクアングル１８０°）分の変化パターンを予測する。続くステップＳ４でモータ回転数センサ３６Ａでスタータモータ１５の実回転数を検知し、ステップＳ５で予測回転数に対する実回転数の差が閾値Ａ％（実施例では１０％）以上になるとベルト２８がスリップしたと判断し、ステップＳ８でスリップを抑制すべくスタータモータ１５のトルク制御を実行する。

一方、前記ステップＳ５で回転数の差が閾値Ａ％未満であり、かつステップＳ６でスタータモータ１５の実回転数が１１００ｒｐｍ以下であれば、ステップＳ７で主位相角センサ３６Ｂが主位相角（上死点）を検知するまでステップＳ４〜Ｓ６を繰り返し、またステップＳ７で主位相角センサ３６Ｂが主位相角（上死点）を検知すればステップＳ３〜Ｓ６を繰り返す。そしてステップＳ６でスタータモータ１５の実回転数が１１００ｒｐｍを超えれば、エンジンＥが完爆状態に入って始動が完了したと判断し、ステップＳ９でスリップ検知を終了する。

このように、予測したモータ回転数の一周期の変化パターンと、モータ回転数センサ３６Ａで検知した実モータ回転数とを比較し、両者の差が所定の閾値Ａ％を越えた場合にベルト２８のスリップを検知するので、エンジンＥのように周期的に負荷が変動する被駆動機器をスタータモータ１５で駆動する際にベルト２８に発生するスリップを的確に検知することができる。

次に、図６のフローチャートのステップＳ８のスタータモータ１５のトルク制御の内容を図７〜図１０に基づいて説明する。

エンジンＥの始動時にベルト２８のスリップが発生すると、そのスリップが更に激しくなるのを防止するために、スタータモータ１５のトルクを低減する制御を行う。このとき、トルクの低減量が過剰であるとエンジンＥを充分な速度でクランキングできなくなるため、前記トルクの低減量を必要最小限に抑える必要がある。

図７に示すように、スタータモータ１５を駆動するデューティ比を１００％から０％に減少させたとき、そのトルクは即座に減少せず、スタータモータ１５に固有の時定数に応じてゆっくりと減少する。具体的には、デューティ比を０％にしたときから１０ｍｓｅｃが経過するとトルクは６３．２％減少し、５５ｍｓｅｃが経過するとトルクは１００％減少してゼロになる。このように、スタータモータ１５のデューティ比を減少させてもトルクは即座に減少しないため、この時間遅れを考慮してスタータモータ１５のトルク制御を行う必要がある。

図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ１１でベルト２８の過剰スリップが検知されると、ステップＳ１２でスタータモータ１５のトルク指令値を所定量（実施例では１０％）減少させ、ステップＳ１３で主位相角（上死点）が検知されなければ、ステップＳ１４で１０ｍｓｅｃが経過するのを待つ。そしてステップＳ１５でモータ回転数の加速度が負でなければ、つまりモータ回転数が依然として増加状態にあってスリップが進行していれば、前記ステップＳ１１〜Ｓ１４を繰り返すことで、トルク指令値を１０ｍｓｅｃ毎に１０％ずつ減少させる。その結果、ステップＳ１５でモータ回転数の加速度が負になってスリップが収束に向かえば、ステップＳ１６でスタータモータ１５の応答遅れ分だけトルク指令値を増加方向に補正する。

図８における破線は、トルク指令値を１０ｍｓｅｃ毎に１０％ずつ減少させる制御を３回連続して行った場合の、スタータモータ１５のトータルのトルクの低減特性を示している。トルク低減制御の開始から３０ｍｓｅｃが経過してスリップが解消した場合にも、スタータモータ１５の応答遅れでトルクの低減が更に進むため、３０ｍｓｅｃが経過した後のトルクの低減量の不要な増加分（斜線部参照）をキャンセルすることで、トルクの過剰な低減を防止する。

このように、ベルト２８のスリップが解消するまで（あるいはスタータモータ１５の回転数変化の一周期が終わるまで）スタータモータ１５のトルク指令値を１０ｍｓｅｃ間隔で段階的に低減するので、必要以上のトルク低減が行われるのを防止してベルト２８のスリップがエンジンＥのクランキングに及ぼす影響を最小限に抑えることができる。しかもスタータモータ１５の応答遅れのためにトルク低減指令よりも遅れて発生する余剰なトルク低減をキャンセルするので、ベルト２８のスリップが解消したにも関わらずに不必要なトルク低減が行われるのを防止し、トルク低減の影響を最小限に抑えてエンジンＥを効果的にクランキングすることができる。

続くステップＳ１７で、余剰なトルク低減をキンセルした後に副位相角センサ３６Ｃが最初の副位相角信号（クランクアングル３０°毎に出力される信号）を出力すると、低減後のトルクに基づいてモータ回転数の新たな変化パターンを予測するとともに、その変化パターンを前記最初の副位相角信号にタイミングを合わせて接続する。そしてステップＳ１８で１０ｍｓｅｃが経過したときに、ステップＳ１９で主位相角（上死点）が検知されなければ、ステップＳ２０でスタータモータ１５の実回転数と新たな変化パターンとの差を閾値と比較する。その結果、変化パターンに対する実回転数の差が閾値Ｂ％（実施例では１０％）以上であれば、つまりベルト２８のスリップが依然として大きければ、ステップＳ１２〜Ｓ１９を繰り返す。また変化パターンに対する実回転数の差が閾値Ｃ％（実施例では３％）以下であれば、つまりベルト２８のスリップが充分に小さくなっていれば、ステップＳ２１でトルク指令値を所定量（実施例では１０％）増加させて前記ステップＳ１８に移行する。また変化パターンに対する実回転数の差が閾値Ｂ％および閾値Ｃ％の間にあれば、つまりベルト２８のスリップが中程度であれば、ステップＳ１８，Ｓ１９を繰り返す。

そしてステップＳ１３あるいはステップＳ１９で主位相角（上死点）が検知されると、ステップＳ２２でトルク指令値を１００％に復帰させ、ステップＳ２３で図６のフローチャートのスリップ検知プロセスに移行する。

このように、ベルト２８のスリップが一旦解消した後に、低減したトルクに基づいて予測した新たな回転数の変化パターンと実際の回転数とを比較してベルト２８のスリップを再度検知するので、一旦解消したスリップがモータ回転数変化の一周期が終わるまでに再発する場合にも対応することができる。

またベルト２８のスリップが再検知されないと、モータ回転数変化の一周期が終わるまでスタータモータ１５モータのトルク指令値を１０ｍｓｅｃ間隔で段階的に増加させるので、トルク低減によりスリップが一旦解消した後にベルト２８のスリップが再発しない範囲でスタータモータ１５のトルクを増加させ、トルク低減の影響を最小限に抑えてエンジンＥを効果的にクランキングすることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例では被駆動機器としてエンジンＥを例示したが、本発明はエンジンＥ以外の周期的に負荷変動する任意の被駆動機器を駆動するベルトのスリップ防止に適用することができる。

自動車のエンジンの正面図 エンジンの主位相角および副位相角の説明図 エンジンをクランキングする際に発生する負荷変動の説明図 スタータモータの回転数の予測値を求める手法の説明図 ベルトのスリップを検知する手法の説明図 スリップ検知プロセスのフローチャート トルク指令値をゼロにした場合の実際のトルク低減率を示すグラフ トルク低減制御を３回行った場合の実際のトルク低減率を示すグラフ トルク指令値を変更する手法の説明図 トルク制御プロセスのフローチャート

符号の説明

１５ スタータモータ（モータ）
１９ クランクプーリ（従動プーリ）
２５ スタータモータプーリ（駆動プーリ）
２８ ベルト
Ｅ エンジン（被駆動機器）

Claims (5)

1. モータ（１５）に設けた駆動プーリ（２５）と負荷が周期的に変動する被駆動機器（Ｅ）に設けた従動プーリ（１９）とに巻き掛けたベルト（２８）のスリップを防止するためのベルトのスリップ防止方法において、
   被駆動機器（Ｅ）から周期的な負荷を受けるモータ（１５）の回転数の一周期の変化パターンを予測する第１工程と、
   モータ（１５）の実際の回転数を検知する第２工程と、
   前記予測した回転数の変化パターンと検知した回転数とを比較し、両者の差あるいは比が所定の閾値を越えた場合にベルト（２８）のスリップを検知する第３工程と、
   ベルト（２８）のスリップが検知されたときにモータ（１５）のトルクを低減してスリップを防止する第４工程と、
   を備えたことを特徴とするベルトのスリップ防止方法。
2. 前記第４工程において、ベルト（２８）のスリップが解消するまで、あるいは前記一周期が終わるまで、モータ（１５）のトルク指令値を所定時間間隔で段階的に低減することを特徴とする、請求項１に記載のベルトのスリップ防止方法。
3. 前記第４工程において、ベルト（２８）のスリップが解消した後に、モータ（１５）の応答遅れのためにトルク低減指令よりも遅れて発生する余剰なトルク低減をキャンセルすることを特徴とする、請求項２に記載のベルトのスリップ防止方法。
4. 前記第４工程において、ベルト（２８）のスリップが解消した後に、低減したトルクに基づいて予測した新たな回転数の変化パターンと実際の回転数とを比較してベルト（２８）のスリップを再度検知する第５工程を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のベルトのスリップ防止方法。
5. 前記第５工程において、ベルト（２８）のスリップが検知されないとき、前記一周期が終わるまで、モータ（１５）のトルク指令値を所定時間間隔で段階的に増加させることを特徴とする、請求項４に記載のベルトのスリップ防止方法。
   

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