JP2006220100A - モータ位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】
モータ位置制御装置においてイニシャライズ時の機械的な遊び分を補正する。
１．検出した全閉位置および全開位置に対し機械的な遊び分の補正を行い、通常制御に用
いる。
２．全閉全開ストッパ位置への押し付けを終了した後に一定時間のアイドルを設け、弾性
により戻される位置変化をキャンセルさせる。
【効果】
機械的遊び分を補正することにより、当該遊び分の範囲内で発生する、無駄なモータ動作によるモータドライバを含む制御回路の発熱を防止させ、環境温度に対する温度余裕を持たせる。
【選択図】図１

Description

本発明は直流モータを機構部分を用いて制御対象を目標位置に制御する方法に関し、ターボチャージャの吸入空気導入路の通路を開閉させ、ターボチャージャの加給圧を装置のモータの位置検出をエンコーダを用いて行う場合の全閉および全開ストッパ位置学習方法に関する。

従来技術としては特許文献１に記載されているようにモータの出力軸上に設けた２相インクリメンタル方式のエンコーダを用いてモータ位置を制御するものがあり、絶対位置を把握するために制御にあたり全閉ストッパ位置と全開ストッパ位置の学習を行っている。

特開２００２−３５３１８４号公報

上記従来技術では全閉および全開ストッパ位置に押し付けた時の遊びがある場合
１．モータの出力軸の位置で制御しているため、モータ出力軸からアクチュエータ出力軸
間に機械的な遊びがある場合、この遊びの分を含めて制御することになり、制御上の動
作領域が見かけ上広くなり、誤差となってしまうことになる。
２．上記の機械的な遊びは機械的なひずみや機械的な弾性分も含んでおりこの遊びの分ま
で押した後に、上記弾性分で制御上の不感帯を超える程、戻された場合、モータの位置
を収束させる動作となるため、不感帯への収束動作と弾性による不感帯外への動作を繰
り返す事が起こりえる。
すなわち、初期全開および全開ストッパ位置学習終了後通常制御を行う際に制御目標
が全閉ストッパ位置あるいは全開ストッパ位置の状態が継続すると上記の収束，発散動 作を繰り返し制御回路の発熱，駆動モータの発熱を助長することになり、動作環境温度 が高いターボチャージャ直近の場合動作許容温度に対する余裕がなくなり、好ましくな いことになる。

この対策として本実施例のように、全閉全開ストッパ位置の学習時に
１．検出した全閉位置および全開位置に対し機械的な遊び分の補正を行い、通常制御に用
いる。
２．全閉全開ストッパ位置への押し付けを終了した後に一定時間のアイドルを設け、弾性
により戻される位置変化をキャンセルさせる。
ことにより、全閉−全開間のモータ動作領域を精度よく制御することができ全閉全開ストッパ位置へ動作しようとして収束，発散を繰り返す動作を防止し制御回路の余分な発熱を防止できる。

本発明によりモータを用いた位置制御装置の機械的な遊び分による動作基準位置のずれを補正でき、その結果機械的遊び分の範囲内でのモータの無駄な動作を防止でき、モータドライバを含む制御回路が余分に発熱するのを防止できるという効果がある。

図１は本発明の一実施例の構成を示すものである。

モータの出力軸に設けられたギヤ２ａ−ピニオンギヤ２ｂ−ホィールギヤ２ｃ−ロッド２ｄ−可動リンク２ｅを介してターボチャージャ内の翼角度を押しこんだり引いたりすることにより、ターボチャージャ１内の可変翼１−ａの角度が変わる、この可変翼の角度が変化することによりターボチャージャ内吸入空気導入路の断面積が変化し、ターボチャージャの加給圧を変化させるものである。

モータの出力軸２−ｅにはギヤ２−ａの他にモータの回転位置検出用のロータリーエンコーダ３が設けられている。

本実施例ではインクリメンタルエンコーダを２個用いている。

エンコーダ３には回転位置を信号に変換するためのホール素子４を設け、エンコーダの回転位置を信号に変換して制御装置５へ入力する。

図３には前述したエンコーダからの信号波形を示す。

ΦＡ信号とΦＢ信号は位相が９０度ずれており、例えばΦＡの立ち上り又は立ち下がり時のΦＢの信号のレベルを見る事によりモータの回転方向がわかり、信号のパルス数を計数する事により、モータの回転位置を検出することが可能である。

一方、他の制御装置６から制御装置５へターボチャージャモータ回転位置（ターボチャージャ内回転翼角度）の制御目標位置信号６ａが入力され制御装置５は制御目標位置信号６ａとモータの回転位置が等しくなるようにモータ２を駆動するための信号５ａを出力し、制御目標位置信号６ａに従ってモータ２の回転位置を制御するシステムである。

本実施例では制御装置５と他の制御装置６を分離しているが、両者を統合したものでも同一の機能を有する事ができる。

またモータの回転位置検出用にはモータの回転軸にロータリエンコーダ３を取り付けているが、代案としてギヤ７の回転軸にポテンショメータを取付けギヤ２ｃの回転角度を直接測定してターボチャージャ内回転翼角度を制御目標位置信号の通りに制御する事もできる。またポテンショメータの代りにアブソリュートタイプのエンコーダを用いたり、３個以上のエンコーダを用いたり、本実施例の２個のインクメンタリタイプのエンコーダに加え、アクチュエータの出力軸が特定の角度に位置する事がわかる接点スイッチを付け加えてモータの位置検出を行う事も可能である。

図２は本実施例の制御装置５の内部ブロック図を示す。

ＣＰＵ９（Central Processing Unit），Ｉ／Ｏ８（Input／Output），Ａ／Ｄ１４
（Analog to Digital converter）,ＲＡＭ１５（Random Access Memory），ＲＯＭ１６
（Read Only Memory），不揮発性メモリ１７，モータドライバ１０，コミュニケーションドライバ１３から構成され、本実施例の場合Ｉ／Ｏに入力された目標開度信号１１ｂとモータの回転位置信号１１ａの値が等しくなるようにモータドライバ１０へ制御信号９ａを出力する。

ＣＰＵ９はＲＯＭ１６から制御演算式を読み出しＲＡＭ１５に計算値を保持する機能を有している。

不揮発性メモリは制御装置の電源が切れた後も上記演算データ等を保持したい場合に用いるもので、保持するデータが無い場合は設けなくてもよい。

また、コミュニケーションドライバ１３を介してＣＰＵが外部とデータのやり取りを行う機能も有しており、目標開度信号をコミュニケーションドライバ１３を介してＣＰＵ９へ入力しても同一の機能を持たせる事ができる。

またポテンショメータを用いる場合は信号がアナログデータとなるため、Ａ／Ｄ１４を介してギヤ位置を検出することになる。

この制御装置は非接触タイプのモータ位置検出機能を有しており耐久性に優れ、非接触タイプの絶対位置センサを用いる際の温度変化の補正も必要なく制御上の動作精度，直線性もよいが、制御動作にさきだちモータ動作基準点を求めるためモータをモータ駆動範囲内でターボチャージャの吸入空気導入路を閉める方向の停止位置にあるストッパ位置、あるいはこの反対方向の回し切った位置にあるターボチャージャの吸入空気導入路を開く方向の回し切った位置にあるストッパ位置、あるいは前記両方向のストッパ位置へ回しきるまでモータを回転させて、前記ストッパ位置を検出しこの位置をモータ動作時の動作基準点とする動作（以後イニシャライズと称す）を実施するわけであるが、まず最初のモータの位置が制御装置で把握できていないためモータをどちらかの方向へ回転させて機械的に動かなくなる所まで動作させる必要がある。

一般にモータ出力をピニオンギヤ，ウォームギヤ，ホィールギヤを介して出力軸に伝達させる構造の場合、各機構部に発生する応力により機械部品の変形が発生し、モータの出力軸はこの変形による遊びの分だけ多く回る事になりこの結果モータの出力軸に取付けられたエンコーダもこの分まわり、本来のストッパ位置よりも行き過ぎた値を検知することになり、この行き過ぎ量の分だけ制御精度の悪化を招く。

また上記の結果もとめられた制御上の基準点をもとに、通常の制御を開始するわけであるが、アクチュエータの動作目標位置が上記動作基準位置の場合、目的とする制御上の基準位置へ収束させる動作をするわけであるが、この基準位置は機械的な歪による遊び分であるので当然反力をうけ、モータの出力軸を反対方向へ押し戻そうとする。

この状態が継続する場合モータは常にこの反力に打ち勝つだけのトルクを発生させる必要があり、この本来必要としない機械的な遊びの分モータの消費電流が増加しこのモータを駆動するためのモータドライバの消費電力も増加し、発熱も増大する。

また制御上の不感帯をもうけこの不感帯にモータ位置がある場合にモータドライバの余計な消費電力の増加を防止すべく、動作を停止させているようなケースの場合、モータ位置が目標位置に収束し且つ不感帯内にある場合モータへの通電をとめたあと、前記の反力によりモータ位置が戻され、制御上の不感帯から外れてしまうことになると再びモータへの通電が開始され、以後不感帯への収束と反力による不感帯外位置への移動を頻繁に繰り返し、ハンチングをおこすケースもありえる。

このハンチングが発生したときもモータドライバはモータの通電と非通電を繰り返すことになり、モータドライバのスイッチングロスとあいまって損失が大きくなり、結果発熱が大きくなる。

この様子を図４に示す。

一般にモータ駆動用モータドライバは半導体であるため動作中にジャンクション温度である１５０℃を超えて使うことはできず、動作する際の雰囲気温度が高くなるほど雰囲気温度と半導体のジャンクション温度の差が少なくなりモータを駆動するための熱的な余裕がなくなるため、特に本発明のように高温環境下にあるターボチャージャの直近に配置されるような構造をもつモータアクチュエータはモータ動作中の発熱は抑制する必要がある。

本発明は機械的な遊び分が生じることによるモータの余分な動作によるモータドライバ自身の発熱をおさえることを目的として発明したものである。

図５には本発明の第一の方法を示す。

全閉位置あるいは全開位置のイニシャライズを終了したのち、イニシャライズによって定められた動作基準位置を全閉側ではΔＬ１、全開側ではΔＬ２だけ補正する方法であり、あらかじめ判っている機械的な遊び分ΔＬ１あるいはΔＬ２だけ補正することで遊び分によるモータドライバの発熱防止方法である。

動作フロー図７は従来のものでありこのフローを以下に述べる。

先ずインクリメンタリ方式のエンコーダであるため最初にこのカウント値を設定する必要があり、ここでは定数ａに初期化している、この値は仮値でありこの値をまず基準として動作を開始しモータの移動にともないこのエンコーダのカウント値も変化するが全閉ストッパ位置に到着しカウント値が変化しなくなった時のカウント値を見ることにより規定外の動作量かどうかを判別することができストッパ位置の診断に用いる値である。

このようにしてカウント値が変化しない状態がＴ１時間継続したらその場所を全閉位置としてカウント値を０クリアする。

この時は図４のＡの位置にいることになる。

その後全開位置学習動作を開始しモータを反対方向へ動作させる。

動作させてカウント値が一定時間Ｔ１変化しない位置を全開位置とする、図４のＣの位置である。

このように従来方式のフローでは機械的な遊びを含んだまま全閉位置と全開位置が規定されてしまう。

図８は本発明の第一の方法を示す図である。

図７のＥ部およびＦ部に機械的な遊び分の補正量Δ１とΔ２を補正するロジックを追加することにより達成できる。

ここでいう機械的な遊び分の補正量は動作時間と周囲雰囲気温度によりもとめられる値であり、この補正分を計算式で規定してもよいし、あるいはマップデータとしてもっていてもよい。

本発明の第二の方法は上記の機械的遊び量が計算でもとめることができない場合の方法であり、機構部にすすや排気ガス中に含まれる成分が堆積することにより遊び量が変化する場合に対応できる。

図６に示すように一旦全閉位置あるいは全開位置へ動作させた後、モータを停止させて一定時間Δｔ放置させ遊び分による応力分をなくし真のストッパ位置に収束させるものである。

このフローを図９に示す。

従来フローのＥ部，Ｆ部にタイマーを設けディレイ時間Δｔを設けこの時間経過後の値を全閉位置あるいは全開位置と規定するものである。

図１０は全閉位置を規定するための一例である本発明はモータ出力が周囲温度と動作時間によって変化するため、初期位置学習後にモータの出力トルクが小さくなって初期位置に移動できなくなり、ハンチングすることがないようにモータの出力トルクが一番小さい値で初期位置学習を行う方法を示す。

図では最初に１００％のＤＵＴＹで初回の押し付け位置をもとめいったん一定位置だけ戻し再度押し付けを行うわけであるが、このときのモータの出力ＤＵＴＹはモータの出力トルクが最小値となるようにして押し付けその位置を制御位置原点とすることにより達成できる。
一般にモータの出力トルクを決める要素はモータ内部のコイル温度であるが、この部分の温度は直接求めることができないので、周囲温度および、動作時間により近似的にもとめることが可能でありこのパラメータによりモータの出力ＤＵＴＹを補正する。

下図は初期位置学習時に最初から補正したＤＵＴＹを用いる方法を示すが、この方法では原点位置近辺に初期位置があればいいが、そうでない場合最小ＤＵＴＹで押し付けて動作させる際の慣性動作によりモータ速度が大きくなって、原点位置近辺で動作開始した場合より押し付けてしまうことがあり、真の原点位置から慣性で押しすぎる分ずれてしまうことがあるので、上図のようにいったん１００％で押し付けた後にいったん慣性力が働かない微小な分だけ戻し、再度上記のようしに周囲温度，動作時間できまるモータの最低
ＤＵＴＹで押し付けたほうが、精度よく動作原点位置を決定することができる。

図１１は動作原点位置をもとめるための一例をしめすものである。

ターボチャージャの動作原点位置とはエンジンの空気流量が最小となる値の空気流量を与えるものであるからエンジン制御装置からエンジン制御用にもちいている空気流量値を外部Ｉ／Ｆ用の通信手段により入手することにより空気流量をモニタしながらモータ位置を制御することが可能になる。

したがってこの値が最小空気流量値となる点がターボ制御装置の制御上の原点位置になるのでこの値を動作原点位置とすることにより、目的が達成できる。

図１２は動作原点位置を求めるための一案である。

モータの駆動力を用いてストッパ位置に押し付ける動作であるので、モータの駆動力は変化するし、ストッパの構造，アクチュエータ内部の機械的遊び等の要素がある、この原点位置の変化を予測しこの変化幅Ａを許容しこの領域にモータ位置がある場合は閉位置にある場合は一定時間一定ＤＵＴＹで閉方向に、全開位置にある場合は全開方向へ動作させた後に通電をやめることにより達成できる。

図１３は真のストッパ位置と学習位置がことなることにより発生するハンチングを防止するための方法である。

動作目標位置が変化しない場合且つハンチングにより現在位置が変化していない場合はモータへの通電をとめてハンチングを防止するものである。

本ロジックを図１４に示すがこの方法は原点位置のずれによるハンチングはもとより、通常の制御中にターボチャージャ内に発生する、スティックによってモータ位置が変化できなくなることにより発生する機会的遊びのくみあわせによる、ハンチングによるモータ焼損に対しても効果がある。

図１５は真の動作原点位置をもとめるための一実施例をしめすものである。

エンコーダ各相のパルス信号を位相計測モードでカウント値として検出する方法を基本としているが本実施例では同時にタイマ起動用のインプットキャプチャとしてＩ／Ｏ回路に入力させて位相計測動作と同時にパルスの立ち上がりと立ち下りを検出しエンコーダパルスのＯＮ時間ＯＦＦ時間を計測することを可能としている。

原点位置学習動作中に真の原点位置に達した後は以後機会の遊び分と機械的な応力成分がモータの抵抗分として加算されるため、エンコーダのパルス変化をみることにより真の原点位置を検出することができる。

図１６はこの一例の動作ロジックを示す。

通常の初期位置学習動作と同時にエンコーダパルス幅測定ロジックを追加してパルス幅が変化した時点のカウント値を真の原点位置としている。

本実施例ではエンコーダパルスを３回加重平均しているが、パルス幅の時間変化の変極点を求める等の方法でも原点位置を検出することが可能である。

以上の方法により従来の方法では機械的な遊び分の発生による無駄なモータ動作によるモータドライバの発熱を防止でき、高温環境下でのモータの動作の温度余裕を確保することが可能である。

モータ制御装置のシステム図。 モータ制御装置のブロック図。 モータ位置検出用エンコーダの信号。 イニシャライズ処理の実施例従来方法。 発明の第１の方法。 発明の第２の方法。 従来方法の制御フローチャート。 第１の発明のフローチャート。 第２の発明のフローチャート。 第３の発明の制御フローチャート。 第４の発明の制御フロー，フローチャート。 第５の発明の制御フロー，フローチャート。 第６の発明の制御フロー。 第６の発明のフローチャート。 第７の発明の制御フロー。 第７の発明のフローチャート。

符号の説明

１…ターボチャージャ、３…エンコーダ、４…ホール素子、５…制御装置。

Claims (17)

1. ＣＰＵとその周辺回路及び外部とのＩ／Ｆ回路から構成され少なくとも外部から入力された目標開度信号によりモータドライバを制御しモータを回転させ、モータの回転軸出力により、可変リンクを介し自動車のターボチャージャの吸入空気導入路の通路を開閉させ、ターボチャージャの加給圧を調整する制御装置、また前記モータの出力軸に設けられているモータ回転位置検出装置の出力信号によりモータの回転位置を検出し、この回転位置と前記目標開度信号とを比較し両者が一致するようにモータを正方向または逆方向に回転させ、ターボチャージャの吸入空気導入路の開度を所望の開度に制御するモータ位置制御装置において、
   モータ駆動範囲内でターボチャージャの吸入空気導入路を閉める方向の停止位置にあるストッパ位置、あるいはこの反対方向の回し切った位置にあるターボチャージャの吸入空気導入路を開く方向の回し切った位置にあるストッパ位置、あるいは前記両方向のストッパ位置へ回しきるまでモータを回転させて、前記ストッパ位置を検出しこの位置をモータ動作時の動作基準点とすることを特徴とするモータ位置制御装置。
2. 請求項１に記載しているモータ動作基準点を求める際にモータを回し切った位置で発生する機械的な遊び分を動作基準位置信号に加えて、動作基準位置の前記の機械的な遊びによる位置精度誤差が発生しない様にしたことを特徴とするモータ位置制御装置。
3. 請求項２に記載しているモータ動作基準を求める動作全閉側ストッパ位置あるいは全開側、あるいは全閉全開の両方に対して適用することを特徴とするモータ位置制御装置。
4. 請求項２に記載しているモータ動作基準点を求める動作に用いる機械的遊び量の値は少なくとも当該制御装置が動作し始めてからの時間，雰囲気温度に依存する値であることを特徴とするモータ位置制御装置。
5. 請求項１に記載しているモータ動作基準点を求める動作において、全閉位置あるいは全開位置へモータを動作させ押し付け、モータの位置変化が止まった後に一定時間放置し、放置した後のモータ位置を全閉位置あるいは全開位置とすることを特徴とするモータ位置制御装置。
6. 請求項５に記載している位置決め方法は全閉位置側で実施するもしくは全開側で実施するか、あるいは全閉全開の両方で実施することを特徴とするモータ位置制御装置。
7. 請求項１に記載しているモータ動作基準点を求める動作において、全閉位置あるいは全開位置へモータを動作させ押し付け、モータの位置変化が止まった後、徐々にモータ駆動力を低下させモータの駆動力が０となったときの位置、あるいは徐々にモータ駆動力を低下させる際にモータの位置変化も同時に検出しこの位置変化がなくなった位置を全閉位置あるいは全開位置とすることを特徴とするモータ位置制御装置。
8. 請求項５あるいは請求項７の動作完了後にモータ位置を一旦一定位置まで戻した後に少なくとも一回以上同じ動作を繰り返して求めた全開，全閉位置と最初に求めた全閉，全開位置を比較し最大あるいは最小あるいは平均した値を全閉，全開位置とすることを特徴とするモータ位置制御装置。
9. 請求項５あるいは請求項７の動作完了後にモータ位置を一旦一定位置まで戻した後に少なくともモータの押し付け力を前回から変化させて一回以上繰り返して、求めた全開，全閉位置と最初に求めた全閉，全開位置を比較し最大あるいは最小あるいは平均した値を全閉，全開位置とすることを特徴とするモータ位置制御装置。
10. ＣＰＵとその周辺回路及び外部とのＩ／Ｆ回路から構成され少なくとも外部から入力された目標開度信号，ターボチャージャ加給圧信号，アイドル信号，エンジンルーム内温度センサ信号，水温センサ，車外雰囲気温度センサによりモータドライバを制御しモータを回転させ、モータの回転軸出力により、可変リンクを介し自動車のターボチャージャの吸入空気導入路の通路を開閉させ、ターボチャージャの加給圧を調整する制御装置、また前記モータの出力軸に設けられているモータ回転位置検出装置の出力信号によりモータの回転位置を検出し、この回転位置と前記目標開度信号とを比較し両者が一致するようにモータを正方向または逆方向に回転させ、ターボチャージャの吸入空気導入路の開度を所望の開度に制御するモータ位置制御装置において、
    モータ駆動範囲内でターボチャージャの吸入空気導入路を閉める方向の停止位置にあるストッパ位置、あるいはこの反対方向の回し切った位置にあるターボチャージャの吸入空気導入路を開く方向の回し切った位置にあるストッパ位置、あるいは前記両方向のストッパ位置へ回しきるまでモータを回転させて、前記ストッパ位置を検出しこの位置をモータ動作時の動作基準点とする。
11. 請求項１０においてモータ動作位置の動作基準点をターボチャージャ加給圧信号，アイドル信号，エンジンルーム内温度センサ信号，水温センサ，車外雰囲気温度センサの信号により補正することを特徴とするモータ位置制御装置。
12. ＣＰＵとその周辺回路及び外部とのＩ／Ｆ回路から構成され少なくとも外部から入力された目標開度信号によりモータドライバを制御しモータを回転させ、モータの回転軸出力により、可変リンクを介し自動車のターボチャージャの吸入空気導入路の通路を開閉させ、ターボチャージャの加給圧を調整する制御装置、また前記モータの出力軸に設けられているモータ回転位置検出装置の出力信号によりモータの回転位置を検出し、この回転位置と前記目標開度信号とを比較し両者が一致するようにモータを正方向または逆方向に回転させ、ターボチャージャの吸入空気導入路の開度を所望の開度に制御するモータ位置制御装置において、
    一定開度以下あるいは一定開度以上の場合は一定時間モータを全閉方向あるいは全開方向に動作させたあと、モータ動作を停止させることを特徴とするモータ位置制御装置。
13. 請求項１に示すモータ位置制御装置において目標開度位置への収束動作を開度指令値受信後一定時間実施したのちはモータへの通電を停止することを特徴とするモータ位置制御装置。
14. 請求項１３において規定するモータへの通電時間は、モータドライバの温度，モータドライバの通電時間，周囲温度により決定されることを特徴とする。
15. 請求項１のモータ位置検出装置はエンコーダを用いたものであり当該エンコーダの出力を位相計測モードにてカウントすると同時にエンコーダ出力信号の立ち上がりエッジと立ち下りエッジを検出可能な構成とし、位相計測モードでエンコーダカウントする動作と同時にエンコーダの信号周期をカウントする機能を有するモータ位置制御装置。
16. 請求項１５に示すモータ位置制御装置において、
    モータ駆動範囲内でターボチャージャの吸入空気導入路を閉める方向の停止位置にあるストッパ位置、あるいはこの反対方向の回し切った位置にあるターボチャージャの吸入空気導入路を開く方向の回し切った位置にあるストッパ位置、あるいは前記両方向のストッパ位置へ回しきるまでモータを回転させて、モータ位置が変化しなくなった位置とエンコーダ信号周期の変極点によりモータ動作基準点とすることを特徴とする。
17. 上記各請求項を組み合わせて全開，全閉位置を求めることを特徴とするモータ位置制御装置。
    

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