JP2013183482A - モータの制御装置及びスロットルバルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに誘起電圧が発生したときにスイッチング素子やスイッチ回路が破壊されることを防止する。
【解決手段】モータの制御装置４は、バッテリ５に接続されたメインリレー５１からＨブリッジ回路５２に電力が供給されるようになっている。Ｈブリッジ回路５２は、モータ３に対して４つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４がＨ型に結線されている。メインリレー５１とＨブリッジ回路５２の接続点と基準電位点との間には、第３の電解コンデンサＣ３が設けられており、モータ３を停止したときに発生する誘起電圧に起因する電荷を蓄積できるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの制御装置及びスロットルバルブ装置に関する。

車両のエンジンには、外気を取り込む吸気管が取り付けられている。さらに、吸気管には、エンジンに取り込む空気量を制御するスロットルバルブが吸気管の流路を開閉自在に設けられている。スロットルバルブは、リターンスプリングによって閉方向に付勢された弁体を有し、リターンスプリングの付勢力に抗しながら弁体をモータで回動させることによって開度を調節するようになっている。モータには、スロットルバルブを開方向と閉方向のそれぞれに回動できるように、４つのスイッチング素子を配列したＨブリッジ回路を用いて電流が供給される。Ｈブリッジ回路は、バッテリとアースに接続されており、モータの回転時には、Ｈブリッジ回路の４つのスイッチング素子をＣＰＵ（Central Processing Unit）で開閉させる。このようにしてモータを正転又は逆転させることによって、スロットルバルブを開閉する。

ここで、従来のモータの制御装置では、Ｈブリッジ回路の各スイッチング素子が、ＦＥＴとダイオードを並列に接続させた構成を有し、ダイオードはアース側からバッテリ側に向かう方向が順方向に設定されている。また、Ｈブリッジ回路とバッテリの間には、例えばスイッチ回路が設けられており、ＣＰＵからの指令によってスイッチ回路をＯＮ、ＯＦＦさせることによって、バッテリとＨブリッジ回路の電気的な接続を管理している。また、スイッチ回路とＨブリッジ回路の間に、Ａ／Ｄ（Analog/digital）変換器が接続されており、ＣＰＵがＨブリッジ回路に供給される電圧を測定できるようになっており、Ａ／Ｄ変換器へ入力するアナログ電圧に含まれるノイズを除去するためのコンデンサが取り付けられている。コンデンサは、例えば、スイッチ回路の出力側の電圧に含まれるサージ電圧を吸収することでノイズを除去するように構成されており、ＣＰＵはコンデンサによってノイズが除去された電圧をモニタしながら、スロットルバルブの開閉操作を制御している。

特開２００８−４３０５１号公報

ところで、モータの回転制御中に、ＣＰＵの指令に基づいてＨブリッジ回路の各スイッチング素子をＯＦＦにすると、モータへの電流供給が遮断され、モータが停止する。これによって、モータからスロットルバルブの弁体に加えられていた力がなくなるので、リターンスプリングの付勢力によってスロットルバルブの弁体が閉方向に回動する。その結果、スロットルバルブに機械的に連結されているモータのロータがスロットルバルブの弁体によって回転させられる。

モータには、電流が供給されていないので、モータのロータが弁体によって回転させられることによって、モータの巻き線に誘起電圧が発生する。モータにおいて発生した誘起電圧は、Ｈブリッジ回路の各スイッチング素子に印加される。さらに、スイッチング素子のダイオードを通ってスイッチ回路に入力される。従って、モータで発生する誘起電圧が大きいときには、スイッチング素子やスイッチ回路が破壊される可能性がある。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、モータに誘起電圧が発生した
ときにスイッチング素子やスイッチ回路が破壊されることを防止することを目的とする。ことを主な目的とする。

請求項１に係る発明によれば、電源から電力供給を受けてスイッチング素子を開閉させ、車両に設けられたスロットルバルブの弁体をリターンスプリングの付勢力に抗しながら回動させるモータを制御する駆動回路と、前記電源と前記駆動回路の電気的な接続を切り替えるスイッチ回路と、前記駆動回路と前記スイッチの接続点と基準電位点との間に設けられたコンデンサと、を含んで構成され、前記コンデンサは、前記スロットルバルブが前記リターンスプリングの付勢力によって閉方向に回動したときに前記モータに発生する誘起電圧を、前記スイッチング素子又はスイッチ回路に許容される電圧以下にする静電容量を有することを特徴とするモータの制御装置が提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記駆動回路の電圧モニタ回路を有し、前記コンデンサの静電容量は、前記電圧モニタ回路に設けられたノイズ除去用コンデンサの静電容量より大きいことを特徴とする請求項１に記載のモータの制御装置が提供される。

さらに、請求項３に係る発明によれば、請求項１又は請求項２に記載のモータの制御装置と、前記モータの回転を１３倍以上の減速比で前記スロットルバルブに伝達する減速ギヤ装置と、を有することを特徴とするスロットルバルブ装置が提供される。

そして、請求項４に係る発明によれば、請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置を有し、前記モータは、回転時の角速度が１８０ｒａｄ／ｓｅｃ以上であることを特徴とするスロットルバルブ装置が提供される。

モータの誘起電圧によって生じる電荷をコンデンサに蓄積させて、スイッチング素子やスイッチ回路にかかる電圧を耐電圧以下にできる。

図１は、本発明の実施の形態に係るモータの制御装置を含むスロットルバルブ装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るスロットルバルブとモータの構成を説明する断面図である。

本発明を実施するための形態について以下に詳細に説明する。
最初に、図１を参照してスロットルバルブ装置の概略構成について説明する。
スロットルバルブ装置１は、エンジンに吸入される空気量を調整するために設けられたスロットルバルブ２と、スロットルバルブを駆動させるモータ３と、モータ３の制御装置４とを含んで構成され、制御装置４には電源であるバッテリ５から電力が供給されるように構成されている。

図２に断面図を示すように、スロットルバルブ２は、車両のエンジンの吸気管中に配置されるスロットルボディ１０を有する。スロットルボディ１０には、外気を通流させる吸気道１１が形成されており、吸気道１１が吸気管路に接続される。

さらに、スロットルボディ１０には、吸気道１１の中心を横断するよう弁軸１２が設けられており、弁軸１２は一対の軸受１３を介してスロットルボディ１０に回動自在に取り付けられている。さらに、弁軸１２には、吸気道１１の内径に応じた円板状の弁体１４が
固定されている。弁体１４は、弁軸１２と共に回動することによって、吸気道１１を開閉したり、吸気道１１の開口面積、即ちスロットルバルブ装置１の開度を変化させたりする。

スロットルボディ１０の一端部には、制御ケース２１が一体に、又は接合によって形成されており、弁軸１２の一端部はスロットルボディ１０を貫通して制御ケース２１内に延びている。制御ケース２１は、弁軸１２の一端部が配置されるギヤ収容部２２と、ギヤ収容部２２の側方に形成されたモータ収容部２３とを有する。モータ収容部２３には、モータ３が収容されており、ギヤ収容部２２にはモータ３の回転を減速して弁軸１２に伝達する減速ギヤ装置２５が収容されている。さらに、モータ３及び減速ギヤ装置２５を覆うようにケースカバー３０が不図示のボルトによって制御ケース２１に着脱可能に取り付けられている。

モータ３は、不図示のコイルに通電することで出力軸３Ａを回転させる構成を有する。この実施の形態におけるモータ３は、角速度が例えば１８０ｒａｄ／ｓｅｃ以上になっている。

減速ギヤ装置２５は、モータ３の出力軸３Ａに固着される１次駆動ギヤ３２を有し、１次駆動ギヤ３２は１次従動ギヤ３３に噛み合わされている。１次従動ギヤ３３は、中間軸３４に回転自在に支承されており、中間軸３４は制御ケース２１に固定されている。さらに、１次従動ギヤ３３には、第２駆動ギヤ３５が一体に形成されており、第２駆動ギヤ３５にはセクタ型の出力ギヤ３６が噛み合わされている。さらに、出力ギヤ３６は、弁軸１２の一端部にナット３７で固定されている。このような構成を有する減速ギヤ装置２５は、モータ３の出力軸３Ａの回転を２段階に減速して弁軸１２に伝達し、弁軸１２を中心にして弁体１４を回動させるようになっている。

ここで、減速ギヤ装置２５の減速比は、例えば、１３倍以上になっている。即ち、モータ３の回転は、１／１３以下に減速されて弁軸１２に伝達される。また、減速ギヤ装置２５の各ギヤ３２，３３，３５，３６は平歯車であり、モータ３及び中間軸３４は、これらの軸線が弁軸９の軸線と平行に並ぶように配置される。さらに、スロットルボディ１０及び出力ギヤ３６には、この出力ギヤ３６をスロットルバルブ２の閉じ方向に付勢する捩じれコイルばねからなるリターンスプリング４０が接続される。

次に、図１を参照して、モータ３の制御装置４について説明する。
制御装置４は、バッテリ５からの電力供給と遮断を切り替えるメインリレー（スイッチ回路）５１を有し、メインリレー５１を介して駆動回路であるＨブリッジ回路５２がバッテリ５に接続されている。Ｈブリッジ回路５２は、モータ３を正逆駆動させるもので、４つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をＨ型のブリッジに結線した構成を有し、一端がメインリレー５１を介してバッテリ５に接続され、他端が基準電位に接地されている。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、例えば、リレースイッチＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３，ＲＳ４と、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を１つずつ並列に接続した構成を有し、例えば、スイッチング素子ＳＷ１は、リレースイッチＲＳ１と、ダイオードＤ１が並列に接続されている。各ダイオードＤ１〜Ｄ４は、図１の下側の接地されている基準電位側からバッテリ５側に向かう方向が順方向になるように設定されている。

また、制御装置４は、メインリレー５１及びスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の開閉を制御するメインＣＰＵ６０を有する。メインＣＰＵ６０は、電圧モニタ回路６０Ａを有し、Ｈブリッジ回路５２に供給される電圧を測定できるようになっている。さらに、メインＣＰＵ６０とメインリレー５１及びＨブリッジ回路５２の間には、メインＣＰＵ６０に入力されるアナログ電圧に含まれるノイズを除去する第１の電解コンデンサＣ１が設けられ
ている。第１の電解コンデンサＣ１は、メインリレー５１とメインＣＰＵ６０の接続点と基準電位点（アース）に接続されている。

さらに、制御装置４には、メインリレー５１及びＨブリッジ回路５２の動作を監視するサブＣＰＵ６１が設けられている。サブＣＰＵ６１は、電圧モニタ回路６１Ａを有し、Ｈブリッジ回路５２に供給される電圧を測定できるようになっている。さらに、サブＣＰＵ６１とメインリレー５１及びＨブリッジ回路５２の間には、サブＣＰＵ６１に入力されるアナログ電圧に含まれるノイズを除去する第２の電解コンデンサＣ２が設けられている。第２の電解コンデンサＣ２は、メインリレー５１とサブＣＰＵ６１の接続点と基準電位点（アース）に接続されている。

ここで、これら電解コンデンサＣ１，Ｃ２は、ノイズを除去できる程度の静電容量を有していれば足りる。このために、電解コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量は、０．１μＦ程度である。また、サブＣＰＵ６１は、この実施の形態に必須の構成要素ではない。

さらに、メインリレー５１とＨブリッジ回路５２の接続点と基準電位点（アース）には、第３の電解コンデンサＣ３が接続されている。即ち、メインリレー５１及びＨブリッジ回路５２は、第３の電解コンデンサＣ３を介して基準電位に接続されている。第３の電解コンデンサＣ３は、後に詳細を説明するように、モータ３で発生した誘起電圧を緩和させるために設けられており、その静電容量は１００μＦ以上である。この実施の形態では、第３の電解コンデンサＣ３の静電容量は、例えば、２２０μＦとする。なお、第３の電解コンデンサＣ３の静電容量は、スロットルバルブ装置１の通常のモータ制御に影響を与えない大きさになっている。

次に、図１及び図２を参照してモータ３の制御装置４の作用について説明する。
スロットルバルブ２を開閉させるときには、制御装置４のメインＣＰＵ６０の指令に基づいてメインリレー５１をＯＮにする。さらに、メインＣＰＵ６０は、バッテリ５からＨブリッジ回路５２に供給される電圧をモニタしながら、Ｈブリッジ回路５２の各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の開閉を制御してモータ３の巻き線に所定の向きで電流を流す。なお、バッテリ５からＨブリッジ回路５２に供給される電圧に含まれるノイズが、第１のコンデンサＣ１によって除去された後、該ノイズが除去された電圧の情報がメインＣＰＵ６０に入力される。同様に、サブＣＰＵ６１にも第２のコンデンサＣ２によってノイズが除去された電圧の情報が入力される。

例えば、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をＯＮにしてスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をＯＦＦにすると、電流がスイッチング素子ＳＷ１からモータ３を介してスイッチング素子ＳＷ４に流れ、モータ３が正転する。この場合、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をＯＦＦにしてスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮにすると、電流がスイッチング素子ＳＷ２からモータ３を介してスイッチング素子ＳＷ３に流れ、モータ３が逆転する。

スロットルバルブ２の開度は、運転者のアクセル操作に応じてメインＣＰＵ６０が各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をＰＷＭ（パルス幅変調）制御することによって実現される。即ち、スロットルバルブ１の開度を大きくする場合、メインＣＰＵ６１は、例えば、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮにする時間に対して、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をＯＮにする時間を多くしてモータ３を正転させる。一方、スロットルバルブ１の開度を小さくするときは、例えば、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮにする時間に対して、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をＯＮにする時間の少なくしてモータ３を逆転させる。そして、スロットルバルブ２を所定開度で維持するときは、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をＯＮにする時間とスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮにする時間の比を同じにする。

ここで、スロットルバルブ２を例えば全閉するときなどのように、メインＣＰＵ６０がＨブリッジ回路５２の全てのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をＯＦＦにしたときには、モータ３への電流の供給が停止する。この結果、弁軸１２の作用する力は、リターンスプリング４０による閉方向への付勢力だけになる。従って、弁体１４で吸気道１１を閉じるように弁軸１２が回動する。これに伴い、弁軸１２にギヤ減速装置２５を介して連結されているモータ３のロータが連れ回される。そして、モータ３のロータが回転させられることによって、モータ３の巻き線の両端の間に誘起電圧が発生する。

その結果、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４には、通常動作時と逆方向から電圧がかかる。即ち、誘起電圧は、モータ３から各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のダイオードＤ１〜Ｄ４を通ってメインリレー５１に向かう方向に電流を流すように作用する。さらに、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のリレースイッチＲＳ１〜ＲＳ４は接点が開いているが、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、誘起電圧による電流が流れる方向と、順方向が一致するので、電荷が各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を通ってメインリレー５１に向かって流れようとする。

従って、この状態では、想定されている電圧を超える電圧がメインリレー５１やスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に印加される可能性がある。しかしながら、この実施の形態では、Ｈブリッジ回路５２とメインリレー５１の間に配置されている第３の電解コンデンサＣ３に、モータ３の誘起電圧に起因する電荷が溜められることによって、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のリレースイッチＲＳ１〜ＲＳ４や、メインリレー５１にかかる電圧を低下できる。

第３の電解コンデンサＣ３の静電容量は、モータ３で発生した誘起電圧によってスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４やメインリレー５１にかかる電圧が、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４やメインリレー５１の耐電圧未満になるまで電荷を蓄積できる大きさである。このために、第３の電解コンデンサＣ３に電荷が蓄積されることによって、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４やメインリレー５１にかかる電圧が耐電圧以下になり、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４やメインリレー５１の破壊が防止される。なお、第１及び第２の電解コンデンサＣ１，Ｃ２は、電荷を蓄積することはできるが、静電容量が第３の電解コンデンサＣ３に比べて、１／１００以下、この実施の形態の例では、１／２２００なので、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４やメインリレー５１の破壊が防止できる程には、電荷を蓄積できない。

以上、説明したように、この実施の形態では、メインリレー５１とＨブリッジ回路５２の間に、一端が基準電位に接続される第３の電解コンデンサＣ３を誘起電圧緩和用のコンデンサとして設け、電解コンデンサＣ３の静電容量をノイズ除去用の第１及び第２の電解コンデンサＣ１，Ｃ２より十分に大きくした。これによって、モータ３の誘起電圧によって生じる電荷を第３の電解コンデンサＣ３に蓄積させて、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４やメインリレー５１にかかる電圧を耐電圧以下にすることができる。このために、スロットルバルブ装置１は、減速比が１３倍以上の減速ギヤ装置２５を有する場合や、角速度が１８０ｒａｄ／ｓｅｃ以上のモータ３を搭載している場合であっても、誘起電圧による素子の故障を防止できる。ここで、減速ギヤ装置２５の減速比が大きいほど、弁軸１２の回転角度に対するモータ３のロータの回転角度が大きくなり、誘起電圧が高くなるので、第３の電解コンデンサＣ３による電圧降下の効果がより顕著になる。

なお、本発明は、実施の形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において変更が可能である。
例えば、スイッチ回路は、メインリレー５１の代わりに、トランジスタや、トランジス
タとダイオードを組み合わせた構成でも良い。スイッチ回路にトランジスタを用いた場場合でも、第３の電解コンデンサＣ３を設けることによって、モータ３の誘起電圧によるトランジスタの破壊を防止できる。
また、第３の電解コンデンサＣ３は、電解型のコンデンサに限定されない。

１ スロットルバルブ装置
２ スロットルバルブ
５ バッテリ（電源）
１４ 弁体
２５ 減速ギヤ装置
４０ リターンスプリング
５１ メインリレー（スイッチ回路）
５２ Ｈブリッジ回路（駆動回路）
６０Ａ，６１Ａ 電圧モニタ回路
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４ スイッチング素子
Ｃ１ 第１の電解コンデンサ（ノイズ除去用コンデンサ）
Ｃ２ 第２の電解コンデンサ（ノイズ除去用コンデンサ）
Ｃ３ 第３の電解コンデンサ

Claims (4)

1. 電源から電力供給を受けてスイッチング素子を開閉させ、車両に設けられたスロットルバルブの弁体をリターンスプリングの付勢力に抗しながら回動させるモータを制御する駆動回路と、
   前記電源と前記駆動回路の電気的な接続を切り替えるスイッチ回路と、
   前記駆動回路と前記スイッチの接続点と基準電位点との間に設けられたコンデンサと、を含んで構成され、
   前記コンデンサは、前記スロットルバルブが前記リターンスプリングの付勢力によって閉方向に回動したときに前記モータに発生する誘起電圧を、前記スイッチング素子又はスイッチ回路に許容される電圧以下にする静電容量を有することを特徴とするモータの制御装置。
2. 前記駆動回路の電圧モニタ回路を有し、前記コンデンサの静電容量は、前記電圧モニタ回路に設けられたノイズ除去用コンデンサの静電容量より大きいことを特徴とする請求項１に記載のモータの制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のモータの制御装置と、
   前記モータの回転を１３倍以上の減速比で前記スロットルバルブに伝達する減速ギヤ装置と、
   を有することを特徴とするスロットルバルブ装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置を有し、前記モータは、回転時の角速度が１８０ｒａｄ／ｓｅｃ以上であることを特徴とするスロットルバルブ装置。

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