JP2013187966A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータで駆動する制御対象の可動範囲の少なくとも一方の限界位置を基準位置として学習する機能を備えたものにおいて、耐久性向上とコストダウンとを両立させる。
【解決手段】モータ１２をＰレンジ壁に突き当たるまで回転させる突き当て制御を実施して、Ｐレンジ壁位置を基準位置として学習する。この際、突き当て制御の実行中に１つの通電相の連続通電時間が所定時間以上になったときにＰレンジ壁に突き当たったと判断してその位置を基準位置として学習する。ここで、判定しきい値となる「所定時間」は、少なくともモータ１２の最大トルクと回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う通電相の１つ手前の通電相の連続通電時間よりも短い時間に設定され、且つ、シフトレンジを切り換えるのに必要なトルクを発生する１つの通電相の連続通電時間よりも長い時間に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータで駆動する制御対象の可動範囲の少なくとも一方の限界位置を基準位置として学習する機能を備えたモータ制御装置に関する発明である。

近年、自動車においても、省スペース化、組立性向上、制御性向上等の要求を満たすために、機械的な駆動システムを、モータによって電気的に駆動するシステムに変更する事例が増加する傾向にある。その一例として、特許文献１（特開２００６−１９１７０９号公報）に示すように、車両の自動変速機のレンジ切換機構をモータで駆動するようにしたものがある。このものは、モータの回転軸に減速機構を介して出力軸を連結し、この出力軸によってレンジ切換機構を駆動して自動変速機のレンジを切り換えるようにしている。この場合、モータには、回転位置を検出するエンコーダを搭載し、レンジ切換時には、このエンコーダの出力パルスのカウント値（以下「エンコーダカウント値」という）に基づいてモータを目標のレンジに相当する目標回転位置（目標カウント値）まで回転させることで、レンジ切換機構を目標のレンジに切り換えるようにしている。

この場合、モータの回転量（回転角）は、減速機構等の回転伝達系を介して制御対象の回転量（レンジ切換機構の操作量）に変換されるが、回転伝達系を構成する部品間には、遊び（ガタ）が存在する。例えば、減速機構の歯車間に遊び（バックラッシ）があり、また、減速機構の回転軸の先端部に形成した断面非円形（角形、Ｄカット形状等）の連結部を制御対象の連結軸の嵌合穴に嵌め込んで連結する構成では、両者の嵌め込み作業を容易にするためのクリアランスが必要となる。このように、モータの回転量を制御対象の操作量に変換する回転伝達系には、遊び（ガタ）が存在するため、エンコーダの出力パルスのカウント値に基づいてモータの回転量（回転角）を正確に制御しても、制御対象の連結軸の回転角（レンジ切換機構の操作量）には、回転伝達系の遊び（ガタ）分の誤差が生じてしまい、レンジ切換機構の操作量を精度良く制御することができない。

そこで、特許文献１では、電源投入後に、モータをレンジ切換機構のディテント機構で規制された可動範囲のＰレンジ側の限界位置に突き当たるまで回転させる突き当て制御を実施してＰレンジ側の限界位置を基準位置として学習するようにしている。

このように、レンジ切換機構のディテント機構で規制された可動範囲の限界位置を突き当て制御により学習するシステムでは、突き当て制御時のモータのトルクが大きいと、ディテント機構や回転伝達系の各部品に負担がかかり過ぎて、耐久性が悪くなる。

この対策として、特許文献１では、モータに２系統の駆動コイル（励磁コイル）を設け、突き当て制御時には、２系統の駆動コイルのうちの１系統のみに通電してモータのトルクを低下させて突き当て制御を行うことで、ディテント機構や回転伝達系の各部品に加わる負荷を軽減して耐久性を向上させるようにしている。

特開２００６−１９１７０９号公報

しかし、上記特許文献１の構成では、モータに２系統の駆動コイルを設ける必要があるため、配線が複雑化すると共に、駆動回路も２系統必要となり、コストアップにつながる欠点がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、耐久性向上とコストダウンとを両立できるモータ制御装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、制御対象を回転駆動するモータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、前記回転位置検出手段により検出した前記モータの回転位置に応じて前記モータの通電相を順次切り換えることで前記モータを目標位置まで回転駆動する制御手段と、前記モータを前記制御対象の可動範囲の少なくとも一方の限界位置の部材に突き当たるまで回転させる突き当て制御を実行してその限界位置を基準位置として学習する基準位置学習手段とを備えたモータ制御装置において、前記基準位置学習手段は、前記突き当て制御の実行中に１つの通電相の連続通電時間が所定時間以上になったときに前記限界位置の部材に突き当たったと判断してその位置を前記基準位置として学習するものであり、前記所定時間は、少なくとも前記モータの最大トルクと回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う通電相の１つ手前の通電相の連続通電時間よりも短い時間に設定されていることを特徴とするものである。

突き当て制御時に、モータが限界位置の部材に突き当たると、モータのトルクに応じて回転伝達系の各部材が弾性変形するため、モータの最大トルク（図４参照）と回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う位置までモータが回転して停止する。この際、回転伝達系の各部材の弾性変形量が大きくなるに従って、負荷トルクが大きくなってモータの回転速度が低下するため、回転伝達系の各部材の弾性変形量が大きくなるに従って、１つの通電相の連続通電時間が長くなる。

このような特性に着目して、本発明は、突き当て制御の実行中に１つの通電相の連続通電時間が所定時間以上になったか否かで限界位置の部材に突き当たったか否かを判定する際に、その判定しきい値となる「所定時間」を、少なくともモータの最大トルクと回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う通電相の１つ手前の通電相の連続通電時間よりも短い時間に設定したものである。このようにすれば、モータのトルクが最大となる位置の１つ以上手前の通電相を検出してその通電相の位置（回転伝達系の各部材の弾性変形量が従来より少ない位置）を基準位置として学習できるため、突き当て制御時のモータのトルク増大を適度に抑えることができ、耐久性を向上できる。しかも、モータに２系統の駆動コイルを設ける必要がないため、コストダウンも実現できる。

ところで、制御対象が複数の操作位置に切り換え可能に構成されている場合は、各操作位置の前後で負荷トルクが一時的に大きくなるため、モータのトルクは、各操作位置の前後で一時的に大きくなる負荷トルクよりも大きなトルクを確保する必要がある。

このような観点から、請求項２のように、判定しきい値となる「所定時間」は、複数の操作位置間で切り換えるのに必要なトルクを発生する１つの通電相の連続通電時間よりも長い時間に設定すれば良い。このようにすれば、複数の操作位置間で切り換える際の一時的な負荷トルクの増大を、限界位置の部材に突き当たったことによる負荷トルクの増大と誤判定することを防止でき、基準位置の誤学習を未然に防止できる。

以上説明した請求項１，２に係る発明は、モータを駆動源として制御対象の操作位置を切り換える様々な位置切換制御装置に適用でき、例えば、請求項３のように、モータを駆動源としてシフトレンジを切り換えるレンジ切換機構に適用しても良い。これにより、モータ駆動式のレンジ切換機構において、突き当て制御時のモータのトルク増大を適度に抑えることができ、耐久性向上とコストダウンとを両立できる。

図１は本発明の一実施例を示すレンジ切換装置の斜視図である。 図２はレンジ切換装置の制御システム全体の構成を概略的に示す図である。 図３は突き当て制御の動作を説明するための図である。 図４は突き当て制御時のモータのトルク変化を計測した図である。 図５は突き当て制御時の１つの通電相の連続通電時間とモータのトルクとの関係を示す図である。 図６は突き当て制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を自動変速機のレンジ切換装置に適用して具体化した一実施例を説明する。

まず、図１に基づいてレンジ切換機構１１の構成を説明する。
レンジ切換機構１１の駆動源となるモータ１２は、例えばスイッチトリラクタンスモータにより構成され、減速機構２６（図２参照）が内蔵され、その出力軸１３の回転位置を検出する出力軸センサ１０（図２参照）が設けられている。このモータ１２の出力軸１３には、ディテントレバー１５が固定されている。

また、ディテントレバー１５にはＬ字形のパーキングロッド１８が固定され、このパーキングロッド１８の先端部に設けられた円錐体１９がロックレバー２１に当接している。このロックレバー２１は、円錐体１９の位置に応じて軸２２を中心にして上下動してパーキングギヤ２０をロック／ロック解除するようになっている。パーキングギヤ２０は、自動変速機２７の出力軸に設けられ、このパーキングギヤ２０がロックレバー２１によってロックされると、車両の駆動輪が回り止めされた状態（パーキング状態）に保持される。

一方、ディテントレバー１５をパーキングレンジ（以下「Ｐレンジ」と表記する）と他のレンジ（以下「ＮｏｔＰレンジ」と表記する）に保持するためのディテントバネ２３が支持ベース１７に固定され、このディテントバネ２３の先端に設けられた係合部２３ａがディテントレバー１５のＰレンジ保持凹部２４に嵌まり込んだときに、ディテントレバー１５がＰレンジの位置に保持され、該ディテントバネ２３の係合部２３ａがディテントレバー１５のＮｏｔＰレンジ保持凹部２５に嵌まり込んだときに、ディテントレバー１５がＮｏｔＰレンジの位置に保持されるようになっている。これらディテントレバー１５とディテントバネ２３とからディテントレバー１５の回転位置を各レンジの位置に係合保持するためのディテント機構１４（節度機構）が構成されている。

Ｐレンジでは、パーキングロッド１８がロックレバー２１に接近する方向に移動して、円錐体１９の太い部分がロックレバー２１を押し上げてロックレバー２１の凸部２１ａがパーキングギヤ２０に嵌まり込んでパーキングギヤ２０をロックした状態となり、それによって、自動変速機２７の出力軸（駆動輪）がロックされた状態（パーキング状態）に保持される。

一方、ＮｏｔＰレンジでは、パーキングロッド１８がロックレバー２１から離れる方向に移動して、円錐体１９の太い部分がロックレバー２１から抜け出てロックレバー２１が下降し、それによって、ロックレバー２１の凸部２１ａがパーキングギヤ２０から外れてパーキングギヤ２０のロックが解除され、自動変速機２７の出力軸が回転可能な状態（走行可能な状態）に保持される。

尚、前述した出力軸センサ１０は、モータ１２の減速機構２６の出力軸１３の回転角度に応じた電圧を出力する回転センサ（例えばポテンショメータ）によって構成され、その出力電圧によって実際のシフトレンジがＰレンジとＮｏｔＰレンジのいずれであるかを確認できるようになっている。

モータ１２には、ロータの回転角（回転位置）を検出するためのエンコーダ４６（回転位置検出手段）が設けられている。このエンコーダ４６は、例えば磁気式のロータリエンコーダにより構成されており、モータ１２のロータの回転に同期して所定角度毎にＡ相、Ｂ相のパルス信号をレンジ切換制御装置４２に出力するように構成されている。レンジ切換制御装置４２（モータ制御装置）のマイコン４１は、エンコーダ４６から出力されるＡ相信号とＢ相信号の立ち上がり／立ち下がりの両方のエッジをカウントして、そのエンコーダカウント値に応じてモータドライバ３７（駆動回路）によってモータ１２の通電相を所定の順序で切り換えることでモータ１２を回転駆動する。この機能が特許請求の範囲でいう制御手段に相当する。

モータ１２の回転中は、Ａ相信号とＢ相信号の発生順序によってモータ１２の回転方向を判定し、正回転（Ｐレンジ→ＮｏｔＰレンジの回転方向）ではエンコーダカウント値をカウントアップし、逆回転（ＮｏｔＰレンジ→Ｐレンジの回転方向）ではエンコーダカウント値をカウントダウンする。これにより、モータ１２が正回転／逆回転のいずれの方向に回転しても、エンコーダカウント値とモータ１２の回転角との対応関係が維持されるため、正回転／逆回転のいずれの回転方向でも、エンコーダカウント値によってモータ１２の回転位置を検出して、その回転位置に対応した相の巻線に通電してモータ１２を回転駆動できるようになっている。

レンジ切換制御装置４２には、Ｐレンジへの切換操作を行うＰレンジスイッチ４３と、ＮｏｔＰレンジへの切換操作を行うＮｏｔＰレンジスイッチ４４の操作信号が入力される。Ｐレンジスイッチ４３又はＮｏｔＰレンジスイッチ４４の操作により選択されたレンジに応じてモータ１２が駆動されてシフトレンジが切り換えられ、切り換え後の実際のシフトレンジがインストルメントパネル（図示せず）に設けられたレンジ表示部４５に表示される。

ところで、モータ１２の回転量（回転角度）は、減速機構２６、出力軸１３、ディテントレバー１５、ディテントバネ２３等からなる回転伝達系を介してレンジ切換機構１１の操作量（パーキングロッド１９のスライド量）に変換されるが、回転伝達系を構成する部品間には、遊び（ガタ）が存在する。例えば、減速機構２６の歯車間のバックラッシが存在し、また、モータ１２の回転軸の先端部に形成した断面非円形の連結部を出力軸１３の嵌合穴に嵌め込んで連結する構成では、両者の嵌め込み作業を容易にするためのクリアランスが必要となる。

また、図３に示すように、ディテントバネ２３の係合部２３ａがディテントレバー１５のＰレンジ保持凹部２４やＮｏｔＰレンジ保持凹部２５に嵌まり込んだときに、係合部２３ａと各保持凹部２４，２５の側壁との間に僅かな隙間（ガタ）が存在する。このように、モータ１２の回転量をレンジ切換機構１１の操作量（パーキングロッド１９のスライド量）に変換する回転伝達系には、バックラッシや部品間の隙間等による遊び（ガタ）が存在するため、エンコーダカウント値に基づいてモータ１２の回転量（回転角）を正確に制御しても、レンジ切換機構１１の操作量には回転伝達系の遊び（ガタ）分の誤差が生じてしまい、レンジ切換機構１１の操作量を精度良く制御することができない。

そこで、本実施例では、ディテントバネ２３の係合部２３ａがレンジ切換機構１１の可動範囲のＰレンジ側の限界位置であるＰレンジ保持凹部２４の側壁（以下「Ｐレンジ壁」という）に突き当たるまでモータ１２を回転させる“突き当て制御”を実施して、Ｐレンジ壁位置のエンコーダカウント値を基準位置のエンコーダカウント値として検出して学習し、この基準位置のエンコーダカウント値を基準にしてモータ１２の回転量（回転角）を制御するようにしている。

この突き当て制御時に、ディテントバネ２３の係合部２３ａがＰレンジ壁に突き当たると、モータ１２のトルクに応じて回転伝達系の各部材が弾性変形するため、モータ１２の最大トルク（図４参照）と回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う位置までモータ１２が回転して停止する。この際、回転伝達系の各部材の弾性変形量が大きくなるに従って、負荷トルクが大きくなってモータ１２の回転速度が低下するため、図５に示すように、回転伝達系の各部材の弾性変形量（負荷トルク）が大きくなるに従って、１つの通電相の連続通電時間が長くなる。

このような特性に着目して、本実施例では、突き当て制御の実行中に１つの通電相の連続通電時間が所定時間以上になったときにＰレンジ壁に突き当たったと判断してその位置を基準位置として学習するようにしている。

ここで、判定しきい値となる「所定時間」は、少なくともモータ１２の最大トルクと回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う通電相の１つ手前の通電相の連続通電時間（図５のＥ）よりも短い時間に設定され、且つ、シフトレンジを切り換えるのに必要なトルクを発生する１つの通電相の連続通電時間よりも長い時間に設定されている。例えば、図５において、判定しきい値となる「所定時間」をＡに設定すると、突き当て制御の実行中に１つの通電相の連続通電時間がＡ以上になったときに、Ｐレンジ壁に突き当たったと判断して、通電相の切り換えを停止し、その位置を基準位置として学習することで、突き当て制御時のモータ１２のトルクをＣに抑えることができ、ディテント機構１４等に与える負担を軽減することができる。

また、実際のシフトレンジがＮｏｔＰレンジの時に、ＮｏｔＰレンジからＰレンジ壁への突き当て制御を実施する場合は、ディテントバネ２３の係合部２３ａがディテントレバー１５のＮｏｔＰレンジ保持凹部２５から山を乗り越えてＰレンジ保持凹部２４へ移動しなければならない。この場合、ディテントバネ２３の係合部２３ａが両レンジ保持凹部２４，２５間の山を乗り越える際に、負荷トルクが一時的に大きくなるため、モータ１２のトルクは、両レンジ保持凹部２４，２５間の山を乗り越える負荷トルクよりも大きなトルクを確保する必要がある。

このような観点から、本実施例では、判定しきい値となる「所定時間」は、両レンジ保持凹部２４，２５間の山を乗り越えるのに必要なトルクＤ（図５参照）を発生する１つの通電相の連続通電時間よりも長い時間に設定されている。例えば、図５において、判定しきい値となる「所定時間」をＢに設定すれば、両レンジ保持凹部２４，２５間の山を乗り越えるのに必要なトルクＤを確保することができ、ＮｏｔＰレンジからでもＰレンジ壁への突き当て制御を実施することができる。

以上説明した本実施例の突き当て制御は、レンジ切換制御装置４２のマイコン４１によって図６の突き当て制御プログラムに従って実行される。以下、図６の突き当て制御プログラムの処理内容を説明する。

図６の突き当て制御プログラムは、レンジ切換制御装置４２の電源オン期間中に所定周期で実行され、特許請求の範囲でいう基準位置学習手段としての役割を果たす。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、突き当て制御実行条件が成立しているか否かを判定し、突き当て制御実行条件が成立していないと判定されれば、以降の処理を行うことなく、そのまま本プログラムを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、突き当て制御実行条件が成立していると判定されれば、ステップ１０２に進み、モータ１２をＰレンジ壁方向へ回転させる。この後、ステップ１０３に進み、通電相を切り換える毎に、現在通電している通電相の連続通電時間が上述した所定時間以上であるか否かを判定し、所定時間未満と判定されれば、ステップ１０４に進み、エンコーダカウント値に基づいて通電相切換後のモータ１２の回転角度が所定値以上になったか否かで通電相の切換タイミングになったか否かを判定し、通電相の切換タイミングになるまで、通電相の連続通電時間が所定時間以上であるか否かを判定する処理を繰り返す。

通電相の連続通電時間が所定時間以上になる前に、通電相の切換タイミングが到来すれば、ステップ１０５に進み、次の通電相に切り換えて通電を開始して、ステップ１０３に戻る。

以上の処理により、通電相を切り換える毎に、現在通電している通電相の連続通電時間が所定時間以上であるか否かを判定し、通電相の連続通電時間が所定時間以上であると判定された時点で、Ｐレンジ壁に突き当たったと判断して、ステップ１０６に進み、現在のモータ１２の回転位置（エンコーダカウント値）を基準位置として学習して本プログラムを終了する。

以上説明した本実施例では、突き当て制御の実行中に１つの通電相の連続通電時間が所定時間以上になったか否かでＰレンジ壁に突き当たったか否かを判定する際に、その判定しきい値となる「所定時間」を、少なくともモータ１２の最大トルク（図４参照）と回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う通電相の１つ手前の通電相の連続通電時間よりも短い時間に設定したので、モータ１２のトルクが最大となる位置の１つ以上手前の通電相を検出してその通電相の位置（回転伝達系の各部材の弾性変形量が従来より少ない位置）を基準位置として学習することが可能となり、突き当て制御時のモータ１２のトルク増大を適度に抑えることができ、耐久性を向上できる。しかも、モータ１２に２系統の駆動コイルを設ける必要がないため、コストダウンも実現できる。

更に、本実施例では、判定しきい値となる「所定時間」を、シフトレンジを切り換えるのに必要なトルクを発生する１つの通電相の連続通電時間よりも長い時間に設定したので、ＮｏｔＰレンジからＰレンジ壁への突き当て制御を実施する場合に、ＮｏｔＰレンジからＰレンジに切り換える際の一時的な負荷トルクの増大を、Ｐレンジ壁に突き当たったことによる負荷トルクの増大と誤判定することを防止でき、基準位置の誤学習を未然に防止できる。

尚、本実施例では、突き当て制御によりレンジ切換機構１１の可動範囲のＰレンジ側の限界位置であるＰレンジ壁に突き当たるまでモータ１２を回転させるようにしたが、これとは反対側に位置するＮｏｔＰレンジ側の限界位置であるＮｏｔＰレンジ保持凹部２５の側壁（ＮｏｔＰレンジ壁）に突き当たるまでモータ１２を回転させるようにしても良い。

また、エンコーダ４６は、磁気式のエンコーダに限定されず、例えば、光学式のエンコーダやブラシ式のエンコーダを用いても良い。また、エンコーダ４６は、Ａ相信号とＢ相信号を出力するエンコーダに限定されず、Ａ相、Ｂ相信号に加え、補正用（インデックス用）のＺ相信号を出力するエンコーダを用いても良い。

また、本実施例では、モータ１２としてスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）を用いたが、エンコーダの出力信号のカウント値に基づいてモータの回転位置を検出してモータの通電相を順次切り換えるブラシレス型の同期モータであれば、ＳＲモータに限定されず、他の種類のブラシレス型の同期モータであっても良い。

また、本実施例のレンジ切換装置は、ＰレンジとＮｏｔＰレンジの２つのレンジを切り換える構成であるが、例えば、ディテントレバー１５の回動動作に連動して自動変速機のレンジ切換弁とマニュアルバルブを切り換えて、自動変速機のＰ、Ｒ、Ｎ、Ｄ、…の各レンジを切り換えるレンジ切換装置にも本発明を適用して実施できる。

また、自動変速機（ＡＴ、ＣＶＴ、ＤＣＴ等）に限定されず、電気自動車用の減速機のシフトレンジを切り換えるレンジ切換装置にも本発明を適用して実施できる。

その他、本発明は、レンジ切換装置に限定されず、ＳＲモータ等のブラシレス型の同期モータを駆動源とする各種の位置切換装置に適用しても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できることは言うまでもない。

１１…レンジ切換機構（制御対象）、１２…モータ、１４…ディテント機構、１５…ディテントレバー、１８…パーキングロッド、２０…パーキングギヤ、２１…ロックレバー、２３…ディテントバネ、２３ａ…係合部、２４…Ｐレンジ保持凹部、２５…ＮｏｔＰレンジ保持凹部、２６…減速機構、２７…自動変速機、３７…モータドライバ、４１…マイコン（制御手段，基準位置学習手段）、４２…レンジ切換制御装置（モータ制御装置）、４６…エンコーダ（回転位置検出手段）

Claims (3)

1. 制御対象を回転駆動するモータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
   前記回転位置検出手段により検出した前記モータの回転位置に応じて前記モータの通電相を順次切り換えることで前記モータを目標位置まで回転駆動する制御手段と、
   前記モータを前記制御対象の可動範囲の少なくとも一方の限界位置の部材に突き当たるまで回転させる突き当て制御を実行してその限界位置を基準位置として学習する基準位置学習手段とを備えたモータ制御装置において、
   前記基準位置学習手段は、前記突き当て制御の実行中に１つの通電相の連続通電時間が所定時間以上になったときに前記限界位置の部材に突き当たったと判断してその位置を前記基準位置として学習するものであり、前記所定時間は、少なくとも前記モータの最大トルクと回転伝達系の各部材の弾性変形による負荷トルクが釣り合う通電相の１つ手前の通電相の連続通電時間よりも短い時間に設定されていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御対象は、複数の操作位置に切り換え可能に構成され、
   前記所定時間は、前記複数の操作位置間で切り換えるのに必要なトルクを発生する１つの通電相の連続通電時間よりも長い時間に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記制御対象は、シフトレンジを切り換えるレンジ切り換え機構であることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。

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