JP2014003879A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロック電流への依存度合を減らして、作動角のバラツキを低減する。
【解決手段】センサレスの角度検出装置は、学習時に、予め解っている回動範囲θ、学習時に得た平均電流Ｉａ１、学習時に得たロック電流Ｉｓを、保存した導出式θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θに上書き保存する。作動角θａを求める際は、作動角測定中に得た平均電流Ｉａを、保存した導出式θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θに代入して作動角θａを求める。ロック電流Ｉｓの依存度の低い導出式θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θを用いて作動角θａを求めるため、作動角θａのバラツキを低減できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、電動モータを搭載した電動アクチュエータ（例えば、「電動モータ＋減速機」等）の作動角θａを検出する角度検出装置に関し、特に「相対回転する２つの部材の回転角度を検出する回転角センサ」を用いないセンサレスの角度検出装置に関する。

（従来技術）
センサレスの角度検出装置に関連する技術として、特許文献１に開示される技術が知られている。
特許文献１は、
・直流モータのロック電流をＩｓ、
・無負荷時における直流モータの最大回転数（回転速度）をＮ０、
・現在、直流モータに流れる電流をＩ、
とした場合、
ｘ＝（Ｎ０／Ｉｓ）∫（Ｉｓ−Ｉ）ｄｔ ・・・（Ｂ）
よりなる導出式（移動量推定式）を用いて「駆動対象物の現在位置ｘ」を求める技術である。

（従来技術の問題点）
特許文献１に開示される技術は、図４（ａ）に示すように、
・直流モータのロック電流Ｉｓ（回転数＝０の時）、
・無負荷時における直流モータの最大回転数Ｎ０（モータ電流が最小≒０）、
の２点を学習により更新するものである。

この２点は、どちらもロック電流Ｉｓに関する値である。
具体的には、
（ｉ）図４（ａ）の下の点（Ｉｓ，０）はロック電流Ｉｓに関連する値であり、
（ｉｉ）図４（ａ）の上の点（０，Ｎ０）で示す最大回転数Ｎ０は、指示移動量、ロック電流Ｉｓと作動時電流の積分から算出するものであり、
どちらの２点もロック電流Ｉｓに関わる値である。

このように、特許文献１に開示される上記導出式（Ｂ）は、ロック電流Ｉｓの依存度が高い。
このため、ロック電流Ｉｓがズレると、「駆動対象物の現在位置ｘ」を求める上記導出式（Ｂ）がズレてしまう。その結果、測定結果の「検出値のバラツキ」が大きくなってしまう。

特に、「ブラシ付き直流モータ」の場合、ブラシとコンミテータの位置関係によりロック電流Ｉｓが変わってしまうため、上記導出式（Ｂ）におけるロック電流Ｉｓが、ブラシの位置によって大きく変わってしまう可能性がある。

具体的な一例として、３スロットの「ブラシ付き直流モータ」の場合、
・ブラシが隣接する２つのコンミテータを跨いで接触する場合（良回路）と、
・ブラシが１つのコンミテータのみと接触する場合（悪回路）と、
が存在する。
そして、良回路におけるロック電流Ｉｓに比較し、悪回路におけるロック電流Ｉｓは、約１．３３倍も違ってしまう。
その結果、良回路と悪回路との違いにより、上記導出式（Ｂ）が大きく変わってしまい、「検出値のバラツキ」が大きくなる不具合がある。

特開昭６３−１１０８６号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロック電流Ｉｓへの依存度合を減らした導出式を用いることで、検出値のバラツキを低減できるセンサレスの角度検出装置の提供にある。

〔請求項１の手段〕
請求項１の角度検出装置は、電動アクチュエータ作動時における電動モータの平均電流Ｉａを求め、この平均電流Ｉａと、予め設定した導出式（マイコン等に記憶させた演算式）とを用いて作動角θａを求める。
これによって、導出式におけるロック電流Ｉｓへの依存度合を減らすことができ、導出式から求められる「検出値のバラツキ（作動角θａのバラツキ）」を低減することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２の導出式は、
電動アクチュエータの回動範囲をθ、
電動アクチュエータの機械的な回動限界の一端から他端まで電動モータを作動させた際の総通電時間Ｔ１に電動モータを流れた平均電流をＩａ１、
機械的な回動不能時における電動モータ（１）のロック電流をＩｓ、
とした場合、
θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θ ・・・（Ａ）
である。
上記導出式（Ａ）に示すように、ロック電流Ｉｓへの依存度合を、従来技術｛導出式（Ｂ）参照｝に比較して減らすことができ、結果的に導出式（Ａ）から求められる「検出値のバラツキ（作動角θａのバラツキ）」を低減することができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３の電動アクチュエータは、機械的な回動限界を規制するメカストッパを搭載する。
これにより、電動アクチュエータを駆動対象物（例えば、ＴＣＶ等）に組み付けない状態で、学習（初期設定）を実施できる。

〔請求項４の手段〕
請求項４のメカストッパは、電動モータの出力を減速（トルク増幅）する歯車減速機の最終ギヤに設けられる。
これにより、上記請求項３の効果を得ることができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５の角度検出装置は、微分値ｄＩ／ｄｔあるいは減算値Ｉｎ−Ｉｎ_-1が予め設定した所定値以上の時、「サンプリングしたモータ電流Ｉｎ」に代えて「電動モータのロック電流Ｉｓ」を加算した値から平均電流Ｉａを求める。
これにより、「電圧の立ち上がり（電動モータの通電開始直後）から電動アクチュエータが回転し始めるまでの間（電動モータが停止している間）」および「電動アクチュエータが機械的に突き当たってからモータ電流Ｉがロック電流Ｉｓに上昇するまでの間（電動モータが停止している間）」を、電動モータの回転数を０（ゼロ）と見なして平均電流Ｉａを求めることができるため、「検出値のバラツキ（作動角θａのバラツキ）」を低減することができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６の角度検出装置は、学習時に計測したロック電流Ｉｓの大きさから回転不能状態（ロック状態）が良回路であるか悪回路であるかを判定し、判定結果に基づいて「測定したロック電流Ｉｓ」に「補正係数αｓ」を乗算させる。
これにより、「導出式におけるロック電流」を良回路と悪回路の平均に補正することができ、「導出式により求められる作動角」の精度を高めることができる。

（ａ）電動アクチュエータの説明図、（ｂ）角度検出装置の概略ブロック図である（実施例１）。 （ａ）電動アクチュエータとＥＣＵの要部の説明図、（ｂ）電動アクチュエータとＴＣＶにおけるシャフトおよびバルブの説明図である（実施例１）。 （ａ）時間軸に対するモータ電流、モータ回転数、作動角の説明図、（ｂ）Ｔ−Ｉ特性図、（ｃ）Ｎ−Ｔ特性図である（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）特許文献１と実施例とを比較したＩ−Ｎ特性図である（実施例１）。 （ａ）学習時のフローチャート、（ａ）作動角を求める際のフローチャートである（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）作動説明のためのタイムチャートである（実施例２）。 （ａ）学習時のフローチャート、（ａ）作動角を求める際のフローチャートである（実施例２）。 （ａ）良回路の概略図、（ａ’）良回路の等価回路図、（ｂ）悪回路の概略図、（ｂ’）悪回路の等価回路図である（実施例３）。 良回路と悪回路の判定に用いる電流値の説明図である（実施例３）。 （ａ）良回路と悪回路における平均電流Ｉａ１の説明図、（ｂ）Ｉ−Ｎ特性図である（実施例３）。

図面を参照して［発明を実施するための形態］を説明する。
角度検出装置は、通電により回転力を発生する電動モータ１を搭載した電動アクチュエータ２の作動角θａを検出するものであり、
・機械的な回動限界により規制される電動アクチュエータ２の回動範囲をθ、
・学習時（初期設定時等）に、電動アクチュエータ２の機械的な回動限界の一端から他端まで電動モータ１を作動させた際の総通電時間Ｔ１において電動モータ１を流れた平均電流をＩａ１、
・機械的な回動不能時において電動モータ１を流れるロック電流をＩｓ、
・作動角θａの測定中に電動モータ１を流れた平均電流をＩａ、
とした場合、
θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θ ・・・（Ａ）
よりなる導出式を用いて作動角θａを求める。

具体的に、学習を行う際は、電動アクチュエータ２の機械的な回動限界の一端から他端まで電動モータ１を作動させて、平均電流Ｉａ１、ロック電流Ｉｓを取得し、予め解っている回動範囲θとともに上記導出式（Ａ）に上書き保存する。
そして、作動角θａを求める際は、電動モータ１の作動時における平均電流Ｉａを求め、この求めた平均電流Ｉａを上記導出式（Ａ）に代入して作動角θａを求める。

以下において本発明の具体的な一例（実施例）を、図面を参照して説明する。実施例は、具体的な一例を示すものであって、本発明が実施例に限定されないことはいうまでもない。
なお、以下の実施例において、上記「発明を実施するための形態」と同一符号は関連物を示すものである。

［実施例１］
図１〜図５を参照して実施例１を説明する。
この実施例では、本発明をＴＣＶ（タンブル・コントロール・バルブの略）に適用した具体例を説明する。

（ＴＣＶの説明）
ＴＣＶは、
・気筒に近い吸気通路内（例えば、インマニ内）に配置されるバルブ３と、
・軸受４を介して回動自在に支持され、バルブ３と一体に回動するシャフト５と、
・このシャフト５を駆動する電動アクチュエータ２と、
・この電動アクチュエータ２を通電制御するＥＣＵ６（エンジン・コントロール・ユニットの略）と、
を用いて構成される。

なお、この実施例では、バルブ３が「全閉（バルブ３が吸気通路を必ずしも全て塞ぐという意味ではない）」と「全開」の２パターンに駆動される例を示すが、もちろん限定されるものではない。

電動アクチュエータ２は、
・通電により回転力を発生する電動モータ１と、
・この電動モータ１の回転を減速（トルク増幅）してシャフト５を駆動する歯車減速機７と、
を備える。

電動モータ１は、通電方向が切り替わることで回転方向が切り替わるとともに、通電量に応じた回転トルクを発生する周知なブラシ付きの直流モータである。

歯車減速機７は、複数のギヤの組み合わせにより電動モータ１の発生する回転トルクを減速してシャフト５に伝達する減速手段であり、電動モータ１と一体に回転するモータギヤ８と、このモータギヤ８によって回転駆動される中間ギヤ９と、この中間ギヤ９によって回転駆動される最終ギヤ（出力ロータ）１０とからなり、最終ギヤ１０はシャフト５の端部に固定されて、シャフト５と一体に回動する。

モータギヤ８は、電動モータ１のロータ軸に固定された小径のウォームギヤである。
中間ギヤ９は、大径のヘリカルギヤ９ａと小径のスパーギヤ９ｂが同芯で設けられた２重歯車であり、固定部材（インマニ等）により支持される支持軸によって回転自在に支持される。そして、ヘリカルギヤ９ａがモータギヤ８と常に噛合し、スパーギヤ９ｂが最終ギヤ１０と常に噛合する。なお、ヘリカルギヤ９ａとスパーギヤ９ｂの間には、振動吸収用のクッション材（ゴム材）１１が介在されている。

最終ギヤ１０は、シャフト５の端部に固定される大径の外歯歯車であり、モータギヤ８（ウォームギヤ）→ヘリカルギヤ９ａ→スパーギヤ９ｂ→最終ギヤ１０の順で減速により増幅された回転トルクをシャフト５に伝達する。なお、最終ギヤ１０の具体的な一例は、スパーギヤ９ｂと噛合する外歯がシャフト５（バルブ３）の回動に伴う範囲のみに設けられるものである（もちろん、限定されるものではない）。

電動アクチュエータ２を制御するＥＣＵ６は、ＣＰＵ１２（マイコン）を搭載した周知の電子制御装置であり、エンジンの運転状態に応じてバルブ開度（この実施例では、全開または全閉）を求め、求めたバルブ開度が得られるように駆動回路１３（例えば、Ｈブリッジ回路）を介して電動モータ１を通電制御する。

（実施例の特徴技術）
ＥＣＵ６には、ＴＣＶの故障検出手段が搭載されている。
既存技術では、ＴＣＶの故障を検出する手段として、シャフト５の回転角度を検出する回転角センサを搭載していた。
既存技術に用いられていた回転角センサの具体例は、２つの部材の相対回転を非接触で検出する磁気型であり、最終ギヤ１０にインサートされた磁気回路と、固定部材（インマニに装着されるカバー等）に取り付けられて磁気回路の内側に非接触で配置されるホールＩＣとを備えて構成され、ＥＣＵ６はホールＩＣの出力信号に基づいてシャフト５（即ち、バルブ３）の回転角を検出する。

しかしながら、既存技術で用いていた回転角センサは、ＴＣＶが万が一故障した時に役立つものであり、コストに対する効果が低いという問題があった。
そこで、この実施例のＴＣＶは、「センサレスの角度検出装置」を用いてＴＣＶの故障検出を行うものである。

この実施例の角度検出装置を以下において詳細に説明する。
この実施例のＥＣＵ６には、電動アクチュエータ２の作動角θａ（シャフト５の回転角）を検出する角度検出プログラムが搭載されている。
この角度検出プログラムは、「モータ電流がモータ回転数に比例する関係を使ってモータ電流から電動アクチュエータ２の作動角θａを推定する」ものであり、
・機械的な回動限界により規制される電動アクチュエータ２の回動範囲をθ、
・学習時に、電動アクチュエータ２の機械的な回動限界の一端から他端まで電動モータ１を作動させた際の総通電時間をＴ１、
・この総通電時間Ｔ１において電動モータ１に流れた平均電流をＩａ１、
・機械的な回動不能時に、電動モータ１に流れたロック電流をＩｓ、
・作動角θａの測定中に、電動モータ１に流れた平均電流をＩａ、
とした場合、
θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θ ・・・（Ａ）
よりなる導出式を用いて作動角θａを求める。

具体的には、学習を行う際に、電動アクチュエータ２の機械的な回動限界の一端から他端まで電動モータ１を作動させて、平均電流Ｉａ１、ロック電流Ｉｓを取得し、予め解っている回動範囲θとともに上記導出式（Ａ）に上書き保存する。
そして、作動角θａを求める際は、電動モータ１の平均電流Ｉａを上記導出式（Ａ）に代入して作動角θａを求めるものである。

なお、この実施例の電動アクチュエータ２は、機械的な回動限界を規制するメカストッパ１４を搭載する。このメカストッパ１４は、図１（ａ）に示すように、歯車減速機７の最終ギヤ１０に設けられる。
具体的なメカストッパ１４の一例は、
・最終ギヤ１０に設けられたストッパ突起（ストッパレバー）１４ａと、
・固定部材（インマニ等）に設けられ、最終ギヤ１０の回動範囲を、全開位置と全閉位置との間（即ち、回動範囲θ）に規制する２つの固定ストッパ１４ｂと、
により構成される。

また、電動モータ１の駆動回路１３には、図１（ｂ）に示すように、電動モータ１を流れる電流を検出する電流センサ１５が設けられている。
具体的な電流センサ１５の一例は、
・駆動回路１３とグランド（ＧＮＤ）の間に介在させたシャント抵抗１５ａと、
・このシャント抵抗１５ａによって検出される電圧信号からノイズを除去するフィルタ回路１５ｂと、
・フィルタ回路１５ｂを通過した信号を増幅する増幅回路１５ｃと、
を備えて構成される。
そして、増幅回路１５ｃで増幅された信号は、ＥＣＵ６に設けられたＡ／Ｄ変換器１６（アナログからデジタルへの変換器）によりデジタル信号に変換された後、ＣＰＵ１２に読み取られる。

次に、上記導出式（Ａ）を、図３および図４（ｂ）を参照して説明する。
なお、以下の説明において（一部、上記と重複あり）、
Ｉはモータ電流（電動モータ１を流れる電流）、
Ｔはモータトルク（電動モータ１の出力トルク）、
Ｎはモータ回転数（電動モータ１の回転速度）、
θｍはモータ回動角（電動モータ１の回動角）、
θａはＡＣＴ作動角（電動アクチュエータ２の作動角）、
ｒは歯車減速機７の減速比、
ｔは作動時間、
Δｔは一定間隔（１回のサンプリング間隔）、
Ｉｎは一定間隔Δｔでサンプリングしたモータ電流、
Δθｎは一定間隔ΔｔでサンプリングしたＡＣＴ作動角、
Ｉａはモータ電流の平均値、
Ｔ１は総通電時間、
Ｉａ１は総通電時間Ｔ１におけるモータ平均電流、
Ｎａは総通電時間Ｔ１だけ電動モータ１を通電した時のモータ回転数の平均値、
θはメカストッパ１４によって制限される電動アクチュエータ２の回動範囲、
Ｉｓはメカストッパ１４（ストッパ突起１４ａと固定ストッパ１４ｂの当接）による回動不能時に電動モータ１を流れたロック電流、
α、β、γ、δ、ｋ、ｇは定数、
である。

（モータ電流から作動角θａを導出する方法）
電動モータ１のＩ−Ｔ特性（電流とトルクの関連性）から、モータ電流ＩとモータトルクＴの関係を、下記（１）式とし、
Ｉ＝α×Ｔ＋β ・・・（１）
電動モータ１のＮ−Ｔ特性（回転数とトルクの関連性）から、モータ回転数ＮとモータトルクＴの関係を、下記（２）式とすると、
Ｎ＝γ×Ｔ＋δ ・・・（２）
上記（１）、（２）式からモータ電流Ｉとモータ回転数Ｎの関係は、下記（３）式で表される。
Ｎ＝ｋ×Ｉ＋ｇ ・・・（３）

ここで、ｋ＝γ／α、ｇ＝δ−（γ×β／α）である。
モータ作動角θｍは、モータ回転数と時間ｔから、下記（４）式のように表される。
θｍ＝Ｎ×ｔ ・・・（４）
また、ＡＣＴ作動角θａは、モータ作動角θｍと減速比ｒから、下記（５）式のように表される。
θａ＝θｍ／ｒ ・・・（５）
そして、上記（３）、（４）、（５）式から、ＡＣＴ作動角θａは、モータ電流Ｉを使って下記（６）式のように表される。
θａ＝（ｋ×Ｉ＋ｇ）×ｔ／ｒ ・・・（６）

（モータ電流が変動する場合）
総通電時間Ｔ１において一定間隔Δｔでサンプリングしたモータ電流Ｉｎ、そのサンプリング間隔Δｔに作動したＡＣＴ作動角Δθｎとすると、ＡＣＴ作動角θａは、上記（６）式から、下記（７）式のように表される。
θａ＝Σθｎ＝Σ｛（ｋ×Ｉｎ＋ｇ）×Δｔ／ｒ｝
∴θａ＝（ｋΣＩｎ＋ｇ×ｎ）×Δｔ／ｒ｝ ・・・（７）

また、サンプリングしたモータ電流Ｉｎの平均をＩａとすると、下記（８）式が得られる。
ΣＩｎ＝ｎ×Ｉａ ・・・（８）
そして、上記（７）、（８）式と、Ｔ１＝ｎ×Δｔの関係から、ＡＣＴ作動角θａは、下記（９）式でも表せることができる。
θａ＝（ｋ×Ｉａ＋ｇ）×Ｔ１／ｒ ・・・（９）

（モータ特性の補正方法）
実際のモータ特性｛モータ電流Ｉとモータ回転数Ｎの関係：図４（ｂ）参照｝を、下記（１０）式と仮定する。
Ｎ＝ｋ×Ｉ＋ｇ ・・・（１０）
電動アクチュエータ２の作動範囲が回動範囲θに制限された電動アクチュエータ２に総通電時間Ｔ１だけ通電した時の平均モータ回転数Ｎａは、下記（１１）式で表される。
Ｎａ＝θ・ｒ／Ｔ１ ・・・（１１）
総通電時間Ｔ１におけるサンプリング電流の平均電流Ｉａ１とすると、上記（１１）式を上記（１０）式に代入することで、下記（１２）式が得られる。
θ・ｒ／Ｔ１＝ｋ×Ｉａ１＋ｇ ・・・（１２）

また、ロック電流Ｉｓとすると、Ｉ＝Ｉｓの時にＮ＝０（ゼロ）の関係から、下記（１３）式が成り立つ。
０（ゼロ）＝ｋ×Ｉｓ＋ｇ ・・・（１３）
上記（１２）、（１３）式を解くと、下記（１４）、（１５）式が得られる。
ｋ＝θ・ｒ／｛Ｔ１×（Ｉａ１−Ｉｓ）｝ ・・・（１４）
ｇ＝−θ・ｒ×Ｉｓ／｛Ｔ１×（Ｉａ１−Ｉｓ）｝ ・・・（１５）
そして、上記（１４）、（１５）式を、上記（９）式に代入すると、下記（Ａ）式が得られる｛即ち、上述した導出式（Ａ）が得られる｝。
θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θ ・・・（Ａ）

（角度検出装置の学習作動）
「センサレスの角度検出装置」における学習時（初期設定時）の制御例を、図５（ａ）のフローチャートを参照して説明する。

学習を実施する際は、電動アクチュエータ２にＥＣＵ６を接続して、電動モータ１の通電を開始する（スタート）。すると、ＥＣＵ６に搭載された角度検出プログラムは、先ずモータ電流Ｉｎをサンプリング取得する（ステップＳ１）。
次に、カウンタ値ｎが予め設定した上限値（総通電時間Ｔ１に対応したカウンタ値）に達したか否かの判断を行う（ステップＳ２）。

このステップＳ２の判断結果がＮＯの場合は、カウンタ値ｎを１つカウントアップし（ステップＳ３）、サンプリングしたモータ電流Ｉｎをサンプリング電流Ｉｓｕｍに加算し（ステップＳ４）、その後ステップＳ１へ戻る。

上記ステップＳ２の判断結果がＹＥＳの場合は、積み上げたサンプリング電流Ｉｓｕｍをカウント値ｎで割り、総通電時間Ｔ１における電動モータ１の平均電流Ｉａ１を求めるとともに（ステップＳ５）、ストッパ突起１４ａと固定ストッパ１４ｂが当接して電動アクチュエータ２が回動不能な時に電動モータ１に流れたモータ電流Ｉｎ（具体的には、予め設定した閾値を超えた時のモータ電流Ｉｎ）をロック電流Ｉｓにする（ステップＳ６）。
続いて、予め設定されている回動範囲θ（メカストッパ１４によって制限される回動範囲）を読み込む（ステップＳ８）。

そして、ステップＳ５〜Ｓ８により得た「平均電流Ｉａ１」、「ロック電流Ｉｓ」、「回動範囲θ」の各値を、
θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θ ・・・（Ａ）
に上書き保存し（ステップＳ９）、この学習ルーチンを終了する（終了）。

（角度検出装置による作動角θａの算出作動）
次に、「センサレスの角度検出装置」による作動角θａの推定例を、図５（ｂ）のフローチャートを参照して説明する。

電動アクチュエータ２の作動角θａを求める制御ルーチンに侵入すると（スタート）、ＥＣＵ６に搭載された角度検出プログラムは、上述したステップＳ１〜Ｓ４の作動を実施し、カウンタ値ｎが予め設定した上限値（総通電時間Ｔ１に対応したカウンタ値）に達するまで、サンプリング電流Ｉｓｕｍを積み上げる。

そして、ステップＳ２の判断結果がＹＥＳになると、積み上げたサンプリング電流Ｉｓｕｍをカウント値ｎで割って、電動モータ１の平均電流Ｉａを求める（ステップＳ１１）。

そして、ステップＳ１１により得た「平均電流Ｉａ」を、
θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θ ・・・（Ａ）
に代入して作動角θａを求め（ステップＳ１２）、この作動角測定ルーチンを終了する（終了）。

（実施例１の効果１）
この実施例の角度検出装置は、
・プログラムに保存される導出式（Ａ）、
・予め解っている回動範囲θ、
・学習時に得た平均電流Ｉａ１、
・学習時に得たロック電流Ｉｓ、
・作動角測定の際に得た平均電流Ｉａ、
を用いて作動角θａを求めるものである。

この実施例に用いる導出式（Ａ）は、従来技術｛導出式（Ｂ）｝に比較して、ロック電流Ｉｓへの依存度合を減らすことができる。
具体的に、
（ｉ）図４（ｂ）の下の点（Ｉｓ，０）はロック電流Ｉｓに関連する値であるが、
（ｉｉ）図４（ｂ）の上の点（Ｉａ１，Ｎａ）の「平均電流Ｉａ１」および「平均モータ回転数Ｎａ」は、どちらもロック電流Ｉｓに関わらない「安定した値」である。
このため、この実施例の角度検出装置は、従来技術｛図４（ａ）参照｝に比較して、ロック電流Ｉｓへの依存度合を減らすことができる。
このように、この実施例の角度検出装置は、ロック電流Ｉｓの依存度の低い導出式（Ａ）から作動角θａを求めるため、「検出値のバラツキ（作動角θａのバラツキ）」を低減することができる。

（実施例１の効果２）
この実施例の角度検出装置は、上述したように、電動アクチュエータ２に搭載したメカストッパ１４（具体的には、最終ギヤ１０に設けたストッパ突起１４ａ＋固定ストッパ１４ｂ）により、電動アクチュエータ２の機械的な回動限界を規制する。
これにより、電動アクチュエータ２を駆動対象物（ＴＣＶのシャフト５等）に組み付けない状態で、学習（初期設定）を実施できる。

（実施例１の効果３）
ＥＣＵ６は、電動アクチュエータ２を駆動してバルブ３を駆動する際、この実施例の角度検出装置によって求められる作動角θａに基づいて、バルブ３およびシャフト５の駆動系に故障が有るか無いかを判定する。
この実施例の角度検出装置は、回転角センサを用いないセンサレスであるため、回転角センサを用いて作動角θａを求める場合に比較してコストを低く抑えることができる。その結果、ＴＣＶの信頼性を維持しつつ、ＴＣＶのコストを抑えることができる。

［実施例２］
図６、図７を参照して実施例２を説明する。なお、以下の各実施例において上記実施例１と同一符号は同一機能物を示すものである。
電動モータ１の通電時、図６（ａ）に示すように、瞬時に一定の作動電圧（ＯＮ作動による急激な電圧の立ち上がり）を電動モータ１に印加する場合、「電圧の立ち上がり（電動モータ１の通電開始直後）から電動アクチュエータ２が回転し始めるまでの間Ｌ１」、および「メカストッパ１４に突き当たってからモータ電流Ｉがロック電流Ｉｓに上昇するまでの間Ｌ２」では、電動モータ１がＮ−Ｉ特性（図３参照）に則らず回転しない。

このため、「電圧の立ち上がりから電動アクチュエータ２が回転し始めるまでの間Ｌ１」および「メカストッパ１４に突き当たってからモータ電流Ｉがロック電流Ｉｓに上昇するまでの間Ｌ２」にサンプリングしたモータ電流Ｉｎを用いて平均電流Ｉａを求めると、図６（ａ）に示すように、この平均電流Ｉａを用いて推定される推定作動量Ｘが、実際の作動量Ｙに比較してズレてしまう。
即ち、作動角θａに計測誤差が生じてしまう。

そこで、この実施例２では、
（ｉ）電動アクチュエータ２の作動中（電動モータ１の通電時）におけるモータ電流Ｉの微分値ｄＩ／ｄｔが予め設定した所定値｛モータ電流の急激な立ち上がりを検出する値：図６（ｂ）の破線Ｚ参照｝以上の時、
（ｉｉ）あるいは、電動アクチュエータ２の作動中（電動モータ１の通電時）にサンプリングしたモータ電流Ｉｎから直前にサンプリングしたモータ電流Ｉｎ_-1を引いた減算値Ｉｎ−Ｉｎ_-1が予め設定した所定値（モータ電流の急激な立ち上がりを検出する値）以上の時は、
サンプリングしたモータ電流Ｉｎに代えてロック電流Ｉｓ（モータ回転数Ｎ＝０に相当）を加算し、その値から平均電流Ｉａを求める。

この実施例２における「学習時の制御例」および「作動角θａの推定例」を、図７（ａ）、（ｂ）のフローチャートを参照して説明する。なお、以下では、図５（ａ）、（ｂ）との相違箇所のみを説明する。
「学習時の制御時」および「作動角θａの推定時」のそれぞれの制御では、ステップＳ３の実行後（カウンタ値ｎのカウント後）に、サンプリングしたモータ電流Ｉｎから直前にサンプリングしたモータ電流Ｉｎ_-1を引いた減算値Ｉｎ−Ｉｎ_-1が所定値より小さいか否かの判断を行う（ステップＳ２１）。

このステップＳ２１の判断結果がＮＯの場合（減算値Ｉｎ−Ｉｎ_-1が所定値以上の時）は、サンプリングしたモータ電流Ｉｎに代えてロック電流Ｉｓをサンプリング電流Ｉｓｕｍに加算し（ステップＳ２２）、その後ステップＳ１へ戻る。
また、ステップＳ２１の判断結果がＹＥＳの場合（減算値Ｉｎ−Ｉｎ_-1が所定値より小さい時）は、ステップＳ４へ進む。即ち、サンプリングしたモータ電流Ｉｎをサンプリング電流Ｉｓｕｍに加算し、その後ステップＳ１へ戻る。

（実施例２の効果）
この実施例２の角度検出装置は、上述したように、微分値ｄＩ／ｄｔあるいは減算値Ｉｎ−Ｉｎ_-1が所定値以上の時、「サンプリングしたモータ電流Ｉｎ」に代えて「電動モータ１のロック電流Ｉｓ」を加算し、その値（積算したサンプリング電流Ｉｓｕｍ）から平均電流Ｉａを求める。
これにより、「電圧の立ち上がりから電動アクチュエータ２が回転し始めるまでの間Ｌ１」および「電動アクチュエータ２が機械的に突き当たってからモータ電流Ｉがロック電流Ｉｓに上昇するまでの間Ｌ２」を、電動モータ１が回転していないもの（モータ回転数Ｎ＝０）として平均電流Ｉａを求めることができる。

その結果、この実施例２では、誤差成分を排除することができ、図６（ｂ）に示すように、求めた平均電流Ｉａと導出式（Ａ）から算出される推定作動量Ｘを、実際の作動量Ｙに略一致させることができる。
即ち、センサレスの角度検出装置により求められる作動角θａの計測誤差を、より小さく抑えることができる。

（実施例２の補足説明）
電動モータ１の停止時にメカストッパ１４に突き当たらないものであっても良い。この場合、「電圧の立ち上がりから電動アクチュエータ２が回転し始めるまでの間Ｌ１」のみが、電動モータ１が回転していないもの（モータ回転数Ｎ＝０）として平均電流Ｉａが求められて、上述した「実施例２の効果」が得られる。

実施例２は、電動モータ１の通電時に、一定の作動電圧が電動モータ１に印加される場合において上述した「実施例２の効果」が得られる。
即ち、通電開始時に電圧を徐々に上げて電動モータ１を動かし始める場合には、上述した「実施例２の効果」が得られない。
同様に、メカストッパ１４に突き当たる前に電圧を下げるなどして急激な電流変化が生じないように電圧制御する場合には、上述した「実施例２の効果」が得られない。

［実施例３］
図８〜図１０を参照して実施例３を説明する。
この実施例３は、上述した実施例１または実施例２に適用可能な技術であり、この実施例のＥＣＵ６は、学習により導出式（Ａ）に用いるロック電流Ｉｓを設定する際｛図５（ａ）および図７（ａ）参照｝、
（ｉ）学習時に計測したロック電流Ｉｓの大きさから電動モータ１の回転不能状態（ロック状態）が「良回路」であるか「悪回路」であるかを判定し、
（ｉｉ）判定結果に基づいて、測定したロック電流Ｉｓに補正係数αｓを乗算させるものである。

具体的な一例として、この実施例の電動モータ１が「３スロットのブラシ付きの直流モータ（ＤＣモータ）」の場合、
・図８（ａ）に示すように、ブラシ２１が隣接する２つのコンミテータ２２を跨いで接触する良回路と、
・図８（ｂ）に示すように、ブラシ２１が１つのコンミテータ２２のみと接触する悪回路とが存在する。

良回路と悪回路では、図８（ａ’）、（ｂ’）の等価回路に示すように、電動モータ１の端子間抵抗（ブラシ間抵抗）が異なる。
その結果、良回路におけるロック電流Ｉｓと、悪回路におけるロック電流Ｉｓとが異なる値になってしまう。

ここで、電圧をＶ、電流をＩ、巻線２３の抵抗値（巻線抵抗）をｒとした場合、
・良回路の等価回路における端子間抵抗が「１／２ｒ」、
・悪回路の等価回路における端子間抵抗が「２／３ｒ」となり、
・良回路の等価回路における電流値が「２Ｖ／ｒ」、
・悪回路の等価回路における電流値が「３Ｖ／２ｒ」となる。

このように、学習時が「良回路」か「悪回路」で、導出式（Ａ）のロック電流値Ｉｓが異なることになる。
そこで、この実施例３では、学習時が「良回路」であっても「悪回路」であっても、学習設定するロック電流Ｉｓを良回路と悪回路の平均の「７Ｖ／４ｒ」に補正する。

具体的に、学習時に計測したロック電流Ｉｓを平均値へ補正するために、先ず学習時に計測したロック電流Ｉｓから「良回路」であるか「悪回路」であるかを判定する。
この判定は、学習時に計測したロック電流Ｉｓの大きさから判定する。その判定技術は、図９に示すように、良回路におけるロック電流範囲と、悪回路におけるロック電流範囲との間（即ち、２Ｖ／ｒと３Ｖ／２ｒの間）に閾値を設ける。そして、学習時に計測したロック電流Ｉｓが閾値より大きい場合には良回路と判定し、学習時に計測したロック電流Ｉｓが閾値より小さい場合には悪回路と判定する。

そして、良回路と判定された場合には、「良回路と悪回路の平均のロック電流Ｉｓ」に補正するための補正係数αｓを学習時に計測したロック電流Ｉｓに乗算する。
良回路における補正係数αｓは７／８（即ち、αｓ＝７／８）である。
これは、
（２Ｖ／ｒ）αｓ＝（２Ｖ／ｒ＋３Ｖ／２ｒ）／２＝７Ｖ／４ｒ
である。

同様に、悪回路と判定された場合には、「良回路と悪回路の平均のロック電流Ｉｓ」に補正するための補正係数αｓを学習時に計測したロック電流Ｉｓに乗算する。
悪回路における補正係数αｓは７／６（即ち、αｓ＝７／６）である。
これは、
（３Ｖ／２ｒ）αｓ＝（２Ｖ／ｒ＋３Ｖ／２ｒ）／２＝７Ｖ／４ｒ
である。

この実施例３における補正係数αｓの考え方を、図１０を参照して説明する。
電動モータ１の作動時は、図１０（ａ）に示すように、良回路と悪回路とが交互に発生する。そこで、上記実施例１で示したように、電動モータ１に流れた電流を平均電流Ｉａ１に補正して用いる。
同様に、この実施例３では、図１０（ｂ）に示すように、学習時が「良回路」であっても「悪回路」であっても、ロック電流Ｉｓを平均のロック電流Ｉｓに補正するものである。

この実施例３の補正を実行することにより、学習時が「良回路」であっても「悪回路」であっても、ロック電流Ｉｓを良回路と悪回路の平均の「７Ｖ／４ｒ」に補正することができる。
その結果、学習時が「良回路」であっても「悪回路」であっても、「導出式（Ａ）におけるロック電流Ｉｓ」を良回路と悪回路の平均に補正することで、「導出式（Ａ）により求められる作動角θａ」の精度を高めることができる。

なお、上記では、３スロットの直流モータを用いて説明したが、スロット数に応じた補正係数αｓを用いて学習時のロック電流Ｉｓを補正しても良い。
具体的に、スロット数と補正係数αｓは下記［表１］の関係にあり、下記［表１］の関係に従って学習時のロック電流Ｉｓを補正することで、「導出式（Ａ）により求められる作動角θａ」の精度を高めることができる。

スロット数ｎが奇数の時（ただし、ｎ≧３）、
・良回路の補正係数αｓは、
αｓ＝（２ｎ＋１）／（２ｎ＋２）
・悪回路の補正係数αｓは、
αｓ＝（２ｎ＋１）／２ｎ
により求められる。

同様に、スロット数ｎが偶数の時（ただし、ｎ≧４）、
・良回路の補正係数αｓは、
αｓ＝（２ｎ−１）／ｎ
・悪回路の補正係数αｓは、
αｓ＝（２ｎ−１）／（ｎ−２）
により求められる。

上記の実施例では、平均電流Ｉａを用いて作動角θａを求める手段として「モータ特性の補正」を実施する導出式（Ａ）を用いる例を示したが、導出式（Ａ）に限定するものではない。
具体的な一例として、上述した「モータ電流が変動する場合」の導出式（９）、
θａ＝（ｋ×Ｉａ＋ｇ）×Ｔ１／ｒ
を用いて作動角θａを求めても良い。

上記の実施例では、電動アクチュエータ２に歯車減速機７を用いる例を示したが、歯車とは異なる他の減速手段を用いても良い。あるいは、減速手段を用いない電動アクチュエータ２に本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、メカストッパ１４を用いる例を示したが、メカストッパ１４を廃止し、駆動対象物の機械的な回動限界を用いても良い。

上記の実施例で開示する電流センサ１５は具体的な一例であり、限定されるものではなく、モータ電流Ｉを正確にモニターできる手段であれば良い。
具体的な一例として、シャント抵抗１５ａを用いないものであっても良い。
フィルタ回路１５ｂを用いないものであっても良い。
信号増幅用の増幅回路１５ｃを用いないものであっても良い。

上記の実施例では、ＣＰＵ１２（マイコン）を用いて作動角θａを求める例を示したが、演算手段はＣＰＵ１２（マイコン）に限定するものではなく、作動角θａの導出式を演算可能なマイコンとは異なる装置を用いても良い。

上記の実施例では、ＴＣＶに本発明を適用する例を示したが、電動アクチュエータ２の駆動対象物は限定されるものではなく、ＳＣＶ（スワール・コントロール・バルブ）など他の渦流コントロール装置はもちろん、種々の駆動対象物を駆動する電動アクチュエータ２の作動角θａを本発明によって測定しても良い。

上記の実施例では、作動角θａの中間角度を検出しない例を示したが、「平均電流Ｉａのサンプリング間隔」を短く設定して、検出精度を高めても良い。

１ 電動モータ
２ 電動アクチュエータ
５ シャフト（駆動対象物）
６ ＥＣＵ（制御装置）
７ 歯車減速機
１０ 最終ギヤ
１４ メカストッパ

Claims (6)

1. 通電により回転力を発生する電動モータ（１）を搭載した電動アクチュエータ（２）の作動角θａを検出する角度検出装置において、
   この角度検出装置は、
   前記電動アクチュエータ（２）の作動時における前記電動モータ（１）の平均電流Ｉａを求め、
   この平均電流Ｉａと、予め設定した導出式とを用いて前記作動角θａを求めることを特徴とする角度検出装置。
2. 請求項１に記載の角度検出装置において、
   前記導出式は、
   機械的な回動限界により規制される前記電動アクチュエータ（２）の回動範囲をθ、
   前記電動アクチュエータ（２）の機械的な回動限界の一端から他端まで前記電動モータ（１）を作動させた際の総通電時間Ｔ１に前記電動モータ（１）を流れた平均電流をＩａ１、
   機械的な回動不能時における前記電動モータ（１）のロック電流をＩｓ、
   とした場合、
   θａ＝｛（Ｉａ−Ｉｓ）／（Ｉａ１−Ｉｓ）｝・θ
   であることを特徴とする角度検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の角度検出装置において、
   前記電動アクチュエータ（２）は、前記電動アクチュエータ（２）の機械的な回動限界を規制するメカストッパ（１４）を搭載することを特徴とする角度検出装置。
4. 請求項３に記載の角度検出装置において、
   前記電動アクチュエータ（２）は、前記電動モータ（１）の出力を減速して駆動対象物（５）に伝達する歯車減速機（７）を備え、
   前記メカストッパ（１４）は、前記歯車減速機（７）の最終ギヤ（１０）の回動限界を機械的に規制することを特徴とする角度検出装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の角度検出装置において、
   前記電動アクチュエータ（２）の作動中におけるモータ電流Ｉの微分値ｄＩ／ｄｔが予め設定した所定値以上の時、
   あるいは、前記電動アクチュエータ（２）の作動中にサンプリングしたモータ電流Ｉｎから直前にサンプリングしたモータ電流Ｉｎ_-1を引いた減算値Ｉｎ−Ｉｎ_-1が予め設定した所定値以上の時は、
   サンプリングしたモータ電流Ｉｎに代えて、機械的な回動不能時に前記電動モータ（１）に流れるロック電流Ｉｓを加算した値から前記平均電流Ｉａを求めることを特徴とする角度検出装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の角度検出装置において、
   機械的な回動不能時に前記電動モータ（１）に流れるロック電流をＩｓ、
   前記電動モータ（１）がブラシ付き直流モータで、
   ブラシ（２１）が隣接する２つのコンミテータ（２２）を跨いで接触する場合を良回路、
   ブラシ（２１）が１つのコンミテータ（２２）のみと接触する場合を悪回路、
   とした場合、
   学習によって前記導出式に用いる前記ロック電流Ｉｓを設定する際、
   学習時に計測した前記ロック電流Ｉｓの大きさから回転不能状態が前記良回路であるか前記悪回路であるかを判定し、
   判定結果に基づいて、測定したロック電流Ｉｓに補正係数αｓを乗算させることを特徴とする角度検出装置。

Images