JP2014508494A - 自動車用モーターシステム内のアクチュエータを起動させる方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、アクチュエータ（５）を駆動する、電子整流されたアクチュエータ駆動部（２）を有するポジショニングアクチュエータシステム（１）の動作方法に関する。当該方法は、
・前記アクチュエータ（５）ないしは前記アクチュエータ駆動部（２）の回転子の、前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）の停止前に最後に検出された位置情報を、基準位置として不揮発的に記憶するステップと、
・前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）をオンにした際に、前記基準位置を呼び出し、前記基準位置に依存している空間ベクトルに従って、前記アクチュエータ駆動部（２）に通電することによってアクチュエータ駆動部（２）を駆動制御するステップとを有している。課題は、アクチュエータのブロックを解除する改善された方法ないしは、モーターシステムの起動後に最大の調整モーメントで駆動制御する改善された方法を提供することである。これは、整流されたモータ、例えば同期モータを有するポジショニングアクチュエータのためのものである。

Description

本発明は、電子整流された駆動部を備えたポジショニングアクチュエータに関する。これは、起動中にブロッキングが生じ得る環境において用いられる。殊に本発明は、このブロッキングを解除するための方法および電子整流された駆動部の回転子の回転子位置を求めるための方法に関する。これによって、最大トルクが得られる。

従来技術
ポジショニングアクチュエータ用の駆動部は例えば、電子整流されたモータを有する。電子整流されたモータ、例えば、同期モータは、永久磁石を備えた回転子を有する。これは固定子に対して動く。固定子には複数の固定子コイルが設けられている。ここで固定子コイルに回転子位置に従って通電することによって、モータ磁界が形成される。このモータ磁界は、永久磁石によって形成された励起磁界と協働して、所望の駆動力が回転子に作用する。最大の効率を得るために、モータ磁界が励起磁界に対して、電気位置角の９０°の進みを有していることが望ましい。従って、回転子位置に依存した、固定子コイルの通電のために、固定子の位置に関する情報が必要となる。このような回転子位置は、センサを介して検出される、またはいわゆるセンサを用いない位置検出方法によって求められる。

回転子の回転子位置および所望の運動方向に基づいて、適切な制御ユニットによって、相応の整流パターンが設定可能である。これは、必要な駆動力ないしは必要なトルクを供給するために、固定子コイルがどのように駆動制御されるべきかを決める。

簡易な同期モータの場合には、回転子位置の検出は、内部の位置センサを介して行われる；しかし、この位置センサをアクチュエータの外部に配置すること、ないしは、そこに配置されている位置センサを付加的に、回転子位置を求めるために用いることも可能である。これによって、同期モータに対するコストも、同期モータと制御機器との間の配線のためのコストも低減することができる。

同期モータの駆動制御は、種々の整流様式によって行われる。ここで、最大駆動モーメントを得るために、固定子コイルによって形成されたモータ磁界ができるだけ、回転子の永久磁石によって形成された励起磁界に対して９０°運動方向に進んで調整される。９０°のこの進みの相違によって、駆動力ないしは駆動モーメントの減少が生じる。常に、可能な最大トルクで駆動制御を行うために、正確な回転子位置情報が必要である。例えばセンサトレランスと解像の不正確さによって生起され得る、実際の回転子位置と測定された回転子位置との間の相違によって、部分的に、効率が格段に低減されてしまう。

殊に、減速するギヤを介して結合されているアクチュエータで位置情報検出する、外部位置センサを有するアクチュエータの実施形態では、実際の回転子位置と測定された回転子位置との間の相違がさらに強くなり得る。外部位置センサが設けられ得る例は、例えば、スロットルバルブ調整器である。ここではスロットルバルブの位置の位置フィードバックがいずれにせよ設けられており、これによって、スロットルバルブの正確な位置情報が得られる。スロットルバルブを駆動制御する同期モータの整流のために、スロットルバルブに配置されている位置センサの位置情報を使用することによっても、上述した相違が生じることがあり、これによって、同期センサによって提供される調整モーメントが格段に低減されてしまう。

モーターシステムが晒され得る温度が極めて低い場合には、凍結が生じる恐れがある。これは、モーターシステムの動作の再稼働時にアクチュエータの運動をブロックしてしまう。このようなブロック状態を解除するために、殊に、基準位置の走行開始または終端位置の走行開始によって回転子位置の再較正を行うために、始動直後に、同期モータの最大の調整モーメントが必要になる。このような最大調整モーメントを提供するために、実際の回転子位置と測定された回転子位置との間の偏差ができるだけ少ないべきである。これによって、調整モーメントができるだけ最大になり得る。しかし、温度に基づいて、位置センサの相応に特徴付けされた温度ドリフトによって、顕著なエラー角度が生じる恐れがあり、これによって、同期モータのトルクが、許容されないほど、弱くなってしまうことがある。場合によっては、このトルク低下によって、凍結したアクチュエータが自身のブロックから開放されず、モーターシステムが動作不能になってしまう。

さらに、位置センサは、アクチュエータで、相対的な位置センサとしてのみ構成されている。従って、調整システムの動作開始時には、回転子の実際の位置は確定されない。また較正のために、通常、アクチュエータを最適に駆動制御するために、アクチュエータが所定の終端ストッパーまで動かされるが、これはアクチュエータのブロック時には不可能であるので、回転子の初期の駆動制御を最大の駆動力で行うことはできない。

文献ＤＥ４１３５９１３Ａ１号は、位置調整装置の制御方法を開示している。ここでは、始動前フェーズで、および／または駆動ユニットまたは車両の停止後に、位置調整装置が、任意の位置から出発して各可能な運動方向に対して、少なくとも一度、少なくとも自身の可能な最大運動領域の大部分にわたって動かされる。従ってこれは少なくとも片側で、自身の通常の駆動運動領域外に導かれる。このようにして、デッドロックが回避される。

文献ＤＥ３７４３３０９Ａ１は、動かなくなったまたは凍結された、内燃機関の調整部材を識別する方法および装置を開示している。ここでは調整部材は、動かなくなった場合に、揺すってゆるめられる。この揺すりは、例えば、位置調整装置の電気駆動部が反対に駆動制御されることによって行われる。

文献ＤＥ１００１７５４６Ａ１号は、スロットルバルブの位置の実際値と目標値に依存して、スロットルバルブのブロックを識別する方法を開示している。ブロックを識別した後に、スロットルバルブの位置に対する目標値が変えられる。

文献ＥＰ０３９１９３０Ｂ１号は、内燃機関の動作特性量を調整する方法を開示している。ここで内燃機関の空気供給を調整するアクチュエータのデッドロックが、設定された位置とこの時点での位置との間の差に基づいて識別され、デッドロックが識別されると、アクチュエータは周期的な揺すり運動を開始し、これによってこのデッドロックが解除される。

本発明の課題は、ポジショニングアクチュエータのアクチュエータのブロックを解除する、ないしはモーターシステムの起動後に最大の調整モーメントで駆動制御する、改善された方法を提供することである。

発明の開示
上述の課題は、請求項１のポジショニングアクチュエータを駆動制御する方法によって、並びに、並行する独立請求項に記載された装置およびポジショニングアクチュエータシステムによって解決される。

さらなる有利な構成は従属請求項に記載されている。

第１の態様では、アクチュエータを駆動する、電子整流されたアクチュエータ駆動部を有するポジショニングアクチュエータシステムの動作方法が設定される。この方法は以下のステップを有している：
・アクチュエータないしはアクチュエータ駆動部の回転子の、ポジショニングアクチュエータシステムの停止前に最後に検出された位置情報を、基準位置として不揮発的に記憶するステップ
・ポジショニングアクチュエータシステムをオンにした時に、基準位置を呼び出し、基準位置に依存している空間ベクトル（Raumzeiger）に従ってアクチュエータ駆動部に通電することによってアクチュエータ駆動部を駆動制御するステップ
とを有している。

上述した方法の着想は、ポジショニングアクチュエータシステムの停止後に、アクチュエータが自身の静止位置を取るや否や、例えば内燃機関停止時のモータ制御の後走行フェーズにおいて、アクチュエータが取った位置が検出され、制御機器内に基準位置として不揮発的に記憶される、ということである。ポジショニングアクチュエータシステムの再始動時に、位置検出器はこの基準位置によって較正される、または、アライメントされる。従ってポジショニングアクチュエータは、適切な空間ベクトルに従って通電される。これは、電子整流されたアクチュエータ駆動部が、直接的に回転子位置に依存している励起磁界の位置に対して実質的に垂直なモータ磁界を形成するように、アクチュエータ駆動部が駆動制御されることを意味している。

さらに、ポジショニングアクチュエータシステムのオン後に、アクチュエータがブロックされているか否かが確認される。ここで、アクチュエータがブロックされていることが確認されると、アクチュエータ駆動部が、空間ベクトルに従って通電される。これは、基準位置に対応する空間ベクトルぶんだけ変化する。殊に、アクチュエータがブロックされていることが確認されると、電気的な回転子位置の１８０°ぶんだけ変化する空間ベクトルによってアクチュエータ駆動部が駆動制御されるようにすることができる。

さらに、ポジショニングアクチュエータシステムのオン後に、アクチュエータがブロックされているか否かが確認され、アクチュエータがブロックされていることが確認されると、アクチュエータ駆動部が回転する空間ベクトルに従って通電される。

ここでさらに、回転する空間ベクトルの回転周波数が所定の回転周波数に対応するようにすることができる。ここでポジショニングアクチュエータシステムは共振を有している。従って、調整力が、アクチュエータ駆動部の最大調整力と比べて大きくなる。

択一的に、回転する空間ベクトルの回転周波数を変化させることができる。

別の態様では、ポジショニングアクチュエータシステムの動作装置が設けられる。このポジショニングアクチュエータシステムは、アクチュエータを駆動する電子整流されたアクチュエータ駆動部を有している。ここでこの装置は、
・ポジショニングアクチュエータシステムの停止前の、アクチュエータないしはアクチュエータ駆動部の回転子の最後に検出された位置情報を、基準位置として不揮発的に記憶する、および
・ポジショニングアクチュエータシステムのオン時に、基準位置を呼び出し、基準位置に依存している空間ベクトルに従ってアクチュエータ駆動部に通電することによってアクチュエータ駆動部を駆動制御する
ように構成されている。

別の態様では、ポジショニングアクチュエータシステムが設けられる。このポジショニングアクチュエータシステムは：
・アクチュエータと、
・このアクチュエータを駆動する、電子整流されたアクチュエータ駆動部と、
・ポジショニングアクチュエータシステムの停止前の、アクチュエータの最後に検出された位置情報を基準位置として記憶するために不揮発性メモリと接続されている制御機器とを有しており、
ここでこの制御機器は、ポジショニングアクチュエータシステムのオン時にこの基準位置を呼び出し、この基準位置に依存している空間ベクトルに従ってアクチュエータ駆動部に通電することによってアクチュエータ駆動部を駆動制御するように構成されている。

別の態様では、コンピュータプログラムが設定されている。このコンピュータプログラムは、データ処理ユニット上での実行時に、上述した方法を実施するプログラムコードを含んでいる。

本発明の有利な実施形態を以降で、添付の図面に基づいて詳細に説明する：

モーターシステム内の内燃機関モータのスロットルバルブを調整するためのポジショニングアクチュエータを備えたポジショニングアクチュエータシステムの概略図 始動フェーズの間のポジショニングアクチュエータシステムの動作方法を示すフローチャート 始動フェーズの間のポジショニングアクチュエータシステムの動作方法を示すフローチャート

図１は、電子整流された同期モータとして形成されているアクチュエータモータ２を備えたポジショニングアクチュエータシステム１の概略図を示している。同期モータ２は、内側回転子モータとして形成されており、その駆動シャフト３は伝動装置４を介してアクチュエータ５、例えばスロットルバルブ等と結合されている。スロットルバルブ５には、戻しばね６によって戻し力が加えられ、これによって、スロットルバルブ５の無通電状態において、スロットルバルブは特定の調整領域、例えば、終端ストッパーにまたは終端ストッパー近傍に配置される。

同期モータ２は、制御機器７を介して駆動制御され、これによって、伝動装置４を介してアクチュエータ５に作用する特定の調整モーメントが提供される。通常、制御機器７内には、位置調整部が実装される。これは、制御機器７内に組み込まれている位置調整回路によって、アクチュエータ５の所望の目標位置を調整する。このために、アクチュエータ５は位置センサ８と結合されている。この位置センサは、アクチュエータ５の位置に関する情報を制御機器７に伝達する。アクチュエータ５の目標位置に関する、制御機器７内に準備された情報と、位置センサ８によって提供されたアクチュエータ５の実際位置に依存して、特定の調整モーメントが伝動装置４を介してアクチュエータ５に作用するように、同期モータ２が駆動制御される。アクチュエータ５が調整されるべき角度は制御機器７内で、アクセルペダル９によって提供されるアクセルペダル位置に基づいて、すなわち、運転手の設定に基づいて、さらに、場合によっては別のシステム量に基づいて求められ、位置調整回路に対する目標位置として設定される。制御機器７はさらに、ポジショニングアクチュエータシステム１が停止された場合でも、パラメータ、例えば修正パラメータ等を継続して記憶するために、不揮発性メモリ１０と接続されている。

温度が極めて低く、かつポジショニングアクチュエータシステム１が停止状態にある場合、例えば内燃機関がオフされている場合には、アクチュエータ５が凍結することがあり得る。この凍結は場合によっては、アクチュエータ５の動きをブロックしてしまう。従って、このブロック状態を内燃機関始動直後に解く必要がある。これは例えば、同期モータ２によって最大トルクを提供することによって実現される。この理由から、既に内燃機関の始動中に、同期モータ２の回転子位置を正確に知ることが必要となる。これによって、回転子位置の不正確な決定による調整モーメントの低減ができるだけ僅かになる。

しかし、温度が低いので、位置センサ８の相応の特徴を有する温度ドリフトの際には、不正確にしか回転子位置を推測することができない。これによって、求められた回転子位置と実際の回転子位置との間に顕著な差が生じてしまう。

多くのポジショニングアクチュエータシステムは、オフ状態からの起動前にまずは較正されなければならない、相対的な位置センサを有している。これは位置センサが、同期モータの回転子の単に制御されている動作において、既知の位置まで動かされることによって行われる。アクチュエータの生じ得るブロック時には、この較正を行うことができないので、この位置センサによって、実際の回転子位置に関する情報は求められない。

実際の回転子位置に関する情報が存在しない場合には、同期モータ２の回転子は最適に駆動制御されない。すなわち同期モータ２は、アクチュエータ５の場合によって生じ得るブロックを解除するために最大駆動モーメントを提供することができない。

図２ａおよび２ｂには、フローチャートが示されている。これによって、モータ始動フェーズの間に既に、最大トルクをアクチュエータ５に与えることができる。

図２ａのフローチャートは、内燃機関停止後に、後走行フェーズ中に実施される方法の経過を示している。ここでは、アクチュエータ５が監視される（ステップＳ１）。例えば、同期モータ２がもはや通電されていない時に確認され得るアクチュエータ５の停止状態において（選択肢：はい）、基準位置である、位置センサ８によって最後に検出された、アクチュエータ５の位置に関する情報が、制御機器７によって不揮発性メモリ１０内に格納される（ステップＳ２）。択一的に、アクチュエータの最後に検出された位置から生じる基準回転子位置が、不揮発性メモリ１０内に格納される。

図２ｂのフローチャートは、内燃機関のオン後に実施される方法の経過を示している。内燃機関の始動およびこれと同時のポジショニングアクチュエータシステム１のオンの際に、記憶されていたこの位置情報が不揮発性メモリ１０から基準として呼び出され（ステップＳ３）、ここで位置センサ８によって供給された位置情報が、格納されている基準位置情報ないしは基準回転子位置を用いて修正され（ステップ４）、これによって、位置センサ８の温度ドリフトが取り除かれる。相対的な位置センサ８の使用時には、基準位置情報ないしは基準回転子位置を用いて、初期の較正（初期化）が行われる。

次に（ステップＳ５）、ブロック検出が実施される。これは、制御機器７が同期モータ２を、アクチュエータ５の位置を変える調整モーメントが提供されるように駆動制御することによって行われる。ステップＳ６において、このような位置変化が識別されると（選択肢：はい）、スロットルバルブ５はブロックされておらず、ポジショニングアクチュエータシステムは運転手設定等に基づいて、内燃機関の慣例の動作のために位置調整を行う。

ステップＳ６において、アクチュエータＳ５のブロックが検出されると（選択肢：いいえ）、同期モータ２は御機器７によって次のように駆動制御される（ステップＳ７）。すなわち空間ベクトルが、記憶された基準位置に対応する空間ベクトルぶんだけ変化し、これによって、最大の提供可能な調整モーメントを中心に変動する調整モーメントが生じるように駆動制御される。従って、変化する調整モーメントによって、アクチュエータ５をブロック状態から開放することが試みられる。

さらに、同期モータ２の固定子コイルの交番的な通電の前に、記憶された基準位置ぶんだけ、１８０°電気的に回転された空間ベクトルが、同期モータ２に印加されるようにすることができる。これによって、ポジショニングアクチュエータシステムの、場合によって生じ得るブロックが解除される。

ステップＳ８において、空間ベクトル角度が変化されており、これによって、最大調整モーメントの領域を超えるのにもかかわらず、ブロックが解除されなかったことが確認されると（選択肢：はい）、これによって、制御機器７は同期モータ２を次のように駆動制御する。すなわち、固定子磁界を定める相応の空間ベクトルが、適切な周波数で同期して回転されるように、駆動制御する（ステップＳ９）。この場合には周期的に順次連続して、最大の調整モーメントが２つのモータ回転方向において形成される。揺れが生じ、ここで、回転周波数の適切な選択時に、これによって形成された最大の調整モーメントの振幅の共振上昇が得られ、これによってむしろ、同期モータ２の最大調整モーメントを超える突発的な振幅が形成され得る。共振を実現するために、この方法は変化する回転周波数で、例えば上昇する回転周波数で、実施される。従って、ポジショニングアクチュエータシステムの共振の領域を見出すことができる。

ステップＳ６で、アクチュエータ５のブロックが検出されない（選択肢：はい）またはステップＳ８で、ブロックが解除されたこと（選択肢：いいえ）が確認されると、この方法は終了する。

Claims (9)

1. アクチュエータ（５）を駆動する、電子整流されたアクチュエータ駆動部（２）を有するポジショニングアクチュエータシステム（１）の動作方法であって、
   ・前記アクチュエータ（５）ないしは前記アクチュエータ駆動部（２）の回転子の、前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）の停止前に最後に検出された位置情報を、基準位置として不揮発的に記憶するステップと、
   ・前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）をオンにした際に、前記基準位置を呼び出し、前記基準位置に依存している空間ベクトルに従って前記アクチュエータ駆動部（２）に通電することによって前記アクチュエータ駆動部（２）を駆動制御するステップとを有している、
   ことを特徴とする、ポジショニングアクチュエータシステム（１）の動作方法。
2. 前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）のオン後に、前記アクチュエータ（５）がブロックされているか否かが確認され、前記アクチュエータ（５）がブロックされていることが確認されると、前記基準位置に対応する空間ベクトルぶんだけ変化した空間ベクトルに従って前記アクチュエータ駆動部（２）に通電する、請求項１記載の方法。
3. 前記アクチュエータ（５）がブロックされていることが確認されると、電気的回転子位置の１８０°ぶんだけ変化した空間ベクトルによって、前記アクチュエータ駆動部（２）を駆動制御する、請求項２記載の方法。
4. 前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）のオン後に、前記アクチュエータ（５）がブロックされているか否かが確認され、前記アクチュエータ（５）がブロックされていることが確認されると、回転する空間ベクトルに従って前記アクチュエータ駆動部（２）に通電する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記回転する空間ベクトルの回転周波数は、所定の回転周波数に対応し、ここで、前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）は共振を有しており、前記調整力は前記アクチュエータ駆動部（２）の最大調整力よりも大きい、請求項４記載の方法。
6. 前記回転する空間ベクトルの回転周波数を変化させる、請求項４記載の方法。
7. アクチュエータ（５）を駆動する、電子整流されたアクチュエータ駆動部（２）を有しているポジショニングアクチュエータシステムを動作させる装置であって、
   ・前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）の停止前に、アクチュエータ（５）ないしは前記アクチュエータ駆動部（２）の回転子の最後に検出された位置情報を、基準位置として不揮発的に記憶する、および
   ・前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）のオン時に、前記基準位置を呼び出し、前記基準位置に依存している空間ベクトルに従って前記アクチュエータ駆動部（２）に通電することによって前記アクチュエータ駆動部（２）を駆動制御する
   ように構成されている、
   ことを特徴とする、ポジショニングアクチュエータシステムを動作させる装置。
8. ポジショニングアクチュエータシステム（１）であって、
   ・アクチュエータ（５）と、
   ・前記アクチュエータ（５）を駆動する、電子整流されたアクチュエータ駆動部（２）と、
   ・前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）の停止前に、前記アクチュエータ（５）の最後に検出された位置情報を基準位置として記憶するための不揮発性メモリ（１０）と接続されている制御機器（７）とを有しており、
   前記制御機器（７）は、前記ポジショニングアクチュエータシステム（１）のオン時に前記基準位置を呼び出し、前記基準位置に依存している空間ベクトルに従って前記アクチュエータ駆動部（２）に通電することによって前記アクチュエータ駆動部（２）を駆動制御するように構成されている、
   ことを特徴とするポジショニングアクチュエータシステム。
9. データ処理ユニット上での実行時に、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実施するプログラムコードを含んでいる、
   ことを特徴とするコンピュータプログラム製品。

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