JP2016200041A

JP2016200041A - アクチュエータの制御装置、アクチュエータ、バルブ駆動装置およびアクチュエータの制御方法

Info

Publication number: JP2016200041A
Application number: JP2015079986A
Authority: JP
Inventors: 敏川村; Satoshi Kawashima; 波多野　健太; Kenta Hatano; 健太波多野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2016-12-01
Also published as: CN205278514U

Abstract

【課題】外力の作用により応答性が変化するような駆動対象物であっても、応答変化によらず安定した駆動を行う。
【解決手段】ＷＧアクチュエータ１の制御装置２０において、フィードバック制御部３０は、位置センサ１６の検出結果に基づき、駆動対象物であるＷＧバルブ２の開度が目標開度に近づくようシャフト１３の移動量をフィードバック制御する。制御切替部４０は、基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉する制御切替状況であるか否かを判定し、当該制御切替状況である場合、フィードバック制御部３０に対して制御方法をフィードバック制御から閉弁制御に切り替える指示を与える。
【選択図】図２

Description

この発明は、バルブなどの駆動対象物を駆動するアクチュエータの制御装置、アクチュエータ、バルブ駆動装置およびアクチュエータの制御方法
に関するものである。

アクチュエータの駆動対象物は様々なものがあるが、例えば、駆動対象物が流体を流したり止めたりするバルブのようなものである場合、流体圧力などの外力が当該バルブに作用することによって移動速度が遅くなったり速くなったりし、応答性が変化することがあった。例えば、車両に搭載されたターボチャージャのウエストゲートバルブ（例えば、特許文献１参照）は、排気ガスの圧力が開弁方向にかかるため、閉弁方向へ移動する速度が遅くなり、閉弁に時間がかかってしまう。特にバルブを低開度から全閉する際には大きな排気ガス圧力がかかり、応答性が悪化してしまう。

国際公開第２０１２／１３７３４５号

しかしながら、従来は、バルブなどの駆動対象物に外力が作用することにより応答性が変化するという課題について考慮されていなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、外力の作用により応答性が変化するような駆動対象物であっても、応答変化によらず安定した駆動を行うことを目的とする。

この発明に係るアクチュエータの制御装置は、位置センサの検出結果に基づき、駆動対象物の開度が目標開度に近づくようシャフトの移動量をフィードバック制御するフィードバック制御部と、基準開度より小さい開度から駆動対象物を全閉する制御切替状況であるか否かを判定し、当該制御切替状況である場合、フィードバック制御部に対して制御方法を切り替える指示を与える制御切替部とを備えるものである。

この発明によれば、基準開度より小さい開度から駆動対象物を全閉する場合にアクチュエータの制御方法を切り替えるようにしたので、外力の作用により応答性が変化するような駆動対象物であっても、応答変化によらず安定した駆動を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係るウエストゲートアクチュエータの構成例を示す断面図である。実施の形態１に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。ウエストゲートアクチュエータにおけるステップ応答波形のシミュレーション例であり、ウエストゲートバルブに対して外力が作用していない状態をシミュレーションした結果を示すグラフである。低開度から閉弁しにくい状態をシミュレーションした結果を示すグラフである。低開度から閉弁しやすい状態をシミュレーションした結果を示すグラフである。実施の形態１の制御装置が行う制御方法の概要を説明する図である。実施の形態１の制御装置が行う制御方法の概要を説明する図である。実施の形態１に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置において制御切替部が行う動作を示すフローチャートである。実施の形態１に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置のハードウエア構成例を示す図である。この発明の実施の形態２に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。この発明の実施の形態３に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。この発明の実施の形態４に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。この発明の実施の形態５に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。

実施の形態１．
この発明に係るアクチュエータを、車両に搭載されたターボチャージャのウエストゲート（以下、ＷＧと称す）バルブを駆動するＷＧアクチュエータとして用いる場合を例にして説明する。
図１は、実施の形態１に係るＷＧアクチュエータ１の構成例を示す断面図である。ターボチャージャは、エンジンからの排気ガスによってタービンを回転させ、このタービンと同軸で接続されたコンプレッサを駆動して吸気を圧縮しエンジンに供給する構成である。排気通路１００のタービン上流側には、排気ガスを排気通路１００からバイパス通路１０１へ逃がすＷＧバルブ２が設置されており、ＷＧアクチュエータ１がＷＧバルブ２を開閉して排気通路１００からバイパス通路１０１への排気ガス流入量を調整することにより、タービンの回転数を制御する。なお、図１では、ＷＧバルブ２の全閉状態を実線で示し、全開状態を二点鎖線で示す。

ＷＧアクチュエータ１は、駆動源となる直流モータ４と、ＷＧバルブ２を開閉するシャフト１３と、直流モータ４の回転運動をシャフト１３の直線運動に変換するネジ機構１２とを備える。直流モータ４は、複数のＮ極とＳ極に着磁されたマグネット５を有するロータ６と、コイル７が巻回されたステータ８とを含む。コイル７の端部にはブラシ１１ｂが接続されている。ロータ６の一端側は軸受部１４によって回転自在に支持されており、他端側には整流子９が固定されている。

外部端子１０に電圧が印加されると、この外部端子１０に接続しているブラシ１１ａを介し、整流子９を構成する複数の整流子片の中のブラシ１１ａと接触した整流子片に電流が流れ、この整流子片と電気的に接続したブラシ１１ｂを介してコイル７に電流が流れる。コイル７に通電することでステータ８がＮ極とＳ極に磁化し、そのステータ８がマグネット５のＮ極とＳ極と反発および吸引しあうことでロータ６が回転する。ロータ６の回転に伴って通電するコイル７が切り替わることにより、ステータ８の極も切り替わり、ロータ６が回転し続ける。電流の向きが逆になると、ロータ６の回転方向も逆になる。
なお、図１では直流モータ４としてブラシ付きＤＣモータを使用しているが、ブラシレスＤＣモータを使用してもよい。

ロータ６の内部にはシャフト１３を配置するための穴があいており、穴の内周面に雌ネジ部１２ａが形成され、シャフト１３の外周面に雄ネジ部１２ｂが形成されている。この雄ネジ部１２ｂが雌ネジ部１２ａにねじ込まれて結合され、ロータ６の回転運動をシャフト１３の直線運動に変換する。これら雌ネジ部１２ａと雄ネジ部１２ｂとでネジ機構１２が構成される。シャフト１３の一端側は、ハウジング１５を貫通し、リンク機構３を介してＷＧバルブ２と連結されている。シャフト１３の他端側には、このシャフト１３の軸方向における位置を検知する位置センサ１６などが設置されている。

リンク機構３は、２枚のプレート３ａ，３ｂを有する。プレート３ａの一端側にシャフト１３が取り付けられ、他端側の支点３ｃにはプレート３ｂの一端側が回動自在に取り付けられている。このプレート３ｂの他端側にはＷＧバルブ２が取り付けられている。ロータ６の一方向への回転によってシャフト１３がハウジング１５の外へ押し出される方向に移動すると、プレート３ａも同方向に移動して、プレート３ｂとＷＧバルブ２が支点３ｃを中心に回動し、ＷＧバルブ２が開弁方向に動く。ロータ６の逆方向への回転によってシャフト１３がハウジング１５の内へ引き込まれる方向に移動すると、プレート３ａも同方向に移動して、プレート３ｂとＷＧバルブ２が支点３ｃを中心に回動し、ＷＧバルブ２が閉弁方向に動く。

シャフト１３には、二平面などが形成されて回転規制部１３ａとして機能する。また、シャフト１３を貫通するハウジング１５の穴の内周面には、この回転規制部１３ａの形状に合わせて、二平面などのガイド部１５ａが形成されている。回転規制部１３ａとガイド部１５ａとが摺動することにより、ロータ６の回転に合わせてシャフト１３が回転運動するのを規制し、シャフト１３が直線移動するようサポートする。ガイド部１５ａの端部には、シャフト１３側に突出したストッパ１５ｂが形成されており、シャフト１３から突出した形状の当て部１３ｂがこのストッパ１５ｂに当接することにより、シャフト１３のこれ以上の開弁方向への直線移動を規制する。同様に、ネジ機構１２の端部にストッパ１５ｃとして機能するプレートが設置され、当て部１３ｃとして機能するシャフト１３の端面がストッパ１５ｃに当接することにより、シャフト１３のこれ以上の閉弁方向への移動を規制する。

シャフト１３のストッパ１５ｃとして機能するプレートには、シャフト１３の外径より小さな穴が貫通しており、この穴にセンサ用シャフト１７が通され、センサ用シャフト１７の端面がシャフト１３の端面に当接する。これにより、シャフト１３の軸方向の往復運動に合わせてセンサ用シャフト１７も往復運動する。このセンサ用シャフト１７にはセンサ用マグネット１８が固定されており、シャフト１３の往復運動に伴って位置センサ１６に対するセンサ用マグネット１８の位置が変化することにより、位置センサ１６を通過する磁束密度も変化する。位置センサ１６は、ホール素子または磁気抵抗素子などであり、シャフト１３の往復運動に伴って変化する磁束密度を検出し、シャフト１３の実ストローク位置を示すアナログ信号に変換して出力する。

図２は、制御装置２０の構成例を示すブロック図である。制御装置２０は、主に、ＷＧアクチュエータ１を制御してＷＧバルブ２の開度を調整する機能と、ＷＧバルブ２の開度に基づいて制御切替状況であるか否かを判定して制御方法を切り替える機能を備えている。
なお、図示例では、制御装置２０の機能をエンジンコントロールユニットの一機能として実現するように構成しているが、制御装置２０を独立した電子制御ユニットとして構成してもよいし、あるいはＷＧアクチュエータ１の内部に回路基板として組み込んでもよい。

エンジンコントロールユニットは、エンジン制御部２１と制御装置２０とを備えており、これら以外の構成については図示および説明を省略する。制御装置２０は、フィードバック制御部３０と、モータドライバ２２と、Ａ／Ｄコンバータ２３と、制御切替部４０とを備えている。フィードバック制御部３０は、目標開度補正部３１と、減算部３２と、ＰＩＤ制御部３３と、Ｄｕｔｙ制御部３４とを備えている。制御切替部４０は、切替開始判定部４１と、切替指示部４２とを備えている。

エンジン制御部２１は、ＷＧバルブ２の目標開度を制御装置２０へ出力する。
Ａ／Ｄコンバータ２３は、位置センサ１６が出力するシャフト１３の実ストローク位置のアナログ信号を受け取り、実ストローク位置のデジタル信号に変換して、減算部３２および切替開始判定部４１へ出力する。なお、本実施の形態１においては、位置センサ１６により検出されるシャフト１３の実ストローク位置をそのままＷＧバルブ２の実開度として用いるが、シャフト１３の実ストローク位置からＷＧバルブ２の開度へ変換処理等を行っても構わない。

フィードバック制御部３０は、通常、Ａ／Ｄコンバータ２３から受け取るＷＧバルブ２の実開度に相当するシャフト１３の実ストローク位置が、エンジン制御部２１から受け取る目標開度に相当する目標ストローク位置に近づくよう、フィードバック制御を行う。一方、制御切替部４０から制御方法を切り替える指示を受け取った場合、フィードバック制御部３０は上記のフィードバック制御から後述する閉弁制御へ切り替える。以下では、フィードバック制御の一例としてＰＩＤ制御を説明するが、これに限定されるものではなく、ＰＩ制御などを行ってもよい。

目標開度補正部３１は、通常のＰＩＤ制御において、エンジン制御部２１からＷＧバルブ２の目標開度を受け取り、減算部３２へ出力する。一方、切替指示部４２から閉弁時目標開度が通知される閉弁制御においては、目標開度補正部３１は、エンジン制御部２１から受け取る目標開度ではなく、切替指示部４２から受け取る閉弁時目標開度を減算部３２へ出力する。

減算部３２は、目標開度補正部３１から受け取った目標開度とＡ／Ｄコンバータ２３から受け取った実開度との偏差を算出し、ＰＩＤ制御部３３へ出力する。

ＰＩＤ制御部３３は、減算部３２が算出した偏差に応じた比例項、積分項および微分項の各操作量を求めて駆動Ｄｕｔｙを算出し、Ｄｕｔｙ制御部３４へ出力する。この駆動Ｄｕｔｙは、シャフト１３の現在の位置からの移動量に相当する値となる。

Ｄｕｔｙ制御部３４は、ＰＩＤ制御部３３が算出した駆動Ｄｕｔｙに対応するＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を生成して、モータドライバ２２に与える。

モータドライバ２２は、Ｄｕｔｙ制御部３４から受け取るＰＷＭ制御信号に応じて直流モータ４に印加する電圧をオンオフ制御し、直流モータ４へ通電する電流を調整する。

切替開始判定部４１は、エンジン制御部２１からＷＧバルブ２の目標開度を受け取る。また、切替開始判定部４１は、Ａ／Ｄコンバータ２３からシャフト１３の実ストローク位置、つまりＷＧバルブ２の実開度を受け取る。そして切替開始判定部４１は、ＷＧバルブ２の目標開度と実開度に基づいて、予め定められた基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉する制御切替状況であるか否かを判定する。切替開始判定部４１は、制御切替状況である場合、切替指示部４２に対してその旨を通知する。

切替指示部４２は、切替開始判定部４１から制御切替状況である旨の通知を受け取ると、ＰＩＤ制御から閉弁制御へ制御方法を切り替える指示を、フィードバック制御部３０に与える。実施の形態１では、制御方法を切り替える指示として閉弁時目標開度を、切替指示部４２から目標開度補正部３１へ与える。閉弁時目標開度については後述する。

ここで、図３に、ＷＧアクチュエータ１におけるステップ応答波形のシミュレーション例を示す。グラフの横軸は時間、縦軸はＷＧバルブ２の開度、実線は実開度、一点鎖線は目標開度を示す。開度０％は全閉位置、１００％は全開位置であり、グラフでは各開度から全閉するときの応答を比較している。図３は、ＷＧバルブ２に対して排気ガス圧力などの外力が作用していない状態をシミュレーションした結果を示しており、ＰＩＤ制御においては、ＷＧバルブ２が移動する前と後で変位が大きいほど、慣性力が大きくなり移動速度が速くなる。ただし、変位が大きいほど移動距離が長くなるため、図３では低開度Ａから全閉するまでに要する時間が、より大きい開度から全閉するまでに要する時間に比べて短くなっている。また、ＷＧバルブ２に対して外力が作用していない状態ではオーバシュートなどの乱れが発生していない。

図４は、低開度から閉弁しにくい状態をシミュレーションした結果を示すグラフである。図３のシミュレーションではＷＧバルブ２に外力が作用していない場合を想定したが、図１のＷＧアクチュエータ１においては排気通路１００からバイパス通路１０１へ流れる排気ガスの圧力がＷＧバルブ２の開弁方向に作用する。そのため、図４に示すように、低開度Ｂから全閉するまでに要する時間は、図３において低開度Ａから全閉するまでに要する時間に比べて長くなる。
ＷＧバルブ２に限らず、例えば可変容量（ＶＧ；ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙ）ターボチャージャに装着される可動ベーンも同様に、閉弁時に開弁方向の外力が作用するため、低開度Ｂから閉弁する際の応答が遅くなる。
他方、低開度Ｂより大きい開度から全閉する場合は、図３と図４のグラフを比較して分かるように、外力があってもなくても全閉するまでに要する時間は略同じである。

図５は、低開度から閉弁しやすい状態をシミュレーションした結果を示すグラフである。例えばエンジンに装着される排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブは、閉弁方向に外力が作用して閉弁しやすいため、図５に示すように低開度Ｃから全閉する際にオーバシュートしやすい。

従来のアクチュエータ制御においては、全開から全閉までの使用開度全体の応答が最適になるように、ＰＩＤ制御に用いるパラメータを設定しておくため、低開度から全閉する場合のみの応答を調整することはできなかった。
例えば、低開度から全閉する場合の応答性向上のために、使用開度全体において閉弁速度が速くなるようなパラメータを設定した場合、全閉時の速度が速くＷＧバルブ２が受ける衝撃が大きくなるため、この衝撃がリンク機構３およびシャフト１３を通じてＷＧアクチュエータ１へ伝わり、ＷＧアクチュエータ１の耐久性の低下および破損を招く可能性がある。
反対に、使用開度全体において閉弁速度が遅くなるようなパラメータを設定した場合、実使用上不都合である。

そこで、実施の形態１に係るＷＧアクチュエータ１の制御装置２０においては、上述のＰＩＤ制御と閉弁制御とを切り替えることにより、低開度から閉弁する場合の応答変化によらず安定した閉弁を行う制御方法を実現する。ここで言う「安定した閉弁」とは、図３に示したような閉弁状態であり、図４に示したような応答の遅れおよび図５に示したようなオーバシュートが発生していない状態を指す。

次に、図６を用いて、実施の形態１の制御装置２０が行う制御方法の概要を説明する。図６のグラフにおいて横軸は時間、縦軸はＷＧバルブ２の開度である。破線で示す「基準開度」は、全閉から全開までの間の任意の開度に設定されている。例えば、基準開度は、図４において応答時間の延びが発生する低開度Ｂよりも大きい開度に設定されている。

ここで、図６において、実線で示す実開度にあるＷＧバルブ２に対して、時間ｔにおいてエンジン制御部２１が目標開度として全閉を指示した場合を考える。
時間ｔにおいて、実線で示す実開度は、破線で示す基準開度より小さい開度であるため、制御装置２０は制御切替状況であると判定して、通常のＰＩＤ制御から閉弁制御に切り替える。この閉弁制御において、制御装置２０は、ＷＧバルブ２を基準開度まで開弁した後に本来の目標開度である全閉開度になるよう制御する。これにより、二点鎖線で示すように実開度からそのまま閉弁した場合のＷＧバルブ２の変位Ｅに比べて、一度基準開度まで開弁してから閉弁した場合の変位Ｄのほうが大きくなる。上述したようにＷＧバルブ２が移動する前後の変位が大きいほど移動速度が速くなるため、変位Ｅより変位ＤのほうがＷＧバルブ２の慣性力が大きくなり、閉弁しやすい。
他方、図６に一点鎖線で示すように、時間ｔにおいて実開度が基準位置と同じか大きい開度である場合、制御装置２０は制御切替状況ではないと判定して、通常のＰＩＤ制御によりＷＧバルブ２を全閉する。
このように、全閉時に応答時間の延びおよびオーバシュートが生じはじめる低開度を基準開度として設定しておき、当該基準開度より高開度からの全閉と当該基準開度より低開度からの全閉とで制御方法を切り替えることにより、応答変化によらず安定した閉弁を行うことができる。

また、図７のグラフに示すように、ＷＧバルブ２が全開状態になる開度を基準開度として設定してもよい。
ＷＧアクチュエータ１の各部品には寸法ばらつきがあるため、ＷＧバルブ２の全開開度ではストッパ１５ｂと当て部１３ｂとを当接させず、当該全開開度よりもさらに開弁側の規制開度でストッパ１５ｂと当て部１３ｂとを当接させてシャフト１３の直線移動を規制するように構成されている場合がある。その構成の場合、例えばＷＧバルブ２の全閉開度を基準開度に設定したとしても、制御装置２０は、当該全開開度よりさらに開度が大きい規制開度までＷＧバルブ２を開弁した後に本来の目標開度である全閉開度になるよう閉弁制御を行うことが可能である。これにより、どの開度から閉弁を開始する場合でも、安定した閉弁を行うことができる。

図８は、制御切替部４０の動作を示すフローチャートである。
切替開始判定部４１は、エンジン制御部２１から受け取る目標開度が全閉指令か否かを判定する（ステップＳＴ１）。切替開始判定部４１は、エンジン制御部２１から全閉指令が出されたと判定した場合（ステップＳＴ１“ＹＥＳ”）、Ａ／Ｄコンバータ２３から受け取った実開度と予め定められた基準開度を比較する（ステップＳＴ２）。ＷＧバルブ２の実開度が基準開度より小さい場合（ステップＳＴ２“ＹＥＳ”）、切替開始判定部４１は、基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉する制御切替状況であると判定し、切替指示部４２へ通知する。一方、全閉指令が出されていない場合（ステップＳＴ１“ＮＯ”）、または、ＷＧバルブ２の実開度が基準開度以上の場合（ステップＳＴ２“ＮＯ”）、フィードバック制御部３０は通常のフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）を行う（ステップＳＴ４）。なお、ステップＳＴ１とステップＳＴ２の順番は逆でもよい。

切替指示部４２は、切替開始判定部４１から制御切替状況の通知を受け取ると、閉弁時目標開度を目標開度補正部３１へ通知する（ステップＳＴ３）。基準開度が図６に示した開度に設定されている場合、閉弁時目標開度とは、ＷＧバルブ２を現在の実開度から基準開度まで開弁した後に本来の目標開度に従い全閉するための、一連の開度を時系列で示す指示である。あるいは、基準開度が図７に示した開度に設定されている場合、閉弁時目標開度とは、ＷＧバルブ２を現在の実開度から規制開度まで開弁した後に本来の目標開度に従い全閉するための、一連の開度を時系列で示す指示である。目標開度補正部３１が閉弁時目標開度の通知を受け取ると、フィードバック制御部３０は、エンジン制御部２１からの目標位置を用いるフィードバック制御から閉弁時目標開度を用いる閉弁制御に切り替える。そしてフィードバック制御部３０は、ＷＧバルブ２が全閉状態になると閉弁制御を終了し、通常のフィードバック制御に復帰する。

次に、図９を用いて、制御装置２０のハードウエア構成例を説明する
モータドライバ２２は、直流モータ４に印加する電圧をオンオフするスイッチング素子などで構成される。フィードバック制御部３０、制御切替部４０およびＡ／Ｄコンバータ２３は、メモリ５０に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ５１により、実現される。プロセッサ５１は、ＣＰＵまたはシステムＬＳＩ等の処理回路である。メモリ５０は、上記プログラムの他、基準開度などを記憶している。なお、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記機能を実行してもよい。

以上より、実施の形態１によれば、ＷＧアクチュエータ１の制御装置２０は、位置センサ１６の検出結果に基づき、駆動対象物であるＷＧバルブ２の開度が目標開度に近づくようシャフト１３の移動量をフィードバック制御するフィードバック制御部３０と、基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉する制御切替状況であるか否かを判定し、当該制御切替状況である場合、フィードバック制御部３０に対して制御方法をフィードバック制御から閉弁制御に切り替える指示を与える制御切替部４０とを備える構成にしたので、外力の作用により応答性が変化するような駆動対象物であっても、応答変化によらず安定した駆動を行うことができる。

また、実施の形態１によれば、フィードバック制御部３０は、制御切替部４０から制御方法を切り替える指示を受け付けた場合、ＷＧバルブ２の開度を基準開度まで大きくしてから全閉するよう制御するようにしたので、基準開度として応答時間の延びまたはオーバシュートが生じはじめる低開度を設定しておくことにより、応答変化によらず安定した閉弁を行うことができる。

また、実施の形態１によれば、ＷＧアクチュエータ１がシャフト１３の移動を規制するストッパとしてストッパ１５ｂと当て部１３ｂを備えている場合に、フィードバック制御部３０は、制御切替部４０から制御方法を切り替える指示を受け付けた場合、シャフト１３がストッパに規制される位置までＷＧバルブ２の開度を大きくしてから全閉するよう制御するようにしたので、基準開度としてＷＧバルブ２が全開する開度を設定した場合にも、応答変化によらず安定した閉弁を行うことができる。

実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２に係るＷＧアクチュエータ１の制御装置２０の構成例を示すブロック図である。図１０において図２と同一または相当する部分は同一の符号を付し説明を省略する。また、ＷＧアクチュエータ１の構成は、上記実施の形態１の図１に示したＷＧアクチュエータ１と図面上では同じ構成であるため、図１を援用する。本実施の形態２の制御装置２０が行う動作は、上記実施の形態１の図８に示したフローチャートのうちのステップＳＴ３における具体的動作以外は同じ動作であるため、以下ではステップＳＴ３の具体的動作について説明する。

実施の形態２の切替指示部４２ａは、図８のステップＳＴ３において切替開始判定部４１から制御切替状況の通知を受け取ると、フィードバック制御から閉弁制御へ制御方法を切り替える指示としてＷＧバルブ２の開度が小さくなる方向の予め定められたＤｕｔｙ補正値を、フィードバック制御部３０のＤｕｔｙ制御部３４ａへ出力する。Ｄｕｔｙ制御部３４ａは、切替指示部４２ａからＤｕｔｙ補正値を受け取った場合、ＰＩＤ制御部３３から受け取った駆動Ｄｕｔｙに当該Ｄｕｔｙ補正値を加算し、加算後の駆動Ｄｕｔｙに対応するＰＷＭ制御信号を生成してモータドライバ２２に与える。

Ｄｕｔｙ補正値はシャフト１３の移動量を変更する値であり、駆動ＤｕｔｙにＤｕｔｙ補正値を加算することにより直流モータ４の閉弁方向のトルク、つまり閉弁力が大きくなる。これにより、基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉するとき、ＷＧアクチュエータ１が通常のフィードバック制御のときより大きい閉弁力でＷＧバルブ２を閉弁させることができると同時に、閉弁方向への加速を大きくして慣性力を大きくすることができる。よって、低開度から閉弁する場合の応答変化によらず、安定した閉弁を行うことができる。

なお、切替指示部４２ａがＤｕｔｙ制御部３４ａに指示するＤｕｔｙ補正値は、予め定められている固定値でもよいし、ＷＧバルブ２の実開度と全閉開度の差に応じた変動値でもよい。変動値を用いる場合、切替指示部４２ａは、例えば実開度と全閉開度の差が大きいほどＤｕｔｙ補正値を大きくする。このＤｕｔｙ補正値は例えば図９に示したメモリ５０に予め記憶されているものとする。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、低開度からの閉弁時に閉弁力と慣性力を大きくするために、フィードバック制御の駆動Ｄｕｔｙを大きくする構成にしたが、本実施の形態３ではフィードバック制御のゲインを大きくする構成にする。

図１１は、この発明の実施の形態３に係るＷＧアクチュエータ１の制御装置２０の構成例を示すブロック図である。図１１において図２と同一または相当する部分は同一の符号を付し説明を省略する。また、ＷＧアクチュエータ１の構成は、上記実施の形態１の図１に示したＷＧアクチュエータ１と図面上では同じ構成であるため、図１を援用する。本実施の形態３の制御装置２０が行う動作は、上記実施の形態１の図８に示したフローチャートのうちのステップＳＴ３における具体的動作以外は同じ動作であるため、以下ではステップＳＴ３の具体的動作について説明する。

実施の形態３の切替指示部４２ｂは、図８のステップＳＴ３において切替開始判定部４１から制御切替状況の通知を受け取ると、フィードバック制御から閉弁制御へ制御方法を切り替える指示としてフィードバック制御のゲイン補正値を、フィードバック制御部３０のＰＩＤ制御部３３ｂへ出力する。ＰＩＤ制御部３３ｂは、切替指示部４２ｂからゲイン補正値を受け取った場合、通常のフィードバック制御で用いるゲインに当該ゲイン補正値を加算し、加算後のゲインを用いて減算部３２から受け取った実開度と目標開度との偏差を増幅し、駆動Ｄｕｔｙを算出する。

これにより、基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉するとき、ＷＧアクチュエータ１が通常のフィードバック制御のときより大きい閉弁力でＷＧバルブ２を閉弁させることができると同時に、閉弁方向への加速を大きくして慣性力を大きくすることができる。よって、低開度から閉弁する場合の応答変化によらず、安定した閉弁を行うことができる。

なお、切替指示部４２ｂがＰＩＤ制御部３３ｂに指示するゲイン補正値は、予め定められている固定値でもよいし、ＷＧバルブ２の実開度と全閉開度の差に応じた変動値でもよい。変動値を用いる場合、切替指示部４２ｂは、例えば実開度と全閉開度の差が大きいほどゲイン補正値を大きくする。このゲイン補正値は例えば図９に示したメモリ５０に予め記憶されているものとする。

実施の形態４．
上記実施の形態２では、低開度からの閉弁時に閉弁力と慣性力を大きくするために、フィードバックゲイン制御の駆動Ｄｕｔｙを大きくする構成にしたが、本実施の形態４ではフィードバック制御の目標開度を閉弁方向に補正する構成にする。

図１２は、この発明の実施の形態４に係るＷＧアクチュエータ１の制御装置２０の構成例を示すブロック図である。図１２において図２と同一または相当する部分は同一の符号を付し説明を省略する。また、ＷＧアクチュエータ１の構成は、上記実施の形態１の図１に示したＷＧアクチュエータ１と図面上では同じ構成であるため、図１を援用する。本実施の形態４の制御装置２０が行う動作は、上記実施の形態１の図８に示したフローチャートのうちのステップＳＴ３における具体的動作以外は同じ動作であるため、以下ではステップＳＴ３の具体的動作について説明する。

実施の形態４の切替指示部４２ｃは、図８のステップＳＴ３において切替開始判定部４１から制御切替状況の通知を受け取ると、フィードバック制御から閉弁制御へ制御方法を切り替える指示としてフィードバック制御の目標開度を閉弁方向に補正する目標開度補正値を、フィードバック制御部３０の目標開度補正部３１ｃへ出力する。目標開度補正部３１ｃは、切替指示部４２ｃから目標開度補正値を受け取った場合、エンジン制御部２１から受け取る目標開度を当該目標開度補正値で補正し、補正後の目標開度を減算部３２へ出力する。

なお、切替指示部４２ｃが目標開度補正部３１ｃに指示する目標開度補正値は、予め定められている固定値でもよいし、ＷＧバルブ２の実開度と全閉開度の差に応じた変動値でもよい。変動値を用いる場合、切替指示部４２ｃは、例えば実開度と全閉開度の差が大きいほど目標開度補正値を大きくする。この目標開度補正値は例えば図９に示したメモリ５０に予め記憶されているものとする。
また、目標開度補正値として固定値を用いる場合、切替指示部４２ｃは、基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉するときから、ＷＧバルブ２が全閉状態になる手前までの期間に、一時的に、目標開度を閉弁方向に補正させることが望ましい。一時的でないと、実際にはＷＧバルブ２が全閉しているにもかかわらず目標開度の補正により閉弁力が働いてＷＧバルブ２およびＷＧアクチュエータ１に余計な負荷がかかる可能性がある。

実施の形態５．
駆動対象物の全閉付近において、フリクションが増大する場合または排気ガス圧力等による外力が大きい場合は、全閉する直前に駆動対象物の移動速度が低下し閉弁が遅れる。フリクションの増大は、例えばアクチュエータのシャフトに煤が付着したり、駆動対象物とバルブシートとの間に煤が溜まったりすることで起こる。
上記原因による閉弁の遅れは、全閉時に毎回発生するわけではない。そこで、本実施の形態５では、駆動対象物の移動速度を監視し、基準開度より小さい開度から駆動対象物を全閉する制御切替状況において移動速度が予め定められた速度より小さい場合に、フィードバック制御から閉弁制御へ制御方法を切り替える構成にする。

図１３は、この発明の実施の形態５に係るＷＧアクチュエータ１の制御装置２０の構成例を示すブロック図であり、実施の形態１の図２に示した制御装置２０に対して新たに速度算出部４３が加えられている。図１３において図２と同一または相当する部分は同一の符号を付し説明を省略する。また、ＷＧアクチュエータ１の構成は、上記実施の形態１の図１に示したＷＧアクチュエータ１と図面上では同じ構成であるため、図１を援用する。

速度算出部４３は、Ａ／Ｄコンバータ２３からシャフト１３の実ストローク位置、つまりＷＧバルブ２の実開度を受け取り、移動速度を算出する。速度算出部４３は、算出したＷＧバルブ２の移動速度を制御切替部４０の切替開始判定部４１ｄへ出力する。

切替開始判定部４１ｄは、上記実施の形態１と同様に、エンジン制御部２１からＷＧバルブ２の目標開度を受け取ると共に、Ａ／Ｄコンバータ２３からＷＧバルブ２の実開度を受け取り、予め定められた基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉する制御切替状況であるか否かを判定する。
そして、切替開始判定部４１ｄは、制御切替状況であると判定した場合に、続いて速度算出部４３から受け取る移動速度を予め定められた速度と比較する。予め定められた速度は、例えば図９に示したメモリ５０に予め記憶されているものとする。切替開始判定部４１ｄは、上記制御切替状況であって、かつ、移動速度が予め定められた速度より小さい場合、切替指示部４２に対して制御方法を切り替えるよう指示する。フィードバック制御部３０が行う閉弁制御は、上記実施の形態１〜４のいずれの閉弁制御でもよい。

これにより、基準開度より小さい開度からＷＧバルブ２を全閉するときにおいて、特にＷＧバルブ２の移動速度が遅い場合に、フィードバック制御から閉弁制御へ制御方法を切り替えることができる。よって、低開度から閉弁する際に応答性が悪化したとしても、安定した閉弁を行うことができる。

なお、上記実施の形態１〜５では、外力の作用により応答性が変化する駆動対象物の一例としてＷＧバルブを挙げたが、これに限定されるものではなく、ＥＧＲバルブまたはＶＧベーン等であってもよい。
また、本発明に係るアクチュエータと、駆動対象物であるバルブと、制御装置とを備えたバルブ駆動装置として構成してもよい。

上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
また、本発明に係るアクチュエータのシャフトと駆動対象物とを、リンク機構を用いて連結する構成を示したが、リンク機構を用いずに直接シャフトと駆動対象物とを連結する構成であってもよい。

１ＷＧアクチュエータ、２ＷＧバルブ（駆動対象物）、３リンク機構、３ａ，３ｂプレート、３ｃ支点、４直流モータ、５マグネット、６ロータ、７コイル、８ステータ、９整流子、１０外部端子、１１ａ，１１ｂブラシ、１２ネジ機構、１２ａ雌ネジ部、１２ｂ雄ネジ部、１３シャフト、１３ａ回転規制部、１３ｂ，１３ｃ当て部、１４軸受部、１５ハウジング、１５ａガイド部、１５ｂ，１５ｃストッパ、１６位置センサ、１７センサ用シャフト、１８センサ用マグネット、２０制御装置、２１エンジン制御部、２２モータドライバ、２３Ａ／Ｄコンバータ、３０フィードバック制御部、３１，３１ｃ目標開度補正部、３２減算部、３３，３３ｂＰＩＤ制御部、３４，３４ａＤｕｔｙ制御部、４０制御切替部、４１，４１ｄ切替開始判定部、４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ切替指示部、４３速度算出部、５０メモリ、５１プロセッサ、１００排気通路、１０１バイパス通路。

Claims

駆動対象物の開度を調整するシャフトと、前記シャフトを軸方向に往復移動させるモータと、前記シャフトの位置を検出する位置センサとを有するアクチュエータの制御装置であって、
前記位置センサの検出結果に基づき、前記駆動対象物の開度が目標開度に近づくよう前記シャフトの移動量をフィードバック制御するフィードバック制御部と、
基準開度より小さい開度から前記駆動対象物を全閉する制御切替状況であるか否かを判定し、当該制御切替状況である場合、前記フィードバック制御部に対して制御方法を切り替える指示を与える制御切替部とを備えることを特徴とするアクチュエータの制御装置。
前記フィードバック制御部は、前記制御切替部から制御方法を切り替える指示を受け付けた場合、前記駆動対象物の開度を前記基準開度まで大きくしてから全閉するよう制御することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御装置。
前記アクチュエータは、前記シャフトの移動を規制するストッパを備えたものであって、
前記フィードバック制御部は、前記制御切替部から制御方法を切り替える指示を受け付けた場合、前記シャフトが前記ストッパに規制される位置まで前記駆動対象物の開度を大きくしてから全閉するよう制御することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御装置。
前記フィードバック制御部は、前記制御切替部から制御方法を切り替える指示を受け付けた場合、前記フィードバック制御において算出される移動量に対して、前記駆動対象物の開度が小さくなる方向の予め定められた移動量を加えることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御装置。
前記フィードバック制御部は、前記制御切替部から制御方法を切り替える指示を受け付けた場合、前記フィードバック制御のゲインを変更することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御装置。
前記フィードバック制御部は、前記制御切替部から制御方法を切り替える指示を受け付けた場合、前記フィードバック制御の目標開度を、前記駆動対象物の開度が小さくなる方向に補正することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御装置。
前記位置センサにより検出される前記シャフトの位置から前記駆動対象物の速度を算出する速度算出部を備え、
前記制御切替部は、前記基準開度より小さい開度から前記駆動対象物を全閉する制御切替状況であるか否か、および前記速度算出部により算出された速度が予め定められた速度より小さいか否かを判定し、当該制御切替状況であり、かつ速度が小さい場合、前記フィードバック制御部に対して制御方法を切り替える指示を与えることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のアクチュエータの制御装置。
駆動対象物の開度を調整するシャフトと、
前記シャフトを軸方向に往復移動させるモータと、
前記シャフトの位置を検出する位置センサと、
請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の制御装置とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
駆動対象物であるバルブと、
前記バルブの開度を調整するシャフトと、
前記シャフトを軸方向に往復移動させるモータと、
前記シャフトの位置を検出する位置センサと、
請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の制御装置とを備えることを特徴とするバルブ駆動装置。
駆動対象物の開度を調整するシャフトと、前記シャフトを軸方向に往復移動させるモータと、前記シャフトの位置を検出する位置センサとを有するアクチュエータの制御方法であって、
制御装置のフィードバック制御部が、前記位置センサの検出結果に基づき、前記駆動対象物の開度が目標開度に近づくよう前記シャフトの移動量をフィードバック制御し、
前記制御装置の制御切替部が、基準開度より小さい開度から前記駆動対象物を全閉する制御切替状況であるか否かを判定し、当該制御切替状況である場合、前記フィードバック制御部に対して制御方法を切り替える指示を与えることを特徴とするアクチュエータの制御方法。