JP2018078797A - ブラシレスモータを使用して外部部材を駆動するメカトロニックアセンブリおよび電子部品の簡易アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】多相ブラシレスＤＣモータで、モータへの電力供給に２本の電線のみを用いる部材位置決め用メカトロニックアセンブリを提供する。
【解決手段】部材位置決め用メカトロニックアセンブリは、制御ユニット（１）およびアクチュエータ（２）を備え、制御ユニット（１）は、サーボ制御アルゴリズムおよびパワーブリッジを備え、パワーブリッジは、トルク信号および方向信号で構成される二線電気信号（６）を伝達し、アクチュエータ（２）は、Ｎ相を有する多相ブラシレス電動モータ（８）と、モータ（８）のロータの位置を検出するバイナリ検出プローブ（１１）と、二線電気信号（６）からＮ相モータ（８）に電力供給を行うのに適した自己整流電子回路（１０）とを備え、自己整流電子回路（１０）の状態は検出プローブ（１１）から供給される信号により直接制御される。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、多相ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータの分野に関する。より具体的には、本発明は、マイクロプロセッサを使用しない、モータへの電力供給に２本の電線のみを必要とする、上記のようなモータを制御する方法に関する。

多くの活動分野において、メカトロニックアクチュエータの必要性がますます高まっており、その環境も次第に厳しくなっている。自動車分野もそのような分野の一つであり、汚染物質の排出を削減するために他社ブランド製品製造企業（ＯＥＭ）が必要になることから、内燃機関に対して多くの追加機能が提案されている。さらに、エンジンが小型化され、また多数の周辺機能を有することにより、利用可能なスペースがますます減少している。周辺機能の装備が必要となる環境においては、熱や機械に関する制約（温度、振動、利用可能なスペース）が非常に厳しくなっている。

そのため、上記の制約に対処する、より堅牢なシステムの提案が重要になっている。ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータ技術は、上記制約を満たすが、制御電子機器が必要となるため、不利であることが多い。電子機器はすぐに、高温システムの寿命を確保する上での障害となってしまう。そのため、最適かつ革新的な解決策を見つける必要がある。

さらに、自動車分野はますます競争が激化しており、変速装置に付随するブラシ付きＤＣモータの技術により、多くのメカトロニック機能が実行されるようになっている。これは、システム費用に関する理由、特に、主に制御の容易さと、マイクロプロセッサ非装備による電子機器費用の削減という理由から、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）よりもブラシ（付き）ＤＣモータ（ＢＤＣ）の方が好まれることが多いためである。この傾向は、多くの車両用電子制御ユニット（ＥＣＵ）に、単相アクチュエータ（有極または無極のＤＣモータまたはソレノイド）の二方向制御専用のパワーブリッジ（「Ｈブリッジ」という）が装備されているという事実によって、より強くなっている。

しかしながら、単に経済的な理由から、技術者が、従来のＤＣモータと比較して圧倒的な利点を有する技術、すなわち、堅牢、低摩耗、電磁適合性、コンパクト性等の利点を有するブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）を利用できないのは残念なことである。

また、既存のＥＣＵを使用することによって、新規の制御・調整ソフトウェアのデバックや検証を行う必要がなく、製品の市場への投入を加速することができる。

〔現状の技術〕
自動車分野または他の分野において、多くの機能や特徴について、回転時または変換時にサーボ制御が行われる位置決めが可能なシステムが必要となる。上記システムとしては、空気式、油圧式、または電動式のシステムが可能であるが、本発明においては、電動アクチュエータについてのみ扱う。本発明では、「アクチュエータ」という用語は、電動モータ、当該モータのロータ位置を検出する任意の検出装置、任意の運動変換手段、出口位置センサ、整流電子機器、およびコネクタによって形成されるアセンブリを示す。

アクチュエータは、主に以下の二種類に分類することができる。
−「ダム」アクチュエータ。図１は、ブラシ付きＤＣモータ（２０）と、簡単にいうと、スライダーに付属する抵抗トラックである位置センサ（７）とを備えるアクチュエータ（２）を示す。位置サーボ制御を担うスマート部分は、電子制御ユニットまたは「ＥＣＵ」として当業者に知られる、別体のオフセット電子ユニット（１）に装備されている。
−「スマート」アクチュエータ。スマートアクチュエータは、位置サーボ制御機能を担うマイクロコントローラを備える。通常、このタイプのアクチュエータは、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号、またはローカル相互接続ネットワーク（ＬＩN）やコントローラエリアネットワーク（ＣＡN）通信バスによって制御される。このようなタイプのバスは、自動車産業における標準的なバスとして認識されている。

内燃機関付近の自動化可能な適用（例：ターボシステムのウェイストゲート等）の場合は、電子部品、特にマイクロコントローラの高温での適合性の理由により、「スマート」アクチュエータを使用するよりも「ダム」アクチュエータを使用する方がはるかに好ましい。

ダムアクチュエータを使用する場合は、図１に図示するように、ＥＣＵ（１）が、アクチュエータ（２）の機械的出口（mechanical outlet）（１２）に連結された位置センサ（７）によって伝達される位置信号を読み取り、ブラシ付きＤＣモータ（２０）に印加されるトルク・方向信号（６）を算出する。機械的出口（１２）は、移動する外部部材（不図示）（例：弁部材またはニードル等）に連結されている。モータ（２０）の作動は、変速段または（回転・直線）運動変換器（９）を介して、アクチュエータ（２）の機械的出口（１２）に伝達される。このような閉ループにより、アクチュエータ（２）の機械的出口（１２）の位置に対してサーボ制御を行うことができる。ＥＣＵ（１）とアクチュエータ（２）との間には、以下のような接続部（３）がいくつか備えられている。すなわち、ブラシ付きＤＣモータ（２０）用ワイヤ２本（２本のワイヤ間の差動信号は、正信号または負信号となり得る）と、位置センサ（７）用ワイヤ３本（アース用ワイヤ、電源のための正信号用ワイヤ、および位置信号用ワイヤ各１本）とが備えられている。ＤＣモータ（２０）は、４つのトランジスタ（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）で構成される「Ｈブリッジ」と呼ばれるパワーブリッジ（図２４を参照）によって、ＥＣＵ（１）が伝達するトルク・方向信号（６）に応答する。

特許ＵＳ５，７７３，９４１は、基準（アースまたは０Ｖ）ワイヤとトルク信号ワイヤをそれぞれ１本ずつ、計２本のワイヤを使用した三相ブラシレスＤＣモータを一方向において制御可能とする発明について記載している。外部電源は、連続信号または断続信号（chopped signal）となり得るトルク信号を供給する。整流電子機器２０は、トルク信号からエネルギーを得る充電式電源により自己電力供給を行う。

工業的適用であるか、または自動車に関する適用であるかにかかわらず、ブラシレスＤＣモータは、特許ＵＳ４，３６５，１８７（欄１、９行）に記載された従来のＤＣモータと比較して利点を有するため、現在、幅広くより多く使用されている。ブラシレスモータの種類としては、コイルを１つまたは半コイルを２つ備えた単相ブラシレスＤＣモータ構造を有するブラシレスモータが好ましい。モータ付近、または実際のモータのハウジング３０内に一体化できる簡素な電子機器が、１つまたは２つのホール効果プローブにより伝達される信号に基づいて、上記モータの自己整流を管理する。

〔先行技術の問題点〕
自動車のフードやボンネット下に装備された機能の電化が進むことにより、電動アクチュエータは、ますます厳しくなる種々の制約や重圧への対処、特に１２５℃を超える周囲温度への耐性に関する対処が必要となっている。

既存の「スマート」システムには、モータの制御やアクチュエータ位置のサーボ制御に必要なマイクロコントローラ、複雑な電子機器、またはマイクロコントローラおよび／または複雑な電子機器が組み込まれており、耐えられる周囲温度が限られている。経済的に「実行可能な」タイプの構成部品では、１２５℃の制限を超えることができず、高価な冷却手段が必要となることが多い。

既存のダムシステムは、アクチュエータが複雑で繊細な電子部品を備えていないため、所望の周囲温度に適合可能である。しかしながら、当該アクチュエータは、従来のブラシ付きＤＣモータよりもはるかに長寿命という大きな利点を有するブラシレスＤＣモータと比較すると、工業的に性能が低く、小型化されていないブラシ付きＤＣモータを使用している。ブラシ付きＤＣモータが電磁妨害源であり、電子システムやコンピュータがますます多くを占める環境において、微妙な問題となっていることは、当業者に認められている。

多相ブラシレスＤＣモータの従来構造の１つとして、スター構成（a star configuration）またはデルタ構成（a delta configuration）で接続された三相を有し、それによりモータの電源用の接続点を３つ有するモータが挙げられる。位置決めを行うためのブラシレスＤＣモータの自己整流には、モータのロータ位置を決定するために使用される３つのプローブが必要となる。ブラシ付きＤＣモータの代わりにブラシレスＤＣモータを備えたダムアクチュエータを設計するためには、三相モータを制御するよう適応され、設計されたＥＣＵ、すなわち、トランジスタ６つおよびロータプローブとの接続点５つを備えた三相ブリッジを使用する必要がある。位置サーボ制御システムは、モータの回転の双方向制御を行う必要があるが、特許ＵＳ５,７７３,９４１に記載の発明では、入口（当該記載では２２としている）が１つの極性のみしか受け付けないため、上記双方向制御を行うことができない。

特許ＵＳ４，３６５，１８７に記載されているような大部分が単相のブラシレスＤＣモータの他の適用としては、必要な回転方向が一方向のみであるファンまたはポンプに主に使用される。上記特許（欄５、３行）に記載されているように、モータの構造は、モータの幾何学的形状またはプローブの位置決めによって、モータが適切にかつ好適な回転方向に確実に始動するように設計する必要がある。その結果、単相ブラシレスＤＣモータおよびその制御電子機器は、本発明の主題である、位置決めを行うための適用には適さない。これは、位置決めを行うための適用の場合、位置修正が絶えず必要となり、モータが双方向に回転する必要があるためである。

〔発明による解決策〕
本発明は、エネルギー源より電力供給を受ける制御システム、および機械的出口に適用される運動変換システムに応じて、直線型または回転型となり得るアクチュエータに関する。アブソリュートセンサが、アクチュエータの機械的出口における角度位置または直線位置を測定し、制御システムによって当該位置のサーボ制御を行う。

本発明の目的は、ブラシ付きＤＣモータに基づくシステムと同一の既存要素を維持しながら、ブラシレスＤＣモータにより駆動するアクチュエータを提案することである。当該アクチュエータは、位置センサから供給されるアナログ信号、デジタル信号、またはアナログ信号および／またはデジタル信号をまとめるコネクタを介して、制御システムに接続されており、当該信号が、ＢＬＤＣモータにより生成される方向とトルクとを組み合わせる。

高温（１２５℃超）に耐える基礎電子回路は、モータのロータ位置を示すN個のプローブ（N probes）により、N相モータ（the N probes of the motor）の自己整流を管理する。以下に記載する解決策の目的は、上記問題を解決できる技術的な妥協点または交換条件を提案することである。そのために、可逆多相モータの使用や可逆多相モータ（a reversible polyphase motor）の双方向における制御の可能性を維持しながら、いかなるマイクロプロセッサも必要としない、ブラシ付きＤＣモータの代わりにブラシレスＤＣモータを使用できる経済的な解決策を提案する。そのため、本発明は、N相を有する任意の多相モータに適用される。

本発明は、以下の基準を満たしつつ、ブラシ付きＤＣモータの代わりにブラシレスＤＣモータを使用するための経済的な解決策を提供する。
１− ハードウェアまたはソフトウェアを全く変更することなく、既存の別体のオフセット制御（ＥＣＵ）を維持する。
２− 既存の製品と即座に交換可能である。
３− アクチュエータの長寿命化を実現する。
４− モータを双方向に制御可能とする。
５− アクチュエータに組み込む必要のある（簡素かつ堅牢な）電子部品はごくわずかである。
６− 使用する構成部品が１２５℃を超える周囲温度に対して適合性および耐性を有する。
７− ブラシレスＤＣモータおよび少数の構成部品により、非常にコンパクトに一体化できる。
８− アクチュエータの軽量化を実現できる。
９− 電磁妨害を減少させる。
より具体的には、本発明は、部材位置決め用メカトロニックアセンブリであって、制御ユニット（１）およびアクチュエータ（２）を備え、上記制御ユニット（１）は、サーボ制御アルゴリズムおよびパワーブリッジを備え、上記アルゴリズムは上記パワーブリッジを制御し、上記パワーブリッジは、トルク信号および方向信号で構成される二線電気信号（６）を伝達し、上記アクチュエータ（２）は、N相を有する多相ブラシレス電動モータ（８）と、上記モータ（８）のロータの位置を検出するバイナリ検出プローブ（１１）と、上記二線電気信号（６）からN相モータ（８）に電力供給を行うのに適した電源スイッチ（２５）とを備え、上記メカトロニックアセンブリは、電源スイッチ（２５）の状態は検出プローブ（１１）から供給される信号により直接制御されることを特徴とするメカトロニックアセンブリを提供する。

本特許において、「直接制御される」とは、他の処理を行うことなく、電源スイッチの状態を制御する信号が以下のいずれかより供給される状況を意味する。
１− 検出プローブの出口。
２− 複数の検出プローブの論理的組み合わせ。
３− １つまたは複数の検出プローブと、方向信号（上記のようなモータの回転方向）との組み合わせ。
検出プローブから供給される信号と電源スイッチの状態の制御との間では、非常に簡単な論理演算以外の処理は行われない。そのような簡単な演算は、論理ゲートまたは個別の構成部品（トランジスタ、ダイオード、抵抗器等）によって引き続き実現できる。

好適な実施形態において、上記モータの回転方向は、二線電気信号の極性および検出プローブからの信号に基づいて構成される基本組み合わせ論理回路によって定められる。

特定の実施形態において、メカトロニックアセンブリは、上記部材の絶対サーボ制御を行うためのサーボ制御センサをさらに備え、上記サーボ制御センサは第二電気信号より電力供給を受ける。

他の実施形態において、上記部材の絶対サーボ制御を行うためのサーボ制御センサは二線電気信号より電力供給を受ける。

特定の実施形態において、上記ロータの位置を検出する上記バイナリ検出プローブは、上記二線電気信号より電力供給を受ける。

特定の実施形態において、上記ロータの位置を検出する上記バイナリ検出プローブは、上記第二電気信号より電力供給を受ける。

特定の実施形態において、上記二線電気信号は、サーボ制御センサより提供される位置情報に基づいて、サーボ制御アルゴリズムによって制御される増幅の連続信号である。

他の特定の実施形態において、上記二線電気信号は、サーボ制御センサより提供される位置情報に基づいて、サーボ制御アルゴリズムによって制御されるマーク対スペース比（mark-to-space ratio）またはデューティサイクル（duty cycle）の断続信号である。

好適な実施形態において、上記二線信号は、正電流をN相モータに供給するために、ダイオードブリッジによって整流される。

また、上記モータ（８）の回転方向は、１つまたは２つのラッチ回路またはフリップフロップ回路によって、上記二線電気信号（６）から抽出される方向信号より決定され、周波数、または上記二線電気信号（６）のチョッピングのマーク対スペース比やデューティサイクルから独立させる。

また、上記モータ（８）は、磁気結合の強い半コイルによって構成され、上記コイルの消磁の段階の間に、電源スイッチ（２５）における消散を制限する。

また、本発明は、制御ユニット（１）を備えるメカトロニックアセンブリの上記アクチュエータによって駆動される弁部材を備える流量制御バルブであって、上記制御ユニット（１）は、サーボ制御アルゴリズムおよびパワーブリッジを備え、上記アルゴリズムは上記パワーブリッジを制御し、上記パワーブリッジは、トルク信号および方向信号で構成される二線電気信号（６）を伝達し、上記アクチュエータ（２）は、N相を有する多相ブラシレス電動モータ（８）と、上記モータ（８）のロータの位置を検出するバイナリ検出プローブ（１１）と、上記二線電気信号（６）からN相モータ（８）に電力供給を行うのに適した電源スイッチ（２５）とを備え、上記メカトロニックアセンブリは、電源スイッチ（２５）の状態は検出プローブ（１１）から供給される信号により直接制御されることを特徴とする流量制御バルブを提供する。

本発明はさらに、内燃機関に搭載された移動部材のアクチュエータをサーボ制御するサーボ制御回路であって、上記サーボ制御回路は、サーボ制御アルゴリズムおよびパワーブリッジを実行するコンピュータを備え、上記アルゴリズムは上記パワーブリッジを制御し、上記パワーブリッジは、トルク信号および方向信号で構成される二線電気信号（５）を伝達し、上記アクチュエータ（２）は、N相を有する多相ブラシレス電動モータ（８）と、上記モータ（８）のロータの位置を検出するバイナリ検出プローブ（１１）と、上記二線電気信号（６）からN相モータ（８）に電力供給を行うのに適した電源スイッチ（２５）とを備え、上記メカトロニックアセンブリは、電源スイッチ（２５）の状態は検出プローブ（１１）から供給される信号により直接制御されることを特徴とするサーボ制御回路を提供する。
〔図面の簡単な説明〕
本発明の他の特徴および利点はすべて、添付の図面を参照して、以下の記載に非限定的に示している。
図１は、先行技術のメカトロニックアセンブリを示す図である。
図２は、本発明のメカトロニックアセンブリを示す図である。
図３は、本発明が関連するモータの種々の複数相コイルの一例を示す図である。
図４は、二方向に制御されるアクチュエータにおける基礎電子回路を詳細に示す図である。
図５は、一方向に制御されるアクチュエータにおける基礎電子回路を詳細に示す図である。
図６は、第１の実施形態の整流論理回路の電源を示す図である。
図７は、第２の実施形態の整流論理回路の電源を示す図である。
図８は、「１２０°単極」と呼ばれる第１操作モードにおけるトルクの波長および電流の波長を示す図である。
図９は、「１８０°単極」と呼ばれる第２操作モードにおけるトルクの波長および電流の波長を示す図である。
図１０は、「中点を有する二相および二極」と呼ばれる第３操作モードにおけるトルクの波長および電流の波長を示す図である。
図１１は、図８および図９に示す二つのモードにおける、プローブの設定を示す図である。
図１２は、「１２０°単極」第１モードにおける整流論理回路の電子回路、およびその真理表を示す図である。
図１３は、「１８０°単極」第２モードにおける整流論理回路の電子回路、およびその真理表を示す図である。
図１４は、「中点を有する二相および二極」第３モードにおける整流論理回路の電子回路、およびその真理表を示す図である。
図１５は、モータの双方向での制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路（図１２、図１３、図１４に示す図に適用）の一部、およびその真理表を示す図である。
図１６は、モータの双方向での制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路（図１２、図１３、図１４に示す図に適用）の一部、その真理表、および図１５で提案された解決策の代替案を示す図である。
図１７は、モータの双方向および二極での制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路の一部、およびその真理表を示す図である。
図１８は、モータの双方向および二極での（磁気的に）制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路の一部、およびその真理表を示す図である。
図１９は、制御信号に含まれる方向情報の抽出が可能な回路を示す図である。
図２０は、制御信号に含まれる方向情報の抽出が可能な回路を示す図である。
図２１は、図１９および図２０に示す回路から供給される信号を示す図である。
図２２は、制御信号に含まれる方向情報の抽出が可能な回路を示す図である。
図２３は、図２２に示す回路から供給される信号を示す図である。
図２４は、制御ユニットのパワーブリッジの一般的な構成を示す図である。

〔実施形態の詳細な説明〕
図１は、既存システムにおいて一般的に使用される、最新のメカトロニック位置決めアセンブリを示す。当該アセンブリは、アクチュエータ（２）を制御する制御ユニット（１）に電力供給を行うエネルギー源（４）によって構成され、アクチュエータ（２）は、機械的運動変換アセンブリ（９）に付属するブラシ付きＤＣモータ（２０）によって構成される。センサ（７）が上記アクチュエータの機械的出口（１２）に連結されており、位置情報（５）を制御システム（１）にフィードバックする。制御システム（１）は、リンクコネクタ（３）でまとめられた、トルク・方向信号（６）の組み合わせに作用する。機械的出口（１２）は、自動車での適用において、移動する外部部材（例：弁部材またはニードル等）に連結される。

図２は、本発明のメカトロニック位置決めアセンブリを示す。当該アセンブリは、アクチュエータ（２）を制御する制御ユニット（１）に電力供給を行うエネルギー源（４）によって構成され、アクチュエータ（２）は機械的運動変換アセンブリ（９）に付属するブラシレスＤＣモータ（８）によって構成される。センサ（７）がアクチュエータ（２）の機械的出口（１２）に連結されており、位置情報（５）を制御システム（１）にフィードバックする。制御システム（１）は、リンクコネクタ（３）でまとめられた、トルク・方向信号（６）の組み合わせに作用する。モータ（８）のロータ位置は、基礎電子回路（１０）を介して、N相モータ（８）の自己整流を行うN個のプローブ（１１）により読み取られる。

回転または直線の位置決めシステム（図２）は、別体の電子制御ユニット（１）または「ＥＣＵ」と、アクチュエータ（２）とで構成される。アクチュエータ（２）には、ブラシレスＤＣモータ（８）のロータの位置を示すプローブ（１１）から供給される信号を使用して上記モータの自己整流を行う基礎回路が組み込まれている。図３に示す三相トポロジ（ＡおよびＢ）および二相トポロジ（Ｃ）の例に示すように、本発明はいかなるタイプの多相ブラシレスＤＣモータにも適用される。読みやすさの便宜上、以下の記載は、２〜３の範囲のN個（NはブラシレスＤＣモータの相の数とする）のサブセットのみに基づくものとする。アクチュエータ（２）の機械的出口（１２）の位置は、ＥＣＵ（１）が、機械的出口（１２）に連結されたセンサ（７）が伝達する位置信号（５）により読み取る。ＥＣＵ（１）は、車両（４）のバッテリにより電力供給を受け、位置サーボ制御アルゴリズムを実行し、変速装置または運動変換機構（９）を介して、アクチュエータの機械的出口（１２）に作用するモータのためのトルク・方向信号（６）を生成する。自己整流電子回路（１０）は、アクチュエータ（２）がブラシレスＤＣモータ（図２）またはブラシ付きＤＣモータ（図１）のいずれによって駆動される場合であっても、アクチュエータ（２）が機能および接続部（３）の両方において適合するよう設計されている。

経済的な理由により、ブラシレスＤＣモータ（８）は、３つのトランジスタのみが必要となる単極により制御される。これにより、自己整流回路は単純化される。このシステムは、位置決めを実現するよう設計されており、好ましくは、１２０°モード（図８）での３ステップと比較して、電気印加期間（electrical period）につき６モータステップを提供する１８０°モード（図９）で作動する。上記の各作動モードの電気印加期間毎のステップ数は、トルク信号の波長（図９の３９および図８の３７）から導くことができる。図１２は、１２０°モードのブラシレスＤＣモータの自己整流が可能な最小電子図を示し、図１３は、１８０°モードのブラシレスＤＣモータの自己整流が可能な最小電子図を示す。

上記の各モードについて、図８は、１２０°モードのモータの相を流れる電流の波形を示し、図９は、１８０°モードのモータの相を流れる電流の波形を示す。プローブの整流のタイミングは、操作モードが１２０°または１８０°のいずれであるかによって異なる。図１１に示すように、図１１に記載された簡素化された電子機器により、最大平均トルクを確保する逆起電力（逆ＥＭＦ）（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）を有する相の電流が得られるように、１２０°モードでは、設定が３０°進んでいる。

図８は、モータ（８）の各相の電流（３６ａ、３６ｂ、３６ｃ）の波形、およびモータ（８）の上記各相の逆ＥＭＦ（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）に関連する各相の波形を示す。この制御モードは１２０°単極モードと呼ばれる。曲線（３７）は、モータの駆動トルクの波形を示す。

図９は、モータ（８）の各相の電流（３８ａ、３８ｂ、３８ｃ）の波形、およびモータ（８）の上記各相の逆ＥＭＦ（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）に関連する各相の波形を示す。この制御モードは１８０°単極モードと呼ばれる。曲線（３９）は、モータ（８）の駆動トルクの波形を示す。

図１１は、モータ（８）の相により生成される逆ＥＭＦ信号（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）によって構成される基準値に関連するプローブ（１１）の最善の設定を選択できる表示を行う。

特に、図１１は、１２０°での自己整流モード用の各コイルの逆ＥＭＦ（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）に関連するプローブＨａ、Ｈｂ、Ｈｃの信号（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）の位相調整、および１８０℃での自己整流モード用の各コイルの逆ＥＭＦ（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）に関連するプローブＨａ、Ｈｂ、Ｈｃの信号（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ）の位相調整を示す。

まずモータの相の各コイルの接続部を交差させ、次に各プローブ（１１）の出口で信号を逆転させることにより、モータの回転方向を逆転させることができることは、当業者にとって既知である。この二つ目の方法が、選択された解決策であり、図１５に示すように、二方向制御（１３）を形成するようプローブの出口に「排他的論理和」機能（Ｕ４ａ、Ｕ４ｂ、Ｕ４ｃ）を挿入することにより実行される。各「排他的論理和」ゲート（Ｕ４ａ、Ｕ４ｂ、Ｕ４ｃ）に共通する方向信号により、プローブ（１１）から伝達される信号が逆転する、または逆転しない。このようにして、モータ（８）の回転方向が規定される。この実施形態（１３）は、１２０°モードまたは１８０°モードでの二方向制御に適合している。
図１６に示す他の実施形態（１３の２）により、同じ「排他的論理和」機能の実現、そして個別の構成部品（ダイオード、抵抗器、およびトランジスタ）のみによって上記機能を実現することできる。これにより、高温環境に対する適合性がより容易かつ非常に良好な形で得られる。真理表は、ゲート≠（方向＋ＨN）に対応している。本実施形態は、高温（１２５℃超）の周囲温度に適合する必要がある適用に好ましいことがある。

アクチュエータを制御するＥＣＵ（１）の出口ステージは、一般的に、パワー「Ｈブリッジ」を形成する４つのトランジスタ（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）を備える回路（図２４）である。当該パワー「Ｈブリッジ」は、出力（６）として、モータの回転方向を規定する正符号または負符号の電流と、上記トランジスタ（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）に印加される（ＰＷＭ）信号をチョッピング（chopping）することにより制御される可変増幅の電流とを供給できる。

基礎電子回路は、逆極性の電源を受け付けないため、図４に示すように、ダイオード整流ブリッジ（２７）を使用して、ＥＣＵ（１）が伝達するトルク・方向信号（６）の組み合わせを分離することができる。

ダイオード整流ブリッジ（２７）による整流の後、コネクタ（３）に含まれるトルク・方向信号（６）の組み合わせにより、モータ（８）に電力供給を行う。N個のプローブ（１１）は、N相モータ（８）の電流を整流するN個のパワートランジスタ（２５）を整流論理回路（２６）に通知する。整流ブリッジ（２７）の上流で得られる信号（２９）は、整流論理回路（２６）に回転方向を示す。電圧レギュレータ（２８）は、必要な電源をプローブ（１１）および整流論理回路（２６）に供給する。

信号（２９）は、整流ブリッジ（２７）の上流で得られ、そこから「排他的論理和」ゲート（Ｕ４ａ、Ｕ４ｂ、Ｕ４ｃ）に印加される方向信号が抽出される。当該方向信号は、ＥＣＵ（１）が生成するＰＷＭ指令の影響を受け、モータ（８）のトルクを制御するためにモータ（８）の電流を調整するため、図１９に示す空気調整装置により当該方向信号を形成することが重要となる。図１９は、トルク・方向制御信号（６）に含まれる方向情報の抽出が可能な回路の例を示す。図２０は、ＥＣＵ（１）が生成するＰＷＭ制御信号の周波数を自動的に適応させるという利点を有する異なる実施形態の電子図を示す。トルク・方向制御信号（６）は、トランジスタＱ１２およびＱ１３で構成され、図２１に示す方向信号を生成するＳＲラッチ回路またはフリップフロップ回路の入口に印加される。図２２の直列接続された２つのＳＲラッチ回路を使用した拡張電子回路により、制御モードにかかわらず、すなわち、「ローサイド」トランジスタと「ハイサイド」トランジスタのいずれでチョッピングを行うか（ＥＣＵ（１）の制御アルゴリズムに応じたモード）にかかわらず、二線信号（６）から方向信号を抽出することができる。上記ラッチ回路によって生成される信号を図２３に示す。

外部要素によってアクチュエータ（２）の二方向機能が提供される適用（例：アクチュエータの出口における戻しばね）について、電子回路図を簡略化し、図５で提案した電子回路図に適合させることは可能である。ＥＣＵ（１）が伝達する信号（６）は、トルク情報のみを含む。信号の極性は固定されているため、整流ブリッジ（２７）は必須ではなくなり、方向信号を抽出するための回路（図１９）や「排他的論理和」機能（Ｕ４ａ、Ｕ４ｂ、Ｕ４ｃ）も必須ではなくなる。

モータ（８）に電力が供給されていない場合、機械的戻し機構（mechanical return mechanism）がアクチュエータ（２）の機械的出口（１２）に休止位置に戻るように促す。コネクタ（３）に含まれるトルク信号（６）によりモータ（８）に対して電力供給が行われる。N個のプローブ（１１）は、N相モータ（８）の電流の整流を行うN個のパワートランジスタ（２５）を整流論理回路（２６）に通知する。電圧レギュレータ（２８）は、必要な電源をプローブ（１１）および整流論理回路（２６）に供給する。

既存のアクチュエータシステムに対する適合性を維持するために、プローブ（１１）および基礎電子回路（１０）の電源（２８）は、コネクタ（３）を介して利用可能な信号から抽出する必要がある。

１つ目の提案は、図６に示すように、ＥＣＵが伝達するトルク信号において電源を得ることである。レギュレータ回路（２８）により、断続信号（３３）から適した増幅の連続信号（３４）を得ることができる。ここで、電圧レギュレータ（２８）は制御信号（６）より電力供給を受ける。ダイオード（２９）・コンデンサ（３０）回路によって、時間Ｔ_ｏｎの間、ＰＷＭ制御信号（３３）により伝達されるエネルギーを蓄積することができる。抵抗器（３１）・ツェナーダイオード（３２）回路は、自己整流電子機器（２６）の構成部品が許容可能な値に電圧を制限する。それでもＥＣＵ（１）は、コンデンサ（３０）が時間Ｔ_ｏｎの間に再充電できるよう最小トルク信号を伝達する必要がある。ダイオード（２９）は、コンデンサ（３０）がモータ（８）の相に対して放電しないようにする。

２つ目の提案は、図７に示すように、位置センサ（７）に共通する電源によりプローブ（１１）および基礎電子回路（１０）に電力供給を行うことである。アクチュエータ（２）の機械的出口（１２）に連結された位置センサ（７）は、通常（ただし、これに限定されない）、５Ｖ電圧源が供給する外部信号（５）により電力供給を受ける。電力供給用レギュレータ（２８）が自己整流電子機器（２６）に電力供給を行う場合も、同じ電圧源が使用される。

この解決策で使用される構成部品は、非常に基本的なものであるため、カタログに掲載された、作動温度が１２５℃より高い構成部品から選択することができる。図７に示す提案は、１２５℃よりはるかに高い作動温度が必要な状況に好適である。前述の実施形態で使用されたコンデンサ（Ｃ３０）は、必要な値を考慮した電気化学式コンデンサであるため、この種の技術の高温での適用は、現時点では難しい、または実際、禁止されている。

三相モータの例に基づく上記発明は、１〜N個のコイルを備える多相モータにも同様に適用されるであろう。

４つの半コイル（N＝２）を備えた二相ブラシレスＤＣモータに関する特定の実施形態を図１４に示す。２つのプローブ（ＨａおよびＨｂ）は、４つの電源スイッチ（Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０、およびＱ１１）によって、N個の相Ａおよび相Ｂの状態が直接制御される。
検出ユニット（１３）は、図１５および図１６に示すように、ブラシレスＤＣモータの二方向制御を必要とする適用に対して「排他的論理和」機能を統合してもよい。

誘導負荷の直列の電源スイッチ（モータの相のコイル等）を切り替えることで、式：Ｅ＝−Ｌｄ（ｉ）／ｄ（ｔ）で定義される過電圧が生成されることは、当業者にとって既知である。三相モータを備えた従来の回路図（例：図１２および図１３）では、コイルの消磁の段階の間に、金属酸化半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の特徴的なＶ_{（ＢＲ）ＤＳＳ}（ドレイン・ソース間降伏電圧）が強く印加される。したがって、トランジスタは適宜、特定の大きさに形成する必要がある。
「中点を有する二相」ブラシレスＤＣモータ（図１４）を使用する特定の実施形態では、各相の半コイル間の非常に良好な連結を活かすため、「２本巻き（bifilar）」または「二線付き」巻線（two wires in hand winding）の方が適している。このようにして、多くの相Ａ＋／相Ａ−および相Ｂ＋／相Ｂ−相互インダクタンスが得られるため、電源スイッチＱ８が開く（Ｑ９が補完的に制御される）と、磁束が「相Ａ＋」コイルから「相Ａ−」コイルに切り替わる。上記連結から、電源スイッチの端子における過電圧は、電圧（ＰＷＲ＋）の２倍に制限される。これは、もう一方のモータ相：相Ｂ＋／相Ｂ−（Ｑ１０、Ｑ１１）にも適用される。ブラシレスＤＣモータ（８）の単極制御（電流が巻線の一方向にのみ流れる）に効果的な自己整流電子機器（２６）基づく上記発明は、二極制御（電流が巻線の双方向に流れる）を提供する特定の実施形態に適用できる。図１７は、上記特定の実施形態の回路図を示し、６つのパワートランジスタ（Ｑ１、Ｑ１’、Ｑ２、Ｑ２’、Ｑ３、Ｑ３’）の制御論理回路（１４）は、図１７の真理表に適合している。
当該実施形態は、モータの効率化、小型化、または効率化および／または小型化が必要な適用のために確保されている。しかしながら、基礎電子回路（１０）は６つのパワートランジスタ（さらに３つ）によって構成され、付属する制御論理回路（１４）は、図１２および図１３の基本的な回路図よりも複雑である。モータの最適化に関する妥協案である、同じ利点を有する他の特定の実施形態を、その真理表とともに図１８に示す。上述の実施形態との相違点は半コイルを使用している点である。

先行技術のメカトロニックアセンブリを示す図である。 本発明のメカトロニックアセンブリを示す図である。 本発明が関連するモータの種々の複数相コイルの一例を示す図である。 二方向に制御されるアクチュエータにおける基礎電子回路を詳細に示す図である。 一方向に制御されるアクチュエータにおける基礎電子回路を詳細に示す図である。 第１の実施形態の整流論理回路の電源を示す図である。 第２の実施形態の整流論理回路の電源を示す図である。 「１２０°単極」と呼ばれる第１操作モードにおけるトルクの波長および電流の波長を示す図である。 「１８０°単極」と呼ばれる第２操作モードにおけるトルクの波長および電流の波長を示す図である。 「中点を有する二相および二極」と呼ばれる第３操作モードにおけるトルクの波長および電流の波長を示す図である。 図８および図９に示す二つのモードにおける、プローブの設定を示す図である。 「１２０°単極」第１モードにおける整流論理回路の電子回路、およびその真理表を示す図である。 「１８０°単極」第２モードにおける整流論理回路の電子回路、およびその真理表を示す図である。 「中点を有する二相および二極」第３モードにおける整流論理回路の電子回路、およびその真理表を示す図である。 モータの双方向での制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路（図１２、図１３、図１４に示す図に適用）の一部、およびその真理表を示す図である。 モータの双方向での制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路（図１２、図１３、図１４に示す図に適用）の一部、その真理表、および図１５で提案された解決策の代替案を示す図である。 モータの双方向および二極での制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路の一部、およびその真理表を示す図である。 モータの双方向および二極での（磁気的に）制御が可能な特定の実施形態における、整流論理回路の電子回路の一部、およびその真理表を示す図である。 制御信号に含まれる方向情報の抽出が可能な回路を示す図である。 制御信号に含まれる方向情報の抽出が可能な回路を示す図である。 図１９および図２０に示す回路から供給される信号を示す図である。 制御信号に含まれる方向情報の抽出が可能な回路を示す図である。 図２２に示す回路から供給される信号を示す図である。 制御ユニットのパワーブリッジの一般的な構成を示す図である。

Claims (12)

1. 部材位置決め用メカトロニックアセンブリであって、制御ユニット（１）およびアクチュエータ（２）を備え、上記制御ユニット（１）は、サーボ制御アルゴリズムおよびパワーブリッジを備え、上記アルゴリズムは上記パワーブリッジを制御し、上記パワーブリッジは、トルク信号および方向信号で構成される二線電気信号（６）を伝達し、上記アクチュエータ（２）は、N相を有する多相ブラシレス電動モータ（８）と、上記モータ（８）のロータの位置を検出するバイナリ検出プローブ（１１）と、上記二線電気信号（６）からN相モータ（８）に電力供給を行うのに適した電源スイッチ（２５）とを備え、電源スイッチ（２５）の状態は検出プローブ（１１）から供給される信号により直接制御され、
   上記部材の絶対サーボ制御のためのサーボ制御センサ（７）をさらに備えており、
   上記二線電気信号（６）は、サーボ制御センサ（７）より提供される位置情報に基づいて、サーボ制御アルゴリズムによって制御されるマーク対スペース比またはデューティサイクルの断続信号であることを特徴とする部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
2. N相を有する上記多相モータ（８）は、N個の単極または二極のコイル、またはN×２個の単極の半コイルによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
3. 上記モータ（８）の回転方向は、二線電気信号（６）の極性および検出プローブ（１１）からの信号に基づいて構成される基本組み合わせ論理回路によって定められることを特徴とする請求項１または２に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
4. 上記サーボ制御センサ（７）は第二電気信号（５）より電力供給を受けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
5. 上記サーボ制御センサ（７）は二線電気信号（６）より電力供給を受けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
6. 上記ロータの位置を検出する上記バイナリ検出プローブ（１１）は、上記二線電気信号（６）より電力供給を受けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
7. 上記ロータの位置を検出する上記バイナリ検出プローブ（１１）は、上記第二電気信号（６）より電力供給を受けることを特徴とする請求項４に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
8. 上記二線電気信号（６）は、正電流を上記N相モータに供給するために、ダイオードブリッジ（２７）によって整流されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
9. 上記モータ（８）の回転方向は、１つまたは２つのラッチ回路またはフリップフロップ回路によって、上記二線電気信号（６）から抽出される方向信号より決定され、周波数、または上記二線電気信号（６）のチョッピングのマーク対スペース比やデューティサイクルから独立させることを特徴とする請求項１または３に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
10. 上記モータ（８）は、磁気結合の強い半コイルによって構成され、上記コイルの消磁の段階の間に、電源スイッチ（２５）における消散を制限することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の部材位置決め用メカトロニックアセンブリ。
11. 制御ユニット（１）を備えるメカトロニックアセンブリのアクチュエータによって駆動される弁部材を備える流量制御バルブであって、上記制御ユニット（１）は、サーボ制御アルゴリズムおよびパワーブリッジを備え、上記アルゴリズムは上記パワーブリッジを制御し、上記パワーブリッジは、トルク信号および方向信号で構成される二線電気信号（６）を伝達し、上記アクチュエータ（２）は、N相を有する多相ブラシレス電動モータ（８）と、上記モータ（８）のロータの位置を検出するバイナリ検出プローブ（１１）と、上記二線電気信号（６）からN相モータ（８）に電力供給を行うのに適した電源スイッチ（２５）とを備え、上記メカトロニックアセンブリでは、電源スイッチ（２５）の状態は検出プローブ（１１）から供給される信号により直接制御され、
    当該メカトロニックアセンブリは、上記部材の絶対サーボ制御のためのサーボ制御センサ（７）を備えており、
    上記二線電気信号（６）は、サーボ制御センサ（７）より提供される位置情報に基づいて、サーボ制御アルゴリズムによって制御されるマーク対スペース比またはデューティサイクルの断続信号であることを特徴とする流量制御バルブ。
12. 内燃機関に搭載された移動部材のアクチュエータをサーボ制御するサーボ制御回路であって、上記サーボ制御回路は、サーボ制御アルゴリズムおよびパワーブリッジを実行するコンピュータを備え、上記アルゴリズムは上記パワーブリッジを制御し、上記パワーブリッジは、トルク信号および方向信号で構成される二線電気信号（５）を伝達し、上記アクチュエータ（２）は、N相を有する多相ブラシレス電動モータ（８）と、上記モータ（８）のロータの位置を検出するバイナリ検出プローブ（１１）と、上記二線電気信号（６）からN相モータ（８）に電力供給を行うのに適した電源スイッチ（２５）とを備え、メカトロニックアセンブリでは、電源スイッチ（２５）の状態は検出プローブ（１１）から供給される信号により直接制御され、
    当該メカトロニックアセンブリは、上記部材の絶対サーボ制御のためのサーボ制御センサ（７）を備えており、
    上記二線電気信号（６）は、サーボ制御センサ（７）より提供される位置情報に基づいて、サーボ制御アルゴリズムによって制御されるマーク対スペース比またはデューティサイクルの断続信号であることを特徴とするサーボ制御回路。

Images