JP2861455B2 - スロットル操作用アクチュエータ駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関制御装置にお
いて、スロットルバルブを操作するアクチュエータを駆
動するスロットル操作用アクチュエータ駆動装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の回転速度を設定値に保つよう
に制御する内燃機関制御装置においては、内燃機関への
燃料の供給量を調節する手段として電磁石形のアクチュ
エータを用い、機関の回転速度を設定値に保つために必
要なアクチュエータの操作量を演算して、該操作量を示
す信号に応じてアクチュエータに駆動電流を供給して、
アクチュエータを所望の変位量だけ変位させるようにし
ている。

【０００３】この種の目的に用いられるアクチュエータ
は、励磁コイルを有する固定子と、第１の位置と第２の
位置との間を直線変位または回動変位するように設けら
れていて固定子により第１の位置から第２の位置側に直
線駆動または回転駆動される可動子と、可動子を第１の
位置側に復帰させるように付勢するリターンスプリング
とを備えている。

【０００４】図８は回転変位形のアクチュエータにより
内燃機関のスロットルバルブを操作するようのした例を
示したもので、同図において１はほぼコの字形の鉄心２
に励磁コイル３を巻回した固定子、４は鉄心２の両端に
形成された磁極面２ａ，２ａ間に配置された回転形の可
動子で、可動子４は鉄心１と同様に鋼板を積層したもの
からなっている。可動子４は図示しないフレームに軸受
を介して回転自在に支持された回転軸５に取付けられて
いる。

【０００５】回転軸５にはまた出力レバー６が取付けら
れ、鉄心２に固定されたピン７及びレバー６にリターン
スプリング８の一端及び他端がそれぞれ固定されてい
る。固定子１と可動子４と回転軸５と出力レバー６とリ
ターンスプリング８により電磁石形のアクチュエータ９
が構成されている。

【０００６】可動子４はその磁極面４ａ，４ａの約１割
が鉄心２の磁極面２ａ，２ａに対向する状態になる第１
の位置と、図示のように磁極面４ａ，４ａの９割以上が
鉄心２の磁極面２ａ，２ａに対向する状態になる第２の
位置との間を回動変位し得るようにその回動範囲が規制
されており、励磁コイル３が励磁されたときに第１の位
置から第２の位置側に回転駆動されるようになってい
る。リターンスプリング８は、可動子４を第１の位置側
に（図２において時計方向に）付勢するように設けられ
ていて、励磁コイル３が励磁されていない状態ではリタ
ーンスプリング８の付勢力により可動子４が第１の位置
に保持されるようになっている。

【０００７】図８において１０は内燃機関のキャブレタ
ーの吸気量を調節するスロットルで、スロットルボディ
１１と、該スロットルボディに軸受を介して支持された
スロットル軸１２に取付けられたスロットルバルブ１３
とからなり、スロットル軸１２にスロットルレバー１４
が取付けられている。

【０００８】スロットルレバー１４はアクチュエータ９
の出力レバー６にリンクロッド１５を介して連結され、
アクチュエータの可動子４の回動に伴ってスロットルバ
ルブ１３が開閉操作されるようになっている。この例で
は、アクチュエータの可動子４が第２の位置にある図示
の状態でスロットルバルブ１３が全開状態になり、可動
子が図示しない第１の位置にあるときにスロットルバル
ブ１３が全閉状態になるようになっている。

【０００９】上記のようなアクチュエータ９は、励磁コ
イル３に流す駆動電流の平均値（平均駆動電流）Ｉに対
してその動作角（可動子の回転角）θa が直線的に変化
する範囲で使用される。この使用範囲では、図３に示す
ように発生トルクτa は動作角θa に対して一定値を示
し、その大きさは、励磁コイル３に流す駆動電流の平均
値Ｉに比例する。図３において駆動電流値Ｉ1 ，Ｉ2 ，
…Ｉ6 はＩ1 ＜Ｉ2 ＜…＜Ｉ6 の関係にある。図３の横
軸に示した「閉」位置及び「開」位置はそれぞれスロッ
トルバルブが全閉状態及び全開状態になる可動子の第１
の位置及び第２の位置を示している。

【００１０】図３に示した破線の直線はアクチュエータ
の可動子の動作角θa とリターンスプリング８の反力τ
b との関係を示したもので、平均駆動電流Ｉ1 ，Ｉ2 ，
…，Ｉ6 がそれぞれ与えられたときに可動子４は、発生
トルクτa とスプリングの反力τb とが釣り合う位置Ｐ
1 ，Ｐ2 ，…Ｐ6 で停止する。そのため、励磁コイル３
に流す平均駆動電流Ｉとスロットル開度θｓとの関係
（静特性）は、図７に示すように直線的な関係になる。

【００１１】しかしながら、機関の運転中は、図８のス
ロットル１０を吸気が通過するため、スロットルバルブ
の開度に応じてその面圧が変化し、スロットル軸１２の
軸摩擦トルクτs とスロッル開度θs との関係は、図４
に示すように非線形になる。軸摩擦トルクτs は、スロ
ットル開度θs が「閉」側に変化すればする程増加する
傾向になる。スロットルバルブを動かすためには、アク
チュエータの発生トルクとスプリング反力との差が軸摩
擦トルクτs を超える必要がある。即ち、各スロットル
開度θs において、軸摩擦トルクτs よりも大きな発生
トルク或いはスプリング反力が作用するまで駆動電流を
変化させないとスロットルバルブを動かすことができな
い。そのため、実際のスロットル開度θs の直流駆動電
流Ｉ´に対する特性は図７の静特性のようにはならず、
図６に示したように大きなヒステリシスを有する特性と
なる。

【００１２】軸摩擦トルクτs は、開側、閉側の両方向
に作用するため、図６に示した特性のヒステリシス電流
Δｉによる差動トルクは、軸摩擦トルクτs の２倍に相
当する。このヒステリシス電流Δｉと平均駆動電流Ｉと
の関係は図５の曲線ｂのようになり、図４の軸摩擦トル
クとスロットル開度との関係に類似する。これは図７に
示すように、スロットル開度θs と平均駆動電流Ｉとが
直線的な関係にあるからである。

【００１３】図６に示したようなヒステリシス特性を改
善することを狙ったアクチュエータの駆動装置として、
特開昭５９−６６７１９号に示されたものがある。この
装置では、アクチュエータの励磁コイルに流す駆動電流
をパルス波形とし、アクチュエータの可動子の位置を検
出する位置センサの出力信号と目標位置を示す信号との
偏差を零にするように、アクチュエータの駆動電流パル
スのデューティを制御することにより、アクチュエータ
の可動子の位置を制御する。またアクチュエータの可動
子の位置に応じたヒステリシス特性をあらかじめ記憶装
置に記憶させておき、位置センサが検出した各位置にお
けるヒステリシス幅を記憶装置から読み出すことによ
り、可動子の各位置におけるヒステリシス幅を推定す
る。そして推定したヒステリシス幅に応じたディサ信号
をアクチュエータの駆動電流パルスの周期に同期させて
発生させ、このディサ信号を駆動電流パルスに加えるこ
とにより可動子の位置に応じてパルスのデューティを制
御してヒステリシスの軽減を図る。

【００１４】従来のアクチュエータ駆動装置は、アクチ
ュエータの可動子の各位置において少なくともヒステリ
シス電流Δｉに相当する分だけの電流変化をディサ信号
電流として付加することにより、発生トルクを軸摩擦ト
ルク分だけ変化させて、ヒステリシス特性を改善しよう
とするものである。即ち、図５の曲線ｂはアクチュエー
タの駆動電流に加えるべき必要最低限のディサ信号電流
（ヒステリシス電流Δｉ）と駆動電流の平均値との間の
関係を与える特性曲線を示している。

【００１５】尚図５の曲線ｃは、有効限界のディサ信号
電流と駆動電流の平均値との間の関係を与える特性曲線
を示しており、これ以上のディサ信号電流を加えると、
ディサ信号電流によるトルク変動が大きくなって可動子
が振動し、制御上好ましくない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のアクチュエータ駆動装置で用いられているヒステリ
シスの軽減策は、アクチュエータの可動子の位置を検出
する位置センサが設けられている場合にのみ可能であ
り、位置センサによる位置制御が行われないアクチュエ
ータの場合には、ヒステリシスの軽減のためのみに特別
に位置センサを設ける必要があって面倒であった。また
従来のヒステリシス軽減策は、ヒステリシス特性を記憶
させる記憶装置を必要とするため、マイクロコンピュー
タによる制御を行う場合以外には適用することが困難で
あり、汎用性が乏しかった。

【００１７】本発明の目的は、位置センサや記憶装置が
設けられていない場合でも容易にヒステリシスの軽減を
図って、アクチュエータの動作特性を良好にすることが
できるようにしたスロットル操作用アクチュエータ駆動
装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、励磁コイルを
有する固定子と、第１の位置と第２の位置との間を直線
変位または回動変位するように設けられて固定子により
第１の位置から第２の位置側に直線駆動または回転駆動
される可動子と、可動子を第１の位置側に復帰させるよ
うに付勢するリターンスプリングとを備えていて、可動
子が内燃機関のスロットルバルブを操作するスロットル
軸に連結されているアクチュエータを駆動するスロット
ル操作用アクチュエータ駆動装置に係わるものである。

【００１９】本発明においては、アクチュエータの所望
の変位量に比例した大きさを有する操作量信号を電圧信
号として発生する操作量信号発生部と、操作量信号の大
きさに比例した周波数の制御信号を発生する電圧／周波
数変換器と、制御信号を入力として、入力信号の周波数
に等しい周波数で一定のパルス幅のパルス信号を出力す
るパルス発生器と、パルス発生器から出力されるパルス
信号を入力として、各パルス信号が発生している間だけ
直流電源から励磁コイルに駆動電流を流す駆動回路とを
設け、励磁コイルを通して流れる駆動電流のリップル値
ｉppの平均値Ｉに対する変化の特性を示す特性曲線ａ
（図５参照）が、スロットル軸の軸摩擦トルクによりス
ロットルバルブの開度と駆動電流の平均値との間の関係
を与える特性に生じるヒステリシスを補正するために駆
動コイルに流す必要があるディサ信 号電流の最低値と駆
動電流の平均値との間の関係を与える特性曲線ｂと、デ
ィサ信号電流の有効限界値と駆動電流の平均値との間の
関係を与える特性曲線ｃとの間に位置するように、駆動
電流のリップル値の平均値に対する特性を設定した。

【００２０】

【作用】上記のように構成すると、パルス発生器は、図
２（Ａ）または（Ｂ）に示したように、一定のパルス幅
を有するパルス電圧を発生する。このパルス電圧の周波
数はアクチュエータの所望の変位量に比例している。図
２（Ａ），（Ｂ）はアクチュエータの所望の変位量が異
なる場合にパルス発生器から得られるパルス電圧Ｖの波
形と励磁コイルに流れる駆動電流ｉの波形とを示してお
り、同図（Ａ）は同図（Ｂ）に対してパルスの周波数が
１／２となっている。

【００２１】尚この例では、アクチュエータにおいて通
常行われているように、励磁コイルの両端にフライホイ
ールダイオードが並列接続されていて、パルスの休止期
間も該フライホイールダイオードを通して電流が流れ続
けるものとしている。

【００２２】駆動電流は各パルス電圧Ｖが発生している
間に所定の時定数で上昇し、パルス電圧の休止期間に所
定の時定数で減少していく。アクチュエータに流れる平
均駆動電流Ｉはパルスの周波数に比例するため、アクチ
ュエータの所望の変位量（操作量信号）にも比例してい
る。従ってアクチュエータの可動子は操作量信号により
与えられる所望の変位量だけ変位する。

【００２３】駆動電流は各パルス電圧Ｖが発生している
間に所定の時定数で上昇し、パルス電圧の休止期間に所
定の時定数で減少するため、駆動電流にリップルが生
じ、このリップル分がディサ信号電流として働く。

【００２４】図２の駆動電流波形のピーク値と底値との
差をリップル値ｉppとすると、アクチュエータの平均駆
動電流Ｉとリップル値ｉppとの関係は図５の曲線ａのよ
うになる。本発明においては、駆動電流のリップル分を
ディサ信号として、駆動電流 のリップル値の平均値に対
する特性を与える図５の特性曲線ａを、最低限のディサ
信号電流を与える図５の特性曲線ｂと、有効限界のディ
サ信号電流を与える図５の特性曲線ｃとの間に位置させ
たので、ヒステリシスを生じさせることなく、アクチュ
エータを駆動することができる。また本発明によれば、
ヒステリシスを補正するために位置センサを用いたり、
ヒステリシス特性を記憶した記憶装置を用いたりする必
要がないため、装置の構成を簡単にすることができる。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の実施例の構成を示したもの
で、この例では、内燃機関１６のスロットルバルブ１０
を操作するスロットル軸にアクチュエータ９を連結し、
内燃機関の回転数を検出して、該回転数を設定回転数に
一致させるようにアクチュエータを制御する。

【００２６】この例では９は図８に示したものと同様な
アクチュエータで、このアクチュエータの励磁コイル３
にはフライホイールダイオード２０が並列接続されてい
る。２１はトランジスタ２２をスイッチング素子とした
駆動回路で、トランジスタ２２はそのコレクタエミッタ
間回路が励磁コイル３に対して直列に接続されている。
励磁コイル３とトランジスタ２２との直列回路の両端に
直流電源２３の出力電圧が印加され、トランジスタ２２
のベースにパルス電圧Ｖが与えられている間だけ該トラ
ンジスタ２２が導通して励磁コイル３に駆動電流ｉを流
すようになっている。パルス電圧Ｖが休止している期間
はトランジスタ２２が遮断状態になるが、トランジスタ
２２が遮断している期間は、励磁コイルに蓄えられたエ
ネルギーによりダイオード２０を通して電流ｉが流れ
る。

【００２７】内燃機関１６の回転数Ｎ［ｒｐｍ］を検出
するため、回転数に比例した周波数ｆの信号を出力する
回転数センサ２５が設けられ、この回転数センサ２５の
出力は周波数／電圧変換器２６に入力されて、機関の回
転速度に比例した速度検出信号Ｖn に変換される。この
速度検出信号Ｖn は、速度設定器２７から得られる速度
設定信号ＶnoとともにＰＩＤ演算器２８に入力されてい
る。ＰＩＤ演算器２８は、速度検出信号Ｖn と速度設定
信号Ｖnoとの偏差に比例、積分、微分演算を施して、該
偏差を零にするために必要なアクチュエータの操作量
（所望の変位量）を示す操作量信号Ｖθを出力する。

【００２８】本実施例では、回転数センサ２５と、周波
数／電圧変換器２６と、速度設定器２７と、ＰＩＤ演算
器２８とにより、アクチュエータの所望の変位量に比例
した大きさを有する操作量信号を発生する操作量信号発
生部３０が構成されている。操作量信号Ｖθは、電圧／
周波数変換器３１に入力されて操作量に比例した周波数
ｆθの制御信号に変換され、この制御信号はパルス発生
器３２に入力されている。パルス発生器３２は例えば単
安定マルチバイブレータからなっていて、パルス幅ｔp
が一定で、周波数ｆθ´が制御信号の周波数ｆθに等し
い図２（Ａ），（Ｂ）に示すような矩形波パルス電圧Ｖ
を発生する。このパルス電圧は駆動回路２２に与えら
れ、駆動回路２２はパルス電圧Ｖが与えられている間だ
けトランジスタ２２を導通させて直流電源２３から励磁
コイル３に駆動電流ｉを流す。駆動電流ｉは各パルス電
圧Ｖが発生している間に所定の時定数で上昇し、パルス
電圧の休止期間に所定の時定数で減少していく。アクチ
ュエータの励磁コイルに流れる平均駆動電流Ｉは、パル
ス電圧Ｖの周波数に比例し、アクチュエータの所望の変
位量（操作量信号）にも比例している。従ってアクチュ
エータの可動子４は操作量信号により与えられる所望の
変位量だけ変位することになる。

【００２９】図２の駆動電流波形のピーク値と底値との
差をリップル値ｉppとすると、アクチュエータの駆動電
流ｉの平均値Ｉとリップル値ｉppとの関係は図５の曲線
ａのようになり、このリップル値ｉppがディサ信号電流
値となる。

【００３０】図８の可動子４を固定した場合には、励磁
コイル３のインダクタンスがほとんど一定となるため、
駆動電流の平均値Ｉとリップル値ｉppとは反比例し、両
者の関係は直線的な関係になるが、現実には、可動子の
変位に伴ってインダクタンスが変化するため、直線的な
関係にはならない。励磁コイルに流す平均駆動電流Ｉが
小さい程、可動子の動作角θが小さいため、平均駆動電
流Ｉが小さい程可動子４の磁極面４ａと固定子の磁極面
２ａとの対向面積が狭くなり、励磁コイル３のインダク
タンスが小さくなる。そのため、平均駆動電流Ｉが小さ
ければ小さいほど励磁コイル３の時定数が小さくなり、
リップル値ｉppが大きくなる。従って、図５のａの特性
は、図示のように反比例関係よりも左上がりの特性とな
り、図４に示した軸摩擦トルク特性によるヒステリシス
を補正する上で有利な特性となる。

【００３１】駆動電流のリップル値（ディサ信号電流）
と駆動電流の平均値との間の関係を与える図５の特性曲
線ａは最低限のディサ信号電流を与える特性曲線ｂと、
有効限界のディサ信号電流を与える特性曲線ｃとの間に
位置させることができるので、特性曲線ａのように平均
駆動電流に対してリップル値ｉppが変化する駆動電流ｉ
を流すことにより、位置センサを用いることなく、また
ヒステリシス特性を記憶させる記憶装置を用いることな
く、ヒステリシスを無くすことができ、図７に示すよう
な、ヒステリシスがない動作特性を得ることができる。

【００３２】上記の実施例では、回転形のアクチュエー
タによりバタフライバルブ式のスロットルを操作するよ
うにしたが、ピストンバルブ式のスロットルの場合にも
同様な軸摩擦特性を有するため、本発明を適用すること
ができる。また本発明を適用できるアクチュエータ回転
式のものに限られるものではなく、可動子が直線運動す
るプランジャ式のアクチュエータにも本発明を適用する
ことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、アクチュ
エータの励磁コイルに流す駆動電流の波形を一定のパル
ス幅を有するパルス波形とし、その周波数をアクチュエ
ータの所望の変位量に比例させるとともに、アクチュエ
ータの駆動電流のリップル分をディサ信号電流として、
駆動電流のリップル値の平均値に対する特性を与える特
性曲線ａを、最低限のディサ信号電流を与える特性曲線
ｂと、有効限界のディサ信号電流を与える特性曲線ｃと
の間に位置させるように、駆動電流のリップル値の平均
値に対する特性を設定したので、位置センサを用いるこ
となく、またヒステリシス特性を記憶させる記憶装置を
用いることなく、ヒステリシスを無くしてアクチュエー
タの動作特性を良好にすることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】（Ａ）は本発明の実施例で用いるパルス発生器
から得られるパルス電圧波形及び駆動電流波形を示した
波形図である。（Ｂ）はパルスの周波数を（Ａ）の２倍
とした場合のパルス電圧波形及び駆動電流波形を示した
波形図である。

【図３】本発明の実施例で用いるアクチュエータの動作
角と発生トルクとの関係を、駆動電流をパラメータとし
て示した線図である。

【図４】本発明の実施例で用いるアクチュエータにより
スロットルバルブを操作する場合の軸摩擦トルク特性を
示した線図である。

【図５】本発明の実施例における平均駆動電流とリップ
ル電流との関係及び平均駆動電流とヒステリシス電流と
の関係を示した線図である。

【図６】内燃機関のスロットルバルブを操作するアクチ
ュエータに直流駆動電流を流した場合に生じるヒステリ
シス特性を示した線図である。

【図７】ヒステリシスがない場合のスロットル開度と平
均駆動電流との関係を示した線図である。

【図８】本発明の実施例で用いるアクチュエータと該ア
クチュエータにより駆動するスロットルバルブとを示し
た斜視図である。

【符号の説明】

１…固定子、２…鉄心、３…励磁コイル、４…可動子、
５…回転軸、６…出力レバー、８…リターンスプリン
グ、１０…スロットル、１３…スロットルバルブ、１５
…リンクロッド、１６…内燃機関、２０…フライホイー
ルダイオード、２１…駆動回路、２３…バッテリ、２５
…回転数センサ、２６…周波数／電圧変換器、２７…速
度設定器、２８…ＰＩＤ演算器、３１…電圧周波数変換
器、３２…パルス発生器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０５ Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０５Ｋ (56)参考文献 特開 昭59−66719（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−59802（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−77726（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−8544（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭40−28606（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 41/20 310 F02D 9/02 351 G05B 11/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励磁コイルを有する固定子と、第１の位
   置と第２の位置との間を直線変位または回動変位するよ
   うに設けられて前記固定子により第１の位置から第２の
   位置側に直線駆動または回転駆動される可動子と、前記
   可動子を第１の位置側に復帰させるように付勢するリタ
   ーンスプリングとを備えていて、前記可動子が内燃機関
   のスロットルバルブを操作するスロットル軸に連結され
   ているアクチュエータを駆動するスロットル操作用アク
   チュエータ駆動装置において、 前記アクチュエータの所望の変位量に比例した大きさを
   有する操作量信号を電圧信号として発生する操作量信号
   発生部と、 前記操作量信号の大きさに比例した周波数の制御信号を
   発生する電圧／周波数変換器と、 前記制御信号を入力として、入力信号の周波数に等しい
   周波数で一定のパルス幅のパルス信号を出力するパルス
   発生器と、 前記パルス発生器から出力されるパルス信号を入力とし
   て、各パルス信号が発生している間だけ直流電源から前
   記励磁コイルに駆動電流を流す駆動回路とを具備し、 前記励磁コイルを通して流れる駆動電流のリップル値
   （ｉpp）の平均値（Ｉ）に対する変化の特性を示す特性
   曲線（ａ）が、前記スロットル軸の軸摩擦トルクにより
   前記スロットルバルブの開度と前記駆動電流の平均値と
   の間の関係を与える特性に生じるヒステリシスを補正す
   るために前記駆動コイルに流す必要があるディサ信号電
   流の最低値と前記駆動電流の平均値との間の関係を与え
   る特性曲線（ｂ）と、前記ディサ信号電流の有効限界値
   と前記駆動電流の平均値との間の関係を与える特性曲線
   （ｃ）との間に位置するように、前記駆動電流のリップ
   ル値の平均値に対する特性が設定されている ことを特徴
   とするスロットル操作用アクチュエータ駆動装置。