JP4271032B2 - ブラシレスサーボモータのトルク安定化装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は例えばスロットルバルブ、アクチュエータ、排気ガス再循環「以下、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と称する」バルブ等の駆動源として用いるブラシレスサーボモータのトルク安定化装置に関するものである。
背景技術
第１図はエンジンＥの排気通路ａと吸気通路ｂを連通する排気還流通路ｃに配置したＥＧＲバルブのバルブ１１を制御対象としたもので、制御部１００の出力でブラシレスサーボモータ２１を駆動して、バルブ１１の開度を制御する。
第２図はサーボ制御装置を適用したブラシレスサーボモータ２１を駆動源とするＥＧＲバルブの構成を示す縦断面図である。第２図において、１は排気ガスの再循環系中に介在する排気還流通路ｃと連通する通路が内部に形成されたバルブボディであり、バルブ１１が図のように上動してシート１２に接することによって排気還流通路が閉じられ、バルブ１１が下動してシート１２から離れることによって排気還流通路ｃが開かれる。
２１は排気ガス通路を開閉するバルブの駆動手段（トルク発生源）となるブラシレスサーボモータ、２２はバルブボディ１に取り付けたモータケース、２３はモータケース２２内に軸受２４，２５を介して回転自在に支持されたロータであり、このロータ２３は、軸心部を貫通するネジ孔２３ａを有している。２６はロータ３の外周に取り付けられたマグネット、２７はマグネット２６の外周を囲饒するステータコアであり、このステータコア２７と前記マグネット２６との間には所定のギャップが形成されている。
２８はステータコア２７に配置されてステータを構成するコイル、２９はバルブ駆動軸となるモータシャフトであり、このモータシャフト２９はスクリューシャフトからなって前記ロータ２３のネジ孔２３ａに螺合され、前記ロータ２３の回転によって軸方向に移動するようになっている。
３０はモータシャフト２９と一体形成されたバルブシャフト当接部材であり、このバルブシャフト当接部材３０の突端（第２図の下端）には、先端に前記バルブ１１を有する弁シャフト１３の上端を当接させることで、その弁シャフト１３を前記モータシャフト２９の軸方向移動に追従させて前記バルブ１１を開閉動作させるようになっている。
３１はモータケース２２におけるバルブシャフト当接部材３０側の端面に取り付けられたカバー部材、３２はバルブシャフト当接部材３０の突端側に取り付けられたスプリング係合部材、３３はそのスプリング係合部材３２と前記カバー部材３１との間に懸架したバルブ付勢用のスプリングであり、このスプリング３３は、バルブシャフト当接部材３０を介してバルブシャフト先端のバルブ１１を開方向に付勢するものである。１４は弁シャフト１３の上端部に取り付けられたスプリング受けで、このスプリング受け１４とバルブボディ１との間にリターンスプリング１８を設けている。
３５はモータケース２２の開口端部に取り付けられた電源側ケースであり、この電源側ケース３５は合成樹脂の一体成型品からなってブラシレスサーボモータ２１の通電装置本体を構成するもので、ホール素子３６の取り付け基板３７およびコネクタ端子３８ａを有する入出力コネクタ部３８を一体に有している。３９はホール素子３６に対して対向移動するようにロータ端部に設けたマグネットである。
第３図は従来のブラシレスサーボモータ２１の制御回路図を示すもので、ロータ２３の位置を検出するホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗと、このホール素子の信号を受けてコイル２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに対する通電を切り換えるトランジスタ群よりなるスイッチング部４０を備え、順次コイル２８Ｕ，２８Ｖ、２８Ｗに電流を流すことにより、上記ロータ２３を一定方向に回転させるものである。
上記スイッチ部４０は、ホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗの出力信号を受けて導通するスイッチング素子（以下、スイッチ素子と略称する）４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ、このスイッチ素子４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗの出力信号を受けて割り込み信号を出力する割り込み部４２、この割り込み部４２の出力信号に基づいて上記ホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗの出力信号を入力して処理する信号処理部４３、この信号処理部４３の出力信号を受けて導通するスイッチ素子４４〜４９、直列に接続され該接続中点にコイル２８Ｕ，２８Ｖ、２８Ｗの一端を接続し、スイッチ素子４４〜４９の出力信号に基づいて導通状態を変えるスイッチ素子５０，５１、５２，５３、５４，５５を有する。
上記信号処理部４３は、ホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗの出力信号を入力するデジタル入力ポート６１、このデジタル入力ポート６１の出力を読み込むカウンタ６２，このカウンタ６２の出力信号と目標値決定部６３の出力信号とに基づいてＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部６４、このＰＩ制御演算部６４の出力信号に基づいて励磁デューティ（ＤＵＴＹ）演算を行う励磁デューティ演算部６５、この励磁デューティ演算部６５の出力信号とデジタル入力ポート６１の出力信号に基づいて励磁位相を演算する励磁位相演算部６６、この励磁位相演算部６６の出力信号に基づいてＯＮ信号を出力するデジタル出力ポート６７および該励磁位相演算部の出力信号と励磁デューティ演算部６５の出力信号に基づいてＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ出力ポート６８を備えている。
次に動作について説明する。
目標値決定部６２で目標値を決定する。ロータ２３の位置を検出したホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗの出力信号がスイッチ素子４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗのいずれかを導通させると、その導通信号を受けた割り込み部４２からの出力信号で、デジタル入力ポート６１およびカウンタ６２が入力信号の受信を開始する。
ＰＩ制御演算部６４はカウンタ６２を介して入力された現在値と目標値決定部６３からの目標値とに基づいて、ＰＩ制御演算部６４でＰＩ制御演算を行い、その演算結果に基づいて励磁デューティ演算部６５で励磁デューティ演算を行い、励磁位相演算部６６とＰＷＭ出力ポート６８に出力する。
励磁位相演算部６６は与えられた励磁デューティ演算結果とデジタル入力ポート６１を介して与えられた入力信号とに基づいて励磁位相演算を行い、その結果をデジタル出力ポート６７およびＰＷＭ出力ポート６８に出力する。
デジタル出力ポート６７は励磁位相演算部６６の出力信号に基づいて、例えば端子ＵにＯＮ信号を出力し、スイッチ素子４４を介してスイッチ素子５０を導通させて、ブラシレスサーボモータ２１の＋端子を電源印加端子Ｖに接続する。一方、ＰＷＭ出力ポート５１は励磁デューティ演算部６５と励磁位相演算部６６の出力信号に基づいて、例えば端子ｗに出力信号を出力し、スイッチ素子４９を介してスイッチ素子５５を導通させて、ブラシレスサーボモータ２１に矢印方向の電流を流す。
これにより、ブラシレスサーボモータ２１を作動させ、そのロータ２３の回転によってモータシャフト２９を下動させ、この下動によって弁シャフト１３をリターンスプリング１８に抗して同方向に作動させ、制御弁１１を目標位置へ移動させて開弁する。そして、回転するロータ２３の位置をホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗで順次検出して、コイル２８Ｕ，２８Ｖ、２８Ｗに対する通電を切り換えてロータ２３を同一方向に回転させ、制御弁１１が目標位置近傍に移動して、現在値と目標値との差がほぼ等しくなると、制御弁１１をリターンスプリング１８の復元力に抗してその位置に保持するだけの電力をブラシレスサーボモータ２１に供給する。
上記のようにＥＧＲバルブは、付勢手段としてのリターンスプリング１８によって制御弁１１の閉弁方向に所定のリターントルクを付与され、かつブラシレスサーボモータ２１のリターントルクに抗した方向の回動力によって制御弁１１の開弁方向に可変のモータトルクを付与され、それらのトルクバランスにより、予定の開度状態を保持される。
この場合、モータは１２０°間隔毎に設けたコイル２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに対し、ロータ２３の回転位置を検出するホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗの取り付け位置が、取り付け半田の流れによるずれ等によって１２０°間隔でない場合が生じる。第４図は同一電流でのＵ→Ｖ、Ｕ→Ｗの各励磁状態でのトルクカーブを示すもので、コイルＵ→Ｖに流れている電流を、Ｕ→Ｗに切り換えるとき、ｔ_１点で切り換えると、連続したトルクが得られるが、遅れてｔ_２点で切り換えると、トルクが大きく変動する。この結果、第４図（ｂ）に示すように、時間に比例して変位している制御弁１１の動きがａ点付近で大きく変動することになる。
従来のブラシレスサーボモータは以上のように構成されているので、このブラシレスサーボモータをＥＧＲバルブの駆動源とすると、制御弁を所定の開度位置に、リターントルクとブラシレスサーボモータ２１の駆動トルクとによるトルクバランスで保持する場合、ホール素子によるロータ位置検出ズレやロータにかかる負荷状況によってトルクバランスが不安定になるという課題があった。
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、ブラシレスサーボモータにおいて所定の開度（中間保持）位置でのトルク安定化を図ることを目的とする。
発明の開示
この発明に係るブラシレスサーボモータのトルク安定化装置は、被駆動体を駆動するブラシレスサーボモータと、このブラシレスサーボモータの永久磁石回転子の位置を検出する各相毎のホール素子と、このホール素子の検出信号を受けて各相のコイルに対する通電を切り換えるスイッチング部と、前記ホール素子の検出値と予め定めた目標値とに基づいてＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記ブラシレスサーボモータの給電制御信号を出力する励磁デューティ演算部と、前記被駆動体が目標位置近傍に移動したことを検出し、前記ブラシレスサーボモータの通電位相切換停止信号を出力して通電位相切換を停止させる負荷方向検出部とを備えたものである。
このことにより、ホール素子によるロータ位置検出ズレやロータにかかる負荷状況によってトルクバランスが不安定になっても、所定の開度位置において、発生するトルクが安定し、制御弁を目標の開度位置に安定に保持することができる。
この発明に係るブラシレスサーボモータのトルク安定化装置における負荷方向検出部は、ＰＩ制御演算部の出力信号の極性反転によって目標位置近傍を検出するものである。
このことにより、所定の開度位置近傍を確実に確認することができ、コイルに対する通電の切り換えを誤りなくすることができ、制御弁を目標の開度位置に安定に保持することができる。
この発明に係るブラシレスサーボモータのトルク安定化装置における負荷方向検出部は、負荷で押される方向の通電位相を保持するものである。
このことにより、所定の開度位置近傍において、モータの回転力はリターントルクと抗する方向となり、制御弁を目標の開度位置に安定に保持することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
第５図はこの発明の実施の形態１におけるブラシレスサーボモータ２１の制御回路図を示すもので、７１は所定の開度位置近傍を確認する負荷方向検出部であり、ＰＩ制御演算部６４におけるＰＩ制御演算結果は、所定の開度位置までは“＋”であるが該所定の開度位置を越えると“−”となるので、この“＋”から“−”に変わる点を検出して所定の開度位置近傍を確認する。なお、他の構成は前記第３図に示した従来の回路構成と同じであるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に動作について説明する。
目標値決定部６３で目標値を決定する。ロータ２３の位置を検出したホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗの出力信号がスイッチ素子４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗのいずれかを導通させ、その導通信号を受けた割り込み部４２からの出力信号で、デジタル入力ポート６１およびカウンタ６２が入力信号の受信を開始する。
ＰＩ制御演算部６４はカウンタ６２を介して入力された現在値と目標値決定部６３からの目標値とに基づいて、ＰＩ制御演算部６４でＰＩ制御演算を行い、その演算結果に基づいて励磁デューティ演算部６５で励磁デューティ演算を行い、励磁位相演算部６６とＰＷＭ出力ポート６８に出力する。
励磁位相演算部６６は与えられた励磁デューティ演算結果とデジタル入力ポート６１を介して与えられた入力信号とに基づいて励磁位相演算を行い、その結果をデジタル出力ポート６７およびＰＷＭ出力ポート６８に出力する。
デジタル出力ポート６７は励磁位相演算部６６の出力信号に基づいて、例えば端子ＵにＯＮ信号を出力し、スイッチ素子４４を介してスイッチ素子５０を導通させて、ブラシレスサーボモータ２１の＋端子を電源印加端子Ｖに接続する。一方、ＰＷＭ出力ポート６８は励磁デューティ演算部６５と励磁位相演算部６６の出力信号に基づいて、例えば端子ｗに出力信号を出力し、スイッチ素子４９を介してスイッチ素子５５を導通させて、ブラシレスサーボモータ２１に矢印方向の電流を流す。
これにより、ブラシレスサーボモータ２１を作動させ、そのロータ２３の回転によってモータシャフト２９を下動させ、この下動によって弁シャフト１３をリターンスプリング１８に抗して同方向に作動させ、制御弁１１を目標位置へ移動させて開弁する。そして、回転するロータ２３の位置をホール素子３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗで順次検出して、コイル２８Ｕ，２８Ｖ、２８Ｗに対する通電を切り換えてロータ２３を同一方向に回転させ、制御弁１１が目標位置近傍に移動させる。この目標位置近傍において、Ｐ１制御演算部６４の演算値に基づいて負荷方向検出部７１が検出した負荷で押されたとき、トルクが大きくなるトルクカーブが得られるコイル相に通電する。この結果、トルク安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はエンジン排気系の概略説明図である。
第２図はＥＧＲバルブの構成を示す縦断図である。
第３図は従来のブラシレスサーボモータの制御回路図である。
第４図はブラシレスサーボモータの通電電流波形図である。
第５図は実施の形態１によるブラシレスサーボモータの制御回路図である。

Claims (3)

1. 被駆動体を駆動するブラシレスサーボモータと、このブラシレスサーボモータの永久磁石回転子の位置を検出する各相毎のホール素子と、このホール素子の検出信号を受けて各相のコイルに対する通電を切り換えるスイッチング部と、前記ホール素子の検出値と予め定めた目標値とに基づいてＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記ブラシレスサーボモータの給電制御信号を出力する励磁デューティ演算部とを有するブラシレスサーボモータのトルク安定化装置において、前記被駆動体が目標位置近傍に移動したことを検出し、前記ブラシレスサーボモータの通電位相切換停止信号を出力して通電位相切換を停止させる負荷方向検出部を備えたブラシレスサーボモータのトルク安定化装置。
2. 負荷方向検出部は、ＰＩ制御演算部の出力信号の極性反転によって目標位置近傍を検出することを特徴とする請求の範囲第１項記載のブラシレスサーボモータのトルク安定化装置。
3. 負荷方向検出部は、負荷で押される方向の通電位相を保持することを特徴とする請求の範囲第１項記載のブラシレスサーボモータのトルク安定化装置。

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