JP4600173B2 - 電動アクチュエータシステム - Google Patents

Description

本発明は、電動アクチュエータシステムに関するもので、車両用空調装置のエアミックスドアやモード切替ドア等の可動部材を駆動する電動アクチュエータシステムに適用して有効である。

従来、電動アクチュエータシステムでは、電動モータの回転に応じてパルス信号を発生させるパルス発生器を備え、電子制御装置が、パルス発生器としてのインクリメンタルエンコーダから出力されるパルス信号に基づき電動モータの回転方向および回転角度を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このインクリメンタルエンコーダは、予め設定された基準位置からの相対位置を電動モータの回転角度として出力するものである。したがって、基準位置は常に把握されていなければならず、たとえば、車両用電源であるバッテリの交換時などで、基準位置が一旦、消去される場合には、その度に基準位置を検出して確定するイニシャライズ操作が必要となる。
特開２００４−２３７８００号公報

上記従来技術では、イニシャライズを行う際、電動モータを駆動して、モータ回転軸に固着されたリンクレバーを可動範囲の端に設けたストッパへ突き当てて、所定時間の間、停止（ロック）状態とする。そして、このストッパによるリンクレバーの停止位置、または停止位置からリンクレバーを所定回転角反転させた位置である回転軸の回転位置をエンコーダの基準位置としている。

このモータ回転軸をロックさせるとき、リンクレバーやストッパの各部材には過度のトルクが作用するため、イニシャライズを繰り返すと、軽量化のため樹脂材により形成された各部材の強度が耐えられなくなり、部材の割れ、破壊などの不具合が生ずるという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、エンコーダのイニシャライズにおけるモータのロック時の駆動トルクを低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、停止手段（１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ）により回転するモータ回転軸（１２０）に反力を与えて発生トルクを上昇させるとき、イニシャライズ手段（Ｓ４６０、Ｓ４７０、Ｓ４８０）は、電流検出手段（１７）により検出される電動モータ（１２ａ、１２ｂ）に流れる負荷電流（Ｉ）がしきい値（Ｉｔｈ）を超えたときに電動モータの印加電圧を停止する。そして、このときのエンコーダ（１３ａ、１３ｂ）の回転位置を位置算出手段（Ｓ４３０、Ｓ４４０）により算出し、この回転位置をエンコーダの原点位置、すなわち、モータ回転軸の回転の原点位置とすることを特徴とする。

すなわち、電動モータの負荷電流は回転軸に発生するトルクと比例関係にあるため、電流のしきい値に対応して発生トルクを正確に決定することができる。一方、モータ回転軸の発生トルクは、停止手段によってモータ回転軸がロック状態となって停止する位置とは、一対一の関係にある。したがって、電動モータの負荷電流を検出すれば、その大きさから、エンコーダの回転角度を把握することができるとともに、モータ電流をしきい値より大きい値とならないように、すなわちモータ回転軸に過大なトルクを発生させないように駆動する、イニシャライズ処理を行うことができる。

このとき、電流のしきい値をモータの発生トルクを適正トルク値となるよう設定しておけば、電流がしきい値を超えたときにモータの駆動を停止することにより、モータ回転軸の回転を拘束する係合手段に過大な力を与えることなく、その破壊を防止することができる。なお、適正トルク値は、モータ回転軸に固定される部材（例えば、リンクレバー等）をモータ回転軸のロックにより最大たわみ量を超えた変形により破壊する限界値である最大トルク値よりも小さいトルク値である。

上記モータ電流検出、エンコーダ原点位置算出およびモータ駆動停止の操作を複数回行って、その平均値を算出するようにすれば、より正確な原点位置を得ることができるとともに、モータの発生トルクが小さいので、複数回の操作を行っても係合手段の破壊の可能性を少なくすることができる。

さらに、複数のアクチュエータ機構、すなわち電動モータおよびエンコーダの組み合わせ毎に、モータ電流の検出のための電気抵抗器をモータの負荷電流範囲に応じて複数用意して、適宜選択するようにすれば、１つのイニシャライズ手段で複数のアクチュエータ機構に対するイニシャライズ処理を行うことができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の電動アクチュエータシステム１の構成を示す図である。なお、本実施形態の電動アクチュエータシステム１は、車室内の空気調和を行う車両用空調装置（図示せず）のエアミックスドアやモード切替え（吹出口切替え）ドア等に適用される。

電動アクチュエータシステム１は、制御装置（ＥＣＵ）１０と、上記各ドアをそれぞれ駆動する複数のアクチュエータ機構１１ａ、１１ｂ、・・・と、電流検出器１７とを備えている。例えば、アクチュエータ機構１１ａは、エアミックスドアを駆動し、アクチュエータ機構１１ｂはモード切替えドアを駆動する。

ＥＣＵ１０は、マイクロコンピュータおよび周辺回路（ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ、カウンタ、駆動回路等）を備えており、位置算出手段およびイニシャライズ手段に相当する。

アクチュエータ機構１１ａ、１１ｂ、・・・は、いずれも同様の構成を備えており、電動モータ１２ａ、１２ｂ、・・・と、エンコーダ１３ａ、１３ｂ、・・・と、リンクレバー１４ａ、１４ｂ、・・・と、ストッパ１５ａ、１５ｂ、・・・、１６ａ、１６ｂ、・・・とを備えている。以下では、エアミックスドアを駆動するアクチュエータ機構１１ａについて説明する。

電動モータ１２ａは、ＥＣＵ１０の端子２１ａ、２２により直流駆動電圧が与えられるＤＣモータであり、ＥＣＵ１０により設定された出力端子２１ａの正または負の極性に応じて双方向に回転する。電動モータ１２ａの回転軸にはリンクレバー１４ａが固着されて、両者は一体的に回転可能となっている。なお、リンクレバー１４ａには図示しないエアミックスドアが接続され、リンクレバー１４ａの動きに応じてエアミックスドア開度が調節される。

図２に示すように、リンクレバー１４ａの所定の回転範囲の両端位置には、電動モータ１２ａのケース（ステータ側、図示せず）に、樹脂材によるストッパ１５ａ、１６ａが形成されている。電動モータ１２ａの回転に伴いモータシャフト１２０回りに移動するリンクレバー１４ａは双方のストッパ１５ａ、１６ａに突き当たることにより動きが拘束されるロック状態となる。すなわち、リンクレバー１４ａおよびストッパ１５ａ、１６ａが停止手段に相当する。

エンコーダ１３ａは、電動モータ１２ａのモータ回転軸の回転角度を検出する周知のロータリエンコーダ（インクリメンタルエンコーダ）であり、Ａ相信号およびＢ相信号がＥＣＵ１０の入力２３ａ、２３ｂへ出力される。

電流検出器１７は、電動モータ１２ａ、１２ｂ、・・・に流れる負荷電流を検出するもので、マルチプレクサ１８と、それぞれ予め設定された抵抗値をもつ電気抵抗器１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、・・・とを備えている。マルチプレクサ１８は、ＥＣＵ１０のＭＵＸ出力信号２６ａ、２６ｂにより切替えられ、電動モータ１２ａ、１２ｂ、・・・のいずれか一つを選択して、電気抵抗器１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、・・・のうち対応する一つと接続するスイッチである。

すなわち、各アクチュエータ機構１１ａ、１１ｂ、・・・において、適用されるエアミックスドアやモード切替ドアの作動トルクや、ストッパ１５ａ、１６ａ、・・・の種類（材質や寸法形状）に応じて各電動モータ１２ａ、１２ｂ、・・・の負荷電流が異なる。したがって、検出された電流値の変化範囲がＥＣＵ１０のＡ／Ｄ変換部（図示せず）の入力レンジを超えないよう、それぞれ最適な抵抗値をもつ電気抵抗器１９ａ、１９ｂ、・・・が必要となる。

そこで、アクチュエータ機構１１ａのイニシャライズ処理においては、マルチプレクサ１８の切替えにより電気抵抗器１９ａを選択して電動モータ１２ａと接続する。同様に、アクチュエータ機構１１ｂのイニシャライズ処理においては、マルチプレクサ１８の切替えにより電気抵抗器１９ｂを選択して電動モータ１２ｂと接続する。

このように選択された電気抵抗器１９ａ（１９ｂ、・・・）に流れるモータの負荷電流は、その両端電圧として監視入力２５およびモータ出力２２の両端子よりＥＣＵ１０に入力される。

ここで、図２を参照して本実施形態のイニシャライズ処理におけるリンクレバー１４ａの動きについて説明する。リンクレバー１４ａは、電動モータ１２ａの駆動により、モータシャフト１２０の回転範囲の一方の端にあるストッパ１５ａに突き当たる。このリンクレバー１４ａとストッパ１５ａとが接触する位置をロック点と称する。

この状態において、さらに電動モータ１２ａに電圧印加が継続されると、モータシャフト１２０には負荷電流Ｉの増加に応じたトルクＴが発生し、リンクレバー１４ａはストッパ１５ａを押し続ける。その際、ストッパ１５ａおよびリンクレバー１４ａが撓んで、リンクレバー１４ａはロック点からのたわみ量δ分、回転範囲外の位置１４０へ行き過ぎることとなる。なお、図２中においては、ストッパ１５ａの撓み状態の表示を省略している。

ところで、ストッパ１５ａおよびリンクレバー１４ａの撓みが弾性変形の範囲であれば、撓み量δおよびモータシャフト１２０の回転量とリンクレバー１４ａに作用する反力、すなわちモータシャフト１２０が発生するトルクＴとは比例関係にある。

図３は、電動モータ１２ａに流れる負荷電流であるモータ電流（Ｉ）とそのときモータシャフト１２０に発生するトルクであるモータトルク（Ｔ）との関係を示す線図である。図３中、適正トルクから最大トルクの範囲であるマージン範囲では停止手段としてのストッパ１５ａおよびリンクレバー１４ａが破壊されず、最大トルクを超えるモータトルクの範囲である破壊域では停止手段が破壊されることを示している。マージン範囲においても、モータトルクが小さいほど、停止手段の破壊の可能性は小さくなる。

したがって、比較的小さい適正トルクＴｔｈ（∝負荷電流Ｉｔｈ）におけるモータシャフト１２０すなわちエンコーダ１３ａの回転位置は常に一定値となり、これをエンコーダ１３ａの原点位置とすることができる。

原点位置を確定したのち、電動モータ１２ａを反転させて、確定した原点位置より所定の回転量戻した位置を、エンコーダ１３ａの最終的な基準位置として空調制御時のエアミックスドアの原点位置とする。この反転処理は、停止手段が長く撓む状態となって塑性変形（疲労破壊）しやすくなることを防止するために行う。

次に、本実施形態の作動について説明する。図４は、位置算出手段およびイニシャライズ手段としてのＥＣＵ１０が実行するメインルーチンを示すフローチャートである。このメインルーチンは、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされるとともに実行され、所定時間ごとに繰り返される。

まず、ステップＳ１００で、電動アクチュエータシステム１の複数のアクチュエータ機構１１ａ、１１ｂ、・・・のいずれかが選択されるとともに、電流検出器１７においてマルチプレクサ１８により、選択されたアクチュエータ機構に対応する電気抵抗器１９ａ、１９ｂ、・・・の１つが選択接続される。

このステップＳ１００におけるアクチュエータ機構の選択は、このメインルーチンの繰り返し処理ごとにアクチュエータ機構１１ａ、１１ｂ、・・・の順に行われる。以下の説明は、選択されたアクチュエータ機構１１ａに関して行うものとする。

次のステップＳ１１０で、選択されたアクチュエータ機構１１ａのイニシャライズ処理が必要か否かが判定される。この判定は、例えば、車載バッテリーの交換のため、ＥＣＵ１０の電源が完全にＯＦＦされて位置記憶領域の基準位置データが消去された状態、あるいは、外部ノイズのために基準位置データにバグが生じている状態かが、ＥＣＵ１０のダイアグノーシス（診断）機能より判定される。この判定結果がＹＥＳであれば、イニシャライズ処理が必要と判定されたこととなる。

イニシャライズ処理が必要と判定されたら、ステップＳ１２０でこのメインルーチンにおけるイニシャライズフラグをＯＮとする。ステップＳ１３０で、イニシャライズフラグがＯＮか否かが判定され、フラグがＯＮであれば、ステップＳ１９０へ移行し、後述するイニシャライズ処理が行われる。ステップＳ１３０で、フラグがＯＦＦであれば、ステップＳ１４０へ移行し、電動アクチュエータとして通常の空調制御作動を実行する。

すなわち、この通常の空調制御作動においては、ＥＣＵ１０により目標のエアミックス開度となるよう駆動方向および目標位置が設定される。ステップＳ１４０にてこれらの設定値に基づき電動モータ１２ａの印加電圧をＯＮとしてモータ駆動を行い、回転するエンコーダ１３ａからのパルス信号を入力してこれをカウントし（Ｓ１５０）、エンコーダ１３ａの現在位置（以下、現在値という）を入力したパルス数で更新する（Ｓ１６０）。

そして、更新された現在値が空調制御におけるエアミックスドア（図示せず）の目標位置（以下、指令値という）に等しくなったかが判定され（Ｓ１７０）、指令値に達していなければステップＳ１３０へ戻り、指令値に達したら電動モータ１２ａの印加電圧をＯＦＦとして駆動を停止する（Ｓ１８０）。これにより、電動モータ１２ａにより駆動されるエアミックスドアが、目標のエアミックス開度となる位置へ位置決めされて停止する。その後、ステップＳ１００へ戻り、次の、例えばアクチュエータ機構１１ｂが選択されて、上記処理が繰り返される。

一方、イニシャライズ処理が必要である場合は、ステップＳ１９０で以下のようにイニシャライズ処理が行われ、これが完了するとステップＳ２００でイニシャライズフラグをＯＦＦとしてステップＳ１００に戻り、上記処理（Ｓ１００〜Ｓ１８０）が繰り返される。

次に、Ｓ１９０におけるイニシャライズ処理の詳細を、図５および図６のフローチャートを参照して説明する。図５は、ステップＳ１９０における大まかな処理を示しており、まずステップＳ３００で、後述するストッパ検出処理が行われてエンコーダ１３ａの原点位置（図２参照）が決定され、次のステップＳ３１０で反転動作処理が行われて、リンクレバー１４ａを原点位置から反転して所定回転量まで戻して停止させ、ステップＳ３２０でイニシャライズ点検出処理が行われて、この戻された位置をエンコーダ１３ａの基準位置とする。

Ｓ３００のストッパ検出処理では、具体的には、図６のフローチャートで示される処理が行われる。

図６において、まず、ステップＳ４００で、エンコーダ１３ａの現在位置（現在値）を予め設定されている初期値（例えば、０、１０、１００などの任意の固定値）とする。ステップＳ４１０で、リンクレバー１４ａのストッパ１５ａへの突き当て動作回数を初期値である３とする。すなわち、本実施形態では、イニシャライズ処理におけるリンクレバー１４ａの突き当て回数は３回である。但し、この繰り返し回数は必要な精度に応じて適宜設定することができる。

ステップＳ４２０で、電動モータ１２ａに電圧を印加して駆動を開始する。なお、このイニシャライズ処理における駆動方向は、予めストッパ１５ａの方向に設定されている。同時にステップＳ４３０で回転するエンコーダ１３ａからのパルス信号を入力してパルス数をカウントし、ステップＳ４４０でエンコーダ１３ａの現在位置（現在値）を入力したパルス数で更新する。同時に、ステップＳ４５０で電流検出器１７より電動モータ１２ａに流れる負荷電流Ｉが検出値としてＥＣＵ１０に入力される。

ステップＳ４６０で、検出された負荷電流値Ｉが、図３に示される適正トルク時のしきい値電流Ｉｔｈ以上か否かが判定される。Ｉ＜ＩｔｈならばステップＳ４２０へ戻り、Ｉ≧ＩｔｈならばステップＳ４７０へ移行して、エンコーダ１３ａの現在位置（Ｓ４４０で記憶された）を原点位置を示す基準値として記憶領域に格納する。なお、この原点位置の格納領域は突き当て作動の繰り返し回数分用意されている。

そして、ステップＳ４８０で一旦、電動モータ１２ａの駆動を停止し、ステップＳ４９０で突き当て作動の繰り返し数を１減算する。ステップＳ５００で繰り返し数が０になったか否かが判定され、０でない場合は、所定時間τ経過後にステップＳ４２０へ戻る。この所定時間τはリンクレバー１４ａがストッパ１５ａからの反力により逆方向に微小量戻されて、次の突き当て作動を準備するのに必要な時間として設定されている。

そしてステップＳ４２０にて、再度、リンクレバー１４ａの突き当て作動を繰り返して原点位置を決定し、これを記憶領域に格納する。このような突き当て作動を初期値として設定されている３回繰り返す。

ステップＳ５００で繰り返し数が０になったら、ステップＳ５１０で３回の突き当て作動における３回の基準値である原点位置データの平均値を算出する。その後、ステップＳ３１０へ移行する。

以上の、ストッパ検出処理における各部の作動を時間線図である図７で示す。図７（ａ）は電動モータ１２ａへの印加電圧（モータ電圧（Ｖ））を示し、図７（ｂ）は電流検出器１７により検出される負荷電流（モータ電流（Ｉ））を示し、図７（ｃ）はエンコーダ１３ａの発生パルスから算出される位置を示す。

時間ｔ０で電動モータ１２ａが回転を始めると、それとともにエンコーダ１３ａの位置は変化する。リンクレバー１４ａがストッパ１５ａに接触する前は負荷電流Ｉは最小値であるが、時間ｔ１でストッパ１５ａに接触すると、ストッパ１５ａからの反力に応じてトルクＴの上昇、すなわちモータ電流Ｉが増加する。

モータ電流Ｉが適正トルク時のしきい値電流Ｉｔｈに達した時点（時間ｔ２）で、モータ電圧Ｖを０（ＯＦＦ）とすると、リンクレバー１４ａはストッパ１５ａからの反力で接触を開始するロック点まで押し戻される。このロック点からＩ＝Ｉｔｈにおけるリンクレバー１４ａの位置までを適正たわみ量という。

当然のこととして、図７（ｂ）、（ｃ）の破線で示すように、モータ電流ＩをＩｔｈを超えて最大トルク時電流Ｉｍａｘまで流し続ける、すなわちモータに電圧を印加し続けると、たわみ量は、時間ｔ３で示される最大たわみ量までさらに増加する。従来は、この最大たわみ量が発生するまでモータを駆動し、かつ、この最大たわみ状態を数秒間維持した状態でエンコーダのイニシャライズを行っていた。したがって、停止手段の疲労破壊が発生しやすくなっていた。

本実施形態では、モータ電流を監視することによりモータトルクを規定値にすることができ、これにより停止手段に生ずるたわみ量を少なくした適正たわみ量となる状態で短時間にイニシャライズを行うことができるので、停止手段の破壊の可能性を少なくすることができる。

さらに、この停止手段の突き当て作動を、図７に示すように、第１回目の終了後、所定時間τが経過した後の時間ｔ４〜ｔ５で示される第２回目および、その所定時間τ後の、時間ｔ６〜ｔ７で示される第３回目と計３回繰り返し、この３回の平均値をエンコーダの原点位置としているので、電流検出と位置検出（パルスカウントによる位置算出）のタイミング差により生ずる算出誤差を小さくすることができる。

なお、上記実施形態では、電動モータ１２ａに反力を発生させる停止手段として、ケース側に設けたストッパ１５ａとモータシャフト１２０に固定したリンクレバー１４ａとにより構成した例を示したが、これに限らず、例えば、モータシャフト１２０自体に凹部または凸部を設けて、この凹部または凸部に係合するようにケース側にストッパを設けてもよい。

本実施形態の電動アクチュエータシステム１の構成を示す図である。 イニシャライズ処理におけるリンクレバーの動きを示す図である。 モータ電流とモータトルクとの関係を示した図である。 電動アクチュエータシステムのメインルーチンを示すフローチャートである。 イニシャライズ処理を行うルーチンを示すフローチャートである。 ストッパ検出処理を行うルーチンを示すフローチャートである。 ストッパ検出処理における各部の作動を示す線図である。

符号の説明

１０…ＥＣＵ（位置算出手段、イニシャライズ手段）、１２ａ、１２ｂ…電動モータ、
１３ａ、１３ｂ…エンコーダ、１４ａ、１４ｂ…リンクレバー（停止手段）、
１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ…ストッパ（停止手段）、１７…電流検出器、
１８…マルチプレクサ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ…電気抵抗器。

Claims (3)

1. 電圧が印加されて出力軸（１２０）を回転させる電動モータ（１２ａ、１２ｂ）と、
   前記回転軸に前記回転方向の反力を与えることにより前記回転軸の回転を停止させる停止手段（１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ）と、
   前記出力軸の回転に応じてパルス信号を発生するエンコーダ（１３ａ、１３ｂ）と、を備えたアクチュエータ機構（１１ａ、１１ｂ）と、
   前記電動モータの負荷電流（Ｉ）を検出する電流検出手段（１７）と、
   前記パルス信号に基づき前記エンコーダの回転位置を算出する位置算出手段（Ｓ４３０、Ｓ４４０）と、
   前記検出された負荷電流がしきい値（Ｉｔｈ）を超えたときに前記電動モータへの前記電圧の印加を停止するとともに、前記負荷電流が前記しきい値を超えたときの前記算出された回転位置に基づき前記エンコーダの原点位置を決定するイニシャライズ手段（Ｓ４６０、Ｓ４７０、Ｓ４８０）と、を備え、
   前記イニシャライズ手段は、前記電動モータへの電圧の印加および停止を複数回行うことにより前記電動モータを複数回同一方向に回転させるとともに、前記位置算出手段は前記複数回の印加電圧の停止時における前記回転位置の平均値を算出し、前記平均値を前記原点位置決定における回転位置情報とすることを特徴とする電動アクチュエータシステム。
2. 前記しきい値は、前記回転軸が発生するトルクが、前記停止手段の破壊限界値である最大トルク値よりも小さいトルク値である適正トルク値となるときの前記電動モータの負荷電流値として設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータシステム。
3. 前記アクチュエータ機構を複数備えるとともに、
   前記電流検出手段は、前記電動モータに流れる電流を検出するための電気抵抗器を、前記複数のアクチュエータ機構に応じて選択されるよう複数備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動アクチュエータシステム。

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