JP4651939B2 - 直流モータの制動装置 - Google Patents

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Description

この発明は例えばスロットルバルブ、アクチュエータ、EGRバルブ等において、被駆動体を目標位置に駆動保持する駆動源として用いる直流モータの制動装置に関するものである。
図1は直流モータの通電装置の構成を示す断面図、図2は図1における通電装置の電流の流れを示す。図において、駆動源として備えたEGR(Exhaust Gas Recirculation:排気ガス再循環)バルブ装置を示す縦断面図である。図1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、制御弁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、制御弁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制御弁の駆動手段(トルク発生源)となる直流モータ、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と一体形成された弁シャフト当接部材であり、この弁シャフト当接部材30の突端(図1の下端)には、先端に前記制御弁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制御弁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における弁シャフト当接部材30側の端面に取り付けられたカバー部材、32は弁シャフト当接部材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、弁シャフト当接部材30を介して弁シャフト先端の制御弁11を開方向に付勢するものである。34はロータ23と一体に回転する整流子(コミュテータ)であって、中心部に軸孔34aを有している。14は弁シャフト13の上端部に取り付けたスプリング受けであり、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が設けられている。
35はモータケース22の整流子34側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直流モータ21の通電装置本体を構成するもので、前記制御弁の開度を検出するポジショシセンサ(図示せず)を内蔵したセンサ内蔵部36およびコネクタ端子を内蔵した入出力コネクタ部37を一体に有している。
38は電源側ケース35における整流子34との対向壁部に一体形成されたブラシ保持筒部、39はそのブラシ保持筒部38内に摺動自在に嵌挿された通電用のブラシである。このブラシ39はカーボン粉十銅紛からなっており、リード線(図示せず)を介して前記入出力コネクタ部37のコネクタ端子に接続されている。
次に動作について説明する。ブラシ39、整流子34を介してコイル28に通電されることにより、そのコイル28に発生した磁界とマグネット26の磁界との相互作用でロータ23に回転トルクが発生する。その回転トルクでロータ23が回転すると、ロータ23のネジ孔23aに螺合したモータシャフト29がネジ送りされて軸方向に直線移動する。
ここで、モータシャフト29が図1中で下方向に移動する場合には、そのモータシャフト29で弁シャフト当接部材30がスプリング33の付勢力の方向に押し動かされることにより、その弁シャフト当接部材30に当接された弁シャフト13を介して制御弁11が開動する。そして、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、バルブ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直流モータ21に供給する。
一方、直流モータ21のロータ23が上記とは逆方向に回転すると、モータシャフト29が図1中で上方向に移動し、このモータシャフト29と一体の弁シャフト当接部材30に当接している弁シャフト13が、リターンスプリング18の復元力に抗してモータシャフト29に追従移動してバルブを閉動する。
図2は、直流モータ21に制御信号を供給する制御回路の1例を示すもので、41はポジションセンサ(位置検出手段)であり、このポジションセンサ41は電源供給端子から定電圧が印加される抵抗体42上にて移動する可動接点部43を備えており、この可動接点部43がロータ23の回動に伴って移動することにより、その移動位置に応じた電圧が検出信号として出力される。
44はコントローラユニットであり、このコントローラユニット44は、バルブポジションセンサ41からの検出信号を入力するA/D入力ポート45,このA/D入力ポート45の出力を読み込むフィルタ46,このフィルタ46の出力と目標値決定部47の出力とに基づいてPI制御演算を行うPI制御演算部48、このPI制御演算部48の出力に基づいて励磁デューティ(DUTY)演算を行う励磁切替え、デューティ演算部49、この励磁切替え、デューティ演算部49の出力の基づいてON/OFF信号を出力するデジタル出力ポート50およびPWM信号を出力するPWM出力ポート51および外部操作入力部61を備えている。
52は直流モータ21に対する通電を制御するスイッチング回路であり、直流モータ21の+側端は直列接続された半導体スイッチング素子(以下、スイッチ素子と称する)53,54の接続点に、また−側端は直列接続された半導体スイッチング素子(以下、スイッチ素子と称する)55,56の接続点に接続されている。
上記スイッチ素子53,55には、デジタル出力ポート50の出力によってON/OFFするトランジスタ57,58が接続され、上記スイッチ素子54,56には、PWM出力ポート51の出力によってON/OFFするトランジスタ59,60が接続されている。
次に動作について説明する。
目標値決定部47で目標値が決定されると、ポジションセンサ41で検出され、A/D入力ポート45,フィルタ46を介して入力された現在値と上記目標値とに基づいて、PI制御演算部48でPI制御演算を行い、その演算結果に基づいて励磁切替え、デューティ演算部49で励磁デューティ演算を行う。
デジタル出力ポート50は励磁切替え、デューティ演算部49の出力に基づいて、a,b端子にON信号を出力し、例えばトランジスタ57を介してスイッチ素子53を導通させて、直流モータ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は励磁切替え、デューティ演算部49の出力に基づいて、出力端子a,bにPWM信号を出力し、例えばトランジスタ60を介してスイッチ素子56の導通を制御し、直流モータ21に実線矢印方向の電流を流す。
これにより、直流モータ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、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直流モータ21に供給する。
次いで、上記の開弁状態において、デジタル出力ポート50,PWM出力ポート51の端子a,bの出力を反転させ、スイッチ素子58,59を介してスイッチ素子54,55を導通させると、直流モータ21に点線方向の電流が流れ、直流モータ21のロータ23を逆回転させる。これにより、モータシャフト29が図1において上方に移動し、この移動に追従して弁シャフト13がリターンスプリング18の付勢力によって移動して制御弁が閉弁方向に移動する。そして、制御弁11がシート12に当接して閉弁すると、弁シャフト13は移動を停止するが、モータシャフト29は直流モータ21が停止するまで移動を続け、ストッパーSに当接して停止する。
従来の直流モータにおけるモータシャフトは以上のように、ストッパーに当接させて停止させるように構成されているので、制動の種類や制動開始判定によって、直流モータの応答性が異なる。特に高応答性の直流モータの場合、ロータのオーバシュートによって、モータシャフトはモータ停止ポイントでストッパーに衝突し、破損を生じ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、モータ停止ポイントにおけるストッパーへの衝突を軽減し、かつ迅速に停止させることのできる直流モータの制動装置を提供することを目的とする。
この発明に係る直流モータの制動装置は、モータシャフトを目標位置のストッパーに当接させて停止保持させる直流モータにおいて、前記モータのシャフト位置検出手段と、前記モータの回転速度検出手段と、前記両手段で検出された位置信号及び速度信号に基づいて制動力を発生する制動手段とを備え、前記制動手段は、前記位置検出手段により検出した検出信号に基づいてモータシャフトの現在位置、前記モータの回転速度検出手段により検出した検出信号に基づいてモータの回転速度、加速度をそれぞれ求めて、次回制御演算時の位置を次回予測位置=現在位置+(モータの回転速度+加速度×演算周期)×演算周期、により予測し、前記次回予測位置が、閉弁位置に予測誤差と減速距離を加えた衝突判定位置を越えていれば制動開始と判断するものである。
このことにより、前記モータシャフトをストッパーに衝突させることなく、迅速かつ円滑に停止させることができる。
この発明に係る直流モータの制動装置は、制動手段として回生制動を利用するものである。
このことにより、特別な制動手段を必要としない。
この発明に係る直流モータの制動装置は、制動力を可変する可変手段を備えたものである。
このことにより、モータの制動を円滑に行うことができる。
この発明に係る直流モータの制動装置は、制動力を可変する可変手段としてPWM制御によるものである。
このことにより、モータの制動を円滑に行うことができる。
この発明に係る直流モータの制動装置は、モータの回転速度が速いときはPWM制御による制動力を大きくするものである。
このことにより、モータの制動を円滑に安定して行うことができる。
この発明に係る直流モータの制動装置は、モータの回転速度または目標位置あるいは両者により制動量を決定するように構成したものである。
このことにより、前記モータのシャフトをストッパーに衝突させることなく、迅速にかつ円滑に停止させることができる。
この発明に係る直流モータの制動装置は、モータのシャフトが目標位置を越えたとき、制動を停止するものである。
このことにより、モータのシャフトを目標位置に安定には停止させることができる。
この発明に係る直流モータの制動装置は、制動開始位置を可変としたものである。
このことにより、最も適切な位置から制動を開始することができる。
この発明に係る直流モータの制動装置は、モータの回転速度、加速度により制動開始を判定するものである。
このことにより、前記モータにより被駆動体を迅速にかつ円滑に停止させることができる。
EGRバルブの構成を示す縦断面図である。 直流ブラシモータの制御回路図である。 この発明の実施の形態1による直流ブラシモータの制動装置を示す回路図である。 閉弁時の基本動作を説明する特性図である。 この発明の実施の形態1による閉弁時の動作を示す特性図である。 スイッチ素子のON/OFFの組合せによる制動力の発生を示す図である。 この発明の実施の形態2による直流ブラシレスモータの制動装置を示す回路図である。 この発明の実施の形態2による閉弁時の動作を示す特性図である。
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.
図3はこの発明の実施の形態1による直流ブラシモータの制動装置を示す回路図であり、71はフィルタ46からの現在位置と目標値決定部47からの目標値とによって偏差を求める偏差演算部、72は単位時間当たりの変位量から速度を求める速度演算部、73は現在速度と前回速度とから加速度を求める加速度演算部、74は偏差演算部71,速度演算部72,加速度演算部73からの演算結果を入力して、制動開始、制動終了を判定する制動判定部(制動手段)、75は偏差演算部71,速度演算部72,加速度演算部73からの演算結果を入力して、制動時におけるデューティを求める制動デューティ演算部、76,77は制動判定部74の出力に基づいて、励磁切替え、デューティ演算部49の出力と制動デューティ演算部75の出力を切り換える切換スイッチであり、他の構成は前記図2に示す構成と同一であるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図4は閉弁時の基本動作を説明する特性図である。
上記制動判定部74における制動開始は下式により演算する。
現在位置<閉弁位置−速度−加速度+制動判定定数
速度=現在位置−前回位置
加速度=現在速度−前回速度
制動判定定数=速度+加速度<−制動判定速度(ブレーキを作動させるか否かの判定速度で実験により決める)
また、上記制動判定部74における制動終了は下式により演算する。
現在位置≦目標位置または制動状態の連続>設定回数
設定回数=予め実験により定める
また、上記制動デューティ演算部75における制動デューティは下式により演算する。
1−(現在位置−目標値)×制動係数1−(速度+加速度−制動速度)×制動係数2
制動係数1=予め実験により定める
制動係数2=予め実験により定める
次に動作について説明する。
目標値決定部47で目標値が決定されると、ポジションセンサ41で検出され、A/D入力ポート45,カウンタ46を介して入力された現在値と上記目標値とに基づいて、PI制御演算部48でPI制御演算を行い、その演算結果に基づいて励磁切替え、デューティ演算部49で励磁デューティ演算を行う。
デジタル出力ポート50は励磁切替え、デューティ演算部49の出力に基づいて、端子a,bにON信号を出力し、例えばトランジスタ57を介してスイッチ素子53を導通させて、直流モータ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は励磁切替え、デューティ演算部49の出力に基づいて、端子a,bにPWM信号を出力し、例えばトランジスタ60を介してスイッチ素子56の導通を制御し、直流モータ21に実線矢印方向の電流を流す。
これにより、直流モータ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、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直流モータ21に供給する。
次いで、直流モータ21を逆回転させるには、例えばスイッチ素子58,59を介してスイッチ素子54,55を導通させ、直流モータ21に点線矢印方向の電流を流し、直流モータ21のロータ23を逆回転させる。これにより、モータシャフト29が図において上方に移動し、この移動に追従して弁シャフト13がリターンスプリング19の付勢力によって移動して制御弁が閉弁方向に移動する。
上記の閉弁動作において、制動判定部74は上記の式に基づいて制動開始位置の判定を行い、その判定信号によって図5t2点において切り換えスイッチ76,77を制動デューティ演算部75側に切換え、この制動デューティ演算部75からのデューティ出力によって、図6に示すモータ端子の操作状態にすることによって、直流モータ21は短絡されて回生制動が作用する。つまり、直流モータ21が短絡されているときに、それまでの回転による惰性で回転を続けると、直流モータ21は発電機となり、その発電電力による電流が短絡回路に流れて熱消費することにより、回生制動を行う。
この結果、図5に示すt1点からt2点までは、直流モータ21の逆回転によって急激に閉弁方向に動作していた弁シャフト13が、t2点以後は直流モータ21の回転がデューティ駆動によって遅くなり、緩やかに全閉位置へ移動し、モータシャフト29のストッパーSに対する衝突を回避することができる。
また、上記制動判定部74は、直流モータ21のモータシャフト29の閉弁方向の位置を、ポジションセンサ41の出力から検出し、この検出信号に基づいて現在位置、モータの回転速度、加速度等を求めて次回制御演算時の位置を予測し、この次回予測位置が図4に示す衝突判定位置(閉弁位置に予測誤差と減速距離を加えたもの)を越えていれば、その位置を予測した現在位置において制動開始と判断する。なお、次回予測位置は下記式により求める。
次回予測位置=現在位置+(モータの回転速度+加速度×演算周期)×演算周期
以上のように、この実施の形態1によれば、モータ停止位置でモータシャフト29がストッパーSに衝突停止することを軽減し、かつ迅速に停止させることができる。
また、制動力をPWM制御の1種である制動デューティ演算部からのデューティ出力によって可変し、しかも直流モータ21の回転速度が速いときは制動力を大きくする(デューティ出力を小さくして回生制動を強める)ことにより、直流モータ21の制動を円滑に行うことができる。
また、モータシャフト29が閉弁側の目標位置を越えたときは、制動を停止させるもので、モータシャフト29を目標位置に安定に復帰停止させることができる。
また、次回予測位置が衝突判定位置を越えていれば、これを判断した現在位置において制動を開始することにより、制動開始が適切となり、モータシャフト29を目標位置に安定には復帰停止させることができる。
実施の形態2.
図7はこの発明の実施の形態2によるブラシレス直流モータの制動装置を示す回路図であり、ロータ23の位置を検出するホール素子81U ,81V ,81Wと、このホール素子81U,81V,81W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82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82は、ホール素子81U,81V,81W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)83U,83V,83W、このスイッチ素子83U,83V,83W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84、この割り込み部84の出力信号に基づいて上記ホール素子81U,81V,81Wの出力信号を入力して処理する信号処理部97、この信号処理部97の出力信号を受けて導通するスイッチ素子85〜90、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85〜90の出力信号に基づいて導通状態を変えるスイッチ素子91〜96を有する。
上記信号処理部97は、ホール素子81U,81V,81Wの出力信号を入力するデジタル入力ポート101、このデジタル入力ポート101の出力を読み込むカウンタ102,このカウンタ102の出力信号と目標値決定部103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104、このPI制御演算部104の出力信号に基づいて励磁デューティ(DUTY)演算を行う励磁切替え、デューティ演算部105、この励磁切替え、デューティ演算部105の出力信号とデジタル入力ポート101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106、この励磁位相演算部106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107および該励磁位相演算部の出力信号に基づいてPWM信号を出力するPWM出力ポート108を備えている。109はデジタル入力ポート101からの入力値と目標値決定部103からの目標値とから制動開始、制動終了を判定する制動判定部である。
次に動作について説明する。
目標値決定部103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81U,81V,81Wの出力信号がスイッチ素子83U,83V,83W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84からの出力信号で、デジタル入力ポート101およびカウンタ102が入力信号の受信を開始する。
PI制御演算部104はカウンタ102を介して入力された現在値と目標値決定部103からの目標値とに基づいて、PI制御演算部104でPI制御演算を行い、その演算結果に基づいて励磁切替え、デューティ演算部105で励磁デューティ演算を行い、励磁位相演算部106とPWM出力ポート108に出力する。
励磁位相演算部106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101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107およびPWM出力ポート108に出力する。
デジタル出力ポート107は励磁位相演算部106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85を介してスイッチ素子91を導通させて、直流モータ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108は励磁切替え、デューティ演算部105と励磁位相演算部106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90を介してスイッチ素子96を導通させて、直流モータ21に矢印方向の電流を流す。
これにより、直流モータ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を目標位置に向かって移動させる。そして、回転するロータ23の位置をホール素子81U,81V,81W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直流モータ21に供給する。
次いで、デジタル出力ポート107,PWM出力ポート108の出力によって、直流モータ21に点線方向の電流を流し、直流モータ21のロータ23を逆回転させる。これにより、モータシャフト29が図において上方に移動し、この移動に追従して弁シャフト13がリターンスプリング19の付勢力によって移動して制御弁が閉弁方向に移動する。
上記の閉弁動作において、制動判定部109は前記のように制動開始位置の判定を行い、その判定信号によってデジタル出力ポート107,PWM出力ポート108を制御し、図8に示すようにU,W,V全ての端子をLOW側に駆動することにより、制動をかけながら緩やかに全閉位置へ移動させ、モータシャフト29をストッパーSに当接させて停止する。
以上のように、この実施の形態2によれば、前記実施の形態1と同様に急激な制動をかけることがなく、モータシャフト29を衝撃なくソストにストッパーSに当接させて停止させることができる。
以上のように、この発明に係る直流モータの制動装置は、付勢部材によって当接すべきストッパ方向に付勢された駆動体をストッパ部材に衝突させることなく停止させることに適している。

Claims (9)

  1. モータシャフトを目標位置のストッパーに当接させて停止保持させる直流モータにおいて、前記モータシャフトの位置検出手段と、
    前記モータの回転速度検出手段と、
    前記両手段で検出された位置信号及び速度信号に基づいて制動力を発生する制動手段と
    を備え、
    前記制動手段は、前記位置検出手段により検出した検出信号に基づいてモータシャフトの現在位置、前記モータの回転速度検出手段により検出した検出信号に基づいてモータの回転速度、加速度をそれぞれ求めて次回制御演算時の位置を次回予測位置=現在位置+(モータの回転速度+加速度×演算周期)×演算周期、により予測し、前記次回予測位値が、閉弁位置に予測誤差と減速距離を加えた衝突判定位置を越えていれば制動開始と判断することを特徴とする直流モータの制動装置。
  2. 制動手段として回生制動を利用することを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
  3. 制動力を可変する可変手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
  4. 制動力を可変する可変手段としてPWM制御を用いることを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
  5. モータの回転速度が速いときはPWM制御による制動力を大きくするようにしたことを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
  6. モータの回転速度または目標位置あるいは両者により制動量を決定することを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
  7. モータのシャフトが目標位置を越えたとき、制動を停止することを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
  8. 制動開始位置を可変としたことを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
  9. モータの回転速度、加速度により制動開始を判定するようにしたことを特徴とする請求の範囲第1項記載の直流モータの制動装置。
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