JP5223894B2 - 電動式駆動装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献3には、通電量を時間積分して通電量の経時変化を整形することで、短絡等による過電流と、非拘束状態から拘束状態への移行に伴う正常な通電量の増加とを識別できるようにする回路構成等が開示されている。しかし、特許文献3の回路構成等では、過電流以外の異常が発生しても全て正常な移行と判断されてしまう虞があり、異常の判断としては不充分である。
請求項1の電動式駆動装置は、通電により駆動力を発生する電動モータと、電動モータへの通電量を検出する電流検出手段と、電動モータへの通電を制御する制御手段とを備え、制御手段により電動モータへの通電を制御しながら、電動モータが発生する駆動力を被駆動体に伝達して、被駆動体の位置および姿勢の一方または両方を変化させる。
突入電流が収束するのに必要とする時間を定める要素は、イナーシャ、モータ劣化および負荷トルク等である。また、これらの要素の内、厳密に算出できるものはイナーシャのみであって他は不確定要素である。
請求項2、3の電動式駆動装置によれば、電動モータは、複数の電機子コイルおよび複数の整流子片を具備する回転子、複数の界磁極を具備する固定子、および整流子片に摺接して電機子コイルに通電するための2つのブラシを有し、電機子コイルに流れる電流と界磁極により形成される磁束との交互作用により回転トルクを発生する。
これにより、被駆動体が拘束状態にある時の電動モータにおけるブラシと整流子片との当接状態に係わらず、非拘束状態から拘束状態への正常移行を確実に判断することができる。
請求項4の電動式駆動装置によれば、ロック電流推定手段は、変位量が拘束値に正常に到達したものと判断された後に、電流検出手段により複数回に亘って検出された複数の通電量の検出値の平均値をロック電流の推定値とする。
請求項5の電動式駆動装置は、電動モータの周囲の温度を推定する温度推定手段と、電動モータに電力を供給する電源の電圧を検出する電源電圧検出手段とを備える。そして、ロック電流推定手段は、ロック電流と電源の電圧との比を、電動モータの周囲の温度を変数とする関数として記憶しており、温度推定手段により推定された電動モータの周囲の温度の推定値を関数に当てはめることでロック電流と電源の電圧との比を算出し、算出した比に電源電圧検出手段により検出された電源の電圧の検出値を乗ずることでロック電流の推定値を算出する。
請求項6の電動式駆動装置によれば、ロック電流推定手段は、変位量が拘束値に正常に到達したものと判断された後に、電流検出手段により得られた通電量の検出値、温度推定手段により推定された電動モータの周囲の温度の推定値、および、電源電圧検出手段により得られた電源の電圧の検出値に基づき関数を修正する。
これにより、電動モータの特性が経時変化して関数が変動しても、関数を高精度に修正することができる。このため、電動モータの特性が経時変化しても、高精度にロック電流を推定することができる。
請求項7の電動式駆動装置によれば、制御手段は、電動モータへの通電開始から通電量がステップ状に増加するまでの間、通電量を時間積分し、得られた積分値に基づいて変位量が正常であるか否かを判断する。
通電量と変位量の時間的変化率との間にはリニアな相関が見られる場合が多い。この場合、通電量を時間積分して得た積分値と変位量との間もリニアな相関となる。よって、積分値に基づいて変位量が正常であるか否かを高精度に判断することができる。
請求項8の電動式駆動装置は、制御手段からの制御信号の入力開始および入力停止に応じて電動モータへの通電をオンオフする駆動回路を備える。また、制御手段は、制御信号としてPWM信号を駆動回路に出力することで、電動モータへの通電を制御する。そして、制御手段が電流検出手段から通電量の検出値を取得するサンプリング周波数は、PWM信号の周波数をPWM信号のデューティ比で除したものよりも大きい。
さらに、制御手段は、電動モータへの通電開始から通電量がステップ状に増加するまでの間、通電量を時間積分し、得られた積分値に基づいて変位量が正常であるか否かを判断する。
実施例1の電動式駆動装置(以下、駆動装置と略す)1の構成を、図1〜図3を用いて説明する。
駆動装置1は、電動モータ2が発生する駆動力により被駆動体を駆動するものであり、例えば、内燃機関(図示せず)の吸気系統に組み入れられて内燃機関の燃焼室にタンブル流を発生させるTCV(以下、弁体とする。)3を被駆動体として回転駆動するためのTCV装置4に適用されている。
つまり、電動モータ2が直流モータである場合、電動モータ2の回転数を時間tの関数としてN(t)[rad/s]で表し、通電量を時間tの関数としてI(t)で表すと、N(t)とI(t)とは次の〔数式1〕のようなリニアな相関を満たす。
〔数式1〕
N(t)=a−b・I(t)
〔数式2〕
実施例1の駆動装置1を用いた制御方法を、図4〜図6に示すフローチャートに基づいて説明する。
ここで、図4に示すメインのフローチャートは、例えば、回転位置の初期値が全開位置であるときに、回転位置が閉側に向かって変化した後に全閉位置に到達するように電動モータ2への通電を制御する場合に、回転位置が全閉位置に正常に到達したか否かを判定するものである。そして、図4に示すフローチャートは、電動モータ2への通電開始とともにスタートする。
すなわち、ステップS1−1で、通電量の時間的変化率の絶対値が所定の収束値以下であるか否かを判定する。例えば、通電量に関する今回の検出値と前回の検出値との差分の絶対値を「通電量の時間的変化率の絶対値」とみなし、この差分の絶対値が収束値以下になったときに、「通電量の時間的変化率の絶対値」が所定の収束値以下になったものと判定する。
ここで、初期状態の上限時間は、突入電流による通電量の一時的な増減が収束するのに、通常、必要とする時間に基づいて設定されている。なお、固着異常とは、例えば、弁体3が全開位置近傍で固着して回転できないような異常である。
すなわち、ステップS3−1で、通電量が閾値Ithrよりも大きくなっているか否かを判定する。そして、通電量が閾値Ithrよりも大きくなっていれば(YES)、ステップS3−2に進み、通電量が閾値Ithrよりも大きくなっていなければ(NO)、ステップS3−3に進む。
ステップS6では、回転状態移行後の経過時間が回転状態の下限時間を超えているか否かの判定を行う。そして、下限時間を超えていないと判定すれば(NO)、ステップS8に進み、回転位置異常と判定する。
なお、通電量の時間積分に基づく回転位置の正常・異常の判定は、上記のメインのフローチャートとは別途に行われ、通電量の時間積分は、電動モータ2への通電開始後、通電量の検出値を、逐次、周知の台形公式等により足し合わせていくことで実行される。
実施例1の駆動装置1によれば、制御手段12は、弁体3の回転位置が、例えば、全開位置から全閉位置に向かって変化して全閉位置に到達するように電動モータ2への通電を制御する場合に、回転位置が全閉位置に正常に到達したか否かを判定するための通電量に関する閾値Ithrを記憶しており、電動モータ2への通電開始後、突入電流により通電量が閾値Ithrを超えて増加し、引き続き通電量が閾値Ithrを下回るように減少した後、再度、増加して閾値Ithrを上回ったときに、回転位置が全閉位置に正常に到達したものと判断する。
なお、弁体3が回転状態から拘束状態へ正常に移行していない場合には、ステップS4で固着異常、ステップS8で回転位置異常、ステップS9で断線異常、またはステップS10で空転異常と判定されている。
これにより、突入電流の収束に必要とする時間が経時変動しても、突入電流の収束を確実に検知することができる。
これにより、弁体3が拘束状態にある時の電動モータ2におけるブラシ21a、21bと整流子片17A〜17Cとの当接状態に係わらず、弁体3の非拘束状態から拘束状態への正常移行を確実に判断することができる。
電動モータ2において通電量と回転数とはリニアな相関を満たすので、通電量を時間積分して得た積分値と電動モータ2の回転角との間もリニアな相関となる。よって、電動モータ2の回転角と弁体3の回転位置とが1対1に対応することから、積分値に基づいて回転位置が正常であるか否かを高精度に判断することができる。
実施例2の駆動装置1は、図7に示すように、電動モータ2の周囲の温度(以下、「周囲の温度」を周囲温度と略す。)を推定する温度推定手段40と、電動モータ2に電力を供給する電源13の電圧(以下、電源電圧と略す。)を検出する電源電圧検出手段41とを備える。ここで、電源電圧検出手段41は、周知の電圧検出回路であり、電源電圧に応じた検出信号を制御手段12に出力する。また、温度推定手段40は、例えば、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサであり、エンジン冷却水の温度を電動モータ2の周囲の温度として代用することで、電動モータ2の周囲温度を推定する。
実施例2の駆動装置1は、電動モータ2の周囲温度を推定する温度推定手段40と、電源電圧を検出する電源電圧検出手段41とを備え、制御手段12は、ロック電流推定手段の機能として、電動モータ2の周囲温度および拘束時コンダクタンスのテーブルデータに基づき、電動モータ2の周囲温度の推定値を利用して拘束時コンダクタンスを算出し、さらに算出した拘束時コンダクタンスに電源電圧の検出値を乗ずることでロック電流の推定値Issを算出する。
これにより、ロック電流の推定値Issを、温度特性を反映して算出することができる。
これにより、電動モータ2の特性等が経時変化しても、テーブルデータの拘束時コンダクタンスの数値を高精度に更新することができる。このため、電動モータ2の特性等が経時変化しても、高精度にロック電流を推定することができる。
実施例3の駆動装置1によれば、図9に示すように、制御手段12は、制御信号としてPWM信号を駆動回路14の4つのスイッチング素子25に出力することで、電動モータ2への通電を制御する。そして、制御手段12が電流検出手段11から通電量の検出値を取得するサンプリング周波数は、PWM信号の周波数をPWM信号のデューティ比で除したものよりも大きい。
これにより、PWM信号のオン時間帯における通電量の検出値を確実に取得することができるので、PWM信号のオフ時間帯の通電量の検出値のみを取得してしまう事態を回避することができる。
これにより、PWM信号のオフ時間帯に取得した検出値を用いることによる誤判定等を阻止することができる。
駆動装置1の態様は、実施例1〜3に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例の駆動装置1は、回転位置の初期値が全開位置であるときに、回転位置が閉側に向かって変化した後に全閉位置に到達するように電動モータ2への通電を制御する場合に、拘束状態への移行に関して正常、異常の判定を行うものであったが、例えば、回転位置の初期値が全閉位置であるときに、回転位置が開側に向かって変化した後に全開位置に到達するように電動モータ2への通電を制御する場合にも拘束状態への移行に関して正常、異常の判定を行うことができる。
また、実施例の駆動装置1は、TCV装置4に適用されていたが、例えば、スロットル装置に駆動装置1を適用してもよく、排気ガスの一部を吸気系統に導入して内燃機関に吸入させるためのEGR装置に駆動装置1を適用してもよい。
さらに、実施例の駆動装置1によれば、拘束値の対象となる変位量は、弁体3の回転位置であったが、例えば、弁体3がポペット弁等である場合には、変位量を弁体3の直線的な移動量として駆動装置1を適用してもよい。
2 電動モータ
3 弁体(被駆動体)
11 電流検出手段
12 制御手段(ロック電流推定手段)
13 電源
14 駆動回路
16、16a〜16c 電機子コイル
17、17A〜17C 整流子片
18 回転子
19 界磁極
20 固定子
21a、21b ブラシ
40 温度推定手段
41 電源電圧検出手段
Ithr 閾値
Iss ロック電流の推定値
Claims (8)
- 通電により駆動力を発生する電動モータと、この電動モータへの通電量を検出する電流検出手段と、前記電動モータへの通電を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段により前記電動モータへの通電を制御しながら、前記電動モータが発生する駆動力を被駆動体に伝達して、この被駆動体の位置および姿勢の一方または両方を変化させる電動式駆動装置において、
前記電動モータから伝達される駆動力により変化する前記被駆動体の位置および姿勢の一方または両方を変位量と定義すれば、
前記変位量の値には、前記変位量が一方向に変化するように前記電動モータから前記被駆動体に駆動力を伝達し続けても、前記被駆動体が機械的に拘束されて前記変位量が一方向に変化しない拘束値が存在し、
前記電動モータへの通電量は、前記変位量が一方向に向かって変化した後に前記拘束値に到達するとステップ状に増加し、
前記制御手段は、
前記変位量が一方向に向かって変化した後に前記拘束値に到達するように前記電動モータへの通電を制御する場合、前記変位量が前記拘束値に正常に到達したか否かを判定するための通電量に関する閾値を記憶しており、
前記電動モータへの通電開始後、突入電流により通電量が前記閾値を超えて増加し、引き続き通電量が前記閾値を下回るように減少した後、再度、増加して前記閾値を上回ったときに、前記変位量が前記拘束値に正常に到達したものと判断し、
さらに、前記電動モータへの通電開始後、通電量が前記閾値を下回り、かつ、通電量の時間的変化率の絶対値が所定の収束値以下になったときに、突入電流による通電量の一時的な増減が収束したものと判断することを特徴とする電動式駆動装置。 - 請求項1に記載の電動式駆動装置において、
前記電動モータは、
複数の電機子コイルおよび複数の整流子片を具備する回転子、複数の界磁極を具備する固定子、および前記整流子片に摺接して前記電機子コイルに通電するための2つのブラシを有し、
前記電機子コイルに流れる電流と前記界磁極により形成される磁束との交互作用により回転トルクを発生し、
前記制御手段は、
前記拘束値到達後に増加した通電量をロック電流と定義すると、このロック電流を推定するロック電流推定手段を有し、
前記変位量が前記拘束値に到達して前記回転子が停止したときに、2つの前記ブラシが両方とも複数の前記整流子片に跨らずに単独の前記整流子片に当接している場合の前記ロック電流の値Iaと、少なくとも1つの前記ブラシが複数の前記整流子片に跨りながら当接している場合の前記ロック電流の値Ibとの比Ia/Ibを記憶しており、
前記ロック電流推定手段による推定値に前記比Ia/Ibを乗じて得た上限値を超えないように前記閾値を設定することを特徴とする電動式駆動装置。 - 通電により駆動力を発生する電動モータと、この電動モータへの通電量を検出する電流検出手段と、前記電動モータへの通電を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段により前記電動モータへの通電を制御しながら、前記電動モータが発生する駆動力を被駆動体に伝達して、この被駆動体の位置および姿勢の一方または両方を変化させる電動式駆動装置において、
前記電動モータから伝達される駆動力により変化する前記被駆動体の位置および姿勢の一方または両方を変位量と定義すれば、
前記変位量の値には、前記変位量が一方向に変化するように前記電動モータから前記被駆動体に駆動力を伝達し続けても、前記被駆動体が機械的に拘束されて前記変位量が一方向に変化しない拘束値が存在し、
前記電動モータへの通電量は、前記変位量が一方向に向かって変化した後に前記拘束値に到達するとステップ状に増加し、
前記電動モータは、
複数の電機子コイルおよび複数の整流子片を具備する回転子、複数の界磁極を具備する固定子、および前記整流子片に摺接して前記電機子コイルに通電するための2つのブラシを有し、
前記電機子コイルに流れる電流と前記界磁極により形成される磁束との交互作用により回転トルクを発生し、
前記制御手段は、
前記変位量が一方向に向かって変化した後に前記拘束値に到達するように前記電動モータへの通電を制御する場合、前記変位量が前記拘束値に正常に到達したか否かを判定するための通電量に関する閾値を記憶しており、
前記電動モータへの通電開始後、突入電流により通電量が前記閾値を超えて増加し、引き続き通電量が前記閾値を下回るように減少した後、再度、増加して前記閾値を上回ったときに、前記変位量が前記拘束値に正常に到達したものと判断し、
さらに、前記拘束値到達後に増加した通電量をロック電流と定義すると、このロック電流を推定するロック電流推定手段を有し、
前記変位量が前記拘束値に到達して前記回転子が停止したときに、2つの前記ブラシが両方とも複数の前記整流子片に跨らずに単独の前記整流子片に当接している場合の前記ロック電流の値Iaと、少なくとも1つの前記ブラシが複数の前記整流子片に跨りながら当接している場合の前記ロック電流の値Ibとの比Ia/Ibを記憶しており、
前記ロック電流推定手段による推定値に前記比Ia/Ibを乗じて得た上限値を超えないように前記閾値を設定することを特徴とする電動式駆動装置。 - 請求項2または請求項3に記載の電動式駆動装置において、
前記ロック電流推定手段は、
前記変位量が前記拘束値に正常に到達したものと判断された後に、前記電流検出手段により複数回に亘って検出された複数の通電量の検出値の平均値を前記ロック電流の推定値とすることを特徴とする電動式駆動装置。 - 請求項2または請求項3に記載の電動式駆動装置において、
前記電動モータの周囲の温度を推定する温度推定手段と、
前記電動モータに電力を供給する電源の電圧を検出する電源電圧検出手段とを備え、
前記ロック電流推定手段は、
前記ロック電流と前記電源の電圧との比を、前記電動モータの周囲の温度を変数とする関数として記憶しており、
前記温度推定手段により推定された前記電動モータの周囲の温度の推定値を前記関数に当てはめることで前記ロック電流と前記電源の電圧との比を算出し、この算出した比に前記電源電圧検出手段により検出された前記電源の電圧の検出値を乗ずることで前記ロック電流の推定値を算出することを特徴とする電動式駆動装置。 - 請求項5に記載の電動式駆動装置において、
前記ロック電流推定手段は、
前記変位量が前記拘束値に正常に到達したものと判断された後に、前記電流検出手段により得られた通電量の検出値、前記温度推定手段により推定された前記電動モータの周囲の温度の推定値、および、前記電源電圧検出手段により得られた前記電源の電圧の検出値に基づき前記関数を修正することを特徴とする電動式駆動装置。 - 請求項1ないし請求項6の内のいずれか1つに記載の電動式駆動装置において、
前記制御手段は、
前記電動モータへの通電開始から通電量がステップ状に増加するまでの間、通電量を時間積分し、
この得られた積分値に基づいて前記変位量が正常であるか否かを判断することを特徴とする電動式駆動装置。 - 請求項1ないし請求項7の内のいずれか1つに記載の電動式駆動装置において、
前記制御手段からの制御信号の入力開始および入力停止に応じて前記電動モータへの通電をオンオフする駆動回路を備え、
前記制御手段は、前記制御信号としてPWM信号を前記駆動回路に出力することで、前記電動モータへの通電を制御し、
前記制御手段が前記電流検出手段から通電量の検出値を取得するサンプリング周波数は、前記PWM信号の周波数を前記PWM信号のデューティ比で除したものよりも大きいことを特徴とする電動式駆動装置。
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