JP5223894B2 - 電動式駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電動モータが発生する駆動力により被駆動体を駆動する電動式駆動装置に関する。
従来から、例えば、被駆動体としての弁体を電動モータの駆動力により回転させる電動式駆動装置が公知であり、内燃機関の吸排気系統に組み入れられて内燃機関に吸入される吸入空気、または内燃機関から排気される排気ガスの流量を可変するバルブ装置等に適用されている。
また、電動式駆動装置では、被駆動体が特定の位置や姿勢にあるときに、被駆動体を機械的に拘束する機構が設けられている。例えば、内燃機関の燃焼室にタンブル流を発生させるタンブルコントロールバルブ(以下、TCVと呼ぶ。)を回転駆動するためのバルブ装置(以下、TCV装置と呼ぶ。)に電動式駆動装置を適用する場合、減速機構の一部材や弁軸等にストッパ構造を設けて被駆動体を全開位置や全閉位置に機械的に拘束する。
ところで、このような被駆動体を機械的に拘束する電動式駆動装置では、被駆動体が非拘束状態から拘束状態に移行する際に、電動モータへの通電量がステップ状に増加する。例えば、TCV装置において、TCVを全閉に向かって回転させる場合、電動モータにおける通電量の典型的な経時変化パターンは、図10に示すようになる。すなわち、通電開始後、突入電流により通電量は一時的に急激に増加して減少した後、被駆動体が非拘束状態から拘束状態に移行することで通電量はステップ状に増加する。
このため、このような通電量のステップ状の変化を異常とみなすことなく、被駆動体が非拘束状態から拘束状態へ正常に移行したか否かを確実に判断できるようにする要望が高まっている。
なお、特許文献1、2には、電動モータへの通電量が所定の閾値を超えた場合に異常であると判断する回路構成等が開示されている。しかし、特許文献1、2の回路構成等では、非拘束状態から拘束状態への移行を正常な移行と判断することができない。
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。
特開平8−19172号公報 特開2005−151766号公報 特開2001−4674号公報
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、電動モータが発生する駆動力により被駆動体を駆動する電動式駆動装置において、被駆動体の非拘束状態から拘束状態への移行に伴う通電量のステップ状の変化を単純に異常とみなすことなく、被駆動体が非拘束状態から拘束状態へ正常に移行したか否かを確実に判断することにある。
〔請求項1の手段〕
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。
また、電動モータから伝達される駆動力により変化する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、変位量の値には、変位量が一方向に変化するように電動モータから被駆動体に駆動力を伝達し続けても、被駆動体が機械的に拘束されて変位量が一方向に変化しない拘束値が存在する。また、電動モータへの通電量は、変位量が一方向に向かって変化した後に拘束値に到達するとステップ状に増加する。
そして、制御手段は、変位量が一方向に向かって変化した後に拘束値に到達するように電動モータへの通電を制御する場合に、変位量が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、電動モータへの通電開始後、突入電流により通電量が閾値を超えて増加し、引き続き通電量が閾値を下回るように減少した後、再度、増加して閾値を上回ったときに、変位量が拘束値に正常に到達したものと判断する。
これにより、閾値を適切に選択することで、過電流以外の異常に関しても異常と判断することができる。このため、被駆動体の非拘束状態から拘束状態への移行に伴う通電量のステップ状の変化を単純に異常とみなすことなく、被駆動体が非拘束状態から拘束状態へ正常に移行したか否かを確実に判断することができる。
さらに、制御手段は、電動モータへの通電開始後、通電量が閾値を下回り、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。
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。
よって、突入電流が収束したか否かを判断するための時間に対する基準値は、不確定要素の変動を考慮して大きめに設定する必要がある。しかし、変位量の変化の幅が小さい場合、被駆動体が非拘束状態から拘束状態に移行するのに必要とする時間が短いので、基準値を大きくすると、突入電流の収束を検知できないまま被駆動体が拘束状態に移行する虞が高まる。
そこで、突入電流が収束したか否かを判断するための時間に対する基準値を設定するのではなく、通電量の時間的変化率の絶対値が収束値以下になったか否かを判断要素とすることで、被駆動体が非拘束状態から拘束状態に移行するのに必要とする時間の長短に係わらず、突入電流の収束を確実に検知することができる。
〔請求項2、3の手段〕
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。
そして、制御手段は、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、ロック電流を推定するロック電流推定手段を有し、変位量が拘束値に到達して回転子が停止したときに、2つのブラシが両方とも複数の整流子片に跨らずに単独の整流子片に当接している場合のロック電流の値Iaと、少なくとも1つのブラシが複数の整流子片に跨りながら当接している場合のロック電流の値Ibとの比Ia/Ibを記憶しており、ロック電流推定手段による推定値に比Ia/Ibを乗じて得た上限値を超えないように閾値を設定する。
2つのブラシが両方とも複数の整流子片に跨らずに単独の整流子片に当接している場合の電機子コイルの合成抵抗は、少なくとも1つのブラシが複数の整流子片に跨りながら当接している場合の電機子コイルの合成抵抗よりも大きくなる。このため、ロック電流の値Iaは値Ibよりも小さくなる。
ここで、ロック電流が値Iaとなるか、値Ibとなるかの予測は極めて困難であるから、被駆動体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ために、推定値に比Ia/Ibを乗じて得た数値(上限値)を超えないように閾値を設定する。
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の手段〕
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の手段〕
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。
ロック電流は、温度特性を有し、かつ電源の電圧に比例する。このため、ロック電流と電源の電圧との比を、予め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けば、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することができ、さらに、算出した比に電源の電圧の検出値を乗ずることで、温度を反映したロック電流の推定値を算出することができる。
〔請求項6の手段〕
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の手段〕
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の手段〕
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。
これにより、PWM信号のオン時間帯の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
(a)はTCV装置の要部構成図であり、(b)はTCV装置のストッパ構造を示す説明図である(実施例1)。 (a)は電動式駆動装置の回路構成図であり、(b)は電動モータにおける通電量の経時変化パターンを示すトレンド図である(実施例1)。 (a)は2つのブラシが両方とも単独の整流子片に当接している場合のロック電流の値Iaを説明する説明図であり、(b)は1つのブラシが2つの整流子片に跨りながら当接している場合のロック電流の値Ibを説明する説明図である(実施例1)。 電動式駆動装置のメインのフローチャートである(実施例1)。 電動式駆動装置のサブのフローチャートである(実施例1)。 電動式駆動装置のサブのフローチャートである(実施例1)。 電動式駆動装置の回路構成図である(実施例2)。 (a)は電動式駆動装置のテーブルデータであり、(b)、(c)は電動式駆動装置によるテーブルデータの更新を説明する説明図である(実施例2)。 (a)は電動モータにおける通電量の経時変化パターンを示すトレンド図であり、(b)はPWM信号の周期と通電量のサンプリング周期との関係を説明する説明図である(実施例3)。 電動モータにおける通電量の経時変化パターンを示すトレンド図である(従来例)。
実施形態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。
また、電動モータから伝達される駆動力により変化する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、変位量の値には、変位量が一方向に変化するように電動モータから被駆動体に駆動力を伝達し続けても、被駆動体が機械的に拘束されて変位量が一方向に変化しない拘束値が存在する。また、電動モータへの通電量は、変位量が一方向に向かって変化した後に拘束値に到達するとステップ状に増加する。
そして、制御手段は、変位量が一方向に向かって変化した後に拘束値に到達するように電動モータへの通電を制御する場合に、変位量が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、電動モータへの通電開始後、突入電流により通電量が閾値を超えて増加し、引き続き通電量が閾値を下回るように減少した後、再度、増加して閾値を上回ったときに、変位量が拘束値に正常に到達したものと判断する。
また、制御手段は、電動モータへの通電開始後、通電量が閾値を下回り、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。
また、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。
そして、制御手段は、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、ロック電流を推定するロック電流推定手段を有し、変位量が拘束値に到達して回転子が停止したときに、2つのブラシが両方とも複数の整流子片に跨らずに単独の整流子片に当接している場合のロック電流の値Iaと、少なくとも1つのブラシが複数の整流子片に跨りながら当接している場合のロック電流の値Ibとの比Ia/Ibを記憶しており、ロック電流推定手段による推定値に比Ia/Ibを乗じて得た上限値を超えないように閾値を設定する。
また、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。
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。
実施形態2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。
また、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。
実施形態3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。
〔実施例1の構成〕
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。
すなわち、TCV装置4は、例えば、インテークマニホールド6内の吸気流路7に回転自在に収容され、吸気流路7を絞ることで燃焼室にタンブル流を発生させる弁体3と、電動モータ2が発生する駆動力としての回転トルクにより弁体3を回転させる駆動装置1とを備える。
ここで、弁体3は、弁軸8に対して相対的に固定するように弁軸8に貫通され、弁軸8から回転トルクを伝達されて回転する。また、弁体3は略矩形状に設けられており、弁軸8は、矩形をなす1組の向かい合う2辺に平行となるように弁体3に対して固定されている。
そして、弁体3には、弁軸8に平行な2辺の内、弁軸8から遠い方の辺に切り欠き9が形成されており、全閉時に、弁体3と流路壁との間に切り欠き9の面積に相当する開口部が形成される。このため、弁体3が全閉位置まで回転すると、吸気流路7が切り欠き9相当の面積まで絞られて燃焼室にタンブル流が発生する。
駆動装置1は、通電により回転トルクを発生する電動モータ2と、電動モータ2への通電量を検出する電流検出手段11と、電動モータ2への通電を制御する制御手段12と、制御手段12からの制御信号の入力開始および入力停止に応じて電源13から電動モータ2への通電をオンオフする駆動回路14とを備え、制御手段12により電動モータ2への通電を制御しながら、回転トルクを弁体3に伝達して弁体3の回転位置を変化させる。
電動モータ2は、複数の電機子コイル16および複数の整流子片17を具備する回転子18、複数の界磁極19を具備する固定子20、および整流子片17に摺接して電機子コイル16に通電するための2つのブラシ21a、21bを有し、電機子コイル16に流れる電流と界磁極19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周知の直流モータである。
電流検出手段11は、駆動回路14および電動モータ2のグランド側に組み込まれたシャント抵抗24における電圧降下を検出することにより電動モータ2への通電量を検出する周知の電流検出回路である。
制御手段12は、電流検出手段11等の各種センサから入力される検出信号に基づき、電動モータ2への通電を制御するための制御信号を出力するものであり、制御処理および演算処理を行うCPU、各種のデータおよびプログラム等を記憶するROMおよびRAM等の記憶装置、入力装置、ならびに出力装置等を含んで構成される周知構造のマイコンである。
駆動回路14は、制御手段12から個別に制御信号の入力を受けて動作する4つのスイッチング素子25により構成された周知構造を有し、正逆いずれの方向へも電動モータ2に通電することが可能である。
ところで、電動モータ2が発生した回転トルクは、周知の減速機構を介して弁軸8に伝達される。すなわち、弁軸8は、減速機構における回転トルクの伝達終端をなすギヤ部材26に圧入されて固定され、弁軸8の軸心とギヤ部材26の回転軸心とは同軸をなす。また、ギヤ部材26は、弁体3の方に向かって段階的に縮径しており、最も弁体3に近い先端部26aは、オイルシール27によりインテークマニホールド6に軸受されている。
そして、弁軸8は、先端部26aから突出するようにギヤ部材26に保持されており、弁軸8の内、先端部26aの近傍であって先端部26aから突出している部分に、インテークマニホールド6との間にストッパ構造を形成する係合部29が設けられている。
係合部29は、弁軸8に垂直であって弁軸8の軸心と直交する部分を円中心とする円板部30と、円板部30の外周縁の一部から外周側に向かって突出する突出部31とを有し、弁軸8と一体的に回転する。そして、係合部29は、インテークマニホールド6の壁部に設けられた収容室32で回転可能に収容されている。
ここで、収容室32は、突出部31との係合により係合部29の回転を規制できる形状に設けられている。すなわち、収容室32は、円板部30の外周縁よりもわずかに大きい内径を有する第1収容部33と、第1収容部33の外周縁が部分的に外周側に拡大するように形成された第2収容部34とからなり、円板部30、突出部31は、それぞれ第1、第2収容部33、34に収容されている。このため、第2収容部34の周方向両端の壁面35、36は、突出部31と係合することで係合部29の回転を規制することができる(以下、壁面35、36を、それぞれ係合面35、36と呼ぶ。)。
以上により、弁体3は、弁軸8に設けられた係合部29がインテークマニホールド6に設けられた係合面35、36に係合することで機械的に拘束される。そして、係合部29は、例えば、弁体3が全閉位置にあるときに周方向一端側の係合面35に係合し、弁体3が全開位置にあるときに周方向他端側の係合面36に係合する。
このため、弁体3の回転位置に関する全閉位置は、回転位置が閉側に変化するように電動モータ2から弁体3に向けて回転トルクが伝達され続けても、弁体3が機械的に拘束されて回転位置がさらに閉側に変化しない拘束値となる。同様に、全開位置は、回転位置が開側に変化するように電動モータ2から弁体3に向けて回転トルクが伝達され続けても、弁体3が機械的に拘束されて回転位置がさらに開側に変化しない拘束値となる。
そして、制御手段12により電動モータ2への通電を制御しながら、弁体3を拘束値に向かって回転させると、係合部29が係合面35または係合面36に係合し、弁体3は機械的に拘束されていない被拘束状態から機械的に拘束されている拘束状態に移行する。そして、弁体3が被拘束状態から拘束状態に移行する際、電動モータ2への通電量はステップ状に増加する。つまり、電動モータ2への通電量は、弁体3の回転位置が拘束値に到達するとステップ状に増加する。
ここで、弁体3を拘束値に向かって回転させる場合、電動モータ2における通電量の典型的な経時変化パターンは、図2(b)に示すようになる。すなわち、通電開始後、突入電流により通電量は一時的に急激に増加して減少した後、弁体3が非拘束状態から拘束状態に移行することで通電量はステップ状に増加する。そして、非拘束状態は、突入電流により通電量がピーク状に変動する初期状態、および、通電量が略一定値に安定して弁体3が略一定の回転数で回転する回転状態に区分される。なお、以下の説明では、拘束値到達後に増加した通電量をロック電流と呼ぶ。
このような経時変化パターンを示す通電量に対し、制御手段12は、回転位置が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Ithrを記憶しており、突入電流による通電量の一時的な増減が収束した後に通電量が閾値Ithrを上回ったときに、回転位置が拘束値に正常に到達したものと判断する。
すなわち、制御手段12は、例えば、回転位置が閉側に向かって変化した後に拘束値たる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。
また、制御手段12は、突入電流による通電量の一時的な増減が収束したか否かの判断に関し、電動モータ2への通電開始後、通電量が閾値Ithr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。
また、制御手段12は、ロック電流を推定するロック電流推定手段としての機能を有し、回転位置が拘束値に到達して回転子18が停止したときに、2つのブラシ21a、21bが両方とも複数の整流子片17に跨らずに単独の整流子片17に当接している場合のロック電流の値Iaと、少なくともブラシ21a、21bのいずれか一方が複数の整流子片17に跨りながら当接している場合のロック電流の値Ibとの比Ia/Ibを記憶しており、ロック電流推定手段による推定値Issに比Ia/Ibを乗じて得た上限値を超えないように閾値Ithrを設定する。
例えば、図3に示すように、電動モータ2がΔ結線された3相の電機子コイル16a〜16cを有し、Δ結線の3つの端子に整流子片17A〜17Cが電気的に接続されている場合を考える(電機子コイル16a〜16cの抵抗値は全て同一の値rであるものとする。)。
この場合、ロック電流が値Iaを示すのは、例えば、ブラシ21a、21bがそれぞれ整流子片17B、17Cにのみ当接している場合である(図3(a)参照)。また、ロック電流が値Ibを示すのは、例えば、ブラシ21aが整流子片17A、17Bの両方に跨って当接し、ブラシ21bが整流子片17Cにのみ当接している場合である(図3(b)参照)。
つまり、ブラシ21a、21bがそれぞれ整流子片17B、17Cにのみ当接している場合、ブラシ21a、21b間の合成抵抗は値rに2/3を乗じた数値となり、ブラシ21aが整流子片17A、17Bの両方に跨って当接し、ブラシ21bが整流子片17Cにのみ当接している場合、ブラシ21a、21b間の合成抵抗は値rに1/2を乗じた数値となる。したがって、比Ia/Ibは0.75となるから、閾値Ithrは推定値Issに0.75を乗じて得た上限値よりも小さくなるように設定される。
なお、比Ia/Ibの数値を一般化すると、電動モータ2に電機子コイル16が2N+1相(Nは自然数)の奇数相だけ備わっている場合、(2N+1)/{2・(N+1)}となり、2N相(Nは自然数)の偶数相だけ備わっている場合、(2N−1)/{2・(N−1)}となる。
また、ロック電流推定手段は、例えば、回転位置が全閉位置に正常に到達したものと判断された後に、電流検出手段11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Issとする。なお、推定値Issを算出する際には、検出値に対して周知のガード処理がなされる。
そして、制御手段12は、次回に電動モータ2への通電を制御しながら、弁体3を全閉位置に向かって回転させるときに、今回求めた推定値Issに比Ia/Ibの数値を乗じて得た上限値よりも小さくなるように閾値Ithrを設定し、このように設定された閾値Ithrに基づき、回転位置が全閉位置に正常に到達したか否かを判断する。
さらに、制御手段12は、電動モータ2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回転位置が正常であるか否かを判断する。
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)
また、電動モータ2への通電開始から通電量がステップ状に増加するまでに必要とする時間をT1[s]で表し、電動モータ2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の電動モータ2の回転角をθ[rad]で表すと、θはN(t)を時間tについて0からT1まで定積分することで算出することができる。よって、θは、〔数式1〕を利用することで、次の〔数式2〕のように、I(t)を時間tについて0からT1まで定積分することで得られた数値との間にリニアな相関を有する。
〔数式2〕
Figure 0005223894
以上により、弁体3の回転位置と電動モータ2の回転角とは1対1に対応することから、I(t)を時間tについて0からT1まで定積分することで得られた数値に基づき、回転位置が正常であるか否かを判断することができる。
〔実施例1の制御方法〕
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。
通電開始後、まず、ステップS1で初期状態から回転状態に移行したか否かの判定を行う。そして、初期状態から回転状態に移行していないと判定すれば(NO)、ステップS2に進み、初期状態から回転状態に移行していると判定すれば(YES)、ステップS3に進む。
ここで、初期状態から回転状態に移行したか否かの判定は、図5に示すサブのフローチャートを実行することで行われる。
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。
そして、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ていれば(YES)、ステップS1−2に進み、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ていなければ(NO)、ステップS1−3に進む。そして、ステップS1−3で、回転状態に未だに移行していないものと判定してメインのフローチャートのステップS1に戻る。これにより、ステップS1では、初期状態から回転状態に移行していないものと判定される。
次に、ステップS1−2で、通電量が閾値Ithrよりも小さくなっているか否かを判定する。そして、通電量が閾値Ithrよりも小さくなっていれば(YES)、ステップS1−4に進み、通電量が閾値Ithrよりも小さくなっていなければ(NO)、ステップS1−3に進む。そして、ステップS1−3で、回転状態に未だに移行していないものと判定してメインのフローチャートのステップS1に戻る。これにより、ステップS1では、初期状態から回転状態に移行していないものと判定される。
また、ステップS1−4では、回転状態に移行したものと判定してメインのフローチャートのステップS1に戻る。これにより、ステップS1では、初期状態から回転状態に移行したものと判定される。
ステップS2では、通電開始からの経過時間が初期状態の上限時間を超えたか否かの判定を行う。そして、上限時間を超えていないと判定すれば(NO)、ステップS1に戻り、上限時間を超えていると判定すれば(YES)、ステップS4に進み、固着異常と判定する。
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。
ステップS3では、回転状態から拘束状態に移行したか否かの判定を行う。そして、回転状態から拘束状態に移行していないと判定すれば(NO)、ステップS5に進み、回転状態から拘束状態に移行していると判定すれば(YES)、ステップS6に進む。
ここで、回転状態から拘束状態に移行したか否かの判定は、図6に示すサブのフローチャートを実行することで行われる。
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S3−2では、拘束状態に移行したものと判定してメインのフローチャートのステップS3に戻る。これにより、ステップS3では、回転状態から拘束状態に移行したものと判定される。また、ステップS3−3では、拘束状態に未だに移行していないものと判定してメインのフローチャートのステップS3に戻る。これにより、ステップS3では、回転状態から拘束状態に移行していないものと判定される。
ステップS5では、回転状態移行後の経過時間が回転状態の上限時間を超えたか否かの判定を行う。そして、上限時間を超えていないと判定すれば(NO)、ステップS3に戻り、上限時間を超えていると判定すれば(YES)、ステップS7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。
ここで、回転状態の上限時間および下限時間は、全開位置から全閉位置まで弁体3が回転するのに、通常、必要とする時間に基づいて設定されている。なお、回転位置異常とは、例えば、弁体3の全開位置からの回転量が小さい異常である。
ステップS7では、通電量が断線値よりも小さいか否かの判定を行う。ここで、断線値とは、電動モータ2に断線が発生しているか否かを判定するための基準値である。よって、ステップS7で通電量が断線値よりも小さいと判定すれば(YES)、ステップS9に進んで断線異常と判定する。また、ステップS7で通電量が断線値よりも小さくないと判定すれば(NO)、ステップS10に進んで空転異常と判定する。
なお、空転異常とは、電動モータ2から弁軸8に至る回転トルクの伝達経路のいずれかの部位において空転が発生している異常であり、例えば、弁軸8とギヤ部材26との固定結合が破損してギヤ部材26が弁軸8に対して空転するような異常である。
そして、ステップS6で、下限時間を超えていると判定すれば(YES)、ステップS11に進み、回転位置が全開位置から全閉位置に正常に到達したものと判定し、さらに、ステップS12に進んでロック電流を推定してメインのフローチャートを終了する。
ここで、制御手段12は、ステップS12を実行することで、ロック電流推定手段として機能する。
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の効果〕
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。
これにより、閾値Ithrを適切に選択することで、弁体3の回転状態から拘束状態への移行に伴う通電量のステップ状の変化を単純に異常とみなすことなく、弁体3が回転状態から拘束状態へ正常に移行したか否かを確実に判断することができる。
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。
また、制御手段12は、電動モータ2への通電開始後、通電量が閾値Ithr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、突入電流が収束して初期状態が回転状態に移行したものと判断する。
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。
また、電動モータ2は、例えば、図3に示す周知の直流モータであり、制御手段12は、ブラシ21a、21bがそれぞれ整流子片17B、17Cにのみ当接している場合のロック電流の値Iaと、ブラシ21aが整流子片17A、17Bの両方に跨って当接し、ブラシ21bが整流子片17Cにのみ当接している場合のロック電流の値Ibとの比Ia/Ibを記憶しており、ロック電流推定手段による推定値Issに比Ia/Ibを乗じて得た上限値を超えないように閾値Ithrを設定する。
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。
また、制御手段12は、電動モータ2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弁体3の回転位置が正常であるか否かを判断する。
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の構成〕
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。
また、制御手段12は、ロック電流推定手段の機能として、ロック電流と電源電圧との比(以下、拘束時コンダクタンスと呼ぶ。)を、電動モータ2の周囲温度を変数Tとする関数P(T)として記憶している。より具体的に、制御手段12は、図8(a)に示すように、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数値をTおよびP(T)のテーブルデータとして記憶している。
また、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の周囲温度の推定値を関数P(T)のTに当てはめることで拘束時コンダクタンスを算出する。この場合、制御手段12は、電動モータ2の周囲温度の推定値がテーブルデータとして記憶されている数値そのものでなくても、直線補間により拘束時コンダクタンスを算出する。そして、制御手段12は、ロック電流推定手段の機能として、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。
そして、制御手段12は、拘束時コンダクタンスを利用して算出したロック電流の推定値Issに比Ia/Ibを乗じて得た上限値を超えないように閾値Ithrを設定する。
さらに、制御手段12は、ロック電流推定手段の機能として、電流検出手段11により得られた通電量の検出値、温度推定手段40により推定された電動モータ2の周囲温度の推定値、および、電源電圧検出手段41により得られた電源電圧の検出値に基づき関数P(T)を修正する。具体的に、制御手段12は、電流検出手段11により検出されたロック電流の検出値を電源電圧の検出値で除することで、拘束時コンダクタンスの実測値Pを算出し、この実測値Pを利用することでテーブルデータの関数P(T)の数値を更新する。
例えば、実測値Pの算出に利用したロック電流の検出値および電源電圧の検出値を検出したときの電動モータ2の周囲温度の推定値が、図8(b)に示すように、0℃と20℃の間のTs℃であったとする。そして、「Ts℃と0℃との差分」と、「20℃とTs℃との差分」との比をs:1−s(ただし、0<s<1とする。)とし、更新前のP(0)およびP(20)に基づき直線補間により求めた拘束時コンダクタンスをP(Ts)とし、実測値PとP(Ts)との差分をΔP(Ts)とする。
この場合、更新前のP(0)およびP(20)の数値に対し、Ts℃に応じた重み付けを行うと、更新後のP(0)およびP(20)の数値は、図8(c)に示すように更新される。
〔実施例2の効果〕
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。
また、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の通電量の検出値、電動モータ2の周囲温度の推定値、および、電源電圧の検出値に基づきテーブルデータを修正する。
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〕
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。
また、制御手段12は、取得した通電量の検出値の内、所定の基準値以下の値を示すものは、図4のメインのフローチャートや、図5および図6のサブのフローチャートにおける各種判定処理等に利用しない。
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。
〔変形例〕
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、全開位置と全閉位置との間の中間位置に拘束状態が存在する場合、中間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。
また、実施例の駆動装置1により駆動される被駆動体としての弁体3は、弁軸8の周囲で回転するバタフライ弁であったが、被駆動体をポペット弁、ニードル弁等の他の形状とし、このような被駆動体を駆動装置1により駆動してもよい。
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。
1 駆動装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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