JP5592674B2 - スロットル制御モジュール - Google Patents

Description

本発明は、スロットルを制御するモジュール及び方法に係り、より詳細には、内燃機関のスロットルを制御するための方法及びスロットル制御モジュールに係る。

内燃機関では、スロットルは、エンジンに入る空気の量を直接調整し、燃料注入器又は気化器が比較的一定の燃料／空気比を維持することで各サイクルに燃焼される燃料を間接的に制御するバルブである。一般的に、スロットルは、回転可能なロッドが貫通している四半回転バタフライバルブの一形式である。スロットルは、９０°のような所定角度にわたってロッドと共に回転し、０°回転は、完全に閉じた状態に対応し、そして９０°回転は、完全に開いた回転に対応する。

図６は、スロットル位置センサ（ＴＰＳ）２１と、パルス幅変調（ＰＷＭ）モジュール２２と、モータコントローラ２３と、ブラシ型永久磁石直流（ＰＭＤＣ）モータ２４と、ギア列２５とを備えたスロットル制御モジュール２０を示す。センサ２１は、スロットルの位置を検出し、スロットル位置信号を発生する。ＰＷＭモジュール２２は、スロットル位置信号、及びエンジン制御モジュール（ＥＣＭ）により与えられる希望位置信号に基づいて、ＰＷＭシーケンスを発生する。良く知られたように、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）又は電力列制御モジュール（ＰＣＭ）としても知られたＥＣＭは、燃料の量、点火のタイミング、及び内燃機関が運転を維持するために必要な他のパラメータを決定する電子制御ユニットの一形式である。モータコントローラ２３は、ＰＭＤＣモータ２４をＰＷＭシーケンスに基づいて制御して、ＰＭＤＣモータ２４及びギア列２５がスロットル１０の開き又は位置を制御できるようにする。良く知られたように、スロットルは、所定の角度内で繰り返し回転し、整流子セグメントの幾つかがブラシと頻繁にスライド接触するだけである。それらのセグメント及びＰＭＤＣモータは、おそらく、寿命が短い。加えて、銅のセグメント上には酸化膜が蓄積し、抵抗増加及び温度上昇を招く。更に、炭素の薄い層が蓄積して、特にモータ上の整流子セグメントには、動作モードでブラシと高頻度位置に関する整流子の２つ又は３つのセグメントとの間の界面接触しか分からないデッドスポットを招くおそれが生じる。

１つの提案された解決策は、モータをブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータに置き換えることである。図７は、図８に部分的に示されたＢＬＤＣモータ３４のための既知のスロットル制御モジュール３０を示す。モータ３４は、永久磁石回転子コア３４ａ及びセンサ磁石３９を有する回転子、巻線型固定子３４ｂ、及び３つのホールセンサ３７を支持する回路板３８を露呈するために部分的に分解されて示されている。ホールセンサは、ホールセンサ及びセンサ磁石３９の相互作用に基づき回転子の回転方向を表す信号を発生する。スロットル制御モジュール３０は、ＴＰＳ３１と、ＰＷＭモジュール３２と、モータコントローラ３３と、ＢＬＤＣモータ３４と、ギア列３５と、整流ロジックモジュール３６とを備えている。整流ロジックモジュール３６は、ＢＬＤＣモータ３４内に装着されたホールセンサ３７からの信号に基づいて整流ロジックを発生する。モータコントローラ３３は、その整流ロジックと、ＰＷＭモジュール３２により与えられるＰＷＭシーケンスとに基づいて、ＢＬＤＣモータ３４の整流を制御し、スロットル１０の開きを制御する。この提案の場合、ホールセンサからの信号が重要である。しかしながら、ＢＬＤＣモータ３４が動作する周囲温度がしばしば高くなって、時々、ホールセンサの通常動作温度を越える。従って、ホールセンサ及びスロットル制御モジュールは、信頼性のないものとなる。更に、スロットル制御モジュールは、ＢＬＤＣモータのために３つのホールセンサ３７が要求されるので、コスト高である。

そこで、ＢＬＤＣを使用する信頼性の高い且つ低コストのスロットル制御モジュールが要望されている。

これは、本発明では、ホールセンサをもたないＢＬＤCモータを使用することによって達成される。

従って、本発明は、その１つの態様では、スロットルの開きを制御するためのスロットル制御モジュールにおいて、スロットルを移動するためのブラシレス直流モータであって、多数の極対を含む永久磁石回転子を有するモータと、減速係数を有し、モータをスロットルに接続するギア列と、スロットルの位置を表すスロットル位置信号を発生するスロットル位置センサと、このスロットル位置センサに接続され、このスロットル位置センサからのスロットル位置信号及び希望スロットル位置信号に基づいてパルス幅変調シーケンスを発生するパルス幅変調モジュールと、スロットル位置センサに接続され、スロットル位置センサからのスロットル位置信号に対してデコーディング計算を遂行して、ブラシレス直流モータのための整流ロジックを発生するデコーダモジュールと、パルス幅変調モジュール及びデコーダモジュールに接続され、ブラシレス直流モータの整流をパルス幅変調シーケンス及び整流ロジックに基づいて制御するモータコントローラと、を備えたスロットル制御モジュールを提供する。

好ましくは、デコーダモジュールは、スロットル位置センサからのスロットル位置信号をデジタルのスロットル位置信号へと変換し、このデジタルのスロットル位置信号を校正するためのアナログ／デジタルコンバータと、この校正されたデジタルのスロットル位置信号、アナログ／デジタルコンバータの変換精度、回転子の極対の数、及びギア列の減速係数に基づいてデコーディング計算を遂行して、スロットルの現在位置に対応する電気角を得、そしてその電気角に基づいて整流ロジックを発生するためのデコーディング計算ユニットとを備えている。

好ましくは、ギア列は、ブラシレス直流モータの出力シャフトに固定された駆動ギアと、スロットルの入力シャフトに固定された被駆動ギアであって、この被駆動ギアの半径は駆動ギアの半径より大きくされた被駆動ギアと、駆動ギアと被駆動ギアとの間に配置されてそれらと噛み合う伝達ギアとを備えている。

好ましくは、伝達ギアは、同軸的に配置された大きなギア及び小さなギアを含む二重ギアであり、大きなギアは、駆動ギアと噛み合い、そして小さなギアは、被駆動ギアと噛み合う。

好ましくは、デコーダモジュールは、次の式に基づいて電気角を計算し、

但し、Ｒｅｍ［］は、残余を得るための関数を表し、Ｘは、校正されたデジタルスロットル位置信号を表し、ｎは、アナログ／デジタルコンバータの精度ビットを表し、ＲＡＮＧは、スロットルが回転できる最大角度を表し、ｍは、ギア列の減速係数を表し、そしてＰは、回転子の極対の数を表す。

好ましくは、ブラシレス直流モータは、ホールセンサなしのモータである。

第２の態様によれば、本発明は、スロットルを制御するための方法において、減速ギア列によりスロットルに接続されたブラシレス直流モータであって、多数の極対を含む永久磁石回転子を有するモータを準備するステップと、スロットル位置センサからスロットル位置信号を受信するステップと、スロットル位置信号をデジタルスロットル位置信号へ変換するステップと、デジタルスロットル位置信号を校正するステップと、その校正されたデジタル位置信号に対してデコーディング計算を遂行することによりブラシレス直流モータのための整流ロジックを発生するステップと、その校正されたデジタル位置信号及び希望スロットル位置信号に基づいてパルス幅変調シーケンスを発生するステップと、そのパルス幅変調シーケンス及び整流ロジックに基づいてモータの整流を制御し、スロットルの開きを制御するステップと、を備えた方法を提供する。

好ましくは、ギア列には、ブラシレス直流モータの出力シャフトに固定された駆動ギアと、スロットルの入力シャフトに固定された被駆動ギアと、これら駆動ギア及び被駆動ギアと噛み合う二段伝達ギアとが設けられ、被駆動ギアの半径は、駆動ギアの半径より大きい。

好ましくは、ブラシレス直流モータのための整流ロジックを発生する前記ステップは、その校正されたデジタルスロットル位置信号、アナログ／デジタルコンバータの精度ビット数、及び回転子の極対の数に基づいてデコーディング計算を遂行することによりスロットルの現在開き位置に対応する電気角を発生する段階と、その電気角に対してデコーディング計算を遂行することにより整流ロジックを発生する段階とを含む。

好ましくは、電気角Ｇは、次の式に基づいて計算され、

但し、Ｒｅｍ［］は、残余を得るための関数を表し、Ｘは、校正されたデジタルスロットル位置信号を表し、ｎは、アナログ／デジタルコンバータの精度ビットを表し、ＲＡＮＧは、スロットルが回転できる最大角度を表し、ｍは、ギア列の減速係数を表し、そしてＰは、回転子の極対の数を表す。

以下、添付図面を参照し、本発明の好ましい実施形態を一例として説明する。２つ以上の図に現れる同じ構造物、要素又は部品は、一般的に、それらが現れる全ての図において同じ参照番号で示す。図示されたコンポーネント及び特徴部の寸法は、一般的に、表現の便宜上及び明瞭化のために選択されたものであって、必ずしも正しいスケールで示されていない。

本発明の好ましい実施形態によるスロットル制御モジュールを示すブロック図である。 図１のブロック図の一部分であるＢＬＤＣモータ、ギア列及びスロットルを示す。 図１のブロック図の一部分であるＰＷＭモジュール、デコーダモジュール及びモータ制御モジュールを示すブロック図である。 スロットル制御モジュールの信号フローチャートである。 三相ＢＬＤＣモータの電力整流回路を示す。 ＰＭＤＣモータを実施する慣習的なスロットル制御モジュールのブロック図である。 ＢＬＤＣモータを使用する従来のスロットル制御モジュールを示すブロック図である。 従来のＥＴＣモジュールのための慣習的なＢＬＤＣモータを示す。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるスロットル制御モジュールを示す。このスロットル制御モジュール４０は、スロットル位置センサ（ＴＰＳ）４１と、パルス幅変調（ＰＷＭ）モジュール４２と、デコーダモジュール４６と、モータコントローラ４３と、ＢＬＤＣモータ４４と、ギア列４５とを備えている。ＴＰＳ４１は、スロットル１０のバタフライバルブの位置又は方向を測定し、そしてそれを表すスロットル位置信号を発生する。好ましくは、ＴＰＳ４１は、ポテンショメータである。ＰＷＭモジュール４２は、ＴＰＳからスロットル位置信号を受信し、そのスロットル位置信号と、エンジン制御モジュール（ＥＣＭ）から受信される希望スロットル位置信号とに基づいて、ＰＷＭシーケンスを発生する。上述したように、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）又は電力列制御モジュール（ＰＣＭ）としても知られたＥＣＭは、燃料の量、点火のタイミング、及び内燃機関が運転するために必要な他のパラメータを決定する電子制御ユニットの一形式である。デコーダモジュール４６は、ＴＰＳ４１からのスロットル位置信号を受信してデコードし、そしてＢＬＤＣモータ４４のための整流ロジックを発生する。ＰＷＭモジュール４２及びデコーダモジュール４６に接続されるモータコントローラ４３は、ＰＷＭモジュール４２からのＰＷＭシーケンス及びデコーダモジュール４６からの整流ロジックに基づいてＢＬＤＣモータ４４の整流を制御する。制御されるＢＬＤＣモータ４４は、ギア列４５を通してスロットルを駆動し、ターゲットとするスロットルの開きが得られる。

ＰＭＤＣモータを含む既存のスロットル制御モジュールに比して、本発明によるスロットル制御モジュールは、ＢＬＤＣモータ４４がブラシ及び整流子をもたないために、より信頼性が高い。更に、ホールセンサを有するＢＬＤＣモータを含む既知のスロットルモジュールに比して、ホールセンサからの信号ではなく、スロットル位置信号をデコードすることにより整流ロジックが得られるので、ホールセンサは必要でなく、スロットル制御モジュールのコストが節減される。ホールセンサなしのスロットル制御モジュールは、簡単で、安価で、且つ信頼性が高い。

図２は、ＢＬＤＣモータ４４と、ギア列４５と、スロットル１０を概略的に示す。ギア列４５は、ＢＬＤＣモータのシャフトに固定された駆動ギア５１と、伝達ギア５２と、スロットル１０のシャフトに固定された被駆動ギア５３とを含む減速ギア列である。スロットルのシャフトにはバタフライバルブが固定され、シャフトを回転すると、バタフライバルブが回転して、スロットルを開け閉めする。伝達ギア５２は、駆動ギア５１と被駆動ギア５３との間に置かれた二重ギアである。より詳細には、この二重ギアは、一緒に同軸的に固定された大きなギア５２ａ及び小さなギア５２ｂを含み、大きなギア５２ａは、駆動ギア５１と噛み合い、そして小さなギア５２ｂは、被駆動ギア５３と噛み合う。或いは又、伝達ギア５２は、１つの単一片二重ギアとして作られてもよい。この実施形態では、被駆動ギア５３の半径は、駆動ギア５１の半径より大きい。

図３は、図１のＰＷＭモジュール４２、デコーダモジュール４６、及びモータコントローラ４３をより詳細に示すブロック回路図である。ＰＷＭモジュールは、スロットル位置信号及び希望スロットル位置信号のような信号に対して比例−積分−導関数（ここでは、ＰＩＤと称される）計算を遂行し、そしてＰＷＭシーケンスを発生する。デコーダモジュール４６は、第１のアナログ／デジタルコンバータ（ここでは、ＡＤＣ１と称される）及びデコーディング計算ユニットを備え、ＢＬＤＣモータのための整流ロジックを発生する。モータコントローラ４３は、ＰＷＭシーケンス及び整流ロジックに基づいてＢＬＤＣモータを制御する。

どのように信号を処理し、又、どのようにＰＷＭシーケンス及び整流ロジックを発生するかを以下に説明する。図４には、２つの処理岐路があり、その一方は、ステップＳ１０１、Ｓ１０３及びＳ１０５を含み、その他方は、ステップＳ１０２、Ｓ１０４及びＳ１０６を含む。

第１の処理岐路において、ステップＳ１０１及びＳ１０３を参照すれば、ＴＰＳからＡＤＣ１によりスロットル位置信号が受信される。このスロットル位置信号は、ＡＤＣ１によりデジタル信号へと変換され、次いで、デジタルのスロットル位置信号が校正される。信号フローは、２つの岐路へ分割され、その一方は、ステップＳ１０５に続き、そしてその他方は、ステップＳ１０６に続く。ステップＳ１０５では、デコーディング計算ユニットが、校正された信号に対してデコーディング及び計算を遂行し、そしてスロットルの現在の開きに対応する電気角を表す信号を発生し、次いで、その電気角に基づいて整流ロジックが発生される。

第２の処理岐路において、ステップＳ１０２及びＳ１０４を参照すれば、エンジン制御モジュール（ここでは、ＥＣＭと称される）からの希望スロットル位置信号が第２のアナログ／デジタルコンバータ（ここでは、ＡＤＣ２と称される）によって受信される。この希望スロットル位置信号は、ＡＤＣ２によりデジタルの希望スロットル位置信号へ変換される。ステップＳ１０６では、ＰＷＭモジュールは、デジタルの希望スロットル位置信号と、ステップＳ１０３で発生されるデジタルの校正されたスロットル位置信号とに対してＰＩＤ計算を遂行し、次いで、ＰＷＭシーケンスが発生される。両ステップＳ１０５及びＳ１０６からの結果は、Ｓ１１０へ流れ込む。ステップＳ１１０では、モータコントローラは、ＰＷＭシーケンス及び整流ロジックに基づいてＢＬＤＣモータを制御する。

図５は、本発明の一実施形態によるＢＬＤＣモータのための整流回路を示す。デコーダモジュール４６は、次の式に基づいて計算を遂行する。

但し、Ｇは、回転子の回転された電気角を表し、Ｒｅｍ［］は、残余を得るための関数を表し、Ｘは、校正されたデジタルスロットル位置信号を表し、ｎは、ＡＤＣの精度ビットを表し、ＲＡＮＧは、スロットルが回転できる最大角度を表し、ｍは、ギア列の減速係数を表し、そしてＰは、モータの回転子の極対の数を表す。

デコーダモジュール４６は、電気角Ｇ及び次の整流ロジックテーブルに基づいてＢＬＤＣモータのための整流ロジックを発生する。

整流ロジックテーブル及び図５を参照すれば、０から３６０°の範囲内で６０°のスロットにグループ分けされる。電気角Ｇが０から６０°の範囲に入るときにはスイッチＱ１及びＱ５がオンにされる。同様に、電気角Ｇが６０から１２０°の範囲に入るときにはスイッチＱ１及びＱ６がオンにされ、電気角Ｇが１２０から１８０°の範囲に入るときにはスイッチＱ２及びＱ６がオンにされ、電気角Ｇが１８０から２４０°の範囲に入るときにはスイッチＱ２及びＱ４がオンにされ、電気角Ｇが２４０から３００°の範囲に入るときにはスイッチＱ３及びＱ４がオンにされ、そして電気角Ｇが３００から３６０°の範囲に入るときにはスイッチＱ３及びＱ５がオンにされる。

本発明の幾つかの実施形態は、スロットル、特に、内燃機関のスロットルバルブを制御するための制御モジュールとして使用するのに適している。しかしながら、この制御モジュールは、排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブのような他の四半回転スロットルに適している。

本発明の説明及び特許請求の範囲において、動詞「備える(comprise)」「含む(include)」「収容する(contain)」及び「有する(have)」並びにその活用変化は、各々、ここに述べるアイテムの存在を特定するために包括的な意味で使用されるが、付加的なアイテムの存在を除外するものではない。

本発明は、１つ以上の好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、種々の変更がなされ得ることが明らかであろう。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定されるものとする。

４０：スロットル制御モジュール
４１：スロットル位置センサ（ＴＰＳ）
４２：パルス幅変調（ＰＷＭ）モジュール
４３：モータコントローラ
４４：ＢＬＤＣモータ
４５：ギア列
４６：デコーダモジュール
５１：駆動ギア
５２：伝達ギア
５２ａ：大きなギア
５２ｂ：小さなギア
５３：被駆動ギア

Claims (8)

1. スロットルの開きを制御するためのスロットル制御モジュールにおいて、
   スロットルを移動するためのブラシレス直流モータであって、多数の極対を有する永久磁石回転子を含むモータと、
   減速係数を有し、前記モータを前記スロットルに接続するギア列と、
   前記スロットルの位置を表すスロットル位置信号を発生するスロットル位置センサと、 前記スロットル位置センサに接続され、前記スロットル位置センサからの前記スロットル位置信号及び希望スロットル位置信号に基づいてパルス幅変調シーケンスを発生するパルス幅変調モジュールと、
   前記スロットル位置センサに接続され、前記スロットル位置センサからの前記スロットル位置信号に対してデコーディング計算を遂行して、前記ブラシレス直流モータのための整流ロジックを発生するデコーダモジュールと、
   前記パルス幅変調モジュール及び前記デコーダモジュールに接続され、前記ブラシレス直流モータの整流を前記パルス幅変調シーケンス及び前記整流ロジックに基づいて制御するモータコントローラと、
   を備え、
   前記デコーダモジュールは、
   前記スロットル位置センサからの前記スロットル位置信号をデジタルのスロットル位置信号へと変換し、このデジタルのスロットル位置信号を校正するためのアナログ／デジタルコンバータと、
   前記校正されたデジタルのスロットル位置信号、前記アナログ／デジタルコンバータの変換精度、前記回転子の極対の数、及びギア列の減速係数に基づいてデコーディング計算を遂行して、前記スロットルの現在位置に対応する電気角を得、そしてその電気角に基づいて整流ロジックを発生するためのデコーディング計算ユニットと、
   を備えたスロットル制御モジュール。
2. 前記ギア列は、
   前記ブラシレス直流モータの出力シャフトに固定された駆動ギアと、
   前記スロットルの入力シャフトに固定された被駆動ギアであって、この被駆動ギアの半径が前記駆動ギアの半径より大きくされているような被駆動ギアと、
   前記駆動ギアと前記被駆動ギアとの間に配置されてそれらと噛み合う伝達ギアと、
   を備えた請求項１に記載のスロットル制御モジュール。
3. 前記伝達ギアは、同軸的に配置された大きなギア及び小さなギアを含む二重ギアであり、大きなギアは、前記駆動ギアと噛み合い、そして小さなギアは、前記被駆動ギアと噛み合う、請求項２に記載のスロットル制御モジュール。
4. 前記デコーダモジュールは、次の式に基づいて電気角を計算し、
   

   

   但し、Ｒｅｍ［］は、残余を得るための関数を表し、Ｘは、校正されたデジタルスロットル位置信号を表し、ｎは、アナログ／デジタルコンバータの精度ビットを表し、ＲＡＮＧは、スロットルが回転できる最大角度を表し、ｍは、ギア列の減速係数を表し、そしてＰは、回転子の極対の数を表す、請求項１から３のいずれかに記載のスロットル制御モジュール。
5. 前記ブラシレス直流モータは、ホールセンサなしのモータである、請求項１から３のいずれかに記載のスロットル制御モジュール。
6. スロットルを制御するための方法において、
   減速ギア列によりスロットルに接続されたブラシレス直流モータであって、多数の極対を含む永久磁石回転子を有するモータを準備するステップと、
   スロットル位置センサからスロットル位置信号を受信するステップと、
   前記スロットル位置信号をデジタルのスロットル位置信号へ変換するステップと、
   前記デジタルのスロットル位置信号を校正するステップと、
   前記校正されたデジタルの位置信号に対してデコーディング計算を遂行することにより前記ブラシレス直流モータのための整流ロジックを発生するステップと、
   前記校正されたデジタルの位置信号及び希望スロットル位置信号に基づきパルス幅変調シーケンスを発生するステップと、
   前記パルス幅変調シーケンス及び前記整流ロジックに基づいて前記モータの整流を制御し、前記スロットルの開きを制御するステップと、
   を備え、
   ブラシレス直流モータのための整流ロジックを発生する前記ステップは、
   前記校正されたデジタルのスロットル位置信号、前記アナログ／デジタルコンバータの精度ビット数、及び前記回転子の極対の数に基づいてデコーディング計算を遂行することにより前記スロットルの現在開き位置に対応する電気角を発生する段階と、
   前記電気角に対してデコーディング計算を遂行することにより整流ロジックを発生する段階と、
   を含む方法。
7. 前記ギア列には、前記ブラシレス直流モータの出力シャフトに固定された駆動ギアと、前記スロットルの入力シャフトに固定された被駆動ギアと、これらの駆動ギア及び被駆動ギアと噛み合う二段伝達ギアとを設けるステップを更に備え、前記被駆動ギアの半径は、前記駆動ギアの半径より大きい、請求項６に記載の方法。
8. 前記電気角Ｇは、次の式に基づいて計算され、
   

   

   但し、Ｒｅｍ［］は、残余を得るための関数を表し、Ｘは、校正されたデジタルのスロットル位置信号を表し、ｎは、アナログ／デジタルコンバータの精度ビットを表し、ＲＡＮＧは、スロットルが回転できる最大角度を表し、ｍは、ギア列の減速係数を表し、そしてＰは、回転子の極対の数を表す、請求項６に記載の方法。

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