JP6338769B2 - アクチュエータの制御装置、アクチュエータ、バルブ駆動装置およびアクチュエータの制御方法 - Google Patents

アクチュエータの制御装置、アクチュエータ、バルブ駆動装置およびアクチュエータの制御方法 Download PDF

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Description

この発明は、直流モータを駆動源とするアクチュエータの制御装置、アクチュエータ、バルブ駆動装置およびアクチュエータの制御方法に関するものである。
アクチュエータの駆動源に用いられる直流モータは、通電によりコイルの温度が上昇すると性能が低下する。そこで従来は、独立した温度センサを直流モータに設置して温度を検出したり(例えば、特許文献1参照)、通電電流と通電時間とに基づいてコイル温度を推定したりし、その温度に基づいて直流モータへの通電を規制することにより性能低下を防いでいた。
特開2007−45325号公報
しかしながら、直流モータの制御に温度センサの検出値を使用する場合、アクチュエータとは別に、独立した温度センサが必要となる課題があった。
他方、間接的に推定されたコイル温度は、温度センサにより直接的に検出された温度に比べ、精度が低いという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アクチュエータとは別に独立した温度センサを設置することなく、かつ、間接的に推定された温度よりも高精度な、アクチュエータの内部温度を得ることを目的とする。
この発明に係るアクチュエータの制御装置は、位置センサに内蔵されている温度検出素子が検出したセンサ内温度を用いて温度補正された後のシャフトの位置、およびセンサ内温度を取得する取得部と、取得部が取得した温度補正後のシャフトの位置およびセンサ内温度を用いてアクチュエータを制御する制御部とを備えるものである。
この発明によれば、位置センサに内蔵されている温度検出素子により検出されるセンサ内温度を取得するようにしたので、アクチュエータとは別に独立した温度センサを設置することなく、かつ、間接的に推定された温度よりも高精度な、アクチュエータの内部温度を得ることができる。
この発明の実施の形態1に係るウエストゲートアクチュエータの構成例を示す断面図である。 実施の形態1の位置センサの構成例を示す側面図である。 実施の形態1に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態1に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置が行う動作を示すフローチャートである。 実施の形態1に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置のハードウエア構成例を示す図である。 この発明の実施の形態2に係るウエストゲートアクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。
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.
この発明に係るアクチュエータを、車両に搭載されたターボチャージャのウエストゲート(以下、WGと称す)バルブを駆動するWGアクチュエータとして用いる場合を例にして説明する。
図1は、実施の形態1に係るWGアクチュエータ1の構成例を示す断面図である。ターボチャージャは、エンジンからの排気ガスによってタービンを回転させ、このタービンと同軸で接続されたコンプレッサを駆動して吸気を圧縮しエンジンに供給する構成である。排気通路100のタービン上流側には、排気ガスを排気通路100からバイパス通路101へ逃がすWGバルブ2が設置されており、WGアクチュエータ1がWGバルブ2を開閉して排気通路100からバイパス通路101への排気ガス流入量を調整することにより、タービンの回転数を制御する。なお、図1では、WGバルブ2の全閉状態を実線で示し、全開状態を二点鎖線で示す。
WGアクチュエータ1は、駆動源となる直流モータ4と、WGバルブ2を開閉するシャフト13と、直流モータ4の回転運動をシャフト13の直線運動に変換するネジ機構12とを備える。直流モータ4は、複数のN極とS極に着磁されたマグネット5を有するロータ6と、コイル7が巻回されたステータ8とを含む。コイル7の端部にはブラシ11bが接続されている。ロータ6の一端側は軸受部14によって回転自在に支持されており、他端側には整流子9が固定されている。
外部端子10に電圧が印加されると、この外部端子10に接続しているブラシ11aを介し、整流子9を構成する複数の整流子片の中のブラシ11aと接触した整流子片に電流が流れ、この整流子片と電気的に接続したブラシ11bを介してコイル7に電流が流れる。コイル7に通電することでステータ8がN極とS極に磁化し、そのステータ8がマグネット5のN極とS極と反発および吸引しあうことでロータ6が回転する。ロータ6の回転に伴って通電するコイル7が切り替わることにより、ステータ8の極も切り替わり、ロータ6が回転し続ける。電流の向きが逆になると、ロータ6の回転方向も逆になる。
なお、図1では直流モータ4としてブラシ付きDCモータを使用しているが、ブラシレスDCモータを使用してもよい。
ロータ6の内部にはシャフト13を配置するための穴があいており、穴の内周面に雌ネジ部12aが形成され、シャフト13の外周面に雄ネジ部12bが形成されている。この雄ネジ部12bが雌ネジ部12aにねじ込まれて結合され、ロータ6の回転運動をシャフト13の直線運動に変換する。これら雌ネジ部12aと雄ネジ部12bとでネジ機構12が構成される。シャフト13の一端側は、ハウジング15を貫通し、リンク機構3を介してWGバルブ2と連結されている。シャフト13の他端側には、このシャフト13の軸方向における位置を検知する位置センサ16などが設置されている。
リンク機構3は、2枚のプレート3a,3bを有する。プレート3aの一端側にシャフト13が取り付けられ、他端側の支点3cにはプレート3bの一端側が回動自在に取り付けられている。このプレート3bの他端側にはWGバルブ2が取り付けられている。ロータ6の一方向への回転によってシャフト13がハウジング15の外へ押し出される方向に移動すると、プレート3aも同方向に移動して、プレート3bとWGバルブ2が支点3cを中心に回動し、WGバルブ2が開弁方向に動く。ロータ6の逆方向への回転によってシャフト13がハウジング15の内へ引き込まれる方向に移動すると、プレート3aも同方向に移動して、プレート3bとWGバルブ2が支点3cを中心に回動し、WGバルブ2が閉弁方向に動く。
シャフト13には、二平面などが形成されて回転規制部13aとして機能する。また、シャフト13を貫通するハウジング15の穴の内周面には、この回転規制部13aの形状に合わせて、二平面などのガイド部15aが形成されている。回転規制部13aとガイド部15aとが摺動することにより、ロータ6の回転に合わせてシャフト13が回転運動するのを規制し、シャフト13が直線移動するようサポートする。ガイド部15aの端部には、シャフト13側に突出したストッパ15bが形成されており、シャフト13から突出した形状の当て部13bがこのストッパ15bに当接することにより、シャフト13のこれ以上の開弁方向への直線移動を規制する。同様に、ネジ機構12の端部にストッパ15cとして機能するプレートが設置され、当て部13cとして機能するシャフト13の端面がストッパ15cに当接することにより、シャフト13のこれ以上の閉弁方向への移動を規制する。
図2は、実施の形態1の位置センサ16の構成例を示す側面図である。
シャフト13のストッパ15cとして機能するプレートには、シャフト13の外径より小さな穴が貫通しており、この穴にセンサ用シャフト17が通され、センサ用シャフト17の端面がシャフト13の端面に当接する。これにより、シャフト13の軸方向の往復運動に合わせてセンサ用シャフト17も往復運動する。センサ用マグネット18の磁束はその周囲に設置されたセンサ用ステータ19を流れ、位置センサ16を通過する。このセンサ用マグネット18はセンサ用シャフト17に固定されており、シャフト13の往復運動に伴って位置センサ16に対するセンサ用マグネット18の位置が変化することにより、位置センサ16を通過する磁束密度も変化する。
図3は、制御装置20の構成例を示すブロック図である。
位置センサ16には、磁気検出素子16aと温度検出素子16bが内蔵されている。磁気検出素子16aはホール素子または磁気抵抗素子などであり、温度検出素子16bはサーミスタなどである。磁気検出素子16aは、シャフト13の往復運動に伴って変化する磁束密度を検出し、シャフト13の実ストローク位置に変換する。磁気検出素子16aは磁気感度が温度に依存する特性があるため、位置センサ16は、温度検出素子16bによりセンサ内温度を検出し、磁気検出素子16aの温度特性を補正する。この位置センサ16は、例えばSENT(Single Edge Nibble Transmission)方式により、温度特性を補正した後の実ストローク位置と、その補正に用いたセンサ内温度とを示すデジタル信号を制御装置20へ出力する。なお、位置センサ16から制御装置20への出力は、SENTのようなデジタル信号に限定されるものではなく、アナログ信号でもよい。
エンジンコントロールユニットは、エンジン制御部21と制御装置20とを備えており、これら以外の構成については図示および説明を省略する。エンジン制御部21は、シャフト13の目標ストローク位置を、制御部22へ出力する。
図3の例では、制御装置20の機能をエンジンコントロールユニットの一機能として実現するように構成しているが、制御装置20を独立した電子制御ユニットとして構成してもよいし、あるいはWGアクチュエータ1の内部に回路基板として組み込んでもよい。
制御装置20は、制御部22と、モータドライバ23と、取得部24と、異常判定部25とを備えている。
取得部24は、シャフト13の実ストローク位置とセンサ内温度のデジタル信号を、位置センサ16から取得する。取得部24は、取得した実ストローク位置を制御部22へ出力し、センサ内温度を異常判定部25へ出力する。なお、取得部24が位置センサ16から取得した実ストローク位置は、位置センサ16において既に温度補正された後の位置である。
実施の形態1の制御装置20は、温度検出素子16bにより検出されたセンサ内温度が、WGアクチュエータ1の内部温度と等しいものと推定し、以下に説明するように、このセンサ内温度に基づいてWGアクチュエータ1の温度異常を判定する。
異常判定部25は、取得部24から受け取ったセンサ内温度を予め定められている温度閾値と比較する。異常判定部25は、センサ内温度が温度閾値より高い場合にWGアクチュエータ1が異常温度になっていると判定し、センサ内温度が温度閾値以下の場合にWGアクチュエータ1が正常温度になっていると判定し、判定結果を制御部22へ出力する。温度閾値は、WGアクチュエータ1が正常に動作する温度の上限値(例えば、100度)であり、例えば直流モータ4への通電または使用環境温度によりWGアクチュエータ1の内部温度が上昇してWGアクチュエータ1に必要とされる性能を確保できなくなる事態または溶損に至る事態などを防ぐことができる温度とする。また、温度閾値にヒステリシスを設けて、センサ内温度が温度閾値の上限値(例えば、100度)を超えると異常温度と判定し、センサ内温度が温度閾値の下限値(例えば、50度)を下回ると正常温度と判定してもよい。
制御部22は、異常判定部25から異常温度または正常温度を示す判定結果の通知を受け取る。
異常判定部25から正常温度の判定結果が通知された場合、制御部22は、取得部24から受け取った実ストローク位置が、エンジン制御部21から受け取った目標ストローク位置に近づくように、シャフト13のストローク位置をフィードバック制御する。シャフト13のストローク位置をフィードバック制御することにより、シャフト13に連結されたWGバルブ2の開度が調整される。例えばPID制御を行う場合、制御部22は、目標ストローク位置と実ストローク位置との偏差を算出し、偏差に応じた比例項、積分項および微分項の各操作量を求めて駆動Dutyを算出し、駆動Dutyに対応するPWM(Pulse Width Modulation)制御信号を生成してモータドライバ23へ出力する。
異常判定部25から異常温度の判定結果が通知された場合、制御部22は、直流モータ4への通電を規制するPWM制御信号を生成しモータドライバ23へ出力する。直流モータ4への通電を規制する温度保護制御としては、例えば、上記フィードバック制御により求めた駆動Dutyを当該駆動Dutyより低いDutyに制限して通電電流を下げたり、当該駆動Dutyを0に制限して通電を停止したりする。この温度保護制御により、WGアクチュエータ1の過度な温度上昇を抑制して、WGアクチュエータ1の性能低下および溶損などを防ぐ。
なお、エンジン制御部21が、常判定部25から異常温度を示す判定結果の通知を受け取って、直流モータ4への通電を規制する指示を制御部22へ出力する構成にしてもよい。この構成の場合、制御部22は、エンジン制御部21から受けた指示に従って、上記同様にフィードバック制御により求めた駆動Dutyを当該駆動Dutyより低いDutyに制限して通電電流を下げたり、当該駆動Dutyを0に制限して通電を停止したりする。
モータドライバ23は、制御部22から受け取るPWM制御信号に応じて直流モータ4に印加する電圧をオンオフ制御し、直流モータ4へ通電する電流を調整する。
図4は、制御装置20の動作を示すフローチャートである。
取得部24は、位置センサ16からシャフト13の実ストローク位置とセンサ内温度を取得する(ステップST1)。異常判定部25は、温度検出素子16bにより検出されたセンサ内温度を予め定められている温度閾値と比較し(ステップST2)、センサ内温度が温度閾値より高い場合(ステップST2“YES”)、WGアクチュエータ1が異常温度であると判定して制御部22へ通知する(ステップST3)。この通知を受け取った制御部22は、直流モータ4への通電を規制するよう温度保護制御を行う(ステップST4)。
一方、センサ内温度が温度閾値以下の場合(ステップST2“NO”)、異常判定部25は、WGアクチュエータ1が正常温度であると判定して制御部22へ通知する(ステップST5)。この通知を受け取った制御部22は、通常のフィードバック制御を行う(ステップST6)。
次に、図5を用いて、制御装置20のハードウエア構成例を説明する。
モータドライバ23は、直流モータ4に印加する電圧をオンオフするスイッチング素子などで構成される。位置センサ16がSENT方式のデジタル信号を出力するタイプである場合、取得部24はデジタル信号を受信する受信装置42である。位置センサ16がアナログ信号を出力するタイプである場合、取得部24はA/Dコンバータ43である。制御装置20は、位置センサ16の出力タイプに応じて、受信装置42またはA/Dコンバータ43の一方を備えていればよい。
制御部22および異常判定部25は、メモリ40に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ41により、実現される。プロセッサ41は、CPUまたはシステムLSI等の処理回路である。メモリ40は、上記プログラムの他、WGアクチュエータ1の内部温度が異常か正常かを判定するための温度閾値などを記憶している。なお、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記機能を実行してもよい。
以上より、実施の形態1によれば、制御装置20は、位置センサ16に内蔵されている温度検出素子16bが検出したセンサ内温度を用いて温度補正された後のシャフト13の位置およびセンサ内温度を取得する取得部24と、取得部24が取得したシャフト13の位置およびセンサ内温度を用いてWGアクチュエータ1を制御する制御部22とを備える構成にしたので、アクチュエータとは別に独立した温度センサを設置することなく、かつ、間接的に推定された温度よりも高精度な、アクチュエータの内部温度を得ることができる。さらに、高精度な内部温度を用いることにより、アクチュエータの制御を高精度に行うことができる。
また、実施の形態1によれば、異常判定部25は、取得部24が取得したセンサ内温度が温度閾値より高い場合にWGアクチュエータ1の内部温度が異常であると判定することにより、アクチュエータの温度保護制御を高精度に行うことができる。
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2に係るWGアクチュエータ1の制御装置20の構成例を示すブロック図である。図6において、図3と同一または相当する部分は同一の符号を付し説明を省略する。また、実施の形態2に係る制御装置20の制御対象であるWGアクチュエータ1は上記実施の形態1と同じ構成であるため、以下では図1および図2を援用する。
実施の形態2の制御装置20は、直流モータ4のコイル7の温度を推定するコイル温度推定部26を備えている。以下、直流モータ4のコイル7の温度を「コイル温度」と称す。コイル温度の推定方法としては、例えば、モータドライバ23から直流モータ4のコイル7へ通電する電流値と通電時間を検出してコイル温度を推定する等、周知の技術を用いればよい。コイル温度推定部26は、推定したコイル温度を温度補正部27へ出力する。
ただし、コイル温度推定部26は、実測した温度を何ら使用することなく、間接的にコイル温度を推定するので、精度が高くない。そのため、推定したコイル温度とWGアクチュエータ1とのずれが実用に供さないほどに大きくなる可能性もある。そこで、実施の形態2では、コイル温度推定部26が推定したコイル温度を、位置センサ16に内蔵されている温度検出素子16bにより検出されたセンサ内温度で補正し、精度を高める。具体的には、温度補正部27が、取得部24から受け取ったセンサ内温度とコイル温度推定部26から受け取ったコイル温度を用いて、WGアクチュエータ1の内部温度を推定し、異常判定部25aへ出力する。温度補正部27は、例えば、センサ内温度とコイル温度の単純平均または加重平均を算出し、算出した平均値をWGアクチュエータ1の内部温度と推定する。
異常判定部25aは、温度補正部27から受け取ったWGアクチュエータ1の内部温度を温度閾値と比較して、WGアクチュエータ1が正常温度か異常温度かを判定する。
以上より、実施の形態2によれば、制御装置20は、直流モータ4のコイル7の温度を推定するコイル温度推定部26と、コイル温度推定部26が推定したコイル7の温度を、取得部24が取得したセンサ内温度を用いて補正する温度補正部27とを備えるようにしたので、間接的にコイル温度を推定する場合に比べて、推定精度を高めることができる。
次に、実施の形態2に係る制御装置20の変形例を説明する。
上述したように、コイル温度推定部26によるコイル温度の推定精度は高くないため、温度検出素子16bにより検出されたセンサ内温度を用いて当該コイル温度を補正したとしても、WGアクチュエータ1の実際の内部温度に等しくなるとは限らない。そこで、この変形例では、温度検出素子16bにより検出されるセンサ内温度が温度閾値より高い場合、温度補正部27から受け取ったWGアクチュエータ1の内部温度が温度閾値以下であって正常温度を示していたとしても、WGアクチュエータ1が異常温度になっていると判定する。
具体的には、取得部24から異常判定部25aへ直接センサ内温度を出力する。異常判定部25aは、まず、取得部24から受け取ったセンサ内温度を温度閾値と比較して、WGアクチュエータ1が正常温度か異常温度かを判定する。異常判定部25aは、この判定処理においてWGアクチュエータ1が異常温度であると判定した場合、異常温度の判定結果を制御部22へ通知する。一方、WGアクチュエータ1が正常温度であると判定した場合、続いて異常判定部25aは、温度補正部27から受け取ったWGアクチュエータ1の内部温度を温度閾値と比較して、WGアクチュエータ1が正常温度か異常温度かを判定する。異常判定部25aは、この判定処理においてWGアクチュエータ1が異常温度であると判定した場合、異常温度の判定結果を制御部22へ通知する。
以上のように、異常判定部25aは、推定したコイル温度によらず、取得部24が取得したセンサ内温度が温度閾値より高い場合にWGアクチュエータ1の内部温度が異常であると判定することにより、WGアクチュエータ1の温度異常をより確実に判定することが可能となる。
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
上記説明では、本発明に係るアクチュエータが駆動する駆動対象物の一例としてWGバルブを挙げたが、これに限定されるものではなく、エンジンに装着される排気ガス再循環(EGR)バルブ、または可変容量(VG;Variable Geometry)ターボチャージャに装着される可動ベーン等であってもよい。
また、本発明に係るアクチュエータのシャフトと駆動対象物とを、リンク機構を用いて連結する構成を示したが、リンク機構を用いずに直接シャフトと駆動対象物とを連結する構成であってもよい。
また、本発明に係るアクチュエータと、駆動対象物であるバルブと、制御装置とを備えたバルブ駆動装置として構成してもよい。
また、上記説明では、位置センサにより検出されたセンサ内温度をアクチュエータの温度保護制御に用いる例を説明したが、この用途に限定されるものではない。
この発明に係るアクチュエータの制御装置は、高精度なアクチュエータの内部温度を得るようにしたので、直流モータを駆動源とするアクチュエータの制御装置に用いるのに適している。
1 WGアクチュエータ、2 WGバルブ(駆動対象物)、3 リンク機構、3a,3b プレート、3c 支点、4 直流モータ、5 マグネット、6 ロータ、7 コイル、8 ステータ、9 整流子、10 外部端子、11a,11b ブラシ、12 ネジ機構、12a 雌ネジ部、12b 雄ネジ部、13 シャフト、13a 回転規制部、13b,13c 当て部、14 軸受部、15 ハウジング、15a ガイド部、15b,15c ストッパ、16 位置センサ、16a 磁気検出素子、16b 温度検出素子、17 センサ用シャフト、18 センサ用マグネット、19 センサ用ステータ、20 制御装置、21 エンジン制御部、22 制御部、23 モータドライバ、24 取得部、25,25a 異常判定部、26 コイル温度推定部、27 温度補正部、40 メモリ、41 プロセッサ、42 受信装置、43 A/Dコンバータ、100 排気通路、101 バイパス通路。

Claims (6)

  1. シャフトと、前記シャフトを軸方向に往復運動させる直流モータと、前記シャフトの位置を検出する位置センサとを有するアクチュエータの制御装置であって、
    前記位置センサに内蔵されている温度検出素子が検出したセンサ内温度を用いて温度補正された後の前記シャフトの位置、および前記センサ内温度を取得する取得部と、
    前記取得部が取得した温度補正後の前記シャフトの位置および前記センサ内温度を用いて前記アクチュエータを制御する制御部とを備えることを特徴とするアクチュエータの制御装置。
  2. 前記直流モータのコイルの温度を推定するコイル温度推定部と、
    前記コイル温度推定部が推定した前記コイルの温度を、前記取得部が取得したセンサ内温度を用いて補正する温度補正部とを備え、
    前記制御部は、前記取得部が取得した温度補正後の前記シャフトの位置および前記温度補正部が補正した温度を用いて前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項1記載のアクチュエータの制御装置。
  3. 前記取得部が取得したセンサ内温度が温度閾値より高い場合に前記アクチュエータの内部温度が異常であると判定する異常判定部を備えることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータの制御装置。
  4. シャフトと、
    前記シャフトを軸方向に往復運動させる直流モータと、
    前記シャフトの位置を検出する位置センサと、
    請求項1記載の制御装置とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
  5. シャフト、前記シャフトを軸方向に往復運動させる直流モータ、および前記シャフトの位置を検出する位置センサを有するアクチュエータと、
    前記アクチュエータによって駆動されるバルブと、
    請求項1記載の制御装置とを備えることを特徴とするバルブ駆動装置。
  6. シャフトと、前記シャフトを軸方向に往復運動させる直流モータと、前記シャフトの位置を検出する位置センサとを有するアクチュエータの制御装置が、前記位置センサに内蔵されている温度検出素子が検出したセンサ内温度を用いて温度補正された後の前記シャフトの位置および前記センサ内温度を取得し、当該取得した温度補正後の前記シャフトの位置および前記センサ内温度を用いて前記アクチュエータを制御するアクチュエータの制御方法。
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