JPH0331529A - スロツトルアクチユエータおよび制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ス〔Ｊットルアクチュエータおよびかかるア
クチュエータを含んでいるスロットル用制御装置に関す
るものである。かかる）′クチュエータおよび装置は、
例えば車両の内燃機関のインダクション装置におけるス
ロットル、例えばバタフライ弁の位置を制御するのに使
用されるごとができる。

小山の内燃機関用の最新の制御装置の傾向はドライバ作
動の負荷要求装置（加速器ペダルのような）とエンジン
制御装置（燃料噴射器または気化器装置のスロットルの
ような）との間の機械的結合を［ドライブ−バイ−ワイ
ヤー１と取り替えることにある。このようなドライブ−
バイ−ワイヤ装置において、加速器ペダルはその出力信
号が加速器ペダル位置を表示する位置変換器に接続され
る。変換器出力信号は、その出力信号がエンジンスロッ
トルの開度を制御するトルクモータのごとき、アクチュ
エータを駆動するマイクロコンピュータをしばしば含ん
でいるアナログおよび／またはデジタル制御電子装置に
よって処理される。通常、エンジンスロットルはその出
力が実際のスロットル位置を表わす他の位置変換器に機
械的に接続される。この信号は制御電子装置への帰還信
号として使用され、これは実際のスロットル位置を要求
された位置と比較することによりスロットルの閉ループ
サーボ制御を提供する。かかる装置のフェールセーフ運
転を備えるために、トルクモータはスロットル閉鎖を推
進する戻しばねに対して作用する。＋Ａシばねのパラメ
ータは該戻しばねが装置の種々の失敗の場合にスロット
ルを閉止するように選ばれる。例えば、これらのパラメ
ータはその閉！１−位置においてスロットルに働かされ
るトルクがスロットルが１秒以下において短絡されたト
ルクモータに対して閉止されことを保証するのに十分で
あるように選ばれる。しかしながら、戻しばねパラメー
タは全開されたスロットルにより室温で最大値、代表的
には３，５アンペアにトルクモータ電流を制限するよう
な必要により制限される。スロットル用の安定した閉ル
ープサーボ制御装置を提供するために、装置の、すなわ
ちスロットル位置帰還な１．の開ループ安定性が望まし
い。また、装置は、スロットル位置帰還が損なわれるよ
うに欠陥が発生ずるならば、精度の減少にも拘わらず、
作動することができるのが望ましい。

イギリス特許出願第１３５２１２７号および同第１４８
０５９０号はトルクモータの特別な構造および燃料噴射
装置に噴射された燃料の量を制御するために組み合わさ
れた燃料ポンプおよび弁装置を制御することにおける使
用を開示している。

しかしながら、組み合わされた燃料ポンプおよび弁装置
はトルクモータを休止位置へ偏倚するための戻しばねま
たは他の手段を持たずかつ代わりに、弁を閉出しようと
する燃料圧力にたいする作用に依存する。

本発明の第１の態様によれば、閉止位置と全開位置との
間の角度位置の範囲にわたって枢動可能であるスロット
ル、該スロットルを閉止位置に向かって偏倚する戻しば
ねおよび前記スロットルを駆動するだめのトルクモータ
からなり、アクチュエータが前記スロットルの角度位置
の範囲にわたってトルクモータ電流に対するスロットル
角度位置の単一の評価された転送機能を有するスロット
ルアクチュエータが提供される。

好ましくは、戻しばねが閉止位置からスロットルの角度
的移動を増加しながら単調に増大するスロットル閉止偏
倚力を供給しかつトルクモータが予め定めた最大値以下
またはそれに等しいトルクモータ電流の外債に関して、
モータトルクが閉ＩＦ。

位置からボｉ記スロットルの角度的移動を増加しながら
単調に減少するようにスロットル角度位置に対する転送
特性を有する。

好ましくは、トルクモータはスロットル角度位置の範囲
を通してゼロトルクモータ電流に関してゼロトルクを発
生ずる。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様によ
るスロットルアクチュエータおよび要求信号に応じて前
記アクチュエータを制御するための制御回路からなるス
ロットル制御装置が提供される。

好ましくは、ロットルアクチユニークが実際のスロット
ル位置を表示する信号を前記制御回路に供給するための
スロットル位置変換器を含みそして前記制御回路が実際
のスロットル位置と要求信号に対応する要求されたスロ
ットル位置との間の差にしたがって前記トルクモータを
駆動すべく配置される。要求されたスロットル位置は要
求信号の簡単な直線関数にすることができるけれども、
一般に要求されたスロットル位置は、例えば加速器ペダ
ル位置変換器、および内燃機関運転かつ多分また車両速
度および伝達比のごとき車両運転パラメータに関連した
種々の他のパラメータから、要求信号のより複雑な関数
である。かくして、制御装置は完全なエンジン管理装置
またはエンジン、トランスミッション、および他の車両
パラメータを管理する包括的な装置の一部を形成するこ
とができる。

かくして安定な開ループ運転を有しかつそれゆえ達成さ
れるべき安定な閉ループ運転を許容するス【１ツトルア
クチユエータおよび制御装置を提供することができる。

また、失敗がスロットル位置帰還が損なわれるように閉
ループに発生ずるならば、アクチュエータおよび制御装
置は開ループモードにおいて作動し続ける。

本発明をさらに、例として、添付図面を参照して説明す
る。

第１図は公知の型の代表的なトルクモータの角度αに対
するトルクＴの転送特性を示す。この転送特性または関
数の形状は正弦関数の半サイクルに近似する。燃料噴射
または気化器インダクション装置におけるスロットルバ
タフライの位置を制御するために内燃機関用スロットル
アクチュエータの一部として使用されるとき、トルクモ
ータはスロットルの全開および全開位置に対応するこの
範囲の端部により運動または角度位置の９０−の範囲に
わたって作用するように単に要求される。

モータの最大トルク出力の範囲を使用するために、モー
タはこの９０°の範囲が第１図に示したような特性以内
にあるように配置される。

第２図は最低電流１．から最高電流■５の種々のトルク
モータ電流に対応する第１図に示した型の転送関数の系
統を示す。一般に、トルクモータ電流は車両における内
燃機関用の最大値以下であるように要求され、かつこの
最大値は電流■、に対応する。トルクモータに加えて、
スロットルアクチュエータはスロットルをその閉止位置
に向かって偏倚するスロットル戻しばねを含んでいる。

かかる戻しばねは代表的には閉止位置からのスロットル
角度移動を増加しながら直線的に増大する戻りトルクを
印加する。３つの代表的な戻りばね特性がそれぞれ低、
中および高ばね強さを表している第２図の破線Ｒ＋　、
　ＲｐおよびＲ３によって示される。

第３図は、戻しばね関数■６ととらに、従来のスロット
ルアクチュエータに通常使用される実際の９０°範囲に
関して拡大した曲線のトルクモータ転送関数系統を示す
。種々の曲線のビーク１１（分は最大のモータトルクの
範囲を使用するように使用される。これは一般にトルク
モータに戻しばねに対して作用するに十分なトルクを提
供させるために必要であり、その強さはスロットルが該
スロットル用の制御装置の欠陥の場合に閉止されること
を保証するのに１分であるべきである。一般に、最悪の
ばあいの欠陥は戻しばねが特定の時間、例えば１秒以内
にスロットル位置からモータの制動作用に対してスロッ
トルを閉１Ｆするのに十分に強くなければならないよう
にトルクモータの短絡である。しかしながら、これは戻
しばね特性Ｒ２が２つの角度位置、すなわらα１および
α、で１１のトルクモータ電流に関してトルクモータ関
数を横切るという事実によって示されるアクチュエータ
の通常運転の間中問題を生じるかも知れない。これは、
とくにスロットル位置帰還信号が閉ループサーボ制御装
置に使用される閉ループ運転の間中スロットル制御装置
の不安定な運転に至るかも知れない。閉ループ制御装置
が安定して運転するように配置されることができるけれ
ども、スロットル位置帰還の損失を生じる制御装置の失
敗の場合に問題が生起するかも知れない。かかる欠陥が
発生することができるならば、制御装置は開ループ運転
において作動し続けることが望ましい。しかしながら、
トルクモータ電流Ｉ、に対応する２つのスロットル角度
位置α、およびα、があるため、スロットルはトルクモ
ータが電流■１を通ずとき開ループ制御の間中これらの
位置のいずれかを採用することができる。明らかに、こ
れは望ましくなくそして開ループモードにおいて駆動で
きないかかる制御装置を使用する車両を作ることができ
る。

この問題を回避するために、トルクモータ転送関数はス
ロットルの運転角度範囲内で単一の評価された関数にず
べきである。第４図は電流１１ないしＩ７の各々に関し
て、トルクモータがすべての角度αについて一定のトル
クＴを供給する理想的なトルクモータ転送関数の系を示
す。戻しばね関ｋｎｔはしたがって安定１−た閉ループ
運転が容易に達成されることができるように一点のみに
おいて等トルク曲線の各々を横切りそして失敗の場合に
おいて、開ループ運転がまた可能である。しかしながら
、かくしてこの型のトルクモータ特性を設けることは不
可能である。

第５図はトルクモータ転送関数が第５図に示される等ト
ルク曲線に似ているように変更されることができる１つ
の方法を示す。トルクモータの種々のパラメータを変更
することにより、第１図に示した正弦関数の弔−ピーク
は比較的浅いトラフによって分離された２つのピークに
よって置き換えられる。９０°の作動範囲が第６図に上
りＪ細に示され、それから代表的な戻しばね特性が−・
−点以上においてトルク特性を良好に横切ることができ
ることが理解される。この型の特性をｆ丁するトルクモ
ータを使用する制御装置の安定した閉ループ運転および
正しい開ループ運転はそれゆえ保証されることができな
い。

第７図は実際に達成されかつスロットルアクチュエータ
に適するトルクモータを提供するトルクモータ転送関数
を示す。この転送範囲は単調に降ドする部分がそれに追
随する関数の左側近くに単一のピークを有する。スロッ
トルの角度範囲にわたって、この転送関数は角度に関連
してトルクの直線的に単調に減少している関数に似てお
りそして異なるトルクモータ電流Ｉ、ないしｌ、に関す
る関数の系統は破線によって示された代表的な戻しばね
関数Ｒを有する作動範囲について第８図に示される。戻
しばね関数Ｒは単一点において角度に対するトルク曲線
の各々を横切りかつそれゆえ閉ループ装置において安定
して作動しかつ開ループ運転を許容するスロットルアク
チュエータが作られるのを許容する。

第８図の水平軸はゼロトルク位置から上方に移動されか
つゼロ電流に関してトルクモータの性質を示さない。し
かしながら、とくに開ループ下でのスロットルアクチュ
エータの安定した運転のために、トルクモータはゼロモ
ータ電流の運転の角度範囲内ですべての角度位置におい
てゼロトルクを発生ずべきである。第９図はこれを達成
しかつ実際に得られることができる転送関数の系統を示
す。ゼロモータ電流■。の関数はゼロモータトルクを表
す水平ライン（明瞭化のために水平軸の上方に僅かに移
動されて示される）である。

また第９図から明らかであるように、転送関数は同一絶
対値の正および負の電流の曲線が同一形状を有するがｒ
７いに対してＩ８０＃だけ原点のまわりに回転さ什られ
るように原点を通って実質−ヒ対称的である。曲線の傾
斜はモータ電流の絶対値が＾＾少するとき小さくなり、
傾斜はゼロモータ電流１゜に関してゼロである。

第１０図は第７および９図に示した型の転送関数を（ｆ
するトルクモータを含んでいるスロットルアクチュエー
タを示す。アクチュエータはスロットルバタフライ２を
収容するハウジング■、トルクモータ３、およびポテン
ショメータの杉のスロットル位置変換器からなる。スロ
ットルバタフライ２は密封体６を備えたハウジング１の
孔を貫通４−るスピンドル５に固定される。スロットル
バタフライ２を収容するハウジングの一部は、例えば車
両の内燃機関のインダクション装置の一部を形成するだ
めのパイプまたは管の形状である。スビンドル５は玉軸
受７および８内に支持されかつスピンドルの一端はスラ
スト軸受９を備えている。

エンジンのアイドリング運転用の空気バイパス１０を含
んでいる、種々の孔がハウジングｌ内に設けられる。

スピンドル５はトルクモータ３の軸ＩＮこまたはそれと
一体に堅固に接続される。軸１■よモータ用磁気回路を
供給する積層体の一部を形成する極片Ｉ５および１６と
協働する永久磁石１２および１３を支持する。巻線１７
および１８は極片１５および１６から延在する積層体の
脚部のまわりに設けられ、巻線は適宜な駆動電流源へ接
続のため直列に接続される。

モータ軸１１は戻しばねＩ９を収容する室内にスロット
ルバタフライ２から離れてモータ３を越えて延在する。

戻しばね１９は第１θ図に示されるようなその閉止位置
に向かってスロットルバタフライ２を偏倚するように磁
石１３とハンジング■との間に作用する。スラスト軸受
２０および平軸受２目よポテンショメータ４のワイパに
接続すれるモータ軸１■の端部近くに配置される。

トルクモータ３の所望の転送関数を設けるために、永久
磁石１２および１３および極片１５および１６は第１１
図および第１２図に示されるように配置される。とくに
、第１２図はそれからモータの部品の形状および種々の
寸法が見られることができる縮尺図である。したがって
、永久磁石１２および１３は軸１．ｆ上で互いに直径的
に対抗して配置されかつ磁石の各々は１３０°の角度内
に内在する環の一部として形成される。これらの磁石の
外径は２４．８５　＠ＩＩでありそしてスピンドル５」
−のスロットルバタフライ２の方向付けに関連して軸重
１上の磁石の実際の角度位置が第７図に示したように転
送関数の９０°の角度範囲を使用するごとくである。

二叉の極片１５および１６は磁石１２およびＩ３の回転
通路のまわりに延在しかつ極片の隣接端は２．３４　ｍ
−のギャップ２３によって分離される。

極片と磁石との間の公称のエアギャップは０．８ＩＩ１
１であるが磁石に向かい合っている極片の面はｆ。

４６　ｓｒｓの最大エアギヤツブおよび０．７　ａｍの
最小エアギヤツブを設けるように第１１図にしめされる
ように輪郭が描かれる。

第１３図は第１０図に示したアクチュエータ用制御装置
のブロック概略図である。モータは駆動増幅器３０の出
力に接続されその入力は微分増幅器３１の出力に接続さ
れる。微分増幅器３１はスロットル位置感知ポテンショ
メータ４に接続される逆入力および制御回路３２に接続
される非道人力に接続される。制御回路３２は微分増幅
器３１にスロットル位置要求信号を供給するために配置
される。

制御回路３２は加速器ペダル３４に機械的に接続されか
つ加速器ペダルの位置を表す信号を供給するポテンショ
メータ３４に接続される入力を有する。制御回路はマニ
ホールド低下を表す信号を供給するためのエンジンのイ
ンダクションマニホールドに設けられた圧力センサ３５
に接続された入力を有する。制御回路３２はエンジンク
ランク軸の回転速度を表す信号を供給するための速度セ
ンサ３６に接続される入力を有する。例えば、速度セン
サ３６はエンジンのフライホイールの歯と協働する可変
りラフタンス変換器からなることもできる。

制御回路３２は燃料噴射アクチュエータ３７および火花
回路３８に接続された出力を有し、その結果第１３図に
示した制御装置は火花点火内燃機関用のエンジン統御装
置を形成する。該装置はまた圧縮点火（ジーゼル）エン
ジンとともに使用されることができ、その場合に火花回
路３８は必要とされずかつ点火タイミングは燃料噴射の
開始を制御することによって制御される。

制御回路３２はデジタルおよび／アナログ回路に基礎を
置くことができ、かつ好ましくは読取り専用メモリに記
憶された一ソフトウェアによって制御されるマイクロプ
ロセッサまたはマイクロコンピュータを含んでいる。

車両の通常駆動運転の間中、ドライバは加速器３４を作
動しかつポテンショメータ３３が負りＩ要求信号を制御
回路３２に供給する。制御回路３２はセンサ３５および
３６からかつ多分車両の他のエンジンおよび／またはト
ランスミッションパラメータに応答する図示してない他
のセンサから信号を受信し、そして微分増幅器３１に供
給されるスロットル位置要求信号をこれらの信号から引
き出す。微分増幅器３Ｉは要求されたスロットル位置と
ポテンショメータ４によって決定される実際のスロワ）
・ル位置との間の差を表す誤差信号を供給し、そして駆
動増幅器３０は誤差信号にしたがってトルクモータ３を
駆動する。駆動増幅器３０は、例えば、比例、積分、お
よび微分関数の組み合わせを表す適宜な転送関数を有す
ることができる。モータ３はかくしてスロットルバタフ
ライ２が要求された位置を採用するように誤差信号を除
去または減少するような方向に駆動される。

アクチュエータの単一評価された転送関数は容易に達成
されるような無条件に安定した閉ループを許容する。し
かしながら、微分増幅器３Ｉの逆入力に位置帰還信号の
損失を生じる失敗の場合に、装置は開ループモードにお
いて運転し続けそして車両は制御装置の損なわれた性能
に拘わらず駆動可能である。また、トルクモータの配置
は最大値、例えば３．５アンペア以下であるようなトル
クモータ電流許容するようになっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的なトルクモータについての角度αに対す
るトルクＴの代表的な転送関数を示すグラフ説明図、 第２図はパラメータとしてトルクモータ電流をイｆする
第１図に示した型の転送関数の系統を示すグラフ説明図
、 第３図はトルクモータの代表的な作動範囲に関する第２
図の転送関数の系統の一部を示すグラフ説明図、 第４図は本発明によるアクチュエータについてのトルク
モータ転送関数の理想的な系統を示すグラフ説明図、 第５図は理想に近い実際のトルクモータ転送関数のグラ
フ説明図、 第６図は第５図め転送関数をより明瞭に示すグラフ説明
図、 第７図は本発明の好適な実施例を構成するアクチュエー
タに使用のトルクモータの転送関数を示すグラフ説明図
、 第８図はパラメータとし２てトルクモータ電流を白“す
る第７図に示した型のトルクモータ転送関数の系統の範
囲の一部を示すグラフ説明図、第９図は第８図と同様で
あるがゼロおよび負のトルクモータ電流についての曲線
を示すグラフ説明図、 第１０図は本発明の好適な実施例を構成するス【Ｊット
ルアクヂュエータの断面図、 第１１図は第１θ図のアクチク、エータのトルクモータ
の横断面図、 第１２図は第１１図の詳細の拡大図、 第１３図は本発明の好適な実施例を構成しかつ第１０図
のアクチュエータを組み込んでいるス「Ｊットル制御装
置を示す概略ブロック図である。 図中、符号１〜２１はアクチュエータ、２はスロットル
、３はトルクモータ、４はスロットル位置変換器、１９
は戻しばね、３０〜３２は制御回路である。 ＦＩＧ、？。 ＦＩ　Ｇ３゜ ＦＩＧ７゜ ＦＩＧ、ｅｘ ＦＩ　Ｇ　９゜ ＦＩＧ４゜ ＦＩＧ５゜ ＦＩＧ、Ｇ。 ＦＩＧ、Ｉ！ ＦＩＧ、＋２゜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）閉止位置と全開位置との間の角度位置の範囲にわ
   たつて枢動可能であるスロットル、該スロットルを閉止
   位置に向かって偏倚する戻しばねおよび前記スロットル
   を駆動するためのトルクモータからなるスロットルアク
   チュエータにおいて、前記アクチュエータ（１〜２１）
   が前記スロットル（２）の角度位置の範囲にわたつてト
   ルクモータ電流に対するスロットル角度位置の単一の評
   価された転送関数機能を有することを特徴とするスロッ
   トルアクチュエータ。
2. （２）前記戻しばね（１９）が閉止位置から前記スロッ
   トル（２）の角度的移動を増加しながら単調に増大する
   スロットル閉止偏倚力を供給しかつ前記トルクモータ（
   ３）が予め定めた最大値以下またはそれに等しいトルク
   モータ電流の各値に関して、モータトルクが閉止位置か
   ら前記スロットルの角度的移動を増加しながら単調に減
   少するようにスロットル角度位置に対する転送特性を有
   することを特徴とする請求項１に記載のスロットルアク
   チュエータ。
3. （３）前記トルクモータ（３）はスロットル角度位置の
   範囲を通してゼロトルクモータ電流に関してゼロトルク
   を発生することを特徴とする請求項１または２に記載の
   スロットルアクチュエータ。
4. （４）前記請求項のいずれか１項に請求されたスロット
   ルアクチュエータ（１〜２１）および要求信号に応じて
   前記アクチュエータを制御するための制御回路（３０〜
   ３２）からなることを特徴とするスロットル制御装置。
5. （５）前記スロットルアクチュエータ（１〜２１）が実
   際のスロットル位置を表示する信号を前記制御回路（３
   ０〜３２）に供給するためのスロットル位置変換器（４
   ）を含み、前記制御回路（３０〜３２）が実際のスロッ
   トル位置と要求信号に対応する要求されたスロットル位
   置との間の差にしたがつて前記トルクモータを駆動すべ
   く配置されることを特徴とする請求項４に記載のスロッ
   トル制御装置。