JPH0617662B2 - スロツトル弁制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はエンジンのスロットル弁を電子制御するスロッ
トル弁制御方法に関し、特にステップモータを時々刻々
変化する目標ステップ位置に対して現在ステップ位置が
脱調することなく追従できるように最適駆動周波数を算
出しつつ制御することによりスロットル弁開度を制御す
るスロットル弁制御方法に関する。

〔従来の技術〕

ステップモータをサーボ機構に使用して種々の動作制御
を行う方式は広く知られている。例えば、工作機械の数
値制御機構あるいはロボット用サーボ機構では所定のプ
ログラムによってステップモータのステップ位置を制御
し例えばアームあるいはハンドの動作経路を決定してい
る。この場合、目標位置への動作経路は対象物が静止し
ているために最適経路をたどるように動作ステップ量と
速度パターンを予め設定することにより求められる。こ
の関係は第１０図(a)，(b)に示す如く、現在位置から目
標位置まで(a)に示す位置関係にある場合には、(b)に示
す速度パターンで制御すれば良い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の如く、ステップモータをＮＣ機構あるいはロボッ
ト用サーボ機構に使用する場合には目標位置に対して予
め決定した位置まで動作した後次の動作に移るため、ス
テップ位置を制御することは所定のプログラムに従って
比較的容易である。しかしながら、ステップモータをエ
ンジンのスロットル弁の開度制御に用いる場合には種々
の問題を生ずる。即ち、走行状態は環境条件やドライバ
ーの意志等により時々刻々と変化し、これに伴ってアク
セルペダル操作によりスロットル弁の開度も変化し、従
ってステップモータもその動作中に時々刻々目標ステッ
プ位置が変化する。一方、ステップモータを予め決定し
た速度パターンで動作させる場合は、最初に決定した目
標位置までの動作が完了した後次の目標位置への動作に
移行するため第１０図(c)，(d)に示す如く追従性を悪く
する。即ち、第１の目標ステップ位置ａから第２の目標
ステップ位置ｂに変化しているにも拘わらず実際のステ
ップ位置は時間ｔ_１で第１の目標ステップ位置ａに更新
された後、時間ｔ_３にて第１の目標ステップ位置ａに到
達し、さらに時間ｔ_５にて第２の目標ステップ位置ｂに
到達する。

また単に追従が遅れるだけでなくステップモータが高速
回転中に目標ステップ位置が変動すると脱調にいたる場
合もある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上述の問題点を解消したスロットル弁の開度
制御方法であって、内燃機関のスロットル弁をステップ
モータで駆動し機関運転状態から求められる目標スロッ
トル弁開度に応じた目標ステップ位置になるようにステ
ップモータを駆動する方法において、現在のステップモ
ータのステップ位置と目標ステップ位置との差が大きい
程大きくなるようにステップモータの目標駆動スピード
を求め、現在の駆動スピードと目標駆動スピードとを比
較して、現在の駆動スピードが目標駆動スピードに一致
するように、ステップモータのステップ位置を変更する
出力信号の周波数を徐々に変更することを特徴としてい
る。

〔作用〕

本発明にあっては、現在記憶されているスピードレベル
ＳＬに応じた周波数でステップモータが現在記憶されて
いる現在ステップ位置に応じた励磁パターンでステップ
モータのコイルが励磁されてステップモータが１ステッ
プ駆動される。

１ステップ駆動の結果目標ステップと現在ステップとが
一致した場合には、記憶されているスピードレベルＳＬ
は“１レベル”デクリメントされ、回転速度は徐々に減
少し脱調に至ることを防止する。

１ステップ駆動しても目標ステップと現在ステップとが
相違している場合には、目標ステップと現在ステップと
の差の絶対値に応じて目標スピードレベルが決定され
る。

目標スピードレベルがスピードレベルＳＬより大である
場合には、スピードレベルＳＬと目標スピードレベルと
を一致させるためにスピードレベルＳＬが“１レベル”
インクリメントされる。

即ち目標ステップと現在ステップとの差が大である場合
には、ステップモータの駆動周波数は１ステップ駆動さ
れる毎に“１レベル”づつ増大されて、ステップモータ
の回転速度が漸増する。

〔実施例〕

第１図はスロットルアクチュエータの構成図であって、
エンジンの吸入空気量を調節するスロットル弁はスロッ
トルボディ１、バタフライ弁２、およびバタフライ弁２
を固定した回動可能なシャフト３により構成されてい
る。シャフト３の一端にギヤ７が固定されており、ステ
ップモータ４のシャフト５の一端に固定されたギヤ６と
噛み合っている。このような構成において、ステップモ
ータ４に駆動信号が供給されるとステップモータ４はス
テップ動作を開始し、連動してシャフト５が回転しギヤ
６，７を介してシャフト３が回転する。従ってバタフラ
イ弁２が回転しスロットルボディ１の空気通路面積が変
化する。ギヤ６，７は減速比２分の１のギヤであり、例
えばステップモータ４のシャフト５が１８０度回転する
とシャフト３は９０度回転する。

第２図はステップモータ４を駆動する駆動装置のブロッ
ク線図である。第２図において、ワンチップマイクロコ
ンピュータ５０は、演算結果やデータを一時記憶してお
く第１の記憶手段としてのＲＡＭ５０ｅと、プログラム
や定数を記憶しておく第２の記憶手段としてのＲＯＭ５
０ｄと、ワンチップマイクロコンピュータ５０と外部と
の信号の入出力を行うための入出力バッファ５０ｇと、
外部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／
Ｄ変換器５０ｆと、時間を計数するプログラマブルタイ
マ５０ｃと、割込要求発生時にＣＰＵ５０ａに割込処理
を行わせる割込制御回路５０ｂと、ＲＯＭ５０ｄのプロ
グラムに従って演算処理を行うＣＰＵ５０ａにより構成
される。

クロックジェネレータ５５はワンチップマイクロコンピ
ュータ５０に基準クロックパルスを供給し、動作の基準
タイミング信号およびプログラマブルタイマ５０ｃの基
準クロック源となる。定電圧電源５１はバッテリ５２か
らの電源電圧を５Ｖに安定化してワンチップマイクロコ
ンピュータ５０、クロックジェネレータ５５に供給す
る。

Ａ／Ｄ変換器５０ｆにはアクセルストロークセンサ５３
からのアクセルペダル踏込み量信号が入力される。マイ
クロコンピュータ５０からの駆動信号は駆動回路５４を
介してステップモータ４に供給される。一方、ステップ
モータ４にはバッテリ５２から電圧が印加されている。

第３図は駆動回路５４とステップモータ４の電気的等価
回路図である。ステップモータ４には固定子に４２ａ〜
４２ｄの４つのコイルが巻かれており、コイル４２ａと
４２ｂ、コイル４２ｃと４２ｄは各々バイファイラ巻さ
れ互いに逆相に接続されている。抵抗６０ａ〜６０ｈは
コイル４２ａ〜４２ｄの電流値を設定する抵抗で６０
ａ，６０ｃ，６０ｅ，６０ｇは同一抵抗値、６０ｂ，６
０ｄ，６０ｆ，６０ｈも同一抵抗値である。トランジス
タ６２ａはコレクタが抵抗６０ａの一端に接続されベー
スは抵抗６３ａを介して端子７５ａに接続される。トラ
ンジスタ６２ａのコレクタとエミッタ間にはコイル４２
ａの逆起電力を吸収してトランジスタ６２ａに逆バイア
スがかからないようにするダイオード６１ａが接続され
ている。同様な接続が抵抗６０ｂ〜６０ｈと端子７５ｂ
〜７５ｈの間に各々なされている。端子７０にはバッテ
リ５２のプラス端子、端子７２にはバッテリ５２のマイ
ナス端子が接続される。

端子７５ａ〜７５ｈはワンチップマイクロコンピュータ
５０の入出力バッファ５０ｇに接続され５Ｖ若しくは０
Ｖが印加される。例えば、端子７５ａに５Ｖが印加され
るとトランジスタ６２ａがオンし抵抗６０ａを介してコ
イル４２ａに電流が流れ、一方、端子７５ａに０Ｖが印
加されるとトランジスタ６２ａはカットオフしコイル４
２ａには電流は流れない。これらの端子７５ａ〜７５ｈ
に印加する電圧の組合せ（励磁パターン）をワンチップ
マイクロコンピュータ５０により制御することによって
ステップモータの回転を制御する。

第４図は端子７５ａ〜７５ｈに印加する電圧波形とステ
ップ位置との関係を示すタイミングチャートである。こ
のような制御シーケンスは一般に「ダブル１−２相励
磁」と称され、このシーケンスに従って励磁パターンを
切替えていくことによりステップモータ４のシャフト５
は各ステップ毎にスロットル弁を開放する方向に約0.４
５度（即ちシャフト３では約0.225度）ずつ回転する。
この制御シーケンスは１６ステップ毎に同じ状態を繰り
返す。この制御シーケンスの順方向はスロットル弁の開
方向であり、逆方向はスロットル弁の閉方向である。ま
た、例えばステップ位置２からステップ位置３に切替わ
る時間（即ち周期Ｔ）を変化させるとステップモータ４
のシャフト５の回転速度が変化し従ってスロットル弁の
開閉速度が変化する。ここで、周期Ｔの逆数を駆動周波
数とすると駆動周波数＝１／Ｔとあらわせ単位はpps
（pulse per second）となる。

次にステップモータ４の動作制御手順を詳細に説明す
る。

第５図(a)，(b)は、第２図に示すステップモータの駆動
装置の動作制御手順を示すフローチャートである。(a)
はメイン処理ルーチンであり、(b)は割込処理ルーチン
である。メイン処理ルーチン100は常時行われており、
割込制御回路５０ｂによって割込が行われると割込処理
ルーチン２００が行われる。

メイン処理ルーチン１００では、最初にアクセルストロ
ークセンサ５３から発せられたアクセルペダル踏込量信
号Ｓ_１がＡ／Ｄ変換器５０ｆにてＡ／Ｄ変換され（段階
１０１）、変換されたデジタル信号はＣＰＵ５０ａに取
込まれＣＰＵ５０ａにて目標とするスロットル弁開度を
決めるステップモータ４の目標ステップ位置を算出し、
この値をＲＡＭ５０ｅに格納する（段階１０２）。この
場合、スロットル弁開度とステップ位置との関係は０ス
テップで弁全閉、３６０ステップで弁全開である。即
ち、前述の如く、シャフト３は１ステップにつき約0.２
２５度回転するので弁全開時の角度は0.２２５×３６０
＝８１（度）となる。メイン処理ルーチン１００は時々
刻々到来するアクセルペダル踏込量信号Ｓ_１に基づいて
上述の段階１０１，１０２を繰り返し行っている。

次にメイン処理ルーチン１００を一時中断して割込処理
ルーチン２００を行う場合について説明する。第２図に
示す割込制御回路５０ｂから割込処理要求Ｓ_２がＣＰＵ
５０ａに発せられるとＣＰＵ５０ａはメイン処理ルーチ
ン１００を一時中断して割込処理ルーチン２００に移行
する。この場合、割込処理要求Ｓ_２はプログラマブルタ
イマ５０ｃからのカウントオーバーフロー信号Ｓ_３が割
込制御回路５０ｂに入力されると発生する。ここで、プ
ログラマブルタイマ５０ｃは８ビットのプリセッタブル
アップカウンタを用い、カウントクロックとして６μｓ
にてカウントアップを続けておりその値が８ビット、即
ち２５６を越えるとオーバフロー信号Ｓ_３を発生するよ
うになっている。

割込処理ルーチン２００では、まずＲＡＭ５０ｅに記憶
されているスピードレベルＳＬからＲＯＭ５０ｄに記憶
されている第７図に示すテーブルを参照してタイマ初期
値Ｎを求める（段階２０１）。ここでスピードレベルと
はステップモータ４のステップ速度即ち駆動周波数を
決めるために予め設定したスピードの段階を示し、各ス
ピードレベルＳＬとタイマ初期値Ｎと駆動周波数（pp
s）との関係は第７図に示すテーブルの形でＲＯＭ５０
ｄに格納されている。次に、求められたタイマ初期値を
プログラマブルタイマ５０ｃにセットし（段階２０
２）、タイマ５０ｃはこのセット値からカウントアップ
を開始する。例えば、セット値が１２５ならば１２５か
らカウントアップを開始し２５６になるとオーバフロー
信号が発生して割込処理要求が発生する。一方、ＲＯＭ
５０ｅに記憶されている現在のステップ位置からＲＯＭ
５０ｄに記憶されている第４図に示す励磁パターンを求
める（段階２０３）。例えば現在のステップ位置が８で
あれば第４図に示すように端子７５ａ〜７５ｈの各々の
端子電圧は順に０，０，５，５，０，０，０，０（Ｖ）
となる。次にこの励磁パターンを入力バッファ５０ｇか
ら駆動回路５４に出力し（段階２０４）、これにより新
しい励磁パターンとなってステップモータ４のシャフト
５が１ステップ（約0.４５度）回転する。当然現在のス
テップ位置が前回のステップ位置と同じ場合にはステッ
プモータ４は回転しない。次に、ＲＡＭ５０ｅに記憶さ
れている現在のステップ位置と、目標ステップ位置と、
スピードレベルと回転方向フラグとに基づいて次回のス
テップ位置とスピードレベルと回転方向フラグとを決定
しＲＡＭ５０ｅに記憶し（段階３００）、初期状態即ち
リターンして（段階２０５）割込処理ルーチン２００が
終了する。割込処理ルーチン２００が終了すると中断さ
れていたメイン処理ルーチン１００が再開される。尚、
段階３００については詳細説明を後述する。

前述したようにタイマ５０ｃのカウント値が２５６に到
達するとカウント値はセット値に戻り再度２５６に到達
すると再度オーバフロー信号が発生され、割込制御回路
５０ｂから再度割込処理要求が発せられて再び割込処理
ルーチン２００に移行する。従って割込処理が開始され
る周期Ｔは段階２０２においてタイマ５０ｃにセットし
たセット値（タイマ初期値）をTimとすると、 Ｔ＝（256−Tim）×６μｓ＋Ｔ_０……(1) で与えられる。式(1)において、Ｔ_０はタイマオーバフ
ローが発生してから割込処理ルーチン２００が行われ次
のタイマセット２０２が行われるまでのロス時間を示
し、本実施例では約６３μｓである。この周期Ｔに基づ
いて段階２０４において各ステップ位置の励磁パターン
を出力するので第４図のＴがこの値となり、この逆数が
ステップモータ４の駆動周波数となる。従って第７図に
示すようなタイマ初期値Ｎと駆動周波数との関係が設
定される。例えば、第７図のタイマ初期値１９３を例に
とると、式(1)から Ｔ＝（256−193）×６＋６３ ＝441μｓ＝441×10^-6 _ｓ 従って、ｆ＝１÷441×10^-6 ≒2267.57≒2268pps となる。

第６図は第５図に示す段階３００を詳細に説明するフロ
ーチャートである。まず最初に段階２０３および２０４
おいて出力された励磁パターンに基づいて、ＲＡＭ５０
ｅに記憶されている目標ステップ位置と現在のステップ
位置とを比較し（段階３０２）、目標ステップ位置と現
在のステップ位置とが等しいときは次に現在のスピード
レベルを調べ（段階３０３）、スピードレベルが“０”
ならば処理を終える。即ち、次回のステップ位置は現在
と同じであり、ステップモータは停止しておりスピード
レベルも“０”のままである。一方、現在のスピードレ
ベルが“０”でない時はスピードレベルを１レベル下げ
次回のスピードレベルとしてＲＡＭ５０ｅに記憶させ
（段階３０４）、現在のステップモータの回転方向と同
一方向に回転するように現在のステップ位置を１ステッ
プ変更（増減）して（即ち、回転方向フラグがスロット
ルバルブ開方向にセットされていれば１ステップ増加、
閉方向にセットされていれば１ステップ減少）次回のス
テップ位置としてＲＡＭ５０ｅに記憶させ（段階３０
５）処理を終了する。

一方、現在のステップ位置と目標ステップ位置とを比較
して（段階３０２）等しくない場合には、現在ステップ
位置から見た目標ステップ位置が現在の回転方向（回転
方向フラグにより判定）と同一かどうか判定する（段階
３０６）。回転方向が反対の場合にはスピードレベルを
調べ（段階３１３）、スピードレベル“０”ならばＲＡ
Ｍ５０ｅに記憶されている回転方向フラグを反転させ
（段階３１４）処理を終了する。即ち、停止して回転方
向フラグのみ変更する。スピードレベルが“０”でない
場合にはスピードレベルを１レベル低下させ（段階３０
４）、現在の回転方向と同一方向に現在のステップ位置
を１ステップ変更して次回のステップ位置として（段階
３０５）処理を終了する。一方、段階３０６による判定
により現在の回転方向と目標ステップの方向が同一の場
合には、目標ステップ位置と現在のステップ位置との差
を求め、その差からＲＯＭ５０ｄに記憶されている第８
図に示すテーブルを参照して目標スピードレベルを求め
る（段階３０７）。尚、第８図に示す差値は絶対値であ
り、これは目標ステップ位置に対して現在の回転方向が
同一の場合と逆の場合とがあるためである。次に、目標
スピードレベルと現在のスピードレベルとを比較し（段
階３０８）、現在のスピードレベルが目標スピードレベ
ル以上ならば、スピードレベルを１レベル低下させ（段
階３０４）、現在の回転方向と同一方向にステップ位置
を１ステップ変更して（段階３０５）処理を終了する。
一方、現在のスピードレベルが目標スピードレベル未満
の時は現在のスピードレベルと目標スピードレベルを比
較し（段階３０９）、現在のスピードレベルが目標スピ
ードレベルより１小さい時は現在の回転方向と同一方向
にステップ位置を１ステップ変化させて段階３０５の処
理を終了する。即ち、次回も同一スピードレベルとす
る。段階３０９の判定にて現在のスピードレベルが目標
スピードレベルマイナス１未満ならばスピードレベルを
１増加して（即ち、加速して）ＲＡＭ５０ｅに記憶させ
（段階３１２）、現在の回転方向と同一方向にステップ
位置を１ステップ変化させて（段階３０５）処理を終了
する。

第９図(a)〜(d)は、アクセルペダル踏込量に対応したス
テップモータのステップ位置制御の一例を示すタイミン
グチャートである。(a)はアクセルペダル踏込量信号の
時間変化、(b)は目標ステップ位置の時間変化、(c)は追
従するステップ位置の時間変化、そして(d)は対応する
スピードレベルの時間変化を示す。(a)に示す矢印はメ
イン処理ルーチン１００の段階１０１においてＡ／Ｄ変
換するタイミングを示し、(b)はこの各々の時点で段階
１０２にて算出された目標ステップ位置の変化を示して
いる。このような目標ステップ位置の変化に対応して追
従するステップ位置の変化は(c)に示すカーブとなり、
このカーブの各部分におけるスピードレベルは(d)のよ
うになる。即ち、例えば、第１の目標ステップ位置Ａに
至るために、ステップモータはに示す如く最初加速回
転され、次にに示す如く一定速度で回転され、次に目
標Ａに近づくとに示す如く減速回転され、そして目標
Ａに到るとに示す如くスピードレベル＝０となる。以
下Ｂ，Ｃ，……と同様に行われるが、ディップは目標
ステップ位置Ｂに接近して減速したが次の目標ステップ
位置Ｃに変化したために再加速したことを意味してい
る。また、ディップは一担目標ステップ位置に到達し
て停止した後回転方向を反転して再加速したことを意味
している。第９図(a)〜(d)から明らかなように、目標ス
テップ位置が変更されるごとに最適な駆動周波数を決定
して制御しているので目標値の変更により停止すること
なく再加速したり、反転の必要が生じたときは迅速に停
止後反転できるので脱調状態を生ずることなく良好な追
従性が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、目標ステップと実際のステップとの差
が小である場合、即ちアクセルペダル踏み込み量に応じ
て決定されるステップモータの目標ステップに実際のス
テップが追従してる場合には、ステップモータの駆動周
波数徐々“１レベル”づつ減少することにより行き過ぎ
および脱調の発生を抑制することが可能となる。

逆に目標ステップと実際のステップとの差が大である場
合には、駆動周波数を“１レベル”づつ増大することに
より追従性を向上させるとともに過度の加速による脱調
の発生を防止することが可能となる。

さらにスロットル弁開度を制御するステップモータの目
標ステップ位置を時々刻々変更し、これに追従するよう
にステップ位置を制御するので、例えば、アクセルペダ
ル踏込量信号に点火ノイズ等のスパイクノイズが入来し
た場合に、このスパイクノイズによって異状なステップ
位置に移行しつつあっても次に正常な目標ステップ位置
に移行するように変更されるので、これらノイズの影響
はほとんど受けない。即ち、一般に用いられているアク
セルペダル踏込量信号からノイズを除去するためのフィ
ルタ回路が不要となる。さらに、スロットル弁を開放す
るときに徐々に速度を上げていくのでいわゆる加速シャ
クリを低減することができ、また、スロットル弁を閉じ
る時、徐々に速度を下げるのでダッシュポット効果が期
待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるスロットル弁開度制御方法を実施
するスロットルアクチュエータの構成図、 第２図は第１図のステップモータを駆動する駆動装置の
ブロック線図、 第３図は第２図のステップモータと駆動回路の電気的等
価回路図、 第４図は印加電圧とステップ位置との関係を示すタイミ
ングチャート、 第５図(a)，(b)は第２図の駆動装置の動作制御手順を示
すフローチャート、 第６図は第５図(b)のフローチャート中の段階３００を
詳細に説明するフローチャート、 第７図は第２図の駆動装置のＲＯＭ５０ｄに格納される
スピードレベルとタイマ初期値と駆動周波数の関係を示
すテーブルを説明する図、 第８図は第２図の駆動装置のＲＯＭ５０ｄに格納される
目標スピードレベルと、目標ステップ位置と現在のステ
ップ位置との差の関係を示すテーブルを説明する図、 第９図(a)〜(d)は第５，６図に示すフローチャートによ
るステップ位置制御の一例を示すタイミングチャート、
および 第１０図(a)〜(d)は従来のステップ位置と駆動周波数と
の関係を示すタイミングチャートである。 （符号の説明） １…スロットルボディ、 ２…バタフライ弁、 ３，５…シャフト、 ４…ステップモータ、 ６，７…ギヤ、 ５０…マイクロコンピュータ、 ５０ａ…ＣＰＵ、 ５０ｂ…割込制御回路、 ５０ｃ…プログラマブルタイマ、 ５０ｄ…ＲＯＭ、 ５０ｅ…ＲＡＭ、 ５０ｆ…Ａ／Ｄ変換器、 ５０ｇ…入出力バッファ、 ５１…定電圧電源、 ５２…バッテリ、 ５３…アクセルストロークセンサ、 ５４…駆動回路、 ５５…クロックジェネレータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関のスロットル弁をステップモータ
   で駆動し、機関運転状態から求められる目標スロットル
   弁開度に応じた目標ステップ位置になるように前記ステ
   ップモータを駆動する方法において、 現在のステップモータのステップ位置と前記目標ステッ
   プ位置との差が大きい程大きくなるように前記ステップ
   モータの目標駆動スピードを求め、現在の駆動スピード
   と前記目標駆動スピードとを比較して、現在の駆動スピ
   ードが前記目標駆動スピードに一致するように、前記ス
   テップモータのステップ位置を変更する出力信号の周波
   数を徐々に変更することを特徴とするスロットル弁制御
   方法。