JP2007298044A

JP2007298044A - モータ駆動による位置制御装置

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Publication number: JP2007298044A
Application number: JP2007186388A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Yamada; 茂樹山田; Shoji Sasaki; 昭二佐々木; Hiroaki Saeki; 浩昭佐伯; Masayuki Suganami; 正幸菅波
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP4620084B2

Abstract

【課題】モータの位置ずれを防止し、装置の耐久性を向上できるモータ駆動による位置制御装置を提供する。
【解決手段】位置制御装置では、可動翼１ａを閉める方向の停止位置及び開く方向の停止位置までモータ２を回転制御し、停止位置をモータ２の動作基準開度点とし、両停止位置間をモータ駆動動作範囲とし、ターボチャージャ１の吸入空気導入路の通路を目標開度になるように制御する。モータ２の回転制御は、予め定められた開度ずつ順次可動翼の開方向に目標開度を変えてＰＩＤ制御を実施したとき、エンコーダ３の開度位置が変化しない状態が所定時間継続したときその位置を可動翼１ａの開方向停止位置とし、モータ２の回転制御は予め定められた開度ずつ順次可動翼１ａの閉方向に目標開度を変えてＰＩＤ制御を実施したとき、エンコーダ３の開度位置が変化しない状態が、所定時間継続したときその位置を可動翼１ａの閉方向停止位置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流モータを駆動機構部分に用いて制御対象を目標位置に制御する場合に係り、特にターボチャージャの吸入空気導入路の通路を開閉させ、ターボチャージャの加給圧を調整する制御装置であって、前記モータによる駆動機構を用いて位置制御された位置検出を、エンコーダを用いて行うモータ駆動による位置制御装置に関する。

先行技術の特許文献１は、モータによって駆動された位置を、エンコーダを用いて検出する場合にエンコーダに発生するノイズの影響を除くものである。ロータリエンコーダから出力される信号の変化をカウントする場合において、ノイズ等による誤カウントがないようにした、ロータリエンコーダカウント方法及び装置について記載している。

具体的には、出力信号の変化が検出されてから基準時間経過後の信号レベルを記憶する第１の記憶手段と、所定のタイミングで転送された第１記憶手段に記憶されている出力信号のレベルを記憶する第２の記憶手段とを有し、この第１、２の記憶手段に記憶されているレベルに基づいて、ロータリエンコーダの、出力信号の変化のカウント値を更新するかどうかを判定し、判定結果により判定終了したタイミングで第１記憶手段の信号レベルを第２の記憶手段に転送するようにしている。

特許第３０３９５１２号公報

上記した従来技術の場合、正規パルスとノイズの分別を、エンコーダの信号の立ち上がり後、又は立ち上がり検出後一定時間の間のパルス検出をしないことによって行っているが、ノイズの影響を完全にはなくすことができない。特にターボ制御の場合、ノイズの影響で誤って位置検出制御をおこなった場合、誤差が積算されて、実際の制御位置がずれてしまい、通常動作範囲内に収まらなくなる。更に、全閉位置又は全開位置のストッパにあたってしまい、機械的な噛みこみ、或いはギヤ装置の破損に至る可能性がある。上記の従来技術には、このような問題があった。

本発明の目的は、モータの位置ずれを防止することができ、しかも装置の耐久性を向上できるモータ駆動による位置制御装置を提供することにある。

本発明のモータ駆動による位置制御装置は、回転軸出力により可変リンクを介して自動車のターボチャージャへの吸入空気導入路の通路を可動翼により開閉させるモータと、与えられた目標開度により前記モータを回転させるとともに前記可動翼の開度を検出するエンコーダとを有し、前記吸入空気導入路の通路の可動翼を目標開度になるように制御する装置であって、前記位置制御装置は、前記可動翼を閉める方向の停止位置及び前記可動翼を開く方向の停止位置までモータを回転制御し、前記停止位置を前記モータの動作基準開度点とし、前記両停止位置間を前記モータの駆動動作範囲とし、前記吸入空気導入路の通路を目標開度になるように制御し、前記モータの回転制御は予め定められた開度ずつ順次可動翼の開方向に目標開度を変えてＰＩＤ制御を実施したとき、前記エンコーダでカウントされる開度位置が変化しない状態が所定時間継続したとき、その位置を前記可動翼の開方向停止位置とし、前記モータの回転制御は予め定められた開度ずつ順次可動翼の閉方向に目標開度を変えてＰＩＤ制御を実施したとき、前記エンコーダでカウントされる開度位置が変化しない状態が所定時間継続したとき、その位置を前記可動翼の閉方向停止位置とするものであることを特徴とする。

好ましくは、前記位置制御装置は、前記可動翼を初期位置から前記閉方向停止位置に移動した後に前記開方向に移動させる場合、前記全閉方向停止位置から前記初期位置までは一挙に移動させ、その後は予め定められた開度ずつ目標開度を変えて前記ＰＩＤ制御を実施するものであることを特徴とする。

本発明によれば、モータを用いた位置制御装置のモータの位置ずれを防止することができ、また制御装置の耐久性を向上できるという効果がある。

以下、本発明のモータ駆動による位置制御装置について、図１から図２０を使用して具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施例の構成を示している。モータ２の出力軸に設けられたギヤ２ａ、ピニオンギヤ２ｂ、ホイールギヤ２ｃ、ロッド２ｄ、更に可動リンク２ｅを介してターボチャージャ１内の翼角度を矢印のように押しこんだり引いたりすることにより、ターボチャージャ１内の可変翼１ａの角度を変えることができる。７はウオームギヤである。そして、この可変翼１ａの角度が変化することにより、ターボチャージャ１内吸入空気導入路の断面積が変化し、ターボチャージャの加給圧を変化させることができる。

モータ２の出力軸２ｅにはギヤ２ａの他にモータの回転位置検出用のロータリエンコーダ３が設けられている。本実施例ではインクリメンタルエンコーダを２個（３ａ、３ｂ）用いている。エンコーダ３には、回転位置を信号に変換するためのホール素子４（４ａ、４ｂ）を設け、エンコーダ３の回転位置を信号（４ａａ、４ｂｂ）に変換して制御装置５へ入力する。

図２には、前述したエンコーダからの信号波形を示す。ΦＡ信号とΦＢ信号は位相が９０度ずれている。例えば信号ΦＡ（４ａａ）の立ち上がり、又は立ち下がり時の信号ΦＢ（４ｂｂ）の信号レベルを見ることによりモータの回転方向がわかり、信号のパルス数を計数することにより、モータの回転位置を検出することが可能である。

一方、他の制御装置６から制御装置５へ、ターボチャージャモータ回転位置（ターボチャージャ内回転翼角度）の制御目標位置信号６ａが入力されると、制御装置５は制御目標位置信号６ａとモータの回転位置が等しくなるように、モータ２を駆動するための信号５ａを出力し、制御目標位置信号６ａに従ってモータ２の回転位置を制御する。本実施例では制御装置５と他の制御装置６を分離しているが、両者を統合したものであっても同一の機能を有することができる。通信信号６ｂは外部からの制御装置６或いは５への通信信号である。６ｂは開度信号のこともある。

また、モータの回転位置検出用として、モータの回転軸にロータリエンコーダ３をとりつけているが、ウオームギヤ７の回転軸にポテンショメータ等を取付け、ギヤ２ｃの回転角度を直接測定してターボチャージャ内回転翼角度を、制御目標位置信号にしたがって制御することもできる。ポテンショメータの代りに、アブソリュートタイプのエンコーダを用いたり、３個以上のエンコーダを用いたりすることができる。更に、本実施例のように、２個のインクメンタリタイプのエンコーダに加え、アクチュエータの出力軸が特定の角度に位置することがわかる接点スイッチを付け加えて、モータの位置検出を行うことも可能である。

図３は、本実施例の制御装置５の内部ブロック図を示している。ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）９、Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）８、Ａ／Ｄ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１５、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１６、不揮発性メモリ１７、モータドライバ１０、コミュニケーションドライバ１３等から構成されている。

本実施例の場合、Ｉ／Ｏ８に入力された目標開度信号６ａとモータの回転位置信号（４ａａ、４ｂｂ）の値が等しくなるようにモータドライバ１０へ制御信号９ａを出力する。そしてモータへの制御信号５ａがモータに出力される。ＣＰＵ９は、ＲＯＭ１６から制御演算式を読み出し計算し、ＲＡＭ１５に計算値を保持させる機能を有している。不揮発性メモリ１７は、制御装置の電源が切れた後も上記演算データ等を保持したい場合に用いるもので、保持するデータが無い場合は設けなくてもよい。

また、コミュニケーションドライバ１３を介してＣＰＵが外部とデータ（１３ａ或いは６ｂ）とのやりとりを行う機能も有しており、目標開度信号を、コミュニケーションドライバ１３を介してＣＰＵ９へ入力しても同一の機能を持たせることができる。またポテンショメータを用い位置信号を検出している場合は信号１１がアナログデータであるため、Ａ／Ｄ変換器１４を介してギヤ位置信号を入力することになる。

この制御装置５において、モータ位置を検出するため、最初にモータ動作基準点を求めるためモータをモータ駆動範囲内でターボチャージャの吸入空気導入路を閉める方向の停止位置にあるストッパ位置、或いはこの反対方向の回し切った位置にあるターボチャージャの吸入空気導入路を開く方向の回し切った位置にあるストッパ位置、或いは前記両方向のストッパ位置へ回しきるまでモータを回転させて、前記ストッパ位置を検出し、この位置をモータ動作時の動作基準点とする動作(以後イニシャライズと称す)を実施する。

しかしながら、はじめはモータの位置が制御装置で把握できていないため、モータをどちらかの方向へ回転させて機械的に動かなくなる所まで動作させる必要がある。この場合ギヤ等を使って駆動させているため、一定値以上の駆動力でモータを回すと、ストッパに当たった際にギヤの噛み込みが発生し、場合によっては固着してしまい、最大トルクで反転させた場合でも噛み込みのために、ギヤを動作させることができなくなることがある。そのため、イニシャライズ動作時は、前記のギヤの噛み込みが発生しない程度の駆動力にする必要がある。またモータの回転方向はターボチャージャ及びエンジンの保護及び通常の運転動作中に行う場合は、安全側である加給圧を下げる方向で行うべきである。

図４（Ａ）に、イニシャライズ時の動作ロジックを示す。図４（Ａ）は機械的な噛み込みの発生するモータ駆動ＤＵＴＹＡ（予め定められた値）以下の一定の駆動力でモータを回転させてエンコーダパルスの信号が変化を始め、その後変化しなくなった状態（ステップ４０ａ）からタイマをスタート（ステップ４０ｂ）させ、この状態が一定時間ＴＢ以上継続した時点（ステップ４０ｃ）で、ストッパ位置と判断し、出力ＤＵＴＹを０としてイニシャライズを終了する場合のロジックである。図４（Ｂ）はエンコーダパルスの変化に対するモータ駆動ＤＵＴＹの様子を示している。予め定められた時間ＴＢを越えた場合、ストッパの位置と判断し、イニシャライズ処理を終了する。

図４（Ｃ）も同じ目的であるが、モータ速度を一定値ではなく、０からスタートさせて、徐々に速度を上昇させていくようにしたものであり、動作域内に機械的な抵抗がある場合や、動作を繰り返すうちに機械的な劣化により動作抵抗が増大する部位が発生した場合などの対応として有効な方法である。図４（Ｄ）にはエンコーダパルスの変化に対するモータ駆動ＤＵＴＹの様子を示している。ステップ４１ａでエンコーダパルスが変化しないときは、図４（Ｄ）の特性で引っかかりがあると判断し、図４（Ｃ）のステップ４１ｂでＤＵＴＹを（Ｖ＋１）、のようにＤＵＴＹを増加させる。

その結果、ステップ４１ｃでＶ＝Ｃになったかどうかを判断し、Ｖ＝Ｃでかつエンコーダパルスの変化がなくなれば（ステップ４１ｄ）、そこでＤＵＴＹ＝０としイニシャライズを終了する（ステップ４１ｅ）。図４（Ｂ）の場合は、タイマＴＢによりイニシャライズの終了を判断しているが、図４（Ｄ）の場合はＤＵＴＹがＶ＝Ｃの状態でイニシャライズ終了を判断している。

図４（Ｅ）の場合は、図４（Ｃ）に対し抵抗部分に到達した場合、少なくとも一回は一旦逆方向にモータを戻したうえで勢いをつけて機械的な抵抗部を通過させるようにしたものであり、より効果的な方法である。図４（Ｆ）にはエンコーダパルスの変化に対するモータ駆動ＤＵＴＹの様子を示している。引っかかりガあったとき予め定められたパルス数分だけ逆方向へ移動（点線部分）させた場合を示している。

ステップ４２ｂのリトライで、図４（Ｆ）の点線部分で所定パルス分逆方向に移動させてＤＵＴＹをＶ＝（Ｖ＋１）とする（ステップ４２ｃ、４２ｄ）。そしてステップ４２ｅにおいてＶ＝Ｃ、と判断させたときは、ステップ４２ｆでエンコーダパルスの変化がないことを確認し、ＤＵＴＹ＝０として、イニシャライズを終了する（ステップ４２ｆ、４２ｇ）。図４（Ｆ）において、点線で示した戻し分はここでは一定値にしているが、一定値にかぎらない。モータのＤＵＴＹによって戻し分を変えてもよい。

次に、通常動作中にイニシャライズを行う方法について、実施例により説明する。制御装置の電源投入時のイニシャライズ終了後通常制御に移行し、外部から入力される目標開度信号に従って、モータ位置を制御する。この制御装置がターボ制御用であることから、通常の制御中でもイニシャライズを行っても、制御に殆ど影響をあたえないモードが存在する。

これは、エンジンがアイドリング状態で加給圧が低い場合、エンジンの負荷が小さい場合、アクセル開度が小さい場合等であり、また外部からのイニシャライズ実施命令等が入力された場合等がある。エンコーダによりモータの回転方向と位置を検出する方法を用いた場合、エンコーダの信号にノイズが混入すると、モータの回転位置検出位置をとりきれない場合がある。

図５（Ａ）にこの一例を示す。左半分は正転の場合、右半分は反転の場合を示している。そして、図５（Ａ）は正常な場合の正転及び逆転の場合の、エンコーダの波形である。エンコーダを用いたモータの位置検出方法には、一般的に次の方法が用いられる。エンコーダ信号ΦＡの、立ち上がり時のエンコーダ信号ΦＢがＬｏｗレベル、エンコーダ信号ΦＡの立ち下がり時のエンコーダ信号ΦＢがＨｉｇｈレベルであること。

同様にエンコーダ信号ΦＢの、立ち上がり時のエンコーダ信号ΦＡがＨｉｇｈレベル、エンコーダ信号ΦＢの立ち下り時のエンコーダ信号ΦＡがＬｏｗレベルにあるときに、正転と判断し、カウンタをカウントアップさせていく。また、反転の場合は上記と逆のパターンになるため、この場合はカウンタをカウントダウンさせる。このロジックにより、モータの位置をエンコーダパルスの１／４周期の分解能で検出することができる。

図５（Ｂ）は、エンコーダΦＡにノイズが混入し、ノイズの立ち上がり及び立ち下りにより誤カウントし、結果として位置ずれが発生している例を示している。この図に示すように、エンコーダを用いてモータの回転位置を検出する方法において、エンコーダ信号にノイズ等が混入する場合には、誤カウントし検出位置にずれが発生する場合がある。この位置ずれが発生しないようにするには、エンコーダ信号が正規のものか、或いはノイズなのかを判別するロジックを設ければよいが、ロジック処理に時間を要すること、またエンコーダの信号周期が短い場合などは、処理しきれなくなる。

更に、このノイズのため、本発明においては位置ずれに関してはある程度起こり得るという前提条件のもとで、電源ＯＮ時、ＯＦＦ時以外の通常制御中にもイニシャライズ動作を行わせて、位置ずれをキャンセルし、位置ずれが積算されないようにさせることができる。

次に、通常制御中にイニシャライズ動作を行わせる場合の実施例について説明する。図６は、その概略を示すフロー図で、点線で示した部分が、通常制御中にイニシャライズを行う場合である。その条件についてはさまざま考えられるが、図７を用いた例では、目標開度信号が一定値Ｅより小さく、且つ目標開度信号の変化が一定値Ｆ時間以上継続したときが該当する。通常動作時で、目標開度信号の値がエンジンに影響を与えない程度の低加給圧の状態Ｅより小さく、且つ目標開度信号の変化の無い状態がＦ時間以上継続したときは、通常動作状態中のイニシャライズ動作を実施する。

ステップ４３ａでは、目標開度が予め定められた値Ｅよりも小さいかどうかを判断する。そしてステップ４３ｂでは、目標位置の変化があるかどうかをみて、変化がなければ、ステップ４３ｃでタイマを起動させ、予め定められた前記一定時間Ｆを経過したかどうかを判断する。時間Ｆを経過したとき、イニシャライズ処理（ステップ４３ｄ）にはいる。イニシャライズフラグが「１」であることを確かめた（ステップ４３ｄ）上で、イニシャライズを実行する。終了すれば（ステップ４３ｆ）、イニシャライズフラグをクリアする（ステップ４３ｇ）。

ステップ４３ｈでは、（目標位置―旧位置）＜（目標位置―現在位置）でなければ、通常制御にはいる。一方、前記大小関係を満たしているときは、ステップ４３ｉに示したように、目標位置と旧位置との差に比例し、（目標位置−現在位置）／（旧位置のモータ速度）の値に応じてモータ速度を演算し、そのモータ速度で目標位置に制御する。

イニシャライズ動作中には、イニシャライズフラグを定期的にモニタし、イニシャライズ動作中に目標開度が変化することにより、イニシャライズ禁止（イニシャライズフラグがクリア、ステップ４３ｇ）状態となったら、その時点でイニシャライズを終了し（ステップ４３ｆ）、通常制御に復帰させるようにしている。

ここで、通常制御に復帰させる際、モータ位置がイニシャライズを実施する以前の旧位置と目標値との差より大きい場合は、イニシャライズを実施することにより動作が遅くなるという問題があるため、この状態の時はモータの動作速度を早くして、動作遅れが発生しないようにする必要がある。図７の（Ｂ）に示すように、これを実現させるための一案としては、モータの動作は目標位置と現在位置の偏差に応じたＰＩＤ制御を行う。それは、偏差に対する比例項を設けて、これに応じたモータ駆動用ＤＵＴＹ信号を出力することにより可能である。モータ速度は次式で表すことができる。

モータ速度＝（（目標位置−現在位置）／（目標位置−旧位置））×（旧位置のモータ速度））
以上のようにして、通常動作中にイニシャライズを行うことにより、モータの位置精度のばらつきや誤カウントの蓄積によるモータ位置のずれをキャンセルすることができる。また、ターボチャージャはエンジンの排気管に直結されているため、常に高温下の条件にさらされており、且つ排気ガス中の炭素等の堆積により、ターボチャージャの吸入空気量を可変させるための可変翼の機構部品は劣化しやすく、排気ガス中の炭素等の堆積により機械的な抵抗成分も動作時間に比例して増加する。

特に常用可動域が狭い場合等は、常用可動域以外の動作部分に炭素等が堆積するため、この部分を動作させる時の抵抗が増加し、最悪常用範囲以外の領域へは動作させることができなくなってしまう。これが繰り返されると、徐徐にモータの動作可動域はどんどん小さくなっていき、動作時間に比例して動作可動域がどんどん小さくなり、その結果耐久劣化が著しく大きくなってしまう。

この様子を図８に示す。イニシャライズを実施しないと、上記の理由により点線部に示す様に耐久劣化が進行するが、イニシャライズを頻繁におこない、可動全域にわたり、一様に動作させることにより、耐久劣化を防止することができる効果がある。従って、機械部分の動作抵抗を減らす意味でも、イニシャライズは実施すべきであり、イニシャライズを実施することにより、機械部分の抵抗の増大を防止でき、機械部分の耐久性も向上し、駆動モータへの負担も少なくなるため、モータの耐久性も向上させることができる。

図９は、イニシャライズを全閉と全開の両方で行う方法を示している。電源投入時のモータの初期位置から、本実施例では全閉方向に動作させ、全閉位置に達してエンコーダのカウント値がＡのまま変化しなくなった状態が、時間Ｔ１の間継続した時点で全閉位置と判断する。

その後、反対方向である全開方向へ動作させ同様にエンコーダカウント値がＢのまま変化しなくなった状態が、時間Ｔ２間継続した場合に全開位置と判断する。このカウンタＢとカウンタＡの差が、全閉位置と全開位置のダイナミックレンジＣになるので、イニシャライズを実施した結果、ダイナミックレンジＣの値が異常に小さい時は、動作範囲内に機械的な故障が局所的に発生している可能性があることがわかる。また、異常に大きい時はストッパが利かない状態、又はギヤの破損等によるモータの空転が発生していることが考えられる、といった故障診断が可能となる効果もある。

なお、この実施例では全閉及び全開動作を同じタイミングで実施しているが、全閉及び全開動作を同時に実施する必要はなく、電源ＯＮ時は一旦全閉側の動作をさせ、その後イニシャライズが許可されるタイミングで、全開側の動作を行わせること、或いはこの逆の方法で実施する、といった組み合わせの動作を行っても同様の効果を得ることが可能である。

図１０は、前述した全閉、全閉動作中に機械的な抵抗部分が発生することにより部分的に動作しにくい部分がある場合の例であるが、一旦エンコーダのパルスが変化しなくなった場合でもその個所が機械的なストッパの位置でない場合がある。そのため、本実施例では一旦所定のカウント分だけ全閉方向へ戻して、再度全開方向へ動作させることによって、この個所（機械的な抵抗部分）を通過させる場合の動作で、数回のリトライで通過させることが可能な場合が少なくない。

図１１は、図７の（Ｂ）と同様に全閉、全開の動作中にも開度指令値が入力された場合に、動作を即中止して目標開度位置への動作をさせて、通常の動作時間よりおくれることのないようにした例である。ところで、本実施例では全閉、全開動作時のモータ駆動力を一定値で動作させて全閉位置と全開位置を検出した後に、通常のＰＩＤ制御を実施しているが、機械系のねじれ分が存在することにより次のような問題がある。

通常のＰＩＤ制御の場合、目標開度を全閉或いは全開にした場合には、目標値に近づいたときに行きすぎることがないように、移動量が減少するように減速させる動作を行う。そのため、全開位置及び全閉位置の機械的なねじれが発生するところまでモータを押しこむことはないが、イニシャライズ時には一定の駆動力で押そうとするため、モータの惰性力が加わり、前記機械的なねじれの分まで押し込んでしまう。このとき、見かけ上正規全閉位置のカウント値より少なく、或いは正規全開位置のカウント値より大きくなる場合がある。

これについては、イニシャライズのモータ駆動力を下げればなくすことはできるが、反面イニシャライズ中の機械的抵抗分が増大した場合に、すぐモータが止まってしまうため、イニシャライズ時に全開、全閉位置を誤検出する可能性がでてくる。従ってイニシャライズ時のモータ駆動力は極力大きくする必要がある。

また、前記の方法では図１２に示すように、イニシャライズ時の全閉、全開位置とＰＩＤ制御により動かすことができる動作範囲が異なることになる。したがって、イニシャライズで求めた全閉、全開位置を目標位置として、この目標位置へＰＩＤ制御により動かそうとすると、目標位置へ到達させようとし、モータへ通電したままの状態が続くことが発生しうる。

この状態が継続すると、モータへ通電される時間が増大し、モータやモータドライバの発熱が増大するという問題が発生する。このようにイニシャライズ時の全閉、全開位置と通常動作時の全閉、全開位置との差が発生するのを防止するための方法を図１３〜１５に、この時の制御フローを図１６、１７に示す。

図１３は、一定のモータ駆動力で全閉、全開位置へ動作させた後、一旦所定量だけ戻し（図１３では値β）、その戻した位置から再度、最初の全閉、全開位置を目標としてＰＩＤ制御で動作させて所定時間モータ位置が変化しない点を真の全閉位置とし、ギヤの食い込み分の補正を行うものである。ＰＩＤ制御では図のように順次小さな目標値を与え制御を行うので、ギヤに食いこむことなく全閉位置を求めることができる。

本制御の詳細を図１６で説明する。イニシャライズでは、全閉或いは全開方向へモータ駆動ＤＵＴＹを、０％から上昇させていく。ステップ６２ａで、エンコーダパルスの変化をみる。パルスが変化しない場合は、モータ駆動ＤＵＴＹをΔ％づつ上昇させていき、一定値Ｃ％の駆動ＤＵＴＹとなってエンコーダパルスが変化しなくなるまで続ける（ステップ６２ｂ、６２ｃ）。

ここでは、モータ駆動ＤＵＴＹで制御をしているが、駆動ＤＵＴＹではなくモータの回転速度を計算し、一定の速度になるようにしても同様である（図１３は一定速度の場合を示している）。Ｃ％の駆動ＤＵＴＹは、モータが全閉位置又は全開位置へ移動したときに惰性で機械への噛みこみが発生せず、この上限の駆動ＤＵＴＹで動作させて、エンコーダパルスが変化しなくなった状態がごく短時間（α_０）継続した時点で、この位置を仮の全閉位置とし、カウンタをリセットする。

その後、モータ位置をＤＵＴＹ１００％として所定量の値βだけ戻し（ステップ６２ｇ）、その後再度ＰＩＤ制御で、前記で求めた全閉位置を目標開度としてＰＩＤ制御で移動させる（ステップ６２ｈ）。そして、ステップ６２ｉでエンコーダパルスの変化がないときは、ステップ６２ｊで、タイマをスタートさせる。ステップ６２ｋでは、タイマＴの値がＴ≧αを満たしたかどうかを判定し、この条件を満たしたときは、その値を全閉位置と決定する。

この状態で、エンコーダパルスが変化しない状態が所定時間α継続したところを真の全閉位置とし、エンコーダカウンタを再度リセットする。この動作で全閉位置がきまるが、この動作の後、全開方向へ同じ動作を実施し、全開位置を求めることができる。なお、このイニシャライズは同時に行う必要はなく、イニシャライズ動作が許可された時点でどちらか一方のみ実施してもよい。図１３では、一定速度で全開側に移動させ、全開位置を求める場合の例を示している。

駆動ＤＵＴＹ＝０からスタートする。ステップ６３ａ〜６３ｍは、全閉位置を求める場合のステップ６２ａ〜６２ｍに対応している。噛みこみ位置から値βだけ戻し、その位置からＰＩＤ制御を実施し、予め定められた値ずつ目標値を与え、ＰＩＤ制御により目標値を与えてもエンコーダパルスの変化がなくなったとき、その位置を全開位置として決定するものである。

図１４は、イニシャライズ動作を、最初からＰＩＤ制御で実施した例である。ＰＩＤ制御は、目標位置を決めて行う制御であるから、電源投入時の初期状態では絶対位置はわからないため、現在位置にたいし目標開度を所定量変化させその目標位置にＰＩＤ制御で移動させるものである。もちろん、所定量の変化を大きくすると（例えばＤＵＴＹ１００％の状態）、全閉、全開位置へ到達したあと、噛みこみが発生し、そこから脱出できなくなる可能性がある。したがって、目標位置を少しずつ変えて、モータが目標位置へ移動した後に、更に少しずつ変化させるという動作を繰り返して、徐徐に全閉位置へ動作させる方法である。

図１４では、例えば目標位置を予め定められた小さな目標量の値β１を、繰り返し設定して動作させた場合を示している。全閉位置でいうと、値β１の設定を繰り返し設定したが、実際の位置は変化していない。その時間が予め設定した時間Ｔ＝α１の間継続した場合、その位置を全閉位置とする。全開位置についても同様で、値β１ずつ目標値を変えて前回位置に移動させ、目標値の値β１を変えても位置の変化がおこらない時間Ｔ＝α１続いたとき、その位置は前開位置であると判断するものである。

この動作フローを図１７（Ａ）に示す。この方法では目標位置への微小動作を繰り返し行う。ステップ７０ａではイニシャライズ時、カウンタ値の最小値（Ｃ＝Ｃｏｕｎｔｍｉｎｉ（１））がＣの場合である。ステップ７０ｂでは、図１４に示した所定量の値β１だけ、目標位置を開度が閉じる方向に変更し、ＰＩＤ制御を行う。その結果、ステップ７０ｃでエンコーダのパルス変化があるかどうかを判断し、パルス変化がある場合は、ステップ７０ｄで（Ｃ−β１）を新たなモータ位置として、更に値β１だけ目標値を変化させＰＩＤ制御を繰り返す。

そして、ステップ７０ｃでパルス変化がなくなったと判断されたときは、ステップ７０ｅでタイマをスタートさせ、ステップ７０ｆで、タイマＴ≧α１となったとき、そのカウント位置を全閉位置とする。そこでステップ７０ｇでは、エンコーダカウント位置Ｃｏｕｎｔｍｉｎｉ（１）を「０」とし、全閉位置を決定する。図１４では、全閉位置からスタートした例を示している。

図１７（Ａ）のステップ７０ｉは、全閉位置決定と同じ方法でスタートしてイニシャライズを行う例を示している。即ち、ステップ７０ａと同じようにＣ＝Ｃｏｕｎｔｍａｘ（１）としてスタートさせている。ステップ７０ｊではＣ＝Ｃ＋β１を新たな目標値としてＰＩＤ制御する。ステップ７０ｋでエンコーダパルス変化あり、と判断されたときは、ステップ７０ｍで（Ｃ＋β１）を新たなカウンタ値とし、ステップ７０ｊで（Ｃ＋β１）をあらたな目標値としてＰＩＤ制御を行う。

そして、ステップ７０ｋでエンコーダパルスに変化なし、と判断されたときは、ステップ７０ｎでタイマをスタートさせ、ステップ７０ｐでタイマＴ≧α１となったとき、ステップ７０ｑでは、そのカウンタ値を全開位置として決定する（Ｃ＝Ｃｏｕｎｔｍａｘ（１）とする）。

しかしこの場合、全閉側と全開方向への動作を行った場合は、イニシャライズに要する時間は図１３の場合よりも大きくなる場合がある。これを改善するための方法を、図１５に示す。

図１５は、初期位置から全閉方向へ移動し、目標値を予め定められた値β２ずつ変えても変化がないことを確認して、全閉位置とする。その後、同時に全開方向への動作を行う場合、初期位置までの動作は全閉位置から一挙に移動させ、その後は目標値を予め定められた値β２ずつ変えてＰＩＤ制御を行う例を示している。そして、全開位置では予め定められた値β２ずつ変えても変化がないことを確認し、その位置を全開位置とする。このように制御することによって、全閉−全開間のイニシャライズに要する時間を短縮することができる。

この制御フローを、図１７（Ｂ）に示す。ステップ７２ａでは、エンコーダカウンタＣを初期値とし、ステップ７２ｂでは、予め定められた値β２だけ目標値を変えてＰＩＤ制御をおこない、ステップ７２ｃでは、エンコーダパルスが変化したかどうかを判断する。変化があれば、ステップ７２ｄでＣ＝Ｃ−β２とし、ステップ７２ｂに戻り、更に値β２だけ目標値を変えてＰＩＤ制御を行う。これを繰り返し、目標値を値β２だけ変えてもエンコーダパルスの変化がなくなったとき、ステップ７２ｅでタイマをスタートさせる。そしてタイマＴが、Ｔ≧α２かどうかをステップ７２ｆで判定し、Ｔ≧α２のとき、ステップ７２ｇでは、そのときのエンコーダパルスを全閉位置として決定する（Ｃｏｕｎｔｍｉｎｉ２）。

次に、ステップ７２ｉでは、値β２だけ目標値を替え、ＰＩＤ制御を行う。ステップ７２ｊではβ２に対してエンコーダパルスの変化があったかどうかを判断し、変化があればステップ７２ｋで、Ｃ＝Ｃ＋β２とし、ステップ７２ｉに戻り、更に値β２だけ目標値を変化させてエンコーダパルスの変化があるかどうかをみる。ステップ７２ｊでパルス変化なしと判断されたときは、ステップ７２ｍでタイマをスタートさせる。

そして、ステップ７２ｎで、前記タイマＴが、Ｔ≧α２の条件を満たしたとき、ステップ７２ｐでそのカウンタ位置を、全開位置として決定する（Ｃｏｕｎｔｍａｘ２）。この方法では、ステップ７２ｈで示したように、全閉位置、全開位置とも初期値をベースとして決定することになるので、図１４の場合に比較してイニシャライズ時間の短縮を図ることができる。

次に、ＣＰＵの内部にあるバックアップ用のＲＡＭに常時通電させて、このバックアップ用ＲＡＭに前回制御回路の電源が遮断される時のモータ位置を記憶しておいて、イニシャライズの時間短縮を図るものである。次に、電源が投入された際に、イニシャライズに要する時間を短縮し、或いはイニシャライズを行わないようにすることができる方法について説明する。

この実施例を図１８（Ａ）に示す。ＣＰＵ９、Ｉ／Ｏ８、Ａ／Ｄ１４、ＲＡＭ１５、ＲＯＭ１６、不揮発性メモリ１７、モータドライバ１０、コミュニケーションドライバ１３から構成され、本実施例の場合Ｉ／Ｏ８に入力された目標開度信号１１ｂとモータの回転位置信号１１ａの値が等しくなるようにモータドライバ１０へ制御信号９ａを出力する。

ＣＰＵ９は、ＲＯＭ１６から制御演算式を読み出しＲＡＭ１５に計算値を保持する機能を有している。また、コミュニケーションドライバ１３を介してＣＰＵが外部とデータのやり取りを行う機能も有しており、目標開度信号を、コミュニケーションドライバ１３を介してＣＰＵ９へ入力しても、同一の機能を持たせることができる。

電源回路１９は、バッテリ電圧ＶＢとＩＧＮ信号及びＩ／Ｏ８を介してＣＰＵ９より出力されるコントロール信号１８ａにより、制御回路への電源を供給或いは遮断する。この電源回路の動作ロジックでは、制御回路への電源ＶＣＣ供給はバッテリ電圧ＶＢとＩＧＮ信号が入った時に開始される。この電源ＶＣＣの他にバッテリ電圧が印加されている間は、常にＲＡＭの値を保持するために通電されているＲＡＭバックアップ用ＶＣＣを供給している。

また、制御回路への電源ＶＣＣは、ＩＧＮ信号がＯＦＦした後、ＣＰＵ９より出力されるコントロール信号１８ａの立ち上りで遮断される。即ち、この回路構成にすることにより、ＩＧＮ信号が遮断された後も、ＣＰＵ９からコントロール信号を出力するまでの間に制御回路単独で動作することができる。

この回路構成とすることにより、従来の制御回路に対して以下のような改善を図ることができる。
（１）バックアップＲＡＭの電源は、バッテリが接続されている間は、通電されているので、イニシャライズの結果のモータ位置や全閉動作及び全開動作をすることによってわかる、全閉位置から全開位置までの動作可能範囲の保持、診断結果動作可能範囲の変化を把握することができる。したがって、ターボアクチュエータの劣化の診断を行うことができる。
（２）ＩＧＮＯＮ時のイニシャライズ動作の廃止
前記（１）に関しては、本実施例にも示してあるように、制御回路内に不揮発性メモリを搭載することにより、同様の効果を得ることが可能であるが、不揮発性メモリを搭載すると、その分の部品代アップにつながり、部品の実装も難しくなる。前記（２）は、ＩＧＮＯＮ時にイニシャライズを実施すると、イニシャライズ実施中にスタータが回転した場合、バッテリの電圧低下によりアクチュエータが動作停止し、可変吸気弁の停止時の角度によってはエンジンの始動性に悪影響をあたえる可能性がある。

また運転者によっては、アクセルを踏みこんだ状態でＩＧＮＯＮさせ、その後、即スタータをまわす場合があり、エンジン始動直後にイニシャライズを実施すると、仮に全閉方向でイニシャライズを行っている場合、全閉位置で上記のケースになり、エンジン回転数が急激に上昇する可能性がある。特に、寒冷地においては、ターボチャージャの軸受けの潤滑油がまわりきらないうちにエンジンが始動、回転数が急激に上昇することにより、ターボチャージャが破損する可能性がある。

以上の理由より、ＩＧＮＯＮ時にイニシャライズ、特に全閉方向へのイニシャライズ動作は、エンジンにとっては好ましい動作とはいいがたい。このため、前記（１）及び（２）の効果により、ＩＧＮＯＮ時のイニシャライズを、特に全閉側のイニシャライズ動作を行わないようにすることができる。図１８（Ｂ）は、ＩＧＮＯＮ及びＯＦＦにおけるイニシャライズのタイミングを示している。

図１９は、モータ制御装置内には不揮発性メモリを搭載せず、モータ制御装置以外の制御装置に搭載されている不揮発性メモリを用い、必要な情報をコミュニケーションライン１３ａを介してやりとりする場合を示している。モータ制御装置のモータ位置情報や診断内容を、モータ制御装置以外の不揮発性メモリに保存し、必要に応じ保存してあるデータを、モータ位置制御装置にコミュニケーションラインを介して与えることができる。

この構成では、図１８の実施例に示すＩＧＮ信号、バッテリ電圧ＶＢ、コントロール信号１８ａにより制御回路の電源をコントロールする機能は不要且つ、制御回路内部に不揮発性メモリを設ける必要もなく、本発明と同等の効果を得ることができるため、回路構成が簡素化でき、構成部品コスト的に有利である。

図２０は、運転状態をＣＰＵに取り込み、その結果にしたがって、イニシャライズ処理が必要な目安となるフロー図を示している。ステップ２０ａでは、運転状態を取り込み、ステップ２０ｂでは、走行時間が所定時間Ｔ_Ｒよりも大きくなったかどうかを判断する。これは、全開のイニシャライズ実施以降の所定時間であってもよいし、累積の運転時間であってもよい。この条件を満たしたときは、イニシャライズ処理が必要であることの表示等をステップ２０ｇで行う。前記のようにイニシャライズ処理は、いろんな方法があるので、その中から選択して実施することになる。

ステップ２０ｃでは、可動翼可動回数が所定値を超えたときイニシャライズを行う場合である。また、ステップ２０ｄは、走行距離をひとつの目安として所定値Ｌ_Ｒを超えたとき、イニシャライズを実施するようにした場合である。また、ステップ２０ｅは、予め分かっている機械的な動作範囲に対して、実際に可動している動作範囲が狭くなったときにイニシャライズ処理を行う例である。可動範囲の値Ｓ_Ｒは、経験的な値で決められる。このように運転状態を監視して、その状況によってイニシャライズ処理を行うようにすれば、耐久劣化をできるだけ少なくすることができる。

また、ターボチャージャの吸入空気導入路の開度を所望の開度に制御するモータ位置制御装置において、モータ動作範囲中の機械的な全開位置及び全閉位置への動作を、通常制御中に行うことにより、機械的や熱履歴的な摩擦力の増大による機械的な抵抗で、モータが動かすことができないほど大きくなることによる機械的な固着の発生を防止する効果がある。

モータ制御装置のシステム全体の構成図である。モータ位置検出用エンコーダの信号の例を示す図である。本実施例の制御装置の内部ブロック構成図を示している。イニシャライズ処理例のロジックフロー図である。エンコーダパルスの変化に対するモータ駆動ＤＵＴＹを示す図である。モータ速度を徐々に上昇させた場合のイニシャライズ処理例のロジックフロー図である。図４（Ｃ）の場合のエンコーダパルスの変化に対するモータ駆動ＤＵＴＹを示す図である。抵抗部があって一旦モータを逆回転方向に戻すイニシャライズ処理のフロー図である。図４（Ｅ）におけるエンコーダパルスの変化に対するモータ駆動ＤＵＴＹを示す図である。正常な場合のエンコーダの波形を示す図である。ノイズがある場合のエンコーダの波形を示す図である。全体の中での通常時のイニシャライズのフローシーケンス図である。通常動作時のイニシャライズ処理のフロー図である。機械部の動作抵抗特性（モータ可動域の特性変化）を示す図である。全閉、全開位置へのイニシャライズ処理とダイナミックレンジの説明図である。リトライ処理の説明図である。イニシャライズ処理の模式図である。定速度制御とＰＩＤ制御の比較を示す図である。定速度制御とＰＩＤ制御の組み合わせの例である。全域ＰＩＤ駆動（１）の場合の説明図である。全域ＰＩＤ駆動（２）の場合の説明図である。図１３の制御フロー図である。図１４の制御フロー図である。図１５の制御フロー図である。ＲＡＭバックアップ方式の構成図である。不揮発性メモリを外部に配置した場合の構成例である。イニシャライズ処理の目安となるフロー図である。

符号の説明

１；ターボチャージャ、１ａ；可動翼、２；モ−タ、２ａ；ギヤ、２ｂ；ピニオンギヤ、２ｃ；ホイールギヤ、２ｄ；ロッド、２ｅ；可動リンク、２ｆ；モータ出力軸、３；エンコーダ、４；ホール素子、５；制御装置、６；他の制御装置、６ａ；他の制御装置からの目標開度信号、７；ウオームギヤ、８；Ｉ／Ｆ回路、９；ＣＰＵ、１０；モータドライバ、１３；コミュニケーションドライバ、１４；Ａ／Ｄ変換器、１５；ＲＡＭ、１６；ＲＯＭ。

Claims

回転軸出力により可変リンクを介して自動車のターボチャージャへの吸入空気導入路の通路を可動翼により開閉させるモータと、与えられた目標開度により前記モータを回転させるとともに前記可動翼の開度を検出するエンコーダとを有し、前記吸入空気導入路の通路の可動翼を目標開度になるように制御するモータ駆動による位置制御装置であって、前記位置制御装置は、可動翼を閉める方向の停止位置及び前記可動翼を開く方向の停止位置までモータを回転制御し、前記停止位置を前記モータの動作基準開度点とし、前記両停止位置間を前記モータの駆動動作範囲とし、前記吸入空気導入路の通路を目標開度になるように制御し、前記モータの回転制御は予め定められた開度ずつ順次可動翼の開方向に目標開度を変えてＰＩＤ制御を実施したとき、前記エンコーダでカウントされる開度位置が変化しない状態が所定時間継続したとき、その位置を前記可動翼の開方向停止位置とし、前記モータの回転制御は予め定められた開度ずつ順次可動翼の閉方向に目標開度を変えてＰＩＤ制御を実施したとき、前記エンコーダでカウントされる開度位置が変化しない状態が所定時間継続したとき、その位置を前記可動翼の閉方向停止位置とするものであることを特徴とするモータ駆動による位置制御装置。
請求項１において、前記位置制御装置は、前記可動翼を初期位置から前記閉方向停止位置に移動した後に前記開方向に移動させる場合、前記全閉方向停止位置から前記初期位置までは一挙に移動させ、その後は予め定められた開度ずつ目標開度を変えて前記ＰＩＤ制御を実施するものであることを特徴とするモータ駆動による位置制御装置。