JP4722394B2

JP4722394B2 - 直流モータのサーボ制御装置

Info

Publication number: JP4722394B2
Application number: JP2003529618A
Authority: JP
Inventors: 陽一藤田; 敏川村; 帥男三好
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: EP1429447B1; US20040012364A1; US6836091B2; WO2003026122A1; KR20030044041A; EP1429447A4; JPWO2003026122A1; KR100531736B1; EP1429447A1

Description

この発明は機械的な位置や角度を制御するサーボ機構の制御対象例えば排気ガスの再循環系中に備わる排気ガス再循環「以下、ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と称する」バルブ、スロットルバルブ、ターボチャージャーのアクチュエータ等を制御する直流モータのサーボ制御装置に関するものである。

第１図はエンジンＥの排気通路ａと吸気通路ｂを連通する排気還流通路ｃに配置したＥＧＲバルブのバルブ１１を制御対象としたもので、制御部５０の出力で直流モータ２１を駆動して、バルブ１１の開度を制御する。
第２図はサーボ制御装置を適用した直流モータ２１を駆動源とするＥＧＲバルブの構成を示す縦断面図である。第２図において、１は排気ガスの再循環系中に介在する排気還流通路ｃと連通する通路が内部に形成されたバルブボディであり、バルブ１１が図のように上動してシート１２に接することによって排気還流通路が閉じられ、バルブ１１が下動してシート１２から離れることによって排気還流通路ｃが開かれる。
２１は排気ガス通路を開閉するバルブの駆動手段（トルク発生源）となる直流モータ、２２はバルブボディ１に取り付けたモータケース、２３はモータケース２２内に軸受２４，２５を介して回転自在に支持されたロータであり、このロータ２３は、軸心部を貫通するネジ孔２３ａを有している。２６はロータ２３の外周に取り付けられたマグネット、２７はマグネット２６の外周を囲饒するステータコアであり、このステータコア２７と前記マグネット２６との間には所定のギャップが形成されている。
２８はステータコア２７に配置されてステータを構成するコイル、２９はバルブ駆動軸となるモータシャフトであり、このモータシャフト２９はスクリューシャフトからなって前記ロータ２３のネジ孔２３ａに螺合され、前記ロータ２３の回転によって軸方向に移動するようになっている。
３０はモータシャフト２９と一体形成されたバルブシャフト当接部材であり、このバルブシャフト当接部材３０の突端（第１図の下端）には、先端に前記バルブ１１を有するバルブシャフト１３の上端を当接させることで、そのバルブシャフト１３を前記モータシャフト２９の軸方向移動に追従させて前記バルブ１１を開閉動作させるようになっている。
３１はモータケース２２におけるバルブシャフト当接部材３０側の端面に取り付けられたカバー部材、３２はバルブシャフト当接部材３０の突端側に取り付けられたスプリング係合部材、３３はそのスプリング係合部材３２と前記カバー部材３１との間に懸架したバルブ付勢用のスプリングであり、このスプリング３３は、バルブシャフト当接部材３０を介してバルブシャフト先端のバルブ１１を開方向に付勢するものである。３４はロータ２３と一体に回転する整流子（コミュテータ）であって、中心部に軸孔３４ａを有している。
３５はモータケース２２の整流子３４側の開口端部に取り付けられた電源側ケースであり、この電源側ケース３５は合成樹脂の一体成型品からなって直流モータ２１の通電装置本体を構成するもので、前記バルブの開度を検出するポジショシセンサ（図示せず）を内蔵したセンサ内蔵部３６およびコネクタ端子を内蔵した入出力コネクタ部３７を一体に有している。
３８は電源側ケース３５における整流子３４との対向壁部に一体形成されたブラシ保持筒部、３９はそのブラシ保持筒部３８内に摺動自在に嵌挿された通電用のブラシである。このブラシ３９はカーボン粉十銅紛からなっており、リード線（図示せず）を介して前記入出力コネクタ部３７のコネクタ端子に接続されている。

次に動作について説明する。ブラシ３９、整流子３４を介してコイル２８に通電されることにより、そのコイル２８に発生した磁界とマグネット２６の磁界との相互作用でロータ２３に回転トルクが発生する。その回転トルクでロータ２３が回転すると、ロータ２３のネジ孔２３ａに螺合したモータシャフト２９がネジ送りされて軸方向に直線移動する。
ここで、モータシャフト２９が第１図中で下方向に移動する場合には、そのモータシャフト２９でバルブシャフト当接部材３０がスプリング３３の付勢力の方向に押し動かされることにより、そのバルブシャフト当接部材３０に当接されたバルブシャフト１３を介してバルブ１１が開動する。そして、バルブ１１が目標位置近傍に移動して、現在値と目標値との差がほぼ等しくなると、バルブ１１をリターンスプリング１８の復元力に抗してその位置に保持するだけの電力を直流モータ２１に供給する。
一方、直流モータ２１のロータ２３が上記とは逆方向に回転すると、モータシャフト２９が第１図中で上方向に移動し、このモータシャフト２９と一体のバルブシャフト当接部材３０に当接しているバルブシャフト１３が、リターンスプリング１８の復元力によってモータシャフト２９に追従移動してバルブを閉動する。
第３図は上記直流モータ２１の駆動を制御するサーボ制御装置を示す回路構成の１例を示すもので、第３図において、４１はポジションセンサであり、このポジションセンサ４１は電源供給端子から定電圧が印加される抵抗体４２上にて移動する可動接点部４３を備えており、この可動接点部４３がモータ２１の回動に伴ってモータシャフト２９が移動することにより、その移動位置、つまりバルブ位置に応じた電圧が検出信号として出力される。
４４はコントローラユニットであり、このコントローラユニット４４は、バルブポジションセンサ４１からの検出信号を入力するＡ／Ｄ入力ポート４５、このＡ／Ｄ入力ポート４５の出力を読み込むフィルタ４６、このフィルタ４６の出力と目標値決定部４７の出力とに基づいてＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部４８、このＰＩ制御演算部４８の出力に基づいて励磁デューティ（ＤＵＴＹ）演算を行う励磁切替え、デューティ演算部４９、この励磁切替え、デューティ演算部４９の出力に基づいてＯＮ信号を出力するデジタル出力ポート５０およびＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ出力ポート５１を備えている。
５２は直流モータ２１に対する通電を制御するスイッチング回路であり、直流モータ２１の＋側端は直列接続された半導体スイッチング素子（以下、スイッチ素子と称する）５３，５４の接続点に、また−側端は直列接続された半導体スイッチング素子（以下、スイッチ素子と称する）５５，５６の接続点に接続されている。
上記スイッチ素子５３，５５には、デジタル出力ポート５０の出力によってＯＮするトランジスタ５７，５８が接続され、上記スイッチ素子５４，５６には、ＰＷＭ出力ポート５１の出力によってＯＮ／ＯＦＦするトランジスタ５９，６０が接続されている。
次に動作について説明する。
目標値決定部４７で目標値が決定されると、ポジションセンサ４１で検出され、Ａ／Ｄ入力ポート４５，フィルタ４６を介して入力された現在のバルブ位置に対応する検出値と上記目標値とに基づいて、ＰＩ制御演算部４８でＰＩ制御演算を行い、その演算結果に基づいて励磁切替え、デューティ演算部４９で励磁デューティ演算を行う。
デジタル出力ポート５０は励磁切替え、デューティ演算部４９の出力に基づいて、ａ端子にＯＮ信号を出力し、トランジスタ５７を介してスイッチ素子５３を導通させて、直流モータ２１の＋端子を電源印加端子Ｖに接続する。一方、ＰＷＭ出力ポート５１は励磁切替え、デューティ演算部４９の出力に基づいて、出力端子ｂにＰＷＭ信号を出力してトランジスタ６０を介してスイッチ素子５６の導通を制御し、直流モータ２１の−端子をアースＥに接続して実線矢印方向の電流を流す。
これにより、直流モータ２１のロータ２３は回転し、この回転によってモータシャフト２９を下動させ、この下動によってバルブシャフト１３をリターンスプリング１８に抗して同方向に作動させ、バルブ１１を目標位置へ移動させて開弁する。そして、バルブ１１が目標位置近傍に移動して、ポジションセンサ４１で検出された現在のバルブ位置の検出値と目標値との差がほぼ等しくなったことをＰＩ制御演算部４８で認識すると、このＰＩ制御演算部４８の出力信号に応じて励磁切替え、デューティ演算部４９で演算し、この演算されたデューティに基づいて、バルブ１１をリターンスプリング１８の復元力に抗して、その目標開弁位置に保持するだけの電力を直流モータ２１に供給する。

従来の直流モータを適用したサーボ機構は以上のように構成されているので、以下のような原因によって、目標開弁付近におけるサーボ制御時にバルブに振れが発生する。
（１）モータの通電電流の変動に起因して部分的なトルクの変動が生じるため、フイードバック制御をしようとする被駆動体であるバルブが目標近傍で安定しない。
（２）センサ出力読み込み時、そのセンサ出力にモータノイズが混入すると、精度良くセンサ出力を読み込むことができないため、そのセンサ出力に基づいて制御される被駆動体であるバルブが目標近傍で安定しない。
このバルブの振れの発生によって、バルブを目標位置に安定して停止させることができな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消するためになされたもので、直流モータのサーボ制御時の振れを低減する振れ対策装置を得ることを目的とする。

この発明に係る直流モータのサーボ制御装置は、被駆動体を復元力に抗して駆動する直流モータと、前記被駆動体の移動位置を検出するポジションセンサと、このポジションセンサの検出値に基づいて前記被駆動体の移動速度を検出する速度検出部および該被駆動体の偏差を検出する偏差検出部と、この検出された移動速度および偏差と目標値決定部で予め定めた目標値を入力してＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、前記移動速度および偏差から定常領域であるかを判定し、定常領域判定時の出力信号によって前記ＰＩ制御演算部を起動させてＰＩ制御演算を実行させる定常判定部と、このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記直流モータの給電制御信号を出力する励磁切替え、デューティ演算部とを備えたものである。
また、この発明に係る直流モータのサーボ制御装置は、被駆動体を復元力に抗して駆動する直流モータと、前記被駆動体の移動位置を検出するポジションセンサと、このポジションセンサの検出値と目標値決定部で予め定めた目標値を入力してＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記直流モータの給電制御信号を出力する励磁切替え、デューティ演算部と、前記直流モータの通電電流を検出する電流検出部と、この電流検出部の検出値に基づいて前記通電電流の変動を抑制するように励磁切替え、デューティ演算部を制御する制御部とを備えたものである。

この発明に係る直流モータのサーボ制御装置は、被駆動体を復元力に抗して駆動する直流モータと、前記被駆動体の移動位置を検出するポジションセンサと、このポジションセンサの検出値に基づいて前記被駆動体の移動速度を検出する速度検出部および該被駆動体の偏差を検出する偏差検出部と、この検出された移動速度および偏差と目標値決定部で予め定めた目標値を入力してＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、前記移動速度および偏差から定常領域であるかを判定し、定常領域判定時の出力信号によって前記ＰＩ制御演算部を起動させてＰＩ制御演算を実行させる定常判定部と、このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記直流モータの給電制御信号を出力する励磁切替え、デューティ演算部とを備え、ポジションセンサからの検出値を３回読み取り、その２番目に大きな検出値を採用するものである。このことによって、バルブを目標開弁近傍である定常領域に保持する場合における振れを低減することができる。また、ブラシ付直流モータのブラシ部分から発生するノイズがポジションセンサに誘導されて急峻なノイズになり、このノイズがポジションセンサの検出値として入力されても、このノイズを除いてポジションセンサの検出値を入力することができ、直流モータのサーボ制御を正確に行うことができる。

この発明に係る直流モータのサーボ制御装置は、被駆動体を復元力に抗して駆動する直流モータと、前記被駆動体の移動位置を検出するポジションセンサと、このポジションセンサの検出値と目標値決定部で予め定めた目標値を入力してＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記直流モータの給電制御信号を出力する励磁切替え、デューティ演算部と、前記直流モータの通電電流を検出する電流検出部と、この電流検出部の検出値に基づいて前記通電電流の変動を抑制するように励磁切替え、デューティ演算部を制御する制御部とを備え、ポジションセンサからの検出値を３回読み取り、その２番目に大きな検出値を採用するものである。このことによって、直流モータの通電電流の急激な変動によるトルク変動を抑制し、被駆動体の振れ発生を防止することができる。また、ブラシ付直流モータのブラシ部分から発生するノイズがポジションセンサに誘導されて急峻なノイズになり、このノイズがポジションセンサの検出値として入力されても、このノイズを除いてポジションセンサの検出値を入力することができ、直流モータのサーボ制御を正確に行うことができる。

エンジン排気系の概略説明図である。ＥＧＲバルブの構成を示す縦断面図である。直流モータの制御回路図である。バルブの開度特性図である。実施の形態１による直流モータのサーボ制御装置における直流モータの制御回路図である。モータの通電電流に対するポジションセンサ出力の関係を示す波形図である。実施の形態２による直流モータのサーボ制御装置における直流モータの制御回路図である。センサ出力の読み込みに誤差が生じることを説明する図である。

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を添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
第４図は直流モータのサーボ制御時における制御特性図であり、Ａは定数ＰＩを変化させない非定常領域、Ｂは定数ＰＩを変化させる定常領域である。この定常領域判定は、偏差「変位（現在値-目標値）＜定常判定変位（実験により予め定めた値）」と、速度「速度＜定常判定速度（実験により予め定めた値）」の条件成立時に定常領域と判定する。

第５図は実施の形態１の構成を示す直流モータのサーボ制御回路図である。第５図において、６６はＡ／Ｄ入力ポート４５、フィルタ４６を介して読み込んだポジションセンサ４１の出力に基づいて速度を検出する速度検出部、６７はＡ／Ｄ入力ポート４５、フィルタ４６を介して読み込んだポジションセンサ４１の出力に基づいて偏差を検出する偏差検出部、６８は速度検出部６６，偏差検出部６７の出力に基づいて定常判定を行い、定常判定時にはＰＩ制御演算部４８にＰＩ制御演算を実行させる定常判定部であり、他の構成は前記第３図に示した従来の回路構成と同じであるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

次に動作について説明する。
目標値決定部４７で目標値が決定されると、ポジションセンサ４１で検出され、Ａ／Ｄ入力ポート４５，フィルタ４６を介して入力された現在のバルブ位置に対応する検出値と上記目標値とに基づいて、速度検出部６６で速度を、偏差検出部６７で偏差を検出し、この検出された速度信号と偏差信号とに基づいて定常判定部６８で定常判定を行い、定常判定でない、つまり、第４図に示す非定常Ａ領域の場合は、ＰＩ制御演算部４８は演算動作を行わない。このため、励磁切替え、デューティ演算部４９は予め定められたデューティ信号をＰＷＭ出力ポート５１に出力する。

デジタル出力ポート５０は励磁切替え、デューティ演算部４９の出力に基づいて、ａ端子にＯＮ信号を出力し、トランジスタ５７を介してスイッチ素子５３を導通させて、直流モータ２１の＋端子を電源印加端子Ｖに接続する。一方、ＰＷＭ出力ポート５１は励磁切替え、デューティ演算部４９の出力に基づいて、出力端子ｂにＰＷＭ信号を出力してトランジスタ６０を介してスイッチ素子５６の導通／非導通を制御し、直流モータ２１の−端子をアースＥに接続して実線矢印方向の電流を流す。

これにより、直流モータ２１を作動させ、そのロータ２３の回転によってモータシャフト２９を下動させ、この下動によってバルブシャフト１３をリターンスプリング１８に抗して同方向に作動させ、バルブ１１を目標位置へ移動させて開弁する。そして、バルブ１１が目標位置近傍に移動したこと、つまり、定常領域に入ったことを、上記速度及び偏差の検出信号に基づいて定常判定部６８が検出すると、この定常検出部６８の定常判定出力でＰＩ制御演算部４８を起動させ、速度検出部６６からの速度信号と偏差検出部６７からの偏差信号とに基づいてＰＩ制御演算を行い、このＰＩ制御演算部４８の出力で励磁切替え、デューティ演算部４９を制御して、たとえばデューティ間隔を狭めた信号を励磁切替え、デューティ演算部４９から出力するようにする。

以上のように、この実施の形態１によれば、サーボ制御が目標位置の定常判定領域になったことを検出し、この定常判定領域内において制御定数（ＰＩ値）を可変しデューティを変化させることにより、定常領域内でのサーボ制御の制御量が大きく変動しないように、定数ＰＩを変化させることができ、定常判定領域におけるバルブの振れを低減することができる。

実施の形態２．
第６図は直流モータ２１の通電電流の変化によってポジションセンサ４１の検出信号、つまりバルブ１１の位置が変動することを示す図であり、実施の形態２はこのような変動を抑制するようにしたものである。

第７図は実施の形態２の構成を示す直流モータのサーボ制御装置の回路構成を示す図である。第７図において、７１は直流モータ２１の通電電流を検出する電流検出部であり、抵抗７２、比較器７３、入力ポート７４等で構成されている。７５は電流検出部７１の検出信号に基づいて励磁切替え、デューティ演算部４９を制御するフィードフォワード等の制御部であり、他の構成は前記第３図に示す従来例と同一の構成であるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

次に動作について説明する。
前記従来例と同様の動作によって、バルブ１１が開度方向に移動して目標値付近に達した後、直流モータ２１にリターンスプリング１８の復元力に等しい駆動力を発生させ、バルブ１１を目標位置に保持させているとき、直流モータ２１の通電電流が急変したことを電流検出部７１が検出すると、この電流検出部７１からの検出信号を入力した制御部７５で、通電電流の変動を抑制するように励磁切替え、デューティ演算部４９を制御し、直流モータ２１の通電電流変化に起因するバルブ１１の振れを防止することができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、直流モータ２１にリターンスプリング１８の復元力に等しい駆動力を発生させ、バルブ１１を目標位置に保持させてモータの通電電流が増大したとき、この電流増加を自動的に低減するので、電流の増加によるバルブ１１の振れ発生を防止することができる。

実施の形態３．
第８図は時間に対するポテンションセンサ４１の検出信号の関係を示す図であり、被駆動体であるバルブ１１の移動位置を検出したポテンションセンサ４１の検出信号の読み込み時、その検出信号にモータノイズが付加されていると、その検出信号は他の検出信号に比べて大きく変動し、正確な検出値を読み込むことができない。そこで、ポテンションセンサ４１からの検出信号を３回読み込み、その読み込んだ検出信号の２番目に大きな値、例えば第８図においてはＶ１を採用するようにしたものである。

この中間値取り出し機能は、例えば、第５図，第７図のＡ／Ｄ入力ポート４５に持たせ、その読み込んだ検出信号の２番目に大きな値をフィルタ４６に供給するものである。

以上のように、この実施の形態３によれば、読み込んだ検出信号の２番目に大きな値を採用することにより、ノイズ等によって影響を受けた検出信号を排除し、正常な検出信号のみを読み込むことができ、サーボ制御を安定して行うことができる。

以上のように、この発明に係る直流モータのサーボ制御装置は、サーボ制御における動作の安定を図るのに適している。

Claims

被駆動体を復元力に抗して駆動する直流モータと、
前記被駆動体の移動位置を検出するポジションセンサと、
このポジションセンサの検出値に基づいて前記被駆動体の移動速度を検出する速度検出部および該被駆動体の偏差を検出する偏差検出部と、
この検出された移動速度および偏差と目標値決定部で予め定めた目標値を入力してＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、
前記移動速度および偏差から定常領域であるかを判定し、定常領域判定時の出力信号によって前記ＰＩ制御演算部を起動させてＰＩ制御演算を実行させる定常判定部と、
このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記直流モータの給電制御信号を出力する励磁切替え、デューティ演算部とを備え、
前記ポジションセンサからの検出値を３回読み取り、その２番目に大きな検出値を採用することを特徴とする直流モータのサーボ制御装置。
被駆動体を復元力に抗して駆動する直流モータと、
前記被駆動体の移動位置を検出するポジションセンサと、
このポジションセンサの検出値と目標値決定部で予め定めた目標値を入力してＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部と、
このＰＩ制御演算部の出力信号に基づいて前記直流モータの給電制御信号を出力する励磁切替え、デューティ演算部と、
前記直流モータの通電電流を検出する電流検出部と、
この電流検出部の検出値に基づいて前記通電電流の変動を抑制するように励磁切替え、デューティ演算部を制御する制御部とを備え、
前記ポジションセンサからの検出値を３回読み取り、その２番目に大きな検出値を採用することを特徴とする直流モータのサーボ制御装置。