JPH04321103A - スロットル操作用アクチュエータ駆動装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関制御装置等に
用いるアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の回転速度を設定値に保つよう
に制御する内燃機関制御装置においては、内燃機関への
燃料の供給量を調節する手段として電磁石形のアクチュ
エータを用い、機関の回転速度を設定値に保つために必
要なアクチュエータの操作量を演算して、該操作量を示
す信号に応じてアクチュエータに駆動電流を供給して、
アクチュエータを所望の変位量だけ変位させるようにし
ている。

【０００３】この種の目的に用いられるアクチュエータ
は、励磁コイルを有する固定子と、第１の位置と第２の
位置との間を直線変位または回動変位するように設けら
れていて固定子により第１の位置から第２の位置側に直
線駆動または回転駆動される可動子と、可動子を第１の
位置側に復帰させるように付勢するリターンスプリング
とを備えている。

【０００４】図８は回転変位形のアクチュエータにより
内燃機関のスロットルバルブを操作するようのした例を
示したもので、同図において１はほぼコの字形の鉄心２
に励磁コイル３を巻回した固定子、４は鉄心２の両端に
形成された磁極面２ａ，２ａ間に配置された回転形の可
動子で、可動子４は鉄心１と同様に鋼板を積層したもの
からなっている。可動子４は図示しないフレームに軸受
を介して回転自在に支持された回転軸５に取付けられて
いる。

【０００５】回転軸５にはまた出力レバー６が取付けら
れ、鉄心２に固定されたピン７及びレバー６にリターン
スプリング８の一端及び他端がそれぞれ固定されている
。固定子１と可動子４と回転軸５と出力レバー６とリタ
ーンスプリング８により電磁石形のアクチュエータ９が
構成されている。

【０００６】可動子４はその磁極面４ａ，４ａの約１割
が鉄心２の磁極面２ａ，２ａに対向する状態になる第１
の位置と、図示のように磁極面４ａ，４ａの９割以上が
鉄心２の磁極面２ａ，２ａに対向する状態になる第２の
位置との間を回動変位し得るようにその回動範囲が規制
されており、励磁コイル３が励磁されたときに第１の位
置から第２の位置側に回転駆動されるようになっている
。リターンスプリング８は、可動子４を第１の位置側に
（図２において時計方向に）付勢するように設けられて
いて、励磁コイル３が励磁されていない状態ではリター
ンスプリング８の付勢力により可動子４が第１の位置に
保持されるようになっている。

【０００７】図８において１０は内燃機関のキャブレタ
ーの吸気量を調節するスロットルで、スロットルボディ
１１と、該スロットルボディに軸受を介して支持された
スロットル軸１２に取付けられたスロットルバルブ１３
とからなり、スロットル軸１２にスロットルレバー１４
が取付けられている。

【０００８】スロットルレバー１４はアクチュエータ９
の出力レバー６にリンクロッド１５を介して連結され、
アクチュエータの可動子４の回動に伴ってスロットルバ
ルブ１３が開閉操作されるようになっている。この例で
は、アクチュエータの可動子４が第２の位置にある図示
の状態でスロットルバルブ１３が全開状態になり、可動
子が図示しない第１の位置にあるときにスロットルバル
ブ１３が全閉状態になるようになっている。

【０００９】上記のようなアクチュエータ９は、励磁コ
イル３に流す平均駆動電流Ｉに対してその動作角（可動
子の回転角）θａ　が直線的に変化する範囲で使用され
る。この使用範囲では、図３に示すように発生トルクτ
ａ　は動作角θａ　に対して一定値を示し、その大きさ
は、励磁コイル３に流す駆動電流Ｉに比例する。図３に
おいて駆動電流値Ｉ１　，Ｉ２　，…Ｉ６はＩ１　＜Ｉ
２　＜…＜Ｉ６　の関係にある。図３の横軸に示した「
閉」位置及び「開」位置はそれぞれスロットルバルブが
全閉状態及び全開状態になる可動子の第１の位置及び第
２の位置を示している。

【００１０】図３に示した破線の直線はアクチュエータ
の可動子の動作角θａとリターンスプリング８の反力τ
ｂ　との関係を示したもので、駆動電流Ｉ１　，Ｉ２　
，…，Ｉ６がそれぞれ与えられたときに可動子４は、発
生トルクτａ　とスプリングの反力τｂ　とが釣り合う
位置Ｐ１，Ｐ２　，…Ｐ６　で停止する。そのため、励
磁コイル３に流す平均駆動電流Ｉとスロットル開度θｓ
との関係（静特性）は、図７に示すように直線的な関係
になる。

【００１１】しかしながら、機関の運転中は、図８のス
ロットル１０を吸気が通過するため、スロットルバルブ
の開度に応じてその面圧が変化し、スロットル軸１２の
軸摩擦トルクτｓ　とスロッル開度θｓ　との関係は、
図４に示すように非線形になる。軸摩擦トルクτｓ　は
、スロットル開度θｓ　が「閉」側に変化すればする程
増加する傾向になる。スロットルバルブを動かすために
は、アクチュエータの発生トルクとスプリング反力との
差が軸摩擦トルクτｓ　を超える必要がある。即ち、各
スロットル開度θｓ　において、軸摩擦トルクτｓ　よ
りも大きな発生トルク或いはスプリング反力が作用する
まで駆動電流を変化させないとスロットルバルブを動か
すことができない。そのため、実際のスロットル開度θ
ｓ　の直流駆動電流Ｉ´に対する特性は図７の静特性の
ようにはならず、図６に示したように大きなヒステリシ
スを有する特性となる。

【００１２】軸摩擦トルクτｓ　は、開側、閉側の両方
向に作用するため、図６に示した特性のヒステリシス電
流Δｉによる差動トルクは、軸摩擦トルクτｓ　の２倍
に相当する。このヒステリシス電流Δｉと平均駆動電流
Ｉとの関係は図５の曲線ｂのようになり、図４の軸摩擦
トルクとスロットル開度との関係に類似する。これは図
７に示すように、スロットル開度θｓ　と平均駆動電流
Ｉとが直線的な関係にあるからである。

【００１３】図６に示したようなヒステリシス特性を改
善することを狙ったアクチュエータの駆動装置として、
特開昭５９−６６７１９号に示されたものがある。この
装置では、アクチュエータの励磁コイルに流す駆動電流
をパルス波形とし、アクチュエータの可動子の位置を検
出する位置センサの出力信号と目標位置を示す信号との
偏差を零にするように、アクチュエータの駆動電流パル
スのデューティを制御することにより、アクチュエータ
の可動子の位置を制御する。またアクチュエータの可動
子の位置に応じたヒステリシス特性をあらかじめ記憶装
置に記憶させておき、位置センサが検出した各位置にお
けるヒステリシス幅を記憶装置から読み出すことにより
、可動子の各位置におけるヒステリシス幅を推定する。 そして推定したヒステリシス幅に応じたディサ信号をア
クチュエータの駆動電流パルスの周期に同期させて発生
させ、このディサ信号を駆動電流パルスに加えることに
より可動子の位置に応じてパルスのデューティを制御し
てヒステリシスの軽減を図る。

【００１４】従来のアクチュエータ駆動装置は、アクチ
ュエータの可動子の各位置において少なくともヒステリ
シス電流Δｉに相当する分だけの電流変化を付加するこ
とにより、発生トルクを軸摩擦トルク分だけ変化させて
、ヒステリシス特性を改善しようとするものである。 即ち、図５の曲線ｂはアクチュエータの駆動電流に加え
るべき必要最低限のディサ信号を示している。

【００１５】尚図５の曲線ｃは、有効限界のディサ信号
を示しており、これ以上のディサ信号を加えると、ディ
サ信号によるトルク変動が大きくなって可動子が振動し
、制御上好ましくない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のアクチュエータ駆動装置で用いられているヒステリ
シスの軽減策は、アクチュエータの可動子の位置を検出
する位置センサが設けられている場合にのみ可能であり
、位置センサによる位置制御が行われないアクチュエー
タの場合には、ヒステリシスの軽減のためのみに特別に
位置センサを設ける必要があって面倒であった。また従
来のヒステリシス軽減策は、ヒステリシス特性を記憶さ
せる記憶装置を必要とするため、マイクロコンピュータ
による制御を行う場合以外には適用することが困難であ
り、汎用性が乏しかった。

【００１７】本発明の目的は、位置センサや記憶装置が
設けられていない場合でも容易にヒステリシスの軽減を
図って、アクチュエータの動作特性を良好にすることが
できるようにしたアクチュエータ駆動装置を提供するこ
とにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、励磁コイルを
有する固定子と、第１の位置と第２の位置との間を直線
変位または回動変位するように設けられていて固定子に
より第１の位置から第２の位置側に直線駆動または回転
駆動される可動子と、可動子を第１の位置側に復帰させ
るように付勢するリターンスプリングとを備えたアクチ
ュエータを駆動するアクチュエータ駆動装置に係わるも
のである。

【００１９】本考案においては、アクチュエータの所望
の変位量に比例した大きさを有する操作量信号を発生す
る操作量信号発生部と、操作量信号の大きさに比例した
周波数の制御信号を発生する電圧／周波数変換器と、制
御信号を入力として、入力信号の周波数に等しい周波数
で一定のパルス幅のパルス信号を出力するパルス発生器
と、パルス発生器から出力されるパルス信号を入力とし
て、各パルス信号が発生している間だけ直流電源から励
磁コイルに駆動電流を流す駆動回路とを設けた。

【００２０】

【作用】上記のように構成すると、パルス発生器は、図
２（Ａ）または（Ｂ）に示したように、一定のパルス幅
を有するパルス電圧を発生する。このパルス電圧の周波
数はアクチュエータの所望の変位量に比例している。図
２（Ａ），（Ｂ）はアクチュエータの所望の変位量が異
なる場合にパルス発生器から得られるパルス電圧Ｖの波
形と励磁コイルに流れる駆動電流ｉの波形とを示してお
り、同図（Ａ）は同図（Ｂ）に対してパルスの周波数が
１／２となっている。

【００２１】尚この例では、アクチュエータにおいて通
常行われているように、励磁コイルの両端にフライホイ
ールダイオードが並列接続されていて、パルスの休止期
間も該フライホイールダイオードを通して電流が流れ続
けるものとしている。

【００２２】駆動電流は各パルス電圧Ｖが発生している
間に所定の時定数で上昇し、パルス電圧の休止期間に所
定の時定数で減少していく。アクチュエータに流れる平
均駆動電流Ｉはパルスの周波数に比例するため、アクチ
ュエータの所望の変位量（操作量信号）にも比例してい
る。従ってアクチュエータの可動子は操作量信号により
与えられる所望の変位量だけ変位する。

【００２３】図２の駆動電流波形のピーク値と底値との
差をリップル値ｉｐｐとすると、アクチュエータの平均
駆動電流Ｉとリップル値ｉｐｐとの関係は図５の曲線ａ
のようになる。この曲線ａは最低限のディサ信号を示す
図５の曲線ｂと、有効限界のディサ信号を示す図５の曲
線ｃとの間に位置させることができる。

【００２４】即ち、本発明によると、位置センサを用い
ることなく、またヒステリシス特性を記憶させる記憶装
置を用いることなく、駆動電流のリップル分をディサ信
号として、ヒステリシスを生じさせることなく、アクチ
ュエータを駆動することができる。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の実施例の構成を示したもので
、この例では、内燃機関１６のスロットル１０にアクチ
ュエータ９を連結し、内燃機関の回転数を検出して、該
回転数を設定回転数に一致させるようにアクチュエータ
を制御する。

【００２６】この例では９は図８に示したものと同様な
アクチュエータで、このアクチュエータの励磁コイル３
にはフライホイールダイオード２０が並列接続されてい
る。２１はトランジスタ２２をスイッチング素子とした
駆動回路で、トランジスタ２２はそのコレクタエミッタ
間回路が励磁コイル３に対して直列に接続されている。 励磁コイル３とトランジスタ２２との直列回路の両端に
直流電源２３の出力電圧が印加され、トランジスタ２２
のベースにパルス電圧Ｖが与えられている間だけ該トラ
ンジスタ２２が導通して励磁コイル３に駆動電流ｉを流
すようになっている。パルス電圧Ｖが休止している期間
はトランジスタ２２が遮断状態になるが、トランジスタ
２２が遮断している期間は、励磁コイルに蓄えられたエ
ネルギーによりダイオード２０を通して電流ｉが流れる
。

【００２７】内燃機関１６の回転数Ｎ［ｒｐｍ］を検出
するため、回転数に比例した周波数ｆの信号を出力する
回転数センサ２５が設けられ、この回転数センサ２５の
出力は周波数／電圧変換器２６に入力されて、機関の回
転速度に比例した速度検出信号Ｖｎ　に変換される。こ
の速度検出信号Ｖｎ　は、速度設定器２７から得られる
速度設定信号ＶｎｏとともにＰＩＤ演算器２８に入力さ
れている。ＰＩＤ演算器２８は、速度検出信号Ｖｎ　と
速度設定信号Ｖｎｏとの偏差に比例、積分、微分演算を
施して、該偏差を零にするために必要なアクチュエータ
の操作量（所望の変位量）を示す操作量信号ＶＱ　を出
力する。

【００２８】本実施例では、回転数センサ２５と、周波
数／電圧変換器２６と、速度設定器２７と、ＰＩＤ演算
器２８とにより、アクチュエータの所望の変位量に比例
した大きさを有する操作量信号を発生する操作量信号発
生部３０が構成されている。操作量信号ＶＱ　は、電圧
／周波数変換器３１に入力されて操作量に比例した周波
数ｆθの制御信号に変換され、この制御信号はパルス発
生器３２に入力されている。パルス発生器３２は例えば
単安定マルチバイブレータからなっていて、パルス幅ｔ
ｐ　が一定で、周波数ｆθ´が制御信号の周波数ｆθに
等しい図２（Ａ），（Ｂ）に示すような矩形波パルス電
圧Ｖを発生する。このパルス電圧は駆動回路２２に与え
られ、駆動回路２２はパルス電圧Ｖが与えられている間
だけトランジスタ２２を導通させて直流電源２３から励
磁コイル３に駆動電流ｉを流す。駆動電流ｉは各パルス
電圧Ｖが発生している間に所定の時定数で上昇し、パル
ス電圧の休止期間に所定の時定数で減少していく。アク
チュエータの励磁コイルに流れる平均駆動電流Ｉは、パ
ルス電圧Ｖの周波数に比例し、アクチュエータの所望の
変位量（操作量信号）にも比例している。従ってアクチ
ュエータの可動子４は操作量信号により与えられる所望
の変位量だけ変位することになる。

【００２９】図２の駆動電流波形のピーク値と底値との
差をリップル値ｉｐｐとすると、アクチュエータの平均
駆動電流Ｉとリップル値ｉｐｐとの関係は図５の曲線ａ
のようになる。

【００３０】図８の可動子４を固定した場合には、励磁
コイル３のインダクタンスがほとんど一定となるため、
平均駆動電流Ｉとリップル値ｉｐｐとは反比例し、両者
の関係は直線的な関係になるが、現実には、可動子の変
位に伴ってインダクタンスが変化するため、直線的な関
係にはならない。励磁コイルに流す平均駆動電流Ｉが小
さい程、可動子の動作角θが小さいため、平均駆動電流
Ｉが小さい程可動子４の磁極面４ａと固定子の磁極面２
ａとの対向面積が狭くなり、励磁コイル３のインダクタ
ンスが小さくなる。そのため、平均駆動電流Ｉが小さけ
れば小さいほど励磁コイル３の時定数が小さくなり、リ
ップル値ｉｐｐが大きくなる。従って、図５のａの特性
は、図示のように反比例関係よりも左上がりの特性とな
り、図４に示した軸摩擦トルク特性によるヒステリシス
を補正する上で有利な特性となる。

【００３１】図５の曲線ａは最低限のディサ信号を示す
曲線ｂと、有効限界のディサ信号を示す曲線ｃとの間に
位置させることができるので、曲線ａのように平均駆動
電流に対してリップル値ｉｐｐが変化する駆動電流ｉを
流すことにより、位置センサを用いることなく、またヒ
ステリシス特性を記憶させる記憶装置を用いることなく
、ヒステリシスを無くすことができ、図７に示すような
、ヒステリシスがない動作特性を得ることができる。

【００３２】上記の実施例では、回転形のアクチュエー
タによりバタフライバルブ式のスロットルを操作するよ
うにしたが、ピストンバルブ式のスロットルの場合にも
同様な軸摩擦特性を有するため、本発明を適用すること
ができる。また本発明を適用できるアクチュエータ回転
式のものに限られるものではなく、可動子が直線運動す
るプランジャ式のアクチュエータにも本発明を適用する
ことができる。

【００３３】また本発明においてアクチュエータにより
駆動する負荷はスロットルバルブに限られるものではな
く、アクチュエータの可動子の変位に伴って軸摩擦トル
クが図４に示すように変化する負荷を駆動する場合に広
く本発明を適用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、アクチュ
エータの励磁コイルに流す駆動電流の波形を一定のパル
ス幅を有するパルス波形とし、その周波数をアクチュエ
ータの所望の変位量に比例させることにより、アクチュ
エータの駆動電流のリップル分をディサ信号としてヒス
テリシスを補正するようにしたので、位置センサを用い
ることなく、またヒステリシス特性を記憶させる記憶装
置を用いることなく、ヒステリシスを無くしてアクチュ
エータの動作特性を良好にすることができる利点がある
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図である
。

【図２】（Ａ）は本発明の実施例で用いるパルス発生器
から得られるパルス電圧波形及び駆動電流波形を示した
波形図である。（Ｂ）はパルスの周波数を（Ａ）の２倍
とした場合のパルス電圧波形及び駆動電流波形を示した
波形図である。

【図３】本発明の実施例で用いるアクチュエータの動作
角と発生トルクとの関係を、駆動電流をパラメータとし
て示した線図である。

【図４】本発明の実施例で用いるアクチュエータにより
スロットルバルブを操作する場合の軸摩擦トルク特性を
示した線図である。

【図５】本発明の実施例における平均駆動電流とリップ
ル電流との関係及び平均駆動電流とヒステリシス電流と
の関係を示した線図である。

【図６】内燃機関のスロットルバルブを操作するアクチ
ュエータに直流駆動電流を流した場合に生じるヒステリ
シス特性を示した線図である。

【図７】ヒステリシスがない場合のスロットル開度と平
均駆動電流との関係を示した線図である。

【図８】本発明の実施例で用いるアクチュエータと該ア
クチュエータにより駆動するスロットルバルブとを示し
た斜視図である。

【符号の説明】

１…固定子、２…鉄心、３…励磁コイル、４…可動子、
５…回転軸、６…出力レバー、８…リターンスプリング
、１０…スロットル、１３…スロットルバルブ、１５…
リンクロッド、１６…内燃機関、２０…フライホイール
ダイオード、２１…駆動回路、２３…バッテリ、２５…
回転数センサ、２６…周波数／電圧変換器、２７…速度
設定器、２８…ＰＩＤ演算器、３１…電圧周波数変換器
、３２…パルス発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　励磁コイルを有する固定子と、第１の
   位置と第２の位置との間を直線変位または回動変位する
   ように設けられていて前記固定子により第１の位置から
   第２の位置側に直線駆動または回転駆動される可動子と
   、前記可動子を第１の位置側に復帰させるように付勢す
   るリターンスプリングとを備えたアクチュエータを駆動
   するアクチュエータ駆動装置において、前記アクチュエ
   ータの所望の変位量に比例した大きさを有する操作量信
   号を発生する操作量信号発生部と、前記操作量信号の大
   きさに比例した周波数の制御信号を発生する電圧／周波
   数変換器と、前記制御信号を入力として、入力信号の周
   波数に等しい周波数で一定のパルス幅のパルス信号を出
   力するパルス発生器と、前記パルス発生器から出力され
   るパルス信号を入力として、各パルス信号が発生してい
   る間だけ直流電源から前記励磁コイルに駆動電流を流す
   駆動回路とを具備したことを特徴とするアクチュエータ
   駆動装置。