JPH0693888A

JPH0693888A - バルブ開閉制御装置

Info

Publication number: JPH0693888A
Application number: JP24615592A
Authority: JP
Inventors: Fumio Tajima; 文男田島; Hiroyuki Kanazawa; 宏至金澤; Shunichi Tanae; 俊一田苗; Shigeki Morinaga; 茂樹森永; Yasushi Sasaki; 靖佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1994-04-05

Abstract

(57)【要約】【目的】小形軽量で、安全性の高いスロットルアクチュ
エータを提供すること。【構成】バルブ開閉制御装置において、バルブを電磁的
に開閉するバルブアクチュエータとしてブラシレス型モ
ータを備えるとともにブラシレスモータの各相の巻線へ
の通電を切り替える磁極位置センサとを持ち、かつその
磁極位置センサよりバルブ開度検出機能、あるいはバル
ブの開度を示す開度センサの出力信号から前記バルブア
クチュエータの各相への電流の通電を規定する信号を発
生させるブラシレスモータ通電規定手段のうち、少なく
とも一方を備える構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバルブ開閉制御装置にか
かわり、特に、高信頼性のたかいバルブ開閉装置、例え
ば自動車のスロットルバルブ用に使用されるバルブ開閉
装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車においては、排気ガスの清
浄や燃費向上を図るため、スロットルバルブとアクセル
の機械的な連結をなくして、かわりにアクセルの踏み角
に応じて、バルブアクチュエータによってスロットルバ
ルブをコントロールする方向にある。スロットルバルブ
制御はガソリンエンジンの心臓部を制御するために特に
安全性が重要になり、又、ギヤの自動変速等にまで利用
されることから高速の応答が要求される。このバルブア
クチュエータとして直流機やステップモータが考えられ
るが、直流機ではブラシの存在により安全性に難がある
点、一方、ステップモータでは高速応答の点で劣る欠点
があった。これに対してブラシレスモータは高速性で優
れている反面、磁極位置検出器が必要なことから構成の
複雑さと磁極位置検出器の故障にともなう不安全性の欠
点があった。

【０００３】例えば、特開平1−315641 号記載（従来例
１）のスロットルバルブ開閉装置においてはブラシレス
モータをバルブアクチュエータとして使用した例につい
て記載されている。ここでは、上記の不安全性に対して
故障検出器を備えるとともに磁極位置検出器の故障時に
はステップモータ動作を行わしめることによって位置検
出器の故障時にも運転可能にして不安全性を緩和しよう
とした例について開示している。

【０００４】一方、特開昭62−206248号記載（従来例
２）においては、バルブとアクチュエータとが直結した
構成でかつブラシレスモータを使用した例で、スロット
ルバルブの開度センサより開度センサの出力に比例した
アドレスを有し、かつそのアドレスの記録素子であるＲ
ＯＭにモータの各相巻線への正弦波状の電圧を印加する
データを納めた例について開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記の従来例１におい
ては、安全性の改良に於いては前進があるが、磁極位置
検出器のハードのみによる故障検出だけで、故障発見の
信頼性の面、さらに開度センサ故障検出ができない点、
位置検出故障時にステップモータとして動作させること
による効率、特性の低下等で問題がある。

【０００６】一方、従来例２においては、位置検出器を
用いないことによる問題点、特にアクチュエータの出力
軸にギヤ，クラッチ等を使用するものではその初期の位
置合わせが必要である点でわずらわしく、位置の開度セ
ンサの故障時には動作できない点で問題があった。

【０００７】本発明では、以上、従来例で示した欠点を
除き、安全性を高めたスロットルバルブアクチュエータ
とこれを実現するのに好適なブラシレスモータ制御装置
を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、流体を導くパイプと、前記パイプ内の流量を調整
するバルブと、前記バルブを電磁的に開閉するバルブア
クチュエータと、バルブの開度を示す開度センサと、バ
ルブの開度指令と開度センサの出力との関係より前記バ
ルブアクチュエータを制御する制御装置とを備えたバル
ブ開閉制御装置において、バルブを電磁的に開閉するバ
ルブアクチュエータとしてブラシレス型モータを備える
とともにブラシレスモータの各相の巻線への通電を切り
替える磁極位置センサとを持ち、かつその磁極位置セン
サよりバルブ開度検出機能、あるいはバルブの開度を示
す開度センサの出力信号から前記バルブアクチュエータ
の各相への電流の通電を規定する信号を発生させるブラ
シレスモータ通電規定手段のうち、少なくとも一方を備
える。

【０００９】あるいは、バルブを電磁的に開閉するバル
ブアクチュエータとしてブラシレス型モータを備えると
ともにブラシレスモータの各相の巻線への通電を切り替
える磁極位置センサとを持ち、かつその磁極位置センサ
と開度センサの動作から故障を判別する故障検出手段を
備える。

【００１０】

【作用】以上の構成によれば、開度センサより磁極位置
センサの故障を、あるいは磁極位置センサより開度セン
サの故障を早く見出すことができ、かつ開度センサと磁
極位置センサの故障時の相互の補償を行うことができ、
信頼性が高く、安全なスロットルアクチュエータとする
ことができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の効果を図により説明する。図
１は本発明にかかわる一実施例を示すもので、自動車用
のスロットルバルブ制御の例で示す。図２は本発明の対
象とするスロットルバルブの構造図を示す。

【００１２】図２において、自動車の空気量を制御する
スロットルアクチュエータのハード部の構成は、空気を
エンジンに導くパイプ１３の中を約９０度の範囲で回転
することによって空気量を制御するバルブ５と、バルブ
５を閉方向に常に戻そうとする力を発生させるリターン
スプリング１２とバルブ５の開度を示す開度センサ６
と、変換機であるギヤ４を介して前記バルブを開閉する
力を発生するモータとで構成されている。ここで、モー
タ３はブラシレスモータで固定子巻線３１を巻き回した
固定子鉄心３３から固定子と永久磁石等からなる回転子
とで構成される。この回転子３２は変換機４に連結さ
れ、またベアリング３４を介して支承されている。

【００１３】ここで、変換機４はモータ３の駆動力を増
大させるために使用されているが、特に、バルブ制御は
位置制御であり、常時モータ３に電流を通電させてバル
ブの開度を制御する必要がある点、また、故障時の復帰
を早めるためにリターンスプリング１２の力を強めなけ
ればならないために、モータ３のギヤ直結方式ではトル
クが小さく、従ってモータ体格が大きくなる点、消費電
力が多くなる点で問題がある。

【００１４】図１は本発明に係るスロットルアクチュエ
ータの制御方式を示したもので、回転子３２の発生トル
クは変換機であるギヤ４を介してバルブ５を開閉せしめ
る。バルブ５の開度情報は開度センサ６，ＡＤ変換器７
を介して制御演算装置１に取り込まれる。ここでは上位
からの開度指令ＰＳと開度センサ６からの開度情報であ
るＰＦとからＰＩ制御などによって開度制御器９によっ
て位置制御がなされる。

【００１５】本発明の磁極位置検出器の故障の発見と対
策について述べる。図において、磁極位置検出器１４は
磁石回転子３２と固定子巻線との相対位置を検出するも
ので、これによって、磁石回転子３２が最大の出力トル
クを発生できる二つの相に選択的に電流を通電せしめ
る。ここでは先ず、開度センサ６の情報によって磁極位
置を検出し、これを、磁極位置検出器の出力と比較する
ことによって磁極位置検出器の故障判別を行った例で示
す。

【００１６】図で磁極位置検出器１４の出力によってド
ライバ２を介して固定子巻線３１へ電源１１より電力を
供給する。ここで制御演算装置１内の８は磁極位置演算
手段を示すもので、これによって、３相の固定子巻線３
への電流のＯＮ，ＯＦＦの通電方向を決定する情報が計
算される。

【００１７】この出力値は磁極位置検出器の故障の判別
によって故障時にはドライバ２に直接制御信号を送る。
また、電流検出器１０によって取り込まれた電流は、負
荷の推定に使用されて過大負荷時にはドライバ２への通
電を制限する機能を有する。図３は図１で示した制御演
算装置１の磁極位置検出手段８の動作の詳細を示すもの
で、縦軸にバルブの回転角度，横軸に開度センサ６の出
力をしめす（ギヤ比が８、２極の例で示す）。一般に１
２０度通電方式の永久磁石ブラシレスモータを使用する
例で示す。ドライバ２の各アームの上下への通電のパタ
ーンは固定子巻線３と磁石回転子３２の位置関係から図
示のように割り振られる。磁石回転子の極数Ｐと、変換
機であるギヤの比Ｇと、開度センサ６の各アームへの通
電モードの繰返し数との関係Ｋは次の様になる。

【００１８】Ｋ＝Ｇ・Ｐ／８ …（数１）従って、開度センサ出力から各アームへの通電モードの
電気角１サイクル（図示のように６個のパターン）の繰
返しとなり、開度センサ出力から数１式を使った計算式
となり、決定することができる。制御演算装置はマイク
ロコンピュータ等によって構成されることが多いので上
記の演算によって容易に求めることができる。

【００１９】そこで、磁極位置検出器１４からの情報と
磁極位置検出手段８との出力を比較手段１６によって比
較し、両者の値があまりかけ離れていない場合には磁極
位置検出器１４の結果を優先させる。一方、磁極位置検
出器１４の動作不良、例えば、規定の時間内で両者の出
力があわなかった回数が規定値を乞えた場合、磁極位置
検出器１４の出力が、本来取れない値に待った場合、等
に故障と判断し、開度センサからの磁極位置検出手段８
による情報によって運転する。

【００２０】以上の操作によって、磁極位置検出手段が
異常時でも運転を続行することができる。

【００２１】一方、磁極位置検出器１４の故障時に開度
センサからの磁極位置検出手段には特に高速化移転時に
次の問題点がある。

【００２２】スロットルアクチュエータのバルブを開く
速度は０〜９０度で０.１秒以下の性能が求められる。
一方、永久磁石ブラシレスモータとしてトルクアップの
ためには多極化が必要であり、８極以上の極数が選定さ
れる。この場合、速度が０〜４５度までは直線的に増加
し、４５〜９０度までは直線的に減少すると仮定する
と、最高回転数は約３０００回転になる。この回転数に
おける電気角６０度時間間隔は約５００μｓとなり、ソ
フトで６０度の切り替えのタイミングを見出すには少な
くとも電気角６０度の中を５以上のサンプリングが必要
となる。これを達成するためには高速のマイクロプロセ
ッサを使わねばならないこと、通電モードの検出以外の
システムの処理ができなくなってしまう不便がある。

【００２３】図４に本発明の他の実施例について説明す
る。横軸回転数に対する縦軸は電気角６０度の所要時間
を示したものである。高回転数になるに従って、電気角
６０度の所要時間は図示のように短くなっていく。上記
の欠点を補う制御方式として高回転数時にはモータの逆
起電圧を利用し、電気角６０度の相変わりのタイミング
はハードによって検出するようにすれば良い。そしてこ
の場合には、開度センサの出力を取り込んでも良く、ま
た逆起電圧位置検出器の出力情報を使用しても良い。

【００２４】図５に本発明の他のスロットルアクチュエ
ータの制御方式について示す。これは、磁極位置検出器
１４の故障時の高速回転数時の電気角６０度の相変わり
の検出法として、モータの逆起電圧を利用したものであ
る。構成では、逆起電圧位置検出器１９がある以外は図
１の構成と全く同一である。高回転数時にはモータの逆
起電圧を利用する一方、低回転数時にはモータの逆起電
圧は小さくなりこの方式の信頼性が悪くなるため、この
時には、前述のように開度センサよりの情報から通電モ
ードを決定してやれば良い。低速回転数時には、電気角
６０度の時間間隔が十分長いので切り替え点を大きくず
らしてしまう心配はない。これによれば、故障時にもほ
ぼ同じ性能で運転できる。

【００２５】図６は図５における逆起電圧位置検出器１
５の詳細構成と動作原理図である。巻線の電圧を一次遅
れフィルタ１６を介して比較器の一方に入れ、かつその
他方には各相の巻線から抵抗を介して星型接続した中性
点を接続する。星型接続した中性点の電位は各相電圧の
平均値となり、これと各相巻線電圧と比較することによ
って電気角６０度の相切り替わり点を見出すことができ
る。各比較器１８の出力は図示のように１２０度の位相
差の矩形波信号となり、この三つの矩形波信号を合成す
ることによって電気角６０度の信号が図示のように合成
できる。図５の演算制御装置１がマイクロコンピュータ
で構成している場合には、この信号を割込み信号として
使用することによって、電気角６０度の相変わり角で瞬
時に通電モードを切り替えることができる。この時の電
気角６０度の相変わり角の通電モードのデータは逆起電
圧位置検出器のデータを使っても良く、また図３で示し
た開度センサからの通電情報を示しても良い。

【００２６】なお、スロットルアクチュエータは自動車
エンジンの心臓部を制御するために信頼性が非常に重要
となる。開度センサの故障にたいする対策も重要であ
る。図３は位置検出器１４の通電モードの切り替わり数
から逆に回転角度を推定できることを示している、開度
センサの動きと磁極位置検出器の切り替わり数から求め
たバルブの開度とを常に比較することによって、故障判
別としても使用することができる。この場合、故障の検
出によって、外部への表示，機能の一部制限等の処置は
任意に行うことができる。又、故障判別によって、磁極
位置検出器の切り替わり数から求めたバルブの開度によ
って開度制御することも可能である。

【００２７】特に、多極構造のブラシレスモータを使用
し、大きなギヤ比でのバルブアクチュエータを用いた場
合には、精度良く、運転することができる。

【００２８】なお、制御演算装置として、マイクロコン
ピュータを使用する方式では開度センサのアナログ情報
をＡＤ変換器を介してデジタル量として取り込む。そし
て、ビット数の少ないＡＤ変換器を使用する場合には予
め、電気角６０度に相当するデジタル量をＡＤ変換器の
最小分解能の整数倍に同期させることによって、開度セ
ンサの故障時にも少ないビット数でかつ性能を落すこと
無く運転することができる。

【００２９】なお、本方式は、永久磁石式のブラシレス
モータで説明したが、可変リラクタンス型のブラシレス
モータで場合でも良く、また、ステップモータ構造での
位置を検出してクローズドループ運転する形式の場合に
も適用可能である。

【００３０】

【発明の効果】流体を導くパイプと、前記パイプ内の流
量を調整するバルブと、前記バルブを電磁的に開閉する
バルブアクチュエータと、バルブの開度を示す開度セン
サと、バルブの開度指令と開度センサの出力との関係よ
り前記バルブアクチュエータを制御する制御装置とを備
えたバルブ開閉制御装置において、バルブを電磁的に開
閉するバルブアクチュエータとしてブラシレス型モータ
を備えるとともにブラシレスモータの各相の巻線への通
電を切り替える磁極位置センサとを持ち、かつその磁極
位置センサよりバルブ開度検出機能、あるいはバルブの
開度を示す開度センサの出力信号から前記バルブアクチ
ュエータの各相への電流の通電を規定する信号を発生さ
せるブラシレスモータ通電規定手段のうち、少なくとも
一方を備える構成とする。

【００３１】あるいは、バルブを電磁的に開閉するバル
ブアクチュエータとしてブラシレス型モータを備えると
ともにブラシレスモータの各相の巻線への通電を切り替
える磁極位置センサとを持ち、かつその磁極位置センサ
と開度センサの動作から故障を判別する故障検出手段を
備える構成とする。

【００３２】この構成によれば、開度センサより磁極位
置センサの故障を、あるいは磁極位置センサより開度セ
ンサの故障を早く見出すことができ、かつ開度センサと
磁極位置センサの故障時の相互の補償を行うことがで
き、信頼性が高く、安全なスロットルアクチュエータと
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスロットルアクチュエータの制御方式
を示す図である。

【図２】本発明のスロットルアクチュエータの構造図で
ある。

【図３】本発明の通電モード図である。

【図４】本発明の他の実施例の運転モード図である。

【図５】本発明の他のスロットルアクチュエータの制御
方式を示す図である。

【図６】本発明の高速領域での磁極位置検出の原理を示
す図である。

【符号の説明】

１…制御演算装置、２…ドライバ、３…固定子巻線、４
…変換機のギヤ、５…バルブ、６…開度センサ、７…Ａ
Ｄ変換機、８…磁極位置検出器、９…開度制御部、１０
…電流検出器、１１…電源、１２…リターンスプリン
グ、１３…パイプ、１４…磁極位置検出器、１５…ベア
リング、１６…比較手段、１７…一次遅れフィルタ、１
８…比較器、１９…逆起電圧位置検出手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森永茂樹茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者佐々木靖茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体を導くパイプと、前記パイプ内の流量
を調整するバルブと、前記バルブを電磁的に開閉するバ
ルブアクチュエータと、バルブの開度を示す開度センサ
と、バルブの開度指令と開度センサの出力との関係より
前記バルブアクチュエータを制御する制御装置とを備え
たバルブ開閉制御装置において、バルブを電磁的に開閉するバルブアクチュエータとして
ブラシレス型モータを備えるとともにブラシレスモータ
の各相の巻線への通電を切り替える磁極位置センサとを
持ち、かつその磁極位置センサよりバルブ開度検出機
能、あるいはバルブの開度を示す開度センサの出力信号
から前記バルブアクチュエータの各相への電流の通電を
規定する信号を発生させるブラシレスモータ通電規定手
段のうち、少なくとも一方を備えたことを特徴とするバ
ルブ開閉制御装置。
【請求項２】請求項１において、開度センサと磁極位置
センサとの故障判定手段を持ち、この出力によって上記
磁極位置センサよりバルブ開度検出機能、あるいはバル
ブの開度を示す開度センサの出力信号から前記バルブア
クチュエータの各相への電流の通電を規定する信号を発
生させるブラシレスモータ通電規定手段のうち機能を動
作させることを特徴とするバルブ開閉制御装置。
【請求項３】請求項２において、磁極位置検出センサの
故障検出手段を具備し、故障時にバルブの開度を示す開
度センサの出力信号から前記バルブアクチュエータの各
相への電流の通電を規定する信号を発生させるブラシレ
スモータ通電規定手段を備えたことを特徴とするバルブ
開閉制御装置。
【請求項４】請求項２において、磁極位置検出センサの
故障検出手段を具備し、故障時に高速回転数時には逆起
電圧磁極位置検出センサを用い、低速回転数時にはバル
ブの開度を示す開度センサの出力信号から前記バルブア
クチュエータの各相への電流の通電を規定する信号を発
生させるブラシレスモータ通電規定手段を備えたことを
特徴とするバルブ開閉制御装置。
【請求項５】請求項１において、開度センサの故障検出
手段を具備し、故障時には磁極位置検出器の出力よりバ
ルブの開度を推定するバルブ開度推定手段を備えたこと
を特徴とするバルブ開閉制御装置。
【請求項６】流体を導くパイプと、前記パイプ内の流量
を調整するバルブと、前記バルブを電磁的に開閉するバ
ルブアクチュエータと、バルブの開度を示す開度センサ
と、バルブの開度指令と開度センサの出力との関係より
前記バルブアクチュエータを制御する制御装置とを備え
たバルブ開閉制御装置において、バルブを電磁的に開閉するバルブアクチュエータとして
ブラシレス型モータ、もしくはステップモータを備え、
各相巻線への通電のモードの切り替わりのカウント手段
をゆうするとともに、このカウント値と開度センサの出
力とから開度センサもしくはモータ及びモータドライバ
の故障を検出する手段をそなえたことを特徴とするバル
ブ開閉制御装置。
【請求項７】流体を導くパイプと、前記パイプ内の流量
を調整するバルブと、前記バルブを電磁的に開閉するバ
ルブアクチュエータと、バルブの開度を示す開度センサ
と、バルブの開度指令と開度センサの出力との関係より
前記バルブアクチュエータを制御する制御装置とを備え
たバルブ開閉制御装置において、バルブを電磁的に開閉するバルブアクチュエータとして
ブラシレス型モータを備えるとともにブラシレスモータ
の各相の巻線への通電を切り替える磁極位置センサとを
持ち、かつその磁極位置センサと開度センサの動作から
故障を判別する故障検出手段を備えたことを特徴とする
バルブ開閉制御装置。