(57)【要約】  リターントルクが作用するバルブ機構に対して、電気角分解能が粗い位置検出センサが具備されたブラシレスＤＣモータで駆動されるバルブの応答を高速化するとともに、バルブが機械端へ衝突せずにソフトランディングできるバルブ制御装置を得る。バルブの開方向もしくは閉方向にリターントルクが付与されるバルブ機構の開閉制御において、ブラシレスＤＣモータの目標位置指令とパルス出力式の位置検出センサを用いた粗いモータの現在位置との位置偏差をもとにｑ軸電流指令を出力する位置制御系と、ｑ軸電流指令とパルス出力式の位置検出センサを用いた粗いモータの現在位置をもとに相電圧指令を電流センサレスで出力せしめる仮想的な電流フィードバックが組まれた電流制御系とを設けた。
2010087224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブの開方向もしくは閉方向にリターントルクが付与されるバルブ機構に対して、前記リターントルクと対向にモータによるトルクを付与するモータの制御によって前記リターントルクとモータトルクのバランスでバルブを開閉制御するバルブ制御装置であって、
位置検出センサで検出されたモータの現在位置である電気角検出位置を機械角検出位置に換算する検出位置換算器と、
モータの目標位置指令と前記機械角検出位置との偏差に基づきｑ軸電流指令を出力する位置制御系と、
前記電気角検出位置に基づき前記ｑ軸電流指令をモータ各相の相電流指令に分配し、前記相電流指令とフィードバックされた各相の推定電流の電流偏差に基づき各相の相電圧指令を生成し、前記電気角検出位置及び予め実測された誘起電圧に基づき各相の推定誘起電圧を求め、前記推定誘起電圧及び前記相電圧指令に基づき各相の推定電流を求めるとともに、最終的に実使用電圧範囲内で飽和処理した相電圧指令を出力する電流制御系と
を備えたバルブ制御装置。
【請求項２】
前記電流制御系は、
電流制御系のサンプリング周期で遅れるモータの現在位置の位相を補正するための位相補正量を出力する位相補正器と、
前記位相補正量及び前記電気角検出位置に基づき前記ｑ軸電流指令をモータ各相の相電流指令に分配する電流指令分配器と、
前記相電流指令とフィードバックされた各相の推定電流の差分演算で得られる電流偏差に基づき相電圧指令を生成する電流制御器と、
前記相電圧指令を実使用電圧範囲内で飽和処理して出力する飽和処理器と、
前記モータの現在位置である電気角検出位置を平滑化してモータの現在速度である電気角速度を求めるフィルタと、
前記位相補正量、前記電気角検出位置、前記電気角速度及び予め実測された誘起電圧に基づき各相の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器と、
前記誘起電圧推定器の出力である推定誘起電圧及び前記飽和処理器の出力である相電圧指令に基づき各相の電流を推定し、この推定電流を前記電流制御器へフィードバックする一次遅れ要素の電流推定器とを含む
請求項１記載のバルブ制御装置。
【請求項３】
前記電流指令分配器は、
前記位相補正器からの位相補正量に基づき補正演算した新たなモータの現在位置である電気角検出位置と、前記ｑ軸電流指令とに基づいて、前記電気角検出位置の検出区間毎に波形整形して矩形波の各相の相電流指令を生成する
請求項２記載のバルブ制御装置。
【請求項４】
前記誘起電圧推定器は、
前記位相補正器からの位相補正量に基づき補正演算した新たなモータの現在位置である電気角検出位置と、前記電気角速度と、予め実測された誘起電圧とに基づいて、前記電気角検出位置の検出区間毎に波形整形して矩形波の各相の推定誘起電圧を生成する
請求項２記載のバルブ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、電子スロットルや排気ガス再循環に用いられるバルブが、ブラシレスＤＣモータにより駆動されるバルブ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータで駆動されるシステムの速度制御や位置制御をする際に、指令と実値の偏差に応じてモータへの電圧指令を生成する「電圧制御方式」と、モータの巻線に流れる実電流をフィードバックし、電流指令に実電流が一致するように制御する「電流制御方式」がある。【０００３】
後者の電流制御方式は、モータ巻線のインダクタンス成分に強引に打ち勝って制御をかけるため、電流制御系の制御帯域内で当該インダクタンス成分による電流遅れを無視でき、モータの低速域から高速域まで安定したトルク制御を可能とする。一方、電圧制御方式は、電圧指令に対してモータ巻線のインダクタンス成分による電流遅れの影響を無視できないため、電流制御方式に比較してトルクの追従性が悪化し、応答が振動的になる欠点がある。【０００４】
ところで、従来技術として、内燃機関のアクチュエータ制御装置において、運転状態を制御するトルクモータに対する要求電流に基づく要求ＤＵＴＹに応じて出力ＤＵＴＹを設定する際に、回路上の制約などに起因し要求ＤＵＴＹに応じた出力ＤＵＴＹが設定されない場合を回避するために、出力ＤＵＴＹが電源電圧値と電流経路の抵抗値とに応じた出力電流への変換処理と、さらにトルクモータのコイルインダクタンス成分に応じて平滑化処理された推定電流を用いて逆起電力を推定し、これを要求ＤＵＴＹに加算することで、要求ＤＵＴＹと出力ＤＵＴＹを一致させるものがある（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
また、付勢手段によるリターンスプリングと直流モータのモータトルクとのトルクバランスによりバルブを開閉動作するトルクバランス駆動方式のバルブに対して、直流モータをフィードフォワード制御系とフィードバック制御との組み合わせによって制御し、さらに、位置の定常偏差に応じて上記フィードフォワード制御系とフィードバック制御による操作量を補正するものがある（例えば、特許文献２参照）。【０００６】
特許文献１記載の発明によれば、アクチュエータの応答遅れがなく追従安定性が向上するとされている。【０００７】
また、特許文献２記載の発明によれば、フィードフォワード制御系によって、リターントルク分のモータトルク発生用の駆動電圧がバルブ開閉方向に応じて常に加えられ、それによる現在値と目標値との位置偏差分を補うように、フィードバック制御系（特許文献２ではＰＩＤ制御）が作用するため、バルブの開閉方向によらずフィードバック制御量を小さくして振動の発生が抑制できるとされている。【０００８】
さらに、特許文献２記載の発明によれば、位置偏差に応じてフィードフォワード制御系で演算される駆動デューティとフィードバック制御系の演算部の係数を補正することで、環境温度などの要因で変化するバルブの作動特性に応じた最適な制御ができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１３０２２９号公報
【特許文献２】特開２０００−２３４５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１記載のアクチュエータ制御装置では、応答が高速になるにつれて制御演算におけるサンプリング周期の影響を無視できずに現在検出位置に遅れが生じ、このためトルクモータの巻線電流を正確に推定できないため、高速駆動時に応答が振動的になるという課題があった。また、スロットル開度センサの分解能が粗い場合、逆起電圧演算処理で要す角速度情報が振動的となり、逆起電圧を正確に推定できない結果、要求ＤＵＴＹと出力ＤＵＴＹが一致しないという課題があった。さらに、特許文献１記載のアクチュエータはブラシ付ＤＣモータであり、ブラシの保守性の課題もあった。【００１１】
また、特許文献２記載のバルブ制御装置は、目標値と現在値との偏差に応じたモータの駆動デューティをＰＩＤ制御で生成する電圧制御方式であり、当該方式でリターントルクが作用する方向にバルブを制御する場合、リターントルクの加速作用でモータが高速回転するにつれて、位置制御系の応答がモータトルク変化に追従できなくなる。その結果、例えば、リターントルクが作用する方向が閉弁方向の場合、トルクの追従遅れで閉弁動作の際にバルブの応答が振動的になる、あるいはバルブが機械端と衝突してしまうという課題があった。【００１２】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、アクチュエータがブラシレスＤＣモータで、当該ブラシレスＤＣモータにパルス出力式のセンサを具備したバルブ制御装置において、電気角分解能の粗いセンサ出力をもとに相電流指令と誘起電圧を演算し、さらにサンプリング周期の影響を電流制御に用いる位置に対して位相補正を行うことで抑制し、精度良く相電流を推定できる仮想的な電流フィードバックをなす電流制御系を有し、当該制御系によって直接的にモータトルクを制御するため、トルクに寄与するトルク分電流を効率的に発生させバルブの応答速度を高速化させつつ、バルブを機械端と衝突させずにソフトランディングできるバルブ制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るバルブ制御装置は、バルブの開方向もしくは閉方向にリターントルクが付与されるバルブ機構に対して、前記リターントルクと対向にモータによるトルクを付与するモータの制御によって前記リターントルクとモータトルクのバランスでバルブを開閉制御するバルブ制御装置であって、位置検出センサで検出されたモータの現在位置である電気角検出位置を機械角検出位置に換算する検出位置換算器と、モータの目標位置指令と前記機械角検出位置との偏差に基づきｑ軸電流指令を出力する位置制御系と、前記電気角検出位置に基づき前記ｑ軸電流指令をモータ各相の相電流指令に分配し、前記相電流指令とフィードバックされた各相の推定電流の電流偏差に基づき各相の相電圧指令を生成し、前記電気角検出位置及び予め実測された誘起電圧に基づき各相の推定誘起電圧を求め、前記推定誘起電圧及び前記相電圧指令に基づき各相の推定電流を求めるとともに、最終的に実使用電圧範囲内で飽和処理した相電圧指令を出力する電流制御系とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るバルブ制御装置によれば、電気角分解能が粗いセンサで、仮想的な電流フィードバックを有する電流制御系を構成できる。そして、当該電流制御系で直接的にトルクを制御するため、モータの応答を高速化できる。また、当該電流制御系による広帯域なトルク制御で特にモータ低速回転時にリターントルクと対向したモータトルクを効果的に発生させ、リターントルクが加速側に生じてもモータトルクで速度を緩和し、バルブが機械端と衝突することを防止できる。さらに、電流センサも不要な構成のため、制御システムを低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の位置制御系の構成を連続系の伝達関数で示すブロック図である。
【図４】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の電流制御系の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置のモータ正転時のＵ相電流指令とＶ相電流指令を示す図である。
【図６】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置のモータ逆転時のＵ相電流指令とＶ相電流指令を示す図である。
【図７】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の正弦波相電流指令から矩形波相電流指令への具体的な波形整形方法を示す図である。
【図８】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の誘起電圧の基本調波に対して矩形波誘起電圧を生成する様子を示す図である。
【図９】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の正規化誘起電圧を基本調波で近似した様子を示す図である。
【図１０】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の各相の誘起電圧を推定するための具体的な波形整形方法を示す図である。
【図１１】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置のモータ電気角の位相補正を示す図である。
【図１２】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置のバルブ閉弁制御で環境温度３０℃と１２０℃それぞれの推定誘起電圧と実誘起電圧の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１３】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置のバルブ閉弁制御で環境温度３０℃と１２０℃それぞれの推定相電流と実相電流の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１４】この発明の実施例１に係るバルブ制御装置のバルブ閉弁制御で環境温度３０℃と１２０℃それぞれのバルブ位置指令、バルブ実位置、モータ角速度、ｑ軸電流指令の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１５】この発明の実施例２に係るバルブ制御装置の電流制御系の構成を示すブロック図である。
【図１６】この発明の実施例３に係るバルブ制御装置の電流制御系の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のバルブ制御装置の好適な実施例につき図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
この発明の実施例１に係るバルブ制御装置について図１から図１４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係るバルブ制御装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。【００１８】
図１において、制御システムは、バルブ制御装置１と、位置検出センサ１００と、駆動回路１１０と、ブラシレスＤＣモータ１２０と、バルブ１３０とが設けられている。【００１９】
図１において、バルブ１３０を駆動するアクチュエータは、ブラシレスＤＣモータ１２０である。また、ブラシレスＤＣモータ１２０には、例えば、ホールＩＣのようなパルス出力式の位置検出センサ１００が具備されている。この位置検出センサ１００の分解能は、電気角１周期で６ステップ変化、すなわち電気角の分解能は６０ｄｅｇとする。【００２０】
バルブ１３０には、付勢手段として図示しないスプリングが連結されており、例えば、スプリングによるリターントルクがバルブの閉弁方向に作用するように予めスプリングにはプレロードが与えられているものとする。一方、ブラシレスＤＣモータ１２０には、モータ回転軸と連動した図示しない動力伝達機構を介してスプリングと連結されており、バルブが閉弁動作する際には、プレロードによるトルク（リターントルク）でバルブが機械端に押し当てられた状態となる。【００２１】
バルブ制御装置１は、バルブ１３０の目標位置指令θｍ＿ｃｏｍと位置検出センサ１００から得られる電気角検出位置θｅ（現在位置）をもとに、駆動回路１１０に対して相電圧指令を与えるものである。そして、駆動回路１１０では、バルブ制御装置１の出力である相電圧指令をもとに、ＰＷＭ方式で図示しないパワー素子をスイッチングする。【００２２】
図２は、この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の構成を示すブロック図である。【００２３】
図２において、バルブ制御装置１は、バルブ１３０の閉方向にリターントルクが付与されるバルブ機構に対して、このリターントルクと対向にブラシレスＤＣモータ１２０によるトルクを付与するモータの制御によってリターントルクとモータトルクのバランスでバルブを開閉制御するバルブ制御装置１であって、位置制御系８０と、電流制御系１０と、検出位置換算器９５とが設けられている。【００２４】
図３は、この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の位置制御系の構成を連続系の伝達関数で示すブロック図である。【００２５】
図３において、位置制御系８０は、Ｋｉ８１と、Ｋｐ・ｓ８２と、ｓ2８３と、フィルタ８４と、Ｋｄ８５と、（１／ｓ）８６と、飽和処理器８７とが設けられている。【００２６】
図４は、この発明の実施例１に係るバルブ制御装置の電流制御系の構成を示すブロック図である。【００２７】
図４において、電流制御系１０は、電流指令分配器２０と、２つの電流制御器３０と、飽和処理器４０と、フィルタ５０と、誘起電圧推定器６０と、２つの電流推定器７０と、位相補正器９０とが設けられている。【００２８】
つぎに、この実施例１に係るバルブ制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。【００２９】
図１、図２及び図３に示すように、位置制御系８０は、バルブ制御装置１の上流にあるコンピュータからのバルブ１３０の目標位置（目標開度）指令θｍ＿ｃｏｍと、ブラシレスＤＣモータ１２０に具備された位置検出センサ１００で検出される電気角検出位置θｅを検出位置換算器９５で換算した機械角検出位置θｍとに基づき、ｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍを生成する。検出位置換算器９５では、電気角から機械角への換算処理を行う。具体的には、モータ極対数をｐとして、機械角検出位置θｍをθｅ／ｐで換算する。【００３０】
ここで、ｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍを生成する具体的な位置制御系８０の構成は、例えば、図３に示すような速度型アルゴリズムの微分先行型ＰＩ−Ｄ制御とする。なお、位置制御系８０の構成は、微分先行型ＰＩ−Ｄ制御以外に、Ｉ−ＰＤ制御などの別の構成でもよい。このように、目標位置指令θｍ＿ｃｏｍと機械角検出位置θｍとの偏差に対してＰＩ演算（８１、８２）した値と、機械角検出位置θｍに対して微分演算（８３）と当該微分値を平滑化するフィルタ処理（８４）を施した値とを差分し、当該差分値に対して速度ゲインＫｄを乗算（８５）することでｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍを得る。【００３１】
なお、ｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍには飽和処理器８７で出力制限し、さらに、ｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍが出力制限を超えた場合には、積分ゲインＫｉの作用による積分演算（８１）を中止するアンチワインドアップ処理を施す。このようにすることで、積分演算による操作量の巻上げ（ワインドアップ）が要因で発生する位置応答のオーバーシュートを抑制する。【００３２】
次に、位置制御系８０の出力であるｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍと、位置検出センサ１００から得られる電気角検出位置θｅをもとに駆動回路１１０に対して相電圧指令を出力する電流制御系１０の動作について、図４を用いて説明する。【００３３】
電流制御系１０は、前述したように、電流指令分配器２０、電流制御器３０、飽和処理器４０、フィルタ５０、誘起電圧推定器６０、電流推定器７０、及び位相補正器９０から構成される。【００３４】
まず、電流指令分配器２０では、ｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍをＵ相電流指令ｉｕ＿ｃｏｍとＶ相電流指令ｉｖ＿ｃｏｍに分配する処理を行うが、電気角分解能が６０ｄｅｇと粗いため、当該指令分配の処理では３相モータの電流制御では一般的な三角関数による演算は演算負荷軽減を考慮して採用しない。【００３５】
本実施例では、図５と図６に示すように、理想的には三角関数を用いた演算処理によって正弦波として得られるＵ相電流指令とＶ相電流指令を、電気角検出位置θｅの検出区間毎に矩形波状に近似する処理を行う。図５は、モータ正転時のＵ相電流指令とＶ相電流指令を、図６は、モータ逆転時のＵ相電流指令とＶ相電流指令をそれぞれ示している。なお、図５と図６において、実線は矩形波状に近似した矩形波相電流指令を、破線は三角関数演算による理想的な正弦波相電流指令をそれぞれ示している。【００３６】
正弦波相電流指令から矩形波相電流指令への具体的な波形整形方法は、図５と図６を参照して、図７のようにまとめられる。モータの回転方向は、ｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍの符号、もしくは電気角検出位置θｅを電流制御系１０の内部に構成されるフィルタ５０で演算した電気角速度θｅ＿ｄｏｔの符号、あるいはｑ軸電流指令ｉｑ＿ｃｏｍと電気角速度θｅ＿ｄｏｔの両方の符号で判定すればよい。また、相電流指令の片振幅ｉ＿ｍａｘは次の式（１）で演算する。【００３７】
【数１】
2010087224.tif 000003
【００３８】
以上、正弦波相電流指令を矩形波相電流指令へ波形整形する方法を説明した。このように、トルク変化に追従する目的で構成する電流制御系１０については、位置検出センサ１００の電気角分解能が６０ｄｅｇと粗い場合でも、電気角の検出区間毎（検出区間は電気角分解能に対応）に矩形波状に波形整形することで、三角関数を用いることなく相電流指令を生成することができる。【００３９】
次に、電流制御器３０について説明する。これは、電流指令分配器２０の出力であるＵ相電流指令ｉｕ＿ｃｏｍおよびＶ相電流指令ｉｖ＿ｃｏｍと、後述するＵ相推定電流ｉｕ＿ｅｓｔおよびＶ相推定電流ｉｖ＿ｅｓｔをそれぞれ差分演算した電流偏差であるｉｕ＿ｃｏｍ−ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｃｏｍ−ｉｖ＿ｅｓｔから、Ｕ相電圧指令とＶ相電圧指令を生成するもので、例えば、公知技術である電流偏差に比例した制御器出力となるように比例ゲインのみで構成する。【００４０】
また、飽和処理器４０は、駆動回路１１０側の電圧レベルに応じてＵ相電圧指令、Ｖ相電圧指令、Ｗ相電圧指令の片振幅を制限するものである。なお、Ｗ相電圧指令ｖｗ＿ｂは、電流制御器３０の出力として得られるＵ相電圧指令とＶ相電圧指令をそれぞれｖｕ＿ｂ、ｖｖ＿ｂとして、次の式（２）で演算する。【００４１】
【数２】
2010087224.tif 000004
【００４２】
次に、誘起電圧推定器６０について図８から図１０までを用いて説明する。誘起電圧推定器６０では、電気角検出位置θｅ、電気角速度θｅ＿ｄｏｔ、ブラシレスＤＣモータ１２０の誘起電圧の測定値を用いて、Ｕ相推定誘起電圧ｅｕ＿ｅｓｔとＶ相推定誘起電圧ｅｖ＿ｅｓｔを演算する。【００４３】
電気角速度θｅ＿ｄｏｔは、電気角分解能毎に検出される電気角検出位置θｅを微分し、さらに当該微分値を平滑化するフィルタ５０の出力として得られ、フィルタ５０の作用で振動が小さい電気角速度θｅ＿ｄｏｔを算出できる。【００４４】
ブラシレスＤＣモータ１２０の誘起電圧の測定値は、例えば、図９の破線のように得られる。なお、縦軸は測定時のモータ回転数で誘起電圧を除して正規化した誘起電圧である。図９のように、正規化した誘起電圧は、電気角１倍成分（基本調波）のほかに電気角３倍成分などの高調波成分を含んでいる。【００４５】
誘起電圧推定器６０では、電気角１倍成分の誘起電圧のみを情報として用いる。具体的には、図９の破線で示した正規化誘起電圧を電気角１倍成分までで最小二乗近似し、得られた片振幅ｖ＿ｎｏｒｍを推定演算に用いる。なお、ｖ＿ｎｏｒｍは正の実数である。【００４６】
次に、電気角１倍成分の誘起電圧モデルを誘起電圧推定器６０へ組み込んで、矩形波状に波形を整形する方法を示す。これは、図１０のようにまとめられる。モータの回転方向は、電気角検出位置θｅを電流制御系１０の内部に構成されるフィルタ５０で演算した電気角速度θｅ＿ｄｏｔの符号で判定すればよい。また、誘起電圧の片振幅ｖ＿ｍａｘは次の式（３）で演算される。【００４７】
【数３】
2010087224.tif 000005
【００４８】
このように、誘起電圧推定器６０では、図８に示すように、電気角検出位置θｅ、電気角速度θｅ＿ｄｏｔ、ブラシレスＤＣモータ１２０の誘起電圧測定値を電気角１倍成分のみを正弦波近似して得られる正規化誘起電圧の片振幅ｖ＿ｎｏｒｍを用いて、電気角の検出区間毎（検出区間は電気角分解能に対応）に矩形波状に波形整形したものを、Ｕ相推定誘起電圧ｅｕ＿ｅｓｔ、Ｖ相推定誘起電圧ｅｖ＿ｅｓｔとして演算する。【００４９】
次に、電流推定器７０について説明する。図４に示すように、電流推定器７０は、飽和処理器４０の出力として得られるＵ相電圧指令ｖｕ＿ｃｏｍならびにＶ相電圧指令ｖｖ＿ｃｏｍと、前述した誘起電圧推定器６０の出力として得られるＵ相推定誘起電圧ｅｕ＿ｅｓｔならびにＶ相推定誘起電圧ｅｖ＿ｅｓｔをもとに、Ｕ相とＶ相にそれぞれ流れる相電流を推定しようとするものである。【００５０】
例えば、３相モータの相電流を個別にフィードバックする一般的な電流制御では、電流制御系１０のゲイン（電流制御器３０の比例ゲイン）を電流応答が発振しない程度まで高く設定し、つまり電流制御の帯域幅を広くして応答性を向上させる。【００５１】
一方、電流センサが使えない、つまり電流フィードバックができない状態であっても、誘起電圧の推定精度や電流推定器７０のモデル化の精度が良く、電流制御系１０のゲイン（電流制御器３０の比例ゲイン）を電流応答が発振しない程度まで高く設定していれば、実相電流と推定相電流は一致し、電流応答は向上する。そこで、このような状態においては、相電圧指令は３相モータの実相電圧と一致しているものと見なす。【００５２】
Ｕ相推定電流ｉｕ＿ｅｓｔとＶ相推定電流ｉｖ＿ｅｓｔを演算するために、電流推定器７０として、例えば、１相あたりの巻線抵抗をＲ、１相あたりの巻線インダクタンスをＬとした一次遅れ要素として簡易的にモデル化する。そして、電流推定器７０の具体的な演算は、電流制御系１０のサンプリング周期をΔＴｃとして、次の式（４）と式（５）で与える。ここで、ｎはサンプリング数であり、正の整数である。【００５３】
【数４】
2010087224.tif 000006
【００５４】
以上が、電流推定器７０を一次遅れ要素としてモデル化した場合のＵ相推定電流ｉｕ＿ｅｓｔとＶ相推定電流ｉｖ＿ｅｓｔの演算方法である。【００５５】
このように、バルブ１３０の開閉制御時に、誘起電圧推定器６０によって得られるＵ相とＶ相の推定誘起電圧と、Ｕ相とＶ相の相電圧指令と、３相モータ１相あたりの電圧と電流の関係を一次遅れ要素でモデル化した電流推定器７０を用いて、式（４）と式（５）で演算される各相の推定電流を相電流指令にフィードバックする構成とすることで、電流センサを不要とした仮想的な電流フィードバックを構成することができる。【００５６】
ところで、バルブ１３０の開閉制御でモータ角速度が増大していくと、電流制御系１０のサンプリング周期の影響で電気角検出位置の取り込みが遅れてしまう結果、電流制御系１０で演算している電流指令分配器２０の出力である相電流指令と誘起電圧推定器６０の出力である推定誘起電圧が、実相電流や実誘起電圧の応答に対して遅れる結果、バルブ１３０の応答性が低下する場合がある。このような状況の場合には、以下に説明するように、電流制御系１０のサンプリング周期の影響による電気角検出位置の位相遅れ量分を、電流制御系１０で制御演算に用いる新たなモータ現在位置に加味することで応答性低下を回避する。【００５７】
この位相遅れ量ｄθｅは、電流制御系１０のサンプリング周期をΔＴｃ、モータ駆動中の電気角１周期をＴ＿θｅとして、次の式（６）で演算される。【００５８】
【数５】
2010087224.tif 000007
【００５９】
そして、電流指令分配器２０の出力である相電流指令や、誘起電圧推定器６０の出力である推定誘起電圧には、位相補正器９０で設定した位相遅れ量ｄθｅを加味し、図１１の破線に示すｄθｅ分だけ位相補正した新たなモータ現在位置を電流指令分配器２０と誘起電圧推定器６０でそれぞれ演算し、当該新たなモータ現在位置を参照した各出力が適用される。本実施例１において、当該位相遅れ量ｄθｅは、例えば、モータの最大角速度から決定した固定値を設定する。こうすることで、電流制御系１０のサンプリング周期による各相の電流指令の演算遅れや、誘起電圧の演算遅れを抑制できる。【００６０】
この実施例１によれば、電気角分解能が粗い位置検出センサ１００で、駆動中のブラシレスＤＣモータ１２０の誘起電圧と相電流を精度良く推定できる。また、当該推定値を用いて仮想的な電流フィードバックを電流制御系１０内で構成するため、電流センサが不要で、制御システムを低コスト化できる。【００６１】
以上、本実施例１に係るバルブ制御装置１の基本的な動作について説明した。次に、バルブ制御装置１の効果を示すために、以下、計算例を具体的に説明する。【００６２】
目標位置指令を２３０ｓｔｅｐ全開（１ｓｔｅｐは電気角で６０ｄｅｇに相当）からバルブ１３０の機械端に相当する０ｓｔｅｐ全閉のステップ入力を加えたときの各種の時間応答を図１２、図１３、及び図１４にそれぞれ示す。【００６３】
バルブ１３０は閉弁方向にリターントルクが作用する構成であり、バルブ１３０が全閉する直前でモータ角速度変化を緩和するリターントルクに対向したモータトルクを有効に発生できる効果を示すために、全開２３０ｓｔｅｐから全閉０ｓｔｅｐの入力を与えている。また、環境温度に対しても安定したバルブの位置応答が得られる効果を示すために、環境温度を３０℃と１２０℃の２ケースを想定する。環境温度によって変化しえる摩擦負荷やモータの巻線抵抗や巻線インダクタンスなどは、その環境温度に対応した数値を与える。また、電流制御系１０で用いる電気角検出位置はモータ角速度増大に伴って制御周期の影響で遅れるが、ここでは、当該電気角位相遅れの補正量を位相補正器９０において４５ｄｅｇの固定値として、電流指令分配器２０と誘起電圧推定器６０それぞれの演算に考慮している。【００６４】
図１２から図１４までにおいて、（ａ）は環境温度が３０℃の場合の挙動を、（ｂ）は環境温度が１２０℃の場合の挙動をそれぞれ示している。さらに、図１２と図１３については、図１４に示すバルブ実動作中の相誘起電圧と相電流の各種時間波形であって、図１２から図１４までの横軸の時間スケールはすべて同じである。【００６５】
図１２は、各相の実誘起電圧の挙動を破線で、推定誘起電圧の挙動を実線で示している。破線で示した実誘起電圧と実線で示した推定誘起電圧とで、電圧振幅が異なる領域が現れる。これは、電流制御系１０のサンプリング周期毎に取り込む電気角検出位置θｅが、バルブ１３０の閉弁速度が増大するに伴って規則正しい順序、すなわち電気角１周期で６ステップの変化ができなくなるために発生しているものである。ただし、当該現象は、例えば、電流制御系１０のサンプリング周期を小さくすることによって改善可能である。【００６６】
図１３は、各相の実相電流の挙動を破線で、各相の推定電流の挙動を実線で示している。前記の推定誘起電圧の推定精度の影響があるものの、実相電流と推定相電流は良く一致し、この結果は、図４に示したように、モータの電気的特性を１相あたりの巻線抵抗成分と巻線インダクタンス成分の直列結合でモデル化した簡易的な一次遅れ要素でも仮想的な電流フィードバックが実現可能であることを明示している。【００６７】
図１４において、環境温度３０℃の各種時間応答を（ａ）で、環境温度１２０℃の各種時間応答を（ｂ）としており、例えば（ａ）のグラフでは、１段目にバルブ位置指令とバルブ実位置をそれぞれ破線と実線で、２段目にモータ角速度を実線で、３段目にｑ軸電流指令を実線で示している。（ｂ）も（ａ）と同様の表記である。環境温度３０℃と環境温度１２０℃ともに、全閉手前の低速回転域でｑ軸電流指令がリターントルクの作用方向と対向に効果的に発生され、バルブ実位置は機械端（０ｓｔｅｐ）に衝突なくソフトランディングできている様子が分かる。【００６８】
また、バルブ１３０の摩擦負荷のような機械的特性や、モータ１２０の巻線抵抗のような電気的特性は環境温度によって変化しえるが、全開２３０ｓｔｅｐから１０％開度（２３ｓｔｅｐ）に至る応答時間は、環境温度３０℃で１６２ｍｓ、環境温度１２０℃で１５１ｍｓと、環境温度変化に対しても応答時間の差が１１ｍｓと小さく、応答時間のばらつきの小さい安定したバルブの挙動を実現できている。【００６９】
以上、本実施例１によれば、アクチュエータがブラシレスＤＣモータ１２０で、このブラシレスＤＣモータ１２０にパルス出力式の位置検出センサ１００を具備したバルブ制御装置１において、電気角分解能の粗いセンサ出力をもとに相電流指令と誘起電圧を演算し、さらにサンプリング周期の影響を電流制御に用いる位置に対して位相補正を行うことで抑制し、精度良く相電流を推定できる仮想的な電流フィードバックをなす電流制御系１０を有し、当該電流制御系１０によって直接的にモータトルクを制御するため、トルクに寄与するトルク分電流を効率的に発生させバルブ１３０の応答速度を高速化させつつ、バルブ１３０を機械端と衝突させずにソフトランディングできる。
【実施例２】
【００７０】
この発明の実施例２に係るバルブ制御装置について図１５を参照しながら説明する。図１５は、この発明の実施例２に係るバルブ制御装置の電流制御系の構成を示すブロック図である。【００７１】
図１５において、本発明の実施例２に係るバルブ制御装置１の電流制御系１０Ａは、上記の実施例１に係るバルブ制御装置１の電流制御系１０において位相遅れ量ｄθｅをモータ最大角速度から決まる固定値として位相補正器９０で設定していたものを、モータ角速度に応じて最適な位相補正量を与える位相補正器９０Ａを備えることが異なる。従って、上記の実施例１では、位相補正量（ｄθｅと同一）が一定であったことに対して、この実施例２では、モータ角速度に応じて位相補正量も変化する。【００７２】
本実施例２に係るバルブ制御装置１は、上記の実施例１で説明した電流制御系１０において、モータ角速度に応じて最適な位相補正量を与える位相補正器９０Ａを備えることで、バルブ１３０の開閉制御でモータ角速度が増大していく際の電流制御系１０Ａのサンプリング周期の影響による電気角検出位置の取り込みの位相遅れを自動で調整せしめ、バルブの応答性、特にモータ始動時やモータ停止時の特性を向上することを目的としている。【００７３】
図１５では、実施例１の位相補正器９０の代わりに、位相補正器９０Ａで位相補正する。この位相補正器９０Ａは、先に述べたように、電流制御系１０Ａのサンプリング周期の影響による電気角検出位置の取り込みの位相遅れ分の位相を補正する。【００７４】
その具体的な位相補正量ｄθｅは、電流制御系１０Ａのサンプリング周期をΔＴｃとして、次の式（７）で演算される。そして、当該位相補正量ｄθｅを加味した新たなモータ現在位置を参照して、電流指令分配器２０で各相の相電流指令を、誘起電圧推定器６０で各相の推定誘起電圧をそれぞれ演算する。【００７５】
【数６】
2010087224.tif 000008
【００７６】
この式（７）は電気角速度θｅ＿ｄｏｔの関数となっており、従って、任意のモータ角速度に対して最適な位相補正量を自動で調整することができる。その結果、実相電流と実誘起電圧それぞれの位相に対して、電流制御系１０Ａで演算している相電流指令と推定誘起電圧それぞれの位相遅れ分が小さくなるように調整され、バルブ１３０の応答性を向上できる。
【実施例３】
【００７７】
この発明の実施例３に係るバルブ制御装置について図１６を参照しながら説明する。図１６は、この発明の実施例３に係るバルブ制御装置の電流制御系の構成を示すブロック図である。【００７８】
本発明の実施例３に係るバルブ制御装置１は、上記の実施例１に係るバルブ制御装置１の電流制御系１０において、相電圧指令の代わりに実相電圧を用いて各相の推定電流を演算するものである。【００７９】
実相電圧を用いる場合、ＰＷＭキャリア周波数に同期したノイズを減衰せしめるためにＵ相実電圧、Ｖ相実電圧をそれぞれフィルタ９１、フィルタ９２で平滑化して電流推定に利用する。なお、フィルタ９１、９２には電流制御系１０Ｂのサンプリング周期による位相遅れを補正するための位相補正演算を追加してもよい。このような構成とすることで、実施例１あるいは実施例２と同等な効果を得ることができる。【００８０】
なお、実施例１から実施例３までに示した電流推定器７０の巻線インダクタンスＬと巻線抵抗Ｒは、例えば、環境温度上限値における値と環境温度下限値における値の算術平均を固定値として用いても良いし、図示しないバルブ制御装置１の上流に位置する上位コントローラより温度情報が与えられれば、予め計測しておいた温度と巻線抵抗および温度と巻線インダクタンスのマップを用いて、値を更新しても良い。【００８１】
さらに、実施例１から実施例３までにおいて、バルブ駆動時のモータ電源電圧の変動に対処するために、モータ電源電圧を参照して、位置制御系８０の出力であるｑ軸電流指令を補正してもよい。【００８２】
また、バルブ機構を駆動するブラシレスＤＣモータ１２０に具備される位置検出センサ１００の電気角分解能が３０ｄｅｇの場合でも、相電流指令や推定誘起電圧の矩形波近似演算は、先の実施例１で示した方法と同様に実施できる。
【符号の説明】
【００８３】
１  バルブ制御装置、１０、１０Ａ、１０Ｂ  電流制御系、２０  電流指令分配器、３０  電流制御器、４０  飽和処理器、５０  フィルタ、６０  誘起電圧推定器、７０  電流推定器、８０  位置制御系、８７  飽和処理器、９０、９０Ａ  位相補正器、９１、９２  フィルタ、９５  検出位置換算器、１００  位置検出センサ、１１０  駆動回路、１２０  ブラシレスＤＣモータ、１３０  バルブ。
【図１】
2010087224.tif 000009
【図２】
2010087224.tif 000010
【図３】
2010087224.tif 000011
【図４】
2010087224.tif 000012
【図５】
2010087224.tif 000013
【図６】
2010087224.tif 000014
【図７】
2010087224.tif 000015
【図８】
2010087224.tif 000016
【図９】
2010087224.tif 000017
【図１０】
2010087224.tif 000018
【図１１】
2010087224.tif 000019
【図１２】
2010087224.tif 000020
【図１３】
2010087224.tif 000021
【図１４】
2010087224.tif 000022
【図１５】
2010087224.tif 000023
【図１６】
2010087224.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月16日(2011.3.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に係るバルブ制御装置は、バルブの開方向もしくは閉方向にリターントルクが付与されるバルブ機構に対して、前記リターントルクと対向にモータによるトルクを付与するモータの制御によって前記リターントルクとモータトルクのバランスでバルブを開閉制御するバルブ制御装置であって、パルス出力式の位置検出センサで検出されたモータの現在位置であるステップ状に変化する電気角検出位置を機械角検出位置に換算する検出位置換算器と、モータの目標位置指令と前記機械角検出位置との偏差に基づきｑ軸電流指令を出力する位置制御系と、前記ステップ状に変化する電気角検出位置に基づき前記ｑ軸電流指令をモータ各相の相電流指令に分配し、前記相電流指令とフィードバックされた各相の推定電流の電流偏差に基づき各相の相電圧指令を生成し、前記ステップ状に変化する電気角検出位置及び予め実測された誘起電圧に基づき各相の推定誘起電圧を求め、前記推定誘起電圧及び前記相電圧指令に基づき各相の推定電流を求める電流フィードバック系をなす電流制御系とを備えるものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブの開方向もしくは閉方向にリターントルクが付与されるバルブ機構に対して、前記リターントルクと対向にモータによるトルクを付与するモータの制御によって前記リターントルクとモータトルクのバランスでバルブを開閉制御するバルブ制御装置であって、
パルス出力式の位置検出センサで検出されたモータの現在位置であるステップ状に変化する電気角検出位置を機械角検出位置に換算する検出位置換算器と、
モータの目標位置指令と前記機械角検出位置との偏差に基づきｑ軸電流指令を出力する位置制御系と、
前記ステップ状に変化する電気角検出位置に基づき前記ｑ軸電流指令をモータ各相の相電流指令に分配し、前記相電流指令とフィードバックされた各相の推定電流の電流偏差に基づき各相の相電圧指令を生成し、前記ステップ状に変化する電気角検出位置及び予め実測された誘起電圧に基づき各相の推定誘起電圧を求め、前記推定誘起電圧及び前記相電圧指令に基づき各相の推定電流を求める電流フィードバック系をなす電流制御系と
を備えたバルブ制御装置。
【請求項２】
前記電流制御系は、
電流制御系のサンプリング周期の影響で遅れる電気角検出位置の位相遅れの量分を補正する位相補正量を出力する位相補正器と、
前記位相補正量及び前記電気角検出位置に基づき前記ｑ軸電流指令をモータ各相の相電流指令に分配する電流指令分配器と、
前記相電流指令とフィードバックされた各相の推定電流との差分演算で得られる電流偏差に基づき相電圧指令を生成する電流制御器と、
前記相電圧指令を実使用電圧範囲内で飽和処理して出力する飽和処理器と、
前記電気角検出位置を平滑化してモータの現在速度である電気角速度を求めるフィルタと、
前記位相補正量、前記電気角検出位置、前記電気角速度及び予め実測された誘起電圧に基づき各相の誘起電圧を推定する誘起電圧推定器と、
前記誘起電圧推定器の出力である推定誘起電圧と前記飽和処理器の出力である相電圧指令との差分演算で得られる電圧偏差に基づき推定電流を推定する、３相モータ１相あたりの電圧と電流の関係を一次遅れ要素でモデル化した電流推定器とを含む
請求項１記載のバルブ制御装置。
【請求項３】
前記電流指令分配器は、
前記位相補正器からの位相補正量に基づき補正演算した新たなモータの現在位置である電気角検出位置と、前記ｑ軸電流指令とに基づいて、前記電気角検出位置の検出区間毎に波形整形して矩形波の各相の相電流指令を生成する
請求項２記載のバルブ制御装置。
【請求項４】
前記誘起電圧推定器は、
前記位相補正器からの位相補正量に基づき補正演算した新たなモータの現在位置である電気角検出位置と、前記電気角速度と、予め実測された誘起電圧とに基づいて、前記電気角検出位置の検出区間毎に波形整形して矩形波の各相の推定誘起電圧を生成する
請求項２記載のバルブ制御装置。
【請求項５】
前記位置検出センサは、電気角の分解能が３０ｄｅｇないし６０ｄｅｇである
請求項１記載のバルブ制御装置。
【国際調査報告】
2010087224.tif 000025
2010087224.tif 000026