(57)【要約】【課題】目標位置収束後のエネルギー損失を低減できる位置決め装置を提供することにある。【解決手段】動力伝達装置であるウォームギヤ７は、アクチュエータであるモータ２の駆動力が可変翼１ａを移動させる力となる効率に比べて、可変翼１ａに加えられた外力がモータ２を移動させる力となる効率の方が小さいものである。制御手段５は、モータの駆動力により可変翼１ａの位置を制御し、目標位置到達後に外力とつりあう駆動力を出力しつづける。また、制御手段５は、可変翼１ａが目標位置到達した後に、モータの駆動力の大きさを制限する。【選択図】  図１
2004318633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータの駆動力により動力伝達装置を介して制御対象物の位置を制御する制御手段を有するとともに、この制御手段は、前記制御対象物の目標位置到達後に外力とつりあう駆動力を出力しつづけることにより残存偏差をなくすように制御する位置制御装置において、
前記動力伝達装置は、前記アクチュエータの駆動力が前記制御対象物を移動させる力となる効率に比べて、前記制御対象物に加えられた外力が前記アクチュエータを移動させる力となる効率の方が小さいものであり、
前記制御手段は、前記制御対象物が目標位置到達した後に、前記アクチュエータの駆動力の大きさを制限することを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
請求項１の位置制御装置において、
前記制御手段が前記アクチュエータの駆動力の大きさを制限する制限値は、外力により前記アクチュエータが移動させられる力の最大値よりも大きいものであることを特徴とする位置制御装置。
【請求項３】
請求項１の位置制御装置において、
前記制御手段が前記アクチュエータの駆動力の大きさを制限する制限値は、最大外力印加時に前記制御対象物を移動するための最小のアクチュエータ駆動力よりも小さいものであることを特徴とする位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物を目標位置に位置決めする位置決め装置に係り、特に、ＰＩＤ制御による位置決めするに好適な位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対象物を目標位置に位置決めすることを目的とする位置制御装置においては、例えば、特開２００２−５４４８５号公報に記載のように、ＰＩＤ制御を用いて制御を行うのが一般的である。ここで、目標位置とは、直線移動するものの位置だけでなく、回転移動するものの回転位置も含むものである。ＰＩＤ制御では、目標位置と現在位置の偏差に比例する出力と、偏差の積分値に比例する出力と、偏差の微分値に比例する出力とを組み合わせて、アクチュエータの出力を決定し、制御を行っている。この場合、目標位置到達時には、通常、積分項による出力（保持トルク）によって外力とのつりあいをとり、残存偏差を打ち消している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−５４４８５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ウォームギア・送りねじ式ギア等のように、外力により制御対象物が移動させられにくい構造（入出力で伝達効率が異なる構造、動力伝達率の低い構造）を動力伝達装置として用いている場合には、目標位置収束後の保持トルクは必ずしも必要ではなく、比較的小さい駆動力のみで保持することができる場合がある。すなわちこのケースでは、アクチュエータは余分な駆動力を出力することになり、実用上、必要のないエネルギー損失を生み出すことにもなる。モータをアクチュエータとして用いる場合には、余分な駆動力を出力するために通電すると、発熱が問題となる。また、余分なエネルギーを消費するという問題もある。
【０００５】
本発明の目的は、目標位置収束後のエネルギー損失を低減できる位置決め装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、アクチュエータの駆動力により動力伝達装置を介して制御対象物の位置を制御する制御手段を有するとともに、この制御手段は、前記制御対象物の目標位置到達後に外力とつりあう駆動力を出力しつづけることにより残存偏差をなくすように制御する位置制御装置において、前記動力伝達装置は、前記アクチュエータの駆動力が前記制御対象物を移動させる力となる効率に比べて、前記制御対象物に加えられた外力が前記アクチュエータを移動させる力となる効率の方が小さいものであり、前記制御手段は、前記制御対象物が目標位置到達した後に、前記アクチュエータの駆動力の大きさを制限するようにしたものである。
かかる構成により、目標位置収束後のエネルギー損失を低減し得るものとなる。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段が前記アクチュエータの駆動力の大きさを制限する制限値は、外力により前記アクチュエータが移動させられる力の最大値よりも大きくしたものである。
【０００８】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段が前記アクチュエータの駆動力の大きさを制限する制限値は、最大外力印加時に前記制御対象物を移動するための最小のアクチュエータ駆動力よりも小さくしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態による位置決め装置の構成及び動作について説明する。なお、以下の説明では、本実施形態の位置決め装置をターボチャージャの内翼角度可変システムに適用したものについて説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による位置決め装置を適用したターボチャージャの内翼角度可変システムの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による位置決め装置を適用したターボチャージャの翼角度可変システムの構成を示すシステム構成図である。
【００１０】
ターボチャージャの内翼角度可変システムは、ターボチャージャ１内の可変翼１ａの角度を変化させることにより、タービンが排気から受ける圧力を調節し、過給圧を変化させるものである。
【００１１】
可変翼１ａはモータ２を動力とし、ギア２ａ−ギア２ｂ−ウォームギア７−ギア２ｃ−リンク８を介して動作させる。モータ２は、ターボチャージャ可変翼制御手段５により制御される。また、翼１ａの角度は、モータ２の出力軸に取り付けられた磁石プレート３Ａ，３Ｂとエンコーダ４Ａ，４Ｂによって検出される。各々の磁石プレート３Ａ，３Ｂに一定の角度ごとに埋め込まれた磁石がモータ２の回転に伴い、エンコーダ４Ａ，４Ｂの直近を通過すると、エンコーダ４Ａ，４Ｂはエンコーダパルス４ａ，４ｂを発生し、ターボチャージャ可変翼制御手段５に入力される。ターボチャージャ可変翼制御手段５は、エンコーダパルス４ａ，４ｂを処理し、現在回転位置を算出して、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６からの通信信号６ａに含まれる目標位置情報と比較し、その偏差に応じてＰＩＤ制御により出力電圧を決定し、モータ制御信号５ａによってモータ２を駆動する。
【００１２】
以上説明したターボチャージャ内翼角度可変システムは、モータを用いて翼角度を変化させる際、モータと可変翼の間の動力伝達のために、歯車伝達機構２ａ，２ｂ，２ｃ，７を採用している。その理由は、モータの駆動力を有効に利用するためである。モータは、トルクを発生するために、それにほぼ比例した電流を供給する必要がある。歯車伝達機構を用いると、減速比を適度に設定することによって、モーターに要求されるトルクを小さくすることができる。もし、歯車伝達機構を用いないならば、モータに要求されるトルクは大きいものとなり、したがって通電電流も大きくなる。その結果、ターボチャージャ可変翼制御手段５のモータ駆動素子および通電ラインにおける損失が大きくなり、効率の悪いシステムとなるうえ、ターボチャージャ可変翼制御手段５の発熱量が増大し、電子部品の保証温度などの問題から放熱設計が難しくなる。
【００１３】
また、ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいては、歯車伝達機構としてウォームギア７，２ｃを採用している。ウォームギアは、大きい減速比を、比較的簡素な構成で体積をそれほど大きく取ることなく実現でき、負荷側に加えられた外力を動力発生手段側には伝達しにくいものである。したがって、可変翼１ａの目標開度収束後、ごく小さなトルクを出力するのみで位置を保持することができる。以上の理由から、本ターボチャージャ内翼角度可変システムでは、ウォームギアを採用している。
【００１４】
ところでウォームギアは、出力軸から入力軸へのトルク伝達効率が、入力軸から出力軸へのトルク伝達効率に比較して、格段に小さいものである。例えば、ターボチャージャ内翼角度可変システムに採用しているウォームギアでは、入力軸から出力軸へのトルク伝達効率は４３．７％であるのに対し、出力軸から入力軸へのトルク伝達効率は１３．３％である。このため、ある一定の外力が加えられている場合に、実際に出力軸を回転させるのに必要なモータの出力トルクと、外力に対して回転させられないようにその位置を保持するために必要なトルクが大きく異なる。たとえば、外力ＴＯＵＴが６９０［ｍＮｍ］であるときを考える。これに対し、出力軸を回転させるのに必要なトルクＴＭＯＴＯＲ１は、ギア比をλ、入力軸−出力軸トルク伝達効率をηｉ−ｏとすると、以下の式（１）から、
ＴＭＯＴＯＲ１×λ×ηｉ−ｏ＞ＴＯＵＴ  …（１）
で表される。ここで、外力ＴＯＵＴ＝６９０［ｍＮｍ］とし、ギア比λ＝５４．１とし、入力軸−出力軸トルク伝達効率ηｉ−ｏ＝４３．７％とすると、式（１）から、
ＴＭＯＴＯＲ１＞（ＴＯＵＴ／（λ×ηｉ−ｏ））＝６９０／（５４．１×０．４３７）＝２９．１８［ｍＮｍ］…（２）
となる。
【００１５】
これに対し、外力に対し入力軸が回転させられないために必要なトルクＴＭＯＴＯＲ２は、出力軸−入力軸トルク伝達効率をηｏ−ｉとすると、次の式（３）から、
（ＴＯＵＴ／λ）×ηｏ−ｉ  ＜ＴＭＯＴＯＲ２    …（３）
を満たせばよいから、出力軸−入力軸トルク伝達効率ηｏ−ｉ    を１３．３％とすると、
ＴＭＯＴＯＲ２＞（ＴＯＵＴ／λ）×ηｏ−ｉ  ＝（６９０×０．１３３）／５４．１＝１．７０［ｍＮｍ］…（４）
となる。
【００１６】
このため、モータ発生トルクＴＭＯＴＯＲが、ＴＭＯＴＯＲ２＜ＴＭＯＴＯＲ＜ＴＭＯＴＯＲ１である場合には、モータが外力に打ち勝って正転することもなければ、外力により逆転させられることもないので、その位置に停止し続けることになる。
【００１７】
次に、トルクＴＭＯＴＯＲ１、ＴＭＯＴＯＲ２を発生させるのに必要な出力電圧（モータの駆動電圧）ＶＭについて説明する。回転速度が十分小さいときのモータの発生トルクＴＭＯＴＯＲは、駆動電圧をＶＭとし、モータ巻線抵抗をＲａとし、モータの電流−トルク係数をＫｔとすると、式（５）により、
ＴＭＯＴＯＲ＝Ｋｔ×（ＶＭ／Ｒａ）  …（５）
で表される。したがって、ＴＭＯＴＯＲ１、ＴＭＯＴＯＲ２を発生させるのに必要な駆動電圧ＶＭ１，ＶＭ２は、次の式（６），（７）から、
ＶＭ１＝（ＴＭＯＴＯＲ１／Ｋｔ）×Ｒａ＝（２９．１８／７．６９）×１．６７＝６．３４［Ｖ］…（６）
ＶＭ２＝（ＴＭＯＴＯＲ２／Ｋｔ）×Ｒａ＝（１．７０／７．６９）×１．６７＝０．３７［Ｖ］…（７）
となる。したがって、ＶＭ１＜ＶＭ＜ＶＭ２のときは、モーターは自ら回転することも、外力により回転させられることもなく、その位置に停止し続けることになる。
【００１８】
次に、図２を用いて、ＰＩＤ制御における位置保持制御について説明する。
図２は、ＰＩＤ制御における位置保持制御の説明図である。図２（Ａ）の縦軸は位置を示し、図２（Ｂ）の縦軸はモータ駆動電圧を示している。それぞれの横軸は時間を示している。
【００１９】
ＰＩＤ制御は、目標位置近辺を往復しながら外力とつりあうだけの出力を探しあて、積分項として出力することにより残存偏差をなくすものである。ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいては、外力と釣り合う（外力に打ち勝ち正転することも、外力により逆転させられることもない状態）だけのトルクおよびモータ駆動電圧はある幅をもつため、目標位置収束後の保持時のモータ駆動電圧は、収束するまでの過程（過渡的な負荷のかかり方など）により異なり、この幅の中でどの値をとるかは不明である。
【００２０】
例えば、図２（Ａ）に示すように、時間の経過と共に、位置が目標位置に近づき、目標位置に対して所定の範囲（不感帯＝例えば、目標位置±２エンコーダのパルス値）内になると、図２（Ｂ）に示すように、その位置で停止する。上述したように、外力が６９０［ｍＮｍ］である場合には、図２（Ｂ）に示すように、０．３７〜６．３４［Ｖ］の範囲のいずれかの値となる。停止時のモータ電圧は、モータ電圧が例えば実線Ｘ１にように推移して、６．３４Ｖに近い値となる場合もあり、また、実線Ｘ２のように推移して、０．３７Ｖに近い値となる場合もある。
【００２１】
目標位置での保持のみを考えた場合には、いずれのモータ駆動電圧であっても保持できるため、性能としては問題を生じることはない。しかし、６．３４Ｖを出力している状態でつりあった場合には、最低保持電圧である０．３７Ｖに対して約１７倍の電圧を出力していることになる。これは、すなわち必要最小限の１７倍の電流を消費し、１７２倍の損失ならびに発熱が発生することになる。ターボチャージャ可変翼制御手段５のモータ駆動素子オン抵抗Ｒｏｎを０．６Ωとし、モータ駆動素子からケース表面への熱抵抗θｊ−ｃを約１５［℃／Ｗ］とすると、モータ駆動素子の温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝（ＶＭ／Ｒａ）２×Ｒｏｎ×θｊ−ｃ＝（６．３４／１．６７）２×０．６×１５＝１２９．７℃…（８）
となり、非常に大きい。これは、電力消費量の点でも望ましくないし、またモータやモータ駆動素子の耐熱性の面からも望ましくないものである。また、ターボチャージャ内翼角度可変システムは現在の回転位置を保持するだけでなく、変化した目標位置に可変翼１ａを移動させるためにモータを駆動する。このときに発生する消費電力および発熱は、現在位置を保持しているときよりも大きい。よって、動作頻度が限られるが、もし保持時の発熱が大きければ、動作頻度を小さい値に設定しなければならなくなる。
【００２２】
そこで、本実施形態では、目標位置収束後、その位置を保持するだけの状態では、外力によって逆転させられることのない範囲で、なるべく小さな値に出力を抑え、発熱を低減するため、目標位置収束後には、実使用において考えられる最大の外力を保持できる最小のモータ駆動電圧を出力のリミッタとして設けるようにしている。
【００２３】
ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいては、実使用上で加えられる外力の最大値は６９０［ｍＮｍ］である。このときの最低保持電圧は０．３７［Ｖ］であるから、目標位置収束後にはこの値で出力電圧にリミッタをかけるようにする。
【００２４】
ここで、収束時の出力電圧が上記の値を下回る場合には、何も影響を与えないものとする。例えば、外力が４０．２１［ｍＮｍ］以下の場合には、保持トルクは１．７０［ｍＮｍ］以下であり、このときの出力電圧は０．３７［Ｖ］以下であるので、リミッタの影響がないことになる。
【００２５】
一方、外力が４０．２１〜６９０［ｍＮｍ］である場合には、収束後の保持に使われる出力電圧が０．３７［Ｖ］以上である可能性があるので、これを超えている場合には０．３７［Ｖ］に制限する。すると、保持時のターボチャージャ可変翼制御手段５内のモータ駆動素子の温度上昇は、最大でも、
ΔＴ＝（ＶＭ／Ｒａ）２×Ｒｏｎ×θｊ−ｃ＝（０．３７／１．６７）２×０．６×１５＝０．４４℃…（９）
となり、ほとんど無視できる程度となる。これにより、外力によって回転させられにくいというウォームギアの特徴を最大限に利用し、目標位置収束後にはごく小さな駆動電圧で現在位置を保持することができるので、保持時の発熱が抑制され、実際の動作頻度を大きくすることができ、ターボチャージャ内翼角度可変システムの性能を向上させることができる。
【００２６】
次に、図３及び図４を用いて、上述の原理を用いた本実施形態による位置決め装置の動作について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による位置決め装置の動作を示すフローチャートである。このフローチャートに示す制御処理は、ターボチャージャ可変翼制御手段５によって実行される。図４は、本発明の一実施形態による位置決め装置の動作説明図である。
【００２７】
ステップｓ１０において、ターボチャージャ可変翼制御手段５は、偏差の初期値ＴａｒｇｅｔＤＥＬとして、「４」を設定する。この値は、エンコーダ４ａ，４ｂが出力する４パルス分という値である。
【００２８】
ステップｓ１５の判定により、エンジンコントロールユニット６から外部コントロールユニット通信信号６ａにより、ターボチャージャ可変翼制御手段５に目標位置（目標開度）が与えられると、ステップｓ２０において、ターボチャージャ可変翼制御手段５は、ステップｓ６０において求められている現在の回転位置と目標位置とのの偏差を求める。
【００２９】
次に、ステップｓ２５において、この偏差に対してＰＩＤ制御によりモータ２に印加するデューティおよび回転方向を求め、動力用モータ２をＰＷＭ駆動する。これにより動力用モータ２の回転位置および翼角度可変ターボチャージャの翼角度が変化するとエンコーダ４Ａ，４Ｂから回転角度に応じたエンコーダパルス４ａ，４ｂが出力される。制御手段５はこの信号を演算して現在の回転位置を求め、目標位置との偏差の導出を行う。
【００３０】
ステップｓ３０において、偏差が予め設定されている値ＴａｒｇｅｔＤＥＬよりも小さくなったか否かを判定し、小さくない場合にはステップｓ３５に進み、小さくなるとステップｓ４０に進む。
【００３１】
小さくない場合には、ステップｓ３５において、値ＴａｒｇｅｔＤＥＬを「２」として、ステップｓ５０において、動力用モータ２をＰＷＭ駆動する。
【００３２】
ステップｓ５５において、動力用モータ２の回転位置および翼角度可変ターボチャージャの翼角度が変化したか否かを判定し、変化すると、ステップｓ６０において、エンコーダ４Ａ，４Ｂから回転角度に応じたエンコーダパルス４ａ，４ｂが出力される。制御手段５はこの信号を演算して現在の回転位置を求め、目標位置との偏差の導出を行う。
【００３３】
ステップｓ３０の判定において小さくなった場合（偏差がエンコーダパルス２パルス分（動力用モータ２の回転角２４度分）となった場合）には、ステップｓ４０において、目標位置に収束したものとして、積分項の加算を停止するとともに、出力デューティーにリミッタをかける。
【００３４】
ここで図４に示すように、実線Ｙ１で示すようにモータ電圧が変化して、時間ｔ３において収束したと判定した場合、モータ駆動電圧ＶＭをリミッタ値の０．３７Ｖに設定する。また、実線Ｙ２で示すようにモータ電圧が変化して、時間ｔ２において収束したと判定した場合、モータ駆動電圧ＶＭをリミッタ値の０．３７Ｖに設定する。
【００３５】
そして、ステップｓ４５において、値ＴａｒｇｅｔＤＥＬを「４」として不感帯を広げて収束性を良くして、振動しないようにする。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態では、目標位置収束後の保持中の駆動電圧に、最大外力および使用するギアの効率に見合ったリミットを設けることによって、目標位置収束時の精度などの性能に影響を与えることなく目標位置収束後の余分な出力を抑制して、発熱を抑えることができる。このため、実際の許容動作頻度の面で性能を向上させることができるとともに、動作条件に見合った適正なモータを選定することが可能となり、かつ省エネルギー性の高いシステムを構築することができる。
【００３７】
また、送りねじ式ギアなど出力−入力トルク伝達効率が出力−入力トルク伝達効率より低いシステム、もしくは動力伝達効率の低いシステム、アクチュエータとしてモータ以外を採用しているシステムにおいても、最大外力をＴＯＵＴ（ＭＡＸ）とし、ギア比をλとし、出力軸から入力軸へのトルク伝達効率をηｏ−ｉとすると、駆動トルクリミット値は、以下の式（１０）から、
駆動トルクリミット値＝（ＴＯＵＴ（ＭＡＸ）／λ）×ηｉ−ｏ  …（１０）
として求められる。この駆動トルクリミット値を、「最大外力を保持可能な最小駆動トルク」として、リミッタをかけることにより、同様の効果が得られる。
【００３８】
さらに、駆動トルクリミッタの値は上記の値に限定されるものではなく、最大外力を保持できさえすればいいので、上記の値以上であれば良いものである。特に、ギアの効率その他のパラメータが、耐久劣化等により変動する可能性がある場合には、余裕を持って、前述した条件の値よりもリミッタ値を大きくすることも考えられる。しかし、あまりリミッタの値が大きいと、効果は薄れるし、最大外力に打ち勝ってしまうほどのトルクをリミッタとして用いても意味はない。そのため、リミッタの値は、入力軸から出力軸へのトルク伝達効率をηｉ−ｏとすると、以下の式（１１）のように、
（ＴＯＵＴ（ＭＡＸ）／λ）×ηｏ−ｉ＜駆動トルクリミット値＜（ＴＯＵＴ（ＭＡＸ）／λ）×ηｉ−ｏ  …（１１）
の範囲で選定するようにする。
【００３９】
以上、本実施形態について詳述したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、入出力で効率が異なるギアを採用している、もしくは動力伝達効率の低い位置制御装置において、目標位置収束後の保持トルクに、最大外力および使用するギアの効率に見合ったリミットを設けることによって、目標位置収束時の精度などの性能に影響を与えることなく目標位置収束後の余分な出力を抑制できる。このため、アクチュエータの発熱が問題となるシステムにおいてはこれを抑制でき、実際の許容動作頻度の面で性能を向上させることができる。また、実際の動作条件に見合った適正なアクチュエータを選定することが可能となり、かつ省エネルギー性の高いシステムを構築することができる。
【００４１】
また本発明は、実使用において印加される外力の大きさが一定でなく、かつその範囲が広いシステムにおいて特に有効である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、目標位置収束後のエネルギー損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による位置決め装置を適用したターボチャージャの翼角度可変システムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】ＰＩＤ制御における位置保持制御の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による位置決め装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態による位置決め装置の動作説明図である。
【符号の説明】
１…ターボチャージャ
１ａ…可変翼
２…動力用モータ
２ａ，２ｂ，２ｃ…動力伝達用ギア
３Ａ，３Ｂ…エンコーダ用磁石プレート
４Ａ，４Ｂ…エンコーダ
４ａ，４ｂ…エンコーダ出力パルス
５…ターボチャージャ可変翼制御装置
５ａ…モータ制御信号
６…エンジンコントロールユニット
６ａ…通信信号
７…ウォームギア
８…動力伝達用リンク
【図１】
2004318633.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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