(57)【要約】【課題】  可動物を移動して目的の位置に位置付ける位置変化制御装置において、可動物に駆動力を加えたとき、位置変化が発生しない、または位置変化の発生が遅れることがある。【解決手段】  可動物に加える駆動力を通常の方法で算出し第一の駆動力とし、異なる方法で第二の駆動力を算出して、位置変化が検出されるまでは最初に与えた駆動力に第二の駆動力を追加して、あるいはその代替として第二の駆動力をもって可動物を駆動し、位置変化が検出された後は、第一の駆動力によって可動物を駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータを駆動して可動物の現在位置を移動させる位置変化制御装置において、
停止状態から位置移動を開始するとき、または位置移動が阻害されているときに、所望の駆動力をアクチュエータに生じせしめる前に、前記所望の駆動力の方向とは独立に定められる方向に駆動力を生じせしめるステップを挿入することを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記所望の駆動力とは独立に定められる方向とは、アクチュエータが受ける外部負荷の方向と同じ方向であることを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項３】
アクチュエータを駆動して可動物の現在位置を移動させる位置変化制御装置において、
停止状態から位置移動を開始するとき、または位置移動が阻害されているときに、所望の駆動力をアクチュエータに生じせしめる前に、前記所望の駆動力とは異なる方向の駆動力を生じせしめるステップを挿入することを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項４】
請求項３において、前記所望の駆動力とは異なる方向とは、前記所望の駆動力とは逆の方向であることを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４において、挿入するステップを、位置変化が検出されるまで継続することを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項６】
アクチュエータを駆動して可動物の現在位置を移動させる位置変化制御装置において、
停止状態から位置移動を開始するとき、または位置移動が阻害されているときに、所望の駆動力をアクチュエータに生じせしめる前に、ある方向に駆動力を生じせしめる第１のステップと、前記第１のステップの駆動力の大きさまたは方向のいずれか一方または両方を変化させた第２のステップを、交互に合計の回数が２回以上繰り返し挿入することを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項７】
請求項６において、繰り返し挿入する回数を制限することを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項８】
請求項６において、繰り返し挿入する操作を、位置変化が検出されるまで継続することを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項９】
請求項１〜８において、前記第１のステップまたは前記第２のステップまたはその両方について、駆動力と駆動継続時間のいずれか一方または両方の最大限界量を上回らない範囲でのみ前記駆動力を印加することを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項１０】
請求項１〜９において、制御性能を制御目標達成所要時間によって診断する制御性能診断方法において、前記第１のステップまたは第２のステップにかかる所要時間、あるいはその両方のステップの所要時間を、前記制御性能診断方法における制御目標達成所要時間に含めないことを特徴とする位置変化制御装置。
【請求項１１】
請求項１〜９において、制御性能を制御所要時間によって診断する制御性能診断方法において、前記第１のステップまたは第２のステップにかかる所要時間、あるいはその両方のステップの所要時間を用いて前記診断を行うことを特徴とする位置変化制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標位置に位置付けるように制御量を加減する位置制御装置、および所望の位置変化、例えば一定速度を実現するために必要な制御量を加えて位置変化を生じせしめる位置変化制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
位置を移動させる場合、移動接触面における摩擦力が影響して円滑な移動が損なわれることがあることは広く知られている。具体的には、移動に必要なトルク量を計算して加えても、移動開始タイミングが遅れるとか、移動速度が予測したより遅くなるとか、移動開始時または移動途中でロックする、などの現象が発生し、その原因に摩擦力が大きくかかわっている。摩擦力は通常、静止摩擦と動摩擦の二つに分けて考えることが多い。その理由の一つは、両者が異なる特性を示すことにある。たとえば、この二種類の摩擦力の大きさは、通常静止摩擦の方が大きい。あるいは、動作中は動摩擦が支配的に作用し、停止時は静止摩擦が支配的に作用する。ただし、移動状態から停止するとき、および停止状態から移動開始するときは、両摩擦力の間の遷移が発生し、力学としてはきわめて複雑な現象を呈する。
【０００３】
移動状態から静止状態に移行するとき、摩擦力により静止位置の微小位置制御が困難になることに対しては、ディザを適用することが公知である（特許２００６７４３号公報）。しかしこの方法は、静止するときの位置制御分解能を向上させることを目的とするものであり、静止状態から移動開始するときの摩擦の問題、すなわち静止摩擦が支配的な状態でこれに打ち勝って移動開始する場合の課題を解決することを目的としたものではない。また特開平１０−１２２０１９号公報ではスロットル弁に微小振動する制御信号を付加する方法が開示されているが、付加するトルクの方向は制御目標方向に限られており、その効果は限定的である。
【０００４】
【特許文献１】特許２００６７４３号公報
【特許文献２】特開平１０−１２２０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、移動開始までの時間を短縮し、あるいは移動が阻害されている状態を解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
静止状態から移動開始するときの静止摩擦に打ち勝って円滑に移動開始を行うために、一時的な駆動力を付加する。この付加力は、その作用方向を、外部負荷トルク方向，移動目標方向の反対方向，その他の制御特性から求められる方向から選択して設定するとともに、その拡張として、二種類の作用方向を切り替えながら繰り返して適用する方法を含む。いずれも最初の位置変化を実現するための方法である。作用方向を外部負荷トルク方向とする方法は外部からの負荷トルクを援用して最初の位置移動を行わせるものである。作用方向を移動目標方向の反対方向とする方法ではその次に移動目標方向にトルク方向を切り替えて加えることにより、付加トルクの作用方向を反転させてトルク変化量を見かけ上大きくして最初の位置移動を行わせるものである。また、最初の移動方向はどの方向でも静止摩擦の低減には効果があることから、最初のトルク付加方向を装置の安全性を向上させる方向として、いったん安全方向に移動して静止摩擦を解消したのち目的とする移動方向への移動を行うものである。
【発明の効果】
【０００７】
以上の記述により、位置検出装置を用いて検出した位置情報をもとに、アクチュエータを駆動して対象物を移動させることを目的とする位置変化制御装置において、静止摩擦がひとつの要因となって移動が阻害されている場合に、静止摩擦を克服して移動を開始せしめるために、補正駆動力を印加する。この補正駆動力は通常の制御ロジックとは異なる制御内容であり、まず静止摩擦が支配的な領域を脱出することにより、対象物の移動開始までの時間を短縮し、あるいは移動が阻害されている状態を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、以下では実施形態の説明としてターボチャージャを例にとる場合があるが、本発明の対象はターボチャージャに限らず、摩擦に打ち勝って制御対象物の位置または角度のいずれかまたは両方を変化させる制御系全般に対して適用されるものである。
【０００９】
図１は、本発明実施形態における位置変化制御装置を含む制御系の構成を、ターボチャージャ内翼角度可変システムを例にとって示すものである。本システムにおいては、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ことができる。可変翼１ａはモータ２を動力とし、モータ回転軸に取り付けられたギア２ａ，ギア２ｂ，ウォームギア７，ウォームホイール２ｃおよびリンク８を介して動作させる。モータ２の制御はターボチャージャ可変翼制御装置５で行われる。また、翼角度の検出はモータ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で行われ、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の回転軸の回転に伴い、エンコーダ４Ａ，４Ｂ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、これがマイクロコンピュータ１３に入力される。マイクロコンピュータ１３は、エンコーダパルス４ａ，４ｂを処理し、角度を算出し、外部コントロールユニット６からの通信信号６ａに含まれる目標角度情報と比較し、その差に応じてモータ制御信号５ａをもってモータ２を制御する。
【００１０】
図２は、ターボチャージャ可変翼制御装置５の内部構成の電子系要素を示している。ターボチャージャ可変翼制御装置５は、バッテリー電圧から電圧変換して内部回路を駆動するための電力を供給する電源回路１０，バッテリー電圧をＰＷＭ制御で出力することで所望の回転方向に対応した電圧を動力用モータ２に供給するモータ駆動素子１１，エンコーダパルス４ａ，４ｂの信号線に設けられたフィルタ回路１２Ａ，１２Ｂ，マイクロコンピュータ１３からなっている。
【００１１】
エンコーダ４Ａ，４Ｂを用いて動力用モータ２の軸回転角度を検出する方法は本発明の対象ではないため、ここでは説明を省略する。目標開度信号６ａは外部から制御対象物の目標とする位置を指定するもので、ＣＡＮ通信その他の手段でマイクロコンピュータ１３に伝えられる。
【００１２】
本実施形態におけるターボチャージャ可変翼制御装置５の動作は以下である。ターボチャージャ可変翼制御装置５に外部コントロールユニット通信信号６から目標開度が与えられる。マイクロコンピュータ１３は現在の開度との偏差を求める。そして、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、モータドライバ１１に指令を与える。モータドライバ１１は、マイクロコンピュータ１３からの指令に基づくＰＷＭデューティ値と駆動方向値をもとに、バッテリー電圧を用いて２本のモータラインのいずれか一方にＰＷＭ信号値を発生させて動力用モータ２の回転軸をいずれか一方の回転方向に駆動する。これにより動力用モータ２の回転軸の回転に応じて翼角度可変ターボチャージャの翼角度が変化する。動力用モータ２の回転軸の回転に伴い、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。この信号はフィルタ回路１２ａ，１２ｂを介してマイクロコンピュータ１３に入力される。マイクロコンピュータ１３はこれを入力して現在の回転位置を求め、目標開度との偏差を求める。異常の処理を繰り返して実行する。そして、現在位置が目標位置に到達したと見なれると通常制御を停止する。ここで目標位置に到達したとは、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４８度分）になった時点などと定めるものとする。ちなみに、上記の位置検出及びモータ制御はマイクロコンピュータ１３の周期処理タスクを用いて周期的に行う。周期処理タスクの周期はここでは１ｍｓである。
【００１３】
図３は、上記周期処理タスクの処理内容を示すフローチャートである。ボックス５００はフィルタ回路１２ａ,１２ｂを介して入力されたエンコーダパルス４ａ,４ｂを読み込み現在位置（CurPos）を求める。ボックス５０５では現在位置（CurPos）と前回位置
（PrevPos）との差、すなわち位置変化量deltaを求める。更に条件分岐５０６で上記位置変化量delta が一定値以上の位置変化があることを示しているかどうかを判定する。ボックス５０７では前記位置変化があったとき、経過時間カウンタTimeoutCounterの値を初期化（初期値はＴｃ）する。この経過時間カウンタTimeoutCounterの働きは後述する。ボックス５１０では別途与えられた目標位置（TarPos）との偏差であるｄｉｓを求める。ボックス５２０では、偏差ｄｉｓをもとにＰＩＤ制御ロジックなどに基づく制御量の演算を行い、モータ駆動方向とモータ駆動Ｄｕｔｙ絶対値を求める。条件分岐５３０では前記経過時間カウンタTimeoutCounterがゼロかどうか判定し、ゼロでないときには、５３１で経過時間カウンタTimeoutCounterの値を１だけ減算し、さらにボックス５３２で一時的な駆動方向と駆動Ｄｕｔｙ値を求める。ここで求められる駆動Ｄｕｔｙ値は、通常の制御ロジックとは異なる方法で求められたものであるから、その大きさを制限する必要がある場合もある。このため、ボックス５３３で限界値以下となるように制限する。この制限のための処理は、簡単には、ｍｉｎ（駆動Ｄｕｔｙ値，限界値）で演算できる。ここにｍｉｎとは、二つのパラメータのうち小さい方の値を選択するもので、駆動Ｄｕｔｙ値が限界値より大きい場合、限界値が選択される。ここで得られたモータ駆動方向とモータ駆動Ｄｕｔｙ絶対値は、前記ＰＩＤ制御ロジックなどに基づく制御量を一次的に補正するものと考えられるから、以下ではＤｕｔｙ補正処理と呼ぶ。実際の実行にあたっては、条件分岐５０６とボックス５０７のTimeoutCounter初期化処理、およびボックス５３１のTimeoutCounter減算処理の二つにつき、両方とも実現するか、何れか一方のみ実現するかの二つの選択肢がある。両方とも実現すれば、前記Ｄｕｔｙ補正処理部はTimeoutCounterに初期設定される値が示す時間または位置移動が認められるまでの短い方の時間のみＤｕｔｙ補正処理が行われるが、TimeoutCounter初期化処理を組み込まなければ、前記Ｄｕｔｙ補正処理部は
TimeoutCounterに初期設定される値が示す時間だけ固定的にＤｕｔｙ補正が行われる。またボックス５３１のTimeoutCounter減算処理を組み込まなければ、前記Ｄｕｔｙ補正処理は位置移動が認められるまで時間無制限に動作することになる。
【００１４】
外部コントロール・ユニット６から目標開度信号１３ａが送信されると、マイクロコンピュータ１３では受信割り込みが発生し、これに対応する割り込みサービスプログラムが呼び出される。これはボックス６００に示され、受信した目標開度値を上記のTarPosに記憶する。
【００１５】
上記Ｄｕｔｙ補正処理において設定するモータ駆動方向の選択の方法は、本発明では以下のような選択肢がある。ひとつは、図４に示すように、通常のＰＩＤ演算で得られた駆動力と同じ方向とする方法で、通常のＰＩＤ演算で得られた駆動力をさらに強くすることにより、静止摩擦等で停止している状態から脱出しようとするものである。
【００１６】
もうひとつの方法は、図５に示すように、通常のＰＩＤ演算で得られた駆動力とは逆の方向とする方法であり、これはその駆動力補正期間が終了して通常のＰＩＤ演算で得られた駆動力で駆動する状態に切り替わるとき駆動力の変化幅が拡大され、その変化によって静止摩擦等で停止している状態から脱出しようとするものである。
【００１７】
上記二つの方法は通常のＰＩＤ演算で得られた駆動方向によって補正駆動力の方向を選択する方法であるが、それとは別の選択方法が可能であり、それを以下に示す。
【００１８】
モータ２には外部からトルクが加えられる場合がある。たとえば翼角度可変ターボチャージャの場合、排気ガスが可変翼を押し付け、その結果、可変翼から動力伝達用リンクを逆方向にトルクが伝わり、モータにトルクが加えられる。このトルクを以下では負荷トルクと呼ぶ。排気ガスの流れる方向は常に一定であるから、この負荷トルクの方向は、モータに対して常に一定である。従って、モータを駆動する方向あるいは前記補正駆動力に対して、同じ方向(順方向)の場合と、逆方向の場合とがありうる。順方向の場合にはモータ駆動力を増加することになるが、逆方向のときはモータ駆動力が減少する。そこで、補正駆動力を加える方向を、目標位置の方向にかかわらず、前記負荷トルクの方向とする。従って、補正駆動力が適用される期間においては、補正駆動力と負荷トルクの合計のトルクでモータを駆動することになり、その合計の駆動力によって静止摩擦力に打ち勝って位置変化を開始させる。この場合、移動目標位置によって決定する本来の駆動方向が負荷トルクと逆方向のときには、目標位置とは逆の方向に駆動することになる（図４）が、静止摩擦に打ち勝って移動開始すると直ちに移動目標位置に向かう方向に駆動力が切り替わるという制御となる。ただし上述のように、補正駆動力を適用する期間を一定時間とした場合、補正駆動力の方向に実際に動き出す前に補正駆動力の適用が停止し、今度は本来の目標位置方向の駆動力に切り替わる場合もある。この場合、その駆動方向の切り替え時点での駆動力の変化量は補正駆動力（−Ｔｃ）と本来の制御による駆動力（Ｔｘ）の絶対値の和
（すなわちＴｃ＋Ｔｘ）となり、単に本来の制御による駆動力を与えた場合よりも大きくなり、これは、静止摩擦に打ち勝つことに貢献する。また、図７に示すように移動目標位置によって決定する本来の駆動方向が負荷トルクと同じ方向のときには、補正駆動力は最初から移動目標位置方向の駆動力となり、この場合は静止摩擦に打ち勝って移動開始するとそのまま同じ方向に駆動され続けるため、図６の場合のような位置変化方向の転換は発生しない。
【００１９】
補正駆動力を加える方向の異なる発明の形態について上記に述べたが、さらに、補正駆動力を加える方向を時間とともに繰り返して切り替えることも本発明の目的のひとつである静止摩擦からの脱出の点で有効であり、本発明に含まれる。以下にその具体的方法を述べる。図８は請求項６に対応する発明の実施の形態における動作内容を示している。図８において、補正駆動力はその作用の方向が繰り返して反転するように制御される。この場合、補正駆動トルク（Ｔｃ）とその逆向きのトルク（−Ｔｃ）が交互にモータ２に加えられるため、トルク変動量は（Ｔｃ×２）となり、この大きな駆動力変化量が静止し摩擦に打ち勝つことに貢献する。
【００２０】
この方法の変形例としては、補正駆動トルク(Ｔｃ１)とその逆向きのトルク(−Ｔｃ２)の絶対値を異なる値とすることも含む。さらには、補正駆動トルク（Ｔｃ１）とそれと同じ方向に絶対値の異なるトルク（Ｔｃ２）を交互に加える方法も含む。これは、ある方向に向かって位置移動する場合に、その逆方向への移動は瞬時であっても許さない場合などに利用される。これらの変形例は、いずれも、通常の目標位置に向かうための駆動力をかける前に、静止摩擦から脱出して動き出すことを実現するために行うもので、いったん何らかの方向に動き出せば、以後は通常の制御を行う。
【００２１】
更なる変形例として、位置変化が二次元以上の場合では、目標とする方向に向かって駆動する前に、その方向とは独立に定まる方向ＤＩＲへの駆動力を可動物に対して加えるものである。ＤＩＲの方向に駆動することにより、ＤＩＲ方向に移動を開始すれば、以後は本来の目標とする方向へ駆動する。これは、前記可動物が特定方向には移動しやすい場合、まずその方向に移動を開始して静止摩擦の支配する領域を脱出する動作を実現するものであり、いったん静止摩擦領域を脱出すれば、動作方向が切り替わっても静止摩擦領域に捉えられる可能性が低いことを利用するものである。
【００２２】
補正駆動力を印加する場合、その駆動力を通常の制御とは異なる方法で演算することになるから、補正駆動力の大きさ、ならびにその印加時間に限界値を設定することが必要な場合がある。これは上述の補正駆動力を印加する場合に一般的に適用されうる。その実現方法の例は、すでに図３において説明してある。
【００２３】
位置変化制御装置においては、制御性能を診断するための方法として、目標位置に到達するのに必要な時間を評価する方法がある。すなわち、目標位置が設定されたとき、以後目標位置に到達するまでの制御時間をカウントし、規定の時間までに目標位置に到達したと判定されないときに、すなわち、制御時間が規定値に到達したときには、制御異常を検出するものである。本発明では、通常の制御のロジックが機能する時間領域のほかに、上述した補正駆動力を印加する時間領域があるため、上記の方法は、補正駆動力を印加している時間と通常の制御を行っている時間を通算して時間をカウントすることになるが、そのほかに、以下のような制御異常の判定ロジックを実現する。ひとつは、図９に示すように、補正駆動力を印加している時間を前記制御時間から除外する方法であり、通常のPID制御での動作時間に対して診断する方法である。もうひとつは、図１０に示すように、補正駆動力を印加している時間（補正駆動時間）のみを取り出してカウントし、その補正駆動時間が規定時間に至った場合に異常を検出するものである。これは、制御系が正常な場合には、補正駆動力によって制御対象物が規定時間内に移動を開始することが確実な場合に利用できる。なお、図１０に示す方法では、通常の制御を行っている時間に対しての診断は行っても行わなくてもよい。
【００２４】
以上、本発明の一実施形態について記述したが、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雑しない範囲で、設計において種々の変更が出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ターボチャージャ内翼角度可変システムの構成。
【図２】ターボチャージャ可変翼制御装置の内部構成。
【図３】制御フローチャート。
【図４】補正駆動力の印加方法１。
【図５】補正駆動力の印加方法２。
【図６】補正駆動力の印加方法３。
【図７】補正駆動力の印加方法４。
【図８】補正駆動力の印加方法５。
【図９】制御異常診断方法１。
【図１０】制御異常診断方法２。
【符号の説明】
【００２６】
１…ターボチャージャ、１ａ…可変翼、２…動力用モータ、２ａ…動力伝達用ギアａ、２ｂ…動力伝達用ギアｂ、２ｃ…ウォームホイール、３Ａ…エンコーダＡ相用磁石プレート、３Ｂ…エンコーダＢ相用磁石プレート、４Ａ…Ａ相エンコーダ、４Ｂ…Ｂ相エンコーダ、４ａ…Ａ相エンコーダ出力パルス、４ｂ…Ｂ相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…外部コントロールユニット、７…ウォームギア、８…動力伝達用リンク、１３…マイクロコンピュータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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