(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに供給される空気量を制御するスロットル弁と、前記スロットル弁を開閉駆動するモータと、前記スロットル弁の開度を検出する開度センサと、前記モータヘの供給電力を制御する制御手段と、前記モータに流れる電流を測定するセンサを備え、前記制御手段は、前記スロットル弁の開度が機械的全閉または全開に制御されている状態における、前記モータに流れる電流とモータへの印加電圧に基づいて前記モータの温度を推定し、当該推定した温度に応じて前記モータヘの供給電力を補正するモータ駆動式スロットル弁の制御システム。
【請求項２】
請求項１において、前記モータヘの供給電力を、前記目標開度と実開度の偏差をＰＩＤ演算した後、温度補正して得ることを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御システム。
【請求項３】
請求項１において、前記制御手段は、前記エンジンが燃料カット運転されているときに前記モータ温度を推定することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御システム。
【請求項４】
請求項１において、前記制御手段は、前記エンジンが燃料カット運転されており、かつ、アクセルペダルの開度が全閉である場合に前記モータ温度を推定することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御システム。
【請求項５】
請求項１において、前記制御手段は、前記モータ温度の推定時には所定のデューティでモータへの供給電力を制御し、前記スロットル弁を機械的全閉又は機械的全開の位置に制御することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項において、前記制御手段は、モータ温度に応じた補正値のマップを備えており、前記推定した温度に基づいて対応するモータ温度の補正値を用いて前記モータへの供給電力を補正することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御システム。
【請求項７】
モータにより開閉駆動され、エンジンに供給される空気量を制御するスロットル弁を制御するためのスロットル弁制御装置であって、前記モータに流れる電流を測定するセンサと前記スロットル弁の開度を検出する開度センサとからの入力を受け、前記スロットル弁の開度が機械的全閉または全開に制御されている状態における、前記モータに流れる電流とモータへの印加電圧に基づいて前記モータの温度を推定し、当該推定した温度に応じて前記モータヘの供給電力を補正するモータ駆動式スロットル弁の制御装置。
【請求項８】
請求項７において、前記モータヘの供給電カを、前記目標開度と実開度の偏差をＰＩＤ演算した後、温度補正して得ることを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御装置。
【請求項９】
請求項７において、前記制御手段は、前記エンジンが燃料カット運転されているときに前記モータ温度を推定することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御装置。
【請求項１０】
請求項７において、前記制御手段は、前記エンジンが燃料カット運転されており、かつ、アクセルペダルの開度が全閉である場合に前記モータ温度を推定することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御装置。
【請求項１１】
請求項７において、前記制御手段は、前記モータ温度の推定時には所定のデューティでモータへの供給電力を制御し、前記スロットル弁を機械的全閉又は機械的全開の位置に制御することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御装置。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれか１項において、前記制御手段は、モータ温度に応じた補正値のマップを備えており、前記推定した温度に基づいて対応するモータ温度の補正値を用いて前記モータへの供給電力を補正することを特徴とするモータ駆動式スロットル弁の制御装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はスロットル弁の開度がモータによって制御される自動車のモータ駆動式スロットル弁制御装置、及びその制御方法に関し、モータ駆動式スロットル弁制御装置を備えた自動車、及びこのようなところに用いられるモータの温度測定方法にも関する。
背景技術
特開平９−３１７５３８号公報にはモータ駆動式スロットル弁制御装置において、環境温度の変化があってもオーバーシュートや目標開度への到達時間遅れをなくすために、スロットル弁の開度変化率を基準となる変化率と比較し、オーバーシュート誘発領域にあるか、収束遅延領域にあるかを判断して、開度を制御するための制御デューティー演算式のＰＩＤ（比例項，積分項，微分項）の各項の制御ゲインを補正するものが記載されている。
また、特開平８−３０３２８５号にはスロットル弁駆動用の直流モータに流れる電流を検出し、この電流値をモータの目標電流値と比較してその偏差が小さくなるようフィードバック制御するものが記載されている。
このような従来技術ではオーバーシュートや目標開度への到達時間遅れはある程度解消できる。しかし、前者の場合、オーバーシュート誘発領域にあるか、収束遅延領域にあるかを判断するための基準変化率は個々のモータによって異なり、またスロットル開度制御の制御特性によっても異なる。
従って各製品毎に特有の基準変化率を決める必要があり、作業性が悪い。
なお、環境温度の変化を温度センサで測温し、環境温度の変化に応じてＤＣモータの制御に補正を加えることも考えられるとの記載があるが、具体的な解決策は記載されていない。
また、後者の場合、モータの機械的応答遅れが制御系のハンチングを招く虞れがある。
発明の開示
本発明はスロットル弁駆動用のモータの温度変化による種々の物理量に対する好ましくない影響を、簡単な方法でしかも副次的な問題を引き起こすことなく、取り除くことを目的とする。その物理量の一つはスロットル弁開度そのものである。
また、自動車のエンジンの回転数，吸入空気量もその物理量の内の一つである。
また本発明はモータの温度を、電気的に測定する技術も提供する。
本発明はこの点に鑑み、モータの巻線のインピーダンスおよび／または前記モータの温度の変化を検出して、当該モータへの供給電力を補償する補償装置を設けたものである。
また、本発明は、モータへの供給電力を決定する制御パラメータを一定の値に維持したときの開度でスロットル弁を固定し、この状態でアクセルペダルを踏り込んだときのモータへの印加電圧あるいは供給電流の時間に対する変化率がモータの温度によって異なるようにしたものである。
また、本発明は、スロットル開度センサの出力によるフィードバックを無効にした状態でスロットル開度制御指令信号として特定の値を与えたとき、モータの温度条件によってその制御指令信号の特定の値が異なる値を取るようにしたものである。
また、本発明は、モータの巻線のインピーダンスおよび／または前記モータの温度が変化しても、当該スロットル弁の開度が変化しないようにモータへの供給電力を補償する補償装置を設けたものである。
また、本発明では、スロットル弁駆動用のモータの巻線のインピーダンスおよび／またはモータの温度が変化しても、エンジンの回転数が変化しない自動車を提供するものである。
また、本発明では、スロットル弁駆動用のモータの巻線のインピーダンスおよび／またはモータの温度が変化してもエンジンの空気量センサの測定値が変化しない自動車を提供するものである。
本発明ではモータの温度を測定してモータへの供給電力量を補正するようにしたので個々のモータに対応した制御が可能であるにも係わらず基準値などの固有の値を求める特別な作業などが不要である。
別の発明では、センサなしにモータの温度を測定できる。
また別の発明では、スロットル弁駆動用モータの温度の変化によって自動車の回転数が不安定になったり、エンジンの吸入空気量の検出値が不安定になったりすることがない。
発明を実施するための最良の形態
スロットル弁を与えられた開度に制御するためには、開度センサで検出したスロットル弁の開度と、与えられた目標値に基づいてモータを駆動する信号を所定の周期で計算する制御系が必要で、現在、簡便な制御系として非線形ＰＩＤ制御が広くに使用されている。ＰＩＤ制御は開度センサで検出したスロットル弁の開度と与えられた目標値に対して、偏差（開度と目標値との差）とその積分値及び微分値を所定のタイミングで求め、それぞれに適当な定数（以下ＰＩＤゲインという）を乗じたものの和を用いてモータを駆動するものである。ところがスロットル弁の動特性は非線形で例えば、アイドル時のエンジン回転数を一定に制御するため弁を細かく動かすときは、モータや弁の軸まわりの摩擦が大きく影響し、目標値に対する弁の開度の応答性が悪化したり、定常的な偏差が残ったりすることがある。そこで、偏差の大きさに応じてＰＩＤゲインを動的に切り換えて、制御対象としての電子制御スロットルの非線形性に対応している。切り換えるゲインはマップと呼ばれるメモリ領域にあらかじめ格納しておき、その時々の偏差に対応するゲインをマップから検索してＰＩＤゲインとして使用する。マップに格納するＰＩＤゲインはモータやギア等、弁の駆動系の仕様やシミュレーションから大まかには算出可能ではあるが、目標値に対する応答性の要求を満たすため実験により微調整することが多い。
スロットル弁の開度の目標値に対する応答への要求には応答時間，過渡特性及び分解能がある。応答時間は運転者のアクセル操作に対し違和感がないような値であることが必要である。また多くのスロットル弁はバタフライ弁であり、弁の全開や全閉の位置は減速ギアが物理的なストッパに接触したり、スロットル弁が吸気管の壁面に接触することで決まり、弁の可動範囲は９０度程度に制限されている。このとき開度の目標値が例えば全閉近くから全開に瞬間的に変化し、弁がオーバーシュートすると弁やギアに異常な衝撃が加わり破損するおそれがある。つまりスロットル弁の応答性としては、応答時間の要求を満たしつつ過渡的にはオーバーシュートが発生しないことが必要となる。また、アイドル時のエンジン回転数の制御を、スロットル弁をバイパスする通路を通って流れるバイパス空気量で制御する方法によらず、電子制御スロットルで制御するときには例えば０．１度以下のスロットル弁開度の分解能が必要になる。
一方、エンジンルームに設置される電子制御スロットルの温度は、外気温やエンジンの運転状態によって例えば、−４０℃から１２０℃程度まで変化する可能性があり、この広い温度範囲で上記の応答時間，過渡特性及び分解能の要求を満たさなければならない。一般に、モータは巻線の温度が上がると端子間抵抗が大きくなり、トルク定数は小さくなる。また潤滑油が封入してある回転軸では温度上昇とともに粘性抵抗が小さくなる。温度が下がると上記の性質は逆になる。スロットル弁を制御するときの分解能に関係する静的あるいは動的な摩擦について、一般的な温度特性を知るのは困難であるが、電子制御スロットルの制御では無視できない。
このようにスロットル弁の駆動系の特性は温度によって変化するため、従来技術である偏差に応じてＰＩＤゲインを切り換えるマップ方式では広い温度範囲で弁動作への要求を満たすことが本質的に困難である。また、マップを大きくし、切り換えるＰＩＤゲインを増やすことで要求仕様を満たそうとすると制御ユニット上に大量のＲＯＭ領域が必要になるにもかかわらず、最も影響の大きい温度を考慮できないので制御性能を確保するのが困難である。実験的にＰＩＤゲインのマップを決めるには恒温槽を利用して電子制御スロットルの温度を管理した状態で弁の応答性を見ながらゲインを微調整してゆく。この方法ではゲイン調整と温度変更の繰り返しが必要で、温度を変えるのに要する時間も長く、最適なＰＩＤゲインを得るまで多大な工数を要している。
本実施例ではスロットル弁の応答性に大きな影響を与える雰囲気温度を簡単な方法で検出し、検出した温度に従ってＰＩＤゲインを切り換えることで上記問題を解決する。
本実施例では以下の技術が提案されている。
スロットル弁の開度指令信号とスロットル弁の開度を検出するセンサ出力とに基づいてスロットル弁開閉制御用のモータを駆動する電子制御スロットル制御装置において、スロットル及びモータの温度を測定し、それによって前記スロットル弁開閉制御用の信号を補正する。
また、スロットル開度センサの出力によるフィードバックを無効にした状態で前記指令信号として特定の値を与えたとき、モータの温度条件によって前記制御信号が変化する様にする。
また、モータに流れる電流を測定する手段を備え、所定の時間範囲でスロットル弁の開度が所定の範囲にあるとき、モータに加えた電圧と前記測定手段による電流とに基づき前記モータの雰囲気温度を推定する。
本発明の実施例を更に詳しく図面に基づいて説明する。
第１図は電子制御スロットルの弁の開度を本発明の方法によって制御するときの構成の一例を表すブロック図である。電子制御スロットルは、吸気管６に流れる空気流量を調節するバタフライ弁で構成されるスロットル弁１０を減速ギア８を介して直流モータ７で駆動する装置である。自動車の暴走を防止する機械的なフェールセーフ機構として、スロットル弁１０の制御を中止したときなどモータ７がトルクを発生しないときは、弁の回転軸に付いている戻しばね９で弁が一定の開度に戻るようになっている。その開度はアイドルよりやや高いエンジン回転数で自動車が自走できるように設定する。モータ７の駆動回路５は４つのパワーＩＣからなるＨブリッジ回路で構成され、デューティー比を与えると対応するＰＷＭ（パルス幅モジュレータ）パワー信号を発生する。スロットル弁１０の実開度はその回転軸に取り付けられた開度センサ１１（ポテンショメータ）で測定する。開度センサ１１の出力はローパスフィルタＬＰＦ１２に通して雑音を取り除き、Ａ／Ｄ変換器１３によりマイコン１５に取り込む。スロットル弁１０の目標開度はエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１に取り込まれるアクセル２からの信号や、種々のエンジンの運転状態を示す信号により与えられる。マイコン１５内のソフトウエアで実現されたＰＩＤ制御系では目標開度Ｔｖｃと実開度Ｔｖｏとの差（偏差）が少なくなるように、すなわち、両者が速やかに一致するようなＰＷＭ信号のデューティー比を算出し、そのデューティー比に従って、駆動回路５がモータを駆動する。ＰＩＤ制御系のゲインである比例ゲインＫＰ，積分ゲインＫＩ及び微分ゲインＫＤは第１図の（ｂ）に示すようにマップ４に記録してあり、偏差の大きさによってこれらゲインを変化させるようになっている。これは電子制御スロットルに含まれる摩擦をはじめとする物理量の非線形特性に対応するためのものである。例えば弁が目標開度に近づくと弁の速度が遅くなり、摩擦の影響が大きくなるので目標開度へ収束するまでの時間が増大する。そこで、偏差が小さいときは収束に関わるＫＩを大きくして、応答時間が長くならないようにする。ＰＩＤゲインのマップはシミュレーションによる計算値を基に実機による実験を繰り返して作成する。ところがこの方法によりマップを作成して常温で第２図のような望ましい弁の応答が得られるように設定した場合、雰囲気温度が高くなるとモータの巻線のインピーダンスの変化や軸受のグリースの粘度の変化が生じて、常温で定めたＰＩＤゲインでは過渡特性が悪化してしまうことがある。そこで温度測定制御手段１４を設け偏差だけでなく、温度によっても第１図の（ｃ）に示すようにＰＩＤゲインを変えられるようにする。温度測定制御手段１４はエンジン制御ユニット１及び駆動回路５からの信号を入力とし、演算によって求めたモータの温度によって第１図（ｃ）に基づきＰＩＤゲインを切り換える。また、温度測定制御手段１４は駆動回路５に入力する信号を切り換えて、開度センサ１１の出力Ｔｖｏに基づいたフィードバック制御信号（ＰＷＭ信号）か温度測定制御手段１４自身が生成するオープンループ制御信号Ｆｔのいずれかを選択する。
以下では、電子制御スロットルの雰囲気温度を測定する温度測定制御手段の具体的な実現方法を５つ述べる。モータに加える電圧と電流からモータの巻線抵抗を求め、温度を推定する方法と、簡単な温度センサで直接温度を測る方法を２つ説明する。また、エンジン制御ユニットからの信号をもとに温度を求める方法を２つ示す。
モータ７の巻線抵抗から温度を測定（推定）する方法を以下に説明する。電圧と電流の比から、抵抗を求めこの抵抗値から温度を求めるのには所定の精度で抵抗を求める必要がある。このためモータが静止しているときにある程度大きな電流を安定して流す必要がある。モータが回転しているときは逆起電力が発生するので電圧と電流の比から正確な電気抵抗を求めることはできない。また、モータの抵抗は巻線抵抗とブラシの接触抵抗等の和であり、接触抵抗は正確な測定が難しく特にモータが回転している場合や印加電圧が小さい場合、測定誤差が大きくなる。これらの影響を軽減するためモータの静止時に大きな電圧を印加して抵抗を求めることが望ましい。しかし、このような条件は第１図に示す、スロットル弁の実開度を検出してフィードバック制御しているときには成立しない。そこで、温度を求めるときはフィードバック制御を停止し、エンジン制御ユニット１の信号と駆動回路５からの信号を基にオープンループで一定のデューティー比のＰＷＭ信号Ｆｔを温度測定手段１４から直接駆動回路５に与えてスロットル弁１０を全閉位置に固定する。温度測定手段１４はこのときの平均的な印加電圧と電流および第３図の抵抗と温度との関係を用いて、スロットル弁駆動用モータ７の温度をモータ７の巻線抵抗（インピーダンス）として求めるものである。
最近の自動車では燃費を向上するため、運転者がアクセルを全閉にして減速するときは燃料を噴射しない減速燃料カットモードが一般的に採用されている。このときは第４図に示すようにスロットル弁１０も全閉になっており特にフィードバック制御をする必要はない。モータ駆動式スロットル弁制御装置ではオーバーシュートによる吸気管壁面等への衝突を防ぐため、フィードバック制御をしているときは目標開度指令の制御上の全閉位置を機械的な全閉位置（吸気管壁面やストッパに接触する位置）よりわずかに開いた位置に設定している。いずれにしても本実施例では減速時の燃料カット中は第１図のフィードバック制御を停止し、温度測定手段１４から一定のデューティー比のＰＷＭ信号Ｆｔを駆動回路５に印加する。デューティー比の大きさは例えば５０％とし、フィードバック制御で戻しばねのトルクに抗して制御上の全閉位置を超えて機械的全閉位置に制御する値を設定する。これによりスロットル弁１０は機械的な全閉位置に押しつけられモータ７にはフィードバック制御時よりも大きな電流が安定して流れるようになる。この温度推定のための処理を実行するのは減速時に燃料カットをしているときが望ましい。そのときはもともとスロットル弁７は全閉であるので自動車の運転性には悪影響を与えない。また、多くのモータ駆動式スロットル制御装置は物理的な全閉の位置を確認するため、エンジンをスタートする前やエンジンを止める直前に一定のデューティー比を加えて、スロットル弁７を全閉の位置に押し付ける所謂、全閉学習を行っていることを考えれば上記全閉位置への制御がスロットル弁制御装置の耐久性に影響を及ぼすことはない。また、筒内噴射のエンジンのようにスロットル弁を大きく開くことの多い場合は、運転性に影響のない範囲でスロットルを全開位置に押し付けて、同様の方法で温度を測定することも可能である。
モータに流れる電流を測定する回路の一例を第５図に示す。第５図はパワートランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４からなるＨブリッジを用いた駆動回路５０に、検出抵抗Ｒを付加したもので、検出抵抗Ｒは温度による抵抗値の変化が少ないものを選ぶ。ＰＩＤ制御系５１で求めた、モータ７に印加すべき電圧はＰＷＭ発生回路５２でＰＷＭ信号と回転方向の信号（ＳＷ１，ＳＷ２）とに変換される。ＰＷＭ信号はパワートランジスタＴ１，Ｔ２に入力され、回転方向信号ＳＷ１，ＳＷ２はパワートランジスタＴ３，Ｔ４に印加される。この回路を用いればモータは回転方向も含めて、バッテリ５４によりＰＷＭ制御することができる。検出抵抗の両端の電圧はパワートランジスタのスイッチングによる雑音が重畳しているためローパスフィルタ５５を通してＡ／Ｄ変換する。また、両端電圧は一般的なマイコンに内蔵されているＡ／Ｄ変換器の電圧レベル（ＴＴＬ）に比べると小さいので増幅器５６を介してＡ／Ｄ変換器５７に入力する。ここで測定した第５図のＣ点での電圧と検出抵抗Ｒの抵抗値からモータに流れる電流を求めることができる。もともと電子制御スロットルでは自己診断や制御に利用するため第５図のような回路を使用しているものもあり、その場合は回路の兼用が可能でハードの変更は必要ない。新たに検出部分を付加する場合でも回路の変更やコスト上昇はわずかである。
第５図の駆動回路でＡ，Ｂ及びＣの各点での電圧とＰＷＭ信号との関係は第６図のようになる。ただし、パワートランジスタＴ３はＯＦＦ、Ｔ４がＯＮで電流はＡ，Ｂ，Ｃの順に流れるとする。また、実際はパワートランジスタのスイッチングの影響があるが第６図では理想的な場合を表している。Ａ点での電圧はモータの巻線抵抗、パワートランジスタＴ４のオン抵抗および検出抵抗のため最も高くなる。モータの巻線抵抗とパワートランジスタは温度によって抵抗値が変化するため、温度による抵抗の変化が少ない検出抵抗Ｒの端子間電圧をＣ点で測定するのが最適である。
上記のようなハードウエアを用意したとき温度検出のソフトウエア処理のフローチャートを第７図に示す。この処理は燃料カット時に温度を推定するものなので処理の周期はエンジン制御ユニットＥＣＵが燃料カットをするかどうかを判断する周期で十分である。例えばこの場合は１０ｍｓ毎に下記の処理を繰り返すこととする。ステップ７１はエンジン制御ユニットＥＣＵと通信し、減速中の燃料カットをしているか、アクセルペダルの開度が全閉かどうか確認する。どちらか一つでもＮＯの場合は本処理を終了する。このとき既にフィードバック制御をしていないオープンループ制御の場合、通常のフィードバック制御に復帰してスロットル弁の開度を目標開度指令値と一致させるように制御する。上記ステップ７１で燃料カット中で、かつアクセルペダルが全閉であることを確認したら、ステップ７２で前回の温度測定処理から５分以内かどうかを調べる。この処理は駆動回路５０に付加した検出抵抗Ｒで測定した電流値を平均化するものなので、５分以上離れたデータでは平均化しても精度は向上しない。前回実行時から５分以上離れていたり、初めて温度測定をするときはステップ７７でフィードバック制御を停止し、スロットル弁１０を全閉位置に押し付けるように、回転方向信号と一定のＰＷＭ制御信号Ｆｔを駆動回路５３に入力する。ステップ７８は平均化処理の初期化である。ステップ７３では、Ａ／Ｄ変換した検出抵抗Ｒの両端電圧から検出回路の非線形特性を補正したマップに基づいてモータ７の巻線に流れる電流を求める。ステップ７４と７５ではモータ７に流れる電流を一定の数Ｎになるまで積算する。Ｎ個のデータを積算したらステップ７４で電流値を平均化し、印加したＰＷＭ制御信号Ｆｔのデューティー比からモータの巻線の抵抗値を求める。さらに銅を主成分とする巻線の抵抗と温度の関係を記述したマップ等から温度を求める。
次に、温度検出のための回路を構成する２つの方法を述べる。一方はダイオードを利用した方法で、他方はサーミスタを用いる方法である。これらの方法では、温度検出のためのハードウエアを付加するものの、エンジンの運転状態に関係なく測温が可能なため、温度検出のソフトウエアは上記の燃料カットのときを利用する方法に比べ簡単になる。スロットルのヒートマスを考慮した適当な周期で温度を求め、温度に基づいてＰＩＤゲインを補正する。具体的には例えばゲインを記述したマップを切り換えればよい。
第８図の（ａ）にダイオードの順方向の抵抗を使った温度検出回路の構成を示す。定電流回路８１を用いバッテリから一定の電流をダイオードＤに流す。ダイオードＤにかかる電圧ＶＤは電流によっても異なるが電流を一定に制御すれば、温度に対して例えば第８図の（ｂ）のような特性がある。このままではマイコン内蔵のＡ／Ｄ変換器に対してはダイナミックレンジが小さく、精度が確保できない。そこでアナログアンプ８２を利用した増幅回路を構成し、ダイオードにかかる電圧ＶＤをＡ／Ｄ変換に適した第８図の（ｃ）に示す電圧Ｖ０のような特性に変換する。この信号をＡ／Ｄ変換し、第８図の（ｂ）を用いた処理をすれば温度を求めることができる。
第９図の（ａ）はサーミスタＴを利用した温度検出回路である。サーミスタＴの抵抗の温度特性は第９図の（ｂ）のように強い非線形があるため通常の抵抗Ｒ６を並列に接続する。温度に応じてブリッジ回路（Ｒ５〜Ｒ８）のＡとＢの電位が変化するが上記のダイオードを用いた温度検出と同様に、モータ駆動式スロットル弁制御装置で起り得る温度変化範囲では電位の変化が小さい。そこでアナログアンプ９１で増幅回路を作り、出力電圧Ｖ０をＡ／Ｄ変換する。ここで温度とアナログアンプの出力電圧Ｖ０の関係は第９図の（ｃ）のようになっているのでこの特性から温度を求める。
モータ駆動式スロットル弁制御装置はモータやギアからなるアクチュエータと制御ユニットから構成されるが、第１０図のように両者が別れた別体型と第１１図のような一体型が考えられる。別体型の構成では、制御ユニット１０１は車室内に置かれることが多くエンジンルームに設置されるアクチュエータ１０２との温度差は大きくなる。従って、別体型では減速時の燃料カットのときにスロットル弁が全閉になることを利用した方法を用いるのがよい。温度検出回路を用いる場合はダイオードやサーミスタをアクチュエータ（モータやスロットルのハウジング）に付ける。一方、第１１図の一体型の構成ではアクチュエータと制御ユニットは両方ともエンジンルーム内にあるのでほとんど同じ温度になる。従って、温度検出回路を用いる場合でも制御ユニットの基板上に取り付けることが可能である。一体型の場合でも回路変更をしない、減速時の燃料カットに同期する方法も当然可能である。この場合はＥＣＵから減速，燃料カットの信号を通信によって貰うのが好適である。
エンジン制御ユニット１２１内部の信号を利用して、スロットルの雰囲気温度を近似的に求めることも可能である。エンジンの制御をする目的で吸気管の中に吸入空気量センサ１２３と圧力センサ１２４を備えたエンジンの場合、吸入空気量と吸気管圧力の情報をエンジン制御ユニットからスロットルの制御ユニット１２２に渡し、気体の状態方程式に基づいて吸入空気の温度を計算することができる。もちろん、吸入空気の温度を直接測定する温度センサを設けることも可能である。いずれにしても、吸入空気の温度は電子制御スロットルのモータの温度より低いことが多いが、マップなどを用いた適当な補正をすることでスロットルの雰囲気温度を近似値に求めることができる。また、ほとんど全ての自動車用エンジンでは温度センサで冷却水の温度を測定しているため、水温でモータの温度を代用する方法も考えられる。この場合も水温の方が普通低いため、適当な補正をすると精度が向上する。モータ駆動式スロットル弁制御装置の雰囲気温度は外気温とエンジンが発生する熱量の影響が大きいことから、補正方法としては回転センサ１２６によるエンジン回転数とインジェクタ１２５から噴射する燃料量を利用する。一定の期間回転数や燃料量が大きいときはエンジンが発生する熱量が大きいと判断して、吸入空気や冷却水の温度をより高く修正してスロットル弁駆動用モータの温度とする。この関係は実験的に求めて、ソフトウエア実装時にはマップにまとめて利用する。尚、ＰＩＤゲインの制御は第１図に示すようにモータの温度範囲、例えば−４０°乃至１０°，１１０°以下、１０°乃至８０°，８０°以上の３枚のマップに集約し検出した温度によって、どのマップを用いるかを選択するように構成するとマップの枚数が少なくても実用上の問題のない温度補償が可能である。
以上の実施例ではモータ駆動式スロットル弁制御装置ではスロットル弁の応答に大きな影響を与える雰囲気温度を測定し、ＰＩＤ制御系のゲインを補正するのでエンジンの運転状態による温度変化があってもスロットル弁の応答性はほとんど変化しない。また、従来は目標開度と実開度との差によってゲインを切り換えてきたが、直接影響を与える温度によってゲインを制御するのでゲインを記録するマップを小さくすることができる。さらに、多大な工数を要してきたマップの作成時間を短縮することが可能である。
第１３図は、本発明の一実施例による電子スロットル制御装置の制御システム構成図である。
マイコン１のＡ／Ｄ入力端子には、スロットルバルブの目標開度を指示するスロットル弁の目標開度信号ＴＶＣが入力され、マイコン１に内蔵されたＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換される。
スロットル弁の目標開度信号ＴＶＣは、アクセルペダルセンサで検出した、アクセルペダルの踏込み量を示すアナログ信号である。
勿論、このアクセルペダルセンサで検出した、アクセルペダルの踏込量を示すアナログ信号をエンジンコントロールユニットＥＣＵのマイコンに取り込み、エンジンコントロールユニットＥＣＵのマイコンでエンジンの運転条件を示す他の種々の物理量（エンジン回転数，吸入空気量，車速，バッテリの電圧，エアコンやランプなどの電気負荷の有無や大きさ等）を含む演算や、マップ検索によってスロットル弁の目標開度信号ＴＶＣをディジタル信号として求めるようにしても良い。この場合は、マイコン１でＡ／Ｄ変換する必要はない。
スロットル弁の目標開度信号ＴＶＣのディジタル信号としては、ＰＷＭ信号の周期をＴａとし、オンパルスの長さをＴｂとして、例えば（Ｔｂ／Ｔａ）のようなデューティー比を表すデータ信号で与えることができる。
スロットルボディ２に回転可能に取り付けられたスロットルバルブ１０の開度は、スロットルバルブ１０の回転軸に結合されたポテンショメータ１１により検出される。ポテンショメータ１１により検出されたスロットルバルブ１０の開度は、スロットル弁の実開度信号ＴＶＦとして、アンプ３により増幅され、マイコン１のＡ／Ｄ入力に入力され、マイコン１に内蔵されたＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換される。
マイコン１は、入力されたスロットル弁の目標開度信号ＴＶＣとスロットル弁の実開度信号ＴＶＦとに基づいて、ＰＷＭ駆動回路８に制御信号ＰＷＭ，Ｄ／Ｏを出力する。
制御信号ＰＷＭは、パルス信号であり、そのパルスの周期は一定であり、そのパルスのデューティー比が可変である。
パルスのデューティー比は、スロットル弁の目標開度信号ＴＶＣとスロットル弁の実開度信号ＴＶＦとの差分が大きいほど大きくなるようにマイコン１の中で演算される。
制御信号Ｄ／Ｏは、モータ９の回転方向を示す“正転”，“逆転”及びモータ９の“停止”並びに“ブレーキ”の４状態を示すための２ビットの制御信号である。
ＰＷＭ駆動回路８は、入力された制御信号ＰＷＭ，Ｄ／Ｏの内、モータ９の回転方向を示す“正転”もしくは“逆転”に応じて、“正転”時には、制御信号ＰＷＭを制御信号ＰＷＭ１として出力し、正転方向を示す制御信号Ｆを出力する。
制御信号Ｆは、正転時には、常にオンとなる信号である。
また、“逆転”時には、制御信号ＰＷＭを制御信号ＰＷＭ２として出力し、逆転方向を示す制御信号Ｒを出力する。
制御信号Ｒは、逆転時には、常にオンとなる信号である。
ＰＷＭ駆動回路８から制御信号が供給されるＨブリッジ形チョッパ４は、ＰＷＭ制御用のパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ１，Ｍ２及び直流モータの回転方向切替用のパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ３，Ｍ４から構成されている。
従って、正転時でしかも、制御信号ＰＷＭがオンの時には、制御信号ＰＷＭ１と制御信号Ｆが出力され、Ｈブリッジ形チョッパ主回路４のパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ１及びパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ４が導通する。バッテリＢからの電源電圧ＶＢは、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ１を経由してモータ９に印加され、モータ電流ＩＦが流れ、さらに、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ４及びシャント抵抗５を介してバッテリＢに戻る。
制御信号ＰＷＭ１がオフになると、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ１がオフとなるが、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ４は正転の制御信号Ｆが出ているのでオンのままであり、モータ電流ＩＦは、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ４からパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ３の逆ダイオードを経由して、フライホイール電流ＩＤ３が流れる。従って、モータ電流ＩＦは、制御信号ＰＷＭ１がオンの時は、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ１を流れる電流ＩＭ１となり、制御信号ＰＷＭ１がオフの時は、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ３を流れるフライホイール電流ＩＤ３となる。
さらに、逆転時で、しかも、制御信号ＰＷＭがオンの時には、制御信号ＰＷＭ２と制御信号Ｒが出力され、Ｈブリッジ形チョッパ主回路４のパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ２及びパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ３が導通する。バッテリＢからの電源電圧ＶＢは、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ２を経由してモータ９に印加され、モータ電流ＩＦが流れ、さらに、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ３及びシャント抵抗５を介してバッテリＢに戻る。制御信号ＰＷＭ２がオフになると、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ２がオフとなり、モータ電流ＩＦは、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ３からパワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ４の逆ダイオードを経由して、フライホイール電流が流れる。
このようにして、モータ９には、正転時とは、逆方向にモータ電流ＩＦが流れることになり、モータ９を逆転することができる。
モータ９は直流モータであるが、ステッピングモータであってもよい。
モータ９は減速ギアを介してスロットルバルブ１０に連結されており、モータ９を正転することにより、スロットルバルブ１０が開き、モータ９を逆転することにより、スロットルバルブ１０が閉じて、スロットルバルブ１０の開度が制御される。
シャント抵抗５を流れるパワー素子電流ＩＤの詳細については、第１５図を用いて後述する。
このパワー素子電流ＩＤは、シャント抵抗５の両端の電圧であるシャント抵抗電圧降下ＶＤとして検出され、アンプ６で増幅される。
シャント抵抗５の一端はアース電位であり、シャント抵抗５は電流検出用に用いられているため、その抵抗値も小さなものである。
従って、シャント抵抗電圧ＶＤは、アンプ６の駆動電圧、例えば５Ｖに比べて低いものであり、アンプ自体も高価な絶縁形の電流検出器でなく、通常のアンプを使用できる。
このアンプ６の出力電圧ＶＤＡはマイコン１が出力する制御信号ＰＷＭに同期して動作するサンプルホールド回路１２でホールドされる。サンプルホールド回路１２の出力電圧ＶＤＨは、マイコン１のＡ／Ｄ入力端子に入力され、マイコン１に内蔵されたＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換される。
このようにして検出されたパワー素子電流ＩＤは、マイコン１の中で、スロットル弁の目標開度信号ＴＶＣとスロットル弁の実開度信号ＴＶＦの差分から求められるモータ電流の制御信号と比較され、モータ電流の制御信号にパワー素子電流ＩＤが一致するように制御信号ＰＷＭのデューティー比が補正され、モータ電流のフィードバック制御がなされる。
スロットル開度の制御は、原理的には、スロットル弁の目標開度信号ＴＶＣとスロットル弁の実開度信号ＴＶＦの差分に基づくフィードバック制御だけで行えるわけである。
しかしながら、実際には、外気温度，モータの温度，モータの巻線温度が変化すると、他の制御パラメータ（エンジン回転数，車速，バッテリＢの電圧，電気負荷の有無や大きさ等）がコンスタントで、マイコン１から出力される制御信号ＰＷＭが一定でもモータ９のインピーダンスが変化するのでモータ９を流れる電流が変化することになる。
即ち、外気温度，モータの温度，モータの巻線温度が上昇するとモータに流れる電流は減少する。
ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）からの目標開度指令
以上のようなモータ電流の変化に対しては外気温度，モータの温度，モータの巻線温度，モータのインピーダンス（パワー素子電流ＩＤを検出してその値と印加電圧から演算によって求める），モータ冷却のためのエンジン冷却水温度などを検出して、モータに流れる電流が減少した時には、そのモータ電流の減少分を補償するように、マイコン１から出力される制御信号ＰＷＭを増加して、モータ電流を増加することにより、スロットル開度を高精度に制御することができる。
次に、第１４図及び第１５図を用いてパワー素子電流ＩＤの検出部の回路の詳細について説明する。第１４図において、第１３図と同一符号は、同一部分を表す。
Ｈブリッジ形チョッパ回路４に接続されたシャント抵抗５を流れるパワー素子電流ＩＤは、シャント抵抗電圧ＶＤとして、アンプ６に取り込まれる。
アンプ６は、オペアンプ６１と入力抵抗Ｒ１，Ｒ２と帰還抵抗Ｒ３，Ｒ４と出力抵抗Ｒ５で構成される。
アンプ６の出力電圧ＶＤＡは、サンプルホールド回路１２に入力する。
サンプルホールド回路１２は、アナログスイッチ１２１とコンデンサ１２２で構成され、アナログスイッチ１２１がマイコン１からのＰＷＭ信号に同期してオン，オフ動作する。
オン時にはアンプ６の出力信号がそのまま出力され、オフ時にはオフする直前の電圧がコンデンサ１２２に充電された電圧がホールドされる。
なお、第１３図において、マイコン１が出力する制御信号ＰＷＭと、ＰＷＭ駆動回路が出力する制御信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２が同じパルス信号であるため、アナログスイッチ１２１を動作させる信号は、マイコン１が出力する制御信号ＰＷＭに代えて、ＰＷＭ駆動回路が出力する制御信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２を用いてもよい。
その際には、制御信号ＰＷＭ１と制御信号ＰＷＭ２の論理和（ＯＲ）をとることにより、アナログスイッチ１２１を動作させる信号とすることができる。
いずれにしても、最終的にＨブリッジ形チョッパ回路のパワー素子の制御信号であるＰＷＭ信号に基づいてアナログスイッチを動作させてパワー素子電流をサンプルホールドすればよい。
ここで、第１５図を用いて各電流，電圧波形に基づいて電流検出の原理について説明する。
第１５図（Ａ）は、マイコン１からの制御信号ＰＷＭを示しており、ＰＷＭ駆動回路８から出力される制御信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２も同様な信号である。
制御信号ＰＷＭは、時刻ｔ０にオンとなり、時刻ｔ１にオフとなり、その後、時刻ｔ３にオンとなり、時刻ｔ４にオフとなる繰り返しパルスである。
このパルス周期Ｔ０は、一定であるが、このパルスのオン時間Ｔ１は、可変であり、スロットル開度指令ＴＶＣとスロットル弁の実開度信号ＴＶＦの差分に応じてパルスのオン時間Ｔ１を変えることにより、このパルスのデューティー比（Ｔ１／Ｔ０）が変化する。
ＰＷＭ信号として２０ｋＨｚのものを用いると、パルスの周期Ｔ０は、５０μｓである。
第１５図（Ｂ）は、パワー素子電流ＩＤを示しており、制御信号ＰＷＭがオンになると、パワー素子電流ＩＤが流れる始める。
この時、パワーＭＯＳＦＥＴの逆回復（リカバリー）特性等の影響により過電流が流れる。
また、制御信号ＰＷＭがオフになると、パワーＭＯＳＦＥＴの動作遅れにより時間Ｔ２だけ遅れて電流がゼロとなる。遅れ時間Ｔ２は数μｓ程度である。
第１５図（Ｃ）は、シャント抵抗５の両端のシャント抵抗電圧ＶＤを示しており、パワー素子電流ＩＤの立ち下がり時にリアクタンスＬの影響で多少のオーバーシュートが発生する。
第１５図（Ｄ）は、アンプ５の出力電圧ＶＤＡを示しており、オペアンプの高周波特性により、時刻ｔ０の立ち上がりには振動し、時刻ｔ２の立ち下がり時には時間遅れが生じる。前述したように、ＰＷＭ信号は、２０ｋＨｚの高周波信号であるため、このような影響が生じている。
アンプ６の出力電圧は、第１５図（Ｄ）に示すような波形の電圧信号であるため、種々の変動の影響を取り除くため、この信号をマイコン１に取り込むにあたってサンプルホールド回路１２を用いている。そして、サンプルホールドのタイミングは、時刻ｔ１，ｔ４、即ち、ＰＷＭ信号の立ち下がりに同期して、サンプルホールド回路１２の中のアナログスイッチ１２１をオフすることにより、その直前のアンプ出力電圧ＶＤＡをコンデンサ１２２にホールドする。
実際上は、ＰＷＭ信号は、第１５図（Ａ）に示すようなパルス信号であるため、このパルス信号がオンからオフに替わる時に、アナログスイッチ１２１がオフして、その直前のアンプ出力電圧ＶＤＡをコンデンサ１２２にホールドする。
従って、サンプルホールド回路１２の出力である電流検出信号ＶＤＨは、第１５図（Ｅ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、第１５図（Ｄ）のアンプ出力電圧ＶＤＡと等しいが、時刻ｔ１以降は、その直前の電圧をホールドしたものとなっている。
また、ＰＷＭ信号の立ち下がりに同期して、第１５図（Ｆ）に示すように、マイコン１の中のＡ／Ｄ変換器に外部トリガを掛けて、サンプルホールド回路１２の出力である電流検出信号ＶＤＨのＡ／Ｄ取り込みを開始する。
このようにして、Ａ／Ｄ変換のタイミングを規制することにより、タイミングのバラツキによるデータのバラツキは発生しなくなる。
このＡ／Ｄ変換の開始から終了までの変換に要する時間Ｔ３は、変換すべきアナログ信号値によって、異なるが、本例では、数μｓ乃至数十μｓである。
Ａ／Ｄ変換が終了すると、変換されたディジタル信号は、第１５図（Ｇ）に示すように、マイコンデータ（ＩＤＣＵＲＮＴ）としてマイコン１の本体に取り込まれる。
第１５図（Ｈ）は、モータ９を流れるモータ電流ＩＦを示している。このモータ電流ＩＦにおいて、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間に流れる電流は、第１３図において、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ１を流れる電流ＩＭ１に相当し、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に流れる電流は、第１３図において、パワーＭＯＳＦＥＴ・Ｍ３を流れるフライホイール電流ＩＭ３に相当するものである。
従って、チョッパ回路のオフ直前の電流値が取り込めるために電流立ち上がり振動などの影響を受けない電流値を検出することが可能である。
ＰＷＭ制御する場合には、ＰＷＭ信号のオン期間の中央でトリガ信号を出してＡ／Ｄ取り込みを行うこともできる。
即ち、第１５図（Ａ）のように、ＰＷＭ信号が、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間オンであるとき、時刻（（ｔ１−ｔ０）／２）のタイミングでＡ／Ｄを開始するものであるが、デューティー比が小さくなり、パルスオン期間が短くなると、そのタイミングもパルスの立ち上がりに近付いてくるため、第１５図（Ｄ）に示す立ち上がりの振動の影響を受けることになるが、本実施例のように、ＰＷＭ信号の立ち下がりで外部トリガを掛けてＡ／Ｄ取り込みを行うことにより、かかる影響を受けることもない。
この発明の効果を確認するにはモータの給電回路中にモータの温度上昇による巻線のインピーダンスの増加分と同じ程度の抵抗を接続してその時のスロットル弁の開度が変化しないことを確認すればよい。
本発明は、モータの温度の測定はモータに流れる電流と印加された電圧とから巻線のインピーダンスとして演算によって間接的に求めることができる。
またその場合の電流値の検出は、エンジンブレーキ時（減速燃料カット時）あるいは全閉学習時のようなスロットル弁が全閉位置に制御されている時に行うのが好適である。
モータの温度はハウジングに直接温度センサを取り付けて測定しても良いし、エンジン冷却水でモータを温度管理している場合はこのエンジン冷却水の温度をモータの温度とみなすこともできる。モータの置かれている雰囲気の温度で代替えすることもできる。
勿論温度によって変わるのはモータの巻線のインピーダンスであるのでこのインピーダンスを検出しても良い。
本発明で“スロットル弁の開度が変化しない”，“エンジンの回転数が変化しない”，“空気量センサの出力が変化しない”あるいは“同じ開度”，“同じ回転数”，“同じ空気量”との表現は物理量の変化が零，物理量に差がまったくないということではなく、当然制御に支障をきたさない範囲、あるいは本発明の目的を逸脱しない範囲で許容される幅を有する。
また、アクセル踏み込み量をはじめとした全ての制御パラメータを一定にし、スロットル弁がある特定の開度で静止するようにする。次にスロットル弁をその開度から動かないように固定しておいて、アクセルを踏み込む。するとスロットル弁の目標開度指令値は増加するのでスロットル弁制御装置はモータへの供給電圧を大きくする。しかしスロットル弁は固定されているので目標開度指令値と実開度との差は変わらない。そこでスロットル弁制御装置は積分項の作用によってさらにモータへの供給電圧を増加させる。このような状態では供給電圧はランプ状に増加することになる。供給電圧の時間変化は目標開度指令値と実開度との差およびスロットル弁制御装置のゲインによって決まる。目標開度指令値と実開度との差を所定の値に管理すれば供給電圧の時間変化はスロットル弁制御装置のゲインのみによって決まることになる。
上記の操作を常温で実行し、供給電圧の時間変化を記録する。次に、周囲温度を１２５℃に上げて、目標開度指令値と実開度との差は常温の操作と同じになるようにして同様の操作を実行し、供給電圧の時間変化を記録する。このときの供給電圧の時間変化を常温のときのものと比べれば、温度によってスロットル制御装置のゲインが変わっているかどうかが分かる。
また、モータにヒータを取り付け、全ての制御パラメータを一定にしておいてヒータを加熱する。
ヒータの温度上昇に伴って、モータの温度が上昇し、巻線のインピーダンスが高くなって電流が減少しようとする。
本発明が実施されているなら、直ちにこの電流の減少を補償するように補償装置が動作してモータへの供給電力が補償され、開度は一定に保たれる。
その結果、吸入空気量測定装置は変わらぬ空気量検出値を出力する。
また、エンジン回転数は同じ回転数を維持する。
この作用は、スロットル弁の実開度を検出して目標開度指令値と比較し、その差が小さくなるようにフィードバック制御する技術と併用することができる。
上記実施例の技術を実施している場合、スロットル弁の実開度を検出するスロットル開度センサの端子をコネクタから外してフィードバック制御できないようにしてみることで確認できる。
上記実施例の技術を実施している場合、スロットル弁の実開度が入力されなくとも、モータの温度変化に対してモータへの供給電力量は補償される。
結果的に本実施例ではスロットル開度センサからの信号が途絶えてもモータの温度や、電源電圧の変動によるモータのインピーダンスの変化に対しては補償作用が保持される。
産業上の利用可能性
本発明は、自動車のスロットル弁をモータで駆動するスロットル弁制御装置に適用できる。また、自動車そのものの制御にも利用できる。更に一般的なモータの制御にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の構成を示すブロック図である。
第２図はスロットル弁の目標開度に対する応答波形を模式的に示すグラフである。
第３図はモータの巻線抵抗と温度の関係を示す図面である。
第４図は減速中の燃料カット時のスロットル弁とモータ電流を示すグラフである。
第５図はモータ電流を簡単に測定するため駆動回路に付加した検出回路を示す図である。
第６図は駆動回路の各点での電位とＰＷＭ信号との関係を模式的に示すグラフである。
第７図は減速中の燃料カット時に温度を求める処理を表すフローチャートである。
第８図はダイオードを用いた電流検出回路及び特性を示す図である。
第９図はサーミスタを用いた電流検出回路及び特性を示す図である。
第１０図は別体型のスロットルアクチュエータと制御ユニットの構成図である。
第１１図は一体型のスロットルアクチュエータと制御ユニットの構成図である。
第１２図はエンジン制御ユニットからの信号をもとに温度を推定する方法の構成図である。
第１３図は本発明の別の実施例の具体的回路図である。
第１４図は電流検出方法の他の方法の詳細図である。
第１５図は電流検出の説明のためのタイムチャートである。
【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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【図１１】
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【図１２】
0003893972.tif 000013
【図１３】
0003893972.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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