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図面 (12)

課題

マグネットロータ診断し、その故障を検知する機能を備えた電子スロットル装置制御装置を提供する。

解決手段

自動車用内燃機関スロットルバルブ電気モータで駆動する電子スロットル装置において、電気モータMは、回転軸17上の異なる位置に固定された複数のマグネットロータ3a,3bと、各マグネットロータ3a,3bの周囲に配置されたステータ33と、各マグネットロータ3a,3bが発生する磁界を検知する複数の磁気センサ4a,4bを具備し、磁気センサ4a,4bの出力信号に基づいてマグネットロータ3a,3bの故障を診断する。

概要

背景

近年、自動車用内燃機関スロットルバルブを制御する方式として、従来のアクセルペダルによる機械的かつ直接的なバルブ操作に代えて、アクセルペダルの操作量センサにより検知して電気信号に変換し、これをモータ等のロータリアクチュエータへ供給してバルブ開閉させる電子スロットル装置ドライブバイワイヤ;DBW)が開発されている。

このような電子スロットル装置では、スロットルバルブの開弁方向への駆動はもちろんのこと、閉弁方向への駆動もアクチュエータにより行われることから、当該アクチュエータには多重化機能およびフェールセーフ機能の付与が不可欠である。

従来から、電子スロットル装置にはバルブリターンスプリングが設けられ、電子スロットル装置が何らかの原因で故障したときにはアクチュエータへの給電を停止して不動作状態とし、バルブリターンスプリングの弾性力でスロットルバルブを所定開度以下まで強制的に戻すように構成されていた。しかしながら、バルブリターンスプリングを利用した機械的なスロットル戻し機構は、作動摩耗等により信頼性が経年的に損なわれるという問題があった。

このような問題点を解決するために、例えば特開平8−228466号公報では、電気モータとして、回転軸永久磁石マグネットロータを備えたトルクモータを採用し、ステータコイルへの非通電状態では、マグネットロータの磁力(およびターンスプリング)によってスロットルバルブが所定開度以下まで強制的に戻される機構が提案されている。

概要

マグネットロータを診断し、その故障を検知する機能を備えた電子スロットル装置の制御装置を提供する。

自動車用内燃機関のスロットルバルブを電気モータで駆動する電子スロットル装置において、電気モータMは、回転軸17上の異なる位置に固定された複数のマグネットロータ3a,3bと、各マグネットロータ3a,3bの周囲に配置されたステータ33と、各マグネットロータ3a,3bが発生する磁界を検知する複数の磁気センサ4a,4bを具備し、磁気センサ4a,4bの出力信号に基づいてマグネットロータ3a,3bの故障を診断する。

目的

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、マグネットロータを診断し、その故障を検知する機能を備えた電子スロットル装置の制御装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

内燃機関スロットルバルブを駆動する電気モータおよびスロットルセンサを含み、前記電気モータが、回転軸上に固定されたマグネットロータと、前記各マグネットロータの周囲に配置されたステータおよびその巻線と、前記マグネットロータが発生する磁界を検知する磁気センサとを少なくとも含む電子スロットル装置制御装置において、前記スロットルセンサにより検知されたスロットル開度および前記磁気センサの検知結果から予測されるスロットル開度に基づいてマグネットロータの故障診断する故障診断手段を具備したことを特徴とする電子スロットル装置の制御装置。

請求項2

内燃機関のスロットルバルブを駆動する電子スロットル装置の電気モータが、回転軸上の異なる位置に固定された複数のマグネットロータと、前記各マグネットロータの周囲に配置されたステータおよびその巻線と、前記各マグネットロータが発生する磁界を検知する複数の磁気センサとを少なくとも含む電子スロットル装置の制御装置において、前記各磁気センサの検知結果に基づいて各マグネットロータの故障を診断する故障診断手段を具備し、前記故障診断装置は、各磁気センサの出力信号の差分が所定値を超えると、いずれかのマグネットロータが故障したと診断することを特徴とする電子スロットル装置の制御装置。

請求項3

前記故障診断手段がいずれかのマグネットロータを故障と診断すると、前記電気モータへ常時よりも大きな電流を供給することを特徴とする請求項2に記載の電子スロットル装置の制御装置。

技術分野

0001

本発明は、電子スロットル装置制御装置係り、特に、内燃機関スロットルバルブを駆動するアクチュエータ電気モータ)の信頼性を向上させた電子スロットル装置の制御装置に関する。

背景技術

0002

近年、自動車用内燃機関のスロットルバルブを制御する方式として、従来のアクセルペダルによる機械的かつ直接的なバルブ操作に代えて、アクセルペダルの操作量センサにより検知して電気信号に変換し、これをモータ等のロータリアクチュエータへ供給してバルブ開閉させる電子スロットル装置(ドライブバイワイヤ;DBW)が開発されている。

0003

このような電子スロットル装置では、スロットルバルブの開弁方向への駆動はもちろんのこと、閉弁方向への駆動もアクチュエータにより行われることから、当該アクチュエータには多重化機能およびフェールセーフ機能の付与が不可欠である。

0004

従来から、電子スロットル装置にはバルブリターンスプリングが設けられ、電子スロットル装置が何らかの原因で故障したときにはアクチュエータへの給電を停止して不動作状態とし、バルブリターンスプリングの弾性力でスロットルバルブを所定開度以下まで強制的に戻すように構成されていた。しかしながら、バルブリターンスプリングを利用した機械的なスロットル戻し機構は、作動摩耗等により信頼性が経年的に損なわれるという問題があった。

0005

このような問題点を解決するために、例えば特開平8−228466号公報では、電気モータとして、回転軸永久磁石マグネットロータを備えたトルクモータを採用し、ステータコイルへの非通電状態では、マグネットロータの磁力(およびターンスプリング)によってスロットルバルブが所定開度以下まで強制的に戻される機構が提案されている。

発明が解決しようとする課題

0006

上記した従来技術では、トルクモータのマグネットロータによるスロットル戻し機構がフェールセーフとして機能するが、電子スロットル装置が、そのトルクモータのマグネットロータの不具合により機能停止すると、フェールセーフ機能も同時に喪失してしまうという問題があった。

0007

すなわち、マグネットロータは一般的に、鉄心の外周部にSN極の永久磁石(ロータリーマグネット)を交互に配置して構成され、鉄心へのロータリーマグネットの固定は接着剤により行われることが多い。しかしながら、接着剤は金属に比べて機械的強度が弱い上に、熱にも弱く、経年劣化特性を有する。さらに、極めて稀なケースではあるが、ロータリーマグネット自身が機械的に破壊したり、磁力が減磁されて磁石として機能しなくなる場合も想定される。

0008

このように、マグネットロータ自身も、その機能を喪失する要因を潜在的に抱えているにもかかわらず、上記した従来のフェールセーフ機能は、マグネットロータが常に正常であることを前提としているので、本来の制御機能がマグネットロータの不具合により失われると、フェールセーフ機能も同時に失われてしまうという問題があった。

0009

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、マグネットロータを診断し、その故障を検知する機能を備えた電子スロットル装置の制御装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0010

上記した目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた点に特徴がある。

0011

(1)内燃機関のスロットルバルブを駆動する電気モータおよびスロットルセンサを含み、前記電気モータが、回転軸上に固定されたマグネットロータと、前記各マグネットロータの周囲に配置され、ステータ巻線巻回されたステータと、前記マグネットロータが発生する磁界を検知する磁気センサとを少なくとも含む電子スロットル装置の制御装置において、前記スロットルセンサにより検知されたスロットル開度および前記磁気センサの検知結果から予測されるスロットル開度に基づいてマグネットロータの故障を診断する故障診断手段を具備し。

0012

(2)内燃機関のスロットルバルブを駆動する電子スロットル装置の電気モータが、回転軸上の異なる位置に固定された複数のマグネットロータと、前記各マグネットロータの周囲に配置され、ステータ巻線が巻回されたステータと、前記各マグネットロータが発生する磁界を検知する複数の磁気センサとを少なくとも含む電子スロットル装置の制御装置において、前記各磁気センサの検知結果に基づいて各マグネットロータの故障を診断する故障診断手段を具備し、前記故障診断装置は、各磁気センサの出力信号の差分が所定値を超えると、いずれかのマグネットロータが故障したと診断する。

0013

上記した特徴(1) によれば、マグネットロータに不具合が生じたときに、これを確実に検知することができる。

0014

上記した特徴(2) によれば、複数のマグネットロータのいずれかに不具合が生じたときに、これを確実に検知することができる。

発明を実施するための最良の形態

0015

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図1、2は、本発明を適用した電子スロットル装置およびその制御システムの主要部の構成を示したブロック図であり、特に、図2は制御システムに相当するECUの構成を機能的に示したブロック図である。

0016

内燃機関のシリンダ10には、吸気管11、排気管12、吸気弁13および排気弁14が設けられ、吸気管11の通路内には、内燃機関に供給する空気量を制御するためのスロットルバルブ15が、スロットルシャフト16により揺動自在に軸支されている。前記スロットルシャフト16にはトルクモータMの回転軸17が連結され、その回転角度すなわちスロットル開度は、スロットル(開度)センサ18により検知されてECU(電子制御ユニット)20へ通知される。

0017

前記トルクモータMは、回転軸17上の異なる位置に複数(本実施形態では、2つ)のマグネットロータ3a,3bを隣接配置して構成される。各マグネットロータ3a,3bが発生する磁界は2つの磁気センサ4a,4bによってそれぞれ検知され、ECU20へ通知される。トルクモータMのステータ33は全てのマグネットロータ3a,3bに共通であり、その励磁電流すなわち磁界強度はECU20によって制御される。

0018

運転者がアクセルペダル21を操作した際の操作量はアクセル開度センサ22により検知され、アクセル開度信号としてECU20へ通知される。ECU20は、前記スロットルセンサ18により検知されたスロットル開度、前記アクセル開度センサ22により検知されたアクセル開度、および車速センサ温度センサ等により検知された車速Vや水温T等に基づいて、トルクモータMのドライバーユニット19を制御する。

0019

ドライバーユニット19は、図2に示したように、パワートランジスタをH状に接続したHブリッジ回路を備え、前記ECU20は、各パワートランジスタの導通タイミングを制御してトルクモータMに所定の回転トルクを発生させる。

0020

電子スロットル装置1の制御システムとしての前記ECU20は、前記アクセル開度、車速Vおよび水温T等に基づいてスロットルバルブ15の目標開度を決定する目標開度決定部201と、前記スロットルセンサ18の出力信号に基づいてスロットルバルブ15の実開度を求める実開度判定部202と、前記各目標開度決定部201および実開度判定部202の出力に基づいてドライバーユニット19を制御するモータ制御部203と、前記磁気センサ4a,4bの出力信号に基づいて各マグネットロータ3a,3bの故障を診断する故障診断部204とを含む。

0021

前記モータ制御部203は、モータMをリターンスプリング65のバネ力に抗して駆動するための基本電流量(フィードフォワード量)を、前記目標開度決定部201で決定された目標開度の関数として記憶している。そして、目標開度と実開度との偏差に応じた補正電流量(フィードバック量)を求め、常時は基本電流量と補正電流量との和をモータMへ供給する。

0022

図3は、前記電子スロットル装置1の第1実施形態の主要部の部分破断断面図、図4は、その機能を模式的に表現した図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。

0023

図3において、スロットルシャフト16およびトルクモータMの回転軸17は一体的に構成され、軸受け71、72および73によりハウジング2に対して回転自在に軸支されている。回転軸17の一端側には2つのマグネットロータ3a,3bが隣接して固定され、各マグネットロータ3a,3bの端面と対向する位置には、それぞれ磁気センサ4a,4bが設けられている。前記2つのマグネットロータ3a,3bは、回転軸17への固定後に一括着磁される。

0024

図4は、非通電状態のデフォルト状態を示し、吸気管11より左側では、スロットルバルブ15の回転運動を上下方向の平行運動として表現している。

0025

スロットルバルブ15は、車両が退避走行可能な、例えばアイドル回転数よりやや高い機関回転数に対応した空気量を供給し得る角度に維持されている。なお、退避走行とは、モータMへの通電遮断された場合でも、車両を修理工場等まで安全に移動できる自力走行をいう。

0026

バルブレバー64は、スロットルバルブ15の回動運動連動して図中上下方向へ移動し、図示したデフォルト状態から開弁方向へは中間レバー61を伴って移動し、デフォルト状態から閉弁方向へはデフォルトレバー62を伴って移動する。中間レバー61およびデフォルトレバー62は、デフォルトスプリング63の弾性力によりバルブレバー64を挟持するように構成されている。中間レバー61には、一端を固定されたリターンスプリング65の他端が係合し、デフォルト状態では、リターンスプリング65およびマグネットロータ3a,3bの作用によりデフォルトストッパ51へ押し付けられている。

0027

このようなデフォルト状態を実現するため、トルクモータMの回転軸17とスロットルバルブ15とは、図5に示したように、前記デフォルト状態のときに各マグネットロータ3a,3bがステータ33に対してオフセット状態となり、その結果、トルクモータMがオフでも閉弁方向へ常時回転トルクを発生するような位相で、予め固定されている。

0028

図4のデフォルト状態からトルクモータMが正転駆動されてスロットルバルブ15が開弁方向へ回動されると、バルブレバー64は、中間レバー61、デフォルトレバー62およびデフォルトスプリング63と共に図中上方向へ移動する。このとき、スロットルバルブ15の回転角度は2つのスロットルセンサ18a,18bおよび磁気センサ4a,4bにより検知される。開弁方向への動作限界全開ストッパ52により規定される。このとき、マグネットロータ3a,3bとステータ33との位置関係は、図6に示したようになる。

0029

一方、開弁状態からトルクモータMへの通電が中断されると、スロットルバルブ15は、前記リターンスプリング65の弾性力およびマグネットロータ3a,3bの保持力で閉弁方向へ回動され、これに連動して、バルブレバー64は、中間レバー61、デフォルトレバー62およびデフォルトスプリング63と共に図中下方へ移動する。バルブレバー64が、図4デフォルト位置まで戻ると、それ以上の閉弁動作はデフォルトストッパ51により阻止される。

0030

また、図4のデフォルト状態から、トルクモータMが逆転駆動されてスロットルバルブ15が全閉方向へ更に回動されると、バルブレバー64は、デフォルトスプリング63による弾性力に抗して、中間レバー61と離れてデフォルトレバー62と共に図中下方向へ移動する。閉弁方向への動作限界は全閉ストッパ53により規定される。

0031

このような構成において、トルクモータMのマグネットロータ3a,3bは回転軸17に対して同位相で固定されているので、回転軸17の回転角度にかかわらず、各磁気センサ4a,4bにより検知される磁束密度は一致する。ECU20の故障診断部204は、各磁気センサ4a,4bの出力信号を比較し、両者の差分が所定値を超えると、いずれかのマグネットロータ3a,3bに不具合が生じたものと診断する。

0032

ECU20は、故障診断部204がマグネットロータ3a,3bの故障と診断すると、以下のいずれかのフェールセーフ動作を実行する。図7は、各フェールセーフ動作における励磁電流Iの制御方法を示した図である。

0033

(1) 第1動作…ステータ33への給電を中止する[図7(1) ]。この結果、機能を喪失していないマグネットロータ(およびリターンスプリング65)により、スロットルバルブ15が図4のデフォルト位置まで戻されるので退避動作を実行できる。

0034

(2) 第2動作…ステータ33へ常時よりも大きな(例えば、2倍)電流を供給する[図7(2) ]。例えば、前記基本電流量(フィードフォワード量)を2倍に増やす。この結果、機能を喪失していないマグネットロータが強く付勢されるので、常時と同様のスロットル制御を継続できる。

0035

なお、いずれのフェールセーフ動作においても、マグネットロータに不具合が生じたことを運転者に通知すべく、警告灯点灯、あるいは警報音を発生させて運転者に退避動作を促すことが望ましい。

0036

図8は、前記故障診断部204による診断アルゴリズムの一例を示したフローチャートであり、ステップS1において主電源(例えば、イグニッションスイッチ)のオン操作が検知されると、ステップS2では磁気センサ4aの検出信号M1が読み取られ、ステップS3では、磁気センサ4bの検出信号M2が読み取られる。ステップS4では、各検出信号M1,M2の差分ΔMが基準値Mref と比較され、差分ΔMが基準値Mref を上回ると、いずれかのマグネットロータが故障していると診断し、ステップS5において、警告灯を点灯、あるいは警報音を発生させて運転者に退避動作を促す。

0037

図9は、前記電子スロットル装置1の第2実施形態の主要部の部分破断断面図、図10は、その動作を示したフローチャートであり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本実施形態は、マグネットロータ3を単一構成とした点で第1実施形態とは異なっている。

0038

故障診断部204により、ステップS11において主電源のオン操作が検知されると、ステップS12では、スロットルセンサ18の出力信号に基づいてスロットルの実開度θが検知される。ステップS13では、スロットルセンサ18を診断するために、検知された実開度θが所定の上下限値内に収まっているか否かが判別される。前記所定の上下限値は、例えばスロットルバルブ15の全閉状態および全開状態に対応しており、検知された実開度θが上下限値から外れていると、スロットルセンサ18を故障と診断してステップS22へ進む。ステップS22では、警告灯を点灯、あるいは警報音を発生させると共に、前記フィードバック制御を中止してフィードフォワード制御のみを実行する。

0039

一方、スロットルセンサ18が正常と診断されると、ステップS14では、磁気センサ4により磁束密度φが検知される。なお、第1実施形態と同様に複数の磁気センサ4a,4bを設けた場合は、その平均値または大きい側の値で磁束密度φを代表することができる。

0040

ステップS15では、検知された磁束密度φが所定の上下限値内に収まっているか否かに基づいて、磁気センサ4が前記スロットルセンサ18と同様に診断され、検知結果が上下限値から外れていると、磁気センサ4を故障と診断してステップS21へ進む。ステップS21では、警告灯を点灯、あるいは警報音を発生させる。

0041

磁気センサ4も正常と診断されると、ステップS16では、検知されたスロットルの実開度θに対応した磁気センサ4の出力対応値φthが検索される。図11は、スロットルの実開度θと磁気センサ4の出力対応値(磁束密度)φthとの対応関係の一例を示した図であり、故障診断部204には、上記した対応関係がマップ形式で予め記憶されており、入力された実開度θに対応した出力対応値φthを検索する。

0042

ステップS17では、磁気センサ4により検知された磁束密度φと前記検索された出力対応値φthとの偏差|φ−φth|が基準偏差φref と比較される。ここで、偏差|φ−φth|が基準偏差φref よりも小さければ、磁気センサ4に異常がない旨の診断を下してステップS18へ進み、通常制御(フィードフォワード制御+フィードバック制御)を継続する。

0043

これに対して、偏差|φ−φth|が基準偏差φref よりも大きければ、ステップS19においてマグネットロータ3の故障と診断し、ステップS20では、警告灯を点灯、あるいは警報音を発生させると共にモータMへの通電を中止する。この結果、スロットルバルブ15がリターンブリング65により図9のデフォルト位置まで戻されるので退避動作を実行できる。

0044

上記したように、本実施形態によれば、マグネットロータに不具合が生じたときに、これを確実に検知することができる。

発明の効果

0045

本発明によれば、以下のような効果が達成される。

0046

(1) 請求項1の発明によれば、マグネットロータに不具合が生じたときに、これを確実に検知することができる。

0047

(2) 請求項2の発明によれば、複数のマグネットロータのいずれかに不具合が生じたときに、これを確実に検知することができる。

0048

(3) 請求項3の発明によれば、一部のマグネットロータに不具合が生じても、機能を喪失していない他のマグネットロータが常時よりも強く付勢されるので、常時と同様のスロットル制御を継続できる。

図面の簡単な説明

0049

図1本発明を適用した電子スロットル装置およびその制御システムの主要部の構成を示したブロック図である。
図2ECUの機能ブロック図である。
図3本発明を適用した電子スロットル装置の第1実施形態の断面図である。
図4電子スロットル装置の構成を模式的に示した図である。
図5トルクモータの非駆動状態を示した図である。
図6トルクモータの駆動状態を示した図である。
図7フェールセーフ動作時におけるトルクモータの励磁方法を示した図である。
図8第1実施形態の故障診断アルゴリズムのフローチャートである。
図9本発明を適用した電子スロットル装置の第2実施形態の断面図である。
図10第2実施形態の故障診断アルゴリズムのフローチャートである。
図11スロットルの実開度と磁気センサの出力との対応関係を示した図である。

--

0050

3,3a,3b…マグネットロータ、4,4a,4b…磁気センサ、10…シリンダ、11…吸気管、15…スロットルバルブ、16…スロットルシャフト、18…スロットルセンサ、19…ドライバーユニット、20…ECU,33…ステータ

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