JP2015206312A - 電子スロットルバルブ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットルバルブ制御用モータの動作遅れを改善し、スロットルバルブの応答性（アクセルレスポンス）の向上を図った電子スロットルバルブ制御装置を提供することを目的としている。【解決手段】電子スロットルバルブ制御装置１は、スロットルバルブ７に取り付けられたスロットルバルブ制御用モータ８を駆動する駆動回路１０と、駆動回路１０のバッテリ５側と接地との間に接続された充放電スイッチ２とコンデンサ３とで構成される直列回路４と、コンデンサ３に充電された電荷を放電させる充放電スイッチ２を制御する制御回路（ＥＣＵ）６と、で構成され、スロットルバルブ７の駆動開始時に、バッテリ５からの電流とコンデンサ３からの放電による電流とを併せてスロットルバルブ制御用モータ８を駆動させ、スロットルバルブ７の応答性を向上させる。【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の空気量を調整するスロットルバルブを電気信号で制御する電子スロットルバルブ制御装置に関するものである。

車両の内燃機関の制御において、アクセルペダルとスロットルバルブとの間を電気信号で伝達するようにした電子スロットルバルブ制御は標準機能となりつつある。自動車（四輪車）では標準的に採用されており、また、自動二輪車においても採用され始めている。電子スロットルバルブ制御は、従来の機械式スロットルバルブ制御に置き換わり、機械と電気を融合させ、スロットルバルブの開度を物理的なケーブルではなく、電線（ワイヤ）内を通る電気信号で制御を行うものである。電子スロットルバルブ制御を採用することで、補機類の省略化や低燃費等の制御を実現している。

従来の電子スロットルバルブ制御装置としては、例えば、特許文献１等で示されるように、スロットルバルブ７は、Ｈブリッジ回路がＦＥＴ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄで構成される駆動回路１０によりスロットルバルブ制御用モータ８で駆動されることが一般的である（図７）。操作者がアクセルまたはグリップを操作するとその位置がセンサで検出される。さらに、検出された位置の変化量に基づいてＥＣＵによりスロットルバルブの目標開度が演算され、スロットルバルブ制御用モータ８に駆動信号を出力することでスロットルバルブ制御用モータ８が制御される。

特開２００３−２８６８８３号公報

従来のワイヤによる機械式スロットルバルブ制御では、アクセルワイヤが直接スロットルバルブ機構に繋がっているため、アクセル操作に対して、ほぼ１対１で、スロットルバルブが動作する。これに対して、電子スロットルバルブ制御では、アクセルセンサの入力変化をモニタしながら演算し、出力量を決定して、スロットルバルブ制御用モータを駆動（スロットルバルブ操作）させているため、モニタ処理やノイズ判定のフィルタリングによる時間差が原理的にどうしても発生する。また、ＥＣＵ指令（モータ駆動信号）を受けたスロットルバルブ制御用モータは、停止状態から動作を開始するため、最初は電流量が大きく、ゆっくりとした動き始めとなり、その後、速度が増して電流が少なくなるが、開き始めの領域で比較すると、機械式スロットルバルブ制御に対し、電子スロットルバルブ制御では、スロットルバルブの目標開度の演算からスロットルバルブ制御用モータの駆動の一連の工程において、スロットルバルブの目標開度に対して必ず時間的に遅れが生じる。すなわち、アクセル操作（開度変化）対するスロットルバルブの応答性に遅れが発生することになる（図８）。

また、さらにスロットルバルブ制御用モータは、動いている速度と電流との間に密接な関係があり、初速“０”の時からの動かし始めにおいて、最も電流を必要とし、無負荷の時が最も電流が少なくなるという特性を持つ。このため、定位置からの駆動時に最も電流を必要とするスロットルバルブ制御用モータに早く電流を流すことによってスロットルバルブの動き始めの遅れを改善させてやることができる。一定条件下で電流を多く流すということは、抵抗を小さくするか、印加電圧を高くすることで可能であるが、スロットルバルブを駆動するスロットルバルブ制御用モータの電気的特性は決まっており、車両の条件に応じて抵抗値を変化させることは容易でない。また、印加電圧もバッテリ電圧によって決まっており、印加電圧を上げるためにはＤＣ／ＤＣコンバータなどの複雑な回路が必要となるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、スロットルバルブ制御用モータの動作遅れを改善し、スロットルバルブの応答性（アクセルレスポンス）の向上を図った電子スロットルバルブ制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、この発明に係る電子スロットルバルブ制御装置は、スロットルバルブに取り付けられたスロットルバルブ制御用モータを駆動する駆動回路と、駆動回路の電源側と接地との間に接続されるとともに充放電スイッチとコンデンサとで構成された直列回路と、コンデンサへの電荷の充電、及びコンデンサに充電された電荷を放電させて駆動回路に給電するために、充放電スイッチを制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。

この発明の電子スロットルバルブ制御装置によれば、スロットルバルブ制御用モータの逆起電力発生時に、スロットルバルブ制御用モータの駆動回路の電源側に配置された充放電コンデンサに充電しておき、充電されたコンデンサの電荷を充放電スイッチにより放電させて、この放電電流をスロットルバルブ制御用モータの駆動時にバッテリの電流とともに駆動回路に給電することによりスロットルバルブの応答性の向上を図ることができるという効果がある。

実施の形態１に係る電子スロットルバルブ制御装置が適用された電子スロットルバルブ制御システムの全体回路構成図である。 実施の形態１におけるスロットルバルブ制御用モータによる逆起電力発生時の通電経路を示す図である。 実施の形態１における充放電コンデンサが充電された状態を示す図である。 実施の形態１におけるスロットルバルブ制御用モータの正転時の通電経路を示す図である。 実施の形態１におけるスロットルバルブ位置の時間変化を示す図である。 実施の形態２に係る電子スロットルバルブ制御装置が適用された電子スロットルバルブ制御システムの全体回路構成図である。 従来の電子スロットルバルブ制御装置が適用された電子スロットルバルブ制御システムの全体回路構成図である。 一般的なスロットルバルブ位置の時間変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電子スロットルバルブ制御装置の詳細について、図１から図６を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電子スロットルバルブ制御装置が適用された電子スロットルバルブ制御システムの全体回路構成図であり、図２は、スロットルバルブ制御用モータによる逆起電力発生時の通電経路を示す図であり、図３は、充放電コンデンサが充電された状態を示す図であり、図４は、スロットルバルブ制御用モータの正転時の通電経路を示す図であり、図５は、スロットルバルブ位置の時間変化を示す図である。

まず、図１を用いて、実施の形態１に係る電子スロットルバルブ制御装置が適用された電子スロットルバルブ制御システムの全体回路構成について説明する。電子スロットルバルブ制御装置１は、スロットルバルブ７に取り付けられたスロットルバルブ制御用モータ８を駆動する駆動回路１０と、駆動回路１０の電源（バッテリ）５側と接地との間に接続された充放電スイッチ２とコンデンサ３とで構成される直列回路４と、コンデンサ３への電荷の充電、及びコンデンサ３に充電された電荷を放電させて駆動回路１０に給電するために、充放電スイッチ２を制御する制御回路（ＥＣＵ）６と、で構成され、また、制御回路６には、アクセルセンサ９と、バッテリ５から駆動回路１０への電力の供給を制御する電源リレー１１が逆流阻止ダイオード１２を介して設けられており、制御回路６は、アクセルセンサ９からの信号に応じて、充放電スイッチ２及び電源リレー１１を制御して、スロットルバルブ７の開度を制御する。

次に、実施の形態１に係る電子スロットルバルブ制御装置１の動作の詳細について説明する。
図１に示すように、駆動回路１０は、Ｈブリッジ回路を形成する４つのＦＥＴ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄで構成され、直列に接続されたＦＥＴ１０ａ，１０ｂとＦＥＴ１０ｃ，１０ｄの２組の回路の、上段のＦＥＴと下段のＦＥＴとのそれぞれの接続点がスロットルバルブ制御用モータ８に接続されている。駆動回路１０のバッテリ５側と接地との間に直列回路４の充放電スイッチ２とコンデンサ３が接続されている。

図１に示すように、車両のアクセルが操作されるとアクセルセンサ９によりアクセルの位置の変化が検知され、その信号に基づき、制御回路６は、電源リレー１１を閉（通電状態）にして、バッテリ５（電源）から駆動回路１０への電力を供給し、これによりスロットルバルブ制御用モータ８を駆動し、さらに、スロットルバルブ７を回転させてスロットルバルブ７の開度を制御する。このとき、充放電スイッチ２も、閉（通電状態）にしておき、スロットルバルブ制御用モータ８を駆動させる。ここで、通電経路Ａは、スロットルバルブ制御用モータ８の正転時の、通電経路Ｂは、スロットルバルブ制御用モータ８の逆転時の、それぞれ電流の流れを示す。

スロットルバルブ７が目標開度に達すると、制御回路６は、スロットルバルブ制御用モータ８への通電を停止させる（ＦＥＴを非動作状態にする。）。このとき、図２に示すように、スロットルバルブ制御用モータ８が停止されたことに伴い、スロットルバルブ制御用モータ８の端子にはプラスの逆起電力電圧が発生し、上段のＦＥＴ１０ａの寄生ダイオード１３ａまたはＦＥＴ１０ｃの寄生ダイオード１３ｃを通じてコンデンサ３に電流が流れ、コンデンサ３には電荷が充電される（図２では、通電経路Ｃは、電流がＦＥＴ１０ｃの寄生ダイオード１３ｃを流れる場合を示す。）。

充放電スイッチ２は、スロットルバルブ制御用モータ８の停止後、一定時間後に開（遮断）となるように制御される。これにより、図３に示すようにコンデンサ３には、電荷Ｄが充電された状態となる。

次に、スロットルバルブ７の開閉の操作を行うために、スロットルバルブ制御用モータ８が駆動された場合には、スロットルバルブ制御用モータ８の駆動開始と同時に充放電スイッチ２が閉にされる（図４）。このとき、コンデンサ３には、バッテリ５より高い電圧で、電荷が充電されているため、充放電スイッチ２が閉にされた場合には、バッテリ５からの電流（通電経路Ａ）だけではなく、コンデンサ３からもスロットルバルブ制御用モータ８のインピーダンスに応じた電流（通電経路Ｅ）が流れ、結果的にスロットルバルブ制御用モータ８の駆動開始時の電流を増やすことになる。ここでは、スロットルバルブ制御用モータ８の正転時の電流の流れを示す。スロットルバルブ制御用モータ８が回転し始めるとインダクタンスの影響が小さくなり電流値が急速に下がるためバッテリ５の通常の電圧でも十分追従させることができる。

これにより、スロットルバルブ制御用モータ８にバッテリ５の電圧よりも高い電圧を印加するのと同じ効果が得られる。図５に、スロットルバルブ制御用モータ８によるスロットルバルブ７の位置の時間変化を示すが、図７に示す従来の電子スロットルバルブ制御装置３０に比べて、本実施の形態による電子スロットルバルブ制御装置１の方が短い時間でスロットルバルブの目標開度に追随していることが分かる。

ここで、充放電スイッチ２は、必ずしもスロットルバルブ制御用モータ８を駆動させる度に閉にする必要はない。通常、車両の操作者の感覚で求められるのは加速時（スロットルバルブの開側の動作）であるため、スロットルバルブ７を閉じる側の時には、充放電スイッチ２を開のままにしておき、スロットルバルブ７を開く側の制御のときのみに、閉にすることにしてもよい。すなわち、コンデンサ３の放電は、スロットルバルブ７の保持状態から開方向動作時に実施する。

さらに、コンデンサ３の放電による電流の付加は、特に、電流を必要とするスロットルバルブ制御用モータ８の反転動作時（正転方向から逆転方向、あるいは、逆転方向から正転方向）において有効である。

また、コンデンサ３の放電は、特に、スロットルバルブ７の開度に対する変化量が大きい場合に実施してもよく、開度の変化量に設定値を設け、この設定値以上になった場合に実施することにしてもよい。

このように、実施の形態１に係る電子スロットルバルブ制御装置によれば、スロットルバルブ制御用モータの逆起電力発生時に、スロットルバルブ制御用モータの駆動回路の電源側に配置された充放電コンデンサに充電しておき、充電されたコンデンサの電荷を充放電スイッチにより放電させて、この放電電流をスロットルバルブ制御用モータの駆動時にバッテリの電流とともに駆動回路に給電することによりスロットルバルブの応答性の向上を図ることができるという効果がある。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る電子スロットルバルブ制御装置の回路構成図である。実施の形態２に係る電子スロットルバルブ制御装置の構成と、図１に示す実施の形態１に係る電子スロットルバルブ制御装置の構成との相違点は、実施の形態２では、コンデンサの充電状態を検出する電圧検出回路が付加されている点である。他の部分は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に、図６に示す実施の形態２に係る電子スロットルバルブ制御装置２０の構成について説明する。コンデンサ３の電圧を電圧検出回路１４で検出し、Ａ／Ｄ変換器１５にてＡ／Ｄ変換を行った後、ＥＣＵ６に電圧の検出結果を送る。これにより、コンデンサ３の充電状態を把握しておき、充電状態に応じて、充放電スイッチ２の制御を行えば充電、放電の条件を選択する可能性をさらに広げることができる。例えば、コンデンサ３の電圧が設定電圧以上の変化があったときのみコンデンサ３に通電する場合、または、コンデンサ３の電圧が設定電圧以上で、かつスロットルバルブ７の目標開度に対する変化量が設定値以上になったときのみ充放電スイッチ２を閉にして、コンデンサ３を放電させる等、応答性の向上が必要な条件で使用するなどの細かい制御を行うことが可能になる。

このように、実施の形態２に係る電子スロットルバルブ制御装置によれば、実施の形態１と同様、充電されたコンデンサの電荷を充放電スイッチにより放電させて、この放電電流をスロットルバルブ制御用モータの駆動時にバッテリの電流とともに駆動回路に給電することによりスロットルバルブの応答性の向上を図ることができるとともに、コンデンサの充電状態を把握することで、応答性の向上が必要な場合にのみコンデンサの電荷を駆動回路に給電することができるという効果がある。

なお、本発明は、上記実施の形態で説明した効果の他に、スロットルバルブ制御用モータの停止時に発生する逆起電力電圧を用いてコンデンサに充電された電荷を利用することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの複雑な回路を用いずともスロットルバルブ制御用モータの駆動の時間遅れを改善することが可能であるという効果もある。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１，２０，３０ 電子スロットルバルブ制御装置、２ 充放電スイッチ、３ コンデンサ、４ 直列回路、５ バッテリ、６ 制御回路、７ スロットルバルブ、８ スロットルバルブ制御用モータ、９ アクセルセンサ、１０ 駆動回路、１１ 電源リレー、１２ 逆流阻止ダイオード、１３ａ，１３ｃ 寄生ダイオード、１４ 電圧検出回路、１５ Ａ／Ｄ変換器。

Claims (6)

1. スロットルバルブに取り付けられたスロットルバルブ制御用モータを駆動する駆動回路と、
   前記駆動回路の電源側と接地との間に接続されるとともに充放電スイッチとコンデンサとで構成された直列回路と、
   前記コンデンサへの電荷の充電、及び前記コンデンサに充電された電荷を放電させて前記駆動回路に給電するために、前記充放電スイッチを制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする電子スロットルバルブ制御装置。
2. 前記充電は、前記スロットルバルブ制御用モータの逆起電力発生時に実施することを特徴とする請求項１に記載の電子スロットルバルブ制御装置。
3. 前記放電は、前記スロットルバルブ制御用モータの反転動作時に実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子スロットルバルブ制御装置。
4. 前記放電は、前記スロットルバルブの保持状態から開方向動作時に実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子スロットルバルブ制御装置。
5. 前記放電は、前記スロットルバルブの目標開度に対する変化量が設定値以上である場合に実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子スロットルバルブ制御装置。
6. 前記コンデンサの充電状態を検出する電圧検出回路を備え、前記放電は、前記コンデンサの充電状態に応じて実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子スロットルバルブ制御装置。
   

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