CN1352729A - 排出气体再循环阀的控制装置 - Google Patents

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Abstract

根据控制阀的目标开闭位置对应的输入数据与所述控制阀的当前开闭位置的检测数据之偏差量或将该偏差值作为输入的PI控制量运算单元的输出值,对迟滞进行修正。

Description

排出气体再循环阀的控制装置
技术领域
本发明涉及排出气体再循环系统中具有的排出气体再循环“下面称为EGR(Exhaust Gas Recirculation)”阀的控制装置。
背景技术
图1为在连通发动机E的排气通路a与吸气通路b的排气回流通路c中配置EGR阀的控制阀11的结构。该EGR阀的控制装置例如采用混合PM型四相等步进电动机M对控制阀11进行开闭控制，通过对该步进电动机M以步距角为单位进行开环控制，来调节控制阀11的开度。
但是，采用这样的步进电动机M的控制装置，由于只能以步进电动机M的步距角为单位对控制阀11的开度进行控制，因此控制阀11的调节开度的分辨率受到限制。另外存在的问题是，在步进电动机M的开环控制中，由于有时产生失步现象，因此响应性也有限制，另外一旦失步时，由于控制量产生误差并保持误差状态不变，所以可靠性差。
因此，以往的EGR阀控制装置例如日本特开平10-122059号公报所述，是利用推压手段，在控制阀11的打开方向或关闭方向加上规定的复位力矩，另外利用直流电动机(下面也称为DC电动机)单方向通电，在控制阀11的关闭方向或打开方向加上可变的电动机力矩，通过这些力矩的平衡进行开闭，其控制系统有两种，一种是利用开环对所述直流电动机进行控制的开环控制系统，使其根据所述控制阀11的目标开闭位置产生相应的电动机力矩；另一种是根据所述控制阀11的目标开闭位置所对应的输入数据与所述控制阀11的当前开闭位置的检测数据之偏差，对所述直流电动机进行闭环控制的闭环控制系统。
首先说明采用该直流电动机的驱动方式。在采用直流伺服电动机方式对控制阀1的开度进行反馈控制时，利用滑动电阻式那样的位置传感器连续检测控制阀11的开度并进行反馈，通过这样连续控制直流电动机产生的力矩，理论上能够使控制阀11的调节开度分辨率为无限小。另外，直流电动机不会产生步进电动机M那样的因失步现象而导致的控制误差，因此与利用步进电动机M的情况相比，能够相应提高响应性，也提高了可靠性。
采用这样的直流电动机的EGR阀驱动方式是采用所谓的力矩平衡方式，利用弹簧作为推压手段，在关闭方向(或打开方向)加上规定的复拉力矩，另外利用直流电动机的单方向通电，在打开方向(或关闭方向)加上可变的电动机力矩，利用这两个力矩平衡进行开闭控制。在该驱动方式的情况下，由于对EGR阀始终加上复位力矩，因此开闭位置(偏移量)因图2所示由于摩擦而具有迟滞的直线A与B的倾斜而导致变化。
图中，直线A是增大电动机力矩使控制阀11打开时的动作特性，直线B是减小电动机力矩使控制阀11关闭时的动作特性，直线A和B的倾斜是根据加上复位力矩的弹簧的弹簧常数而变化，根据该设定力矩的大小，直线A和B向图2中的左右方向偏移。
现在假设的情况是，为了对具有这样动作特性的控制阀11进行控制，单单根据控制阀11的目标开闭位置对应的输入数据与该控制阀的当前开闭位置的检测数据之偏差，采用对直流电动机进行PI(比例积分)控制的方法。在这种情况下，由于图2所示的动作特性的关系，因此很难使控制阀11稳定在目标开闭位置。
即为了增大电动机力矩，使控制阀11打开达到目标开口位置，考虑图2的动作特性，必须增加P(比例)增益及I(积分)增益，以实现沿直线A上的控制。但是，在这种的设定下，在利用PI控制使电动机力矩增大时，控制阀11刚一打开达到目标开口位置，则该控制阀的开口位置偏差变为“0”，P分量为“0”，I分量被清除，由于复位力矩，控制阀11开始关闭。
在其开始关闭的初始阶段(小偏差时)，由于P及I的分量都较小，因此电动机力矩不能克服复位力矩，偏差变大。然后，即使偏差大到一定程度，电动机力矩与复位力矩平衡，但由于直流电动机的惯性，控制阀11的关闭动作也不能突然停止，不能立刻使控制阀11进行打开动作。假设即使小偏差时增大增益，使得产生比较大的电动机力矩，这时如图3所示，将导致超调及下冲的增加，而陷入异常的振荡循环。
下面根据图4至图7，说明考虑到这样的情况，采用直流电动机的所谓力矩平衡驱动方式对控制阀11进行控制的控制装置构成。在图4中，1为阀体，在其内部形成处于排出气体再循环系统中的排气回流通路C，如图所示，控制阀11向上运动，与阀座12接触，这样使排气回流通路C关闭，控制阀11向下运动，与阀座12分离，这样使排气回流通路C打开。
2为内装直流电动机20的电动机外壳。在该直流电动机20中，21为绕有绕组22的转子，23为具有磁铁24的磁轭，转子21的上端部利用滑动球25及转轴26支持在电动机外壳2上，能自由旋转，转子21的下端部利用轴承27支持在阀体1上，能自由旋转。在转子21的上端装有换向器28，利用电刷弹簧29将电动机外壳2一侧的电动机电刷30压靠在换向器28上。
40为检测转子21的转动位置用的位置传感器，它是根据转子21的转动位置改变电阻值的方式。该位置传感器40及电动机电刷30利用连接器端子3，与后述的控制装置连接。
在转子21的内部通过螺纹与电动机轴31啮合，该电动机轴31利用阀体1一侧的导向轴套13阻止旋转。因而，根据转子21的转动量，电动机轴31上下运动。电动机轴31的下端与轴14抵靠，该轴14的中间部分利用导向密封15及导向板16，在阀体1上下自由运动导向，另外在轴14的下端安装控制阀11。
17为导向密封盖。弹簧19介于轴14的上端安装的弹簧片18与导向板16之间，对轴14施加向上即控制阀11关闭方向的作用力。
这样构成的控制阀11，利用所述的力矩平衡方式进行驱动。即EGR阀利用弹簧19作为施力手段，在控制阀11的关闭运动方向加上复位力矩，另外利用直流电动机20的单方向通电，在控制阀11的打开运动方向加上可变的电动机力矩，利用这两个力矩的平衡，对控制阀11进行开闭控制。
图5为整个控制装置的简要构成图，利用微型计算机形态的控制单元50决定电动机驱动电压。52为电池，53为将后述的PI控制量计算单元63的输出进行变换后供给直流电动机20的电动机驱动电压变换单元，由齐纳二极管53a、仅使电流单方向流过直流电动机20的二极管53b、FET(场效应晶体管)53c、以及在控制单元50与FET53c之间设置的接口53d构成。56为确保控制单元50的驱动电压(5V)用的稳压器。
来自曲柄角度传感器等运转状态量传感器57的检测信号及来自位置传感器40的检测信号，分别通过接口58及59，输入至控制单元50。本例的位置传感器40具有在电阻41上移动的可动触点42，来自电压供给单元60的恒定电压(5V)加在电阻41上，该可动触点42随转子21的转动而移动，通过这样，从该可动触点42输出与转子21的转动位置相应的电压作为检测信号。
另外，上述电动机驱动电压变换单元53，对直流电动机20所加的电压以一定周期进行开关控制，利用与该每个周期导通时间和关断时间之比(驱动占空比)相应的PWM信号，使FET53c进行开关动作，来控制直流电动机20所加的平均驱动电压。
图6为说明利用控制单元50构成的控制系统用的简要方框图。在图6中，61是根据运转状态量传感器57的检测信号求得控制阀11的最佳开闭位置用的目标位置运算单元，输出与该目标位置对应的电压(下面称为“目标值①”)。62为对位置传感器40的检测信号进行A/D变换的A/D变换器，输出控制阀11的当前开闭位置对应的电压(下面称为“当前值②”)。71为目标值①与当前值②的加减法器，根据该目标值①与当前值②之偏差，PI控制量运算单元63进行包含比例分量(P分量)及积分分量(I分量)的PI控制量(电压)的运算并输出。
图7为PI控制量运算单元63的详细构成图，72及73为对加减法器71的输出进行放大的放大器，74为对放大器73的输出进行积分的积分器，75为对放大器72与积分器74的输出进行减法运算的减法器，76为具有使减法器75的输出饱和的饱和功能的放大器，77为显示目标值①与现在值②和放大器76的输出值的显示器。
图8(a)为位置传感器40的检测值(纵轴)相对于时间(横轴)的特性图，a为理想特性，b为实际动作特性。另外，图8(b)为直流电机所加电压相对于时间(横轴)的特性图。
下面说明动作过程。
在图7中，为了补偿当前值②与目标值①的偏差部分(开环控制的正负偏差部分)，反馈控制系统进行PI控制。结果，不论控制阀11的开闭方向如何，都能够使该控制阀在目标位置静态稳定。
但是，图7所示的以往的PI控制量运算单元63，若如图15(a)阀开度相对于电动机驱动电压值的特性图所示，由于有迟滞，而增大反馈量时，则相对于如图8(a)曲线所示的检测控制阀位置的位置传感器40的检测量，如图8(b)所示，直流电动机20所加电压将随时间而变化，由于控制滞后了迟滞部分W，因此控制阀位置以目标位置为基准发生振荡。而另一方面，为了使其以阀机构所具有的原来的响应速度动作，必须使反馈量足够大。
由于以往的排出气体再循环阀的控制装置是如上所述构成的，因此存在的问题是，由于有迟滞，所以响应性差，对控制阀不能进行高精度控制。
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于得到的排出气体再循环阀的控制装置，能够根据PI控制量运算单元的输入量或PI控制量运算单元输出的操作量，减少迟滞，使其提高控制性能。
发明的公开
本发明的排出气体再循环阀的控制装置，具有在控制阀的打开方向或关闭方向的单方向加上复位力矩的施力手段、以及在控制阀的打开方向或关闭方向加上电动机力矩的直流电动机，利用这两个力矩的力矩平衡进行开闭，还具有：将所述控制阀的目标开闭位置对应的输入数据与该控制阀当前开闭位置的检测数据之偏差作为输入的PI控制量运算单元，根据该PI控制量运算单元的输出量求出迟滞修正量的迟滞修正单元，以及接受所述PI控制量运算单元的输出量与所述迟滞修正量之和并将其变换为供给所述直流电动机的电压的电动机驱动电压变换单元。
采用上述方法，根据PI控制量运算单元的输出量，计算迟滞修正量，再根据该迟滞修正量，减小控制阀11的动作迟滞，通过这样，能够对控制阀进行高精度控制，而且响应性好。
本发明的排出气体再循环阀的控制装置，具有由变化方向判断单元及迟滞修正量运算单元构成的迟滞修正单元，所述变化方向判断单元由对PI控制量运算单元的输出量进行微分的微分器及判断该微分器的输出是在零以上还是在零以下的符号判断器构成，所述迟滞修正量运算单元由对符号判断器的输出进行放大的放大器构成。
采用上述方法，能够以简单的构成得到适当的迟滞修正量。
本发明的排出气体再循环阀的控制装置，具有在控制阀的打开方向或关闭方向的单方向加上复位力矩的施力手段、以及在控制阀的打开方向或关闭方向加上电动机力矩的直流电动机，利用这两个力矩的力矩平衡进行开闭，还具有：将所述控制阀的目标开闭位置对应的输入数据与该控制阀当前开闭位置的检测数据之偏差作为输入的PI控制量运算单元，根据该PI控制量运算单元的输入量求出迟滞修正量的迟滞修正单元，以及接受所述PI控制量运算单元的输出量与所述迟滞修正量之和并将其变换为供给所述直流电动机的电压的电动机驱动电压变换单元。
采用上述方法，根据PI控制量运算单元的输入量，计算控制阀的迟滞修正量，再根据该迟滞修正量，减小控制阀的动作迟滞，通过这样，能够对控制阀进行高精度控制，而且响应性好。
本发明的排出气体再循环阀的控制装置，具有由判断目标值与当前值之偏差即PI控制量运算单元的输入量是在零以上还是在零以下的偏差正负判断单元及对该偏差正负判断单元的输出进行放大的放大器构成的迟滞修正电路。
采用上述方法，能够以简单的构成得到适当的迟滞修正量。
附图的简单说明
图1为发动机排气系统的简要说明图。
图2为力矩平衡驱动方式EGR阀的控制阀开闭位置相对于电动机力矩的特性图。
图3为该EGR阀的控制阀开闭位置相对于时间的特性图。
图4为EGR阀的纵向剖面图。
图5为采用直流电动机的所谓力矩平衡驱动方式的控制装置构成图。
图6为该控制装置的控制单元构成图。
图7所示为该控制单元中PI控制量运算单元构成的电路图。
图8为EGR阀的动作特性图。
图9所示为本发明的EGR阀控制装置中控制单元实施形态1的构成图。
图10为图9的控制单元中PI控制量运算单元与迟滞修正单元的电路图。
图11为实施形态1的EGR阀的动作特性图。
图12所示为本发明的EGR阀控制装置中控制单元实施形态2的构成图。
图13为图12的控制单元中PI控制量运算单元与迟滞修正单元的电路图。
图14为实施形态2的EGR阀的动作特性图。
图15为抵消迟滞的说明图。
实施发明的最佳形态
下面为了更详细说明本发明，根据附图对实施本发明的最佳形态进行说明。
实施形态1
图9所示为本发明实施形态1的EGR阀控制装置中的控制单元构成图。在图9中，101为根据运转状态量传感器100的检测信号求得控制阀11的最佳开闭位置用的目标位置运算单元，输出与该目标位置对应的电压(下面称为“目标值①”)。102为对位置传感器104的检测信号进行A/D变换的A/D变换单元，输出与控制阀11的当前开闭位置对应的电压(下面称为“当前值②”)。用减法器111对该目标值与①与当前值②进行减法运算求得偏差，根据该偏差，PI控制量运算单元103计算包括比例分量(P分量)及积分分量(I分量)的PI控制量(电压)并输出。105为迟滞修正单元，该迟滞修正单元105由检测PI控制量运算单元103的输出增减变化的变化方向判断单元106、以及根据该变化方向判断单元106的输出量求得控制阀11的迟滞修正量的迟滞修正量运算单元107构成。119为对PI控制量运算单元103的输出量与迟滞修正量进行加法运算的加法器，108为接受加法器119的加法结果并将其变换为供给直流电动机20的电压的电动机驱动电压变换单元。
图10所示为PI控制量运算单元103与迟滞修正单元105的详细构成图，PI控制量运算单元103由对加减法器111的输出进行放大的放大器112及113、对放大器113的输出进行积分的积分器114、以及对放大器112的输出与积分器114的输出进行减法运算的减法器115构成。构成迟滞修正单元105的变化方向判断单元106由对减法器115的输出进行微分的微分器116、以及判断该微分器116的输出是在零以上(零以上时为+1)还是在零以下(零以下时为-1)的符号判别器117构成。另外，构成迟滞修正单元105的迟滞修正量运算单元107由对符号判别器11的输出进行放大的放大器118构成。该放大器118的输出与减法器115的输出用加法器119进行加法运算，该加法器119的输出通过具有饱和功能的电动机驱动电压变换单元108，供给直流电动机20。
图11(a)为位置传感器40的检测值(纵轴)相对于时间(横轴)的特性图，a为理想特性，b为实际的动作特性。另外，图11(b)为直流电动机所加电压相对于时间(横轴)的特性图。
下面说明动作情况。
若从外部给定目标值①，则用加减法器111与位置传感器104检测的当前值②进行加减法运算，得到偏差，将该偏差放大器112及113进行放大，将放大器113的输出用积分器114积分后，用减法器115与放大器112的输出进行减法运算。
接着，将减法器115的输出用微分器116进行微分，用符号判别器117判断该微分值是在零以上还是在零以下，在零以下时为-1，在零以上时为+1，将其用放大器118放大后得到迟滞修正量。这种情况下，根据每次起动时的上升电流，决定放大器118的增益，通过这样能够始终得到适当的迟滞修正量。
然后，用加法器119将该迟滞修正量与所述减法器115的输出进行加法运算，通过这样如图15(b)所示，电动机驱动电压值相对于第1操作量(加法器119的输出量)的特性与图15(a)所示的电动机驱动电压值相对于阀开度的具有迟滞的特性相同。因此，将两特性互相重叠的第1操作量相对于阀开度的特性则如图15(c)所示，变成没有迟滞的特性。
因而，将加法器119的输出作为输入的电动机驱动电压变换单元108，用其输出来驱动直流电动机20，通过这样在位置传感器104的输出与目标值①一致的瞬间(图11(a)的P1点)，形成电动机电压的加法器119的输出能够如图11(b)的直线11所示急剧变化，可以进行无迟滞W的控制。
如上所述，按照本实施形态1，是根据PI控制量运算单元的输出量求得迟滞修正量，再利用该迟滞修正量，减小EGR阀的迟滞，通过这样能够高精度对控制阀进行控制，而且响应性很好。
实施形态2
图12所示为本发明实施形态2的控制阀11的控制装置中控制单元的构成图。在图12中，131为迟滞修正单元，该迟滞修正单元131由判断PI控制量运算单元103的输入量方向变化的偏差正负判断单元132、以及在该偏差正负判断单元132的输出侧设置的迟滞修正量运算单元133构成，其它构成与所述图9所示的实施形态1相同，因此同一部分附加同一符号，并省略其重复说明。
图13所示为PI控制量运算单元103及迟滞修正单元131的详细构成图，PI控制量运算单元103由对目标值①与当前值②进行加减法运算的加减法器121的输出进行放大的放大器122及123、对该放大器123的输出进行积分的积分器124、以及对放大器122的输出与积分器124的输出进行减法运算的减法器125构成。
迟滞修正单元131由判断加减法器121的偏差输出即PI控制量运算单元103的输入量是在零以上(零以上时为+1)还是在零以下(零以下时为-1)的符号判别器组成的偏差正负判断单元132、以及在该偏差正负判断单元132的输出侧设置的放大器组成的迟滞修正量运算单元133构成。该迟滞修正量运算单元133的输出与减法器125的输出用加法器129进行加法运算，该加法器129的输出通过具有饱和功能的电动机驱动电压变换单元108，供给直流电动机20。
图14(a)为位置传感器40的检测值(纵轴)相对于时间(横轴)的特性图，a为理想特性，b为实际动作特性。另外，图14(b)为直流电动机所加电压相对于时间(横轴)的特性图。
下面说明动作情况。
若从外部给定目标值①，则用加减法器121与位置传感器104检测的当前值②进行加减法运算，得到控制量，将该控制量用放大器112及113进行放大，将放大器123的输出用积分器114积分后，用减法器125与放大器122的输出进行减法运算。
接着，用偏差正负判断单元132对加减法器121的输出即PI控制量运算单元103的输入量是在零以上还是在零以下进行判断，在零以下时为-1，在零以上时为+1，将其用迟滞修正量运算单元133进行放大，得到迟滞修正量。这种情况下，根据每次起动时的上升电流，决定迟滞修正量运算单元133的增益，通过这样能够始终得到适当的迟滞修正量。
然后，用加法器129将该迟滞修正量与所述减法器125的输出进行加法运算，将该加法器129的输出作为输入的电动机驱动电压单元108，用其输出来驱动直流电动机20，通过这样，由于与实施形态1相同的理由，在位置传感器104的输出与目标值①一致的瞬间(图14(a)的P2点)，直流电动机20所加电压如图14(b)的直线12所示急剧变化，能够进行无迟滞的控制。
如上所述，按照本实施形态2，是根据PI控制量运算单元103的输入量求得EGR阀的迟滞修正量，再利用该迟滞修正量，减少EGR阀的迟滞，通过这样能够高精度对控制阀进行控制，而且响应性很好。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明的排出气体再循环阀的控制装置适合于对发动机工作状态的变化能迅速响应，将排气通路a的一部分排气返回吸气通路b。

Claims (4)

1.一种排出气体再循环阀的控制装置，具有在控制阀的打开方向或关闭方向的单方向加上复位力矩的施力手段、以及在控制阀的打开方向或关闭方向加上电动机力矩的直流电动机，利用这两个力矩的力矩平衡进行开闭，其特征在于，还具有：将所述控制阀的目标开闭位置对应的输入数据与该控制阀当前开闭位置的检测数据之偏差作为输入的PI控制量运算单元，根据该PI控制量运算单元的输出量求出迟滞修正量的迟滞修正单元，以及接受所述PI控制量运算单元的输出量与所述迟滞修正量之和并将其变换为供给所述直流电动机的电压的电动机驱动电压变换单元。
2.如权利要求1所述的排出气体再循环阀的控制装置，其特征在于，迟滞修正电路由变化方向判断单元及迟滞修正量运算单元构成，所述变化方向判断单元由对PI控制量运算单元的输出量进行微分的微分器及判断该微分器的输出是在零以上还是在零以下的符号判断器构成，所述迟滞修正量运算单元由对符号判断器的输出进行放大的放大器构成。
3.一种排出气体再循环阀的控制装置，具有在控制阀的打开方向或关闭方向的单方向加上复位力矩的施力手段、以及在控制阀的打开方向或关闭方向加上电动机力矩的直流电动机，利用这两个力矩的力矩平衡进行开闭，其特征在于，还具有：将所述控制阀的目标开闭位置对应的输入数据与该控制阀当前开闭位置的检测数据之偏差作为输入的PI控制量运算单元，根据该PI控制量运算单元的输入量求出迟滞修正量的迟滞修正单元，以及接受所述PI控制量运算单元的输出量与所述迟滞修正量之和并将其变换为供给所述直流电动机的电压的电动机驱动电压变换单元。
4.如权利要求3所述的排出气体再循环阀的控制装置，其特征在于，迟滞修正电路由判断目标值与当前值之偏差即PI控制量运算单元的输入量是在零以上还是在零以下的偏差正负判断单元及对该偏差正负判断单元的输出进行放大的放大器构成。
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