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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum elektronischen Steuern einer
Drosselklappe durch einen Motor, und insbesondere auf ein Regelungsverfahren
und eine Vorrichtung für
eine Drosselklappe zum Regeln einer Position der Drosselklappe.
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Bei der Positionsregelung einer elektronisch geregelten
Drosselklappe wurde herkömmlicherweise
eine Technik zur Verbesserung der Positionsauflösung einer Drosselklappe verwendet,
um eine Leerlaufdrehzahl so zu regeln, daß sie eine konstante Drehzahl
wird. Entsprechend der Positionsregelung wird eine Position der
Drosselklappe, die von einem Sensor erfaßt wird, mittels eines A/D-Umsetzers,
der von einem Mikrocomputer gebildet wird, in einen digitalen Wert
umgesetzt, wobei ein Motor mittels Software unter Verwendung einer PID-Regelung
oder dergleichen so gesteuert wird, daß ein Öffnungsgrad der Drosselklappe
auf der Grundlage einer Differenz (im folgenden bezeichnet als Abweichung)
zwischen der Ist-Position und der Soll-Position der Drosselklappe
mit einem Sollwert übereinstimmt.
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Wenn somit der Benutzer versucht,
die Drosselklappe um 0,1 ° oder
dergleichen feinfühlig
zu bewegen, können
nicht nur ein Einfluß der
Reibung, die in den Drehachsen des Motors, eines Getriebes und der
Drosselklappe hervorgerufen wird, sondern auch ein Einfluß der Reibung
einer Bürste
im Fall der Verwendung eines Gleichstrommotors als Motor nicht ignoriert
werden. Es erfordert eine längere
Zeitspanne, bis der Öffnungsgrad
der Drosselklappe mit dem Sollwert übereinstimmt, als in dem Fall,
in dem die Soll-Position sich um 10° oder dergleichen deutlich ändert.
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In
JP-A-10-47135 und
JP-A-7-332136 wurde daher
die Technik offenbart, daß mit
kleinerer Abweichung zwischen der Position der Drosselklappe und der
Soll-Position der Verstärkungsfaktor
der PID-Regelung
stärker
erhöht
wird, während
im Amtsblatt der internationalen Veröffentlichung
WO99/53182 die Technik des Umschaltens
auf einen großen
Korrekturkoeffizienten zum Zeitpunkt der Mikroöffnungsgradregelung offenbart
wurde.
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Ferner wurde in
JP-A-10-238370 und
JP-A-2001-73817 ein
Verfahren offenbart, mit dem ein Integrationsterm auf einen spezifischen
Wert (einschließlich
einer Beseitigung des Integrationsterms) an einer Position nahe
einer Schaltposition der Betätigungskräfte einer
Rückholfeder
und einer Vorgabefeder (eine Feder für den entspannten Ausgangszustand
eines Fahrzeugs), die auf die Drosselklappe wirken, gesteuert wird.
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Da die Auflösung des allgemeinen A/D-Umsetzers,
der im Mikrocomputer eingebaut ist, bis zu 10 Bits beträgt, ist
ein Winkel vom vollständig
geschlossenen Zustand zum vollständig
offenen Zustand der Drosselklappe etwa gleich 90°. Im Fall der Durchführung der
A/D-Umsetzung mit
10 Bits ist daher die Auflösung
der Positionserfassung gleich etwa 0,1 °, wobei es möglich ist, mit einer Genauigkeit
von 0,1 ° zu
regeln. Um somit die Auflösung
der Positionserfassung nicht nur für einen begrenzten Bereich nahe
10° ausgehend
vom vollständig
geschlossenen Zustand, wo die Regelungsauflösung der notwendigen Leerlaufdrehzahlregelung
entspricht, zu verbessern, wird ein Ausgang des Positionssensors über einen
Verstärker
mit z. B. dem Faktor 4 übertragen
und A/D-gewandelt, wodurch die Auflösung um 2 Bits angehoben wird
(siehe
JP-A-6-101550 ).
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Ein Verfahren zur Verbesserung der
Auflösung
der Positionserfassung unter Verwendung eines Prozesses nach der
A/ D-Umsetzung durch Überabtastung
wird ebenfalls verwendet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß den obigen Verfahren ist
es jedoch nicht einfach, einer Drosselklappe zu ermöglichen, einen
Mikroschritt einer Soll-Position präzise zu folgen.
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Merkmale der Reibung sind, das eine
Größe der Reibung
zu dem Zeitpunkt, zu dem die Drosselklappe in Ruhe ist, und die
Größe der Reibung
zu dem Zeitpunkt, wenn sich die Drosselklappe bewegt, verschieden
sind, wobei sich ein Zustand der Reibung plötzlich ändert, und wobei es wahrscheinlich ist,
daß gemäß einem
gewöhnli chen
linearen Regelsystem, wie z. B. einer PID-Regelung oder dergleichen,
eine Regelschwingung hervorgerufen wird (4 zeigt ein Konzept der Reibung in dem
Fall, in dem ein Drehmoment auf eine ruhende Drosselklappe ausgeübt wird
und ein Öffnungsgrad
mit einer vorgegebenen Rate erhöht
wird).
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Wenn die ruhende Drosselklappe durch
Erhöhen
einer Regelverstärkung
oder des Drehmoments bewegt. wird, nimmt die Reibung plötzlich ab und
die Drosselklappe überschreitet
die Soll-Position, so daß ein
Drehmoment in entgegengesetzter Richtung ausgeübt werden muß.
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Es ist somit schwierig, die Regelschwingung gemäß dem Verfahren
der Erhöhung
des Verstärkungsfaktors
zu unterdrücken.
Ferner besteht das Problem, daß der
Maximalwert der stationären
Reibung keine Reproduzierbarkeit aufweist und in einer Antwort der
Drosselklappe eine Variation auftritt.
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Gemäß dem Verfahren, mit dem das
Signal des Positionssensors vom Verstärker verstärkt wird und die Auflösung der
A/D-Umsetzung äquivalent verbessert
wird, besteht das Problem, daß der
Grad der Verbesserung der Auflösung
kleiner ist als ein Wert, der von einem Verstärkungsfaktor erwartet wird,
aufgrund von Störungen
in der Umgebung eines Kraftfahrzeugs, wobei aufgrund einer Variation
des Verstärkungsfaktors
des Verstärkers
eine Variation auch in der Positionsgenauigkeit auftritt.
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Um die Auflösung durch Überabtastung zu verbessern,
ist eine Bedingung, daß ein
Mittelwert der A/ D-Umsetzung einem Signalpegel entspricht, als
Voraussetzung notwendig. Viele A/D-Umsetzer garan tieren jedoch keine
solche Entsprechung.
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Die Auflösung wird daher nicht auf einen Wert
verbessert, der größer ist
als von der Anzahl des Überabtastensvielfachen
erwartet wird. Da viele A/D-Umsetzungsprozesse innerhalb einer Zeit
ausgeführt
werden müssen,
die ausreichend kürzer
ist als eine Positionsregelperiode, ergeben sich die Probleme, daß ein Hochgeschwindigkeits-A/D-Umsetzer erforderlich
ist und ein Belastungsfaktor der Software eines Mikrocomputers ansteigt.
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Gemäß einem Verfahren, mit dem
zum Verbessern der Regelungsauflösung
eine Einlaßleitung bearbeitet
wird (eine Bohrung wird zu einer sphärischen Form gearbeitet), wird
die Empfindlichkeit einer Luftströmungsrate gegenüber der
Position der Drosselklappe reduziert, oder es wird ein A/D-Umsetzer
mit hoher Auflösung
verwendet, oder dergleichen, wobei das Problem besteht, daß die Kosten hoch
sind.
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Selbst wenn irgendeines der vorangehenden herkömmlichen
Verfahren verwendet wird, ist es trotz der Tatsache, daß die Positionsauflösung der
Drosselklappe oder die Regelungsauflösung der Luftströmungsrate
bis zu einem gewissen Grad verbessert werden kann, schwierig, die
Regelschwingung der Drosselklappe perfekt zu verhindern, die durch
eine Totzone wie z. B. Reibung oder dergleichen hervorgerufen wird,
wobei es ferner schwierig ist, die Reproduzierbarkeit der Antwort
sicherzustellen.
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Die Regelschwingung der Drosselklappe oder
die Operation ohne Reproduzierbarkeit (durch eine Alterungsänderung
beeinflußte
Operation) übt einen
nachteiligen Einfluß auf
die Maschinenregelung sowie auf die Leerlaufdrehzahlregelung aus.
Die Regelschwingung ergibt ferner das Problem, daß Drehabschnitte
der Drosselklappe, wie z. B. ein Motor, ein Positionssensor und
dergleichen, abgenutzt werden, und ruft eine Alterungsänderung
hervor.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein Steuerverfahren und eine Vorrichtung für eine Drosselklappe zu schaffen,
die die Probleme der obenerwähnten
herkömmlichen
Techniken lösen
können.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist, ein Steuerverfahren und eine Vorrichtung für eine Drosselklappe zu schaffen,
die eine Regelschwingung der Drosselklappe verhindern können und
die Auflösung der
Positionsregelung mit guter Reproduzierbarkeit verbessern (ohne
Beeinflussung durch eine Alterungsänderung).
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Um die obige Aufgabe zu lösen, kann
gemäß der Erfindung
dann, wenn eine Abweichung zwischen der Ist-Position der Drosselklappe
und der Soll-Position einen vorgegebenen Wert erreicht, der gleiche
Wert wie ein vorher ausgegebener Wert als Regelungsausgangsgröße ausgegeben
werden. Der vorgegebene Wert der Abweichung kann vorzugsweise auf
einen oberen Grenzwert von 0,1 ° als
Winkel gesetzt sein, welcher für
die Regelung der Drosselklappe bei der Leerlaufdrehzahlregelung
benötigt wird.
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Wenn die Erfindung aus einem weiteren Blickwinkel
betrachtet wird, kann dann, wenn die Abweichung zwischen der Ist-Position
der Drosselklappe und der Soll-Position den vorgegebenen Wert erreicht,
eine arithmetische Operation eines Integrationsausdrucks in einer
arithmetischen Operation der Regelungsausgangsgröße gestoppt werden.
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Wenn ferner die Abweichung zwischen
der Ist-Position der Drosselklappe und der Soll-Position einen vorgegebenen
Wert erreicht, kann ein Wert gemäß einer
Kraft einer Feder als ein Regelungsausgangswert ausgegeben werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird das obige Verfahren mittels einer Regelungsvorrichtung für eine Drosselklappe
verwirklicht, die umfaßt:
eine
Drosselklappenposition-Erfassungseinheit zum Erfassen einer Position
der Drosselklappe;
eine Drosselklappen-Antriebseinheit zum
Drehen oder Bewegen der Drosselklappe bis zu einer vorgegebenen
Position in Reaktion auf ein Eingangssignal;
eine Soll-Drosselklappenposition-Berechnungseinheit
zum Berechnen einer Soll-Position der Drosselklappe entsprechend
einem Niederdrückungsmaß eines
Gaspedals, das vom Fahrer niedergedrückt wird;
eine Drosselklappenpositionsabweichung-Berechnungseinheit
zum Berechnen einer Positionsabweichung durch Vergleichen der Soll-Position
der Drosselklappe mit einer Ist-Position der Drosselklappe; und
eine
Regelungsberechnungseinheit zum Berechnen eines Regelungssignals
zum Drehen oder Bewegen der Drosselklappe zu einem vorgegebenen
Zeitpunkt, um somit die Positionsabweichung zu reduzieren, und zum
Zuführen
des Regelungssignals zur Drosselklappen-Antriebseinheit,
wobei
die Regelungsberechnungseinheit einen Absolutwert der Positionsabweichung überwacht,
die Berechnung des Regelungssignals stoppt, wenn der Absolutwert
gleich oder kleiner als ein vorge gebener Wert ist, das der Drosselklappen-Antriebseinheit
zugeführte
Signal zu diesem Zeitpunkt hält,
um somit ein Ausgangssignal zu fixieren, das Steuersignal entsprechend
der Größe der Positionsabweichung
erneut berechnet, wenn der Absolutwert der Positionsabweichung den
vorgegebenen Wert überschreitet, und
das Signal zur Reduzierung der Positionsabweichung der Drosselklappen-Antriebseinheit
zuführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird eine Regelungsvorrichtung geschaffen, die umfaßt:
eine
Drosselklappenposition-Erfassungseinheit zum Erfassen einer Position
der Drosselklappe;
eine Drosselklappen-Antriebseinheit zum
Drehen oder Bewegen der Drosselklappe bis zu einer vorgegebenen
Position in Reaktion auf ein Eingangssignal;
eine Soll-Drosselklappenposition-Berechnungseinheit
zum Berechnen einer Soll-Position der Drosselklappe entsprechend
einem Niederdrückungsmaß eines
Gaspedals, das vom Fahrer niedergedrückt wird;
eine Drosselklappenpositionsabweichung-Berechnungseinheit
zum Berechnen einer Positionsabweichung durch Vergleichen der Soll-Position
der Drosselklappe mit einer Ist-Position der Drosselklappe;
eine
Integrationswert-Berechnungseinheit zum Integrieren einer Größe, die
durch Multiplizieren der Positionsabweichung mit einem vorgegebenen
Wert erhalten wird, und Eingeben eines Integrationswertes in die
Drosselklappen-Antriebseinheit; und/oder
eine Integrationswert-Setzeinheit,
wobei
die Integrationswert-Setzeinheit den Integrationswert, der von der
Integrationswert-Berechnungseinheit berechnet wird, ent sprechend
wenigstens der Positionsabweichung und/oder der Soll-Position der Drosselklappe ändert.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung der
Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist ein Konzeptdiagramm,
das ein Überabtastverfahren
zeigt;
- 2 ist ein Beziehungsdiagramm
einer Position einer Drosselklappe und einer Luftströmungsrate;
- 3 ist ein Konzeptdiagramm,
das ein Verfahren zum Reduzieren der Empfindlichkeit der Luftströmungsrate
gegenüber
der Position der Drosselklappe durch Bearbeiten einer Einlaßleitung
zeigt;
- 4 ist ein Konzeptdiagramm,
das die Operation der Reibung der Drosselklappe zeigt;
- 5 ist ein erstes
Konstruktionsdiagramm einer Regelungsvorrichtung für die Drosselklappe
gemäß der Erfindung;
- 6 ist ein zweites
Konstruktionsdiagramm einer Regelungsvorrichtung für die Drosselklappe
gemäß der Erfindung;
- 7 ist ein erstes
Konstruktionsdiagramm einer elektronisch geregelten Drosselklappe
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
- 8 ist ein zweites
Konstruktionsdiagramm der elektronisch geregelten Drosselklappe
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung;
- 9 ist ein Beziehungsdiagramm
der Position der Drosselklappe und eines Drehmoments einer Feder;
- 10 ist ein Konstruktionsdiagramm
einer Positionsregelungsvorrichtung für die Drosselklappe gemäß der Erfindung;
- 11A und 11B sind
Konzeptdiagramme, die eine Position und ein Tastverhältnis zu
dem Zeitpunkt zeigen, zu dem eine Regelschwingung der Drosselklappe
auftritt;
- 12A und 12B sind Konzeptdiagramme,
die eine Position und ein Tastverhältnis zu dem Zeitpunkt zeigen,
zu dem die Regelschwingung der Drosselklappe durch Verwendung der
Erfindung unterdrückt
ist;
- 13 ist ein Flußdiagramm,
das einen ersten Prozeß der
Erfindung zeigt;
- 14A und 14B sind Konzeptdiagramme,
die eine Position und ein Tastverhältnis zu dem Zeitpunkt zeigen,
zu dem keine Reproduzierbarkeit der Operation der Drosselklappe
vorhanden ist;
- 15A und 15B sind Konzeptdiagramme,
die eine Position und ein Tastverhältnis zu dem Zeitpunkt zeigen,
zu dem die Reproduzierbarkeit der Operation der Drosselklappe durch
Verwendung der Erfindung verbessert ist; und
- 16 ist ein Flußdiagramm,
das einen zweiten Prozeß der
Erfin dung zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im folgenden werden mit Bezug auf
die Zeichnungen Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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In den Diagrammen sind die Abschnitte,
die die gleichen Funktionen aufweisen, mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, wobei eine wiederholte Erläuterung derselben weggelassen
wird.
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Eine Drosselklappe zum Steuern einer
Einlaßluftströmungsrate
für eine
Maschine ist als eine sogenannte elektronisch geregelte Drosselklappenvorrichtung
konstruiert, so daß eine
optimale Luftströmungsrate
von einem Mikrocomputer (im folgenden als "Micom" bezeichnet) anhand einer Position eines
Gaspedals und eines Betriebsmodus erhalten wird, wobei die Drosselklappe
mittels eines Motors auf eine optimale Position gesteuert wird.
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Eine Beziehung zwischen einer Luftströmungsrate,
die zum Erhalten eines Drehmoments erforderlich ist, das von einer
Beschleunigungsoperation des Fahrers gefordert wird, und einer Luftströmungsrate
zum Erhalten eines Drehmoments, das aktuell durch Maschinenänderungen
in Abhängigkeit vom
Betriebsmodus der Maschine notwendig ist, ist jedoch nicht immer
konstant. Da z. B. in einer Zylindereinspritztyp-Maschine, die einen
Kraftstoffverbrauch reduzieren soll, die Verbrennungsverfahren einer
homogenen Verbrennung und einer Schichtladungsverbrennung entsprechend
dem Betriebsmodus umgeschaltet werden, tritt eine Differenz in einer angeforderten
Luftströmungsrate
zu einem Niederdrückungsmaß des Gaspedals
auf grund einer Differenz zwischen beiden Verbrennungsverfahren auf. Selbst
im Fall einer Vorkammereinspritzmaschine, wenn die Drosselklappe
als ein Leerlaufregelventil oder eine Fahrgeschwindigkeitsregelungsvorrichtung
dient, ist eine feinfühlige
Regelung erforderlich, die nicht durch das Niederdrückungsmaß des Gaspedals
eingestellt werden kann.
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Die Positionsregelung der elektronisch
geregelten Drosselklappe soll ermöglichen, daß die Position der Drosselklappe
mit einer Soll-Position übereinstimmt,
wobei eine Regelung auf der Grundlage einer Abweichung zwischen
der Ist-Position und der Soll-Position verwendet wird. Im Betrieb
ist eine Antwortgeschwindigkeit erforderlich, die nahezu äquivalent
zu derjenigen einer mechanischen Drosselklappe ist, so daß der Fahrer
nicht das Gefühl
hat, daß die Beschleunigung
und Verzögerung
unangemessen ist. Im Leerlauf muß die Luftströmungsrate
unter Verwendung der Drosselklappe mit einer Genauigkeit eingestellt
werden, die nahezu äquivalent
zu derjenigen eines herkömmlichen
Umgehungsventils für
die Leerlaufdrehzahlregelung ist. Für die Positionsregelung der
Drosselklappe ist daher eine hohe Auflösung von 0,1° oder kleiner,
z. B. 0,05°,
erforderlich. Selbstverständlich
ist auch wichtig, daß die
Luftströmungsrate
mit denselben Eigenschaften für
eine lange Zeitperiode geregelt werden kann, ohne eine Reproduzierbarkeit
der Ventiloperation hervorzurufen, d. h. eine Alterungsänderung
(z. B. aufgrund einer Änderung
der Reibung eines mechanischen Abschnitts, einer Änderung
der Federeigenschaften oder dergleichen).
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1 zeigt
ein Konzept einer herkömmlichen Überabtastung.
Ein Bereich von einem vollständig
geschlossenen Zustand (0°)
bis zu einem vollständigen
offenen Zustand (90°)
der Drosselklappe ent spricht einem Bereich von 1V bis 4V eines Positionssensors.
Wenn ein Eingangsbereich eines A/D-Umsetzers gleich einem Bereich
von 0 V bis 5 V ist, ist ein Bit des A/D-Umsetzers von 10 Bits gleich etwa
0,088°.
Da dies jedoch 5 mV als Spannung entspricht, bei einem Bit nahe
des niedrigstwertigen Bits (LSB), ist ein Einfluß von Störungen groß und eine Auflösung wird
beeinträchtigt.
Wie in 1 gezeigt ist,
wird daher z. B. die Abtastoperation mittels des A/D-Umsetzers kontinuierlich
8 mal ausgeführt,
wobei ein Mittelwert von 8 erhaltenen Daten als wahrer Sensorausgangswert
verwendet wird. Gemäß diesem
Verfahren wird die Auflösung
durch die Überabtastungsoperationen
mit dem Faktor 8 formal um ein Niveau von 3 Bits angehoben.
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Wenn wie in 2 gezeigt die Empfindlichkeit der Luftströmungsrate
gegenüber
der Position der Drosselklappe von (a) auf (b) reduziert werden kann,
wird eine Wirkung ähnlich
der Verbesserung der Positionserfassungsauflösung erhalten. Wie in 3 gezeigt ist, gibt es z.
B. ein Verfahren des Änderns
einer Form der Einlaßleitung
längs einer
Kreisbahn der Drosselklappe, so daß sich eine Öffnungsfläche an einer
Position nahe des vollständig
geschlossenen Zustands der Drosselklappe nicht plötzlich erhöht, selbst
wenn die Drosselklappe geöffnet wird.
Differenzen zwischen diesen herkömmlichen Techniken
und der Ausführungsform
werden im folgenden erläutert.
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5 ist
ein Blockschaltbild, das eine Konstruktion einer Regelungsvorrichtung
für die
Drosselklappe gemäß der Ausführungsform
der Erfindung zeigt. In der Konstruktion der 5 umfaßt die Regelungsvorrichtung
für die
Drosselklappe: eine Drosselklappenposition-Erfassungseinheit 53 (78) zum
Erfassen einer Position der Drosselklappe; eine Drosselklappen-Antriebseinheit 55 (73,
76) zum Drehen oder Bewegen der Drosselklappe bis zu einer vorgegebenen
Position in Reaktion auf ein Eingangssignal; eine Soll-Drosselklappenposition-Berechnungseinheit 51 zum
Berechnen einer Soll-Position der Drosselklappe entsprechend eines
Niederdrückungsmaßes eines
Gaspedals, das vom Fahrer niedergedrückt wird; eine Drosselklappenpositionsabweichung-Berechnungseinheit 52 zum
Berechnen einer Positionsabweichung durch Vergleichen der Soll-Position
der Drosselklappe mit einer Ist-Position der Drosselklappe; und
eine Regelungsberechnungseinheit 54 zum Berechnen eines
Regelungssignals zum Drehen oder Bewegen der Drosselklappe zu einem vorgegebenen
Zeitpunkt, um somit die Positionsabweichung zu reduzieren, und zum
Zuführen
des Steuersignals zur Drosselklappen-Antriebseinheit, wobei die
Regelungsberechnungseinheit einen Absolutwert der Positionsabweichung überwacht,
die Berechnung des Regelungssignals stoppt, wenn der Absolutwert
gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist, das der Drosselklappen-Antriebseinheit
zu diesem Zeitpunkt zugeführte
Signal hält,
um somit ein Ausgangssignal zu fixieren, das Regelungssignal entsprechend
einer Größe der Positionsabweichung erneut
berechnet, wenn der Absolutwert der Positionsabweichung den vorgegebenen
Wert überschreitet,
und das Signal zum Reduzieren der Positionsabweichung der Drosselklappen-Antriebseinheit zuführt.
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7 zeigt
ein Beispiel einer Konstruktion einer Regelungsvorrichtung für die Drosselklappe gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung und entspricht der 5.
Die Drosselklappe 71, die in einer Ansaugleitung 70 vorgesehen
ist, ist ein Drosselklappenventil und wird von einem Gleichstrommotor 73 über ein
Untersetzungsgetriebe 72 angetrieben. Die Drosselklappe 71 stellt
die von einem (nicht gezeigten) Luftfilter einströmende Luft
ein und führt
sie einer (ebenfalls nicht gezeigten) Maschine zu. Eine Feder 74,
die an einer Drehachse der Drosselklappe 71 befestigt ist,
ist so gestaltet, daß die
Drosselklappe dann, wenn nicht der Motor ein Drehmoment erzeugt,
in eine vorgegebene Position zurückgesetzt wird.
Somit wird eine Ausfallsicherungsfunktion verwirklicht, so daß selbst
dann, wenn eine Maschinensteuereinheit 75 (im folgenden
abgekürzt
mit ECU) eine Anomalie erfaßt
und eine Motorantriebsschaltung 76 außer Betrieb setzt, eine vorgegebene
Luftströmungsrate
sichergestellt ist, wobei die Maschine nicht stoppt und eine Drehzahl
nicht anomal ansteigt, wobei ein Fahrzeug bis zur nächsten Werkstatt
oder dergleichen weiterfahren kann. Die ECU 75 besitzt die
Berechnungseinheiten 52 und 54 in 5, und führt eine A/D-Umsetzung eines
Signals von einem Positionssensor 77 des Gaspedals und
eines Signals von einem Positionssensor 78 der Drosselklappe
in digitale Signale durch. Anschließend erhält die ECU 75 die
Soll-Position der Drosselklappe entsprechend dem Betriebsmodus der
Maschine und berechnet ein Signal, das der Antriebsschaltung zugeführt werden soll,
auf der Grundlage einer Differenz (Abweichung) zwischen der erhaltenen
Soll-Position und der gemessenen Position der Drosselklappe unter
Verwendung einer Regelung, wie z. B. einer PID-Regelung oder dergleichen,
um somit die Abweichung zu reduzieren. Dieses Signal wird als ein
PWM-Signal zur Antriebsschaltung gesendet. Die Antriebsschaltung verstärkt das
PWM-Signal und steuert den Motor an.
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8 zeigt
eine Konstruktion der Regelungsvorrichtung für die Drosselklappe, die von
derjenigen der 7 verschieden
ist. Im Gegensatz zur Konstruktion der 7 ist zusätzlich zur ECU 75 zum Steuern
der Maschine eine Steuereinheit 80 (im folgenden abgekürzt mit
TCU) hauptsächlich
zum Bewegen der Drosselklappe hinzugefügt. Die ECU 75 führt eine
A/D-Umsetzung des Signals vom Positions sensor 77 des Gaspedals
in das digitale Signal um, erhält
die Soll-Position
der Drosselklappe entsprechend dem Betriebsmodus der Maschine und überträgt diese
mittels serieller Kommunikation zur TCU 80. Die TCU 80 führt eine
A/ D-Umsetzung des Signals vom Positionssensor 78 der Drosselklappe
in das digitale Signal durch und gibt dieses als PWM-Signal mit
einem solchen Tastverhältnis
aus, daß die Ist-Position
mit der Soll-Position der Drosselklappe übereinstimmt. Die TCU 80 überträgt dieses
zur Antriebsschaltung 76, wobei die Antriebsschaltung 76 das
PWM-Signal verstärkt
und den Motor in einer Weise ähnlich
derjenigen in der Konstruktion der 7 antreibt.
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9 zeigt
Eigenschaften der Feder, die an der Drehachse der Drosselklappe
befestigt ist. Die Feder wird mit einer Vorbelastung beaufschlagt.
Ein Vorzeichen eines Drehmoments, das auf die Drosselklappe ausgeübt wird,
wird ausgehend von einer Vorgabeposition als Grenze invertiert.
Wenn sich die Position der Drosselklappe von der Vorgabeposition entfernt,
steigt das Drehmoment an. Grundsätzlich beansprucht
das Drehmoment der Vorbelastung einen Großteil des Drehmoments, das
von der Feder ausgeübt
wird. Um der Drosselklappe zu ermöglichen, an einer spezifischen
Position zu ruhen, ist es erforderlich, ein an die Feder angepaßtes Drehmoment
zu erzeugen. Wenn die Drosselklappe um 0,1 ° oder dergleichen in einem spezifischen
Bereich mittels der Leerlaufdrehzahlregelung oder dergleichen feinfühlig bewegt
wird, ist das für
den Motor erforderliche Drehmoment nahezu konstant, wenn ein Übergangszustand
der Antwort ausgeschlossen wird.
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6 ist
ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Konstruktion einer Drosselklappenregelungsvorrichtung
der Erfindung zeigt.
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In der Konstruktion der 6 umfaßt die Regelungsvorrichtung
für die
Drosselklappe: die Drosselklappenposition-Erfassungseinheit 53 (78)
zum Erfassen einer Position der Drosselklappe; die Drosselklappen-Antriebseinheit 55 (73,
76) zum Drehen oder Bewegen der Drosselklappe bis zu einer vorgegebenen
Position in Reaktion auf ein Eingangssignal; die Soll-Drosselklappenposition-Berechnungseinheit 51 zum
Berechnen einer Soll-Position der Drosselklappe entsprechend einem
Niederdrückungsmaß eines
Gaspedals, das vom Fahrer niedergedrückt wird; die Drosselklappenpositionsabweichung-Berechnungseinheit 52 zum
Berechnen einer Positionsabweichung durch Vergleichen der Soll-Position
der Drosselklappe mit einer Ist-Position
der Drosselklappe; eine Integrationswert-Berechnungseinheit 62 zum
Integrieren einer Größe, die
durch Multiplizieren der Positionsabweichung mit einem vorgegebenen Wert
erhalten wird, und Eingeben eines Integrationswerts in die Drosselklappen-Antriebseinheit 55;
und eine Integrationswert-Einstelleinheit 61, wobei die
Integrationswert-Einstelleinheit 61 den von der Integrationswert-Berechnungseinheit 62 berechneten
Integrationswert entsprechend wenigstens der Positionsabweichung
und/oder der Soll-Position der Drosselklappe ändert.
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10 ist
ein Blockschaltbild, das ein weiteres Beispiel einer Konstruktion
der Positionsregelungsvorrichtung für die Drosselklappe zeigt und
der 6 entspricht. Als
Positionsregelung wird die PID-Regelung
verwendet. Gemäß dieser
Regelung wird ein Tastverhältnis
des PWM-Signals, das in die Antriebsschaltung des Motors eingegeben
wird, so berechnet, daß die
Soll-Position mit der vom Positionssensor gemessenen Position übereinstimmt.
Es werden jeweils eine Proportionalgröße, eine Integralgröße und eine
Differentialgröße einer Abweichung zwischen
dem Soll-Positionswert und dem gemessenen Wert berechnet, wobei
die Summe derselben als Tastverhältnis
des PWM-Signals verwendet wird. Wenn das Verhalten der Regelung
zu dem Zeitpunkt betrachtet wird, zu dem die Soll-Drosselklappenposition
sich um etwa 0,1 ° ändert, ist
die Proportionalgröße nahezu
gleich 0, da die Abweichung grundsätzlich klein ist. Da eine Geschwindigkeit
der Drosselklappe nicht hoch ist, ist die Differentialgröße ebenfalls
nahezu gleich 0. Es ist jedoch erforderlich, die Drosselklappe auf
einer nahezu vorgegebenen Position zu halten. Das Tastverhältnis des
PWM-Signals ist gleich dem Wert, der dem Drehmoment der Feder entspricht.
In diesem Fall wird daher ein Großteil des Tastverhältnisses
von der Integration mitbenutzt.
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Einzelheiten eines Positionsregelungsverfahrens
für die
Drosselklappe werden im folgenden beschrieben. Zuerst wird ein Verfahren
zum Verhindern der Regelschwingung der Drosselklappe, und anschließend ein
Verfahren, um die Drosselklappe mit hoher Reproduzierbarkeit betätigbar zu
machen, beschrieben.
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11A und 11B zeigen konzeptartig die Position
der Drosselklappe zu dem Zeitpunkt, zu dem die herkömmliche
Positionsregelung der Drosselklappe verwendet wird, sowie das Tastverhältnis des PWM-Signals, das an die
Ansteuerschaltung angelegt wird, und in dem Fall, in dem die Regelschwingung
auftritt. Wenn die Drosselklappe einen Sollwert erreicht und die
Geschwindigkeit der Drosselklappe abnimmt, nimmt ein Einfluß der Reibung
zu und die Drosselklappe stellt sich nicht auf den Sollwert ein, sondern
befindet sich in Ruhe. Zu diesem Zeitpunkt wird das Drehmoment des
Motors gleich dem Drehmoment, das nicht nur das Drehmoment der Feder sondern
auch das der Reibung umfaßt.
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Da die Abweichung ungleich 0 ist,
obwohl der Integrationswert im Zeitverlauf durch die Integrationsberechnung
ansteigt, da die stationäre
Reibung ebenfalls entsprechend dem Drehmoment des Motors ansteigt,
wird die Drosselklappe in Ruhe gehalten. Wenn das Drehmoment des
Motors den maximalen Wert der stationären Reibung überschreitet, findet
ein Übergang
in einen Bereich der dynamischen Reibung statt und die Reibung nimmt
plötzlich ab,
so daß die
Drosselklappe sich über
den Sollwert hinaus bewegt. Da in der Regelung das Vorzeichen der
Abweichung invertiert ist, beginnt der Integrationswert zu sinken.
Die Drosselklappe nimmt jedoch nicht den Sollwert ein, sondern befindet
sich erneut in Ruhe. Als Antwort der Drosselklappe auf die Mikroschrittoperation
der Soll-Position tritt bei der Wiederholung einer solchen Operation
die Regelschwingung auf.
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Wie in den 12A und 12B gezeigt
ist, wird daher dann, wenn die Drosselklappe den Sollwert erreicht
und der Absolutwert der Abweichung kleiner ist als ein vorgegebener
Wert, die Berechnung der Integration gestoppt, wobei der Drosselklappe
erlaubt wird, in Ruhe zu sein, und wobei das Tastverhältnis des
PWM-Signals, das an den Motor angelegt wird, ebenfalls fixiert wird.
Obwohl eine leichte Abweichung zurückbleibt, kann somit die Regelschwingung der
Drosselklappe vermieden werden. Obwohl im Blockschaltbild der 10 Integrationsberechnung klar
erscheint, daß eine
PID-Regelung für
die Positionsregelung verwendet wird, ist die Integrationsberechnung
nicht klar, sondern wird ebenfalls mit Software verwirklicht als
Teil eines digitalen Filters entsprechend der Regelung. In der Servo-Regelung jedoch,
die versucht, den Sollwert zu verfolgen, wird die Integrationsberechnung äquivalent
als ein digitales Filter ausgeführt.
Im Fall der Verwendung einer solchen Regelung kann eine ähnliche Wirkung
erhalten werden durch Stoppen der Berechnung des digitalen Filters,
das der Integration entspricht. Wenn der Absolutwert der Abweichung
einen vorgegebenen Bereich überschreitet,
da sich der Sollwert ändert oder
dergleichen, wird die Integrationsberechnung neu gestartet, wodurch
die Drosselklappe dem Sollwert folgen kann.
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Die Prozeßinhalte der obenbeschriebenen Verfahren
sind in einem Flußdiagramm
der 13 zusammengefaßt. Diese
Berechnung wird nach jeder vorgegebene Periode von 2 ms oder dergleichen ausgeführt. Im
Schritt 131 wird die Abweichung zwischen der Position der Drosselklappe,
die vom Positionssensor gemessen wird, und der Soll-Position berechnet.
Im Schritt 132 wird die Abweichung mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor
multipliziert, wodurch die proportionale Größe erhalten wird. Im Schritt
133 wird eine Differenz der Abweichungen mit einem Differential-Verstärkungsfaktor
multipliziert. Im Schritt 134 wird der Absolutwert der Abweichung
bewertet. Wenn er z. B. gleich oder kleiner als 1° ist, wird
die Berechnung der Integration nicht durchgeführt, sondern es folgt Schritt
137. Wenn er kleiner ist als 1 °,
wird im Schritt 135 die Abweichung mit einem Integrationsverstärkungsfaktor
multipliziert. Im Schritt 136 wird ein Multiplikationsergebnis des Schritts
135 zu dem vorherigen Integrationswert addiert. Im Schritt 137 werden
die Komponenten der Proportional-, Differential- und Integralberechnung, die
wie oben erwähnt
berechnet worden sind, summiert, um somit ein Tastverhältnis des
PWM-Signals zu erhalten. Wenn der Absolutwert der Abweichung gleich
oder kleiner als 1 ° ist,
wird der vorherige Integrationswert als Integrationswert verwendet,
der addiert wird.
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Ein Verfahren, das der Antwort der
Drosselklappe auf die Mikroschrittoperation der Soll-Position erlaubt,
eine Reproduzierbarkeit aufzuweisen, wird im folgenden beschrieben.
Die 14A und 14B zeigen konzeptartig den
Wert der Drosselklappe und das Tastverhältnis des PWM-Signals, das
an die Ansteuerschaltung zu dem Zeitpunkt angelegt wird, zu dem
die Positionsregelung der Drosselklappe zum Unterdrücken der
obenerwähnten
Regelschwingung verwendet wird. Es ist keine Reproduzierbarkeit
der Antwort der Drosselklappe auf den Sollwert vorhanden. Eine Schrittbreite
des Sollwertes ist gleich einer Mikrobreite von z. B. 0,1 ° oder dergleichen.
Wenn keine Reibung vorhanden ist, werden das Drehmoment des Motors
und dasjenige der Feder ideal in Übereinstimmung gebracht, wobei
ein Referenzwert des Drehmoments (Tastverhältnis), bei dem die Drosselklappenposition
gehalten wird, als konstant betrachtet wird. Das Drehmoment im Ruhezustand
entspricht dem Integrationswert der Positionsregelung. Da jedoch
eine aktuelle Reibung im drehbaren Abschnitt vorhanden ist und eine
Variation der Größe der Reibung
vorhanden ist, stimmt das Tastverhältnis zu dem Zeitpunkt, zu
dem die Drosselklappe den Sollwert erreicht, nicht mit dem Referenzwert überein,
sondern wird auf einen jedes Ma1 verschiedenen Wert gesetzt. Da
somit auch eine Variation im Integrationswert auftritt, der gehalten
wird, wenn sich der Sollwert ändert,
wird selbstverständlich
die Integrationsberechnung jedes Mal ausgehend von einem verschiedenen
Integrationswert gestartet. Wenn die Drosselklappe zu rotieren beginnt, ändert sich
die Operation der Drosselklappein Abhängigkeit von einer Größe des gehaltenen
Tastverhältnisses,
da die Reibung plötzlich
abnimmt. Dies liegt daran, daß selbst
dann, wenn der Regelungsverstärkungsfaktor angepaßt wird,
während
die Reibung eingeschlossen ist, die Variation nicht berücksichtigt
wird. Unter der Annahme, daß das
Drehmoment der Feder in Richtung des Schließens der Drosselklappe wirkt,
wird dann, wenn der gehaltene Wert des Tastverhältnisses kleiner ist als der
Referenzwert, der an die Feder ohne Reibung angepaßt ist,
eine Antwortzeit der Drosselklappe lang. Wenn der gehaltene Wert
größer ist
als der Referenzwert, tritt in der Antwort der Drosselklappe ein Überschwingen
auf. Um den obigen Nachteil zu beseitigen, reicht es aus, den gehaltenen Integrationswert
auf den Referenzwert zurückzusetzen,
wenn sich ein Befehlswert ändert,
wie in den 15A und 15B gezeigt ist. Mit diesem
Verfahren wird die Integrationsberechnung ausgehend von dem Referenzwert
gestartet, der auf dem gleichen Wert in jeder Schrittantwort eingestellt
ist, wobei die Reproduzierbarkeit der Antwort verbessert wird. Obwohl das
Verfahren des Stoppens der Integration unter den vorangehenden vorgegebenen
Bedingungen und das Verfahren des Setzens des Integrationswerts
auf dem vorgegebenen Wert gemeinsam verwendet werden können, wie
oben beschrieben worden ist, kann jeder Effekt selbst dann erhalten
werden, wenn sie getrennt verwendet werden.
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Die Prozeßinhalte der obenbeschriebenen Verfahren
sind in einem Flußdiagramm
der 16 zusammengefaßt. Diese
Berechnung wird jeweils nach einer vorgegebenen Periode von 2 ms
oder dergleichen durchgeführt.
Im Schritt 161 wird die Abweichung zwischen der Position der Drosselklappe,
die vom Positionssensor gemessen wird, und der Soll-Position berechnet.
Im Schritt 162 wird bewertet, ob der Absolutwert der Abweichung
gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert und eine Abweichung des
Sollwertes innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt. Das heißt, es wird
der Zeitpunkt erfaßt,
zu dem sich der Sollwert in Mikroschrittform ausgehend vom Ruhezustand
der Drosselklappe ändert.
Wenn die Änderung
des Sollwerts keine Mikroänderung
ist, rückt
die Verarbeitungsroutine zum Schritt 165 vor, da es nicht erforderlich
ist, den Integrationswert zurückzusetzen.
Wenn sich der Sollwert ausgehend vom Ruhezustand in Mikro schrittform ändert, wird
ein Tastverhältnis
(Referenzwert), das ideal an die Feder angepaßt ist, und der Position der
Drosselklappe entspricht, im Schritt 163 erhalten. Da die dynamische Reibung
eine hohe Reproduzierbarkeit aufweist und leicht gemessen werden
kann, kann ein solcher Referenzwert auch auf das Tastverhältnis gesetzt
sein, der an die Feder einschließlich der dynamischen Reibung
angepaßt
ist. Da in diesem Fall das Vorzeichen der dynamischen Reibung sich
in Abhängigkeit
von der Änderungsrichtung
des Sollwertes ändert,
ist es erforderlich, auch den Referenzwert entsprechend hierzu zu
berechnen. Da im Schritt 164 die Abweichung ungleich 0 ist, ausgehend
von dem Tastverhältnis,
das dem Referenzwert entspricht, wird ein zu setzender Integrationswert
durch Subtrahieren einer kleinen proportionalen Größe erhalten,
die verbleibt. Im Schritt 165 wird die Berechnung der gewöhnlichen Positionsregelung
wie z. B. einer PID-Regelung oder dergleichen ausgeführt.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung, die
in 6 gezeigt ist, wird
im folgenden ergänzend erläutert.
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Wenn in der zweiten Ausführungsform
der Absolutwert der Positionsabweichung gleich oder kleiner als
der vorgegebene Wert ist, ist es zum Verhindern der Regelschwingung
aufgrund einer Totzone, wie z. B. der Reibung oder dergleichen,
auch möglich,
die Konstruktion so auszuführen,
daß die
Integrationswert-Setzeinheit die Integrationsberechnung in der Integrationswert-Berechnungeinheit stoppt,
den Integrationswert hält
und die Integrationsberechnung neu startet, wenn der Absolutwert
der Positionsabweichung den vorgegebenen Wert überschreitet.
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Wenn ferner in der zweiten Ausführungsform der
Absolutwert der Positionsabweichung gleich oder kleiner ist als
der vorgegebene Wert und sich die Soll-Drosselklappenposition mit
einer vorgegebenen Rate oder schneller ändert, oder wenn der Absolutwert
der Positionsabweichung den vorgegebenen Wert überschreitet, kann der Integrationswert
auch auf einen vorgegebenen Wert mittels der Integrationswert-Setzeinheit gesetzt
werden. Als ein Wert, auf den der Integrationswert gesetzt wird,
ist es auch möglich,
vorläufig
einen Wert zu verwenden, der einem Zustand entspricht, in dem die
Drosselklappe sich ideal in Ruhe an der Soll-Drosselklappenposition befindet,
die verschieden ist von der aktuellen Drosselklappenposition, ohne
durch die Reibung oder dergleichen beeinflußt zu sein, die nicht angenommen
wird. Ferner ist es möglich,
vorläufig
einen Wert zu verwenden, der einem Zustand entspricht, in welchem
die Drosselklappe sich ideal in Ruhe an der aktuellen Drosselklappenposition
befindet, ohne durch Reibung oder dergleichen beeinflußt zu sein,
die nicht angenommen wird.
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Entsprechend der Regelungsvorrichtung
für die
Drosselklappe gemäß der Erfindung
wird in der Positionsregelung, um der Drosselklappe zu ermöglichen,
mit der Soll-Position übereinzustimmen,
wie für eine
Mikroänderung
des Sollwertes, die Regelschwingung der Drosselklappe verhindert
und die Positionsauflösung
kann verbessert werden. Für
eine Mikroänderung
des Sollwertes kann die Reproduzierbarkeit der Antwort der Drosselklappe
verbessert werden. Somit kann die Leistungsfähigkeit der Maschinenregelung,
wie z. B. der Leerlaufdrehzahlregelung oder dergleichen, verbessert
werden. Da es nicht erforderlich ist, die Einlaßleitung oder dergleichen zu
bearbeiten, um die Empfindlichkeit der Luftströmungsrate gegenüber der
Drosselklappenposition zu reduzieren, ist dies auch hinsichtlich
der Kosten vorteilhaft.
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Ferner ist für Fachleute klar, daß, obwohl sich
die vorangehende Beschreibung auf Ausführungsformen der Erfindung
bezieht, die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist und verschiedene Änderungen
und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken
der Erfindung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.