DE3852653T2

DE3852653T2 - Steuerungssystem zur Steuerung eines Gleichstrommotors, der den Betriebszustand einer Brennkraftmaschine steuert.

Info

Publication number: DE3852653T2
Application number: DE19883852653
Authority: DE
Inventors: Toshiyasu Terui
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1988-03-01
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2008-03-02
Also published as: EP0445848A2; EP0445848A3; DE3852653D1; JPS63212752A; JP2614443B2; EP0445848B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Regelsystem zum Regeln des Betriebszustandes eines Motors für ein Kraftfahrzeug, und insbesondere ein Regelsystem zum Regeln eines Gleichstrom-Stellmotors, der die Funktion eines Verbrennungsmotors so steuert, daß sie einem Sollwert folgt, der sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors kontinuierlich ändert.

Erklärung zum Stand der Technik

Beim Fahren eines Kraftfahrzeuges ändert sich die Drehzahl des Motors erheblich, und auch die auf den Motor wirkende Last ändert sich in einem großen Bereich. Angesichts des Obenstehenden ist vorgeschlagen worden, die Betriebsbedingungen des Motors zu erfassen und eine Vielzahl von Steuerventilen in Abhängigkeit vom Ergebnis der Erfassung zu öffnen oder zu schließen, um so eine optimale Steuerung des Motors zu erreichen. So lehrt beispielsweise die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 126222/1987 ein System, bei dem ein Abgas-Steuerventil in der Nähe des hinteren Endes des Auspuffs angeordnet ist, und das Abgas-Steuerventil vollständig geöffnet wird, um die kinetische Wirkung des Abgassystems maximal auszunutzen und die Leistungsabgabe des Motors zu erhöhen, wenn der Motor in seinem hohen Drehzahlbereich betrieben wird. Das Abgas-Steuerventil wird auf ungefähr die Hälfte des vollen Öffnungswinkels geschlossen, wenn der Motor in seinem mittleren Drehzahlbereich betrieben wird, um die Entstehung eines Drehmomentabfalls aufgrund der umgekehrten Auswirkung der Kinetik in dem Abgassystem zu verhindern. Es ist des weiteren vorgeschlagen worden, die wirksame Länge des Auspuffrohrs zu verändern, indem Steuerventile an den Verbindungsrohren angebracht werden, die die mehreren Auspuffrohre verbinden, und indem die Steuerventile je nach der Veränderung der Drehzahl des Motors geöffnet oder geschlossen werden.
Wenn ein derartiges Steuerventil mittels eines Gleichstrommotors geöffnet oder geschlossen wird, der über ein Impulbreitenmodulationssystem (im folgenden als "PWM-System" bezeichnet) gesteuert wird, wird die relative Einschaltdauer des durch den Gleichstrommotor fließenden Stroms in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen dem Sollwert und dem Istwert und/oder in Abhängigkeit von der Änderung der auf den Gleichstrommotor wirkenden Last gesteuert. Wenn jedoch der Unterschied zwischen dem Sollwert und dem Istwert relativ gering ist, und die relative Einschaltdauer ebenfalls gering ist, und wenn Kohlenstoff oder Staub an dem Steuerventil haften, so daß das Drehmoment zur Betätigung des Steuerventils zunimmt, kann das Steuerventil durch den Motor nicht bewegt werden, um weiter abzusperren.
In US-A-4,603,675 (Bosch) wird ein Überwachungs- und Koordinierungsregelsystem für die Kraftstoffregelung oder die Drosselklappe eines Verbrennungsmotors offenbart, bei dem ein Servomechanismus zwischen das durch die Bedienungsperson betätigte Gaspedal und das eigentliche Kraftstoffsteuerventil des Motors integriert wird.

Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Regelsystem zum Regeln eines Gleichstrom-Stellmotors zu schaffen, der einen Verbrennungsmotor so steuert, daß er einem Sollwert folgt, der sich in Abhängikeit vom Betriebszustand des Motors kontinuierlich ändert, indem der durch den Gleichstrom-Stellmotor fließende Strom durch Impulsbreitenmodulation gesteuert wird, um so das obengenannte Problem zu lösen, das darin besteht, daß das Steuerventil durch den Gleichtstrom-Stellmotor nicht bewegt werden kann, wenn der Unterschied zwischen dem Sollwert und dem Istwert relativ gering ist und auch die relative Einschaltdauer kurz ist, und wenn Kohlenstoff oder Staub an dem Steuerventil haftet, so daß das Drehmoment zur Betätigung des Steuerventils erhöht wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Regelsystem zum Regeln eines Gleichstrom-Stellmotors geschaffen, der einen Verbrennungsmotor durch Impulsbreitenmodulation so steuert, daß er einem Sollwert auf der Grundlage des Betriebszustandes des Motors folgt, wobei die Geschwindigkeit des Gleichstrom-Stellmotors überwacht wird, und die relative Einschaltdauer des durch den Gleichstrom-Stellmotor fließenden Stroms erhöht wird, wenn die Geschwindigkeit der Veränderung des Istwertes niedriger ist als die programmierte Geschwindigkeit. Es ist damit möglich, die Betätigung des Gleichstrom-Stellmotors auch dann zu gewährleisten, wenn der Unterschied zwischen dem Sollwert und dem Istwert gering ist, oder die auf den Gleichstrom-Stellmotor wirkende Last hoch ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Schaffung eines Regelsystems zum Regeln eines Gleichstrom-Stellmotors gelöst, der einen Verbrennungsmotor so steuert, daß er einem Sollwert folgt, der sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors kontinuierlich ändert, wobei der Gleichstrom-Stellmotor durch Impulsbreitenmodulation gesteuert wird, wobei das Regelsystem umfaßt:
eine Einrichtung, die den Betriebszustand des Motors erfaßt;
eine Prozessoreinrichtung, die einen Sollwert in Abhängikeit von dem Betriebszustand des Motors errechnet und festsetzt;
eine Erfassungseinrichtung, die den Istwert des Gleichstrom- Stellmotors erfaßt;
eine Diskriminatoreinrichtung, die einen Unterschied zwischen dem Sollwert und dem Istwert erkennt und ein Ausgangssignal erzeugt, das die relative Einschaltdauer des durch den Gleichstrom-Stellmotor fließenden Stroms in Abhängigkeit von dem Unterschied verändert; und
einen Treiber, der den Gleichstrom-Stellmotor in Reaktion auf das Ausgangssignal von der Diskriminatoreinrichtung unter Spannung setzt; dadurch gekennzeichnet, daß:
das Regelsystem des weiteren eine Überwachungseinrichtung umfaßt, die die Geschwindigkeit der Änderung des Istwertes überwacht, und die die relative Einschaltdauer erhöht, wenn die Geschwindigkeit der Änderung des Istwertes niedriger ist als eine programmierte Geschwindigkeit.

Beschreibung der beigefügten Zeichnungen

Die Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
Fig.1 eine schematische Ansicht ist, die eine Ausführung des Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors verbunden ist;
Fig.2 ein Blockschaltbild ist, das das Regelsystem in Fig. 1 zeigt;
Fig.3 ein Flußdiagramm ist, das die Funktion des Regelsystems in Fig.2 zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Unter Bezugnahme auf Fig.1 - 3 wird im folgenden eine Ausführung der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. In Fig.1 ist zunächst ein Viertakt-Verbrennungsmotor mit 10 bezeichnet und hat ein Einlaßventil 12 sowie ein Auslaßventil 14, die durch eine Ventilbetätigungseinrichtung (nicht dargestellt) mit vorgegebenener Zeitsteuerung geöffnet und geschlossen werden. Der Motor 10 ist des weiteren mit einem Zylinder 16, einem mit dem Zylinder 16 zusammenwirkenden Kolben 18 sowie einer Zündkerze 20 versehen, die das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Zylinder 16 entzündet. Das Einlaßsystem des Motors 10 umfaßt einen Luftreiniger 22, einen Luftströmungsmesser 24, eine Drosselklappe 26 sowie ein Kraftstoffeinspritzventil 28. Luft wird durch den Luftreiniger 22 mit einer Strömungsgeschwindigkeit angesaugt, die durch die Drehzahl der Kurbelwelle (nicht dargestellt) des Motors 10 und den Öffnungswinkel der Drosselklappe 26 bestimmt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Luft wird durch den Luftströmungsmesser 24 gemessen. Die optimale Menge an Kraftstoff, die der angesaugten Luftmenge entspricht und an die Betriebsbedingungen (beispielsweise Temperatur des Motors) angepaßt ist, wird durch einen Computer (nicht dargestellt) errechnet und über ein Kraftstoffeinspritzventil 28 zugeführt, das den zugeführten Kraftstoff in das Einlaßrohr 30 einspritzt.
Das Abgassystem enthält ein erstes Auspuffrohr 32, dessen eines Ende durch das Außlaßventil 14 geöffnet und geschlossen wird, eine Expansionskammer 34, die mit dem anderen oder dem vorderen Ende des ersten Auspuffrohrs 32 verbunden ist, sowie ein zweites Auspuffrohr 36, das mit dem unteren Ende der Expansionskammer 34 verbunden ist. Ein Steuerventil, d.h. bei der dargestellten Ausführung ein Drosselklappenventil 38, ist in der Nähe des unteren Endes des ersten Auspuffrohrs 32 angeordnet, und steuert den Strom der Abgase. Das Steuerventil 38 wird durch ein Betätigungselement, bei der dargestellten Ausführung einen Gleichstrom-Servomotor 42, über einen Draht 40 geöffnet und geschlossen. Der Servomotor 42 ist mit einem Potentiometer 44 versehen, das als die Einrichtung A zum Erfassen des Ist-Öffnungswinkels θ (d.h., des Istwertes) des Steuerventils 38 durch Erfassen der Winkelstellung des Servomotors 42 dient.
Die Zündkerze 20 ist mit einer Zündschaltung 46 verbunden, die als die Einrichtung B zum Erfassen des Betriebszustandes des Motors 10 genutzt wird. Die Drehzahl n des Motors 10 wird aus der Zündschaltung 46 erfaßt. Eine zentrale Verarbeitungseinheit (Central Processor Unit/CPU) oder ein digitaler Mikroprozessor ist allgemein mit 48 gekennzeichnet und enthält einen Prozessor C, der den Sollwert errechnet und festsetzt, einen Diskriminator D sowie eine Überwachungseinrichtung E', die die Drehgeschwindigkeit des Betätigungselements (Servomotor 42) überwacht. Der Prozessor C liest die der Drehzahl n entsprechenden Daten aus einem Festwertspeicher (Read-only memory/ROM) aus, der eine Steuertabelle speichert, und errechnet den Soll-Öffnungswinkel θo des Steuerventils 38. Der ROM 50 ist in Fig. 2 als die Komparatoreinrichtung F zum Vergleich mit der Steuertabelle dargestellt. Der Diskriminator D erkennt die Differenz zwischen dem Soll-Öffnungswinkel θo und dem Ist-öffnungswinkel θ und erzeugt ein Steuersignal α, das einem Treiber 52 zugeführt wird. Wenn das Signal α ein Signal zur Steuerung des durch den Servomotor 42 fließenden elektrischen Stroms, beispielsweise durch das Impulsbreitenmodulationssystem, ist, wird die relative Einschaltdauer des durch den Servomotor 42 fließenden Stroms in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen θo und θ verändert, und des weiteren in Abhängigkeit von der Änderung der auf den Servomotor 42 wirkenden Last. Die Fließrichtung des elektrischen Stroms wird so bestimmt, daß der Öffnungswinkel des Steuerventils 38 vergrößert wird, wenn θ kleiner ist als θo, und daß der Öffnungswinkel des Steuerventils 38 verringert wird, wenn θ größer ist als θo.
Die Drehgeschwindigkeits-Überwachungseinrichtung E' überwacht die Drehgeschwindigkeit des Servomotors. Da die Drehgeschwindigkeit des Betätigungselements bzw. Servomotors in Abhängigkeit von der darauf wirkenden Last bestimmt wird, wird der Diskriminatoreinrichtung D ein Signal zur schrittweisen Erhöhung der Einschaltdauer zugeführt, wenn die Drehgeschwindigkeit unter einem vorgegebenen Pegel liegt.
Die Funktion der dargestellten Ausführung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig.3 beschrieben. Die dargestellte Ausführung arbeitet so, daß sie die Operationsabfolge einschließlich des in Fig. 3 dargestellten Unterprogramms in jedem vorgegebenen Zeitraum wiederholt, so beispielsweise innerhalb von 2 Millisekunden. Eine Zyklusperiode zum Fluß des Stroms durch den Servomotor ist auf 2 Millisekunden x 4 = 8 Millisekunden festgelegt. Innerhalb dieser einen Zyklusperiode kann die relative Einschaltdauer der Stroms schrittweise verändert werden, so daß sie einen Wert annimmt, der um das Ein- bis Vierfache von 2 Millisekunden verändert ist. Bei der vorliegenden Ausführung kann die relative Einschaltdauer schrittweise aus den vier Einschaltdauern D(1), D(2), D(3) und D(4) ausgewählt werden. D(1) bedeutet, daß die relative Einschaltdauer 25% beträgt, D(2) bedeutet, daß die relative Einschaltdauer 50% beträgt, D(3) bedeutet, daß die relative Einschaltdauer 75% beträgt, und D(4) bedeutet, daß die relative Einschaltdauer 100% beträgt. CPU 48 wiederholt das Unterprogramm in Fig. 3 innerhalb jedes 2-Millisekunden-Zyklus. Im Anfangsschritt entscheidet CPU 48, ob der Sollwert θ sich geändert hat oder nicht (Schritt 200). Zu diesem Zweck wird der Sollwert θo zum Zeitpunkt T mit dem Sollwert θo (T-t) zu dem Zeitpunkt verglichen, der um t vor dem Zeitpunkt T lag. Wenn die Änderung des Sollwertes θo geringer ist als ein vorgegebener Bereich, wird entschieden, daß sich der Sollwert nicht geändert hat. Wenn die Änderung des Sollwertes θo größer ist als der vorgegebene Bereich, wird entschieden, daß sich der Sollwert θo geändert hat. Wenn sich der Sollwert θo geändert hat, wird eine neue relative Einschaltdauer D(n) entsprechend dem neuen Sollwert θo(T) unter Verwendung der in ROM 50 gespeicherten Daten errechnet (Schritt 202), und das Zählen der Zeitdauer τ wird von der Standardzeit T ausgehend ausgelöst (Schritt 204).
Nach dem Verstreichen einer Zyklusperiode (nach 2 Millisekunden) wird erneut festgestellt, ob sich der Sollwert θo geändert hat oder nicht (Schritt 200). Wenn sich der Sollwert θo zu diesem Zeitpunkt nicht geändert hat, wird der Istwert θ (T + τo) zu dem Zeitpunkt eingelesen, zu dem die gezählte Zeit τ = τo erreicht (Schritt 206). Der Unterschied zwischen dem Istwert θ (T + τo) und dem Istwert θ (T) zum Zeitpunkt T wird festgestellt, um zu entscheiden, ob der Unterschied über dem vorgegebenen Wert liegt oder nicht (Schritt 208). Dieser Vorgang dient dazu, die Drehgeschwindigkeit des Servomotors 42 zu erkennen, da die Bewegung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums dadurch bestimmt wird, wobei die Bewegung durch die folgende Gleichung dargestellt wird:
{Θ(T+τo) - Θ(T)}/ τo
Wenn der absolute Wert der Drehgeschwindigkeit über einem programmierten Wert a/τo liegt, wird entschieden, daß die auf den Servomotor 42 wirkende Last nicht zu hoch ist, um den Betrieb mit der relativen Einschaltdauer D(n) fortzusetzen, die in Schritt 202 bestimmt wurde.
Wenn der absolute Wert der Drehgeschwindigkeit niedriger ist als ein programmierter Wert a/τo, wird entschieden, daß die auf den Servomotor 42 wirkende Last zu hoch ist, so daß die relative Einschaltdauer des durch den Servomotor 42 fließenden Stroms um einen Schritt erhöht wird (Schritt 210). So wird beispielsweise die relative Einschaltdauer von D(1) auf D(2), von D(2) auf D(3), bzw. von D(3) auf D(4) erhöht. Wenn die Einschaltdauer D vor diesem Schritt 210 D(4) beträgt, wird der Betrieb bei der relativen Einschaltdauer D (4) fortgesetzt, da keine höhere relative Einschaltdauer zur Verfügung steht (Schritte 212 und 214)
Wie aus dem Obenstehenden ersichtlich ist, wird, da die relative Einschaltdauer nacheinander schrittweise erhöht wird, wenn die Drehtgeschwindigkeit des Servomotors 42 unter dem vorgegebenen Pegel liegt, der durch den Servomotor 42 fließende Strom erhöht, um die Betätigung desselben zu gewährleisten.
Bei der vorliegenden Ausführung wird die vorliegende Erfindung zur Betätigung des Abgas-Steuerventils 38 eingesetzt, das sich am hinteren Ende des Auspuffrohrs 32 befindet, so daß das Ventil 38 geöffnet wird, wenn der Motor in seinem hohen Drehzahlbereich betrieben wird, und das Ventil 38 geschlossen wird, wenn der Motor in seinem mittleren Drehzahl bereich betrieben wird, um einen Drehmomentabfall zu verhindern. Jedoch kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um andere Steuerventile zu steuern, so beispielsweise ein Steuerventil zum Steuern der wirksamen Rohrlänge eines Einlaßrohrs.

Claims

1. Regelsystem zum Regeln eines Gleichstrom-Stellmotors (42), der einen Verbrennungsmotor (10) so steuert, daß er einem Sollwert folgt, der sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors (10) kontinuierlich ändert, wobei der Gleichstrom- Stellmotor (42) durch Impulsbreitenmodulation gesteuert wird, wobei das Regelsystem umfaßt:

eine Einrichtung (B), die den Betriebszustand des Motors (10) erfaßt;

eine Prozessoreinrichtung (C), die einen Sollwert (θo) in Abhängigkeit vom dem Betriebszustand des Motors (10) errechnet und festsetzt;

eine Erfassungseinrichtung (A), die den Istwert(θ) des Gleichstrom-Stellmotors (42) erfaßt;

eine Diskriminatoreinrichtung (D), die einen Unterschied zwischen dem Sollwert (θo) und dem Istwert (θ) erkennt und ein Ausgangssignal (α) erzeugt, das die relative Einschaltdauer des durch den Gleichstrom-Stellmotor (42) fließenden Stroms in Abhängigkeit von dem Unterschied verändert; und

einen Treiber (52), der den Gleichstrom-Stellmotor (42) in Reaktion auf das Ausgangssignal (α) von der Diskriminatoreinrichtung (D) unter Spannung setzt; dadurch gekennzeichnet, daß:

das Regelsystem des weiteren eine Überwachungseinrichtung (E') umfaßt, die die Geschwindigkeit der Änderung des Istwertes (θ) überwacht und die relative Einschaltdauer erhöht, wenn die Geschwindigkeit der Änderung des Istwertes (θ) niedriger ist als eine programmierte Geschwindigkeit.

2. Regelsystem zum Regeln des Gleichstrom-Stellmotors (42) nach Anspruch 1, wobei der Motor (10) ein Auspuffrohr (32) sowie ein Abgas-Steuerventil (38) aufweist, das in der Nähe des hinteren Endes des Auspuffrohrs (32) angeordnet ist, und wobei das Abgas-Steuerventil (38) durch den Gleichstrom-Stellmotor (42) geöffnet und geschlossen wird.

3. Regelsystem zum Regeln des Gleichstrom-Stellmotors (42) nach Anspruch 2, wobei das Abgas-Steuerventil (38) ein Drosselklappenventil ist.

4. Regelsystem zum Regeln des Gleichstrom-Stellmotors (42) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (B) zum Erfassen des Betriebszustandes des Motors (10) eine Zündschaltung (46) zum Zünden des Motors (10) umfaßt.

5. Regelsystem zum Regeln des Gleichstrom-Stellmotors (42) nach Anspruch 1, wobei die Prozessoreinrichtung (C), die Diskriminatoreinrichtung (D) und die Überwachungseinrichtung (E') digitale Mikroprozessoren sind.