JP2005023883A - 車両用アクチュエータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標値の更新周期がフィードバック操作量の更新周期より大きく設定された可変バルブリフト機構など車両用アクチュエータのＰＩＤ制御における発熱を防止する。
【解決手段】可変バルブリフト機構の目標回転角（吸気バルブの目標リフト量）が変化したときに、該目標回転角と実回転角（実リフト量）との制御偏差ＥＲＲの今回の微分値ｄ_ｎを算出した後、この今回の微分値と前回の制御微分値ｄ_ｎ−１との差（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）を算出し、この差に（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）所定割合ａ（０＜ａ＜１）を乗じた値を、前記前回の制御微分値ｄ_ｎ−１に加算して補正した今回の制御微分値ｄ_ｎ−１’を算出し、この補正した制御微分値ｄ_ｎ−１’に対して微分操作量Ｄを設定する。
【選択図】 図１４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用アクチュエータの駆動時の発熱を抑制する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用アクチュエータとして、例えば、内燃機関の動弁（吸・排気バルブ）のバルブタイミングを可変制御する可変バルブタイミング機構では、実際のバルブ作動状態を検出しつつ目標値となるようにフィードバック制御しており、該フィードバック制御として、目標値に滑らかに収束させるように目標値と実際値との制御偏差の微分値に基づいて設定される微分操作量を含むＰＩＤ制御を行うものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１３８８６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両の各種制御を行うコントロールユニットでは、応答性など精度確保上必然的に所定時間以下に設定されるフィードバック操作量の更新周期に比較して、目標値の更新周期は数倍程度まで大きく設定する場合が多いが、このように目標値の更新周期の方が大きく設定された場合には、微分操作量を含むフィードバック制御（ＰＩＤ制御）では、目標値が変化すると、図１５（Ｂ）に示すように、目標値の更新毎に制御量が過大に突出する現象を生じる。これは、目標値が更新されてから次の更新まで一定に維持されている間は、更新された実際値と目標値との制御偏差が徐々に減少するが、次の目標値が更新されたときに、実際値の変化に対し目標値が大きく変化するので、制御偏差が大きく増大し、該制御偏差の変化量、つまり微分値に基づいて設定される微分操作量が過大に設定されることに起因する。
【０００５】
その結果、アクチュエータの消費電力が増大してアクチュエータや駆動回路の発熱量が増大し、故障の原因となり、故障予防のために耐熱対策が必要となって製品コストが増大し、機関の燃費も悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、微分操作量が過大に設定されることを防止して、アクチュエータや駆動回路の発熱を防止することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、目標値の更新周期が微分操作量を含むフィードバック操作量の更新周期より大きく設定された車両用アクチュエータの駆動制御装置において、目標値が更新時に変化したときは、制御偏差の今回算出された微分値と前回算出された微分値とに基づいて微分操作量を設定する構成とした。
【０００８】
かかる構成によると、目標値が更新時に変化したときは、制御偏差の今回算出された微分値と共に前回算出された微分値も用いて、平滑化した微分値に応じた微分操作量を設定することができ、もって、微分操作量が過大に突出して設定されることがなくなってアクチュエータや駆動回路の発熱を防止でき、耐熱対策用の製品コストアップを回避できると共に機関の燃費悪化も防止できる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、目標値が変化したときの微分操作量を、次式により算出する構成とした。
Ｄ＝ｄ_ｎ’・ｇ_ｄ＝｛（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）ａ＋ｄ_ｎ−１｝・ｇ_ｄ
Ｄ；目標値が変化したときの微分操作量
ｄ_ｎ’；補正した今回の制御偏差の微分値
ｇ_ｄ；微分ゲイン
ｄ_ｎ；今回の制御偏差の微分値
ｄ_ｎ−１；前回の制御偏差の微分値
ａ；所定割合（０＜ａ＜１）
かかる構成によると、制御偏差の今回微分値と前回微分値との差の所定割合分を、前回微分値に加算することで、今回微分値の急激な変化を平滑化した補正微分値が算出され、該補正微分値に応じて算出される微分操作量の過大な突出を防止できる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、前記所定割合ａを、前記目標値の更新周期Δｔ_ａとフィードバック操作量の更新周期Δｔ_ｆとの比と、前記微分ゲインｇ_ｄとに基づいて設定する構成としたことを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によると、前記更新周期の比Δｔ_ａ／Δｔ_ｆが大きくなるほど、目標値更新時における制御偏差の今回微分値が大きくなり、微分ゲインｇ_ｄが大きくなるほど、同一の今回微分値に対する微分操作量が大きくなるので、これらの値を考慮して、所定割合ａを適切な値に設定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用する車両用アクチュエータとして可変バルブリフト機構を備えた車両用内燃機関の構成図であり、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。
【００１３】
燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記排気バルブ１０７は、排気側カム軸１１０に軸支されたカム１１１によって一定のリフト量及び作動角（開から閉までのクランク角）を保って開閉駆動されるが、吸気バルブ１０５は、可変バルブリフト機構１１２によってリフト量及び作動角、すなわちバルブの開度が連続的に変えられるようになっている。なお、リフト量と作動角とは、一方の特性が決まれば他方の特性も決まるように同時に変えられる。
【００１４】
同じく吸気側には、前記クランク軸と吸気側カム軸との回転位相差を連続的に可変制御して、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構２０１及び該吸気側カム軸の回転位置を検出するための吸気側カム角センサ２０２が吸気側カム軸の両端部に設けられる。
【００１５】
マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１１４は、スロットルバルブ１０３ｂの開度及び吸気バルブ１０５の開特性によってアクセル開度ＡＣＣに対応する目標吸入空気量が得られるように、アクセル開度センサＡＰＳ１１６で検出されるアクセルペダルの開度等に応じて前記電子制御スロットル１０４、可変バルブリフト機構１１２を制御する。
【００１６】
前記コントロールユニット１１４には、前記アクセル開度センサＡＰＳ１１６、後述する回転角センサ１２７、前記吸気側カム角センサ２０２の他、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランク軸から回転信号を取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８，機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１１９等からの検出信号が入力される。
【００１７】
また、各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、前記コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
【００１８】
図２〜図４は、前記可変バルブリフト機構１１２の構造を詳細に示すものである。
図２〜図４に示す可変バルブリフト機構は、一対の吸気バルブ１０５，１０５と、シリンダヘッド１１のカム軸受１４に回転自在に支持された中空状のカム軸１３（駆動軸）と、該カム軸１３に軸支された回転カムである２つの偏心カム１５，１５（駆動カム）と、前記カム軸１３の上方位置に同じカム軸受１４に回転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム１８，１８と、各吸気バルブ１０５，１０５の上端部にバルブリフター１９，１９を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム２０，２０とを備えている。
【００１９】
前記偏心カム１５，１５とロッカアーム１８，１８とは、リンクアーム２５，２５によって連係され、ロッカアーム１８，１８と揺動カム２０，２０とは、リンク部材２６，２６によって連係されている。
【００２０】
上記ロッカアーム１８，１８，リンクアーム２５，２５，リンク部材２６，２６が伝達機構を構成する。
前記偏心カム１５は、図５に示すように、略リング状を呈し、小径なカム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部１５ｂとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔１５ｃが貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがカム軸１３の軸心Ｙから所定量だけ偏心している。
【００２１】
また、前記一対の偏心カム１５は、カム軸１３に対し前記バルブリフター１９に干渉しない両外側にカム軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、カム本体１５ａの外周面１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。
【００２２】
前記ロッカアーム１８は、図４に示すように、略クランク状に屈曲形成され、中央の基部１８ａが制御カム１７に回転自存に支持されている。
また、基部１８ａの外端部に突設された一端部１８ｂには、リンクアーム２５の先端部と連結するピン２１が圧入されるピン孔１８ｄが貫通形成されている一方、基部１８ａの内端部に突設された他端部１８ｃには、各リンク部材２６の後述する一端部２６ａと連結するピン２８が圧入されるピン孔１８ｅが形成されている。
【００２３】
前記制御カム１７は、円筒状を呈し、制御軸１６外周に固定されていると共に、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からαだけ偏心している。
【００２４】
前記揺動カム２０は、図２及び図６，図７に示すように略横Ｕ字形状を呈し、略円環状の基端部２２にカム軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１８の他端部１８ｃ側に位置する端部２３にピン孔２３ａが貫通形成されている。
【００２５】
また、揺動カム２０の下面には、基端部２２側の基円面２４ａと該基円面２４ａから端部２３端縁側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、該基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺動位置に応じて各バルブリフター１９の上面所定位置に当接するようになっている。
【００２６】
即ち、図８に示すバルブリフト特性からみると、図２に示すように基円面２４ａの所定角度範囲θ１がベースサークル区間になり、カム面２４ｂの前記ベースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２が所謂ランプ区間となり、更に、カム面２４ｂのランプ区間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように設定されている。
【００２７】
また、前記リンクアーム２５は、円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの中央位置には、前記偏心カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合穴２５ｃが形成されている一方、突出端２５ｂには、前記ピン２１が回転自在に挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。
【００２８】
更に、前記リンク部材２６は、所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部２６ａ，２６ｂには前記ロッカアーム１８の他端部１８ｃと揺動カム２０の端部２３の各ピン孔１８ｄ，２３ａに圧入した各ピン２８，２９の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されている。
【００２９】
尚、各ピン２１，２８，２９の一端部には、リンクアーム２５やリンク部材２６の軸方向の移動を規制するスナップリング３０，３１，３２が設けられている。
【００３０】
上記構成において、制御軸１６の軸心Ｐ２と制御カム１７の軸心Ｐ１との位置関係によって、図６，７に示すように、リフト量が変化することになり、前記制御軸１６を回転駆動させることで、制御カム１７の軸心Ｐ１に対する制御軸１６の軸心Ｐ２の位置を変化させる。
【００３１】
前記制御軸１６は、図１０に示すような構成により、ＤＣサーボモータ（アクチュエータ）１２１によってストッパで規定される最小角度位置と最大角度位置との間の所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっており、前記制御軸１６の作動角を前記アクチュエータ１２１で変化させることで、吸気バルブ１０５のリフト量及び作動角が連続的に変化する（図９参照）。
【００３２】
図１０において、ＤＣサーボモータ１２１は、その回転軸が制御軸１６と平行になるように配置され、回転軸の先端には、かさ歯車１２２が軸支されている。
一方、前記制御軸１６の先端に一対のステー１２３ａ，１２３ｂが固定され、一対のステー１２３ａ，１２３ｂの先端部を連結する制御軸１６と平行な軸周りに、ナット１２４が揺動可能に支持される。
【００３３】
前記ナット１２４に噛み合わされるネジ棒１２５の先端には、前記かさ歯車１２２に噛み合わされるかさ歯車１２６が軸支されており、ＤＣサーボモータ１２１の回転によってネジ棒１２５が回転し、該ネジ棒１２５に噛み合うナット１２４の位置が、ネジ棒１２５の軸方向に変位することで、制御軸１６が回転されるようになっている。
【００３４】
ここで、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６に近づける方向が、リフト量が小さくなる方向で、逆に、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６から遠ざける方向が、リフト量が大きくなる方向となっている。
【００３５】
前記制御軸１６の先端には、図１０に示すように、制御軸１６の回転角を検出するポテンショメータ式の回転角センサ１２７が設けられており、該回転角センサ１２７で検出される実際の回転角が目標回転角に一致するように、前記コントロールユニット１１４が前記ＤＣサーボモータ１２１をフィードバック制御する。ここで、制御軸１６の回転角制御によってリフト量と作動角とは同時に変えられるので、回転角センサ１２７は吸気バルブ１０５の作動角を検出すると同時にリフト量を検出するセンサである。
【００３６】
かかる可変バルブリフト機構１１２により吸気バルブ１０５のリフト量（作動角）を変更して吸気量を制御する。すなわち、本発明の制御対象である可変バルブリフト機構１１２の制御目標値は、制御軸１６の目標回転角であると同時に吸気バルブの目標リフト量（目標作動角）である。
【００３７】
図１１は、可変バルブリフト機構１１２のフィードバック制御（ＰＩＤ制御）のブロック図を示す。
制御軸１６の目標回転角ＴＧＶＥＬと、前記回転角センサ１２７で検出される実回転角ＲＥＶＥＬとの差、つまり制御偏差ＥＲＲ（＝ＴＧＶＥＬ−ＲＥＶＥＬ）に対し、比例ゲインｇ_ｐを乗じて算出した比例操作量Ｐと、同じく制御偏差ＥＲＲを積分演算した後、積分ゲインｇ_ｉを乗じて算出した積分操作量Ｉと、同じく制御偏差ＥＲＲを微分演算した後、微分ゲインｇ_ｄを乗じて算出した微分操作量Ｄとを加算してフィードバック操作量ｆを算出し、可変バルブリフト機構１１２に出力して駆動する。
【００３８】
ここで、前記目標回転角ＴＧＶＥＬの更新周期は、フィードバック操作量ｆの更新周期に比較して大きく設定されており、例えば、フィードバック操作量ｆの更新周期２ｍｓに対し、目標回転角ＴＧＶＥＬの更新周期が１０ｍｓに設定される。
【００３９】
そして、本発明にかかる構成として、前記微分操作量Ｄの算出に際し、その元となる制御偏差ＥＲＲの微分演算が、図１２のフローチャートに示すように行われる。図１２は、フィードバック操作量ｆの更新周期に同期して実行される。
【００４０】
ステップ１では、目標回転角ＴＧＶＥＬの変化の有無を判定する。ここで、目標回転角ＴＧＶＥＬの更新時以外の時は、目標回転角ＴＧＶＥＬ一定に維持されるから変化はないが、目標回転角ＴＧＶＥＬの更新時でも変化がないときは、ステップ２へ進んで、通常の演算方式で制御偏差ＥＲＲの微分演算を行う。ここで、通常の演算方式は図１３のブロック図に示すように、前記制御偏差ＥＲＲの今回値と前回値との差分ΔＥＲＲ（＝今回値−前回値）、つまり制御周期あたりの変化量を、制御周期で除算することにより、制御偏差微分値ｄ_ｎを算出するものである。
【００４１】
一方、ステップ１で、目標回転角ＴＧＶＥＬに（更新時に）変化があると判定されたときは、ステップ３へ進んで本発明にかかる演算方式で制御偏差微分値を算出する。
【００４２】
かかるステップ３の演算方式を図１４のブロック図に示す。
通常演算方式と同様に、制御偏差ＥＲＲの今回の微分値ｄ_ｎを算出した後、この今回の微分値と前回の制御微分値ｄ_ｎ−１との差（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）を算出し、この差に（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）所定割合ａ（０＜ａ＜１）を乗じた値を、前記前回の制御微分値ｄ_ｎ−１に加算して補正した今回の制御微分値ｄ_ｎ−１’を算出する（次式参照）。
【００４３】
ｄ_ｎ’＝（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）・ａ＋ｄ_ｎ−１・・・（１）
ステップ４では、前記ステップ２またはステップ３で算出した制御偏差微分値を、今回の制御偏差微分値ｄ_ｎとして更新設定する。
【００４４】
したがって、微分操作量Ｄは次のように算出される。
目標回転角が変化したとき
Ｄ＝ｄ_ｎ’・ｇ_ｄ＝｛（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）ａ＋ｄ_ｎ−１｝・ｇ_ｄ・・・（２）
目標回転角が変化しないとき
Ｄ＝ｄ_ｎ・ｇ_ｄ・・・（３）
ｇ_ｄ；微分ゲイン
なお、（１）式を展開すると、ｄ_ｎ’＝ｄ_ｎ・ａ＋（１−ａ）・ｄ_ｎ−１となり、今回制御値ｄ_ｎと前回制御値ｄ_ｎ−１とを加重平均演算した式と等価であり、所定割合ａは、加重平均演算において今回制御値ｄ_ｎに対する重みに相当する。
【００４５】
このようにすれば、目標回転角が更新時に変化したときに、図１５（Ｂ）に示すように従来の最新の制御偏差微分値のみに基づいて微分操作量を演算する方式で発生していた微分操作量の突出を、同図（Ａ）に示すように上記の今回制御値ｄ_ｎと前回制御値ｄ_ｎ−１とに基づく演算（加重平均演算）によって平滑化することができ、可変バルブリフト機構１１２の無駄な電力消費を抑制して、ＤＣサーボモータ１２１や駆動回路発熱を防止できると共に、機関の燃費悪化を防止できる。
【００４６】
なお、前記所定割合ａは、目標回転角ＴＧＶＥＬの更新周期Δｔ_ａとフィードバック操作量の更新周期Δｔ_ｆとの比と、前記微分ゲインｇ_ｄとに基づいて設定すればよい。更新周期の比Δｔ_ａ／Δｔ_ｆが大きくなるほど、目標回転角ＴＧＶＥＬ更新時における制御偏差の今回微分値が大きくなり、微分ゲインｇ_ｄが大きくなるほど、同一の今回微分値に対する微分操作量が大きくなるので、これらの値を考慮して、所定割合ａを適切な値に設定することができる。
【００４７】
なお、本発明は、車両用アクチュエータとして上記可変バルブリフト機構以外の各種アクチュエータに適用できることは勿論であり、同様の効果が得られる。
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【００４８】
（イ）請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の車両用アクチュエータの制御装置において、前記車両用アクチュエータが内燃機関の動弁の作動特性を連続的に変更する可変動弁機構であることを特徴とする。
【００４９】
かかる構成によると、可変動弁機構により動弁のリフト量やバルブタイミング等の作動特性を徐々に変更する際に、モータや駆動回路の発熱を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変動弁制御装置を備えた内燃機関のシステム構成図。
【図２】可変動弁機構を示す断面図（図３のＡ−Ａ断面図）。
【図３】上記可変動弁機構の側面図。
【図４】上記可変動弁機構の平面図。
【図５】上記可変動弁機構に使用される偏心カムを示す斜視図。
【図６】上記可変動弁機構の低リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図７】上記可変動弁機構の高リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図８】上記可変動弁機構における揺動カムの基端面とカム面に対応したバルブリフト特性図。
【図９】上記可変動弁機構のバルブタイミングとバルブリフトの特性図。
【図１０】上記可変動弁機構における制御軸の回転駆動機構を示す斜視図。
【図１１】実施形態におけるフィードバック制御のブロック図。
【図１２】同上フィードバック制御において、制御偏差微分値を算出するルーチンのフローチャート。
【図１３】同上フィードバック制御において、制御偏差微分値を通常演算式により算出するブロック図。
【図１４】同上フィードバック制御において、目標回転角変化時の制御偏差微分値を平滑化演算式により算出するブロック図。
【図１５】同上実施形態のフィードバック操作量と通常演算による従来のフィードバック操作量とを比較して示した図。
【符号の説明】
１３…カム軸 １５…偏心カム １６…制御軸 １７…制御カム
１８…ロッカアーム ２０…揺動カム ２５…リンクアーム １０１…内燃機関 １０４…電子制御スロットル １０５…吸気バルブ １１２…可変バルブリフト機構 １１４…コントロールユニット １１５…エアフローメータ １１６…アクセル開度センサ １１７…クランク角センサ
１１８…スロットルセンサ １２１…ＤＣサーボモータ １２７…回転角センサ

Claims (3)

1. 車両用アクチュエータの駆動量を、目標値と実際値との制御偏差の微分値に基づきフィードバック操作量の微分操作量を設定しつつフィードバック制御し、かつ、前記目標値の更新周期が前記フィードバック操作量の更新周期より大きく設定された駆動制御装置において、
   前記目標値が更新時に変化したときに、前記制御偏差の今回算出された微分値と前回算出された微分値とに基づいて微分操作量を設定することを特徴とする車両用アクチュエータの駆動制御装置。
2. 制御偏差の今回算出された微分値と前回算出された微分値とに基づく微分操作量の設定を、次式により算出することを特徴とする請求項１に記載の車両用アクチュエータの駆動制御装置。
   Ｄ＝ｄ_ｎ’・ｇ_ｄ＝｛（ｄ_ｎ−ｄ_ｎ−１）ａ＋ｄ_ｎ−１｝・ｇ_ｄ
   Ｄ；微分操作量
   ｄ_ｎ’；補正した今回の制御偏差の微分値
   ｇ_ｄ；微分ゲイン
   ｄ_ｎ；今回の制御偏差の微分値
   ｄ_ｎ−１；前回の制御偏差の微分値
   ａ；所定割合（０＜ａ＜１）
3. 前記所定割合ａを、前記目標値の更新周期Δｔ_ａとフィードバック操作量の更新周期Δｔ_ｆとの比と、前記微分ゲインｇ_ｄとに基づいて設定する構成としたことを特徴とする請求項２に記載の車両用アクチュエータの駆動制御装置。。

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