JP2005232986A - バルブタイミング制御装置及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブタイミング制御装置等のバネ定数を算出しつつ制御系を再設計し、バネ特性のバラツキ，経時変化に対し、高精度な制御性能を維持する。
【解決手段】機関回転速度、油水温、吸・排気弁のバルブ位相が設定範囲内で、バルブ位相が保持制御されているときに、装置を駆動するモータの電流値と検出したバルブ位相とを異なる複数のバルブ位相領域で計測し、これら計測値に基づいてバネ定数を算出して更新し、更新したバネ定数に基づいて制御系を再設計する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、動弁のバルブタイミングを、バネ力に抗して作動するアクチュエータによって可変制御するバルブタイミング制御装置、その他バネ力に抗して作動するアクチュエータによって制御対象を駆動する制御装置に関する。

従来、バルブタイミング制御装置としてクランクシャフトに対する回転位相を変化させることで、動弁のバルブタイミングを変化させる構成のものが知られている（特許文献１参照）。
特開平７−２６９１７号公報

上記装置ではバルブタイミングを遅角側に制御するときは、可変用ディスクの制動力を解除し、渦巻きバネの付勢力によって移動する構成になっている。このため遅角側に戻すバネの特性が製造時バラツキや経時変化によって設計値に対して変化した場合、フィードバック制御やフィードフォワード制御で設定されるバネ特性に関連する設定値が実際のバネ特性と異なってしまい。制御性能が低下するという問題があった。

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、バネ特性の変化に応じたアクチュエータ制御が行われて、高精度な制御性能が得られるようにしたバルブタイミング制御装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、内燃機関の動弁のバルブタイミングを、バネ力に抗して作動するアクチュエータによって可変制御するバルブタイミング制御装置であって、バルブタイミングが定常状態に保持されているときのアクチュエータ作動状態に基づいてアクチュエータのバネ定数を算出し、該算出されたバネ定数を用いてアクチュエータの操作量を算出する構成とした。

このようにすれば、実際のバネ特性に合ったバネ定数でアクチュエータの操作量が算出されるので、バネ特性の製造バラツキや経時変化を補償でき、精度の高いバルブタイミング制御を行うことができる。
また、請求項２に係る発明は、複数回算出したバネ定数の相違度合いに基づいて加重平均割合を設定し、該加重平均割合で前記複数回算出したバネ定数を加重平均処理し、処理したバネ定数に基づいてアクチュエータの操作量を算出する構成とした。

このようにすれば、複数回のバネ定数算出値の偏差や比などの相違度合いに基づいて加重平均割合を設定するようにしたため、例えば、相違度合いが大きいときは最新の算出値は算出エラーの可能性が高いと判断して最新の算出値の重みを小さくすることにより、算出エラー等の影響を最小限に抑えることができる。
また、請求項３に係る発明は、前記算出したバネ定数に基づいて制御モデルにおけるバネ定数に関連する値を補正または更新する構成とした。

このようにすれば、算出したバネ定数に基づいて制御モデルにおけるバネ定数に関連する値（制御ゲイン、制御定数等）を補正または更新（学習）し、補正・更新した値でアクチュエータの操作量を算出するので、バネ特性の製造バラツキや経時変化を補償でき、精度の高いバルブタイミング制御を行うことができる。
また、請求項４に係る発明は、制御対象を、バネ力に抗して作動するアクチュエータにより駆動して目標位置に制御する制御装置であって、複数の異なる目標位置に保持制御されているときのそれぞれのアクチュエータ作動状態に基づいてアクチュエータのバネ定数を算出し、該算出されたバネ定数を用いてアクチュエータの操作量を算出する構成とした。

このようにすれば、上記バルブタイミング制御装置以外の制御装置、例えばリターンスプリングのバネ力に抗してスロットル弁を駆動するスロットル制御装置などにも適用して、高精度な制御を行うことができる。

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、実施形態における車両用内燃機関の構成図である。この図１において、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。

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。
前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１３４及び排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動されるが、吸気側カムシャフト１３４には、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（ＶＴＣ）１１３及び該吸気側カムシャフト１３４の回転位置を検出するカム角センサ２０１が吸気側カムシャフトの端部に設けられる。カム角センサ２０１は、吸気カムシャフト１３４の所定の回転位置に同期して信号を出力し、該信号出力時にクランク角センサで検出されるクランク角位置に基づいてクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位置を検出する構成のものの他、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位置（回転位相）を任意のタイミングで直接検出するセンサであってもよい。

前記ＶＴＣ１１３は、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を変化させることで、吸気バルブ１０５のバルブタイミングを変化させる機構であり、本実施形態では、後述するようなスパイラルラジアルリンク式の可変バルブタイミング機構を採用する。
なお、本実施形態では吸気バルブ１０５側にのみＶＴＣ１１３を備える構成としたが、吸気バルブ１０５側に代えて、又は、吸気バルブ１０５側と共に、排気バルブ１０７側に可変バルブタイミング機構を備える構成であっても良い。

また、各気筒の吸気ポート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、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）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。
マイクロコンピュータを内蔵する前記ＥＣＵ１１４には、各種センサからの検出信号が入力され、該検出信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４，ＶＴＣ１１３及び燃料噴射弁１３１を制御する。

前記各種センサとしては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサＡＰＳ１１６、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０からクランク角１８０°毎の基準クランク角信号ＲＥＦ（基準回転位置信号）と単位クランク角度毎の単位角度信号ＰＯＳ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の冷却水温度を検出する水温センサ１１９が設けられている。

なお、前記基準クランク角信号ＲＥＦの周期、又は、単位時間当たりの単位角度信号ＰＯＳの発生数に基づいて、ＥＣＵ１１４において機関回転速度Ｎｅが算出される。
次に、前記ＶＴＣ１１３の構成を、図２〜図９に基づいて説明する。図２に示すように、前記吸気側のカムシャフト１３４と、このカムシャフト１３４の前端部に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、チェーン（図示せず）を介してクランクシャフト１２０に連係されるタイミングスプロケット３０２を外周に有する駆動リンク３０３（駆動回転体）と、この駆動リング３とカムシャフト１３４の前方側（図２中左側）に配置されて、両者３０３，３０１の組付角を操作する組付角操作機構３０４と、この組付角操作機構３０４のさらに前方側に配置されて、同機構３０４を駆動する操作力付与手段３０５と、内燃機関の図外のシリンダヘッドとヘッドカバーの前面に跨って取り付けられて組付角操作機構３０４と操作力付与手段３０５の前面と周域を覆う図外のＶＴＣカバーと、を備えている。

駆動リング３０３は、段差状の挿通孔３０６を備えた短軸円筒状に形成され、この挿通孔３０６部分が、カムシャフト１３４の前端部に結合された従動軸部材３０７（従動回転体）に回転可能に組み付けられている。そして、駆動リング３０３の前面（カムシャフト１３４と逆側の面）には、図３に示すように、対面する平行な側壁を有する３個の径方向溝３０８（径方向ガイド）が駆動リング３０３のほぼ半径方向に沿うように形成されている。

また、従動軸部材３０７は、図２に示すように、カムシャフト１３４の前端部に突き合される基部側外周に拡径部が形成されると共に、その拡径部よりも前方側の外周面に放射状に突出する三つのレバー３０９が一体に形成され、軸芯部を貫通するボルト３１０によってカムシャフト１３４に結合されている。各レバー３０９には、リンク３１１の基端がピン３１２によって軸支連結され、各リンク３１１の先端には前記各径方向溝３０８に摺動自由に係合する円柱状の突出部３１３が一体に形成されている。

各リンク３１１は、突出部３１３が対応する径方向溝３０８に係合した状態において、ピン３１２を介して従動軸部材３０７に連結されているため、リンク３１１の先端側が外力を受けて径方向溝３０８に沿って変位すると、駆動リング３０３と従動軸部材３０７とはリンク３１１の作用によって突出部３１３の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。

また、各リンク３１１の先端部には、軸方向前方側に開口する収容穴３１４が形成され、この収容穴３１４に、後述する渦巻き溝３１５（渦巻き状ガイド）に係合する球面突起３１６ａを有する係合ピン３１６（転動部材）と、この係合ピン３１６を前方側（渦巻き溝３１５側）に付勢するコイルばね３１７とが収容されている。なお、この実施形態においては、リンク３１１の先端の突出部３１３と係合ピン３１６、コイルばね３１７等とによって径方向に変位可能な可動案内部が構成されている。

一方、従動軸部材３０７のレバー３０９の突設位置よりも前方側には、円板状のフランジ壁３１８ａを有する中間回転体３１８が軸受３３１を介して回転自在に支持されている。この中間回転体３１８のフランジ壁３１８ａの後面側には断面半円状の前述の渦巻き溝３１５が形成され、この渦巻き溝３１５に、前記各リンク３１１の先端の係合ピン３１６が転動自在に案内係合されている。渦巻き溝３１５の渦巻きは、駆動リング３０３の回転方向に沿って次第に縮径するように形成されている。したがって、各リンク３１１先端の係合ピン３１６が渦巻き溝３１５に係合した状態において、中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して遅れ方向に相対回転すると、リンク３１１の先端部は径方向溝３０８に案内されつつ、渦巻き溝３１５の渦巻き形状に誘導されて半径方向内側に移動し、逆に、中間回転体３１８が進み方向に相対変位すると、半径方向外側に移動する。

この実施形態の組付角操作機構３０４は、以上説明した駆動リング３０３の径方向溝３０８、リンク３１１、突出部３１３、係合ピン３１６、レバー３０９、中間回転体３１８、渦巻き溝３１５等によって構成されている。この組付角操作機構３０４は、操作力付与手段３０５から中間回転体３１８にカムシャフト１３４に対する相対的な回動操作力が入力されると、その操作力が渦巻き溝３１５と係合ピン３１６の係合部を通してリンク３１１の先端を径方向に変位させ、このときリンク３１１とレバー３０９の作用によって駆動リンク３０３と従動軸部材３０７に相対的な回動力を伝達する。

一方、操作力付与手段３０５は、中間回転体３１８を駆動リング３０３の回転方向に付勢するゼンマイばね３１９と、中間回転体３１８を駆動リング３０３の回転方向と逆方向に付勢すべく制動機構であるヒステリシスブレーキ３２０と、を備えてなり、内燃機関の運転状態に応じてヒステリシスブレーキ３２０の制動力を適宜制御することにより、中間回転体３１８を駆動リング３０３に対して相対回動させ、或は、この両者の回動位置を維持するようになっている。

ゼンマイばね３１９は、駆動リング３０３に一体に取り付けられた円筒部材３２１にその外周端部が結合される一方で、内周端部が中間回転体３１８の円筒状の基部に結合され、全体が中間回転体３１８のフランジ壁３１８ａの前方側スペースに配置されている。
一方、ヒステリシスブレーキ３２０は、中間回転体３１８の前端部にリテーナプレート３２２を介して取り付けられた有底円筒状のヒステリシスリング３２３と、非回転部材である図外のＶＴＣカバーに回転を規制した状態で取り付けられた磁界制御手段としての電磁コイル３２４と、電磁コイル３２４の磁気を誘導する磁気誘導部材であるコイルヨーク３２５と、を備え、電磁コイル３２４が機関の運転状態に応じて前記ＥＣＵ１１４によって通電制御されるようになっている。

ヒステリシスリング３２３は、図６に示すように、外部の磁界の変化に対して位相遅れをもって磁束力が変化する特性（磁気的ヒステリシス特性）を持つヒステリシス材（半硬質材）によって形成され、外周側の円筒壁３２３ａ部分が前記コイルヨーク３２５によって制動作用を受けるようになっている。
コイルヨーク３２５は、電磁コイル３２４を取り囲むように全体が略円筒形状に形成され、その内周面が軸受３２８を介して従動軸部材３０７の先端部に回転可能に支持されている。そして、コイルヨーク３２５の後部面側（中間回転体３１８側）には磁気入出部分が円筒状の隙間をもって向かい合うように周面状の一対の対向面３２６，３２７が形成されている。

また、図４に示すように、コイルヨーク３２５の両対向面３２６，３２７には夫々円周方向に沿って複数の凹凸が連続して形成され、これら凹凸のうちの凸部３２６ａ，３２７ａが磁極（磁界発生部）を成すようになっている。
そして、一方の対向面３２６の凸部３２６ａと他方の対向面３２７の凸部３２７ａは円周方向に交互に配置され、対向面３２６，３２７相互の近接する凸部３２６ａ，３２７ａがすべて円周方向にずれている。したがって、両対向面３２６，３２７の近接する凸部３２６ａ，３２７ａ間には、電磁コイル２４の励磁によって図７に示すような円周方向に傾きをもった向きの磁界が発生する。そして、両対向面３２６，３２７間の隙間には前記ヒステリシスリング３２３の円筒壁３２３ａが非接触状態で介装されている。

ここで、このヒステリシスブレーキ３２０の作動原理を図８によって説明する。なお、図８（ａ）はヒステリシスリング３２３（ヒステリシス材）に最初に磁界をかけた状態を示し、図８（ｂ）は上記（ａ）の状態からヒステリシスリング３２３を変位（回転）させた状態を示す。
図８（ａ）の状態においては、コイルヨーク３２５の対向面３２６，３２７間の磁界の向き（対向面２７の凸部３２７ａから他方の対向面３２６の凸部３２７ａに向かう磁界の向き）に沿うようにヒステリシスリング３２３内に磁束の流れが生じる。

この状態からヒステリシスリング３２３が図８（ｂ）に示すように外力Ｆを受けて移動すると、外部磁界内をヒステリシスリング３２３が変位することとなるため、このときヒステリシスリング３２３の内部の磁束は位相遅れをもち、ヒステリシスリング３２３の内部の磁束の向きは対向面３２６，３２７間の磁界の向きに対してずれる（傾斜する）こととなる。したがって、対向面３２７の凸部３２７ａからヒステリシスリング３２３に入る磁束の流れ（磁力線）と、ヒステリシスリング３２３から他方の対向面３２６の凸部３２６ａに向かう磁束の流れ（磁力線）が歪められ、このとき、この磁束の流れの歪みを矯正するような引き合い力が対向面３２６，３２７とヒステリシスリング３２３の間に作用し、その引き合い力がヒステリシスリング３２３を制動する抗力Ｆ’として働く。

このヒステリシスブレーキ３２０は、以上のようにヒステリシスリング３２３が対向面３２６，３２７間の磁界内を変位するときに、ヒステリシスリング３２３の内部の磁束の向きと磁界の向きのずれによって制動力を発生するものであるが、その制動力は、ヒステリシスリング３２３の回転速度（対向面３２６，３２７とヒステリシスリング３２３の相対速度）に関係なく、磁界の強さ、即ち、電磁コイル３２４の励磁電流の大きさに略比例した一定の値となる。

図９は、夫々この実施形態のヒステリシスブレーキ３２０における回転速度と制動トルクの関係を、励磁電流をａ〜ｄ（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）に変えて調べた試験結果である。この試験結果から明らかなように、ヒステリシスブレーキ３２０は渦電流を用いたブレーキのように回転速度の影響を何等受けることがなく、常に励磁電流値に応じた制動力を得ることができる。

本実施形態に係るＶＴＣ１１３は以上のような構成となっており、機関の始動時やアイドル運転時には、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁をオフにしておくことにより、ゼンマイばね３１９の力によって中間回転体３１８を駆動リング３０３に対して機関回転方向に最大に回転させておく（図３参照）。これにより、クランクシャフトに対するカムシャフト１３４の回転位相（動弁の開閉タイミング）は最遅角位置に維持され、機関回転の安率化と燃費の向上が図られる。

そして、この状態から機関の運転が通常運転に移行し、前記回転位相を進角側に変更すべき指令が前記ＥＣＵ１１４から発されると、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁がオンにされて、ゼンマイばね３１９の力に抗する制動力が中間回転体３１８に付与される。これにより、中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して逆方向に回転し、それによってリンク３１１の先端の係合ピン３１６が渦巻き溝３１５に誘導されてリンク３１１の先端部が径方向溝３０８に沿って変位し、図５に示すようにリンク１１の作用によって駆動リング３０３と従動軸部材３０７の組付角が進角側に変更される。この結果、カムシャフト１３４の回転位相が進角側に変更され、それによって機関の高出力化が図られることとなる。図５は最進角位置の状態を示す。

また、この状態から前記回転位相を遅角側に変更すべく前記ＥＣＵ１１４から発されると、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁力が減少され、ゼンマイばね３１９の力によって中間回転体３１８が正方向に回転させられる。すると、渦巻き溝３１５による係合ピン３１６の誘導によってリンク３１１が上記と逆方向に揺動し、図３に示すようにそのリンク１１の作用によって駆動リング３０３と従動軸部材３０７の組付角が遅角側に変更される。

このように、このＶＴＣ１１３によって可変される（クランクシャフト１２０に対するカムシャフト１３４の）回転位相は、ヒステリシスブレーキ３２０の制動力の制御によって任意の位相に変更し、ゼンマイばね３１９の力とヒステリシスブレーキ３２０の制動力のバランスによってその位相を保持することができる。
かかる構成のＶＴＣ１１３において、本発明では、ゼンマイばね３１９のバネ特性の製造時バラツキや経時変化を補償する制御を実行する。なお、最終的に制御されるのは吸気バルブ（または排気バルブ）の位相であるので、以下（及び図）では、適宜、回転位相＝バルブ位相として記載する。

図１０は、上記ゼンマイばね３１９のバネ特性を更新演算するルーチンのメインフローを示す。
ステップ（図ではＳと記す。以下同様）１０１では、機関の状態としてクランク角センサ１１７によって検出される機関回転速度、水温センサ１１９によって検出される冷却水温度ないし潤滑油温度（以下油水温という）、カム角センサ２０１により検出されるバルブ位相などを読み込む。

ステップ１０２では、機関回転速度の変動（所定期間内での変化量）が所定範囲内であるかを判定する。
ステップ１０３では、油水温が所定範囲内であるかを判定する。
ステップ１０４では、バルブ位相が所定範囲内（設定された複数の計測領域のいずれかに属するか）であるかを判定する。

ステップ１０５では、バルブ位相の保持制御中であるかを判定する。具体的には、実バルブ位相が目標バルブ位相から所定以内の偏差に所定期間留まっている状態または簡易的には実バルブ位相の変動量が所定範囲内である状態などの判定によって判定する。
以上、ステップ１０２からステップ１０５までの条件が全て成立（判定結果がイエス）であるときに、ステップ１０６で、当該計測領域におけるモータ（電磁コイル３２４）電流値とバルブ位相を計測する。ここで、バルブ位相の計測とは、簡易的には最新の検出値の読込みであってよいが、安定した精度を確保するためには、計測領域内での複数の検出値を平均化処理する。

ステップ１０７では、エンジンキースイッチＯＮ後、異なる複数の計測領域での計測を行ったかを判定する。
そして、複数の計測領域での計測を行ったと判定されたときに、ステップ１０８で、ＶＴＣ１１３のゼンマイばね３１９のバネ定数を更新演算し、この更新されたバネ定数によって制御系を再設計する。

図１１は、前記ステップ１０８でのバネ定数演算の一例のフローを示す。
ステップ２０１では、計測した複数の領域でのバルブ位相およびモータ電流値により、バネ定数を演算する。
具体的には、以下のように演算する。上記のようにバルブ位相が保持制御されている定常状態では、次式(1)が成立する。

Ｔ＝Ｋ・θ＋Ｔ０・・・(1)
Ｔ：ＶＴＣ１１３の駆動トルクＴ
Ｋ：ばね定数
θ：バルブ位相（吸気バルブの場合、最遅角位置からの進角量）
Ｔ０：ゼンマイばね３１９のセット荷重による初期トルク
ここで、計測したモータ通電量ｉと駆動トルクＴの特性は既知であるので、該既知の特性により通電量ｉを変換して駆動トルクＴを求められる。また、複数領域での計測間の時間は短時間であるので、この間にバネ定数Ｋ及び初期トルクＴ０は変化しないとすると、図１２に示すような領域１，２での計測において、それぞれ次式(2),(3)が成立する。

Ｔ１＝Ｋ・θ１＋Ｔ０・・・(2)
Ｔ２＝Ｋ・θ２＋Ｔ０・・・(3)
Ｔ１：領域１での駆動トルク
Ｔ２：領域２での駆動トルク
θ１：領域１でのバルブ位相
θ２：領域２でのバルブ位相
したがって、(2),(3)式より、
Ｔ２−Ｔ１＝Ｋ・（θ２−θ１）
Ｋ＝（Ｔ２−Ｔ１）／（θ２−θ１）
上記のように２点の計測値に基づいてバネ定数Ｋを算出できる。

さらに計測領域を増やして図１３に示すような３つの領域での計測値に基づいてバネ定数をより高精度に算出することもできる。すなわち領域１，２，３で計測を行い、領域１，２の計測値に基づいてバネ定数Ｋ１を算出し、領域２，３の計測値に基づいてバネ定数Ｋ２を算出し、領域３，１の計測値に基づいてバネ定数Ｋ３を算出し、これらバネ定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を平均してバネ定数Ｋを算出する。

ステップ２０２では、上記のようにして算出された最新のバネ定数により、バネ定数を更新する。
図１４は、上記バネ定数更新処理の一例のフローを示し、ステップ３０１で、次式のように今回算出した最新のバネ定数Ｋnewと前回算出したバネ定数Ｋoldとを加重平均演算処理して更新する。

Ｋ＝（１−α）・Ｋold＋α・Ｋnew・・・(4)
α：加重割合（固定値）
図１５は、バネ定数更新処理の別の例のフローを示す。
ステップ４０１では、今回算出した最新のバネ定数Ｋnewと前回算出したバネ定数Ｋoldとの偏差｜Δε｜＝｜Ｋnew−Ｋold｜に基づいて、図１６に示す特性マップからの検索等により加重割合αを可変に設定する。具体的には、偏差｜Δε｜が大きくなるほど、今回値の誤差（ノイズ）が大きいと判断して、今回値に対する加重割合αを小さく設定する。

ステップ４０２では、上記のように可変に設定された加重割合αを用いて上記(4)により加重平均演算処理して更新する。
すなわち、加重平均演算によって、ノイズの影響を抑制して精度よくバネ定数を算出できるが、加重割合αを偏差に応じて可変に設定することにより、より精度よく算出できる。

図１１に戻ってステップ２０３では、上記のようにして更新されたバネ定数Ｋにより、制御系を再設計する。
上記制御系の再設計は以下のようにして行う。
ＶＴＣ１１３の過渡状態も含めた運動方程式は、次式で示される。
Ｔ＝Ｊ・（d²θ/dt²）＋Ｄ・（dθ/dt）＋Ｋ・θ＋Ｔ０・・・(5)
ラプラス変換すると、
Ｔ(s)＝（Ｊ・s²＋Ｄ・s＋Ｋ＋Ｔ０・s^-1）θ(s)
ＶＴＣ１１３の伝達関数Ｐ(s)は、次式のようになる。

Ｐ(s)＝θ(s)/Ｔ(s)＝１／（Ｊ・s²＋Ｄ・s＋Ｋ＋Ｔ０・s^-1）・・・(6)
図１７は、制御対象モデルの制御ブロック図を示す。
目標バルブ位相refθを補償器Ｒ(s)/Ｐ(s)で変換して駆動トルクのフィードフォワード値ＴFF(s)を算出する。ただし、Ｒ(s)は、理想的なＶＴＣ応答として設定した規範モデルである。

前記規範モデルＲ(s)応答と制御された実バルブ位相θ(s)との偏差Δθ(s)[＝Ｒ(s)−θ(s)]を補償器Ｃ(s)で変換して駆動トルクのフィードバック値ＴFB(s)を算出する。
前記駆動トルクのフィードフォワード値ＴFF(s)とフィードバック値ＴFB(s)を加算して駆動トルクの操作量Ｔ(s)を算出し、該操作量Ｔ(s)を入力したＶＴＣ１１３［伝達関数Ｐ(s)］により制御量θ(s)が得られる。

図１８は、上記制御系再設計のフローを示す。
ステップ５０１では、上記伝達関数Ｐ(s)のバネ定数Ｋを更新することにより、制御対象モデルを更新する。
また、前記初期トルクＴ０もバネ定数Ｋのバラツキに応じてバラツキを生じる、バネ定数に関連した値であるので、算出したバネ定数Ｋから(2)式または(3)式によって初期トルクＴ０も算出してバネ定数Ｋと同様に加重平均等によって更新し、制御対象モデルの更新に用いるのが好ましい。

ステップ５０２では、前記更新した制御対象モデルに応じて、制御定数、制御ゲインなどの制御設定値を更新する。例えば、ＰＩＤ制御などでフィードバック値ＴFB(s)を算出する補償器Ｃ(s)において、バネ定数Ｋの変化に応じて制御ゲインを変更することによって、安定した応答性を維持できる。
例えば、図１９に示すようにバネ特性が変化した場合を考える。制御系は、通常のＰＩＤ制御系とする。

基本特性の状態から変動特性１に変化した場合、バネ定数がＫからＫ１に低下するので、進角制御する場合、基本特性のバネ定数Ｋのときより応答が早くなり、オーバーシュートを発生しやすくなる。
よって、比例ゲインを下げるか、若しくは微分ゲインを上げることの少なくとも一方で対処する。また、２つの特性で、同一位相での保持トルクが違うので、積分ゲインが固定だと操作量が過剰に溜りオーバーシュートが発生してしまう。

以上のことから、簡易に制御ゲインを変更する式を立てると以下のようになる。
比例ゲイン＝基本比例ゲイン×Ｋ１／Ｋ×比例補正値
積分ゲイン＝基本積分ゲイン×Ｋ１／Ｋ
微分ゲイン＝基本微分ゲイン×Ｋ／Ｋ１×微分補正値
なお、比例ゲイン、微分ゲインは過渡特性を調整する要素が強いので、積分ゲインのように理論的に設定することが難しいので、調整項である補正値を入れている。

以上のようにバネ定数Ｋ［及びバネ定数Ｋの関連値（初期トルクＴ０）］を算出しつつ更新（学習）し、該更新したバネ定数Ｋ等によって制御系を再設計することにより、ゼンマイばねの特性の製造バラツキや経時変化を補償でき、高精度なバルブタイミング制御を維持することができる。
なお、上記実施形態ではバネ定数Ｋの算出に、複数領域（基本的に２領域）の計測値を用いたが、製造バラツキや経時変化を生じるバネ特性が、バネ定数Ｋのみとした場合には、１つの領域で算出することができる。すなわち、ＶＴＣの初期トルク（バネのセット荷重）Ｔ０は、Ｔ０＝Ｋ・θ０（θ０：セット荷重のバネ圧縮分相当のクランク角）となるので、保持制御されている状態では次式で表される。

Ｔ＝Ｋ（θ＋θ０）
→Ｋ＝Ｔ／（θ＋θ０）
ここで、θ０は、最も簡易的にはθ０固定値でもよいが、ＶＴＣの非作動である初期位置（吸気バルブ用ＶＴＣでは最遅角位置、排気バルブ用ＶＴＣでは最進角位置）に初期バラツキや経時変化があっても、通常行われる初期位置の学習によって正確に把握できる。

したがって、バネ定数Ｋのみが特性変化すると考えれば、上記初期位置学習により１つの領域でもバネ定数Ｋを正しく算出できるので、簡易的にはこのようにしてもよい。
しかし、実際には、バネ特性のバラツキ，経時変化はバネ定数Ｋ以外に、バネの自然長やバネ両端取付位置間の長さなどのバラツキ，経時変化があり、これらに起因する初期トルクＴ０乃至θ０のバラツキ，経時変化は、初期位置（バネ一端の取付位置）の学習を行っても１つの領域の計測データからでは把握できない。

上記のような１つの領域の計測データからでは把握できない初期トルクＴ０の変化に対しても、上記実施形態のように２つの領域の計測を行えば初期トルクＴ０を消去できるので、バネ定数Ｋ（及び初期トルクＴ０）を正確に算出でき、ひいては、制御系の再設計を高精度に行うことができる。
また、上記実施形態では、アクチュエータであるＶＴＣ１１３の作動状態としてモータ（電磁コイル３２４）の電流値を用いたが、トルクセンサ等を設けて直接駆動トルクＴを検出し検出値を用いてもよい。

また、本発明は、上記実施形態に示したバルブタイミング制御装置の他、例えば電制スロットル装置など、バネ力に抗して作動するアクチュエータにより駆動して目標位置に制御する制御装置に適用できる。
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項1〜請求項４のいずれか１つに記載のバルブタイミング制御装置または制御装置において、
バルブタイミング乃至制御量が複数の位置にそれぞれ保持制御されているときの、それぞれの位置のアクチュエータ作動状態の計測値に基づいてアクチュエータのバネ定数を算出し、該算出されたバネ定数を用いてアクチュエータの操作量を算出することを特徴とする。

このようにすれば、バネ定数以外のバネ特性のバラツキ，経時変化にも対応してバネ定数を高精度に算出できる。
（ロ）上記（イ）に記載のバルブタイミング制御装置または制御装置において、上記計測を行う複数の位置が２乃至３以上で、３以上の場合は異なる組み合わせの２つの位置の計測値に基づいてそれぞれ算出されるバネ定数の平均値を算出することを特徴とする。

このようにすれば、２つの位置の計測値を基本としてバネ定数を算出でき、３以上の計測値に基づいて平均化すればより正確にバネ定数を算出できる。
（ハ）請求項1〜請求項４又は上記（イ），（ロ）のいずれか１つに記載のバルブタイミング制御装置または制御装置において、前記アクチュエータの作動状態が、実制御量の他、アクチュエータの駆動源であるモータの電流値乃至駆動力（駆動トルク含む）であることを特徴とする。

このようにすれば、実制御量と操作量である電流値乃至駆動力とに基づいてバネ定数を算出できる。

本発明に係るバルブタイミング制御装置を備えた内燃機関のシステム構成図。 可変バルブタイミング機構を示す断面図。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。 図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 上記可変バルブタイミング機構の作動状態を示す図３と同様の断面図。 ヒステリシス材の磁束密度−磁界特性を示すグラフ。 図４の部分拡大断面図。 図７の部品を直線状に展開した模式図であり、初期状態（ａ）とヒステリシスリングが回転したとき（ｂ）の磁束の流れを示す図。 上記可変バルブタイミング機構のブレーキトルク−回転速度特性（ａ）と従来技術のブレーキトルク−回転速度特性（ｂ）を示すグラフ。 本発明の実施形態における制御系を再設計する制御のメインルーチンを示すフローチャート。 同上制御におけるバネ定数演算ルーチンのフローチャート。 バネ定数を２つの領域１，２での計測値に基づいて算出する様子を示す図。 バネ定数を３つの領域１，２，３での計測値に基づいて算出する様子を示す図。 バネ定数更新処理ルーチンの一例のフローチャート。 バネ定数更新処理ルーチンの別例のフローチャート。 バネ定数の加重平均演算処理における加重割合を可変に設定する特性図。 同上実施形態の制御対象モデルの制御ブロック図。 同上実施形態の制御系再設計を示すフローチャート。 同上の制御系再設計時の制御ゲイン設定変更の一例を説明するための図。

符号の説明

１０１…内燃機関、１０５…吸気バルブ、１１２…可変バルブリフト機構、１１３…可変バルブタイミング機構、１１４…エンジンコントロールユニット、１１７…クランク角センサ、１２０…クランクシャフト、１３４…カムシャフト、２０１…カム角センサ、３１９…ゼンマイばね、３２４…電磁コイル

Claims (4)

1. 内燃機関の動弁のバルブタイミングを、バネ力に抗して作動するアクチュエータによって可変制御するバルブタイミング制御装置であって、バルブタイミングが保持制御されているときのアクチュエータ作動状態に基づいてアクチュエータのバネ定数を算出し、該算出されたバネ定数を用いてアクチュエータの操作量を算出することを特徴とするバルブタイミング制御装置。
2. 複数回算出したバネ定数の相違度合いに基づいて加重平均割合を設定し、該加重平均割合で前記複数回算出したバネ定数を加重平均処理し、処理したバネ定数に基づいてアクチュエータの操作量を算出することを特徴とする請求項１に記載のバルブタイミング制御装置。
3. 前記算出したバネ定数に基づいて制御モデルにおけるバネ定数に関連する値を補正または更新することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバルブタイミング制御装置。
4. 制御対象を、バネ力に抗して作動するアクチュエータにより駆動して目標位置に制御する制御装置であって、制御量が保持制御されているときのアクチュエータ作動状態に基づいてアクチュエータのバネ定数を算出し、該算出されたバネ定数を用いてアクチュエータの操作量を算出することを特徴とする制御装置。

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