JP2005532502A - 電気的なカムシャフト調整装置の調整モータに対する制御構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（１）の電気的カムシャフト調整装置（６）の調整モータ（８）に対する制御構造に関する。ここでこれは、内燃機関（１）の測定信号を調整モータ（８）に対する制御データに処理する制御部（１９）を有する。
入力差信号の値が０である場合にも、調整モータ（８）の目標調整回転数に対する有利な値を有する制御部（１９）は、制御された目標回転数の出力信号（２０）に、制御されていない回転数（２１）の信号が加えられることによって得られる。

Description

発明の領域
本発明は、内燃機関のカムシャフトに対する電気的調整装置の調整モータの目標調整回転数を得るための制御構造に関し、殊に内燃機関のカムシャフトの電気的カムシャフト調整装置の調整モータの目標調整回転数を得るための制御構造であって、カムシャフト調整装置は少なくとも１つの制御部を有しており、制御部は内燃機関の測定信号から、調整モータに対する制御信号を生じさせる形式の制御構造に関する。

発明の背景
理想的なカムシャフト調整装置は主に、カムシャフトの目標調整角経過（Soll-Verstellwinkelverlaufs）の正確な維持を保証することが要求される。しかし実際には目標調整角経過と、実際調整角経過の間には偏差が生じてしまう。これは機械的および電気的な慣性並びに、例えばカムシャフト回転モーメント等のノイズ量の影響が原因である。

カムシャフトの目標調整角経過との偏差を減らすことによって、有害物質の排出および燃料消費が低くなり、エンジン出力およびトルクが増大され、搭載電源網負荷およびスタートフェーズにおける排出値が減らされる。排出値の減少は、カムシャフト調整装置が既にエンジンスタート前ないしはエンジンスタート中に制御可能であることを前提条件とする。このような要求は、電気的なカムシャフト調整装置によってのみ満たされる。なぜなら、液圧式調整装置はスタートフェーズの前およびスタートフェーズ中には、潤滑油が欠乏しているために機能しないからである。

電気的なカムシャフト調整装置には、制御部の相応の構成による、電気的調整モータの最小のエネルギー消費が要求される。被制御システムのクオリティは、カムシャフトの目標−実際調整角経過によって定められる。これは目標調整角との偏差を最小化することによって高められる。

ＵＳ５７８７８４８Ｂ１号には、内燃機関のカムシャフトの電気的調整装置の調整モータの目標調整回転数を得るための制御構造が開示されている。ここでカムシャフト調整装置は少なくとも１つの制御部を有しており、この制御部は、内燃機関の測定信号から、調整モータに対する制御信号を生じさせる。この刊行物では、弁制御時間を変えることによる内部排気ガス再循環の制御が重要である。排気ガス再循環は、内燃機関のトルクを低下させる。排気ガス再循環が行われない内燃機関のトルク曲線に類似したトルク曲線を得るために、制御部内にローパスフィルタが設けられている。このローパスフィルタによって、元来のトルク曲線を部分的に上回るまたは下回ることが回避される。

発明の課題
本発明の課題は、内燃機関の全作動領域において、カムシャフトの目標調整角からの実際調整角偏差ができるだけ僅かであり、調整モータの電流消費が僅かである、カムシャフト調整装置の電気的調整モータに対する制御構造を実現することである。

発明の要約
本発明では上述の課題は、制御部は入力信号として目標値および実際値から成る差信号を有し、出力信号として調整モータに対して定められた被制御目標調整回転数信号を有し、制御された目標調整回転数信号に、制御されていない回転数信号が加えられる、ことを特徴とする、電気的なカムシャフト調整装置の調整モータに対する制御構造によって解決される。

この入力信号は差信号であるので、この信号は実際値と目標値が一致するにつれて量０に近づく。このことは出力信号に対しても当てはまる。この出力信号は、調整モータの制御された目標調整回転数を供給する。この調整モータはその後、静止状態になる。しかしカムシャフトが特定の回転角位置に保持されなければならない場合、調整モータはカムシャフト回転数で回転しなければならない。静止している調整モータは、カムシャフトの回転角位置の調整につながる。その調整速度は、内燃機関の回転数とともに増大する。

本発明では、制御されていない、ひいては差信号の影響を受けていない回転数信号を加えることによって、必要な目標回転数が、内燃機関の作動時間中に調整モータに設定される。これによって、クランクシャフトに対するカムシャフトのポジションが保たれる。

高い制御クオリティを得るために、カムシャフト調整角に関する位置制御と、調整モータ回転数に関する付加的な回転数制御が設けられるのは有利である。このようにして、カムシャフトの回転角位置に関する、カムシャフト調整角および調整モータ回転数のパラメータが考慮される。

位置制御および回転数制御用の制御部として、殊にＰ−, ＰＩ−, ＰＩＤ−, 予測制御部または観測制御部（Praediktions-oder Beobachterregler）が用いられるのは有利である。上述した制御部を作動点に依存して組み合わせることもできる。従って、例えば目標調整角と実際調整角の偏差が小さい場合にはＰＩ制御部が有利であり、目標調整角と実際調整角の偏差が大きい場合にはＰ制御部が有利である。ファジィロジック制御部も可能である。

予測制御部の利点は、予測制御部がカムシャフトの各調整角跳躍（Verstellwinkelsprung）に依存して、調整モータによって、これに対して使用可能な時間においてかろうじて遅らせることができる調整回転数を設定することである。このようにして、カムシャフトの回転角の過度振動が回避され、これによって調整エネルギーが節約される。

観測制御部では有利には、制御部に対して平行に制御ストラテジーのモデルが計算される。このモデルは制御出力量を用い、追従すべき実際の距離を求める。これによって、制御クオリティが改善され、再び調整エネルギーが節約される。

要求されている制御クオリティに応じて、位置制御の予測制御部と、回転数制御のＰＩＤ制御部が個々に、または直列に接続して使用される。

本発明の有利な構成では、位置制御時には、予測制御部は入力信号として、カムシャフトの実際調整角と目標調整角との間の差信号を有し、出力信号として調整モータに対する制御された目標調整回転数を有し、加えられる回転数はカムシャフト回転数である。加えられるカムシャフト回転数は、内燃機関の全作動領域において調整モータの静止状態、ひいては誤った制御を阻止する。

同じように有利には、回転数制御時には、ＰＩＤ制御部が入力信号として、調整モータの実際調整回転数と目標調整回転数との間の差信号を有し、出力信号として、調整モータに対する制御された目標調整回転数を、電圧値またはデューティーファクター変調された電圧の形で有しており、加えられる回転数は、調整モータの制御されておらずかつ電圧変化された目標調整回転数である。ここでも、カムシャフト回転数が含まれる調整モータの、加えられる、制御されていない目標調整回転数によって調整モータの静止状態、ひいてはこれと結び付く誤った制御が阻止される。

本発明の有利な発展形態では、予測制御部とＰＩＤ制御部が直列接続される場合、電圧変化された形式の加えられたカムシャフト回転数を伴う予測制御部の出力信号は、同時にＰＩＤ制御部の出力信号に対する重畳信号（Aufschaltsignal）として用いられる。両方の制御部の出力信号にカムシャフト回転数が加えられるので、この場合には調整モータの静止状態が確実に阻止される。

有利には回転数制御のＰＩＤ制御部が電流制限機能、有利には二点電流制御部を有するのは、制御部の安定性に役立つ。電流制御部は、所定の電流限界値を上回る場合には、電圧ないしはデューティファクター変調された電圧を引き戻す。これによって電流が下降する。電流限界値を下回る場合には、電流制御は逆の方向に作用する。

カムシャフトの回転角位置がカムシャフトセンサによってではなく、調整モータのホールセンサによって測定可能であることによって、コストが節約される。ブラシレス直流モータの固定子はいずれにせよ少なくとも１つのホールセンサを有しているので、特別なカムシャフトセンサは不要である。

図面の簡単な説明
本発明のさらなる特徴を以下の明細書および図面に記載する。図には本発明の複数の実施例が概略的に示されている。

図１には、制御電子部および別個のカムシャフトセンサを有する電気的なカムシャフト調整装置の略図が示されており、
図２には、カムシャフトセンサの代わりに、調整モータのホールセンサを有する、図１の略図が示されており、
図３には、電気的調整モータのハウジング固定された固定子を有するカムシャフト調整装置が示されており、
図４には、ＰＩＤ制御部による位置制御と、ＰＩＤ制御部の出力信号へのカムシャフト回転数の加算の制御構造が示されており、
図５には、予測制御部による位置制御と、予測制御部の出力信号へのカムシャフト回転数の加算の制御構造が示されており、
図６には、ＰＩＤ制御部による回転数制御と、ＰＩＤ制御部の出力信号への、調整モータの制御されていない目標調整回転数の電圧変調ないしはデューティーファクター変調された電圧の加算の制御構造が示されており、
図７には、予測制御部およびＰＩＤ制御部による位置制御および回転数制御および、各出力信号への回転数重畳並びに電圧重畳の制御構造が示されており、
図８には、エンジンスタートおよび走行運転に対するフローチャートが示されている。

図面の詳細な説明
図１には内燃機関１が概略的に示されている。内燃機関のクランクシャフト２は、クランクシャフト駆動輪３を介して、図示されていないチェーン状部または歯付きベルトによって、カムシャフト５のカムシャフト駆動輪４を割合２：１ ｎＫＷ／ｎＮＷで駆動する。カムシャフト５は、電気的なカムシャフト調整装置６を有している。このカムシャフト調整装置は調整伝動装置７と電気的調整モータ８を有している。クランクシャフト２の回転角位置はクランクシャフトセンサ９によって測定され、カムシャフト５の回転角位置はカムシャフトセンサ１０によって測定される。センサ９, １０の信号は内燃機関１の制御機器１１を介して調整モータ８の制御機器１２に達する。ここでこれらの信号は調整モータ８に対する制御信号に変えられる。

図２には、図１に記載された内燃機関１の略図が示されているが、カムシャフトセンサ１０は、ブラシレス直流モータの場合にいずれにせよ設けられている調整モータ８のホールセンサ１３によって置き換えられている。

図３には、カムシャフト調整装置６が概略的に示されている。調整伝動装置７は三軸伝動装置として構成されており、カムシャフト駆動輪４と接続されている駆動軸と、カムシャフト５と、調整モータ８の回転子１５に回転固定的に接続されている調整軸１４に接続されている駆動軸を有している。調整モータ８は固定子１６を有しており、これはハウジング固定的に構成されている。

図４には、本発明の制御構造が示されている。クランクシャフト２とカムシャフト５の間の実際調整角１７と目標調整角１８の差信号１７±１８はＰＩＤ制御部１９の入力信号である。ＰＩＤ制御部の出力信号２０は、調整モータ８に対する制御された目標調整回転数を含む。

実際調整角と目標調整角１７, １８が近づくと、差信号１７±１８は値０に近づく。これによって、出力信号２０、ひいては調整モータ８の制御された目標調整回転数もこの値に近づく。

カムシャフト５の回転角位置が保持されるべき場合、調整モータ８の回転子１５はカムシャフト回転数で回転しなければならない。この回転数からの偏差は殊に、内燃機関１の回転数が高い場合には、顕著な制御位置偏差として作用する。

これは、本発明と相応にカムシャフト回転数２１が制御部１９の出力信号２０に加えられ、目標調整回転数２０＋２１として調整モータ８に与えられることによって阻止される。このようにして調整モータ８は少なくともカムシャフト回転数２１で回転し、これによってカムシャフト５の制御位置が得られ続ける。

制御特性は改善されるが、カムシャフト回転数をＰＩＤ制御部１９の出力信号２０に加えることによって、調整モータ８の各回転数跳躍の終端部で調整角の著しい過度振動が生じてしまう。このことは実質的には、これが目標調整回転数の設定に十分に迅速に追従することができないことが原因である。なぜなら加速過程および減速過程は、制限されたこのトルク能力が原因で迅速に実行されないからである。

この特性は、いわゆる予測制御部２２によって改善される。図５はこの予測制御部を位置制御の制御構造において示している。これは調整角の跳躍移行量に依存して、調整モータ８によって、使用可能な時間内でかろうじて遅延される調整回転数を設定する。

予測制御部２２の入力信号１７±１８の量は、図４の実際調整角１７と目標調整角１８の差に相応する。この調整角跳躍に依存して、予測制御部２２から出力信号２０' として制御された目標調整回転数が出力される。この目標調整回転数は、所定の角度偏差を克服するために、使用可能な時間内で調整モータ８によって遅延される回転数である。

予測制御器２２の出力信号２０' に、目下のカムシャフト回転数２１が重畳され、和２０' ＋２１は、目標調整回転数として調整モータ８に設定される。予測制御部２２によって実際調整角の過度振動が回避され、これによって同時に調整モータ８の電流消費が格段に低減される。

上述した制御部１９, ２２はカムシャフト５の位置制御に用いられる。最適な制御結果を得るためには、さらに調整モータ８の回転数制御または択一的に電流制御またはモーメント制御を伴う内部の制御ループが必要である。これに関する制御構造は、図６に示されている。

ＰＩＤ制御部１９' の入力信号は、調整モータ８の目標調整回転数２４と実際調整回転数２３の間の差信号２３±２４である。出力信号２０''として、調整モータ８の駆動制御に用いられる電圧が得られる。目標調整回転数と実際調整回転数２４, ２３が一致した場合に電圧０が与えられるのを回避するために、出力信号２０''には電圧変換器２５を介して、調整モータ８の目標調整回転数２４に相応する電圧が加えられる。これによって調整モータ８に作動中に常に、目標調整回転数２４に相応する電圧が与えられることが保証される。制御部としては、ＰＩＤ制御部の他に殊にＰ制御部およびＰＩ制御部並びに予測制御部が可能である。

回転数制御の場合には、制御偏差は残らない。さらに、位置制御時よりも調整速度が高い。

図７は、図４に相応する位置制御と、図６に相応する回転数制御が前後して接続されている、調整モータ８に対する完全な制御システムの制御構造が示されている。位置制御は予測制御部２２を有している。予測制御部の入力信号は、実際調整角１７と目標調整角１８の間の差信号１７±１８として構成されており、制御された目標調整回転数の出力信号２０' に処理される。この出力信号にはカムシャフト回転数２１が加えられる。これはともに、調整モータ８の目標調整回転数２０' ＋２１を形成する。

目標調整回転数２０' ＋２１および実際調整回転数２３から成る差信号２０' ＋２１±２３は、回転数制御のＰＩＤ制御部１９' の入力信号を形成する。ＰＩＤ制御部１９' の出力信号２０''には、電圧変換器２５内で電圧変換された目標調整回転数２０' ＋２１が加えられ、調整モータ８を駆動制御する電圧２０''＋２０' ＋２１に処理される。図示された予測制御部２２およびＰＩＤ制御部１９' の他に、殊にＰ制御部およびＰＩ制御部のような他の制御部も使用可能である。

さらに、少なくとも回転数制御のＰＩＤ制御部１９' 内に、調整モータ８および制御電子部を保護するために、電流制限機能、例えば二点電流制御部を集積することが可能である。これは所定の電流限界値を上回る場合に、電圧ないしはデューティーファクターを引き戻す。

図８にはフローチャートが示されており、このフローチャートでは、調整モータ８の制御が内燃機関１のスタート時および内燃機関の作動時にどのように行われるのかが示されている。ポジション２６ではイグニッションキーが操作され、ポジション２７では始動部が立ち上がり、これによってスタート過程が終了する。ポジション２８では、カムシャフト５の回転角位置が識別され、ポジション２９では調整角度比較が行なわれ、この結果がポジション３０での調整モータ８の駆動制御のために導かれる。駆動制御はポジション３１に相応する保持またはポジション３２に相応する進角調整またはポジション３３に相応する遅角調整を意味する。各結果は帰線３４を介してポジション２８に戻され、これによって新たな過程が始まる。

制御電子部および別個のカムシャフトセンサを有する電気的なカムシャフト調整装置の略図である。

カムシャフトセンサの代わりに、調整モータのホールセンサを有する、図１の略図である。

電気的調整モータのハウジング固定された固定子を有するカムシャフト調整装置をあらわす図である。

ＰＩＤ制御部による位置制御と、ＰＩＤ制御部の出力信号へのカムシャフト回転数の加算の制御構造をあらわす図である。

予測制御部による位置制御と、予測制御部の出力信号へのカムシャフト回転数の加算の制御構造をあらわす図である。

ＰＩＤ制御部による回転数制御と、ＰＩＤ制御部の出力信号への、調整モータの制御されていない目標調整回転数の電圧変調ないしはデューティーファクター変調された電圧の加算の制御構造をあらわす図である。

予測制御部およびＰＩＤ制御部による位置制御および回転数制御および、各出力信号への回転数重畳並びに電圧重畳の制御構造をあらわす図である。

エンジンスタートおよび走行運転に対するフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ クランクシャフト
３ クランクシャフト駆動輪
４ カムシャフト駆動軸
５ カムシャフト
６ カムシャフト調整装置
７ 調整伝動装置
８ 調整モータ
９ クランクシャフトセンサ
１０ カムシャフトセンサ
１１ 制御機器
１２ 制御機器
１３ ホールセンサ
１４ 調整軸
１５ 回転子
１６ 固定子
１７ 実際調整角
１８ 目標調整角
１９, １９' ＰＩＤ制御部
２０, ２０' , ２０'' 制御された出力信号
２１ カムシャフト回転数
２２ 予測制御部
２３ 実際調整回転数
２４ 目標調整回転数
２５ 電圧変換器
２６ ポジション「イグニッションキー回転」
２７ ポジシション「始動部立ち上がり」
２８ ポジション「カムシャフトの回転角位置」
２９ ポジション「目標−実際調整角比較」
３０ ポジション「調整モータの駆動制御」
３１ ポジション「保持」
３２ ポジション「進角調整」
３３ ポジション「遅角調整」
３４ 帰線

Claims (10)

1. 内燃機関（１）のカムシャフト（５）の電気的カムシャフト調整装置（６）の調整モータ（８）の目標調整回転数を得るための制御構造であって、
   前記カムシャフト調整装置（６）は、少なくとも１つの制御部（１９, ２２, １９' ）を有しており、
   当該制御部は内燃機関（１）の測定信号から、調整モータ（８）に対する制御信号を生じさせる形式のものにおいて、
   前記制御部（１９, ２２, １９' ）は入力信号として目標値および実際値から成る差信号を有し、出力信号として調整モータ（８）に対して定められた被制御目標調整回転数信号を有し、
   当該制御された目標調整回転数信号に、制御されていない回転数信号が加えられる、
   ことを特徴とする、電気的なカムシャフト調整装置の調整モータに対する制御構造。
2. カムシャフト調整角に関する位置制御と、調整モータ回転数に関する付加的な回転数制御が設けられている、請求項１記載の制御構造。
3. 前記位置制御および回転数制御に対する制御部として、殊にＰ制御部またはＰＩ制御部またはＰＩＤ制御部または予測制御部または観測制御部が用いられる、請求項２記載の制御構造。
4. 前記予測制御部（２２）は、カムシャフト（５）の各調整角跳躍に依存して、前記調整モータ（８）によってこれに対して使用可能な時間内でかろうじて遅延可能な調整回転数を設定する、請求項３記載の制御構造。
5. 前記位置制御に対して有利には予測制御部（２２）が設けられ、前記回転数制御に対して有利にはＰＩＤ制御部（１９' ）が設けられており、
   前記予測制御部およびＰＩＤ制御部は、個々にまたは直列接続して使用される、請求項４記載の制御構造。
6. 位置制御の場合には、前記予測制御部（２２）は入力信号としてカムシャフト（５）の実際調整角（１７）と目標調整角（８）の間の差信号（１７±１８）を有しており、
   出力信号（２０' ）として調整モータ（８）に対する制御された目標調整回転数を有しており、
   加えられる回転数はカムシャフト回転数（２１）である、請求項５記載の制御構造。
7. 回転数制御の場合には、前記ＰＩＤ制御部（１９' ）は入力信号として調整モータ（８）の実際調整回転数（２３）と目標調整回転数（２４）の間の差信号（２３±２４）を有しており、
   出力信号（２０''）として、調整モータ（８）に対する制御された目標調整回転数を、電圧値またはデユーティーファクター変調された電圧の形で有しており、
   加えられる回転数は調整モータ（８）の、制御されておらずかつ電圧変更された目標調整回転数（２４）である、請求項５記載の制御構造。
8. 前記予測制御部（２２）とＰＩＤ制御部（１９' ）が直列接続される場合、加えられるカムシャフト回転数（２１）を伴う予測制御部（２２）の出力信号（２０' ）は、電圧変更された形で、同時にＰＩＤ制御部（１９' ）の出力信号（２０''）に対する重畳信号（２０' ＋２１） として用いられる、調整請求項５記載の制御構造。
9. 有利には、回転数制御の前記ＰＩＤ制御部（１９' ）は電流制限機能を有しており、有利には二点電流制御部を有している、請求項８記載の制御構造。
10. 前記カムシャフト（５）の回転角位置は、カムシャフトセンサ（１０）によってまたは調整モータ（８）のホールセンサ（１３）によって測定される、請求項１記載の制御構造。

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