JP2006121856A - 電磁式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動制御時にコイル電流の立ち上がり遅れや可動子に発生する渦電流の影響で制御力が遅れるが、フィードバック制御に加えて適切な補償を行うことで高速、高精度、低振動、低騒音を達成し信頼性の高い電磁式アクチュエータを得る。
【解決手段】制御コントローラはエンジンの吸気排気のタイミングに合わせて目標変位ｘ＊を生成する。変位センサ出力はＡ／Ｄ変換器を通して制御コントローラへ取り込まれる。そして制御力指令値Ｆｍ＊を算出し、上記の演算手順に基づいて電流指令値ｉ＊を求める。可動子と鉄心のギャップ距離ｚ（ｘ）≦ｚminであり、かつ電流指令値ｉ＊＜ｉminのとき、最低電流指令値ｉminを出力する。そうでない場合はそのまま電流指令値を与える。そして電流指令値ｉ＊を駆動アンプへ出力する。
【選択図】図４

Description

本発明は、可動子の位置を測定する変位センサ出力を基に、コイルに流れる電流値を制御して可動子を所定の位置に移動し保持する電磁式アクチュエータに関するものである。

電磁力により可動子を所定の位置に移動させるものとして、内燃機関の吸気弁又は排気弁として機能する機関バルブの駆動制御装置が知られている。この装置においては、可動子が上鉄心から離れている場合には通電量を大きく、可動子が上鉄心に近づいた場合には通電量を小さくする通電量制御によって、上コイルに通電した際、上鉄心と可動子との間に磁路が形成され、この結果発生する電磁力により、この電磁力と上コイルばねと下コイルばねとにより、ばね力が釣り合う位置まで上方向へ可動子を移動させ、上コイルばねとに連結されている排気弁の先端を弁座の位置まで移動させ閉弁状態としている。
逆に、排気弁を開弁位置に移動させるには上コイルの通電を止める。そして、可動子を上側に吸引する電磁力がなくなると、上コイルばねと下コイルばねが発生する合力により可動子を下方向に移動させる。さらに上記と同様に通電量を制御することで可動子に連結されている排気弁の先端を下方向へ移動し開弁状態となる。これらの動作により開弁位置への移動がなされる。
なお、通電量は変位センサの検出値に基づいて制御装置の演算により決定されている。例えば、排気弁を閉閉弁位置あるいは開弁位置で保持するため、各々の状態での変位センサの検出値に基づいて制御装置で通電量を制御されている（例えば特許文献１参照）。

排気弁を内燃機関の運転に同期させて開閉駆動する際には電磁力波形の設定態様により通電量を決定する。可動部の質量Ｍ、ばね定数Ｋ、釣り合い位置基準の変位Ｘ、可動部速度Ｖのとき物理系エネルギは

である。
全開位置到達時における変位をＸ_ｍ、目標可動部速度をＶ_ｍとすると、同到達時に必要な物理系エネルギは

である。したがって全開位置へ到達するための必要なエネルギＣは

で定義される。

なお、これらの処理は以下の手順で実行される。まず、排気弁の変位が閾値以下であるかどうか判定する。次に可動子および下鉄心間のギャップΔＸを計算し、その後排気弁が全開位置に到達するための必要エネルギＣを算出する。そして、必要エネルギＣを供給するよう電磁力波形Ｆ（Ｘ）を決定し、この電磁力波形Ｆ（Ｘ）を発生するためのフィードフォワード電流ＩＦＦ（Ｘ，ΔＸ）を算出し、フィードフォワード電流ＩＦＦ（Ｘ，ΔＸ）を出力する。

特開２００２−３６４４３４号公報（図２０）

上記のような電磁式アクチュエータでは、物理系の必要エネルギＣ、電磁力波形Ｆ（Ｘ）の手順でそれぞれの値を算出し、フィードフォワード電流ＩＦＦ（Ｘ，ΔＸ）を決定していた。しかし、バルブ軸に発生する摩擦力の変化、可動子に発生する渦電流の影響による制御力の遅れ（ロスする）などに対しては考慮がなされていなかった。また、時間や温度環境により電磁力特性やばね定数が変動するため、必ずしも最適な電流値とはいえず、振動および騒音の抑制に限界があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、可動子が磁路形成用鉄心に吸引できないことを防止し、衝突速度が小さく低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得ることにある。

本発明に係る電磁式アクチュエータは、
通電時に磁束を発生するコイルと、
内部に上記コイルを配設し、通電時に磁路を形成して電磁力を発生する互いに離隔対応して設けられた複数の鉄心と、
前記複数の鉄心のうち、１つの鉄心のセンター穴に配設された摺動部材により、該センター穴の中心軸方向に移動可能に支持されたシャフトと、
前記コイルに交互に通電することにより前記複数の鉄心に交互に発生する前記電磁力、および前記シャフトの外周部に設けられたばねのばね力を受け、シャフトと一体となって前記複数の離隔した鉄心間を該センター穴の中心軸方向に移動可能に配設された板状の可動子と、
前記鉄心と可動子とのギャップを検出する変位センサと
前記可動子の目標変位生成手段と、
前記目標変位に基づいて前記可動子に与える制御力指令値算出手段と、
前記制御力指令値及び前記変位センサの出力値から求めた可動子と前記複数の鉄心のうち何れか１つの鉄心との上記ギャップ値より求まる、磁気吸引力と起磁力との間の非線形補償関数に基づいて、前記コイルに供給する電流指令値を決定する電流指令値算出手段と、
前記電流指令値に基づいて、前記コイルに通電するフィードバック電流をもつコイル通電手段とを備えたことを特徴とする。

本発明にかかる電磁式アクチュエータでは、電流制御手段は磁路形成用鉄心と可動鉄心のギャップ長が設定値以下に近づいたとき、少なくともある電流指令値を与える。これにより、電流制御手段はコイルのインダクタンスと駆動電圧で決まる電流値の立ち上がりの遅れを解消し、さらに制御力指令値と変位センサ出力値から電磁石の非線形性を考慮して精度よく電流指令値を求めることができるので、可動子が磁路形成用鉄心に吸引できないことを防止した電磁式アクチュエータが得られる。

また、電流制御手段の前段にあり制御力指令算出手段内の位相進み補償器により、渦電流の影響による制御力の遅れを小さくできるため、可動子が磁路形成用鉄心に吸引できないことを防止し衝突速度が小さく低振動で低騒音の電磁式アクチュエータが得られる。

また、電流制御手段は、ギャップ−磁気吸引力−起磁力の関係から精度よく電流指令値を求めることができるので目標軌道からずれがなく衝突速度の小さい電磁式アクチュエータが得られる。

また、バルブクローズ側からバルブオープン側もしくはバルブオープン側からバルブクローズ側へ移動時、保持側の電流値を一定期間０または小さくして移動開始させ、その後短時間（０．３〜３ｍｓ程度、好ましくは０．５〜２ｍｓ間）電流を通電しバルブ速度を低下させることで、可動子軸とバルブ軸の衝突速度、あるいはバルブ軸とシリンダヘッドの衝突速度を低下させて低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得られる。

また、バルブがシリンダヘッドに着座した状態から前記可動子を磁路形成用鉄心へ吸引するとき、制御力指令値もしくは電流指令値を時間に対して少しずつ増加させることで、急激な速度増加を防止する。したがって可動子と磁路形成用鉄心の衝突速度を低下させ、低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得られる。

また、可動子のソフトランディング状態を規定する位相面領域に対して、実軌道がどのエリアにあるかを判断して、制御力指令算出手段内の位相進み補償器やギャップが近づいたときの最低補償電流指令値を変更、更新することで、時間や温度など環境により可動子の衝突状態が変わっても最適なパラメータの自動設定によりソフトランディング状態を維持できるため、低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得られる。

また、目標軌道生成手段は、可動鉄心が磁路形成用鉄心に接触する位置やバルブがシリンダヘッドに着座する位置を、ステップ上に与えることで、時間や温度などの環境により可動子の移動速度が変わっても、目標位置をステップ状に与えた軌道で、低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得られる。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
・実施の形態１
図１は実施の形態１を示す電磁式アクチュエータの構成、図２は電磁式アクチュエータの制御ブロック図、図３（ａ）は磁気吸引力、起磁力、ギャップの関係を示す電磁力曲線、図３（ｂ）は各ギャップ値において磁気吸引力、起磁力の最大値について正規化した電磁力曲線、図４はアクチュエータ制御の手順を示すフローチャート図、図５（ａ）はフィードバック制御時の変位および電流値、図５（ｂ）はフィードバック制御＆補正電流を与えたときの変位および電流値である。

図１において、１１は固定部である筒型ケース、１２は筒型ケース１１の上部に取り付けられ上側の磁路を形成する積層構造の上鉄心、１２ａは上鉄心１２の内部に挿入し取り付けられた上部コイル、１３は筒型ケース１１の下部に取り付けられ下側の磁路を形成する積層構造の下鉄心、１３ａは下鉄心１３の内部に挿入し取り付けられた下部コイル、１４は上鉄心１２と下鉄心１３の間に配置された可動子、１９は可動子１４に固定されたアクチュエータシャフト、１５ａはシャフト１９に固定された上リテーナ、２１は固定部であるエンジンヘッド部、１７は上下方向に移動するようエンジンヘッド２１で摺動支持されたバルブ、１６ａはバルブ１７に固定された下リテーナ、１５は初期力を与えるよう圧縮状態で、一方を筒型ケース１１の台座にもう一方を上リテーナ１５ａに当接し下方向に力を発生している上コイルばね、１６は初期力を与えるよう圧縮状態で、一方をエンジンヘッド２１の台座にもう一方を下リテーナ１６ａに当接し上方向に力を発生している下コイルばね、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは可動子１４の変位を精度よく検出するため４つをブリッジ構成にしている渦電流式変位センサヘッドである（精度が許容できれば単一でも問題はない）。

また、２２は変位センサヘッド１８ａ〜１８ｄの出力を取り込んで変位に対応した電圧を出力する変位センサ回路、２３は変位センサ回路２２の電圧値をＡ／Ｄ変換して取り込み、例えばＤＳＰなどで制御力指令値および電流指令値を演算する制御コントローラ、２４、２５はそれぞれの電流指令値に基づいて上部コイル１２ａ、下部コイル１３ａに通電するＰＷＭ等の駆動アンプである。

次に図２について説明する。図２において、４１は位置制御ゲインＫｍ、４２は制御力指令値Ｆｍ＊と変位検出ｘから電流指令値ｉ＊を算出する非線形補償関数ｇ（Ｆｍ＊，ｘ）、４３はＤ／Ａ変換器、４４は電流フィードバックゲインＫｉ、４５はコイルの抵抗ＲとインダクタンスＬの特性を示すブロック、４６は電流値ｉと変位ｘから制御力Ｆｍの発生を示す関数ｆ（ｉ，ｘ）、４７は可動子１４を含む可動部の質量をｍとしたとき制御力Ｆｍから速度の変換を示すブロック、４８は可動部の速度を積分して変位の変換を示すブロック、４９は速度フィードバック制御ゲインＫｖ、５０は変位センサの出力に対して高域のノイズを抑制しながら変位を微分して速度に変換する擬似微分器、５１はＡ／Ｄ変換器、５２は変位センサ、５３は電磁式アクチュエータの減衰係数ｃ、５４は電磁式アクチュエータのばね定数ｋである。

また、図３について説明する。図３（ａ）（ｂ）は、図２の非線形補償関数４２のｇ（Ｆｍ＊，ｘ）の基準となる図である。図３（ａ）の横軸は磁気吸引力、縦軸は起磁力、○印の各系列はそれぞれのギャップでの解析値を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）の各ギャップ系列の磁気吸引力、起磁力の最大値について正規化した図である。

また、図４について説明する。図４において、ステップ３１（ステップはＳと略記しＳ３１と表記する。以下同様）で、エンジンの吸気や排気などのタイミングに応じて可動子１４の目標軌道ｘ＊を生成し、Ｓ３２では、例えばＡ／Ｄ変換器により変位値ｘを制御コントローラ内に取り込み、Ｓ３３で、制御コントローラ内の制御力指令値Ｆｍ＊を算出し、Ｓ３４では、制御コントローラ内の電流指令値ｉ＊を算出する。次に、Ｓ３５では、可動子１４と吸引側鉄心とのギャップ距離ｚ（ｘ）≦ｚ_ｍｉｎ（所定値。例えば２〜４ｍｍのある値）を判定し、Ｓ３６では、Ｓ３４で得られた電流指令値ｉ＊がｉ＊＜ｉ_ｍｉｎ（最低補償電流指令値。駆動の電圧が十分大きい場合にはｉ_ｍｉｎ＝０（ゼロ）と設定。）を満足するかどうかを判定した後、この条件を満足していれば、Ｓ３７では電流指令値ｉ＊＝ｉ_ｍｉｎ（最低補償電流指令値）に設定する。そして、Ｓ３８では、例えばＤ／Ａ変換器により、駆動アンプへ電流指令値ｉ＊を出力する。

さらに、図５について説明する。図５において、（ａ）はフィードバック制御で可動子を吸引できなかった時の変位および電流値について、（ｂ）は本方式のフィードバック制御＆補正電流で可動子を吸引できた時の変位および電流値の比較図である。

次に動作について説明する。図１の上コイルばね１５は自然長より圧縮状態で配置されており、筒型ケース１１側を支点として上リテーナ１５ａとシャフト１９を下方向に押す力が作用している。また、下コイルばね１６は自然長より圧縮状態で配置されており、エンジンヘッド２１を支点として下リテーナ１６ａとバルブ１７を上方向に押す力が作用している。この２つの作用力がシャフト１９の下端面とバルブ１７の上端面の接触で釣り合って、図のような中立位置で静止している。

例えば、バルブ１７を閉弁位置の上方向に移動させるには上コイル１２ａに通電すると、上鉄心１２と可動子１４の間で磁路が形成され、可動子１４を上側に吸引する電磁力が発生する。この電磁力と上コイルばね１５と下コイルばね１６の合力が釣り合う位置まで可動子１４は上方向へ移動する。

図２は吸引時における制御コントローラ２３内の制御則を示し、ｘ＊は目標軌道の変位、Ｋｍ（ｋに等しく設定）は位置フィードバックゲイン、Ｋｉは電流フィードバックゲイン、Ｌはコイルインダクタンス、Ｒはコイル抵抗、ｘは実際の変位（下側を正）、Ｋｖは速度フィードバックゲイン、ｃは減衰係数、ｋはばね定数、ｓはラプラス演算子である。このとき、制御力指令値Ｆｍ＊は以下の式で表せる。

ここで、Ｆｍ＊の符号は駆動するコイルを表している。例えば、バルブを開弁側に駆動する場合でＦｍ＊＞０となった場合、下コイル１３ａで駆動することが基準となる。逆に閉弁側に駆動する場合でＦｍ＊＜０となった場合、上コイル１２ａで駆動することが基準となる。変位センサやコイルの取り付け方向によっては符号が反対となるので矛盾が生じないように駆動コイルを選択する。

制御力指令値Ｆｍ＊から電流指令値ｉ＊への変換は、制御コントローラ内にあらかじめ記憶しておいた図３（ｂ）の各ギャップで正規化した多項式近似関数I(k)と図３（ａ）の磁気吸引力と起磁力のそれぞれの最大値であるFmax、NImaxから求める。
例えば、図３（ｂ）のギャップ０ｍｍ(gap0)での６次の多項式近似式は以下の式で表せる。

ここで各係数は最小二乗法により、a06＝30.33049163、a05＝-75.84590379、a04＝72.33699283、a03＝-31.63318427、a02＝6.081374156、a01＝-0.286904061、a00＝0.00824545と求めることができる。また、図３（ａ）の電磁力マップよりギャップ０ｍｍでの吸引力最大値Fmax0および起磁力最大値NImax0は、Fmax0=1440、NImax0=3000である。

ギャップ０ｍｍにおける制御力指令値Ｆｍ＊＝1000(Ｎ)に対して、指令電流値ｉ＊は以下の手順で決定する。まず、規格化係数値k0を求める。
k0＝Ｆｍ＊/Ｆmax0＝0.69 （６）
次に、規格化起磁力I0(k0)を求める。

最後にこの値に対してギャップ吸引力最大値NImax0を乗じて、起磁力を求める。

NI0＝I0(k0)*NImax0＝0.123*3000＝369
電流指令値ｉ＊は求めた起磁力に対して、コイルターン数Ｎで除算して出力する。
ｉ＊＝NI0／N （８）

各ギャップにおいて、正規化磁気吸引力と正規化起磁力の６次多項式近似関数は図３（ｂ）の実線で、最終的に求めた磁気吸引力Ｆと起磁力ＮＩの近似は図３（ａ）の実線で示している。この結果からわかるようにこの手順を用いることで精度よく近似できていることがわかる。多項式近似の次数は６次の例を示したが、電磁力曲線の形状や精度、演算速度などの仕様によりその次数を決定する。実際のギャップが記憶している曲線のギャップ上にある場合や、そうでない場合でもそれほど精度が必要でない場合は一番近い曲線を選択することにより電流指令値ｉ＊を求めることができる。しかし、ほとんどの場合は記憶している曲線上にはなく、精度よく電流指令値ｉ＊を求めたい時は挟まれる２つの曲線で線形補間して求める。

ギャップ０．１ｍｍ(gap1)において、図３（ｂ）の正規化した電磁力マップの６次多項式近似係数および、図３（ａ）の電磁力マップの磁気吸引力と起磁力の最大値は、a16＝11.04707718、a15＝-23.47041642、a14＝17.78831565、a13＝-4.209047042、a12＝-0.703377138、a11＝0.532677689、a10＝0.006726166、Fmax1＝1243、NImax1＝3000となる。

例えばギャップｚ＝０．０７ｍｍで制御力指令値Ｆ＊が７００Ｎであるとき、電流指令値ｉ＊は以下の手順で求める。この場合ギャップ値は０．０ｍｍと０．１ｍｍの間であり、この２つの各係数を用いて線形補間する。各係数は、以下の式で計算される。
az6=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(a16-a06)+a06=16.83210151
az5=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(a15-a05)+a05=-39.18306263
az4=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(a14-a04)+a04=34.1529188
az3=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(a13-a03)+a03=-12.43628821
az2=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(a12-a02)+a02=1.33204825
az1=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(a11-a01)+a01=0.286803164
az0=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(a10-a00)+a00=0.007181951
Fmaxz=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(Fmax1-Fmax0)+Fmax0=1302.3432
NImaxz=(z-gap0)/(gap1-gap0)*(NImax1-NImax0)+NImax0=3000

そして、電流指令値ｉ＊は以下の手順で同様にして求めることができる。
規格化係数値
kz＝Ｆｍ＊/Ｆmaxz＝700/1302=0.538 （９）
規格化起磁力

起磁力は、NIz＝Iz(kz)*NImaxz＝0.114*3000＝342となる。また、電流指令値はｉ＊＝NIz／Nで定められる。

次に、バルブを駆動する制御手順について、図４を用いて説明する。
制御コントローラ２３はエンジンの吸気排気のタイミングに合わせて目標軌道ｘ＊を生成する（Ｓ３１）。変位センサヘッド１８ａ〜１８ｄの出力は変位センサ回路２２で電圧値に変換されＡ／Ｄ変換器を通して制御コントローラ２３へ取り込まれる（Ｓ３２）。そして制御力指令値Ｆｍ＊を算出し（Ｓ３３）、上記の演算手順に基づいて電流指令値ｉ＊を求める（Ｓ３４）。可動子と鉄心のギャップ距離ｚ（ｘ）≦ｚmin（例えば２〜４ｍｍのある値）であり（Ｓ３５）、かつ電流指令値ｉ＊＜ｉminのとき（Ｓ３６）、最低補償電流指令値ｉminを出力する（Ｓ３７）。そうでない場合はそのまま電流指令値を与える。このようにして、電流指令値ｉ＊を決定する。

以上の制御手順を実際にコイルに通電した場合について、図５を用いて説明する。図５（ａ）はフィードバック制御系を示しているが、電流指令値に対して実電流は立ち上がりに遅れが発生する。この遅れ時間は、コイルのインダクタンス、抵抗、電圧により決まる。駆動の電圧が十分大きく、コイルのインダクタンスと抵抗から決まる１次遅れ時定数が０．１ｍｓ以下の小さい値の場合には、磁気吸引力が適切に作動し、可動子はキャッチされる。しかし、次世代の自動車用のバッテリーは、高電圧とはいえ４２Ｖでありそれほど高くない。このようなケースでは、起磁力を大きくするようコイルターン数は、通常数十〜数百ターンにするがこの影響でインダクタンスが大きくなる。したがって実電流の立ち上がりに遅れが生じて磁気吸引力も同様に遅れてしまう。そして図５（ａ）の変位で示すように可動子を引き付けることができず、ばね力により反対側へ移動して可動子のキャッチ失敗となる。

この実電流の立ち上がり特性を改善するため電流指令値ｉ＊に対して、電磁石と可動子のギャップｚ（ｘ）≦ｚmin（例えば、２〜４ｍｍのある値）かつｉ＊＜ｉminの場合は最低補償電流指令値ｉminを出力し、そうでない場合はそのままの電流指令値を与える。図５（ｂ）はフィードバック制御系に対して補正電流を与えた場合である。下鉄心位置からのギャップ距離ｚ（ｘ）がｚmin以下でかつ電流指令値ｉ＊がｉmin未満であるので電流指令値ｉminを与えている。このようにすることでフィードバック制御系で決まる電流指令値に対して立ち上がりの遅れを大きく改善でき制御力の遅れは小さくなる。したがって変位に示すように可動子をキャッチミスすることなく吸引でき、また鉄心へのソフトランディングも可能になる。なお、ギャップが離れているところで最低補償電流指令値ｉminを与えるため磁気吸引力はほとんど発生せず、駆動への悪影響はないので、最低補償電流指令値ｉminはコイルインダクタンス、コイルの抵抗、コイル駆動の電圧、電磁力特性、ばね定数などのアクチュエータ制御モデルにより決めるが、必要な場合は最大電流値に対して１０％〜５０％程度に設定することも可能である。

以上はバルブ１７を開弁位置に移動する場合を説明したが、閉弁位置に移動させるにも目標軌道を与えることで同様に動作は可能である。

以上述べたことを通じて、電流制御手段はコイルのインダクタンスと駆動電圧で決まる電流値の立ち上がりの遅れを解消でき、さらに制御力指令値と変位センサ出力値から電磁石の非線形性を考慮して精度よく電流指令値を求めることができるので、可動子が磁路形成用鉄心に吸引できないことを防止した電磁式アクチュエータが得られる。

・実施の形態２
実施の形態２について図６〜図８を用いて説明する。図６は、図２の制御ブロックに対して可動子に発生する渦電流による制御力の遅れと、バルブに加わる排気圧力負荷を考慮した制御を示したものである。４１〜５４については、図２と同様でありその説明を省略する。５５は位相進み補償器（Ｔ２＞Ｔ１）、５６は可動子に発生する渦電流により生じた力Ｆｅ（ｔ，ｘ，ｉ）、５７はシリンダ内に発生する圧力負荷Ｆｄ（ｔ）である。

まず、圧力負荷Ｆｄ（ｔ）＝０とすると、Ｆｅ（ｔ，ｘ，ｉ）は時間ｔ、変位ｘ（またはギャップｚ（ｘ））、実電流ｉの関数となっておりそのモデル化は単純ではない。しかし可動子吸引時でギャップが小さくなる場合は、図７のようなモデルで考えることができる。ギャップ3〜4mm、電流値０では磁束密度０、磁気吸引力０から、ギャップ0mm、最終電流値ｉへ遷移するとき磁束密度φi、磁気吸引力Ｆ_φiとなる。

フィードバック制御系の場合で理想的に通電できたと仮定すると（例えば図５（ａ）の電流指令値と同じように実電流を通電できたと仮定）、可動子はその強度を考えると鉄系材料であるため渦電流が吸引力を打ち消す方向に発生する。渦電流は時間が経つれてその作用は無くなるため、この遅れは簡易的に１次遅れ系の１／（１＋Ｔe＊s）で近似できる。変位ｘ、電流ｉの変化は吸引時にはほぼ同一のパターンと仮定し、１次遅れ系の時定数へ含めている。電磁式アクチュエータでは、実験的にＴe＝0.0005〜0.002と求められ、この制御力の遅れを改善するため位相進み補償器５５を配置している。この位相進み補償器は実際のアクチュエータ特性に対応して設計し、例えば時定数Ｔe＝0.0005〜0.002の場合、周波数100〜500Hz、位相進み+10〜+40degが良い。

排気圧力負荷Ｆｄ（ｔ）が発生した場合も同様に考える。バルブが開く前の圧力最大値はＦｄmaxである。しかし、バルブが開くと圧力は大気圧まで低下し０となる。時間が経つにつれてその作用力が無くなるため、その排気圧力が１次遅れ１／（１＋Ｔd＊s）であるとすると、これに対応するように位相進み補償器５５を設定することで同様に制御できる。

渦電流による制御力の遅れと負荷外乱の両者を含めて１次遅れ１／（１＋Ｔed＊s）であるとして、位相進み補償器を設計することも可能である。

次に、位相進み補償器を与えたときの制御手順について、図８を用いて説明する。Ｓ４１では、制御コントローラ２３がエンジンの吸気排気のタイミングに合わせて目標変位ｘ＊を生成する。Ｓ４２では、変位センサヘッド１８ａ〜１８ｄの出力が変位センサ回路２２で電圧値に変換されＡ／Ｄ変換器を通して制御コントローラ２３へ取り込まれる。そしてＳ４３では、バルブの駆動周期で更新される位相進み補償器を設定し、Ｓ４４では、制御力指令値Ｆｍ＊を算出し、Ｓ４５では、電流指令値ｉ＊を求める。例えば閉弁位置への移動の場合、Ｓ４６で、電流指令値ｉ＊は上コイル駆動アンプ２４へ出力され、駆動アンプ２４は上コイル１２ａへ通電する。

なお、電流指令値ｉ＊の算出後、Ｓ４５で、必要に応じて実施の形態１のように最低補償電流指令値ｉminを与えることで電流立ち上がりの遅れも解消でき、さらに良好な制御が得られることはいうまでもない。

以上により、実施の形態２によれば、電流やギャップの変化により可動子に渦電流が発生し制御力が遅れるため、可動子が磁路形成用鉄心に吸引できなかったりあるいは激しい衝突が発生するなどしていたものに位相進み補償器を与えることにより、この渦電流の影響による制御力の遅れを小さくできるため目標変位からずれのない、低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得ることができる。

・実施の形態３
実施の形態３について、図９〜図１３を用いて説明する。図９はエンジンバルブ駆動時の各状態で、（ａ）はValveOpen位置であるＶＯ位置、（ｂ）は中立位置、（ｃ）は可動子〜鉄心間のギャップがある場合のValveClose１位置(ＶＣ１位置)、（ｄ）は可動子〜鉄心間のギャップがない場合ValveClose２位置(ＶＣ２位置)を示している。１サイクルはＶＯ→中立→ＶＣ１→ＶＣ２→ＶＣ１→中立→ＶＯの各状態を遷移し、各部品の衝突は４回発生する。

それぞれの衝突は、（１）ＶＯ位置において可動子１４を下鉄心１３へ吸引するときの衝突、（２）バルブ１７がシリンダヘッド２１へ着座するときの衝突、（３）バルブ１７が着座した位置から可動子１４を上鉄心１２に吸引するときの衝突、（４）その後シャフト１９がバルブ１７へ衝突するときである（図９ではそれぞれの番号は丸付数字で表記。以下同様。また図１０〜図１３でも同様）。（３）、（４）の衝突については可動子１４を上鉄心１２に吸引保持したとき、シャフト１９とバルブ１７の間にクリアランス0.2〜0.3mm設けるために発生する。これは温度上昇によりバルブが伸張し閉弁できなくなることを防止するため一般のエンジンに設けられている。

実施の形態１および実施の形態２で説明した方法では、主に（１）、（２）における部品同士の衝突を低減するために有効に働く。しかし（３）と（４）における衝突については距離が近く動作時間が短いため、フィードバック制御系では有効ではない。そこで、これらの衝突時の騒音を改善するためフィードフォワード制御系を適用する。

図１０は電磁式アクチュエータの１サイクルの試験結果で、各補償要素を含むフィードバック制御とフィードフォワード制御を併用したときで、変位、速度、上コイル電流、下コイル電流の関係を示している。

図１１は（４）シャフト１９とバルブ１７の衝突時の各波形を示し、このときはフィードフォワード制御を行う。可動子１４の移動を開始させるため上コイルの電流値を小さくし、その後シャフト１９とバルブ１７の衝突速度を低減するため電流値を大きくする。このような電流波形をフィードフォワード制御で与えることで、衝突速度は所定値（代表値としては0.2m/s程度の値）に低減できる。このような状態をソフトランディング状態と以下呼ぶ。

図１２は、（２）バルブ１７がシリンダヘッド２１へ着座するときの制御を示す。バルブ伸張がない場合クリアランスの影響のため、中立位置からの距離は開弁位置に対してバルブ着座位置が0.2〜0.3mmほど近い。したがって開弁位置から着座位置への移動時はシャフト１９に摩擦力等の外乱が作用しない場合、着座時の衝突速度が大きくなってしまう。そこで移動開始時に電流値を小さくして可動子１４を下鉄心１３から離脱させ、その後電流値を上げて可動子の速度を低減するフィードフォワード制御に、バルブ着座にフィードバック制御（＋補償要素）を適用することで衝突速度を所定値（例えば0.2m/s）以下のある値に設定するソフトランディング状態を実現することができる。

図１３は（３）バルブ１７が着座した位置から可動子１４を上鉄心１２に吸引するときで、電流値を増加させるフィードフォワード制御を行っている。ここでは下コイルばね１６に発生している力がバルブ着座により失われるので、上側の磁気吸引力でそれを受け持つ必要がある。しかし、その制御力指令値Ｆ＊を与えた場合、急峻な電流値の増加となり急激な速度増加となる恐れがある。また、クリアランス距離0.2〜0.3mmでは動き始めた瞬間に衝突してしまい、フィードバック制御系では少々難しい。そこでバルブ着座後に少しずつ上コイル電流指令値ｉ＊を大きくし可動子１４の急激な速度増加を抑えながら可動子を引き上げることができる。また、制御力指令値Ｆ＊を少しずつ上げることでも同様の効果を期待できる。

図１０〜図１３の動作は全て、消費電力が小さくなるように可動子を鉄心に吸引する制御としているが、消費電力が多少大きくなってもよい場合には、その動作は選択的に実施する。

以上述べたように、実施の形態３によれば、フィードバック制御に加えてフィードフォワード制御により、可動子軸とバルブ軸の衝突速度、あるいはバルブ軸とシリンダヘッドの各衝突速度が所定値（例えば0.2m/s）以下のある値となるソフトランディング状態を実現することができるので、低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得ることができる。

・実施の形態４
実施の形態４について、図１４〜図１７を用いて説明する。図１４は可動子１４を下鉄心１２へのキャッチ失敗した各波形、図１５は上鉄心１３へのキャッチ失敗した各波形、図１６は下鉄心１３へのキャッチ時における変位−速度の位相面軌跡を表し、成功時と失敗時の比較である。図１７は上鉄心１２へのキャッチ時における変位−速度の位相面軌跡を表し、成功時と失敗時の比較である。

図１６において、キャッチミス時（図１４）の軌跡はソフトランディング時（図１０の（１））の軌跡と比較すると、変位が最大ストロークより手前の２〜３．３ｍｍで速度が急に低下していることがわかる。これは補正電流や位相進み補償器をうまく設定できていないためであり、ソフトランディング時のような経路をとるようにこれらを与える必要がある。そこで、ソフトランディング領域ｖ＝ｆ１（ｘ）、ｖ＝ｆ２（ｘ）を定義し、実際のランディング軌道（ｘｔ、ｖｔ）に対して、ｖｔ＜ｆ２（ｘｔ）であれば補正電流や位相進み量を大きくするように設定する。逆に、ｖｔ＞ｆ１（ｘ）となれば補正電流や位相進み量を小さくする方向で設定する。

図１７においては、下コイルに与えている電流値による速度低減が必要以上に大きく作用しているか、あるいはシャフトやバルブの軸受け等に発生している摩擦力が大きいため、変位０ｍｍの位置での速度がソフトランディング時と比較すると遅い。したがって、この場合下コイルに与えている電流値は小さくして、ｖ＝ｆ１（ｘ）、ｖ＝ｆ２（ｘ）で決定されるソフトランディング領域内に近づける。例えばこの場合は、変位０ｍｍの位置で−３ｍ／ｓ程度に近づけるよう下コイルに与えている電流値を小さくする。さらに図１６で設定したよう必要に応じて補正電流や位相進み補償器を与え、ソフトランディング領域内のカーブに近づける。
以上のように制御補償を行うことで最適なソフトランディング制御を行うことができる。

以上説明したように、実施の形態４によれば、環境や時間的な変化によりアクチュエータのモデルが変化してもそれに応じた最適なパラメータを設定することで、低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得ることができる。

・実施の形態５
実施の形態５について、図１８、図１９を用いて説明する。図１８は、可動子１４が上鉄心１２と下鉄心１３に衝突するときの速度を低減してソフトランディングをする目標軌道1を示す。図１９は、バルブ１７の先端がエンジンヘッド２１に、可動子１４が上鉄心１２に、シャフト１９がバルブ１７の軸に、可動子１４が下鉄心１３にそれぞれ接触するときの衝突速度を低減する目標軌道２を示す。

図１８は目標軌道例１を示す。この場合、可動子１４が上鉄心１２と下鉄心１３に接触するときの速度を低減してソフトランディングをする目標軌道である。区間０は可動子１４の保持区間をあらわし、バルブ閉の状態で保持されるため電流指令値ｉ＊＝ｉ_Ｕに設定される。区間１は自由運動区間を示し、電流指令値ｉ＊＝０に設定される。区間２は要素を含むフィードバック制御則で決定される電流指令値ｉ＊となる。区間３はバルブ開の状態でバルブが保持されるため電流指令値ｉ＊＝ｉ_Ｌに設定される。そして区間４は自由運動区間を示し、電流指令値ｉ＊＝０に設定される、区間５は補償要素を含むフィードバック制御則で決定される電流指令値ｉ＊となる。そして区間０となり電流指令値ｉ＊＝ｉ_Ｕに設定される。以上のような動作でバルブ駆動が繰り返される。

目標軌道例１ではバルブ１７の先端がエンジンヘッド２１に、あるいはシャフト１９がバルブ１７の軸に衝突する際の速度低減は行っていない。このときの衝突による振動や騒音が問題となる場合は、バルブ閉位置での衝突速度を落とすため図１９の目標軌道２のように設定する。

目標軌道２の場合、まず区間０は可動子１４の保持区間をあらわし、バルブ閉の状態で保持されるため電流指令値ｉ＊＝ｉ_Ｕに設定される。区間１は自由運動区間を示し、電流指令値ｉ＊＝０に設定するとばね力により可動子１４は鉄心１２から離脱し移動開始する。区間２では、バルブが動き出した後で、コイル１２aにフィードフォワード電流指令値ｉ＊＝ｉ_ｆＵを与え、シャフト１９がバルブ１７の軸に衝突する速度を低減する。このときの衝突速度が例えば０．２ｍ／ｓ以下になるように設定する。区間３はバルブが自由に運動する区間でｉ＊＝０に設定される。区間４では補償要素を含むフィードバック制御則に従い、電流指令値ｉ＊となる。区間５のバルブ開の状態でバルブが保持されるため電流指令値ｉ＊＝ｉ_Ｌに設定される。区間６では自由運動区間を示し、電流指令値ｉ＊＝０に設定するとばね力により可動子１４は鉄心１３から離脱し移動開始する。区間７では前述したようにバルブ着座までの振幅が小さいため、可動子１４の速度を低減させるようフィードフォワード電流指令値ｉ＊＝ｉ_ｆＬを与える。区間８は自由運動区間を示し、電流指令値ｉ＊＝０に設定される。区間９は補償要素を含むフィードバック制御則で決定される電流指令値ｉ＊でバルブ１７がシリンダヘッド２１へ着座しバルブが閉じる。

その後、区間ａにおいてバルブ閉位置で保持されている時に少しずつ制御力を大きくすると、区間ｂで可動子１４が鉄心１２へ移動し吸引される。その後再び区間０となり電流指令値ｉ＊＝ｉ_Ｕに設定される。以上のような動作でバルブ駆動が繰り返される。

以上説明したように、実施の形態５によれば、部品衝突時についてステップ状の目標軌道を与えることで、各部品間の衝突速度を低減できるので、低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得る。また、熱によるバルブの伸張の影響があってもそれに対応して目標軌道を与えればよいので、同様に低振動で低騒音の電磁式アクチュエータを得ることができる。

この発明の実施の形態１による電磁式アクチュエータを示す全体構成図である。 この発明の実施の形態１による電磁式アクチュエータを示す制御ブロック図である。 この発明の実施の形態１で、（ａ）は磁気吸引力、起磁力、ギャップの関係を示す電磁力曲線、（ｂ）は各ギャップ値において磁気吸引力、起磁力の最大値について正規化した電磁力曲線である。 この発明の実施の形態１による電磁式アクチュエータの制御の手順を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１で、（ａ）はフィードバック制御時の変位および電流値、（ｂ）はフィードバック制御＆補正電流を与えたときの変位および電流値である。 この発明の実施の形態２による、可動子に発生する渦電流の制御力遅れと、バルブに加わる排気圧力負荷を考慮した電磁式アクチュエータの制御ブロック図である。 この発明の実施の形態２による、可動子に発生する渦電流による制御力の遅れをあらわす近似モデルである。 この発明の実施の形態２による電磁式アクチュエータの制御の手順を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態３によるエンジンバルブ駆動時の各状態で、ＶＯ(ValveOpen)位置、中立位置、ＶＣ(ValveClose)位置を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による電磁式アクチュエータの１サイクルの試験結果である。 この発明の実施の形態３による電磁式アクチュエータの試験結果で、アクチュエータシャフトとバルブ衝突時の各波形を示す。 この発明の実施の形態３による電磁式アクチュエータの試験結果で、バルブがシリンダヘッドへ着座するときの各波形を示す。 この発明の実施の形態３による電磁式アクチュエータの試験結果で、バルブ着座から可動子を上鉄心に吸引するときの各波形を示す。 この発明の実施の形態４による可動子を下鉄心へ吸引できなかったときの各波形を示す。 この発明の実施の形態４による可動子を上鉄心へ吸引できなかったときの各波形を示す。 この発明の実施の形態４による下鉄心へキャッチ時における変位−速度の位相面軌跡を表し、ソフトランディング領域、成功時、失敗時を示している。 この発明の実施の形態４による上鉄心へキャッチ時における変位−速度の位相面軌跡を表し、ソフトランディング領域、成功時、失敗時を示している。 この発明の実施の形態５による可動子の目標軌道1を示す。 この発明の実施の形態５による可動子の目標軌道２を示す。

符号の説明

１１ 筒型ケース、
１２ 上鉄心、
１２ａ 上部コイル、
１３ 下鉄心、
１３ａ 下部コイル、
１４ 可動子、
１５ 上コイルばね、
１５ａ 上リテーナ、
１６ 下コイルばね、
１６ａ下リテーナ、
１７ バルブ、
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 変位センサ、
１９ シャフト、
２１ エンジンヘッド部、
２２ 変位センサ回路、
２３ 制御コントローラ、
２４、２５ コイル駆動アンプ、
４１ 位置制御ゲインＫｍ、
４２ 非線形補償関数ｇ（Ｆｍ＊，ｘ）、
４３ Ｄ／Ａ変換器、
４４ 電流フィードバックゲインＫｉ、
４５ コイル抵抗ＲとインダクタンスＬの特性を示すブロック、
４６ 制御力発生関数ｆ（ｉ，ｘ）、
４７ 可動部の速度変換ブロック、
４８ 可動部の変位変換ブロック、
４９ 速度フィードバック制御ゲインＫｖ、
５０ 擬似微分器、
５１ Ａ／Ｄ変換器、
５２ 変位センサ、
５３ 減衰係数ｃ、
５４ ばね定数ｋ。

Claims (9)

1. 通電時に磁束を発生するコイルと、
   内部に上記コイルを配設し、通電時に磁路を形成して電磁力を発生する互いに離隔対応して設けられた複数の鉄心と、
   前記複数の鉄心のうち、１つの鉄心のセンター穴に配設された摺動部材により、該センター穴の中心軸方向に移動可能に支持されたシャフトと、
   前記コイルに交互に通電することにより前記複数の鉄心に交互に発生する前記電磁力、および前記シャフトの外周部に設けられたばねのばね力を受け、シャフトと一体となって前記複数の離隔した鉄心間を該センター穴の中心軸方向に移動可能に配設された板状の可動子と、
   前記鉄心と可動子とのギャップを検出する変位センサと
   前記可動子の目標変位生成手段と、
   前記目標変位に基づいて前記可動子に与える制御力指令値算出手段と、
   前記制御力指令値及び前記変位センサの出力値から求めた可動子と前記複数の鉄心のうち何れか１つの鉄心との上記ギャップ値より求まる、磁気吸引力と起磁力との間の非線形補償関数に基づいて、前記コイルに供給する電流指令値を決定する電流指令値算出手段と、
   前記電流指令値に基づいて、前記コイルに通電するフィードバック電流をもつコイル通電手段と、
   を備えた電磁式アクチュエータ。
2. 電流指令値算出手段は、前記可動子と前記１つの鉄心とのギャップが、前記可動子が前記鉄心に吸引される値以下であるとき、上コイル及び下コイルに最低補償電流指令を与えることを特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチュエータ。
3. 電流指令値算出手段と前記制御力指令値算出手段との間に、制御力指令値の位相を進める位相進み補償器を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチュエータ。
4. 電流指令値算出手段は、前記可動子と前記１つの鉄心とのギャップ及び磁気吸引力指令値から算出した起磁力から求められる電流指令値をコイル通電手段に与えることを特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチュエータ。
5. シャフトのリテーナ側端面とシャフト軸方向に対向する端面をもち、当該軸の同軸方向に移動可能なバルブと、
   前記バルブの開閉によって、吸気、排気を行うシリンダヘッドと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチュエータ。
6. 鉄心との衝突速度が所定の速度となる可動子のソフトランディング状態を規定する変位と速度の関係を示す領域を位相面で定義し、実際の可動子の軌道が該領域から外れないように、前記制御力指令値算出手段内の前記位相進み補償器の位相進み角度が変化するように前記位相進み補償器の係数を変更し、前記可動子と前記１つの鉄心との距離が所定値以下になったときの最低電流指令値を変更しかつ更新することを特徴とする請求項３に記載の電磁式アクチュエータ。
7. バルブがシリンダヘッドに着座し、かつ可動子が上側の鉄心にギャップ０で保持されバルブが閉じた状態であるバルブクローズ状態から、可動子が下側の鉄心にギャップ０で保持され、バルブが開いた状態であるバルブオープン状態へ、又は、バルブオープン状態からバルブクローズ状態への遷移時に、上側コイルの電流値を一定期間０または小さい値として、可動子を移動開始させ、その直後０．３〜３ｍｓの間、電流をコイルに通電し、可動子に電磁力を発生させバルブ速度を低下させることを特徴とする請求項５に記載の電磁式アクチュエータ。
8. バルブがシリンダヘッドに着座した状態から前記可動子を前記鉄心へ吸引するとき、電流指令が５〜２０Ａ／ｍｓｅｃとなるように制御力指令値又は電流指令値を増加させることを特徴とする請求項５に記載の電磁式アクチュエータ。
9. 目標変位生成手段は、前記可動子が前記鉄心に接触する位置や前記バルブがシリンダヘッドに着座する位置を、階段状に目標変位を与えることを特徴とする請求項５に記載の電磁式アクチュエータ。
   
   

Images