JP2008267191A - バルブ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度変動によるアクチュエータ特性の変動があった場合にも、バルブ開閉動作の際のオーバーシュート、逆ぶれを防止して、全閉・全開動作での高速動作が可能なバルブ制御装置を得る。
【解決手段】開弁方向または閉弁方向に移動させるリターントルクが付与されたバルブ３２の開閉制御を行う際に、リターントルクに対向するモータトルクを付与するモータ３０の位置制御を行い、モータの目標位置と位置検出結果との差分である位置偏差に基づいてモータ３０の駆動制御量を算出し、リターントルクおよびモータトルクのトルクバランスに応じてバルブ３２の開度を調整する制御演算処理部１５を備えるバルブ制御装置１０において、制御演算処理部１５で算出される駆動制御量の制限値を、モータの目標速度制限値と速度検出結果との差分である速度偏差に応じて決定する制限値演算処理部１１をさらに備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、スロットルバルブ、アクチュエータ、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎと称する）バルブなどを開閉制御するバルブ制御装置に関する。

従来から車載用エンジンでは、給排気空気量や排ガスの循環量をアクチュエータ（例えば、直流モータ、ブラシレスモータ、ステッピングモータ）により最適に駆動制御する電子制御式のバルブ制御装置が使用されている。このようなバルブ制御装置は、アクセルペダルの踏み込み量やエンジンの運転状態により設定された目標開度に一致するように、アクチュエータの挙動をポジションセンサで検出し、フィードバック制御またはオープン制御によってバルブを位置制御する（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１は、目標開度と検出開度との偏差、および水温に応じて、偏差が小さいときにフィードバック制御の比例ゲインを大きくするようにしている。これにより、小さな偏差においても、より大きく設定されたゲインによって大きな比例分を確保できる。この結果、摩擦抵抗に抗して駆動力を速やかに立ち上げることができ、応答性の良い微妙なスロットル操作が行われ、制御性能が向上する。

また、特許文献２は、リターンスプリングのみによってバルブが全開方向に移動する時間よりも長い時間で、バルブが全開方向に移動するような目標角度となる制御信号をアクチュエータに与えて、オープンループ制御するようにしている。この結果、信頼性が向上し、モータやメカ部品に対するダメージもなく、メカの衝突音・衝撃エネルギを低減できる。

さらに、特許文献３は、バルブが高温にさらされて、バルブ開閉の際の摩擦負荷が変動すると、特に、バルブ閉動作の際に、バルブを所定の閉位置に精度よく位置付けることができず、バルブが所定の閉位置よりも移動してしまい、いわゆるオーバーシュートが発生するという課題を挙げている。

そして、この課題に対して、ＰＷＭ制御するＰＷＭスイッチ素子と非ＰＷＭ制御する非ＰＷＭスイッチ素子とを直列接続し、その両スイッチ素子の接続点間にモータの端子を接続し、ＰＷＭスイッチ素子のオフ期間に非ＰＷＭスイッチ素子の全てをオンさせて、モータの巻線を短絡状態にすることで、バルブ閉動作の際のオーバーシュートを防止し、良好なバルブ閉動作を行うことができるとしている。

特開平７−３３２１３６号公報 特開２００５−１３３６２４号公報 特開２００５−２１４３０２号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
特許文献１の制御装置は、ＰＩＤ制御器の比例ゲインの大きさを、偏差および水温をもとに決定している。しかしながら、車載機器の使用電圧は、一般に、＋６Ｖ〜＋１５Ｖ程度と低いため、開度偏差が大きいときには、ＰＩＤ制御器で演算される平均電圧指令値（駆動制御量に相当）は、この電圧を越えた飽和状態で使われることが多い。

このため、偏差の大きい領域では、比例ゲインの大きさにかかわらず飽和電圧での平均電圧指令が与えられる。このような状態で、例えば、リターンスプリングの設定トルクが大きいアクチュエータを駆動させた場合には、たとえ偏差の小さい領域で比例ゲインを大きくしたとしても、バルブのオーバーシュートが生じてバルブがストッパーに衝突し、良好なバルブ閉動作を行うことが難しくなるという課題があった。

特許文献２の制御装置は、前述のリターンスプリングによるバルブ衝突を回避するために、リターンスプリングのみによってバルブが全開方向に移動する時間よりも長い時間で、バルブが全開方向に移動するような目標角度となる制御信号をアクチュエータに与えてオープンループ制御、あるいは、回生制動している。しかしながら、昨今の燃費、排ガス性能の向上の要求から、バルブには全閉・全開動作での高速動作が要求される場合が多く、全閉・全開動作を回生制動する方式では、応答速度が不足するという課題があった。

また、オープンループ制御では、エンジンルームの環境温度変化に対して、応答時間のばらつきが大きくなるという課題があった。また、目標角度に追従するような位置制御を構成した場合でも、その応答性能は、位置制御の応答性能によって制限されるため、より高速な応答を得ることが困難となる課題があった。

特許文献３の制御装置は、ＰＷＭ制御するＰＷＭスイッチ素子と非ＰＷＭ制御する非ＰＷＭスイッチ素子を直列接続し、その両スイッチ素子の接続点間にモータの端子を接続している。そして、ＰＷＭスイッチ素子のオフ期間に非ＰＷＭスイッチ素子の全てをオンさせて、モータの巻線を短絡状態にすることで、バルブ閉動作の際のオーバーシュートを防止し、良好なバルブ閉動作を行うことができるとしている。しかしながら、前述のように、全閉・全開動作での高速動作が要求される場合が多くなっており、応答速度が不足するという課題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、環境温度変動によるアクチュエータ特性の変動があった場合にも、バルブ開閉動作の際のオーバーシュート、および逆ぶれを防止して、良好な応答速度でバルブ開閉動作を行うことができ、全閉・全開動作での高速動作が可能なバルブ制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係るバルブ制御装置は、開弁方向または閉弁方向に移動させるリターントルクが付与されたバルブの開閉制御を行う際に、リターントルクに対向するモータトルクを付与するモータの位置制御を行い、モータの目標位置と位置検出結果との差分である位置偏差に基づいてモータの駆動制御量を算出し、リターントルクおよびモータトルクのトルクバランスに応じてバルブの開度を調整する制御演算処理部を備えるバルブ制御装置において、制御演算処理部で算出される駆動制御量の制限値を、モータの目標速度制限値と速度検出結果との差分である速度偏差に応じて決定する制限値演算処理部をさらに備えるものである。

本発明によれば、制御演算処理部で算出した駆動制御量の制限値を、目標速度制限値と検出速度との差分である速度偏差に応じて生成する制限値演算処理部を備えることにより、温度環境変化によるアクチュエータ特性の変動があった場合にも、バルブ開閉動作の際のオーバーシュート、および逆ぶれを防止して、良好な応答速度でバルブ開閉動作を行うことができ、全閉・全開動作での高速動作が可能なバルブ制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるバルブ制御装置を含むシステム全体の構成図である。図１のシステムは、バルブ制御装置１０、駆動回路２０、ＤＣブラシレスモータ３０、歯車３１、バルブ３２、リターンスプリング３３、およびポジションセンサ４０を含んで構成されている。

リターンスプリング３３に連結されたバルブ３２が歯車３１を介してＤＣブラシレスモータ３０で開閉される。リターンスプリング３３には、あらかじめプリトルクが設定されており、図１の例では、バルブ閉側にプリトルクが作用するようにしている。そして、モータ（ＤＣブラシレスモータ３０）の発生トルクがゼロの時には、プリトルクで設定されたトルクでバルブが機械端に押し当てられるようにしている。

ＤＣブラシレスモータ３０にはポジションセンサ４０が連結されており、バルブ制御装置１０は、ポジションセンサ４０による検出信号を取り込む。また、バルブ制御装置１０は、外部から目標位置を取り込む。そして、バルブ制御装置１０は、取り込んだ信号を演算処理して駆動制御量となる平均電圧指令を生成し、駆動回路２０へ平均電圧指令を送る。駆動回路２０は、平均電圧指令に比例したデューティ比でＰＷＭ変調された電圧をＤＣブラシレスモータ３０に印加する。

このようにして、ポジションセンサ４０による検出位置をフィードバックすることにより、バルブ３２の目標位置への位置制御が行われる。次に、バルブ制御装置１０の内部の詳細について説明する。図２は、本実施の形態１におけるバルブ制御装置１０の制御系のブロック図である。

図２に示したバルブ制御装置１０は、制限値演算処理部１１および制御演算処理部１５の２つの演算処理部に大別される。そして、制限値演算処理部１１は、速度演算部１２、速度制限制御器１３、および制限値補正演算部１４で構成される。一方、制御演算処理部１５は、フィードバック制御器１６、デューティ制限部１７、および電源電圧補正演算部１８で構成される。

ここで、本願発明によるバルブ制御装置１０は、ポジションセンサ４０による検出位置θと、外部からの目標速度制限値とに基づいて、デューティ制限部１７に与える制限値を、制限値演算処理部１１により速度偏差量に応じて修正していく点を技術的特徴としている。

制御演算処理部１５は、外部設定による目標位置θｃｏｍと、ポジションセンサ４０による検出位置θに基づいて、バルブの位置制御を行い、駆動回路２０に送る駆動制御量として平均電圧指令を算出する。

駆動回路２０は、電源電圧補正演算部１８で算出された平均電圧指令に基づいて、平均電圧指令に比例したデューティ比でＰＷＭ変調された電圧を発生し、ＤＣブラシレスモータ３０に印加する。

一方、制限値演算処理部１１は、制御演算処理部１５が出力する平均電圧指令の制限値を算出する役目を果たす。制限値演算処理部１１内の速度演算部１２は、ポジションセンサ４０による検出位置θの変化量から検出速度ωを算出する。速度制限制御器１３は、あらかじめ設定された目標速度制限値ωｃｏｍと、速度演算部１２で算出された検出速度ωとの速度偏差に対して速度ゲインを乗算する。

さらに、制限値補正演算部１４は、速度制限制御器１３により速度ゲインが乗算された速度偏差に対して補正演算を施し、制御演算処理部１５内のデューティ制限部１７に対する制限値の設定を行う。

次に、制限値演算処理部１１、および制御演算処理部１５の具体的な処理をフローチャートに基づいて説明する。図３は、本発明の実施の形態１における制限値演算処理部１１の一連の処理を示すフローチャートである。また、図４は、本発明の実施の形態１における制御演算処理部１５の一連の処理を示すフローチャートである。制限値演算処理部１１および制御演算処理部１５の処理は、所定の演算周期で実施される。

まず、図３の制限値演算処理部１１の処理について説明する。
制限値演算処理部１１は、あらかじめ設定された目標速度制限値ωｃｏｍを読み込むとともに、ポジションセンサ４０で検出された検出位置θを読み込む（ステップＳ３０１）。次に、速度演算部１２は、今回の検出位置θと前回サンプリングした検出位置θｏｌｄとの差分をとり、これを検出速度ωに設定する（ステップＳ３０２）。

次に、読み込んだ目標速度制限値ωｃｏｍと、速度演算部１２により算出された検出速度ωとの差分から、速度偏差ｅが算出される（ステップＳ３０３）。次に、速度制限制御器１３は、算出された速度偏差ｅと、あらかじめ設定された速度ゲインＫｖとの積を補正前制限値指令Ｄｌｏｗ＿ｐｒｅに設定する（ステップＳ３０４）。

次に、制限値補正演算部１４は、補正前制限値指令Ｄｌｏｗ＿ｐｒｅの上下限値が０〜２００％の範囲内の値に入るように制限する。すなわち、制限値補正演算部１４は、Ｄｌｏｗ＿ｐｒｅが０％以下であればＤｌｏｗ＿ｐｒｅを０％とし、Ｄｌｏｗ＿ｐｒｅが２００％以上であればＤｌｏｗ＿ｐｒｅを２００％とする（ステップＳ３０５）。

さらに、制限値補正演算部１４は、補正後のＤｌｏｗ＿ｐｒｅから１００を減じたものをデューティ制限部１７の制限値として用いる制限値指令Ｄｌｏｗに設定する（ステップＳ３０６）。最終的に設定される制限値指令Ｄｌｏｗは、−１００〜１００％の範囲内の値となり、リターンスプリング３３で設定されたプリトルクと同方向のモータトルクを発生させる平均電圧指令を制限するための、デューティ制限部１７の下限値の設定値として用いられる。

このような処理を行うことにより、ステップＳ３０３で算出された速度偏差ｅが負の場合には、ステップＳ３０４における補正前制限値指令Ｄｌｏｗ＿ｐｒｅも負となり、ステップＳ３０５において下限値０％の制限がかかり、ステップＳ３０６により最終的に設定される制限値指令Ｄｌｏｗは、−１００％となる。

一方、ステップＳ３０３で算出された速度偏差ｅが正の場合には、ステップＳ３０４における補正前制限値指令Ｄｌｏｗ＿ｐｒｅも正となり、ステップＳ３０５において上限値２００％の制限がかかり、ステップＳ３０６により最終的に設定される制限値指令Ｄｌｏｗは、速度偏差ｅの値に応じて、−１００％より大きく１００％以下の範囲の値となる。

なお、本実施の形態１では、リターンスプリング３３には、あらかじめプリトルクが設定されており、バルブ閉側にプリトルクが作用するようにしている関係で（図１参照）、制限値演算処理部１１で算出した制限値指令Ｄｌｏｗを、上述のようなデューティ制限部１７の下限値の設定値として用いている。しかしながら、他のアクチュエータの場合には、その負荷特性に合わせて、デューティ制限部１７の上限値のみ、あるいは、上下限値の両方を目標速度ωｃｏｍと検出速度ωから算出するようにしてもよい。

次に、図４の制御演算処理部１５の処理について説明する。
まず、制御演算処理部１５は、目標位置θｃｏｍを読み込むとともに、ポジションセンサ４０で検出された検出位置θを読み込む（ステップＳ４０１）。次に、読み込んだ目標位置θｃｏｍと、検出位置θとの差分から、位置偏差ｅが算出される（ステップＳ４０２）。

次に、フィードバック制御器１６は、位置偏差ｅに対してＰＩＤ制御演算を行い、演算結果を駆動制御量である平均電圧指令Ｄｕｔｙに設定する（ステップＳ４０３）。次に、デューティ制限部１７は、フィードバック制御器１６の演算結果である平均電圧指令Ｄｕｔｙの上下限値がＤｌｏｗ％〜１００％の範囲内の値に入るように制限する。ここで、下限値であるＤｌｏｗは、制限値演算処理部１１内の制限値補正演算部１４により設定された補正値指令Ｄｌｏｗに相当する。

すなわち、デューティ制限部１７は、ＤｕｔｙがＤｌｏｗ％以下であればＤｕｔｙをＤｌｏｗ％とし、Ｄｕｔｙが１００％以上であればＤｕｔｙを１００％とする（ステップＳ４０４）。

より具体的には、先の図３におけるステップＳ３０３で算出された速度偏差ｅが負の場合には、ステップＳ３０６により最終的に設定される制限値指令Ｄｌｏｗは、−１００％となる。この結果、デューティ制限部１７の下限設定は、−１００％が設定されることになり、図４のステップＳ４０４における平均電圧指令Ｄｕｔｙの上下限値の制限は、−１００％〜１００％の範囲で設定されることとなる。

一方、先の図３におけるステップＳ３０３で算出された速度偏差ｅが正の場合には、ステップＳ３０６により最終的に設定される制限値指令Ｄｌｏｗは、−１００％より大きく１００％以下の範囲の値となる。この結果、デューティ制限部１７の下限設定は、−１００％より大きく１００％以下の値が設定されることになり、図４のステップＳ４０４における平均電圧指令Ｄｕｔｙの下限値の制限は、−１００％より大きく１００％以下の値で設定されることとなる。

従って、速度偏差ｅが正の場合であり、かつ速度偏差ｅが十分小さい場合には、図４のステップＳ４０４における平均電圧指令Ｄｕｔｙの上下限値の制限は、−１００％〜１００％の範囲で設定される結果となる。また、速度偏差ｅが正の場合であり、かつ速度偏差ｅが大きい場合には、図４のステップＳ４０４における平均電圧指令Ｄｕｔｙの上下限値の制限は、１００％〜１００％の範囲で設定される結果となり、上下限の制限後の平均電圧指令Ｄｕｔｙは、１００％となる。

最後に、電源電圧補正演算部１８は、一定範囲内に制限された後のＤｕｔｙに対して、電源電圧補正（＝Ｄｕｔｙ×電源電圧÷基準電圧）を行い、駆動回路２０に与える電源電圧補正後の平均電圧指令Ｄｕｔｙ＿ｖとして設定する（ステップＳ４０５）。

この結果、バルブ制御装置１０から駆動回路２０に与えられる電源電圧補正後の平均電圧指令Ｄｕｔｙ＿ｖは、その下限値が制限値演算処理部１１により算出された補正値指令Ｄｌｏｗにより制限された値となる。そして、速度偏差ｅが負の場合には、従来のバルブ制御装置と同様に−１００％〜１００％の範囲でＤｕｔｙに制限がかけられるが、速度偏差ｅが正の場合には、従来のバルブ制御装置とは異なり、上限値は１００％であるのに対して、下限値は、速度偏差ｅの大きさに応じて−１００％〜１００％の範囲で設定されて制限がかけられることとなる。

次に、図１〜図４を用いて説明した本実施の形態１におけるバルブ制御装置１０の効果を、実際の動作例に基づいて説明する。図５〜図７は、従来のバルブ制御装置におけるバルブ開（Ｓｔｅｐｓ＝２３５）からバルブ閉（Ｓｔｅｐｓ＝０）へのステップ動作時の応答である。

これに対して、図８は、本発明の実施の形態１のバルブ制御装置におけるバルブ開（Ｓｔｅｐｓ＝２３５）からバルブ閉（Ｓｔｅｐｓ＝０）へのステップ動作時の応答である。なお、図５〜図８の（ａ）は、環境温度１２０°Ｃの場合を示しており、図５〜図８の（ｂ）は、環境温度３０°Ｃの場合を示している。

図５は、図２のブロック図におけるデューティ制限部１７の平均電圧指令Ｄｕｔｙの上下限値を−１００〜１００％と固定にして、バルブ閉近傍で制御ゲインを切り換えた場合の応答波形を示している。この図５の応答波形は、下限値を−１００％に固定した従来のバルブ制御装置による制御結果に相当し、バルブが衝突してバウンドしている様子が確認できる。

次に、図６は、図２のブロック図のデューティ制限部１７の平均電圧指令Ｄｕｔｙの上下限値を−２８〜１００％と固定にして、バルブ閉近傍で制御ゲインを切り換えた場合の応答波形を示している。この図６の応答波形は、下限値を−２８％に固定した従来のバルブ制御装置による制御結果に相当する。ここで、−２８％は、応答波形で逆ぶれが発生しない下限値の最小値に相当する。このような下限値設定を用いることにより、逆ぶれの発生は抑えられるものの、バルブ閉に到達する時間が４００ｍｓｅｃ以上となっている。

次に、図７は、ＤＣブラシレスモータ３０の全端子を短絡させた場合の応答波形を示している。過剰にブレーキトルクがかかるため、図７の応答波形においても、バルブ閉に到達する時間がかなり長いことがわかる。

これに対して、図８は、本実施の形態１におけるバルブ制御装置の応答波形を示している。速度偏差ｅが正の値のときに、その速度偏差ｅの値に応じて平均電圧指令Ｄｕｔｙの下限値の制限を可変にすることにより、オーバーシュート、および逆ぶれをほとんど生じずに、３５０ｍｓｅｃ以下でバルブ閉に到達していることがわかる。さらに、環境温度１２０℃、３０℃の応答時間の差も５０ｍｓｅｃ未満となっている。

以上のように、実施の形態１によれば、バルブ制御装置から駆動回路に与える駆動制御量の制限値を、目標速度制限値と検出速度との速度偏差を用いて決定する制限値演算処理部を備えている。この結果、リターンスプリングのばねトルクが強く、かつ、温度環境変化によるアクチュエータ特性の変動があるような状況でのバルブ制御を行う場合にも、バルブ開閉動作の際のオーバーシュートを防止して、良好な応答速度でバルブ開閉動作を行うことができる。

さらに、駆動制御量の制限値を−１００〜１００％の間で可変にしたので、モータのフィードバック制御器で算出した平均電圧指令と逆符号の平均電圧指令を駆動回路に与えることが可能となる。この結果、温度環境変化によるアクチュエータの特性変動がある場合や、強いリターントルクが作用する場合でも、バルブ開閉動作の際のオーバーシュート、および逆ぶれを防止でき、良好な応答速度でバルブ開閉動作を行うことができる。

さらに、目標速度制限値を、制御演算処理部内で算出される位置偏差に応じて可変にすれば、例えば、平均電圧指令が飽和状態であっても、偏差が大きいときに高速、偏差が縮まったときに低速とするような任意の速度パターンでの駆動が可能となる。この結果、バルブ閉時間を最小限にした高速なバルブ開閉動作を行うことができる。

本発明の実施の形態１におけるバルブ制御装置を含むシステム全体の構成図である。 本実施の形態１におけるバルブ制御装置の制御系のブロック図である。 本発明の実施の形態１における制限値演算処理部の一連の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における制御演算処理部の一連の処理を示すフローチャートである。 従来のバルブ制御装置におけるバルブ開（Ｓｔｅｐｓ＝２３５）からバルブ閉（Ｓｔｅｐｓ＝０）へのステップ動作時の応答である。 従来のバルブ制御装置におけるバルブ開（Ｓｔｅｐｓ＝２３５）からバルブ閉（Ｓｔｅｐｓ＝０）へのステップ動作時の応答である。 従来のバルブ制御装置におけるバルブ開（Ｓｔｅｐｓ＝２３５）からバルブ閉（Ｓｔｅｐｓ＝０）へのステップ動作時の応答である。 本発明の実施の形態１のバルブ制御装置におけるバルブ開（Ｓｔｅｐｓ＝２３５）からバルブ閉（Ｓｔｅｐｓ＝０）へのステップ動作時の応答である。

符号の説明

１０ バルブ制御装置、１１ 制限値演算処理部、１２ 速度演算部、１３ 速度制限制御器、１４ 制限値補正演算部、１５ 制御演算処理部、１６ フィードバック制御器、１７ デューティ制限部、１８ 電源電圧補正演算部、２０ 駆動回路、３０ ＤＣブラシレスモータ、３１ 歯車、３２ バルブ、３３ リターンスプリング、４０ ポジションセンサ。

Claims (3)

1. 開弁方向または閉弁方向に移動させるリターントルクが付与されたバルブの開閉制御を行う際に、前記リターントルクに対向するモータトルクを付与するモータの位置制御を行い、前記モータの目標位置と位置検出結果との差分である位置偏差に基づいて前記モータの駆動制御量を算出し、前記リターントルクおよび前記モータトルクのトルクバランスに応じて前記バルブの開度を調整する制御演算処理部を備えるバルブ制御装置において、
   前記制御演算処理部で算出される前記駆動制御量の制限値を、前記モータの目標速度制限値と速度検出結果との差分である速度偏差に応じて決定する制限値演算処理部をさらに備えることを特徴とするバルブ制御装置。
2. 請求項１に記載のバルブ制御装置において、
   前記制限値演算処理部は、前記駆動制御量の制限値を前記速度偏差に応じて−１００〜１００％の間で可変にすることを特徴とするバルブ制御装置。
3. 請求項１または２に記載のバルブ制御装置において、
   前記制限値演算処理部は、前記制御演算処理部で算出された前記位置偏差を読み込み、前記速度偏差を算出するための前記目標速度制限値を前記位置偏差に応じて可変にすることを特徴とするバルブ制御装置。

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