JP2008525691A - 内燃機関用電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキを調整する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は内燃機関用電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキを調整する方法及び装置に関する。回転速度の計画的調整を実現するために、電気式カムシャフトアジャスタの調整モータ用の周知の調整構造は、内燃機関の測定信号から調整モータ用制御信号を発生させる少なくとも１つのレギュレータを備えている。カスケード調整（１）中、位相角は位置コントローラ（２０）によって調整され、さらにクランクシャフトに対するカムシャフトの位相角の調整速度は調整速度調整装置（３０）によって調整される。他の調整装置（４０）は、電気ブレーキに流れる電流（１５）を調整する。カスケード調整（１）の調整挙動の改良のため、パイロット制御が採用される。本発明は、内燃機関用電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキに特に適している。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の内燃機関のカムシャフト用電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキを調整するための装置を動作させる方法、及び請求項９に記載の、この方法を実行するための装置に関する。

クランクシャフトに対するカムシャフトの位相角は、受動式（無駆動）カムシャフトアジャスタで変更できる。これらのカムシャフトアジャスタは、例えば、ブレーキ及び総和駆動ギア（特許文献１）、又はブレーキ及びレバー機構（特許文献２）から構成され、ここでレバー機構が総和駆動ギアのように働く。一般に、無接点式であるので、磨耗せずに動作するヒステリシスブレーキがブレーキとして使用される。

位相角を維持及び調整するために、総和駆動ギア（ｓｕｍｍｉｎｇ ｇｅａｒ）の作動入力における、すなわち作動シャフトにおけるブレーキの可変トルクが、カムシャフトの位相角の変化をもたらすので、コントローラが必要である。ブレーキを掛けると作動シャフトを減速する、ゆえに総和駆動ギアによって位相角を変更し、総和駆動ギアとしてネガティブギア装置（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｇｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）の場合、その位相角は進角方向に調整される。

ブレーキが解除される場合、作動入力は、カムシャフトの負荷トルクが原因で加速し、位相角は、ネガティブギア装置が使用される場合、遅延角方向に調整される。位相角が一定である場合、つまり歯車機構での相対的運動がないときの結合状態とみなされる場合、作動シャフトは、カムシャフト回転速度に保持されなければならない。

従来技術による電気式カムシャフトアジャスタの調整モータ用制御構造は、例えば、特許文献３に記載されている。電気式カムシャフトアジャスタ用調整モータの設定調整回転速度に到達させる制御構造は、前記文献に記載されており、そのカムシャフトアジャスタは、内燃機関の測定信号から調整モータ用制御信号を発生させる少なくとも１つのコントローラを有する。

コントローラは、入力信号としての設定値及び実値から成る差動信号、及び出力信号として、モータの調整を目的とし、未調整回転速度信号が加えられる、調整設定調整回転速度を有する。電流制限機能の例としての位置コントローラ、回転速度コントローラ、結合位置及び回転速度コントローラ及び２点電流コントローラの２つの実施形態が提案される。

独国特許出願公開第１００ ３８ ３５４ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２ ４７ ６５０ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２ ５１ ３４７ Ａ１号明細書

本発明は、このような制御構造の制御挙動、又は制御構造自体をさらに改良することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する内燃機関のカムシャフト用電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキを調整するための装置を作動させる方法、及び請求項１０に記載の、この方法を実行するための装置によって達成される。

請求項１によれば、カスケードコントローラにおいて、カムシャフトの位相角は位置コントローラによってカスケードコントローラ内で制御され、さらに位相角の調整速度は調整速度コントローラによって制御され、電気ブレーキを通る電流は他の調整装置によって調整され、パイロット制御はカスケードコントローラの制御挙動を改良するために使用される。

本発明の利点は、パイロット制御がカスケードコントローラの制御挙動を著しく改良し、制御品質を高めることにあり、その結果、カムシャフトの位相角のより高速且つより正確な調整が可能となる。このことは次にそれぞれの負荷状態に適合された内燃機関の動作の改良を可能にし、燃費が低減され、磨耗が減少し、振動やその結果起こる損傷及び快適性の損失が回避される。

請求項４によれば、パイロット制御の目的のために、クランクシャフト回転速度は、電流調整装置においてより正確となるように、カスケードコントローラの追加的特性変数として考慮に入れられる。クランクシャフトの回転速度の大きさは、（エンジン）制御装置においてほとんど常に利用可能であるので、追加センサ、（ＣＡＮ）バスでの追加信号又はソフトウエアの追加問い合わせの必要はない。請求項２、３及び５〜７は、この変数が有利に考慮に入れられることを提案する。

カスケードコントローラ内のパイロット制御によってクランクシャフトの回転速度を考慮に入れる利点は、一般に、前述のプラス効果のある、カムシャフトの位相角の、ゆえに内燃機関全体のより高速且つより正確な調整である。

最後に、本発明の１つの有利な実施形態において、請求項８によれば、オブザーバ付きモデルベース実値推定器を用いてヒステリシスブレーキを通る電流を調整することが提案される。

コントローラによって電流を調整するだけで、前述の結果として得られた全利点を備えた、カスケードコントローラの制御挙動、ゆえにカムシャフトの位相角の調整をすでに著しく改良している。オブザーバ付きモデルベース実値推定器は、制御構造の優れた制御挙動がその全体で維持されることを可能にし、さらに電流センサを省略でき、支出やコストがゆえに著しく低く抑えられるのでコストの削減になる。

本発明の他の有利な実施形態は、他の請求項、説明及び／又は図面で明記される。

本発明を例示的実施形態によって及び図を参照して説明する。

本発明は、特に内燃機関のカムシャフトの電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキに適している。

図１は、電気式カムシャフトアジャスタの−ロータ付−電気ブレーキ（詳細に図示せず）用カスケードコントローラ１を示し、カスケードコントローラ１は、位相角調整用位置コントローラ２０、位相角の調整速度設定用調整速度コントローラ３０、閉ループ又は開ループコントローラであり、それを用いて電気ブレーキを通る電流が調整される電流調整装置４０、被制御システム１８（作動電子システム、強い非線形電流／トルク曲線の特性を持つ電気ブレーキ、作動歯車及びカムシャフトを含む）、及び位置感知ユニット１９を有する、カスケードコントローラ１は通常（エンジン）制御装置５０の一部である。カスケードコントローラ１の設定変数２は、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相角の変化に関する変数Δθ_sollである。

加算器３において、実位相角Δθ_istに関する実変数４が設定変数２から差し引かれ、入力変数として位置コントローラ２０に送られ制御誤差５を与える。位置コントローラ２０の出力変数は制御変数６（位相角の設定調整速度Δω_soll）であり、この制御変数６は他の加算器７に送られ、それから設定変数８が加算器７内で差し引かれる。位置感知ユニット１９によって供給される設定変数８は、位相角の実調整速度Δω_istである。かくして、制御誤差１０は、調整速度コントローラ３０に送られる。

調整速度コントローラ３０の出力変数１１は、電流調整装置４０に入力変数として送られるトルクＭ＿Ｒｅｇｌｅｒである。さらに、クランクシャフトの回転速度に関する変数４６（ｎ＿ＫＷ）並びに、電気ブレーキの（又はそのロータの）回転に関する変数４８（ｗ＿ｂｒｅｍｓｅ）も電流調整装置４０に送られる。変数４６（ｎ＿ＫＷ）は通常（エンジン）制御装置５０内で得ることができ、さらに変数４８（ｗ＿ｂｒｅｍｓｅ）は位置感知ユニット１９内で計算される。電流調整装置４０の出力変数１２は、被制御システム１８内のブレーキ用作動ユニットに送られる電圧Ｕ_aである。カムシャフトのトルク（Ｍ_NW）は干渉変数１３として被制御システム１８に作用する。被制御システム１８の出力変数１４は、使用されるセンサシステムにより（測定）変数θ_Steller（ブレーキの位置）又はθ_NW（カムシャフトの位置）である。

電流調整装置４０は開ループ又は閉ループコントローラであってもよい。それが閉ループコントローラである場合、ブレーキ用電流ｉ_Stellerに関する第２の出力変数１５が、被制御システム１８の出力として得られ、電流調整装置４０に送られる。

被制御システム１８の出力変数１４（θ_Steller、すなわち、ブレーキの位置又はθ_NW、すなわち、カムシャフトの位置）は、位置感知ユニット１９に送られる。さらに、他の変数として、クランクシャフトの位置が変数１６（θ_KW）として位置感知ユニット１９に送られる。

出力変数１４がθ_Steller（ブレーキの位置）である場合、位置θ_NW（カムシャフトの位置）が、θ_KW（クランクシャフトの位置）を使用して位置感知ユニット１９内で計算される。カムシャフトの回転速度ｎ_NW及びクランクシャフトの回転速度ｎ_KWは、時間経過に伴うそれぞれの位置の変化から位置感知ユニット１９内で計算される。出力変数４は、クランクシャフトに対するカムシャフトの実位相角θ_ist＝θ_NW−θ_KW／２である。

出力変数８は、クランクシャフトに対するカムシャフトの実調整速度Δω_ist＝ｎ_NW−ｎ_KW／２である。調整速度コントローラ３０はゆえに位置コントローラ２０がカムシャフト回転速度ｎ＿ＮＷに対し不作動であり（制御変数６が０である）ゆえに調整速度０に設定しているときブレーキの回転速度（ｗ＿ｂｒｅｍｓｅ）を調整する。位置コントローラ２０はゆえに有利に負荷から解放され、その機能は、位相角を維持するのではなく、追加調整角度を設定するだけである。

図２は基本的に図１からの電流調整装置４０の実施形態を例示する。電流調整装置４０は開ループ又は閉ループコントローラであり、本例示的実施形態ではコントローラ（オブザーバ付き実値推定器）が使用される。

調整速度コントローラ３０の出力変数１１（図１）であるトルクＭ＿Ｒｅｇｌｅｒが入力４１の入力変数として電流調整装置４０に、次に第１の変数として加算器４４に送られる。パイロット制御を実行して制御挙動を改良するために、クランクシャフトの回転速度に関する変数４６（ｎ＿ＫＷ）が第２の入力４５を介して電流調整装置４０に送られる。クランクシャフトの回転速度（ｎ＿ＫＷ）４６は、電気ブレーキの中央負荷トルクが、例えば換算表の形で、記憶される回転速度依存特性曲線４９によってトルク（Ｍ＿ｖｏｒｓｔ）５１に変換される。このトルク（Ｍ＿ｖｏｒｓｔ）５１は次に同じように第２の変数として加算器４４に送られる。第１のトルク（Ｍ＿Ｒｅｇｌｅｒ）１１及び第２のトルク（Ｍ＿ｖｏｒｓｔ）５１から加算器４４内で形成された合計は設定トルク（Ｍ＿ｓｏｌｌ）４３を与える。

このパイロット制御は、カスケードコントローラ１（図１）の制御挙動の全体的な改良をもたらす目的を有する。一定の位相角が保持されているときには、電気ブレーキはカムシャフトの及び連結アセンブリの歯車の変速比で除した中央負荷トルクを補償しなければならない。この負荷トルクは既知であり、それは、第２のトルク（Ｍ＿ｖｏｒｓｔ）５１の形で考慮に入れられ、続いて第１のトルク（Ｍ＿Ｒｅｇｌｅｒ）１１に加算され、それは次に設定トルク（Ｍ＿ｓｏｌｌ）４３をもたらす。

設定トルク（Ｍ＿ｓｏｌｌ）４３は、例えば、電流調整装置４０内の換算表として、記憶される、電気ブレーキの反転電流／トルク特性曲線４２によって電流（Ｉ＿ｓｏｌｌ）５６に変換され、さらにこの電流（Ｉ＿ｓｏｌｌ）５６は乗算器５５に送られる。

反転電流／トルク特性曲線４２は、（被制御システム１８内に収容された）ブレーキの強い非線形電流／トルク特性曲線を補償することによってカスケードコントローラ１（図１）の制御挙動の全体的改良をもたらす目的を有する。全制御回路１に対し、このことは、非線形電気ブレーキの反転特性曲線へのその直列接続（乗算）に対応するのでブレーキの非線形効果が相殺される（図３）。

電気ブレーキ（又はそのロータ）の回転に関する変数（ｗ＿ｂｒｅｍｓｅ）４８も、第３の入力４７を経由して電流調整装置４０に送られる。この変数（ｗ＿ｂｒｅｍｓｅ）４８は、符号ブロック５３に送られ、その出力信号５４が、例えばブレーキの回転方向により変数（ｗ＿ｂｒｅｍｓｅ）４８の形で正又は負の絶対値（又はブレーキが回転していない、すなわち、内燃機関が駆動されていない場合はゼロ）となる。符号ブロック５３の出力信号５４は、電流（Ｉ＿ｓｏｌｌ）５６と同じように、第２の変数として乗算器５５に送られる。

乗算器５５内では、電流（Ｉ＿ｓｏｌｌ）５６は、信号５４から得られる符号を乗じられ、さらに電気ブレーキの回転方向もゆえにカスケードコントローラ１内で包含される。つまり、例えば電気ブレーキの負方向の回転があると、符号の反転が起こる。電流５７（正又は負の符号を有するか又は内燃機関が駆動されていない場合には電流はない）は、乗算器５５の出力信号としてこの乗算から得られ、前記電流は加算器６１に送られて、出力信号６２となる。

乗算器５５によって、電気ブレーキの非線形性が、アクチュエータシステムを制動モードに制限することで考慮に入れられる。アクチュエータとして使用される電気ブレーキは、制動できるだけで、駆動できない。調整速度コントローラ３０（図１）がトルク（Ｍ＿Ｒｅｇｌｅｒ）１１（図１）の、又は設定電流１５（図１）の符号の変化を出力する場合、それはトルクの方向の符号の変化も予想される。しかしながら、電気ブレーキは、電流の方向に関係なく、常に制動トルクを発生する（Ｍ_Bremse（Ｉ）＝Ｍ_Bremse（−Ｉ））。

この理由で、トルク（Ｍ＿Ｒｅｇｌｅｒ）１１又は設定電流１５は、ゼロ以上の値（≧０）に制限され（この場合正の電流が制動モードを表す）、負の値はゼロに設定される。符号規約により、反転はコントローラ１内で同様に実現可能である（ゼロ以下の値（≦０）までに制限し、さらにこの場合、負の電流が制動モードを表す）。

内燃機関の低回転速度において、カムシャフトの交互のトルクは、ブレーキのロータの回転方向の短時間の反転をもたらす（図４参照）。ロータの回転の逆転方向での制動も調整方向を逆転させる。つまり、コントローラ１はゆえに不安定となり、一方向の設定調整信号は調整過程を逆方向に誘発させることになろう。その問題は、乗算器５５内のロータの回転速度の符号５４を電流（Ｉ＿ｓｏｌｌ）５６又はトルク（Ｍ＿Ｒｅｇｌｅｒ）１１に乗じることによって解決される。

乗算器５５の出力信号としての電流５７は、一方で、その目的については以下で説明される、他のパイロット制御６０に送られて出力信号（Ｕ＿ｓｔａｔ）６４となり、他方で、加算器６１に送られて、加算器６１は、他の実電流調整装置６３の制御誤差６２を形成する働きをし、さらに出力信号（Ｕ＿ｄｙｎ）６６が出力される。

他のパイロット制御６０において、電流５７にブレーキのコイルのオーム抵抗が掛けられる。出力信号（Ｕ＿ｓｔａｔ）６４は、制御挙動を最適化するために、他の加算器６５によって、他の実電流調整装置６３の出力信号（Ｕ＿ｄｙｎ）６６に加算され、出力信号（Ｕ＿ｏｕｔ）６７となる。

他の加算器６５の出力信号（Ｕ＿ｏｕｔ）６７は電圧リミッタ６８に送られ出力信号６９となり、出力信号６９は次に、一方で、電流推定装置（オブザーバ）７０に送られ出力信号（ｉ＿ａｂｓｃｈ）７１となり、他方で、出力７２に送られ出力信号（Ｕ_ａ）１２（Ｕ_ａはＵ＿ｏｕｔに対応する）となる。

電流推定装置７０の出力信号（ｉ＿ａｂｓｃｈ）７１は、加算器６１に送られ、そこで信号５７から差し引かれ、それは次に電流調整装置６３用入力信号６２を与える。

電流調整装置６３内での電流調整は、オブザーバとしての電流推定装置７０付きモデルベースの実値推定器によって実行される。電気ブレーキを通る電流を測定するための電流センサ及び設定実値比較手段への関連測定値のループバックはゆえに省略される。オブザーバ７０は、信号（Ｕ＿ｏｕｔ＝Ｕ_a）６９の形状を観察し、時間経過に伴う電気ブレーキの電圧／時間挙動をモデル化し、理想的には温度特性、例えば電気抵抗の変化（温度補償）をも考慮に入れる。

図３は、ｘ軸２２、ｙ軸２３及び３つの曲線２４、２５及び２６を示すグラフ２１である。曲線２４は、ｘ軸２２に電流Ｉ及びｙ軸２３にトルクＭとした電気ブレーキの強度の非線形電流／トルク特性曲線２４Ｍ＝ｆ（Ｉ）である。曲線２５は、電流調整装置４０（図１、２）内で使用される関連反転特性曲線Ｉ＝ｆ（Ｍ）を示し、ｘ軸２２にトルクＭ及びｙ軸２３に電流Ｉを有する。曲線２６は、ブレーキの特性曲線２４、及びコントローラ内で使用される反転特性曲線２５の直列接続で得られる線形化である。

図４は、時間軸３２及び回転速度の軸３３、及び曲線３４で電気ブレーキのロータの時系列形状を示すグラフ３１である。

カムシャフトの交互のトルクによってもたらされた、内燃機関の低回転速度における電気ブレーキのロータの回転方向の短時間の逆転は、曲線３４に示される。回転方向のこの逆転は、曲線３４がゼロラインより下に延びると起こる。

電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキ用カスケードコントローラの基本図を示す。 電流調整装置の実施形態の基本図を示す。 電気ブレーキの高度非線形電流／トルク特性曲線、コントローラで使用される関連反転特性曲線及び直列接続に起因する線形化を示す図である。 カムシャフトの交互トルクによって引き起こされた、内燃機関の低回転速度における電気ブレーキのロータの回転方向の短時間の逆転を示す図である。

Claims (10)

1. 内燃機関のカムシャフト用電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキの調整用装置を動作させる方法であって、
   − カスケードコントローラ（１）内で、その位相角が位置コントローラ（２０）によって制御され、さらにクランクシャフトに対する前記カムシャフトの位相角の調整速度が調整速度コントローラ（３０）によって制御され、
   − 前記電気ブレーキを通る電流（１５）が他の調整装置（４０）によって調整され、
   − パイロット制御が前記カスケードコントローラ（１）の制御挙動を改良するために使用される、方法。
2. 前記電気ブレーキの第１のトルク（Ｍ＿Ｒｅｇｌｅｒ）の形の入力変数（１１）が制御装置（５０）によって前記他の調整装置（４０）に第１の特性変数として供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第２の特性変数（ｎ＿ＫＷ、４６）が前記他の調整装置（４０）に供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. クランクシャフト回転速度（ｎ＿ＫＷ）が前記他の調整装置（４０）に第２の特性変数（４６）として供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記クランクシャフト回転速度（ｎ＿ＫＷ）が、制御装置（５０）内に記憶された、前記電気ブレーキ用トルク／回転速度特性曲線（４９）によって第２のトルク（Ｍ＿ｖｏｒｓｔ、５１）に変換されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第１のトルク（Ｍ＿Ｒｅｇｌｅｒ、１１）及び前記第２のトルク（Ｍ＿ｖｏｒｓｔ、５１）が第３のトルク（Ｍ＿ｓｏｌｌ、４３）を形成するために加算器（４４）で加算されることを特徴とする請求項２及び５に記載の方法。
7. 前記第３のトルク（Ｍ＿ｓｏｌｌ、４３）が前記電気ブレーキの反転電流／トルク特性曲線（４２）によって電流（Ｉ＿ｓｏｌｌ、５６）に変換されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記速度コントローラ（３０）の制御誤差（１０）を決定する位相角の実調整速度（８）が前記内燃機関のカムシャフト回転速度とクランクシャフト回転速度を１／２倍した速度との間の差から決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記電気ブレーキを通る電流がオブザーバ（７０）付きモデルベースの実値推定器（６３）により調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法を実行するための内燃機関のカムシャフト用電気式カムシャフトアジャスタの電気ブレーキを調整する装置であって、
    − 前記装置がカスケードコントローラ（１）を有し、さらに前記カスケードコントローラ（１）自体がクランクシャフトに対する前記カムシャフトの位相角を制御する位置コントローラ（２０）、及び位相角の調整速度を制御する調整速度コントローラ（３０）を有し、
    − 前記装置が前記電気ブレーキを通る電流（１５）を調整する他の調整装置（４０）を有し、
    − さらに、前記装置が、前記カスケードコントローラ（１）の制御挙動を改良するためにパイロット制御を有する、装置。

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