JP2009047102A - 車両駆動ユニットの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両駆動ユニットの制御装置に関し、計算機の演算負荷を増大させることなく、車両駆動ユニットの各種機能に関する要求を適切に実現できるようにする。
【解決手段】要求発生階層１０、調停階層２０及び制御量設定階層３０とからなる階層型の制御構造とし、上位の階層から下位の階層へ一方向に信号を伝達する。要求発生階層１０には各種機能に関する要求を数値化して出力する要求出力要素１２，１４，１６を機能毎に設ける。調停階層２０には要求の分類毎に調停要素２２，２４，２６を設ける。各調停要素２２，２４，２６は担当する分類の要求値を集約し、規則に従って１つの要求値に調停する。制御量設定階層３０には調停された各要求値を相互の関係に基づいて調整する調整部３２と、調整された要求値に基づいて複数のアクチュエータ４２，４４，４６の夫々の制御量を演算する制御量演算要素３４，３６，３８とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両駆動ユニットの制御装置に関し、詳しくは、車両駆動ユニットの各種の機能に関する要求を複数のアクチュエータの協調制御によって実現させる制御装置に関する。

車両駆動ユニットの制御に関する技術としては、例えば、特開平１０−２５０４１６号公報（以下、特許文献１）に開示されたものや、特開平５−８５２２８号公報（以下、特許文献２）に開示されたものが知られている。

特許文献１に開示されたものは、機械的資源や熱的資源等を発生する発生源と、これらの資源を消費する消費部との間に調整部を設け、発生源の資源供給量と消費部の資源消費量との関係を調整部にて調整するようにしたものである。より詳細には、調整部が発生源と消費部の夫々に資源供給量と資源消費量とを問い合わせて集約し、各消費部への資源配分を決定した上で発生源での資源発生量と消費部の資源消費量とを決定している。

一方、特許文献２に開示されたものは、制御構造を階層構造とし、階層の最上位に位置する運転者の要求を階層の最下位に位置する各走行機能のアクチュエータに一方向に伝達するようにしたものである。
特開平１０−２５０４１６号公報 特開平５−８５２２８号公報

特許文献１の技術によれば、調整部が発生源と消費部との間で相互通信を行なうことで、複数の消費部からの要求を適切に実現させることができる。しかしその一方で、調整部からの問い合わせ、問い合わせに対する回答、及び資源の発生量、消費部への配分決定後の通知といった複数回の通信を行なう必要があるため、計算機には多大な演算負荷が加わることになる。一般に、車両駆動ユニットの制御装置は複数のタスクを並列に処理しているため、１つのタスクの実行に要する計算機の演算負荷はできるだけ小さいことが好ましい。

これに対し、特許文献２の技術によれば、信号の伝達が上位の階層から下位の階層への一方向であるために計算機の演算負荷は小さくて済む。しかし、特許文献２の技術で実現できる要求は１つ（運転者からの要求）のみであり、複数の要求を実現できるようにはなっていない。車両駆動ユニットでは、ドライバビリティや燃費等の機能に関する要求は複数存在する。これらの要求を単に重ね合わせただけでは、各アクチュエータを適切に動作させることができず、要求の実現が不十分になるだけでなく、車両駆動ユニットの運転に破綻が生じてしまうおそれもある。

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、計算機の演算負荷を増大させることなく、車両駆動ユニットの各種機能に関する要求を適切に実現できるようにした車両駆動ユニットの制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、車両駆動ユニットの各種の機能に関する要求を前記車両駆動ユニットの動作に関わる複数のアクチュエータを協調制御して実現する制御装置であって、
要求発生階層と、前記要求発生階層の下位に設けられた調停階層と、前記調停階層の下位に設けられた制御量設定階層とからなり、上位の階層から下位の階層へ一方向に信号が伝達される階層型の制御構造を有し、
前記要求発生階層には、前記車両駆動ユニットの機能に関する要求を出力する要求出力要素が機能毎に設けられ、
前記調停階層には、予め定められた要求の分類毎に調停要素が設けられ、各調停要素は、前記要求発生階層から出力された要求値のうち担当する分類の要求値を集約し、予め定められた規則に従って１つの要求値に調停するように構成され、
前記制御量設定階層には、前記調停階層にて調停された各要求値を相互の関係に基づいて調整する調整部と、前記調整部で調整された要求値に基づいて前記複数のアクチュエータの夫々の制御量を演算する制御量演算要素とが設けられていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記制御量演算要素はアクチュエータ毎に設けられていることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記の各階層に対し共通の信号を並列に配信する共通信号配信系統を有し、前記共通信号配信系統を通じて前記車両駆動ユニットの運転条件及び運転状態に関する信号が配信されることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記要求出力要素は、前記車両駆動ユニットの機能に関する要求を前記車両駆動ユニットの動作に係る物理量であって予め定められた複数の物理量のうちの何れかで表現して出力するように構成され、
前記調停要素は、前記の物理量毎に設けられ、前記要求発生階層から出力された要求値のうち担当する物理量で表現された要求値を集約するように構成されていることを特徴としている。

第５の発明は、第４の発明において、
前記車両駆動ユニットは内燃機関であり、前記複数の物理量とはトルク、効率及び空燃比であることを特徴としている。

第６の発明は、第５の発明において、
前記調整部は、前記調停階層にて調停されたトルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値のうち、効率要求値或いは空燃比要求値を調整することを特徴としている。

第７の発明は、第５又は第６の発明において、
前記の各種の機能にはドライバビリティに関する機能と、排気ガスに関する機能と、燃料消費に関する機能とが含まれることを特徴としている。

第８の発明は、第５乃至第７の何れか１つの発明において、
前記の複数のアクチュエータには前記内燃機関の吸入空気量を調整するアクチュエータと、前記内燃機関の点火時期を調整するアクチュエータと、前記内燃機関の燃料噴射量を調整するアクチュエータとが含まれることを特徴としている。

第９の発明は、第１乃至第８の何れか１つの発明において、
前記調停階層にて調停された複数の要求値のうち少なくとも２つの要求値間には優先順序が予め設定されており、
前記調整部は、前記制御量演算要素にて制御量の演算に使用される複数の要求値間の関係が前記車両駆動ユニットの適正運転を可能とする関係となるように、優先順位の低い側から順に少なくとも１つの要求値を調整することを特徴としている。

第１０の発明は、第９の発明において、
前記車両駆動ユニットは複数の運転モードが選択可能であって、選択された運転モードに応じて前記の優先順序が変更されることを特徴としている。

第１１の発明は、第１０の発明において、
前記調整部は、調整対象である要求値の上限及び／又は下限を規制するガードを含み、調整対象である各要求値の優先順位に応じて各ガードの規制範囲を変更することを特徴としている。

第１の発明によれば、最上位の要求発生階層から出力された要求は、最下位の制御量設定階層まで一方向に伝達されるので、上下の階層間で信号のやり取りを伴うことがない分、計算機の演算負荷を低減することができる。また、制御量設定階層に伝達された各要求値は相互の関係に基づいて調整され、調整された要求値に基づいて各アクチュエータの制御量が演算されるので、要求発生階層でどのような要求が出力された場合でも車両駆動ユニットの運転に破綻が生じることがないようアクチュエータを協調させることができる。つまり、第１の発明によれば、計算機の演算負荷を増大させることなく各種機能に関する複数の要求を適切に実現することができる。

さらに、第１の発明によれば、車両駆動ユニットの機能を追加する場合には、それに応じた要求出力要素を要求発生階層に追加で設け、その要求値が分類される調停要素に接続するだけでよい。要求発生階層から調停階層への信号の伝達は一方向であり、しかも、要求発生階層では同一階層内の要素間で信号の伝達が行なわれないので、要求出力要素の追加によって他の要素の設計が変わることはない。追加した要求出力要素から出力された要求値は、他の要求出力要素から出力された要求値とともに調停要素にて集約され１つの要求値に調停される。

第２の発明によれば、車両駆動ユニットの制御に使用するアクチュエータを追加する場合には、それに応じた制御量演算要素を制御量設定階層に追加で設けて調整部に接続するだけでよい。調整部から各制御量演算要素への信号の伝達は一方向であり、しかも、制御量演算要素間で信号の伝達が行なわれないので、制御量演算要素の追加によって他の要素の設計が変わることはない。

第３の発明によれば、車両駆動ユニットの運転条件や運転状態を参照しながら各アクチュエータの制御量を決定することができるので、要求の実現に向けて各アクチュエータをより的確に動作させることができる。また、車両駆動ユニットの運転条件及び運転状態に関する信号は各階層に対して並列に配信されるので、階層間における信号の伝達負荷の増大を防止することができる。

第４の発明によれば、予め決められた何れかの物理量で要求を表現することで、要求を物理量毎に集約して調停することができる。また、調停された要求値に基づいて各アクチュエータの制御量が算出されるが、車両駆動ユニットの動作に係る物理量を用いて要求を表現しておけば、各アクチュエータの動作に的確に要求を反映させることができる。つまり、車両駆動ユニットの各機能に関する要求を容易に実現することができる。

なお、車両駆動ユニットが内燃機関の場合、その出力はトルク、熱、排気ガスということができ、これらの出力は内燃機関の各種の機能に関係している。また、これらの出力を制御するためのパラメータはトルク、効率及び空燃比の３種の物理量に集約することができる。したがって、車両駆動ユニットが内燃機関の場合、その機能に関する要求はトルク、効率及び空燃比の３種の物理量を用いて表現するのが好ましい。

第５の発明によれば、内燃機関の各種の機能に関する要求をトルク、効率及び空燃比の３種の物理量によって表現し、トルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値に基づいて各アクチュエータの制御量を演算することで、内燃機関の出力に要求が反映されるよう各アクチュエータの動作を制御することができる。

第６の発明によれば、正確なトルク制御を実施しつつ、効率や空燃比に関連する他の要求も可能な限り実現することができる。

第７の発明によれば、内燃機関の機能であるドライバビリティ、排気ガス及び燃料消費に関する要求を容易に実現することができる。ドライバビリティに関する要求は、例えば、トルクや効率で表現することができる。排気ガスに関する要求は、例えば、効率や空燃比で表現することができる。燃料消費に関する要求は、例えば、効率や空燃比で表現することができる。

第８の発明によれば、吸入空気量、点火時期及び燃料噴射量の制御によって内燃機関の各機能に関する要求を容易に実現することができる。吸入空気量はトルク要求値と効率要求値とに基づいて算出することができる。点火時期はトルク要求値に基づいて算出することができる。燃料噴射量は空燃比要求値に基づいて算出することができる。ただし、要求値はあくまでも制御量の計算に使用する情報の１つであり、制御量の計算には要求値だけでなく内燃機関の運転条件や運転状態に関する情報（推定トルク、回転数等）を用いることができる。

第９の発明によれば、優先順位が高い要求値はそのままアクチュエータの制御量に反映され、優先順位が低い要求値は調整された上でアクチュエータの制御量に反映されることになる。これによれば、車両駆動ユニットの適正運転が可能な範囲内で、優先順位が高い要求は確実に実現しつつ、優先順位が低い要求も可能な限り実現することができる。

第１０の発明によれば、車両駆動ユニットの運転モードに応じて各要求を実現する上での優先順序を変更することができ、選択された運転モードにおいて優先順位が高い要求は確実に実現しつつ、優先順位が低い要求も可能な限り実現することができる。

第１１の発明によれば、要求値の上限及び／又は下限を規制するガードの規制範囲を変更することで、要求値の大きさを容易に調整することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。なお、実施の形態１では、本発明の制御装置を自動車に搭載される内燃機関（以下、エンジンという）、特に、火花点火式のエンジンに適用した場合について説明する。ただし、本発明は、火花点火式エンジン以外のエンジン、例えば、ディーゼルエンジンにも適用可能であり、エンジンと電動機とからなるハイブリッドシステム等、エンジン以外の車両駆動ユニットにも適用可能である。

本発明の実施の形態１としてのエンジンの制御装置は、図１のブロック図にて示すように構成されている。図１では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達を矢印で示している。以下、図１を参照して本実施の形態の制御装置の構成と、その特徴について説明する。なお、本実施の形態の特徴についてのより深い理解を可能にするため、必要に応じて詳細図を用いた説明も行なうものとする。

図１に示すように、制御装置は、三つの階層１０，２０，３０からなる階層型の制御構造を有している。最上位には要求発生階層１０、その下位には調停階層２０、さらにその下位には制御量設定階層３０が設けられ、最下位の制御量設定階層３０に各種のアクチュエータ４２，４４，４６が接続されている。制御装置の階層１０，２０，３０間では信号の流れは一方向であり、要求発生階層１０から調停階層２０へ、調停階層２０から制御量設定階層３０へ信号が伝達されるようになっている。また、これらの階層１０，２０，３０とは独立して、各階層１０，２０，３０に共通の信号を並列に配信する共通信号配信系統５０が設けられている。

階層１０，２０，３０間を伝達される信号と、共通信号配信系統５０により配信される信号とには次のような違いがある。階層１０，２０，３０間を伝達される信号はエンジンの機能に関する要求を信号化したものであり、最終的にはアクチュエータ４２，４４，４６の制御量に変換される信号である。これに対し、共通信号配信系統５０によって配信される信号は、要求を発生させたり制御量を演算したりする上で必要な情報を含んだ信号である。具体的には、エンジンの運転条件や運転状態に関する情報（エンジン回転数、吸入空気量、推定トルク、現時点の実点火時期、冷却水温度、バルブタイミング、運転モード等）であり、その情報源５２はエンジンに設けられた各種のセンサや制御装置内部の推定機能等である。これらの情報は各階層１０，２０，３０で共通に利用される共通エンジン情報であるので、各階層１０，２０，３０に並列に配信することとすれば、階層１０，２０，３０間の通信量を削減できるだけでなく、階層１０，２０，３０間における情報の同時性を保つこともできる。

以下、各階層１０，２０，３０の構成と、そこで行われている処理について上位の階層から順に詳細に説明する。

要求発生階層１０には、複数の要求出力要素１２，１４，１６が配置されている。ここでいう要求とはエンジンの機能に関する要求であり、要求出力要素１２，１４，１６はエンジンの機能毎に設けられている。エンジンの機能には、ドライバビリティ、排気ガス、燃費、騒音、振動等が挙げられる。これらはエンジンに求められている性能とも言い換えることができる。エンジンに何を求めるか、何を優先するかによって要求発生階層１０に配置する要求出力要素の内容は異なってくる。本実施の形態では、ドライバビリティに関する機能に対応して要求出力要素１２が設けられ、排気ガスに関する機能に対応して要求出力要素１４が設けられ、燃費に関する機能に対応して要求出力要素１６が設けられている。

要求出力要素１２，１４，１６は、エンジンの機能に関する要求を数値化して出力する。アクチュエータ４２，４４，４６の制御量は演算により決定されるので、要求を数値化することによってアクチュエータ４２，４４，４６の制御量に要求を反映させることが可能になる。本実施の形態では、エンジンの動作に係る物理量で要求を表現する。機能の分類には主観が伴うが、このような物理量で要求を表現することで、機能の分類にかかる主観を排した客観的な数値化が可能になり、アクチュエータ４２，４４，４６の動作に的確に要求を反映させることができる。

また、本実施の形態では、要求の表現に使用する物理量として、トルク、効率及び空燃比の３種のみを用いることとする。エンジンの出力（広義の出力）はトルク、熱、排気ガス（熱と成分）ということができ、これらの出力は前述のドライバビリティ、排気ガス、燃費といったエンジンの機能に関係している。そして、これらの出力を制御するためのパラメータはトルク、効率及び空燃比の３種の物理量に集約することができる。したがって、トルク、効率及び空燃比の３種の物理量を用いて要求を表現し、アクチュエータ４２，４４，４６の動作を制御することで、エンジンの出力に確実に要求を反映させることが可能と考えられる。

図１では、これは一例ではあるが、要求出力要素１２はドライバビリティに関する要求をトルクや効率で表現した要求値にして出力している。例えば、要求が車両の加速であれば、その要求はトルクによって表現することができる。要求がエンストの防止であれば、その要求は効率（効率アップ）によって表現することができる。

要求出力要素１４は排気ガスに関する要求を効率や空燃比で表現した要求値にして出力している。例えば、要求が触媒の暖機であれば、その要求は効率（効率ダウン）によって表現することができるし、空燃比によっても表現することができる。効率ダウンによれば、排気ガス温度を高めることができ、空燃比によれば、触媒で反応がしやすい雰囲気にすることができる。

また、要求出力要素１６は燃費に関する要求を効率や空燃比で表現した要求値にして出力している。例えば、要求が燃焼効率の上昇であれば、その要求は効率（効率アップ）によって表現することができる。要求がポンプロスの低減であれば、その要求は空燃比（リーンバーン）によって表現することができる。

なお、各要求出力要素１２，１４，１６から出力される要求値は、各物理量につき１つには限定されない。例えば、要求出力要素１２からは、ドライバからの要求トルク（アクセル開度から計算されるトルク）だけでなく、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control system）、ＴＲＣ（Traction Control System）、ＡＢＳ（Antilock Brake System）、トランスミッション等の車両制御にかかる各種デバイスから要求されるトルクも同時に出力されている。効率に関しても同様である。

要求発生階層１０には共通信号配信系統５０から共通エンジン情報が配信されている。各要求出力要素１２，１４，１６では、共通エンジン情報を参照して出力すべき要求値を決定している。エンジンの運転条件や運転状態によって要求の内容が変わるからである。例えば、触媒温度センサ（図示略）により触媒温度が測定されている場合、要求出力要素１４では、その温度情報に基づいて触媒の暖機の必要性を判定し、判定結果に応じて効率要求や空燃比要求を出力する。

さて、上述のように、要求発生階層１０の要求出力要素１２，１４，１６からは、トルク、効率或いは空燃比で表現された複数の要求が出力されるが、それらの要求を全て同時に完全に実現することはできない。複数のトルク要求があったとしても実現できるトルクは１つだからである。同様に、複数の効率要求に対して実現できる効率は１つであり、複数の空燃比要求に対して実現できる空燃比は１つである。このため、要求の調停という処理が必要となる。

調停階層２０では、要求発生階層１０から出力される要求（要求値）の調停が行なわれる。調停階層２０には、要求の分類である物理量毎に調停要素２２，２４，２６が設けられている。調停要素２２はトルクで表現された要求値を集約して１つのトルク要求値に調停する。調停要素２４は効率で表現された要求値を集約して１つの効率要求値に調停する。そして、調停要素２６は空燃比で表現された要求値を集約して１つの空燃比要求値に調停する。各調停要素２２，２４，２６は、予め定められた規則に従って調停を行なう。ここでいう規則とは、例えば最大値選択、最小値選択、平均、或いは重ね合わせ等、複数の数値から１つの数値を得るための計算規則であり、それら複数の計算規則を適宜に組み合わせたものとすることもできる。ただし、どのような規則とするかは設計に委ねられるものであって、本発明に関しては規則の内容に限定はない。

以下では調停についてのより深い理解を可能にするため、具体例を挙げて説明する。まず、図２は調停要素２２の構成例を示すブロック図である。この例での調停要素２２は、重ね合わせ要素２０２と最小値選択要素２０４とから構成されている。また、この例において調停要素２２によって集約される要求値は、ドライバ要求トルク、補機負荷損失トルク、フューエルカット前要求トルク及びフューエルカット復帰時要求トルクである。

調停要素２２で集約された要求値のうち、ドライバ要求トルクと補機負荷損失トルクとが重ね合せ要素２０２にて重ね合わされる。重ね合わせ要素２０２の出力値は、フューエルカット前要求トルク及びフューエルカット復帰時要求トルクとともに最小値選択要素２０４に入力され、それらの中の最小値が選択される。そして、選択された値が最終的なトルク要求値、すなわち、調停されたトルク要求値として調停要素２２から出力される。

次に、図３は調停要素２４の構成例を示すブロック図である。この例での調停要素２４は、三つの最小値選択要素２１２，２１６，２２０と二つの最大値選択要素２１４，２１８とから構成されている。また、この例において調停要素２４によって集約される要求値は、効率アップ要求であるドラビリ要求効率、効率ダウン要求であるＩＳＣ要求効率、高応答トルク要求効率及び触媒暖気要求効率、より優先度が高い効率ダウン要求であるＫＣＳ要求効率及び過度ノック要求効率等である。

調停要素２４で集約された要求値のうち、ドラビリ要求効率はその他の効率アップ要求とともに最大値選択要素２１４に入力され、それらの中の最大値が最大値選択要素２１８に入力される。また、ＩＳＣ要求効率、高応答トルク要求効率及び触媒暖気要求効率は、その他の効率ダウン要求とともに最小値選択要素２１６に入力され、それらの中の最小値が最大値選択要素２１８に入力される。最大値選択要素２１８では、最大値選択要素２１４からの入力値と最小値選択要素２１６からの入力値のうち最大値が選択されて最小値選択要素２２０に入力される。最小値選択要素２２０では、最大値選択要素２１８からの入力値と最小値選択要素２１２からの入力値のうち最小値が選択される。そして、選択された値が最終的な効率要求値、すなわち、調停された効率要求値として調停要素２４から出力される。

具体例は省略するが、調停要素２６でも同様の処理が行なわれている。先にも述べたように、どのような要素を組み合わせて調停要素２６を構成するかは設計事項にあたり、設計者の設計思想に基づいて適宜に組み合わせてよい。

ところで、調停階層２０にも共通信号配信系統５０から共通エンジン情報が配信されている。上述の調停要素２２，２４に関する具体例では共通エンジン情報は利用されていないが、各調停要素２２，２４，２６において共通エンジン情報を利用することは可能である。例えば、エンジンの運転条件や運転状態によって調停の規則を変更することができる。ただし、以下に説明するように、エンジンの実現可能範囲を考慮して規則を変更することは行なわない。

上述の具体例からも明らかなように、調停要素２２では、エンジンが実際に実現することができる上限トルクや下限トルクを調停に加味していない。また、他の調停要素２４，２６の調停結果も調停に加味していない。これは調停要素２４，２６においても同様であり、エンジンの実現可能範囲の上下限や他の調停要素の調停結果は加味せずに調停を行なっている。エンジンの実現可能範囲の上下限はエンジンの運転条件によって変わり、また、トルク、効率及び空燃比間の関係によっても変化する。このため、エンジンの実現可能範囲に各要求値を調停しようとすると、計算機の演算負荷の増大を招いてしまう。そこで、各調停要素２２，２４，２６では、要求発生階層１０から出力される要求のみを集約して調停しているのである。

以上のような調停が各調停要素２２，２４，２６にて行なわれることで、調停階層２０からは１つのトルク要求値と、１つの効率要求値と、１つの空燃比要求値とが出力される。次の階層である制御量設定階層３０では、これら調停されたトルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値に基づいて各アクチュエータ４２，４４，４６の制御量が設定されることになる。

制御量設定階層３０には、１つの調整部３２と複数の制御量演算要素３４，３６，３８とが設けられている。制御量演算要素３４，３６，３８はアクチュエータ４２，４４，４６に対応して設けられている。本実施の形態では、アクチュエータ４２はスロットル、アクチュエータ４４は点火装置、アクチュエータ４６は燃料噴射装置としている。したがって、アクチュエータ４２に接続される制御量演算要素３４では、制御量としてスロットル開度が演算される。アクチュエータ４４に接続される制御量演算要素３６では、制御量として点火時期が演算される。そして、アクチュエータ４６に接続される制御量演算要素３８では、制御量として燃料噴射量が演算される。

各制御量演算要素３４，３６，３８にて制御量の演算に使用される数値は、調整部３２から供給される。調停階層２０にて調停されたトルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値は、まず、調整部３２にて大きさを調整される。前述のように調停階層２０ではエンジンの実現可能範囲は調停に加味されていないため、各要求値の大きさによっては、エンジンを適正に運転できない可能性があるからである。

調整部３２では、エンジンの適正運転が可能になるように各要求値を相互の関係に基づいて調整する。制御量設定階層３０よりも上位の階層では、トルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値は夫々が独立に演算され、演算に係る要素間で演算値が相互に使用されたり参照されたりすることはなかった。つまり、調整部３２において初めてトルク要求値、効率要求値、空燃比要求値が相互に参照されることになる。上位の階層において要求値間の大きさの調整を行なおうとすると、調整対象が多いために演算負荷も大きくなってしまう。しかし、このように制御量設定階層３０にて調整を行なう場合には、調整対象がトルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値の三つに限定されるので、調整に要する演算負荷は小さくて済む。

調整をどのように行なうかは設計に委ねられるものであって、本発明に関しては調整の内容に限定はない。ただし、トルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値の間に優先順序がある場合には、より優先順位の低い要求値を調整（修正）するのが好ましい。つまり、優先順位が高い要求値はそのままアクチュエータ４２，４４，４６の制御量に反映し、優先順位が低い要求値は調整した上でアクチュエータの制御量４２，４４，４６に反映する。これによれば、エンジンの適正運転が可能な範囲内で、優先順位が高い要求は確実に実現しつつ、優先順位が低い要求も可能な限り実現することができる。例えば、トルク要求値が最も優先順位が高い場合には、効率要求値と空燃比要求値とを修正し、そのうちより優先順位が低いほうの修正を大きくする。エンジンの運転条件等によって優先順序が変わるのであれば、共通信号配信系統５０から配信される共通エンジン情報に基づいて優先順序を判定し、どの要求値を修正するのか決定すればよい。

以下では調整部３２についてのより深い理解を可能にするため、具体例を挙げて説明する。図４は調整部３２の構成例を示すブロック図である。この例では、エンジンの運転モードとして効率優先モードと空燃比優先モードとがあり、この運転モードに応じて前述の優先順序を変更できるようにした構成について説明する。なお、運転モードは共通エンジン情報に含まれており、共通信号配信系統５０によって調整部３２に配信される。

図４に示す構成では、調整部３２は効率要求値の上下限を制限するガード３０２を備えている。ガード３０２では、調停要素２４にて調停された効率要求値がエンジンの適正運転が可能な範囲に修正される。また、調整部３２は空燃比要求値の上下限を制限するガード３１６も備えている。ガード３１６では、調停要素２６にて調停された空燃比要求値がエンジンの適正運転が可能な範囲に修正される。これら二つのガード３０２，３１６の上下限値は何れも可変であり、相互に連動して上下限値が変更されるようになっている。その仕組みは次の通りである。

ガード３０２の効率上下限値には、運転モードとして効率優先モードが選択されたときの上下限値（効率優先時）と、空燃比優先モードが選択されたときの上下限値（Ａ/Ｆ優先時）とが用意されている。ガード３０２の規制範囲を変更することで、効率要求値の大きさの調整が可能になる。選択部３０８は運転モードに応じて何れか一方の効率上下限値を選択し、選択した効率上下限値をガード３０２にセットする。

効率優先時の効率上下限値は、全空燃比領域での最上下限値であり、メモリ３０４に記憶されている値が読み出される。一方、Ａ/Ｆ優先時の効率上下限値は、優先される空燃比のもとでノック及び失火を回避可能な効率の上下限値であり、エンジン回転数、目標トルク、バルブタイミング等の運転条件をもとにマップ３０６から読み出される。マップ３０６には、ガード３１６で処理された空燃比要求値が入力され、この空燃比要求値を基準にして効率上下限値が決定される。

ガード３１６のＡ/Ｆ上下限値には、運転モードとして効率優先モードが選択されたときの上下限値（効率優先時）と、空燃比優先モードが選択されたときの上下限値（Ａ/Ｆ優先時）とが用意されている。ガード３１６の規制範囲を変更することで、空燃比要求値の大きさの調整が可能になる。選択部３２２は運転モードに応じて何れか一方のＡ/Ｆ上下限値を選択し、選択したＡ/Ｆ上下限値をガード３１６にセットする。

Ａ/Ｆ優先時のＡ/Ｆ上下限値は、全効率領域での最上下限値であり、メモリ３１８に記憶されている値が読み出される。一方、効率優先時のＡ/Ｆ上下限値は、優先される効率のもとでノック及び失火を回避可能な空燃比の上下限値であり、エンジン回転数、目標トルク、バルブタイミング等の運転条件をもとにマップ３２０から読み出される。マップ３２０には、後述するガード３１４で処理されたトルク効率が入力され、このトルク効率を基準にしてＡ/Ｆ上下限値が決定される。トルク効率の定義と、その算出方法については後述する。

図５はマップ３０６を用いた効率上下限値の設定方法を示す図であり、図６はマップ３２０を用いたＡ/Ｆ上下限値の設定方法を示す図である。各図では縦軸に効率をとり横軸にＡ/Ｆをとっている。図中に示す曲線は燃焼限界ラインであり、燃焼限界ラインよりも下の領域は適正な運転を行なうことができないＮＧ領域である。燃焼限界ラインは、エンジン回転数、目標トルク、バルブタイミング等の運転条件によって決まる。

まず、運転モードとして空燃比優先モードが選択された場合、図５に示すようにマップに空燃比要求値αが入力される。そして、燃焼限界ラインにおいて空燃比要求値αに対応する効率の値が計算される。その値が、空燃比要求値αの下での効率下限値として設定される。効率上限値には予め設定されている値（例えば１）が用いられる。設定された効率下限値及び効率上限値は、選択部３０８によってガード３０２にセットされる。

次に、運転モードとして効率優先モードが選択された場合は、図６に示すようにマップにトルク効率βが入力される。そして、燃焼限界ラインにおいてトルク効率βに対応するＡ/Ｆの値が計算される。図に示す場合では、トルク効率βに対応するＡ/Ｆの値は大小二つ存在し、大きい方の値がトルク効率βの下でのＡ/Ｆ上限値として設定される。また、小さい方の値がトルク効率βの下でのＡ/Ｆ下限値として設定される。設定されたＡ/Ｆ下限値及びＡ/Ｆ上限値は、選択部３２２によってガード３１６にセットされる。

また、調整部３２では、調停階層２０から入力される要求値と、共通信号配信系統５０から配信される共通エンジン情報とを用いて新たな信号を生成することもできる。図４に示す例では、調停要素２２にて調停されたトルク要求値と、共通エンジン情報に含まれる推定トルクとの比が除算部３１２にて演算される。推定トルクは、現在の吸入空気量及び空燃比のもと点火時期をＭＢＴとした場合に出力されるトルクである。推定トルクの演算は制御装置の別のタスクにて行なわれている。

除算部３１２で演算されたトルク要求値と推定トルクとの比をトルク効率と呼ぶ。このトルク効率は、ガード３１４にてその上下限を制限される。ガード３１４には、選択部３０８で選択された効率上下限値がセットされる。つまり、このガード３１４の規制範囲の設定は、効率要求値の上下限を制限するガード３０２と同じ設定とされている。

以上の処理の結果、調整部３２から出力される信号は、トルク要求値、修正効率要求値、修正空燃比要求値、そして、トルク効率となる。これらの信号のうち、トルク要求値と修正効率要求値とが制御量演算要素３４に入力される。制御量演算要素３４では、まず、トルク要求値が修正効率要求値で除算される。修正効率要求値は１以下の値であるので、この除算によってトルク要求値は嵩上げ補正される。そして、嵩上げされたトルク要求値が空気量に変換され、空気量からスロットル開度が演算される。

制御量演算要素３６には主たる信号としてトルク効率が入力される。また、トルク要求値と修正空燃比要求値も参照信号として入力される。制御量演算要素３６では、トルク効率からＭＢＴに対する遅角量が演算される。トルク効率が小さいほど遅角量は大きい値になり、結果、トルクダウンが行われることになる。制御量演算要素３４で行われるトルク要求値の嵩上げは、遅角によるトルクダウンを補償するための処理である。本実施の形態では、トルク効率に基づく点火時期の遅角と、効率要求値に基づいたトルク要求値の嵩上げとによって、トルク要求値と効率要求値の双方の実現を可能にしている。なお、制御量演算要素３６に入力されたトルク要求値と修正空燃比要求値は、トルク効率を遅角量に変換するためのマップの選定に使用される。そして、遅角量とＭＢＴ（或いは基本点火時期）とから最終的な点火時期が演算される。

制御量演算要素３８には修正空燃比要求値が入力される。制御量演算要素３８では、修正空燃比要求値と気筒内への吸入空気量とから燃料噴射量が演算される。吸入空気量は共通エンジン情報に含まれており、共通信号配信系統５０から制御量演算要素３８に配信される。

以上説明したとおり、本実施の形態の制御装置では、最上位の要求発生階層１０から出力された要求は、最下位の制御量設定階層３０まで一方向に伝達される。これによれば、上下の階層１０，２０，３０間で信号のやり取りを伴うことがないので、計算機の演算負荷は少なくて済む。さらに、共通エンジン情報は共通信号配信系統５０によって各階層１０，２０，３０に並列に配信されるので、階層１０，２０，３０間における信号の伝達負荷を抑えることができる。

また、本実施の形態の制御装置では、制御量設定階層３０に伝達された各要求値は相互の関係に基づいて調整され、調整された要求値に基づいて各アクチュエータ４２，４４，４６の制御量が演算される。これによれば、要求発生階層１０でどのような要求が出力された場合でも、エンジンの運転に破綻が生じることがないようアクチュエータ４２，４４，４６を協調させることができる。つまり、本実施の形態の制御装置によれば、計算機の演算負荷を増大させることなく各種機能に関する複数の要求を適切に実現することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。なお、実施の形態２では、本発明の制御装置を車両駆動ユニット一般に適用した場合について説明する。本実施の形態の対象となる車両駆動ユニットには、エンジン、電動機、エンジンと電動機とからなるハイブリッドシステム等が含まれる。

本発明の実施の形態２としての車両駆動ユニットの制御装置は、図７にブロック図にて示すように構成されている。図７では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達を矢印で示している。この図に示すように、制御装置は、三つの階層１００，１０２，１０４からなる階層型の制御構造を有している。また、三つの階層１００，１０２，１０４とは独立して、各階層１００，１０２，１０４に共通の信号を並列に配信する共通信号配信系統１０６を有している。

最上位の要求発生階層１００には、複数の要求出力要素１１２，１１４，１１６，１１８が車両駆動ユニットの機能Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ毎に設けられている。各要求出力要素１１２，１１４，１１６，１１８は、車両駆動ユニットの機能に関する要求を数値化して出力する。より詳しくは、車両駆動ユニットの動作に係る物理量であって予め定められた複数の物理量ａ，ｂ，ｃ，ｄのうちの何れかで表現して出力する。

調停階層１０２には、要求の分類である物理量ａ，ｂ，ｃ，ｄ毎に調停要素１２２，１２４，１２６，１２８が設けられている。各調停要素１２２，１２４，１２６，１２８は、要求発生階層１００から出力された要求値のうち担当する物理量で表現された要求値を集約する。そして、予め定められた規則に従って調停を行なう。規則としては最大値選択、最小値選択等があり、その内容に限定はない。各調停要素１２２，１２４，１２６，１２８での調停の結果、調停階層１０２からは各物理量ａ，ｂ，ｃ，ｄにつき１つの要求値が出力される。

最下位の制御量設定階層１０４には、１つの調整部１３２と複数の制御量演算要素１３３４，１３６，１３８，１４０とが設けられている。調停階層１０２から出力された各要求値は、まず、調整部１３２にて処理される。調整部１３２は、車両駆動ユニットの適正運転が可能になるように各要求値を相互の関係に基づいて調整する。調整対象となる要求値はその分類である物理量ａ，ｂ，ｃ，ｄの種類数に限定されるので、多数の要求値が存在する上位階層において調整を行う場合に比較すれば、調整に要する演算負荷は小さくて済む。また、調整部１３２では、調停階層１０２からの要求値と共通信号配信系統１０６から配信される共通情報とから新たな信号を生成することも行われる。

制御量演算要素１３４，１３６，１３８，１４０はアクチュエータ１５２，１５４，１５６，１５８に対応して設けられている。調整部１３２から制御量演算要素１３４，１３６，１３８，１４０に供給される信号には、調整済みの要求値の他、要求値と共通情報とから生成された信号も含まれている。各制御量演算要素１３４，１３６，１３８，１４０は、調整部１３２から供給される信号を用いてアクチュエータ１５２，１５４，１５６，１５８の制御量を演算する。

以上の説明から分かるように、本実施の形態の制御装置では、最上位の要求発生階層１００から出力された要求は、最下位の制御量設定階層１０４まで一方向に伝達される。また、共通情報は共通信号配信系統１０６によって各階層１００，１０２，１０４に並列に配信される。このように階層１００，１０２，１０４間の信号伝達量を抑えることで、計算機の演算負荷を小さくすることができる。

また、本実施の形態の制御装置では、調停階層１０２で調停された各要求値は制御量設定階層１０４にて相互の関係に基づいて調整され、調整された要求値に基づいて各アクチュエータ１５２，１５４，１５６，１５８の制御量が演算される。これにより、車両駆動ユニットの運転に破綻が生じることがないようアクチュエータ１５２，１５４，１５６，１５８を協調させることができる。

さらに、本実施の形態の制御装置によれば、実現させる機能を容易に追加することができるという効果もある。例えば、新たな機能Ｅを追加する場合には、図中に破線で示すように、それに応じた要求出力要素１２０を要求発生階層１００に追加設置すればよい。ただし、追加する要求出力要素１２０には、必ず、予め決められた何れかの物理量ａ，ｂ，ｃ，ｄで表現した要求値を出力させるようにする。要求出力要素１２０が出力する要求値が物理量ｃ，ｄで表現されるのであれば、調停要素１２６，１２８に要求出力要素１２０を接続する。

要求発生階層１００から調停階層１０２への信号の伝達は一方向であり、しかも、要求発生階層１００では同一階層内の要素間で信号の伝達が行なわれないので、新たな要求出力要素１２０の追加によって他の要素の設計が変わることはない。追加した要求出力要素１２０から出力された要求値は、他の要求出力要素から出力された要求値とともに調停要素１２６，１２８にて集約され１つの要求値に調停される。

各調停要素１２６，１２８は、予め定められた規則に従って調停を行なうだけであるので、集約する要求値の数が増えたとしても、それに伴う演算負荷の増大は極僅かである。また、調停階層１０２から制御量設定階層１０４に出力される要求値の数には変化がないので、制御量設定階層１０４の演算負荷が増えることもない。つまり、本実施の形態の制御装置によれば、計算機の演算負荷を増大させることなく、実現させる車両駆動ユニットの機能を追加することができる。

また、本実施の形態の制御装置によれば、車両駆動ユニットの制御に使用するアクチュエータの追加も容易である。例えば、図中に破線で示すように、新たなアクチュエータ１６０，１６２を追加する場合には、それに応じた制御量演算要素１４２，１４６を制御量設定階層１０４に追加で設けて調整部１３２に接続するだけでよい。調整部１３２から各制御量演算要素への信号の伝達は一方向であり、しかも、制御量演算要素間で信号の伝達が行なわれないので、新たな制御量演算要素１４２，１４６の追加によって他の要素の設計が変わることはない。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば次のように変形して実施してもよい。

上述の実施の形態では、車両駆動ユニットの運転条件及び運転状態に関する信号（共通情報）を共通信号配信系統によって配信しているが、要求値とともに階層内を上位の階層から下位の階層へ配信するようにしてもよい。その場合、共通信号配信系統を用いる場合に比較して階層間の信号の伝達量が増大することになる。ただし、信号の伝達方向は一方向であるので、演算負荷が過大になることは防止される。

また、本発明をエンジンに適用する場合、その制御対象となるアクチュエータは、スロットル、点火装置、燃料噴射装置には限定されない。例えば、バルブタイミング可変装置（ＶＶＴ）、バルブリフト量可変装置（ＶＶＬ）、外部ＥＧＲ装置を制御対象のアクチュエータとすることもできる。気筒停止機構や圧縮比可変機構を備えるエンジンでは、それらの機構を制御対象のアクチュエータとすることもできる。モータアシスト付きターボチャージャ（ＭＡＴ）を備えるエンジンでは、ＭＡＴを制御対象のアクチュエータとして用いてもよい。また、オルタネータ等、エンジンによって駆動される補機によっても間接的にエンジンの出力を制御することができるので、これら補機をアクチュエータとして用いることもできる。

本発明の実施の形態１としてのエンジンの制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる調停要素（トルク調停）の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる調停要素（効率調停）の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる調整部の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる空燃比を考慮した効率上下限値の設定方法を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる効率を考慮したＡ/Ｆ上下限値の設定方法を示す図である。 本発明の実施の形態２としての車両駆動ユニットの制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０，１００ 要求発生階層
１２，１４，１６，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０ 要求出力要素
２０，１０２ 調停階層
２２，２４，２６，１２２，１２４，１２６，１２８ 調停要素
３０，１０４ 制御量設定階層
３２，１３２ 調整部
３４，３６，３８，１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４６ 制御量演算要素
４２，４４，４６，１５２，１５４，１５６，１５８，１６０，１６２ アクチュエータ
５０，１０６ 共通信号配信系統
５２ 情報源
２０２ 重ね合わせ要素
２０４，２１２，２１６，２２０ 最小値選択要素
２１４，２１８ 最大値選択要素
３０２，３１４，３１６ ガード
３０４ 効率Ｆ上下限値設定マップ
３０８，３２２ 選択部
３１２ トルク効率演算部（除算部）
３２０ Ａ/Ｆ上下限値設定マップ

Claims (11)

1. 車両駆動ユニットの各種の機能に関する要求を前記車両駆動ユニットの動作に関わる複数のアクチュエータを協調制御して実現する制御装置であって、
   要求発生階層と、前記要求発生階層の下位に設けられた調停階層と、前記調停階層の下位に設けられた制御量設定階層とからなり、上位の階層から下位の階層へ一方向に信号が伝達される階層型の制御構造を有し、
   前記要求発生階層には、前記車両駆動ユニットの機能に関する要求を出力する要求出力要素が機能毎に設けられ、
   前記調停階層には、予め定められた要求の分類毎に調停要素が設けられ、各調停要素は、前記要求発生階層から出力された要求値のうち担当する分類の要求値を集約し、予め定められた規則に従って１つの要求値に調停するように構成され、
   前記制御量設定階層には、前記調停階層にて調停された各要求値を相互の関係に基づいて調整する調整部と、前記調整部で調整された要求値に基づいて前記複数のアクチュエータの夫々の制御量を演算する制御量演算要素とが設けられていることを特徴とする車両駆動ユニットの制御装置。
2. 前記制御量演算要素はアクチュエータ毎に設けられていることを特徴とする請求項１記載の車両駆動ユニットの制御装置。
3. 前記の各階層に対し共通の信号を並列に配信する共通信号配信系統を有し、前記共通信号配信系統を通じて前記車両駆動ユニットの運転条件及び運転状態に関する信号が配信されることを特徴とする請求項１又は２記載の車両駆動ユニットの制御装置。
4. 前記要求出力要素は、前記車両駆動ユニットの機能に関する要求を前記車両駆動ユニットの動作に係る物理量であって予め定められた複数の物理量のうちの何れかで表現して出力するように構成され、
   前記調停要素は、前記の物理量毎に設けられ、前記要求発生階層から出力された要求値のうち担当する物理量で表現された要求値を集約するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の車両駆動ユニットの制御装置。
5. 前記車両駆動ユニットは内燃機関であり、前記複数の物理量とはトルク、効率及び空燃比であることを特徴とする請求項４記載の車両駆動ユニットの制御装置。
6. 前記調整部は、前記調停階層にて調停されたトルク要求値、効率要求値及び空燃比要求値のうち、効率要求値或いは空燃比要求値を調整することを特徴とする請求５記載の車両駆動ユニットの制御装置。
7. 前記の各種の機能にはドライバビリティに関する機能と、排気ガスに関する機能と、燃料消費に関する機能とが含まれることを特徴とする請求項５又は６記載の車両駆動ユニットの制御装置。
8. 前記の複数のアクチュエータには前記内燃機関の吸入空気量を調整するアクチュエータと、前記内燃機関の点火時期を調整するアクチュエータと、前記内燃機関の燃料噴射量を調整するアクチュエータとが含まれることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の車両駆動ユニットの制御装置。
9. 前記調停階層にて調停された複数の要求値のうち少なくとも２つの要求値間には優先順序が予め設定されており、
   前記調整部は、前記制御量演算要素にて制御量の演算に使用される複数の要求値間の関係が前記車両駆動ユニットの適正運転を可能とする関係となるように、優先順位の低い側から順に少なくとも１つの要求値を調整することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の車両駆動ユニットの制御装置。
10. 前記車両駆動ユニットは複数の運転モードが選択可能であって、選択された運転モードに応じて前記の優先順序が変更されることを特徴とする請求項９記載の車両駆動ユニットの制御装置。
11. 前記調整部は、調整対象である要求値の上限及び／又は下限を規制するガードを含み、調整対象である各要求値の優先順位に応じて各ガードの規制範囲を変更することを特徴とする請求項１０記載の車両駆動ユニットの制御装置。

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