JP2010276077A

JP2010276077A - ソレノイド駆動弁の開度制御装置

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Publication number: JP2010276077A
Application number: JP2009127712A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Iwasaki; 郁夫岩崎
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: JP5381333B2

Abstract

【課題】ソレノイド駆動弁の応答性を良好に維持し、リニアな弁開度制御を可能とするソレノイド駆動弁の開度制御装置を提供する。
【解決手段】制御対象であるソレノイド駆動弁Ｓに設けられた駆動コイルＳ１にディザー信号を重畳させた駆動電流Ｉを供給するソレノイド駆動弁Ｓの開度制御装置Ｃにおいて、ソレノイド駆動弁Ｓの弁制御方向及びソレノイド駆動弁Ｓに設けられた可動鉄心Ｓ２の可動軸上の現在位置に応じて前記駆動電流Ｉに重畳すべきディザー信号の振幅値を決定するディザー振幅決定部Ｃ４を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ソレノイド駆動弁の開度制御装置に関する。

従来から、ソレノイド駆動弁等の比例電磁弁に発生する応答ヒステリシス（ソレノイドコイルに流す駆動電流に対する弁開方向と閉方向間に生じるヒステリシス）の影響を抑制するために、駆動電流にディザー信号を重畳させるという制御手法が採用されている。
例えば、下記特許文献１には、比例弁コイルをパルス幅変調電流の積算量によりデジタル制御する制御装置において、出力段回路に比例弁コイルと並列に抵抗を付加して比例弁コイルの閉鎖回路の時定数を小さくすることにより、比例電磁弁の閉塞制御の安定化及びディザー波形に対応する駆動電流の追随安定化を図る技術が開示されている。

また、下記特許文献２には、電磁石に通電する電流に交流のディザー電流を重畳させてスプールを制御液圧に影響の出ない小さな振幅で揺すり、通電電流とソレノイド力との比が他の領域よりも小さくなる制御領域において、ディザー電流の振幅を他の制御領域に比べて大きくすることにより、全制御領域においてディザー効果を平均化可能とする技術が開示されている。

また、下記特許文献３には、ソレノイドコイルに通電される駆動電流に応じて作動する比例電磁弁の作動時のヒステリシスを検出し、その検出されたヒステリシスが第１の所定値以上と判断されたときには駆動電流のディザー振幅を前回のディザー振幅より増加し、上記検出されたヒステリシスが第１の所定値より小さい第２の所定値以下と判断されたときには駆動電流のディザー振幅を前回のディザー振幅より低減することで、電磁弁の耐久性および信頼性を低下させることなく、電磁弁に係るヒステリシスの影響を可及的に取り除く技術が開示されている。

特開平１０−１８４９７２号公報特開平１１−２０２９４７号公報特開２０００−２８３３２５号公報

ところで、ソレノイド駆動弁のプランジャ（可動鉄心）に作用する力としては、ソレノイドコイルに駆動電流を流すことで生じる吸引力（プランジャを固定鉄心に吸引する力）と、スプリングによる反力（プランジャを固定鉄心から引き離す力）とがあり、スプリングによる反力より駆動電流による吸引力を大きくすることで開方向の弁制御を行い、スプリングによる反力より駆動電流による吸引力を小さくすることで閉方向の弁制御を行うことが一般的である。

このスプリングとしては比較的強力な反力を有するスプリングが用いられるため、製品によっては開方向の弁制御と閉方向の弁制御とで応答性（駆動電流に対する弁開度）が著しく異なる場合があり、開閉両方向の弁制御において同程度のディザー信号を駆動電流に重畳すると、ディザー信号に対して過度の応答性を示し、リニアな弁開度制御が困難となるという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、ソレノイド駆動弁の応答性を良好に維持し、リニアな弁開度制御を可能とするソレノイド駆動弁の開度制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るソレノイド駆動弁の開度制御装置は、制御対象であるソレノイド駆動弁に設けられた駆動コイルにディザー信号を重畳させた駆動電流を供給するソレノイド駆動弁の開度制御装置であって、前記ソレノイド駆動弁の弁制御方向及び前記ソレノイド駆動弁に設けられた可動鉄心の可動軸上の現在位置に応じて前記駆動電流に重畳すべきディザー信号の振幅値を決定するディザー振幅決定部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るソレノイド駆動弁の開度制御装置は、前記可動鉄心の可動軸上の現在位置を検出する位置センサと、外部制御装置から入力される前記可動鉄心の目標位置と前記位置センサによって検出された前記可動鉄心の現在位置との偏差量を算出する偏差演算部と、前記偏差演算部によって算出された前記偏差量を基にＰＩＤ演算を行うことで操作量を算出するＰＩＤ演算部と、前記偏差演算部によって算出された前記偏差量を基に前記ソレノイド駆動弁の弁制御方向が開方向であるか閉方向であるかを判定する制御方向判定部と、前記制御方向判定部によって判定された前記弁制御方向及び前記位置センサによって検出された前記可動鉄心の現在位置とに応じて前記駆動電流に重畳すべきディザー信号の振幅値を決定する前記ディザー振幅決定部と、前記ディザー振幅決定部によって決定された振幅値を有するディザー信号を生成するディザー信号生成部と、前記ＰＩＤ演算部によって算出された操作量と前記ディザー信号生成部によって生成されたディザー信号とを加算する加算演算部と、前記加算演算部の加算結果に応じたＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記ＰＷＭ信号生成部によって生成された前記ＰＷＭ信号に応じて前記駆動コイルに供給するディザー信号を重畳させた駆動電流を生成する駆動電流生成部とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るソレノイド駆動弁の開度制御装置において、前記ディザー振幅決定部は、前記駆動電流に重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値の両方を決定することを特徴とする。
さらに、本発明に係るソレノイド駆動弁の開度制御装置において、前記ディザー振幅決定部は、前記弁制御方向の開方向及び閉方向の各々について、前記可動鉄心の現在位置に対して駆動電流に重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値が設定されたテーブルデータを予め記憶していることを特徴とする。

本発明によれば、ソレノイド駆動弁の弁制御方向及びソレノイド駆動弁に設けられた可動鉄心の可動軸上の現在位置に応じて駆動電流に重畳すべきディザー信号の振幅値を決定するので、ソレノイド駆動弁に強力な反力を有するスプリングを用いる場合であっても、全ての制御領域において良好な応答性を維持でき、リニアな弁開度制御を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電磁弁制御装置（ソレノイド駆動弁の開度制御装置）Ｃのブロック構成図である。本実施形態に係る電磁弁制御装置Ｃのディザー振幅決定部Ｃ４に記憶されている、弁制御方向の開方向及び閉方向の各々について、プランジャＳ２（可動鉄心）の現在位置に対して駆動電流に重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値が設定されたテーブルデータのイメージ図である。本実施形態に係る電磁弁制御装置Ｃの動作説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るソレノイド駆動弁の開度制御装置Ｃ（以下、電磁弁制御装置と略す）のブロック構成図である。なお、以下では、本実施形態に係る電磁弁制御装置Ｃの制御対象としてソレノイド駆動弁Ｓを挙げて説明する。また、図１では、説明の簡略化のため、ソレノイド駆動弁Ｓの構成要素としてソレノイドコイル（駆動コイル）Ｓ１、プランジャ（可動鉄心）Ｓ２及びスプリングＳ３のみを図示している。

図１において、Ｘ軸はプランジャＳ２の可動軸を表しており、ソレノイドコイルＳ１に電磁弁制御装置Ｃから駆動電流Ｉを供給することで生じる吸引力（プランジャＳ２を不図示の固定鉄心に吸引する力）と、スプリングＳ３による反力（プランジャＳ２を固定鉄心から引き離す力）との大小関係によってプランジャＳ２がＸ軸上を往復運動することで開方向及び閉方向の弁開度が制御される。なお、図１では、Ｘ軸の正方向を弁開度の開方向（スプリングＳ３が縮む方向）とし、スプリングＳ３が完全に伸びきった際のプランジャＳ２の位置Ｘ０（以下、この位置を基準位置と称する）で弁開度が「０」、つまり完全に弁が閉じるものとする。

図１に示すように、本実施形態に係る電磁弁制御装置Ｃは、偏差演算部Ｃ１、ＰＩＤ演算部Ｃ２、制御方向判定部Ｃ３、ディザー振幅決定部Ｃ４、ディザー信号生成部Ｃ５、加算演算部Ｃ６、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号生成部Ｃ７、スイッチング素子（駆動電流生成部）Ｃ８、ポジションセンサ（位置センサ）Ｃ９及びセンサ入力部Ｃ１０から構成されている。

偏差演算部Ｃ１は、不図示の上位制御装置から入力されるプランジャＳ２の可動軸上の目標位置Ｘｐ（目標弁開度に相当する）と、ポジションセンサＣ９からセンサ入力部Ｃ１０を介して入力されるプランジャＳ２の可動軸上の現在位置Ｘｓとの偏差量ΔＸ（＝Ｘｐ−Ｘｓ）を算出し、その算出結果である偏差量ΔＸをＰＩＤ演算部Ｃ２及び制御方向判定部Ｃ３に出力する。なお、目標位置Ｘｐ及び現在位置Ｘｓは、基準位置Ｘ０を起点とするＸ軸上の位置である。

ＰＩＤ演算部Ｃ２は、偏差演算部Ｃ１から入力される偏差量ΔＸが「０」となるように、つまりプランジャＳ２の可動軸上の目標位置Ｘｐと現在位置Ｘｓとが一致するように駆動電流Ｉを生成するための操作信号（操作量）をＰＩＤ演算によって算出し、その算出結果である操作信号を加算演算部Ｃ６に出力する。

制御方向判定部Ｃ３は、偏差演算部Ｃ１から入力される偏差量ΔＸの正負によって弁制御方向が開方向なのか閉方向なのかを判定し、その判定結果をディザー振幅決定部Ｃ４に出力する。具体的には、この制御方向判定部Ｃ３は、偏差量ΔＸ＞０の場合、つまり目標位置Ｘｐ＞現在位置Ｘｓの場合に弁制御方向が開方向であると判定し、また、偏差量ΔＸ≦０の場合、つまり目標位置Ｘｐ≦現在位置Ｘｓの場合に弁制御方向が閉方向であると判定する。

ディザー振幅決定部Ｃ４は、制御方向判定部Ｃ３から入力される弁制御方向の判定結果と、ポジションセンサＣ９からセンサ入力部Ｃ１０を介して入力されるプランジャＳ２の可動軸上の現在位置Ｘｓとに基づいて、駆動電流Ｉに重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値を決定し、それらディザー振幅値の決定結果をディザー信号生成部Ｃ５に出力する。

具体的には、ディザー振幅決定部Ｃ４は、図２に示すように、弁制御方向の開方向及び閉方向の各々について、プランジャＳ２の現在位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、…、Ｘｎ（なお、Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３…＜Ｘｎ）に対して駆動電流Ｉに重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値が設定されたテーブルデータを予め記憶しており、このテーブルデータに基づいて、上述した制御方向判定部Ｃ３から入力される弁制御方向の判定結果と、ポジションセンサＣ９からセンサ入力部Ｃ１０を介して入力されるプランジャＳ２の現在位置Ｘｓとに対応するディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値を決定する。

ディザー信号生成部Ｃ５は、ディザー振幅決定部Ｃ４にて決定されたディザー振幅値を有するディザー信号を生成して加算演算部Ｃ６に出力する。なお、ディザー信号の周波数は予め固定値として設定されている。加算演算部Ｃ６は、ＰＩＤ演算部Ｃ２から入力される操作信号とディザー信号生成部Ｃ５から入力されるディザー信号とを加算し、その加算結果である加算信号をＰＷＭ信号生成部Ｃ７に出力する。ＰＷＭ信号生成部Ｃ７は、加算演算部Ｃ６から入力される加算信号（つまり、操作信号とディザー信号との加算信号）に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成してスイッチング素子Ｃ８に出力する。

スイッチング素子Ｃ８は、例えば電源ラインＶｃｃとソレノイドコイルＳ１との間に介挿されたＭＯＳ−ＦＥＴであり、ＰＷＭ信号生成部Ｃ７から入力されるＰＷＭ信号に応じてオン／オフする。このようなスイッチング素子Ｃ８のＰＷＭ信号に基づくスイッチング動作によって、プランジャＳ２の現在位置Ｘｓが目標位置Ｘｐとなるような且つ上記のディザー信号が重畳された駆動電流Ｉが生成されてソレノイドコイルＳ１に供給される。

ポジションセンサＣ９は、例えば光学式あるいは磁気式の位置センサであり、プランジャＳ２の可動軸上の現在位置（つまり実際の弁開度）を計測し、その計測結果である現在位置Ｘｓをセンサ入力部Ｃ１０に出力する。センサ入力部Ｃ１０は、ポジションセンサＣ９から入力される上記プランジャＳ２の可動軸上の現在位置Ｘsを偏差演算部Ｃ１及びディザー振幅決定部Ｃ４に出力する。

以上が本実施形態に係る電磁弁制御装置Ｃの構成に関する説明であるが、上記の偏差演算部Ｃ１、ＰＩＤ演算部Ｃ２、制御方向判定部Ｃ３、ディザー振幅決定部Ｃ４、ディザー信号生成部Ｃ５、加算演算部Ｃ６及びＰＷＭ信号生成部Ｃ７はアナログ回路によって構成しても良いし、或いはマイクロプロセッサを用いたソフトウエア処理（デジタル処理）によって上記各構成要素の機能を実現するような構成としても良い。デジタル処理を用いる場合には、ポジションセンサＣ９から出力されるプランジャＳ２の現在位置Ｘｓがアナログ信号であるため、このアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を設ける必要がある。

次に、上記のように構成された本実施形態に係る電磁弁制御装置Ｃの動作について詳細に説明する。ここで、図３（ａ）に示すように、上位制御装置から電磁弁制御装置ＣにプランジャＳ２の目標位置ＸｐとしてＸ４が入力され、プランジャＳ２の可動軸上の現在位置ＸｓがＸ１（Ｘ４＞Ｘ１）であると仮定すると、ポジションセンサＣ９にて計測されるプランジャＳ２の現在位置ＸｓはＸ１となり、偏差演算部Ｃ１にて算出される偏差量ΔＸはΔＸ＝Ｘ４−Ｘ１＞０となる。

この時、ＰＩＤ演算部Ｃ２は、偏差量ΔＸが「０」となるような、つまりプランジャＳ２の可動軸上の現在位置がＸ１から目標位置Ｘ４となるような駆動電流Ｉを生成するための操作信号（操作量）を算出して加算演算部Ｃ６に出力する。一方、制御方向判定部Ｃ３は、偏差量ΔＸ＞０であるので、弁制御方向が開方向であると判定し、その判定結果をディザー振幅決定部Ｃ４に出力する。

ディザー振幅決定部Ｃ４は、図２に示すテーブルデータから、弁制御方向が開方向であり、且つプランジャＳ２の可動軸上の現在位置Ｘ１に対応するディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値を決定する。つまり、この時、ディザー信号の＋側の振幅値はｄ１に決定され、−側の振幅値はｄ１’に決定される。そして、ディザー信号生成部Ｃ５は、上記のようにディザー振幅決定部Ｃ４によって決定されたディザー振幅値を有するディザー信号を生成して加算演算部Ｃ６に出力する。

このように弁制御方向及びプランジャＳ２の現在位置に応じた振幅値を有するディザー信号と、プランジャＳ２の現在位置を目標位置Ｘ４とするような駆動電流Ｉを生成するための操作信号とが加算演算部Ｃ６によって加算され、加算信号としてＰＷＭ信号生成部Ｃ７に出力され、上記加算信号に応じたＰＷＭ信号がＰＷＭ信号生成部Ｃ７からスイッチング素子８に出力される。

これにより、プランジャＳ２の現在位置が目標位置Ｘ４となるように且つ上記のディザー信号（開方向及び現在位置Ｘ１に対応する振幅値を有するディザー信号）が重畳された駆動電流ＩがソレノイドコイルＳ１に供給され、プランジャＳ２にスプリングＳ３の反力を上回る吸引力が作用して目標位置Ｘ４に向けて移動を始めることになる。

図３（ｂ）は、上述のＰＩＤ制御の様子を表すイメージ図である。この図に示すように、ＰＩＤ制御では、プランジャＳ２の目標位置Ｘｐに対して現在位置Ｘｓが上回ったり下回ったりを繰り返しながら、やがて目標位置Ｘｐと一致する。すなわち、プランジャＳ２の目標位置Ｘｐに対して現在位置Ｘｓが下回っている場合には、弁制御方向は開方向（偏差量ΔＸ＞０）となるので、図２のテーブルデータから開方向及びその時のプランジャＳ１の現在位置に応じたディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値を決定し、また、プランジャＳ２の目標位置Ｘｐに対して現在位置Ｘｓが上回っている場合には、弁制御方向は閉方向（偏差量ΔＸ≦０）となるので、図２のテーブルデータから閉方向及びその時のプランジャＳ２の現在位置に応じたディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値を決定することになる。

以上のように、本実施形態に係る電磁弁制御装置Ｃによれば、弁制御方向（開方向、閉方向）及びプランジャＳ２の現在位置に応じて駆動電流Ｉに重畳すべきディザー信号の振幅値を決定するため、ソレノイド駆動弁Ｓに強力な反力を有するスプリングＳ３を用いる場合であっても、全ての制御領域において良好な応答性を維持でき、リニアな弁開度制御を行うことが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、全ての制御領域においてディザー信号を駆動電流Ｉに重畳する場合を説明したが、プランジャＳ２の現在位置が目標位置の近く（例えば２％以内）に到達した場合にはヒステリシスの影響が小さくなるため、ディザー信号の重畳を停止するように制御しても良い。

（２）また、上記実施形態では、弁制御方向（開方向、閉方向）及びプランジャＳ２の現在位置に応じて駆動電流Ｉに重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値の両方を決定する場合を説明したが、いずれか一方の振幅値を決定し、他方の振幅値は固定値としても良い。

（３）また、上記実施形態では、図２に示すようなテーブルデータを用いて駆動電流Ｉに重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値を決定する場合を説明したが、弁制御方向の各々について、プランジャＳ２の現在位置と＋側の振幅値との関係を示す演算式と、プランジャＳ２の現在位置と−側の振幅値との関係を示す演算式とを予め記憶しておき、これらの演算式を用いてディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値を決定するようにしても良い。

Ｃ…電磁弁制御装置、Ｃ１…偏差演算部、Ｃ２…ＰＩＤ演算部、Ｃ３…制御方向判定部、Ｃ４…ディザー振幅決定部、Ｃ５…ディザー信号生成部、Ｃ６…加算演算部、Ｃ７…ＰＷＭ信号生成部、Ｃ８…スイッチング素子、Ｃ９…ポジションセンサ、Ｃ１０…センサ入力部、Ｓ…ソレノイド駆動弁、Ｓ１…ソレノイドコイル、Ｓ２…プランジャ、Ｓ３…スプリング

Claims

制御対象であるソレノイド駆動弁に設けられた駆動コイルにディザー信号を重畳させた駆動電流を供給するソレノイド駆動弁の開度制御装置であって、
前記ソレノイド駆動弁の弁制御方向及び前記ソレノイド駆動弁に設けられた可動鉄心の可動軸上の現在位置に応じて前記駆動電流に重畳すべきディザー信号の振幅値を決定するディザー振幅決定部を備えることを特徴とするソレノイド駆動弁の開度制御装置。
前記可動鉄心の可動軸上の現在位置を検出する位置センサと、
外部制御装置から入力される前記可動鉄心の目標位置と前記位置センサによって検出された前記可動鉄心の現在位置との偏差量を算出する偏差演算部と、
前記偏差演算部によって算出された前記偏差量を基にＰＩＤ演算を行うことで操作量を算出するＰＩＤ演算部と、
前記偏差演算部によって算出された前記偏差量を基に前記ソレノイド駆動弁の弁制御方向が開方向であるか閉方向であるかを判定する制御方向判定部と、
前記制御方向判定部によって判定された前記弁制御方向及び前記位置センサによって検出された前記可動鉄心の現在位置とに応じて前記駆動電流に重畳すべきディザー信号の振幅値を決定する前記ディザー振幅決定部と、
前記ディザー振幅決定部によって決定された振幅値を有するディザー信号を生成するディザー信号生成部と、
前記ＰＩＤ演算部によって算出された操作量と前記ディザー信号生成部によって生成されたディザー信号とを加算する加算演算部と、
前記加算演算部の加算結果に応じたＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記ＰＷＭ信号生成部によって生成された前記ＰＷＭ信号に応じて前記駆動コイルに供給するディザー信号を重畳させた駆動電流を生成する駆動電流生成部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のソレノイド駆動弁の開度制御装置。
前記ディザー振幅決定部は、前記駆動電流に重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値の両方を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のソレノイド駆動弁の開度制御装置。
前記ディザー振幅決定部は、前記弁制御方向の開方向及び閉方向の各々について、前記可動鉄心の現在位置に対して駆動電流に重畳すべきディザー信号の＋側の振幅値及び−側の振幅値が設定されたテーブルデータを予め記憶していることを特徴とする請求項３記載のソレノイド駆動弁の開度制御装置。