JP2014234769A - 電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カムを駆動するモータの駆動回路における消費電力を低減する。【解決手段】バルブリフト量可変部１は、カム８の回転により軸方向に変位する制御軸３の変位量に基づいてバルブリフト量を可変するもので、カム８の回転角度を検出する角度検出部９、カム８を駆動するモータ６などを備え、電子制御装置５により制御される。カム８の外周には、制御軸３と接する際に制御軸３の一端側の面と正対するような傾きを持つ複数の段差部２２ａ〜２２ｃが形成されている。電子制御装置５は、角度検出部９により検出される検出角度がバルブリフト量の目標量に応じて決定されるカム８の目標角度に一致するように、モータ６によるカム８の駆動を制御する。電子制御装置５は、目標角度が段差部２２ａ〜２２ｃに対応する角度である場合、検出角度から目標角度を減算して得られる差が第１閾値を超えると、モータ６によるカム８の駆動を停止する。【選択図】図１

Description

本発明は、カムの回転により軸方向に変位する制御軸の変位量に基づいてバルブリフト量を可変するバルブリフト量可変部を制御する電子制御装置に関する。

車両に搭載される内燃機関などにおいて、出力や燃費の向上を図ることなどを目的として、吸気バルブや排気バルブのバルブリフト量を可変制御する方法が考えられている。例えば、特許文献１には、カムの回転を通じてコントロールシャフト（制御軸）を軸方向に変位させることで、バルブリフト量を可変する構成が開示されている。この場合、カムは、モータなどの駆動部により回転駆動される。

特開２００６−１４４５９３号公報

上記構成において、バルブリフト量を所望する量に維持するためには、カムの回転角度を所定の角度にとどめておく必要がある。カムの回転角度を所定角度に維持するためには、モータに対し継続的に通電を行う、つまり絶えず電流を流す必要がある。そうすると、モータを駆動する駆動回路での消費電力が増加するという問題が生じる。また、消費電力が増加すると、モータの駆動回路およびそれらの動作を制御する電子制御装置についての放熱コストが高くなるといった問題、電子制御装置の小型化が困難になるといった問題などの発生に繋がる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、カムを駆動するモータの駆動回路における消費電力を低減することができる電子制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の電子制御装置は、バルブリフト量可変部を制御する。バルブリフト量可変部は、カム、制御軸、モータおよび角度検出部を備えている。カムは、中心から外周までの距離が変化するように構成されている。制御軸は、一端がカムの外周に接するように設けられ、カムの回転に応じて軸方向に変位する。また、制御軸は、その軸方向への変位量に基づいてバルブリフト量を可変する。モータは、カムに回転力を付与して駆動する。角度検出部は、カムの回転角度を検出する。電子制御装置は、角度検出部により検出される検出角度が、カムの目標角度に一致するように、モータによるカムの駆動を制御する。なお、カムの目標角度は、バルブリフト量の目標量に応じて決定される。つまり、電子制御装置は、バルブリフト量が目標量に一致するように、カムの駆動をフィードバック制御する。

このような構成の場合、従来技術の説明でも述べたように、バルブリフト量を所望する量に維持する（とどめる）ためには、モータによるカムの駆動を継続的に行う必要がある。これは、カムの外周に制御軸が接しているとき、その接触によって、カムを回転させる力が生じるからである。このような問題点を解消するべく、本手段におけるカムは、次のような構成になっている。すなわち、カムの外周には、制御軸と接する際に制御軸の一端側の面と正対するような傾きを持つ複数の段差部が形成されている。このような構成の段差部に制御軸が接しているときには、その接触によってカムを回転させる力は生じないため、モータによるカムの駆動を停止することができる。従って、バルブリフト量の目標量に応じて決定される目標角度が段差部に対応する角度である場合には、モータによるカムの駆動を継続的に行わなくても、バルブリフト量をその目標量に維持することが可能となる。

従って、上記構成によれば、制御軸が段差部に接しているときには、モータによるカムの駆動を停止できるため、その分だけモータを駆動する駆動回路における消費電力を低減することができる。また、本手段では、電子制御装置の制御内容に対し、以下のような工夫を加えることにより、消費電力を一層低減することを実現している。すなわち、制御軸が段差部に接していない状態と接している状態との間を移行する際、モータがカムに対して付与する回転力が大きく変化する。そのため、目標角度が段差部に対応する角度である場合、カムの回転角度（検出角度）が目標角度を上回る状態（オーバーシュート）と、目標角度を下回る状態（アンダーシュート）とが繰り返される。その結果、カムの回転角度が目標角度に一致するまでの時間が長くなり、その分だけモータの駆動回路における消費電力が増加する。

そこで、電子制御装置は、目標角度が段差部に対応する角度である場合、検出角度から目標角度を減算して得られる差が第１閾値を超えると、モータによるカムの駆動を停止する。言い換えると、電子制御装置は、目標角度が段差部に対応する角度である場合にオーバーシュートが生じると、モータによるカムの駆動を停止する。このようにカムの駆動が停止されたとき、制御軸は、カムの外周のうち段差部以外の部分に接している。そのため、カムの外周および制御軸の接触によりカムを回転させる力が生じる。そして、その回転力によって、カムは目標角度に向けて回転する。このようにすれば、制御軸が段差部に接していないときにおける消費電力をも低減することができる。このように、本手段によれば、カムを駆動するモータの駆動回路における消費電力を低減することができる。そのため、モータの駆動回路を構成する部分の放熱コストが低く抑えられ、駆動回路ひいては電子制御装置全体の小型化を実現することができる。

本発明の一実施形態を示すもので、バルブリフト量可変部および電子制御装置の構成図 制御軸が段差部に接した状態における制御軸およびカムを示す図 制御軸が非段差部に接した状態における図２相当図 制御軸の押し出し量およびカムの回転角度の関係を示す図 電子制御装置によるカムの駆動制御の内容を示すフローチャート

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すバルブリフト量可変部１は、例えば自動車などの車両に搭載される内燃機関の吸気バルブ（図示せず）のバルブリフト量を可変する。バルブリフト量可変部１は、アクチュエータ２、制御軸３およびバルブリフト量可変機構４を備え、その動作は電子制御装置５により制御される。

アクチュエータ２は、モータ６、減速機７、カム８および角度検出部９を備えている。モータ６は、例えば直流モータであり、電子制御装置５から電力の供給を受けて駆動される。モータ６およびカム８の各回転軸は、減速機７を介して連結されている。減速機７は、モータ６の回転を減速した上でカム８へと伝達する。カム８は、モータ６から減速機７を介して付与される回転力によって回転される。

角度検出部９は、カム８の回転角度を検出する回転角センサにより構成されている。角度検出部９は、カム８の回転角度の検出値（検出角度）を表す角度検出信号Ｓａを、電子制御装置５に出力する。制御軸３は、カム８の回転に応じて、軸方向に変位する（往復直動運動）。バルブリフト量可変機構４は、制御軸３の軸方向への変位量に応じて、図示しない吸気バルブのバルブリフト量を可変する機構である。

電子制御装置５は、例えば内燃機関（エンジン）の制御全般を行うＥＣＵ（エンジンＥＣＵ）である。電子制御装置５は、駆動回路１０および制御回路１１を備えている。駆動回路１０は、例えばＨブリッジ回路を備えたモータ駆動用のＩＣを主体に構成されている。駆動回路１０は、制御回路１１から与えられる駆動指令に基づいて、モータ６に対して電力供給（通電）を行い、モータ６を回転駆動する。

制御回路１１は、例えばマイクロコンピュータを主体に構成されている。制御回路１１は、角度検出部９から与えられる角度検出信号Ｓａに基づいてカム８の検出角度θｄを取得する。制御回路１１は、バルブリフト量の目標量に応じて、カム８の目標角度θｒを決定する。そして、制御回路１１は、カム８の検出角度θｄが目標角度θｒに一致するように、駆動回路１０によるモータ６の駆動を制御する。上記構成によれば、バルブリフト量が目標量に一致するように、カム８の駆動が制御される。

続いて、制御軸３およびカム８の構成について、図２および図３を参照しながら説明する。制御軸３は、軸方向（図中、左右方向）に変位可能に設けられている。また、制御軸３は、その一方の端部（一端）がカム８の外周に接するように、バルブリフト量可変機構４側（図中、右側）からカム８側（図中、左側）に向けて付勢（押圧）されている。なお、上記付勢力（押圧力）を発生するための機構としては、例えばバネなどを用いることができる。

カム８は、その回転中心である中心点２１から外周面までの距離が変化するような構成となっている。また、カム８の外周には、制御軸３と接する際に制御軸３の一端側の面と正対するような傾きを持つ３つの段差部２２ａ〜２２ｃが形成されている。すなわち、段差部２２ａ〜２２ｃは、丸みを帯びていない形状である。一方、カム８の外周の段差部２２ａ〜２２ｃを除く部分である非段差部２３は、中心点２１を中心とする円弧状の形状となっている。従って、段差部２２ａ〜２２ｃは、非段差部２３に対し、その傾きが異なっている。

なお、段差部２２ａ〜２２ｃの長さは、制御軸３の一端側の面の径方向長さよりも若干長く設定されている（中心点２１を中心とした１０°程度の範囲）。また、図２および図３においては、段差部２２ａ〜２２ｃを強調して表示するため、非段差部２３に比べて太い線にて示している。

制御軸３が、段差部２２ａ〜２２ｃに接した状態においては、制御軸３がカム８の外周を押す力と、それに抗するカム８の力が釣り合い、カム８を回転駆動せずとも、カム８の回転角度が一定に保たれる。これに対し、制御軸３が、非段差部２３に接した状態においては、制御軸３がカム８の外周を押す力により、カム８を回転させる力（図中、左回転させる力）が発生することになる。

また、カム８は、回転自在に設けられているが、その回転範囲は図示しないストッパにより制限されている。具体的には、カム８の回転範囲は、制御軸３が段差部２２ａに接した状態（図２（ａ）参照）から段差部２２ｂに接した状態（図２（ｂ）参照）を経由して段差部２２ｃに接した状態（図２（ｃ）参照）に至る範囲に設定されている。

前述したように、カム８の回転角度は、電子制御装置５の制御回路１１により制御されるが、その目標角度θｒは３つの段差部２２ａ〜２２ｃのいずれかに対応した角度に設定される。つまり、本実施形態のバルブリフト量可変部１では、バルブリフト量が３段階に可変制御されるようになっている。

図４に示すように、制御軸３の軸方向への変位量（押し出し量とも呼ぶ）は、制御軸３が段差部２２ａに接した状態、段差部２２ｂに接した状態、段差部２２ｃに接した状態という順に大きくなる。従って、バルブリフト量としては、制御軸３が段差部２２ａに接した状態が最も少なく、制御軸３が段差部２２ｃに接した状態が最も多くなる。なお、各状態間において、押し出し量（＝バルブリフト量）は所定の傾きを持って変化する。

続いて、電子制御装置５の制御回路１１によるバルブリフト量の可変制御の内容について、図５のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ１では、駆動回路１０を通じてモータ６に対する通電が行われ、モータ６が駆動される。ステップＳ２では、角度検出部９から与えられる角度検出信号Ｓａに基づいてカム８の検出角度θｄが取得される。

ステップＳ３では、検出角度θｄから目標角度θｒを減算して得られる値（差）が、第１閾値（例えば０°）を超えたか否かが判断される。上記差が第１閾値以下である場合、ステップＳ３で「ＮＯ」となり、ステップＳ１に戻る。また、上記差が第１閾値を超える場合、ステップＳ３で「ＹＥＳ」となり、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、モータ６への通電が停止され、モータ６の駆動が停止される。つまり、検出角度θｄが目標角度θｒを上回るまでの間は、カム８の回転角度が目標角度θｒに近づくようにモータ６への通電が継続的に行われる。そして、検出角度θｄが目標角度θｒを上回ると、モータ６への通電、ひいてはカム８の駆動が停止される。

ステップＳ４においてモータ６の駆動が停止された後、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、検出角度θｄの取得が再度実施される。そして、ステップＳ６では、検出角度θｄから目標角度θｒを減算して得られる値（差）が、第２閾値（例えば−５°）未満であるか否かが判断される。上記差が第２閾値未満である場合、ステップＳ６で「ＹＥＳ」となり、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、このとき設定されている目標角度θｒに対し、下記（１）式に示すような補正が行われる。ただし、元の目標角度をθｒ’とし、補正後の新たな目標角度をθｒとし、補正値をαとして示している。
θｒ＝θｒ’＋α …（１）

ステップＳ７の実行後は、ステップＳ１に戻る。つまり、上記差が第２閾値未満である場合、元の目標角度に対して補正値α（例えば５°）を加算した新たな目標角度に基づいて、カム８の駆動制御が再度実施される。

一方、上記差が第２閾値以上である場合、ステップＳ６で「ＮＯ」となり、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、検出角度θｄの変化が所定の判定値未満であるか否か、つまり検出角度θｄの値に変動があるか否かが判断される。検出角度θｄの値が概ね一定である場合、ステップＳ８で「ＮＯ」となり、ステップＳ９に進む。また、検出角度θｄの値が変動している場合、ステップＳ８で「ＹＥＳ」となり、ステップＳ６に戻る。

ステップＳ９では、その時点における検出角度θｄの値に基づいて、目標角度θｒの修正が行われる（目標角度の学習）。具体的には、今回のバルブリフト量の目標量に対応する目標角度θｒの値が、この時点における検出角度θｄの値に置き換えられる。

以上説明した本実施形態によれば、次のような作用および効果が得られる。
本実施形態では、カム８の目標角度θｒは、段差部２２ａ〜２２ｃのいずれかに対応した角度に設定される。また、制御軸３が段差部２２ａ〜２２ｃのいずれかに接しているときには、カム８（モータ６）の駆動を停止することができる。つまり、本実施形態では、カム８の回転角度が目標角度に達した際にモータ６への通電を停止することができるため、その分だけ、モータ６を駆動する駆動回路１０における消費電力を削減することができる。

また、本実施形態では、以下のような点に着目し、通常のフィードバック制御とは異なる内容でもってカム８の回転角度の制御を行っている。すなわち、制御軸３が非段差部２３に接している状態および制御軸３が段差部２２ａ〜２２ｃのいずれかに接している状態の間を移行する際、モータ６の負荷（カム８に付与される回転力）が大きく変化する。そのため、通常のフィードバック制御では、カム８の検出角度θｄが目標角度θｒを上回る状態（オーバーシュート）と、検出角度θｄが目標角度θｒを下回る状態（アンダーシュート）とが繰り返されることになる。その結果、カム８の回転角度が目標角度θｒに一致する（収束する）までの時間が長くなり、その分だけ、モータ６の駆動回路１０における消費電力が増加する。

これに対し、本実施形態の制御では、カム８の回転角度が目標角度θｒを行き過ぎるオーバーシュートが生じると、モータ６の駆動が停止される。このようにモータ６の駆動が停止された場合、カム８の回転角度は、目標角度θｒを若干超えた角度となっている。そして、この場合、制御軸３が非段差部２３に接した状態となっている。そのため、制御軸３がカム８の外周を押す力により、カム８を回転させる力（図２および図３において左回転させる力）が生じる。そして、その回転力によって、カム８は目標角度θｒに向けて回転する。

このような制御によれば、カム８の回転角度が目標角度θｒを一旦行き過ぎた後にモータ６に対する通電を行わなくても、その後は自然に（自動的に）カム８の回転角度が目標角度θｒへと収束することになる。従って、カム８の回転角度が目標角度θｒに収束するまでの期間におけるモータ６への通電期間が短く抑えられ、その分だけ、モータ６の駆動回路１０における消費電力が低減される。このように、本実施形態によれば、カム８を駆動するモータ６の駆動回路１０における電力消費量を低減することができる。そのため、モータ６の駆動回路１０についての放熱コストが低く抑えられ、電子制御装置５全体の小型化を実現することが可能となる。

上述したような制御を行う場合、カム８の回転角度の検出精度が低いと次のような問題が生じるおそれがある。すなわち、角度検出部９の検出精度が低く、検出角度θｄが実際の回転角度よりも大きい値になった場合には、実際の回転角度が目標角度θｒより小さい角度であるにもかかわらず、モータ６の駆動が停止されることがある。この場合、例えば図３（ａ）に示すように、段差部２２ｂに対応する目標角度θｒよりも手前に位置する非段差部２３に制御軸３が接した状態となっている。そのため、カム８を回転させる力が生じ、カム８は、その回転力により目標角度θｒから離れるように回転してしまう。

そこで、本実施形態では、オーバーシュートが生じてモータ６の駆動が停止された後、所定値以上のアンダーシュートが生じると（ステップＳ６で「ＹＥＳ」になると）、モータ６の駆動が再開される。これにより、カム８は再び目標角度θｒに向けて回転する。ただし、このようにモータ６の駆動が再開されたとしても、同様の検出誤差が生じる場合には、上述した問題が再発する可能性が高い。そこで、モータ６の駆動が再開される際には、元の目標角度に対して所定の補正値αを加算した新たな目標角度に基づいて、モータ６の駆動が制御されるようになっている。このようにすれば、同様の検出誤差が生じた場合でも、上述した問題が再発する可能性が低く抑えられる。

カム８の回転角度が目標角度θｒに収束すると（ステップＳ８で「ＮＯ」になると）、今回のバルブリフト量の目標量に対応する目標角度θｒの値が、その時点における検出角度θｄの値に置き換えられる。このようにすれば、カム８の駆動制御が行われる度に、各段差部２２ａ〜２２ｃに対応する目標角度θｒの値が実際の状況に即した値に適宜修正される。そのため、カム８の回転角度の制御、ひいてはバルブリフト量の可変制御の精度が高まるといった効果が得られる。

なお、本発明は上記し且つ図面に記載した実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
目標角度θｒの補正（ステップＳ７）が何度も繰り返し実行される場合（ステップＳ１〜Ｓ７の処理が繰り返し実行される場合）、角度検出部９における検出誤差（センサ値のずれ）が原因であるだけではなく、システムにおいて何らかの異常（故障）が生じている可能性が高い。その場合、カム８の回転角度が目標角度θｒに収束しないおそれがある。そこで、図５に示した制御回路１１による制御内容に対し、ステップＳ６で「ＹＥＳ」になる回数をカウントするステップと、そのカウントされた回数が規定回数を超えるとシステムの異常として判断して以降の処理を中断するステップとを追加するとよい。制御回路１１の制御内容に対し、このような変更を加えておけば、システムに異常が生じた場合には処理が中断される。従って、カム８の回転角度が目標角度θｒに収束しないまま、処理が長時間継続されてしまうといった事態の発生を防ぐことができる。

図５におけるステップＳ５〜Ｓ７の処理は、角度検出部９における検出誤差が問題にならない場合などには省略してもよい。また、図５におけるステップＳ８およびＳ９の処理は、カム８の回転角度の制御の精度が十分に高い場合などには省略してもよい。
角度検出部９は、カム８の回転角度を直接的に検出する構成に限らず、例えばモータ６の回転角度を検出し、その回転角度に基づいて間接的にカム８の回転角度を検出する構成でもよい。

モータ６は、直流モータに限らずともよく、カム８に回転力を付与して駆動する構成であれば適宜変更可能である。
カム８は、外周に複数の段差部が形成された構成であればよい。そして、その段差部の数は、バルブリフト量の調整の段階数に応じて適宜設定すればよい。

図面中、１はバルブリフト量可変部、３は制御軸、５は電子制御装置、６はモータ、８はカム、９は角度検出部、２２ａ〜２２ｃは段差部を示す。

Claims (4)

1. 中心（２１）から外周までの距離が変化するように構成されたカム（８）と、
   一端が前記カム（８）の外周に接するように設けられ前記カム（８）の回転に応じて軸方向に変位するものであって、その軸方向への変位量に基づいてバルブリフト量を可変する制御軸（３）と、
   前記カム（８）に回転力を付与して駆動するモータ（６）と、
   前記カム（８）の回転角度を検出する角度検出部（９）と、
   前記カム（８）の外周に形成されたものであって、前記制御軸（３）と接する際に前記制御軸（３）の一端側の面と正対するような傾きを持つ複数の段差部（２２ａ〜２２ｃ）と、を備えたバルブリフト量可変部（１）を制御する電子制御装置であって、
   前記角度検出部（９）により検出される検出角度が前記バルブリフト量の目標量に応じて決定される前記カム（８）の目標角度に一致するように、前記モータ（６）による前記カム（８）の駆動を制御し、
   前記目標角度が前記段差部（２２ａ〜２２ｃ）に対応する角度である場合、前記検出角度から前記目標角度を減算して得られる差が第１閾値を超えると、前記モータ（６）による前記カム（８）の駆動を停止することを特徴とする電子制御装置。
2. 請求項１に記載の電子制御装置において、
   前記差が前記第１閾値を超えて前記モータ（６）による前記カム（８）の駆動を停止した後、前記差が第２閾値未満になると、前記モータ（６）による前記カム（８）の駆動を再開することを特徴とする電子制御装置。
3. 請求項２に記載の電子制御装置において、
   前記モータ（６）による前記カム（８）の駆動を再開する際、元の目標角度に対して所定の補正値を加算した新たな目標角度に基づいて、前記モータ（６）による前記カム（８）の駆動を制御することを特徴とする電子制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電子制御装置において、
   前記目標角度が前記段差部（２２ａ〜２２ｃ）に対応する角度である場合に前記モータ（６）による前記カム（８）の駆動を停止した後、前記検出角度の変化が所定の判定値未満になると、そのときの前記検出角度の値に基づいて前記段差部（２２ａ〜２２ｃ）に対応する前記カム（８）の目標角度を修正することを特徴とする電子制御装置。

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