JP2015008255A

JP2015008255A - ソレノイドの状態判定装置

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Publication number: JP2015008255A
Application number: JP2013133550A
Authority: JP
Inventors: 宏章下井; Hiroaki Shimoi
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: JP6251993B2

Abstract

【課題】ソレノイドの状態即ち正常か異常かを温度変化、ソレノイドの個体差によるバラツキも考慮した判定ができるソレノイドの状態判定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ソレノイド１の実際の駆動電流の検出値である検出電流ｉｆｂ（ｎ）とソレノイド１の通電を制御するＰＷＭ制御部１８に供給する指示電圧Ｖｒ（ｎ）とに基づきソレノイド１の状態量から推定電流ｉｐｒ（ｎ）を推定する状態量推定部１４と、推定電流ｉｐｒ（ｎ）と検出電流ｉｆｂ（ｎ）との差分を区間積分して区間積分値ｉｊ（ｎ）を演算する区間積分演算部２１と、区間積分値ｉｊ（ｎ）が予め設定された閾値Ｈ１あるいはＨ２を超えた場合にソレノイド１を異常と判定する判定部２２とを設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁弁の開閉制御やアクチュエータの駆動等に利用されるソレノイドに流れる電流を検出して、ソレノイドの状態を判定するソレノイドの状態判定装置に関する。

この様な、ソレノイドの状態判定装置において、ソレノイドの異常を検出する場合、従来技術として、ソレノイドへの印加電圧とモニタ電流から算出した算出抵抗値をソレノイドの正常時の抵抗値と比較して、ソレノイドの異常を検出することが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−１６６６６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ソレノイドの正常か異常かの判定に閾値としてソレノイドの正常時の一意の抵抗値を用いているため、印加電圧とモニタ電流から算出した算出抵抗値との比較では、温度変化、ソレノイドの個体差によるバラツキ等にて、ソレノイドの状態判定にバラツキが生じる可能性がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ソレノイドの状態即ち正常か異常かを温度変化、ソレノイドの個体差によるバラツキも考慮した判定ができるソレノイドの状態判定装置を提供することを目的とする。なお、本明細書ではソレノイドの状態とは、ソレノイド及びその駆動回路及び電流検出回路等を含む制御回路を含めた状態を指し、その異常とは、例えば、オープン、ショート、回路素子の劣化等の故障も含むものとする。

上記課題を解決するため、請求項１に係るソレノイドの状態判定装置は、ソレノイドに通電する駆動電流の目標値である目標電流と実際の前記駆動電流の検出値である検出電流との偏差を積分補償する積分演算部と、前記検出電流と前記ソレノイドの通電を制御するＰＷＭ制御部に供給する指示電圧とに基づき前記ソレノイドの状態量から推定電流を推定する状態量推定部と、前記積分演算部により積分補償された偏差と前記ソレノイドの状態量とに基づいて前記指示電圧を演算する指示電圧演算部と、前記推定電流と前記検出電流との差分を区間積分して区間積分値を演算する区間積分演算部と、前記区間積分値が予め設定された閾値を超えた場合に前記ソレノイドを異常と判定する判定部と、を備えたことを要旨とする。

これによれば、状態量推定部にて検出電流とソレノイドの通電を制御するＰＷＭ制御部に供給する指示電圧とに基づきソレノイドの状態量から推定された推定電流は、ソレノイドの状態が正常時は、検出電流と一致する。これにより、状態推定部から、温度変化、ソレノイドの個体差によるバラツキを考慮した推定電流が導出されるため、ソレノイドの状態判定を精度よく行うことができる。

上記課題を解決するため、請求項２に係るソレノイドの状態判定装置は、請求項１に記載のソレノイドの状態判定装置において、前記指示電圧の演算は、前記ソレノイドのインダクタンス分及び抵抗分の夫々の特性バラツキを示す特性パラメータを含むことを要旨とする。

これによれば、ソレノイドのインダクタンス分や抵抗分等の特性バラツキがあった場合でも、ソレノイドの状態判定を精度よく行うことができる。

ソレノイドの状態判定装置の構成を模式的に示すブロック図である。ソレノイドの状態判定装置の機能ブロックを模式的に示すブロック図である。特性パラメータを設定した場合のソレノイド電流のステップ応答を示す図である。特性パラメータを設定していない場合のソレノイド電流のステップ応答を示す図である。ソレノイドの状態判定装置におけるソレノイドの駆動の制御指令の処理を示すフローチャートである。ソレノイドの状態判定装置におけるソレノイドの状態判定の処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明に係るソレノイドの状態判定装置（以下「状態判定装置」とする）１００は、ソレノイドの特性バラツキがあった場合でも適切にソレノイドに通電する電流を制御する機能を備えている。このようなソレノイドは、例えば電磁弁の開閉制御やアクチュエータの駆動に利用される。本状態判定装置１００は、このようなソレノイドを制御対象とする。

ソレノイド１は、図１に示すように、状態判定装置１００によって駆動される。状態判定装置１００は、マイクロコンピュータ４を中核として、駆動回路５や電流検出部６を有して構成される。マイクロコンピュータ４は、ＣＰＵコア、プログラムメモリ、パラメータメモリ、ワークメモリ、通信制御部、Ａ／Ｄコンバータ、タイマ、ポートなどを有して構成される。このような構成は一般的な事項であり、説明を容易にするため図示及び詳細な説明は省略する。

プログラムメモリは、制御プログラムなどが格納された不揮発性のメモリである。パラメータメモリは、プログラムの実行の際に参照される種々のパラメータが格納された不揮発性のメモリである。なお、パラメータメモリは、プログラムメモリと区別することなく、プログラムメモリに含められていても良い。プログラムメモリやパラメータメモリは、例えばフラッシュメモリなどによって構成されると好適である。ワークメモリは、プログラム実行中の一時データを一時記憶するメモリである。ワークメモリは、揮発性で問題なく、高速にデータの読み書きが可能なＤＲＡＭ（dynamic RAM）やＳＲＡＭ（static RAM）により構成される。

駆動回路５は、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）やＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）などのパワー半導体を用いたスイッチング回路や、マイクロコンピュータ４の出力信号のドライブ能力を向上するドライバ回路などを有して構成される。ソレノイド１を駆動するスイッチング回路や、ドライバ回路の構成については公知であるので詳細な説明は省略する。なお、図１における符号７は保護ダイオードである。また、駆動回路５には、自己診断機能が備えられており、温度上昇などの診断結果がマイクロコンピュータ４に伝達されるように構成されている。

マイクロコンピュータ４は、例えば自動車においては図示略の走行制御ＥＣＵなど、上位の制御装置からソレノイドバルブの制御指令を受け、その制御指令に基づいてソレノイド１を制御する。具体的には、ソレノイド１を駆動する駆動電流を制御して、プランジャを任意の位置へ変位させてバルブ部材をスリーブ内で摺動させる。ソレノイド１に実際に流れる電流は、電流検出部６により検出され、マイクロコンピュータ４に伝達される。電流検出部６は、ホールＩＣ等を用いた電流センサで構成されても良いし、シャント抵抗を用いた電流検出回路により構成されても良い。マイクロコンピュータ４は、ソレノイド１の制御指令に基づく目標電流ｉｒ（ｎ）とソレノイド１に実際に流れる電流である検出電流ｉｆｂ（ｎ）との偏差に基づいて電流フィードバック制御を行う。そして、例えばＰＷＭ（pulse width modulation）制御などによって、駆動回路５に印加される電圧をスイッチングすることによって駆動電流を制御する。

なお、図１に例示したように、本実施形態では、プログラムメモリやワークメモリなどが１つのチップ（マイクロコンピュータ４）に集積された形態を例示しているが、当然ながら複数のチップによってマイクロコンピューティングシステムが構成されても良い。また、本実施形態においては、状態判定装置１００は、マイクロコンピュータ４を中核として構成され、半導体チップとしてのハードウェアと、プログラムやパラメータなどのソフトウェアとの協働によりその機能が実現される。但し、状態判定装置１００の実施態様は、このようなハードウェアとソフトウェアとの協働に限定されるものではなく、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）などを利用してハードウェアのみで構成されることを妨げるものではない。

以下、状態判定装置１００の詳細について説明する。図２に示すように、状態判定装置１００は、目標値フィルタ１１と、積分演算部１３と、状態量推定部１４と、特性パラメータ記憶部１５と、指示電圧演算部１６と、状態フィードバックゲイン記憶部１７と、ＰＷＭ制御部１８と、区間積分演算部２１と、判定部２２とを有している。各機能部は、上述したように、マイクロコンピュータ４を中核として、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。図２は、機能ブロックとしての構成を示したものであり、各機能部は必ずしも独立して存在する必要はない。

目標値フィルタ１１は、目標電流ｉｒ（ｎ）の高周波域のゲインをあげる。目標電流ｉｒ（ｎ）とは、ソレノイド１に通電する駆動電流の目標値である。このような目標値フィルタ１１を設けてゲインをあげることで、状態判定装置１００の応答性を向上させることができる。

積分演算部１３は、目標値フィルタ１１を通過後の目標電流ｉｒ（ｎ）と実際の駆動電流の検出値である検出電流ｉｆｂ（ｎ）との偏差を積分補償する機能部である。目標値フィルタ１１を通過後の目標電流ｉｒ（ｎ）とは、目標値フィルタ１１によりゲインがあげられた目標電流である。検出電流ｉｆｂ（ｎ）は電流検出部６により検出される。偏差は、加算器（減算器）１２によって演算される。積分演算部１３は、このような加算器１２により求められた目標電流ｉｒ（ｎ）と検出電流ｉｆｂ（ｎ）との偏差を積分ゲインＫｉを乗じて積分値を演算する。

状態量推定部１４は、検出電流ｉｆｂ（ｎ）と、ソレノイド１の通電を制御するＰＷＭ制御部１８に供給する指示電圧Ｖｒ（ｎ）の１周期前の値とに基づきソレノイド１の状態量を推定する。検出電流ｉｆｂ（ｎ）とは、上述のように電流検出部６により検出される。指示電圧Ｖｒ（ｎ）の１周期前の値は、状態量推定部１４の入力段に設けられた遅延要素１９により求められる。ソレノイド１の状態量とは、ソレノイド１の状態を示す量である。本実施形態では、ＰＷＭ制御されたソレノイド１の駆動電流の変化量に相当するもので、下記の数式１にて求まる値であり、図２に示すポイントＰ１に生じる。

特性パラメータ記憶部１５は、ソレノイド１のインダクタンス分及び抵抗分の夫々の特性バラツキを示す特性パラメータＱが記憶される。ここで、ソレノイド１を設計値どおりに作製した場合でも所定のバラツキが含まれる。特性パラメータ記憶部１５は、このような特性（特に、インダクタンス分及び抵抗分）のワースト値を規定するパラメータが記憶される。なお、このような特性パラメータＱは、予め記憶された値から、適宜、変更することも可能である。

このような特性パラメータＱを設定した場合のステップ応答が図３Ａに示され、特性パラメータＱを設定していない場合のステップ応答が図３Ｂに示される。なお、図３Ａ及び図３Ｂには、夫々ソレノイド１の温度を変化させた場合の例が示される。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、特性パラメータＱを設定することにより温度依存性が小さくなり、応答性が向上しているのがわかる。

指示電圧演算部１６は、積分演算部１３により積分補償された偏差と、ソレノイド１の状態量と、特性パラメータＱとに基づき指示電圧Ｖｒ（ｎ）を演算する。積分演算部１３により積分補償された偏差とは、目標電流ｉｒ（ｎ）と検出電流ｉｆｂ（ｎ）との偏差を積分補償したものである。ソレノイド１の状態量とは、状態量推定部１４により推定された状態量であり、前述の数式１にて示したものである。特性パラメータＱとは、特性パラメータ記憶部１５に記憶されてある特性パラメータである。従って、指示電圧Ｖｒ（ｎ）は下記の数式２にて求まる値となる。

なお、数式２におけるｚ（ｎ）は下記の数式３にて求まる値となる。

状態フィードバックゲイン記憶部１７は、状態フィードバックゲインＫが記憶されている。このような状態フィードバックゲインＫは、ソレノイド１のインダクタンス分と抵抗分とに基づいて規定され、電流応答性を向上させる。本実施形態では、指示電圧演算部１６は、指示電圧Ｖｒ（ｎ）を演算するにあたり特性パラメータＱを用いるが、当該特性パラメータＱは状態量推定部１４の出力の応答性を状態フィードバックゲインＫで調整した値が加算されたものが用いられる。

ＰＷＭ制御部１８は、指示電圧Ｖｒ（ｎ）及びソレノイド１の電流特性に基づいて駆動回路５の制御指令（例えば、ＰＷＭ指令）を演算する機能部である。また、ＰＷＭ指令に基づいてＰＷＭ信号を生成し、駆動回路５に当該ＰＷＭ信号を出力する。

状態量推定部１４にて推定されたソレノイド１の状態量に基づく推定電流ｉｐｒ（ｎ）は、図２に示すポイントＰ２に生じ、下記の数式４にて求まる値となる。

積分演算部２１は、推定電流ｉｐｒ（ｎ）と検出電流ｉｆｂ（ｎ）との偏差を区間積分した区間積分値ｉｊ（ｎ）を演算し、区間積分値ｉｊ（ｎ）は下記の数式５にて求まる値となる。

状態量推定部１４にて推定されたソレノイド１の状態量に基づく推定電流ｉｐｒ（ｎ）は、ソレノイド１の状態が正常時は、検出電流ｉｆｂ（ｎ）と一致する。これにより、状態推定部１４から、温度変化、ソレノイド１の個体差によるバラツキを考慮した推定電流ｉｐｒ（ｎ）が導出されるため、ソレノイド１の状態判定を精度よく行うことができる。

判定部２２は、区間積分値ｉｊ（ｎ）が予め設定された閾値を超えていない場合はソレノイド１の状態は正常と判定し、一方、閾値を超えた場合には、ソレノイド１の状態を異常と判定するものである。なお、本実施形態では、この閾値は、ショートの判定に用いる第１閾値Ｈ１とオープンの判定に用いる第２閾値Ｈ２を有する。

次に、状態判定装置１００が行う駆動回路５の制御指令に関する処理について図４のフローチャートを用いて説明する。マイクロコンピュータ４は、図４に示すフローチャートの一連の処理を繰り返し実行する。図４に示されるように、電流フィードバック制御の最初にマイクロコンピュータ４は、目標電流の値ｉｒ（ｎ）を取得し（ステップＳ１）、検出電流の値ｉｆｂ（ｎ）を取得する（ステップＳ２）。目標電流ｉｒ（ｎ）が取得されると、応答性をあげるために目標値フィルタ１１を通過させる（ステップＳ３）。

次に、目標値フィルタ１１を通過後の目標電流ｉｒ（ｎ）及び検出電流ｉｆｂ（ｎ）の偏差が演算され（ステップＳ４）、積分演算部１３により積分値が演算される（ステップＳ５）。現在の指示電圧Ｖｒ（ｎ）及び検出電流ｉｆｂ（ｎ）に基づき、状態量推定部１４によりソレノイド１の状態量が演算される（ステップＳ６）。更に、このソレノイド１の状態量と特性パラメータＱと状態フィードバックゲインＫと積分値とに基づき、前述の数式１、数式２及び数式３を用いて指示電圧Ｖｒ（ｎ）が演算される（ステップＳ７）。

ＰＷＭ制御部１８は指示電圧Ｖｒ（ｎ）をＰＷＭ信号に変換し（ステップＳ８）、ＰＷＭ信号を出力する（ステップＳ９）。このようにして、駆動回路５のスイッチング回路をＰＷＭ制御によりスイッチングさせるためのＰＷＭ信号がＰＷＭ制御部１８によって生成される。生成されたＰＷＭ信号は、マイクロコンピュータ４のポートから出力され、駆動回路５のドライバ回路を介してスイッチング回路のスイッチング素子の制御端子（ゲートやベース）に入力される。ＰＷＭ制御により、断続的にソレノイド１に通電され、駆動電流が供給される。

このように本通電制御装置１００によれば、ソレノイド１のインダクタンス分や抵抗分等の特性バラツキがあった場合でも、電流応答を劣化させること無く電流制御することができる。したがって、ソレノイド１に通電される電流を適切に制御することができる。

次に、状態判定装置１００が行うソレノイド１の状態の判定に関する処理について図５のフローチャートを用いて説明する。マイクロコンピュータ４は、図５に示すフローチャートの一連の処理を繰り返し実行する。図５に示されるように、ソレノイド１の状態の判定の最初にマイクロコンピュータ４は、目標電流の値ｉｒ（ｎ）を取得し（ステップＳ１１）、検出電流ｉｆｂ（ｎ）の値ｉｆｂ（ｎ）を取得する（ステップＳ１２）。目標電流ｉｒ（ｎ）が取得されると、応答性をあげるために目標値フィルタ１１を通過させる（ステップＳ１３）。

次に、目標値フィルタ１１を通過後の目標電流ｉｒ（ｎ）及び検出電流ｉｆｂ（ｎ）の偏差が演算され（ステップＳ１４）、積分演算部１３により積分値が演算される（ステップＳ１５）。現在の指示電圧Ｖｒ（ｎ）及び検出電流ｉｆｂ（ｎ）に基づき、状態量推定部１４によりソレノイド１の状態量が演算される（ステップＳ１６）。更に、このソレノイド１の状態量と特性パラメータＱと状態フィードバックゲインＫと積分値とに基づき、前述の数式１、数式２及び数式３を用いて指示電圧Ｖｒ（ｎ）が演算される（ステップＳ１７）。

次に、ソレノイド１の状態量に基づいた推定電流ｉｐｒ（ｎ）が、前述の数式４を用いてが演算される（ステップＳ１８）。次いで、前述の数式５に示す如く、推定電流ｉｐｒ（ｎ）と検出電流ｉｆｂ（ｎ）とのと差分を区間積分して区間積分値ｉｊ（ｎ）を演算する（ステップＳ１９）。

次いで、この区間積分値ｉｊ（ｎ）が予め設定された閾値を超えているか否かの判定がされる（ステップＳ２０）。このステップＳ２０では、具体的には、区間積分値ｉｊ（ｎ）が予め設定された閾値を超えていない場合はソレノイド１の状態は正常と判定され、一方、区間積分値ｉｊ（ｎ）が、予め設定された閾値のうちショートの判定に用いる第１閾値Ｈ１あるいはオープンの判定に用いる第２閾値Ｈ２を超えた場合には、ソレノイド１の状態を異常と判定する。次いで、ステップＳ２０にてソレノイド１の状態が異常と判定された場合には、ソレノイド１への駆動電流の供給停止、警告等の異常処置がされる（ステップＳ２１）。

上記実施形態では、目標電流Ｉｒ（ｎ）の高周波域のゲインをあげる目標値フィルタ１１が加算器（減算器）１２の入力段に設けられるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。目標値フィルタ１１を設けずに通電制御装置１００を構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、特性パラメータＱは、状態量推定部１４の出力の応答性を状態フィードバックゲインＫで調整した値が加算してあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。特性パラメータＱに状態フィードバックゲインＫで調整した値を加算しない構成とすることも当然に可能である。係る場合、特性パラメータ記憶部１５を設けずに構成することが可能である。

上述のように、実施形態のソレノイドの状態判定装置１００によれば、ソレノイド１に通電する駆動電流の目標値である目標電流ｉｒ（ｎ）と実際の駆動電流の検出値である検出電流ｉｆｂ（ｎ）との偏差を積分補償する積分演算部１３と、検出電流ｉｆｂ（ｎ）とソレノイド１の通電を制御するＰＷＭ制御部１８に供給する指示電圧Ｖｒ（ｎ）とに基づきソレノイド１の状態量から推定電流ｉｐｒ（ｎ）を推定する状態量推定部１４と、積分演算部２１により積分補償された偏差とソレノイド１の状態量とに基づいて指示電圧Ｖｒ（ｎ）を演算する指示電圧演算部１６と、推定電流ｉｐｒ（ｎ）と検出電流ｉｆｂ（ｎ）との差分を区間積分して区間積分値ｉｊ（ｎ）を演算する区間積分演算部２１と、区間積分値ｉｊ（ｎ）が予め設定された閾値Ｈ１あるいはＨ２を超えた場合にソレノイド１を異常と判定する判定部２２と、を備えた構成であるので、状態量推定部１４にて検出電流ｉｆｂ（ｎ）とソレノイド１の通電を制御するＰＷＭ制御部１８に供給する指示電圧Ｖｒ（ｎ）とに基づきソレノイド１の状態量から推定された推定電流ｉｐｒ（ｎ）は、ソレノイド１の状態が正常時は、検出電流ｉｆｂ（ｎ）と一致する。これにより、状態推定部１４から、温度変化、ソレノイド１の個体差によるバラツキを考慮した推定電流ｉｐｒ（ｎ）が導出されるため、ソレノイド１の状態判定を精度よく行うことができる。

上述のように、実施形態のソレノイドの状態判定装置１００によれば、指示電圧Ｖｒ（ｎ）の演算は、ソレノイド１のインダクタンス分及び抵抗分の夫々の特性バラツキを示す特性パラメータＱを含む構成であるので、ソレノイド１のインダクタンス分や抵抗分等の特性バラツキがあった場合でも、ソレノイド１の状態判定を精度よく行うことができる。

なお、複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合せることが可能であることは、明らかである。

１：ソレノイド
１１：目標値フィルタ
１３：積分演算部
１４：状態量推定部
１５：特性パラメータ記憶部
１６：指示電圧演算部
１８：ＰＷＭ制御部
２１：区間積分演算部
２２：判定部
１００：状態判定装置（ソレノイドの状態判定装置）
ｉｆｂ（ｎ）：検出電流
ｉｒ（ｎ）：目標電流
Ｖｒ（ｎ）：指示電圧
ｉｐｒ（ｎ）：推定電流
ｉｊ（ｎ）：区間積分値

Claims

ソレノイドに通電する駆動電流の目標値である目標電流と実際の前記駆動電流の検出値である検出電流との偏差を積分補償する積分演算部と、
前記検出電流と、前記ソレノイドの通電を制御するＰＷＭ制御部に供給する指示電圧とに基づき前記ソレノイドの状態量から推定電流を推定する状態量推定部と、
前記積分演算部により積分補償された偏差と前記ソレノイドの状態量とに基づいて前記指示電圧を演算する指示電圧演算部と、
前記推定電流と前記検出電流との差分を区間積分して区間積分値を演算する区間積分演算部と、
前記区間積分値が予め設定された閾値を超えた場合に前記ソレノイドを異常と判定する判定部と、
を備えるソレノイドの状態判定装置。
前記指示電圧の演算は、前記ソレノイドのインダクタンス分及び抵抗分の夫々の特性バラツキを示す特性パラメータを含む請求項１に記載のソレノイドの状態判定装置。