JP3013706B2 - 流量制御弁の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステッパモータの制御
装置に係り、特に流体計量弁にステッパモータを用いた
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の発明では、ステッパモータの１ス
テップ以下の流量制御精度を実現する方法として、例え
ば特開昭64−77726 号に記載されているように、隣り合
う磁極への駆動信号にそれぞれデューティ比を持つディ
ザー信号を与え、ロータを１ステップの間の任意の位置
に概略静止させるようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、ス
テッパモータの駆動周期を条件に応じて変更する手段が
必要で、その分操作手段が複雑化するという欠点があっ
た。そこで、本発明はステッパモータに最適な１つの駆
動周期を用いて、良好な制御分解能のステッパモータ駆
動制御を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ステッパモ
ータを用いた流体の流量制御弁において、ステッパモー
タの応答性限界に基づく駆動周期を用いて、所定のステ
ップ位置と前記ステップ位置の上１ステップの位置に所
定周期で所定割合ずつ留まる操作を行うと共に、前記所
定のステップ位置又は前記ステップ位置の１上ステップ
の位置に留まる最低時間を前記駆動周期２回分とするこ
とを特徴とする流量制御弁の制御方法によって達成され
る。

【０００５】

【０００６】

【実施例】以下、本発明による内燃機関の燃料噴射制御
装置について、図示の実施例により詳細に説明する。

【０００７】図７は本発明が適用されたエンジンシステ
ムの一例を示したもので、図においてエンジンが吸入す
べき空気はエアクリーナ１の入口部２から取り入れら
れ、吸気流量を制御する絞弁が収容された絞弁ボディ５
を通り、コレクタ６に入る。そして、ここで吸気はエン
ジン７の各シリンダに接続された各吸気管８に分配さ
れ、シリンダ内に導かれる。

【０００８】他方、ガソリンなどの燃料は、燃料タンク
９から燃料ポンプ１０により吸引，加圧された上で、燃
料ダンパ１１，燃料フィルタ１２，燃料噴射弁（インジ
ェクタ）１３，それに燃圧レギュレータ１４が配管され
ている燃料系に供給される。そして、この燃料は上記し
た燃圧レギュレータ１４により一定の圧力に調圧され、
それぞれのシリンダの吸気管８に設けられている燃料噴
射弁１３から吸気管８の中に噴射される。

【０００９】又、上記空気流量計３からは吸気流量を表
わす信号が出力され、コントロールユニット１５に入力
されるようになっている。

【００１０】更に、上記絞弁ボディ５には絞弁の開度を
検出するスロットルセンサ１８が取付けてあり、その出
力もコントロールユニット１５に入力されるようになっ
ている。次に、１６はディスト（ディストリビュータ）
で、このディストにはクランク角センサが内蔵されてお
り、クランク軸の回転位置を表わす基準角信号ＲＥＦと
回転速度（回転数）検出用の角度信号ＰＯＳとが出力さ
れ、これらの信号もコントロールユニット１５に入力さ
れるようになっている。

【００１１】２０は排気管に設けられたＡ／Ｆセンサ
で、実運転空燃比を検出するために、所望の空燃比に対
し、濃い状態か，薄い状態かを検出しており、この出力
信号もコントロールユニット１５に入力されるようにな
っている。

【００１２】コントロールユニット１５の主要部は、図
８に示すようにＭＰＵ，ＲＯＭとＡ／Ｄ変換器エンジン
の運転状態を検出する各種のセンサなどからの信号を入
力として取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算
結果として算定された各種の制御信号を出力し、上記し
た燃料噴射弁１３や点火コイル１７に所定の制御信号を
供給し、燃料供給量制御と点火時期制御とを遂行するの
である。

【００１３】本実施例では、アイドルスピード制御弁２
２が吸入空気量の一部を絞弁とは独立して制御してい
る。即ち、アイドルスピード制御弁２２は、その上流と
下流が絞弁をバイパスして連通しており、アイドルスピ
ード制御弁２２の内部にある絞りの開度を制御すること
により絞弁とは独立してエンジンに吸入空気を供給して
いる。その駆動は、コントロールユニット１５の制御信
号を受けてステッピングモータにより行っている。

【００１４】アイドルスピード制御弁２２から供給する
空気は、エンジンがアイドル状態の時にエンジン出力を
調整し、例えばエンジン回転を目標値内とし、エンジン
を動力源とする補器類の負荷が投入されたときこれに対
応する出力増を行う。

【００１５】ステッピングモータは、モータ自身が確実
に動作できる限界の周期で励磁層を切り替えロータを回
転させ、絞りの開度をステップ状に制御している。ステ
ッピングモータを用いたアイドルスピード制御弁の１特
性例を図２に示す。横軸は励磁層の切り替えにより決定
するステップ位置で、縦軸は各ステップ位置における弁
の開口面積である。ここで、ステップ位置は、たとえば
図のａ，ａ＋１のように階段状の離散的な位置しか取る
ことができない。したがって、開口面積も、ｓ，ｓ＋１
のように離散的な値しか取ることができない。よって、
吸入空気量を精度良く制御するためには１ステップでの
開度変化量すなわちｓとｓ＋１の差を充分小さくする
か、あるいは１ステップ以下の開度を実現する必要があ
る。

【００１６】一方、要求される吸入空気量が急変した場
合、ステッパモータは駆動周期毎に１ステップしか動作
できず、駆動周期を小さくすることは機械的なステッパ
モータの応答性限界から制限があるため、所定時間で変
化できる開度変化量は１ステップでの開度変化量により
決定され、１ステップでの開度変化量を充分小さくする
と要求の吸入空気量を供給するまで長い時間を要する。

【００１７】上記の２要求を共に満足するためには、１
ステップ未満の開度制御を実現することが有効である。
その一つとして、ステッピングモータの励磁層を２層か
ら１層に繰返し切り換える方法が知られている。しか
し、さらに小さい精度で開度を実現する必要がある場
合、または、２層と１層の切り換えをなんらかの理由で
採用できない場合以下に示す本発明を採用することで実
現できる。

【００１８】図１は本発明の１実施例の作動状態を示す
図である。ステッパモータの駆動周期はモータが確実に
動作できる限界の周期を選定してある。すなわち、図の
モータ駆動周期で示す時刻で、ステッパモータを開方
向，閉方向のいずれかに１ステップ操作する、あるいは
位置を保持する、のいずれかの動作を選択して行う。こ
こで、要求の開度がステップ操作位置ａからａ＋１の間
１／３にあるとき、ステップ操作位置を図１のように操
作する。すなわちａ＋１のステップ操作位置を２駆動周
期実行し、その後ａのステップ操作位置を２駆動周期の
２倍である４駆動周期実行することを図に示す１周期と
して繰り返す。これにより実際のモータの位置は図１に
示すようになり、モータ位置ａとａ＋１の間を２対１の
駆動周期比で往復する。したがって平均のモータ位置は
図に示すように概略ａからａ＋１の間１／３となる。同
様に、モータ位置ａとａ＋１の間を１対２の駆動周期比
で往復すると、平均のモータ位置は概略ａからａ＋１の
間２／３となる。したがってステップ位置操作の繰り返
しによる、制御対象の流体の脈動が許容できる場合は、
本操作より１ステップの１／３の分解能で開度を実現す
ることができる。

【００１９】本実施例の駆動方法をエンジンシステムの
アイドルスピード制御弁に適用したときの脈動の状態を
図５に示す。エンジン３４には絞弁３１および絞弁をバ
イパスするアイドルスピード制御弁３２から吸入空気を
供給する。

【００２０】ここで、吸入空気は大きな体積を持つコレ
クタ３３で均質化された後各気筒に分配されエンジンに
吸入される。アイドルスピード制御弁３２を図１に示す
ような方法で駆動させた場合、図中のＡ点での圧力は図
の右上側に示すように弁開度の変化に伴って変動する。
これはアイドルスピード制御弁３２を通過する空気が脈
動することを意味する。しかしＡ点を通過した空気はコ
レクタ３３に至ると大きな空気体積により時間的に均一
化され、図中のＢ点での圧力は図の右下側に示すように
変動が小さくなる。これはコレクタから下流の各気筒に
至るまでの間で空気の脈動がほとんどないことを意味
し、実用上エンジン出力の変動が起きることはない。し
たがって、本実施例ではステッパモータのアイドルスピ
ード制御弁を用いて充分な制御精度と、制御速度を両立
することができる。

【００２１】また、図１において、２つのステップ操作
位置での保持駆動周期数が小さい方を２駆動周期とした
理由は、以下による。

【００２２】ステッパモータの駆動周期は、前述したよ
うにモータが確実に動作できる限界の周期を選定してあ
るが、モータの動作の確実性は前回と今回のモータの駆
動方向に依存する。具体的には、前回と今回の駆動方向
が一致する場合は、ロータの慣性が駆動方向と一致する
ため確実性が高いが、前回と今回の駆動方向が逆の場合
はロータの慣性が駆動方向と逆であるため、ロータが操
作に追従できず脱調が発生しやすく、確実性が低い。こ
れを回避するための動作が確実な駆動周期は大きい時間
となり、モータの応答性が低下する。したがって、前回
の操作方向と逆方向の操作方向が要求される場合は、２
駆動周期操作位置を保持し、ロータの慣性を無くした後
に逆方向への駆動を行うようにする。

【００２３】次に図１の実施例を行うための制御フロー
の１例を図３を用いて説明する。本フローはステッパモ
ータの駆動周期毎に実行される。まず、ステップ１０１
において目標のステップ数Ｄを、弁の要求開度から決定
する。次にステップ１０２で現在の制御位置であるステ
ップ数ＭとＤを比較し、これが一致しているかどうかを
判定する。一致している場合は新たに弁を駆動する必要
がないためそのままフローを終える。

【００２４】一致していない場合はＤとＭが３以上離れ
ているかを判定する。ここで、ステップ位置の制御分解
能はステッパモータの機械的１ステップの１／３である
から、目標のステップ数Ｄを整数とすると、実際のステ
ップ数Ｍは３おきの整数しか取ることができない。Ｄと
Ｍが３以上離れているときは、１ステップ操作を行って
も目標のステップを超すことはないため、ステップ１０
７で前回と今回の駆動方向が逆であるかをチェックし、
逆である場合だけ脱調を防止するためその回の駆動を行
わないまま終了する。それ以外では、ステップ１０８へ
進み、要求方向へステップ操作を行い、ステップ１０９
でＭを実際のステップ位置とするよう３を加減する。こ
こで述べたステップ操作とは、常時２層励磁，２層，１
層切替励磁に関わり無く、ステッパモータを機械的に１
ステップ動作させる操作を言う。ステップ１０３でＤと
Ｍの差が３未満であるときに、図１のような周期的１ス
テップ間往復動作を行うためステップ１０４へと進む。
まず、最低保持駆動周期以上同一ステップを保持してい
るかを判定し、最低保持周期未満、図１では２駆動周期
未満であるときには、前述の脱調を防止するためその回
の駆動を行わないまま終了する。最低保持周期以上同一
ステップに留まっていた場合は、ステップ１０５に進
み、ステップ１０６と併せて駆動を決定する。すなわ
ち、ＤとＭの差が２であるときは現在のステップ数が目
標ステップ数により遠い所にあるためステップ１０８，
１０９に進み、実際のステップ操作を行う。ＤとＭの差
が２でないときは現在のステップ数が目標ステップ数に
より近い所にあるため、最低保持駆動周期の２倍、図１
では４駆動周期の間現在のステップ位置に留まり、その
後もう一方のステップ位置へとステップ１０７，１０８
で操作する。以上の操作を駆動周期ごとに繰り返せば図
１のような駆動が行える。

【００２５】以上の説明では、制御分解能を機械的１ス
テップの１／３に設定する例について説明してきた。こ
の場合は制御の１周期は最低保持駆動周期の３倍とな
る。しかし、制御の１周期の時間は供給空気量の脈動に
対する許容度によって定められるため、許容度が厳しい
場合は、制御の１周期を短くして分解能を下げ、許容度
が厳しくないときは制御の１周期を長くして分解能を向
上させることができる。その１実施例として、制御分解
能を機械的１ステップの１／２、制御周期を最低保持駆
動周期の２倍としたときの作動状態を図４に示す。図１
の作動状態と比較すると制御の１周期が６駆動周期から
４駆動周期に短くなるため、制御による脈動の周期も短
くなり制御対象に与える脈動の影響を小さくできる。

【００２６】一方、脈動の許容度が大きい場合の１実施
例を図６に示す。本実施例では、制御分解能を機械的１
ステップの１／４，制御周期を最低保持駆動周期の４倍
としたときの、機械的１ステップの１／４，２／４，３
／４開度制御を行ったときの作動状態を上から順に示し
たものである。図１の作動状態と比較すると制御の１周
期が６駆動周期から８駆動周期に長くなるため、制御に
よる脈動の周期も長くなり制御対象に与える脈動の影響
は大きくなるが、これが許容できる場合は、本実施例を
用いれば分解能を機械的１ステップの１／３から１／４
に向上できる。このように、制御の１周期は脈動の許容
度により最低保持駆動周期のｎ倍から適宜選定すれば良
く、最低保持駆動周期も脱調を起こさないよう適宜定め
ると良いが、確実な動作の限界で駆動周期を定めると、
最低保持駆動周期を２駆動周期とすることが応答性と制
御精度と脱調防止のバランスから好ましい。

【００２７】以上の実施例では、エンジンのアイドルス
ピード制御弁に対して本発明を適用する例を示したが、
吸入空気を制御するのに絞弁をステッパモータで駆動す
る場合にも本発明は有効である。

【００２８】他にエンジンでの適用例では、排気ガスを
吸入空気に再循環するＥＧＲにおいて、ＥＧＲガス量を
制御する制御弁、蒸発ガソリンを吸着する装置をパージ
したガスを吸気管に導くキャニスタパージのガス量を制
御するパージ制御弁などが考えられる。これらの制御に
はいずれも高い応答性と優れた制御精度の両立が求めら
れ、かつ制御流体をコレクタに放出するため流体脈動へ
の許容度があるため本発明の適用に適している。

【００２９】また、本発明はこれに限らず、種々の目的
で使用されるステッピングモータに適用し得ることは言
うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、ステッパモータに最適
な１つの駆動周期を用いて、良好な制御分解能と前回と
今回の駆動方向によらず脱調を防止した確実な駆動を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すタイミングチャート。

【図２】本発明の一実施例の動作を説明する図。

【図３】本発明の一実施例を示す図。

【図４】本発明の一実施例を示すタイミングチャート。

【図５】本発明の一実施例の動作を説明する図。

【図６】本発明の一実施例を示すタイミングチャート。

【図７】本発明の一実施例を示す図。

【図８】本発明の一実施例を示す図。

【符号の説明】

３…エアフローセンサ、５…絞弁ボディ、７…エンジ
ン、２２…アイドルスピード制御弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05D 7/06 H02P 8/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステッパモータを用いた流体の流量制御弁
   において、ステッパモータの応答性限界に基づく駆動周
   期を用いて、所定のステップ位置と前記ステップ位置の
   上１ステップの位置に所定周期で所定割合ずつ留まる操
   作を行うと共に、前記所定のステップ位置又は前記ステ
   ップ位置の１上ステップの位置に留まる最低時間を前記
   駆動周期２回分とすることを特徴とする流量制御弁の制
   御方法。