JP3785750B2

JP3785750B2 - スロットルバルブの位置決め制御装置

Info

Publication number: JP3785750B2
Application number: JP17830797A
Authority: JP
Inventors: 昌史松山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2017-07-03
Also published as: JPH1122528A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸入空気量を制御するスロットルバルブの位置決め制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
アクチュエータ操作量とスロットル開度計測値とに基づいてアクチュエータに加わる外乱を推定し、外乱推定値によりアクチュエータ操作量を補正してアクチュエータの動特性を一定化させる外乱補償器を備えたスロットルバルブの位置決め制御装置が提案されている（例えば、特願平７−３２０４７６号参照）。
【０００３】
この制御装置では、外乱補償器の入力にモーター電流の上下限に相当するリミッターを設置し、実際の制御対象であるモーター電流が飽和した時に、外乱補償器の入力を制限することによって外乱補償器に誤差が溜まるのを防止して応答性能の劣化を防いでいる。
【０００４】
しかし、上述した従来のスロットルバルブの制御装置では、電流リミッターにモーターの逆起電圧の影響を考慮していないので、モーターが高速で回転する時には外乱補償器への入力電流とモーターへの入力電流とが一致せず、外乱補償器に誤差が溜まってスロットル開度にオーバーシュート／アンダーシュートが発生しやすくなり、目標開度への収束が遅れるという問題がある。
【０００５】
図８によりその詳細を説明する。図８は、上述した従来のスロットルバルブの制御装置による制御結果を示す図であり、（ａ）は開度指令値ＴＶＯCOMと実際のスロットル開度ＴＶＯを示し、（ｂ）は外乱補償器への入力電流Ｉ-COM２を示し、（ｃ）は実際のモーター電流Ｉを示す。
開度指令値ＴＶＯを１０度から８０度にステップ状に変化させた時に、外乱補償器への入力電流Ｉ-COM２（（ｂ）図）は電流リミッターにより制限された波形となり、実際のモーター電流Ｉ（（ｃ）図）との間に大きな誤差が発生する。その結果、実スロットル開度ＴＶＯ（（ａ）図）はオーバーシュートとアンダーシュートが発生している。
【０００６】
本発明の目的は、外乱補償器への入力制限に起因するスロットル開度のオーバーシュート／アンダーシュートを抑制して開度指令値への収束性を改善することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の発明は、内燃機関のスロットルバルブを開閉するモーターと、駆動電流指令値にしたがってモーターを駆動する駆動手段と、スロットルバルブの開度を計測する計測手段と、スロットルバルブ開度指令値に対する実スロットルバルブ開度の応答性を予め設定した応答特性に一致させるための駆動電流指令値を演算する指令値演算手段と、駆動電流指令値とスロットルバルブ開度計測値とに基づいて、モーター、駆動手段および計測手段に加わる外乱を推定し、外乱推定値により駆動電流指令値を補正する外乱推定手段とを備えたスロットルバルブの位置決め制御装置であって、スロットルバルブ開度計測値と駆動電流指令値とに基づいてモーターの逆起電圧を推定する逆起電圧推定手段と、逆起電圧推定値と電源電圧とモーター回路の抵抗値とに基づいて、外乱推定手段への駆動電流指令値の入力を制限する入力制限手段とを備える。
（２）請求項２のスロットルバルブの位置決め制御装置は、逆起電圧推定手段は、外乱推定手段により線形化された制御対象の伝達特性からモーターの角速度を推定する角速度推定手段を有し、角速度推定値とモーターの逆起電圧係数とに基づいてモーターの逆起電圧を推定するようにしたものである。
【０００８】
【発明の効果】
（１）請求項１の発明によれば、スロットルバルブ開度計測値と駆動電流指令値とに基づいてモーターの逆起電圧を推定し、その逆起電圧推定値と電源電圧とモーター回路の抵抗値とに基づいて外乱推定手段への駆動電流指令値の入力を制限するようにしたので、従来のようにモーターの逆起電圧を考慮せずに外乱補償器への入力を制限した場合のスロットル開度のオーバーシュートおよびアンダーシュートがなくなり、スロットル開度制御の応答性が向上して開度指令値への収束が速くなる。
（２）請求項２の発明によれば、外乱推定手段により線形化された制御対象の伝達特性からモーターの角速度を推定し、角速度推定値とモーターの逆起電圧係数とに基づいてモーターの逆起電圧を推定するようにしたので、正確なモーター逆起電圧を推定できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は一実施の形態の構成を示す機能ブロック図である。
スロットルアクチュエータ１は、内燃機関の吸入空気流路に設けられたバタフライ型スロットルバルブを駆動する。駆動源にはＤＣモータが用いられ、モータの出力を減速機により減速して、ばねにより付勢されたスロットルバルブを開閉駆動する。センサー２はスロットルバルブの開度を検出する。この実施形態ではアナログ信号を出力する安価なポテンショメータ式とするが、高精度な光学式エンコーダを用いてもよい。センサー信号処理回路３は増幅器およびＡ／Ｄ変換器を有し、開度センサー２からのアナログ信号を増幅してディジタル信号に変換する。スロットルバルブ位置決めコントローラ４は、マイクロコンピュータとその周辺部品から構成され、スロットルバルブ開度計測値が開度指令値に追従するようなモーター電流指令値を演算する。電流制御アンプ５は、実際のモーター電流がモーター電流指令値に追従するようにパワートランジスタのスイッチング時間を制御する。
【００１０】
なお、この実施形態では電流検出センサーを用いたフィードバック式電流制御アンプで構成しているが、電流制御アンプはこの実施形態に限定されない。例えば、スロットル開度と後述のモデルマッチング補償器出力とに基づいて、後述の外乱補償器で一定化された制御対象の動特性モデルでモータの逆起電力を推定し、この逆起電力推定値で電流指令値から求まる有効電圧を補正して電流制御用パワートランジスタのスイッチング時間を演算制御するフィードフォワード式電流制御アンプを用いてもよい。
【００１１】
図２は、スロットルバルブ位置決めコントローラ４の基本制御構成を示すブロック図である。
スロットルバルブ位置決めコントローラ４は、外乱やパラメータ変動に対して低感度特性を得るための外乱補償器１１〜１５と、スロットル開度指令値ＴＶＯCOMに対する実スロットル開度ＴＶＯの応答性を予め設定した所望の応答特性に一致させるためのモデルマッチング補償器１６〜１９とを有する。
【００１２】
なお、電流制御アンプ５、モータとバルブ可動機構からなるスロットルアクチュエータ１、開度センサー２およびセンサー信号処理回路３がコントローラ４の制御対象であり、また、スロットル開度指令値ＴＶＯCOMが上述したスロットルバルブ開度指令値（目標値）、電流指令値Ｉ-COM１が上述した駆動指令値（操作量）、スロットル開度ＴＶＯが上述したスロットルバルブ開度計測値（制御量）である。
【００１３】
まず、外乱補償器１１〜１５について説明する。
電流指令値Ｉ-COM１からスロットル開度ＴＶＯまでの制御対象の連続系伝達特性Ｇｐ（ｓ）を（Ｋ／（ａｓ²＋ｂｓ＋ｃ））（以下、０次／２次と表わす）とし、これを離散化した伝達特性をＧｐ（ｚ^-1）で表わす。
【数１】

Ｇｐ（ｚ^-1）のゼロ点（−ｂｐ０／ｂｐ１）は、サンプリングタイムが小さいほど−１に収束するので、Ｇｐ（ｚ^-1）の逆系を補償器に用いると不安定になってしまう。これを避けるために、次のように外乱補償器を設計する。
【００１４】
制御ブロック１１は、定常ゲインが１であるローパスフィルタＨ０（ｚ^-1）に、Ｇｐ（ｚ^-1）のゼロ点を有するＱ（ｚ^-1）を付加したフィルタＨ（ｚ^-1）である。この制御ブロック１１は、電流指令値Ｉ-COM１をローパスフィルタ処理して電流指令値Ｉ-COM１’を出力する。
【数２】

【００１５】
制御ブロック１２はフィルタＨ（ｚ^-1）／Ｇｐ（ｚ^-1）である。したがって、−１に収束するゼロ点が相殺され、制御ブロック１２は安定なディジタルフィルタとなる。この制御ブロック１２は、電流指令値Ｉ-COM１からスロットル開度ＴＶＯまでの制御対象の離散系伝達特性Ｇｐ（ｚ^-1）と、スロットル開度ＴＶＯとに基づいて電流指令値を逆算し、さらにローパスフィルタ処理して電流指令値Ｉ-COM１”を出力する。
【００１６】
減算器１４は、電流指令値Ｉ-COM１”から電流指令値Ｉ-COM１’を減算して、電流アンプ５からセンサー信号処理回路３までの制御対象の外乱やパラメータ変動による電流指令値Ｉ-COM１のずれ量ｕ２（以下、外乱推定値と呼ぶ）を求める。さらに、減算器１５は電流指令値ｕ１から外乱推定値ｕ２を減算して補正し、外乱やパラメータ変動による影響を排除した電流指令値Ｉ-COM１を出力する。
【００１７】
外乱推定値ｕ２は、制御対象に外乱やパラメータ変動がない場合にゼロとなる。制御対象に外乱ｄやパラメータ変動Δがある場合には、
【数３】

となり、Ｈ（ｚ^-1）のゲイン特性が１である周波数帯域では、
【数４】
ＴＶＯ＝Ｇｐ（ｚ^-1）・ｕ１
となる。つまり、外乱やパラメータ変動の影響が完全にキャンセルされて、制御対象の動特性がノミナルモデルＧｐ（ｚ^-1）に一定化される。Ｈ（ｚ^-1）のカットオフ周波数を上げると高周波数域まで同様な効果が得られるが、逆にハイゲインフィードバックとなり、安定余裕が減少するのでトレードオフ設計が必要となる。
【００１８】
制御ブロック１３はモータ電流の上下限に相当するリミッタであり、実際の制御対象の入力であるモータ電流が飽和した時に外乱補償器の入力を制限することによって、外乱推定値ｕ２に誤差が溜まるのを防止して応答性能の劣化を防ぐ。
【００１９】
次に、モデルマッチング補償器１６〜１９について説明する。
まず、所望の応答特性を連続系規範モデル伝達特性Ｇｍ０（ｓ）（０次／２次）で与える。これを離散化した規範モデル伝達特性Ｇｍ０（ｚ^-1）とすると、制御対象の伝達特性Ｇｐ（ｚ^-1）と同様に、サンプリングタイムを小さくすると−１に収束するゼロ点を有する。したがって、モデルマッチング補償器の設計の際に両者を相殺させる目的で、規範モデル伝達特性Ｇｍ０（ｚ^-1）のゼロ点を制御対象伝達特性Ｇｐ（ｚ^-1）のゼロ点で置き換えたＧｍ（ｚ^-1）を規範モデル伝達特性として用いる。なお、サンプリングタイムが充分小さければ、Ｇｍ（ｚ^-1）とＧｍ０（ｚ^-1）との差はほとんどなく、実用上問題はない。
【数５】

【００２０】
数式１と数式５の各係数を用いると、モデルマッチング補償器の制御ブロック１６は１／Ｒ（ｚ^-1）、制御ブロック１７はＬ（ｚ^-1）、制御ブロック１８はＢｍｆで構成される。
【数６】

【００２１】
図３は、基本的なスロットルバルブの位置決め制御を示すフローチャートである。
スロットルバルブ位置決めコントローラー４は、２ｍｓごとにこの制御プログラムを実行する。ステップ１１でスロットル開度センサー２のアナログ出力信号を増幅してディジタル信号に変換し、続くステップ１２でスロットル開度ＴＶＯに換算する。ステップ１３では精度の異なるスロットル開度の切り換えを行なう。ステップ１４において、乗員のアクセル操作などによりアクチュエータの開度指令値ＴＶＯCOMを決定する。ステップ１５では、図２の制御ブロック１１および１２のロバスト補償器の演算を行なう。ステップ１６では、図２のモデルマッチング補償器１６〜１９により算出した電流指令値ｕ１から、外乱補償器１１〜１４により算出した外乱推定値ｕ２を減算して補正し、外乱やパラメーター変動による影響を排除した電流指令値Ｉ-COM１を求める。続くステップ１７で、電流指令値Ｉ-COM１を電流制御アンプ５へ出力してＤＣモーターを駆動する。
【００２２】
この実施の形態では、図２に示すスロットルバルブの位置決め制御の基本構成に対して、図４に示すように逆起電圧推定部２１と電流制限部２２を付加する。逆起電圧推定部２１は、モデルマッチング補償器１６〜１９の出力ｕ１とスロットル開度ＴＶＯ（以下、θと記す）とに基づいて、ロバスト補償器１１，１２，１４により線形化された制御対象の伝達特性から図５に示すようなモーター角速度推定器（オブザーバー）を構成する。線形化された制御対象の伝達特性は、
【数７】
θ（ＴＶＯ）＝ｎｍｏ／（ｓ²＋ｄｍ１ｓ＋ｄｍｏ）
ここで、ｓは微分演算子、ｎｍｏ、ｄｍ１、ｄｍｏは係数である。また、モーター角速度推定器における状態方程式は、
【数８】

【００２３】
数式８により算出されるモーターの角速度推定値と、予め測定したモーターの諸元値である逆起電圧係数Ｋｒとに基づいて、モーター回転により発生する逆起電圧ＶRが推定される。
【数９】

【００２４】
電流制限部２２では、電源電圧Ｖbと、モーターの内部抵抗やパワートランジスタのオン抵抗などのモーター回路の合成抵抗ＲMと、逆起電圧推定部２１で推定された逆起電圧ＶRとを用いてロバスト補償器１１，１２，１４の入力電流Ｉ-COM２となる電流指令値Ｉ-COM１を制限する。電流制限値Ｉ-LIMTは次式により算出する。
【数１０】
Ｌ-LIMT＝（Ｖb−ＶR）／ＲM
【００２５】
図６は、逆起電圧推定部２１と電流制限部２２とを加えたスロットルバルブの位置決め制御を示すフローチャートである。なお、図３に示す処理と同様な処理を行なうステップに対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。
ステップ１４で開度指令値ＴＶＯを算出した後、ステップ１８で電流制限を行なう。すなわち、上述したように電源電圧Ｖbと、モーターの内部抵抗やパワートランジスタのオン抵抗などの合成抵抗ＲMと、逆起電圧推定部２１で推定された逆起電圧ＶRとを用いてロバスト補償器１１，１２，１４の入力電流Ｉ-COM２となる電流指令値Ｉ-COM１を、電流制限値Ｉ-LIMTにリミットする。なお、逆起電圧ＶRは前回の実行サイクルにおいて後述するステップ１９で算出された値である。ステップ１９では、数式８により算出されるモーターの角速度推定値と、予め測定したモーターの諸元値である逆起電圧係数Ｋｒとに基づいて、数式９によりモーター回転により発生する逆起電圧ＶRを推定する。
【００２６】
図７は、従来の位置決め制御装置と上記実施の形態によるシミュレーション結果を示す図であり、実線が上記実施の形態による制御結果を示し、破線が従来の位置決め制御装置による制御結果を示す。（ａ）は開度指令値ＴＶＯCOMを１０度から８０度にステップ状に変化させた時の実開度ＴＶＯを示し、（ｂ）はその一部を拡大したものである。（ｃ）はアクチュエータへの電流指令値Ｉ-COM１を示し、（ｄ）はロバスト補償器への電流指令値Ｉ-COM２を示し、（ｅ）は実電流Ｉを示す。
【００２７】
上述したように、従来の位置決め制御装置によれば、ロバスト補償器への入力電流Ｉ-COM２と実電流Ｉとの間に大きな差が生じ、スロットル開度ＴＶＯが約５度オーバーシュート、アンダーシュートしている。
【００２８】
これに対し上記実施の形態によれば、ロバスト補償器への入力電流Ｉ-COM２と実電流Ｉとがほぼ一致しており、スロットル開度ＴＶＯにオーバーシュート、アンダーシュートがなく、開度指令値ＴＶＯCOMに速く収束している。
【００２９】
以上の一実施形態の構成において、電流制御アンプ５が駆動手段を、スロットル開度センサー２およびセンサー信号処理回路３が計測手段を、モデルマッチング補償器１６〜１９が指令値演算手段を、外乱補償器１１〜１５が外乱推定手段を、逆起電圧推定部２１が逆起電圧推定手段を、電流制限部２２が入力制限手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】スロットルバルブ位置決めコントローラの基本制御構成を示すブロック図である。
【図３】基本的なスロットルバルブの位置決め制御を示すフローチャートである。
【図４】一実施の形態の制御構成を示すブロック図である。
【図５】モーター角速度推定器の構成を示すブロック図である。
【図６】一実施の形態のスロットルバルブ位置決め制御を示すフローチャートである。
【図７】従来の位置決め制御装置と一実施の形態によるシミュレーション結果を示す図である。
【図８】従来の位置決め制御装置による制御結果を示す図である。
【符号の説明】
１スロットルアクチュエータ
２スロットル開度センサー
３センサ信号処理回路
４スロットルバルブ位置決めコントローラ
５電流制御アンプ
１１〜１５外乱補償器
１６〜１９モデルマッチング補償器
２１逆起電圧推定部
２２電流制御部

Claims

内燃機関のスロットルバルブを開閉するモーターと、
駆動電流指令値にしたがって前記モーターを駆動する駆動手段と、
前記スロットルバルブの開度を計測する計測手段と、
スロットルバルブ開度指令値に対する実スロットルバルブ開度の応答性を予め設定した応答特性に一致させるための前記駆動電流指令値を演算する指令値演算手段と、
前記駆動電流指令値と前記スロットルバルブ開度計測値とに基づいて、前記モーター、前記駆動手段および前記計測手段に加わる外乱を推定し、前記外乱推定値により前記駆動電流指令値を補正する外乱推定手段とを備えたスロットルバルブの位置決め制御装置であって、
前記スロットルバルブ開度計測値と前記駆動電流指令値とに基づいて前記モーターの逆起電圧を推定する逆起電圧推定手段と、
前記逆起電圧推定値と電源電圧と前記モーター回路の抵抗値とに基づいて、前記外乱推定手段への前記駆動電流指令値の入力を制限する入力制限手段とを備えることを特徴とするスロットルバルブの位置決め制御装置。
請求項１に記載のスロットルバルブの位置決め制御装置において、
前記逆起電圧推定手段は、前記外乱推定手段により線形化された制御対象の伝達特性からモーターの角速度を推定する角速度推定手段を有し、前記角速度推定値と前記モーターの逆起電圧係数とに基づいて前記モーターの逆起電圧を推定することを特徴とするスロットルバルブの位置決め制御装置。