JP3826014B2 - 電子スロットル制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの吸気通路に設けられるスロットルバルブをアクチュエータにより開閉駆動させるように構成した電子スロットル制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車等のガソリンエンジンやディーゼルエンジンに使用される電子スロットル制御装置が知られている。電子スロットル制御装置は、エンジンの吸気通路に設けられるリンクレスタイプのスロットルバルブをモータ等のアクチュエータにより開閉駆動させるように構成した電子スロットルと、そのアクチュエータを制御するためのコントローラとを備える。ここで、コントローラは、例えば、運転者によるアクセルペダルの操作量に基づいて電子スロットル(スロットルバルブ)の目標開度を設定する。コントローラは、設定された目標開度と、スロットルセンサで検出されるスロットルバルブの実開度との開度偏差に基づいてアクチュエータをPID制御等によりフィードバック制御することにより、実開度が目標開度となるように電子スロットルを制御するようになっている。
【0003】
ここで、電子スロットル制御装置では、電子スロットルの動作の応答性と収束安定性が問題となり、この点に着目した技術が、特開平10−176579号公報に記載された「スロットルバルブ制御装置」に開示されている。
【0004】
この制御装置で、コントローラは、スロットルバルブの要求開度(=目標開度)と実開度との開度偏差に制御係数(=制御ゲイン)をかけた積に基づいてスロットルバルブの駆動信号(=制御量)を決定する。コントローラは、開度偏差の値に応じて設定された制御係数(比例ゲイン、積分ゲイン)のデータを予め備えており、このデータは、開度偏差の値が小さいほど大きい値を与えるように設定されている。ここで、コントローラは、開度偏差が与えられたときに、過渡状態であれば、上記データを参照して制御係数の値を仮決定し、前回のサイクルで使用した制御係数の値と比較して値の小さい制御係数を選択する。そして、コントローラは、その選択された制御係数を開度偏差にかけて駆動信号を演算し、この駆動信号に基づきモータを制御することにより、スロットルバルブを開閉駆動させるようになっている。
【0005】
このことを図11のフローチャートにより詳しく説明する。先ず、コントローラは、ステップ200で、目標開度RTAと実開度VTAとの開度偏差ERの値を算出し、ステップ201で、開度偏差ERの絶対値(絶対開度偏差)AERの値を算出する。
【0006】
次に、コントローラは、ステップ202で、絶対開度偏差AERの値が所定値A1より小さいか否かを判断する。この判断結果が肯定である場合、スロットル開度が定常状態にあるものとして、コントローラは、ステップ220で、定常時のゲインKPbを最終比例ゲインKPとして設定する。又、ステップ221で、コントローラは、定常時のゲインKIbを最終積分ゲインKIとして設定し、処理をステップ209へ移行する。
【0007】
一方、ステップ202の判断結果が否定である場合、スロットル開度が過渡状態にあるものとして、コントローラは、ステップ203で、比例ゲインマップ(マップ1)を参照することにより、絶対開度偏差AERの値から比例ゲインtKPの値を算出する。又、ステップ204で、コントローラは、積分ゲインマップ(マップ2)を参照することにより、絶対開度偏差AERの値から積分ゲインtKIの値を算出する。ここで、比例ゲインマップの比例ゲインtKPも、積分ゲインマップの積分ゲインtKIも、それぞれ絶対開度偏差AERの値が大きくなるほど小さくなるように設定されている。
【0008】
その後、ステップ205で、コントローラは、今回算出された比例ゲインtKPの値が前回使用した最終比例ゲインKPの値より大きいか否かを判断する。この判断結果が肯定である場合、コントローラは、そのまま処理をステップ207へ移行する。この判断結果が否定である場合、コントローラは、ステップ206で、今回算出された比例ゲインtKPの値により最終比例ゲインKPを更新し、処理をステップ207へ移行する。つまり、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きいことから、前回の最終比例ゲインKPの値より小さい比例ゲインtKPの値を今回の最終比例ゲインKPの値として選択するのである。このことを「ミニマムセレクト」と称する。
【0009】
ステップ205又はステップ206から移行してステップ207では、コントローラは、今回算出された積分ゲインtKIの値が前回使用した最終積分ゲインKIの値より大きいか否かを判断する。この判断結果が肯定である場合、コントローラは、そのまま処理をステップ209へ移行する。この判断結果が否定である場合、コントローラは、ステップ208で、今回算出された積分ゲインtKIの値により最終積分ゲインKIを更新し、処理をステップ209へ移行する。つまり、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きいことから、前回の最終積分ゲインKIの値より小さい積分ゲインtKIの値を今回の最終積分ゲインKIの値として選択するのである。即ち「ミニマムセレクト」を行うのである。
【0010】
そして、ステップ207、ステップ208又はステップ221から移行してステップ209では、コントローラは、今回の最終比例ゲインKPの値に今回得られた開度偏差ERの値を乗算することにより比例項VPの値を算出する。又、ステップ210で、コントローラは、今回の最終積分ゲインKIの値と今回の開度偏差ERの値との積を、前回までの加算結果に加算することにより積分項VIの値を算出する。更に、ステップ211で、コントローラは、今回算出された比例項VPの値と積分項VIの値を加算することによりPI制御量VPIの値を算出する。そして、ステップ212で、コントローラは、今回算出されたPI制御量VPIの値を、所定の関数式によりデューティ比DUTYの値に変換する。
【0011】
その後、ステップ213で、コントローラは、変換されたデューティ比DUTYの値に基づいてモータを制御することにより、スロットルバルブを開閉駆動させるのである。
【0012】
上記ルーチンの特徴は、「ミニマムセレクト」により最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIを決定することにある。このことを図12のブロック図に示すことができる。即ち、先ず、B1で、目標開度と実開度との開度偏差を算出する。次に、B2で、開度偏差に応じた制御ゲインを算出する。次に、B3で、算出された制御ゲインにつき小さい方の制御ゲインを選択するミニマムセレクトを行う。そして、B4で、ミニマムセレクトにより得られた制御ゲインを最終的な制御ゲインとして決定するのである。
【0013】
つまり、従来公報のスロットルバルブ制御装置では、絶対開度偏差AERに応じた比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIをマップにより備えるが、スロットルバルブの動作により絶対開度偏差AERが減少しても、絶対開度偏差AERが小側へ変化するときには、最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの変更は行わない。このことにより、絶対開度偏差AERが小さいときの応答性と、絶対開度偏差AERが大きいときの収束安定性とを高水準で両立させ、運転状況の如何に拘わらずスロットルバルブを適切に駆動できるようにしているのである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来公報のスロットルバルブ制御装置では、製品ばらつきや製品の経時変化、或いは、運転時の温度条件の変化等により、制御装置の応答特性が微妙に変わることがある。このため、スロットルバルブの動作が途中で一旦鈍くなったり、一旦停止したりするような状況では、最終比例ゲインKPや最終積分ゲインKIが、ミニマムセレクトにより小さい値のままに保たれるので、その後の動作の収束に時間がかかり、収束性(応答性)が悪化するおそれがある。
【0015】
つまり、前記従来のスロットルバルブ制御装置では、「ミニマムセレクト」が行われることから、絶対開度偏差AERが小側へ変化しても最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの値は絶対開度偏差AERが大側のときとは変わらない。このため、比例項VP及び積分項VIの値は変わらず、PI制御量VPI及びデューティ比DUTYの値も変わらず、スロットルバルブの動作は鈍いままとなり、その後の動作の収束性(応答性)が改善されないのである。
【0016】
このことは、例えば、運転時のエンジン周りの温度条件の変化が、スロットルバルブを駆動させるモータの特性に及ぼす影響によって説明することができる。図13は、モータを構成するマグネットの温度による磁気特性の変化を示す。図14〜16は、それぞれ25℃のときのモータトルク特性、120℃のときのモータトルク特性及び−30℃のときのモータトルク特性を示す。これらモータトルク特性のグラフにおいて、「T−N」は、トルクと回転数との関係を示し、「T−I」は、トルクと電流との関係を示している。
【0017】
図13のグラフからも明らかなように、マグネットの磁束密度は、温度が高くなるほど少なくなることが分かる。このため、図16に示す−30℃のモータトルク特性を図14に示す25℃のモータトルク特性と比べると、−30℃のときには、電流及び発生トルクが増大することが分かる。このため、モータに与えられる制御量に対して、電流及びトルクが増大し、応答性が向上することになる。これに対して、図15に示す120℃のモータトルク特性を図14に示す25℃のモータトルク特性と比べると、120℃のときには、電流及び発生トルクが低下することが分かる。このため、モータに与えられる制御量に対して、電流及びトルクが低下し、応答性が低下することになる。
【0018】
このようにモータ温度が過剰に上昇したときには、モータの応答性が低下してスロットルバルブの動作が途中で鈍くなることがあり、その後のスロットルバルブの動作の収束性(応答性)に悪影響を及ぼすおそれのあることが分かる。
【0019】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、目標開度と実開度との開度偏差が大きくなるほど小さくなるように制御ゲインを設定し、今回設定される制御ゲインが前回設定された制御ゲインより大きいときは今回の制御ゲインを前回の制御ゲインにより制限するものにおいて、スロットルバルブの動作が途中で鈍くなっても、その後の動作の収束性(応答性)を向上させることを可能にした電子スロットル制御装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、スロットルバルブをアクチュエータにより開閉駆動させる電子スロットルと、電子スロットルの目標開度を設定するための目標開度設定手段と、電子スロットルの実開度を検出するための実開度検出手段と、目標開度と実開度との開度偏差を算出するための開度偏差算出手段と、アクチュエータの制御量を、開度偏差とその開度偏差に応じた制御ゲインとに基づいて算出するための制御量算出手段と、制御ゲインを、開度偏差が大きくなるほど小さくなるように設定するための制御ゲイン設定手段と、今回設定される制御ゲインが設定された制御ゲインより大きいとき、今回設定される制御ゲインを前回設定された制御ゲインにより制限するための制御ゲイン制限手段と、算出された制御量に基づいてアクチュエータを制御するためのアクチュエータ制御手段とを備えた電子スロットル制御装置において、実開度の変化速度を検出するための変化速度検出手段と、変化速度が所定値より低下したとき、制御ゲイン制限手段による制御ゲインについての制限を無効化するための制限無効化手段とを備えたことを趣旨とする。
ここで、制御ゲイン制限手段による「制限」とは、ガードをかけることを意味し、具体的には、今回設定される制御ゲインを前回設定された制御ゲインから変えないことを意味する。
【0021】
上記発明の構成によれば、目標開度設定手段により設定された目標開度と実開度検出手段により検出された実開度との開度偏差が、開度偏差算出手段により算出される。この開度偏差が大きくなるほど小さくなるように、制御ゲインが制御ゲイン設定手段により設定される。そして、算出された開度偏差とその開度偏差に応じた制御ゲインとに基づいて、制御量が制御量算出手段により算出され、その制御量に基づいてアクチュエータがアクチュエータ制御手段により制御される。従って、開度偏差が相対的に小さい場合には、相対的に大きい制御ゲインが設定され、これによって相対的に大きい制御量が算出されることから、この制御量に基づいてアクチュエータが制御されることから、アクチュエータが速やかに動作し始める。
ここで、開度偏差が小側へ変化するとき、即ち、実開度が目標開度に近付いていく状況では、その変化に応じて設定される制御ゲインが変化しようとするが、今回設定される制御ゲインが前回設定された制御ゲインより大きいときには、制御ゲイン制限手段により、今回設定される制御ゲインが前回設定された制御ゲインにより制限され、これによって制御量の変化が制限される。従って、初めに算出された制御量のままでアクチュエータが制御され続けることになり、開度偏差が徐々に小さくなる過程で、アクチュエータの過剰な動作が抑えられる。
一方、開度偏差が小側へ変化するときであっても、スロットルバルブの動作がその途中で一旦鈍くなったりして、変化速度検出手段により検出される実開度の変化速度が所定値より低下したときには、制御ゲイン制限手段による制限ゲインの変化についての制限が制限無効化手段により無効化される。従って、初めに算出された制御量に変わって、そのときの開度偏差に見合った制御ゲインに基づいて算出される制御量によりアクチュエータが制御されることになり、動作途中のアクチュエータの動きが速やかになる。
【0022】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
以下、本発明の電子スロットル制御装置を自動車用ディーゼルエンジンに具体化した第1の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0023】
図1に電子スロットル制御装置の概略構成を示す。電子スロットル制御装置は、電子スロットル1と、その電子スロットル1を制御するための電子制御装置(ECU)2とを備える。電子スロットル1は、ディーゼルエンジンの吸気通路を構成するスロットルボディのボア3に設けられたスロットルバルブ4をアクチュエータであるモータ5により開閉駆動させると共に、そのスロットルバルブ4の実際の開度(実開度)VTAをスロットルセンサ6により検出するものである。スロットルバルブ4は、アクセルペダル7の操作には機械的に連動することのないリンクレスタイプのものである。即ち、スロットルバルブ4は、アクセルセンサ8で検出されるアクセルペダル7の操作量やエンジン回転速度等に基づいてECU2が制御するモータ5の駆動力を受けて開閉駆動されるようになっている。
【0024】
スロットルバルブ4は、スロットルボディのボア3を貫通して設けられたスロットル軸9により回動可能に支持される。スロットル軸9の一端にはモータ5が設けられ、その他端にはスロットルセンサ6が設けられる。このモータ5は、ギアを介さずにスロットル軸9及びスロットルバルブ4を直動させるトルクモータである。一般に、トルクモータは、ギアを介してスロットルバルブを駆動させるDCモータに対して、スロットルバルブ系のイナーシャが軽いことから、モータの速度変化が大きい傾向がある。
【0025】
スロットルセンサ6は、本発明の実開度検出手段に相当するものであり、例えば、ポテンショメータにより構成される。アクセルセンサ8は、スロットルバルブ4の目標開度RTAを設定するために、運転者によるアクセルペダル7の操作量を目標開度RTAとして検出するためのものであり、本発明の目標開度設定手段に相当する。このセンサ8は、例えば、ポテンショメータにより構成される。
【0026】
電子スロットル制御装置がディーゼルエンジンで使用されるのは、以下のような目的による。先ず、電子スロットル制御装置は、EGR(排気ガス再循環)を行うために使われる。この場合、エンジンの背圧と吸気圧との差を少しでも大きくし、大量のEGRを可能にするために、電子スロットル1により吸気が絞られる。又、電子スロットル制御装置は、フェイルセーフのために使われる。ディーゼルエンジンでは、吸気系(例えば、PCV系)からオイルを吸入してしまった場合に、それが燃焼してトルクが出てしまうことがある。そこで、燃料が噴射されないときには、電子スロットル1により吸気量を制限することにより、異常燃焼を回避するようにしている。他には、異常な回転上昇を検出したり、燃料系の異常を検出したりした場合にも、電子スロットル1により吸気量を制限するようにしている。更に、電子スロットル制御装置は、エンジン停止時の振動対策のために使われる。即ち、エンジン停止時には、電子スロットル1を全閉にすることにより、エンジン停止時の振動を低減するようにしている。同時に、イグニションスイッチがオフされたとき、電子スロットル1を全閉にして吸気を遮断することにより、エンジンを確実に停止させるようにしている。
【0027】
図1に示すように、ECU2は、マイクロコンピュータ(マイコン)11、A/Dコンバータ12及び駆動回路13を含む。マイコン11は、電子スロットル1の制御を統括するものであり、本発明の開度偏差算出手段、制御量算出手段、制御ゲイン設定手段、制御ゲイン制限手段、アクチュエータ制御手段、変化速度検出手段及び制限無効化手段を構成する。マイコン11は、周知のように中央処理装置(CPU)、読み出し書き換えメモリ(RAM)及び読み出し専用メモリ(ROM)等を含む。ROMには、電子スロットル1に関する制御プログラムが記憶される。A/Dコンバータ12は、スロットルセンサ6から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換してマイコン11へ出力するものである。駆動回路13は、マイコン11から出力される制御量としての制御電流を受けてモータ5へ駆動電流を出力するものである。
【0028】
図1において、スロットルセンサ6から出力される実開度VTAに係るアナログ信号は、A/Dコンバータ12によりデジタル値の信号に変換され、その信号がマイコン11に入力される。アクセルセンサ8から出力される目標開度RTAに係るアナログ信号は、そのままマイコン11に入力される。
【0029】
マイコン11は、入力される実開度VTA及び目標開度RTAに係る信号をPI制御の手法に従い処理することによりモータ5を制御する。即ち、マイコン11は、入力される各種信号の値に基づいて目標開度RTAに対する実開度VTAの開度偏差ERの値を算出し、その開度偏差ERの値に基づいて所定の計算式に従いPI制御量VPIの値を算出する。そして、マイコン11は、その制御量VPIの値に応じた駆動電流としてのデューティ比DUTYを駆動回路13を通じてモータ5へ出力し、モータ5のコイル電流を制御する。これにより、モータ5の駆動量を制御してスロットルバルブ4の実開度VTAを目標開度RTAに近付けるのである。
【0030】
次に、電子スロットル1の制御内容について説明する。図2に、マイコン11が実行するスロットル制御プログラムをフローチャートに示す。マイコン11は、このルーチンを所定時間毎に周期的に実行する。
【0031】
先ず、ステップ100で、マイコン11は、アクセルセンサ8の検出により設定される目標開度RTAと、スロットルセンサ6で検出される実開度VTAとの開度偏差ERの値を算出する。
【0032】
次に、ステップ101で、マイコン11は、算出された開度偏差ERの絶対値(絶対開度偏差)AERを算出する。これらステップ100,101の処理を実行するマイコン11は、本発明の開度偏差算出手段に相当する。
【0033】
次に、ステップ102で、マイコン11は、実開度VTAの変化速度の絶対値(絶対変化速度)DTAの値を算出する。実開度VTAを検出するスロットルセンサ6と、このステップ102の処理を実行するマイコン11とにより、本発明の変化速度検出手段が構成される。
【0034】
次に、ステップ103で、マイコン11は、絶対開度偏差AERの値が所定値A1より小さいか否かを判断する。ここで、所定値A1としては、例えば、モータ5によるスロットルバルブ4の操作変化が定常状態に入っているか否かを区別できる程度のものであればよい。この処理を実行するマイコン11は、過渡状態判断手段に相当する。この判断結果が肯定である場合、スロットル開度が定常状態にあるものとして、マイコン11は、ステップ120で、定常時のゲインKPbを本発明の制御ゲインとしての最終比例ゲインKPとして設定する。
ここで、「定常状態」とは、実開度VTAが目標開度RTAに略一致した状態を示し、定常ゲインKPbは、図3に示すような比例ゲインマップ(マップ1)の絶対開度偏差AERが0(ゼロ)となるときの値に相当する。
【0035】
次に、ステップ121で、マイコン11は、定常時のゲインKIbを本発明の制御ゲインとしての最終積分ゲインKIとして設定し、処理をステップ112へ移行する。定常時のゲインKIbは、図4に示すような積分ゲインマップ(マップ2)の絶対開度偏差AERが0(ゼロ)となるときの値に相当する。最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIは、本発明の制御ゲインに相当する。
【0036】
一方、ステップ103の判断結果が否定である場合、スロットル開度が過渡状態にあるものとして、マイコン11は、ステップ104で、図3に示すような比例ゲインマップ(マップ1)を参照することにより、絶対開度偏差AERの値から本発明の制御ゲインとしての比例ゲインtKPの値を算出する。ここで、比例ゲインマップの比例ゲインtKPは、絶対開度偏差AERの値が大きくなるほど小さくなるように設定されている。この処理を実行するマイコン11は、本発明の制御ゲイン設定手段に相当する。
【0037】
次に、ステップ105で、マイコン11は、図4に示すような積分ゲインマップ(マップ2)を参照することにより、絶対開度偏差AERの値から積分ゲインtKIの値を算出する。ここで、積分ゲインマップの積分ゲインtKIは、絶対開度偏差AERの値が大きくなるほど小さくなるように設定されている。この処理を実行するマイコン11は、本発明の制御ゲイン設定手段に相当する。
【0038】
その後、ステップ106で、マイコン11は、今回算出された比例ゲインtKPの値が前回使用した最終比例ゲインKPの値より大きいか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、マイコン11は、ステップ108で、今回算出された比例ゲインtKPの値により最終比例ゲインKPを更新し、処理をステップ109へ移行する。つまり、この場合は、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きいことから、前回の最終比例ゲインKPの値より小さい比例ゲインtKPの値を今回の最終比例ゲインKPとして選択するのであり、「ミニマムセレクト」を行うのである。上記判断結果が肯定である場合は、マイコン11は、処理をステップ107へ移行する。
【0039】
ステップ107で、マイコン11は、今回算出された絶対変化速度DTAの値が所定値D1より小さいか否かを判断する。ここで、所定値D1は、例えば、「0」に近似した値でもよく、本来の動作変化に比べて鈍くなっていることが検出できる値に適合されるものである。この判断結果が否定である場合、スロットルバルブ4の動作変化が比較的大きいものとして、マイコン11は、処理をそのままステップ109へ移行する。つまり、この場合は、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きくないことから、前回の最終比例ゲインKPの値より大きい比例ゲインtKPの値によっては今回の最終比例ゲインKPを更新しない。このように、最終比例ゲインKPの変化を制限するのである。
【0040】
これに対して、ステップ107の判断結果が肯定である場合、スロットルバルブ4の変化速度が比較的小さいものとして、マイコン11は、ステップ108で、今回算出された比例ゲインtKPの値により最終比例ゲインKPを更新し、処理をステップ109へ移行する。つまり、この場合は、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きくないものの、スロットルバルブ4の動作変化が何かの理由により本来の動作変化に比べて鈍くなっているものとして、前回の最終比例ゲインKPの値より大きい比例ゲインtKPの値により今回の最終比例ゲインKPを更新するのである。即ち、最終比例ゲインKPの変化の制限を無効化するのである。つまり、最終比例ゲインKPの「ミニマムセレクト」を無効化するのである。
【0041】
この実施の形態では、ステップ106〜ステップ108に含まれる処理を実行するマイコン11が、本発明の制御ゲイン制限手段に相当する。又、ステップ107,108の処理を実行するマイコン11が、本発明の制限無効化手段に相当する。
【0042】
その後、ステップ107又はステップ108から移行してステップ109では、マイコン11は、今回算出された積分ゲインtKIの値が前回使用した最終積分ゲインKIの値より大きいか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、マイコン11は、ステップ111で、今回算出された積分ゲインtKIの値により最終積分ゲインKIを更新し、処理をステップ112へ移行する。つまり、この場合は、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きいことから、前回の最終積分ゲインKIの値より小さい積分ゲインtKIの値を今回の最終比例ゲインKIとして選択するのであり、「ミニマムセレクト」を行うのである。上記判断結果が肯定である場合は、マイコン11は、処理をステップ110へ移行する。
【0043】
ステップ110で、マイコン11は、今回算出された絶対変化速度DTAの値が所定値D1より小さいか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、スロットルバルブ4の動作変化が比較的大きいものとして、マイコン11は、処理をそのままステップ112へ移行する。つまり、この場合は、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きくないことから、前回の最終積分ゲインKIの値より大きい積分ゲインtKIの値によっては今回の最終積分ゲインKIを更新しない。このように最終積分ゲインKIの変化を制限するのである。
【0044】
これに対して、ステップ110の判断結果が肯定である場合、スロットルバルブ4の変化速度が比較的小さいものとして、マイコン11は、ステップ111で、今回算出された積分ゲインtKIの値により最終比例ゲインKIを更新し、処理をステップ112へ移行する。つまり、この場合は、今回の絶対開度偏差AERの値が前回の絶対開度偏差AERの値より大きくないものの、スロットルバルブ4の動作変化が何かの理由により本来の動作変化に比べて鈍くなっているものとして、前回の最終積分ゲインKIの値より大きい積分ゲインtKIの値により今回の最終積分ゲインKIを更新するのである。即ち、最終積分ゲインKIの変化の制限を無効化するのである。つまり、最終積分ゲインKIの「ミニマムセレクト」を無効化するのである。
【0045】
この実施の形態では、ステップ109〜ステップ111に含まれる処理を実行するマイコン11が、本発明の制御ゲイン制限手段に相当する。又、ステップ110,111の処理を実行するマイコン11が、本発明の制限無効化手段に相当する。
【0046】
その後、、ステップ110、ステップ111又はステップ121から移行してステップ112では、マイコン11は、今回の最終比例ゲインKPの値に今回の開度偏差ERの値を乗算することにより比例項VPの値を算出する。
【0047】
次に、ステップ113で、マイコン11は、今回の最終積分ゲインKIの値と今回の開度偏差ERの値との積を、前回までの加算結果に加算することにより積分項VIの値を算出する。
【0048】
次に、ステップ114で、マイコン11は、今回算出された比例項VPの値と積分項VIの値とを加算することによりPI制御量VPIの値を算出する。この実施の形態では、ステップ112〜114の処理を実行するマイコン11は、本発明の制御量算出手段に相当する。
【0049】
次に、ステップ115で、マイコン11は、今回算出されたPI制御量VPIの値を、所定の関数式によりデューティ比DUTYの値に変換する。
【0050】
そして、ステップ116で、マイコン11は、変換されたデューティ比DUTYの値に基づいてモータ5を制御することにより、スロットルバルブ4を開閉駆動させるのである。この実施の形態では、ステップ115,116の処理を実行するマイコン11は、本発明のアクチュエータ制御手段に相当する。
【0051】
上記ルーチンの特徴は、「ミニマムセレクト」により最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIを決定すると共に、スロットルバルブ4の動作が途中で鈍くなったりしている場合には、「ミニマムセレクト」を無効化することにある。このことを図5のブロック図に示すことができる。即ち、先ず、B1で、目標開度と実開度との開度偏差を算出する。次に、B2で、開度偏差に応じた制御ゲインを算出する。次に、B3で、算出された制御ゲインにつき小さい方の制御ゲインを選択するミニマムセレクトを行う。そして、B4で、ミニマムセレクトにより得られた制御ゲインを最終的な制御ゲインとして決定するのである。ここで、B1で、開度偏差を算出するのに合わせて、B5で、スロットルバルブの変化速度、即ち、実開度VTAの変化速度を算出する。そして、その変化速度が相対的に小さい場合には、B6で、B3によるミニマムセレクトを無効化するのである。
【0052】
つまり、この実施の形態の電子スロットル制御装置では、絶対開度偏差AERに応じた比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIをマップにより備えるが、スロットルバルブ4の動作により絶対開度偏差AERが大側へ変化するときには、最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIをそれぞれ小側の値へ更新し、絶対開度偏差AERが小側へ変化するときには、最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの更新は行わないのである。つまり、ミニマムセレクトを行うのである。併せて、スロットルバルブ4の動作が途中で鈍くなったときには、上記ミニマムセレクトを行う条件下であってもミニマムセレクトを無効化し、そのときの絶対開度偏差AERに見合った最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの値を決定するのである。
【0053】
以上説明したように、この実施の形態の電子スロットル制御装置によれば、アクセルセンサ8により検出され設定された目標開度RTAの値と、スロットルセンサ6により検出された実開度VTAの値とにより開度偏差ER及び絶対開度偏差AERの値が、それぞれマイコン11により算出される。そして、この絶対開度偏差AERの値が大きくなるほど小さくなるように、PI制御量VPIの値がマイコン11により算出される。より詳細には、絶対開度偏差AERの値が大きくなるほど小さくなるような比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIの値がそれぞれマイコン11により設定される。そして、開度偏差ERの値と、その開度偏差ERに応じた比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIの値とに基づいて、PI制御量VPIの値がマイコン11により算出されるのである。そして、そのPI制御量VPIから換算されたデューティ比DUTYに基づいてモータ5がマイコン11により制御される。
従って、絶対開度偏差AERの値が相対的に小さい場合には、相対的に大きいPI制御量VPIの値に基づいてモータ5が制御されることになり、モータ5が速やかに動作し始めることになる。詳しくは、絶対開度偏差AERの値が相対的に小さい場合には、相対的に大きい比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIの値が最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの値として設定され、これによって相対的に大きいPI制御量VPIの値が算出され、この値に基づいてモータ5が制御されることにより、モータ5が速やかに動作し始めることになる。このため、例えば、目標開度RTAが一旦増加する過渡運転時に、初めの絶対開度偏差AERの値が比較的小さい場合には、スロットルバルブ4を速やかに開かせることができ、電子スロットル1としての応答性を高めることができる。
【0054】
ここで、過渡運転時に、絶対開度偏差AERの値が小側へ変化する過程、即ち、実開度VTAの値が目標開度RTAの値に近付いていく状況では、その変化に応じて算出されるPI制御量VPIの値の変化がマイコン11により制限される。より詳細には、絶対開度偏差AERの値の変化に応じて設定される比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIの値がそれぞれ変化しようとするが、今回設定される比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIの値が、前回設定された最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの値より大きいことから、今回設定される比例ゲインtKP及び積分ゲインtKIの値が前回設定された最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの値により制限される。即ち、最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIがそれぞれ更新されず、前回の値を保つのである。そして、これら最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIが更新されないことにより、PI制御量VPIの値の変化が制限されるのである。
従って、過渡運転時の初めに算出されたPI制御量VPIの値のままで、その値に基づいてモータ5が制御される続けることになり、絶対開度偏差AERの値が徐々に小さくなる過程で、モータ5の過剰な動作が抑えられる。このため、過渡運転時に、初めの絶対開度偏差AERの値が比較的大きい場合でも、スロットルバルブ4が目標開度RTAの値を越えて開くこと、即ち、オーバーシュートを防止することができ、スロットルバルブ4の収束性を向上させることができる。
【0055】
このことを図6のグラフに示すことができる。図6は、実開度VTAの標準的な応答波形を示す。図6より明らかなように、本実施の形態では、ミニマムセレクトを行うことから、実曲線で示すように、応答性と収束性に優れた応答波形が得られることが分かる。これに対して、ミニマムセレクトを行わないものでは、図6に破線で示すようにオーバーシュートが起きてしまうのである。
【0056】
一方、過渡運転時に、絶対開度偏差AERの値が小側へ変化する過程であっても、即ち、実開度VTAの値が目標開度RTAの値に近付いていく状況でも、スロットルバルブ4の動作が途中で一旦鈍くなったり、一旦停止したりして、実開度VTAの絶対変化速度DTAの値が所定値A1より低下したときには、上記したPI制御量VPIの変化についての制限がマイコン11により緩和される。より詳細には、上記した最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの値の変化についての制限が、マイコン11により無効化されることにより、PI制御量VPIの変化についての制限が無効化されるのである。
つまり、絶対開度偏差AERに応じた制御ゲイン(最終比例ゲインKP,最終積分ゲインKI)を、絶対開度偏差AERが減少しても、その偏差AERの小側への制御ゲインの切り換えは行わないルール(ミニマムセレクト)でスケジューリングした電子スロットル制御装置において、スロットルバルブ4の動作速度が所定値より落ちたときには、その時点での絶対開度偏差AERに応じた制御ゲインへの切り換えを許容するようにしているのである。
従って、初めに算出されたPI制御量VPIの値に変わって、そのときの絶対開度偏差AERの値に見合った最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIの値に基づいてPI制御量VPIの値が算出され、その値に基づいてモータ5が制御されることになり、モータ5が速やかに動作することになる。このため、例えば、製品ばらつきや製品の経時変化、或いは、運転時の温度条件の変化等により、スロットルバルブ4の動作が途中で一旦鈍くなったり、一旦停止したりするような状況になっても、その後のスロットルバルブ4の動作の収束性(応答性)を向上させることができる。特に、この実施の形態では、モータ5として、速度変化の大きいトルクモータが使用されることから、上記の動作収束性(応答性)に関して顕著な効果を得ることができる。
【0057】
このことを図7のグラフに示すことができる。図7は、経時変化や温度条件変化等により電子スロットル1の動作が鈍くなっているときの実開度VTAの応答波形を示す。図7より明らかなように、従来技術では、ミニマムセレクトを行っていることから、動作が途中で一旦鈍くなっても、破線で示すように、応答性が悪化してしまう。これに対し、本実施の形態では、動作が途中で一旦鈍くなっても、ミニマムセレクトを一旦無効化することから、実曲線で示すように、応答性を改善できることが分かる。
【0058】
[第2の実施の形態]
次に、本発明の電子スロットル制御装置を自動車用ディーゼルエンジンに具体化した第2の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。尚、この実施の形態で、第1の実施の形態と同じ構成については、同一の符号を付して説明を省略し、以下には相違点を中心に説明するものとする。
【0059】
この実施の形態では、スロットル制御プログラムの内容の点で、第1の実施の形態と構成が異なる。この実施の形態では、スロットル制御にフィードフォワード項VFを加えることにより、トルクモータであるモータ5のトルク特性に合わせて実際に即した制御の実現を図っている。併せて、微分先行型PI制御にすることにより、実際に即した制御の実現を図っている。
【0060】
図8には、モータ5のトルク特性をグラフに示す。このグラフにおいて、縦軸の発生トルクは、矢印の方向がスロットルバルブ4の開き側のトルクを示す。この特性から、トルク=0(ゼロ)では、スロットルバルブ4が静止し、トルク>0では、スロットルバルブ4が開方向へ駆動し、トルク<0では、スロットルバルブ4が閉方向へ駆動し、異なる電流(1A,0A,−1A)によってトルク=0となる開度が変わることが分かる。
【0061】
従って、モータ5に所定の電流を与えることにより、スロットルバルブ4は所定の開度を保持することになるため、所要の目標開度RTAに応じた電流をモータ5に予め流すようにすることで、電子スロットル1としての制御性(応答性)を高めることができる。この実施の形態では、所要の目標開度RTAに応じた電流(制御上では「デューティ比DUTY」)を予め制御量に加えるために、スロットル制御のパラメータにフィードフォワード項VFを追加している。又、微分先行型PI制御とするために、フィードバック制御に用いられる開度偏差ERの算出に微分処理を追加している。そのスロットル制御の内容を以下に説明する。
【0062】
図9には、マイコン11が実行するスロットル制御プログラムをフローチャートに示す。このフローチャートで、ステップ101〜113,116,120,121は、図2のフローチャートのステップ101〜113,116,120,121と同じ処理内容を示し、ステップ130〜133は、図2のフローチャートと異なる処理内容を示す。マイコン11は、このルーチンを所定時間毎に周期的に実行する。
【0063】
先ず、ステップ130で、マイコン11は、スロットルセンサ6で検出される実開度VTAの微分値(VTA−VTAO)に微分ゲインKdの値を掛けたものに実開度VTAの値を加えた上で、アクセルセンサ8の検出により設定される目標開度RTAとの開度偏差ERの値を算出する。ここで、「VTAO」は、前回検出された実開度VTAの値を意味する。このように、フィードバック制御に用いられる開度偏差ERの算出に微分処理を追加することにより、微分先行型PI制御としている。
【0064】
次に、マイコン11は、ステップ130からステップ101へ処理を移行し、図2のフローチャートと同様、ステップ101〜113,120,121の処理を順次実行する。
【0065】
その後、ステップ113から移行してステップ131で、マイコン11は、図10に示すようなフィードフォワード項マップ(マップ3)を参照することにより、目標開度RTAの値からフィードフォワード項VFの値を算出する。このフィードフォワード項マップでは、目標開度RTAが中間開度となるときにフィードフォワード項VFが「0」となり、目標開度RTAが中間開度から全開方向へ大きくなるに連れてフィードフォワード項VFが正の所定値である「+a2」へ向けて大きくなり、目標開度RTAが中間開度から全閉方向へ小さくなるに連れてフィードフォワード項VFが負の所定値である「−a1」へ向けて小さくなるように設定される。この処理を実行するマイコン11は、フィードフォワード項設定手段に相当する。
【0066】
次に、ステップ132で、マイコン11は、今回算出された比例項VPの値と、積分項VIの値と、フィードフォワード項VFの値とを加算することによりPIF制御量VPIFの値を算出する。この実施の形態では、ステップ112,113,131,132の処理を実行するマイコン11が、本発明の制御量算出手段に相当する。
【0067】
次に、ステップ133で、マイコン11は、今回算出されたPIF制御量VPIFの値を、所定の関数式によりデューティ比DUTYの値に変換する。
【0068】
そして、ステップ116で、マイコン11は、変換されたデューティ比DUTYの値に基づいてモータ5を制御することにより、スロットルバルブ4を開閉駆動させる。この実施の形態では、ステップ133,116の処理を実行するマイコン11が、本発明のアクチュエータ制御手段に相当する。
【0069】
以上が本実施の形態におけるスロットル制御プログラムの内容である。従って、この実施の形態の電子スロットル制御装置によっても、前記第1の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。即ち、初めに算出されたPIF制御量VPIFの値に変わって、そのときの絶対開度偏差AERの値に見合った最終比例ゲインKP、最終積分ゲインKI及びフィードフォワード項VFの各値に基づいてPIF制御量VPIFの値が算出され、その値に基づいてモータ5が制御されることになり、モータ5が速やかに動作することになる。このため、製品ばらつきや製品の経時変化、或いは、運転時の温度条件の変化等により、スロットルバルブ4の動作が途中で一旦鈍くなったり、一旦停止したりするような状況になっても、その後のスロットルバルブ4の動作の収束性(応答性)を向上させることができるのである。
【0070】
加えて、この実施の形態では、フィードフォワード項VFを追加したPIF制御量VPIFを算出し、その制御量VPIFの値に基づいてモータ5を制御しているので、所要の目標開度RTAに応じたフィードフォワード項VFの分だけモータ5に予め電流を流すことができ、電子スロットル1としての制御性(応答性)を、第1の実施の形態のそれに対して一層高めることができる。
【0071】
ここで、温度条件の変化によりモータ5の特性が変動することで、予め与えたフィードフォワード項VFの値が実際とは合わなくなり、その分だけ多少の制御誤差が加わり、電子スロットル1に動作ばらつきが生じるおそれもある。又、製品ばらつきによるトルク特性ばらつきによっても、同様の制御誤差が加わり、電子スロットル1に動作ばらつきが生じることが考えられる。しかし、本実施の形態のようにフィードフォワード項VFを追加して制御性(応答性)を向上させた電子スロットル制御装置では、背反として、製品ばらつきや温度条件変化等により一時的に応答性が鈍くなる現象が起き易くなることに対して、このことを補償することのできる効果があることから、より好適な電子スロットル制御装置になると言える。
【0072】
更に、この実施の形態では、スロットル制御を微分先行型PI制御としているので、目標開度RTAに近付くと開度偏差ERの符号が反転することになり、モータ5に逆向きの電流を流すことができ、言い換えるとモータ5にブレーキを与えることができる。このため、それまでのモータ動作速度を速くしておき、ブレーキをかけて止める適合が可能となり、電子スロットル1としての応答性を高めることができる。そのため、製品ばらつきや温度条件変化等によるブレーキの効き具合(温度によるフリクションの変化も影響)により電子スロットル1の動作ばらつきとなる要素を含み、一時的に応答性が鈍くなる現象もあるが、これを補償できる効果があることから、より好適な電子スロットル制御装置になると言える。
【0073】
尚、この発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。
【0074】
(1)前記第1の実施の形態では、絶対開度偏差AERに応じて算出される最終比例ゲインKP及び最終積分ゲインKIを制御ゲインとして使用し、制御量としてのPI制御量VPIを算出するようにした。これに対し、比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインを制御ゲインとして使用して制御量としてのPID制御量を算出するようにしてもよい。
【0075】
(2)前記各実施の形態では、アクチュエータとして、トルクモータよりなるモータ5を使用したが、トルクモータに代わってDCモータを使用してもよい。
【0076】
(3)前記各実施の形態では、電子スロットル制御装置を自動車用ディーゼルエンジンに適用して具体化したが、電子スロットル制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用して具体化してもよい。この場合、電子スロットル制御装置は、ガソリンエンジンの出力調整等のために使われる。
【0077】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明の構成によれば、目標開度と実開度との開度偏差が大きくなるほど小さくなるように制御ゲインを設定し、その制御ゲインと開度偏差とに基づいてアクチュエータの制御量を算出し、開度偏差が小側へ変化するときには制御ゲインの変化を制限するものにおいて、実開度の変化速度が所定値より低下したとき、制御ゲインについての制限を無効化するようにしたので、スロットルバルブの動作が途中で鈍くなっても、その後の動作の収束性(応答性)を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係り、電子スロットル制御装置を示す概略構成図である。
【図2】スロットル制御プログラムを示すフローチャートである。
【図3】比例ゲインマップを示すグラフである。
【図4】積分ゲインマップを示すグラフである。
【図5】スロットル制御プログラムの特徴を示すブロック図である。
【図6】実開度の標準的な応答波形を示すタイムチャートである。
【図7】電子スロットル動作鈍化時の実開度の応答波形を示すタイムチャートである。
【図8】第2の実施の形態に係り、トルクモータのトルク特性を示すグラフである。
【図9】スロットル制御プログラムを示すフローチャートである。
【図10】フィードフォワード項マップを示すグラフである。
【図11】従来技術のスロットル制御プログラムを示すフローチャートである。
【図12】従来技術のスロットル制御プログラムの特徴を示すブロック図である。
【図13】モータマグネットの温度による磁気特性を示すグラフである。
【図14】25℃のときのモータトルク特性を示すグラフである。
【図15】120℃のときのモータトルク特性を示すグラフである。
【図16】−30℃のときのモータトルク特性を示すグラフである。
【符号の説明】
1 電子スロットル
4 スロットルバルブ
5 モータ(アクチュエータ)
6 スロットルセンサ(実開度検出手段)
8 アクセルセンサ(目標開度設定手段)
11 マイコン(開度偏差算出手段、制御量算出手段、制御ゲイン設定手段、制御ゲイン制限手段、アクチュエータ制御手段、変化速度検出手段及び制限無効化手段)
ER 開度偏差
AER 絶対開度偏差
RTA 目標開度
VTA 実開度
DTA 絶対変化速度
tKP 比例ゲイン
tKI 積分ゲイン
KP 最終比例ゲイン
KI 最終積分ゲイン
VPI PI制御量

Claims (1)

  1. スロットルバルブをアクチュエータにより開閉駆動させる電子スロットルと、
    前記電子スロットルの目標開度を設定するための目標開度設定手段と、
    前記電子スロットルの実開度を検出するための実開度検出手段と、
    前記目標開度と前記実開度との開度偏差を算出するための開度偏差算出手段と、
    前記アクチュエータの制御量を、前記開度偏差とその開度偏差に応じた制御ゲインとに基づいて算出するための制御量算出手段と、
    前記制御ゲインを、前記開度偏差が大きくなるほど小さくなるように設定するための制御ゲイン設定手段と、
    今回設定される制御ゲインが前回設定された制御ゲインより大きいとき、今回設定される制御ゲインを前回設定された制御ゲインにより制限するための制御ゲイン制限手段と、
    前記算出された制御量に基づいて前記アクチュエータを制御するためのアクチュエータ制御手段と
    を備えた電子スロットル制御装置において、
    前記実開度の変化速度を検出するための変化速度検出手段と、
    前記変化速度が所定値より低下したとき、前記制御ゲイン制限手段による前記制御ゲインについての制限を無効化するための制限無効化手段と
    を備えたことを特徴とする電子スロットル制御装置。
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