JP4320885B2

JP4320885B2 - Control device for electromagnetically driven valve

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Publication number: JP4320885B2
Application number: JP35510699A
Authority: JP
Inventors: 武俊川邊; 光一郎米倉; 育宏谷口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2019-12-14
Also published as: JP2000234534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動弁の制御装置に係り、特に、可動子または弁の位置に応じて速度制御を行う電磁駆動弁の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸排気弁の駆動方式において、従来のカムにより弁体を駆動するカム駆動方式に代えて、電磁力により弁体を駆動する電磁駆動弁が提案されている。この電磁駆動弁によれば、弁体駆動用のカム機構が不要となることに加えて、内燃機関の動作状態に応じて吸排気弁の開閉時期を容易に最適化することができ、内燃機関の出力向上及び燃費の向上を図ることができる。
【０００３】
このような電磁駆動弁の従来技術としては、特開平１０−２０５３１４号公報記載の「ガス交換弁の電磁弁駆動部を制御する方法」（以下、第１従来技術）、特開平１０−２２０６２２号公報記載の「幅の狭い構造の電磁式アクチュエータ」（以下、第２従来技術）が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に電磁駆動弁では、弁もしくは可動部の一部が閉弁時および最大開弁時に電磁石と衝突する。そのため衝突時に騒音が発生する。また可動部や電磁石部分の強度を衝突に耐えるものとすると、電磁駆動弁として重量が増加したり、大きな駆動電力を必要としたりする。
【０００５】
このため第１従来技術、第２従来技術では電磁石の形状を変え、可動部と電磁石とが接触しない位置で磁力が最大となり、可動部が電磁石と衝突する前に停止保持される電磁駆動弁が開示されている。
【０００６】
しかしながら、第１従来技術、第２従来技術の方法で、可動部を電磁石と衝突する前に停止保持するには大きな磁力を発生させることが必要であり、電磁石磁気回路の大型化や駆動電力の大電力化を招きやすいという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電磁駆動弁の開閉弁時の可動部と電磁石との衝突を無くし騒音を低減するとともに、電磁石磁気回路を小型化し、その駆動電力を低減することのできる電磁駆動弁の制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、上記課題を解決するため、電磁石と、該電磁石により駆動される可動子と、該可動子により駆動される弁とを備えた電磁駆動弁を制御する電磁駆動弁の制御装置であって、前記可動子または弁である可動部の位置を検出する位置検出手段と、前記可動部の速度を検出または推定する速度検出手段と、前記可動部の位置に応じて前記可動部の速度目標値を生成する速度目標値生成手段と、前記検出された速度と前記生成された速度目標値とを比較する比較手段と、該比較手段の比較結果に応じて前記電磁石に通電する電流値を制御する電流制御手段と、を備え、前記電流制御手段は、前記電磁石と前記可動子との距離が前記可動部の自由運動の速度減少範囲内に設定された所定の距離まで近づいたときに前記電磁石への通電を開始することを要旨とする電磁駆動弁の制御装置である。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、位置検出手段が検出した可動部の位置に応じて速度目標値生成手段が生成した速度目標値と、速度検出手段が検出した可動部の速度目標値との比較結果に応じて、電磁石に通電する電流値を電流制御手段により制御し、さらに、前記電磁石と前記可動子との距離が前記可動部の自由運動の速度減少範囲内に設定された所定の距離まで近づいたときに前記電磁石への通電を開始することができるので、可動部の変位端における衝突を回避し騒音を低減することができるとともに電磁石磁気回路の大型化を回避し駆動電力の削減を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図２は、本発明に係る電磁駆動弁の制御装置を車両用内燃機関に適用した全体構成を示す図である。
【００１８】
同図に示すように、エンジンのシリンダ５１の上部に固定されたシリンダヘッド５２には、吸気弁または排気弁となる弁５４（図２では単一の弁のみを示す）が設けられている。弁５４から上方に伸延する弁軸５４ａの上部には、スプリングリテーナ５５が固定され、スプリングリテーナ５５とシリンダヘッド５２との間には弁５４を閉弁側に付勢するコイルスプリング５６が設けられている。
【００１９】
またシリンダヘッド５２の上部には電磁弁のケースとなるハウジング６０が立設されている。ハウジング６０の内部には、閉弁側電磁石１１と、開弁側電磁石１２とが所定の間隔をあけて上下に対向する位置に固定されている。これら閉弁側電磁石１１と開弁側電磁石１２との間には、軟磁性体の可動子（アーマチュア）５７が可動子軸部材５７ａにより上下に滑動可能に支持されている。
【００２０】
閉弁側電磁石１１より上部の位置には、可動子軸部材５７ａにスプリングリテーナ５８が固定され、ハウジング６０の天井内面とスプリングリテーナ５８との間には、可動子５７を開弁側に付勢するコイルスプリング５９が設けられている。
【００２１】
またハウジング６０の天井部には、可動部の速度を検出し速度信号を出力する可動部速度センサ２、可動部の位置を検出し位置信号を出力する可動部位置センサ３が設けられ、これらの速度信号及び位置信号は、電磁駆動弁の制御装置である制御装置１に伝えられるようになっている。
【００２２】
さらに制御装置１は、エンジン制御ＥＣＵ８から開弁指令／閉弁指令が伝達され、制御装置１は閉弁側電磁石電流制御部９及び開弁側電磁石電流制御部１０に対して電流目標値を出力するようになっている。
【００２３】
閉弁側電磁石電流制御部９及び開弁側電磁石電流制御部１０は、それぞれ入力された電流目標値に応じたＰＷＭ制御により電源部１３から各電磁石１１、１２へ電流を供給することにより電磁力を制御できるようになっている。
【００２４】
図１は、本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
同図において、制御装置１は、可動子５７の速度を検出し速度信号を出力する可動部速度センサ２と、可動子５７の位置を検出し位置信号を出力する可動部位置センサ３と、可動部位置センサが出力する位置信号に基づいて可動部の速度目標値を生成する速度目標値生成部５と、可動部速度センサ２が出力する速度信号と速度目標値とを比較する比較部４と、比較部４の比較結果に応じて閉弁側電磁石１１または開弁側電磁石１２に通電すべき電流目標値を生成する電流目標値生成部６と、閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０のいずれに電流目標値を供給するかを切り換える切替器７を備えている。エンジン制御ＥＣＵ８、閉弁側電磁石電流制御部９、開弁側電磁石電流制御部１０、閉弁側電磁石１１、開弁側電磁石１２は、図２で説明した構成要素と同じ構成要素である。
【００２５】
特許請求範囲の請求項１と図１の構成要素との対応は、以下の通りである。可動子または弁である可動部の位置を検出する位置検出手段は可動部位置センサ３、可動部の速度を検出または推定する速度検出手段は可動部速度センサ２、可動部の位置に応じて可動部の速度目標値を生成する速度目標値生成手段は速度目標値生成部５、検出された速度と生成された速度目標値とを比較する比較手段は比較部４、にそれぞれ相当する。さらに、比較手段の比較結果に応じて電磁石に通電する電流値を制御する電流制御手段（図１中に符号１３で示す）は、電流目標値生成部６、切替器７、閉弁側電磁石電流制御部９及び開弁側電磁石電流制御部１０に相当する。
【００２６】
次に、電磁駆動弁および電磁駆動弁の制御装置の動作を説明する。
可動子５７はコイルスプリング５６、５９に懸吊されており、閉弁側電磁石１１および開弁側電磁石１２が通電していないとき、閉弁側電磁石１１と開弁側電磁石１２の概略中央に位置するように、それそれのコイルスプリング５６、５９の寸法及びバネ定数が設定されている。
【００２７】
ここで、コイルスプリング５６、５９と、弁５４及び可動子５７を含む可動部とで構成されるバネ・マス系の固有振動数ｆｏは、合成バネ定数をＫ、合計慣性質量をｍとすると、ｆｏ＝√（Ｋ／ｍ）であることが知られている。
【００２８】
さてエンジン始動前の初期動作において、上記固有振動数ｆｏに対応する周期で閉弁側電磁石１１と開弁側電磁石１２に交互に通電する。そして、可動部を共振させることにより徐々に可動部の振幅を増大させ、初期動作の最終段階で、例えば閉弁側電磁石１１に可動子が吸着され、この吸着状態が保持される。
【００２９】
次に、エンジンの始動時または通常の稼働時には、例えば弁を開く時はまず閉弁側電磁石１１の電流が切られ、可動部はコイルスプリングのバネ力により下方に移動を開始する。摩擦力などによるエネルギー損失のため、バネ力だけで弁全開位置まで可動子５７を移動させることはできない。そこで、可動子５７が開弁側電磁石１２に十分近づき、電磁力が有効となる位置で開弁側電磁石１２が通電され、可動子５７の運動を助勢する。
【００３０】
このとき制御装置１は可動部位置センサ３及び可動部速度センサ２から、可動子５７の位置及び速度を入力し、可動部の速度が速度目標値を追従するように開弁側電磁石電流制御部１０に指令値を発する。制御装置の指令値に応じて開弁側電磁石１２の電流が制御された結果（開弁側電磁石１２の電磁力が制御された結果）、可動子５７と開弁側電磁石１２は所定の速度以下（例えば０．１［ｍ／ｓ］以下）で当接し、そこで可動部が停止する。もしくは、可動部の速度は開弁側電磁石１２と可動子５７のギャップが例えば数百ミクロンになる位置で停止する。
【００３１】
図３は、上記の可動子の位置／速度位相面における軌跡を示すグラフである。同図において、Ｘ軸は開弁側電磁石と可動部との距離ｘ（ギャップ）であり、Ｙ軸はｘの時間微分である速度ｖ（＝ｄｘ／ｄｔ）を示す。可動子は可動部動作開始点１０１から出発し、自由運動軌跡１０２に沿ってｘ1 へ向かって運動する。
【００３２】
そしてｘ＝ｘ1 に達した時点から、可動子の速度制御が開始され、例えば直線による速度目標関数１０３に沿った運動となる。この速度目標関数は、ｘ＝ｘ1 における目標値ｒ1 を、そのときに検出された速度ｖ（ｘ1 ）に一致させている。そして可動子は速度制御により速度を減少させながらｘ＝ｘ2 である可動部動作終了点１０４に到達するとともに、ｘ＝ｘ2 では速度目標値ｒ2 ＝０となり、可動子が可動部動作終了点１０４で停止するように電磁石の電磁力が制御される。
【００３３】
弁を閉じるときは開弁側電磁石１２の電流は切られる。可動子５７と弁５４はコイルスプリング５９およびコイルスプリング５６の力により上方へ移動するが、摩擦力などによるエネルギー損失のため、バネ力だけで閉弁位置まで可動子５７を移動させることはできない。
【００３４】
そこで、可動子５７が閉弁側電磁石１１に十分近づき、電磁力が有効となる位置で閉弁側電磁石１１が通電され、可動子５７の運動を助勢する。まず、弁が閉位置となり、一体化して移動していた弁と可動子５７が分離する。可動子５７は電磁力に助勢されてそのまま閉弁側電磁石１１に接近する。
【００３５】
制御装置は弁５４と弁座５２ａとが衝突することがないよう、また、可動子５７と電磁石１１、１２とが衝突することがないよう可動部位置センサ３もしくは可動部速度センサ２が可動部の運動を検出し、閉弁側電磁石電流制御部９により閉弁側電磁石１１の電流を調節する。
【００３６】
このとき弁と弁座５２ａ、もしくは可動子５７と閉弁側電磁石１１とが当接する速度は、例えば０．１［ｍ／ｓ］以下になるよう可動部の速度が制御される。あるいは、可動子５７と閉弁側電磁石１１とのギャップが数百ミクロン以下となったとき、可動子５７の目標速度がゼロとなり、可動子５７は閉弁側電磁石１１とのギャップが数百ミクロンの位置で停止するように制御されるので、衝突することがなくなり、騒音発生が防止され、電磁駆動弁の寿命が伸延する。
【００３７】
制御装置１はエンジン制御ＥＣＵ８より開弁指令または閉弁指令を入力する。開弁指令であれば開弁側電磁石電流制御部１０、閉弁指令であれば閉弁側電磁石電流制御部９をそれぞれ切替器７で選択し、選択された側に電流目標値生成部６が生成する電流目標値が出力される。
【００３８】
電流目標値生成部６は可動部の位置および速度を入力し、次のように電流目標値を生成する。
まず速度目標値ｒは、
【数１】

式（１）に示すように発生される。
【００３９】
ここで、ｘは可動部位置センサ３の出力から演算される可動子５７と可動子５７を引きつけている電磁石と距離（ギャップ）、ｔは時刻である。ｖは可動部速度センサ２が検出した可動部の速度、または可動部位置センサ３が検出した位置信号の出力から演算されるｘの時間微分値である。ｒ（ｘ）はギャップの関数として与えられる速度目標関数であり、ギャップが次第に小さくなりｘが第１の所定値ｘ1 になった時点ｔ1 で決定される。ｘ1 はギャップが小さくなり電磁力が有効になるギャップ長を基準に選ばれ、実際には１〜３［ｍｍ］程度である。
【００４０】
ｒ（ｘ）は次の条件を満たすように決定される。
【００４１】
【数２】
ｒ（ｘ1 ）＝ｒ1 ＝ｖ（ｔ1 ）（２）
【数３】
ｒ（ｘ2 ）＝ｒ2 （３）
あるいは（請求項４）
【数４】
ｒ（ｘ）＝ｒ2 （ｘ＜ｘ2 ）（４）
【００４２】
ここでｘ2 は第２の所定値、ｒ2 は可動子５７と電磁石１１または１２の当接速度を設計するパラメータであり、概略０または０を選択し、衝突を避けることができる。例えば、可動子５７を０．０５［ｍ／ｓ］で電磁石に当接させるのであれば、
【数５】
ｘ2 ＝０，ｒ2 ＝０．０５［ｍ／ｓ］（５）
とする。
【００４３】
あるいは可動子５７を電磁石の寸前（実際には２００［μｍ］程度）で停止保持するのであれば
【数６】
ｘ2 ＝２００［μｍ］，ｒ2 ＝０［ｍ／ｓ］（６）
とする。
【００４４】
ｘ2 ＜ｘ＜ｘ1 の区間ではｘ1 のとき及びｘ2 のときの関数値を内挿する。例えば、直線で内挿する場合は、
【数７】

となる。勿論、２次、３次曲線等の曲線で内挿してもよい。
【００４５】
速度目標値ｒ（ｘ）は可動部速度ｖと比較部４により比較され、比較信号（ｖ−ｒ（ｘ））が電流目標値生成部６に出力される。電流目標値生成部６では、電流目標値ｉ*（ｔ）は次に示す式（８）のように発生される。
【００４６】
【数８】

ここでｋは適当に決める正の定数（フィードバックゲイン）である。ｘ＜ｘ1の区間ではｒ（ｘ）＝ｖであるから速度制御は発生しない。
【００４７】
この電流目標値を電磁石の通電電流として、切替器７を介して閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０に伝達される。そして、閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０がＰＷＭ制御により電源部１３から供給される電流のＯＮ／ＯＦＦ比を制御することにより通電電流の大きさが制御され、結果として可動子に作用する電磁力が制御され、可動部の速度が制御される。
【００４８】
図４は、以上の制御装置１の動作をフローチャートとして図示したものである。図４において、所定時間毎に可動部の位置と速度とを読み込んで、速度目標関数の算出、電流目標値の算出及び出力を行う第１のフローと、エンジン制御ＥＣＵからの弁開閉指令により閉弁側電磁石電流制御部９と開弁側電磁石電流制御部１０とを選択切換する第２のフローとが並列に処理可能である。
【００４９】
すなわち、制御の開始と共に制御フローは２分岐され、ステップＳ１０以下の処理とステップＳ２２以下の処理とが並列に実行可能であるが、直列に実行する場合には、時間待ちを含まないステップＳ２２〜Ｓ３０を先に実行するのが好ましい。
【００５０】
ステップＳ１０では、制御装置１に内蔵される図示されないタイマーから時間読み込みが行われ、次いで所定間隔の制御時刻が到来しているか否かを判定する（ステップＳ１２）。制御時刻が到来していなければステップＳ１０に戻り、制御時刻が到来していれば可動部位置センサ３及び可動部速度センサ２から位置信号ｘ及び速度信号ｖを読み込む（ステップＳ１４）。
【００５１】
次いで位置信号ｘが制御対象範囲にあれば、速度目標値生成部５で速度目標関数ｒ（ｘ）を算出し（ステップＳ１６）、次いで比較部４及び電流目標値生成部６の協動により電磁石に通電すべき電流目標値ｉ* を算出し（ステップＳ１８）、この電流目標値を切替器７により選択された閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０のいずれか一方に供給して終了する（ステップＳ２０）。
【００５２】
ステップＳ１０と分岐したステップＳ２２では、エンジン制御ＥＣＵ８から弁開閉指令を読み込み、次いで開弁指令か否かを判定し（ステップＳ２４）、開弁指令であれば、開弁側電磁石電流制御部１０を電流目標値生成部６に接続するよう切替器７を切り替え（ステップＳ２６）て終了する。ステップＳ２４で開弁指令でなければ、次いで閉弁指令か否かを判定し（ステップＳ２８）、閉弁指令であれば、閉弁側電磁石電流制御部９を電流目標値生成部６に接続するよう切替器７を切り替え（ステップＳ３０）て終了する。
【００５３】
電磁駆動弁では、ギャップｘが大きいときは電磁石に通電しても可動子に作用する力は極めて小さく、流した電流は制御結果への効果が少なく、無駄な電力消費となる。本実施形態ではｘ＝ｘ1 となり電磁力が可動子に有効に作用する位置から可動部の速度制御を開始し、電磁力が可動子に有効に作用しない位置においては電磁石に通電しないため、無駄な電力消費を避けることができる。
【００５４】
また電磁駆動弁では、バネ・マス系が固有振動数を持つと雖もエンジンの筒内圧や摩擦力などの弁にかかる力が動作条件や経年変化により変化するため、通電を停止された一方の電磁石の近傍から他方の電磁石の電磁力が有効になる距離（ｘ＝ｘ1 ）に可動子が到達するまで時間は一定ではない。このような場合にも本発明によれば可動子の速度制御が不能となることはない。
【００５５】
図５は、本発明における速度目標値が位置の関数として生成されることによる効果を説明する図である。
同図に示すように、本発明では一般の制御系に見られるように速度目標値又は電流目標値を時間の関数１１０として発生するのでなく、位置（ギャップ）ｘの関数１１３としたため、正確なタイミングで制御を開始することができる。
【００５６】
電磁駆動弁では、例えば突発的な不整燃焼の影響で弁の動きが遅れる（途中で一時的に停留する）ことがある。
図５（ａ）に示すように、弁の動作が正常な場合の速度１１１を基準に時刻に対し速度目標値１１０をたてると、弁の動作に時間的遅れが生じた場合の速度１１２がある時刻以降恒に目標値１１０を上回ることになる。電磁力では可動子を減速させることはできないから、このような場合は速度制御不能に陥る。
【００５７】
本発明では、図５（ｂ）の符号１１２に示すように、弁の動作に時間的に遅れが生じたとしても、位置の関数として速度目標値１１３が生成されるので、時間領域で見ると、正常なときの速度目標値１１３が、可動部の遅れに応じて遅延された１１３ａとして発生され、速度制御可能の状態が継続する。
【００５８】
本発明では、速度制御を開始する時点（ｔ1 ）では、速度目標値の可動部の速度ｖと（概略）等しく選ばれる。そのため、制御開始時点において制御誤差は概略ゼロであり、ｖをｒ（ｘ）に一致させるのに過大な電流（電磁力）の応答を必要としない。そのため比較的小規模な電気・磁気回路、及び比較的低電圧の電源電圧で可動部の速度を制御することができる。
【００５９】
尚、本実施形態の変形例として、可動部速度センサ２に代えて可動部位置センサ３の出力信号を時間微分して速度信号を得る微分手段を用いても良いことは、明らかである。
【００６０】
（第２の実施形態）
図６は、本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第２実施形態の構成を説明するブロック図である。
本実施形態においては、第１実施形態の可動部速度センサ２に代えて、閉弁側電磁石１１または開弁側電磁石１２に通電される電流値を検出する電磁石電流センサ１６と、可動子速度推定部（オブザーバ）１７とを備えた制御装置１５が用いられている。その他の構成は第１実施形態と同様である。この電磁石電流センサ１６は、閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０の出力電流を直列低抵抗により検出してもよいし、電磁石１１、１２の磁束を検出して電流に換算する形式でも良い。
【００６１】
本実施形態の特徴は、可動部の速度を直接検出する代わりに、電磁石電流センサ１６が検出した電磁石１１、１２の通電電流と、可動部位置センサ３が検出した可動部の位置とに基づいて、可動子速度推定部１７が可動子の速度を推定することである。
【００６２】
可動部の質量ｍ、可動部に関わるバネ定数ｋ、可動部に関わる粘性定数ｃ、電磁力をＦとすると、可動部の運動は、
【数９】

式（９）〜（１３）で表される。
【００６３】
ここでＦ(ｘ，ｉ）は磁気回路の形状や材質などにより決まる関数であり、磁場解析などの手段によりあらかじめ知ることができる。γはバネ力のうち、オフセット加重成分である。これらの式を元に、可動部の速度は直接可動部速度センサ２で検出する代わりに、位置ｘと電流ｉから以下の式（１４）〜（１６）を用いる可動子速度推定部１７で推定することができる。
【００６４】
【数１０】

ここでｖｅは速度ｖの推定値である。推定された可動子の速度は、第１実施形態と同様に比較部４へ入力され、以下の処理内容は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明が適用される電磁駆動弁の構成を示す概念図である。
【図３】実施形態における速度目標関数の生成法を説明する位置／速度位相面における可動部の軌跡を示すグラフである。
【図４】本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】速度目標値として位置関数を用いる場合と、時間関数を用いる場合との比較を説明するグラフである。
【図６】本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１制御装置
２可動部速度センサ
３可動部位置センサ
４比較部
５速度目標値生成部
６電流目標値生成部
７切替器
８エンジン制御ＥＣＵ
９閉弁側電磁石電流制御部
１０開弁側電磁石電流制御部
１１閉弁側電磁石
１２開弁側電磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electromagnetically driven valve control device, and more particularly to an electromagnetically driven valve control device that performs speed control in accordance with the position of a mover or a valve.
[0002]
[Prior art]
In the drive system of the intake and exhaust valves of the internal combustion engine, an electromagnetically driven valve that drives the valve body by electromagnetic force has been proposed in place of the conventional cam drive system that drives the valve body by a cam. According to the electromagnetically driven valve, the cam mechanism for driving the valve body is not required, and the opening / closing timing of the intake / exhaust valve can be easily optimized according to the operating state of the internal combustion engine. The output can be improved and the fuel consumption can be improved.
[0003]
As a conventional technique of such an electromagnetically driven valve, “Method for controlling electromagnetic valve driving part of gas exchange valve” (hereinafter referred to as “first prior art”) described in JP-A-10-205314, JP-A-10-220622. An “electromagnetic actuator having a narrow structure” (hereinafter referred to as “second prior art”) disclosed in the publication is disclosed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, in an electromagnetically driven valve, a part of a valve or a movable part collides with an electromagnet when the valve is closed and when the valve is fully opened. Therefore, noise is generated at the time of collision. Further, if the strength of the movable part and the electromagnet part is tolerate the collision, the weight of the electromagnetically driven valve increases or a large drive power is required.
[0005]
For this reason, in the first and second prior arts, the shape of the electromagnet is changed, the magnetic force is maximized at a position where the movable part does not contact the electromagnet, and the electromagnetically driven valve that is stopped and held before the movable part collides with the electromagnet. It is disclosed.
[0006]
However, it is necessary to generate a large magnetic force in order to stop and hold the movable part before colliding with the electromagnet by the methods of the first conventional technique and the second conventional technique. There was a problem that it was easy to invite high power.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to reduce the noise by eliminating the collision between the movable part and the electromagnet when the electromagnetically driven valve is opened and closed, and to reduce the size of the electromagnet magnetic circuit. It is an object of the present invention to provide an electromagnetically driven valve control device that can reduce the drive power.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention according to claim 1 is an electromagnetically driven valve for controlling an electromagnetically driven valve comprising an electromagnet, a mover driven by the electromagnet, and a valve driven by the mover. A position detecting means for detecting the position of the movable part that is the mover or the valve, a speed detecting means for detecting or estimating the speed of the movable part, and the control unit according to the position of the movable part. Speed target value generation means for generating a speed target value of the movable part, comparison means for comparing the detected speed with the generated speed target value, and energization of the electromagnet according to the comparison result of the comparison means Current control means for controlling a current value to be controlled , wherein the current control means approaches the distance between the electromagnet and the mover to a predetermined distance set within a speed reduction range of the free movement of the movable part. To the electromagnet A control device for an electromagnetically driven valve according to subject matter that starts energizing.
[0012]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the speed target value generated by the speed target value generating means according to the position of the movable part detected by the position detecting means, and the speed target value of the movable part detected by the speed detecting means, In accordance with the comparison result, the current value applied to the electromagnet is controlled by the current control means , and the distance between the electromagnet and the mover is set within a predetermined range of the speed reduction of the free movement of the movable part. Since the energization of the electromagnet can be started when approaching a distance, it is possible to avoid a collision at the displacement end of the movable part and reduce noise, and avoid an increase in the size of the electromagnet magnetic circuit and reduce driving power. Can be achieved.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration in which the control device for an electromagnetically driven valve according to the present invention is applied to an internal combustion engine for a vehicle.
[0018]
As shown in the figure, a cylinder head 52 fixed to the upper part of the cylinder 51 of the engine is provided with a valve 54 (only a single valve is shown in FIG. 2) serving as an intake valve or an exhaust valve. A spring retainer 55 is fixed to the upper part of the valve shaft 54 a extending upward from the valve 54, and a coil spring 56 that urges the valve 54 toward the valve closing side is provided between the spring retainer 55 and the cylinder head 52. ing.
[0019]
In addition, a housing 60 serving as a case for an electromagnetic valve is provided upright on the cylinder head 52. Inside the housing 60, the valve-closing electromagnet 11 and the valve-opening electromagnet 12 are fixed at positions facing each other vertically with a predetermined interval. Between the valve-closing electromagnet 11 and the valve-opening electromagnet 12, a soft magnetic movable element (armature) 57 is slidably supported by a movable element shaft member 57a.
[0020]
A spring retainer 58 is fixed to the mover shaft member 57 a at a position above the valve closing side electromagnet 11, and the mover 57 is biased to the valve opening side between the ceiling inner surface of the housing 60 and the spring retainer 58. A coil spring 59 is provided.
[0021]
Further, a movable part speed sensor 2 for detecting the speed of the movable part and outputting a speed signal and a movable part position sensor 3 for detecting the position of the movable part and outputting a position signal are provided on the ceiling of the housing 60. The speed signal and the position signal are transmitted to the control device 1 which is a control device for the electromagnetically driven valve.
[0022]
Further, the control device 1 receives a valve opening command / valve closing command from the engine control ECU 8, and the control device 1 outputs a current target value to the valve closing side electromagnet current control unit 9 and the valve opening side electromagnet current control unit 10. It is supposed to be.
[0023]
The valve closing side electromagnet current control unit 9 and the valve opening side electromagnet current control unit 10 respectively supply electromagnetic current from the power supply unit 13 to the

electromagnets

11 and 12 by PWM control according to the input current target value. Can be controlled.
[0024]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first embodiment of a control device for an electromagnetically driven valve according to the present invention.
In the figure, the control device 1 includes a movable part speed sensor 2 that detects the speed of the movable element 57 and outputs a speed signal, a movable part position sensor 3 that detects the position of the movable element 57 and outputs a position signal, and a movable part. A speed target value generation unit 5 that generates a speed target value of the movable part based on a position signal output from the part position sensor, and a comparison unit 4 that compares the speed signal output from the movable part speed sensor 2 with the speed target value; The current target value generation unit 6 that generates a current target value to be supplied to the valve closing side electromagnet 11 or the valve opening side electromagnet 12 according to the comparison result of the comparison unit 4, and the valve closing side electromagnet current control unit 9 or valve opening A switch 7 is provided to switch which of the side electromagnet current control units 10 supplies the current target value. The engine control ECU 8, the valve closing side electromagnet current control unit 9, the valve opening side electromagnet current control unit 10, the valve closing side electromagnet 11, and the valve opening side electromagnet 12 are the same components as those described in FIG.
[0025]
Correspondence between claim 1 and the components shown in FIG. 1 is as follows. The position detecting means for detecting the position of the movable part which is a mover or a valve is the movable part position sensor 3, and the speed detecting means for detecting or estimating the speed of the movable part is movable part speed sensor 2, which is movable according to the position of the movable part. The speed target value generating means for generating the speed target value corresponds to the speed target value generating section 5, and the comparing means for comparing the detected speed with the generated speed target value corresponds to the comparing section 4. Furthermore, the current control means (indicated by reference numeral 13 in FIG. 1) for controlling the current value supplied to the electromagnet according to the comparison result of the comparison means is the current target value generation unit 6, the switch 7, the valve closing side electromagnet current. It corresponds to the control unit 9 and the valve opening side electromagnet current control unit 10.
[0026]
Next, the operation of the electromagnetically driven valve and the controller for the electromagnetically driven valve will be described.
The mover 57 is suspended from the coil springs 56 and 59, and is positioned approximately at the center between the valve closing side electromagnet 11 and the valve opening side electromagnet 12 when the valve closing side electromagnet 11 and the valve opening side electromagnet 12 are not energized. Thus, the dimensions and spring constants of the respective coil springs 56 and 59 are set.
[0027]
Here, the natural frequency fo of the spring-mass system composed of the coil springs 56, 59 and the movable part including the valve 54 and the mover 57 is expressed as follows: It is known that fo = √ (K / m).
[0028]
In the initial operation before starting the engine, the valve-closing electromagnet 11 and the valve-opening electromagnet 12 are alternately energized at a cycle corresponding to the natural frequency fo. Then, by resonating the movable portion, the amplitude of the movable portion is gradually increased, and at the final stage of the initial operation, for example, the mover is attracted to the valve-closing electromagnet 11 and this attracted state is maintained.
[0029]
Next, when starting the engine or during normal operation, for example, when opening the valve, the current of the valve-closing electromagnet 11 is first cut off, and the movable portion starts to move downward by the spring force of the coil spring. Due to energy loss due to frictional force or the like, the mover 57 cannot be moved to the fully open position of the valve only by the spring force. Therefore, the mover 57 is sufficiently close to the valve-opening electromagnet 12, and the valve-opening electromagnet 12 is energized at a position where the electromagnetic force is effective, thereby assisting the movement of the mover 57.
[0030]
At this time, the control device 1 inputs the position and speed of the mover 57 from the movable part position sensor 3 and the movable part speed sensor 2, and the valve opening side electromagnet current control part so that the speed of the movable part follows the speed target value. The command value is issued to 10. As a result of controlling the current of the valve-opening electromagnet 12 according to the command value of the control device (result of controlling the electromagnetic force of the valve-opening electromagnet 12), the mover 57 and the valve-opening electromagnet 12 are below a predetermined speed. (For example, 0.1 [m / s] or less) and the movable portion stops there. Alternatively, the speed of the movable portion stops at a position where the gap between the valve-opening electromagnet 12 and the movable element 57 becomes several hundred microns, for example.
[0031]
FIG. 3 is a graph showing a locus on the position / velocity phase plane of the mover. In the figure, the X-axis is the distance x (gap) between the valve-opening side electromagnet and the movable part, and the Y-axis shows the speed v (= dx / dt) which is the time derivative of x. The mover starts from the moving part operation start point 101 and moves along the free movement locus 102 toward x1.
[0032]
Then, the speed control of the mover is started from the time point when x = x1 is reached, and, for example, the movement is performed along the speed target function 103 by a straight line. This speed target function makes the target value r1 at x = x1 coincide with the speed v (x1) detected at that time. The mover reaches the movable part operation end point 104 where x = x 2 while decreasing the speed by speed control. At x = x 2, the speed target value r 2 = 0, and the mover reaches the movable part operation end point 104. The electromagnetic force of the electromagnet is controlled to stop.
[0033]
When the valve is closed, the current of the valve opening side electromagnet 12 is turned off. Although the mover 57 and the valve 54 move upward by the force of the coil spring 59 and the coil spring 56, the mover 57 cannot be moved to the closed position only by the spring force due to energy loss due to frictional force or the like.
[0034]
Therefore, the movable element 57 approaches the valve closing side electromagnet 11 sufficiently, and the valve closing side electromagnet 11 is energized at a position where the electromagnetic force becomes effective, thereby assisting the movement of the movable element 57. First, the valve is in the closed position, and the valve 57 and the mover 57 that have moved together are separated. The mover 57 is assisted by the electromagnetic force and approaches the valve closing side electromagnet 11 as it is.
[0035]
In the control device, the movable part position sensor 3 or the movable part speed sensor 2 is a movable part so that the valve 54 and the valve seat 52a do not collide, and the movable element 57 and the

electromagnets

11 and 12 do not collide. The valve closing side electromagnet current control unit 9 adjusts the current of the valve closing side electromagnet 11.
[0036]
At this time, the speed of the movable part is controlled so that the speed at which the valve and the valve seat 52a or the mover 57 and the valve-closing electromagnet 11 abut is, for example, 0.1 [m / s] or less. Alternatively, when the gap between the mover 57 and the valve-closing electromagnet 11 becomes several hundred microns or less, the target speed of the mover 57 becomes zero, and the gap between the mover 57 and the valve-closing electromagnet 11 is several hundred microns. Therefore, no collision occurs, noise generation is prevented, and the life of the electromagnetically driven valve is extended.
[0037]
The control device 1 inputs a valve opening command or a valve closing command from the engine control ECU 8. If it is a valve opening command, the valve opening side electromagnet current control unit 10 is selected by the switch 7 if it is a valve closing command, and the current target value generation unit 6 is selected on the selected side. The current target value to be generated is output.
[0038]
The target current value generator 6 receives the position and speed of the movable part and generates a target current value as follows.
First, the speed target value r is
[Expression 1]

It is generated as shown in equation (1).
[0039]
Here, x is the movable element 57 calculated from the output of the movable part position sensor 3, the electromagnet attracting the movable element 57, the distance (gap), and t is the time. v is the time differential value of x calculated from the speed of the movable part detected by the movable part speed sensor 2 or the output of the position signal detected by the movable part position sensor 3. r (x) is a velocity target function given as a function of the gap, and is determined at the time t1 when the gap gradually decreases and x becomes the first predetermined value x1. x1 is selected on the basis of the gap length at which the gap becomes small and the electromagnetic force becomes effective, and is actually about 1 to 3 [mm].
[0040]
r (x) is determined so as to satisfy the following condition.
[0041]
[Expression 2]
r (x1) = r1 = v (t1) (2)
[Equation 3]
r (x2) = r2 (3)
Or (Claim 4)
[Expression 4]
r (x) = r2 (x <x2) (4)
[0042]
Here, x2 is a second predetermined value, and r2 is a parameter for designing the contact speed of the mover 57 and the

electromagnet

11 or 12, and can be selected approximately 0 or 0 to avoid collision. For example, if the mover 57 is brought into contact with the electromagnet at 0.05 [m / s],
[Equation 5]
x2 = 0, r2 = 0.05 [m / s] (5)
And
[0043]
Alternatively, if the mover 57 is stopped and held immediately before the electromagnet (actually about 200 [μm]),
x2 = 200 [.mu.m], r2 = 0 [m / s] (6)
And
[0044]
In the interval of x2 <x <x1, the function values at x1 and x2 are interpolated. For example, when interpolating with a straight line,
[Expression 7]

It becomes. Of course, you may interpolate with curves, such as a quadratic curve and a cubic curve.
[0045]
The speed target value r (x) is compared with the moving part speed v by the comparison unit 4, and a comparison signal (v−r (x)) is output to the current target value generation unit 6. In the current target value generation unit 6, the current target value i * (t) is generated as shown in the following equation (8).
[0046]
[Equation 8]

Here, k is a positive constant (feedback gain) determined appropriately. In the section of x <x1, r (x) = v, so speed control does not occur.
[0047]
This current target value is transmitted to the valve closing side electromagnet current control unit 9 or the valve opening side electromagnet current control unit 10 via the switch 7 as the energization current of the electromagnet. Then, the valve closing side electromagnet current control unit 9 or the valve opening side electromagnet current control unit 10 controls the ON / OFF ratio of the current supplied from the power supply unit 13 by PWM control, thereby controlling the magnitude of the energization current. As a result, the electromagnetic force acting on the mover is controlled, and the speed of the movable part is controlled.
[0048]
FIG. 4 is a flowchart illustrating the operation of the control device 1 described above. In FIG. 4, the position and speed of the movable part are read every predetermined time, and the first flow for calculating the speed target function, calculating the current target value, and outputting it, and the valve opening / closing command from the engine control ECU are closed. The second flow for selectively switching the valve-side electromagnet current control unit 9 and the valve-opening electromagnet current control unit 10 can be processed in parallel.
[0049]
That is, with the start of control, the control flow is branched into two, and the processing from step S10 onwards and the processing from step S22 onward can be executed in parallel. It is preferable to execute S30 first.
[0050]
In step S10, time reading is performed from a timer (not shown) built in the control device 1, and then it is determined whether or not a control time at a predetermined interval has arrived (step S12). If the control time has not come, the process returns to step S10. If the control time has come, the position signal x and the speed signal v are read from the movable part position sensor 3 and the movable part speed sensor 2 (step S14).
[0051]
Next, if the position signal x is within the control target range, the speed target value generation unit 5 calculates the speed target function r (x) (step S16), and then the electromagnet is obtained by the cooperation of the comparison unit 4 and the current target value generation unit 6. The current target value i * to be energized is calculated (step S18), and this current target value is selected from either the valve closing side electromagnet current control unit 9 or the valve opening side electromagnet current control unit 10 selected by the switch 7. To finish (step S20).
[0052]
In step S22 branched from step S10, a valve opening / closing command is read from the engine control ECU 8, and then it is determined whether or not it is a valve opening command (step S24). If it is a valve opening command, the valve opening side electromagnet current control unit 10 is controlled. The switch 7 is switched to connect to the current target value generation unit 6 (step S26), and the process is terminated. If it is not a valve opening command in step S24, it is then determined whether or not it is a valve closing command (step S28). If it is a valve closing command, the valve closing side electromagnet current control unit 9 is connected to the current target value generation unit 6. The switch 7 is switched (step S30), and the process ends.
[0053]
In the electromagnetically driven valve, when the gap x is large, even if the electromagnet is energized, the force acting on the mover is extremely small, and the flowing current has little effect on the control result, resulting in wasted power consumption. In this embodiment, since x = x1, the speed control of the movable portion is started from the position where the electromagnetic force effectively acts on the mover, and the electromagnet is not energized at the position where the electromagnetic force does not act effectively on the mover. Power consumption can be avoided.
[0054]
In an electromagnetically driven valve, if the spring / mass system has a natural frequency, the force applied to the valve, such as the in-cylinder pressure and frictional force of the engine, changes depending on operating conditions and aging. The time is not constant from the vicinity of the electromagnet until the mover reaches the distance (x = x1) where the electromagnetic force of the other electromagnet becomes effective. Even in such a case, according to the present invention, the speed control of the mover is not disabled.
[0055]
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect obtained by generating the speed target value as a function of position in the present invention.
As shown in the figure, in the present invention, the speed target value or the current target value is not generated as a function 110 of time as seen in a general control system, but is a function 113 of the position (gap) x. Control can be started at the timing.
[0056]
In an electromagnetically driven valve, for example, the movement of the valve may be delayed due to sudden irregular combustion (temporarily stops in the middle).
As shown in FIG. 5A, when the speed target value 110 is set with respect to the time based on the speed 111 when the valve operation is normal, the speed 112 when the time delay occurs in the valve operation is as follows. The target value 110 is constantly exceeded after a certain time. Since the mover cannot be decelerated by electromagnetic force, in such a case, speed control becomes impossible.
[0057]
In the present invention, as indicated by reference numeral 112 in FIG. 5B, even if there is a time delay in the operation of the valve, the speed target value 113 is generated as a function of the position. The normal speed target value 113 is generated as 113a delayed according to the delay of the movable part, and the speed controllable state continues.
[0058]
In the present invention, at the time point (t1) when the speed control is started, the speed target value v is selected to be (approximately) equal to the speed v of the movable part. For this reason, the control error is substantially zero at the start of control, and an excessive current (electromagnetic force) response is not required to match v with r (x). Therefore, the speed of the movable part can be controlled with a relatively small electric / magnetic circuit and a relatively low power supply voltage.
[0059]
As a modification of the present embodiment, it is obvious that instead of the movable part speed sensor 2, a differentiating unit that obtains a speed signal by differentiating the output signal of the movable part position sensor 3 with respect to time may be used.
[0060]
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a block diagram illustrating the configuration of the second embodiment of the control device for an electromagnetically driven valve according to the present invention.
In this embodiment, instead of the movable part speed sensor 2 of the first embodiment, an electromagnet current sensor 16 that detects a current value supplied to the valve closing side electromagnet 11 or the valve opening side electromagnet 12, and a mover speed estimation. A control device 15 including a unit (observer) 17 is used. Other configurations are the same as those of the first embodiment. The electromagnet current sensor 16 may detect the output current of the valve closing side electromagnet current control unit 9 or the valve opening side electromagnet current control unit 10 by a series low resistance, or may detect the current by detecting the magnetic flux of the

electromagnets

11 and 12. It is also possible to convert to
[0061]
The feature of this embodiment is based on the energizing currents of the

electromagnets

11 and 12 detected by the electromagnet current sensor 16 and the position of the movable part detected by the movable part position sensor 3 instead of directly detecting the speed of the movable part. The mover speed estimation unit 17 estimates the speed of the mover.
[0062]
If the mass m of the movable part, the spring constant k associated with the movable part, the viscosity constant c associated with the movable part, and the electromagnetic force are F, the movement of the movable part is
[Equation 9]

It represents with Formula (9)-(13).
[0063]
Here, F (x, i) is a function determined by the shape and material of the magnetic circuit, and can be known beforehand by means such as magnetic field analysis. γ is an offset weighting component of the spring force. Based on these equations, the velocity of the movable portion is estimated by the mover velocity estimation unit 17 using the following equations (14) to (16) from the position x and the current i instead of being directly detected by the movable portion speed sensor 2. can do.
[0064]
[Expression 10]

Here, ve is an estimated value of the speed v. The estimated mover speed is input to the comparison unit 4 as in the first embodiment, and the following processing contents are the same as in the first embodiment, and the same effects as in the first embodiment can be obtained. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first embodiment of a control device for an electromagnetically driven valve according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration of an electromagnetically driven valve to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a graph showing a locus of a movable part on a position / velocity phase plane for explaining a method of generating a velocity target function in the embodiment.
FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the electromagnetically driven valve control device according to the present invention.
FIG. 5 is a graph for explaining a comparison between a case where a position function is used as a speed target value and a case where a time function is used.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a second embodiment of a control device for an electromagnetically driven valve according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control apparatus 2 Movable part speed sensor 3 Movable part position sensor 4 Comparison part 5 Speed target value generation part 6 Current target value generation part 7 Switch 8 Engine control ECU
9 Valve closing side electromagnet current control unit 10 Valve opening side electromagnet current control unit 11 Valve closing side electromagnet 12 Valve opening side electromagnet

Claims

An electromagnetically driven valve control device for controlling an electromagnetically driven valve comprising an electromagnet, a mover driven by the electromagnet, and a valve driven by the mover,
Position detecting means for detecting the position of the movable part which is the movable element or the valve;
Speed detecting means for detecting or estimating the speed of the movable part;
Speed target value generating means for generating a speed target value of the movable part according to the position of the movable part;
Comparison means for comparing the detected speed with the generated speed target value;
Current control means for controlling a current value to be applied to the electromagnet according to a comparison result of the comparison means ,
The current control means starts energization of the electromagnet when the distance between the electromagnet and the mover approaches a predetermined distance set within a speed reduction range of free movement of the movable part. A control device for an electromagnetically driven valve.