JP4480938B2 - 排気ガス再循環バルブの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、排気ガスの再循環系中に備わる排気ガス再循環「以下、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と称する」バルブの制御装置に関するものである。

図１はエンジンＥの排気通路ａと吸気通路ｂを連通する排気還流通路ｃにＥＧＲバルブの制御弁１１を配置した構成図である。このＥＧＲバルブの制御装置は、例えば、エンジンコントローラユニット（以下、ＥＣＵと称する）５１によって、ハイブリッドＰＭ型４相などのステッピングモータＭを駆動制御し、このステッピングモータＭによって制御弁１１を開閉制御するようになっており、そのステッピングモータＭをステップ角単位でオープンループ制御することにより、制御弁１１の開度が調整される。

ところで、このようなステッピングモータＭを用いた制御方法は、ステッピングモータＭのステップ角単位でしか制御弁１１の開度を制御することができないため、制御弁１１の調整開度の分解能に限界があった。また、ステッピングモータＭのオープンループ制御においては、脱調現象が生じることがあるため応答性にも限界があり、また一度脱調した場合には、制御量に誤差が発生したままとなるため信頼性が悪化するという問題があった。

そこで、従来のＥＧＲバルブの制御方法は、付勢手段によって制御弁１１の開方向または閉方向に所定のリターントルクを付与し、かつ直流モータＭ（以下、モータＭと称する）の一方向の通電によって、制御弁１１を閉方向または開方向に可変するモータトルクを付与し、それらのトルクバランスにより制御弁１１を開閉するもので、このような制御装置の目標開閉位置に対応する入力データと前記制御弁の現開閉位置の検出データとの偏差に基づいて、前記モータをＰＩＤ制御するフィードバック制御系と、前記偏差が所定の許容範囲内に収まったときに、前記フィードバック制御系のＩゲインクリア手段とを備えたものが例えば、特許文献1に記載されている。

特開平１０−２２０６１９号公報

このようなモータを用いたＥＧＲバルブの駆動方法は、いわゆるトルクバランス方法を採用し、付勢手段としてのスプリングによって閉方向に所定のリターントルクを付与し、かつモータの開方向の駆動によって開方向に可変のモータトルクを付与し、それらのトルクバランスにより開閉制御しようとする。

このような駆動方法の場合、ＥＧＲバルブには、常にリターントルクが付与されることになるため、図２のようなフリクションによるヒステリシスを持ったラインＡ，Ｂの傾きによって開閉位置（シフト量）が変化することになる。

ここで、ラインＡはモータトルクを増大させて制御弁１１を開くときの作動特性、ラインＢはモータトルクを減少させて制御弁１１を閉じるときの作動特性であり、リターントルクを付与するスプリングのばね定数により作動特性Ａ，Ｂの傾きが変化し、そのセットトルクの大きさにより作動特性Ａ，Ｂが図２中の左右にシフトする。

いま、このような作動特性の制御弁１１を制御するために、単に、制御弁１１の目標開閉位置に対応する入力データと該制御弁の現開閉位置の検出データとの偏差に基づいて、モータをＰ（比例）、Ｉ（積分）制御する方法を採用した場合を想定する。この場合には、図２のような作動特性との関連から、制御弁１１を目標開口位置に安定させることが難しくなる。

すなわち、モータトルクを増大させて制御弁１１を目標開口位置まで開かせるためには、図２の作動特性Ａ上に沿った制御を実行すべくＰ（比例）ゲインとＩ（積分）ゲインを増加させなければならない。しかし、このような制御下において、ＰＩ制御によってモータトルクを増大させた場合には、制御弁１１が目標開口位置まで開くやいなや該制御弁の開口位置の偏差が“０”となって、Ｐ成分が“０”、Ｉ成分がクリアされ、リターントルクによって制御弁１１が閉じ始めてしまう。それが閉じ始めた初期の段階（小偏差時）では、Ｐ，Ｉ成分が共に小さいため、モータトルクがリターントルクに打ち勝つことができず、偏差が大きくなる。その後、偏差がある程度大きくなってモータトルクとリターントルクが釣り合ったとしても、モータＭのイナーシャのために制御弁１１の閉じ動作は急停止できず、直ちに制御弁１１を開き動作させることができない。仮に、小偏差時においても比較的大きなモータトルクを発生させるようにゲインを大きくした場合には、図３のようにオーバーシュートとアンダーシュートの増加を招く悪循環に陥ってしまう。

このような事態を考慮し、モータＭを用いたいわゆるトルクバランスの駆動方法による制御弁１１の制御方法の構成を図４から図６により説明する。図４において、１は排気ガスの再循環系中に介在する排気還流通路ｃの一部をなす通路が内部に形成されたバルブボディであり、制御弁１１が図のように上動してシート１２に接することによって排気還流通路ｃが閉じられ、制御弁１１が下動してシート１２から離れることによって排気還流通路ｃが開かれる。

２はモータＭを内蔵するモータケースである。このモータケース２内において、２１はコイル２２が巻回されたロータ、２３はマグネット２４を備えたヨークであり、ロータ２１の下端部は、ベアリング２７によってバルブボディ１に回転自在に支持されている。

ロータ２１の内部にはモータシャフト３１が螺合されており、そのモータシャフト３１は、ボディ１のガイドブッシュ１３によって回り止めされている。したがって、ロータ２１の回動量に応じてモータシャフト３１が上下動することになる。モータシャフト３１の下端には弁シャフト１４が当接されており、その弁シャフト１４の中間部は、ガイドシール１５とガイドプレート１６によってバルブボディ１に上下動自在にガイドされ、また弁シャフト１４の下端には制御弁１１が取り付けられている。

１７はガイドシールカバーである。弁シャフト１４の上端に取り付けられたスプリングシート１８とガイドプレート１６との間には、弁シャフト１４を上方、つまり、制御弁１１の閉動方向に付勢するためのリターンスプリング１９が介在されている。

このように構成された制御弁１１は、前述したようなトルクバランス方式により駆動される。すなわち、ＥＧＲバルブは、付勢手段としてのリターンスプリング１９によって制御弁１１の閉弁方向に所定のリターントルクを付与され、かつモータＭの一方向の通電によって制御弁１１の開弁方向に可変のモータトルクを付与され、それらのトルクバランスにより制御弁１１を開閉制御する。

図５は、モータＭに制御信号を供給するエンジンコントローラユニット５１（ＥＣＵと称する）を示す回路ブロック図であり、５０はモータ駆動電圧を決定するマイクロコンピュータ形態の制御部、５２はバッテリ、５３は制御部５０の出力を変換してモータＭに供給するモータ駆動電圧変換部であり、ツェナーダイオード５３ａ、モータＭに流れる電流を一方向のみとするダイオード５３ｂ、ＦＥＴ（電解効果形トランジスタ）５３ｃ、制御部５０とＦＥＴ５３ｃとの間に設けたインタフェース５３ｄにより構成されている。５６は制御部５０の駆動電圧（５Ｖ）を確保するためのレギュレータである。

制御部５０には、車両各部に設けられたセンサ例えばクランク角センサ等の運転状態量センサ５７からの検出信号と、ポジションセンサ４０からの検出信号がそれぞれインタフェース５８，５９を介して入力される。本例のポジションセンサ４０は、電圧供給部６０から定電圧（５Ｖ）が印加される抵抗体４１上にて移動する可動接点部４２を備えており、その可動接点部４２がロータ２１の回動に伴って移動することにより、その可動接点部４２から、モータシャフト３１の移動位置に応じた電圧が検出信号として出力される。

また、上記モータ駆動電圧変換部５３は、モータＭに加える電圧を一定周期でオン、オフさせ、その１周期当たりのオン時間とオフ時間の比（駆動デューティ）に応じたＰＷＭ信号によりＦＥＴ５３ｃをスイッチ動作させて、モータＭに加える平均駆動電圧を制御するようになっている。

図６は制御部５０の構成図である。図６において、６１は運転状態量センサ５７の検出信号に基づいて制御弁１１の最適な開閉位置を求めるための目標位置演算部であり、その目標位置に対応する電圧（以下、「目標値」と称する）を出力する。６２はポジションセンサ４０の検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部（以下、「現在値」と称する）を出力する。７１は目標値と現在値の加減算部、６３は目標値と現在値の偏差に基づいて、比例成分（Ｐ成分）、積分成分（Ｉ成分）を合わせたＰＩ制御量（電圧）を演算して出力するＰＩ制御量演算部、６４はＰＩ制御量演算部６３の出力に基づいてモータＭに供給するデューティを演算する駆動デューティ演算部である。

次に動作について説明する。
外部から目標値が与えられると、ポジションセンサ４０で検出された現在値と上記目標値を加減算部７１で加減算して偏差を求める。ＰＩ制御量演算部６３は得られた偏差からＰＩ制御量を演算して駆動デューティ演算部６４に出力し、駆動デューティ演算部６４はそのＰＩ制御量に基づいて駆動デューティを演算してモータＭに供給する。
従来の排気ガス再循環バルブの制御方法は以上のように構成されているので、ＰＩ制御であるため、応答性が低いという課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、応答性の向上を図るとともに目標値の近傍における動作の安定性を確保し、オーバーシュートやアンダーシュートを防止できる排気ガス再循環バルブの制御方法を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス再循環バルブの制御方法は、付勢手段で開閉弁に開弁方向または閉弁方向の一方向にリターントルクを付与し、モータで上記リターントルクに対向してモータトルクを付与し、この両トルクのトルクバランスにより弁開閉を行い、開閉弁の開弁目標値または閉弁目標値と現在値との偏差が大きく規定範囲外の場合は二値制御、前記偏差が小さく規定範囲内の場合はＰＩ制御に制御を切り換え、この二値制御からＰＩ制御に移るときは、メモリに記憶しておいた前回のＰＩ制御時における安定していた操作量を用いてＰＩ制御を開始する。

このことによって、偏差が大きいときは二値制御で高速動作させるので、応答性に優れ、偏差の小さい目標値近傍ではＰＩ制御により低速動作させることにより、オーバーシュートやアンダーシュートのない動作の安定性を確保することができる。また、二値制御からＰＩ制御に移るとき、操作量の変動が少なく、二値制御からＰＩ制御への切換動作を安定に行うことができる。

エンジン排気系の概略説明図である。 トルクバランス駆動方式のＥＧＲバルブにおけるモータトルク対制御弁の開閉位置の特性図である。 時間とモータシャフトの動作位置との関係を示す特性図である。 ＥＧＲバルブの縦断面図である。 モータを用いたいわゆるトルクバランスの駆動方式による制御装置の構成図である。 その制御装置における制御部の構成図である。 この発明の制御方法を実施する制御部の構成図である。 この発明の実施の形態１による制御方法を説明するフローチャートである。 開弁動作を説明する図である。 この発明の実施の形態２による制御方法を説明するフローチャートである。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図７はこの発明の制御方法を実施する制御部の構成図である。図７において、６１は運転状態量センサ５７の検出信号に基づいて制御弁１１の最適な開閉位置を求めるための目標位置演算部であり、その目標位置に対応する電圧（以下、「目標値」と称する）を出力する。６２はポジションセンサ４０の検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部（以下、「現在値」と称する）を出力する。７１は目標値と現在値の加減算部、６３は目標値と現在値の偏差に基づいて、比例成分（Ｐ成分）、積分成分（Ｉ成分）を合わせたＰＩ制御量（電圧）を演算して出力するＰＩ制御量演算部、６５は二値制御量演算部、６６は目標値と現在値の偏差を検出し、検出した偏差が予め定めた規定範囲外の場合は切換スイッチ６７ａ，６７ｂを二値制御量演算部に、偏差が規定範囲内の場合は切換スイッチ６７ａ，６７ｂをＰＩ制御量演算部６３に切り換える動作状態切換部である。なお、上記規定範囲Ｗは、図９に示すように、目標位置Ｘを許容できる＋・−のずれ分の範囲に対応する大きさに設定されている。

次に動作について説明する。
図８は実施の形態１による制御方法を説明するフローチャートであり、外部から目標値が与えられると、ポジションセンサ４０で検出された現在値と上記目標値を加減算部７１で加減算して偏差を求める（ステップＳＴ１，ＳＴ２）。得られた偏差で制御領域判定を行い（ステップＳＴ３）、判定結果からＰＩ制御領域かを判定し（ステップＳＴ４）、ＮＯならば切換スイッチ６７ａ，６７ｂを二値制御量演算部６５に切り換えて二値制御量操作方向の演算を行う（ステップＳＴ５）。一方、上記の判断がＹＥＳの場合は、切換スイッチ６７ａ，６７ｂをＰＩ制御量演算部６３に切り換えてＰＩ動作操作量の演算を行う（ステップＳＴ６）。そして、駆動デューティ演算部６４を介してモータＭに駆動力を供給する（ステップＳＴ７）。

以上のように、この実施の形態１によれば、偏差が大きく規定範囲外の時は二値制御によって高速に動作させることができ、偏差が小さく規定範囲内の時はＰＩ制御によって動作の安定性を確保することができる。

図１０は他の実施の形態による制御方法を説明するフローチャートであり、外部から目標値が与えられると、ポジションセンサ４０で検出された現在値と上記目標値を加減算部７１で加減算して偏差を求める（ステップＳＴ１１，ＳＴ１２）。次いで現在値から前回現在値を減算して開閉弁の動作速度を求め（ステップＳＴ１３）、得られた偏差と速度から決まる関数値で制御領域判定を行い（ステップＳＴ１４）、判定結果からＰＩ制御領域かを判定し（ステップＳＴ１５）、ＮＯならば切換スイッチ６７ａ，６７ｂを二値制御量演算部６５に切り換える（ステップＳＴ１６）。一方、上記の判断がＹＥＳの場合は、切換スイッチ６７ａ，６７ｂをＰＩ制御量演算部６３に切り換える（ステップＳＴ１７）。そして、駆動デューティ演算部６４を介してモータＭに駆動力を供給する（ステップＳＴ１８）。

以上のように、この実施の形態によれば、関数値が大きく規定範囲外のときは、二値制御によって高速に動作させることができ、関数値が小さく規定範囲内の時はＰＩ制御によって動作の安定性を確保することができるので、弁開閉動作をより高速かつ安定性の向上を図ることができる。

上記の実施の形態において、二値制御からＰＩ制御に移るときは、メモリに記憶した前回のＰＩ制御時における安定していた操作量を用いてＰＩ制御を開始する。このようにすることにより、二値制御からＰＩ制御に移るとき、操作量の変動が少なく、二値制御からＰＩ制御への切換動作を安定に行うことができる。
実施の形態２．

二値制御からＰＩ制御に移るしきい値よりＰＩ制御から二値制御に移るしきい値を広くした。このようにすることにより、ＰＩ制御から二値制御に移るとき、切換動作をスムーズに、かつ安定に行うことができる。

上記各実施の形態では、ＰＩ制御について述べたが、当然のことながら、ＰＩ制御の一種であるから、ＰＩＤ制御を用いてもよい。

１１ 制御弁（開閉弁）、Ｍ モータ、６３ ＰＩ制御量演算部、６４ 駆動デューティ演算部、６５ ニ値制御量演算部、６６ 動作状態切換部、６７ａ，６７ｂ 切換スイッチ。

Claims (2)

1. 付勢手段で開閉弁を開弁方向または閉弁方向の一方向に移動させるリターントルクを付与し、モータで上記リターントルクに対向するモータトルクを付与し、この両トルクのトルクバランスにより弁開閉を行い、開閉弁の開弁目標値または閉弁目標値と現在値との偏差が規定値より大きい場合は二値制御、前記偏差が規定値より小さい場合はＰＩ制御に制御を切り換え、この二値制御からＰＩ制御に移るときは、メモリに記憶した前回のＰＩ制御時における安定していた操作量を用いてＰＩ制御を開始することを特徴とする排気ガス再循環バルブの制御方法。
2. 二値制御からＰＩ制御に移るしきい値よりＰＩ制御から二値制御に移るしきい値を広くしたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の排気ガス再循環バルブの制御方法。

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