JP4631782B2 - 車両の制御システム - Google Patents

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Description

この発明は、車両の制御システムに関し、より特定的には、アクチュエータの駆動回路とこの駆動回路を制御する制御回路とが一体的に格納されたアクチュエータ駆動ユニットを備えた制御システムに関する。
車両、とりわけ自動車では電子制御技術の発展が顕著であり、車両搭載機器の多くが、その動作を電子制御ユニット(ECU)によって制御される。このような制御システムでは、機器を作動させるアクチュエータについて、ECUからアクチュエータの動作指令を受けて、この動作指令に従ってアクチュエータを駆動制御するためのアクチュエータ駆動ユニットが設けられる。通常、このようなアクチュエータ駆動ユニットとECUとの間は、双方向通信可能に構成される。
たとえば、特開2004−324416号公報(特許文献1)には、TCM(自動変速機制御ユニット)、ABS/TCS(アンチロックブレーキユニット/トラクションコントロールユニット)、ACC(車間クルーズユニット)等の制御ユニットと、ECUとの間をCAN(Controller Area Network)通信によって接続した制御システムが開示される。特に、特許文献1では、このような制御システムにおいて、燃料噴射システムのシステム異常故障に関する故障診断精度を向上させる技術が開示されている。
特開2004−324416号公報
このような車両の制御システムでは、特許文献1での制御ユニットに対応するアクチュエータ駆動ユニットは、当該アクチュエータの駆動回路および、この駆動回路を制御する制御回路(たとえばCPU:Central Processing Unit)を含んで構成される。制御回路(CPU)は、CAN通信等によりECUと接続されて、ECUからの動作指令に従ってアクチュエータが動作するように駆動回路の動作を制御する。駆動回路は、アクチュエータへの動作エネルギ(代表的には動作電流)の供給を制御する駆動素子(代表的には、電流供給制御用トランジスタ)は含む。一般的に、駆動素子は、アクチュエータへの動作エネルギ供給に伴い発熱する。
ここで、アクチュエータ駆動ユニットは、省スペースの面から、発熱源となる駆動回路とCPUとが一体的に格納されて構成されることが多い。このため、CPUの温度は、自身の発熱のみならず、駆動素子からの発熱によっても上昇する。したがって、アクチュエータの連続動作時等の駆動素子からの発熱が大きくなるケースでは、CPUが過高温となり、正常な演算処理が不能となってアクチュエータによる制御動作が不安定化したり、CPU故障が発生する可能性がある。
したがって、このような一体型のアクチュエータ駆動ユニットを用いた車両の制御システムでは、当該アクチュエータ駆動ユニット中の制御回路(CPU)の過高温を防止する必要がある。しかしながら、特許文献1は、このようなCPUの温度上昇に対する問題について、何ら指摘していない。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、アクチュエータの駆動回路とこの駆動回路を制御する制御回路(CPU)とが一体的に格納されたアクチュエータ駆動ユニットを備えた車両の制御システムにおいて、駆動回路の発熱による制御回路(CPU)の過高温を防止して、アクチュエータによる制御動作を安定化することである。
この発明による車両の制御システムは、制御装置、アクチュエータ駆動ユニット、通信手段、温度取得手段、およびモード設定手段を備える。制御装置は、アクチュエータの動作指令を生成する。アクチュエータ駆動ユニットは、アクチュエータへ動作エネルギを供給する駆動素子を含む駆動回路と、動作指令に従ってアクチュエータが動作するように駆動回路を制御する制御回路とが一体的に格納されて構成される。通信手段は、制御装置および制御回路の間で双方向に通信するように構成される。温度取得手段は、制御回路の温度を取得する。モード設定手段は、温度取得手段によって取得された制御回路の温度に基づいて、アクチュエータ駆動ユニットの動作モードを設定する。そして、動作モードは、第1のモードと、第1のモードよりもアクチュエータの消費エネルギを低下させる第2のモードとを含む。
上記車両の制御システムによれば、アクチュエータの駆動制御時に発熱する駆動回路と一体的に格納された制御回路の温度上昇時には、通常(第1のモード)よりもアクチュエータの消費エネルギが少ない、すなわち駆動回路の発熱が抑制される第2のモード(省電力モード)を選択することが可能となる。これにより、駆動回路からの発熱によって制御回路(CPU)が過高温となることを防止して、アクチュエータによる制御動作を安定化できる。
好ましくは、この発明による車両の制御システムは、第1の指示手段および第2の指示手段をさらに備える。第1の指示手段は、モード設定手段により第1のモードが設定されているときに、アクチュエータの動作指令を車両の運転状況に応じた可変値とするとともに、アクチュエータが動作指令に追従して動作するように指示する。第2の指示手段は、モード設定手段により第2のモードが設定されているときに、アクチュエータの動作指令を所定の固定値とするとともに、アクチュエータの動作が固定値に対応する状態に達した後は、アクチュエータが停止するように指示する。
上記車両の制御システムによれば、制御回路(CPU)の温度上昇時に第2のモード(省電力モード)を選択する際に、アクチュエータを所定の固定値に対応する状態に制御した後で、アクチュエータを停止させる。したがって、上記固定値を車両運転に悪影響を及ぼさない状態に対応して定めることにより、車両の運転に悪影響を与えることなく制御回路(CPU)が過高温となることを防止できる。
さらに好ましくは、この発明による車両の制御システムでは、アクチュエータ駆動ユニットは、内燃機関の吸気弁および排気弁の少なくとも一方を制御するように構成された可変動弁機構駆動用ユニットであり、動作指令は、可変動弁機構により制御される弁のリフト量および開弁期間の少なくとも一方を示す。
上記車両の制御システムによれば、内燃機関の可変動弁機構の駆動ユニットにおいて、制御回路(CPU)の過高温を防止して、バルブリフト量および作用角の設定を安定化することができる。
また好ましくは、この発明による車両の制御システムでは、アクチュエータ駆動ユニットは、油圧発生回路に設けられた油圧制御用の複数の電磁弁の駆動用ユニットである。そして、制御システムは、第1の指示手段および第2の指示手段をさらに備える。第1の指示手段は、モード設定手段により第1のモードが設定されているときに、同時に動作可能な電磁弁の個数を第1の数とする。第2の指示手段は、モード設定手段により第2のモードが設定されているときに、同時に動作可能な電磁弁の個数を第1の数よりも小さい第2の数とする。
上記車両の制御システムによれば、油圧発生回路に設けられた油圧制御用の複数の電磁弁の駆動ユニットにおいて、制御回路(CPU)の過高温を防止して油圧制御を安定化することができる。
あるいは好ましくは、この発明による車両の制御システムでは、アクチュエータ駆動ユニットは、電力用半導体素子のスイッチング制御による電力変換によってモータへの電力供給を制御する電力制御ユニットである。そして、制御システムは、第1の指示手段および第2の指示手段をさらに備える。第1の指示手段は、モード設定手段により第1のモードが設定されているときに、電力用半導体素子のスイッチング周波数を可聴周波数以上の第1の周波数とする。第2の指示手段は、モード設定手段により第2のモードが設定されているときに、電力用半導体素子のスイッチング周波数を第1の周波数よりも低い第2の周波数とする。
上記車両の制御システムによれば、アクチュエータであるモータへの電力供給を制御する電力制御ユニットにおいて、制御回路(CPU)の過高温を防止してモータ動作を安定化することができる。
好ましくは、この発明による車両の制御システムでは、モード設定手段は、第1の設定手段および第2の設定手段を含む。第1の設定手段は、動作モードが第1のモードである場合に、制御回路の温度が第1の所定温度より上昇したときに、動作モードを第2のモードへ変更する。第2の設定手段は、動作モードが第2のモードである場合に、制御回路の温度が、第1の所定温度よりも低い第2の所定温度より低下したときに、動作モードを第1のモードへ変更する。
上記車両の制御システムによれば、制御回路(CPU)の温度上昇に伴い第2のモード(省電力モード)が選択された場合に、駆動回路での発熱減少に伴って制御回路(CPU)の温度が再び低下した場合には、通常モード(第1のモード)に復帰してアクチュエータを動作させることができる。特に、第1のモード(通常モード)へ復帰するときの判定温度(第2の所定温度)を、第2のモード(省電力モード)へ移行するときの判定温度(第1の所定温度)よりも低く設定することによって、判定温度近傍で動作モードが頻繁に切換わることによりアクチュエータによる制御動作が不安定化することを防止できる。
この発明によれば、アクチュエータの駆動回路とこの駆動回路を制御する制御回路(CPU)とが一体的に格納されたアクチュエータ駆動ユニットを備えた車両の制御システムにおいて、駆動回路の発熱による制御回路(CPU)の過高温を防止して、アクチュエータによる制御動作を安定化できる。
以下において本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。
図1を参照して、本発明の実施の形態による車両の制御システム5は、車両に搭載された機器類を作動させるアクチュエータ10と、アクチュエータ10の動作指令を発する「制御装置」としての電子制御ユニット(ECU)20と、ECU20からの動作指令に従って、アクチュエータ10を駆動制御するためのアクチュエータ駆動ユニット30とを備える。たとえば、アクチュエータ10としては、後程詳細に説明するように、モータや電磁弁等が用いられる。
アクチュエータ駆動ユニット30は、アクチュエータ10の駆動回路40と、駆動回路40を制御する制御回路(CPU)50とを一体的に格納して構成される。駆動回路40は、アクチュエータへの動作エネルギ(代表的には動作電流)の供給を制御する駆動素子41を含む。駆動素子41は、代表的には、アクチュエータ10へ電力供給するための電力用半導体素子(トランジスタ)で構成される。したがって、駆動素子41は、アクチュエータ10への動作エネルギ供給に伴い発熱し、その発熱量は、一般的には、アクチュエータ10への供給エネルギの増加に従って大きくなる。
ECU20およびCPU50の間は、CAN通信等の通信経路55により、双方向に通信可能に接続される。CPU50は、ECU20からの動作指令に従ってアクチュエータ10を動作させるように駆動素子41の動作を制御する。
上述のように、CPU50は、過高温状態となると、破壊故障に至らないレベルであっても、その演算処理動作が不安定となってアクチュエータ10の制御動作を不安定化する可能性がある。したがって、アクチュエータ駆動ユニット30は、CPU50の温度上昇を検知するための温度センサ60をさらに含む。
温度センサ60は、CPU50に直接取付けてもよく、あるいは、CPU50へ直接取付けることが困難である場合には、CPU50の近傍に、CPU50自身の発熱および発熱体となる駆動素子41からの伝熱を検知可能な位置に配置してもよい。この場合には、温度センサ60による検出温度と、CPU温度との対応関係を予め実験的に測定しておき、オンラインでは、温度センサ60の検出温度に基づくCPU温度の推定値を算出する構成とすることができる。温度センサ60としては、温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタ等を用いることができる。
次に、本発明の実施の形態による車両の制御システムの適用例について順次説明する。
(第1の適用例)
まず、図2〜図9を用いて、可変動弁機構への本発明の適用例を説明する。
図2は、本発明の実施の形態による車両の制御システムが適用される可変動弁機構を搭載したエンジン100の構成を示す図である。
図2を参照して、エンジン100には、エアクリーナ102から空気が吸入される。吸入空気量は、スロットルバルブ104により調整される。スロットルバルブ104はスロットルモータ312により駆動される電機制御式スロットルバルブである。
エンジン100は、V型エンジンであり、2つのバンクA,Bを含む。以下、参照符号の末尾には、バンクAの要素にはAが付され、バンクBの要素にはBが付される。
スロットルバルブ104を通過した空気は、2つのバンクA,Bに分かれて吸入される。空気は、シリンダ106A,106B(燃焼室)の手前の吸気ポートにおいて燃料と混合される。インジェクタ108A,108Bから燃料がバンクA,Bの吸気ポートにそれぞれ噴射される。
燃料は吸気行程において噴射される。なお、燃料が噴射される時期は、吸気行程に限らない。また、本実施の形態においては、ポート噴射用のインジェクタを設けた例について説明するが、インジェクタ108A,108Bの噴射孔がシリンダ106A,106B内にそれぞれ設けられた直噴エンジンであってもよい。さらに、ポート噴射用のインジェクタと直噴用インジェクタを両方設けるようにしてもよい。
シリンダ106A,106B内の混合気は、イグニッションコイル110A,110Bに接続された点火プラグによりそれぞれ着火され、燃焼する。燃焼後の混合気、すなわち排気ガスは、三元触媒112A,112Bにより浄化された後合流して、さらに三元触媒112で浄化された後に車外に排出される。混合気の燃焼によりピストン114A,114Bが押し下げられ、クランクシャフトが回転する。
シリンダ106Aの頭頂部には、吸気バルブ118Aおよび排気バルブ120Aが設けられる。シリンダ106Aに導入される空気の量および時期は、吸気バルブ118Aにより制御される。シリンダ106Aから排出される排気ガスの量および時期は、排気バルブ120Aにより制御される。吸気バルブ118Aはカムシャフト130に設けられた図示しないカムにより駆動される。排気バルブ120Aはカムシャフト129Aに設けられた図示しないカムにより駆動される。
シリンダ106Bの頭頂部には、吸気バルブ118Bおよび排気バルブ120Bが設けられる。シリンダ106Bに導入される空気の量および時期は、吸気バルブ118Bにより制御される。シリンダ106Bから排出される排気ガスの量および時期は、排気バルブ120Bにより制御される。吸気バルブ118Bはカムシャフト130に設けられた図示しないカムにより駆動される。排気バルブ120Bはカムシャフト129Bに設けられた図示しないカムにより駆動される。
吸気バルブ118A,118Bは、VVTL(Variable Valve Timing and Lift)機構126A,126Bにより、開閉タイミング、リフト量および作用角がそれぞれ制御される。排気バルブ120A,120Bの開閉タイミングを、VVT(Variable Valve Timing)機構により制御するようにしてもよく、また排気バルブ120A,120Bについて
もVVTL機構により、リフト量および作用角を制御するようにしてもよい。
ここで、VVTL機構126A,126Bとは、開閉タイミングを制御するVVT(Variable Valve Timing)機構に、リフト量と作用角とを制御するVVL(Variable Valve Lift)機構を組み合わせたものである。なお、リフト量および作用角のいずれか一方を制御するようにしてもよい。
本実施の形態においては、カムがVVT機構により回転されることにより、吸気バルブ118A,118Bの開閉タイミングが制御される。なお、開閉タイミングを制御する方法はこれに限らない。また、VVT機構には、周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰返さない。VVL機構については後述する。このVVL機構は、本発明での「可変動弁機構」に対応する。
制御装置200は、エンジン100が所望の運転状態になるように、スロットル開度θthと、各バンクA,Bの点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、吸気バルブの動作状態(開閉タイミング、リフト量、作用角等)を制御する。制御装置200には、カム角センサ300A,300B、クランク角センサ302、ノックセンサ304A,304B、スロットル開度センサ306、イグニッションスイッチ308、アクセル開度センサ314から信号が入力される。制御装置200は、図1でのECU20に対応する。
カム角センサ300A,300Bは、カムの位置を表す信号を出力する。クランク角センサ302は、クランクシャフトの回転数(エンジン回転数)およびクランクシャフトの回転角度を表す信号を出力する。ノックセンサ304A,304Bは、エンジン100の振動の強度を表す信号を出力する。スロットル開度センサ306は、スロットル開度θthを表す信号を出力する。イグニッションスイッチ308は、運転者の操作によりオンにされた場合、イグニッションスイッチ308がオンであることを表す信号を出力する。アクセル開度センサ314は、運転者の操作するアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度Accを出力する。
制御装置200は、これらのセンサから入力された信号、メモリ(図示せず)に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン100を制御する。
制御装置200は、バンクAに関するセンサの信号を受けバンクAについてのVVL機構126Aの制御を行なうバンクA制御部202Aと、バンクBに関するセンサの信号を受けバンクBについてのVVL機構126Bの制御を行なうバンクB制御部202Bと、バンクA,Bに共通なセンサの信号を受けてバンクA,Bに共通する制御を行なうエンジン制御部201とを含む。
図3は、可変動弁機構において実現されるバルブリフトとクランク角の関係を示す図である。なお、以下の説明は、バンクA,Bに共通するので各参照符号にはA,Bの文字を付していない。
図3を参照して、排気行程において排気弁が開いて閉じ、吸気行程において吸気弁が開いて閉じる。排気弁のバルブリフトが波形EXに示されており、これに対して吸気弁のバルブリフトが波形IN1〜IN3,IN2Aに示されている。
吸気弁の開閉タイミングは、VVT機構によって波形IN1〜IN3の間で変化し、最遅角側のタイミング波形をIN3とすると、これを基準に進角量が矢印FRで示されるように定義される。
TDCはピストン上死点、BDCはピストン下死点を示す。ピストン上死点(TDC)付近で排気弁と吸気弁が共に開いている期間をバルブオーバーラップという。VVTではこのオーバーラップ期間を調節することができる。オーバーラップを大きくすれば高速回転時は新気を多く吸入して出力向上となるが、低速回転時は、排気ガスがシリンダ内に引き戻されて燃焼が不安定になる。
さらに吸気弁に関してはバルブリフト量とともに作用角を一定の範囲内で変更することが可能である。
すなわちバルブリフトの最大量は波形IN2で最大リフトとなり、波形IN2Aで最小リフトとなる。また吸気弁が開いてから閉じるまでのクランク角度を作用角と呼ぶ。波形IN2においては作用角は最大となり、波形IN2Aにおいては作用角は最小となっている。
図4は、吸気バルブのリフト量と作用角とを制御するVVL機構400の正面図である。
図4を参照して、VVL機構400は、一方向に延びる駆動軸410と、駆動軸410の外周面を覆う支持パイプ420と、支持パイプ420の外周面上で駆動軸410の軸方向に並んで配置された入力アーム430および揺動カム440とを備える。駆動軸410の先端には、駆動軸410を直線運動させるアクチュエータが接続される。
VVL機構400には、各気筒に設けられた1つのカム122に対応して、1つの入力アーム430が設けられる。入力アーム430の両側には、各気筒に設けられた一対の吸気バルブ118のそれぞれに対応して、2つの揺動カム440が設けられる。
支持パイプ420は、中空円筒状に形成されており、カムシャフト130に対して平行に配置される。支持パイプ420は、軸方向へ移動したり、回転したりしないようにシリンダヘッドに固定される。
支持パイプ420の内部には、その軸方向に摺動可能なように駆動軸410が挿入される。支持パイプ420の外周面上には、駆動軸410の軸芯を中心として揺動可能で、かつ、その軸方向には移動しないように、入力アーム430および2つの揺動カム440が設けられる。
入力アーム430は、支持パイプ420の外周面から離れる方向に突出するアーム部432と、アーム部432の先端に回転可能に接続されたローラ部434とを有する。入力アーム430は、ローラ部434がカム122に当接可能な位置に配置されるように設けられる。
揺動カム440は、支持パイプ420の外周面から離れる方向に突出する略三角形状のノーズ部442を有する。ノーズ部442の一辺には、凹状に湾曲したカム面444が形成される。吸気バルブ118に設けられたバルブスプリングの付勢力により、ロッカアーム128に回転可能に取付けられたローラがカム面444に押し付けられる。
入力アーム430および揺動カム440は、一体となって駆動軸410の軸芯を中心として揺動する。このため、カムシャフト130が回転すると、カム122に当接された入力アーム430が揺動し、この入力アーム430の動きに連動して揺動カム440も揺動する。この揺動カム440の動きが、ロッカアーム128を介して吸気バルブ118に伝わり、吸気バルブ118が開閉される。
VVL機構400は、さらに、支持パイプ420の軸芯周りにおいて、入力アーム430と揺動カム440との相対位相差を変更する機構を備える。相対位相差を変更する機構によって、吸気バルブ118のリフト量および作用角が適宜変更される。
つまり、両者の相対位相差を拡大すれば、入力アーム430および揺動カム440の揺動角に対するロッカアーム128の揺動角が拡大され、吸気バルブ118のリフト量および作用角が増大される。
また、両者の相対位相差を縮小すれば、入力アーム430および揺動カム440の揺動角に対するロッカアーム128の揺動角が縮小され、吸気バルブ118のリフト量および作用角が小さくされる。
図5は、VVL機構を部分的に示した斜視図である。図5中では、内部構造が明確に把握できるように一部が破断されて表わされる。
図5を参照して、入力アーム430および2つの揺動カム440と、支持パイプ420の外周面との間に規定された空間には、支持パイプ420に対して、回転可能で、かつ軸方向に摺動可能に支持されたスライダギヤ450が収容される。スライダギヤ450は、支持パイプ420上を軸方向に摺動可能に設けられる。
スライダギヤ450には、その軸方向の中央部に位置して、右ねじ螺旋状のヘリカルスプラインが形成されたヘリカルギヤ452が設けられる。また、スライダギヤ450には、ヘリカルギヤ452の両側に位置し、ヘリカルギヤ452とは逆に左ねじ螺旋状のヘリカルスプラインが形成されたヘリカルギヤ454が各々に設けられる。
一方、スライダギヤ450を収容する空間を規定する入力アーム430および2つの揺動カム440の内周面には、ヘリカルギヤ452および454に対応したヘリカルスプラインがそれぞれ形成される。つまり、入力アーム430には、右ねじ螺旋状のヘリカルスプラインが形成されており、そのヘリカルスプラインがヘリカルギヤ452に噛み合っている。また、揺動カム440には、左ねじ螺旋状のヘリカルスプラインが形成されており、そのヘリカルスプラインがヘリカルギヤ454に噛み合っている。
スライダギヤ450には、一方のヘリカルギヤ454とヘリカルギヤ452との間に位置して、周方向に延びる長穴456が形成される。また、図示しないが、支持パイプ420には、長穴456の一部と重なるように、軸方向に延びる長穴が形成される。支持パイプ420の内部に挿通された駆動軸410には、これら長穴456および図示しない長穴の重なった部分を通じて突出する係止ピン412が一体に設けられる。
駆動軸410がその軸方向に移動すると、スライダギヤ450が係止ピン412により押され、ヘリカルギヤ452および454が同時に駆動軸410の軸方向に移動する。このようなヘリカルギヤ452および454の移動に対して、これらにスプライン係合された入力アーム430および揺動カム440は、軸方向に移動しない。そのため、入力アーム430と揺動カム440は、ヘリカルスプラインの噛み合いを通じて駆動軸410の軸芯周りに回動する。
このとき、入力アーム430と揺動カム440とでは、形成されたヘリカルスプラインの向きが逆である。そのため、入力アーム430と揺動カム440の回動方向は互いに逆方向となる。これにより、入力アーム430と揺動カム440との相対位相差が変化し、既に説明したように吸気バルブ118のリフト量および作用角が変更される。なお、VVL機構は、このような形式のものに限られない。
図6は、VVL機構400の駆動軸410を軸方向に直線移動させるアクチュエータ500を示す断面図である。
図6を参照して、アクチュエータ500は、空間512を規定するハウジング510と、空間512に配置され、回転運動を直線運動に変換する差動ローラギヤ600と、差動ローラギヤ600に対して回転運動を入力するモータ700とを備える。ハウジング510には、VVL機構400が設けられたシリンダヘッドに向かって開口する開口部514が形成される。
差動ローラギヤ600は、軸800上に延びるサンシャフト610と、サンシャフト610の外周面612上で軸800と平行に延び、軸800を中心とした周方向に並んで配設された複数のプラネタリシャフト620と、複数のプラネタリシャフト620を取り囲むように設けられ、軸800を中心に筒状に延びるナット630とを含む。
サンシャフト610は、軸800上で駆動軸410と並ぶように配置される。サンシャフト610は、空間512から開口部514を通じてハウジング510の外側に突出するように設けられる。サンシャフト610は、図示しないカップリング等により駆動軸410と接続される。
サンシャフト610は、スプラインが形成されたスプライン部614と、雄ねじが形成されたねじ部616とを有する。空間512内におけるサンシャフト610の端部には、リング状のサンギヤ640が嵌め合わされる。サンギヤ640の外周面には、軸800を中心とした周方向に歯が並ぶ平歯ギヤが形成される。
スプライン部614を取り囲む位置には、周り止めカラー516が固定される。周り止めカラー516の内周面には、スプラインが形成される。周り止めカラー516とスプライン部614とが係合することにより、軸800を中心とするサンシャフト610の回転運動が規制される。
プラネタリシャフト620の両側には、軸800を中心に環状に延びるリテーナ900および910がそれぞれ配設される。プラネタリシャフト620の両端は、リテーナ900および910によって回転自在に支持される。リテーナ900とリテーナ910とは、軸800を中心とした周方向に所定の間隔を空けて設けられ、プラネタリシャフト620と平行に延びる支柱によって互いに結合される。
プラネタリシャフト620は、ねじ部622と、ねじ部622の両側にそれぞれ形成されたギヤ部624および626とを有する。
プラネタリシャフト620のねじ部622には、サンシャフト610のねじ部616に形成された雄ねじと、ナット630の内周面に形成された雌ねじとに螺合する雄ねじが形成される。プラネタリシャフト620のねじ部622に形成される雄ねじは、サンシャフト610のねじ部616に形成された雄ねじとは逆向きであり、ナット630の内周面に形成された雌ねじとは同じ向きである。
プラネタリシャフト620のギヤ部624には、サンギヤ640の外周面に形成された平歯ギヤと、リングギヤ650の内周面に形成された平歯ギヤとに噛み合う平歯ギヤが形成される。同様に、プラネタリシャフト620のギヤ部626には、リングギヤ650の内周面に形成された平歯ギヤと噛み合う平歯ギヤが形成される。
ナット630は、ハウジング510に固定されたベアリングによって、軸800を中心に回転自在に支持される。ナット630の内周面には、サンシャフト610のねじ部616に形成された雄ねじとは逆向きの雌ねじが形成される。
ナット630には、雌ねじが形成された内周面の両側に位置して、リングギヤ650が固定される。リングギヤ650の内周面には、軸800を中心とした周方向に歯が並ぶ平歯ギヤが形成される。
サンシャフト610のねじ部616に形成された雄ねじ、プラネタリシャフト620のねじ部622に形成された雄ねじおよびナット630の内周面に形成された雌ねじは、いずれも同一のピッチを有する多条ねじである。サンシャフト610の雄ねじ、プラネタリシャフト620の雄ねじおよびナット630の雌ねじのピッチ円直径を、それぞれ、Ds、DpおよびDnとし、各ねじの条数を、それぞれ、Ns、NpおよびNnとする。本実施の形態では、サンシャフト610を軸800方向にストロークさせるため、たとえば、Ns:Np:Nn=(Ds+1):Dp:Dnの関係を満たすように各ねじの条数が決定される。なお、各ねじのピッチ円直径と条数とは、これ以外の関係も採り得る。
モータ700は、ロータ720とステータ730とから構成される。ロータ720は、焼嵌め、圧入または接着剤等の手段を用いて、ナット630の外周面に固定される。ハウジング510には、コイル740が巻回されたステータ730が同様の手段により固定される。
ステータ730は、ロータ720の周りを取り囲むように、軸800を中心に環状に延びて形成される。ロータ720は、軸800を中心とした周方向に沿って、ステータ730との間に所定の大きさの隙間を設けるように位置決めされる。ロータ720のステータ730に向い合う位置には、軸800を中心として所定の角度ごとに並ぶ永久磁石750が配設される。コイル740に通電することにより、ロータ720とステータ730との間に磁界が発生する。これにより、ロータ720がナット630とともに軸800を中心に回転する。
ナット630が回転すると、その回転運動は、ナット630およびプラネタリシャフト620に形成されたねじの噛み合いにより、プラネタリシャフト620に伝わる。このとき、プラネタリシャフト620のギヤ部624に形成された平歯ギヤと、サンギヤ640の外周面およびリングギヤ650の内周面に形成された平歯ギヤとが噛み合っている。また、プラネタリシャフト620のギヤ部626に形成された平歯ギヤと、リングギヤ650の内周面に形成された平歯ギヤとが噛み合っている。
そのため、プラネタリシャフト620は、軸800に沿う方向には静止したまま、自転しながら軸800を中心に公転する。また同時に、プラネタリシャフト620は、これら平歯ギヤの噛み合いにより、軸800と平行な姿勢に保持される。
プラネタリシャフト620の回転運動は、プラネタリシャフト620およびサンシャフト610に形成されたねじの噛み合いにより、サンシャフト610に伝わる。サンシャフト610の回転運動は周り止めカラー516により規制されているので、サンシャフト610は、軸800に沿う方向のみに移動する。これにより、駆動軸410が直線移動され、上述したように吸気バルブ118のリフト量および作用角が変更される。
モータ700(ロータ720)の動作量(回転数もしくは回転角度)はセンサ1000により検知される。検知結果を表す信号は、制御装置200に送信される。本実施の形態において、制御装置200は、モータ700の動作量と吸気バルブ118のリフト量や作用角とを関連付けたマップを用いて、モータ700の動作量から吸気バルブ118のリフト量や作用角を間接的に検知する。
アクチュエータであるモータ700は、制御装置200からの制御信号のデューティを変化させることにより駆動要素である駆動軸410を中立状態に保ったり駆動軸410の位置を最大側変位端に向けて増加させたり、逆に最小側変位端に向けて減少させたりすることができる。
逆に、駆動軸410側から軸800に沿う方向に力が加えられても、モータ700が回転するには至らない。これは、サンシャフト610のねじ部616がプラネタリシャフト620のねじ部と噛み合い、さらにプラネタリシャフトのねじ部はサンシャフトと反対側ではナット630の雌ねじのねじ部622と噛み合っており、このナット630は軸800に沿う方向には動かないように拘束されているからである。
そして、駆動軸410側から軸800に沿う方向に加わる力は、サンシャフト610のねじ山からプラネタリシャフト620のねじ山に伝わる際に、略垂直にプラネタリシャフトのねじ山側面で受け止められる。したがって、プラネタリシャフト620を回転させる力はほとんど生じない。このため、モータ700を通電させて強制的にプラネタリシャフト620をギヤ部626の平歯車で回転させる場合には、サンシャフト610が軸800に沿う方向に移動するが、たとえば、モータ700の電源をオフした状態でも、内部摩擦によってプラネタリシャフト620の位置が固定されているのでサンシャフト610は動かず、現在の駆動軸410の位置が維持されることになる。
センサ1000は、たとえば、ロータリーエンコーダなどのパルスを出力するセンサを用いることができる。このパルスをカウントすることにより、イグニッションキーがオンされた直後に駆動軸410の最大側および最小側変位端位置が基準として学習され、この基準値にパルスのカウント値を加算して現在の駆動軸410の変位量に対応する作用角センサ値VCが制御装置200に認識される。
図7は、VVL機構駆動ユニットの概略構成を説明するブロック図である。
図7を参照して、VVL駆動ユニット30aは、「可変動弁機構」としてのVVL機構400を駆動制御する。上述のように、VVL機構400は、「アクチュエータ」としてのモータ700(駆動モータ10a)の出力(回転)によって、吸気バルブ118のバルブリフト量および作用角を制御する。
VVL駆動ユニット30aは、駆動モータ10a(モータ700)の駆動回路である電力変換回路(インバータまたはコンバータ等)40aと、電力変換回路40aを制御する制御回路(CPU)50aとを一体的に格納して構成される。電力変換回路40aは、駆動モータ10a(モータ700)への供給電流を制御する電力用半導体素子(代表的にはIGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor等のトランジスタ)41aを少なくとも1個含む。また、CPU50aは、制御装置200(ECU20)との間で双方向に通信可能である。
VVL駆動ユニット30aは、吸気バルブ118のバルブリフト量および作用角がECU120からの動作指令と一致するように、VVL機構400のアクチュエータとして設けられたモータ700(駆動モータ10a)の動作を制御する。すなわち、駆動モータ10aを上記のように動作させるためのモータ電流が駆動モータ10aへ供給されるように、電力用半導体素子41aのオン・オフを制御する。
このように、VVL機構400の駆動モータ10aが図1に示したアクチュエータ10に相当し、VVL駆動ユニット30aは、図1に示したアクチュエータ駆動ユニット30に相当し、電力用半導体素子41aは、図1に示した駆動回路40を構成する各駆動素子41に相当する。
周知のように、モータ駆動のための電力用半導体素子は、スイッチング動作(オン・オフ動作)に伴って発熱する。VVL駆動ユニット30aでは、電力用半導体素子41aおよびCPU50aとが同一ユニット内に格納されているため、CPU50aは、自身の発熱のみならず、電力用半導体素子(駆動素子)の発熱によっても温度上昇する可能性がある。VVL駆動ユニット30aは、CPU50aの温度を検知するための温度センサ60aをさらに含む。温度センサ60aは、図1に示された温度センサ160に相当する。
制御装置200(ECU20)は、エンジン100の条件(温度、負荷、回転数等)に応じて、予め設定されたマップ等の参照により、吸気バルブ118(および/または排気バルブ120)のバルブリフト量および作用角を適切に設定する。すなわち、車両走行中には、エンジン100の条件の変化に伴って、バルブリフト量および作用角を適時可変に設定することが好ましい。制御装置200(ECU20)によるバルブリフト量および作用角設定、すなわちVVL機構400への動作指令が変化するのに伴い、VVL駆動ユニット30aにより駆動モータ10a(モータ700)の動作が制御されて、VVL機構400によりバルブリフト量および作用角が調整される。このような駆動モータ10a(モータ700)の通電制御に伴い、VVL駆動ユニット30a内部では電力用半導体素子41aが発熱する。
本発明の実施の形態では、この発熱によってCPU50aが許容温度を超えて過高温となることにより、VVL機構の動作が不安定にならないように、図8に示すようなアクチュエータ駆動ユニットの動作モード設定を行なう。
図8を参照して、CPU50aは、ステップS100により、温度センサ60aの出力を取得する。そして、CPU50aは、ステップS110により、温度センサ60aに基づきCPU温度を取得する。上述のように、CPU温度を直接測定できるように配置することが困難である場合には、予め測定した温度センサ60aの検出温度とCPU50aの測定温度との関係に基づいて、CPU温度を推定することができる。
さらに、CPU50aは、ステップS120により、ステップS110で取得したCPU温度が判定温度Taより高いかどうかを判定する。判定温度Taは、CPU50aの動作異常発生が懸念される上述の許容温度に対してマージンを持って設定される。
CPU温度>Taのとき(ステップS120のYES判定時)には、CPU50aは、ステップS130により、VVL駆動ユニット30a(アクチュエータ駆動ユニット)を省電力モードに設定する。
これに対して、CPU温度が判定温度Ta以下のとき(ステップS120におけるNO判定時)には、CPU50aは、ステップS140により、CPU温度を判定温度Tbとさらに比較する。ここで、判定温度Tbは、ステップS120での判定温度Taよりも低い温度に設定される。そして、CPU温度<Tbのとき(ステップS140のYES判定時)には、CPU50aは、ステップS150により、VVL駆動ユニット30a(アクチュエータ駆動ユニット)を通常モードに設定する。
一方、ステップS140がNO判定であり、Tb≦CPU温度≦Taの場合には、CPU50aは、ステップS160により、VVL駆動ユニット30a(アクチュエータ駆動ユニット)の現在の動作モードを維持する。
なお、システム起動時には、CPU50aが常温であるため、動作モードは、通常モードに初期設定される。したがって、システム起動からCPU温度が判定温度Taより高くなるまでの間は、動作モードは通常モードが維持される。一方、一旦CPU温度が判定温度Taよりも高くなって、通常モードから省電力モードに移行した場合には、省電力モードの選択によって低下したCPU温度が判定温度Tb(Tb<Ta)よりも低くなることによって、動作モードは通常モードへ復帰する。このように、通常モードから省電力モードへの移行の際と、省電力モードから通常モードへの復帰の際との間で判定温度にヒステリシスを設けることにより、動作モードが頻繁に変化することによりアクチュエータによる制御動作が不安定となることを回避できる。
そして、CPU50aは、ステップS130、S150またはS160で設定されたVVL駆動ユニット30a(アクチュエータ駆動ユニット)の動作モードを、ステップS170によりECU20(制御装置200)へ送信する。
図9に示すように、ECU20(制御装置200)は、VVL駆動ユニット30aへの動作指令を、CPU50aから送信されたVVL駆動ユニット30aの設定モードに応じて設定する。
図9を参照して、ECU20(制御装置200)は、ステップS200により、CPU50aで設定された動作モードを認識する。そして、ECU20は、ステップS210により、設定された動作モードが通常モードであるか、省電力モードであるかを判定する。
ステップS210のYES判定時、すなわちVVL駆動ユニット30aが通常モードである場合には、ECU20(制御装置200)は、ステップS220により、エンジン条件(回転数・負荷等)に応じて、吸気バルブ118A,118B(および/または排気バルブ120A,120B)のバルブリフト量および作用角を可変設定する。すなわち、エンジン100が最適に動作できるようなバルブリフト量および作用角を逐次設定し、これに対応した動作指令を生成する。VVT駆動ユニット30aは、この動作指令に従ってアクチュエータである駆動モータ10a(モータ700)を通電制御することにより、VVL機構400は、ECU20(制御装置200)の指示に従ったバルブリフト量および作用角の設定を逐次実行する。
これに対して、ステップS210のNO判定時、すなわちすなわちVVL駆動ユニット30aが省電力モードであるときには、ECU20は、ステップS230により、バルブリフト量および作用角を所定値(固定値)に設定するための動作指令を生成する。そして、ステップS230による動作指令の設定後には、ステップS240により、バルブリフト量および作用角が上記所定位相に到達したかどうかが判定される。
省電力モードにおいて、バルブリフト量および作用角が上記所定値に到達するまで(ステップS240のNO判定時)は、VVL駆動ユニット30aは、駆動モータ10a(モータ700)の通電制御によりVVL機構400を作動させる。一方、バルブリフト量および作用角が上記所定値に到達すると(ステップS240のYES判定時)、ステップS250により、VVL機構400の動作停止が指示される。すなわち、VVL機構400のアクチュエータである駆動モータ10a(モータ700)についても停止が指示される。なお、ステップS240およびS250の処理については、ECU20(制御装置200)がステップS230で生成した動作指示(省電力モードへの移行許可)に応答して、CPU50aが実行する制御構造とすることが好ましい。
以降、省電力モードの継続中には、駆動モータ10a(モータ700)が停止されてVVL駆動ユニット30a内での電力用半導体素子41aの発熱も収まるので、CPU温度は徐々に低下していく。そして、CPU温度が十分に低下すると、図8で説明したように、VVT駆動ユニット30aを通常モードで再び動作させることが可能となる。
なお、ステップS230で設定される所定値は一律である必要はなく、運転条件(たとえば走行時/停車時)に応じて異なる固定値を設定してもよい。
以上説明したように、可変動弁機構への本発明を適用することにより、CPU50aの温度上昇に応じてVVL駆動ユニット30aを省電力モードに設定することにより、駆動素子(電力用半導体素子41a)からの発熱によって、制御回路(CPU50a)が過高温となることを防止できる。これにより、アクチュエータによる制御動作、すなわち、VVL機構400によるバルブリフト量および作用角の設定を安定化できる。
さらに、省電力モードでの移行によってCPU温度が低下した場合には、VVL駆動ユニット30aを再び通常モードで動作させて、バルブリフト量および作用角を適切に可変設定することができる。
なお、図8に示したフローチャートにおいて、ステップS100およびS110の処理は本発明での「温度取得手段」に対応し、ステップS120〜S160の処理は本発明での「モード設定手段」に対応する。特に、ステップS130が本発明での「第1の設定手段」に対応し、ステップS150は本発明での「第2の設定手段」に対応する。
また、図9に示したフローチャートにおいて、ステップS220は本発明での「第1の指示手段」に対応し、ステップS230は本発明での「第2の指示手段」に対応する。
なお、吸気バルブ118(および/または排気バルブ120)の開閉タイミングを可変制御するVVT機構のアクチュエータが電動モータである構成に対しても、本発明の実施の形態による車両の制御システムを適用することが可能である。このような構成では、この電動モータへの給電のための電力用半導体素子(駆動素子)および当該電力用半導体素子のオン・オフを制御するCPUとが同一ユニット内に格納されたVVT駆動ユニット(図示せず)において、図8と同様のモード設定および図9と同様の動作指令設定とすることができる。なお、VVT機構では、図9のフローチャートに従って設定される動作指令値は、吸気バルブ118(および/または排気バルブ120)の開閉タイミング(または、カムシャフト位相)を示す。
(第2の適用例)
次に、図10〜図13を用いて、油圧発生回路のアクチュエータとして設けられた電磁弁制御への本発明の適用例を説明する。
図10は、本発明の実施の形態による車両の制御システムが適用される油圧発生回路の構成例を説明するブロック図である。
図10を参照して、油圧発生回路1300は、「アクチュエータ」としての複数の油圧制御用電磁弁10bと、油圧ポンプ1310と、逆止弁1315と、配管1320,1325と、油圧ライン1330と、油圧センサ1335と、リザーバタンク1340とを含む。複数の油圧制御用電磁弁10bは、加圧用電磁弁SVa(1)〜SVa(n)と、減圧用電磁弁SVb(1)〜SVb(n)とを含む。
油圧ポンプ1310は、電動ポンプあるいは機関駆動式ポンプで構成され、リザーバタンク1340の作動油を昇圧して吐出する。逆止弁1315は、油圧ポンプ1310の吐出側と加圧用電磁弁SVa(1)〜SVa(n)の間に設けられ、加圧用電磁弁側から油圧ポンプ1310への作動油の逆流を防止する。
加圧用電磁弁SVa(1)〜SVa(n)の各々は、油圧ポンプ1310から吐出された作動油を油圧ライン1330に接続された配管1320へ導く経路を、開弁時に開放する一方で、閉弁時には遮断する。また、減圧用電磁弁SVb(1)〜SVb(n)は、油圧ライン1330に接続された配管1325からリザーバタンク1340に至る経路を、開弁時には開放する一方で、閉弁時には遮断する。
したがって、油圧センサ1335の検出値と油圧目標値との偏差に応じて、加圧用電磁弁SVa(1)〜SVa(n)および減圧用電磁弁SVb(1)〜SVb(n)の開閉を制御することにより、油圧ライン1330の油圧フィードバック制御を実行することができる。
図11は、油圧制御用電磁弁10bを駆制御するための「アクチュエータ駆動ユニット」である電磁弁駆動ユニット30bの構成を示すブロック図である。
図11を参照して、ソレノイドコイルSCa(1)〜SCa(n)は、図10に示した加圧用電磁弁SVa(1)〜SVa(n)にそれぞれ内蔵される。加圧用電磁弁SVa(1)〜SVa(n)は、対応のソレノイドコイルSCa(1)〜SCa(n)の通電時に開弁される一方で、非通電時に閉弁される。同様に、ソレノイドコイルSCb(1)〜SCb(n)は、図10に示した減圧用電磁弁SVb(1)〜SVb(n)にそれぞれ内蔵される。減圧用電磁弁SVb(1)〜SVb(n)は、対応のソレノイドコイルSCb(1)〜SCb(n)の通電時に開弁される一方で、非通電時に閉弁される。
電磁弁駆動ユニット30bは、駆動回路40bと、CPU50bと、温度センサ60bとを含む。駆動回路40bは、加圧用電磁弁SVa(1)〜SVa(n)にそれぞれ対応して設けられた駆動トランジスタDTa(1)〜DTa(n)と、減圧用電磁弁SVb(1)〜SVb(n)にそれぞれ対応して設けられた駆動トランジスタDTb(1)〜DTb(n)と、駆動トランジスタDTa(1)〜DTa(n),DTb(1)〜DTb(n)にそれぞれ対応して設けられた信号ドライバSDa(1)〜SDa(n),SDb(1)〜SDb(n)とを有する。
駆動トランジスタDTa(1)は、動作電圧Vccを供給する電源配線1350および接地配線1355の間に、ソレノイドコイルSCa(1)と直列に接続される。駆動トランジスタDTa(1)のオン時にはソレノイドコイルSCa(1)が通電されて、対応の加圧用電磁弁SVa(1)が開弁される。これに対して、駆動トランジスタDTa(1)のオフ時にはソレノイドコイルSCa(1)は非通電状態となり、対応の加圧用電磁弁SVa(1)は閉弁状態となる。
駆動トランジスタDTa(1)のオン・オフは、CPU50bからの制御信号に応答して信号ドライバSDa(1)が駆動トランジスタDTa(1)の制御電極の電圧・電流(代表的にはIGBTのゲート電圧)を駆動することにより制御される。その他の油圧制御用電磁弁10bについても、同様の構成が設けられる。すなわち、駆動回路40bは、図1での駆動回路40に相当し、駆動トランジスタDTa(1)〜DTa(n),DTb(1)〜DTb(n)は、図1での駆動素子41に対応する。
CPU50bは、油圧センサ1335からの検出値およびECU20からの油圧目標値および流量指示に基づき、必要な油圧および流量が油圧ライン1330へ供給されるように、各油圧制御用電磁弁10bの開閉、すなわち各駆動トランジスタDTa(1)〜DTa(n),DTb(1)〜DTb(n)のオン・オフを制御する。さらに、CPU50bには、ECU20より、同時に動作可能な電磁弁個数を示す制御信号SVNが与えられる。
CPU50bは、CPU50aと同様に、図8に示したフローチャートに従って、電磁弁駆動用ユニット30bの動作モードを、CPU温度に基づいて通常モードおよび省電力モードのいずれかに設定する。
そして、ECU20は、電磁弁駆動用ユニット30bに対する動作指令のうち制御信号SVNを、電磁弁駆動用ユニット30bの動作モードに応じて設定する。
図12を参照して、ECU20は、図9と同様のステップS200およびS210を実行して、電磁弁駆動用ユニット30bが通常モードおよび省電力モードのいずれであるかを判別する。
ECU20は、電磁弁駆動用ユニット30bの通常モード時(ステップS210のYES判定時)には、ステップS221により、油圧制御用電磁弁10bの全てが同時に動作可能となるように制御信号SVNを設定する。これに対して、ECU20は、電磁弁駆動用ユニット30bの省電力モード時(ステップS210のNO判定時)には、ステップS231により、同時に動作可能な油圧制御用電磁弁10bの個数を制限し、油圧制御用電磁弁10bの一部のみを同時動作可能とするように制御信号SVNを設定する。
この結果、図13に示すように、時刻t0において油圧発生(油圧目標値Pr)が指示された場合に、通常モード時には、符号1360に示すように油圧を速やかに発生させることができるものの、同時にオン・オフされる駆動トランジスタの個数が増加する。このため、各駆動トランジスタの発熱によりCPU50bの温度は上昇しやすくなる。これに対して、省電力モード時には、同時にオン・オフされる駆動トランジスタの個数を制限することにより、符号1365に示すように油圧応答性は低下するものの、CPU50bの温度上昇を防止することが可能となる。
なお、ECU20からの動作指令を、CPU50bによる動作モード設定に対する許可信号として、同時に動作可能な油圧制御用電磁弁10bの設定を、CPU50bによって実行する制御構造とすることも可能である。
このように、油圧発生回路1300のアクチュエータとして設けられた油圧制御用電磁弁10bの電磁弁駆動用ユニット30bについても、本発明を適用して、CPU50bの温度上昇に応じて電磁弁駆動用ユニット30bを省電力モードに設定することにより、駆動素子(駆動トランジスタDTa(1)〜DTa(n),DTb(1)〜DTb(n))からの発熱によって、制御回路(CPU50b)が過高温となることを防止できる。これにより、アクチュエータによる制御動作、すなわち、油圧発生回路1300による油圧発生動作を安定化できる。
さらに、省電力モードでの移行によってCPU温度が低下した場合には、電磁弁駆動用ユニット30bを再び通常モードで動作させて、油圧応答性を確保することができる。
なお、図12に示したフローチャートにおいて、ステップS221は本発明での「第1の指示手段」に対応し、ステップS231は本発明での「第2の指示手段」に対応する。
(第3の適用例)
次に、図14〜図18を用いて、車両駆動力発生モータ等のモータを駆動制御するためのモータ駆動システムへの本発明の適用例を説明する。
図14は、本発明の実施の形態による車両の制御システムが適用されるモータ駆動システムの構成例を説明するブロック図である。
図14を参照して、モータ駆動システム1400は、直流電源1405と、車両駆動力発生用のモータジェネレータ1420と、モータジェネレータ1420への電力供給を制御する電力制御ユニット(PCU)30cとを含む。
電力制御ユニット30cは、直流電源1405とモータジェネレータ1420との間に接続されたインバータ1410と、インバータ1410の動作を制御するための制御回路(CPU)50cと、温度センサ60cとを含む。図14の構成においては、電力制御ユニット30cがアクチュエータ駆動ユニット30(図1)に相当し、インバータ1410が駆動回路40(図1)に相当し、インバータ1410を構成する電力用半導体素子Q1〜Q6が駆動素子41(図1)に相当する。そして、制御回路(CPU)50cがアクチュエータ駆動ユニット30に格納されたCPU50に相当する。制御回路(CPU)50cは、ECU20との間で双方向に通信可能に構成される。温度センサ60aは、図1に示された温度センサ60に相当する。
直流電源1405が出力する直流電圧は、電源配線1407および接地配線1406の間に出力される。直流電源1405は、代表的には所定定格電圧を発生する二次電池で構成されるが、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置や燃料電池を用いてもよい。平滑コンデンサC0は、電源配線1407および接地配線1406の間に接続され、インバータ1410の直流リンク電圧を平滑する。
インバータ1410は、U相アーム1415、V相アーム1416およびW相アーム1417からなる。U相アーム1415、V相アーム1416およびW相アーム1417は、電源配線1407および接地配線1406の間に並列に接続される。U相アーム1415は、スイッチング動作(オン・オフ動作)を行なう電力用半導体素子Q1,Q2からなり、電力用半導体素子Q1およびQ2は、電源配線1407および接地配線1406の間に直列に接続される。電力用半導体素子としては、代表的にはIGBTが適用される。同様に、V相アーム1416は、直列に接続された電力用半導体素子Q3,Q4からなり、W相アーム1417は、直列に接続された電力用半導体素子Q5,Q6からなる。また、各電力用半導体素子Q1〜Q6のコレクタ−エミッタ間(導通電極間)には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードD1〜D6がそれぞれ接続されている。
各電力用半導体素子Q1〜Q6は、そのゲート(制御電極)への電気的入力(電圧、電流)に応じてオンまたはオフされる。たとえば、IGBTは、ゲート電圧に応じてオンまたはオフされる。電力用半導体素子Q1〜Q6は、CPU50cからのスイッチング制御信号S1〜S6にそれぞれ応答してオン・オフする。
各相アーム1415〜1417の中間点は、モータジェネレータ1420のU相コイル巻線1421U、V相コイル巻線1421VおよびW相コイル巻線1421Wの一端側とそれぞれ電気的に接続される。たとえば、モータジェネレータ1420は、U相コイル巻線1421U、V相コイル巻線1421VおよびW相コイル巻線1421Wが中性点1422に共通接続されて構成された、3相永久磁石モータである。
モータジェネレータ1420には、電流センサ1424および回転角センサ1425が設けられる。三相電流の瞬時値の和は零であるので、図14に示すように電流センサ1424は2相分のモータ電流MCRT(たとえばV相電流およびW相電流)を検出するように配設すれば足りる。回転角センサ1425は、モータジェネレータ1420の回転子(図示せず)の回転角θを検出し、検出した回転角θをCPU50cへ送出する。なお、CPU50cでは、回転角θに基づきモータジェネレータ1420の回転数を算出することができる。
CPU50cは、電流センサ1424および回転角センサ1425によって検出されたモータ電流MCRTおよびロータ回転角θに基づき、モータジェネレータ1420の出力トルクが、ECU20からのトルク指令値Tqcomに従って制御されるように、電力用半導体素子Q1〜Q16のスイッチング動作を制御するスイッチング制御信号S1〜S6を発生する。言い換えると、CPU50cは、モータジェネレータ1420がトルク指令値Tqcomに従ったトルクを出力できるような交流電圧が各相コイル巻線1421U〜1421Wに印加されるように、電力用半導体素子Q1〜Q6のスイッチング動作を制御する。
CPU50cは、CPU50aと同様に、図8に示したフローチャートに従って、電力制御ユニット30cの動作モードを、CPU温度に基づいて通常モードおよび省電力モードのいずれかに設定する。
そして、ECU20は、電力制御ユニット30cに対する動作指令のうち、スイチング周波数設定を指示する制御信号CWFを、電力制御ユニット30cの動作モードに応じて設定する。
図15を参照して、ECU20は、図9と同様のステップS200およびS210を実行して、電力制御ユニット30cが通常モードおよび省電力モードのいずれであるかを判別する。
ECU20は、電力制御ユニット30cの通常モード時(ステップS210のYES判定時)には、ステップS222により、インバータ1410を構成する電力用半導体素子Q1〜Q6のスイッチング周波数が通常周波数faとなるように制御信号CWFを設定する。これに対して、ECU20は、電力制御ユニット30cの省電力モード時(ステップS210のNO判定時)には、ステップS232により、電力用半導体素子Q1〜Q6のスイッチング周波数が低損失用周波数fb(fb<fa)となるように制御信号CWFを設定する。
ここで、通常周波数faは、インバータのスイッチング動作に伴う電磁共鳴音が可聴領域より高周波数となるように、比較的高い周波数fa(たとえば、5〜10kHz程度)に設定されている。なお、通常周波数faは、固定周波数としてもよく、モータジェネレータ1420の動作状態(たとえば回転速度および出力トルク)に応じて可変設定してもよい。
一方、電力用半導体素子での電力損失はスイッチング周波数に応じて増加するため、高周波数でのスイッチングは、電力用半導体素子Q1〜Q6の発熱を増大させる。したがって、低損失用周波数fbは、電力用半導体素子Q1〜Q6での発熱減を優先させて、通常周波数faよりも低い周波数(たとえば、1kHz程度)に設定される。
なお、ECU20からの動作指令を、CPU50cによる動作モード設定に対する許可信号として、インバータ1410のスイッチング周波数設定を、CPU50cにより実行する制御構造とすることも可能である。
ここで、図16〜図18により、スイッチング周波数の切換え構成例について説明する。
図16には、CPU50cによるインバータ1410のパルス幅変調(PWM)制御を説明する波形図が示される。
PWM制御は、一定周期ごとにインバータ1410の各相における方形波出力電圧のパルス幅を変化させることによって、周期ごとの出力電圧平均値を変化させる制御方式である。一般的には、一定周期を搬送波の周期に対応する複数のスイッチング周期に分割し、スイッチング周期ごとに電力用半導体素子のオン・オフ制御を行なうことにより、上記のパルス幅変調制御が行なわれる。
図16を参照して、CPU50cは、モータ電流MCRTのフィードバック制御により求められた、各相電圧指令値に従う信号波1502を、所定周波数の搬送波1500と比較する。そして、搬送波電圧が信号波電圧よりも高い区間と、信号波電圧が搬送波電圧よりも高い区間との間で、インバータ1410の各相アームでの電力用半導体素子のオン・オフを切換えることにより、各相のインバータ出力電圧として、方形波電圧の集合としての交流電圧をモータジェネレータ1420へ供給することができる。この交流電圧の基本波成分は、図16中に点線で示される。すなわち、搬送波1500の周波数(キャリア周波数)は、インバータ1410を構成する各電力用半導体素子Q1〜Q6のスイッチング周波数に相当する。
図17には、キャリア周波数を通常周波数faおよび低損失周波数fbの間で切換えるための搬送波発生機構の一例が示される。
図17を参照して、搬送波発生機構1505は、通常周波数faの搬送波を生成する発振器1510と、低損失周波数fb(fb<fa)の搬送波を生成する発振器1520と、切換スイッチ1530とを含む。切換スイッチ1530は、通常周波数faおよび低損失周波数fbのいずれを選択するかを示す周波数選択指示に応じて、発振器1510,1520の一方を図16の搬送波1500として出力する。切換スイッチ1530への周波数選択指示は、ステップS222によるスイッチング周波数設定時には、切換スイッチ530をI側に制御するように生成され、ステップS232によるスイッチング周波数設定時には、切換スイッチ1530をII側に制御するように生成される。
あるいは、図18に示すように、電圧制御発振器を用いて単一の発振器により搬送波の周波数を切換える構成とすることも可能である。
図18を参照して、搬送波発生機構1505♯は、電圧制御発振器(VCO)1540および可変電圧発生器1550を含む。VCO1540は、入力された制御電圧Vcに応じた周波数の搬送波1500を発生する。可変電圧発生器1550は、図17と同様の周波数選択指示に応じて、VCO1540へ入力される制御電圧Vcを可変に設定する。このような構成としても、周波数選択指示に従って、搬送波1500の周波数を通常周波数faおよび低損失周波数fbの間で切換えることができる。
なお、この実施の形態では、通常周波数faおよび低損失周波数fbの2段階にキャリア周波数を切換える構成を説明したが、キャリア周波数をより多段階に切換える構成とすることも可能である。
以上説明したように、車両駆動用モータ等のモータに対してアクチュエータ駆動ユニットとして設けられた電力制御ユニット30cについても、本発明を適用して、CPU50cの温度上昇に応じて電力制御ユニット30cを省電力モードに設定することにより、駆動素子(電力用半導体素子Q1〜Q6)からの発熱によって、制御回路(CPU50c)が過高温となることを防止できる。これにより、アクチュエータによる制御動作、すなわち、モータ駆動システム1400によるモータジェネレータ1420の駆動制御を安定化できる。
さらに、省電力モードでの移行によってCPU温度が低下した場合には、電力制御ユニット30cを再び通常モードで動作させて、電磁ノイズの発生を回避できる。
なお、図15に示したフローチャートにおいて、ステップS222は本発明での「第1の指示手段」に対応し、ステップS232は本発明での「第2の指示手段」に対応する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態による車両の制御システムの構成を説明する概略ブロック図である。 本発明の実施の形態による車両の制御システムが適用される可変動弁機構を搭載したエンジンの構成を示す図である。 可変動弁機構において実現されるバルブリフトとクランク角の関係を示す図である。 吸気バルブのリフト量と作用角とを制御するVVL機構の正面図である。 VVL機構を部分的に示した斜視図である。 VVL機構の駆動軸を軸方向に直線移動させるアクチュエータを示す断面図である。 VVL機構駆動ユニットの概略構成を説明するブロック図である。 本発明の実施の形態によるアクチュエータ駆動ユニットの動作モード設定を説明するフローチャートである。 可変動弁機構の動作指令の動作モードに応じた設定を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態による車両の制御システムが適用される油圧発生回路の構成例を説明するブロック図である。 電磁弁駆動ユニットの構成を説明するブロック図である。 油圧制御用電磁弁の動作指令の動作モードに応じた設定を説明するフローチャートである。 各動作モードでの油圧応答性を示す波形図である。 本発明の実施の形態による車両の制御システムが適用されるモータ駆動システムの構成例を説明するブロック図である。 電力制御ユニットの動作指令の動作モードに応じた設定を説明するフローチャートである。 インバータのパルス幅変調(PWM)制御を説明する波形図である。 キャリア周波数切換え構成の第1の例を示すブロック図である。 キャリア周波数切換え構成の第2の例を示すブロック図である。
符号の説明
5 制御システム、10 アクチュエータ、10a 駆動モータ(VVT)、10b 油圧制御用電磁弁、20 ECU、30 アクチュエータ駆動ユニット、30a VVL駆動ユニット、30b 電磁弁駆動ユニット、30c 電力制御ユニット、40 駆動回路、40a 電力変換回路、41 駆動素子、41a 電力用半導体素子、50,50a,50b,50c 制御回路(CPU)、55 通信経路、60,60a,60b,60c 温度センサ、 100 エンジン、1000 センサ、102 エアクリーナ、104 スロットルバルブ、106A,106B シリンダ、108A,108B インジェクタ、110A,110B イグニッションコイル、112,112A,112B 三元触媒、114A,114B ピストン、118,118A,118B 吸気バルブ、120A,120B 排気バルブ、122 カム、126A,126B VVTL機構、129A,129B,130 カムシャフト、128 ロッカアーム、200 制御装置、201 エンジン制御部、202A バンクA制御部、202B バンクB制御部、300A,300B カム角センサ、302 クランク角センサ、304A,304B ノックセンサ、306 スロットル開度センサ、308 イグニッションスイッチ、312 スロットルモータ、314 アクセル開度センサ、400 VVL機構、410 駆動軸、412 係止ピン、420 支持パイプ、430 入力アーム、432 アーム部、434 ローラ部、440 揺動カム、442 ノーズ部、444 カム面、450 スライダギヤ、452,454 ヘリカルギヤ、456 長穴、500 アクチュエータ、510 ハウジング、512 空間、514 開口部、516 カラー、600 差動ローラギヤ、610 サンシャフト、612 外周面、614 スプライン部、616,622 ねじ部、620、 プラネタリシャフト、624,626 ギヤ部、630 ナット、640 サンギヤ、650 リングギヤ、700 モータ、720 ロータ、730 ステータ、740 コイル、750 永久磁石、800 軸、900,910 リテーナ、1000 センサ、1300 油圧発生回路、1310 油圧ポンプ、1315 逆止弁、1320,1325 配管、1330 油圧ライン、1335 油圧センサ、1340 リザーバタンク、1350 電源配線、1355 接地配線、1400 モータ駆動システム、1405 直流電源、1406 接地配線、1407 電源配線、1410 インバータ、1415 U相アーム、1416 V相アーム、1417 W相アーム、1420 モータジェネレータ、1421U,1421V,1421W 各相コイル巻線、1422 中性点、1424 電流センサ、1425 回転角センサ、1500 搬送波、1502 信号波、1505,1505♯ 搬送波発生機構、1510,1520 発振器、1530 切換スイッチ、1540 VCO、1550 可変電圧発生器、A,B バンク、C0 平滑コンデンサ、D1〜D6 ダイオード、DTa(1)〜DTa(n),DTb(1)〜DTb(n) 駆動トランジスタ、MCRT モータ電流、Pr 油圧目標値、Q1〜Q6 電力用半導体素子、S1〜S6 スイッチング制御信号、SCa(1)〜SCTa(n),SCb(1)〜SCTb(n) ソレノイドコイル、SDa(1)〜SDa(n),SDb(1)〜SDb(n) 信号ドライバ、SVa(1)〜SVa(n) 加圧用電磁弁、SVb(1)〜SVb(n) 減圧用電磁弁、SVN,CWF 制御信号、Tqcom トルク指令値、Vc VCO制御電圧、θ ロータ回転角。

Claims (3)

  1. アクチュエータの動作指令を生成する制御装置、
    前記アクチュエータへ動作エネルギを供給する駆動素子を含んで構成された駆動回路と、前記動作指令に従って前記アクチュエータが動作するように前記駆動回路を制御する制御回路とが一体的に格納されたアクチュエータ駆動ユニット、
    前記制御装置および前記制御回路の間で双方向に通信するための通信手段、
    前記制御回路の温度を取得する温度取得手段、および
    前記温度取得手段によって取得された前記制御回路の温度に基づいて、前記アクチュエータ駆動ユニットの動作モードを設定するモード設定手段を備え、
    前記動作モードは、第1のモードと、前記第1のモードよりも前記アクチュエータの消費エネルギを低下させる第2のモードとを含
    前記アクチュエータ駆動ユニットは、内燃機関の吸気弁および排気弁の少なくとも一方の弁を制御するように構成された可変動弁機構駆動用ユニットであり、
    前記動作指令は、可変動弁機構により制御される弁のリフト量および開弁期間の少なくとも一方を示し、
    前記可変動弁機構駆動用ユニットは、
    軸方向に直線移動することにより前記少なくとも一方の弁のリフト量および作用角を変更するように構成された駆動軸を含み、
    前記アクチュエータは、
    前記動作指令に基づいて制御されるモータと、
    前記モータの出力による回転運動を前記軸方向の直線運動に変換する差動ローラギヤとを含み、
    前記差動ローラギヤは、
    前記軸方向に沿って延びるように設けられ、かつ、前記軸方向に前記駆動軸と並ぶように配置されて前記駆動軸と接続されたサンシャフトと、
    前記サンシャフトの外周面上で前記軸方向と平行に延び、かつ、前記軸方向を中心とした周方向に並んで配設された複数のプラネタリシャフトと、
    前記複数のプラネタリシャフトを取り囲むように設けられ、前記軸方向に筒状に延びるナットとを含み、
    各前記プラネタリシャフトの内周面のねじ部は、前記サンシャフトの外周面に形成されたねじ部と噛み合い、
    各前記プラネタリシャフトの外周面のねじ部は、前記ナットのねじ部と噛み合い、
    前記サンシャフトは、前記軸方向を中心とする回転運動が周り止め機構により規制されることによって、前記複数のプラネタリシャフトから伝達された回転力によって前記軸方向に直線移動するように構成され、
    前記ナットは、前記モータの出力により前記軸方向を回転軸として回転する、車両の制御システム。
  2. 前記モード設定手段により前記第1のモードが設定されているときに、前記アクチュエータの動作指令を前記車両の運転状況に応じた可変値とするとともに、前記アクチュエータが前記動作指令に追従して動作するように指示する第1の指示手段、および
    前記モード設定手段により前記第2のモードが設定されているときに、前記アクチュエータの前記動作指令を所定の固定値とするとともに、前記アクチュエータの動作が前記固定値に対応する状態に達した後は、前記アクチュエータが停止するように指示する第2の指示手段をさらに備える、請求項1記載の車両の制御システム。
  3. 前記モード設定手段は、
    前記動作モードが前記第1のモードである場合に、前記制御回路の温度が第1の所定温度より上昇したときに、前記動作モードを前記第2のモードへ変更する第1の設定手段と、
    前記動作モードが前記第2のモードである場合に、前記制御回路の温度が、前記第1の所定温度よりも低い第2の所定温度より低下したときに、前記動作モードを前記第1のモ
    ードへ変更する第2の設定手段とを含む、請求項記載の車両の制御システム。
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