JP5024030B2

JP5024030B2 - 電制装置の制御装置

Info

Publication number: JP5024030B2
Application number: JP2007332196A
Authority: JP
Inventors: 健吾藤原; 哲瀬川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP2009156051A

Description

本発明は、内燃機関の運転をコントロールするための電制装置の制御装置、特に吸・排気バルブのリフト特性（バルブ作動角、バルブリフト量）を電動モータを用いて連続的に可変制御可能な可変動弁装置に関する。

可変動弁装置を制御対象として、作動角センサで検出された制御軸の作動角に基づいて制御軸を機関の運転状態に応じた目標位置に回転駆動させるべくフィードバック制御する線形コントローラの他に、バルブスプリングの反力等に起因してカム軸側から入力される非線形特性である反力トルクによる制御軸の作動角変動分を修正すべく、制御軸の検出作動角に応じてフィードフォワード制御する非線形コントローラ(以下「線形化補償器」という。)を備えるものがある（特許文献１参照）。
特開２００１−３７７３号公報

ところで、上記の制御対象にはさらに、電源電圧や電動モータの逆起電力によって電動モータへ流す電流値が制限される非線形特性である入力飽和要素が存在する。

しかしながら、特許文献１の技術ではこの入力飽和要素に対して有効なコントローラを備えていない。そのため、電流値が飽和するとオーバーシュートが発生し、逆に電流値が飽和しない範囲で制御を行うと電動モータの最大限の能力が発揮できずに目標への応答性が緩慢となるという問題がある。

そこで本発明は、非線形な反力特性に加えて入力飽和要素を有する制御対象であっても応答特性の悪化やオーバーシュートを防止し得る制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、図１９に示したように非線形な反力特性と入力飽和要素１２２とを有する制御対象１２１と、制御対象１２１の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器１２５と、制御対象１２１の入出力から外乱を推定し、外乱を相殺するように補償する外乱オブザーバ１２６とを有する電制装置の制御装置において、外乱オブザーバ１２６は、制御対象１２１が有する入力飽和要素１２２の制限値（Ｉ_DOmax、Ｉ_DOmin）から線形化補償器１２５が出力する補償量（Ｉ_LC）を減じた値を制限値として、外乱オブザーバ１２６への入力に制限処理を行う入力飽和要素モデル１２７を有する。

第２の発明は、図２２に示したように非線形な反力特性と入力飽和要素１２２とを有する制御対象１２１と、制御対象１２１の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器１２５と、入力飽和要素モデル１５３を持つ制御対象モデル１５２とフィードバック補償部１５４とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデル１５３の出力値をフィードフォワード操作量として出力するフィードフォワード補償器１５１とを有する電制装置の制御装置において、制御対象モデル１５２の出力から線形化補償量（Ｉ_FFLC）を算出する線形化補償器モデル１５５と、この算出された線形化補償量（Ｉ_FFLC）をフィードバック補償部１５４の出力に加算する加算器１５６とを有し、フィードフォワード操作量は、前記入力飽和要素モデル１５３の出力から前記線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算した値とする。

第３の発明は、図２４に示したように非線形な反力特性と入力飽和要素１２２とを有する制御対象１２１と、制御対象１２１の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器１２５と、入力飽和要素モデル１５３を持つ制御対象モデル１５２とフィードバック補償部１５４とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデル１５３の出力値をフィードフォワード操作量として出力するフィードフォワード補償器１５１とを有する電制装置の制御装置において、制御対象モデル１５２の出力から線形化補償量（Ｉ_FFLC）を算出する線形化補償器モデル１５５と、線形化補償器１２５よる線形化補償によって反力特性が線形化された制御対象１２１の伝達特性（図２４のＢ（ｓ））とを有し、前記入力飽和要素モデル１５３の制限値は、制御対象１２１の入力飽和要素１２２の制限値（Ｉ_FFmax、Ｉ_FFmin）から前記線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算した値とする。

制御対象１２１が非線形な反力特性を有しており、線形化補償器１２５により非線形な反力特性を打ち消し線形化すると、線形化補償器１２５の補償量（Ｉ_LC）が加算される前の信号から制御対象１２１の出力までの特性は、純積分を有する無定位系となる。そのため、図２０に示すように制御対象１２１と線形化補償器１２５とをモデルとして陽に表したまま外乱オブザーバ１３１を構成すると不安定な極ゼロ相殺が発生する。すなわち、制御対象１２１に多少にかかわらず外乱が存在する場合、外乱オブザーバ１３１内部の制御対象モデル１３１の出力（図２０のＣ点）が無限大（あるいは無限小）に発散してしまい実現不可能となってしまう。

そこで、無定位系の制御対象１２１に対して不安定な極ゼロ相殺を回避して外乱オブザーバを構成するために、線形化後の特性を制御対象モデルとして図２１の構成とすることが考えられる。このとき、外部オブザーバ１４１内の入力飽和要素モデル１４２を制御対象１２１の入力飽和要素１２２と等価とするため入力飽和要素モデル１４２の制限値から外乱オブザーバ１４１内の線形化補償器の補償量を減ずる必要がある。しかしながら、図２１の構成とした場合には、外乱オブザーバ１４１内の線形化補償器が陽に現れないため入力飽和要素モデル１４２の等価な上下限値（制限値）を求めることができない。

これに対して第１の発明によれば、図１９に示したように外乱オブザーバ１２６内の入力飽和要素モデル１２７の制限値を、外乱オブザーバ１２６内の線形化補償量を用いるのではなくて、制御対象１２１の線形化補償量（Ｉ_LC）を用いて算出するので、不安定な極ゼロ相殺を回避しつつ、制御対象１２１の入力飽和要素１２２に対応した外乱オブザーバ１２６を構成でき、制御対象１２１の入力飽和要素１２２が原因で誤差が蓄積することがなくなりオーバーシュートを抑制できる。

ところで、電制装置の制御装置を、入力飽和要素を持つ制御対象モデル及びフィードバック補償部を有するフィードフォワード補償器と、フィードフォワード補償器で算出される規範応答と制御対象の出力値とが一致するように操作量を算出するフィードバック補償器とで構成しているものを特願２００６−３４５６４０号で先に提案している。この先に提案している装置（「先願装置」という。）において、フィードフォワード補償器では制御対象モデルとフィードバック補償部とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデルの出力値をフィードフォワード操作量として出力し、制御対象モデルの出力値を規範応答として出力する。これにより、実際の制御対象が持つ入力飽和要素の特性を考慮したフィードフォワード操作量と規範応答とを算出することが可能となっている。そのため、応答特性の悪化を防止することができ、かつフィードフォワード操作量がフィードフォワード補償器で考慮した入力飽和要素の値より大きくならないことにより、制御対象モデルの入力飽和要素の値が実際のそれよりも小さい場合でも過大なオーバーシュートは発生しないようになっている。

制御対象１２１の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器１２５を備える上記特許文献１に対して、この先願装置を単純に適用すると、図２３に示すようなフィードフォワード補償器１５１が構成される。この場合、制御対象１２１には線形化補償器１２５からの補償量（Ｉ_LC）だけでなく線形化補償器モデル１６２からの補償量（Ｉ_FFLC）もが入力されてしまうこととなり、フィードフォワード操作量だけでは規範応答が実現できず先願装置の効果が得られない。

これに対して第２の発明によれば、図２２で示したように、フィードフォワード操作量は、入力飽和要素モデル１５３の出力から線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算した値とする、つまりフィードフォワード操作量より線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算して出力するため、余分な線形化補償量（Ｉ_FFLC）が制御対象１２１に入力されることがなくなり、先願装置の効果（応答特性の悪化や過大なオーバーシュートを防止できるという効果）を実現できるので、結果として目標への応答性を俊敏にすることができる。

同様にして、第３の発明によれば、図２４で示したように、線形化補償器モデル１５５からの補償量（Ｉ_FFLC）をフィードバック補償部１５４の出力に加算することはせず、入力飽和要素モデル１５３の制限値を、制御対象１２１の入力飽和要素１２２の制限値（Ｉ_FFmax、Ｉ_FFmin）から線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算した値としている。これによっても、余分な線形化補償量が制御対象１２１に入力されることがなくなり、先願装置の効果（応答特性の悪化や過大なオーバーシュートを防止できるという効果）を実現でき、その結果として目標への応答性を俊敏にすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図３は、吸気バルブが最大リフトを迎えるクランク角度位置を変えることなく、バルブリフト量及びバルブ作動角を変化させ得る可変動弁装置の一実施形態を示している。図１は可変動弁装置の平面図、図２は可変動弁装置の要部断面図、図３は可変動弁装置の駆動部を示す構成図である。なお、図１では排気バルブ側（図１の下側）の構成を省略して示していない。

シリンダヘッド１０の上部には、全気筒にわたって連続した駆動軸１１（カム軸）が設けられている。この駆動軸１１は、図外の一端にスプロケットが取り付けられ、タイミングチェーン等を介して機関（エンジン）のクランクシャフトに連動して回転する。

駆動軸１１の外周には、吸気バルブ（又は排気バルブ）１９を駆動する揺動カム１８の円筒状の軸受部１８ａが相対回転可能に外嵌している。この揺動カム１８は、先端部（カムノーズ）１８ｂを有する薄板状をなし、その外周に、吸気バルブ１９の上端に設けられた伝達部材としてのバルブリフタ１９ａの上面１９ｂに摺接するカム面１８ｃが形成されている。

また、駆動軸１１の外周にはリング状の偏心カム１２が圧入等により固定されている。この偏心カム１２の中心（軸心）Ｃ₂は、駆動軸１１の中心（軸心）Ｃ₁に対して所定量偏心している。この偏心カム１２の外周には、リング状リンク１３の基部１３ａがベアリング等を介して相対回転可能に外嵌している。なお、揺動カム１８の揺動中心（軸心）は、駆動軸１１の中心Ｃ₁と一致している。

駆動軸１１の斜め上方には、図１に示したように制御軸１４が駆動軸１１と略平行に気筒列方向に延設されている。この制御軸１４は、後述する駆動部２０によりエンジンの運転状態に応じて所定の回転速度範囲で回転，保持される。

制御軸１４の外周には、リング状の制御カム１５が圧入等により固定されている。制御カム１５の中心（軸心）Ｃ₄は、制御軸１４の中心（軸心）Ｃ₃に対して所定量偏心している。この制御カム１５の外周には、ロッカアーム１６の円筒状の中央基部が相対回転可能に外嵌している。このロッカアーム１６の一端部１６ａと、リング状リンク１３の小径な先端部１３ｂとは、両者１６ａ，１３ｂを挿通する第１ピン２９ａを介して相対回転可能に連結されている。

また、ロッカアーム１６の他端部１６ｂと揺動カム１８とは、ロッド状リンク１７によって連携されている。より具体的には、ロッカアーム１６の他端部１６ｂと、ロッド状リンク１７の一端部１７ａとは、両者１６ｂ，１７ａを挿通する第２ピン２９ｂを介して相対回転可能に連結されている。また、ロッド状リンク１７の他端部１７ｂと揺動カム１８とは、両者１７ｂ，１８を挿通する第３ピン２９ｃを介して相対回転可能に連結されている。

次に、制御軸１４を回動，保持する駆動部２０の構成を説明する。

図１に示すように、制御軸１４は、シリンダヘッド１０に固定されるケース２２内まで延びており、その一端にウォームホイール２１が固定されている。ケース２２には、制御軸位置決めコントローラ５０からの制御信号により駆動される直流モータ２６が取り付けられており、この直流モータ２６の出力軸２６ａは、ローラベアリング２５を介してケース２２内に回転可能に延在している。この出力軸２６ａに、ウォームホイール２１と噛合するウォームギヤ２４が固定されている。なお、ウォームギヤ２４とウォームホイール２１の間でモータトルクを増大させるために、ギヤ比を適宜に大きく設定してある。また、ケース２２には、制御軸１４（ウォームホイール２１）の回転角度（制御軸作動角）を検出する制御軸作動角センサ２３が取り付けられており、この制御軸作動角センサ２３の出力は、前記制御軸位置決めコントローラ５０に入力され、該制御軸作動角センサ２３で検出された制御軸１４の作動角に基づいて、直流モータ２６がフィードバック制御される。

このような構成により、エンジンの回転に連動して駆動軸１１が回転すると、偏心カム１２を介してリング状リンク１３が並進移動し、これに応じてロッカアーム１６が制御カム１５の中心Ｃ₄を揺動中心として揺動し、かつ、ロッド状リンク１７を介して揺動カム１８が揺動する。このとき、揺動カム１８のカム面１８ｃが、吸気弁１９の上端に設けられた伝達部材としてのバルブリフタ１９ａの上面に摺接し、バルブリフタ１９ａを図外のバルブスプリングの反力に抗して押圧することにより、吸気弁１９がエンジンの回転に連動して開閉作動する。

また、エンジンの運転状態に応じて直流モータ２６の出力軸２６ａが所定の角度だけ回転駆動されると、ウォームギヤ２４，ウォームホイール２１を介して制御軸１４が所定の角度（作動角）回動して、ロッカアーム１６の揺動中心となる制御カム１５の中心Ｃ₄の位置が変化し、吸気バルブ１９のリフト特性が変化する。より具体的には、制御軸１４の作動角が大側に回動され、制御カム１５の中心Ｃ₄と駆動軸１１の中心Ｃ₁との距離を近づけるほど、バルブリフト特性の変位であるバルブリフト量及びバルブ作動角が大きくなる。

次に、可変動弁装置の動作特性を考察する。

図４，図５を参照して、ロッカアーム１６の他端部１６ｂには、吸気バルブ１９のバルブスプリング反力等によって生じる反力Ｆ１が、揺動カム１８，ロッド状リンク１７，第２ピン２９ｂ等を介して作用する。また、ロッカアーム１６の一端部１６ａには、反作用として発生する反力Ｆ２が、偏心カム１２，リング状リンク１３，第１ピン２９ａ等を介して作用する。従って、ロッカアーム１６の揺動中心Ｃ４には、実質的に反力Ｆ１，Ｆ２の合成反力Ｆ３が作用する。

これにより、制御軸１４には、制御軸１４の中心Ｃ₃から合成反力Ｆ３の方向線までの腕長さｒ１と合成反力Ｆ３との積であるトルクＴ１が作用する。従って、駆動部２０が制御軸１４を所定の角度に保持するためには、少なくとも上記のトルクＴ１に釣り合う逆向きのトルクを必要とする。

制御軸１４が所定の回転角度（作動角）に保持された状態では、図４に示すように、揺動カム１８が最も高バルブリフト側へ押し下げられたとき、すなわち図４の反時計方向に最も揺動したときに、合成反力Ｆ３が最大となる。このときの合成反力Ｆ３の方向は、駆動軸１１の中心Ｃ₁と制御軸１４の中心Ｃ₃とを結ぶ第１の線Ｌ１と略平行となる。

ここで、図６に示すように、合成反力Ｆ３は、バルブリフト量（バルブ作動角）の増大に応じて増大する［図６左側：最小バルブ作動角、図６中央：中間バルブ位置、図６右側：最大バルブ作動角］が、腕長さｒ１は、偏心カム１２の回転にしたがって、最小バルブ作動角から中間位置までは増大するが、その後は、減少する。したがって、合成反力Ｆ３と腕長さｒ１との積であるトルクＴ１は、制御軸作動角θに対して非線形な特性を有する。

図７は、制御軸の作動角θ_CS（吸気バルブのバルブリフト量、バルブ作動角と相関）と直流モータ２６を流れる駆動電流ｉ_CS（トルクＴ１に比例）との関係を示す。図７において制御軸作動角θ_CSがゼロのときバルブリフト量（バルブ作動角）が最小となり、制御軸作動角θ_CSが６０のときバルブリフト量（バルブ作動角）が最大となる。

図８は、制御軸位置決めコントローラ５０の機能構成を示す制御ブロック図である。位置決めコントローラ５０は、線形化補償器６１、フィードフォワード（以下「Ｆ／Ｆ」という。）補償器６２、比例微分（以下「ＰＤ」という。）補償器６３、外乱オブザーバ６４から構成されている。以下この順に説明する。なお、図１〜図３に示した直流モータ２６を有する可変動弁装置が制御対象６０で、制御対象６０の入力は直流モータ２６に与える電流指令値Ｉ_CMD、出力（制御量）は制御軸作動角θ_CSである。この制御軸作動角θ_CSは、制御軸作動角センサ２３（図１）により検出可能である。

まず、線形化補償器６１について説明する。

図９は制御対象（可変動弁装置）６０と線形化補償器６１の詳細なブロック図を示すものである。図９においてＫ_tは直流モータ２６のモータトルク定数、Ｊは可変動弁装置のイナーシャ、Ｄは可変動弁装置の粘性摩擦係数、Ｔ１は非線形な反力トルク、ｓはラプラス演算子を示している。制御対象６０には、１／Ｊ、１／ｓ、１／ｓ、Ｄからなる通常の線形系にＴ１が加わっている。出力のθ_CSにＴ１を乗算した値は非線形な反力トルクを表し、この非線形な反力トルクを減算器７１に入力させている。従って、制御対象６０は、非線形な反力トルクを有する２次の伝達関数で表される特性を有する。

Ｔ１／Ｋtで表現されている線形化補償器６１は、制御軸作動角θ_CSに応じて変化する非線形な反力トルクに相当する電流値である線形化補償量Ｉ_LCを出力する。具体的には直流モータ２６の電流値と直流モータ２６が発生するトルクとが比例関係にある（比例定数はモータトルク定数Ｋtである）ことを利用して、制御軸作動角θ_CSと線形化補償量Ｉ_LCとの関係をあらかじめ計測してマップに作成しておき、制御軸作動角θ_CSからその作成したマップを用いて線形化補償量Ｉ_LCを算出する。本実施形態で使用する線形化補償器６１のマップを図１０に示す。図１０は上記図７の波形とよく似た特性である。

図９において線形化補償量Ｉ_LCを加算器７２に入力し電流指令値Ｉ_CMDに加算した値を線形化補償電流指令値Ｉ_CMDLCとし、この線形化補償電流指令値Ｉ_CMDLCを制御対象６０に与えることで、非線形な反力トルクＴ１が打ち消される。すなわち、線形化補償電流指令値Ｉ_CMDLCにＫ_tを乗算した値は非線形な反力トルクを含んだトルクであり、この非線形な反力トルクを含んだトルクから、減算器７１において非線形な反力トルク（θ_CS×Ｔ１）を減算することで、非線形な反力特性を打ち消すことが可能となっている。

この結果、制御対象６０に入力される電流指令値Ｉ_CMDから制御対象６０の出力である制御軸作動角θ_CSまでの伝達関数、つまり反力トルクが線形化された制御対象の伝達関数Ｇ_P（ｓ）は次の式のようになり、１次遅れと純積分（積分）で表される特性となる。

式１において、１／ｓが純積分、Ｋt／（Ｊｓ＋Ｄ）が一次遅れである。

さらに、制御対象６０には図９に示したようにもうひとつの非線形特性である入力飽和要素ブロック７３が存在する。ここで、入力飽和要素ブロック７３の制限値（上限値Ｉ_Pmax、下限値Ｉ_Pmin）は電源電圧や直流モータ２６の逆起電力、内部抵抗によって決まる。

そこで、上記の非線形な反力トルク及びこの入力飽和要素ブロック７３を有する制御対象６０と、線形化補償器６１とをまとめて等価変換すると、図１１に示したようになる。ここで、等価交換したものを改めて「反力トルクが線形化された制御対象」というとすれば、反力トルクが線形化された制御対象８１は上記式１の伝達関数Ｇ_P（ｓ）と入力飽和要素ブロック８２とからなり、このときの入力飽和要素ブロック８２の制限値（上限値Ｉmax、下限値Ｉmin）は上記の線形化補償量Ｉ_LCを考慮し、次の式により与えることができる。

反力トルクが線形化された伝達関数Ｇ_P（ｓ）を与える上記式１と、それに対応する入力飽和要素ブロック８２の制限値Ｉmax、Ｉminを与える式２とを用いて制御系を設計することで、制御を簡素化することができるとともに、飽和値を正確に制御系設計で扱うことができる。

次に、Ｆ／Ｆ補償器６２について説明する。

図１２にＦ／Ｆ補償器６２の詳細なブロック図を示すと、Ｆ／Ｆ補償器６２はモデルマッチング補償器９１と、反力トルクが線形化された制御対象モデル１０１と、飽和値算出Ａブロック１０２からなっている。

モデルマッチング補償器９１は、Ｆ／Ｆ補償器内の、反力トルクが線形化された制御対象モデル１０１の出力値（規範応答値）θ_refが制御軸指令値（角度指令値）θ_CMDに対し所望の応答特性をもって一致するように電流指令値Ｉ_COM0を算出するものである。

図１１に示している反力トルクが線形化された制御対象８１の伝達特性ＧP（ｓ）を離散化した伝達特性はＧP（ｚ^-1）となり、次の式で表わされる。

式３のｂｐ０、ｂｐ１、ａｐ１、ａｐ２は設計値として予め与える値である。

伝達特性Ｇ_P（ｚ-1）のゼロ点（−ｂｐ１／ｂｐ０）は、サンプリングタイムが小さいほど−１に収束するので、伝達特性Ｇ_P（ｚ^-1）の逆系を補償器に用いると不安定になってしまう。これを避けるために、次のようにモデルマッチング補償器９１を設計する。まず、所望の応答特性を連続系規範モデル伝達特性Ｇm０（ｓ）（０次／２次）で与える。これを離散化した規範モデル伝達特性Ｇ_m０（ｚ^-1）とすると、この規範モデル伝達特性Ｇ_m０（ｚ^-1）も上記制御対象８１の伝達特性Ｇ_P（ｚ^-1）と同様に、サンプリングタイムを小さくすると−１に収束するゼロ点を有する。したがって、モデルマッチング補償器９１の設計の際に両者を相殺させる目的で、規範モデル伝達特性Ｇ_m０（ｚ^-1）のゼロ点を上記制御対象８１の伝達特性Ｇ_P（ｚ^-1）のゼロ点で置き換えた次の式の伝達特性Ｇ_m（ｚ^-1）を規範モデル伝達特性として用いる。なお、サンプリングタイムが充分小さければ、伝達特性Ｇ_m（ｚ^-1）と規範モデル伝達特性Ｇ_m０（ｚ^-1）との差はほとんどなく、実用上問題はない。

式３、式４を用いると、モデルマッチング補償器９１は、１／Ｒ（ｚ-1）、Ｌ（ｚ^-1）、Ｂｍｆで構成される。１／Ｒ（ｚ^-1）、Ｌ（ｚ^-1）はデジタルフィルタ、Ｂｍｆは係数で、これらを与える式は次の通りである。

したがって、図１２において、反力トルクが線形化された制御対象モデル１０１の出力値である規範応答θ_refにデジタルフィルタであるＬ（ｚ^-1）の処理を行った値と、制御軸指令値θ_CMDに係数Ｂｍｆの処理を行った値との差分を求め、その求めた差分にさらにデジタルフィルタである１／Ｒ（ｚ^-1）の処理を行った値が電流指令値Ｉ_COM0となる。

飽和値算出Ａブロック１０２では、電源電圧Ｖ_B、規範応答の微分値ｄθ_ref／ｄｔ、制御軸１４から直流モータ２６の回転軸までのギヤ比Ｎ、直流モータ２６の逆起電力定数Ｋ_e、直流モータ２６の内部抵抗値Ｒ、線形化補償量Ｉ_FFLCを用いて次の式により、入力飽和Ａブロック１０３に出力する制限値（上限値Ｉ_FFmax、下限値Ｉ_FFmin）を算出する。

式７の右辺において規範応答の微分値ｄθ_ref／ｄｔに制御軸１４から直流モータ２６の回転軸までのギヤ比Ｎと直流モータ２６の逆起電力定数Ｋ_eを乗じて算出される値は直流モータ２６の逆起電力である。また、線形化補償量Ｉ_FFLCは規範応答θ_refから図１６の線形化補償マップを用いて算出する。規範応答の微分値ｄθ_ref／ｄｔは規範応答θ_refに近似微分処理を行うことで求める。

入力飽和要素Ａブロック１０３では、モデルマッチング補償器９１の出力である電流指令値Ｉ_COM０に対し、飽和値算出Ａブロック１０２で算出された制限値Ｉ_FFmax、Ｉ_FFminによるリミッタ処理を行い、リミッタ処理後の値をＦ／Ｆ補償器６２の出力の一つであるＦ／Ｆ操作量Ｉ_FFとする。すなわち、入力飽和要素Ａブロック１０３では次式によりＦ／Ｆ操作量Ｉ_FFを算出する。
Ｉ_COM０≦Ｉ_FFminの場合Ｉ_FF ＝Ｉ_FFmin
Ｉ_FFmin＜Ｉ_COM０＜Ｉ_FFmaxの場合Ｉ_FF ＝Ｉ_COM０
Ｉ_FFmax≦Ｉ_COM０の場合Ｉ_FF ＝Ｉ_FFmax

このＦ／Ｆ操作量Ｉ_FFに対し、上記式３に示す、反力トルクが線形化された制御対象８１の応答特性Ｇ_P（ｚ-1）を施して規範応答値θ_refを算出する。この規範応答値θ_refがもう一つのＦ／Ｆ補償器６２の出力値となる。

次に、ＰＤ補償器６３について説明する。

図１３はＰＤ補償器６３の詳細なブロック図を示すものである。図１３においてＫ_Pは比例ゲイン、Ｋ_Dは微分ゲイン、Ｔ_Dは近似微分の時定数を表している。このブロック図から分かるように、ＰＤ補償器６３の補償量Ｉ_PDは次の式により算出される。

ここではフィードバック補償器としてＰＤ補償器を挙げているが、これに限られるものでない。例えばＰ補償器、ＰＩ補償器、ＰＩＤ補償器など全てのフィードバック補償器が含まれる。本実施形態では、外乱オブザーバ６４との組合せが良かったＰＤ補償器を採用している。

次に、外乱オブザーバ６４について説明する。

図１４に外乱オブザーバ６４の詳細なブロック図を示す。
制御ブロック１１１の伝達関数Ｈ（ｓ）は、その次数を上記式１の伝達関数Ｇ_P（ｓ）の次数と等しくした次の式で示される２次のローパスフィルタである。

飽和値算出Ｂブロック１１２では、電源電圧Ｖ_B、制御軸作動角の微分値ｄθ_CS／ｄｔ、制御軸１４から直流モータ２６の回転軸までのギヤ比Ｎ、直流モータ２６の逆起電力定数Ｋ_e、直流モータ２６の内部抵抗値Ｒ、線形化補償量Ｉ_LCを用いて次の式により、入力飽和要素Ｂブロック１１３に出力する制限値（上限値Ｉ_DOmax、下限値Ｉ_DOmin）を算出する。

式１１の右辺において制御軸作動角の微分値ｄθ_CS／ｄｔに制御軸１４から直流モータ２６の回転軸までのギヤ比Ｎと直流モータ２６の逆起電力定数Ｋ_eを乗じて算出される値は直流モータ２６逆起電力である。また、線形化補償量Ｉ_LCは制御軸作動角θ_CSから図１７の線形化補償マップを用いて算出する。制御軸作動角の微分値ｄθ_CS／ｄｔは制御軸作動角θ_CSに近似微分処理を行うことで求める。

入力飽和要素Ｂブロック１１３では、飽和値算出Ｂブロック１１２で算出された制限値Ｉ_DOmax、Ｉ_DOminに線形化補償量ＩLCを考慮して制限値（上限値Ｉ_DOmax−Ｉ_LC、下限値Ｉ_DOmin−Ｉ_LC）を設定し、電流指令値Ｉ_COM１（＝Ｉ_FF＋Ｉ_PD）に対し、この設定した制限値Ｉ_DOmax−Ｉ_LC、Ｉ_DOmin−Ｉ_LCによるリミッタ処理を行い、リミッタ処理後の値を電流指令値Ｉ_COM１０として算出する。すなわち、入力飽和Ｂブロック１１３では次式により電流指令値Ｉ_COM１０を算出する。
Ｉ_COM１≦Ｉ_DOmin−Ｉ_LCの場合Ｉ_COM１０＝Ｉ_DOmin−Ｉ_LC
Ｉ_DOmin−Ｉ_LC＜Ｉ_COM１＜Ｉ_DOmax−Ｉ_LCの場合Ｉ_COM１０＝Ｉ_COM１
Ｉ_DOmax−Ｉ_LC≦Ｉ_COM１の場合Ｉ_COM１０＝Ｉ_DOmax−Ｉ_LC

この電流指令値Ｉ_COM１０に対し、制御ブロック１１１でローパスフィルタ処理を行い、ローパスフィルタ処理後の値を改めて電流指令値Ｉ_COM２として出力する。

制御ブロック１１４の伝達関数Ｈ（ｓ）／Ｇ_P（ｓ）は次の式で表され、反力トルクが線形化された制御対象８１の伝達特性Ｇ_P（ｓ）の逆系と前記ローパスフィルタの伝達関数Ｈ（ｓ）の積となっている。制御ブロック１１４もフィルタである。

制御ブロック１１４では制御軸作動角θ_CSに対してフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の値を電流指令値Ｉ_COM３として出力する。減算器１１５では、電流指令値Ｉ_COM３から電流指令値Ｉ_COM２を減算して、制御対象の外乱やパラメータ変動による電流指令値Ｉ_COM１のずれ量である外乱推定値Ｉd（＝Ｉ_COM３−Ｉ_COM２）を求め、減算器１１６で電流指令値Ｉ_COM１からこの外乱推定値Ｉdを減算した値を最終的な電流指令値Ｉ_CMDとして出力することで、外乱ｄを相殺する。なお、図１４には外乱オブザーバ６４の説明のためだけに加算器１１７で外乱ｄを加えて示しているが、本来はなくてもかまわない。

制御ブロック１１１の伝達関数Ｈ（ｓ）、制御ブロック１１４の伝達関数Ｈ（ｓ）／Ｇ_P（ｓ）で使用されているＴ_Hは、ローパスフィルタの時定数である。時定数Ｔ_Hを小さくして伝達関数Ｈ（ｓ）のカットオフ周波数を上げると、高周波数域まで外乱補償されるが、逆にハイゲインフィードバックとなり、安定余裕が減少するのでトレードオフ設計が必要となる。

このように入力飽和要素Ｂブロック１１３で、実際の制御対象８１の入力であるモータ電流（電流指令値Ｉ_CMD）が飽和したときに外乱オブザーバ６４の入力を制限することで、外乱推定値Ｉdに誤差が溜まるのを防止することが可能となり、誤差の蓄積が原因で発生するオーバーシュートを防ぐことができる。

図１５は制御軸作動角の目標値を０ｄｅｇから所定角度まで大きくなる側にステップ変化させたときの従来例、本実施形態の各応答を示している。ここでいう従来例とは、図１８に示したように、制御対象６０に対して、一般的な規範応答にＰＩＤ補償器を加えると共に、非線形な反力トルクを打ち消す線形化補償器とで制御を行っているものである。この従来例によれば、図１５左半分に示したように、制御対象６０が有する入力飽和要素により実電流が電流指令値と乖離し、規範応答に対して制御軸１４の実際の応答が遅れるため、ＰＩＤ補償器における積分器が誤差を積算してしまいオーバーシュートが発生してしまっている。

これに対して本実施形態によれば、図１５右半分に示したように、制御軸１４の応答にオーバーシュートが発生せず、速やかに目標値に収束させることができている。つまり、可変動弁装置の制御性能を改善できている。なお、電流値がプラス側に大きく振れている部分は急激な加速が行われていることを、また電流値がマイナス側に大きく振れている部分は急減速が行われていることを示している。

ここで、本発明の作用効果を説明する。

これに対して第１の発明（請求項１に記載の発明）によれば、図１９に示したように外乱オブザーバ１２６内の入力飽和要素モデル１２７の制限値を、外乱オブザーバ１２６内の線形化補償量を用いるのではなくて、制御対象１２１の線形化補償量（Ｉ_LC）を用いて算出するので、不安定な極ゼロ相殺を回避しつつ、制御対象１２１の入力飽和要素１２２に対応した外乱オブザーバ１２６を構成でき、制御対象１２１の入力飽和要素１２２が原因で誤差が蓄積することがなくなりオーバーシュートを抑制できる。

ここで、本発明の構成を示した図１９を実現しているのが実施形態の図１４である。図１９でいう制御対象１２１と線形化補償器１２５とを合わせたものが、図１４でいう反力トルクが線形化された制御対象８１である。このため、図１４には線形化補償器１２５が記載されてないことになっている。

ところで、前述の先願装置において、フィードフォワード補償器では制御対象モデルとフィードバック補償部とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデルの出力値をフィードフォワード操作量として出力し、制御対象モデルの出力値を規範応答として出力する。これにより、実際の制御対象が持つ入力飽和要素の特性を考慮したフィードフォワード操作量と規範応答とを算出することが可能となっている。そのため、応答特性の悪化を防止することができ、かつフィードフォワード操作量がフィードフォワード補償器で考慮した入力飽和要素の値より大きくならないことにより、制御対象モデルの入力飽和要素の値が実際のそれよりも小さい場合でも過大なオーバーシュートは発生しないようになっている。

制御対象１２１の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器１２５を備える上記特許文献１に対して、この先願装置を単純に適用すると、図２３に示すようなフィードフォワード補償器１５１が構成される。この場合、制御対象１２１には線形化補償器１２５からの補償量（Ｉ_LC）だけでなく線形化補償器モデル１６２からの補償量（Ｉ_FFLC）が加算器１５６により加算されて入力されてしまうこととなり、フィードフォワード操作量だけでは規範応答が実現できず先願装置の効果が得られない。

これに対して第２の発明（請求項２に記載の発明）によれば、図２２で示したように、フィードフォワード操作量は、入力飽和要素モデル１５３の出力から線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算した値とする、つまりフィードフォワード操作量より線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算して出力するため、余分な線形化補償量（Ｉ_FFLC）が制御対象１２１に入力されることがなくなり、先願装置の効果（応答特性の悪化や過大なオーバーシュートを防止できるという効果）を実現できるので、その結果として目標への応答性を俊敏にすることができる。

同様にして、第３の発明（請求項３に記載の発明）によれば、図２４で示したように、線形化補償器モデル１５５からの補償量（Ｉ_FFLC）をフィードバック補償部１５４の出力に加算することはせず、入力飽和要素モデル１５３の制限値を、制御対象１２１の入力飽和要素１２２の制限値（Ｉ_FFmax、Ｉ_FFmin）から線形化補償器モデル１５５が出力する線形化補償量（Ｉ_FFLC）を減算した値としている。これによっても、余分な線形化補償量が制御対象１２１に入力されることがなくなり、先願装置の効果（応答特性の悪化や過大なオーバーシュートを防止できるという効果）を実現でき、その結果として目標への応答性を俊敏にすることができる。

ここで、第２、第３の発明の構成を示した図２２、図２４を実現している実施形態は示していない。第２、第３の発明の構成を実現する前の実施形態が図１２であるので、この図１２の構成に対して第２の発明または第３の発明を適用すればよい（請求項４、５に記載の発明）。

実施形態では、図１５に示したように制御軸１４の目標値を大きくなる側にステップ変化させた場合であったが、制御軸１４の目標値を大きな値から小さくなる側にステップ変化させた場合にも本発明の適用があることはいうまでもない。

また、実施形態では、非線形な反力特性と入力飽和要素とを有する制御対象が可変動弁装置である場合で説明したが、これに限らず、内燃機関の運転をコントロールするための電制装置であって非線形な反力特性と入力飽和要素とを有する電制装置であれば本発明の適用がある。

請求項１に記載の制御対象は図１９の制御対象１２１により、線形化補償器は図１９の線形化補償器１２５により、外乱オブザーバは図１９の外乱オブザーバ１２６により、入力飽和要素モデルは図１９の入力飽和要素モデル１２７によりそれぞれ果たされている。

請求項２に記載の制御対象は図２２の制御対象１２１により、線形化補償器は図２２の線形化補償器１２５により、フィードフォワード補償器は図２２のフィードフォワード補償器１５１により、線形化補償器モデルは図２２の線形化補償器モデル１５５により、加算器は図２２の加算器１５６によりそれぞれ果たされている。

請求項３に記載の制御対象は図２４の制御対象１２１により、線形化補償器は図２４の線形化補償器１２５により、フィードフォワード補償器は図２２のフィードフォワード補償器１５１により、線形化補償器モデルは図２４の線形化補償器モデル１５５によりそれぞれ果たされている。

可変動弁装置の平面図。可変動弁装置の要部断面図。可変動弁装置の駆動部を示す構成図。可変動弁装置の作用を説明するための図。可変動弁装置の制御軸及び制御カムを示す構成図。制御軸の各回転角における作用を説明するための図。制御軸作動角と駆動電流の関係を示す特性図。制御装置全体の制御ブロック図。線形化補償器と制御対象のブロック図。線形化補償器のマップ特性図。等価交換した線形化補償器と制御対象のブロック図。Ｆ／Ｆ補償器の詳細ブロック図。ＰＤ補償器の詳細ブロック図。外乱オブザーバの詳細ブロック図。本実施形態の効果を説明するためのタイミングチャート。線形化補償マップの特性図。線形化補償マップの特性図。従来例のブロック図。第１の発明の構成を示すためのブロック図。第１の発明の効果を説明するためのブロック図。第１の発明の効果を説明するためのブロック図。第２の発明の構成を示すためのブロック図。第２の発明の効果を説明するためのブロック図。第３の発明の構成を示すためのブロック図。

符号の説明

１４制御軸
２３制御軸作動角センサ（制御軸作動角検出手段）
２６直流モータ
５０制御軸位置決めコントローラ
１２１制御対象
１２２入力飽和要素
１２５線形化補償器
１２６外乱オブザーバ
１２７入力飽和要素モデル
１５１フィードフォワード補償器
１５２制御対象モデル
１５３入力飽和要素モデル
１５４フィードバック補償部
１５５線形化補償器モデル
１５６加算器

Claims

非線形な反力特性と入力飽和要素とを有する制御対象と、
制御対象の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器と、
制御対象の入出力から外乱を推定し、外乱を相殺するように補償する外乱オブザーバとを有する電制装置の制御装置において、
外乱オブザーバは、制御対象が有する入力飽和要素の制限値から線形化補償器が出力する補償量を減じた値を制限値として、外乱オブザーバへの入力に制限処理を行う入力飽和要素モデルを有することを特徴とする電制装置の制御装置。
非線形な反力特性と入力飽和要素とを有する制御対象と、
制御対象の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器と、
入力飽和要素モデルを持つ制御対象モデルとフィードバック補償部とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデルの出力値をフィードフォワード操作量として出力するフィードフォワード補償器と
を有する電制装置の制御装置において、
制御対象モデルの出力から線形化補償量を算出する線形化補償器モデルと、
この算出された線形化補償量をフィードバック補償部の出力に加算する加算器と
を有し、
フィードフォワード操作量は、前記入力飽和要素モデルの出力から前記線形化補償器モデルが出力する線形化補償量を減算した値とすることを特徴とする電制装置の制御装置。
非線形な反力特性と入力飽和要素とを有する制御対象と、
制御対象の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器と、
入力飽和要素モデルを持つ制御対象モデルとフィードバック補償部とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデルの出力値をフィードフォワード操作量として出力するフィードフォワード補償器と
を有する電制装置の制御装置において、
制御対象モデルの出力から線形化補償量を算出する線形化補償器モデルと、
線形化補償器よる線形化補償によって反力特性が線形化された制御対象の伝達特性と
を有し、
前記入力飽和要素モデルの制限値は、制御対象の入力飽和要素の制限値から前記線形化補償器モデルが出力する線形化補償量を減算した値とすることを特徴とする電制装置の制御装置。
非線形な反力特性と入力飽和要素とを有する制御対象と、
制御対象の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器と、
制御対象の入出力から外乱を推定し、外乱を相殺するように補償する外乱オブザーバと、
入力飽和要素モデルを持つ制御対象モデルとフィードバック補償部とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデルの出力値をフィードフォワード操作量として出力するフィードフォワード補償器と
を有する電制装置の制御装置において、
外乱オブザーバは、制御対象が有する入力飽和要素の制限値から線形化補償器が出力する補償量を減じた値を制限値として、外乱オブザーバへの入力に制限処理を行う入力飽和要素モデルを有し、
かつ
制御対象モデルの出力から線形化補償量を算出する線形化補償器モデルと、
この算出された線形化補償量をフィードバック補償部の出力に加算する加算器と
を有し、
フィードフォワード操作量は、前記入力飽和要素モデルの出力から前記線形化補償器モデルが出力する線形化補償量を減算した値とすることを特徴とする電制装置の制御装置。
非線形な反力特性と入力飽和要素とを有する制御対象と、
制御対象の非線形な反力特性を打ち消すように制御する線形化補償器と、
制御対象の入出力から外乱を推定し、外乱を相殺するように補償する外乱オブザーバと、
入力飽和要素モデルを持つ制御対象モデルとフィードバック補償部とで閉ループ系を構成してシミュレーションを行い、入力飽和要素モデルの出力値をフィードフォワード操作量として出力するフィードフォワード補償器と
を有する電制装置の制御装置において、
外乱オブザーバは、制御対象が有する入力飽和要素の制限値から線形化補償器が出力する補償量を減じた値を制限値として、外乱オブザーバへの入力に制限処理を行う入力飽和要素モデルを有し、
かつ
制御対象モデルの出力から線形化補償量を算出する線形化補償器モデルと、
線形化補償器による線形化補償によって反力特性が線形化された制御対象の伝達特性と
を有し、
前記入力飽和要素モデルの制限値は、制御対象の入力飽和要素の制限値から前記線形化補償器モデルが出力する線形化補償量を減算した値とすることを特徴とする電制装置の制御装置。
前記制御対象は、制御軸を有しバルブスプリングに連繋したリンク機構を、バルブスプリングの反力に抗し前記制御軸と連結されている直流モータを駆動して前記制御軸を作動させることによりバルブリフト特性を可変に制御し、かつ、直流モータの駆動力と制御軸作動角との関係が非線形な特性を有する可変動弁装置であって、直流モータの駆動力を入力とし制御軸作動角を出力とする可変動弁装置であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の電制装置の制御装置。