JP5516971B2

JP5516971B2 - リニアソレノイド制御装置

Info

Publication number: JP5516971B2
Application number: JP2010147316A
Authority: JP
Inventors: 宏章下井; 浩之稲垣
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: JP2012013098A

Description

本発明は、リニアソレノイドをフィードバック制御するリニアソレノイド制御装置に関する。

一般なリニアソレノイドは、コイルに流れる駆動電流が適正に制御されることによってプランジャを所望の位置へ変位させることができる。しかし、コイルの抵抗値は環境温度によって変動するため、安定した制御を実現するためには、コイルの抵抗値を精度良く知る必要がある。特開平９−２８０４１１号公報（特許文献１）には、リニアソレノイドのコイル電流を検出し、この電流値を用いてＰＩ制御を行うことによって応答性よくリニアソレノイドを制御する制御装置が開示されている。この制御装置は、特許文献１の図６のステップＳ３４，Ｓ３５等に示されるように、指令電流値と検出電流値との差が所定範囲内であるときに、ソレノイドの抵抗値を指令電流値と指令電圧値とから推定する。そして、この推定された抵抗値からコイルの抵抗値を補正して、ＰＩ制御を実施している（第２０〜３７段落、図１、図２、図６等。）。

特許文献１の制御装置は、フィードバック制御にＰＩ制御を用いているために、ステップ応答など、目標値が急激に変化すると電流応答にオーバーシュートやアンダーシュートを生じやすく、安定性に向上の余地がある。また、抵抗値の推定は、指令電流値と検出電流値との差が所定範囲内、換言すれば定常状態でなければ実施できない。従って、フィードバック制御の特性は、ＰＩ制御単独の特性が支配的となり、外乱や設計誤差などの不確定な変動に対する安定性、即ちロバスト性にも向上の余地がある。

特開平９−２８０４１１号公報

上記背景に鑑み、定常状態以外でも良好にコイルの抵抗値が推定でき、高いロバスト性を有してリニアソレノイドのフィードバック制御を実施する技術の提供が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係るリニアソレノイド制御装置の特徴構成は、
リニアソレノイドに印加する駆動電流の目標値である目標電流を調整する目標値フィルタと、
前記目標値フィルタを通過後の前記目標電流と実際の前記駆動電流の検出値である検出電流との偏差を積分補償する積分演算部と、
前記検出電流を比例補償すると共に微分補償する比例微分演算部と、
前記駆動電流の推定値と前記検出電流との偏差に抵抗値推定パラメータを乗じて積分補償し、前記リニアソレノイドのコイルの抵抗値を推定する抵抗値推定部と、
前記積分演算部の演算結果と前記比例微分演算部の演算結果との偏差に基づいて基本電圧指令を演算すると共に、推定された前記コイルの抵抗値に基づいて前記基本電圧指令を補正して電圧指令を演算する電圧指令演算部と、を備える点にある。

本特徴構成によれば、積分演算部が積分制御（Ｉ制御）を実施し、比例微分演算部が比例微分制御（ＰＤ制御）を実施することにより、ＰＩ制御ではなく、Ｉ−ＰＤ制御が実施される。また、積分演算部による積分制御においては、目標値フィルタを通過した目標電流と検出電流との偏差に基づく制御が実施される。従って、目標電流が急激に変化しても、安定した制御が実現される。さらに、抵抗値推定部によりコイルの抵抗値が推定され、温度変化により変動するコイルの抵抗値に対応して電圧指令が補償されるので、温度変化に対しても高い安定性が得られる。抵抗値推定部は、電圧値と電流値との関係によってコイルの抵抗値を推定するのではなく、駆動電流の推定値と実際にコイルを流れる駆動電流である検出電流との偏差に基づいて抵抗値を推定する。従って、目標電流が大きく変動し、駆動電流が過渡状態においても抵抗値の推定が可能である。コイルの温度変化は、目標電流や、目標値フィルタを通過後の目標電流、実際の駆動電流に比べて緩慢であるから、電流値の偏差によって充分な応答性をもって抵抗値を推定することが可能である。従って、本特徴構成によって、定常状態以外でも良好にコイルの抵抗値が推定でき、高いロバスト性を有してリニアソレノイドのフィードバック制御が実現される。

また、本発明に係るリニアソレノイド制御装置は、前記駆動電流の前記推定値が、前記目標電流であると好適である。目標電流を駆動電流の推定値として用いることによって、駆動電流を推定するための別の演算を実施する負荷が軽減される。従って、簡単な構成によって、定常状態以外でも良好にコイルの抵抗値が推定可能なリニアソレノイド制御装置が実現できる。

リニアソレノイド制御装置の構成を模式的に示すブロック図リニアソレノイド制御装置の機能ブロックを模式的に示すブロック図リニアソレノイド制御手順の一例を示すフローチャート

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。リニアソレノイドは、例えば、車両に搭載されるソレノイドバルブなどに利用される。ソレノイドバルブは、バルブ部材を収容するスリーブと、このバルブ部材をスリーブ内で摺動させるリニアソレノイドとを備えて構成される。バルブ部材とソレノイドのプランジャとは、略同軸に接続されている。プランジャは、略円筒形の磁性体により構成されるヨークに収容されている。ヨークには、樹脂製のボビンに巻き回されたコイルが備えられている。コイルへの給電により発生する磁界により、プランジャは軸方向に沿って変位する。プランジャとバルブ部材とはバルブ部材の一端側で固定されており、バルブ部材はプランジャが軸方向へ変位するのに従って変位し、所定の接続関係が構築される。

車両に搭載されるソレノイドバルブは、冷却油、潤滑油などが流通する油圧回路などに用いられる。エンジンが長時間停止していた場合には、冷却油や潤滑油の温度が低いが、エンジンが起動されると、エンジンの温度が上昇し、それに伴って冷却油や潤滑油の温度も上昇する。油圧回路内に設置されるソレノイドバルブも、冷却油や潤滑油の温度変化の影響を受け、リニアソレノイドのコイルの温度も変化する。コイルの温度が変化するとコイルの抵抗値も変動するため、コイルに流れる電流も変動する。リニアソレノイドは、コイルに流れる電流によってプランジャの駆動力（変位量）が異なる。リニアソレノイド制御装置は、コイルに流れる電流を制御することによって、プランジャの駆動力（変位量）を適切に制御する。以下に説明するように、本発明のリニアソレノイド制御装置は、コイルの抵抗値を精度良く予測して、精度よくコイルに流れる電流を制御する。

リニアソレノイド１は、図１に示すように、ソレノイド制御ＥＣＵ（electronic control unit）１０（リニアソレノイド制御装置）によって駆動される。ソレノイド制御ＥＣＵ１０は、マイクロコンピュータ４を中核として、駆動回路５や電流検出部６を有して構成される。マイクロコンピュータ４は、ＣＰＵコア、プログラムメモリ、パラメータメモリ、ワークメモリ、通信制御部、Ａ／Ｄコンバータ、タイマ、ポートなどを有して構成される。このような構成は一般的な事項であり、説明を容易にするため図示及び詳細な説明は省略する。

プログラムメモリは、制御プログラムなどが格納された不揮発性のメモリである。パラメータメモリは、プログラムの実行の際に参照される種々のパラメータが格納された不揮発性のメモリである。尚、パラメータメモリは、プログラムメモリと区別することなく、プログラムメモリに含められていてもよい。プログラムメモリやパラメータメモリは、例えばフラッシュメモリなどによって構成されると好適である。ワークメモリは、プログラム実行中の一時データを一時記憶するメモリである。ワークメモリは、揮発性で問題なく、高速にデータの読み書きが可能なＤＲＡＭ（dynamic RAM）やＳＲＡＭ（static RAM）により構成される。

駆動回路５は、パワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）やＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）などのパワー半導体を用いたスイッチング回路や、マイクロコンピュータ４の出力信号をパワー半導体へドライブするドライバ回路などを有して構成される。リニアソレノイド１を駆動するスイッチング回路や、ドライバ回路の構成については一般的であり、公知であるので詳細な説明は省略する。尚、図１における符号７は保護ダイオードである。また、駆動回路５には、自己診断機能が備えられており、過電流、短絡、断線、温度上昇などの診断結果がマイクロコンピュータ４に伝達されるように構成されている。

マイクロコンピュータ４は、例えば自動車においては不図示の走行制御ＥＣＵなど、上位の制御装置からソレノイドバルブの制御指令を受け、その制御指令に基づいてリニアソレノイド１を制御する。具体的には、リニアソレノイド１を駆動する駆動電流を制御して、プランジャを任意の位置へ変位させてバルブ部材をスリーブ内で摺動させる。リニアソレノイド１のコイル２に実際に流れる電流は、電流検出部６により検出され、マイクロコンピュータ４に伝達される。電流検出部６は、ホールＩＣ等を用いた電流センサで構成されてもよいし、シャント抵抗を用いた電流検出回路により構成されてもよい。マイクロコンピュータ４は、リニアソレノイド１の制御指令に基づく目標電流とコイル２に実際に流れる電流（検出電流）との偏差に基づいて電流フィードバック制御を行う。そして、例えばＰＷＭ（pulse width modulation）制御などによって、駆動回路５に印加される電圧をスイッチングすることによって駆動電流を制御する。

尚、図１に例示したように、本実施形態では、プログラムメモリやワークメモリなどが１つのチップ（マイクロコンピュータ４）に集積された形態を例示しているが、当然ながら複数のチップによってマイクロコンピューティングシステムが構成されてもよい。また、本実施形態においては、リニアソレノイド制御装置は、マイクロコンピュータ４を中核として構成され、半導体チップとしてのハードウェアと、プログラムやパラメータなどのソフトウェアとの協働によりその機能が実現される。但し、リニアソレノイド制御装置の実施態様は、このようなハードウェアとソフトウェアとの協働に限定されるものではなく、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）などを利用してハードウェアのみで構成されることを妨げるものではない。

以下、リニアソレノイド制御装置の詳細について説明する。図２に示すように、ソレノイド制御ＥＣＵ１０（リニアソレノイド制御装置）は、目標値フィルタ１１と、積分演算部１３と、比例微分演算部１４と、抵抗値推定部１５と、電圧指令演算部１６と、ＰＷＭ出力部１７とを有している。各機能部は、上述したように、マイクロコンピュータ４を中核として、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。図２は、機能ブロックとしての構成を示したものであり、各機能部は必ずしも独立して存在する必要はない。

まず、各機能部の概要について説明する。目標値フィルタ１１は、リニアソレノイド１に印加する駆動電流の目標値である目標電流Ｉｒを調整する機能部である。例えば、目標値フィルタ１１は、目標電流Ｉｒの変化を緩やかにさせる、つまり、鈍（なま）らせるなどの調整を行う。積分演算部１３は、目標値フィルタ１１を通過後の目標電流Ｉｒと実際の駆動電流の検出値である検出電流Ｉｆｂとの偏差を積分補償する機能部である。偏差は、加算器（減算器）１２によって演算される。比例微分演算部１４は、検出電流Ｉｆｂを比例補償すると共に微分補償する機能部である。抵抗値推定部１５は、駆動電流の推定値と検出電流Ｉｆｂとの偏差に抵抗推定パラメータＲを乗じて積分補償し、リニアソレノイド１のコイル２の抵抗値Ｋｒを推定する機能部である。電圧指令演算部１６は、積分演算部１３の演算結果と比例微分演算部１４の演算結果との偏差に基づいて基本電圧指令ＶＩＰＤを演算すると共に、推定されたコイル２の抵抗値Ｋｒに基づいて基本電圧指令ＶＰＩＤを補正して電圧指令Ｖｒを演算する機能部である。ＰＷＭ出力部１７は、電圧指令Ｖｒ及びリニアソレノイド１（コイル２）の電流特性に基づいて駆動回路５の制御指令（例えば、ＰＷＭ指令）を演算する機能部である。

積分演算部１３がＩ制御を実行し、比例微分演算部１４がＰＤ制御を実行することにより、ソレノイド制御ＥＣＵ１０（リニアソレノイド制御装置）は、Ｉ−ＰＤ制御によりリニアソレノイド１を制御する。目標電流Ｉｒに目標値フィルタ１１を掛けていること、Ｉ−ＰＤ制御により電流フィードバック制御を行うことにより、目標電流Ｉｒが急激に変化しても安定した制御が実現可能である。さらに、抵抗値推定部１５により推定されたコイル２の抵抗値に基づき、Ｉ−ＰＤ制御に加えて、電圧指令Ｖｒが補償される。コイル２の抵抗値の温度変化に対して電圧指令Ｖｒが補償されるので、高い安定性が得られる。また、電圧値と電流値との関係から抵抗値を推定するものではなく、電流値の偏差によって抵抗値を推定するので、電流値が過渡状態においても抵抗値の推定が可能である。コイル２の温度変化は、目標電流Ｉｒや、目標値フィルタ１１を通過後の目標電流Ｉｒｆｉｌに比べて緩慢であるから、電流値の偏差によって充分な応答性をもって抵抗値を推定することが可能である。

以下、図３のフローチャートも利用して説明する。マイクロコンピュータ４は、図３に示すフローチャートの一連の処理を繰り返し実行する。フローチャート中の変数に付記された（ｎ）は、繰り返し実行されるルーチンの第ｎ回目のルーチンにおける処理の値であることを示している。図３に示すように、電流フィードバック制御の最初にマイクロコンピュータ４は、目標電流Ｉｒの値を取得し（＃１）、検出電流Ｉｆｂの値を取得する（＃２）。１回のルーチンにおいて、目標電流Ｉｒ及び検出電流Ｉｆｂが１回ずつ取得される。フローチャート中のθは、これらの取得の周期（１回のルーチンの周期）にも相当する、目標電流Ｉｒ及び検出電流Ｉｆｂのサンプリングタイムを示している。

目標電流Ｉｒ（ｎ）が取得されると、目標電流Ｉｒを調整するために目標値フィルタ１１を通過させる（＃３）。つまり、図３の＃３に示すような関数Ｉｒｆｉｌ（ｎ）に基づくフィルタ演算が実施される。具体的には、前回のルーチンにおいて演算されたフィルタ通過後の目標電流Ｉｒｆｉｌ（ｎ−１）と今回のルーチンで取得された目標電流Ｉｒ（ｎ）との差分を求め、時定数Ｔとサンプリングタイムθとの関係から差分を特徴づけるフィルタ演算が実施される。

次に、目標値フィルタ１１を通過後の目標電流Ｉｒｆｉｌ（ｎ）及び検出電流Ｉｆｂ（ｎ）に基づき、積分演算部１３及び比例微分演算部１４によってＩ−ＰＤ制御演算が実施され、基本電圧指令ＶＩＰＤ（ｎ）が算出される（＃４）。図３のステップ＃４に示す式は、Ｉ−ＰＤ制御を示す。当該式の右辺の第１項は積分演算部１３によるＩ制御を示し、右辺の第２項はＰＤ制御を示す。右辺第２項の括弧内の第１項は、微分制御（Ｄ制御）を示し、第２項は比例制御（Ｐ制御）を示す。

具体的には、目標値フィルタ１１を通過後の目標電流Ｉｒｆｉｌ（ｎ）と検出電流Ｉｆｂ（ｎ）との偏差が加算器１２により求められ、積分演算部１３において積分ゲインＫｉを乗じて当該偏差が所定の範囲（ｉ〜ｎ）に亘って積分される。また、比例微分演算部１４において、所定の微分ゲインＫｄを乗じて検出電流Ｉｆｂ（ｎ）が微分され、検出電流Ｉｆｂ（ｎ）に所定の比例ゲインＫｐを乗じた乗算結果と当該微分結果とが加算される。積分演算部１３による演算結果から比例微分演算部１４による演算結果を減じた値が基本電圧指令ＶＰＩＤ（ｎ）となる。

図３のステップ＃４に示す式、及び上記説明から明らかなように、この基本電圧指令ＶＰＩＤ（ｎ）には、コイル２の抵抗値の変動分が加味されていない。従って、基本電圧指令ＶＰＩＤ（ｎ）は、図２に示すように、コイル２の抵抗値の推定値（推定抵抗値Ｋｒ）を用いて補正され、最終的な電圧指令Ｖｒ（ｎ）となる。この補正に先立ち、抵抗値推定部１５においてコイル２の抵抗値の推定演算が実施される（＃５）。具体的には、検出電流Ｉｆｂ（ｎ）と目標電流Ｉｒ（ｎ）との偏差が、積分ゲインに相当する所定の抵抗値推定パラメータＲを乗じて所定の範囲（ｉ〜ｎ）に亘って積分され、推定抵抗値Ｋｒ（ｎ）が算出される。ここでは、コイル２の抵抗値との差分が、推定抵抗値Ｋｒ（ｎ）として算出される例を示している。

尚、抵抗値推定部１５は、駆動電流の推定値と検出電流Ｉｆｂとの偏差に抵抗値推定パラメータを乗じて積分補償し、コイル２の抵抗値を推定する機能部である。本実施形態においては、駆動電流の推定値として目標電流Ｉｒを用いる場合を例示した。しかし、駆動電流の推定値として、目標電流Ｉｒの変化分にフィードバック制御の応答性を加味して別途演算された値を用いてもよい。

推定抵抗値Ｋｒ（ｎ）が算出されると、図３のステップ＃６に示すように、推定抵抗値Ｋｒ（ｎ）と目標電流Ｉｒ（ｎ）とに基づいて、電圧指令の補正値が演算される。ステップ＃４で算出された基本電圧指令ＶＰＩＤ（ｎ）にこの補正値を加えることによって、電圧指令Ｖｒ（ｎ）が算出される。尚、コイル２の抵抗値との差分である推定抵抗値Ｋｒ（ｎ）が正の値の場合には、基本電圧指令ＶＰＩＤ（ｎ）が大きくなる方向に補正され、推定抵抗値Ｋｒ（ｎ）が負の値の場合には、基本電圧指令ＶＰＩＤ（ｎ）が小さくなる方向に補正される。補正された電圧指令Ｖｒ（ｎ）は、ＰＷＭ出力部１７に出力される（＃７）。

ＰＷＭ出力部１７は、電圧指令Ｖｒ（ｎ）及びリニアソレノイド１（コイル２）の電流特性に基づいて駆動回路５の制御指令を演算する。本実施形態では、駆動回路５のスイッチング回路をＰＷＭ制御によりスイッチングさせるためのＰＷＭ信号がＰＷＭ出力部１７によって生成される。生成されたＰＷＭ信号は、マイクロコンピュータ４のポートから出力され、駆動回路５のドライバ回路を介してスイッチング回路のスイッチング素子の制御端子（ゲートやベース）に入力される。ＰＷＭ制御により、断続的にリニアソレノイド１に通電され、駆動電流が供給される。

このように、ソレノイド制御ＥＣＵ１０（リニアソレノイド制御装置）は、目標電流Ｉｒに目標値フィルタ１１を通過させた目標電流Ｉｒと検出電流Ｉｆｂとを用いてＩ−ＰＤ制御によりフィードバック制御を行い、目標電流Ｉｒと検出電流Ｉｆｂとに基づいてコイル２の抵抗値を推定して抵抗値補償を実施する。従って、ソレノイド制御ＥＣＵ１０は、目標電流Ｉｒが急激に変化しても安定した制御が実現可能であり、温度変化に対しても高い安定性が得られる。

以上、説明したように、本発明によって、定常状態以外でも良好にコイルの抵抗値が推定でき、高いロバスト性を有してリニアソレノイドのフィードバック制御を実施することが可能となる。

１：リニアソレノイド
２：コイル
１０：ソレノイド制御ＥＣＵ（リニアソレノイド制御装置）
１１：目標値フィルタ
１３：積分演算部
１４：比例微分演算部
１５：抵抗値推定部
１６：電圧指令演算部
Ｉｒ：目標電流
Ｉｒｆｉｌ：目標値フィルタを通過後の目標電流
Ｉｆｂ：検出電流
Ｋｒ：推定されたコイルの抵抗値
Ｒ：抵抗値推定パラメータ
ＶＰＩＤ：基本電圧指令
Ｖｒ：電圧指令

Claims

リニアソレノイドに印加する駆動電流の目標値である目標電流を調整する目標値フィルタと、
前記目標値フィルタを通過後の前記目標電流と実際の前記駆動電流の検出値である検出電流との偏差を積分補償する積分演算部と、
前記検出電流を比例補償すると共に微分補償する比例微分演算部と、
前記駆動電流の推定値と前記検出電流との偏差に抵抗値推定パラメータを乗じて積分補償し、前記リニアソレノイドのコイルの抵抗値を推定する抵抗値推定部と、
前記積分演算部の演算結果と前記比例微分演算部の演算結果との偏差に基づいて基本電圧指令を演算すると共に、推定された前記コイルの抵抗値に基づいて前記基本電圧指令を補正して電圧指令を演算する電圧指令演算部と、を備えるリニアソレノイド制御装置。
前記駆動電流の前記推定値は、前記目標電流である請求項１に記載のリニアソレノイド制御装置。