JP5985319B2 - 可変動弁機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の機関バルブ（吸気バルブまたは排気バルブ）のバルブ特性を可変とする可変動弁機構の制御装置に関する。

この種の制御装置として、特許文献１では、アクチュエータの操作量が出力可能な実操作量を上回る飽和状態など、作動速度が飽和するときに、フィードバック操作量の積分分の演算を停止し、過大な積分分による可変動弁機構動作のオーバーシュート抑制を図っている。

特開２００９‐２１５９５５号

しかしながら、上記の方式では、アクチュエータの飽和状態でのフィードフォワード操作量と実操作量との差分によって生じるアクチュエータの実動作位置と目標角度とのずれを解消できるものではないため、応答性が低下し、目標位置への収束に遅れを生じていた。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、操作量が飽和する状況で、フィードフォワード操作量を適切に補正することにより応答性の低下を抑制し、目標位置への収束の遅れを抑制できるようにした可変動弁機構の制御装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明は、その一態様として、機関バルブのバルブ特性を可変とする可変動弁機構に操作量を出力する制御装置であって、前記可変動弁機構のフィードフォワード操作量を演算し、前記フィードフォワード操作量が所定の限界操作量を超えるときに前記限界操作量を出力し、前記フィードフォワード操作量が前記限界操作量を超えた分に応じた期間だけ前記フィードフォワード操作量が前記限界操作量以下になった後に前記フィードフォワード操作量を増加補正して出力する。

上記発明によると、フィードフォワード操作量が飽和する状況での応答性の低下を抑制し、目標位置への収束の遅れを抑制できる。

実施形態における内燃機関のシステム構成図である。 実施形態における可変バルブタイミング機構を示す縦断面図である。 電動可変バルブタイミング機構における主要な構成部材の要部拡大断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 同上可変バルブタイミング機構に供されるカバー部材と第１オイルシールとの分解斜視図である。 図２のＣ−Ｃ線断面図である。 同上可変バルブタイミング機構の制御ブロック図である。 同上可変バルブタイミング機構によるバルブタイミング制御の第１実施形態のフローチャートである。 同上バルブタイミング制御時の各種状態量の変化を示すタイムチャートである。 同上可変バルブタイミング機構によるバルブタイミング制御の第２実施形態のフローチャートである。 同上可変バルブタイミング機構によるバルブタイミング制御の第３実施形態のフローチャートである。 同上可変バルブタイミング機構によるバルブタイミング制御の限界操作量を算出する第４実施形態のフローチャートである。 同上第４実施形態におけるバッテリ電圧Ｖｂの各値を示すタイムチャートである。

以下に、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本願発明に係る制御装置を適用した車両用内燃機関１０１の構成図である。尚、本実施形態において、内燃機関１０１は、直列４気筒の４サイクル機関であるが、本例に限定されない。

図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０３を介装してある。
そして、内燃機関１０１は、電子制御スロットル１０３及び吸気バルブ１０５を介して、各気筒の燃焼室１０６内に空気を吸入する。

各気筒の吸気ポート１３０に、燃料噴射弁１３１を設けてあり、燃料噴射弁１３１は、制御装置としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１１４からの噴射パルス信号によって開弁動作し、燃料を噴射する。

燃焼室１０６内の燃料は、点火プラグ１０４による火花点火によって着火燃焼する。点火プラグ１０４それぞれには、点火コイル及び該点火コイルへの通電を制御するパワートランジスタを内蔵した点火モジュール１１２を装着してある。

燃焼室１０６内の燃焼ガスは、排気バルブ１０７を介して排気管１１１に流出する。排気管１１１に設けたフロント触媒コンバータ１０８及びリア触媒コンバータ１０９は、排気管１１１を流れる排気を浄化する。

吸気カム軸１３４，排気カム軸１１０は、一体的にカムを備え、このカムによって吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７を動作させる。
吸気バルブ１０５は、電動モータ（アクチュエータ）を用いて吸気カム軸１３４をクランク軸１２０に対して相対回転させる可変バルブタイミング機構（電動ＶＴＣ）１１３により、バルブタイミングが可変に制御される。

上記電動ＶＴＣ１１３は、図２〜図７に示すように、内燃機関のクランク軸１２０によって回転駆動する駆動回転体であるタイミングスプロケット１と、シリンダヘッド上に軸受４４を介して回転自在に支持され、前記タイミングスプロケット１から伝達された回転力によって回転する吸気カム軸１３４と、該タイミングスプロケット１の前方位置に配置されて、固定部であるチェーンカバー４０にボルトによって取り付け固定されたカバー部材３と、前記タイミングスプロケット１と吸気カム軸１３４の間に配置されて、機関運転状態に応じて両者１，２の相対回転位相を変更する可変機構である位相変更機構４と、を備えて構成されている。

タイミングスプロケット１は、全体が鉄系金属によって一体に形成され、内周面が段差径状の円環状のスプロケット本体１ａと、該スプロケット本体１ａの外周に一体に設けられて、巻回されたタイミングチェーン４２を介してクランク軸からの回転力を受けるギア部１ｂと、から構成されている。また、タイミングスプロケット１は、前記スプロケット本体１ａの内周側に形成された円形溝１ｃと前記吸気カム軸１３４の前端部に一体に設けられた肉厚なフランジ部２ａの外周との間に介装された第３軸受である第３ボールベアリング４３によって吸気カム軸１３４に回転自在に支持されている。

スプロケット本体１ａの前端部外周縁には、環状突起１ｅが一体に形成されている。このスプロケット本体１ａの前端部には、前記環状突起１ｅの内周側に同軸に位置決めされ、内周に波形状の噛み合い部である内歯１９ａが形成された環状部材１９と、大径円環状のプレート６がボルト７によって軸方向から共締め固定されている。また、前記スプロケット本体１ａの内周面の一部には、図５に示すように、円弧状の係合部であるストッパ凸部１ｄが周方向に沿って所定長さ範囲まで形成されている。

プレート６の前端側外周には、前記位相変更機構４の後述する減速機８や電動モータ１２の各構成部材を覆う状態で前方に突出した円筒状のハウジング５がボルト１１によって固定されている。

ハウジング５は、鉄系金属によって一体に形成されてヨークとして機能し、前端側に円環プレート状の保持部５ａを一体に有していると共に、該保持部５ａを含めた外周側全体が前記カバー部材３によって所定の隙間をもって覆われた形で配置されている。

吸気カム軸１３４は、外周に吸気バルブ１０５を開作動させる一気筒当たり２つの駆動カムを有していると共に、前端部に従動回転体である従動部材９がカムボルト１０によって軸方向から結合されている。また、吸気カム軸１３４の前記フランジ部２ａには、図５に示すように、前記スプロケット本体１ａのストッパ凸部１ｄが係入する係止部であるストッパ凹溝２ｂが円周方向に沿って形成されている。このストッパ凹溝２ｂは、円周方向へ所定長さの円弧状に形成されて、この長さ範囲で回動したストッパ凸部１ｄの両端縁が周方向の対向縁２ｃ、２ｄにそれぞれ当接することによって、タイミングスプロケット１に対する吸気カム軸１３４の最大進角側あるいは最大遅角側の相対回転位置を規制するようになっている。

カムボルト１０は、頭部１０ａの軸部１０ｂ側の端縁にフランジ状の座面部１０ｃ一体に形成されていると共に、軸部１０ｂの外周に前記吸気カム軸１３４の端部から内部軸方向に形成された雌ねじ部に螺着する雄ねじ部が形成されている。

従動部材９は、鉄系金属材によって一体に形成され、図３に示すように、前端側に形成された円板部９ａと、後端側に一体に形成された円筒状の円筒部９ｂとから構成されている。

円板部９ａは、後端面の径方向ほぼ中央位置に前記吸気カム軸１３４のフランジ部２ａとほぼ同外径の環状段差突起９ｃが一体に設けられ、この段差突起９ｃの外周面と前記フランジ部２ａの外周面が前記第３ボールベアリング４３の内輪４３ａの内周に挿通配置されている。第３ボールベアリング４３の外輪４３ｂは、スプロケット本体１ａの円形溝１ｃの内周面に圧入固定されている。

また、円板部９ａの外周部には、図２〜図６に示すように、後述する複数のローラ３４を保持する保持器４１が一体に設けられている。この保持器４１は、前記円板部９ａの外周部から前記円筒部９ｂと同じ方向へ突出して形成され、円周方向へほぼ等間隔の位置に所定の隙間をもった複数の細長い突起部４１ａによって形成されている。

円筒部９ｂは、図２に示すように、中央に前記カムボルト１０の軸部１０ｂが挿通される挿通孔９ｄが貫通形成されていると共に、外周側に第１軸受である後述の第１ニードルベアリング３０が設けられている。

カバー部材３は、図２及び図６に示すように、比較的に肉厚な合成樹脂材によって一体に形成され、カップ状に膨出したカバー本体３ａと、該カバー本体３ａの後端部外周に一体に有するブラケット３ｂと、から構成されている。

カバー本体３ａは、位相変更機構４の前端側を覆う、つまりハウジング５の軸方向の保持部５ｂから後端部側のほぼ全体を、所定隙間をもって覆うように配置されている。一方、前記ブラケット３ｂには、ほぼ円環状に形成されて６つのボス部にそれぞれボルト挿通孔３ｆが貫通形成されている。

また、カバー部材３は、図２に示すように、ブラケット３ｂが前記チェーンカバー４０に複数のボルト４７を介して固定されていると共に、前記カバー本体３ａの前端部３ｃの内周面に内外２重のスリップリング４８ａ，４８ｂが各内端面を露出した状態で埋設固定されている。さらに上端部には、内部に前記スリップリング４８ａ、４８ｂと導電部材を介して接続されたコネクタ端子４９ａが固定されたコネクタ部４９が設けられている。なお、前記コネクタ端子４９ａには、コントロールユニット２１を介して図外のバッテリー電源から通電あるいは通電が遮断されるようになっている。

そして、カバー本体３ａの後端部側の内周面と前記ハウジング５の外周面との間には、図２にも示すように、シール部材である大径な第１オイルシール５０が介装されている。この第１オイルシール５０は、横断面ほぼコ字形状に形成されて、合成ゴムの基材の内部に芯金が埋設されていると共に、外周側の円環状基部５０ａが前記カバー部材３ａ後端部の内周面に形成された円形溝３ｄ内に嵌着固定されている。また、円環状基部５０ａの内周側には、前記ハウジング５の外周面に当接するシール面５０ｂが一体に形成されている。

位相変更機構４は、吸気カム軸１３４のほぼ同軸上前端側に配置された電動モータ１２と、該電動モータ１２の回転速度を減速して吸気カム軸１３４に伝達する前記減速機８と、から構成されている。

電動モータ１２は、図２及び図３に示すように、ブラシ付きのＤＣモータであって、タイミングスプロケット１と一体に回転するヨークであるハウジング５と、該ハウジング５の内部に回転自在に設けられた出力軸であるモータ軸１３と、ハウジング５の内周面に固定された半円弧状の一対の永久磁石１４，１５と、ハウジング保持部５ａの内底面側に固定された固定子１６と、を備えている。

モータ軸１３は、筒状に形成されてアーマチュアとして機能し、軸方向のほぼ中央位置の外周に、複数の極を持つ鉄心ロータ１７が固定されていると共に、該鉄心ロータ１７の外周には電磁コイル１８が巻回されている。また、モータ軸１３の前端部外周には、コミュテータ２０が圧入固定されており、このコミュテータ２０には、前記鉄心ロータ１７ａの極数と同数に分割された各セグメントに前記電磁コイル１８が接続されている。

固定子１６は、図７に示すように、保持部５ａの内底壁に４本のビス２２ａによって固定された円環板状の樹脂ホルダー２２と、該樹脂ホルダー２２と保持部５ａを軸方向に貫通配置されて、各先端面が前記一対のスリップリング４８ａ、４８ｂに摺接して給電される周方向内外２つの第１ブラシ２３ａ，２３ｂと、樹脂ホルダー２２の内周側に内方へ進退自在に保持されて、円弧状の先端部が前記コミュテータ２０の外周面に摺接する第２ブラシ２４ａ、２４ｂと、から主として構成されている。

第１ブラシ２３ａ、２３ｂと第２ブラシ２４ａ、２４ｂは、ピッグテールハーネス２５ａ、２５ｂによって接続されていると共に、それぞれに弾接した捩りばね２６ａ、２７ａのばね力によってスリップリング４８ａ、４８ｂ方向やコミュテータ２０方向へそれぞれ付勢されている。

モータ軸１３は、カムボルト１０の頭部１０ａ側の軸部１０ｂの外周面に第１軸受であるニードルベアリング２８と該ニードルベアリング２８の軸方向の側部に配置された軸受である第４ボールベアリング３５を介して回転自在に支持されている。また、前記モータ軸１３の吸気カム軸１３４側の後端部には、減速機８の一部を構成する円筒状の偏心軸部３０が一体に設けられている。

第１ニードルベアリング２８は、偏心軸部３０の内周面に圧入された円筒状のリテーナ２８ａと、該リテーナ２８ａの内部に回転自在に保持された複数の転動体であるニードルローラ２８ｂとから構成されている。このニードルローラ２８ｂは、前記従動部材９の円筒部９ｂの外周面を転動している。

第４ボールベアリング３５は、内輪３５ａが前記従動部材９の円筒部９ｂの前端縁とカムボルト１０の座面部１０ｃとの間に挟持状態に固定されている一方、外輪３５ｂがモータ軸１３の内周に形成された段差部と抜け止めリングであるスナップリング３６との間で軸方向の位置決め支持されている。

また、モータ軸１３(偏心軸部３０)の外周面とプレート６の内周面との間には、減速機８内部から電動モータ１２内への潤滑油のリークを阻止するフリクション部材である第２オイルシール３２が設けられている。この第２オイルシール３２は、内周部が前記モータ軸１３の外周面に弾接していることによって、該モータ軸１３の回転に対して摩擦抵抗を付与するようになっている。

減速機８は、図２、図３に示すように、偏心回転運動を行う前記偏心軸部３０と、該偏心軸部３０の外周に設けられた第２軸受である第２ボールベアリング３３と、該第２ボールベアリング３３の外周に設けられた前記ローラ３４と、該ローラ３４を転動方向に保持しつつ径方向の移動を許容する前記保持器４１と、該保持器４１と一体の前記従動部材９と、から主として構成されている。

偏心軸部３０は、外周面に形成されたカム面の軸心Ｙがモータ軸１３の軸心Ｘから径方向へ僅かに偏心している。なお、前記第２ボールベアリング３３とローラ３４などが遊星噛み合い部として構成されている。

第２ボールベアリング３３は、大径状に形成されて、第１ニードルベアリング２８の径方向位置で全体がほぼオーバラップする状態に配置され、内輪３３ａが偏心軸部３０の外周面に圧入固定されていると共に、外輪３３ｂの外周面には前記ローラ３４が常時当接している。また、外輪３３ｂの外周側には円環状の隙間Ｃが形成されて、この隙間Ｃによって第２ボールベアリング３３全体が前記偏心軸部３０の偏心回転に伴って径方向へ移動可能、つまり偏心動可能になっている。

各ローラ３４は、第２ボールベアリング３３の偏心動に伴って径方向へ移動しつつ前記環状部材１９の内歯１９ａに嵌入すると共に、保持器４１の突起部４１ａによって周方向にガイドされつつ径方向に揺動運動させるようになっている。

減速機８の内部には、潤滑油供給手段によって潤滑油が供給されるようになっている。この潤滑油供給手段は、図２に示すように、シリンダヘッドの軸受４４の内部に形成されて、図外のメインオイルギャラリーから潤滑油が供給される油供給通路４７と、前記吸気カム軸１３４の内部軸方向に形成されて、前記油供給通路４７にグルーブ溝を介して連通した油供給孔４８と、従動部材９の内部軸方向に貫通形成されて、一端が該油供給孔４８に開口し、他端が前記第１ニードルベアリング２８と第２ボールベアリング３３の付近に開口した小径なオイル供給孔４５と、同じく従動部材９に貫通形成された大径な３つの図外のオイル排出孔と、から構成されている。

以下、本電動ＶＴＣ１１３の作動について説明すると、まず、機関のクランク軸が回転駆動するとタイミングチェーン４２を介してタイミングスプロケット１が回転し、その回転力によりハウジング５と環状部材１９とプレート６を介して電動モータ１２が同期回転する。一方、環状部材１９の回転力が、ローラ３４から保持器４１及び従動部材９を経由して吸気カム軸１３４に伝達される。これによって、吸気カム軸１３４のカムが吸気弁を開閉作動させる。

そして、電動ＶＴＣ１１３を駆動して吸気カム軸１３４の回転位相（吸気バルブ１０５のバルブタイミング）を変更するときは、コントロールユニット２１からスリップリング４８ａ、４８ｂなどを介して電動モータ１２の電磁コイル１７に通電される。これによって、モータ軸１３が回転駆動され、この回転力が減速機８を介して吸気カム軸１３４に減速された回転力が伝達される。

すなわち、モータ軸１３の回転に伴い偏心軸部３０が偏心回転すると、各ローラ３４がモータ軸１３の１回転毎に保持器４１の突起部４１ａに径方向へガイドされながら環状部材１９の一の内歯１９ａを乗り越えて隣接する他の内歯１９ａに転動しながら移動し、これを順次繰り返しながら円周方向へ転接する。この各ローラ３４の転接によって前記モータ軸１３の回転が減速されつつ従動部材９に回転力が伝達される。このときの減速比は、ローラ３４の個数などによって任意に設定することが可能である。

これにより、吸気カム軸１３４がタイミングスプロケット１に対して正逆相対回転して相対回転位相が変換されて、吸気弁の開閉タイミングを進角側あるいは遅角側に変換制御するのである。

そして、タイミングスプロケット１に対する吸気カム軸１３４の正逆相対回転の最大位置規制(角度位置規制)は、前記ストッパ凸部１ｄの各側面が前記ストッパ凹溝２ｂの各対向面２ｃ、２ｄのいずれか一方に当接することによって行われる。

すなわち、従動部材９が、偏心軸部３０の偏心回動に伴ってタイミングスプロケット１の回転方向と同方向に回転することによって、ストッパ凸部１ｄの一側面がストッパ凹溝２ｂの一方側の対向面１ｃに当接してそれ以上の同方向の回転が規制される。これにより、吸気カム軸１３４は、タイミングスプロケット１に対する相対回転位相が進角側へ最大に変更される。

一方、従動部材９が、タイミングスプロケット１の回転方向と逆方向に回転することによって、ストッパ凸部１ｄの他側面がストッパ凹溝２ｂの他方側の対向面２ｄに当接してそれ以上の同方向の回転が規制される。これにより、吸気カム軸１３４は、タイミングスプロケット１に対する相対回転位相が遅角側へ最大に変更される。

図１に戻って、ＥＣＵ１１４は、マイクロコンピュータを内蔵し、予めメモリに記憶したプログラムに従って演算を行い、電子制御スロットル１０３，燃料噴射弁１３１，点火モジュール１１２などを制御する。

ＥＣＵ１１４は、各種のセンサからの検出信号を入力する。各種のセンサとして、アクセルペダル１１６ａの開度（アクセル開度）ＡＣＣを検出するアクセル開度センサ１１６、内燃機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローセンサ１１５、内燃機関１０１の出力軸であるクランク軸１２０の回転に応じてパルス状の回転信号（単位クランク角信号）ＰＯＳを出力するクランク角センサ（回転センサ）１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、内燃機関１０１の冷却水の温度ＴＷを検出する水温センサ１１９、吸気カム軸１３４の回転に応じてパルス状のカム信号ＰＨＡＳＥを出力するカムセンサ１３３、車両の運転者がブレーキペダル１２１を踏み込んだ制動状態においてオンになるブレーキスイッチ１２２、内燃機関１０１を動力源とする車両の走行速度（車速）ＶＳＰを検出する車速センサ１２３などを設けている。

更に、ＥＣＵ１１４は、内燃機関１０１の運転・停止のメインスイッチであるイグニションスイッチ１２４のオン・オフ信号や、スタータスイッチ１２５のオン・オフ信号の他、バッテリの電圧Ｖｂを入力する。該バッテリの電圧Ｖｂの検出値は、バッテリを電源として駆動される電動モータ１２の出力可能な限界操作量の検出値として用いられる。

次に、電動ＶＴＣ１１３の制御について説明する。
図８は、制御ブロック図を示す。該制御ブロック図に応じた基本的な制御を説明する。
規範モデルＲ(s)は、電動ＶＴＣ１１３の動特性（運動方程式）に基づいて、安定した応答が得られるモデルとして予め設定される。

フィードフォワード補償器は、電動ＶＴＣ１１３を、規範モデルにしたがって応答させるためのフィードフォワード操作量ＦＦ(s)＝Ｐ(s)^−１Ｒ(s)を算出する。
フィードバック補償器は、規範モデルの値と電動ＶＴＣ１１３の実ＶＴＣ角度との偏差に基づき、フィードバック操作量ＦＢ(s)算出する。

上記フィードフォワード操作量ＦＦ(s)とフィードバック操作量ＦＢ(s)を加算した最終的な操作量が、制御対象である電動ＶＴＣ１１３に出力される。
このように構成されたモデル規範制御において、制御対象（電動ＶＴＣ１１３）の実伝達特性Ｐ’(s)と、モデル化した制御対象伝達特性Ｐ(s)が一致していれば、フィードフォワード操作量ＦＦ(s)のみで、電動ＶＴＣ１１３の応答は、規範モデル応答に追従する。

しかし、実際には、機関始動時（スタータ起動時）や低温時等には、バッテリ電圧Ｖｂの低下により、出力可能な限界操作量（モータトルク）が制限され、規範モデルに沿った応答は得られず、目標角度への収束が遅れることとなる。

そこで、フィードフォワード補償器が、フィードフォワード操作量と限界操作量とに基づいて設定された補正量によってフィードフォワード操作量に対して補正を行うことにより、目標角度への収束の遅れを抑制する。なお、フィードフォワード操作量の補正中は、フィードバック制御は停止される（フィードバック補償器によるフィードバック操作量が０とされる）。

図９は、フィードフォワード操作量の補正を行いつつ電動ＶＴＣ１１３を制御する第１実施形態のフローを示す。
ステップ１では、制御対象である電動ＶＴＣ１１３（電動モータ１２）への出力可能な限界操作量を検出する。具体的には、上述したように、電動ＶＴＣ１１３（電動モータ１２）を駆動する電源であるバッテリの電圧Ｖｂを、限界操作量として検出する。上述したように、機関始動時（スタータ起動時）や低温時等には、バッテリ電圧Ｖｂ（限界操作量）は低下する。

ステップ２では、ＶＴＣ目標角度すなわち、電動ＶＴＣ１１３によって制御される吸気カム軸１３４の目標回転位相（吸気バルブ１０５の目標バルブタイミング）を算出する。
ステップ３では、ＶＴＣ目標角度に応じたフィードフォワード操作量を算出する。これは、上述したように、規範モデルにしたがって応答させるためのフィードフォワード操作量ＦＦ(s)＝Ｐ(s)^−１Ｒ(s)として算出される。

ステップ４では、カムセンサ１３３からのカム信号ＰＨＡＳＥとクランク角センサからの回転信号ＰＯＳを用いて、ＶＴＣ実角度、すなわち、吸気カム軸１３４の実回転位相（吸気バルブ１０５の実バルブタイミング）を検出する。

ステップ５では、ＶＴＣ目標角度とＶＴＣ実角度との偏差に基づいて、ＰＩＤ制御等によりフィードバック操作量を算出する。
ステップ６では、フィードフォワード操作量が限界操作量以下であるかを判定する。

そして、フィードフォワード操作量が限界操作量を超えていると判定されたときは、ステップ７へ進み、フィードフォワード操作量補正用の補正操作量として、フィードフォワード操作量から限界操作量を減算した値を、フィードフォワード操作量が実操作量である限界操作量を超える飽和量（出力不可能な操作量分）として算出する。

ステップ８では、ＶＴＣ操作量を限界操作量として電動ＶＴＣ１１３（電動モータ１２）に出力する。
ステップ９では、飽和量を積算する。具体的には、飽和量積算値の前回値に今回のステップ７で算出した飽和量を加算することにより、飽和量積算値を更新する。

このように、フィードフォワード操作量が限界操作量を上回る飽和状態にあるときには、限界操作量を出力して電動ＶＴＣ１１３を駆動しつつフィードフォワード操作量と限界操作量の差分である飽和量を積算する。この飽和量積算値は、本来出力されるべきフィードフォワード操作量に対し、出力不可能な操作量分の総量であり、該出力不可能な操作量によって生じる応答遅れを、飽和量積算の終了後に回復させるためにフィードフォワード操作量を補正する補正操作量として使用される。
る。

そして、ステップ３で算出されるフィードフォワード操作量が、ステップ６で限界操作量以下に低下したと判定されると、ステップ１０以降に進み、飽和状態の期間中に積算された飽和量積算値に応じてフィードフォワード操作量を補正する制御に切り換える。

ステップ１０では、後述する飽和量積算値の減算処理によって飽和量積算値が所定値以下まで低下したかと判定する。この所定値は、０として飽和量積算値が無くなるまで後述するフィードフォワード操作量の増加補正を行わせるようにしてもよいが、該増加補正によって初期のフィードフォワード操作量の不足による応答遅れが回復されて、ＶＴＣの実角度が目標角度に近づけられたと推定可能な値に設定してもよい。

飽和量積算値が所定値を上回っていると判定されるとステップ１１へ進み、フィードフォワード操作量の補正量（ＦＦ操作量補正量）を、限界操作量からフィードフォワード操作量を減算した値として算出する。

ステップ１２では、ＶＴＣ操作量を、フィードフォワード操作量にステップ１１で算出したＦＦ操作量補正量を加算して算出する。この値は、限界操作量となる（したがって、本第１実施形態では、本ステップで演算を行うことなくＶＴＣ操作量＝限界操作量としてもよい）。即ち、本実施形態では、飽和状態で不足したフィードフォワード操作量を最大限充足すべく、限界操作量に維持するように補正する。

ステップ１３では、飽和量積算値を、その前回値から今回用いたＦＦ操作量補正量を減算した値で更新する。
このようにして飽和量積算値がフィードフォワード操作量の補正毎に減算され、ステップ１０で飽和量積算値が所定値以下に低下したと判定されると、ステップ１４へ進み、通常のフィードバック制御を開始する。即ち、ＶＴＣ操作量を、フィードフォワード操作量に、フィードバック操作量を加算した値として算出する。

ステップ１５では、フィードフォワード操作量の補正終了に伴い飽和量積算値を０にリセットする。
本実施形態の作用を説明する。

上述したように、スタータを駆動する機関始動時や低温時等バッテリ電圧が不足するときに、ＶＴＣを駆動すると、規範応答特性が得られるように設定されたフィードフォワード操作量が、出力可能な限界操作量を超える飽和状態となることがある。

かかる飽和状態では、図１０に示すように、ＶＴＣのフィードフォワード操作量より小の限界操作量で制御される制御初期には、応答遅れを生じる。但し、限界操作量に維持することで、その間の遅れは最小限に留められる。一方、この間に、フィードフォワード操作量が限界操作量を超える飽和量（出力不可能な操作量分）が積算され、該積算終了時点の飽和量積算値が、フィードフォワード操作量を補正する補正操作量として算出される。

そして、規範応答特性に応じたフィードフォワード操作量が限界操作量を下回って以降は、上記ＦＦ操作量補正量によってフィードフォワード操作量を増加補正し、トータルの補正量が、飽和量積算の終了時点の飽和量積算値、つまりフィードフォワード操作量を補正する補正操作量近くに達するまで該補正が継続される。

このように、飽和状態となる制御初期での出力不可能な操作量分の総量を、補正操作量として算出し、該補正操作量によって、制御後期でフィードフォワード操作量を補正することにより、制御後期の応答速度が増加し、制御初期における応答遅れを回復して、電動ＶＴＣ１１３を、飽和を生じない場合と同等の時間で目標角度に収束させることができる。

なお、特許文献１では、既述したように、本実施形態のようなフィードフォワード操作量の補正がなされないので応答遅れを解消できず、また、初めからフィードバック制御を行った場合には、積分分が過大となり、制御後期での限界操作量での出力が長引いてオーバーシュートを生じ安定して目標角度へ収束させることが困難となる。

本実施形態では、ＦＦ操作量補正量によるフィードフォワード操作量の補正を、飽和量積算値に応じた期間行うことにより、上記従来の問題を解消でき、応答遅れ及びオーバーシュートを抑制しつつ目標角度へ収束させることができる。

上記第１実施形態では、飽和積算値に応じた補正を可能な限り大きくして応答速度を増加させ、制御初期における遅れを速やかに回復させることができるが、ＶＴＣ動特性のバラツキ等により実際の応答速度が大きくなりすぎることが考えられる。

図１１は、上記の点を考慮してＦＦ操作量補正量を応答速度に応じて変更しつつ電動ＶＴＣ１１３を制御する第２実施形態のフローを示す。
ステップ１〜ステップ１１までは、第１実施形態と同様であり、飽和状態で飽和量積算値を算出した後、ステップ１１でフィードフォワード補正操作量を算出する。

次いで、ステップ２１では、電動ＶＴＣ１１３の角度（回転位相）変化量、つまり、実応答速度を算出する。具体的には、今回のＶＴＣ実角度から前回のＶＴＣ実角度を減算した値を角度変化量として算出する。なお、角度変化量の算出としては、センサ（クランク角センサ及びカムセンサ）により検出される実角度を用いる他、予めコントロールユニットに設定されているＶＴＣの物理特性と操作量履歴とから実角度を推定し、変化量を算出するようにしてもよい。

ステップ２２では、角度変化量に応じて補正量反映ゲインを算出する。ここで、角度変化量が大きいときほど補正量反映ゲインを小さい値となるように算出する。
ステップ２３では、ＶＴＣ操作量を、ステップ１１で算出した補正量に、ステップ２２で算出した補正量反映ゲインを乗じた値をフィードフォワード操作量に加算して算出する。

ステップ１３〜ステップ１５については、第１実施形態と同様に、飽和量積算値からステップ１１で算出したＦＦ操作量補正量を減算していき、減算された飽和量積算値が所定値以下になった時点でフィードバック補正量を用いたフィードバック制御に切り換えられる。

本第２実施形態によれば、飽和量積算値に応じたフィードフォワード操作量の補正を行う際に、ＶＴＣの角度変化量を考慮した補正を行い、角度変化量が大きいときほど小さい補正ゲインを乗じた値で補正することにより、応答速度が過剰となることを抑制しつつ目標角度へ安定して収束させることができる。

図１２は、ＦＦ操作量補正量をＶＴＣの目標角度と実角度との偏差に応じて変更しつつ電動ＶＴＣ１１３を制御する第３実施形態のフローを示す。
ステップ１〜ステップ１１までは、第１及び第２実施形態と同様である。

次いで、ステップ３１では、電動ＶＴＣ１１３の目標角度と実角度との偏差量を算出する。なお、第２実施形態と同様、実角度としてセンサ（クランク角センサ及びカムセンサ）により検出される実角度を用いる他、予めコントロールユニットに設定されているＶＴＣの物理特性と操作量履歴とから実角度を推定し、変化量を算出するようにしてもよい。

ステップ３２では、偏差量に応じて補正量反映ゲインを算出する。ここで、偏差量が小さいほど補正量反映ゲインを小さい値となるように算出する。
以下、第２実施形態と同様に、ステップ２３で、ＶＴＣ操作量を、ステップ１１で算出した補正量に、ステップ３２で算出した補正量反映ゲインを乗じた値をフィードフォワード操作量に加算して算出する。

ステップ１３〜ステップ１５については、第１及び第２実施形態と同様に、飽和量積算値からステップ１１で算出した補正量を減算していき、減算された飽和量積算値が所定値以下になった時点でフィードバック補正量を用いたフィードバック制御に切り換えられる。

本第３実施形態によれば、飽和量積算値に応じたフィードフォワード操作量の補正を行う際に、ＶＴＣの目標角度と実角度の偏差量を考慮した補正を行い、偏差量が小さくなるほど小さい補正ゲインを乗じた値で補正することにより、第２実施形態と同様、応答速度が過剰となることを抑制しつつ目標角度へ安定して収束させることができる。

ところで、通常、バッテリ電圧Ｖｂは、ノイズ除去のため、Ａ／Ｄ値をフィルタリング処理した値を用いる。しかし、以上の実施形態において電動ＶＴＣ１１３の出力可能な限界操作量としてバッテリ電圧Ｖｂを検出する際には、フィルタリング処理後のバッテリ電圧Ｖｂでは、始動時の電圧変動を再現しきれていない。即ち、通常のフィルタリング処理により平滑化された電圧は、電動ＶＴＣ１１３の出力可能な限界操作量が大きめの値として検出されてしまう。この結果、飽和量（＝フィードフォワード操作量−限界操作量）が
少なめに算出され、飽和量積算値に応じたフィードフォワード操作量の補正が不足して十分な応答遅れを回復できないことが考えられる。

図１３は、上記の点を考慮した限界操作量の算出フローを示す。
ステップ５１では、エンジン始動信号（スタートスイッチ）がＯＮであるか否かを判定する。

エンジン始動信号（スタートスイッチ）がＯＮである始動時と判定されたときは、ステップ５２へ進み、バッテリ電圧フィルタのカット周波数を通常時の周波数より高い高周波数に設定する。

一方、エンジン始動信号（スタートスイッチ）がＯＦＦである始動後運転時と判定されたときは、ステップ５３へ進み、バッテリ電圧フィルタのカット周波数を通常時の低周波数に設定する。

ステップ５４では、ステップ５２、ステップ５３のいずれかでカットオフ周波数が設定されたフィルタで処理されたバッテリ電圧Ｖｂを、電動ＶＴＣ１１３の出力可能な限界操作量として設定する。

このようにすれば、図１４に示すように、始動時には、カットオフ周波数を高周波数としたフィルタで処理されたバッテリ電圧を電動ＶＴＣ１１３の限界操作量として検出することで、大きく減少変動するＡ／Ｄ値に近い限界操作量を使用することができ、飽和量積算値に応じたフィードフォワード操作量の補正が不足することを抑制して応答遅れを良好に回復できる。

また、本発明は、排気バルブのバルブ特性を可変とする可変動弁機構にも適用できる。

１２…電動モータ、１０１…内燃機関、１０５…吸気バルブ、１１３…電動ＶＴＣ、１１４…ＥＣＵ、１１７…クランク角センサ、１３３…カムセンサ、１３４…吸気カム軸、Ｖｂ…バッテリ電圧

Claims (3)

1. 機関バルブのバルブ特性を可変とする可変動弁機構に操作量を出力する制御装置であって、
   前記可変動弁機構のフィードフォワード操作量を演算し、
   前記フィードフォワード操作量が所定の限界操作量を超えるときに前記限界操作量を出力し、
   前記フィードフォワード操作量が前記限界操作量を超えた分に応じた期間だけ前記フィードフォワード操作量が前記限界操作量以下になった後に前記フィードフォワード操作量を増加補正して出力する、
   可変動弁機構の制御装置。
2. 前記フィードフォワード操作量が前記限界操作量を超えた分の積算値を求め、前記フィードフォワード操作量が前記限界操作量以下になった後に、前記フィードフォワード操作量を増加補正するための補正量の総量が前記積算値近くに達するまでの期間において前記フィードフォワード操作量を前記限界操作量にまで増量補正して出力する、請求項１記載の可変動弁機構の制御装置。
3. 前記期間後に前記フィードフォワード操作量にフィードバック操作量を付加して出力する、請求項１又は請求項２記載の可変動弁機構の制御装置。