JP6192340B2 - バルブ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子制御バルブを制御するバルブ制御装置に関する。

従来、バルブをＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御などのフィードバック制御により電子制御する技術が知られている。この技術による制御対象のバルブとして、例えば、エンジンを冷却する冷却水の流量を制御する冷却水バルブが挙げられる。この冷却水バルブは、冷却水を冷却するラジエータ近傍を通過する経路への冷却水の流量を、その開度により調節可能にするものである。また、このラジエータ近傍を通過する経路を通る冷却水は、エンジン近傍のウォータージャケットへ供給される。また、このような冷却水バルブを用いるエンジンの冷却システムによれば、冷却水バルブの開度を制御することにより、ウォータージャケットへ供給される冷却水の流量が調節され、その結果として冷却水により冷却されるエンジンの温度を調節することができる。

上述のエンジンの冷却システムにおいて、エンジン暖気後の状態では、エンジン温度を大きく変化させる必要がないため、冷却された冷却水の流量を大きく変化させる必要がない。したがって、冷却水バルブの制御において、状況によっては、その変動は±１０％程度となり、冷却水バルブの開度はあまり大きく変化しない。また、ラジエータによる冷却温度が低い程、ウォータージャケットに供給される冷却水の温度は低くなるため、ラジエータ近傍を通過する経路への冷却水の流量は少なくなる傾向となり、したがって、この場合も、冷却水バルブの開度はあまり大きく変化しない。このように、エンジンの冷却システムにおける冷却水バルブの制御においては、開度を微小作動させることによりエンジン温度を調節する状況が存在する。このような微小作動においても、冷却水バルブを全閉または全開させる場合と同程度の応答性が要求される。

また、冷却水バルブに限らず、バルブの制御においては、様々な要素に起因する不感帯が存在し、この不感帯のために非線形な特性が発生して応答性が低下してしまうという問題がある。このような問題に対し、直流モータの駆動回路が有するＰＷＭ信号のデューティ比に対するモータ印加電圧の不感帯を補償して、モータ印加電圧をＰＷＭ信号のデューティ比に変換する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−５４４８５号公報

上述したように、冷却水バルブの制御においては、微小作動させる場合であっても全閉または全開させる場合と同程度の応答性が要求され、また、冷却水バルブにはその構造に起因するフリクションによる不感帯が存在する。このような不感帯を持つ冷却水バルブの開度を微小作動させる場合において、要求される応答性を満たすために、単に不感帯の補償をした場合、オーバーシュートまたはアンダーシュートを生じてしまうという問題がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、バルブ開度の微小作動において、オーバーシュートまたはアンダーシュートを生じることなく、応答性を向上させることができるバルブ制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、バルブを正方向または負方向に駆動する駆動装置を制御するバルブ制御装置であって、前記バルブの開度の目標値と前記バルブの開度の実測値との偏差に基づいて前記駆動装置の操作量を算出する操作量算出部と、前記偏差と所定の係数とに基づいて閾値を算出する閾値算出部と、前記偏差が正の場合に前記実測値が前記閾値以上か否か、前記偏差が負の場合に前記実測値が前記閾値以下か否かを判断する判断部と、前記判断部により前記偏差が正の場合に前記実測値が前記閾値以上でないと判断され、前記操作量が所定の下限値より小さい場合、前記操作量を前記所定の下限値に補正し、前記判断部により前記偏差が負の場合に前記実測値が前記閾値以下でないと判断され、前記操作量が所定の上限値より大きい場合、前記操作量を前記所定の上限値に補正する操作量補正部とを備える。

本発明によれば、バルブ開度の微小作動において、オーバーシュートまたはアンダーシュートを生じることなく、応答性を向上させることができる。

本実施の形態に係るエンジン冷却システムを示す模式図である。 冷却水バルブとシール部材を示す模式図である。 ウォームギヤを示す模式図である。 ＥＣＵのハードウェア構成を示すブロック図である。 バルブ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。 判断処理の動作を示すフローチャートである。 操作量補正処理の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、本実施の形態に係るエンジン冷却システムについて説明する。図１は、本実施の形態に係るエンジン冷却システムを示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るエンジン冷却システム１は、エンジン１１、ウォータージャケット１２、ウォーターポンプ１３、冷却水バルブ２１、モータ２２、ポジションセンサ２３、水温センサ２４、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３１、ラジエータ４１、ヒータ４２、スロットル４３、メイン流路パイプ９１、サブ流路パイプ９２、バイパス流路パイプ９３を備える。

エンジン冷却システム１は、メイン流路パイプ９１、サブ流路パイプ９２、またはバイパス流路パイプ９３を介して冷却水を循環させ、ウォータージャケット１２によりエンジン１１の温度を制御する。

エンジン１１は、自動車等の車両の内燃機関である。ウォータージャケット１２は、エンジン１１近傍に備えられ、その内部の冷却水によりエンジン１１を冷却するものである。メイン流路パイプ９１は、ラジエータ４１に冷却水を流入させるものである。サブ流路パイプ９２は、ヒータ４２及びスロットル４３に冷却水を流入させるものである。バイパス流路パイプ９３は、ウォータージャケット１２から流出した冷却水をウォーターポンプ１３に流入させるものである。なお、ラジエータ４１、ヒータ４２及びスロットル４３に流入した冷却水はウォーターポンプ１３に流入する。ウォーターポンプ１３は、ウォータージャケット１２に冷却水を流入させるものである。ラジエータ４１は、冷却水を冷却するものである。ヒータ４２は、車室内を暖めるものである。スロットル４３は、エンジン１１への呼気の流入量を制御するものである。

冷却水バルブ２１は、ロータリ式のバルブであり、外周面の一部に開口部が設けられ、その開度によってメイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２へ冷却水を流入させるものである。モータ２２は、冷却水バルブ２１を駆動するアクチュエータとしての直流モータである。ポジションセンサ２３は、冷却水バルブ２１の周方向の位置を検出することにより、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２に対する冷却水バルブ２１の開度を検出するものである。水温センサ２４は、冷却水の温度を検出するものである。ＥＣＵ３１は、プロセッサとメモリを備え、エンジン１１に係る各種動作を制御するマイクロコントローラであり、本実施例においては、水温センサ２４及びポジションセンサ２３により検出された冷却水バルブ２１の位置及び冷却水の温度に基づいて、モータ２２の動作を操作するものとする。

上述のような構成により、冷却水は、メイン流路パイプ９１を経由して循環することでラジエータ４１により冷却され、バイパス流路パイプ９３を経由する場合は冷却されずに循環する。また、エンジン冷却システム１は、冷却水バルブ２１の開度により冷却水の循環経路を切り替え、また、メイン流路パイプ９１への冷却水の流入量を制御することによりエンジン１１の温度を制御する。

次に、冷却水バルブとシール部材について説明する。図２は、冷却水バルブとシール部材を示す模式図である。

図２に示すように、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２の冷却水流入口近傍には、それぞれ、その外周を覆うようにシール部材９１ａ，９２ａが設けられている。また、冷却水バルブ２１は、回転軸２１ａを軸として周方向に回転することにより、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２に対する開口部の位置を変更する。この開口部の位置により、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２へそれぞれ流入される冷却水の量が調整される。このような構成において、冷却水バルブ２１とシール部材９１ａ，９２ａとの間でヒステリシスフリクション、スティックスリップなどが発生する。また、開口部の位置によって冷却水バルブ２１とシール部材９１ａ，９２ａとが接する面積が変動し、これにより摩擦係数も変動する。さらに、摩擦係数は、冷却水の温度によっても変動する。また、例えば、微小作動をさせるような場合においては、フリクションに対して冷却水バルブ２１の操作量が十分でないために、冷却水バルブ２１の応答性が悪くなり、状況によっては全く動かないことも考えられる。

次に、ウォームギヤについて説明する。図３は、ウォームギヤを示す模式図である。

図３に示すように、モータ２２による駆動力は、モータ２２の回転軸に設けられたギヤ８１、ギヤ８１に噛み合うギヤ８２、ギヤ８２と同軸上に設けられて一体に回転するギヤ８３、ギヤ８３に噛み合うギヤ８４、ギヤ８４と同軸上に設けられて一体に回転するウォーム８５を介して、ウォーム８５に噛み合うウォームホイール８６に伝達される。また、伝達された駆動力は、冷却水バルブ２１の回転軸２１ａに接続されたウォームホイール８６の回転軸８６ａにより冷却水バルブ２１へ伝達される。このような駆動力の伝達においては、ギヤ間において様々な非線形摩擦が発生する。更に、ウォーム８５とウォームホイール８６により構成されるウォームギヤにおいては、ウォーム８５のねじり角などを要因として方向性を持った非線形摩擦が発生する。つまり、このような非線形摩擦は、冷却水バルブ２１の動作方向によって異なるヒステリシスを発生させる要因となる。

次に、ＥＣＵのハードウェア構成について説明する。図４は、ＥＣＵのハードウェア構成を示すブロック図である。

図４に示すように、ＥＣＵ３１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１１、メモリ３１２、入出力インターフェイス３１３、駆動回路３１４を備える。ＣＰＵ３１１及びメモリ３１２は、協働して冷却水バルブ２１の制御に係る処理を行う。また、入出力インターフェイス３１３はＣＰＵ３１１の入出力に係るインターフェイスであり、ＣＰＵ３１１はこの入出力インターフェイス３１３を介してポジションセンサ２３及び水温センサ２４による検出結果を取得するとともに、入出力インターフェイス３１３を介してモータ２２の操作量に応じた信号を駆動回路３１４に出力する。この駆動回路３１４は、モータ２２をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するＰＷＭ回路であり、入力された信号の大きさに応じてパルス幅のデューティ比を変更することによりモータ２２を駆動する。

次に、バルブ制御装置の機能構成について説明する。なお、本実施の形態において、ＥＣＵ３１がバルブ制御装置として機能するものとする。図５は、バルブ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。なお、以降の説明においては、制御対象を冷却水バルブ２１の開度に限定する。

図５に示すように、バルブ制御装置５は、操作量算出部５１、閾値算出部５２、判断部５３、操作量補正部５４を機能として備える。なお、これらの機能は、上述したＣＰＵ３１１及びメモリ３１２が協働することにより実現されるものとする。

操作量算出部５１は、エンジン１１を目標温度とするために目標とするウォータージャケット１２に対する冷却水の流量である目標流量に基づいて演算される、目標とする冷却水バルブ２１の開度である目標開度の値としての目標値と、フィードバックとしてポジションセンサ２３により検出された冷却水バルブ２１の開度の実測値（現在値）とに基づくＰＩＤ制御によりモータ２２に対する操作量を算出する。なお、本実施の形態において、冷却水バルブ２１の可動域は１９０°とし、モータ２２の駆動に係る分解能を２４０として０．３４４度単位で冷却水バルブ２１の開度を制御するため、冷却水バルブ２１の制御可動域は約８２．６°となる。また、操作量を正方向に増加させた場合に冷却水バルブ２１は開方向に制御されるものとする。また、冷却水バルブ２１の制御は、所定のサンプリング周期でなされるものとする。

閾値算出部５２は、目標値と現在値と所定の設定値に基づいて、閾値を算出する。具体的には、目標値と現在値との制御偏差に対し、０より大きく１より小さい範囲内に設定される係数（例えば０．６）を乗じ、これに現在値を加えた値を閾値として算出する。例えば、目標値が２２０であり、現在値が２１０である場合には、閾値は２１６となる。

判断部５３は、現在値が閾値算出部５２により算出された閾値に達したかどうかを判断する。また、操作量補正部５４は、判断部５３により現在値が閾値に達していないと判断された場合、操作量算出部５１により算出された操作量を補正して出力し、閾値に達していると判断された場合は、操作量算出部５１により算出された操作量をそのまま出力する。なお、操作量補正部５４は、補正した操作量を速度型制御により出力するものとする。

次に、判断処理について説明する。図６は、判断処理の動作を示すフローチャートである。なお、この処理において、操作量は操作量算出部によりすでに算出されているものとする。

図６に示すように、まず、閾値算出部５２は、制御偏差と係数とに基づいて閾値を算出し（Ｓ１０１）、目標値が変更されたか否かを判断する（Ｓ１０２）。

目標値が変更された場合（Ｓ１０２，ＹＥＳ）、閾値算出部５２は、制御偏差と係数とに基づいて閾値を更新する（Ｓ１０３）。

次に、判断部５３は、現在値が閾値に達したかどうかを判断する（Ｓ１０４）。具体的には、判断部５３は、冷却水バルブ２１の動作方向が開方向である場合、つまり制御偏差が正である場合には現在値が閾値以上である場合に閾値に達したと判断し、閉方向である場合、つまり制御偏差が負である場合には現在値が閾値以下である場合に閾値に達したと判断する。

現在値が閾値に達した場合（Ｓ１０４，ＹＥＳ）、操作量補正部５４は、操作量算出部５１により算出された操作量を補正せずに出力し（Ｓ１０５）、その後、閾値算出部５２は、次のサンプルを待機して（Ｓ１０６）、再度、目標値が変更されたか否かを判断する（Ｓ１０２）。

一方、現在値が閾値に達していない場合（Ｓ１０４，ＮＯ）、操作量補正部５４は、後述する操作量補正処理を実行し（Ｓ１０７）、その後、閾値算出部５２は、次のサンプルを待機して（Ｓ１０６）、再度、目標値が変更されたか否かを判断する（Ｓ１０２）。

また、ステップＳ１０２の判断において、目標値が変更されない場合（Ｓ１０２，ＮＯ）、判断部５３は、現在値が閾値に達したかどうかを判断する（Ｓ１０４）。

次に、操作量補正処理について説明する。図７は、操作量補正処理の動作を示すフローチャートである。なお、この操作量補正処理は、上述の判断処理のステップＳ１０７において実行される処理である。また、このフローチャートにおいて、後述する上限値及び下限値には予め所定の初期値が設定されているものとする。

まず、操作量補正部５４は、目標値が変更されたかどうかを判断する（Ｓ２０１）。

目標値が変更された場合（Ｓ２０１，ＹＥＳ）、操作量補正部５４は、上限値及び下限値を算出する（Ｓ２０２）。ここで上限値及び下限値について説明する。上限値は冷却水バルブ２１の動作方向が閉方向である場合に用いられる操作量であり、下限値は開方向である場合に用いられる操作量である。上限値及び下限値は、基本的には動作方向毎に予め個別に設定されるものとし、所定の条件下において、閉方向、開方向に操作量を上げていき、冷却水バルブ２１が動き出す操作量をそれぞれ上限値、下限値とする。ここで所定の条件としては、エンジン１１を駆動中に、最も変動が少なく、安定的に存在する冷却水の温度において、冷却水バルブ２１の開度がその稼動域１９０°の中間位置である９５°にある状態などが挙げられる。

また、上述したように、開口部の位置によって冷却水バルブ２１とシール部材９１ａ，９２ａとが接する面積が変動することにより摩擦係数が変動するため、冷却水バルブ２１の複数の開度に応じた上限値または下限値に乗じる係数を用意し、動作方向毎に予め設定された値とこの係数とに基づいて上限値及び下限値を算出しても良い。つまり、動作方向毎に予め設定された値に対して現在値によるゲインスケジュールを行う。この場合、操作量補正部５４は、目標値が変更されない場合であっても、１サンプル毎に上限値または下限値を算出するものとする。

また、上述したように、摩擦係数は、冷却水の温度によっても変動するため、冷却水の温度として水温センサ２４より取得された複数の値に応じた係数を用意し、動作方向毎に予め設定された値とこの係数とに基づいて上限値及び下限値を算出しても良い。つまり、動作方向毎に予め設定された値に対して冷却水の温度によるゲインスケジュールを行う。なお、このゲインスケジュールを現在値によるゲインスケジュールと組み合わせることも可能である。

このように上限値及び下限値を算出したのち、操作量補正部５４は、冷却水バルブ２１の動作方向が開方向であるか否かを判断する（Ｓ２０３）。

動作方向が開方向である場合（Ｓ２０３，ＹＥＳ）、操作量補正部５４は、操作量算出部５１により算出された操作量が下限値よりも小さいかどうかを判断する（Ｓ２０４）。

操作量が下限値よりも小さい場合（Ｓ２０４，ＹＥＳ）、操作量補正部５４は、操作量算出部５１により算出された操作量を下限値に置き換えることにより補正し（Ｓ２０５）、補正した操作量を出力する（Ｓ２０６）。

一方、操作量が下限値以上である場合（Ｓ２０４，ＮＯ）、操作量補正部５４は、操作量算出部５１により算出された操作量を補正せずに出力する（Ｓ２０６）。

また、ステップＳ２０３の判断において、動作方向が閉方向である場合（Ｓ２０３，ＮＯ）、操作量補正部５４は、操作量算出部５１により算出された操作量が上限値よりも大きいかどうかを判断する（Ｓ２０７）。

操作量が上限値よりも大きい場合（Ｓ２０７，ＹＥＳ）、操作量補正部５４は、操作量算出部５１により算出された操作量を上限値に置き換えることにより補正し（Ｓ２０８）、補正した操作量を出力する（Ｓ２０６）。

一方、操作量が上限値以下である場合（Ｓ２０７，ＮＯ）、操作量補正部５４は、操作量算出部５１により算出された操作量を補正せずに出力する（Ｓ２０６）。

また、ステップＳ２０１の判断において、目標値が変更されていない場合（Ｓ２０１，ＮＯ）、操作量補正部５４は、冷却水バルブ２１の動作方向が開方向であるか否かを判断する（Ｓ２０３）。

以上説明したように、本実施の形態に係るバルブ制御装置５によれば、冷却水バルブ２１の開度が閾値に達していない場合にのみ、開方向の操作量に対する下限値、閉方向の操作量に上限値を設定することにより、不感帯を補償しつつ、オーバーシュートまたはアンダーシュートを低減することができる。

また、下限値と上限値をそれぞれ個別に設定することにより、ウォームギヤによる方向性を持った非線形摩擦に起因する不感帯に対して、冷却水バルブ２１の開方向、閉方向への制御に係る応答性を向上させることができる。

また、現在値によるゲインスケジュールに基づいて上限値及び下限値を算出することにより、冷却水バルブ２１とシール部材９１ａ，９２ａとが接する面積の変動によって生じる摩擦係数の変動に対応することができる。また、冷却水の温度によるゲインスケジュールに基づいて上限値及び下限値を算出することにより、冷却水の温度によって生じるシール部材９１ａ，９２ａの特性の変動に起因する摩擦係数の変動に対応することができる。

なお、本実施の形態において、バルブ制御装置５の制御対象を冷却水バルブ２１としたが、バルブ制御装置５は、少なくとも、不感帯があり、微小動作においても高い応答性が求められるバルブであれば適用可能である。

本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。

１ エンジン冷却システム、５ バルブ制御装置、１１ エンジン、１２ ウォータージャケット、１３ ウォーターポンプ、２１ 冷却水バルブ、２２ モータ、２３ ポジションセンサ、２４ 水温センサ、３１ ＥＣＵ、４１ ラジエータ、４２ ヒータ、４３ スロットル、５１ 操作量算出部、５２ 閾値算出部、５３ 判断部、５４ 操作量補正部、８１〜８４ ギヤ、８５ ウォーム、８６ ウォームホイール、９１ メイン流路パイプ、９１ａ シール部材、９２ サブ流路パイプ、９２ａ シール部材、９３ バイパス流路パイプ、３１１ ＣＰＵ、３１２ メモリ、３１３ 入出力インターフェイス、３１４ 駆動回路。

Claims (4)

1. バルブを正方向または負方向に駆動する駆動装置を制御するバルブ制御装置であって、
   前記バルブの開度の目標値と前記バルブの開度の実測値との偏差に基づいて前記駆動装置の操作量を算出する操作量算出部と、
   前記偏差と所定の係数とに基づいて閾値を算出する閾値算出部と、
   前記偏差が正の場合に前記実測値が前記閾値以上か否か、前記偏差が負の場合に前記実測値が前記閾値以下か否かを判断する判断部と、
   前記判断部により前記偏差が正の場合に前記実測値が前記閾値以上でないと判断され、前記操作量が所定の下限値より小さい場合、前記操作量を前記所定の下限値に補正し、前記判断部により前記偏差が負の場合に前記実測値が前記閾値以下でないと判断され、前記操作量が所定の上限値より大きい場合、前記操作量を前記所定の上限値に補正する操作量補正部と
   を備えるバルブ制御装置。
2. 前記所定の下限値は、前記バルブが正方向に動き始める操作量に基づく値であり、前記所定の上限値は、前記バルブが負方向に動き始める操作量に基づく値であることを特徴とする、
   請求項１に記載のバルブ制御装置。
3. 前記所定の下限値は、前記バルブが正方向に動き始める操作量を前記実測値によりゲインスケジュールした値であり、前記所定の上限値は、前記バルブが負方向に動き始める操作量を前記実測値によりゲインスケジュールした値であることを特徴とする、
   請求項２に記載のバルブ制御装置。
4. 前記バルブは、冷却水の流量を調節するものであり、
   前記所定の下限値は、前記バルブが正方向に動き始める操作量に基づく値を前記冷却水の流量によりゲインスケジュールした値であり、前記所定の上限値は、前記バルブが負方向に動き始める操作量に基づく値を前記冷却水の流量によりゲインスケジュールした値であることを特徴とする、
   請求項２または請求項３に記載のバルブ制御装置。

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