JP6223283B2 - バルブ制御装置およびバルブ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動源が回転機（例えば、ブラシレスＤＣモータ）であるバルブ機構（例えば、電子スロットルまたは排気ガス再循環システムに用いられるバルブ）の動作を制御するバルブ制御装置およびバルブ制御方法に関するものである。

従来技術として、スロットル弁の開度指令信号と実開度を検出するセンサ出力とに基づいてスロットル弁開閉制御用の直流モータに印加すべき電圧を求める制御手段と、制御手段の出力である印加電圧をＰＷＭ信号のデューティ比に変換する電圧／デューティ変換手段とを有する電子制御スロットルの制御装置がある（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献１に記載の電子制御スロットルの制御装置においては、電圧／デューティ変換手段は、駆動回路に入力するＰＷＭ信号のデューティ比に対して駆動回路から出力してモータに印加される電圧の非直線特性を直線特性に変換し、モータ印加電圧をＰＷＭ信号のデューティ比に変換することで、非直線特性を補償して応答性を向上させている。

特開２００２−５４４８５号公報（３頁１８〜３２行、図６）

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
特許文献１に記載の従来技術では、位置偏差（開度指令信号と実開度との偏差）が零になるように電圧指令を生成する電圧制御である。したがって、モータの特性または機械系の特性に起因した電流応答遅れまたは位置応答遅れによって、位置応答を高応答化することができないという問題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、バルブ機構の位置応答特性を向上させ、位置応答の高応答化が可能となるバルブ制御装置およびバルブ制御方法を得ることを目的とする。

本発明におけるバルブ制御装置は、駆動源が回転機であるバルブ機構の動作を制御するバルブ制御装置であって、バルブ機構の実位置に対応する検出開閉位置を検出する開閉位置検出部と、目標開閉位置と、検出開閉位置と、バルブ機構の機械定数とを入力として、駆動指令を演算する電圧指令演算部と、駆動指令にしたがって、回転機に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、電圧指令演算部は、入力された機械定数を用いて構成された、目標開閉位置から第一の指令までの伝達関数にしたがって、入力された目標開閉位置に対応する第一の指令を演算する第一の演算部と、目標開閉位置と検出開閉位置との偏差に基づいて、第二の指令を演算する第二の演算部と、第一の指令と第二の指令との和と、検出開閉位置とに基づいて、駆動指令を演算する第三の演算部と、を有するものである。

また、本発明におけるバルブ制御方法は、駆動源が回転機であるバルブ機構の動作を制御するバルブ制御装置によって実行されるバルブ制御方法であって、バルブ機構の実位置に対応する検出開閉位置を検出する開閉位置検出ステップと、目標開閉位置と、検出開閉位置と、バルブ機構の機械定数とを入力として、駆動指令を演算する電圧指令演算ステップと、駆動指令にしたがって、回転機に電圧を印加する電圧印加ステップと、を備え、電圧指令演算ステップでは、入力された機械定数を用いて構成された、目標開閉位置から第一の指令までの伝達関数にしたがって、入力された目標開閉位置に対応する第一の指令を演算するステップと、目標開閉位置と検出開閉位置との偏差に基づいて、第二の指令を演算するステップと、第一の指令と第二の指令との和と、検出開閉位置とに基づいて、駆動指令を演算するステップと、を有するものである。

本発明によれば、バルブ機構の機械定数を考慮して、バルブ機構の駆動源である回転機に電圧を印加する電圧印加部に対して出力する駆動指令を演算することにより、位置応答特性を向上させ、位置応答の高応答化が可能となるバルブ制御装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるバルブ制御装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における開閉位置検出部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における電圧指令演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における電圧指令演算部の第一の演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における電圧指令演算部の第二の演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における電圧指令演算部の第三の演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における電圧指令演算部の第三の演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における第三の演算部の電圧指令演算器の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３におけるバルブ制御装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３における開閉位置検出部の構成を示すブロック図である。

本発明は、バルブ機構の開弁方向または閉弁方向に付与されるリターントルクと対向に駆動トルクを付与する駆動源の制御によって、リターントルクと駆動トルクとのバランスでバルブ機構を開閉制御する制御装置に適用可能である。以下、本発明によるバルブ制御装置およびバルブ制御方法を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
本実施の形態１におけるバルブ制御装置について、図１、図２を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるバルブ制御装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１における開閉位置検出部３００の構成を示すブロック図である。

図１における制御システムは、電圧指令演算部１、電圧印加部１００および開閉位置検出部３００を有するバルブ制御装置と、回転機２００と、バルブ機構４００とを備える。

電圧指令演算部１には、位置指令である目標開閉位置θ^＊と、バルブ機構４００の実位置に対応する検出開閉位置と、バルブ機構の機械定数５０（以降では、機械定数５０と略す）とが入力される。また、機械定数５０は、あらかじめ規定されるものであり、この機械定数５０を電圧指令演算部１に入力しておくことで、後述する伝達関数Ｇ_ｆｆ１（ｓ）が一意的に定まる。また、電圧指令演算部１は、目標開閉位置θ^＊に対して検出開閉位置が追従するように、駆動指令を電圧印加部１００に出力する。

電圧印加部１００は、電圧指令演算部１から入力された駆動指令に対応した電圧を回転機２００に出力する。具体的には、電圧印加部１００は、駆動指令に基づいて、ＰＷＭ方式でパワー素子（図示せず）をスイッチングする。なお、電圧印加部１００としては、例えば、インバータを用いる。

回転機２００は、電圧印加部１００から入力された電圧にしたがって駆動制御され、バルブ機構４００に対して駆動トルクを与えることで、バルブ機構４００を駆動する。なお、回転機２００としては、例えば、ブラシレスＤＣモータを用いる。

開閉位置検出部３００は、駆動制御中の回転機２００の回転角（回転機２００の回転軸の角度）を検出することで、バルブ機構４００の実位置に対応する検出開閉位置を検出し、電圧指令演算部１に出力する構成となっている。

具体的には、開閉位置検出部３００を図２に示すような構成とすればよい。すなわち、図２に示すように、開閉位置検出部３００は、回転機２００の電気角θ_ｅおよび機械角θ_ｍを、検出開閉位置として電圧指令演算部１に出力する。なお、電気角θ_ｅは、検出器３１０によって検出される。また、この電気角θ_ｅを回転機２００の極対数ｐで除算することで、機械角θ_ｍ（＝θ_ｅ／ｐ）が演算される。

このように、開閉位置検出部３００は、回転機２００の回転角を検出することで、バルブ機構４００の実位置を検出開閉位置として間接的に検出していることとなる。したがって、回転機２００の回転角のみを制御に用いて、バルブ機構４００の実位置が目標開閉位置θ^＊になるように制御することができる。

バルブ機構４００には、付勢手段としてスプリング（図示せず）が連結されており、例えば、スプリングによるリターントルクがバルブの閉弁方向に作用するようにあらかじめスプリングにはプレロードが与えられているものとする。一方、回転機２００には、回転機２００の回転軸と連動した動力伝達機構（例えば歯車列、図示せず）を介してスプリングと連結されており、バルブが閉弁動作する際には、プレロードによるトルク（リターントルク）でバルブが機械端に押し当てられた状態となる。

次に、本実施の形態１におけるバルブ制御装置の電圧指令演算部１について、図３〜図６を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態１における電圧指令演算部１の構成を示すブロック図である。図４は、本発明の実施の形態１における電圧指令演算部１の第一の演算部１０の構成を示すブロック図である。図５は、本発明の実施の形態１における電圧指令演算部１の第二の演算部２０の構成を示すブロック図である。図６は、本発明の実施の形態１における電圧指令演算部１の第三の演算部３０の構成を示すブロック図である。

図３において、電圧指令演算部１は、第一の演算部１０と、第二の演算部２０と、第三の演算部３０とを有する。

第一の演算部１０は、目標開閉位置θ^＊および機械定数５０を入力として、フィードフォワード制御にしたがって第一の指令を第三の演算部３０に出力する。また、第二の演算部２０は、目標開閉位置θ^＊および検出開閉位置を入力として、目標開閉位置θ^＊と検出開閉位置との偏差に基づくフィードバック制御にしたがって第二の指令を第三の演算部３０に出力する。

第三の演算部３０は、検出開閉位置と、第一の指令および第二の指令とを入力として、駆動指令を電圧印加部１００に出力する。

続いて、第一の演算部１０、第二の演算部２０および第三の演算部３０の具体的な構成について説明する。

図４において、第一の演算部１０は、第一の制御器１５から構成されている。また、第一の演算部１０は、第一の制御器１５の伝達関数として、目標開閉位置θ^＊から第一の指令までの伝達関数Ｇ_ｆｆ１（ｓ）を用いて、目標開閉位置θ^＊および機械定数５０に基づいて、第一の指令を第三の演算部３０に出力する。

ここで、回転機２００に流れる電流から開閉位置検出部３００が出力する検出開閉位置までの動特性（θ_ｍ（ｓ）／Ｉ（ｓ））は、式（１）で与えられる。

なお、式（１）のｓはラプラス演算子、Ｊはモータ軸換算の慣性モーメント、ｃはモータ軸換算の粘性係数、ｋはモータ軸換算のばね定数、Ｋ_ｅはトルク定数である。また、慣性モーメントＪ、粘性係数ｃ、ばね定数ｋおよびトルク定数Ｋ_ｅから構成される機械定数５０は、全て設計値としてあらかじめ得られる（規定される）ものである。さらに、トルク定数Ｋ_ｅは、ブラシレスＤＣモータをブラシ付きＤＣモータに等価換算した値である。また、式（１）の最右辺のＫ_１１、Ｔ_１１、Ｔ_１２は、慣性モーメントＪ、粘性係数ｃ、ばね定数ｋおよびトルク定数Ｋ_ｅの設計値より得られる係数である。

したがって、第一の制御器１５の伝達関数Ｇ_ｆｆ１（ｓ）は、式（１）の逆数、すなわち、式（２）で与えられる。

このように、第一の制御器１５を構成することで、第一の指令として、目標開閉位置θ^＊を実現するために必要な第一の電流指令を得ることができる。すなわち、第一の制御器１５の伝達関数として、目標開閉位置θ^＊から第一の電流指令までの伝達関数Ｇ_ｆｆ１（ｓ）を構成することで、入力された目標開閉位置θ^＊に対応する第一の電流指令を得ることができる。なお、式（２）の分子の時間微分の演算には、前進差分、後退差分、疑似微分などが利用できる。

また、モータの特性または機械系の特性を表す機械定数５０を用いて伝達関数Ｇ_ｆｆ１（ｓ）を構成することで、バルブ機構４００の数学モデルをフィードフォワード制御に利用することができ、位置応答特性を向上させることができる。

図５において、第二の演算部２０は、第二の制御器２１、第三の制御器２２および第四の制御器２３から構成されている。

例えば、これらの制御器の構成として、第二の制御器２１をＰＩ制御器（伝達関数：Ｋ_ｐ＋Ｋ_ｉ／ｓ）、第三の制御器２２を疑似微分器（伝達関数：Ｔ_ｄｓ／（１＋Ｔ_ｄｓ））、第四の制御器２３を定数（伝達関数：Ｋｄ）とした微分先行型ＰＩＤ制御系とする。

このように第二の制御器２１、第三の制御器２２および第四の制御器２３を構成することで、第二の指令として、外乱による検出開閉位置の変動を抑制しつつ目標開閉位置θ^＊に追従させるための第二の電流指令を得ることができる。すなわち、第二の演算部２０におけるフィードバック制御によって、バルブ機構４００の外乱要因が抑圧されるので、外乱抑圧特性を向上させることができる。

なお、第二の演算部２０内の各制御器の構成については、上述した例に限定されず、例えば、第二の制御器２１をＰＩＤ制御器（伝達関数：Ｋ_ｐ＋Ｋ_ｉ／ｓ＋Ｋ_ｄｓ）、第三の制御器２２を０、第四の制御器２３を１としたＰＩＤ制御としてもよい。このように、第二の演算部２０内の各制御器の構成については、目標開閉位置θ^＊と検出開閉位置との偏差に応じて第二の指令を演算する構成であれば、どのような構成であってもよい。

図６において、第三の演算部３０は、速度演算器３１、電圧指令演算器３２、座標変換器３３および飽和器３４から構成されている。

速度演算器３１は、入力された検出開閉位置に基づいて、電気角速度ω_ｅを演算して、電圧指令演算器３２に出力する。

ここで、速度演算器３１による電気角速度ω_ｅの具体的な演算は、式（３）で与えられる。

なお、式（３）のＴはフィルタ時定数である。

電圧指令演算器３２は、入力された第一の指令および第二の指令の和と、入力された電気角速度ω_ｅとに基づいて、回転二軸の電圧指令を演算する。換言すると、電圧指令演算器３２は、第一の指令および第二の指令の和である電流指令（具体的には、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊）と、電気角速度ω_ｅとに基づいて、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を演算して、座標変換器３３に出力する。

このように、電圧指令演算器３２は、回転二軸の電圧指令を演算する際に、第一の指令と第二の指令とを併せて考慮している。具体的には、電圧指令演算器３２は、第二の指令を第一の指令に加算している。したがって、第一の演算部１０におけるフィードフォワード制御と、第二の演算部２０におけるフィードバック制御とを併用することとなるので、目標値応答特性および外乱抑圧特性の両方を向上させることができる。

ここで、電圧指令演算器３２によるｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊の具体的な演算は、式（４）で与えられる。

なお、式（４）のＲ_ａはｄｑ軸抵抗、Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑはｄｑ軸インダクタンス、φは誘起電圧定数であり、これらは、回転機２００の仕様で決まる定数である。また、式（４）のＴ_ｃはローパスフィルタの時定数であり、式（４）においては、ｄ軸実電流ｉ_ｄおよびｑ軸実電流ｉ_ｑをｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊への一次ローパスフィルタ特性に追従させることを意味している。また、ここでは、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊を零としている。

また、式（４）を展開すると、式（５）が得られる。

さらに、電流指令に対して即座に追従する理想的な電流応答を得ることを考慮して時定数Ｔ_ｃを零とする場合、式（５）から式（６）が得られる。

座標変換器３３は、入力されたｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を、検出開閉位置を利用して、駆動指令である三相電圧指令（ｕ相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、ｖ相電圧指令Ｖ_ｖ ^＊およびｗ相電圧指令Ｖ_ｗ ^＊）に変換する。

ここで、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊が、例えば、ステップ状に変化すると、式（６）におけるｓＬ_ｑｉ_ｑ ^＊の項が微分作用で急峻に変化し、三相電圧指令が回転機２００の出力電圧範囲を超える。その結果、この出力電圧範囲を超えた時間範囲で電流応答が劣化する。そこで、回転機２００の実使用電圧範囲内で三相電圧指令を生成するために、飽和器３４が設けられている。すなわち、飽和器３４で電圧の上下限値を制限することで、三相電圧指令の超過を防ぎ、電流応答の劣化を抑制することができる。

このように、第三の演算部３０においては、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に対して、実際のｑ軸電流であるｑ軸実電流ｉ_ｑが時定数Ｔ_ｃで追従するように構成されている。この結果、目標開閉位置θ^＊を実現するための三相電圧指令を応答遅れなく演算し、バルブ機構の位置応答を高速化することができる。

以上、本実施の形態１によれば、バルブ機構の機械定数を用いて構成された、目標開閉位置θ^＊から第一の指令（具体的には、第一の電流指令）までの伝達関数（Ｇ_ｆｆ１（ｓ））にしたがって、入力された目標開閉位置θ^＊に対応する第一の指令を演算する。また、目標開閉位置と検出開閉位置との偏差に基づいて、第二の指令（具体的には、第二の電流指令）を演算する。

さらに、第一の指令と第二の指令との和と、検出開閉位置とに基づいて、駆動指令を演算する。より具体的には、第一の指令と第二の指令との和と、検出開閉位置に対応した電気角速度とに基づいて、回転二軸の電圧指令を演算するとともに、検出開閉位置に基づいて、回転二軸の電圧指令に対応した三相電圧指令を駆動指令として演算する。

これにより、モータの特性または機械系の特性を表す機械定数を用いて伝達関数（Ｇ_ｆｆ１（ｓ））が構成されているので、バルブ機構の数学モデルをフィードフォワード制御に利用することができ、位置応答特性を向上させることができる。

また、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを併用してバルブ機構を制御することとなるので、目標値応答特性および外乱抑圧特性の両方を向上させることができる。さらに、目標値応答特性および外乱抑圧の向上を両立した三相電圧指令を駆動指令として演算することができる。

なお、本実施の形態１では、電圧指令演算器３２におけるローパスフィルタの時定数Ｔ_ｃを零として設定する場合を例示したが、零以外の任意の値として設定してもよい。この場合、急峻なｑ軸電流指令に対して、設定した時定数での滑らかなｑ軸電流応答を得ることができるので、電圧飽和を抑えつつ高速な位置応答を得ることができる。

また、速度演算器３１におけるフィルタ時定数Ｔを速度に応じて可変とすることで、検出開閉位置が離散的な信号であっても、この信号の微分で発生する速度の振動的な挙動を抑制し、速度を高精度に演算することができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、第一の指令と第二の指令との和が電流指令となるように電圧指令演算部１を構成した場合について説明した。これに対して、本発明の実施の形態２では、第一の指令と第二の指令との和が電圧指令となるように電圧指令演算部１を構成する場合について説明する。

図７は、本発明の実施の形態２における電圧指令演算部１の第三の演算部３０Ａの構成を示すブロック図である。図７において、第三の演算部３０Ａは、検出開閉位置と、第一の指令および第二の指令とを入力として、駆動指令を電圧印加部１００に出力する。

続いて、第三の演算部３０Ａに入力される第一の指令および第二の指令について説明する。

本実施の形態２では、第一の演算部１０は、第一の制御器１５から構成されているが、第一の制御器１５の伝達関数が先の実施の形態１と異なるように構成されている。すなわち、第一の演算部１０は、第一の制御器１５の伝達関数として、伝達関数Ｇ_ｆｆ１（ｓ）の代わりに後述する伝達関数Ｇ_ｆｆ２（ｓ）を用いて、目標開閉位置θ^＊および機械定数５０に基づいて、第一の指令を第三の演算部３０Ａに出力する。

ここで、回転機２００へ入力する電圧から開閉位置検出部３００が出力する検出開閉位置までの動特性（θ_ｍ（ｓ）／Ｖ（ｓ））は、式（７）で与えられる。

なお、式（７）のｓはラプラス演算子、Ｊはモータ軸換算の慣性モーメント、ｃはモータ軸換算の粘性係数、ｋはモータ軸換算のばね定数、Ｋ_ｅはトルク定数、Ｒは巻き線抵抗、Ｌは巻き線インダクタンスである。また、慣性モーメントＪ、粘性係数ｃ、ばね定数ｋ、トルク定数Ｋ_ｅ、抵抗ＲおよびインダクタンスＬから構成される機械定数５０は、全て設計値としてあらかじめ得られる（規定される）ものである。さらに、トルク定数Ｋ_ｅ、抵抗ＲおよびインダクタンスＬは、ブラシレスＤＣモータをブラシ付きＤＣモータに等価換算した値である。

ラプラス演算子ｓの多項式で示される式（７）の分母の多項式係数において、最高次の係数ＪＬ／Ｋ_ｅ ^２は他の多項式係数と比較して十分小さく、また、それ以外の多項式係数において、
ＲＪ＞＞ｃＬ
Ｋ_ｅ ^２＞＞ｋＬ＋ｃＲ
とした場合、式（７）は、式（８）のように近似することができる。

また、式（８）の最右辺のＫ_２１、Ｔ_２１、Ｔ_２２は、慣性モーメントＪ、ばね定数ｋ、トルク定数Ｋ_ｅ、抵抗Ｒの設計値より得られる係数である。

したがって、本実施の形態２では、第一の制御器１５の伝達関数Ｇ_ｆｆ２（ｓ）は、式（８）の逆数、すなわち、式（９）で与えられる。

このように、第一の制御器１５を構成することで、第一の指令として、目標開閉位置θ^＊を実現するために必要な第一の電圧指令を得ることができる。すなわち、第一の制御器１５の伝達関数として、目標開閉位置θ^＊から第一の電圧指令までの伝達関数Ｇ_ｆｆ２（ｓ）を構成することで、入力された目標開閉位置θ^＊に対応する第一の電圧指令を得ることができる。なお、式（９）の分子の時間微分の演算には、前進差分、後退差分、疑似微分などが利用できる。

本実施の形態２では、第二の演算部２０は、先の実施の形態１と同様に、第二の制御器２１、第三の制御器２２および第四の制御器２３から構成されているが、第二の指令が第二の電圧指令に相当する。したがって、各制御器の伝達関数の係数が異なるように構成されている。

続いて、第三の演算部３０Ａについて説明する。図７に示すように、第三の演算部３０Ａは、電圧指令演算器３２Ａおよび飽和器３４から構成されている。また、第三の演算部３０Ａに入力される第一の指令および第二の指令は、それぞれ電圧指令のデューティ値、すなわち、電圧印加部１００の電源電圧に対する電圧指令の比率に相当する。具体的には、例えば、電源電圧をＶ_ｄｄ、第一の指令をＶ_１、第二の指令をＶ_２とした場合、電圧指令のデューティ値は、（Ｖ_１＋Ｖ_２）／Ｖ_ｄｄで表現される。

また、第三の演算部３０Ａに入力される検出開閉位置の分解能は、先の図２に示す回転機２００に設けられている検出器３１０の分解能に依存する。また、この分解能が電気角で６０度または３０度の離散的な値の場合、検出開閉位置に基づいてｓｉｎ関数またはｃｏｓ関数のような三角関数を含む座標変換を演算するには演算負荷が大きい。

そこで、本実施の形態２では、電圧指令演算器３２Ａは、図８のような構成となっている。図８は、本発明の実施の形態２における第三の演算部３０Ａの電圧指令演算器３２Ａの構成を示すブロック図である。図８において、電圧指令演算器３２Ａは、電圧ベクトル演算器３６および積算器３７から構成されている。

また、電圧ベクトル演算器３６は、ｕ相、ｖ相、ｗ相の電圧ベクトルの組み合わせと、検出開閉位置との関連付けを、テーブルとしてあらかじめ含むように構成されている。電圧指令演算器３２Ａは、電圧ベクトル演算器３６のテーブルから、入力された検出開閉位置に対応した電圧ベクトルの組み合わせを抽出し、積算器３７に出力する。

ここで、例えば、テーブル内の電圧ベクトルの組み合わせ総数について、電気角分解能が６０度の場合には６個とし、電気角分解能が３０度の場合には１２個とする。すなわち、電気角分解能をΔθ_ｅとすれば、電圧ベクトルの組み合わせ総数は、３６０／Δθ_ｅで定まる。

また、積算器３７は、第一の指令および第二の指令の和である電圧指令（具体的には、電圧指令のデューティ値）と、電圧ベクトルとを積算することで、ｕ相、ｖ相、ｗ相の各相に電圧を印加するための三相電圧指令（ｕ相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、ｖ相電圧指令Ｖ_ｖ ^＊およびｗ相電圧指令Ｖ_ｗ ^＊）を駆動指令として出力する。このように構成することで、目標開閉位置θ^＊を実現するための三相電圧指令を応答遅れなく演算し、バルブ機構の位置応答を高速化することができる。ここで、飽和器３４は、ｕ相、ｖ相、ｗ相の各相に対する電圧指令のデューティ値を制限する。

以上、本実施の形態２によれば、バルブ機構の機械定数を用いて構成された、目標開閉位置θ^＊から第一の指令（具体的には、第一の電圧指令）までの伝達関数（Ｇ_ｆｆ２（ｓ））にしたがって、入力された目標開閉位置θ^＊に対応する第一の指令を演算する。また、目標開閉位置と検出開閉位置との偏差に基づいて、第二の指令（具体的には、第二の電圧指令）を演算する。

さらに、第一の指令と第二の指令との和と、検出開閉位置とに基づいて、駆動指令を演算する。より具体的には、電圧ベクトルと検出開閉位置とを関連付けたテーブルから、入力された検出開閉位置に対応した電圧ベクトルを抽出し、抽出された電圧ベクトルと、第一の指令と第二の指令との和とに基づいて、三相電圧指令を駆動指令として演算する。

これにより、先の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、座標変換器が不要となるので、演算負荷を簡素化することができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、開閉位置検出部３００が回転機２００の回転角を検出することで、検出開閉位置を検出する場合について説明した。これに対して、本発明の実施の形態３では、開閉位置検出部３００Ａがバルブ機構４００のバルブ回転軸の角度（バルブ機構の回転角）を検出することで、検出開閉位置を検出する場合について説明する。

図９は、本発明の実施の形態３におけるバルブ制御装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。ここで、図９に示すように、本実施の形態３では、先の実施の形態１、２と比べて、開閉位置検出部３００Ａがバルブ機構４００側に設けられている点が異なり、それ以外の構成は同じである。

図１０は、本発明の実施の形態３における開閉位置検出部３００Ａの構成を示すブロック図である。ここで、開閉位置検出部３００Ａは、駆動制御中のバルブ機構４００の回転角を検出することで、バルブ機構４００の実位置に対応する検出開閉位置を検出し、電圧指令演算部１に出力する構成となっている。

具体的には、開閉位置検出部３００Ａを図１０に示すような構成とすればよい。すなわち、図１０に示すように、開閉位置検出部３００Ａは、検出器３１０Ａによって検出されたバルブ機構４００の回転角に対して、バルブ機構４００の動力伝達機構（例えばギア、図示せず）の減速比η（＞１）を乗算することで機械角θ_ｍを演算する。また、この機械角θ_ｍに対して、極対数ｐを乗算することで電気角θ_ｅ（＝θ_ｍ×ｐ）を演算する。

したがって、バルブ機構４００の回転角のみを制御に用いて、バルブ機構４００の実位置が目標開閉位置θ^＊になるように制御することができる。

以上、本実施の形態３によれば、開閉位置検出部がバルブ機構の回転角を検出することで、検出開閉位置を演算する（検出する）ように構成する。これにより、開閉位置検出部から検出開閉位置が電圧指令演算部に入力されるので、先の実施の形態１、２と同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態１〜３において、機械定数５０として摩擦係数をさらに考慮してもよい。この場合、目標開閉位置θ^＊を時間微分した速度の正負で±１を出力する符号関数に摩擦係数を乗算して勘案する。この乗算結果は、摩擦トルクとして表現される。この摩擦トルクをトルク定数Ｋ_ｅで除算することで摩擦トルク相当の電流が得られ、この電流を抵抗Ｒ_ａで除算することで摩擦トルク相当の電圧が得られる。また、第一の指令が電流であれば、摩擦トルク相当の電流を第一の指令に加算する。一方、第一の指令が電圧であれば、摩擦トルク相当の電圧を第一の指令に加算する。

また、本実施の形態１〜３では、機械定数５０の構成要素を具体的に例示したが、これに限定されず、慣性モーメント、粘性係数、ばね定数、および摩擦係数の少なくとも１つ以上を用いて機械定数５０を構成してもよい。この場合、慣性モーメント、粘性係数、ばね定数、および摩擦係数の少なくとも１つ以上を用いて構成される機械定数５０を用いて、伝達関数（Ｇ_ｆｆ１（ｓ）、Ｇ_ｆｆ２（ｓ））が構成されることとなる。

１ 電圧指令演算部、１０ 第一の演算部、１５ 第一の制御器、２０ 第二の演算部、２１ 第二の制御器、２２ 第三の制御器、２３ 第四の制御器、３０、３０Ａ 第三の演算部、３１ 速度演算器、３２、３２Ａ 電圧指令演算器、３３ 座標変換器、３４ 飽和器、３６ 電圧ベクトル演算器、３７ 積算器、５０ バルブ機構の機械定数、１００ 電圧印加部、２００ 回転機、３００、３００Ａ 開閉位置検出部、３１０、３１０Ａ 検出器、４００ バルブ機構。

Claims (7)

1. 駆動源が回転機であるバルブ機構の動作を制御するバルブ制御装置であって、
   前記バルブ機構の実位置に対応する検出開閉位置を検出する開閉位置検出部と、
   目標開閉位置と、前記検出開閉位置と、前記バルブ機構の機械定数とを入力として、駆動指令を演算する電圧指令演算部と、
   前記駆動指令にしたがって、前記回転機に電圧を印加する電圧印加部と、
   を備え、
   前記電圧指令演算部は、
   入力された前記機械定数を用いて構成された、前記目標開閉位置から第一の指令までの伝達関数にしたがって、入力された前記目標開閉位置に対応する前記第一の指令を演算する第一の演算部と、
   前記目標開閉位置と前記検出開閉位置との偏差に基づいて、第二の指令を演算する第二の演算部と、
   前記第一の指令と前記第二の指令との和と、前記検出開閉位置とに基づいて、前記駆動指令を演算する第三の演算部と、
   を有するバルブ制御装置。
2. 請求項１に記載のバルブ制御装置において、
   前記第三の演算部は、
   前記検出開閉位置を電気角速度に変換する速度演算器と、
   前記第一の指令と前記第二の指令との和と、前記電気角速度とに基づいて、回転二軸の電圧指令を演算する電圧指令演算器と、
   前記検出開閉位置に基づいて、前記回転二軸の電圧指令に対応した三相電圧指令を前記駆動指令として演算する座標変換器と、
   を有するバルブ制御装置。
3. 請求項１に記載のバルブ制御装置において、
   前記第三の演算部は、
   電圧ベクトルと前記検出開閉位置との関連付けを、テーブルとしてあらかじめ含むように構成された電圧指令演算器を有し、
   前記電圧指令演算器は、
   入力された前記検出開閉位置に対応した前記電圧ベクトルを前記テーブルから抽出し、抽出された前記電圧ベクトルと、前記第一の指令と前記第二の指令との和とに基づいて、三相電圧指令を前記駆動指令として演算する
   バルブ制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のバルブ制御装置において、
   前記開閉位置検出部は、
   前記回転機の回転角を検出することで、前記検出開閉位置を検出する
   バルブ制御装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載のバルブ制御装置において、
   前記開閉位置検出部は、
   前記バルブ機構の回転角を検出することで、前記検出開閉位置を検出する
   バルブ制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のバルブ制御装置において、
   前記機械定数は、慣性モーメント、粘性係数、ばね定数、および摩擦係数の少なくとも１つ以上を用いて構成されている
   バルブ制御装置。
7. 駆動源が回転機であるバルブ機構の動作を制御するバルブ制御装置によって実行されるバルブ制御方法であって、
   前記バルブ機構の実位置に対応する検出開閉位置を検出する開閉位置検出ステップと、
   目標開閉位置と、前記検出開閉位置と、前記バルブ機構の機械定数とを入力として、駆動指令を演算する電圧指令演算ステップと、
   前記駆動指令にしたがって、前記回転機に電圧を印加する電圧印加ステップと、
   を備え、
   前記電圧指令演算ステップでは、
   入力された前記機械定数を用いて構成された、前記目標開閉位置から第一の指令までの伝達関数にしたがって、入力された前記目標開閉位置に対応する前記第一の指令を演算するステップと、
   前記目標開閉位置と前記検出開閉位置との偏差に基づいて、第二の指令を演算するステップと、
   前記第一の指令と前記第二の指令との和と、前記検出開閉位置とに基づいて、前記駆動指令を演算するステップと、
   を有するバルブ制御方法。

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