JP7226093B2

JP7226093B2 - 電動ｖｃｔの制御装置

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Publication number: JP7226093B2
Application number: JP2019096781A
Authority: JP
Inventors: 義基加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: US20200370451A1; US11421564B2; JP2020190239A

Description

本発明は、電動ＶＣＴの制御装置に関する。

従来の油圧式ＶＣＴ（Variable Cam Timing）は、周囲環境が低温時においてカム位相を目標位相に制御する際の応答性が悪いという課題があることから、本出願人は、この課題を解決するために電動ＶＣＴを開発して提供している。電動ＶＣＴは、周囲環境が低温時であってもモータの回転数を制御することによりカム位相を目標位相に応答性良く制御できるので、出力や燃費の向上、排気エミッションの低減を図ることができる。

特開２００８－８６１１１号公報

電動ＶＣＴでは、次回のエンジン始動に備えてエンジンを停止してからカムシャフトが停止するまでの間に最適なカム位相となるようにモータの回転数を制御するようにしている。
しかしながら、電動ＶＣＴで使用されているモータはエンジン停止中のカム位相の保持性を向上させるためにコギングトルクが意図的に大きくなる設計をしている。このため、モータの歩進回転状態ではコギングトルクの影響を受けて制御性が悪いことから、エンジン停止状態でのカム位相が目標位相に対して偏差を生じてしまうことがある。この偏差はコギングトルクの山をモータの回転トルクが越えられないことが原因で発生する。

このような課題に対して、エンジン停止状態で、特許文献１に示されるようなＰＷＭ制御や速度のＰＩ制御やＰ制御により目標位相との偏差をなくすことは可能である。
しかしながら、電動ＶＣＴは機械的なストッパである最進角端と最遅角端とを有する構造となっていることから、カム位相の偏差の修正時に最進角端や最遅角端に機械的に衝突させた制御となり、大きな衝撃が発生してしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、エンジン停止状態でのカム位相を目標位相に適切に制御することができる電動ＶＣＴの制御装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、回転トルク増大部（３１）は、モータ（２６）を目標回転数に制御できない制御不安定状態であると判断した場合は、モータ（２６）が制御不安定状態となる第１制御点と、モータ（２６）が制御不安定状態から脱した制御安定状態となる第２制御点との間で制御点を変移させる変移動作を実行する。回転トルク増大部は、モータを制御する際の制御パラメータが所定の閾値よりも小さいことを条件として制御不安定状態を判断する。これにより、モータ（２６）の回転トルクが増大するので、モータ（２６）の歩進回転状態であってもコギングトルクの影響に関わらずエンジン停止状態でのカムシャフト（８）のカム位相を目標位相に制御することができる。

第１実施形態における電動ＶＣＴシステムを示すブロック図電動ＶＣＴの構成を示すブロック図エンジン停止後のカム位相の変化を示す図エンジン停止後のモータ回転数の変化を示す図変移動作を模式的に示す図変移動作時の駆動電圧を示す図駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値制御を示すフローチャート変形実施形態における駆動電圧を示す図第２実施形態における変移動作を模式的に示す図相電流の目標電流値制御を示すフローチャート

以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。複数の実施形態において、機能的または構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１から図７を参照して説明する。
図１に示すようにエンジン本体１は、シリンダブロック２にシリンダヘッド３を装着して構成されている。シリンダヘッド３内には吸気経路４と排気経路５とが形成されており、それらの各経路４，５がシリンダ６内に連通している。吸気経路４においてシリンダ６と連通する部位には吸気バルブ７が設けられている。吸気バルブ７は、吸気カムシャフト８と一体化された吸気カム９で押圧されることにより吸気経路４とシリンダ６内との間を連通可能に開閉する。

排気経路５においてシリンダ６と連通する部位には排気バルブ１０が設けられている。排気バルブ１０は、排気カムシャフト１１と一体化された排気カム１２で押圧されることにより排気経路５とシリンダ６内との間を連通可能に開閉する。
シリンダヘッド３には点火プラグ１３が設けられており、シリンダ６内でピストン１４により圧縮された気化燃料に着火する。

ピストン１４により圧縮された気化燃料に着火すると、気化燃料が爆発して膨張することでピストン１４が降下するので、それに伴ってシリンダブロック２に設けられたクランクシャフト１５が回転する。
クランクシャフト１５にはクランクロータ１６が装着されている。このクランクロータ１６の外周に設けられた歯部１７に対向してクランク角センサ１８が設置されており、クランクロータ１６の回転量を示すパルス信号を出力する。クランク角検出回路２０は、クランク角センサ１８からのパルス信号に基づいてクランク角を示すクランク角信号をエンジンＥＣＵ１９に出力する。

吸気カムシャフト８にはカムロータ２１が装着されている。このカムロータ２１の外周に対向してカム角センサ２２が取付けられている。このカム角センサ２２は、カムロータ２１の回転量を示すパルス信号を出力する。カム角検出回路２３は、カム角センサ２２からのパルス信号に基づいて吸気カム角を示すカム角信号をエンジンＥＣＵ１９に出力する。

クランクシャフト１５の回転は図示しないタイミングチェーンにより吸気カムシャフト８及び排気カムシャフト１１に伝達され、クランクシャフト１５が２回転する間に吸気カムシャフト８及び排気カムシャフト１１が１回転する。

吸気カムシャフト８の端部に電動ＶＣＴ２４が装着されている。この電動ＶＣＴ２４は、クランクシャフト１５により回転される吸気カムシャフト８のカム位相を制御するもので、クランクシャフト１５の回転は電動ＶＣＴ２４を介して吸気カムシャフト８に伝達される。

電動ＶＣＴ２４は、図２に示すようにＥＤＵ２５（制御装置に相当）、モータ２６、変換部２７から構成されている。変換部２７は、第１回転体２８、第２回転体２９、変換機構３０から構成されている。第１回転体２８は、タイミングチェーンを介してクランクシャフト１５と連結されており、クランクシャフト１５が２回転する間に１回転する。第２回転体２９は、モータ２６と減速機を介して連結されており、モータ２６が例えば１００回転する間に１回転する。

変換機構３０は、第１回転体２８と第２回転体２９との回転数の差に基づいて吸気カムシャフト８に対してカム位相を発生させる。第１回転体２８の回転は、変換機構３０により発生されたカム位相でもって吸気カムシャフト８に伝達される。

第１回転体２８と第２回転体２９との回転数が一致する場合はカム位相が発生せず、第１回転体２８の回転は吸気カムシャフト８に位相保持状態で伝達される。第１回転体２８よりも第２回転体２９の回転数が大きい場合はカム位相が発生し、第１回転体２８の回転は吸気カムシャフト８に進角状態で伝達される。第１回転体２８よりも第２回転体２９の回転数が小さい場合もカム位相が発生し、第１回転体２８の回転は吸気カムシャフト８に遅角状態で伝達される。

即ち、以下の関係となる。
位相保持状態：第１回転体２８の回転数＝第２回転体２９の回転数
カム進角状態：第１回転体２８の回転数＜第２回転体２９の回転数
カム遅角作動：第１回転体２８の回転数＞第２回転体２９の回転数
電動ＶＣＴ２４の構成については特開２００９－１０８７０５号公報で開示されているので、詳細な説明は省略する。

エンジンＥＣＵ１９は、エンジンの運転状態を検出するための図示しない吸気圧センサ、冷却水温センサ、スロットルセンサ等の各種センサで検出されたエンジン運転状態に応じて燃料噴射制御や点火プラグ１３の点火制御を行う。
また、エンジンＥＣＵ１９は、クランク角を示すクランク角信号と、吸気カム角を示すカム角信号とを入力することで両者の位相差を検出し、その位相差に基づいてモータ２６の目標回転数を算出してＥＤＵ２５に出力する。

ＥＤＵ２５は、図示しないモータドライブ用ＩＣを主体としてモータ２６をＰＷＭ制御するように構成されているが、マイクロコンピュータによりモータ２６をＰＷＭ制御するように構成しても良い。モータ２６は、永久磁石が内蔵された３相のブラシレス同期モータである。モータドライブ用ＩＣは、非遷移的実体的記録媒体に記録されたプログラムにより実現される制御部３１（回転トルク増大部に相当）の機能を備えると共に、モータ駆動部３２及びモータ回転数検出部３３を備えて構成されている。

制御部３１は、モータ２６の回転数が目標回転数となるように制御パラメータとして駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値をモータ駆動部３２に出力する。モータ駆動部３２は、制御部３１から与えられた出力ｄｕｔｙ値に基づいてモータ２６を回転駆動する。モータ回転数検出部３３は、モータ２６の実回転数を検出して制御部３１にフィードバックする。

ところで、電動ＶＣＴ２４では、図３に示すようにイグニッションスイッチのＯＦＦによりエンジンが停止した場合は、そのタイミングから吸気カムシャフト８が停止するまでの間においてモータ２６を目標回転数に制御することで、エンジン停止状態での吸気カムシャフト８のカム位相を目標位相となるように制御している。これは、エンジン停止状態で最適なカム位相に制御しておくことで次のエンジンの始動特性の改善を図るためである。

しかしながら、電動ＶＣＴ２４では、エンジン停止中のカム位相の保持性を向上させるためにコギングトルクが意図的に大きくなる設計をしているため、モータ２６の歩進回転状態ではモータ２６の回転トルクがコギングトルクの山を乗り越えられない場合を生じることがある。このような場合、図４に示すようにモータ２６の制御性が悪化してモータ２６を目標回転数に制御できない制御不安定状態となることがある。

このような制御不安定状態でエンジンの停止状態となった場合は、吸気カムシャフト８のカム位相が目標位相に対して偏差を生じ、次のエンジンの始動特性が悪化するおそれがある。
このような事情から、モータ２６を目標回転数に制御できない制御不安定状態では、モータ２６の通電電流を増大することで回転トルクを高める制御を実行する。つまり、駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値を制御することによりモータ２６の回転数を制御する構成において、図５に示すように駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値が制御不安定状態に位置する第１制御点と、制御不安定状態から脱した制御安定状態に位置する第２制御点との間で制御点を変移させる変移動作を実行する。

本実施形態では、第１制御点を０Ｖに設定し、第２制御点をモータ２６のコギングトルクの山を十分に上回る駆動電圧に設定した上で、変移動作を実行する。この場合、ステッピングモータとは異なり、モータ２６の歩進回転状態ではてパルス数ではなく駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値で制御することを特徴とする。ただし、このような変移動作を通常回転時に行うと、回転速度の振れ幅が大きくなると共に消費電力が大きくなることから、モータ２６の歩進回転状態でのみ適用する。

上述した変移動作は、モータ２６を正転する場合に限らずモータ２６を逆転する場合にも適用する。つまり、モータ２６の歩進回転時に吸気カムシャフト８のカム位相を遅角側に制御するような場合は、モータ２６の目標回転数を小さくなるように正転状態で制御するよりも逆転状態で制御した方が目標回転数への到達時間の短縮を図れるからである。

次に、ＥＤＵ２５が駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値を制御する場合について具体的に説明する。
図７に示すように駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値制御では、図示しないデータマップから現在の運転条件に対応するモータ２６の目標回転数を入力すると共に（Ｓ１０１）、モータ２６の実回転数を取得し（Ｓ１０２）、それらに基づいて目標回転数に対応する出力ｄｕｔｙ値を計算する（Ｓ１０３）。この場合、モータ２６を正転する場合の出力ｄｕｔｙ値は正極となり、逆転する場合の出力ｄｕｔｙ値は負極となる。

次に、出力ｄｕｔｙ値の絶対値が例えば５％未満（閾値に相当）かを判断する（Ｓ１０４）。この５％という値は目標回転数に応じて設定されており、目標回転数が大きいほど大きな値に設定されている。本実施形態では、説明の簡単化のために目標回転数に関わらず５％として説明する。

出力ｄｕｔｙ値の絶対値が５％以上の場合は（Ｓ１０４：ＮＯ）、ステップＳ１０３で計算した出力ｄｕｔｙ値をそのままモータ駆動部３２に出力する（Ｓ１０５）。モータ駆動部３２は、制御部３１から与えられた出力ｄｕｔｙ値に基づいてモータ２６をＰＷＭ制御により回転駆動する。モータ回転数検出部３３がモータ２６の実回転数を検出して制御部３１にフィードバックするので、制御部３１は、モータ２６の回転数が目標回転数となるようにフィードバック制御する。
以上のようにして吸気カムシャフト８のカム位相を目標位相に制御することができるので、出力や燃費の向上、排気エミッションの低減を図ることができる。

さて、出力ｄｕｔｙ値の絶対値が５％未満となった場合は（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、制御不安定状態となる可能性が高いことから、次のようにして制御不安定状態となったかを判断する。
即ち、目標回転数が０ｒｐｍでないこと（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、つまりモータ２６に対する制御状態であることを確認してから、モータ２６の実回転数が例えば１００ｒｐｍ未満の歩進回転状態となったかを判断し（Ｓ１０７）、歩進回転状態となった場合は（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、制御不安定状態となったと判断する。
以上のようにして、モータ２６の回転数がコギングトルクの影響を受ける制御不安定状態となったことを判断することができる。

通常のエンジン制御時に出力ｄｕｔｙ値が５％未満となる場合もあるが（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、このような場合、エンジンはアイドリング回転数以上で回転しており、モータ２６の実回転数が１００ｒｐｍ未満の歩進回転状態となることはないので（Ｓ１０７：ＮＯ）、出力ｄｕｔｙ値をそのまま出力する（Ｓ１０５）。

さて、ユーザが車両を停止してからイグニッションスイッチをＯＦＦすると、エンジンが停止するもののクランクシャフト１５は短時間だけ惰性で回転してから停止する。このとき制御部３１は、クランクシャフト１５が停止するまでの間は吸気カムシャフト８のカム位相が目標位相となるように制御し続ける。この場合、エンジン停止によりクランクシャフト１５の回転数が急激に小さくなるので、それに合わせて出力ｄｕｔｙ値を小さくすることで吸気カムシャフト８のカム位相が目標位相となるようにモータ２６の目標回転数を小さくなるように制御する。

そして、モータ２６の目標回転数がさらに小さくなり１００ｒｐｍ未満となった場合は（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、制御不安定状態となったと判断して駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値を５％に変更することで出力ｄｕｔｙ値を増大する（Ｓ１０８）。この場合の極性は目標回転数と同一である。

以上の動作により、図６に示すようにモータ２６に対する駆動電流が増大し、それに応じてモータ２６の回転トルクがコギングトルクを上回るようになるので、コギングトルクの影響に関わらずモータ２６を目標回転数に制御することができる。

このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
ＥＤＵ２５は、駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値が閾値よりも小さいことによりモータ２６を目標回転数に制御できない制御不安定状態となったと判断した場合は、モータ２６が制御不安定状態となる第１制御点と、モータ２６が制御不安定状態から脱した制御安定状態となる第２制御点との間で制御点を変移させる変移動作を実行することでモータ２６の回転トルクを増大するので、モータ２６の歩進回転状態であってもコギングトルクの影響に関わらず目標回転数に制御することが可能となり、エンジン停止状態での吸気カムシャフト８のカム位相を目標位相に適切に制御できる。

モータ２６の回転数が１００ｒｐｍ未満の場合に制御不安定状態と判断するので、制御不安定状態を確実に判断することができる。
モータ２６に対する駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値が５％未満であることを条件として制御不安定状態を判断するので、制御部３１は制御不安定状態の可能性が高い場合のみ制御不安定状態を判断すれば良く、制御部３１の負荷を低減することができる。

（変形実施形態）
第１実施形態の変形実施形態について図８を参照して説明する。この変形実施形態は、ＰＷＭ制御時の駆動電圧の出力間隔を短縮することでモータ２６の相電流の目標電流値を高めることを特徴とする。
ＥＤＵ２５は、駆動電圧の出力間隔が所定の閾値よりも大きいことによりモータ２６を目標回転数に制御できない制御不安定状態となったと判断した場合は、ＰＷＭ制御時の駆動電圧の出力間隔を短縮する。これにより、図８に示すように相電流を増大することができるので、第１実施形態と同様にモータ２６の歩進回転状態であってもコギングトルクの影響に関わらず目標回転数に制御することが可能となり、エンジン停止状態での吸気カムシャフト８のカム位相を目標位相に適切に制御できる。

（第２実施形態）
第２実施形態について図９及び図１０を参照して説明する。この第２実施形態は、モータ２６の相電流を直接的に増大することを特徴とする。
モータ２６の相電流を電流値制御することによりモータ２６の回転数を制御する構成において制御不安定状態となる場合は、図９に示すように相電流の目標電流値が制御不安定状態に位置する第１制御点と、制御不安定状態から脱した制御安定状態に位置する第２制御点との間で制御点を変移させる変移動作を実行する。

具体的には、図１０に示すようにＥＤＵ２５は、目標回転数と実回転数とに基づいて目標電流値を計算し（Ｓ２０１～２０３）、目標電流値の絶対値が例えば０．５Ａ（閾値に相当）未満かを判断する（Ｓ２０４）。目標電流値の絶対値が０．５Ａ以上の場合は（Ｓ２０４：ＮＯ）、目標電流値をそのままモータ駆動部３２に出力する（Ｓ２０５）。

目標電流値の絶対値が０．５Ａ未満となった場合は（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、モータ２６の目標回転数が０ｒｐｍでないことを確認してから（Ｓ２０６：ＮＯ）、実回転数が例えば１００ｒｐｍよりも小さくなったかを判断する（Ｓ２０７）。エンジン停止に応じてモータ２６の実回転数が１００ｒｐｍよりも小さくなった場合は（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、制御不安定状態であると判断して目標電流値を０．５Ａに変更する（Ｓ２０８）。この場合の極性は目標回転数と同一である。これにより、モータ２６の回転トルクがコギングトルクを上回るようになるので、コギングトルクの影響に関わらずモータ２６を目標回転数に制御することができる。

このような実施形態によれば、モータ２６を相電流の電流値制御する構成において、モータ２６を目標回転数に制御できない制御不安定状態となったと判断した場合は目標電流値を高めるので、モータ２６が歩進回転状態であってもコギングトルクの影響に関わらず目標回転数に制御することが可能となり、エンジン停止状態での吸気カムシャフト８のカム位相を目標位相に適切に制御できる。

（他の実施形態）
第１制御点と第２制御点との間で変移する変移動作の実行時間が所定の閾値に達した場合は変移動作を停止するようにしても良い。これは、モータ２６を目標回転数に制御するにしても吸気カムシャフト８のカム位相を目標位相に制御できない状態が無用に継続するのを防止するためである。
電動ＶＣＴ２４を排気カムシャフト１１にも設けたり、排気カムシャフト１１のみに設けたりしても良い。
内燃機関として、ディーゼルエンジンに適用するようにしても良い。

本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、８はカムシャフト、１５はクランクシャフト、２４は電動ＶＣＴ、２５はＥＤＵ（制御装置）、２６はモータ、３１は制御部（回転トルク増大部）である。

Claims

モータ（２６）を目標回転数に制御することによりエンジンのカムシャフト（８）のカム位相を目標位相に制御する電動ＶＣＴ（２４）の制御装置（２５）であって、
前記モータを前記目標回転数に制御できない制御不安定状態であると判断した場合は、前記モータが前記制御不安定状態となる第１制御点と、前記モータが前記制御不安定状態から脱した制御安定状態となる第２制御点との間で制御点を変移させる変移動作を実行することで前記モータの回転トルクを増大する回転トルク増大部（３１）を備え、
前記回転トルク増大部は、前記モータを制御する際の制御パラメータが所定の閾値よりも小さいことを条件として前記制御不安定状態を判断する電動ＶＣＴの制御装置。
前記制御パラメータは、ＰＷＭ制御時の駆動電圧の出力ｄｕｔｙ値であり、
前記回転トルク増大部は、前記の出力ｄｕｔｙ値が前記閾値よりも小さい場合は当該出力ｄｕｔｙ値を高めることで前記変移動作を実行する請求項１に記載の電動ＶＣＴの制御装置。
前記制御パラメータは、ＰＷＭ制御時の駆動電圧の出力間隔であり、
前記回転トルク増大部は、前記出力間隔が前記閾値よりも大きい場合は当該出力間隔を短縮することで前記変移動作を実行する請求項１に記載の電動ＶＣＴの制御装置。
前記制御パラメータは、電流値制御時の目標電流値であり、
前記回転トルク増大部は、前記目標電流値が前記閾値よりも小さい場合は当該目標電流値を高めることで前記変移動作を実行する請求項１に記載の電動ＶＣＴの制御装置。
前記閾値は、前記制御パラメータに依存した値に設定されている請求項１から４のいずれか一項に記載の電動ＶＣＴの制御装置。
前記回転トルク増大部は、前記変移動作を所定時間連続して実行した場合は当該変移動作を停止する請求項１から５のいずれか一項に記載の電動ＶＣＴの制御装置。
前記電動ＶＣＴは、エンジンのクランクシャフト（１５）により回転される第１回転体（２８）と、前記モータにより回転される第２回転体（２９）と、前記第１回転体と前記第２回転体の回転数の差に応じて前記カムシャフトに対してカム位相を発生させる変換機構（３０）とを備え、前記クランクシャフトの回転を前記変換機構によるカム位相で前記カムシャフトに伝達するように構成されている請求項１から６のいずれか一項に記載の電動ＶＣＴの制御装置。