JPH1114043A

JPH1114043A - 燃焼機器の燃料流量制御方法

Info

Publication number: JPH1114043A
Application number: JP17004597A
Authority: JP
Inventors: Yoshibumi Uchise; 義文内▲勢▼; Takayuki Kugiya; 隆之釘谷
Original assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Current assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 1999-01-22

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼機器用燃料流量調整弁を制御する際に当
該燃料流量調整弁の持つ動特性上のヒステリシスを解消
ないし緩和する。【解決手段】マイコン11の出力する電流制御信号Ssに
より、比例弁（燃料流量調整弁）14への供給電流Id（ひ
いては弁開度）を目標値Ｓにする時、Ｓ＋αとすべき電
流とＳ−αとすべき電流とが交互に所定の周期tsで比例
弁14に供給されるように、当該電流制御信号Ssを振動的
な信号とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種燃焼機器の燃
焼部への燃料流量を制御する方法に関し、実質的にはそ
のために用いる燃料流量調整弁の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃焼機器の燃焼部に供給する燃料流量を
調整するためには、供給電流の大きさに応じてその弁開
度が変化する燃料流量調整弁が用いられる。この対応関
係は一般に比例関係とされているため、この種の燃料流
量調整弁はまた、端的に「比例弁」と呼ばれることが多
い（特に燃料種がガスの場合には「ガス比例弁」と呼ば
れることが多い)。そこで簡単のため、本書でも以下、こ
の呼称を用いるが、最近の燃焼機器ではさらに、この比
例弁の弁開度を制御する主制御回路としてマイクロコン
ピュータ（以下、マイコン）を用い、比例弁に実際に供
給される電流の値が当該マイコンの出力する電流制御信
号に応じた値になるように帰還制御している。

【０００３】図１(A) は後述する本発明の方法を適用し
得る比例弁制御系の一例を示しているが、この構成自体
は従来におけるものと相違ないので、これに基づき、ま
ずは従来の制御方法につき説明する。

【０００４】主制御回路ないしマイコン11はその時々に
図示しない燃焼部で必要となる燃料供給量に応じた弁開
度を算出し、その演算結果を当該マイコンから出力でき
る形態の電流制御信号Ssとして変換器12に出力する。電
流制御信号Ssの最も一般的な形態はｎビットバイナリ数
値で、この場合に変換器12はこれも最も一般的なデジタ
ル対アナログ変換器(D/A変換器）となる。

【０００５】その外、電流制御信号Ssが周波数変調信号
であって、その時々の周波数値で目的の電流値を指示す
る場合には変換器12として周波数対電圧変換器(F/Vコン
バータ）が用いられ、パルス幅変調信号であって、その
時々のパルス幅により目的の電流値を指示する場合には
パルス幅対電圧変換器等も用いられるが、いずれの場合
にも制御原理は同じなので、ここでは電流制御信号Ssは
マイコン11からパラレル出力されるｎビットバイナリ数
値信号であるとして説明する。

【０００６】マイコン11の出力する電流制御信号Ss、す
なわちその時々のｎビットバイナリ数値は D/A変換器12
にて対応する電圧値Vsに変換され、比較器（図示の場合
はオペアンプ）13の正相入力（非反転入力）に印加され
る。一方、図示しない比例弁駆動用の比例弁用電源から
比例弁14に実際に供給されているその時々の駆動電流Id
は、当該電流線路中に直列に挿入されている低抵抗Rdの
両端電圧Vdに変換されてオペアンプ13の逆相入力（反転
入力）に印加されている。

【０００７】従って、 D/A変換器12の出力する電圧値Vs
の方が電流変換検出電圧Vdより大きいとその出力が高レ
ベルになり、例えばバイポーラトランジスタにより構成
される駆動素子Q1がオンとなって、これも例えばバイポ
ーラトランジスタにより構成されるパワースイッチング
素子Q2がオンとなり、比例弁用電源から比例弁14に駆動
電流Idが供給される。逆に、電流変換検出電圧Vdの方が
大きくなるとオペアンプ13の出力が低レベルとなること
でパワースイッチング素子Q2がオフとなり、比例弁13へ
の供給電流Idが遮断される。そのため、このような帰還
制御系は実際には10数KHz で発振するかのような動作で
比例弁13の供給電流をオン、オフし、これによりその時
々でマイコン11の出力する電流制御信号Ssにより指令さ
れる駆動電流値となるよう、比例弁13への実際の供給電
流Idが制御される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来のこの
種の比例弁制御法のままでは、比例弁それ自体が持つ動
特性上のヒステリシスの影響を解消できない。比例弁
は、弁開度を大きくする時には機械的なバネ力に逆ら
い、供給される電流に基づく電磁力により弁を開き方向
に動かし、弁開度を小さくする時には機械的なバネ力の
作用方向に従って弁を動かすようになっている。そのた
め、ある弁開度から同じ開度だけ変化させる時でも、開
き方向に変化させる時と閉じ方向に変化させる時では、
同じ値だけ、供給電流の大きさを可変しても、共に等し
い開度変化幅は得られないことが多い。このようなヒス
テリシスの存在はもちろん望ましくない。燃焼部におけ
る実際の燃焼量に差が生じ、制御の不安定を招く要因と
なる。

【０００９】さらに、別な観点から見ると、主制御回路
は所定のステップで電流値を可変し得るような電流制御
信号を発するが、この分解能は実際には余り高く取れな
い。上述したｎビットバイナリ数値で指令電流値を表す
場合、コスト的な要求などから一般にビット数としては
8ビット程度が選ばれる。昨今では D/A変換器を内蔵し
たマイコンも市場に供給されているが、やはり 8ビット
以上のものを用いると急に価格が高くなる。さらに、コ
ストは好しとしても、そもそも主制御回路に用いたマイ
コンの出力ポート数に制約があり、この問題から 8ビッ
ト以上は取れないこともある。

【００１０】一方、 8ビットをステップ数に置き換えれ
ば (256-1=)255ステップであり、通常用いられる比例弁
にて一般的な電流値可変範囲は20mAから 500mA程度であ
る。ここで、設計時には下限値を20mAではなく 0mAとし
て設計するので、1ステップ当たりの電流値可変幅は(500
mA/255=)1.9607....mA、約1.96mAとなる。ところが、実
際にはこの程度の電流値可変幅では不足で、もっと高い
分解能が要求されることも多い。

【００１１】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、比例弁を開く方向に制御する時にも閉める方向
に制御する時にも、比例弁の持つ動特性上のヒステリシ
スの影響を解消ないし緩和し、いずれの場合にも、主制
御回路の出力する電流制御信号の変化幅に良く追従する
制御方法を提供することを基本的な解決課題とし、その
上で、さらに望ましくは、制御分解能を高め得る制御方
法を提供せんとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題の解
決のため、主制御回路の出力する比例弁電流制御信号
を、比例弁への実際の供給電流値が目標値Ｓとなるよう
にする固定値ではなく、Ｓ＋αになるような第一の値と
Ｓ−αになるような第二の値との間で振動する周期的な
信号とし、それらの平均が目標値Ｓとなるようにする。
つまり、従来は比例弁に対し、その時の燃焼に必要な大
きさの目標電流値Ｓ＝Idを供給しようとする場合、それ
に相当する値の電流制御信号を固定的に出力していた
が、本発明ではＳ＋αの電流が供給される状態とＳ−α
の電流が供給される状態とを交互に繰返すことで、平均
的に目標値Ｓを得る電流制御信号を出力しているのと等
価な状態を作るのである。このようにすると、比例弁に
供給する電流は常に上昇方向と下降方向で振動するた
め、以前の弁開度をさらに広げるために当該以前の供給
電流値からの上昇により目標値Ｓに付ける場合にも、逆
に弁開度を絞るために以前の供給電流値からの下降によ
り目標値Ｓに付ける場合にも、比例弁の振動状況、制御
状況は同じになるので、比例弁のヒステリシスは解消な
いし緩和される。

【００１３】さらに、このような本発明の基本的な構成
を満たした上で、本発明の下位の目的である分解能を向
上するためには、主制御回路が電流値（Ｓ＋α）を指示
する第一の値の電流制御信号を一回出力する時間と電流
値（Ｓ−α）を指示する第二の値の電流制御信号を一回
出力する時間を一出力周期と呼ぶと、その連続するｍ回
を一制御周期とし、当該ｍ個の出力周期の中、電流制御
信号の第一、第二の値の少なくとも一方または双方に補
正値を加えた出力周期の数を可変する。すなわち、ｍ個
の出力周期の少なくとも一つ以上において主制御回路の
出力する電流制御信号により指示される電流値をさらに
βだけ変更し、例えば電流値Ｓ＋α＋βとＳ−α＋βの
間で比例弁への供給電流を振動させるように図るのであ
る。このようにすると一制御周期中のｍ個の出力周期の
重み付け平均として、βだけ異ならせた回の個数に応
じ、一制御周期で見ると比例弁に供給される平均電流を
微調整でき、結局はハードウエア的に分解能を向上した
のと等価な効果を得ることができる。分解能向上効果は
最大でｍ倍である。ただし、βだけ変更するのはαの加
算側、減算側の一方にてのみ行っても良く、すなわち電
流制御信号による指示電流値をＳ＋α＋βとＳ−αの間
で振動させるようにしたり、あるいはＳ＋αとＳ−α＋
βの間で振動させるようにしても良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図１に即し本発明の方法の
適用例につき説明するが、既に図１(A) に即して説明し
たように、比例弁14の帰還制御系自体は基本的に従来の
構成と同様であって良い。従って図１(A) の回路及びそ
の基本的な動作態様に関しては既に説明した所を援用
し、本項での説明は省略する。換言すると、本発明はハ
ードウエア的に追加の構成なくしても、以下に述べる極
めて有意な効果を得ることができる。

【００１５】本発明の特徴は、この場合マイコン11で示
されている主制御回路11が出力する電流制御信号Ssを、
図１(B) に示すような周期的な振動信号に変えた点にあ
る。すなわち、その時の燃焼部における必要燃焼量に応
じて比例弁14に供給すべき駆動電流値Idを目標値Ｓとす
る場合、従来は仮想線で示すように、電流制御信号Ssは
当該目標値Ｓに相当するある一定の値を出力し続けるよ
うになっていた。目標値Ｓを変更した場合にも、その変
更した値になるような固定的な電流制御信号Ssを出力す
る。それがため、既述したように、比例弁14の持つ動特
性上のヒステリシスの影響を受け、弁開度を開ける方向
と閉める方向とでは、燃料流量変化幅は最終的に同じと
するにも差異が生ずることがあった。

【００１６】これに対し本発明の場合には、マイコン11
の出力する電流制御信号Ssは、比例弁14に目標値Ｓ＋α
と目標値Ｓ−αの電流を供給する状態を所定の周期tsで
作り出すように、第一の値と第二の値との間で振動する
信号となっている。換言すると、十分長い時間では目標
値Ｓ＋αと目標値Ｓ−αの算術平均で目標値Ｓが達成さ
れるようになっている。そのため、比例弁14は目標値Ｓ
＋αから目標値Ｓ−αに、また目標値Ｓ−αから目標値
Ｓ＋αにと、常に振動する状況となっており、制御系も
そのような振動に追従して目標値Ｓ＋αと目標値Ｓ−α
を実現するための帰還制御をなすので、ある値から別な
目標値Ｓに変更する場合にも、それが上昇方向での変化
であっても下降方向での変化であっても、いずれも同様
な状況下にすることができ、ヒステリシスの影響が生じ
難くなる。

【００１７】こうした電流制御信号Ssの振動周期tsは余
り長くては具合が悪いが、極端に短い必要もなく、平均
的に目標値Ｓの開度を保っていると看做せる時間、すな
わち当該弁開度に対応する燃料流量が安定に満たされて
いると看做せる時間であれば良く、現実に用いられてい
る比例弁14の動特性に鑑みるとミリセカンドオーダに適
当な所があり、本出願人の実用化例では 5mSとしてい
る。

【００１８】また、αの値は設計的であるが、例えば次
のような設定が可能である。先に述べたように、電流制
御信号Ssが 8ビットバイナリ数値で指令電流値を表す信
号出あるとし、一方で比例弁14に供給すべき電流値の可
変範囲は20mAから 500mAであるとすると、設計時に 0mA
から 500mAまでを均等割りするなら、フルスケールで8
ビット信号の数値の 1ステップ当たりの電流値可変幅は
約1.9607mAである。そこで簡単のため、今、比例弁14に
目標値Ｓとしてその百倍の196.07mAの電流を供給すべき
状況にあるとするなら、従来は単純に、マイコン11は当
該目標値Ｓにほぼ相当する 100ステップ相当の数値の電
流制御信号を出力し続けるようになっていた。

【００１９】これに対し本発明では、上述のように平均
値として196.07mAを得るべく電流制御信号Ssを振動させ
る訳であるが、これに際しては例えばαに相当するステ
ップ数は25ステップとすることができる。つまり、本発
明に従う場合、マイコン11は電流値Ｓ＋αを出力するた
めに第一の値として 125ステップの値（電流値に換算す
ると約245.09mA）の電流制御信号Ssを 5mSの間出力し、
次の 5mSの間は第二の値としてＳ−αに相当する75ステ
ップの値（同様に電流値換算で約147.05mA）の電流制御
信号Ssを出力する，という動作を繰返すのである。こう
すると、比例弁14は実際には245.09mAの電流が供給され
ている状態と147.05mAの電流が供給されている状態との
間で振動的に動作し、燃焼部への燃料流量を細かに増減
する動作をなすが、上述のように周期tsを適当に設定す
ることで平均原理が有効に働き、実際に燃焼部に供給さ
れる燃料流量は比例弁14に対し安定に目標値Ｓ＝196.07
mAの電流が供給されている時と変わらない状況とするこ
とができる。

【００２０】このように、本発明によると、比例弁14に
安定に一定電流を供給している時の燃料供給状態と変わ
らない状況を保ちながら、比例弁に見込まれるヒステリ
シスの影響から逃れることができる。以前のある特定の
電流供給状態から上昇方向に可変して新たな目標値Ｓに
付ける場合にも、下降方向に可変して新たな目標値Ｓに
付ける場合にも、いずれの場合にも当該新たな目標値Ｓ
において比例弁を同様に振動制御する関係となるからで
ある。

【００２１】ただ、このような制御だけでは、本発明の
もう一つの下位の目的である電流制御信号Ssの実質的な
分解能向上効果は得ることができない。上述の 8ビット
信号とした具体例では、最大分解能は従来と変わらず、
(500mA/255=)1.9607mAのままである。しかし、本発明で
は電流制御信号Ssを第一の値と第二の値で所定の周期で
振動させ、それら第一、第二の値の平均値で目標値Ｓに
相当する指示値を作るとの思想によっているため、同じ
く振動と平均の原理に着目すると、図１(C) に即して以
下説明するような工夫で分解能を向上させることができ
る。

【００２２】具体的な数値に沿って説明した方が理解し
易いのでそのようにするが、まず、電流制御信号Ssの振
動周期tsを図１(B) におけると同様に5mS(周波数換算10
0H_Z)とした場合、その一周期(10mS)を「一出力周期」と
呼ぶなら、そのｍ回、例えば４回を「一制御周期」とす
る。そして、第一の値を上述の具体例に即し75ステッ
プ、第二の値を 125ステップとした場合、図１(C) にお
ける時間領域a では一制御周期中の四つの出力周期の
中、一つの出力周期では第一、第二の値にそれぞれ1ス
テップを換算し、126ステップと76ステップの間での振動
となるようにしている。従って、電流制御信号Ssのこの
時の平均による目標値Ｓ’は、Ｓ＋α＋βとＳ−α＋β
の平均値となるため、比例弁14に供給される電流値は 1
26ステップと76ステップの間での平均に対応して198.03
mAとなる。これに対し、残りの三回の出力周期では既述
のように 125ステップと75ステップの平均に相当して19
6.07mAとなるので、一制御周期中の回数比1:3 を考慮し
ての重み付け平均を取ると、この時間領域a での全体の
平均供給電流値は196.56mAとなる。

【００２３】同様にして、時間領域b で示すように、四
つの出力周期の中の二つの出力周期を 126ステップと76
ステップでの振動に変えた場合には197.05mA、時間領域
c におけるように三つをそうした場合には197.54mA、そ
して時間領域d に示すように全てを 1ステップ増した場
合には198.03mAとなる。明らかなように、この電流値可
変幅は0.49mAであり、上述した分解能1.9607mAの四倍、
すなわち一制御周期中の出力周期の個数ｍに応じてｍ倍
に高められている。

【００２４】このように、本発明によると、ハードウエ
ア的な改変を必要とせずとも、従来に比し比例弁供給電
流の最大分解能を高めることができる。なお、ｍ個の出
力周期の何処においてβを加算するかは任意であり、例
えば時間領域a では最初の一出力周期で 126ステップと
76ステップに変更しているが、二番目、三番目、あるい
は四番目においてそのようにしても良いことは明らかで
ある。要は補正値を加味する出力周期の「個数」が問題
なのであって、一制御周期内にて何処で変更するかは任
意である。

【００２５】さらに、βは第一の値Ｓ＋αと第二の値Ｓ
−αの双方に対して選択的に加算するのではなく、どち
らか一方について行って良いことも自明である。例えば
標準でＳ＋α相当が 125ステップ、Ｓ−α相当が75ステ
ップの時、その一方のみを変え、126ステップと75ステッ
プの間での振動に変える等も任意である。その時には実
質的に平均の原則で、マイコン11は 125.5ステップと7
5.5ステップの電流制御信号Ssを交互に出力しているの
と等価となる。当然、最小ステップ換算の電流値変化幅
はより小さくなる。

【００２６】また、以上の実施例においては、電流制御
信号Ssはｎビットバイナリ数値信号であることを想定
し、これを電圧信号に変換する変換器12は D/A変換器で
あることを想定した。しかし、冒頭に述べた通り、これ
は周波数変調信号でもパルス幅変調信号でも良い。周波
数変調信号の場合、目標値Ｓに相当する周波数値をＦと
するなら、やはり電流制御信号を第一の値Ｆ＋ｘと第二
の値Ｆ−ｘの間で所定周期で振動させるようにすれば良
いし、パルス幅変調信号である場合には目標値Ｓに相当
するパルス幅Ｗを第一の値Ｗ＋ｘと第二の値Ｗ−ｘの間
で所定の周期で振動させれば良い。補正値βに相当する
補正幅ｙの用い方にしても同様である。もちろん、変換
器12としては、既述したようにそれぞれに適当なものを
用いることになる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると、従来の装置構成に対し
大きな変更を要することなく、燃料流量調整弁の持つヒ
ステリシスの問題を解消、ないし少なくとも緩和でき、
高精度な燃料流量制御が行える。さらに、本発明の下位
の発明に従えば、燃料流量調整弁の弁開度変化幅に関
し、実質的に制御分解能を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御方法に用いる比例弁を含む制御系
と制御信号の説明図である。

【符号の説明】

11 主制御回路ないしマイコン， 12 変換器， 13 比較器ないしオペアンプ， 14 比例弁， Ss 電流制御信号， Id 比例弁への供給電流．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主制御回路の出力する電流制御信号に応
じた大きさの電流を供給して燃料流量調整弁の弁開度を
調整し、燃焼部に供給する燃料流量を制御する方法であ
って；該主制御回路の出力する電流制御信号を第一の値
と第二の値との間で所定周期で振動する信号とし、燃料
流量調整弁に供給する目標電流値を該第一の値により指
令される電流値と該第二の値により指令される電流値の
平均値とすること；を特徴とする燃焼機器の燃料流量制
御方法。
【請求項２】請求項１記載の方法であって；上記主制
御回路が上記第一の値の電流制御信号を一回出力する時
間と上記第二の値の電流制御信号を一回出力する時間を
一出力周期とし、その連続するｍ回を一制御周期とし
て、該ｍ個の出力周期の中、該電流制御信号の上記第
一、第二の値の少なくとも一方または双方に補正値を加
えた出力周期の数を変えること；を特徴とする方法。
【請求項３】請求項１または２記載の方法であって；
上記電流制御信号はｎビットバイナリ数値信号であるこ
と；を特徴とする方法。
【請求項４】請求項１または２記載の方法であって；
上記電流制御信号は周波数変調信号であること；を特徴
とする方法。
【請求項５】請求項１または２記載の方法であって；
上記電流制御信号はパルス幅変調信号であること；を特
徴とする方法。