본 발명의 실시 형태가 이하에서 설명될 것이다. 도 1 은 엔진 제어 시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타낸다. 이하에 엔진으로 표현되는 내연기관 (11) 은 크랭크축 (12) 을 포함한다. 크랭크축 (12) 의 구동력이 타이밍 체인 (13) (또는 타이밍 벨트) 및 스프로킷 (sprocket) (14, 15) 을 통해 흡기 캠축 (16) 과 배기 캠축 (17) 에 전달된다. 전기 모터를 포함한 가변 밸브 타이밍 제어기 (18) 가 흡기 캠축 (16) 에 연결되어 있다. 가변 밸브 타이밍 제어기 (18) 는 크랭크축 (12) 에 대하여 흡기 캠축 (16) 의 회전 위상 (캠축 위상) 을 변화시키고 이에 의해 흡기 밸브 (도시되지 않음) 의 밸브 타이밍이 조절된다.
캠 각 센서 (19) 가 흡기 캠축 (16) 둘레에 제공된다. 이 캠 각 센서 (19) 는 흡기 캠축 (16) 의 미리 정해진 모든 캠 각마다 캠 각 신호를 출력한다. 크랭크 각 센서 (20) 가 크랭크축 (12) 둘레에 제공된다. 이 크랭크 각 센서 (20) 는 미리 정해진 모든 크랭크 각마다 크랭크 각 신호를 출력한다.
도 2 를 참조하여, 가변 밸브 타이밍 제어기 (18) 의 구조를 설명한다. 이 가변 밸브 타이밍 제어기 (18) 는 위상 제어 기구 (21) 를 포함한다. 위상 제어 기구 (21) 는 외부 기어 (22) (제 1 기어), 내부 기어 (23) (제 2 기어) 및 유성 기어 (24) (위상 변화 기어) 를 포함한다. 외부 기어 (22) 는 흡기 캠축 (16) 과 동심상으로 배치되고 내부 이를 갖는다. 내부 기어 (23) 는 외부 기어 (22) 와 동심상으로 배치되고 외부 이를 갖는다. 유성 기어 (24) 는 외부 기어 (22) 와 내부 기어 (23) 사이에 배치되어 양측 기어 (22, 23) 와 맞물린다. 외부 기어 (22) 는 크랭크축 (12) 과 동기적으로 회전하는 스프로킷 (14) 과 일체적으로 회전하고, 내부 기어 (23) 는 흡기 캠축 (16) 과 일체적으로 회전한다. 외부 기어 (22) 및 내부 기어 (23) 와 맞물린 상태에서, 유성 기어 (24) 가 내부 기어 (23) 둘레를 회전하여 외부 기어 (22) 로부터 내부 기어 (23) 로 회전력을 전달한다. 외부 기어 (22) 에 대한 내부 기어 (23) 의 회전 위상 (캠축 위상) 은 내부 기어 (23) 의 회전 속도에 대하여 유성 기어 (24) 의 회전 속도를 변화시키는 것에 의해 조절된다. 외부 기어 (22), 내부 기어 (23) 및 유성 기어 (24) 의 잇수는 흡기 캠축 (16) 이 크랭크축 (12) 의 1/2 속도로 회전하도록 정해진다.
(흡기 캠축의 회전 속도) = (크랭크축의 회전 속도) × 1/2
엔진 (11) 에는 유성 기어 (24) 의 회전 속도를 변화시키는 모터 (26) 가 제공된다. 모터 (26) 의 회전축 (27) 은 흡기 캠측 (16), 외부 기어 (22) 및 내부 기어 (23) 와 동심상으로 배치된다. 연결축 (28) 이 회전축 (27) 을 유성 기어 (24) 의 지지축 (25) 에 연결한다. 모터 (26) 가 구동되면, 유성 기어 (24) 는 지지축 (25) 을 중심으로 회전하고 내부 기어 (23) 의 둘레를 선회한다. 게다가, 모터 (26) 에는 회전 모터 속도 신호를 출력하는 모터 속도 센서 (29) 가 제공된다.
모터 (26) 가 비 구동되면, 회전축 (27) 은 흡기 캠축 (16) 에 동기하여 회전한다. 즉, 모터 (26) 의 회전 속도 (RM) 가 흡기 캠축 (16) 의 회전 속도 (RC) 와 일치하며, 그리고 유성 기어 (24) 의 공전 속도가 내부 기어 (23) 의 회전 속도와 일치할 때, 외부 기어 (22) 와 내부 기어 (23) 의 회전 위상 간의 차는 현재의 차로 유지되어 밸브 타이밍 (캠축 위상) 이 현재의 밸브 타이밍으로 유지된다.
모터 (26) 의 회전 속도 (RM) 가 흡기 캠축 (16) 의 회전 속도 (RC) 보다 빠르게 될 때, 즉, 유성 기어 (24) 의 공전 속도가 내부 기어 (23) 의 회전 속도보다 빠르게 될 때, 외부 기어 (22) 에 대한 내부 기어 (23) 의 회전 위상은 진각되고 이에 의해 흡기 밸브의 밸브 타이밍도 빨라진다.
모터 (26) 의 회전 속도 (RM) 가 흡기 캠축 (16) 의 회전 속도 (RC) 보다 느리게 될 때, 즉, 유성 기어 (24) 의 공전 속도가 내부 기어 (23) 의 회전 속도보다 느리게 될 때, 외부 기어 (22) 에 대한 내부 기어 (23) 의 회전 위상은 지각되고 이에 의해 흡기 밸브의 밸브 타이밍도 늦추어진다.
센서의 출력은 이하에 ECU (30) 로 나타낸 전자 제어 유닛 (30) 에 입력된다. ECU (30) 는 마이크로 컴퓨터를 포함하며, 이는 ROM (read only memory) 에 저장되어 있는 엔진 제어 프로그램을 실행하여 엔진 구동 상태에 따라 연료 분사 및 점화 타이밍을 제어한다. ECU (30) 는 배터리 전압을 검출하는 공급 전압 검출 회로를 포함한다.
또한, ECU (30) 는 캠 각 센서 (19) 와 크랭크 각 센서 (20) 의 출력에 기초하여 크랭크축 (12) 에 대한 캠축 (16) 의 회전 위상 (실제 캠축 위상) 을 계산한다. ECU (30) 는 엔진 작동 상태에 따른 목표 캠축 위상 (목표 밸브 타이밍) 을 계산한다. ECU (30) 는 엔진 속도 및 목표 캠축 위상과 실제 캠축 위상 간의 편차에 기초하여 목표 모터 속도를 계산한다. 그리고 도 3 에 나타낸 것과 같이, ECU (30) 는 목표 모터 속도를 나타내는 신호를 모터 구동 회로 (EDU) (31) 에 출력한다.
EDU (31) 는 목표 모터 속도와 실제 모터 속도 간의 편차가 줄어들도록 모터 (26) 에 인가되는 전압의 듀티의 피드백 제어를 실행하는 아날로그 회전 속도 피드백 회로 (32) 를 갖는다. EDU (31) 는 목표 모터 속도에 실제 모터 속도의 피드백 제어를 실행하고, 목표 캠축 위상에 실제 캠축 위상의 피드백 제어를 실행한다. "피드백" 은 이하의 설명에서 "F/B" 로 나타낸다.
또한, ECU (30) 는 엔진 작동 시에 도 4 에 나타낸 목표 모터 속도 작동 프로그램을 실행한다. EDU (31) 의 공급 전압 (배터리 전압) 이 EDU (31) 의 최 소 작동 보장 전압보다 높게 설정된 작동 제한 전압보다 낮을 때, EDU (31) 에 출력되는 목표 모터 속도의 변화 (회전 속도 F/B 보정량) 는 제한된다. 또한, EDU (31) 의 공급 전압이 EDU (31) 의 최소 작동 보장 전압보다 낮을 때, 통전 OFF 신호가 EDU (31) 에 출력되고 EDU (31) 의 출력 전류 (모터 전류) 는 차단된다. 도 4 를 참조하여, 목표 모터 속도 작동 프로그램의 처리를 이하에 설명한다.
목표 모터 속도 작동 프로그램은 엔진 작동 시에 미리 정해진 모든 주기에 실행된다. 단계 (101) 에서, 목표 캠축 위상과 실제 캠축 위상 간의 편차가 산출된다. 이 편차는 캠축 위상 편차라고 한다.
캠축 위상 편차 (CPD) = 목표 캠축 위상 (TCP) - 실제 캠축 위상 (ACP)
그 이후, 과정은 단계 (102) 로 진행되며 이 단계에서 현재 엔진 속도와 캠축 위상 편차에 따른 회전 속도 F/B 보정량이 도 5 에 나타낸 회전 속도 F/B 보정량 맵을 참조하여 산출된다. 회전 속도 F/B 보정량 맵에서, 캠축 위상 편차 (CPD) 가 증가함에 따라, 회전 속도 F/B 보정량은 증가한다. 또한, 엔진 속도가 증가함에 따라, 회전 속도 F/B 보정량은 증가한다.
회전 속도 F/B 보정량을 산출한 후 과정은 단계 (103) 로 진행된다. EDU (31) 의 공급 전압 (배터리 전압) 을 검출한 후, 과정은 단계 (104) 로 진행되며 이 단계에서 EDU (31) 의 공급 전압이 작동 제한 전압보다 높은지 아닌지 판단된다. 여기서, 작동 제한 전압은 공급 전압의 저하에 의해 EDU (31) 의 파워 MOSFET 과 같은 스위칭 소자의 발열량이 증가하는 전압 영역의 상한을 설정하기 위해 정해진다. 작동 제한 전압은 EDU (31) 의 최소 작동 보장 전압보다 미리 정 해진 전압만큼 높게 설정된다.
단계 (104) 에서, EDU (31) 의 공급 전압이 작동 제한 전압보다 높은 것으로 판단되면, EDU (31) 의 출력 전류를 제한할 필요가 없다. 과정은 단계 (108) 로 진행되며 이 단계에서 목표 모터 속도는 회전 속도 F/B 보정량을 제한하지 않고 이하의 등식에 기초하여 설정된다.
목표 모터 속도 (TMS) = 기본 목표 모터 속도 (BTMS) + 회전 속도 F/B 보정량 (RSFBC)
여기서, 기본 목표 모터 속도는 캠축 회전 속도 (크랭크축 회전 속도 × 1/2) 와 일치하는 모터 속도이다.
한편, EDU (31) 의 공급 전압이 단계 (104) 에서 작동 제한 전압 이하인 것으로 판단되면, 과정은 단계 (105) 로 진행된다. 단계 (105) 에서, EDU (31) 의 공급 전압이 최소 작동 보장 전압보다 높은지 (작동 제한 전압 ≥ 공급 전압 > 최소 작동 보장 전압) 아닌지가 판단된다. 단계 (105) 에서 대답이 YES 일 때, 과정은 단계 (106) 으로 진행된다. 즉, 스위칭 소자의 열 발생을 제한할 필요가 있다. 단계 (106) 에서, 회전 속도 F/B 보정량에 대한 상한 가드 (guard) 값과 하한 가드 값은 도 6 에 나타낸 가드 맵에 기초하여 엔진 속도에 따라 산출된다.
도 6 에 나타낸 가드 맵에서, 엔진 속도가 증가함에 따라, 상한 가드 값과 하한 가드 값의 절대값은 증가한다. 게다가, 상한 및 하한 가드 값은 엔진 속도와 캠축 위상 편차에 따라 설정될 수 있다. 작동 과정의 간소화를 위해, 가 드 값은 미리 정해진 일정한 값으로 설정될 수 있다.
그 이후, 과정은 단계 (107) 로 진행되고 이 단계에서 회전 속도 F/B 보정량은 단계 (106) 에서 산출된 상한 및 하한 가드 값으로 가드 처리된다. 즉, 회전 속도 F/B 보정량이 상한 가드 값보다 큰 경우, 회전 속도 F/B 보정량은 상한 가드 값으로 된다. 회전 속도 F/B 보정량이 하한 가드 값보다 작은 경우, 회전 속도 F/B 보정량은 하한 가드 값으로 된다. 회전 속도 F/B 보정량이 상한 가드 값과 하한 가드 값 사이인 경우, 회전 속도 F/B 보정량은 변하지 않는다. 단계 (105, 106 및 107) 에서, 모터에 인가되는 전류는 제한된다.
그 이후, 과정은 단계 (108) 로 진행되고 이 단계에서 목표 모터 속도는 가드 처리된 회전 속도 F/B 보정량을 사용하여 산출된다.
목표 모터 속도 (TMS) = 기본 목표 모터 속도 (BTMS) + 가드 처리된 회전 속도 F/B 보정량 (G-RSFBC)
ECU (30) 는 상기 처리에 의해 계산된 목표 모터 속도를 나타내는 신호를 EDU (31) 에 출력한다.
반면, 단계 (105) 에서, EDU (31) 의 공급 전압이 최소 작동 보장 전압 이하인 것으로 판단되면, EDU (31) 의 스위칭 소자의 열 발생 한계가 초과된 것으로 판단되고, 과정은 단계 (109) 로 진행된다. 통전 OFF 신호가 ECU (30) 로부터 EDU (31) 에 출력되고, EDU (31) 의 스위칭 소자는 강제적으로 꺼지고, EDU (31) 의 출력 전류 (모터 전류) 는 차단된다. 단계 (105) 및 단계 (109) 에서, 모터 전류는 차단된다.
본 실시 형태의 제어 과정이 도 7 에 나타낸 시간 도표에 기초하여 이하에 설명될 것이다.
도 7 에서, 시간 t1 에서, 목표 캠축 위상은 계단식으로 변화하고, 실제 캠축 위상은 이에 따르는 방식으로 변화하기 시작한다. 그 이후, 출력 전류 제한 처리가 EDU (31) 의 공급 전압이 작동 제한 전압보다 낮아지는 시간 t2 에서 개시된다. 출력 전류 제한 처리 동안, ECU (30) 로부터 EDU (31) 에 출력되는 목표 모터 속도의 변화량 (회전 속도 F/B 보정량) 이 제한되고, 이에 의해 EDU (31) 의 출력 전류 (모터 전류) 가 제한된다.
본 실시 형태에서, 출력 전류 제한 처리의 실행 동안 EDU (31) 의 공급 전압 또한 저하된다. 공급 전압이 최소 작동 보장 전압보다 낮아지는 시간 t3 에서, 출력 전류 제한 처리는 출력 전류 차단 처리로 바뀌고, 통전 OFF 신호가 ECU (30) 로부터 EDU (31) 에 출력된다. EDU (31) 의 스위칭 소자는 강제적으로 꺼지고, EDU (31) 의 출력 전류 (모터 전류) 는 차단된다.
본 실시 형태에 따르면, EDU (31) 의 공급 전압이 EDU (31) 의 최소 작동 보장 전압보다 높게 설정된 작동 제한 전압보다 낮을 때, ECU (30) 로부터 EDU (31) 에 출력되는 목표 모터 속도의 변화량 (회전 속도 F/B 보정량) 은 제한되었고, EDU (31) 의 출력 전류 (모터 전류) 가 제한되었다. 이에 의해, EDU (31) 의 공급 전압이 최소 작동 보장 전압에 가깝게 낮아질 때, EDU (31) 의 출력 전류 (모터 전류) 는 제한되고 EDU (31) 의 스위칭 소자의 ON 기간은 짧아지게 된다. 따라서, 전원 전압의 저하에 의한 스위칭 소자에서의 열 발생과 온도의 상승이 억제될 수 있고, 스위칭 소자의 고장을 사전에 방지할 수 있다. 이러한 경우, 모터 전류가 제한될 때, 가변 밸브 타이밍 제어의 응답 속도는 느려지게 된다.
또한, 이 실시 형태에서, EDU (31) 의 공급 전압이 최소 작동 보장 전압보다 낮아질 때, 통전 OFF 신호가 ECU (30) 로부터 EDU (31) 에 출력되고, EDU (31) 의 출력 전류 (모터 전류) 는 차단된다. 이에 의해, EDU (31) 의 공급 전압이 최소 작동 보장 전압보다 낮아질 때, EDU (31) 의 스위칭 소자는 완전히 꺼질 수 있고, 스위칭 소자에서의 열 발생과 온도의 상승은 확실하게 억제될 수 있고, 스위칭 소자의 고장이 사전에 방지될 수 있다.
게다가, 본 발명은 흡기 밸브의 가변 밸브 타이밍 제어기에 제한되지 않을 뿐 아니라, 배기 밸브의 가변 밸브 타이밍 제어기에도 적용될 수 있다. 또한, 가변 밸브 타이밍 장치 (18) 의 위상 가변 기구는 유성 기어 기구에 제한되지 않는다. 캠축의 회전 속도에 대하여 모터의 회전 속도가 변하는 것에 의해 밸브 타이밍이 변화될 때 다른 기구들도 사용될 수 있다.