(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ特性が可変に制御される可変動弁機構の制御量のフィードバック補正分を、スライディングモード制御を用いて算出した線形項と非線形項とを加算して設定する装置であって、
前記フィードバック補正分の線形項を、バルブ特性を決定する制御対象の目標の位置と実際の位置との偏差の関数として設定したことを特徴とするスライディングモード制御装置。
【請求項２】
前記可変動弁機構は、油圧制御システムであることを特徴とする請求項１に記載のスライディングモード制御装置。
【請求項３】
前記可変動弁機構は、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を油圧制御によって連続的に可変制御する構成であって、前記油圧制御される油圧アクチュエータに対する油の給排を切換弁によって選択的に制御することにより制御する構成の内燃機関のバルブタイミング制御装置であることを特徴とする請求項２に記載のスライディングモード制御装置。
【請求項４】
前記フィードバック補正分の線形項を、制御対象の目標の位置と実際の位置との偏差に比例する項と、制御対象の動作速度に比例する項とを加算して設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のスライディングモード制御装置。
【請求項５】
前記フィードバック補正分の線形項を、制御対象の目標の位置と実際の位置との偏差に比例する項のみで設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のスライディングモード制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧制御システム等の制御量に対する動作不感帯を有した制御対象をスライディングモード制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を切換弁による油圧制御によって連続的に可変制御する構成のバルブタイミング制御装置として、特開平１０−１４１０２２号公報に開示されるようなベーン式バルブタイミング制御装置がある。
【０００３】
このものは、カムスプロケットに固定される筒状のハウジングの内周面に凹部を形成する一方、カムシャフトに固定される羽車の羽部（ベーン）を前記凹部に収容し、前記凹部内で前記羽部が移動できる範囲内でカムシャフトがカムスプロケットに対して相対的に回転できるよう構成する。
【０００４】
そして、前記羽部が前記凹部を回転方向の前後に区画して形成される一対の油圧室に対して相対的に油を給排することで、前記羽部を前記凹部の中間位置に保持させ、回転位相の連続的な可変制御を行わせる構成となっており、前記一対の油圧室の油圧が目標の回転位相が得られる油圧に調整されると、油圧通路を切換弁で閉じて油の給排を停止させるよう構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような油圧制御システムでは、油圧室の油を給排する油圧通路を切換弁で閉じて、定常時に吸・排気弁からの反力による油圧室からの油洩れを防止するように、切換弁（スプール弁）の弁体の閉じ代を大きく設定している。このため、切換弁の制御量（電磁駆動式ではデューティ比等）に対して前記油圧室の油量ひいては制御対象であるカムシャフトの回転位相が動作不感帯を有する。
【０００６】
前記カムシャフト回転位相の制御方式としては、ＰＩＤ制御などが一般的に採用されるが、該ＰＩＤ制御だけでは前記不感帯に対して応答よくフィードバック制御することが困難である。このため、ＰＩＤとは別にディザー分を付加してディザー制御を行なうようにしたものもあるが、エラー量に基づいてディザー分の付加判定を行なう必要があって複雑な制御となり、ＲＯＭやＲＡＭの容量をとってしまい、また、部品毎の不感帯幅のバラツキを小さくして制御精度を確保するためには、部品の加工精度を上げなければならず、加工コストが増大していた。
【０００７】
また、前記ＰＩＤ制御を応答性よく実行するためには、油温や油圧に応じて油の粘性が変化するため、フィードバックゲインを可変に設定することが望ましいが、該設定のマッチングが容易でない。
【０００８】
一方、近年外乱に対する影響の小さいロバスト性の高いフィードバック制御として、スライディングモード制御が注目されている。
そこで、前記油圧制御式のバルブタイミング制御装置にスライディングモード制御を適用することが考えられ、教科書とおりにスライディングモード制御を設計した場合には、前記油温や油圧の変化などの外乱による影響は抑制できるが、前記不感帯に対しては有効に機能せず、前記ディザーザー制御の代替若しくは補助とはならないことが判明した。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、油圧制御システム等の制御量に対する動作不感帯を有した制御対象に対し、該不感帯による応答性の低下を抑制したロバスト性の高いスライディングモード制御を実行できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
バルブ特性が可変に制御される可変動弁機構の制御量のフィードバック補正分を、線形項と非線形項とを加算して設定し、かつ、非線形項をスライディングモード制御によって算出する装置であって、
前記フィードバック補正分の線形項を、バルブ特性を決定する制御対象の目標の位置と実際の位置との偏差の関数として設定したことを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る発明によると、スライディングモード制御におけるフィードバック補正分の線形項が、バルブ特性を決定する制御対象の目標の位置と実際の位置との偏差の関数として設定される。
【００１２】
これにより、動作不感帯に入って、制御対象の実際の位置が変化しないときでも目標位置と実際の位置との間に偏差（≠０）を有するため、該偏差の関数として設定される線形項によって、フィードバックゲインを切り換える切換線への移動速度が適度に与えられ、以って、目標位置に応答性よく収束させることができる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明は、
前記可変動弁機構は、油圧制御システムであることを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
油圧制御システムに、本発明にかかるスライディングモード制御が適用される。
【００１４】
これにより、前記切換弁等により大きな動作不感帯を有する油圧制御システムにおいて、該不感帯による影響を抑制した応答性の良い制御が実行される。
また、請求項３に係る発明は、
前記可変動弁機構は、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を油圧制御によって連続的に可変制御する構成であって、前記油圧制御される油圧アクチュエータに対する油の給排を切換弁によって選択的に制御することにより制御する構成の内燃機関のバルブタイミング制御装置であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明によると、
上記構成の内燃機関のバルブタイミング制御装置に、本発明にかかるスライディングモード制御が適用される。
【００１６】
これにより、前記切換弁により大きな動作不感帯を有する油圧制御式の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、該不感帯による影響を抑制した応答性の良い制御が実行される。
【００１７】
また、請求項４に係る発明は、
前記フィードバック補正分の線形項を、制御対象の目標位置と実際の位置との偏差に比例する項と、制御対象の動作速度に比例する項とを加算して設定したことを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明によると、
スライディングモード制御における制御量の線形項が、制御対象の目標位置と実際の位置との偏差に比例する項と、制御対象の動作速度に比例する項とを加算して設定される。
【００１９】
これにより、制御対象の目標位置と実際の位置との偏差に比例する項によって、前記の動作不感帯に入ったときでも切換線への移動速度が適度に与えられる機能を有すると共に、動作不感帯から外れたときには制御対象の動作速度に比例する項による切換線への移動速度調整機能も加わって、より適切な移動速度に調整され、応答性がより向上する。
【００２０】
また、請求項５に係る発明は、
前記フィードバック補正分の線形項を、制御対象の目標位置と実際の位置との偏差に比例する項のみで設定したことを特徴とする。
【００２１】
請求項５に係る発明によると、
スライディングモード制御における制御量の線形項が、制御対象の目標位置と実際の位置との偏差に比例する項のみによって設定される。
【００２２】
線形項を制御対象の目標位置と実際の位置との偏差に比例する項のみによって設定した場合でも、動作不感帯に入ったときのみならず、動作不感帯から外れたときでも切換線への移動速度が適度に与えられる機能を有するので、スライディングモード制御を実現することができ、上記（請求項４における）制御対象の動作速度に比例する項を省略したことにより、制御（演算）が簡易となってプログラム容量を節約できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図６は、実施形態における内燃機関のバルブタイミング制御装置の機構部分を示すものであり、吸気バルブ側に適用したものを示す。
【００２４】
図に示すバルブタイミング制御装置は、機関のクランクシャフト（図示省略）によりタイミングチェーンを介して回転駆動されるカムスプロケット１（タイミングスプロケット）と、該カムスプロケット１に対して相対回転可能に設けられたカムシャフト２と、該カムシャフト２の端部に固定されてカムスプロケット１内に回転自在に収容された回転部材３と、該回転部材３をカムスプロケット１に対して相対的に回転させる油圧回路４と、カムスプロケット１と回転部材３との相対回転位置を所定位置で選択的にロックするロック機構１０とを備えている。
【００２５】
前記カムスプロケット１は、外周にタイミングチェーン（又はタイミングベルト）が噛合する歯部５ａを有する回転部５と、該回転部５の前方に配置されて回転部材３を回転自在に収容したハウジング６と、該ハウジング６の前端開口を閉塞する蓋体たる円板状のフロントカバー７と、ハウジング６と回転部５との間に配置されてハウジング６の後端部を閉塞する略円板状のリアカバー８とから構成され、これら回転部５とハウジング６及びフロントカバー７，リアカバー８は、４本の小径ボルト９によって軸方向から一体的に結合されている。
【００２６】
前記回転部５は、略円環状を呈し、周方向の約９０°の等間隔位置に各小径ボルト９が螺着する４つの雌ねじ孔５ｂが前後方向へ貫通形成されていると共に、内部中央位置に後述する通路構成用のスリーブ２５が嵌合する段差径状の嵌合孔１１が貫通形成されている。更に、前端面には、前記リアカバー８が嵌合する円板状の嵌合溝１２が形成されている。
【００２７】
また、前記ハウジング６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面の周方向の９０°位置には、４つの隔壁部１３が突設されている。この隔壁部１３は、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング６の軸方向に沿って設けられて、各両端縁がハウジング６の両端縁と同一面になっていると共に、基端側には、小径ボルト９が挿通する４つのボルト挿通孔１４が軸方向へ貫通形成されている。更に、各隔壁部１３の内端面中央位置に軸方向に沿って切欠形成された保持溝１３ａ内に、コ字形のシール部材１５と該シール部材１５を内方へ押圧する板ばね１６が嵌合保持されている。
【００２８】
更に、前記フロントカバー７は、中央の比較的大径なボルト挿通孔１７が穿設されていると共に、前記ハウジング６の各ボルト挿通孔１４と対応する位置に４つのボルト孔１８が穿設されている。
【００２９】
また、リアカバー８は、後端面に前記回転部材５の嵌合溝１２内に嵌合保持される円板部８ａを有していると共に、中央にスリーブ２５の小径な円環部２５ａが嵌入する嵌入孔８ｃが穿設され、更に、前記ボルト挿通孔１４に対応する位置に４つのボルト孔１９が同じく形成されている。
【００３０】
前記カムシャフト２は、シリンダヘッド２２の上端部にカム軸受２３を介して回転自在に支持され、外周面の所定位置に、バルブリフターを介して吸気バルブを開動作させるカム（図示省略）が一体に設けられていると共に、前端部にはフランジ部２４が一体に設けられている。
【００３１】
前記回転部材３は、フランジ部２４と嵌合穴１１にそれぞれ前後部が嵌合した前記スリーブ２５を介して軸方向から挿通した固定ボルト２６によってカムシャフト２の前端部に固定されており、中央に前記固定ボルト２６が挿通するボルト挿通孔２７ａを有する円環状の基部２７と、該基部２７の外周面周方向の９０°位置に一体に設けられた４つのベーン２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄとを備えている。
【００３２】
前記第１〜第４ベーン２８ａ〜２８ｄは、それぞれ断面が略逆台形状を呈し、各隔壁部１３間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン２８ａ〜２８ｄの両側と各隔壁部１３の両側面との間に、進角側油圧室３２と遅角側油圧室３３を構成する。また、各ベーン２８ａ〜２８ｄの外周面の中央に軸方向に切欠された保持溝２９にハウジング６の内周面６ａに摺接するコ字形のシール部材３０と該シール部材３０を外方に押圧する板ばね３１がそれぞれ嵌着保持されている。
【００３３】
前記ロック機構１０は、前記回転部５の嵌合溝１２の外周側所定位置に形成された係合溝２０と、前記係合溝２０に対応した前記リアカバー８の所定位置に貫通形成されて、内周面がテーパ状の係合孔２１と、該係合孔２１に対応した前記１つのベーン２８の略中央位置に内部軸方向に沿って貫通形成された摺動用孔３５と、該１つのベーン２８の前記摺動用孔３５内に摺動自在に設けられたロックピン３４と、該ロックピン３４の後端側に弾装されたばね部材であるコイルスプリング３９と、ロックピン３４と摺動用孔３５との間に形成された受圧室４０とから構成されている。
【００３４】
前記ロックピン３４は、中央側の中径状の本体３４ａと、該本体３４ａの先端側に略先細り円錐状に形成された係合部３４ｂと、本体３４ａの後端側に形成された段差大径状のストッパ部３４ｃとから構成されており、ストッパ部３４ｃの内部凹溝３４ｄの底面とフロントカバー７の内端面との間に弾装された前記コイルスプリング３９のばね力によって係合孔２１方向へ付勢されるようになっていると共に、前記本体３４ａとストッパ部３４ｃとの間の外周面及び摺動用孔３５の内周面との間に形成された受圧室４０内の油圧によって、係合孔２１から抜け出る方向に摺動するようになっている。また、この受圧室４０は、前記ベーン２８の側部に形成された通孔３６によって前記遅角側油圧室３３に連通している。また、ロックピン３４の係合部３４ｂは、回転部材３の最大遅角側の回動位置において係合部３４ｂが係合孔２１内に係入するようになっている。
【００３５】
前記油圧回路４は、進角側油圧室３２に対して油圧を給排する第１油圧通路４１と、遅角側油圧室３３に対して油圧を給排する第２油圧通路４２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路４１，４２には、供給通路４３とドレン通路４４とがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁４５を介して接続されている。前記供給通路４３には、オイルパン４６内の油を圧送するオイルポンプ４７が設けられている一方、ドレン通路４４の下流端がオイルパン４６に連通している。
【００３６】
前記第１油圧通路４１は、シリンダヘッド２２内からカムシャフト２の軸心内部に形成された第１通路部４１ａと、固定ボルト２６内部の軸線方向を通って頭部２６ａ内で分岐形成されて第１通路部４１ａと連通する第１油路４１ｂと、頭部２６ａの小径な外周面と回転部材３の基部２７内に有するボルト挿通孔２７ａの内周面との間に形成されて第１油路４１ｂに連通する油室４１ｃと、回転部材３の基部２７内に略放射状に形成されて油室４１ｃと各進角側油圧室３２に連通する４本の分岐路４１ｄとから構成されている。
【００３７】
一方、第２油圧通路４２は、シリンダヘッド２２内及びカムシャフト２の内部一側に形成された第２通路部４２ａと、前記スリーブ２５の内部に略Ｌ字形状に折曲形成されて第２通路部４２ａと連通する第２油路４２ｂと、回転部材５の嵌合孔１１の外周側孔縁に形成されて第２油路４２ｂと連通する４つの油通路溝４２ｃと、リアカバー８の周方向の約９０°の位置に形成されて、各油通路溝４２ｃと遅角側油圧室３３とを連通する４つの油孔４２ｄとから構成されている。
【００３８】
前記電磁切換弁４５は、内部のスプール弁体が各油圧通路４１，４２と供給通路４３及びドレン通路４４ａ，４４ｂとを相対的に切り換え制御するようになっていると共に、コントローラ４８からの制御信号によって切り換え作動されるようになっている。
【００３９】
具体的には、図４〜図６に示すように、シリンダブロック４９の保持孔５０内に挿通固定された筒状のバルブボディ５１と、該バルブボディ５１内の弁孔５２に摺動自在に設けられて流路を切り換えるスプール弁体５３と、該スプール弁体５３を作動させる比例ソレノイド型の電磁アクチュエータ５４とから構成されている。
【００４０】
前記バルブボディ５１は、周壁の略中央位置に前記供給通路４３の下流側端と弁孔５２とを連通する供給ポート５５が貫通形成されていると共に、該供給ポート５５の両側に前記第１，第２油圧通路４１，４２の他端部と弁孔５２とを連通する第１ポート５６及び第２ポート５７がそれぞれ貫通形成されている。また、周壁の両端部には、両ドレン通路４４ａ，４４ｂと弁孔５２とを連通する第３，第４ポート５８，５９が貫通形成されている。
【００４１】
前記スプール弁体５３は、小径軸部の中央に供給ポート５５を開閉する略円柱状の第１弁部６０を有していると共に、両端部に第３，第４ポート５８，５９を開閉する略円柱状の第２，第３弁部６１，６２を有している。また、スプール弁体５３は、前端側の支軸５３ａの一端縁に有する傘部５３ｂと弁孔５２の前端側内周壁に有するスプリングシート５１ａとの間に弾装された円錐状の弁ばね６３によって、図中右方向、つまり第１弁部６０で供給ポート５５と第２油圧通路４２とを連通する方向に付勢されている。
【００４２】
前記電磁アクチュエータ５４は、コア６４，移動プランジャ６５，コイル６６，コネクタ６７などを備え、移動プランジャ６５の先端に前記スプール弁体５３の傘部５３ｂを押圧する駆動ロッド６５ａが固定されている。
【００４３】
前記コントローラ４８は、機関回転速度を検出する回転センサ１０１や吸入空気量を検出するエアフローメータ１０２からの信号によって現在の運転状態（負荷、回転）を検出すると共に、クランク角センサ１０３及びカムセンサ１０４からの信号によってカムスプロケット１とカムシャフト２との相対回動位置、即ち、クランクシャフトに対するカムシャフト２の回転位相を検出する。
【００４４】
前記コントローラ４８は、前記電磁アクチュエータ５４に対する通電量をデューティ制御信号に基づいて制御する。
例えば、コントローラ４８から電磁アクチュエータ５４にデューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、スプール弁体５３が弁ばね６３のばね力で図４に示す位置、つまり、最大右方向に移動する。これによって、第１弁部６０が供給ポート５５の開口端５５ａを開成して第２ポート５７と連通させると同時に、第２弁部６１が第３ポート５８の開口端を開成すると共に、第４弁部６２が第４ポート５９を閉止する。このため、オイルポンプ４７から圧送された作動油は、供給ポート５５，弁孔５２，第２ポート５７，第２油圧通路４２を通って遅角側油圧室３３に供給されると共に、進角側油圧室３２内の作動油が、第１油圧通路４１，第１ポート５６，弁孔５２，第３ポート５８を通って第１ドレン通路４４ａからオイルパン４６内に排出される。
【００４５】
従って、遅角側油圧室３３の内圧が高、進角側油圧室３２の内圧が低となって、回転部材３は、ベーン２８ａ〜２８ｂを介して最大一方向に回転する。これによって、カムスプロケット１とカムシャフト２とは一方側へ相対回動して位相が変化し、この結果、吸気バルブの開時期が遅くなり、排気バルブとのオーバーラップが小さくなる。
【００４６】
一方、コントローラ４８から電磁アクチュエータ５４にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると、スプール弁体５３が弁ばね６３のばね力に抗して図６に示すように左方向へ最大に摺動して、第３弁部６１が第３ポート５８を閉止すると同時に、第４弁部６２が第４ポート５９を開成すると共に、第１弁部６０が、供給ポート５５と第１ポート５６とを連通させる。このため、作動油は、供給ポート５５、第１ポート５６、第１油圧通路４１を通って進角側油圧室３２内に供給されると共に、遅角側油圧室３３内の作動油が第２油圧通路４２、第２ポート５７、第４ポート５９、第２ドレン通路４４ｂを通ってオイルパン４６に排出され、遅角側油圧室３３が低圧になる。
【００４７】
このため、回転部材３は、ベーン２８ａ〜２８ｄを介して他方向へ最大に回転し、これによって、カムスプロケット１とカムシャフト２とは他方側へ相対回動して位相が変化し、この結果、吸気バルブの開時期が早くなり（進角され）、排気バルブとのオーバーラップが大きくなる。
【００４８】
前記コントローラ４８は、第１弁部６０が供給ポート５５を閉止し、かつ、第３弁部６１が第３ポート５８を閉止し、かつ、第４弁部６２が第４ポート５９を閉止する位置となるデューティ比をベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹとする一方、クランク角センサ１０３及びカムセンサ１０４からの信号に基づいて検出されるカムスプロケット１とカムシャフト２との相対回動位置（回転位相）と、運転状態に応じて設定した前記相対回動位置（回転位相）の目標値（目標進角値）とを一致させるためのフィードバック補正分ＵＤＴＹを後述するようにスライディングモード制御によって設定し、前記ベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹとフィードバック補正分ＵＤＴＹとの加算結果を最終的なデューティ比ＶＴＣＤＴＹとし、該デューティ比ＶＴＣＤＴＹの制御信号を電磁アクチュエータ５４に出力するようにしてある。なお、前記ベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹは、供給ポート５５，第３ポート５８，第４ポート５９が共に閉止され、いずれの油圧室３２，３３でも油の給排が行われないデューティ比範囲の略中央値（例えば５０％）に設定されている。
【００４９】
つまり、前記相対回動位置（回転位相）を遅角方向へ変化させる必要がある場合には、前記フィードバック補正分ＵＤＴＹによりデューティ比が減少され、オイルポンプ４７から圧送された作動油が遅角側油圧室３３に供給されると共に、進角側油圧室３２内の作動油がオイルパン４６内に排出されるようになり、逆に、前記相対回動位置（回転位相）を進角方向へ変化させる必要がある場合には、前記フィードバック補正分ＵＤＴＹによりデューティ比が増大され、作動油が進角側油圧室３２内に供給されると共に、遅角側油圧室３３内の作動油がオイルパン４６に排出されるようになる。そして、前記相対回動位置（回転位相）を現状の状態に保持する場合には、前記フィードバック補正分ＵＤＴＹの絶対値が減ることで、ベースデューティ比付近のデューティ比に戻るよう制御され、供給ポート５５，第３ポート５８，第４ポート５９の閉止（油圧の給排の停止）により各油圧室３２，３３の内圧を保持するように制御される。
【００５０】
ここで、前記フィードバック補正分ＵＤＴＹが、スライディングモード制御により、以下のように算出される。なお、以下では、前記検出されるカムスプロケット１とカムシャフト２との相対回動位置（回転位相）をバルブタイミング制御装置（ＶＴＣ）の実角度、その目標値をＶＴＣの目標角度として説明する。
【００５１】
１．数学モデルの算出
スライディングモード制御では、制御対象の数学モデルによりコントローラのパラメータを決定していくので、最初にＶＴＣの数学モデルを算出する。
【００５２】
該数学モデルの求め方は、運動方程式を立てる、システムの同定より求めるなどの方法があるが、ここでは、システム同定を利用した。
入力ｕ（ｋ）：デューティ、出力ｙ（ｋ）：ＶＴＣの実角度としたときのシステム同定の結果、次の伝達関数が得られた。
【００５３】
Ｇ（ｓ）＝ｂ／（ｓ２＋ａ２・ｓ＋ａ１）
２．伝達関数の簡素化
システム同定で求めたモデルは、高次モデルの可能性があるのと、コントロ−ラの構成を簡素化するため、伝達関数の簡素化を行なう。
【００５４】
Ｇ（ｓ）＝ｂ／［ｓ（ｓ＋ａ２）］……（２．１）
３．状態方程式の算出
求めた伝達関数よりＶＴＣの微分方程式は、以下のように与えられる。但し、ｘ：ＶＴＣの実角度、ｕ：入力（デューティ）
【００５５】
【数１】
0003616734.tif 000002
状態方程式は、
【００５６】
【数２】
0003616734.tif 000003
とおけるので、微分方程式（３．１）を（３．２）に代入すると、以下のようになる。
【００５７】
【数３】
0003616734.tif 000004
４．切換関数の設計
スライディングモード制御は、システムの状態により、フィードバックゲインを切り換えるので、この切換関数Ｓを以下のように置く。
【００５８】
【数４】
0003616734.tif 000005
切換関数のパラメータによりスライディングモードが発生しない場合があるため、切換関数の設計は非常に重要である。設計方法は、主に以下のような方法がある。
【００５９】
▲１▼極配置法を用いた設計法
▲２▼最適切換超平面の設計法
▲３▼システムの零点を用いた設計法
▲４▼周波数整形による超平面の設計法
α１，α２を上記の設計法を適用して求め、α１：α２＝γ：１が成立するγを求めると、以下のようになる。
【００６０】
【数５】
0003616734.tif 000006
しかし、上記のように、通常の教科書とおりに設計された切換関数では、制御対象の実際の位置つまりＶＴＣの実角度ｘの関数としているため、バルブタイミング制御装置に対しては、以下のように不適となる。
【００６１】
まず、γｘの項については、ＶＴＣの目標角度が０°以外の場合、常に正の値がついてしまい、目標角度と実角度とに、無関係な値となるため、ＶＴＣが目標角度に収束しない。
【００６２】
また、ｄｘ／ｄｔの項については、電磁切換弁が不感帯にあるときには、ＶＴＣが動作しないため、実速度ｄｘ／ｄｔは変化せず、微小角度だけ動作させたい場合には、応答性が悪い。
【００６３】
なお、教科書とおりの設計では、エラー量の積分項も付加することが推奨されているが、カムシャフトが目標角度にされたときに、該エラー量の積分項が０でない値で残されることとなり、目標角度への収束を妨げるように機能してしまう。
【００６４】
そこで、切換関数Ｓを以下のようなエラー量の関数として設定する。
【００６５】
【数６】
0003616734.tif 000007
ここで、該切換関数の設計には、▲３▼のシステムの零点を用いた設計法を利用した。該システムの零点は、（Ｓ，Ａ，Ｂ）の零点を複素平面上左半面に設定する手法である（Ｓ：切換関数、Ａ，Ｂ：（３．２）式の定数）。
【００６６】
５．スライディング条件の算出
スライディングが成立する最も単純な条件は、Ｓ・ｄＳ／ｄｔ＜０である。
Ｓが減少していくときのみ、上記条件が成立する。Ｓは、エラーとエラーの微分値を変数としているので、上記条件成立時はエラーが減少し、目標値に収束していくことを意味する。
【００６７】
最初にＳの展開に必要な式を求める。
制御量ｕを以下のようにおく。
【００６８】
【数７】
0003616734.tif 000008
これを（３・１）式に代入すると、
【００６９】
【数８】
0003616734.tif 000009
次にハットｕについて展開する。
【００７０】
ハットｕは、スライディングしているときの入力なので、Ｓ＝ｄＳ／ｄｔ＝０である。
【００７１】
【数９】
0003616734.tif 000010
ｂｕ＝ハットｕとすると、
【００７２】
【数１０】
0003616734.tif 000011
スライディングする条件Ｓ・ｄＳ／ｄｔ＜０について考える。
【００７３】
【数１１】
0003616734.tif 000012
（５・２），（５・３）式より、
【００７４】
【数１２】
0003616734.tif 000013
したがって、ｋを正の値にとれば、スライディングが成立する。
【００７５】
６．制御量演算式の設計
制御量（フィードバック補正量）ｕは、式（５．１），（５．３）より、以下のようになる。
【００７６】
【数１３】
0003616734.tif 000014
ＶＴＣの伝達関数を簡素化した（２．１）式を用いると、状態方程式は以下のようにおける。
【００７７】
【数１４】
0003616734.tif 000015
（６．２）の状態方程式を用いると、（６．１）式は、以下のようになる。
【００７８】
【数１５】
0003616734.tif 000016
ここで、α＝ｂ−１（ａ−γ）、ｋ’＝ｂ−１ｋとおくと、
【００７９】
【数１６】
0003616734.tif 000017
この式は、切換線Ｓ＝０上をスライディングしながら動くことを保証する式である。
【００８０】
しかし、このように（教科書とおりに）設計された制御量の式では、線形項α・ｄｘ／ｄｔについても、不感帯にあるときに油の給排が行なわれないため、動作速度ｄｘ／ｄｔ＝０→線形項＝０となって有効に機能しない。
【００８１】
そこで、本発明では、不感帯に入ったときでも線形項が有効に機能するように、以下のような処理を行なう。
即ち、上記の制御量ｕの式に、β・Ｓ（βは定数）を加える。ここで、切換線Ｓ＝０上をスライディングしているときは、β・Ｓ≒０であるので、β・Ｓを制御量ｕに加算してもスライディングに何ら影響はない。
【００８２】
【数１７】
0003616734.tif 000018
ここで、β’＝βγ、α’＝α＋βとおくと、
【００８３】
【数１８】
0003616734.tif 000019
この式は、
【００８４】
【数１９】
0003616734.tif 000020
の形となる。
【００８５】
このように、上記の加算処理を行なった結果、制御量の線形項にＶＴＣのエラー量（ＰＥＲＲ）が含まれることとなり、これにより、動作不感帯に入ったときでも０でない線形項によって切換線への移動速度が適度に与えられ、切換線上での良好なスライディングも確保されるので、目標角度へ応答性よく収束させることができる。
【００８６】
なお、ｃ、ｄの係数は、通常の線形制御系の設計（応答性、安定性より決定）を用いて決める。例えば、ｃは、実際のバルブタイミング制御装置の９０％応答時間及び行き過ぎ量から決定できる。係数ｄも、大きすぎると目標角度に収束せず、ハンチングが発生するので、発散しないように適度の値に設定する。
【００８７】
Ｋは、正の値を設定する。但し、大きすぎるとハンチングの原因になるので、ハンチングが発生しない最大の値を設定する。
７．チャタリング防止の設計
非線形項ＵｎＬ＝−ｋ・Ｓ／｜Ｓ｜＝−ｋｓｇｎ（Ｓ）をデジタル制御器で用いると、サンプリング周期を無限小にできないため、切換面を滑らず、その近傍でチャタリングを起こす。
【００８８】
そこで、飽和関数、平滑関数等を用いてチャタリングの低減を行なう。これらの関数を図示すると、図７に示すようになる。
いずれを使用してもよいが、平滑関数は、飽和関数に比較して演算式が簡単であるので（条件分岐がない）、使用しやすい。
【００８９】
図８は、上記のように設計されたスライディングモード制御を適用した前記コントローラ４８による電磁アクチュエータ５４のデューティ制御の様子を示すブロック図である。
【００９０】
ＶＴＣ目標角度ＶＴＣＴＲＧとＶＴＣ実角度ＶＴＣＮＯＷとの偏差であるエラー量ＰＥＲＲを算出し、該エラー量ＰＥＲＲにＰ分ゲインｃを乗じた比例分制御量ＵＰと、ＶＴＣ実角度ＶＴＣＮＯＷの微分値であるＶＴＣ実速度ＵＮに速度ゲインｄを乗じた速度制御量ＵＮ’を加算して線形項制御量ＵＬを算出する。
【００９１】
また、前記エラー量ＰＥＲＲに傾きγを乗じた値と、エラー量ＰＥＲＲの微分値ｄ（ＰＥＲＲ）／ｄｔとを加算して、切換関数Ｓを算出し、該切換関数Ｓを用いた平滑関数−ｋＳ（｜Ｓ｜＋δ）として非線形項制御量ＵＮＬを算出する。
【００９２】
前記線形項制御量ＵＬは、制御系（ＶＴＣ）の状態を切換線（Ｓ＝０）に近づける速さを調整する役割を有し、非線形項制御量ＵＮＬは、切換線上に沿ったスライディングモードを生じさせる役割を有する。
【００９３】
そして、前記線形項制御量ＵＬと、非線形項制御量ＵＮＬとを加算して、制御量（フィードバック補正分）ＵＤＴＹを算出し、該フィードバック補正分ＵＤＴＹを、前記不感帯中立位置相当のベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹと加算して該加算結果を最終的なデューティ比ＶＴＣＤＴＹとして出力する。
【００９４】
このように、スライディング制御によってフィードバック補正量を算出して、予め設定された切換線上に制御系の状態を導くようにフィードバックゲインの切換が行なわれるので、油温や油圧などの外乱による影響を受けにくく、ロバスト性の高い制御を行うことができる（図９参照）。
【００９５】
また、特に、制御量の線形項をエラー量の関数として設定することにより、前記切換弁の不感帯を乗り越えるための複雑なディザー制御が不要若しくは依存率を減少させてマッチングを簡略化でき、ＲＯＭやＲＡＭの容量も節約できる。
【００９６】
また、前記不感帯の影響が低減するため、切換弁の不感帯幅の寸法公差が緩められ、加工コストを軽減できる。
また、前記実施の形態では、線形項を前記エラー量に比例した項に加えて、ＶＴＣの動作速度に比例した項を設けて設定したため、動作不感帯から外れたときには該動作速度に比例する項による切換線への移動速度調整機能も加わって、より適切な移動速度に調整され、応答性がより向上する。
【００９７】
しかし、前記制御量の線形項を、エラー量に比例する項のみで設定した場合でも、動作不感帯に入ったときのみならず、動作不感帯から外れたときでも切換線への移動速度が適度に与えられる機能を有するので、スライディングモード制御を実現することができ、この場合は動作速度に比例する項を省略したことにより、制御（演算）が簡易となってプログラム容量を節約できる（図１０参照）。
【００９８】
なお、本発明は、前記ベーン式の油圧アクチュエータを用いたＶＴＣに限らず、例えば、リニア式の油圧アクチュエータを用いて直線運動を回転運動に変換してカムシャフトの回転位相を可変するようなＶＴＣにも適用できることは勿論であり、動作不感帯を有する制御対象であれば油圧制御式に限るものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるバルブタイミング制御機構を示す断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ断面図。
【図３】上記バルブタイミング制御機構の分解斜視図。
【図４】上記バルブタイミング制御機構における電磁切換弁を示す縦断面図。
【図５】上記バルブタイミング制御機構における電磁切換弁を示す縦断面図。
【図６】上記バルブタイミング制御機構における電磁切換弁を示す縦断面図。
【図７】スライディングモード制御の非線形項制御量に使用される関数の形態を示す図。
【図８】上記バルブタイミング制御機構の制御ブロック図。
【図９】上記バルブタイミング制御機構のスライディングモード制御時の目標角度への収束の様子を示すタイムチャート。
【図１０】別の実施の形態におけるバルブタイミング制御機構の制御ブロック図。
【符号の説明】
２…カムシャフト
４…油圧回路
３２…進角側油圧室
３３…遅角側油圧室
４５…電磁切換弁
４７…オイルポンプ
５３…スプール弁体
１０１…回転センサ
１０２…エアフローメータ
１０３…クランク角センサ
１０４…カムセンサ
【図１】
0003616734.tif 000021
【図２】
0003616734.tif 000022
【図３】
0003616734.tif 000023
【図４】
0003616734.tif 000024
【図５】
0003616734.tif 000025
【図６】
0003616734.tif 000026
【図７】
0003616734.tif 000027
【図８】
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【図９】
0003616734.tif 000029
【図１０】
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