(57)【要約】【課題】電磁動弁の制御装置で、弁体にかかる外乱力などの影響を事前に評価し、最適な制御定数となるように調整を行い、また制御対象の時定数が大きい場合には効果的なフィードフォワード制御を行って制御特性の改善を図ること。【解決手段】電磁動弁の可動子４の変位量を計測する変位センサ１と、電磁石６ａ，６ｂに流す電流値を決定する制御器２３と、可動子変位の時間変化パターンを識別する変位パターン識別手段２１と、制御器２３に対して変位パターン識別手段２１で識別した結果に対応した制御定数を設定する制御定数設定手段２２を備え、可動子変位の時間変化パターンから推定される可動子４および弁体５に加わる外乱力に基づき、制御器２３に対して外乱力に応じた適正な制御定数となるように調整すること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気弁または排気弁と一体になって動く可動子を一対のばねの釣り合いによって中間位置に保持し、前記可動子の摺動方向の両側に配置した電磁石に電流を流すことによって前記可動子に電磁力を作用させ、前記可動子をその中立位置から全開方向または全閉方向へ移動させる構造の電磁動弁の制御装置であって、
前記電磁動弁の可動子の変位量を計測する変位センサと、
前記電磁石に流す電流値を決定する制御器と、
可動子変位の時間変化パターンを識別する変位パターン識別手段と、
前記制御器に対して前記変位パターン識別手段で識別した結果に対応した制御定数を設定する制御定数設定手段と、を備え、
可動子変位の時間変化パターンから推定される前記可動子および弁体に加わる外乱力に基づき、前記制御器に対して外乱力に応じた適正な制御定数となるように調整する
ことを特徴とする電磁動弁の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の電磁動弁の制御装置において、
前記制御器はフィードフォワード制御部を有し、前記適正に調整される制御定数としてフィードフォワード指令値の時間変化パターンを切り替えて使用することを特徴とする電磁動弁の制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の電磁動弁の制御装置において、
前記制御器はフィードバック制御部を有し、前記適正に調整される制御定数としてフィードバック制御部のフィードバックゲインを切り替えて使用することを特徴とする電磁動弁の制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の電磁動弁の制御装置において、
前記制御器はフィードバック制御部を有し、前記適正に調整される制御定数としてフィードバック制御部に入力される追従目標変位パターンを切り替えて使用することを特徴とする電磁動弁の制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つの請求項記載の電磁動弁の制御装置において、
前記制御器はフィードバック制御部とフィードフォワード制御部を併せて有し、前記フィードフォワード指令値の時間変化パターンに対してフィードバック制御部出力値を規定の割合を乗じた後で逐次加算していくことを特徴とする電磁動弁の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気弁または排気弁として機能する電磁動弁に係り、特に電磁動弁の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の吸気弁または排気弁を電磁力によって開閉駆動することで、運転状態に応じて開弁期間および弁開閉時期を任意に設定可能な電磁式動弁が知られている。この種の電磁式動弁として例えば、弁体と一体になって動く可動子を一対のばねの釣り合いによって中間位置に保持し、その摺動方向の両側に配置した電磁石に電流を流すことによって可動子に電磁力を作用させ、可動子および弁体をその中立位置から全開方向または全閉方向へ移動させる構造の電磁式動弁が挙げられる。
【０００３】
前述の電磁式動弁によれば、例えば弁体を全閉状態から全開状態へ移動させようとしたとき、前述のばねの付勢力に抗して全閉状態に保持している全閉側の電磁石への励磁電流の供給を停止すると、可動子および弁体はばね力によって全開方向への移動を開始し、ばね−質量系の単振動による運動をする。そのため、弁体の移動途中で摩擦や外乱力によって失われた運動エネルギーを全開側の電磁石による電磁力によって供給するだけで弁体を全開位置まで移動することができ、エネルギー効率の優れた動弁機構を構成することができる。
【０００４】
しかしながら、前述の構成による場合、可動子を引き付けるための電磁石の電磁力は、磁路の飽和による影響などを除けば可動子のエアギャップの２乗に反比例するため、電磁石に一定電流を供給すると可動子が引き付け側の電磁石に接近するにつれて電磁力は急激に増大し、可動子は電磁石に激しく衝突する。
【０００５】
自動車などに搭載される内燃機関においては静粛性に対する要求も高いことから、前述の衝突による衝撃音を低減する必要がある。また、閉弁時においては弁体も弁座に激しく衝突するため、弁座上で弁体が飛び跳ねる現象を生じ、確実な閉弁が行われない可能性もある。
【０００６】
衝撃音を低減するために弁体の減速制御が行われてきた。例えば、特許文献１に記載の技術には、可動部の速度、位置をそれぞれ可動部速度センサ、可動部位置センサで検出し、位置信号に応じて速度目標値生成部が生成した速度目標値と速度信号とを比較する速度フィードバック制御を行い、比較結果に応じて電磁石に通電すべき電流目標値を生成する電磁動弁の制御装置が開示されている。これによると、電流目標値は電磁石電流制御部に伝えられ、電流目標値に応じたＰＷＭ制御により電磁石の電流が制御されることにより、変位端の直前で可動子の速度が０となるように制御されると記載されている。
【特許文献１】特開２０００−２３４５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のようなフィードバック制御による減速制御にあっては、弁体にかかる外乱力などの影響で目標値に対する偏差を検出すると直ちに電磁石の電流値を補正するように制御されるが、排気弁の開弁時などで通常より大きな外乱力が入力されている状態では必ずしも最適な制御定数で動作していないと考えられる。
【０００８】
また、電流制御回路の応答時間が長かったり電磁石のインダクタンス値が大きい場合など物理的に電流値の変化に対する時定数が大きい場合などには、偏差を検出してから電流値を補正するのでは間に合わない可能性があり、電磁石の巻数を減らしてインダクタンス値を小さくしたり、高速の制御装置を使って指令値の出力遅れを極小化するなどの対策が必要となり、結果として電磁石に流す電流が増大したり、制御装置が高価になってしまったりするという課題もあった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みて、弁体にかかる外乱力などの影響を事前に評価し、最適な制御定数となるように適宜調整を行い、また制御対象の時定数が大きい場合には効果的にフィードフォワード制御を行うことで制御特性の改善を図ることのできる電磁動弁の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。  
電磁動弁の制御装置は、前記電磁動弁の可動子の変位量を計測する変位センサと、電磁石に流す電流値を決定する制御器と、可動子変位の時間変化パターンを識別する変位パターン識別手段と、前記制御器に対して前記変位パターン識別手段で識別した結果に対応した制御定数を設定する制御定数設定手段と、を備え、可動子変位の時間変化パターンから推定される可動子および弁体に加わる外乱力に基づき、前記制御器に対して外乱力に応じた適正な制御定数となるように調整する構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、可動子変位の時間変化パターンから可動子および弁体にかかる外乱力の大きさが推定可能となり、その変位パターンを識別分類して対応する制御定数を制御器に設定することにより、制御対象の状態に対して常に最適な制御定数を設定可能な電磁動弁の制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る電磁動弁の制御装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成を示す図である。
【００１３】
図１に示される電磁動弁アクチュエータは、内燃機関の吸排気弁の弁体５と可動子４が一体となって上下に摺動するように配置され、一対のばねによるばね力の釣り合いによって摺動範囲の中間位置に保持される一種の振り子の構造を採っている。可動子４の摺動範囲の両端に対応する位置には全閉側電磁石６ａおよび全開側電磁石６ｂが配置され、これら電磁石６ａ，６ｂに電流を流すことによって可動子４に電磁力を作用させ、可動子４および弁体５を中立位置から全開方向または全閉方向へ移動させることで、吸排気弁の開閉を実現する。
【００１４】
本実施形態に係る制御装置２は、変位パターン識別手段２１、制御定数設定手段２２、制御器２３により構成され、リフトセンサ１と電流制御回路３に接続する。さらに、電流制御回路３は電磁動弁アクチュエータの電磁石６ａ，６ｂに電流を供給し、可動子４を摺動させ、弁体５の開閉動作を行う。
【００１５】
電磁動弁システムの開弁時の動作手順は以下のとおりである。最初、可動子４は上側の電磁石６ａに引き付けられており、弁体５はそれに合わせて上側に位置し、弁が閉じた状態で保持されているものとする。電磁動弁の動作開始時には制御器２３は上側の電磁石６ａの保持電流を切断すると、可動子４を保持するばねの付勢力によって電磁石６ｂの方向（下側）に移動を開始し、中立点を過ぎて電磁石６ｂの近傍まで達する。振り子であるのでエネルギー損失が無ければ操作を加えなくとも電磁石６ｂに着座するのであるが、現実には軸の摩擦や弁体５に加わる筒内圧により弁体５を押し戻す方向に外乱力が作用し、電磁石６ｂには達しないのである。
【００１６】
このとき、制御器２３により適当な電流を電磁石６ｂに供給すると、可動子４は電磁力によって引き寄せられ、電磁石６ｂに着座する。以上が開弁時の動作手順であるが、閉弁時もこれと全く同等の動作手順となるため説明は省略する。
【００１７】
ここで、電磁石６ｂに供給する電流が適切であれば可動子４は電磁石６ｂに速度０近傍で着座し、騒音や振動を発生しないが、電流が過大であると着座衝撃で騒音振動を発生する。一方、電流が不足であると可動子４は電磁石６ｂに着座できずに離れてしまい、振動しながら中立点に収束する。すなわちバルブが脱調するという課題が発生してしまう。
【００１８】
ここで、電磁石６ｂにより発生するべき電磁力は、先述したように軸の摩擦や弁体５に加わる筒内圧により受けた外乱力で失われたエネルギー分をちょうど補う分を付勢すればよい。これには制御器２３によって可動子４の変位を変位センサ１で計測してフィードバック制御を行うか、外乱力に見合った電磁力をフィードフォワード制御で与える方法がある。
【００１９】
そこで、弁動作初期（電磁石６ａへの電流が切断されてから、電磁石６ｂへの電流が供給されるまでの期間であって、可動子が電磁石６ａと６ｂの中間に位置する期間）における可動子変位の時間変化パターンを識別する変位パターン識別手段２１によって外乱力の大きさの違いをこの弁動作初期に識別し、制御定数設定手段２２によって制御器２３の制御定数を外乱力の大きさに応じて調整することで、外乱力で失われたエネルギー分をちょうど補うことができるように制御器２３を最適化する。
【００２０】
弁体５に掛かる外乱力としては、先に述べたように軸の摩擦や筒内圧により弁体５を押し戻す方向に作用する力が考えられる。ここでは、排気弁側の弁体に掛かる外乱力を示したグラフの一例を図５に示す。図５によれば、外乱力の大半は筒内圧によるものであり、弁体の開き始めの近辺（図５のグラフの左端）で大きな外乱力を示すが、燃焼ガスが排出されていくに従って筒内圧は急速に減少し、それに従い外乱力も小さくなっていく。
【００２１】
燃焼状態は燃焼サイクル毎に変化していくために筒内圧も大きく変化してしまうが、弁体の開き始めの近辺における筒内圧、すなわち外乱力が分かれば、その後の外乱力の推移は開弁により燃焼ガスが抜けていくだけであるから以前に計測しておいたパターンが適用できるはずである。
【００２２】
さらに外乱力の変化を加えれば、排気温度や排気管圧力などの影響による燃焼ガスの流速変化で起きる外乱力変化パターンの違いも予測できるはずである。よって、弁動作初期における外乱力の時間変化パターンを識別することでその後の外乱力の変化を予測し、制御器２３を最適化することが可能になるのである。
【００２３】
ここで、外乱力と可動子変位の関係について示したグラフの例を図４に示す。図４における線４１は外乱力が小さいとき、線４３は外乱力が大きいとき、線４２は中間のときである。弁体５は自由振動するばね振り子と見なせるから、弁体５を押し戻す方向の外乱力が作用すれば変位の変化率、すなわち可動子速度は低下し、変位グラフは寝てくるようになる。簡単には開弁開始から一定時間後の変位により初期の筒内圧推定が可能となる。
【００２４】
さらには、筒内圧のばらつき範囲で複数の可動子変位の時間変化パターンを計測し、さらにそれぞれの初期筒内圧毎に機関温度や運転状態などを変化させた時間変化パターンを計測しておいて、それをテーブルとして保存しておくことで、これらのテーブルと実際の可動子変位測定値の時間変化パターンの相関値を比較することで、テーブル内のどのエンジン状態と一致するかを知ることができ、それに基づきあらかじめ得ておいた外乱力変化データをテーブルから引き出すことも可能になる。
【００２５】
これにより、可動子変位の時間変化パターンから可動子および弁体にかかる外乱力の大きさが推定可能となり、その変位パターンを識別分類して対応する制御定数を制御器に設定することにより、制御対象の状態に対して常に最適な制御定数を設定可能な電磁動弁の制御装置を提供することができる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る電磁動弁の制御装置について、図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第２の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成を示す図である。
【００２７】
図２に示す制御装置２は、第１の実施形態を示す図１の一部である制御装置２の部分を抜き出して詳細に描いたものである。本発明の第２の実施形態の制御装置２は、図１に示すとおり変位パターン識別手段２１、制御定数設定手段２２、制御器２３により構成されているが、この中で制御器２３はフィードフォワード制御器２３２とフィードバック制御器２３３が含まれ、各制御器２３２，２３３の出力の和を制御値として出力する。フィードフォワード制御器２３２はフィードフォワード指令値パターンのデータに従い指令値を出力する。また、制御器２３における追従目標出力器２３１は、追従目標パターンの時系列データに従い時間経過に合わせて追従目標値を出力し、状態量と比較することでフィードバック制御を実現する。
【００２８】
一方、制御定数設定手段２２は前記追従目標パターンマップ２２１、フィードバック制御器ゲインマップ２２２、フィードフォワード指令値パターンマップ２２３よりなり、それぞれ変位パターン識別手段２１の識別出力毎にマップを切り替えて制御器２３に渡す。
【００２９】
ここで、本発明の第２の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成例１では、制御器２３はフィードフォワード制御器２３２を持ち、変位パターン識別手段２１によって選ばれたフィードフォワード指令値パターンマップ２２３のうちの１パターンを、フィードフォワード制御器２３２から指令値として出力する。このとき、変位パターン識別手段２１では弁体５への外乱力に応じてフィードフォワード指令値パターンマップ２２３を切り替えることが可能となり、それぞれの場合において最適なパターンを予め用意しておけば自動的に選択される。これにより、外乱力に対して最適なフィードフォワード指令値を出力することが可能な制御装置を提供することができる。
【００３０】
また、本発明の第２の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成例２では、制御器２３はフィードバック制御器２３３を持ち、変位パターン識別手段２１によって選ばれたフィードバック制御器ゲインマップ２２２のうちの１パターンを、フィードバック制御器２３３の内部変数へロードし、この数値をもとにフィードバック演算を行う。このとき、変位パターン識別手段２１では弁体５への外乱力に応じてフィードバック制御器ゲインマップ２２２を切り替えることが可能となり、それぞれの場合において最適なパターンを予め用意しておくことで自動的に選択される。これにより、外乱力に対して最適なフィードバックゲインを持つ制御器とすることが可能な制御装置を提供することができる。
【００３１】
また、本発明の第２の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成例３では、制御器２３は追従目標出力器２３１を持ち、変位パターン識別手段２１によって選ばれた追従目標パターンマップ２２１のうちの１パターンを、追従目標出力器２３１の内部変数へロードし、この数値をもとにフィードバック演算を行う。このとき、変位パターン識別手段２１では弁体５への外乱力に応じて追従目標パターンマップ２２１を切り替えることが可能となり、それぞれの場合において最適なパターンを予め用意しておくことで自動的に選択される。これにより、外乱力に対して最適な目標軌跡を制御上無理のないように滑らかに設定することが可能な制御装置を提供することができる。
【００３２】
次に、本発明の第３の実施形態に係る電磁動弁の制御装置について、図３を参照しながら説明する。図３は本発明の第３の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成を示す図である。図３に示す制御定数設定手段２２および制御器２３は、図１または図２の一部である制御装置２の部分を抜き出して詳細に描いたものである。
【００３３】
本発明の第３の実施形態における制御器２３は、図２に示す追従目標出力器２３１と、フィードフォワード制御器２３２およびフィードバック制御器２３３に加え、フィードバック制御器２３３の指令値出力を時系列的に保持する指令値記憶部２３４を持って構成される。
【００３４】
ここで、制御器２３は、前述のように制御定数設定手段２２によるフィードフォワード指令値パターンマップ２２３に基づき指令値を出力し、フィードフォワード制御の誤差分をフィードバック制御器２３３の指令値出力により補償して高精度の制御を行う。これは、上述した本発明の第２の実施形態における構成例１と構成例２による制御器を組み合わせた動作であるが、第３の実施形態では、弁変位が終了したところで指令値記憶部２３４に保持されたフィードバック指令値を、１以下のゲインＧを積算して元のフィードフォワード指令値パターンマップ２２３に足し合わせる。
【００３５】
この操作により、フィードフォワード指令値パターンマップ２２３はフィードバックによって補償された誤差分について累積的に学習を行うことができ、制御動作を繰り返すことにより徐々に最適なフィードフォワード指令値パターンマップ２２３を獲得できる。これにより、予め設定されたフィードフォワード指令値パターンの誤差や経年変化による制御対象の変化にも対応できるフィードフォワード制御が実現可能な電磁動弁の制御装置を提供することができる。
【００３６】
以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような構成と、機能乃至作用を奏するものを含むものである。すなわち、本実施形態に係る電磁動弁の制御装置は、前記電磁動弁の可動子の変位量を計測する変位センサと、電磁石に流す電流値を決定する制御器と、可動子変位の時間変化パターンを識別する変位パターン識別手段と、前記制御器に対して前記変位パターン識別手段で識別した結果に対応した制御定数を設定する制御定数設定手段と、を備え、可動子変位の時間変化パターンから推定される可動子および弁体に加わる外乱力に基づき、前記制御器に対して外乱力に応じた適正な制御定数となるように調整する構成となっている。
【００３７】
そして、前記電磁動弁の制御装置において、前記制御器はフィードフォワード制御部を有し、前記適正に調整される制御定数としてフィードフォワード指令値の時間変化パターンを切り替えて使用する構成とし、この構成により、可動子変位の時間変化パターンから推定された可動子および弁体にかかる外乱力の大きさに応じて、外乱力に対応可能なフィードフォワード電流指令値を出力できる。特に排気弁の開弁時における筒内圧による外乱力については弁体の開弁動作初期における変位パターンによって筒内圧のばらつきが計測できれば、その後の筒内圧の変動パターンについてはある程度予測できると考えられるため、高精度なフィードフォワード電流制御が可能になり、フィードバック成分を低く出来るため制御対象の応答遅れに対して有利となる。このように制御対象の状態に対して最適な電流指令値を先行して出力することで制御対象の遅れ時間に対して頑強な電磁動弁の制御装置を提供することができる。
【００３８】
また、前記電磁動弁の制御装置において、前記制御器はフィードバック制御部を有し、前記適正に調整される制御定数としてフィードバック制御部のフィードバックゲインを切り替えて使用する構成とし、この構成により、可動子変位の時間変化パターンから推定された可動子および弁体にかかる外乱力の大きさに応じて、制御対象に最適なフィードバックゲインを設定でき、例えば外乱力が小さいときには通常のゲイン値であっても過大な外乱力が入力されるときにはその外乱に対応できるようにハイゲインで制御を行うといったことが可能となる。このように制御対象の状態がほとんど無負荷の状態から大きな外乱が入力される状態までの広い動作条件に対して最適なフィードバック制御を実現可能な電磁動弁の制御装置を提供することができる。
【００３９】
また、前記電磁動弁の制御装置において、前記制御器はフィードバック制御部を有し、前記適正に調整される制御定数としてフィードバック制御部に入力される追従目標変位パターンを切り替えて使用する構成とし、この構成により、可動子変位の時間変化パターンからその後の可動子変位の目標軌跡を制御上無理のないように滑らかに設定することができる。このように制御対象に大きな外乱が入力される場合に対しても時間軸上での最適なフィードバック制御を実現可能な電磁動弁の制御装置を提供することができる。
【００４０】
また、前記電磁動弁の制御装置において、前記制御器はフィードバック制御部とフィードフォワード制御部を併せて有し、前記フィードフォワード指令値の時間変化パターンに対してフィードバック制御部出力値を規定の割合を乗じた後で逐次加算していく構成とし、この構成により、可動子変位の時間変化パターンから推定された可動子および弁体にかかる外乱力の大きさに応じたフィードフォワード電流指令値を出力する際に、フィードバック制御によって補正された制御量の分をフィードフォワード指令値内に累積的に学習させていくことができる。これにより、予め設定されたフィードフォワード指令値パターンの誤差や経年変化による制御対象の変化にも対応できるフィードフォワード制御が実現可能な電磁動弁の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成（構成例１，２，３を含む）を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る電磁動弁の制御装置の構成を示す図である。
【図４】本実施形態に関する外乱力と可動子変位との関係を表したグラフである。
【図５】本実施形態に関する排気弁側の弁体に掛かる外乱力を表したグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１  変位センサ
２  制御装置
２１  変位パターン識別手段
２２  制御定数設定手段
２２１  追従目標パターンマップ
２２２  フィードバック制御器ゲインマップ
２２３  フィードフォワード指令値パターンマップ
２３  制御器
２３１  追従目標出力器
２３２  フィードフォワード制御器
２３３  フィードバック制御器
２３４  指令値記憶部
３  電流制御回路
４  可動子
５  弁体
６ａ，６ｂ  電磁石
【図１】
2006177245.tif 000003
【図２】
2006177245.tif 000004
【図３】
2006177245.tif 000005
【図４】
2006177245.tif 000006
【図５】
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