(57)【要約】【課題】Ｈブリッジ回路によってスイッチング制御されるモータの減速または反転制御開始時に、過剰な電流が流れることを防止し、適切な制動トルクを生じさせることにより、制御応答を向上させた可変動弁機構の制御装置を提供する。【解決手段】モータを正転状態（Ａ）から逆転状態（Ｄ）に切り換える際に、目標電圧ＶＭが反転した切換制御開始直後のモータの慣性回転によって発生する逆起電圧ＥＭが目標電圧ＶＭより大きいとき（Ｂ）には、Ｈブリッジ回路の上流側のＦＥＴ１，２を共にＯＦＦし、下流側の一方のＦＥＴ３をＰＭＷ制御（他方のＦＥＴ４をＯＦＦ）することで、逆起電圧ＥＭのみを利用してモータの通電電流を目標ＶＭに応じた値に制御し、適切な制動トルクで減速させる。【選択図】図５
2007100564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４個のスイッチング素子で構成されるＨブリッジ回路により、モータを正逆回転方向切換可能に駆動することによって、機関バルブの開特性を可変とする可変動弁機構の制御装置であって、
前記モータにより発生する駆動トルクとモータ回転方向が逆向きであり、かつ、モータの逆起電圧が目標電圧を超えている場合に、前記Ｈブリッジ回路における上流側２つのスイッチング素子を共にＯＦＦさせ、下流側の一方のスイッチング素子をＯＦＦとし、他方のスイッチング素子をＰＷＭ制御して通電電流を制御することを特徴とする可変動弁機構の制御装置。
【請求項２】
前記逆起電圧をモータの回転速度に基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項３】
前記モータの目標電圧をＶＭ、逆起電圧をＥＭとしたとき、前記下流側のＰＷＭ制御されるスイッチング素子における通電デューティ比ＤＵＴＹを、ＤＵＴＹ＝｜ＶＭ｜／｜ＥＭ｜に設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項４】
前記可変動弁機構が、モータの回転角に応じて前記機関バルブのリフトを可変とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
【請求項５】
前記可変動弁機構が、機関のクランク軸によって回転駆動し、外周に駆動カムが固定されたドライブシャフトと、一端部に連係した前記駆動カムの回転により揺動するロッカアームと、前記ロッカアームの他端部に連係して機関バルブを開作動させる揺動カムとを備え、前記モータの駆動制御によって前記ロッカアームの揺動支点を変化させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｈブリッジ回路によるモータの駆動制御によって機関バルブの開特性を可変とする可変動弁機構の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、制御軸をモータによって回転駆動することで、機関バルブのリフトを作動角と共に可変とする可変動弁機構が開示されている。
また、特許文献２には、Ｈブリッジ回路によるモータの駆動制御が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−００３７７３号公報
【特許文献２】特開平９−９６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、前記可変動弁機構においては、モータが回転することで逆起電圧が生じるため、ＰＷＭ制御によってモータ電流を精度良く制御するためには、前記逆起電圧を考慮してスイッチングのデューティ比を決定することが望まれる。
前記逆起電圧は、前記モータの回転角速度から推定することができる。
ここで、モータの回転を減速または反転させるため、モータの通電方向を切り換えて逆向きの駆動トルクを発生させると、切換直後は、切り換えられたモータへの印加電圧とモータの慣性回転によって残存する逆起電圧とが同一方向となる。
【０００４】
このとき、逆起電圧による電流が、モータ→Ｈブリッジ回路におけるＯＦＦされた上流側ＦＥＴ（スイッチング素子）のボディダイオード→同じく上流側のＯＮされたＦＥＴ→モータという経路で、意図せず流れてしまう。
ここで、切換直後、モータが慣性により高速で回転して大きな逆起電圧が発生しているときには、上記の経路で流れる電流が大きいため、Ｈブリッジ回路における下流側のＦＥＴをＯＦＦとしても、目標電流を上回る過剰な電流が流れてしまい、必要以上の制動トルクが発生して、モータの回転角ひいては機関バルブのリフトの制御応答が低下するという問題があった。
【０００５】
特に、可変動弁機構として慣性の小さいモータを用いて制御する場合、サーボ性能の悪化が顕在化してしまう（図６参照）。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、モータの逆起電圧を考慮したＰＷＭ制御を行うことにより、良好な制御応答が得られるようにした可変動弁機構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】
【０００６】
このため、本発明では、４個のスイッチング素子で構成されるＨブリッジ回路により、モータを正逆回転方向切換可能に駆動することによって、機関バルブの開特性を可変とする可変動弁機構の制御装置であって、
前記モータにより発生する駆動トルクとモータ回転方向が逆向きであり、かつ、モータの逆起電圧が目標電圧を超えている場合に、前記Ｈブリッジ回路における上流側２つのスイッチング素子を共にＯＦＦさせ、下流側の一方のスイッチング素子をＯＦＦとし、他方のスイッチング素子をＰＷＭ制御して通電電流を制御する構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成によると、モータを減速、さらには反転させるときに、モータにより発生する駆動トルクとモータ回転方向が逆向きで、モータの逆起電圧が目標電圧を超える場合は、逆起電圧のみを利用して下流側のスイッチング素子をＰＷＭ制御することで、モータに目標電圧に対応する所望の通電電流を供給することができ、もって、機関バルブのリフトを応答よく目標値に収束させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は、実施形態における可変動弁機構を示す図である。
図１に示す可変動弁機構１は、例えば特開平１１−１０７７２５号公報等に開示されるように、機関バルブのリフトを作動角と共に変化させる機構であり、本実施形態では、吸気バルブに適用した例を示す。
【０００９】
前記可変動弁機構１は、シリンダヘッド（図示せず）に摺動自在に設けられた吸気バルブ１１と、前記シリンダヘッド上部のカムブラケット（図示せず）に回転自在に支持された駆動軸２と、前記駆動軸２に対して圧入等により固定された駆動偏心カム３と、前記駆動軸２の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されると共に駆動軸２と平行に配置された制御軸１２と、前記制御軸１２の制御偏心カム１８に揺動自在に支持された中間部材としてのロッカアーム６と、吸気バルブ１１の上端部に配置されたタペット１０に当接する揺動カム９と、を備えている。
【００１０】
前記駆動偏心カム３とロッカアーム６とは、リンクアーム４によって連係されており、ロッカアーム６と揺動カム９とは、リンク部材８によって連係されている。
前記駆動軸２は、タイミングチェーン又はタイミングベルトを介して内燃機関のクランクシャフトによって駆動される。
前記駆動偏心カム３は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸２の軸心から所定量だけオフセットしていると共に、前記外周面に、リンクアーム４の環状部が回転可能に嵌合している。
【００１１】
前記ロッカアーム６は、略中央部が前記制御偏心カム１８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン５を介して前記リンクアーム４のアーム部が連係していると共に、他端部に、連結ピン７を介して前記リンク部材８の上端部が連係している。
前記制御偏心カム１８は、制御軸１２の軸心から偏心しており、これにより、制御軸１２の角度位置に応じてロッカアーム６の揺動中心が変化する。
【００１２】
前記揺動カム９は、駆動軸２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン１７を介して前記リンク部材８の下端部が連係している。
前記揺動カム９の下面には、駆動軸２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面及びカム面が、揺動カム９の揺動位置に応じてタペット１０の上面に当接するようになっている。
【００１３】
即ち、前記基円面はベースサークル区間として、吸気バルブ１１のリフト量が０となる区間であり、揺動カム９が揺動してカム面がタペット１０に接触すると、吸気バルブ１１が徐々にリフトしていくことになる。
なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００１４】
前記制御軸１２は、図１に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータであるＤＣサーボモータ１３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。
前記ＤＣサーボモータ１３は、コントローラ５０からの制御信号によって制御され、ウォームギア１５を介して制御軸１２を回転駆動する。
【００１５】
ここで、制御軸１２の回転角度は、例えばポテンショメータからなる角度センサ１４によって検出され、この検出した実際の制御状態に基づいて上記ＤＣサーボモータ１３がクローズドループ制御される。
前記可変動弁機構１の作用を説明すると、駆動軸２が回転すると、駆動偏心カム３のカム作用によってリンクアーム４が上下動し、これに伴ってロッカアーム６が揺動する。
【００１６】
このロッカアーム６の揺動は、リンク部材８を介して揺動カム９へ伝達され、該揺動カム９が揺動する。
この揺動カム９のカム作用によって、タペット１０が押圧され、吸気バルブ１１がリフトする。
ここで、ＤＣサーボモータ１３により回転駆動されて制御軸１２の角度が変化すると、ロッカアーム６の揺動運動の中心位置が動いて該ロッカアーム６の初期位置が変化し、引いては揺動カム９の初期揺動位置が変化する。
【００１７】
例えば制御偏心カム１８が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム６は全体として上方へ位置し、揺動カム９の連結ピン１７側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。
つまり、揺動カム９の初期位置は、そのカム面がタペット１０から離れる方向に傾く。
従って、駆動軸２の回転に伴って揺動カム９が揺動した際に、基円面が長くタペット１０に接触し続け、カム面がタペット１０に接触する期間は短い。
【００１８】
従って、吸気バルブ１１のリフト量が全体として小さくなり、かつ、吸気バルブ１１の開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も小さくなる。
逆に、制御偏心カム１８が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム６は全体として下方へ位置し、揺動カム９の連結ピン１７側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。
【００１９】
つまり、揺動カム９の初期位置は、そのカム面がタペット１０に近付く方向に傾く。
従って、駆動軸２の回転に伴って揺動カム９が揺動した際に、タペット１０と接触する部位が基円面からカム面へと直ちに移行する。
従って、吸気バルブ１１のリフト量が全体として大きくなり、かつ、吸気バルブ１１の作動角も拡大する。
【００２０】
前記制御偏心カム１８の初期位置は制御軸１２の回転角度に応じて連続的に変化し、これに伴って、吸気バルブ１１のリフト特性は連続的に変化する。
つまり、リフト及び作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。
ここで、前記コントローラ５０の構成を、図２に示す制御ブロック図に従って説明する。
【００２１】
前記角度センサ１４からの検出信号（出力電圧）は、角度信号入力部５０１に入力され、角度信号入力部５０１では、前記検出信号（出力電圧）を制御軸１２の回転角のデータに変換して出力する。
前記制御軸１２の回転角データは、モータ電流指令生成部５０２に入力される。
前記モータ電流指令生成部５０２には、機関運転状態に基づいて別途演算される制御軸１２の角度指令（目標角度）が入力され、該角度指令と前記角度センサ１４で検出された実際の角度とに基づいてモータ電流指令（目標モータ電流）を演算して出力する。
【００２２】
駆動信号算出部５０３では、前記モータ電流指令を入力し、ＤＣサーボモータ１３に流れる電流が前記指令値になるように、後述するスイッチング回路５０５の各スイッチング素子の駆動信号（上流側素子のＯＮ、ＯＦＦおよび下流側素子のデューティ比）を算出して出力する。ここで、前記モータ電流指令に従った電流を精度良く流すため、駆動電源５０６の電圧ＶＢと、ＤＣサーボモータ１３の回転に伴って発生する逆起電圧ＥＭとに基づいてデューティ比を決定する。
【００２３】
前記スイッチング回路５０５は、図３に示すように、スイッチング素子（ＦＥＴ）１とスイッチング素子（ＦＥＴ）３とが直列に接続され、スイッチング素子（ＦＥＴ）２とスイッチング素子（ＦＥＴ）４とが直列に接続され、これらが前記駆動電源５０６に並列接続され、スイッチング素子ＦＥＴ１とスイッチング素子ＦＥＴ３との接続点と、スイッチング素子ＦＥＴ２とスイッチング素子ＦＥＴ４との接続点との間にＤＣサーボモータ１３が接続されたＨブリッジ回路で構成されている。
【００２４】
そして、上流側のＦＥＴ１，２は、前記駆動信号算出部５０３からの駆動信号を直接入力してＯＮ・ＯＦＦ制御され、下流側のＦＥＴ３，４は、前記駆動信号算出部５０３からの駆動信号に基づいてＰＷＭ信号発生回路５０４によって生成されたスイッチングパルス（ＰＷＭパルス）を入力して、前記ＤＣサーボモータ１３への電源供給のＯＮ・ＯＦＦを切り換えてＰＷＭ制御を行う。
【００２５】
ここで、上流側のＦＥＴ１，２は、基本動作形態としては選択的に一方がＯＮ、他方がＯＦＦに制御されてＤＣサーボモータ１３の通電方向が切り換えられるが、本発明に係る制御として、モータの減速または反転時などで、所定の条件が成立したときは、共にＯＦＦとされ、逆起電圧のみを利用したＰＷＭ制御が行われる。
前記駆動電源５０６の電圧は、駆動電圧検出部５０７で検出され、前記駆動信号算出部５０３に出力される。
【００２６】
また、ＤＣサーボモータ１３の回転に伴って発生する逆起電圧ＥＭは、ＤＣサーボモータ１３の回転角速度に基づき逆起電圧算出部５０８で算出され、前記駆動信号算出部５０３に出力される。
前記逆起電圧算出部５０８には、回転速度算出部５０９で求められた回転角速度のデータが入力され、前記逆起電圧算出部５０８では、前記回転角速度のデータに予め記憶されている定数を乗じることで逆起電圧を求め、これを前記駆動信号算出部５０３に出力する。
【００２７】
前記回転速度算出部５０９は、前記角度信号入力部５０１から出力される制御軸１２の回転角データを微分することで、回転角速度のデータを求める。
尚、前記回転速度算出部５０９では、最新の回転角と一定時間（例えば１０ｍｓ）前の回転角との差分を、回転角速度を示すデータとして算出する。
ここで、前記角度信号入力部５０１と回転速度算出部５０９との間には、回転角のデータからノイズを除去するためのヒステリシス処理を行うヒステリシス処理部５１０が設けられている。
【００２８】
次に、前記駆動信号算出部５０３における処理内容、ひいては、モータの制御の詳細を、図４のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１では、モータの目標電圧ＶＭが０であるかを判定する。ここで、目標電圧ＶＭは、前記モータ電流指令生成部５０２によって算出されたモータの目標電流ＩＣＭＤ（通電方向に対応した正負の値）を得るために、モータに印加したい電圧であり、前記目標電流ＩＣＭＤにモータの直流抵抗値ＲＭを乗じて算出する。
【００２９】
ステップＳ１で、モータの目標電圧ＶＭが０でない、つまり、モータの駆動要求があると判定されたときは、ステップＳ２へ進む。
ステップＳ２では、目標電圧ＶＭが正（例えば、図３でＶＭの矢印方向に電圧が印加されているときを正とする）であるかを判定する。
ステップＳ２で、目標電圧ＶＭが正と判定されたときは、ステップＳ３へ進む。
【００３０】
ステップＳ３では、モータの逆起電圧ＥＭが正であるかを判定する。ここで、目標電圧ＶＭが正に維持されたときのモータ回転方向で生じる逆起電圧ＥＭの印加方向（例えば、図３でＥＭの矢印方向）であるときを正とする。
ステップＳ３で逆起電圧ＥＭが正と判定されたときは、ステップＳ４へ進む。
ステップＳ４では、前記スイッチング回路５０５のＦＥＴ１〜４を以下のように制御する。
【００３１】
ＦＥＴ１＝ＯＮ
ＦＥＴ２=ＯＦＦ
ＦＥＴ３のデューティ比＝０（実質的にＯＦＦ）
ＦＥＴ４のデューティ比＝｜ＶＭ｜／（ＶＢ−｜ＥＭ｜）
ここで、ＶＢは電源電圧であり、（ＶＢ−｜ＥＭ｜）は、モータ駆動に使える有効電圧ＶＡを表す。
【００３２】
また、ステップＳ２で目標電圧ＶＭが負と判定された場合は、ステップＳ５へ進む。
ステップＳ５では、逆起電圧ＥＭが負であるかを判定する。
ステップＳ５で逆起電圧ＥＭが負と判定された場合は、ステップＳ６へ進む。
ステップＳ６では、前記スイッチング回路５０５のＦＥＴ１〜４を以下のように制御する。
【００３３】
ＦＥＴ１＝ＯＦＦ
ＦＥＴ２＝ＯＮ
ＦＥＴ３のデューティ比＝｜ＶＭ｜／（ＶＢ−｜ＥＭ｜）
ＦＥＴ４のデューティ比＝０
このように、目標電圧ＶＭの方向が正、または負に維持されているステップＳ４，６では、電源電圧ＶＢから逆起電圧ＥＭを差し引いた電圧を有効電圧として、目標電圧ＶＭに応じたＰＷＭ制御を行うことで、モータに目標電圧ＶＭに対応する電流が通電される(図５（Ａ），（Ｄ）参照)。
【００３４】
また、ステップＳ３で逆起電圧ＥＭが負と判定されたとき、または、ステップＳ５で逆起電圧ＥＭが正と判定されたときは、ステップＳ７へ進む。
ステップＳ７では、目標電圧ＶＭ（絶対値）と逆起電圧ＥＭ（絶対値）との大小を比較する。
ステップＳ７で、｜ＶＭ｜＜｜ＥＭ｜と判定されたとき、すなわち、目標電圧ＶＭの正負が切り換えられた直後のモータ慣性回転が大きいときなど、逆起電圧ＥＭが目標電圧ＶＭを上回るときは、ステップＳ８へ進む。
【００３５】
ステップＳ８では、ＶＭの正負を判定する。
ステップＳ８でＶＭが負と判定されたときは、ステップＳ９へ進む。
ステップＳ９では、前記スイッチング回路５０５のＦＥＴ１〜４を以下のように制御する。
ＦＥＴ１＝ＯＦＦ
ＦＥＴ２＝ＯＦＦ
ＦＥＴ３のデューティ比＝｜ＶＭ｜／｜ＥＭ｜
ＦＥＴ４のデューティ比＝０
すると、逆起電圧による電流が、モータ→ＰＷＭ制御されたＦＥＴ３→ＦＥＴ４のボディダイオード→モータという経路で流れる（図５（Ｂ）参照）。
【００３６】
また、ステップＳ８で、ＶＭが正と判定されたときは、ステップＳ１０へ進む。
ステップＳ１０では、前記スイッチング回路５０５のＦＥＴ１〜４を以下のように制御する。
ＦＥＴ１＝ＯＦＦ
ＦＥＴ２＝ＯＦＦ
ＦＥＴ３のデューティ比＝０
ＦＥＴ４のデューティ比＝｜ＶＭ｜／｜ＥＭ｜
すると、逆起電圧による電流が、モータ→ＰＷＭ制御されたＦＥＴ４→ＦＥＴ３のボディダイオード→モータという経路で流れる。
【００３７】
このように、目標電圧ＶＭの正負が切り換えられた直後のステップＳ９，１０では、モータに逆起電圧ＥＭのみを発生させ、この逆起電圧ＥＭを有効電圧ＶＡとしてＰＷＭ制御を行うことで、過剰な電流を流すことなく目標電圧ＶＭ相当の電流を供給して適切な制動トルクを与えることができる。
また、ステップＳ７で｜ＶＭ｜＞｜ＥＭ｜と判定されたとき、すなわち、上記制御によって制動トルクを加えられたモータの慣性回転が減少するに伴い、逆起電圧ＥＭが減少するなどして目標電圧ＶＭを下回ると、ステップＳ１１へ進む。
【００３８】
ステップＳ１１では、ＶＭの正負を判定する。
ステップＳ１１でＶＭが負と判定されたときは、ステップＳ１２へ進む。
ステップＳ１２では、前記スイッチング回路５０５のＦＥＴ１〜４を以下のように制御する。
ＦＥＴ１＝ＯＦＦ
ＦＥＴ２＝ＯＮ
ＦＥＴ３のデューティ比＝（｜ＶＭ｜−｜ＥＭ｜）／ＶＢ
ＦＥＴ４のデューティ比＝０
また、ステップＳ１１でＶＭが正と判定されたときは、ステップＳ１３へ進む。
【００３９】
ステップＳ１３では、前記スイッチング回路５０５のＦＥＴ１〜４を以下のように制御する。
ＦＥＴ１＝ＯＮ
ＦＥＴ２＝ＯＦＦ
ＦＥＴ３のデューティ比＝０
ＦＥＴ４のデューティ比＝（｜ＶＭ｜−｜ＥＭ｜）／ＶＢ
このように、目標電圧ＶＭが逆起電圧ＥＭより大きくなった場合は、逆起電圧ＥＭによってモータと上流側のＦＥＴとの間に形成される閉回路に流れる電流分と、電源電圧ＶＢによってデューティ制御される下流側のＦＥＴへ流れる不足電流分とを加算することによって、目標電圧ＶＭ相当の電流を供給して適切な制動トルクを与えることができる（図５（Ｃ）参照）。
【００４０】
また、ステップＳ１で、モータの目標電圧ＶＭが０である、つまり、モータ停止要求が発生しているときは、ステップＳ１４へ進み、前記スイッチング回路５０５のＦＥＴ１〜４を以下のように制御することにより停止状態とする。
ＦＥＴ１＝ＯＦＦ
ＦＥＴ２＝ＯＦＦ
ＦＥＴ３のデューティ比＝０
ＦＥＴ４のデューティ比＝０
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、正転状態にあるモータを、本発明にかかる切換制御を介して逆転状態に切り換える過程を示す。
【００４１】
図６は、同上制御時の状態変化の様子を従来と比較して示す。
尚、可変動弁機構１の構造を、図１に示したものに限定するものではなく、また、可変動弁機構１で開特性が可変とされる機関バルブを吸気バルブに限定するものでもなく、可変とする機関バルブの開特性を、リフト及び作動角に限定するものでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態における可変動弁機構を示す斜視図。
【図２】実施形態におけるコントローラの制御機能を示すブロック図。
【図３】実施形態におけるスイッチング回路の詳細を示す図。
【図４】実施形態におけるコントローラの制御機能を示すフローチャート。
【図５】実施形態におけるモータの回転方向を切り換える過程を示す図。
【図６】実施形態における制御時の状態変化の様子を従来と比較して示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１…可変動弁機構，１１…吸気バルブ，１２…制御軸，１３…ＤＣサーボモータ，１４…角度センサ，５０１…角度信号入力部，５０２…モータ電流指令生成部，５０３…駆動信号算出部，５０４…ＰＷＭ信号発生回路，５０５…スイッチング回路，５０６…駆動電源，５０７…駆動電圧検出部，５０８…逆起電圧算出部，５０９…回転速度算出部，５１０…ヒステリシス処理部
【図１】
2007100564.tif 000003
【図２】
2007100564.tif 000004
【図３】
2007100564.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007100564.tif 000007
【図６】
2007100564.tif 000008