JP2003509853A - 電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法 - Google Patents

電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法

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JP2003509853A JP2001523492A JP2001523492A JP2003509853A JP 2003509853 A JP2003509853 A JP 2003509853A JP 2001523492 A JP2001523492 A JP 2001523492A JP 2001523492 A JP2001523492 A JP 2001523492A JP 2003509853 A JP2003509853 A JP 2003509853A
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Abstract

(57)【要約】 たとえば内燃機関のガス交換弁制御用のアクチュエータ部材をコイルにより最終位置に保持するアクチュエータ駆動装置を適時に他方の最終位置へ切り替えることができるようにする目的で、調整部材を最終位置からリリースすべき時点よりも前の所定の期間ｔｋ、コイルの給電を遮断する。この場合、期間ｔｋ を最終位置に保持されている間のアクチュエータ駆動装置の給電電圧および／またはコイル電流に依存して選定する。さらにこの期間ｔｋ の適応化も可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法に関する。
【０００２】 カムシャフトとは無関係に操作されるガス交換弁を備えた内燃機関は公知であ
る。カムシャフト操作形のガス交換弁とは異なり、このガス交換弁はクランクシ
ャフトの回転位置に依存して開閉制御される。この場合、クランクシャフトとの
固定的機械的な結合は行われていない。ガス交換弁用アクチュエータ駆動装置の
実例は DE 297 12 502 U1 または EP 0 724 067 A1 から公知である。これらは
閉鎖位置と開放位置との間に静止位置をもっており、そこから電磁石により変位
させることができる。
【０００３】 ガス交換弁の開閉の目的で個々の電磁石のコイルが通電される。この場合、吸
引フェーズ中に必要とされる電流はガス交換弁が最終位置に保持される保持フェ
ーズ中よりも大きい。
【０００４】 カムシャフト操作形の慣用の弁駆動装置の場合には内燃機関の作動制御装置に
おける制御時間の設定は行われないのに対し、電気機械式に操作されるガス交換
弁の場合には適切な制御時間を計算して設定しなければならない。
【０００５】 ここで考慮しなければならないのは、ガス交換弁はアクチュエータ駆動装置お
よびそのばねといっしょになってばね質量振動子を成すことである。このような
振動子の固有振動数または共振振動数によって、最終位置間で弁を動かすことの
できる速度が決定される。
【０００６】 一方の位置から他方の位置への最小調整時間は物理的条件によって定まる。こ
の最小調整時間を制御時間計算時に考慮することは公知である。
【０００７】 上位概念で考慮されている DE 195 26 681 A1 により知られているのは、アク
チュエータ部材を最終位置からリリースすべき時点よりも前の所定の期間、アク
チュエータ部材を最終位置に保持するコイルの通電を遮断することである。その
理由は、アクチュエータ駆動装置において機械的および磁気的な作用によりアク
チュエータ部材が最終位置にいわば張り付いた状態になってしまうからである。
このことは DE 195 31 437 A1, DE 196 23 698 A1, DE 195 18 056 A1 でも言及
されている。
【０００８】 本発明の課題は、上述の張り付き作用もしくは固着作用が最低限に抑えられる
よう電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法を改善することにある。
【０００９】 本発明によればこの課題は、請求項１および２記載の構成により解決される。
【００１０】 詳しく研究した結果、固着はコイルを流れる電流の低減に依存し、さらにこれ
は最終位置に保持されている間のアクチュエータ駆動装置の給電電圧とコイル電
流レベルとに依存することが判明した。それゆえ本発明の１つの変形実施形態に
よれば、これらの量の少なくとも１つが捕捉され、それに依存して期間ｔｋ が
選定される。
【００１１】 第２の変形実施形態によれば、期間ｔｋ はアクチュエータ駆動装置の駆動制
御時に測定され、次の制御時に測定値が考慮される。
【００１２】 さらに以下のことも判明した。すなわち、アクチュエータ駆動装置における粘
着作用に起因する機械的な固着は動作パラメータとはほとんど無関係であり、そ
のような機械的な固着はアクチュエータ駆動装置の耐用期間にわたりごく僅かに
しか変化しないが、コイルにおける電流の低減に起因する磁気的な固着は、アク
チュエータ駆動装置の捕捉可能なパラメータに依存する。したがって本発明によ
る方法の有利な実施形態によればそのような動作パラメータが検出され、期間ｔ ｋ のうち動作パラメータに依存する部分期間を求めるために利用される。上述
の第１の部分期間とともに形成される別の部分期間として、定数すなわち固定的
に記憶された量が用いられる。とはいえその量を、所定の時間パターンで期間ｔ ｋ 全体を測定することによって適応化することができる。
【００１３】 本発明による方法によれば、アクチュエータ駆動装置の制御にあたり不所望な
制御時間変動が避けられる。このような制御時間変動は、電磁的に操作されるガ
ス交換弁を備えた内燃機関であれば、吸気弁を閉じたときに排気ガス放出やスム
ーズな動きに対し強く悪影響を及ぼすものである。
【００１４】 従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。次に、図面を参照し
ながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【００１５】 図１は、内燃機関のガス交換弁用アクチュエータ駆動装置の断面図である。
【００１６】 図２ａ，２ｂ，２ｃは、アクチュエータコイルのドライバ回路における電流の
流れを示す図である。
【００１７】 図３は、ドライバ回路を示す図である。
【００１８】 図４は、コイルを流れるコイル電流の時間経過特性とアクチュエータ運動の行
程信号とを示す図である。
【００１９】 図５は、電気機械式アクチュエータ駆動装置制御方法の第１のフローチャート
である。
【００２０】 図６は、電気機械式アクチュエータ駆動装置制御方法の第２のフローチャート
である。
【００２１】 図１には、ディスク弁として構成されたガス交換弁用の電気機械式アクチュエ
ータ駆動装置が示されており、これは弁座３を有する弁体２と弁棒４から成り、
この弁棒はケーシング側のガイド５に支承されていて上端部には円錐部材６が設
けられている。弁体２はアクチュエータ駆動装置１によって２つの最終位置の間
で動かされる。すなわちガス交換弁は、上方の最終位置では閉じられ下方の最終
位置では開かれる。ケーシング側ガイド５と円錐部材６との間に配置されている
弁ばね８により、弁体は閉鎖位置におかれる。
【００２２】 アクチュエータ駆動装置１はさらに上方の強磁性コイル巻枠１０と下方の強磁
性コイル巻枠１２とによって構成されており、これらはそれぞれコイル１４とコ
イル１６を支持している。
【００２３】 上方のコイル巻枠１０内にはシフト可能なかたちでアーマチュアシャフト１７
が支承されており、これは両方のコイル１４，１６の間に位置するディスク状の
アーマチュア１８を有している。両方のコイル巻枠１０，１２においてアーマチ
ュア１８と向き合った端面１９，２０はアーマチュア１８に対するストッパを成
しており、つまりはガス交換弁が開放状態または閉鎖状態にある上方と下方のガ
ス交換弁最終位置を規定している。
【００２４】 アーマチュアシャフト１７とケーシング側ストッパ２４との間にアクチュエータ
ばね２２が張設されており、これはアーマチュア１８に対し弁体２の開放位置方
向に作用を及ぼす。アーマチュア１８は弁棒４の上に載置されている。コイル１
４，１６が通電されていない間、図示されているようにアーマチュア１８は弁ば
ね８とアクチュエータばね２２によって両方の端面１９と２０の間の中央位置に
保持されている。
【００２５】 両方のコイル１４，１６はそれぞれ駆動回路２６，２７により通電され、これ
らは調整回路２８によって制御される。
【００２６】 弁体２の行程を測定するため、さらにピエゾ素子３０′がアクチュエータばね
支持部分に設けられている。ケーシング側ガイド５には別のピエゾ素子３２′が
設けられている。両方のピエゾ素子３０′，３２′の出力信号は調整回路２８へ
導かれ、調整回路２８はそれらの出力信号を以下のようにして利用する。すなわ
ち端面１９もしくは２０においてコイル巻枠１０または２０にアーマチュア１８
が当接する速度を調整して、跳ね返りがなく僅かなノイズで迅速かつ望ましい時
点で個々の最終位置へ弁を移動させることができるようにしている。
【００２７】 図３には、ドライバ回路が調整回路２８とともに実例として描かれている。図
３にはコイル１４のためのドライバ回路２６が示されている。ドライバ回路２７
も同じように構成されている。
【００２８】 図３に示されているようにコイル１４は非対称のハーフブリッジにより制御さ
れる。これによればコイル１４は、他方の側が給電電圧Ｖｃｃにおかれているハ
イサイドＦＥＴ Ｔｈと、やはり他方の側が抵抗Ｒを介して基準電位におかれて
いるローサイドＦＥＴ Ｔｌとの間に接続されている。コイルとハイサイドＦＥ
Ｔ Ｔｈの接続点と基準電位との間に、ダイオードＤ２が順方向で接続されてい
る。また、コイル１４とローサイドＦＥＴ Ｔｌの接続点と給電電圧Ｖｃｃとの
間には、ダイオードＤ１が順方向で接続されている。さらに給電電圧Ｖｃｃと基
準電位とはコンデンサＣを介して接続されている。ローサイドＦＥＴ Ｔｌと基
準電位との間には抵抗Ｒが接続されている。
【００２９】 ハイサイドＦＥＴ Ｔｈおよび／またはローサイドＦＥＴ Ｔｌのオン／オフに
より、コイル１４における電流目標値が設定される。この場合、電流実際値はロ
ーサイド分岐中の抵抗Ｒにおける電圧降下によって測定される。電圧降下は差動
増幅器３０により取り出され、その出力値は加算器ノード３１を介してフィルタ
３３さらにはアナログ／ディジタルコンバータ３４ならびにマイクロコントロー
ラ３５へ供給される。上述の加算器ノード３１にはさらに定電流源３２も接続さ
れている。
【００３０】 さて、図２ａ〜図２ｃには、アクチュエータ駆動装置が様々な動作状態のとき
の回路２６の電流の流れが示されている。ここで図３に対応する素子には同じ参
照符号が付されている。
【００３１】 図２ａには、アクチュエータ駆動装置の最終位置保持期間中のコイル１４の通
電状態が示されており、その位置ではガス交換弁は閉鎖されている。この場合、
電流は参照符号４０の付された矢印の方向で、給電電圧源Ｖｃｃから導通状態の
ハイサイドＦＥＴ Ｔｈを介しコイル１４およびやはり導通状態のローサイドス
イッチＦＴ Ｔｌを通り、さらに抵抗Ｒを介して基準電位に向かって流れる。図
２ｂにはコイルの遮断状態が示されている。この目的でハイサイドＦＥＴ Ｔｈ
が開かれる。この場合、ローサイドＦＥＴ ＴｌおよびダイオードＤ２を介して
矢印４０の方向で電流が流れることにより、コイル１４に蓄積されているエネル
ギーが低減される。コイルの通電をもっと迅速に終わらせる目的で、図２ｃに描
かれているようなかたちでドライバ回路２６を結線することができる。このため
にはローサイドスイッチＦＥＴ Ｔｌも開かれる。「クランプ」と称するこの状
態によって、電流が矢印４０の方向でダイオードＤ２とＤ１ならびに相応にバイ
アスされたコンデンサＣを介して流れることでコイル１４が放電する。コイルの
クランプにより、図２ｂに描かれているように単に遮断するだけよりも非常に高
速にコイル電流を遮断することができる。
【００３２】 コイル１４における電流はクランプにより指数関数的に減少する。この減少は
図４の時系列では上方の特性曲線のところに描かれている。指数関数的減少の時
定数は給電電圧のレベルによって決まる。給電電圧が高くなればなるほど、コイ
ル１４においていっそう迅速に電流が減少する。初期電流レベルすなわち図２ａ
の回路においてコイルに通電される電流によっても指数関数的減少の時定数には
作用を及ぼさないが、電流が十分に減衰するまでの持続時間には大きく作用を及
ぼし、つまりアクチュエータ部材が最終位置からリリースされるまでの期間には
強く影響を及ぼす。
【００３３】 図４には、２つの時系列での「張り付き」ないしは「固着」の作用が示されて
いる。上方の時系列はアクチュエータ部材を保持する際のコイルの給電経過特性
を示すものであり、たとえばガス交換弁が閉じられている最終位置にアーマチュ
ア１８を保持する目的でコイル１４に給電する状態が示されている。Ｘ軸上には
時間ｔが、Ｙ軸上には電流Ｉが書き込まれている。その下に位置する曲線には対
応する行程信号Ｈが時間軸ｔ上に書き込まれており、この行程信号は調整回路２
８における２つの圧電素子３０′、３２′の出力信号から生成されたものである
。
【００３４】 図４に示されているように、コイル１４に対し時点ｔ０ まで保持電流Ｉｍ が
給電される。この場合、調整回路２８によって値Ｉｍｉｎ とＩｍａｘ との間で
電流が生成される。時点ｔ０ においてコイル１４がクランプされる。電流Ｉは
時点ｔ０ 〜ｔ１ の間で０まで減衰する。この電流レベルは図４において参照符
号Ｉ０ によって表されている。したがって時点ｔ１ からはコイル１４はもはや
給電されない。
【００３５】 対応する行程信号Ｈによって示されているように、アーマチュア１８はさらに
あとの時点ｔ２ になってはじめて最終位置Ｈｚ からリリースされる。このよう
にアーマチュア１８は、コイル１４のクランプが開始された時点ｔ０ から期間
ｔｋ が経過してはじめて、行程信号Ｈｚ に対応する端面１９から離れる。コイ
ル１８における電流が減少する期間ｔｅ の間、アーマチュア１８は端面１９に
とどまり続ける。つまり行程信号は値Ｈｚ のところで一定である。これは磁気
的な「張り付き」に起因するものであり、その原因はコイル電流減衰に必要とさ
れる時間にある。しかも行程信号がさらに期間ｔｍ にわたり値Ｈｚ に維持され
続けること、すなわちアーマチュア１８が依然として端面１９のところにとどま
り続けることも、機械的な「張り付き」の要因となっており、その原因はアクチ
ュエータ駆動装置における付加的な粘着作用に起因し、たとえば油膜や案内摩擦
によるものである。
【００３６】 アーマチュアが端面１９を離れると、ばね２２，８の作用を受けてアーマチュ
アは他方の最終位置へ向かって移動し、コイル１６により生成された磁界によっ
てそこに吸着される。「自由飛行」とも称せられるこの運動のための時間は、動
かされる質量体とばね定数の商のルートに係数２πを乗算することにより得られ
る。
【００３７】 このような「張り付き」作用はもちろん、両方の最終位置に係わるものである
。
【００３８】 アーマチュア１８もしくはアクチュエータ部材により駆動されるガス交換弁を
まえもって決められた時点に最終位置から確実にリリースして「自由飛行」を開
始させる目的で、図５に略示されているステップをもつ方法が実行される。
【００３９】 ステップＳ１において、給電電圧Ｖｃｃならびにその時点でのコイル電流Ｉ（
ｔ０）が測定される。このパラメータ値から電気的な固着時間ｔｅ が求められ
る。これはたとえば、パラメータとして相応の固着時間の格納されている特性マ
ップを用いて行うことができる。択一的に、これを次式によって行うこともでき
る： Ｉ（ｔ）＝Ｉ（ｔ０）・（１−ｅｘｐ［−ｔ／Ｔ１］） ここでＴ１は指数関数的な電流減衰の時定数を表し、これは給電電圧Ｖｃｃの
レベルに依存して求められ、たとえば事前に経験的に求められた表に従って取り
出すことができる。上述の式からｔに従い簡単に解くことにより電流が所定の値
Ｉｆ まで減衰する期間を求めることができ、ここでこの所定の値においては、
この電流により引き起こされる磁気的な力がアーマチュアを中央位置に印加する
ばね２２と８の合成力よりも小さい。この電流Ｉｆ は所定のアクチュエータ駆
動装置にとって既知であり、もしくは簡単に実験的に求めることができ、これは
アーマチュア１８が最終位置からリリースされるまで電流Ｉｍ をゆっくりと減
少させることによって行われる。
【００４０】 ステップＳ１およびＳ２に並行してステップＳ３において機械的な固着時間ｔ ｍ が求められ、これはたとえば特性マップから取り出される。この代案となる
機械的な固着時間ｔｍ の求め方については、図６を参照しながらさらに詳しく
説明する。
【００４１】 ステップＳ４において固着時間ｔｅ とｔｍ が期間ｔｋ に加算される。周知
のようにステップＳ５において、ガス交換弁が最終位置を離れるべきスイッチン
グ時間設定ｔｆｖ が決定される。
【００４２】 ついでステップＳ６において、コイルの給電を遮断する時点すなわちコイルを
クランプする時点が求められ、これはスイッチング時間設定ｔｓｖ から固着時
間ｔｋ を減算してスイッチング時点ｔｓ を得ることによって行われる。
【００４３】 このスイッチング時点ｔｓ においてコイルをクランプすれば、アクチュエー
タ駆動装置のアーマチュア１８もしくはガス交換弁を所望のスイッチング時間設
定ｔｓｖ において確実に最終位置からリリースし、「自由飛行」を開始させる
ことができる。
【００４４】 ステップＳ３において機械的な固着時間ｔｍ を特性マップから取り出すこと
は、この機械的な固着時間ｔｍ が固定的な値であることを意味するが、これに
対する代案として図６に示されているステップを実行することができる：まずは
じめにステップＳ３１において、以下の適応方式のための機械的な固着時間のた
めの初期値がメモリから取り出される。これは機械的な固着時間ｔｍ のために
記憶された値または調整回路２８の直前の実行時に求められた値とすることがで
きる。その後、ステップＳ３２においてこの初期値を用いて期間ｔｋ が図５の
ステップに従い１回求められ、アクチュエータ駆動装置の制御に用いられる。そ
の際、ステップＳ３３において同時に行程信号Ｈが監視され、アクチュエータ部
材すなわちアーマチュア１８が最終位置から離れる時点ｔ２ とコイルがクラン
プされた時点ｔ０ との間の時間差が求められる。したがってアクチュエータ駆
動装置の動作時に実際に設定された期間ｔｋ が得られる。次にステップＳ３４
において期間ｔｋ に対するこの測定値から、事前に図５による方法に従い期間
ｔｋ のために計算された値が減算される。この差は、期間ｔｋ に対して計算さ
れた値が測定された値よりも大きいのか小さいのかに従い、正であるかもしれな
いし負であるかもしれない。次にこの差が、ステップＳ３１が前提とした機械的
な固着時間ｔｍ に対する値に加算される。そしてこの値は、ついでステップＳ
３１の次の実行時に図６に従いこの方法を実行するために用いられ、その結果、
機械的な固着時間ｔｍ は常に適応化される。
【００４５】 このような適応化によって、機械的な固着時間ｔｍ の初期値と直前の適応化
された値との差を求めることができる。この差が所定の閾値よりも大きければ、
機械系においてエラーが発生しているものと推定することができ、そのことを適
切に表示させたり記憶させたりすることができる。
【００４６】 また、この方法を実行する際の計算の煩雑さを低減させたいのであれば、図６
による方法の変形実施形態を使用することができる：この場合、機械的な固着時
間ｔｍ が適応されるのではなく、期間ｔｋ 全体が適応化される。このためステ
ップＳ３１においてまずはじめに、アクチュエータ駆動装置を最初に制御するた
めに期間ｔｋ に対する初期値が取り出される。次にこの値は、ステップＳ３２
、ステップＳ３３ならびにステップＳ３４において実際に生じたｔｋ を測定す
ることにより適応化され、その結果、アクチュエータ駆動装置を制御するごとに
期間ｔｋ に対し直前に測定された値が用いられるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関のガス交換弁用アクチュエータ駆動装置の断面図である。
【図２】 アクチュエータコイルのドライバ回路における電流の流れを示す図である。
【図３】 ドライバ回路を示す図である。
【図４】 コイルを流れるコイル電流の時間経過特性とアクチュエータ運動の行程信号と
を示す図である。
【図５】 電気機械式アクチュエータ駆動装置制御方法の第１のフローチャートである。
【図６】 電気機械式アクチュエータ駆動装置制御方法の第２のフローチャートである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１１月２０日（２００１．１１．２０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気機械式アクチュエータ駆動装置により調整部材が駆動さ
    れ、該電気機械式アクチュエータ駆動装置は、調整部材の最終位置に割り当てら
    れた少なくとも１つのコイルを有しており、該コイルにより調整部材が最終位置
    に保持され、 該コイルの給電は、調整部材を最終位置からリリースすべき時点よりも所定の
    期間（ｔｋ）だけ前に遮断される形式の、 電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法において、 前記期間（ｔｋ）を、最終位置に調整部材が保持されている間のアクチュエー
    タ駆動装置の給電電圧および／またはコイル電流に依存して選定することを特徴
    とする、 電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法。
  2. 【請求項２】 電気機械式アクチュエータ駆動装置により調整部材が駆動さ
    れ、該電気機械式アクチュエータ駆動装置は、調整部材の最終位置に割り当てら
    れた少なくとも１つのコイルを有しており、該コイルにより調整部材が最終位置
    に保持され、 該コイルの給電は、調整部材を最終位置からリリースすべき時点よりも所定の
    期間（ｔｋ）だけ前に遮断される形式の、 電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法において、 コイル電流の遮断と調整部材のリリースとの間の時間を測定し、該測定から前
    記期間（ｔｋ）を求めることを特徴とする、 電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法。
  3. 【請求項３】 前記時間の測定にあたり、アクチュエータ部材の位置を表す
    アクチュエータ行程信号を評価する、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記期間（ｔｋ）が閾値を超えたときエラーであると診断す
    る、請求項２または３記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記期間（ｔｋ）を２つの部分期間から合成し、第１の部分
    期間だけをコイル電流および／または給電電圧に依存して選定する、請求項１記
    載の方法。
  6. 【請求項６】 前記第２の部分期間を一定に選定する、請求項５記載の方法
    。
  7. 【請求項７】 前記第２の部分期間を請求項２に従い期間（ｔｋ）を求める
    ことにより適応化する、請求項５記載の方法。
JP2001523492A 1999-09-16 2000-09-07 電気機械式アクチュエータ駆動装置の制御方法 Withdrawn JP2003509853A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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