JP2014206845A - バルブ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バルブの制御において、目標開度到達後の消費電力を低減することができるバルブ制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】 バルブを開方向または閉方向に駆動する駆動装置を制御するバルブ制御装置であって、バルブの開度の目標値とバルブの開度の実測値との偏差に基づいて駆動装置の操作量を算出する操作量算出部と、バルブの開度が目標値に達したかどうかを判断する判断部と、判断部によりバルブの開度が目標値に達したと判断された場合、操作量算出部により算出された操作量に基づいて、該操作量とは異なる操作量である補正量を算出する補正量算出部とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、電子制御バルブを制御するバルブ制御装置に関する。

従来、バルブをＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御などのフィードバック制御により電子制御する技術が知られている。この技術による制御対象のバルブとして、例えば、エンジンを冷却する冷却水の流量を制御する冷却水バルブが挙げられる。この冷却水バルブは、冷却水を冷却するラジエータ近傍を通過する経路への冷却水の流量を、その開度により調節可能にするものである。また、このラジエータ近傍を通過する経路を通る冷却水は、エンジン近傍のウォータージャケットへ供給される。また、このような冷却水バルブを用いるエンジンの冷却システムによれば、冷却水バルブの開度を制御することにより、ウォータージャケットへ供給される冷却水の流量が調節され、その結果として冷却水により冷却されるエンジンの温度を調節することができる。

上述のエンジンの冷却システムにおいて、冷却水バルブの制御は、エンジンの温度を調節するために目標とする冷却水の温度に基づいて算出された目標開度と、冷却水バルブの実開度とに基づくＰＩＤ制御により行われ、実開度が目標開度に達した場合に、冷却水バルブを駆動するモータに対する通電を停止していた。

また、関連する技術として、冷却水温センサの出力信号のＡ／Ｄ変換値に基づいて算出したモータ初期温度から、ＴＶＣのモータの許容通電時間を演算することにより、ＴＣＶの実バルブ開度を目標バルブ開度に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１５０３２８号公報

しかしながら、冷却水バルブには、その機械的構成に起因する非線形なフリクションが存在し、このようなフリクションなどを要因として、モータの通電を停止した後にオーバーシュートあるいはアンダーシュートが生じ、目標開度に留まることができない場合がある。このような場合、通電を停止後に、再度モータに対して通電を開始して冷却水バルブを目標開度に到達させる必要があり、結果として、目標開度到達後の消費電力が増大するという問題がある。このような問題は、冷却水バルブに限らず、非線形なフリクションを持つ全てのバルブに起こり得る問題である。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、バルブの制御において、目標開度到達後の消費電力を低減することができるバルブ制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、バルブを開方向または閉方向に駆動する駆動装置を制御するバルブ制御装置であって、前記バルブの開度の目標値と前記バルブの開度の実測値との偏差に基づいて前記駆動装置の操作量を算出する操作量算出部と、前記バルブの開度が前記目標値に達したかどうかを判断する判断部と、前記判断部により前記バルブの開度が前記目標値に達したと判断された場合、前記操作量算出部により算出された操作量に基づいて、該操作量とは異なる操作量である補正量を算出する補正量算出部とを備える。

本発明によれば、バルブの制御において、目標開度到達後の消費電力を低減することができる。

本実施の形態に係るエンジン冷却システムを示す模式図である。 冷却水バルブとシール部材を示す模式図である。 ウォームギヤを示す模式図である。 ＥＣＵのハードウェア構成を示すブロック図である。 バルブ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。 補正処理の動作を示すフローチャートである。 補正量の出力パターンＡを示す図である。 補正量の出力パターンＢを示す図である。 補正量の出力パターンＣを示す図である。 補正量の出力パターンＤを示す図である。 補正量の出力パターンＥを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、本実施の形態に係るエンジン冷却システムについて説明する。図１は、本実施の形態に係るエンジン冷却システムを示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るエンジン冷却システム１は、エンジン１１、ウォータージャケット１２、ウォーターポンプ１３、冷却水バルブ２１、モータ２２、ポジションセンサ２３、水温センサ２４、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３１、ラジエータ４１、ヒータ４２、スロットル４３、メイン流路パイプ９１、サブ流路パイプ９２、バイパス流路パイプ９３を備える。

エンジン冷却システム１は、メイン流路パイプ９１、サブ流路パイプ９２、またはバイパス流路パイプ９３を介して冷却水を循環させ、ウォータージャケット１２によりエンジン１１の温度を制御する。

エンジン１１は、自動車等の車両の内燃機関である。ウォータージャケット１２は、エンジン１１近傍に備えられ、その内部の冷却水によりエンジン１１を冷却するものである。メイン流路パイプ９１は、ラジエータ４１に冷却水を流入させるものである。サブ流路パイプ９２は、ヒータ４２及びスロットル４３に冷却水を流入させるものである。バイパス流路パイプ９３は、ウォータージャケット１２から流出した冷却水をウォーターポンプ１３に流入させるものである。なお、ラジエータ４１、ヒータ４２及びスロットル４３に流入した冷却水はウォーターポンプ１３に流入する。ウォーターポンプ１３は、ウォータージャケット１２に冷却水を流入させるものである。ラジエータ４１は、冷却水を冷却するものである。ヒータ４２は、車室内を暖めるものである。スロットル４３は、エンジン１１への呼気の流入量を制御するものである。

冷却水バルブ２１は、ロータリ式のバルブであり、外周面の一部に開口部が設けられ、その開度によってメイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２へ冷却水を流入させるものである。モータ２２は、冷却水バルブ２１を駆動するアクチュエータとしての直流モータである。ポジションセンサ２３は、冷却水バルブ２１の周方向の位置を検出することにより、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２に対する冷却水バルブ２１の開度を検出するものである。水温センサ２４は、冷却水の温度を検出するものである。ＥＣＵ３１は、プロセッサとメモリを備え、エンジン１１に係る各種動作を制御するマイクロコントローラであり、本実施例においては、水温センサ２４及びポジションセンサ２３により検出された冷却水バルブ２１の位置及び冷却水の温度に基づいて、モータ２２の動作を操作するものとする。

上述のような構成により、冷却水は、メイン流路パイプ９１を経由して循環することでラジエータ４１により冷却され、バイパス流路パイプ９３を経由する場合は冷却されずに循環する。また、エンジン冷却システム１は、冷却水バルブ２１の開度により冷却水の循環経路を切り替え、また、メイン流路パイプ９１への冷却水の流入量を制御することによりエンジン１１の温度を制御する。

次に、冷却水バルブとシール部材について説明する。図２は、冷却水バルブとシール部材を示す模式図である。

図２に示すように、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２の冷却水流入口近傍には、それぞれ、その外周を覆うようにシール部材９１ａ，９２ａが設けられている。また、冷却水バルブ２１は、回転軸２１ａを軸として周方向に回転することにより、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２に対する開口部の位置を変更する。この開口部の位置により、メイン流路パイプ９１及びサブ流路パイプ９２へそれぞれ流入される冷却水の量が調整される。このような構成において、冷却水バルブ２１とシール部材９１ａ，９２ｂとの間で非線形なフリクション、スティックスリップなどが発生する。この非線形なフリクションやスティックスリップは、停止した冷却水バルブが目標開度に留まることを妨げる要因となり得る。

次に、ウォームギヤについて説明する。図３は、ウォームギヤを示す模式図である。

図３に示すように、モータ２２による駆動力は、モータ２２の回転軸に設けられたギヤ８１、ギヤ８１に噛み合うギヤ８２、ギヤ８２と同軸上に設けられて一体に回転するギヤ８３、ギヤ８３に噛み合うギヤ８４、ギヤ８４と同軸上に設けられて一体に回転するウォーム８５を介して、ウォーム８５に噛み合うウォームホイール８６に伝達される。また、伝達された駆動力は、冷却水バルブ２１の回転軸２１ａに接続されたウォームホイール８６の回転軸８６ａにより冷却水バルブ２１へ伝達される。このような駆動力の伝達においては、ギヤ間において様々な非線形摩擦が発生する。更に、ウォーム８５とウォームホイール８６により構成されるウォームギヤにおいては、ウォーム８５のねじれ方向及びねじり角などを要因として方向性を持ったヒステリシスが発生する。このようなヒステリシスは、冷却水バルブ２１が停止した後に、目標開度に達するまでの冷却水バルブ２１の動作方向に関わらず、冷却水バルブ２１が目標開度に対して、所定の方向に所定のずれを生じさせる要因となり得る。なお、本実施の形態において、ウォームギヤに起因するヒステリシスは、閉方向よりも開方向に大きいものとする。この場合、冷却水バルブ２１は、目標開度に達した後、それまで開方向に動作していた場合は、順方向にずれが生じ、閉方向に動作していた場合は逆方向にずれが生じる。

次に、ＥＣＵのハードウェア構成について説明する。図４は、ＥＣＵのハードウェア構成を示すブロック図である。

図４に示すように、ＥＣＵ３１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１１、メモリ３１２、入出力インターフェイス３１３、駆動回路３１４を備える。ＣＰＵ３１１及びメモリ３１２は、協働して冷却水バルブ２１の制御に係る処理を行う。また、入出力インターフェイス３１３はＣＰＵ３１１の入出力に係るインターフェイスであり、ＣＰＵ３１１はこの入出力インターフェイス３１３を介してポジションセンサ２３及び水温センサ２４による検出結果を取得するとともに、入出力インターフェイス３１３を介してモータ２２の操作量に応じた信号を駆動回路３１４に出力する。この駆動回路３１４は、モータ２２をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するＰＷＭ回路であり、入力された信号の大きさに応じてパルス幅のデューティ比を変更することによりモータ２２を駆動する。

次に、バルブ制御装置の機能構成について説明する。なお、本実施の形態において、ＥＣＵ３１がバルブ制御装置として機能するものとする。図５は、バルブ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。なお、以降の説明においては、制御対象を水冷バルブ２１の開度に限定する。

図５に示すように、バルブ制御装置５は、操作量算出部５１、判断部５２、補正量算出部５３を機能として備える。なお、これらの機能は、上述したＣＰＵ３１１及びメモリ３１２が協働することにより実現されるものとする。

操作量算出部５１は、エンジン１１を目標温度とするために目標とするウォータージャケット１２に対する冷却水の流量である目標流量に基づいて演算される、目標とする冷却水バルブ２１の開度である目標開度の値としての目標値と、フィードバックとしてのポジションセンサ２３により検出された冷却水バルブ２１の実測値（現在値）とに基づくＰＩＤ制御によりモータ２２に対する操作量を算出する。なお、本実施の形態において、冷却水バルブ２１の可動域は１９０°とし、モータ２２の駆動に係る分解能を２４０とする。よって、本実施の形態においては、０．３４４度単位で冷却水バルブ２１の開度を制御することとなる。また、操作量を正方向に増加させた場合に冷却水バルブ２１は開方向に制御されるものとする。また、冷却水バルブ２１の制御は、所定のサンプリング周期でなされるものとする。

判断部５２は、制御偏差と目標開度の変更とに基づいて、冷却水バルブ２１が目標開度に達したかどうかを判断する。

また、補正量算出部５３は、冷却水バルブ２１が目標開度に達するまでの動作方向に応じて、それぞれ個別に補正量を算出する。なお、補正量算出部５３は、目標開度に達するまでの動作方向を判定するため、操作量算出部５１により算出された１サンプル前の操作量、または１サンプル前の制御偏差などを参照するものとするが、どのような手段を用いて動作方向を判定しても良い。なお、補正量算出部５３により算出された補正量は、操作量として駆動回路３１４に出力されるものとする。

次に、判断処理について説明する。図６は、判断処理の動作を示すフローチャートである。なお、この処理において、操作量は操作量算出部によりすでに算出されているものとする。

図６に示すように、まず、判断部５２は、前回サンプルの制御偏差が０であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。

前回サンプルの制御偏差が０ではない場合（Ｓ１０１，ＮＯ）、判断部５２は、現サンプルでの制御偏差が０であるかどうかを判断する（Ｓ１０２）。

現サンプルでの制御偏差が０である場合（Ｓ１０２，ＹＥＳ）、判断部５２は、目標開度が変更されたかどうかを判断する（Ｓ１０３）。

目標開度が変更されない場合（Ｓ１０３，ＮＯ）、補正量算出部５３は、冷却水バルブ２１が目標開度に達するまでの動作方向が開方向か否かを判断する（Ｓ１０４）。

動作方向が開方向である場合（Ｓ１０４，ＹＥＳ）、補正量算出部５３は、１サンプル前の操作量に基づいて、逆方向、つまり閉方向の補正量を算出し（Ｓ１０５）、その後、判断部５２は、次のサンプルを待機し（Ｓ１０６）、再度、前回サンプルの制御偏差が０であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。

一方、動作方向が閉方向である場合（Ｓ１０４，ＮＯ）、補正量算出部５３は、１サンプル前の補正量に基づいて、順方向、つまり閉方向の補正量を算出し（Ｓ１０７）、その後、判断部５２は、次のサンプルを待機し（Ｓ１０６）、再度、前回サンプルの制御偏差が０であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。

また、ステップＳ１０３の判断において目標開度が変更された場合（Ｓ１０３，ＹＥＳ）、判断部５２は、次のサンプルを待機し（Ｓ１０６）、再度、前回サンプルの制御偏差が０であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。

また、ステップＳ１０２の判断において現サンプルの制御偏差が０ではない場合（Ｓ１０２，ＮＯ）、判断部５２は、次のサンプルを待機し（Ｓ１０６）、再度、前回サンプルの制御偏差が０であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。

また、ステップＳ１０１の判断において前回サンプルの制御偏差が０である場合（Ｓ１０１，ＹＥＳ）、判断部５２は、次のサンプルを待機し（Ｓ１０６）、再度、前回サンプルの制御偏差が０であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。

次に、補正量について説明する。図７〜図１１は、それぞれ、補正量の出力パターンＡ〜Ｅを示す図である。なお、図７〜図１１における補正量は、操作量との比較のため、便宜上、操作量に対して順方向の補正量としている。

補正量算出部５３により出力される補正量には、様々なパターンが考えられる。図７に示す出力パターンＡは、直前の操作量に対してそれ以下の補正量を出力して減衰させたものである。また、図８に示す出力パターンＢは、直前の操作量に対してそれ以上の補正量を出力して減衰させたものである。また、図９に示す出力パターンは、直前の操作量に対してそれ以下の補正量を減衰させながら所定の周期間隔で出力したものである。また、図１０に示す出力パターンは、直前の操作量に対してそれ以下の絶対値である補正量を、所定の周期間隔で操作量に対して逆方向と順方向とを交互に切り替えながら出力してその絶対値を減衰させたものである。また、図１１に示す出力パターンは、直前の操作量に対してそれ以上の補正量を出力したものである。

補正量算出部５３は、このような出力パターンと、冷却水バルブ５３の動作方向に対する補正量の出力方向、直前の操作量の絶対値と、これに乗じる所定の係数に基づいて、補正量を算出する。なお、この出力パターン、出力方向、所定の係数は、予め冷却水バルブ５３の特性に応じて予め設定されていても良く、また、冷却水バルブ５３の制御に係るパラメータに応じて適宜変更されても構わない。また、所定の係数は、例えば、モータ２２の駆動に係る分解能などに応じて決定されることも考えられる。

以上説明したように、冷却水バルブ２１が目標開度に達した場合に、所定の補正量を算出することにより、非線形なフリクションやスリップスティックに対応することができる。また、それまでの動作方向に応じて、個別に補正量を算出することにより、上述したような方向性を持ったヒステリシスに対応することができる。また、本実施の形態に係るバルブ制御装置５によれば、これらの対応により、目標開度到達後のオーバーシュートあるいはアンダーシュートを低減させることができ、したがって、これらに起因する消費電力の増大を防ぐことができ、冷却水バルブ２１の制御に係る消費電力を低減することができる。また、オーバーシュートあるいはアンダーシュートを低減させることができるため、目標開度に対する制御性が向上し、したがって、冷却水温の制御性を向上させることができる。また、目標開度到達後のオーバーシュートあるいはアンダーシュートの低減により、結果として冷却水バルブ２１の制御に係る通電時間が短縮され、モータ２２の駆動力を冷却水バルブ２１へ伝達するギヤやウォームギヤなどの機械部分の耐久性を向上させることができる。

本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。

１ エンジン冷却システム、５ バルブ制御装置、１１ エンジン、１２ ウォータージャケット、１３ ウォーターポンプ、２１ 冷却水バルブ、２２ モータ、２３ ポジションセンサ、２４ 水温センサ、３１ ＥＣＵ、４１ ラジエータ、４２ ヒータ、４３ スロットル、５１ 操作量算出部、５２ 判断部、５３ 補正量算出部、８１〜８４ ギヤ、８５ ウォーム、８６ ウォームホイール、９１ メイン流路パイプ、９１ａ シール部材、９２ サブ流路パイプ、９２ａ シール部材、９３ バイパス流路パイプ、３１１ ＣＰＵ、３１２ メモリ、３１３ 入出力インターフェイス、３１４ 駆動回路。

Claims (4)

1. バルブを開方向または閉方向に駆動する駆動装置を制御するバルブ制御装置であって、
   前記バルブの開度の目標値と前記バルブの開度の実測値との偏差に基づいて前記駆動装置の操作量を算出する操作量算出部と、
   前記バルブの開度が前記目標値に達したかどうかを判断する判断部と、
   前記判断部により前記バルブの開度が前記目標値に達したと判断された場合、前記操作量算出部により算出された操作量に基づいて、該操作量とは異なる操作量である補正量を算出する補正量算出部と
   を備えるバルブ制御装置。
2. 前記補正量算出部は、前記バルブの開度が前記目標値に達するまでのバルブの動作方向と、前記操作量算出部により算出された操作量とに基づいて、前記補正量を算出することを特徴とする、
   請求項１に記載のバルブ制御装置。
3. 前記補正量算出部は、前記バルブの動作方向に応じて、開方向または閉方向の補正量を算出することを特徴とする、
   請求項２に記載のバルブ制御装置。
4. 前記補正量算出部は、前記バルブの動作方向が開方向である場合に閉方向の補正量を算出し、前記動作方向が閉方向である場合に閉方向の補正量を算出することを特徴とする、
   請求項３に記載のバルブ制御装置。

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