JP2017072057A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットルバルブの制御精度を向上させることができる制御装置を提供する。【解決手段】スロットルバルブ１３の開閉を行うアクチュエータ１５と、スロットルバルブ１３の実開度を検出するセンサ１４とを備える内燃機関１０に適用され、実開度を目標開度とすべくアクチュエータ１５を制御する制御装置３０であって、実開度と目標開度との差に基づいて、アクチュエータ１５の制御量を求める制御量取得部と、スロットルバルブ１３を開閉させ、開閉時の応答性に基づいて制御量を補正する値を学習値として取得する学習部と、制御量を学習値により補正し、補正された制御量によりアクチュエータ１５を制御する制御部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明はスロットルバルブの開度を制御する制御装置に関する。

従来、直流モータを駆動源として用いるスロットルバルブ制御装置が考えられており、スロットルバルブの目標開度と実際の開度との偏差の比例項（Ｐ制御分）、積分項（Ｉ制御分）、微分項（Ｄ制御分）を用いたＰＩＤ制御によるフィードバック制御によりスロットルバルブの開度を制御している。しかしながら、ＰＩＤ制御のみによってスロットルバルブの開度の制御を行う場合、スロットルバルブの摺動部（軸周り）の摩擦等によるトルク特性が開閉の応答性に影響を及ぼし、制御精度の低下につながる。

スロットルバルブの制御精度の低下を解決するものとして、特許文献１に記載の制御装置がある。特許文献１に記載の制御装置では、ＰＩＤ制御による制御量にトルク特性に相当する補正量を付加したモータトルクを発生させることにより、制御精度の向上を図っている。

特開平２−１２５９３７号公報

スロットルバルブの摺動部に生ずる摩擦力は、個体差や経年変化等によって変化する。ゆえに、製造時等に想定した摩擦力と実際の摩擦力との間に乖離が生じ、予め定められた補正量を用いて制御量を補正していれば、スロットルバルブの開閉制御に遅れが生じ、制御精度が低下することとなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、スロットルバルブの制御精度を向上させることができる制御装置を提供することにある。

本発明は、スロットルバルブの開閉を行うアクチュエータと、前記スロットルバルブの実開度を検出するスロットル開度センサとを備える内燃機関に適用され、前記実開度を目標開度に一致させるべく前記アクチュエータを制御する制御装置であって、前記実開度と前記目標開度との差に基づいて、前記アクチュエータの制御量を求める制御量取得部と、前記スロットルバルブを開閉させ、開閉時の応答性に基づいて、前記スロットルバルブを開閉させ、開閉時の応答性に基づいて前記制御量を補正する値を学習値として取得する学習部と、前記制御量を前記学習値により補正し、補正された制御量により前記アクチュエータを制御する制御部と、を備える。

スロットルバルブの開閉時の応答性を取得すれば、取得時点でのトルク特性に応じた学習値を得ることができる。そして、その学習値を用いてスロットルバルブの制御量を補正し、補正された制御量によりスロットルバルブの開閉制御を行えば、学習値の取得時点での摩擦力等に応じた制御を行うことができる。したがって、スロットルバルブに個体差があったり経年劣化等が生じていたりしたとしても、それらに応じた制御を行うことができ、ひいてはスロットルバルブの制御精度を向上させることができる。

エンジン制御システムの概略構成図である。 スロットルバルブの制御を示す制御ブロック図である。 ＥＣＵが実行する一連の処理を示すフローチャートである。

以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、車載ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしている。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（ＥＣＵ）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。

図１は、本実施形態におけるエンジン制御システムの全体概略構成図である。エンジン１０の吸気管１１には、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１２が設けられ、エアフロメータ１２の下流側には、スロットルバルブ１３が設けられている。スロットルバルブ１３の開度（実開度）はスロットルセンサ１４により検出され、スロットルバルブ１３の開度は、アクチュエータであるモータ１５により調節される。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ１６及び排気バルブ１７が設けられている。そして、吸気バルブ１６の開動作により空気が燃焼室１８内に導入される。エンジン１０には、燃焼室１８へ燃料を供給するインジェクタ１９が設けられている。このインジェクタ１９から供給された燃料は、燃焼室１８で空気と混ざり合い混合気となる。

エンジン１０のシリンダヘッドには点火プラグ２０が取り付けられている。点火プラグ２０には、点火コイル等よりなる点火装置（図示略）を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、点火プラグ２０の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室１８内の混合気が着火され燃焼に供される。燃焼後の排ガスは、排気バルブ１７の開動作により排気管に排出される。また、エンジン１０のシリンダブロックの冷却水通路には、冷却水の温度を検出する水温センサ２１が設けられている。

制御装置であるＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、その都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。そして、ＥＣＵ３０は、随時入力される各種の検出信号等に基づいて燃料噴射量や点火時期等を演算し、インジェクタ１９や点火装置の駆動を制御する。また、ＥＣＵ３０は、水温センサ２１から冷却水の温度を取得したり、各種機器へ電力を供するバッテリ３１の電圧を取得したりする。

加えて、ＥＣＵ３０は、アクセルペダルに設けられたアクセルセンサ２２から、運転者によるアクセル操作量を取得する。そして、そのアクセル操作量に基づいてスロットルバルブ１３の開度（目標開度）を求め、スロットルバルブ１３の実開度が目標開度となるように、モータ１５へ制御信号を送信してスロットルバルブ１３の開度を制御する。

このスロットルバルブ１３の制御について、図２を用いて説明する。この図２で示す制御を行ううえで、ＥＣＵ３０は制御量取得部として機能する。まず位相進み補正部４０で、スロットルバルブ１３の実開度に、実開度をＺ変換した値（位相進み補正分）を加える。そして、スロットルバルブ１３の実開度に過去の変化分を加算した開度を目標開度から減算し、目標偏差を算出する。この演算により、目標偏差内に一般的な微分制御に相当する制御パラメータが含まれることになる。すなわち、位相進み補正部４０が微分制御を行うこととなる。

比例補正部４１では、実開度と目標開度との偏差にＰ項ゲインを乗算し、Ｐ項制御量を求める。積分補正部４２では、スロットルバルブ１３の実開度と目標開度との定常偏差を埋めるよう制御量を算出する。具体的には、実開度と目標開度との偏差にＩ項ゲインを乗算し、その値をＺ変換した値に積分項を加算する。そして、その加算した値を目標偏差にＩ項ゲインを乗算した値にフィードバックし、Ｉ項制御量を得る。そのため、目標偏差の累積値に応じてＩ項制御量が算出されることとなる。

比例補正部４１で得られたＰ項制御量と積分補正部４２で得られたＩ項制御量は加算され、ＰＩＤ制御量とされる。このようにしてＰＩＤ制御量が求まれば、そのＰＩＤ制御量をスロットルバルブ１３を駆動するモータ１５の通電期間を示すＤｕｔｙ比に変換し、ＥＣＵ３０が制御部として機能してモータ１５へ通電を行う。

ところで、スロットルバルブ１３の開度（スロットル開度）を制御する際には、スロットルバルブ１３の摺動部の摩擦抵抗等により、スロットルバルブ１３の開閉動作を阻害するトルクが生ずる。そのため、本実施形態では、そのトルクに起因する開閉制御の遅れを補正するＤｕｔｙ比のオフセット量を設けている。そして、そのＤｕｔｙ比のオフセット量をＰＩＤ制御量に加算する。このとき、このトルクはスロットルの個体差や経年変化等により変化するため、ＥＣＵ３０が学習部として機能して、スロットルの開閉動作の際の応答性を求める学習（トルク特性学習）を行い更新するものとしている。

このトルク特性学習は、ステップ応答により行うものであり、モータ１５へ駆動信号を送信し、スロットル開度が目標開度となるまでの時間を計測することにより行う。このトルク特性学習において、以前のトルク特性学習で取得され記憶された学習値であるＤｕｔｙ比のオフセット量を、前回値としてＰＩＤ制御量に加算する。そして、計測した応答時間と所定値とを比較し、応答時間が所定値よりも大きいか否かを判定する。

このとき、応答時間は個体差や経年劣化等に関わらず一定となることが望ましいため、所定値は予め設定されメモリに記憶されている。計測した応答時間が所定値よりも大きい場合には、前回値によりスロットル制御を行えば目標開度への到達により時間がかかることを意味するため、スロットル開度をより早く目標値へと到達させるべく、Ｄｕｔｙオフセット量を前回値から増加させて記憶する。一方で、計測した時間が所定値よりも小さい場合には、前回値によりスロットル制御を行えば目標開度へと早期に到達することを意味するため、スロットル開度をより遅く目標値へと到達させるべく、Ｄｕｔｙオフセット量を前回値から減少させて記憶する。

このようにトルク特性学習を行ううえで、スロットル開度を全閉（０°）から全開（９０°）まで変化させる場合、ステップ応答の応答時間が長くなり、トルク特性学習に時間を要することになる。また、摩擦力等は開度範囲に応じて変化することがあるため、例えば、０°から９０°まで変化させた場合の応答性を求めた場合等では、スロットル開度を微小変化させる際の制御精度を担保できないことがある。

そこで、本実施形態では、トルク特性学習を行ううえで、ステップ応答を行うに先んじてスロットル開度の範囲（開度範囲）を選択し、選択された開度範囲においてステップ応答を行う。この開度範囲は、例えば、１０°間隔で設定される。すなわち、開度範囲として２０°〜３０°が選択されれば、ステップ応答を行う前にスロットル開度を２０°とし、この状態からさらにモータ１５を駆動してスロットル開度が３０°となるまでの時間を計測する。このとき、上述した通り、応答時間は個体差や経年劣化等に関わらず一定となることが望ましいため、応答時間と比較する所定値は開度範囲ごとに予め設定されており、選択された開度範囲に応じてメモリから読み出され用いられる。

また、スロットルバルブ１３の開動作と閉動作で、摺動部に生ずる摩擦力等が異なる場合がある。そのため、開度範囲を選択するうえで、開動作の応答性を求めるのか、閉動作の応答性を求めるのかの選択も行う。開動作を行った後に、同じ開度範囲で閉動作を行うものとしてもよい。

なお、トルク特性学習を行ううえで、各開度範囲の応答性を順に求めてもよいし、使用頻度が高い開度範囲、例えば０°〜４０°程度までの範囲の開度範囲についてのトルク特性学習を行う回数を多くするものとしてもよい。

続いて、本実施形態に係るＥＣＵ３０が実行する一連の処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。図３で示すフローチャートは、所定の制御周期ごとに繰り返し実行される。

まず、エンジン１０の暖機が既に行われたかを判定する（Ｓ１０１）。この処理は、スロットルバルブ近傍の温度がエンジン１０の通常使用時のものと同様の場合でトルク特性学習を行うために行う処理であり、水温センサ２１から取得した水温が所定値よりも大きいか否かを判定することにより行う。エンジン１０の暖機が既に行われていれば（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、イグニッションスイッチがＯＦＦであるか否かを判定する（Ｓ１０２）。これは、イグニッションスイッチがＯＦＦでなくエンジン１０の駆動が行われている場合にトルク特性学習を行えば、エンジン１０の制御に支障が生ずるためである。イグニッションスイッチがＯＦＦであれば（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、バッテリ３１の電圧が所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。これは、バッテリ３１の電圧が所定値よりも小さい場合にはモータ１５のトルクが小さく、ステップ応答においてより時間がかかることとなり、正しいトルク特性を得られないためである。

一方で、エンジン１０の暖機が行われていない場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、イグニッションスイッチがＯＦＦでない場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、及び電圧が所定値よりも小さい場合（Ｓ１０３：ＮＯ）の少なくともひとつの条件を満たした場合、トルク特性学習の条件を満たしていないとし、一連の処理を終了する。

このようにしてトルク特性学習の開始条件を満たせば、トルク特性学習を実施するスロットルバルブ１３の開度範囲を選択する（Ｓ１０４）。続いて、選択されたスロットル開度範囲でステップ応答を実施し、ステップ応答の実行時のスロットル開度の応答時間を計測する（Ｓ１０５）。ステップ応答の応答時間が得られれば、その応答時間が所定値以上であるかを判定する（Ｓ１０６）。このとき、応答時間と比較する所定値は、上述した通り、選択された開度範囲に応じて設定されるものである。応答時間が所定値以上であれば（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、スロットルバルブ１３の摺動部の摩擦等が大きく、スロットルバルブ１３を駆動する際に応答の遅れが生ずることを意味する。そのため、学習値を増加させ（Ｓ１０７）、一連の処理を終了する。一方、応答時間が所定値よりも小さければ（Ｓ１０６：ＮＯ）、スロットルバルブ１３の摺動部の摩擦等が小さく、スロットルバルブ１３を駆動する際に応答が早くなることを意味する。そのため、学習値を減少させ（Ｓ１０８）、一連の処理を終了する。

上記構成により、本実施形態に係る制御装置は、以下の効果を奏する。

・スロットルバルブ１３の摺動部に生ずる摩擦力等は、個体差や経年劣化等で変化する。本実施形態では、トルク特性学習を行い取得した学習値を用いてＰＩＤ制御量を補正し、補正されたＰＩＤ制御量を用いてスロットルバルブ１３の制御を行っているため、変化した摩擦力等に応じた制御を行うことができる。

・スロットルバルブ１３の摺動部に生ずる摩擦力等は、開度範囲と相関を持ち一定でないため、適正な補正量を予め与えることは困難である。本実施形態では、トルク特性学習を行ううえでスロットルバルブ１３の開度範囲を選択するものとしているため、スロットルの開閉制御を行う際にスロットル開度に応じた補正量を用いることができる。ゆえに、スロットル制御の制御精度を向上させることができる。

・スロットルバルブ１３の摺動部に生ずる摩擦力等は、製造時の状態から経年劣化等により徐々に変化するものである。したがって、トルク特性学習を行ううえで、製造時の状態からの補正量を求めるものとすれば、学習値を正の値とするか負の値とするかに加えて、それらの補正量も都度算出する必要が生ずる。本実施形態では、トルク特性学習を行ううえで学習値の前回値を用いて応答時間を求め、その応答時間が所定値よりも大きいか否かに応じて前回値からの増減を行っているため、増減量を算出する必要がなく処理を低減することができる。

＜変形例＞
・実施形態では、スロットルバルブ１３の目標開度と実開度とを用いてＰＩＤ制御を行うものとしたが、ＰＩＤ制御以外のフィードバック制御を行うものとしてもよい。この場合においても、実施形態と同様に、フィードバック制御の結果として得られた制御量に学習値に基づく補正量を加算する処理を行うこととなる。

・実施形態では、Ｄｕｔｙ比のオフセット量を学習値とし、その学習値を用いて制御量であるＤｕｔｙ比を補正するものとしているが、学習値はＤｕｔｙ比のオフセット量に限られることはない。

・実施形態では、トルク特性学習を行う際に、応答時間が所定値以上であれば学習値を増加させており、応答時間が所定値未満であれば学習値を減少させている。この点、所定値として第１所定値と第１所定値よりも小さい第２所定値を設け、応答時間が第１所定値以上であれば学習値を増加させ、応答時間が第２所定値未満であれば学習値を減少させるものとしてもよい。こうすることで、応答時間と所定値との差が小さい場合に学習値が頻繁に変化する事態を抑制することができる。

・実施形態では、トルク特性学習を行ううえでの条件として、イグニッションスイッチがＯＦＦであることを採用している。この点、車両がアイドリングストップ機能を備えるものであれば、アイドリングストップ中でなく且つイグニッションスイッチがＯＦＦであることを条件としてもよい。これは、アイドリングストップ中は内燃機関の再始動について待機しておく必要があり、スロットル開度の学習処理を行えば、再始動の条件を満たした場合にスロットル開度の学習処理が終わっておらず、再始動の遅れが生ずるおそれがあるためである。

・実施形態では、学習値として求めたＤｕｔｙ比のオフセット量をＰＩＤ制御量に加算するものとしたが、学習値としてＰＩＤ制御量に乗算する係数を求めるものとしてもよい。

１３…スロットルバルブ、１４…スロットルセンサ、１５…モータ、３０…ＥＣＵ、３１…バッテリ。

Claims (5)

1. スロットルバルブ（１３）の開閉を行うアクチュエータ（１５）と、前記スロットルバルブの実開度を検出するセンサ（１４）とを備える内燃機関（１０）に適用され、前記実開度を目標開度とすべく前記アクチュエータを制御する制御装置（３０）であって、
   前記実開度と前記目標開度との差に基づいて、前記アクチュエータの制御量を求める制御量取得部と、
   前記スロットルバルブを開閉させ、開閉時の応答性に基づいて前記制御量を補正する値を学習値として取得する学習部と、
   前記制御量を前記学習値により補正し、補正された制御量により前記アクチュエータを制御する制御部と、を備える制御装置。
2. 前記学習部は、前記学習値を取得するうえで、以前に取得した前記学習値により補正された前記制御量を用いて応答時間を求め、
   前記応答時間が所定値よりも小さい場合、前記学習値を小さくし、
   前記応答時間が所定値よりも大きい場合、前記学習値を大きくする、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記学習部は、前記学習値を取得するうえで前記スロットルの全開と全閉との間での開度の範囲を設定し、設定された範囲で前記スロットルの開動作及び閉動作の少なくとも一方を行い前記学習値を求める、請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記学習部は、前記内燃機関の停止中に前記学習値を取得する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記学習部は、前記アクチュエータへ電力を供給するバッテリ（３１）の電圧が所定値よりも大きい場合に前記学習値を取得する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置。

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