JP3617413B2 - 電磁駆動弁の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動子をその駆動用電磁石に供給される電流量を制御することにより駆動して、これに連動する弁体を制御する電磁駆動弁の制御装置に関し、より詳細には、電磁駆動弁内部の可変係数（例えば、フリクション及びバネ定数）の変動を制御に反映させてより最適な通電制御を可能とし、着座時における可動子と電磁石との衝突を抑え、延いては弁体へのダメージを低減しうる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンの吸排気弁として電磁式アクチュエータを動力装置とするいわゆる電磁駆動弁の採用が検討されている。このものでは、可動子の電磁石への着座時における緩衝を図るのが振動や騒音の面からも、また可動子や弁体の耐久性の面からも好ましい。このための手法として、例えば、電磁石への通電開始から着座までの間に通電オフ期間を設けることにより可動子の減速を図るものが公知である（特開平１１−１５９３１３号公報参照）。このものでは、通電オフ期間に外界からの影響（外乱）が突発的に生じた場合にこれに対処することができず、その結果、最適な着座制御の達成が困難となる。
【０００３】
これに対し、可動子の位置を検出し、この位置情報を利用したソフトウェア制御により着座速度を低減する技術がある。この場合には、制御対象（即ち、電磁駆動弁）に関するモデル定数（例えば、質量、フリクション及びバネ定数）を用いることにより、より高精度な制御を行うことが可能であり、突発的な外乱が生じた場合にも、これに対応して可動子を制御することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでは、上記モデル定数の対象であるフリクション（可動子を含む可動部及びスプリングを含んで構成される振動系に働く粘性抵抗、例えば、可動部の潤滑油の粘性に基づく摩擦力）の影響が温度変化に応じて比較的大きく変化するため、これについて単に代表的なものを１つ又は複数設定しただけでは、常に安定した着座制御を行うことは困難である。
【０００５】
また、同対象であるバネ定数は製品毎に個体差があり、すべての弁について安定した着座制御を行うには、各弁につき、それぞれの正確なバネ定数が明らかであるのが好ましい。
【０００６】
かかる実情に鑑み、本発明は、実際の運転状況に対応した適切なフリクション及び製品毎に最適なバネ定数を使用可能とし、上記のようなソフトウェア的手法による制御を行う場合には、より適切なモデル定数の設定を可能とし、これにより可動子と電磁石との衝突抑制の確実化を図ることのできる電磁駆動弁の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、請求項１記載のように、スプリングにより中立位置に付勢される可動子と、これに対向する電磁石とを備え、前記電磁石に供給される電流を制御することにより前記可動子を駆動して、前記可動子に連動する弁体を制御する電磁駆動弁の制御装置であって、図１に示すように、前記電磁石への通電を遮断したときの前記スプリング及び可動子を含む振動系の自由振動の特性を検出する自由振動特性検出手段と、これにより検出された特性に基づいて、前記振動系についてのフリクション量及び前記スプリングのバネ定数のうち少なくとも一方を推定する振動条件推定手段と、を設けたことを特徴とする。
【０００８】
前記自由振動特性検出手段は、請求項２記載のように、前記自由振動の実際の減衰比を検出するのが好ましい。
前記自由振動特性検出手段は、請求項３記載のように、前記自由振動の周期又は振動数を検出するのが好ましい。
【０００９】
前記自由振動は、請求項４記載のように、運転停止時に前記電磁石への通電が停止されて発生するのが好ましい。
内燃機関の吸排気弁に適用され、吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方は複数設けられる場合に、前記自由振動は、請求項５記載のように、複数設けられる対象のうち少なくとも１つの閉弁状態を維持する通電制御時にて対応の電磁石への通電を一時的に遮断して、発生させることとしてもよい。
【００１０】
本発明は、請求項６記載のように、前記電磁石に供給される電流を制御する際に用いる制御パラメータを、前記振動条件推定手段により推定されたフリクション量及びバネ定数のうち少なくとも一方に基づいて設定する第１の制御パラメータ設定手段を備えるのが好ましい。
【００１１】
本発明は、請求項７記載のように、潤滑油温若しくはこれに相当する温度を検出可能な温度検出手段と、前記振動条件推定手段により推定されたフリクション量を、前記温度検出手段により前記自由振動が行われているときに検出された温度に対応させて記憶し又は更新するフリクション量記憶手段と、を備えるのが好ましい。
【００１２】
本発明は、請求項８記載のように、前記電磁石に供給される電流を制御する際に用いる制御パラメータを、前記フリクション量記憶手段により記憶されているフリクション量に基づいて設定する第２の制御パラメータ設定手段を備えるのが好ましい。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、電磁石への通電を遮断する毎に、自由振動の特性に基づいて、そのときの温度でのフリクション量を推定することができるので、温度変化に対応した的確なフリクション量を制御に反映させることが可能となる。また、この特性に基づいて対象となるスプリング自体の実際のバネ定数を推定することができるので、弁ごとの個体差に応じた補正を行うことが可能となる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、自由振動の実減衰比に基づいてフリクション量を容易に推定することができる。
請求項３に係る発明によれば、自由振動の実減衰比と、その周期又は振動数とに基づく理論的演算により、すなわち、マップ等を用いて近似することなくフリクション量及びバネ定数を推定することができるため、より信頼性の高いモデルの確立が可能となる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、運転停止時の自由振動を監視することで、フリクション量及びバネ定数を理論的演算により推定するのに充分な情報を得ることができるので、これらの振動条件を正確に推定することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、通常運転時においても各振動条件の推定が可能となるので、特に運転中に比較的大きく変動しうるフリクション量をより多くの機会に推定し、制御に反映させることができる。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、推定されたフリクション量及びバネ定数に基づいて制御パラメータを設定可能であるため、フリクション変動及び弁の個体差に対応した最適な制御パラメータを用いて制御することができるようになり、制御の安定化・確実化を図ることができる。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、推定されたフリクション量をこれが推定されたときの温度に対応させて記憶し及び更新するようにしたことで、振動条件の推定が異なる温度下で行われた場合でも、記憶されている温度を基に的確なフリクション量を推定することができる。
【００１９】
請求項８に係る発明によれば、記憶されているフリクション量に基づいて制御パラメータを設定することができるので、幅広い温度範囲に渡って適切な制御パラメータを設定することができるようになり、制御の常時安定化に資することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。
図２は、エンジンの吸排気弁に適用される、本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置の構成を示す概略図である。シリンダブロック上部に取り付けられるシリンダヘッド１には、このエンジンの吸気通路又は排気通路と連通するポート２（図では、単一のポートのみ示す。）が形成されており、ポート２に対してこの電磁駆動弁の弁体３を設けることにより、エンジンの吸気弁又は排気弁を構成することができる。ここで、吸気弁及び排気弁はそれぞれ２つずつ設けられており、計４つの電磁駆動弁がシリンダヘッド１に取り付けられている。
【００２１】
弁体３は、シリンダヘッド１内に摺動自在に保持されて、上下方向に案内されており、その軸部上端にはリテーナ４が固定されている。リテーナ４には、ポート２の開口方向と反対に面するハウジング壁部との間にスプリング５が設けられ、これにより弁体３は閉弁方向に付勢される。
【００２２】
また、弁体３の軸部上端に対しては、軟磁性体であるプレート状部材（可動子）６が一体に取り付けられた案内軸部材７下端が上方から当接しており、この案内軸部材７の上部部分には、リテーナ８が固定されている。リテーナ８には、ポート２方向に面するハウジング壁部との間にスプリング９が設けられ、これにより可動子６は弁体３の開弁方向に付勢され、結果として弁体３を開弁方向に付勢する。
【００２３】
ここに、弁体３と可動子６とは一体に移動可能であるとともに、可動子６は、これらが一体の状態では、スプリング５，９により中立位置に付勢される。なお、弁体３の軸部と案内軸部材７とは、別体であるに限らず、１つの連続する部材であってもよい。
【００２４】
また、可動子６の上下には、これより所定の間隔を空けて開弁用電磁石１０及び閉弁用電磁石１１が設けられ、案内軸部材７は、各電磁石１０，１１を貫通して設けられる案内孔に滑動自在に挿入されて、支持されている。ここで、可動子６の中立位置は、開弁用電磁石１０と閉弁用電磁石１１との略中間の位置に設定されるのが好ましい。
【００２５】
可動子６に対しては、さらに位置センサ３１が設けられ、その位置情報は、コントローラ２１に出力される。なお、この位置センサ３１は、レーザ変位計を用いて構成してよく、ハウジング内に設置することができる。
【００２６】
コントローラ２１は、エンジン制御ユニット２２からの開弁／閉弁指令に基づき、駆動回路２３に対し、開弁用電磁石１０及び閉弁用電磁石１１についての通電指令を出力する。駆動回路２３は、この指令に基づいて図示しない電源（Ｐ）から各電磁石１０，１１に電流を供給し、その結果、可動子６には適切な電磁力が働く。
【００２７】
また、コントローラ２１へは、この他に、潤滑油温又はこれに相当する温度を検出可能な、温度検出手段としての温度センサ３２からの信号が入力され、及び駆動回路２３より各電磁石１０，１１への通電電流ｉが入力される。本実施形態では、潤滑油温に相当するものとして、エンジンの冷却水温Ｔｗが入力される。
【００２８】
次に、このように構成される電磁駆動弁の動作を説明する。
前述のように、可動子６は、スプリング５及び９により中立位置に付勢されており、各電磁石１０及び１１に通電していないときには、これらの電磁石１０，１１の略中間に停止するように、各スプリング５，９の寸法及びバネ定数が設計されている。
【００２９】
この状態から始動する場合には、消費電力の低減、電流供給回路の低コスト化等のため、各電磁石１０，１１に交互に通電して可動子６の振幅を徐々に増加させ、やがて所定の初期位置（本実施形態では、閉弁用電磁石１１に対する着座位置）に位置させる初期化制御を行う。
【００３０】
初期化制御が完了すると、通常運転に移行する。例えば、閉じている弁を開く場合には、まず、閉弁用電磁石１１への通電を遮断する。このとき、可動子６はスプリング５及び９の弾性により下方へ移動するが、潤滑油の粘性等に基づく可動部への摩擦（フリクション）の影響により、この系にエネルギー損失が生ずる。このため、可動子６の行程の途中で開弁用電磁石１０に通電し、電磁力によりこの運動を助勢する。
【００３１】
図３は、このときの可動子６の軌跡を示すものであり、横軸は、可動子６の中立位置を原点とする位置ｚを、縦軸は、位置ｚにおける可動子６の速度ｖを示している。閉弁用電磁石１１への通電を遮断すると、これに吸引されていた可動子６は、ｚ＝−ｚ１（但し、ｚ１＞０）から自由振動を始める。このときの系の運動は、下式（１）によって大方決定される。なお、ｃは減衰係数であり、具体的には、フリクションの大きさを示す。
【００３２】
【数１】
そして、可動子６が開弁用電磁石１０からの電磁力が有効となる位置（ｚ＝ｚ２）まで移動したタイミングでこの電磁石による電磁力を発生し、可動子６を助勢して、所定位置（ｚ＝ｚ３）まで移動させる。この間に開弁用電磁石１０に一定量の電流を供給すると、可動子６は開弁用電磁石１０に接近する程に加速し、延いてはこれらが激しく衝突するおそれがあることから、着座前に可動子６の減速を図り、このような衝突を回避する制御（着座制御）を行う。
【００３３】
この目的達成のため、開弁用電磁石１０に通電開始するタイミング後の可動子６の速度ｖを、その位置ｚに応じた目標速度ｒにフィードバック制御することができる（図４参照）。ここで、コントローラ２１は、可動子６の速度ｖを検出し、これが目標速度ｒを追従するように通電指令を発する。この指令に応じて駆動回路２３から開弁用電磁石１０に通電された結果、可動子６と開弁用電磁石１０とを所定の速度（例えば、０．１［ｍ／ｓ］）以下で当接させることが可能であるし、また、これらの間に所定のギャップを残した状態で可動子６を停止させ、次の閉弁時までこの状態を維持させることもできる。
【００３４】
以上、開弁時を例に説明したが、これと同様な問題が閉弁時についても言えることは明らかであり、同様な着座制御を行うことにより、着座時の衝突を抑えることができる。
【００３５】
このような着座制御を行う場合には、制御対象である電磁駆動弁に関するモデル定数（例えば、質量ｍ、フリクションｃ及びバネ定数ｋ）を用いることにより、より高精度に達成することができる。しかし、このうちフリクションｃは、温度、特に潤滑油温の変化により比較的大きく変動する性質があり、また、バネ定数ｋは、すべてのスプリングについて必ずしも一定というわけではなく、弁ごとに個体差が存在しうる。
【００３６】
本実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置によれば、少なくともいずれかの電磁石１０又は１１に通電している状態から、各電磁石１０，１１への通電を遮断し、両方の電磁石への電流供給を停止したときに、スプリング５，９、可動子６及び弁体３を含んで構成されるバネ・マス振動系の自由振動を監視して、この特性に基づいてフリクションｃやバネ定数ｋを推定し、これらを着座制御に反映させることが可能である。
【００３７】
このような自由振動は、エンジン停止時に電磁駆動弁への電流供給を停止したときに完全な状態で行われ、また、吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方が複数設けられる場合には、エンジン動作中においても一時的に行わせることができる。本実施形態のような４バルブ式エンジンを例にとれば、吸気弁のうち一方の閉弁状態を維持し、他方の吸気弁によりガス吸入を行うタイミング（以下、このように特定の弁の作動を休止している状態を「片弁休止状態」という。）、例えば、低負荷運転時にて休止中の弁を一度リリースすることにより、一時的な自由振動を得ることができる。
【００３８】
そこで、以下に、本実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置による制御内容について、フリクションｃ及びバネ定数ｋの推定処理を含めて図５〜１４を参照して説明する。
【００３９】
図５は、コントローラ２１の構成を概略示すブロック図である。
運転停止時振動条件推定処理部３１は、エンジン停止時に電磁駆動弁への電流供給を停止したときに得られる自由振動を監視し、この特性に基づいて、現温度でのフリクションｃを推定するとともに、スプリング５，９による合成のバネ定数ｋを推定することができる。
【００４０】
片弁休止時振動条件推定処理部３２は、片弁休止時に電磁駆動弁への電流供給を一時的に遮断して得られる自由振動を監視し、このときに検出可能な特性に基づいて、現温度でのフリクションｃを推定することができる。なお、これに加えてバネ定数ｋを推定することも可能であるが、エンジン動作中においてバネ定数ｋの経時的変動を検出することの重要性はフリクションｃのそれと比べて比較的低く、また、バネ定数ｋの推定はエンジン停止毎に行うことが可能であることから、本実施形態では片弁休止時にこの推定を行わないこととしている。
【００４１】
運転停止時振動条件推定処理部３１及び片弁休止時振動条件推定処理部３２にて推定されたフリクションｃは、それぞれの推定が行われたときの冷却水温Ｔｗに対応させてマップ（温度−フリクションマップ）３３に記憶される。検出された冷却水温Ｔｗが既に記憶されているものと同値である場合には、これに対応するフリクションｃは、新たに推定されたものに更新することができる。
【００４２】
通常運転時フリクション推定処理部３４は、冷却水温Ｔｗに基づいてマップ３３を参照し、現温度におけるフリクションｃを推定することができる。対応する温度が記憶されていない場合には、近傍の温度に対応するフリクションｃで近似するか、または近傍の値からより近い値を推定するようにしてもよい。
【００４３】
制御パラメータ設定部３５は、運転停止時振動条件推定処理部３１又は通常運転時フリクション推定処理部３４にて推定されたフリクションｃと、運転停止時振動条件推定処理部３１にて推定されたバネ定数ｋとに基づいて、最適な制御パラメータＰＲＭを設定することができる。例えば、図４に示す着座制御器の制御ゲイン（フィードバックゲイン）Ｇを、フリクションｃ及びバネ定数ｋに応じて変更することができる。
【００４４】
そして、コントローラメイン処理部３６は、以上のようにして推定されたフリクションｃ、バネ定数ｋ及び設定された制御パラメータＰＲＭを用いて、エンジン制御ユニット２２からの開弁／閉弁指令に基づき、駆動回路２３に対し、開弁用電磁石１０及び閉弁用電磁石１１についての通電指令を出力する。
【００４５】
次に、このようなコントローラ２１による制御内容をフローチャートに基づいて説明する。
図６は、エンジン停止時における振動条件推定処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００４６】
ステップ（以下、単にＳ）１では、エンジン制御ユニット２２により弁リリース指令が発せられたか否かを判定する。これが発せられた場合には、Ｓ２に進んで各電磁石１０，１１への通電が停止され、上記の自由振動が発生する。一方、弁リリース指令が発せられていない場合には、Ｓ３に進み、後述する各電磁石１０，１１についての通電制御を行う。
【００４７】
Ｓ４では、位置センサ３１からの信号に基づいて可動子６の位置ｚを検出し、これを記憶する。
Ｓ５では、可動子６が静止したか否かを判定する。可動子６が振動中であり、静止していない間は、Ｓ４及びＳ５の処理が繰り返し実行される。可動子６が静止した場合には、Ｓ６に進み、記憶されている位置情報に基づいてこの自由振動の振動数ωｎを算出するとともに、続くＳ７で減衰比ζを算出する。例えば、Ｓ４で記憶される位置ｚを蓄積していけば、図７に示すような可動子６の自由振動波形１が完成するので、この波形の周期Ｔから次式（２）に基づいて振動数ωｎを算出することができる。
【００４８】
【数２】
減衰比ζは、可動子６の変位のピーク点Ｐ１〜Ｐｎを検出し、これら各ピーク点を繋ぐ曲線２から求めることができる。しかし、実際には、曲線２は下式（３）で近似することができるので、減衰比ζを求めるには、いずれか２つのピーク点における状態（時間ｔ及びそのときの位置ｚ）が明確であればよいことは明らかである。なお、時間ｔにおける振幅をＡｔとし、この系の最大振幅をａとしている。最大振幅ａは、可動子６の中立位置から着座位置までの距離であってよく、本実施形態では、ａ＝ｚ１とすることができる（図３参照）。
【００４９】
【数３】
また、最大振幅ａは一定（例えば、４［ｍｍ］）とすることも可能であることから、上式（３）の係数ａを予め設定すれば、複数のピーク点のうちいずれか１つにおける状態に基づいて減衰比ζを求めることができる。
【００５０】
ここに、Ｓ４〜７が自由振動特性検出手段を構成する。
Ｓ８では、算出された振動数ωｎ及び減衰比ζに基づいてフリクションｃ及びバネ定数ｋを推定する。自由振動の特性（波形）は、振動系の質量ｍ、フリクションｃ及びバネ定数ｋに基づいて理論的に決定される性質を有することから、実際に検出された特性である振動数ωｎ及び減衰比ζを用いて、実際のフリクションｃ及びバネ定数ｋを下式（４）及び（５）に基づく理論的演算により、推定することが可能である。
【００５１】
【数４】
ここに、Ｓ８が振動条件検出手段を構成する。
【００５２】
Ｓ９では、推定されたフリクションｃ及びバネ定数ｋについて最適な制御パラメータＰＲＭを設定する。例えば、図８に示すように、特定のフリクションｃ及びバネ定数ｋに対応する最適な制御パラメータＰＲＭを実験により決定し、コントローラ２１のマップに予め記憶しておく。そして、推定されたフリクションｃ及びバネ定数ｋを基にこのマップを参照し、実際の制御に用いる制御パラメータＰＲＭを求めることができる。
【００５３】
ここに、Ｓ９が第１の制御パラメータ設定手段を構成する。
なお、Ｓ９で設定される制御パラメータＰＲＭは、各電磁石１０，１１への通電制御に用いる制御ゲインＧに関するものであってよく、後述する着座制御において可動子６の速度ｖをオブザーバにより推定する場合には、その設計にフリクションｃ及びバネ定数ｋを直接反映させることも可能である。
【００５４】
Ｓ１０では、冷却水温Ｔｗを読み込む。
Ｓ１１では、推定されたフリクションｃを冷却水温Ｔｗに対応させてコントローラ２１に設けられる温度−フリクションマップ３３に記憶して、このマップ３３をフリクションｃの推定が行われる度に更新する。すなわち、図９を参照すると、初期状態にて座標軸（Ｔｗ及びｃ）のみが設けられるマップ３３は、フリクション推定毎に１点ずつ情報が蓄積されていくことで（既に記憶されている冷却水温Ｔｗに対応するものである場合には、これに対応するフリクションｃは、新たに推定されたものｃｎ に更新されるのが好ましい。）、このときの温度、特に常温域を中心として徐々に完成される。
【００５５】
ここに、Ｓ１１がフリクション量記憶手段を構成する。
次に、通常運転時の制御内容を、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
【００５６】
Ｓ２１では、エンジン制御ユニット２２から吸気弁又は排気弁についての開弁／閉弁指令を読み込む。
Ｓ２２では、読み込んだ指令が開弁指令であるか否かを判定する。この結果、開弁指令であると判定された場合にはＳ２３に進み、それ以外の場合にはＳ２５に進む。Ｓ２３では、閉弁用電磁石１１への通電を遮断し、Ｓ２４では、開弁用電磁石１０に通電開始するとともに、着座制御を実施する。
【００５７】
ここで、この着座制御の内容を、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。
Ｓ３１で可動子６の位置ｚを読み込み、Ｓ３２でこの値がｚ２以上であるか否か、すなわち、可動子６が開弁用電磁石１０からの電磁力が有効となる位置まで移動したか否かを判定する（図３参照）。これらＳ３１及びＳ３２は、Ｓ３２の判定結果が肯定的となるまで繰り返し実行される。
【００５８】
Ｓ３２の判定結果が肯定的となった場合（即ち、ｚ≧ｚ２）には、Ｓ３３に進んで制御パラメータＰＲＭを設定し、Ｓ３４以降のステップに基づくフィードバック制御により着座制御を良好に達成することができる。ここでの制御パラメータの設定には、前述のＳ１１で作成される温度−フリクションマップ３３を用いることができる。
【００５９】
すなわち、図１２に示すフローチャートを参照して説明すると、Ｓ４１で冷却水温Ｔｗを読み込み、これに基づき、Ｓ４２でマップ３３を参照してフリクションｃを推定する。そして、Ｓ４３では、前ステップで推定されたフリクションｃと、前述のＳ８で推定されたバネ定数ｋとに基づいて、前述同様にコントローラ２１に予め記憶されたマップ（図８）を参照して制御パラメータＰＲＭを設定することができる。
【００６０】
ここに、Ｓ３３（具体的には、Ｓ４３）が第２の制御パラメータ設定手段を構成する。
Ｓ３４では、可動子６の速度ｖを検出する。このために速度センサを設けることとしてもよいが、可動子６の前回位置ｚｎ−１ からの変位に基づいて求めることとしてもよく（即ち、ｖ＝ｄｚ／ｄｔ）、また、オブザーバを設計して速度ｖを推定することとしてもよい。オブザーバを設計する際には制御対象の状態をモデル化する必要があるが、このモデルを確立するには、可動部に働く摩擦抵抗（減衰力）の影響及びスプリング５，９の弾性を考慮して、フリクションｃ及びバネ定数ｋが組み込まれる。従って、フリクションｃ及びバネ定数ｋを状況に応じて推定可能であることは、速度ｖの正確な推定に寄与する。
【００６１】
Ｓ３５では、目標速度ｒを算出する。目標速度ｒは可動子６の位置ｚに応じて設定される関数であり、通電開始点であるｚ＝ｚ２では、自由振動により与えられる速度ｖｚ２に等しく設定される（即ち、ｒｚ２＝ｖｚ２）のが好ましい。また、着座制御完了点については、ｚ＝ｚ３にて速度ｖｚ３を０と設定すれば、可動子６と開弁用電磁石１０との衝突を回避し、次の閉弁時まで可動子６を所定の位置に留めることができる。
【００６２】
Ｓ３６では、可動子６の目標速度ｒと実速度ｖとの偏差（ｒ−ｖ）に制御ゲインＧを乗じて形成したフィードバック補正電流を実電流ｉに加えて、開弁用電磁石１０に供給されるべき目標電流ｉ＊ を算出する。
【００６３】
Ｓ３７では、駆動回路２３を制御して、目標電流ｉ＊ を対応の電磁石に供給する。この結果、可動子６の動きに伴って電磁石に逆起電力が発生して、この電磁石に実際に供給される電流が決定され、この実電流と可動子６の位置ｚとに応じて電磁石の吸引力ｆが可動子６に働き、この電磁力ｆとスプリング５，９の付勢力とにより可動子６を含む可動部が駆動されて、弁体３がその全開位置に向けて駆動される。
【００６４】
さて、図１０に示すフローチャートのＳ２２においてエンジン制御ユニット２２からの指令が開弁指令でないと判定された場合には、Ｓ２５に進み、この指令が閉弁指令であるか否かを判定する。この結果、閉弁指令であると判定された場合にはＳ２６に進み、それ以外の場合には本ルーチンをリターンする。
【００６５】
Ｓ２６では、開弁用電磁石１０への通電を遮断し、Ｓ２７では、以上に説明したものと同様の内容の通電制御が閉弁用電磁石１１について実施される。これにより、閉弁時においても可動子６と電磁石１１との衝突を抑えることができる。
【００６６】
このように本発明によれば、エンジン停止毎に、そのときの温度での実際のフリクションｃを推定することができるので、温度変化に対応した的確なフリクションｃを着座制御に反映させることができる。また、これとともに、スプリング５及び９の現状態での合成のバネ定数ｋを推定することができるので、弁ごとの個体差に基づく悪影響を排除することができる。
【００６７】
さらに、本発明によれば、推定されたフリクションｃ及びバネ定数ｋに基づいて制御パラメータ、特に制御ゲインＧを設定可能としたことで、フリクション変動及びバネ定数ｋの個体差に対応して、着座制御の安定化・確実化を図ることができる。
【００６８】
次に、片弁休止時における振動条件推定処理ルーチンを、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。
Ｓ５１では、エンジン制御ユニット２２により片弁休止指令が発せられたか否かを判定する。これが発せられた場合には、Ｓ５２に進んで閉弁用電磁石１１に通電し、対応の吸気弁の閉弁状態が維持される。一方、片弁休止指令が発せられていない場合には、Ｓ５３に進み、前述の各電磁石１０，１１についての通常の通電制御を行う。
【００６９】
Ｓ５４では、フリクションｃの推定を行うか否かを判定する。これを行う場合には、Ｓ５５に進んで休止弁、すなわち、閉弁用電磁石１１への通電を遮断し、自由振動を誘起する。一方、フリクションｃの推定を行わない場合には、本ルーチンをリターンし、前記吸気弁の閉弁状態を維持する。
【００７０】
Ｓ５６では、位置センサ３１からの信号に基づいて可動子６の位置ｚを検出し、これを記憶する。
Ｓ５７では、可動子６の逆戻りを検出したか否かを判定する。この判定は、例えば、可動子６の速度ｖがリリース後初めに０となったか否かを判定することにより達成することができる。可動子６の逆戻りを検出しない間は、Ｓ５６及びＳ５７の処理が繰り返し実行される。逆戻りを検出した場合には、Ｓ５８に進み、閉弁用電磁石１１について前述同様の着座制御を行い、可動子６を滑らかに着座させる。
【００７１】
Ｓ５９では、記憶されている位置情報に基づいて減衰比ζを算出する。例えば、逆戻りまでの間にＳ５６で記憶される位置ｚを蓄積していけば、図１４に示すような可動子６の自由振動波形１’が部分的に完成するので、この部分的な波形から可動子６の変位のピーク点Ｐ１’及びＰ２’を検出し、これらのピーク点を繋ぐ曲線２’から減衰比ζを推定することができる。
【００７２】
しかし、前述のように曲線２’は一定の最大振幅ａ＝Ｚ１とする上式（３）でおよそ近似することができ、また、Ｓ８で推定されたバネ定数ｋを用いて振動数ωｎを算出すれば、減衰比ζを求めるには、１つのピーク点Ｐ２’における状態、すなわち、時間ｔｐ２’及びそのときの位置ｚｐ２’が明確であればよい。なお、２つのピーク点Ｐ１’からＰ２’までの時間を２倍して周期Ｔを近似することとすれば、ここにおいてもバネ定数ｋを推定することができる。
【００７３】
ここに、Ｓ５６，５７及び５９が自由振動特性検出手段を構成する。
Ｓ６０では、算出された減衰比ζ及び既知の振動数ωｎに基づいて、上式（５）によりフリクションｃを推定する。
【００７４】
ここに、Ｓ６０が振動条件検出手段を構成する。
Ｓ６１では、推定されたフリクションｃ及び既知の（Ｓ８で推定された）バネ定数ｋについて最適な制御パラメータＰＲＭを設定する。この設定も、前述同様に、図８に示すマップを参照して行うことができる。
【００７５】
ここに、Ｓ６１が第２の制御パラメータ設定手段を構成する。
なお、Ｓ６１で設定される制御パラメータＰＲＭも、各電磁石１０，１１への通電制御に用いる制御ゲインＧに関するものであってよく、着座制御において可動子６の速度ｖをオブザーバにより推定する場合には、その設計にＳ６０で推定されたフリクションｃを直接反映させることもできる。
【００７６】
Ｓ６２では、冷却水温Ｔｗを読み込む。
Ｓ６３では、推定されたフリクションｃを冷却水温Ｔｗに対応させて温度−フリクションマップ３３に記憶し、このマップ３３を片弁休止時においても更新することができる。
【００７７】
ここに、Ｓ６３がフリクション量記憶手段を構成する。
このように本発明によれば、片弁休止のタイミングで、そのときの温度での実際のフリクションｃを推定することができるので、より多くの機会にフリクションｃを推定することが可能であり、温度との対応性の向上したフリクションｃを着座制御に反映させることができる。
【００７８】
なお、以上の説明では、フリクションｃ及びバネ定数ｋをともに推定し、これらを制御パラメータＰＲＭの設定に反映させたが、本発明はこれに限らず、フリクションｃ又はバネ定数ｋのみを推定することとしてもよい。制御パラメータＰＲＭは、一方の推定値のみに基づいて簡易に設定することが可能であるし、また、一方の値を推定し、他方は初期値を用いることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置の構成を示す概略図
【図３】着座制御を行う場合の可動子速度関数の一例を示す図
【図４】本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置による制御系の構成を示す概略図
【図５】同上制御装置のコントローラの構成を示す概略図
【図６】同上コントローラによるエンジン停止時の振動条件推定ルーチンを示すフローチャート
【図７】エンジン停止後の可動子の運動を表す図
【図８】制御パラメータ設定用マップの一例を示す図
【図９】温度−フリクションマップの一例を示す図
【図１０】本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置のコントローラによる通常運転時における通電制御ルーチンを示すフローチャート
【図１１】同上コントローラによる着座制御ルーチンを示すフローチャート
【図１２】同上コントローラによる通常運転時におけるフリクション推定ルーチンを示すフローチャート
【図１３】同上コントローラによる片弁休止時の振動条件（フリクション）推定ルーチンを示すフローチャート
【図１４】片弁休止時の可動子の一時的な自由振動の波形
【符号の説明】
１…シリンダヘッド
２…吸排気用ポート
３…弁体
４…リテーナ
５…スプリング
６…可動子
７…案内軸部材
８…リテーナ
９…スプリング
１０…開弁用電磁石
１１…閉弁用電磁石
２１…コントローラ
２２…エンジン制御ユニット
２３…駆動回路
３１…位置センサ
３２…温度センサ（水温センサ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動子をその駆動用電磁石に供給される電流量を制御することにより駆動して、これに連動する弁体を制御する電磁駆動弁の制御装置に関し、より詳細には、電磁駆動弁内部の可変係数（例えば、フリクション及びバネ定数）の変動を制御に反映させてより最適な通電制御を可能とし、着座時における可動子と電磁石との衝突を抑え、延いては弁体へのダメージを低減しうる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンの吸排気弁として電磁式アクチュエータを動力装置とするいわゆる電磁駆動弁の採用が検討されている。このものでは、可動子の電磁石への着座時における緩衝を図るのが振動や騒音の面からも、また可動子や弁体の耐久性の面からも好ましい。このための手法として、例えば、電磁石への通電開始から着座までの間に通電オフ期間を設けることにより可動子の減速を図るものが公知である（特開平１１−１５９３１３号公報参照）。このものでは、通電オフ期間に外界からの影響（外乱）が突発的に生じた場合にこれに対処することができず、その結果、最適な着座制御の達成が困難となる。
【０００３】
これに対し、可動子の位置を検出し、この位置情報を利用したソフトウェア制御により着座速度を低減する技術がある。この場合には、制御対象（即ち、電磁駆動弁）に関するモデル定数（例えば、質量、フリクション及びバネ定数）を用いることにより、より高精度な制御を行うことが可能であり、突発的な外乱が生じた場合にも、これに対応して可動子を制御することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでは、上記モデル定数の対象であるフリクション（可動子を含む可動部及びスプリングを含んで構成される振動系に働く粘性抵抗、例えば、可動部の潤滑油の粘性に基づく摩擦力）の影響が温度変化に応じて比較的大きく変化するため、これについて単に代表的なものを１つ又は複数設定しただけでは、常に安定した着座制御を行うことは困難である。
【０００５】
また、同対象であるバネ定数は製品毎に個体差があり、すべての弁について安定した着座制御を行うには、各弁につき、それぞれの正確なバネ定数が明らかであるのが好ましい。
【０００６】
かかる実情に鑑み、本発明は、実際の運転状況に対応した適切なフリクション及び製品毎に最適なバネ定数を使用可能とし、上記のようなソフトウェア的手法による制御を行う場合には、より適切なモデル定数の設定を可能とし、これにより可動子と電磁石との衝突抑制の確実化を図ることのできる電磁駆動弁の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、請求項１記載のように、スプリングにより中立位置に付勢される可動子と、これに対向する電磁石とを備え、前記電磁石に供給される電流を制御することにより前記可動子を駆動して、前記可動子に連動する弁体を制御する電磁駆動弁の制御装置であって、図１に示すように、前記電磁石への通電を遮断したときの前記スプリング及び可動子を含む振動系の自由振動の特性を検出する自由振動特性検出手段と、これにより検出された特性に基づいて、前記振動系についてのフリクション量及び前記スプリングのバネ定数のうち少なくとも一方を推定する振動条件推定手段と、を設けたことを特徴とする。
【０００８】
前記自由振動特性検出手段は、請求項２記載のように、前記自由振動の実際の減衰比を検出するのが好ましい。
前記自由振動特性検出手段は、請求項３記載のように、前記自由振動の周期又は振動数を検出するのが好ましい。
【０００９】
前記自由振動は、請求項４記載のように、運転停止時に前記電磁石への通電が停止されて発生するのが好ましい。
内燃機関の吸排気弁に適用され、吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方は複数設けられる場合に、前記自由振動は、請求項５記載のように、複数設けられる対象のうち少なくとも１つの閉弁状態を維持する通電制御時にて対応の電磁石への通電を一時的に遮断して、発生させることとしてもよい。
【００１０】
本発明は、請求項６記載のように、前記電磁石に供給される電流を制御する際に用いる制御パラメータを、前記振動条件推定手段により推定されたフリクション量及びバネ定数のうち少なくとも一方に基づいて設定する第１の制御パラメータ設定手段を備えるのが好ましい。
【００１１】
本発明は、請求項７記載のように、潤滑油温若しくはこれに相当する温度を検出可能な温度検出手段と、前記振動条件推定手段により推定されたフリクション量を、前記温度検出手段により前記自由振動が行われているときに検出された温度に対応させて記憶し又は更新するフリクション量記憶手段と、を備えるのが好ましい。
【００１２】
本発明は、請求項８記載のように、前記電磁石に供給される電流を制御する際に用いる制御パラメータを、前記フリクション量記憶手段により記憶されているフリクション量に基づいて設定する第２の制御パラメータ設定手段を備えるのが好ましい。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、電磁石への通電を遮断する毎に、自由振動の特性に基づいて、そのときの温度でのフリクション量を推定することができるので、温度変化に対応した的確なフリクション量を制御に反映させることが可能となる。また、この特性に基づいて対象となるスプリング自体の実際のバネ定数を推定することができるので、弁ごとの個体差に応じた補正を行うことが可能となる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、自由振動の実減衰比に基づいてフリクション量を容易に推定することができる。
請求項３に係る発明によれば、自由振動の実減衰比と、その周期又は振動数とに基づく理論的演算により、すなわち、マップ等を用いて近似することなくフリクション量及びバネ定数を推定することができるため、より信頼性の高いモデルの確立が可能となる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、運転停止時の自由振動を監視することで、フリクション量及びバネ定数を理論的演算により推定するのに充分な情報を得ることができるので、これらの振動条件を正確に推定することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、通常運転時においても各振動条件の推定が可能となるので、特に運転中に比較的大きく変動しうるフリクション量をより多くの機会に推定し、制御に反映させることができる。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、推定されたフリクション量及びバネ定数に基づいて制御パラメータを設定可能であるため、フリクション変動及び弁の個体差に対応した最適な制御パラメータを用いて制御することができるようになり、制御の安定化・確実化を図ることができる。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、推定されたフリクション量をこれが推定されたときの温度に対応させて記憶し及び更新するようにしたことで、振動条件の推定が異なる温度下で行われた場合でも、記憶されている温度を基に的確なフリクション量を推定することができる。
【００１９】
請求項８に係る発明によれば、記憶されているフリクション量に基づいて制御パラメータを設定することができるので、幅広い温度範囲に渡って適切な制御パラメータを設定することができるようになり、制御の常時安定化に資することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。
図２は、エンジンの吸排気弁に適用される、本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置の構成を示す概略図である。シリンダブロック上部に取り付けられるシリンダヘッド１には、このエンジンの吸気通路又は排気通路と連通するポート２（図では、単一のポートのみ示す。）が形成されており、ポート２に対してこの電磁駆動弁の弁体３を設けることにより、エンジンの吸気弁又は排気弁を構成することができる。ここで、吸気弁及び排気弁はそれぞれ２つずつ設けられており、計４つの電磁駆動弁がシリンダヘッド１に取り付けられている。
【００２１】
弁体３は、シリンダヘッド１内に摺動自在に保持されて、上下方向に案内されており、その軸部上端にはリテーナ４が固定されている。リテーナ４には、ポート２の開口方向と反対に面するハウジング壁部との間にスプリング５が設けられ、これにより弁体３は閉弁方向に付勢される。
【００２２】
また、弁体３の軸部上端に対しては、軟磁性体であるプレート状部材（可動子）６が一体に取り付けられた案内軸部材７下端が上方から当接しており、この案内軸部材７の上部部分には、リテーナ８が固定されている。リテーナ８には、ポート２方向に面するハウジング壁部との間にスプリング９が設けられ、これにより可動子６は弁体３の開弁方向に付勢され、結果として弁体３を開弁方向に付勢する。
【００２３】
ここに、弁体３と可動子６とは一体に移動可能であるとともに、可動子６は、これらが一体の状態では、スプリング５，９により中立位置に付勢される。なお、弁体３の軸部と案内軸部材７とは、別体であるに限らず、１つの連続する部材であってもよい。
【００２４】
また、可動子６の上下には、これより所定の間隔を空けて開弁用電磁石１０及び閉弁用電磁石１１が設けられ、案内軸部材７は、各電磁石１０，１１を貫通して設けられる案内孔に滑動自在に挿入されて、支持されている。ここで、可動子６の中立位置は、開弁用電磁石１０と閉弁用電磁石１１との略中間の位置に設定されるのが好ましい。
【００２５】
可動子６に対しては、さらに位置センサ３１が設けられ、その位置情報は、コントローラ２１に出力される。なお、この位置センサ３１は、レーザ変位計を用いて構成してよく、ハウジング内に設置することができる。
【００２６】
コントローラ２１は、エンジン制御ユニット２２からの開弁／閉弁指令に基づき、駆動回路２３に対し、開弁用電磁石１０及び閉弁用電磁石１１についての通電指令を出力する。駆動回路２３は、この指令に基づいて図示しない電源（Ｐ）から各電磁石１０，１１に電流を供給し、その結果、可動子６には適切な電磁力が働く。
【００２７】
また、コントローラ２１へは、この他に、潤滑油温又はこれに相当する温度を検出可能な、温度検出手段としての温度センサ３２からの信号が入力され、及び駆動回路２３より各電磁石１０，１１への通電電流ｉが入力される。本実施形態では、潤滑油温に相当するものとして、エンジンの冷却水温Ｔｗが入力される。
【００２８】
次に、このように構成される電磁駆動弁の動作を説明する。
前述のように、可動子６は、スプリング５及び９により中立位置に付勢されており、各電磁石１０及び１１に通電していないときには、これらの電磁石１０，１１の略中間に停止するように、各スプリング５，９の寸法及びバネ定数が設計されている。
【００２９】
この状態から始動する場合には、消費電力の低減、電流供給回路の低コスト化等のため、各電磁石１０，１１に交互に通電して可動子６の振幅を徐々に増加させ、やがて所定の初期位置（本実施形態では、閉弁用電磁石１１に対する着座位置）に位置させる初期化制御を行う。
【００３０】
初期化制御が完了すると、通常運転に移行する。例えば、閉じている弁を開く場合には、まず、閉弁用電磁石１１への通電を遮断する。このとき、可動子６はスプリング５及び９の弾性により下方へ移動するが、潤滑油の粘性等に基づく可動部への摩擦（フリクション）の影響により、この系にエネルギー損失が生ずる。このため、可動子６の行程の途中で開弁用電磁石１０に通電し、電磁力によりこの運動を助勢する。
【００３１】
図３は、このときの可動子６の軌跡を示すものであり、横軸は、可動子６の中立位置を原点とする位置ｚを、縦軸は、位置ｚにおける可動子６の速度ｖを示している。閉弁用電磁石１１への通電を遮断すると、これに吸引されていた可動子６は、ｚ＝−ｚ１（但し、ｚ１＞０）から自由振動を始める。このときの系の運動は、下式（１）によって大方決定される。なお、ｃは減衰係数であり、具体的には、フリクションの大きさを示す。
【００３２】
【数１】
【００３３】
この目的達成のため、開弁用電磁石１０に通電開始するタイミング後の可動子６の速度ｖを、その位置ｚに応じた目標速度ｒにフィードバック制御することができる（図４参照）。ここで、コントローラ２１は、可動子６の速度ｖを検出し、これが目標速度ｒを追従するように通電指令を発する。この指令に応じて駆動回路２３から開弁用電磁石１０に通電された結果、可動子６と開弁用電磁石１０とを所定の速度（例えば、０．１［ｍ／ｓ］）以下で当接させることが可能であるし、また、これらの間に所定のギャップを残した状態で可動子６を停止させ、次の閉弁時までこの状態を維持させることもできる。
【００３４】
以上、開弁時を例に説明したが、これと同様な問題が閉弁時についても言えることは明らかであり、同様な着座制御を行うことにより、着座時の衝突を抑えることができる。
【００３５】
このような着座制御を行う場合には、制御対象である電磁駆動弁に関するモデル定数（例えば、質量ｍ、フリクションｃ及びバネ定数ｋ）を用いることにより、より高精度に達成することができる。しかし、このうちフリクションｃは、温度、特に潤滑油温の変化により比較的大きく変動する性質があり、また、バネ定数ｋは、すべてのスプリングについて必ずしも一定というわけではなく、弁ごとに個体差が存在しうる。
【００３６】
本実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置によれば、少なくともいずれかの電磁石１０又は１１に通電している状態から、各電磁石１０，１１への通電を遮断し、両方の電磁石への電流供給を停止したときに、スプリング５，９、可動子６及び弁体３を含んで構成されるバネ・マス振動系の自由振動を監視して、この特性に基づいてフリクションｃやバネ定数ｋを推定し、これらを着座制御に反映させることが可能である。
【００３７】
このような自由振動は、エンジン停止時に電磁駆動弁への電流供給を停止したときに完全な状態で行われ、また、吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方が複数設けられる場合には、エンジン動作中においても一時的に行わせることができる。本実施形態のような４バルブ式エンジンを例にとれば、吸気弁のうち一方の閉弁状態を維持し、他方の吸気弁によりガス吸入を行うタイミング（以下、このように特定の弁の作動を休止している状態を「片弁休止状態」という。）、例えば、低負荷運転時にて休止中の弁を一度リリースすることにより、一時的な自由振動を得ることができる。
【００３８】
そこで、以下に、本実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置による制御内容について、フリクションｃ及びバネ定数ｋの推定処理を含めて図５〜１４を参照して説明する。
【００３９】
図５は、コントローラ２１の構成を概略示すブロック図である。
運転停止時振動条件推定処理部３１は、エンジン停止時に電磁駆動弁への電流供給を停止したときに得られる自由振動を監視し、この特性に基づいて、現温度でのフリクションｃを推定するとともに、スプリング５，９による合成のバネ定数ｋを推定することができる。
【００４０】
片弁休止時振動条件推定処理部３２は、片弁休止時に電磁駆動弁への電流供給を一時的に遮断して得られる自由振動を監視し、このときに検出可能な特性に基づいて、現温度でのフリクションｃを推定することができる。なお、これに加えてバネ定数ｋを推定することも可能であるが、エンジン動作中においてバネ定数ｋの経時的変動を検出することの重要性はフリクションｃのそれと比べて比較的低く、また、バネ定数ｋの推定はエンジン停止毎に行うことが可能であることから、本実施形態では片弁休止時にこの推定を行わないこととしている。
【００４１】
運転停止時振動条件推定処理部３１及び片弁休止時振動条件推定処理部３２にて推定されたフリクションｃは、それぞれの推定が行われたときの冷却水温Ｔｗに対応させてマップ（温度−フリクションマップ）３３に記憶される。検出された冷却水温Ｔｗが既に記憶されているものと同値である場合には、これに対応するフリクションｃは、新たに推定されたものに更新することができる。
【００４２】
通常運転時フリクション推定処理部３４は、冷却水温Ｔｗに基づいてマップ３３を参照し、現温度におけるフリクションｃを推定することができる。対応する温度が記憶されていない場合には、近傍の温度に対応するフリクションｃで近似するか、または近傍の値からより近い値を推定するようにしてもよい。
【００４３】
制御パラメータ設定部３５は、運転停止時振動条件推定処理部３１又は通常運転時フリクション推定処理部３４にて推定されたフリクションｃと、運転停止時振動条件推定処理部３１にて推定されたバネ定数ｋとに基づいて、最適な制御パラメータＰＲＭを設定することができる。例えば、図４に示す着座制御器の制御ゲイン（フィードバックゲイン）Ｇを、フリクションｃ及びバネ定数ｋに応じて変更することができる。
【００４４】
そして、コントローラメイン処理部３６は、以上のようにして推定されたフリクションｃ、バネ定数ｋ及び設定された制御パラメータＰＲＭを用いて、エンジン制御ユニット２２からの開弁／閉弁指令に基づき、駆動回路２３に対し、開弁用電磁石１０及び閉弁用電磁石１１についての通電指令を出力する。
【００４５】
次に、このようなコントローラ２１による制御内容をフローチャートに基づいて説明する。
図６は、エンジン停止時における振動条件推定処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００４６】
ステップ（以下、単にＳ）１では、エンジン制御ユニット２２により弁リリース指令が発せられたか否かを判定する。これが発せられた場合には、Ｓ２に進んで各電磁石１０，１１への通電が停止され、上記の自由振動が発生する。一方、弁リリース指令が発せられていない場合には、Ｓ３に進み、後述する各電磁石１０，１１についての通電制御を行う。
【００４７】
Ｓ４では、位置センサ３１からの信号に基づいて可動子６の位置ｚを検出し、これを記憶する。
Ｓ５では、可動子６が静止したか否かを判定する。可動子６が振動中であり、静止していない間は、Ｓ４及びＳ５の処理が繰り返し実行される。可動子６が静止した場合には、Ｓ６に進み、記憶されている位置情報に基づいてこの自由振動の振動数ωｎを算出するとともに、続くＳ７で減衰比ζを算出する。例えば、Ｓ４で記憶される位置ｚを蓄積していけば、図７に示すような可動子６の自由振動波形１が完成するので、この波形の周期Ｔから次式（２）に基づいて振動数ωｎを算出することができる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
【数３】
【００５０】
ここに、Ｓ４〜７が自由振動特性検出手段を構成する。
Ｓ８では、算出された振動数ωｎ及び減衰比ζに基づいてフリクションｃ及びバネ定数ｋを推定する。自由振動の特性（波形）は、振動系の質量ｍ、フリクションｃ及びバネ定数ｋに基づいて理論的に決定される性質を有することから、実際に検出された特性である振動数ωｎ及び減衰比ζを用いて、実際のフリクションｃ及びバネ定数ｋを下式（４）及び（５）に基づく理論的演算により、推定することが可能である。
【００５１】
【数４】
【００５２】
Ｓ９では、推定されたフリクションｃ及びバネ定数ｋについて最適な制御パラメータＰＲＭを設定する。例えば、図８に示すように、特定のフリクションｃ及びバネ定数ｋに対応する最適な制御パラメータＰＲＭを実験により決定し、コントローラ２１のマップに予め記憶しておく。そして、推定されたフリクションｃ及びバネ定数ｋを基にこのマップを参照し、実際の制御に用いる制御パラメータＰＲＭを求めることができる。
【００５３】
ここに、Ｓ９が第１の制御パラメータ設定手段を構成する。
なお、Ｓ９で設定される制御パラメータＰＲＭは、各電磁石１０，１１への通電制御に用いる制御ゲインＧに関するものであってよく、後述する着座制御において可動子６の速度ｖをオブザーバにより推定する場合には、その設計にフリクションｃ及びバネ定数ｋを直接反映させることも可能である。
【００５４】
Ｓ１０では、冷却水温Ｔｗを読み込む。
Ｓ１１では、推定されたフリクションｃを冷却水温Ｔｗに対応させてコントローラ２１に設けられる温度−フリクションマップ３３に記憶して、このマップ３３をフリクションｃの推定が行われる度に更新する。すなわち、図９を参照すると、初期状態にて座標軸（Ｔｗ及びｃ）のみが設けられるマップ３３は、フリクション推定毎に１点ずつ情報が蓄積されていくことで（既に記憶されている冷却水温Ｔｗに対応するものである場合には、これに対応するフリクションｃは、新たに推定されたものｃｎ に更新されるのが好ましい。）、このときの温度、特に常温域を中心として徐々に完成される。
【００５５】
ここに、Ｓ１１がフリクション量記憶手段を構成する。
次に、通常運転時の制御内容を、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
【００５６】
Ｓ２１では、エンジン制御ユニット２２から吸気弁又は排気弁についての開弁／閉弁指令を読み込む。
Ｓ２２では、読み込んだ指令が開弁指令であるか否かを判定する。この結果、開弁指令であると判定された場合にはＳ２３に進み、それ以外の場合にはＳ２５に進む。Ｓ２３では、閉弁用電磁石１１への通電を遮断し、Ｓ２４では、開弁用電磁石１０に通電開始するとともに、着座制御を実施する。
【００５７】
ここで、この着座制御の内容を、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。
Ｓ３１で可動子６の位置ｚを読み込み、Ｓ３２でこの値がｚ２以上であるか否か、すなわち、可動子６が開弁用電磁石１０からの電磁力が有効となる位置まで移動したか否かを判定する（図３参照）。これらＳ３１及びＳ３２は、Ｓ３２の判定結果が肯定的となるまで繰り返し実行される。
【００５８】
Ｓ３２の判定結果が肯定的となった場合（即ち、ｚ≧ｚ２）には、Ｓ３３に進んで制御パラメータＰＲＭを設定し、Ｓ３４以降のステップに基づくフィードバック制御により着座制御を良好に達成することができる。ここでの制御パラメータの設定には、前述のＳ１１で作成される温度−フリクションマップ３３を用いることができる。
【００５９】
すなわち、図１２に示すフローチャートを参照して説明すると、Ｓ４１で冷却水温Ｔｗを読み込み、これに基づき、Ｓ４２でマップ３３を参照してフリクションｃを推定する。そして、Ｓ４３では、前ステップで推定されたフリクションｃと、前述のＳ８で推定されたバネ定数ｋとに基づいて、前述同様にコントローラ２１に予め記憶されたマップ（図８）を参照して制御パラメータＰＲＭを設定することができる。
【００６０】
ここに、Ｓ３３（具体的には、Ｓ４３）が第２の制御パラメータ設定手段を構成する。
Ｓ３４では、可動子６の速度ｖを検出する。このために速度センサを設けることとしてもよいが、可動子６の前回位置ｚｎ−１ からの変位に基づいて求めることとしてもよく（即ち、ｖ＝ｄｚ／ｄｔ）、また、オブザーバを設計して速度ｖを推定することとしてもよい。オブザーバを設計する際には制御対象の状態をモデル化する必要があるが、このモデルを確立するには、可動部に働く摩擦抵抗（減衰力）の影響及びスプリング５，９の弾性を考慮して、フリクションｃ及びバネ定数ｋが組み込まれる。従って、フリクションｃ及びバネ定数ｋを状況に応じて推定可能であることは、速度ｖの正確な推定に寄与する。
【００６１】
Ｓ３５では、目標速度ｒを算出する。目標速度ｒは可動子６の位置ｚに応じて設定される関数であり、通電開始点であるｚ＝ｚ２では、自由振動により与えられる速度ｖｚ２に等しく設定される（即ち、ｒｚ２＝ｖｚ２）のが好ましい。また、着座制御完了点については、ｚ＝ｚ３にて速度ｖｚ３を０と設定すれば、可動子６と開弁用電磁石１０との衝突を回避し、次の閉弁時まで可動子６を所定の位置に留めることができる。
【００６２】
Ｓ３６では、可動子６の目標速度ｒと実速度ｖとの偏差（ｒ−ｖ）に制御ゲインＧを乗じて形成したフィードバック補正電流を実電流ｉに加えて、開弁用電磁石１０に供給されるべき目標電流ｉ＊ を算出する。
【００６３】
Ｓ３７では、駆動回路２３を制御して、目標電流ｉ＊ を対応の電磁石に供給する。この結果、可動子６の動きに伴って電磁石に逆起電力が発生して、この電磁石に実際に供給される電流が決定され、この実電流と可動子６の位置ｚとに応じて電磁石の吸引力ｆが可動子６に働き、この電磁力ｆとスプリング５，９の付勢力とにより可動子６を含む可動部が駆動されて、弁体３がその全開位置に向けて駆動される。
【００６４】
さて、図１０に示すフローチャートのＳ２２においてエンジン制御ユニット２２からの指令が開弁指令でないと判定された場合には、Ｓ２５に進み、この指令が閉弁指令であるか否かを判定する。この結果、閉弁指令であると判定された場合にはＳ２６に進み、それ以外の場合には本ルーチンをリターンする。
【００６５】
Ｓ２６では、開弁用電磁石１０への通電を遮断し、Ｓ２７では、以上に説明したものと同様の内容の通電制御が閉弁用電磁石１１について実施される。これにより、閉弁時においても可動子６と電磁石１１との衝突を抑えることができる。
【００６６】
このように本発明によれば、エンジン停止毎に、そのときの温度での実際のフリクションｃを推定することができるので、温度変化に対応した的確なフリクションｃを着座制御に反映させることができる。また、これとともに、スプリング５及び９の現状態での合成のバネ定数ｋを推定することができるので、弁ごとの個体差に基づく悪影響を排除することができる。
【００６７】
さらに、本発明によれば、推定されたフリクションｃ及びバネ定数ｋに基づいて制御パラメータ、特に制御ゲインＧを設定可能としたことで、フリクション変動及びバネ定数ｋの個体差に対応して、着座制御の安定化・確実化を図ることができる。
【００６８】
次に、片弁休止時における振動条件推定処理ルーチンを、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。
Ｓ５１では、エンジン制御ユニット２２により片弁休止指令が発せられたか否かを判定する。これが発せられた場合には、Ｓ５２に進んで閉弁用電磁石１１に通電し、対応の吸気弁の閉弁状態が維持される。一方、片弁休止指令が発せられていない場合には、Ｓ５３に進み、前述の各電磁石１０，１１についての通常の通電制御を行う。
【００６９】
Ｓ５４では、フリクションｃの推定を行うか否かを判定する。これを行う場合には、Ｓ５５に進んで休止弁、すなわち、閉弁用電磁石１１への通電を遮断し、自由振動を誘起する。一方、フリクションｃの推定を行わない場合には、本ルーチンをリターンし、前記吸気弁の閉弁状態を維持する。
【００７０】
Ｓ５６では、位置センサ３１からの信号に基づいて可動子６の位置ｚを検出し、これを記憶する。
Ｓ５７では、可動子６の逆戻りを検出したか否かを判定する。この判定は、例えば、可動子６の速度ｖがリリース後初めに０となったか否かを判定することにより達成することができる。可動子６の逆戻りを検出しない間は、Ｓ５６及びＳ５７の処理が繰り返し実行される。逆戻りを検出した場合には、Ｓ５８に進み、閉弁用電磁石１１について前述同様の着座制御を行い、可動子６を滑らかに着座させる。
【００７１】
Ｓ５９では、記憶されている位置情報に基づいて減衰比ζを算出する。例えば、逆戻りまでの間にＳ５６で記憶される位置ｚを蓄積していけば、図１４に示すような可動子６の自由振動波形１’が部分的に完成するので、この部分的な波形から可動子６の変位のピーク点Ｐ１’及びＰ２’を検出し、これらのピーク点を繋ぐ曲線２’から減衰比ζを推定することができる。
【００７２】
しかし、前述のように曲線２’は一定の最大振幅ａ＝Ｚ１とする上式（３）でおよそ近似することができ、また、Ｓ８で推定されたバネ定数ｋを用いて振動数ωｎを算出すれば、減衰比ζを求めるには、１つのピーク点Ｐ２’における状態、すなわち、時間ｔｐ２’及びそのときの位置ｚｐ２’が明確であればよい。なお、２つのピーク点Ｐ１’からＰ２’までの時間を２倍して周期Ｔを近似することとすれば、ここにおいてもバネ定数ｋを推定することができる。
【００７３】
ここに、Ｓ５６，５７及び５９が自由振動特性検出手段を構成する。
Ｓ６０では、算出された減衰比ζ及び既知の振動数ωｎに基づいて、上式（５）によりフリクションｃを推定する。
【００７４】
ここに、Ｓ６０が振動条件検出手段を構成する。
Ｓ６１では、推定されたフリクションｃ及び既知の（Ｓ８で推定された）バネ定数ｋについて最適な制御パラメータＰＲＭを設定する。この設定も、前述同様に、図８に示すマップを参照して行うことができる。
【００７５】
ここに、Ｓ６１が第２の制御パラメータ設定手段を構成する。
なお、Ｓ６１で設定される制御パラメータＰＲＭも、各電磁石１０，１１への通電制御に用いる制御ゲインＧに関するものであってよく、着座制御において可動子６の速度ｖをオブザーバにより推定する場合には、その設計にＳ６０で推定されたフリクションｃを直接反映させることもできる。
【００７６】
Ｓ６２では、冷却水温Ｔｗを読み込む。
Ｓ６３では、推定されたフリクションｃを冷却水温Ｔｗに対応させて温度−フリクションマップ３３に記憶し、このマップ３３を片弁休止時においても更新することができる。
【００７７】
ここに、Ｓ６３がフリクション量記憶手段を構成する。
このように本発明によれば、片弁休止のタイミングで、そのときの温度での実際のフリクションｃを推定することができるので、より多くの機会にフリクションｃを推定することが可能であり、温度との対応性の向上したフリクションｃを着座制御に反映させることができる。
【００７８】
なお、以上の説明では、フリクションｃ及びバネ定数ｋをともに推定し、これらを制御パラメータＰＲＭの設定に反映させたが、本発明はこれに限らず、フリクションｃ又はバネ定数ｋのみを推定することとしてもよい。制御パラメータＰＲＭは、一方の推定値のみに基づいて簡易に設定することが可能であるし、また、一方の値を推定し、他方は初期値を用いることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置の構成を示す概略図
【図３】着座制御を行う場合の可動子速度関数の一例を示す図
【図４】本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置による制御系の構成を示す概略図
【図５】同上制御装置のコントローラの構成を示す概略図
【図６】同上コントローラによるエンジン停止時の振動条件推定ルーチンを示すフローチャート
【図７】エンジン停止後の可動子の運動を表す図
【図８】制御パラメータ設定用マップの一例を示す図
【図９】温度−フリクションマップの一例を示す図
【図１０】本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の制御装置のコントローラによる通常運転時における通電制御ルーチンを示すフローチャート
【図１１】同上コントローラによる着座制御ルーチンを示すフローチャート
【図１２】同上コントローラによる通常運転時におけるフリクション推定ルーチンを示すフローチャート
【図１３】同上コントローラによる片弁休止時の振動条件（フリクション）推定ルーチンを示すフローチャート
【図１４】片弁休止時の可動子の一時的な自由振動の波形
【符号の説明】
１…シリンダヘッド
２…吸排気用ポート
３…弁体
４…リテーナ
５…スプリング
６…可動子
７…案内軸部材
８…リテーナ
９…スプリング
１０…開弁用電磁石
１１…閉弁用電磁石
２１…コントローラ
２２…エンジン制御ユニット
２３…駆動回路
３１…位置センサ
３２…温度センサ（水温センサ）
Claims (8)
- スプリングにより中立位置に付勢される可動子と、これに対向する電磁石とを備え、前記電磁石に供給される電流を制御することにより前記可動子を駆動して、前記可動子に連動する弁体を制御する電磁駆動弁の制御装置であって、
前記電磁石への通電を遮断したときの前記スプリング及び可動子を含む振動系の自由振動の特性を検出する自由振動特性検出手段と、
これにより検出された特性に基づいて、前記振動系についてのフリクション量及び前記スプリングのバネ定数のうち少なくとも一方を推定する振動条件推定手段と、
を設けたことを特徴とする電磁駆動弁の制御装置。 - 前記自由振動特性検出手段は、前記自由振動の実際の減衰比を検出することを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁の制御装置。
- 前記自由振動特性検出手段は、前記自由振動の周期又は振動数を検出することを特徴とする請求項１又は２記載の電磁駆動弁の制御装置。
- 前記自由振動は、運転停止時に前記電磁石への通電が停止されて発生することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電磁駆動弁の制御装置。
- 内燃機関の吸排気弁に適用され、吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方は複数設けられる場合に、前記自由振動は、複数設けられる対象のうち少なくとも１つの閉弁状態を維持する通電制御時にて対応の電磁石への通電を一時的に遮断して、発生することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電磁駆動弁の制御装置。
- 前記電磁石に供給される電流を制御する際に用いる制御パラメータを、前記振動条件推定手段により推定されたフリクション量及びバネ定数のうち少なくとも一方に基づいて設定する第１の制御パラメータ設定手段を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の電磁駆動弁の制御装置。
- 潤滑油温若しくはこれに相当する温度を検出可能な温度検出手段と、
前記振動条件推定手段により推定されたフリクション量を、前記温度検出手段により前記自由振動が行われているときに検出された温度に対応させて記憶し又は更新するフリクション量記憶手段と、
を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の電磁駆動弁の制御装置。 - 前記電磁石に供給される電流を制御する際に用いる制御パラメータを、前記フリクション量記憶手段により記憶されているフリクション量に基づいて設定する第２の制御パラメータ設定手段を設けたことを特徴とする請求項７記載の電磁駆動弁の制御装置。
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