JPWO2008081643A1

JPWO2008081643A1 - Ｅｇｒバルブ制御装置

Info

Publication number: JPWO2008081643A1
Application number: JP2008552058A
Authority: JP
Inventors: 敏川村; 一彰新家
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2010-04-30
Also published as: EP2098715A4; WO2008081643A1; EP2098715A1; US8150601B2; CN101573525A; KR20090082462A; CN101573525B; US20100319664A1; KR101202575B1

Abstract

ＥＧＲバルブの開閉制御を行うモータ５と、ＥＧＲバルブの実開口位置を検出するセンサ６と、ＥＧＲバルブの目標開口位置と、センサ６により検出される実開口位置とによりモータ５の駆動デューティの算出を行うモータ制御装置（制御演算部１）と、を備え、制御演算部１は、ＥＧＲバルブの目標開口位置が設定されたとき、ＥＧＲバルブの目標開口位置と実開口位置との偏差に基づき積分項を、ＥＧＲバルブの実位置の変化に基づき比例項と微分項を、目標位置の変化に基づきフィードフォワード項をそれぞれ演算し、演算された積分項と、比例項と、微分項と、フィードフォワード項とを加算減してモータ５の駆動デューティを算出し、ＥＧＲバルブの開閉制御を行うように構成した。

Description

この発明は、排気系から排気ガスの一部を取り出し吸気系に還流させる、強制バルブ閉弁機構を備えた排気再循環装置に用いて好適な、ＥＧＲバルブ制御装置に関するものである。

従来、エンジンには、排気系から排気ガスの一部を取り出し、適当な温度、時期、流量等の制御を行い、吸気系へ再循環させる排気再循環装置（ＥＧＲ）装置が搭載されたものがある。燃焼ガスの大部分は不活性ガス（Ｈ₂、Ｎ₂、ＣＯ₂等）であり、それを燃焼混合気中に入れると、不活性ガスが持つ熱容量により最高燃焼温度が低下するため、排気ガスに含まれるＮＯｘを低減することができる。
また、ＥＧＲ装置は、エンジンの吸気系と排気系とを連結する排気再循環経路に流量制御弁（ＥＧＲバルブ）を設け、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲバルブを開閉し、排気ガスの再循環量（ＥＧＲ流量）を制御する構成になっている。

ところで、ＥＧＲバルブは、開いた状態で故障すれば黒鉛を出す等、車両としての商品価値が低下する。このため、フェールセーフとして、通常、スプリングによる強制バルブ閉弁機構が搭載される。上記したＥＧＲバルブの開閉制御にはモータが使用されるが、その制御アルゴリズムとして、比例動作、積分動作および微分動作の制御の組み合わせでモータに対する動作制御を行うＰＩＤ制御が頻繁に使用される。
ＰＩＤによる制御動作は関数表現が可能であり、このときの制御関数は、制御パラメータ、すなわち、比例ゲインＫ_p、積分ゲインＫ_i、微分ゲインＫ_dおよびフィードフォワードゲインＫ_ffを含む。

上記したＰＩＤによるバルブ制御に関する方法は従来から多数提案されている。例えば、目標開度と実開度の偏差が所定値より大きい場合はフィードフォワード制御によって応答性を向上させ、偏差が所定値以下の場合は通常のＰＩＤ制御により収束させることでスロットルバルブの安定性を向上させたスロットル制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、目標開度の変化に基づき演算されるフィードフォワード項を目標開度の変化が小さいときには大きくすることでモータの駆動力を増大させて応答性の向上をはかったスロットル制御装置も知られている（特許文献２参照）。

特開平６−２４１０９８号公報特開２０００−７３８３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術によれば、目標開度と実開度との偏差が小さいときは通常のＰＩＤ制御によりスロットル開度を制御し、制御の応答性より安定性を優先しているため、応答遅れによるドライバビリティが悪化する。また、特許文献２に開示された技術によれば、目標開度がゆっくり変化する場合におけるスロットル制御の応答遅れが防止され、アクセルペダル踏み込み時のドライバビリティが向上し、目標開度の変化に基づいて演算されるフィードフォワード項を目標開度の変化が大きいときに小さく制御することでオーバシュートすることなくスロットル開度が目標開度に安定して収束するが、目標開度が頻繁に変化するような環境下では安定した応答性を得ることができず、追随性能が得られないといった課題がある。

この発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、目標開度が頻繁に変化するような環境下にあっても安定した応答性能を得ることができる、ＥＧＲバルブ制御装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するためにこの発明のＥＧＲバルブ制御装置は、ＥＧＲバルブの開閉制御を行うモータと、前記ＥＧＲバルブの実位置を検出するセンサと、前記ＥＧＲバルブの目標位置と、前記センサにより検出される実位置とにより前記モータの駆動デューティの算出を行うモータ制御装置と、を備え、前記モータ制御装置は、前記ＥＧＲバルブの目標位置が設定されたとき、前記ＥＧＲバルブの目標位置と実位置との偏差に基づき積分項を、前記ＥＧＲバルブの実位置の変化に基づき比例項と微分項を、前記目標位置の変化に基づきフィードフォワード項をそれぞれ演算し、前記演算された積分項と、比例項と、微分項と、フィードフォワード項とを加算減して前記モータの駆動デューティを算出し、前記ＥＧＲバルブの開閉制御を行うように構成したものである。

この発明によれば、目標開度が頻繁に変化するような環境下にあっても安定した応答性能を得ることができるＥＧＲバルブ制御装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係るバルブ制御装置の内部構成を示すブロック図である。微分先行型ＰＩＤ制御における操作量とＥＧＲバルブの開度の変化をグラフで示した図である。比例・微分先行型ＰＩＤ制御における操作量とＥＧＲバルブの開度の変化をグラフで示した図である。比例・微分先行型ＰＩＤ制御にフィードフォワード制御を付加した場合の操作量とＥＧＲバルブの開度の変化をグラフで示した図である。図１に示す制御演算部を、比例・微分先行型ＰＩＤ制御にフィードフォワード制御を付加して設計した場合の内部構成をブロック線図で示したものである。ＥＧＲバルブの開側と閉側における制御定数と駆動デューティとを時間軸上に概念的に示した図である。ＥＧＲバルブ開閉時の各制御定数の一例を示した図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るバルブ制御装置の内部構成を示すブロック図である。ここでは、制御対象として、直流（ＤＣ）モータにより開閉制御がなされ、スプリングによる強制閉弁機構を備えたＥＧＲバルブが例示されている。
図１に示されるように、この発明の実施の形態１に係るＥＧＲバルブ制御装置は、制御演算部１と、制御定数設定部２と、Ｄ／Ａ（Digital／Analog）コンバータ３と、モータ駆動回路４と、ＤＣモータ５と、エンコーダ６とにより構成される。

制御演算部１には、制御定数設定部２により、比例ゲインＫ_p、積分ゲインＫ_i、微分ゲインＫ_dおよびフィードフォワードゲインＫ_ffから成る最適な制御定数が設定される。制御演算部１は、外部から供給されるＥＧＲバルブの目標位置（目標開度）と、先に制御定数設定部２により設定された制御定数を代入して得られる制御関数とに基づきＤＣモータ５の駆動デューティを算出する。制御演算部１はまた、算出された駆動デューティに基づき、Ｄ／Ａコンバータ３を介してアナログ信号に変換し、モータ駆動回路４に供給してＤＣモータ５の駆動制御を行うとともに、エンコーダ６によって検出されるＤＣモータ５の回転角（実開度）を得てフィードバック制御するように構成される。
上記のように、制御演算部１は、ＥＧＲバルブの目標位置（目標開度）と、エンコーダ６により検出される実位置（実開度）とによりＤＣモータ５の駆動デューティの算出を行うモータ制御装置として機能する。図５に、制御演算部１の内部構成がブロック線図により示されているが、その詳細は後述する。

なお、ここでは、ＥＧＲバルブの実位置を検出するセンサとしてエンコーダ６を用いることしたが、ホール素子等により代替してもよい。また、ここでは、ＤＣモータ５の回転を制御する方法として、一定周期のパルスでＤＣモータ５を駆動し、パルスのデューティ比（ＯＮの時間比率）を変えることでモータの電圧をコントロールするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式を採用するものとする。

ところで、上記したＥＧＲバルブの制御方式として、制御演算部１を微分先行型ＰＩＤ制御（以下、ＰＩ−Ｄ制御という）により設計することが多い。周知のようにＰＩ−Ｄ制御は、ＥＧＲバルブの目標位置と実位置との偏差によって操作量（パルスのデューティ比）を演算する。したがって、立ち上がりにおける過渡期等、偏差が大きい場合に操作量が一気に上昇してしまい、ＤＣモータ５の回転が速くなり回転スピードの制御が不能になる。これに対し、比例・微分先行型ＰＩＤ制御（以下、Ｉ−ＰＤ制御という）は、ＥＧＲバルブの実位置の変化によって操作量を調整しながら変化させるため、操作量が一気に上昇することはない。
この発明の実施の形態１に係るＥＧＲバルブ制御装置では、制御演算部１をＩ−ＰＤ制御方式にしたがい設計することとし、そのために発生する中間開度付近で生じる応答時間の遅れをフィードフォワード（ＦＦ）制御で補う構成とする。詳細は後述する。

図２〜図４は、上記したＰＩ−Ｄ制御、Ｉ−ＰＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御にＦＦ制御を付加した制御（以下、Ｉ−ＰＤ＋ＦＦという）における操作量とＥＧＲバルブの開度（駆動デューティ）の変化をグラフで示した図である。図２〜図４はともに、（ａ）時間対操作量、（ｂ）時間対開度を時間軸上に示してある。
以下、図２〜図４を参照しながら、ＰＩ−Ｄ制御、Ｉ−ＰＤ制御、Ｉ−ＰＤ＋ＦＦ制御による各制御方式の詳細について説明する。

図２におけるＰＩ−Ｄ制御方式は、Ｐ（比例）項とＩ（積分）項は偏差に対して、Ｄ（微分）項は実位置に働く。通常、制御定数は、目標開度がステップ応答における０％開度と１００％開度の間で合わせ込む。この場合の各項における演算結果が示されている。
この制御定数を用いて、例えば、図２のように、中間開度０％→３０％のステップ応答が目標開度として設定された場合、図示のようにオーバシュートが発生する場合が多い。これは、最初に開度０％→１００％のステップ応答でオーバシュートなく応答時間も短くチューニングした制御定数によるものである。もともと図２のステップ応答で応答性を合わせ込んだ制御定数では、偏差に働くＰ項は非常に大きな値となり１００％を超えた値になっている。しかしながら、目標値の変化によりＰ項の動きで操作量は３０％ではオーバシュートを発生する。

このように、ＰＩ−Ｄ制御による問題は、フルストローク動作で最適にチューニングしていても、図２（ｂ）に示すように、中間開度では０．２ｓｅｃ付近でオーバシュート気味になり、０．３ｓｅｃ付近で開度３０％となることである。すなわち、Ｐ項により目標値の変化幅に比例した駆動デューティの変化が現れるため、変化が小さい場合には駆動デューティの変化が大きくなりすぎてオーバシュートすることが考えられる。

一方、図３におけるＩ−ＰＤ制御方式は、Ｉ項は偏差に対して働き、Ｐ項とＤ項は、実位置に働く。０％→１００％開度のステップ応答ではＩ項しか偏差に対して働かないため、操作量の演算結果である駆動デューティが積分され、ＰＩ−Ｄ制御のように過渡期において一気に上昇することはない。
Ｉ−ＰＤ制御方式によれば、フルストローク動作で最適にチューニングしておけば中間開度でオーバシュートが発生することはない。但し、Ｉ項のみで偏差を制御するため、図３（ｂ）に示すように、３０％時の整定時間は０．３ｓｅｃに延びるので、中間開度での初期の応答が悪くなる傾向にある。

これに対し、図４に示すＩ−ＰＤ＋ＦＦ制御方式によれば、特に中間開度での初期の応答を改善することができる。すなわち、図２に示すＰＩ−Ｄ制御では、目標値に対してＰ項を掛けて駆動デューティを変化させていたが、ここでは、目標値の変化に対してより自由に設定できる制御定数（ＦＦ項）を新たに追加し、目標位置の変化に対して直接駆動デューティを変化させ、図４（ｂ）に示すように、中間開度における応答性を０．２ｓｅｃで開度３０％になるように改善を行うものである。
図３に示すＩ−ＰＤ制御方式と対比して明らかなように、目標開度３０％のときの実開度の動きの応答性能が向上している。なお、ここで、ＦＦ制御とは、制御を乱す外乱が発生してもそれが影響として現れる前に、前もってその影響を極力小さくするように必要な修正操作を行う自動制御のことをいう。

図５は、図１に示す制御演算部１を上記したＩ−ＰＤ＋ＦＦ制御方式により設計した場合の内部構成をブロック線図で示したものである。
図５において、Ｄｅｍａｎｄは目標位置、ＰＳは実位置、ＤｒｉｖｅＤｕｔｙは操作量を示す。また、符号１１〜１４は、制御定数設定部２により各々設定された制御定数に基づき積分（Ｉ項）、比例（Ｐ項）、微分（Ｄ項）、フィードフォワード（ＦＦ項）の各関数演算を行う関数演算器、符号１５〜１９は、加算減器、符号２０〜２３は、遅れ要素（１／Ｚ）、符号２４はゲイン調整器を示す。

制御演算部１は、外部（プログラム）からＥＧＲバルブの目標位置が設定されたとき、ＥＧＲバルブの目標位置と、エンコーダ５により出力される回転角に基づき定義される実位置との偏差に基づき関数演算器１１にてＩ項を演算する。また、ＥＧＲバルブの実位置の変化に基づき関数演算器１２、１３にてそれぞれＰ項とＤ項を演算する。更に、目標位置の変化に基づき関数演算器１４でＦＦ項を演算する。
そして、加算減器１９で先に演算されたＩ項と、Ｐ項と、Ｄ項と、ＦＦ項とを加算減することによりＤＣモータ５の駆動デューティを算出し、ゲイン調整器２４でゲイン調整を行い、操作量としてＤＣモータ５（Ｄ／Ａコンバータ３、モータ駆動回路４経由）へ供給する。
なお、関数演算器１１〜１４には、事前に制御定数設定部２により最適な制御定数（比例ゲインＫ_p、積分ゲインＫ_i、微分ゲインＫ_dおよびフィードフォワードゲインＫ_ff）が設定されているものとする。

Ｉ−ＰＤ制御において、Ｉ項は偏差に、Ｐ項とＤ項は、実位置に働くが、Ｉ項は、比較的小さく設定されているため、ＰＩ−Ｄ制御とは異なり、この部分での駆動デューティは上がらず、実位置の変化により調整しながら駆動デューティを変化させる。このため、回転スピードコントロールが不能になる手前で駆動デューティを動かすことができる。但し、Ｉ項のみ偏差に効くため、多少応答性が落ちるが、その遅れ分をＦＦ項で補うことができる。すなわち、ＦＦ項は、目標位置の変化に対し、直接駆動デューティを変化させることが出来るようになり、極力遅れをなくすことができる制御が実現できる。

このため、制御演算部１は、ＥＧＲバルブの目標位置が設定されたとき、ＥＧＲバルブの目標位置と実位置との偏差に基づきＩ項を、ＥＧＲバルブの実位置の変化に基づきＰ項とＤ項を、目標位置の変化に基づきＦＦ項をそれぞれ演算し、当該演算されたＩ項と、Ｐ項と、Ｄ項と、ＦＦ項とを加算減してＤＣモータ５の駆動デューティを算出し、ＥＧＲバルブの開閉制御を行うモータ制御装置として機能する。

ところで、ＥＧＲバルブには、上記したようにスプリングによる強制閉弁機構が備わっており、開側の制御定数と閉側の制御定数とを異にしている。これは、開側の制御定数はスプリングの反発力に打ち勝つ制御ゲインとしなければならず、比較的大きな制御ゲインを設定するため、閉側にも同じ制御定数を使用すれば駆動デューティが大きくなって減速しにくくなるからである。したがって、ＥＧＲバルブの目標位置と実位置とによりいずれの制御定数を使用するか切替えることが行なわれる。
しかしながら、目標位置が頻繁に変化する場合は、開側ＦＦ制御定数と閉側ＦＦ制御定数の選び方により、例えば、開側ＦＦ制御定数＜閉側ＦＦ制御定数のように設定した場合、閉側駆動時の駆動デューティと開側駆動時の駆動デューティが同じ偏差であるにもかかわらず、駆動デューティが等しくならず、結局追随できなくなる。このため、ここでは、ＦＦ制御定数のみ開側と閉側の制御定数に同じ値を設定することとした。すなわち、制御定数設定部２は、制御演算部１に対する制御定数の設定時、ＥＧＲバルブの開側におけるＦＦ制御定数と閉側におけるＦＦ制御定数とを等しい値に設定する必要がある。

具体的に、図６に、ＥＧＲバルブの開側（開方向）と閉側（閉方向）における制御定数と駆動デューティとを時間軸上に概念的に示した。
ＥＧＲバルブの目標位置と実位置との偏差（Ｅｒｒ１）が図６（ａ）に示す関係にあるとし、ここで、開側ＦＦ制御定数Ａと閉側ＦＦ制御定数Ｂとが等しくない場合、図６（ｂ）に示すように、目標値の上下変化が同じであっても駆動デューティは、変化前後で開側ＦＦ制御定数と閉側ＦＦ制御定数が等しい場合、図６（ｃ）に示すように、同じ上下動作量であれば駆動デューティは、Ａ＝Ｂになる。

目標値の変化が激しい場合、ＰＩ−Ｄ制御によれば、目標位置と実位置に対し同じ値のゲインを与えていたが、ＦＦ項の存在により、目標位置と実位置に対して別々の値を制御定数として選択することができる。ちなみに、Ｉ−ＰＤ＋ＦＦ制御におけるＥＧＲバルブ開閉時の各制御定数と、Ｐ−ＩＤ制御における各制御定数の一例を、それぞれ図７（ａ）（ｂ）に対比して示した。

以上説明のようにこの発明の実施の形態１に係るＥＧＲバルブ制御装置によれば、ＥＧＲバルブの開閉制御を、微分先行型ＰＩＤ制御から、比例・微分先行型ＰＩＤ制御に変更することにより中間開度で発生するオーバシュートを解消し、そのときに生じる応答時間の遅れをフィードフォワード制御により改善することができる。このため、目標開度が頻繁に変化するような環境下にあっても安定した応答性能を得ることができる。
また、ＥＧＲバルブは、温度変化によりグリス等が硬軟してバルブシャフトの動きが変化し、上記したオーバシュートの大小が変動する。しかしながら、Ｉ−ＰＤ制御により、一気に駆動デューティが上がっても回転スピート制御が不能になることはなく、ＥＧＲバルブの実位置の変化に応じて操作量を調整しながら回転スピードコントロールが可能になるため、温度変化による対策も可能である。

なお、この発明の実施の形態１に係るＥＧＲバルブ制御装置が持つ各構成ブロックの機能は、全てをソフトウェアによって実現しても、あるいはその少なくとも一部をハードウエアで実現してもよい。例えば、制御演算装置１における処理や、制御定数設定部２におけるデータ処理は、１または複数のプログラムによりコンピュータ（マイコン）上で実現してもよく、また、その少なくとも一部をハードウエアで実現してもよい。

以上のように、この発明に係るＥＧＲバルブ制御装置は、比例・微分先行型ＰＩＤ制御およびフィードフォワード制御による制御方式とすることで、安定した応答性能を得ることのできるＥＧＲバルブ制御装置としたので、排気再循環装置などに用いるのに適している。

Claims

排気系から排気ガスの一部を取り出し吸気系に還流させる排気再循環装置におけるＥＧＲバルブ制御装置であって、
ＥＧＲバルブの開閉制御を行うモータと、
前記ＥＧＲバルブの実位置を検出するセンサと、
前記ＥＧＲバルブの目標位置と、前記センサにより検出される実位置とにより前記モータの駆動デューティの算出を行うモータ制御装置と、を備え、
前記モータ制御装置は、
前記ＥＧＲバルブの目標位置が設定されたとき、前記ＥＧＲバルブの目標位置と実位置との偏差に基づき積分項を、前記ＥＧＲバルブの実位置の変化に基づき比例項と微分項を、前記目標位置の変化に基づきフィードフォワード項をそれぞれ演算し、前記演算された積分項と、比例項と、微分項と、フィードフォワード項とを加算減して前記モータの駆動デューティを算出し、前記ＥＧＲバルブの開閉制御を行うことを特徴とするＥＧＲバルブ制御装置。
前記モータ制御装置は、
前記ＥＧＲバルブの開側におけるフィードフォワード定数と閉側におけるフィードフォワード定数とを等しい値に設定することを特徴とする請求項１記載のＥＧＲバルブ制御装置。