JP4355261B2

JP4355261B2 - 内燃機関のスロットル制御装置

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Publication number: JP4355261B2
Application number: JP2004171425A
Authority: JP
Inventors: 晋治渡部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: JP2005351137A; US20050274355A1; US7080627B2

Description

この発明は、内燃機関の吸入空気通路に設けたスロットルバルブの実開度を所望の目標開度にフィードバック制御する内燃機関のスロットル制御装置に関するものである。

従来から知られている内燃機関のスロットル制御装置として、特許文献１に記載されたものが挙げられる。同文献に記載された制御装置は、スロットルバルブの実開度を目標開度にフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する制御演算処理として、基本的には公知のＰＩＤ（比例・積分・微分）制御演算処理を用いている。そして、目標開度に対する実開度の開度偏差（目標開度−実開度）が小さいときでも速やかにバルブ駆動が可能となるような操作量を得るため、図２のように開度偏差に応じてＰＩＤ制御ゲインを可変設定とし開度偏差が小さいときには制御ゲインの値を大きくするようにＰＩＤ制御ゲインマップを構成している。このように制御ゲインを開度偏差に応じて可変設定とすることにより、開度偏差が小さいときでも操作量を大きくして速やかに開度偏差を小さくすることができる。

しかしながら、上記した従来のスロットル制御装置では、同一の開度偏差発生時に検索される制御ゲインは固定値のため、スロットルバルブ動作の全温度領域において微小な開度偏差発生時に速やかにスロットルバルブを駆動させ、かつ実開度が目標開度に対してオーバシュートやアンダーシュートしないようにモータトルクを制御するのは困難である。例えば、内燃機関の運転状態によりモータ温度が変化しモータ巻線抵抗値が変化すると、モータ制御電圧が同一値でもモータ電流値は同一値とはならない。このため、同一開度偏差発生時に、ＰＩＤ制御演算により、制御手段から算出される制御ＤＵＴＹ値およびモータ制御電圧値が同一値で制御されても、モータ温度によるモータ巻線抵抗値の変化によりモータ電流値も変化するため、モータ電流に比例するモータ駆動トルクも同一値に制御されない。つまり同一開度偏差発生時に制御出力されるモータ駆動トルクは低温時ほど大きく、高温時ほど小さくなる。

上記より、低温になるほどモータ制御系のゲインが高くなるため、低温時に制御ハンチングが発生しないように上記制御ゲインの適合を行うのが一般的である。この場合、高温時の動作においてはモータ巻線抵抗の増大によりモータ制御系のゲインが低下するため、微小開度偏差発生時は、バルブを駆動するのに必要なトルクが直ぐ出力されず実開度の応答が遅れ（図４（ａ）参照）、また、高温時に速やかなバルブ駆動が得られるように上記制御ゲインを適合すると、低温時ではゲイン過剰となって実開度のハンチングが発生する（図４（ｂ）参照）ため、一般的には高温運転時の開度応答性を犠牲にしつつ低温時の開度ハンチングを回避するように上記ＰＩＤ制御ゲインを適合しなければならないという問題が発生する。なお、図４において、Ｌは目標値、Ｍは低温時の制御量応答、Ｎは高温時の制御量応答を示している。

特開平７−２９３２８４号公報

内燃機関のアイドルスピードコントロール運転モード（ＩＳＣ運転モード）においては、各種エンジン負荷トルク変動（エアコン、パワステ、ライト、Ｎ−Ｄ操作など）に対し、速やかにスロットル開度を変化させてエンジンの吸入空気量を調節し、エンジントルクを操作することにより安定したエンジン回転速度が得られるように制御する必要がある。本発明の目的は、内燃機関のＩＳＣ運転モードにおいて速やかな応答性と制御安定性が得られる内燃機関のスロットル制御装置を提供することにある。

この発明に係る内燃機関のスロットル制御装置は、アクセルペダルの操作によりスロットルバルブの開度を制御する内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、スロットルバルブ、該スロットルバルブの駆動モータ、上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、該スロットル開度センサにより検出されたスロットルバルブの実開度が、少なくとも上記アクセルベダルの踏み込み量に基づいた目標開度または少なくとも内燃機関の回転速度に基づいたＩＳＣ時の目標開度に一致するように所定の制御ゲインを用いて上記駆動モータへの操作量を出力するフィードバック制御手段、上記スロットルバルブの動作モードが暖機後のＩＳＣ運転時のスロットル動作モードか暖機後のＩＳＣ運転時以外の動作モードかを判定するスロットル動作モード判定手段、および該スロットル動作モード判定手段の判定結果に基づいて上記フィードバック制御手段から出力された上記操作量を所定の補正係数で補正する補正係数調整手段を備え、上記スロットル動作モード判定手段は、少なくとも上記アクセルペダルの踏み込み量と内燃機関の冷却水温とに基づいて内燃機関の暖機後のＩＳＣ運転時のスロットル動作モードを判定すると共に、上記補正係数調整手段は、上記スロットル動作モード判定手段により上記スロットルバルブの動作モードが暖機後のＩＳＣ運転時以外のスロットル動作モードと判定された場合は、補正係数を第１の補正係数に調整し、上記スロットル動作モード判定手段によりスロットルの動作モードが暖機後のＩＳＣ運転時のスロットル動作モードと判定された場合は、補正係数を第２の補正係数に調整するものであって、さらに、上記補正係数調整手段による補正係数の調整は、補正係数が増大する上記第１の補正係数から第２の補正係数への変更時は徐々に変更され、補正係数が減少する上記第２の補正係数から第１の補正係数への変更時は速やかに変更されるようにしたものである。

本発明によれば、上記スロットル動作モード判定手段で暖機後ＩＳＣ運転時以外のスロットル動作モードを判定した場合は、上記補正係数切換手段で所定の第１の補正係数に切換え、上記以外のスロットル動作モードでは所定の第２の補正係数に切換えて、上記フィードバック制御手段から出力された操作量を補正し出力するようにしたので、暖機後ＩＳＣ運転時以外では第１の補正係数（補正係数＝１.０）により上記フィードバック制御手段から出力された操作量が直接出力され微小な開度偏差発生時の不要な補正が回避され消費電力の低減や制御安定性が確保され、暖機後ＩＳＣ運転時では第２の補正係数により微小な開度偏差発生時でもＤＣモータ高温時の巻線抵抗増大による駆動トルク不足による応答遅れが回避され、実開度の速やかな応答性と制御安定性の両立が図れる上に、上記補正係数切換手段による補正係数の切換は、第１の補正係数から第２の補正係数への切換時には徐々に切換えるようにし、第２の補正係数から第１の補正係数への切換時は速やかに切換えるようにしたので、エンジン暖機後ＩＳＣ運転移行時のＤＵＴＹ値の急増による制御外乱が抑制され、暖機後ＩＳＣ運転外への移行時の不要な補正が回避され速やかな応答性と制御安定性の両立が図れる内燃機関のスロットル制御装置を提供できる。

なお、本発明ではフィードバック制御演算値への適用例を示したが、これをフィードバック制御演算値以外の例えばフィードフォワード制御演算値などに適用しても同様の効果が得られる。また、アクチュエータへの操作量へのバッテリ電圧変動に対する補正については本実施例で説明していないが、当然考慮されるべきものであることは言うまでもない。

実施の形態１．
図１〜図４はこの発明の実施の形態１に係る内燃機関のスロットル制御装置を示すものである。図１はスロットルバルブ制御部１とスロットルアクチュエータ２とからなる内燃機関のスロットルバルブ制御装置の概略構成図を示したものである。スロットルバルブ制御部１は、アクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）出力９、エンジン回転速度１０、エンジン冷却水水温（エンジン水温）１１などに応じて設定される目標開度７と、スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１７で検出された実開度８とを入力し、目標開度７と実開度８の開度偏差に基づいて公知のＰＩＤ制御演算を用いて開度フィードバック制御演算によりモータ電圧を制御するＤＵＴＹ値１２を算出するＰＩＤ制御手段３と、上記ＡＰＳ出力９とエンジン回転速度１０とエンジン水温１１とを入力しエンジンの暖機後ＩＳＣ運転時のスロットル動作モードを判定するスロットル動作モード判定手段４と、上記スロットル動作モード判定手段４の判定結果に基づいて補正係数の切換を行い、上記ＰＩＤ制御手段３から出力されたＤＵＴＹ値１２を補正演算し、補正後ＤＵＴＹ値１３を出力する補正係数調整手段５と、上記補正後ＤＵＴＹ値１３を入力し、ＰＷＭ駆動により制御されたモータ制御電圧１４を出力するＰＷＭ駆動手段６とから構成される。

一方、スロットルアクチュエータ２は、上記ＰＷＭ駆動手段６から出力されたモータ制御電圧１４により駆動モータ１５が駆動され、該駆動モータ１５の駆動力が減速機（図示しない）を介してスロットルバルブ１６に伝達され、スロットルバルブ軸に設けられたＴＰＳ１７によりスロットルバルブ１６の実開度８が検出される構成である。

次に動作を説明する。図３は内燃機関のスロットル制御装置のスロットルバルブ制御に関する処理内容を示したフローチャートである。スロットルバルブ制御部１では所定の制御周期（例えば２.５ms）毎に以下の処理を行う。

ステップＳ１では、スロットルバルブ１６の実開度８を、ＴＰＳ１７より出力された電圧値をＡ／Ｄ入力して読み込む。ステップＳ２では、エンジン制御部でアクセルペダル踏み込み量に比例した電圧を出力する上記ＡＰＳ出力９、エンジン回転速度１０、およびエンジン水温１１などに基づいて設定された目標開度値を目標開度７として読み込む。

次に、ステップＳ３ではＰＩＤ制御手段３により、制御周期毎にサンプリングされた目標開度７と実開度８に基づいてＰＩＤ制御演算処理を行う。まず今回のサンプリングタイミングｎでサンプリングされた目標開度７（ｎ）と実開度８（ｎ）より、開度偏差（＝目標開度７−実開度８）（ｎ）の絶対値を求め、次に上記開度偏差の絶対値ＥＲＲＯＲ（ｉ）に基づいて、図２のような制御ゲインマップより比例制御ゲインＫＰ（ｉ）、積分制御ゲインＫＩ（ｉ）、微分制御ゲインＫＤ（ｉ）を読み込み、上記比例制御ゲインＫＰと開度偏差の積により比例（Ｐ）項を算出し、上記積分制御ゲインＫＩと開度偏差の積分値との積により積分（Ｉ）項を算出し、上記微分制御ゲインＫＤと実開度変化分｛実開度(ｎ)−実開度（ｎ-１）｝により微分（Ｄ）項を算出する。そして上記算出された比例（Ｐ）項と積分（Ｉ）項と微分（Ｄ）項の加算演算によりＤＵＴＹ値１２を算出する。

次に、ステップＳ４では、スロットル動作モード判定手段４に入力されたＡＰＳ出力９とエンジン回転速度１０とエンジン水温１１とに基づいて、上記ＰＩＤ制御手段３で算出されたＤＵＴＹ値１２を補正するか否かを判定し、補正フラグを操作する。ＡＰＳ出力９がアクセルペダル全閉位置で、エンジン水温が所定値（例えば８０℃）以上で、エンジン回転速度１０が所定値（例えば５００r/mから１５００r/mの範囲）の場合は、エンジン暖機後のＩＳＣ運転状態と判定し、上記ＤＵＴＹ値１２を補正するように補正フラグをセットする。上記エンジン暖機後のＩＳＣ運転状態以外のスロットル動作モードと判定された場合は補正フラグをクリアする。

ステップＳ５で、補正係数調整手段５により補正フラグをチェックし、補正フラグがクリアされている場合は、ステップＳ６で、今回サンプリング時の補正係数ＤＣ（ｎ）を第１の補正係数ＤＣ１（例えば１.０）に設定して、上記ＤＵＴＹ値１２を補正係数ＤＣ１で乗算した補正後ＤＵＴＹ値１３に補正し、ＤＵＴＹ出力値として設定（ステップＳ１０）する。この場合、第１の補正係数ＤＣ１は１.０であり、ＤＵＴＹ値１２は補正しないで直接出力されることになる。このためエンジンが暖機後のＩＳＣ運転以外のスロットル動作モード移行時は速やかに第１の補正係数ＤＣ１に切り換えられる。

ステップＳ５で補正フラグがセットされていた場合、ステップＳ７の処理を行う。ステップＳ７では、ＰＩＤ制御手段３の出力値であるＤＵＴＹ値１２を補正演算するにあたり、前回サンプリング時の補正係数ＤＣ（ｎ−１）が第２の補正係数ＤＣ２（例えば１.３）と一致しているかを判定し、一致していた場合は、ステップＳ８で、今回サンプリング時の補正係数ＤＣ（ｎ）＝ＤＣ２として上記ＤＵＴＹ値１２を第２の補正係数ＤＣ２で乗算した補正後ＤＵＴＹ値１３に補正し、ＤＵＴＹ出力値として設定（ステップＳ１０）する。これによりエンジン暖機後のＩＳＣ運転状態でのスロットルバルブ制御時にはＰＩＤ制御演算結果であるＤＵＴＹ値１２が第２の補正係数ＤＣ２で補正され、この補正後ＤＵＴＹ値１３に基づいたＰＷＭ駆動手段６の出力で駆動モータ１５が駆動され、スロットルバルブ１６の駆動が行われる。

前回サンプリング時の補正係数ＤＣ（ｎ−１）が第２の補正係数ＤＣ２と一致していない場合は、ステップＳ９で、今回サンプリング時の補正係数ＤＣ（ｎ）を前回サンプリング時の補正係数ＤＣ（ｎ−１）＋（第２の補正係数ＤＣ２−第１の補正係数ＤＣ１）／補正係数更新定数ＤＤ（例えば１６）として算出し、上記ＤＵＴＹ値１２を今回サンプリング時の補正係数ＤＣ（ｎ）で乗算した補正後ＤＵＴＹ値１３に補正し、ＤＵＴＹ出力値として設定（ステップＳ１０）する。これにより第１の補正係数ＤＣ１から第２の補正係数ＤＣ２への切換えが徐々に行われる。

ステップ１１では、上記補正後のＤＵＴＹ値１３をＰＷＭ駆動手段６に入力し、ＰＷＭ駆動手段６ではＰＷＭ駆動ＤＵＴＹ比を上記補正後ＤＵＴＹ値に設定し、ＤＵＴＹ値に比例した電圧が駆動モータ１５に供給され、スロットルバルブ１６の実開度８が目標開度７に一致するようにＦ／Ｂ制御される。以上の処理により、エンジン暖機後のＩＳＣ運転状態でのスロットルアクチュエータ２の、特に微小な目標開度変化要求時の実開度の速やかな応答性と制御の安定性の両立が図られる（図４（ｃ）参照）。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、第２の補正係数ＤＣ２は固定値としていたが、本実施の形態２では第２の補正係数のベース値ＤＣ２を内燃機関の暖機後ＩＳＣ運転時の目標開度変化に対する実開度の応答動作結果に基づいて学習補正（ΔＤＣ２）し、第２の補正係数学習値ＤＣＬ２を設定するようにしたものである。

第２の補正係数の学習動作について図５、図６の補正係数の学習処理フローチャートに従って説明する。なお、図５のＡは図６のＡにつながることを示している。図５のステップＳ１００では、スロットル動作モード判定手段４において、内燃機関が暖機後ＩＳＣ運転モードかどうかを判定し、暖機後ＩＳＣ運転モードでなければ処理を終わる。暖機後ＩＳＣ運転モードと判定した場合は、ステップＳ１０１で、前回制御周期時の目標開度と今回制御周期時の目標開度が不一致かどうかを判定し、不一致の場合は今回制御周期時に目標開度値が変化した状態であり、第２の補正係数ＤＣ２の学習処理を行うかどうかを、ステップＳ１０２で、学習フラグの設定状態によって判断する。

学習フラグがクリアされている場合は、上記第２の補正係数ＤＣ２の学習処理を実行するため、ステップＳ１０３で目標開度への実開度の到達時間を計測するためのタイマーをスタートさせ、ステップＳ１０４で学習フラグをセットして処理を終了する。ステップＳ１０２で学習フラグがセットされている場合は、学習処理中に再度目標開度変化が生じた状態であり、学習処理を強制終了するため、ステップＳ１０５で学習フラグをクリアして処理を終わる。

ステップＳ１０１で、前回制御周期時の目標開度値と今回制御周期時の目標開度値が一致している場合は、ステップＳ１０６で上記第２の補正係数ＤＣ２の学習処理中かどうかを学習フラグによって判定する。学習フラグがクリアされている場合は処理を終了し、セットされている場合は図６のステップＳ１０７で学習処理を行う。

ステップＳ１０７では、実開度が目標開度に到達したかどうかを判定し、到達していなければ処理を終わり、到達した場合はステップＳ１０８で上記タイマーより到達時間を読み取る。次に、ステップＳ１０９で実開度の目標開度への到達時間が所定値（例えば０.１ｓｅｃ）以上かどうかを判定し、所定値以上の場合はステップＳ１１０で今回の第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ）を、前回学習時の第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ−１）に学習補正値ΔＤＣ（例えば０．０１）を加算してステップＳ１１３へ進む。ステップＳ１０９で、実開度の目標開度に対する行き過ぎ量｛オーバシュート（Ｏ／Ｓ）量またはアンダーシュート（Ｕ／Ｓ）量｝を到達時間後の実開度値と目標開度値の開度偏差（ＥＲＲＯＲ）のピーク値から求め、行き過ぎ量が所定値（例えば０.５ｄｅｇ）以上かどうかを判定する。

行き過ぎ量が所定値以上の場合は、ステップＳ１１２で、今回の第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ）を、前回学習時の第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ−１）に学習補正値ΔＤＣ（例えば０.０１）を減算してステップＳ１１３へ進む。ステップＳ１１１で、実開度の行き過ぎ量が所定値（例えば０.５ｄｅｇ）未満の場合は、実開度の目標開度への到達時間および行き過ぎ量とも所定値に収まっており、学習補正する必要がないためステップＳ１１７で学習フラグをクリアして学習処理を終了する。

ステップＳ１１３では、今回の第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ）が所定の上限値（例えば１.４）以上かどうかを判定し、上限値以上であればステップＳ１１４で第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ）を上限値に設定して学習フラグをクリア（ステップＳ１１７）し、学習処理を終わる。ステップＳ１１３で、今回の第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ）が所定の上限値（例えば１.４）未満の場合はステップＳ１１５に進み、所定の下限値（例えば１.２）以下の場合はステップＳ１１６で第２の補正係数学習値ＤＣＬ２（ｎ）を下限値に設定して学習フラグをクリア（ステップＳ１１７）して学習処理を終わる。上記学習によりスロットルアクチュエータ２の個体差ばらつきに対しても実施の形態１と同様の効果が得られる。

この発明に係る内燃機関のスロットル制御装置は、自動車エンジンの制御に適用が可能である。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関のスロットル制御装置の概略構成図である。開度偏差と制御ゲイン設定値の関係図である。実施の形態１のスロットルバルブ制御処理のフローチャートである。スロットルバルブの動作特性を示す図で、（ｃ）は高温時に操作量を補正した場合のスロットルバルブ動作、（ａ）は低温時に制御ゲインを適合した場合のスロットルバルブ動作、（ｂ）は高温時に制御ゲインを適合した場合のスロットルバルブ動作である。この発明の実施の形態２に係る内燃機関のスロットル制御装置のスロットルバルブ制御処理を示すフローチャート（一部分）である。この発明の実施の形態２に係る内燃機関のスロットル制御装置のスロットルバルブ制御処理を示すフローチャート（一部分）である。

符号の説明

１スロットルバルブ制御部、２スロットルアクチュエータ、
３ＰＩＤ制御手段、４スロットル動作モード判定手段、
５補正係数切換手段、６ＰＷＭ駆動手段、
７目標開度、８実開度、
９ＡＰＳ出力、１０エンジン回転、
１１エンジン水温、１２ＤＵＴＹ値、
１３補正後ＤＵＴＹ値、１４モータ制御電圧、
１５駆動モータ、１６スロットルバルブ、
１７ＴＰＳ。

Claims

アクセルペダルの操作によりスロットルバルブの開度を制御する内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、スロットルバルブ、該スロットルバルブの駆動モータ、上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、該スロットル開度センサにより検出されたスロットルバルブの実開度が、少なくとも上記アクセルベダルの踏み込み量に基づいた目標開度または少なくとも内燃機関の回転速度に基づいたＩＳＣ時の目標開度に一致するように所定の制御ゲインを用いて上記駆動モータへの操作量を出力するフィードバック制御手段、上記スロットルバルブの動作モードが暖機後のＩＳＣ運転時のスロットル動作モードか暖機後のＩＳＣ運転時以外の動作モードかを判定するスロットル動作モード判定手段、および該スロットル動作モード判定手段の判定結果に基づいて上記フィードバック制御手段から出力された上記操作量を所定の補正係数で補正する補正係数調整手段を備え、上記スロットル動作モード判定手段は、少なくとも上記アクセルペダルの踏み込み量と内燃機関の冷却水温とに基づいて内燃機関の暖機後のＩＳＣ運転時のスロットル動作モードを判定すると共に、上記補正係数調整手段は、上記スロットル動作モード判定手段により上記スロットルバルブの動作モードが暖機後のＩＳＣ運転時以外のスロットル動作モードと判定された場合は、補正係数を第１の補正係数に調整し、上記スロットル動作モード判定手段によりスロットルの動作モードが暖機後のＩＳＣ運転時のスロットル動作モードと判定された場合は、補正係数を第２の補正係数に調整するものであって、さらに、上記補正係数調整手段による補正係数の調整は、補正係数が増大する上記第１の補正係数から第２の補正係数への変更時は徐々に変更され、補正係数が減少する上記第２の補正係数から第１の補正係数への変更時は速やかに変更されるようにしたことを特徴とする内燃機関のスロットル制御装置。
上記第２の補正係数は、暖機後のＩＳＣ運転状態での目標開度変化時の実開度の応答動作結果に基づいて学習補正されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のスロットル制御装置。
上記第２の補正係数の学習補正は、目標開度変化時の実開度の応答動作結果において目標開度への実開度の到達時間が所定時間外の場合は増大方向に学習補正し、目標開度に対する実開度のオーバシュート量またはアンダーシュート量が所定値以上の場合は減少方向に学習補正するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のスロットル制御装置。
上記第２の補正係数の学習補正範囲に制限を設けたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のスロットル制御装置。