JP7777323B2 - スロットルの電子制御方法及び電子制御スロットル装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの吸気系に設置されるスロットルを電子制御システムにより開閉動作させるための制御方法およびそれを行うための電子制御スロットル装置に関する。

従来、車両の燃費や走行性能の向上を図る目的でエンジン制御を高精度に行うため、エンジン吸気系に設置したスロットルを運転者のアクセル操作で機械的に開閉動作させる代わりに、電子的制御手段である電子制御ユニットの操作によりスロットルの開閉動作を行う電子制御スロットル装置が例えば特開平５－２４００７３号公報などに記載されている。

また、このような電子制御スロットル装置において、検知しているエンジン回転数とエンジン回転数指令（目標回転数）との差を算出して回転数の偏差を求め、この偏差の量に応じて適切な値として予め設定したスロットル動作を実現するように、スロットルのアクチュエータを駆動させる制御方法が、特開２００８－３８８７２号公報に提示されている。

ところで、前記公報に提示されているような従来の電子制御スロットル装置は、エンジンの運転状態における負荷量が急変したりアクセル操作なしで走行したりした場合に、電子制御ユニットによる制御が追随しなくなったり制御における予測値と実際値との間に差が生じたりすることがあった。

これに対し、本件出願人は、検知しているエンジン回転数とエンジン回転数指令（目標回転数）との差を算出して回転数の偏差を求め、この偏差の量に応じて適切な値として予め設定したスロットル動作を実現するように、スロットルのアクチュエータを駆動させる制御方法を先に発明し、特願２０２１－５０３２２号において提案している。

この電子制御スロットル装置は、エンジン回転数指令と実際のエンジン回転数の偏差を求めてスロットルの電子制御を行うもので、図４に示した構成を有する電子制御スロットル装置１のように、クランクパルスセンサによるパルス信号から回転数算出手段１１がエンジン回転数を算出し、回転数偏差算出手段１２がエンジン回転数指令からエンジン回転数を引いてエンジン回転数偏差を算出し、比例トルク演算手段１４がエンジン回転数偏差と係数の積から比例トルクを演算して求め、積分トルク演算手段１５がエンジン回転数偏差と係数の積を積分して積分トルクを求めて、その比例トルクの値と積分トルクの値の和をエンジンに要求するトルク指令とするもので、図５に示すように、算出又は入力されたエンジン回転数と入力されたエンジン回転数指令の差からエンジン回転数偏差を算出するとともに前記エンジン回転数を基にエンジン回転角加速度を算出し、前記エンジン回転数偏差と所定の係数の積から比例トルクを求めるとともに前記エンジン回転数偏差と所定の係数の積を積分して積分トルクを求めて、前記比例トルクと前記積分トルクの和をトルク指令の値としてスロットルに対する吸入空気圧力を制御するための制御信号を生成するものである。

また、前記スロットルに対する吸入空気圧力を制御するための制御信号を生成する制御手段において、アイドリング回転数制御を行う際のエンジンに要求するトルク計算について、エンジン回転数とエンジン回転数指令を利用してエンジンの運転状態の領域分割を行い、領域毎に適切な計算に切り替えることで、負荷印可後と負荷抜き後の回転変動を抑制する制御が行なわれている。

ところが、従来のスロットル制御における領域分割は、以下に示したように回転数が回転数指令より高いＨ領域と、回転数指令より低いＬ領域に２分割し、回転数指令と回転数との差の値に２分割した領域Ｈ，Ｌ毎の比例係数を乗じて比例トルクを導出する比例制御と、同様に２分割した領域Ｈ，Ｌ毎の積分係数を乗じて、それらを積算することによって積分トルクを導出する積分制御から構成されていた。

しかしながら、このような従来の制御方法においては、図６に示したように、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＞０となった後、Ｌ領域しか存在しないため、回転数が下がっていく状態と上がっていく状態の区別がつかず、適切な制御係数の切り替えを行うことができないために振動が発生し、同様に、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）≦０となった後、Ｈ領域しか存在しないため、回転数が上がっていく状態と下がっていく状態の区別がつかず、適切な制御係数の切り替えを行うことができないために振動が発生する。

そのため、パワーステアリングを回転させるなどの負荷印加後のエンジン回転数の落ち込み時や負荷抜き後の吹け上がり時に、回転数指令付近から低回転域に回転数が下降する場合と低回転域から回転数指令付近に回転数が上昇する場合を区別することができず、同様に高回転域から回転数指令付近に回転数が下降してくる場合と回転数指令付近から高回転域に回転数が上昇していく場合を区別することができないため、適切な制御係数の切り替えを実施することが不可能であった。また、比例係数を非連続に切り替えるとトルク指令自体が非連続に切り替わり、運転状況に不具合を発生すると言う問題もあった。

特開平５－２４００７３号公報 特開２００８－３８８７２号公報

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、スロットル制御におけるトルク指令の比例制御係数と積分制御係数をエンジン運転状態の領域によって適切な値に変更することで、負荷印加時などのエンジン回転数の回転変動を抑制し、且つ、平滑化トルクにより非連続的にトルク指令が変化することを抑制し、運転状況の不具合発生を防止することのない電子制御について、負荷印加時にエンジンの回転速度低下やエンジンストールを生じにくくするエンジンの吸気系に設置されるスロットルを電子制御システムにより開閉動作させるための制御方法およびそれを行うための電子制御スロットル装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明であるスロットルの電子制御方法は、入力されたデータ信号を基に電子的制御手段が制御信号を生成しながらスロットルの開閉制御を行う電子制御スロットル装置による前記スロットルの電子制御方法において、前記電子的制御手段が、算出または入力されたエンジン回転数と入力されたエンジン回転数指令の差からエンジン回転数偏差を算出するとともに前記エンジン回転数を基にエンジン回転角加速度を算出し、前記エンジン回転数偏差と所定の係数の積から比例トルクを求め、前記エンジン回転数偏差と所定の係数の積を積分して積分トルクを求め、前記比例トルクと前記積分トルクの和をトルク指令の値として前記スロットルに対する制御信号を生成するスロットルの電子制御方法であって、前記算出または入力されたエンジン回転数と入力されたエンジン回転数指令の偏差とエンジン回転角加速度の組み合わせにより定めた４領域の運転状態毎に適切な前記比例トルクと前記積分トルクの算出に用いる各係数を変更し、且つ、トルクが非連続になることを抑制する平滑化トルクを導入し前記トルク指令を連続的に変化させることで、前記スロットルに対する制御信号を生成して吸入空気圧力を制御することを特徴とする。

また、本発明であるスロットルの電子制御方法における前記４領域の運転状態が以下の条件により分割されるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ領域であることが好ましい。

更に、前記平滑化トルクは、前記運転状態の変化前後における前記比例トルクの算出用の係数の偏差と、前記エンジン回転数偏差の積であることが好ましい。

また、アクチュエータが付設されたスロットルと電子的制御手段を備えており、前記電子的制御手段が入力されたデータ信号を基に制御信号を生成しながら前記アクチュエータを介して前記スロットルの開閉制御を行う電子制御スロットル装置において、前記電子的制御手段には、エンジン回転数とエンジン回転数指令との差からエンジン回転数偏差を算出する回転数偏差算出手段、前記エンジン回転数を基にエンジン回転角加速度を算出する回転角加速度算出手段、前記エンジン回転数偏差と所定の係数の積から比例トルクを求める比例トルク演算手段、前記エンジン回転数偏差と所定の係数の積を積分して積分トルクを求める積分トルク演算手段を備えており、前記スロットルの電子制御方法を実行することを特徴としたものとすれば、前記の制御方法による作用・効果を実現することができる。

本発明は負荷印加時などのエンジン回転数の回転変動を抑制し、且つ、平滑化トルクによりトルク指令を連続的に変化させることで、運転状況の不具合発生を防止する。

本発明における実施の形態の電子制御スロットル装置を簡略化した構成図である。 図１に示した実施の形態である電子制御スロットル装置による制御内容を示す機能ブロック図である。 図１の電子制御スロットル装置による制御例におけるトルク指令の変化を示すグラフである。 従来の電子制御スロットル装置を簡略化した構成図である。 図４に示した従来の電子制御スロットル装置による制御内容を示す機能ブロック図である。 図４に示した従来の電子制御スロットル装置による制御例におけるトルク指令の変化を示すグラフである。

図１は、本発明の好ましい実施の形態であるスロットルの電子制御方法を実行する電子制御スロットル装置の機能的な構成を簡略的に示したものである。この電子制御スロットル装置は、前記図４に示した従来の電子制御スロットル装置とほぼ同一の構成であり、図示しないアクチュエータが付設されたスロットル２と、スロットル２の開閉制御を行う電子的制御手段である電子制御ユニット１を備えており、この電子制御ユニット１が入力された各種データ信号を基に所定の算出方法により制御信号を生成しながら、スロットル２の開閉制御を自動的に行うものである。

また、電子制御ユニット１には、図示しない記憶手段に格納したソフトウエアにより機能的に構成される手段として、エンジン回転数を算出する回転数算出手段１１、エンジン回転数偏差を算出する回転数偏差算出手段１２、エンジン回転角加速度を算出する回転角加速度算出手段１３、比例トルクを求める比例トルク演算手段１４、積分トルクを求める積分トルク演算手段１５を備えている。

次に、図１および図３を参照しながら、この電子制御ユニット１が実行する制御について詳細に説明する。

先ず、本実施の形態では、回転数算出手段１１が図示しないクランクパルスセンサから入力されたパルス信号の周期からエンジン回転数を算出し、回転数偏差算出手段１２がエンジン回転数と指令されたエンジン回転数指令（目標回転数）の差からエンジン回転数偏差を算出し、回転角加速度算出手段１３がエンジン回転数を基にエンジン回転角加速度を算出する。

そして、比例トルク演算手段１４がエンジン回転数偏差と所定の係数の積を演算して比例トルクを求め、積分トルク演算手段１５がエンジン回転数偏差と所定の係数の積よりエンジン回転角加速度と所定の係数の積を引いた値を積分する演算を行って積分トルクを求め、その比例トルクと積分トルクの和をトルク指令の値として、スロットル２に対する制御信号を生成するようにするものであるが、殊に、前記電子制御ユニット１が実行する制御内容についてエンジンの運転状態を以下に示した条件で領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４領域に分割し、領域毎に制御係数を可変として更に積分制御系の構成を変更している。

更に詳細に説明すると、Ｋサンプル目のエンジン回転数指令をω_ｒｅｆ（Ｋ）、エンジン回転数をω（Ｋ）、エンジン回転角加速度をω′（Ｋ）とし、また、比例制御に用いる可変比例係数をＫ_ｖＰ（Ｋ）、積分制御に用いる可変積分係数をＫ_ｖＩ（Ｋ）と定義すると、前記領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける可変比例係数Ｋ_ｖＰ（Ｋ）と可変積分係数Ｋ_ｖＩ（Ｋ）が以下のように算出される。

そして、比例トルクをＴоｒｑ_Ｐｒｅｆ（Ｋ）、平滑化トルクをΔＴоｒｑ_ｒｅｆ（Ｋ）、積分トルクをＴоｒｑ_Ｉｒｅｆ（Ｋ）、トルク指令をＴｏｒｑ_ｒｅｆ（Ｋ）、サンプリングタイムをＴ_Ｓと定義すると、前記比例トルク，前記平滑化トルク，前記積分トルク，前記トルク指令は以下の式（１）乃至（４）により算出される。

次に、図３に示した本実施の形態のスロットルの電子制御方法を示したトルク指令の変化を示すグラフと、図６に示した従来の電子制御スロットル装置による制御例におけるトルク指令の変化を示すグラフとを比較しつつ、本実施の形態のスロットルの電子制御方法について説明する。

負荷を印加してω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＞０となった後、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＝０に収束するまでのエンジン回転数の変化と、その後負荷を抜いてω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）≧０となった後、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＝０に収束するまでのエンジン回転数の変化に着目すると、前記図６で示した従来例の場合には、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＞０となった後にはＬ領域しか存在しないため、回転数が下がっていく状態と上がっていく状態の区別がつかず、適切な制御係数の切り替えを行うことができないために振動が発生していた。

これに対し、前記図３に示した本実施の形態では、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＞０となりＢ領域に入った後、Ｋ_ｖＰＢ（Ｂ領域可変比例係数）を大きくしてエンジン回転数の低下を防ぎ、Ｃ領域に入った時点でＫ_ｖＰＣ（Ｃ領域可変比例係数）を小さくしてω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＝０に緩やかに収束させようとする。

同様に、その後負荷を抜いてω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）≦０となった後、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＝０に収束するまでのエンジン回転数の変化についても、前記図６で示した従来例の場合には、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）≦０となった後にはＨ領域しか存在しないため、回転数が上がっていく状態と下がっていく状態の区別がつかず、適切な制御係数の切り替えを行うことができないために振動が発生していた。

これに対し、前記図３に示した本実施の形態では、ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）≦０となり負荷抜き時にＤ領域に入った後、Ｄ領域の可変比例係数であるＫ_ｖＰＤ（Ｄ領域可変比例係数）を大きくしてエンジン回転数の上昇を防ぎ、Ａ領域に入った時点でＫ_ｖＰＡ（Ａ領域可変比例係数）を小さくしてω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ）＝０に緩やかに収束させようとする。

更に、本実施の形態では、領域変更時に非連続的に変化したトルク指令の差｛Ｋ_ｖＰ（Ｋ）－Ｋ_ｖＰ（Ｋ－１）｝（ω_ｒｅｆ（Ｋ）－ω（Ｋ））がΔＴｏｒｑ_ｒｅｆ（Ｋ）としてＴｏｒｑ_Ｉｒｅｆ（Ｋ）に加算されているため、トルク指令が非連続的に変化することを抑制し、エンジン回転数が振動せずエンジン回転数指令に収束する。

以上説明してきたように、本発明によれば、スロットル制御におけるトルク指令の比例制御係数と積分制御係数をエンジン運転状態の領域によって適切な値に変更することで、負荷印加時などのエンジン回転数の回転変動を抑制し、且つ、平滑化トルクによりトルク指令を連続的に変化させることで、運転状況の不具合発生を防止することが可能になる。

１ 電子制御ユニット、２ スロットル、１１ 回転数算出手段、１２ 回転数偏差算出手段、１３ 回転角加速度算出手段、１４ 比例トルク演算手段、１５ 積分トルク演算手段

Claims (3)

1. 入力されたデータ信号を基に電子的制御手段が制御信号を生成しながらスロットルの開閉制御を行う電子制御スロットル装置による前記スロットルの電子制御方法において、
   前記電子的制御手段は、
   算出または入力されたエンジン回転数と入力されたエンジン回転数指令の差からエンジン回転数偏差を算出し、
   前記エンジン回転数を基にエンジン回転角加速度を算出し、
   前記エンジン回転数偏差と可変比例係数の積から比例トルクを求め、
   前記エンジン回転数偏差と可変積分係数の積を積分して積分トルクを求め、
   前記エンジン回転数偏差と前記エンジン回転角加速度の組み合わせにより定めた４領域の運転状態毎に、前記比例トルクの算出に用いる前記可変比例係数と、前記積分トルクの算出に用いる前記可変積分係数とを変更し、
   前記比例トルクと前記積分トルクの和をトルク指令の値として前記制御信号を生成することを特徴とするスロットルの電子制御方法。
2. 前記４領域の運転状態が以下の条件により分割されるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ領域であることを特徴とする請求項１記載のスロットルの電子制御方法。
   
3. 入力されたデータ信号を基に制御信号を生成する電子的制御手段と、前記電子的制御手段により開閉制御されるスロットルとを備え、
   前記電子的制御手段は、
   エンジン回転数とエンジン回転数指令との差からエンジン回転数偏差を算出する回転数偏差算出手段と、
   前記エンジン回転数を基にエンジン回転角加速度を算出する回転角加速度算出手段と、
   前記エンジン回転数偏差と可変比例係数の積から比例トルクを求める比例トルク演算手段と、
   前記エンジン回転数偏差と可変積分係数の積を積分して積分トルクを求める積分トルク演算手段とを含み、
   前記エンジン回転数偏差と前記エンジン回転角加速度の組み合わせにより定めた４領域の運転状態毎に、前記比例トルクの算出に用いる前記可変比例係数と、前記積分トルクの算出に用いる前記可変積分係数とを変更し、
   前記比例トルクと前記積分トルクの和をトルク指令の値として前記制御信号を生成することを特徴とする電子制御スロットル装置。