特許 5967456 位相可変装置の制御方法及び制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5967456

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】位相可変装置の制御方法及び制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 13/02 20060101AFI20160728BHJP

   F01L 1/356 20060101ALI20160728BHJP

【ＦＩ】

   F02D13/02 G

   F01L1/356 C

【請求項の数】8

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-554019(P2014-554019)

(86)(22)【出願日】2012年12月28日

(86)【国際出願番号】JP2012084127

(87)【国際公開番号】WO2014103030

(87)【国際公開日】20140703

【審査請求日】2015年10月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000227157

【氏名又は名称】日鍛バルブ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077779

【弁理士】

【氏名又は名称】牧 哲郎

(74)【代理人】

【識別番号】100078260

【弁理士】

【氏名又は名称】牧 レイ子

(74)【代理人】

【識別番号】100110157

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 基司

(72)【発明者】

【氏名】戸塚 拓海

(72)【発明者】

【氏名】岸木 優

【審査官】 有賀 信

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２０６７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３１４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３６５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１８０８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１６１７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１２８４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３７８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３１４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１３２４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１８９００６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ １３／００―２８／００

Ｆ０１Ｌ １／３４─ １／３５６

Ｆ０１Ｌ ９／００─ ９／０４

Ｆ０１Ｌ １３／００─１３／０８

Ｆ０２Ｄ ４３／００―４５／００

Ｇ０５Ｂ １３／００

Ｇ０５Ｂ １３／０２

Ｇ０５Ｂ １３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、機関弁のバルブタイミングを変化させる位相可変装置の制御方法であって、
前記位相可変装置には、
前記クランクシャフトから回転を伝達される駆動回転体と、この駆動回転体と同軸の前記カムシャフト側の従動回転体と、
これらの回転体同士の相対角度を、電磁クラッチを用いて変更し、位相可変装置を制御する位相可変機構と、を備えると共に、
前記クランクシャフトの回転速度値及び前記カムシャフトの回転速度値とから算出する両シャフト間の現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチへの現ステップの指令値と、を位相可変装置推定器に入力し、
これらの入力を基に当該推定器においてカルマンフィルタを用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算し、
この演算した推定値をフィードバック信号としてスライディングモード制御器に入力し、その入力を基に当該スライディングモード制御器において前記推定器における演算と共通のパラメータを使用して前記電磁クラッチへの１ステップ後の指令値を演算し、
この演算した指令値を前記位相可変装置に出力することを特徴とする位相可変装置の位相制御方法。

【請求項2】

前記電磁クラッチへの指令値を、
前記スライディングモード制御器からの出力値と、
事前に登録された目標相対角度とするためのフィードフォワード制御器からの出力値と、
により演算していることを特徴とする請求項１に記載の位相制御方法。

【請求項3】

前記内燃機関の前記クランクシャフト又は前記カムシャフトの回転角を検出するセンサからのセンサフラグが立っていない時は、
前記カルマンフィルタが、前記電磁クラッチへの現ステップでの指令値のみから１ステップ後の相対角度推定値を演算すると共に、
前記センサフラグが立った時は、
前記カルマンフィルタが、前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチへの現ステップでの指令値と、を用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位相制御方法。

【請求項4】

前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチへの現ステップの指令値と、からカルマンフィルタを用いて位相可変装置のシステム同定を行い、
このシステム同定により求めたパラメトリックモデルにより１ステップ後の相対角度推定値を演算することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の位相制御方法。

【請求項5】

内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、機関弁のバルブタイミングを変化させる位相可変装置の制御装置であって、
前記位相可変装置が、
前記クランクシャフトから回転を伝達される駆動回転体と、この駆動回転体と同軸の前記カムシャフト側の従動回転体と、
これらの回転体同士の相対角度を、電磁クラッチを用いて変更し、位相可変装置を制御する位相可変機構と、を備えると共に、
前記制御装置が、
前記クランクシャフトの回転速度値及び前記カムシャフトの回転速度値とから算出する両シャフト間の現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチへの現ステップの指令値と、からカルマンフィルタを用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算する位相可変装置推定器を備えると共に、
前記推定値をフィードバック信号として入力し、その入力を基に前記推定器における演算と共通のパラメータを使用して電磁クラッチへの１ステップ後の指令値を演算し、当該指令値を出力するスライディングモード制御器を備えたことを特徴とする位相制御装置。

【請求項6】

前記電磁クラッチへの指令値を、
前記スライディングモード制御器からの出力値と、
事前に登録された目標相対角度とするためのフィードフォワード制御器からの出力値と、により演算していることを特徴とする請求項５に記載の位相制御装置。

【請求項7】

前記内燃機関の前記クランクシャフト又は前記カムシャフトの回転角を検出するセンサからのセンサフラグが立っていない時は、
前記カルマンフィルタが、前記電磁クラッチへの現ステップでの指令値のみから１ステップ後の相対角度推定値を演算すると共に、
前記センサフラグが立った時は、
前記カルマンフィルタが、前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチへの現ステップでの指令値と、を用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算しフィードバックする位相可変装置推定器を備たことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の位相制御装置。

【請求項8】

前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチへの現ステップの指令値と、からカルマンフィルタを用いて位相可変装置のシステム同定を行い、
このシステム同定により求めたパラメトリックモデルにより１ステップ後の相対角度推定値を演算しフィードバックする位相可変装置推定器を備えたことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の位相制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、弁の開閉タイミングを変化させる位相可変装置の制御方法及び制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

自動車のエンジン性能を低速域から高速域の全般にわたり発揮させる方法としてエンジンバルブの開閉タイミングを変化させる位相可変装置を使用する方式が採用されている。ここでエンジン性能とは燃費を含め、エンジンの応答性、低エミッション、アイドリングの安定等多岐にわたるものを言うが、位相可変装置はクランクシャフトとカムシャフトの位相を変化させることにより、エンジンの回転数等の状況に応じて最適なバルブ開閉タイミングを選択できエンジン性能を飛躍的に高めることができるものである。

【0003】

特許文献１には二つの電磁クラッチにより遊星歯車機構のリング歯車と遊星歯車のキャリアを動作させる位相可変装置が記載され、この位相可変装置は本体をカムシャフトに直結している。位相可変装置はエンジンに直結するため、それが設置される環境は、エンジン温度をはじめ、外気温、振動など外乱の影響を受けやすい。よってコントローラであるＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）においては従来のＰＩＤ制御だけではなく、ロバスト性の高いスライディングモード制御を採用し、バルブ開閉タイミングの適切な制御を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−１１５８６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＥＣＵによるバルブ開閉タイミングの制御は、クランクシャフトの回転数に沿って行うが、アイドリング時やそれに近い場合の低いエンジン回転数の状態では、ＥＣＵへの入力情報が少なくなることによって、位相可変装置の応答性が低くなり適切に制御できず、所望のエンジン性能を得ることができないという問題があった。よって低回転域であっても位相可変装置が十分な応答性を得ることができる位相可変装置の制御方法及びそのような制御装置を提供することが、本発明が解決しようとする課題である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記課題を解決すべく次のような技術的手段を講じた。
すなわち、請求項１記載の発明は、内燃機関１１のクランクシャフト２２に対するカムシャフト５３の回転位相を変化させることで、機関弁のバルブタイミングを変化させる位相可変装置５１の制御方法であって、前記位相可変装置５１には、前記クランクシャフト２２から回転を伝達される駆動回転体と、この駆動回転体と同軸の前記カムシャフト側の従動回転体と、これらの回転体同士の相対角度を、電磁クラッチ７０を用いて変更し、位相可変装置５１を制御する位相可変機構と、を備えると共に、前記クランクシャフト２２の回転速度値及び前記カムシャフト５３の回転速度値とから算出する両シャフト間の現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチ７０への現ステップの指令値と、を位相可変装置推定器５１に入力し、これらの入力を基に当該推定器５１においてカルマンフィルタを用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算し、この演算した推定値をフィードバック信号としてスライディングモード制御器１０３に入力し、その入力を基に当該スライディングモード制御器１０３において前記推定器５１における演算と共通のパラメータを使用して前記電磁クラッチ７０への１ステップ後の指令値を演算し、この演算した指令値を前記位相可変装置５１に出力することを特徴とする位相可変装置の位相制御方法である。

【0007】

また、請求項２記載の発明は、前記電磁クラッチ７０への指令値を、前記スライディングモード制御器１０３からの出力値と、事前に登録された目標相対角度とするためのフィードフォワード制御器１１１からの出力値と、により演算していることを特徴とする請求項１に記載の位相制御方法である。

【0008】

また、請求項３記載の発明は、前記内燃機関１１の前記クランクシャフト２２又は前記カムシャフト５３の回転角を検出するセンサからのセンサフラグが立っていない時は、前記カルマンフィルタが、前記電磁クラッチ７０への現ステップでの指令値のみから１ステップ後の相対角度推定値を演算すると共に、前記センサフラグが立った時は、前記カルマンフィルタが、前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチ７０への現ステップでの指令値と、を用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位相制御方法である。

【0009】

また、請求項４記載の発明は、前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチ７０への現ステップの指令値と、からカルマンフィルタを用いて位相可変装置５１のシステム同定を行い、このシステム同定により求めたパラメトリックモデルにより１ステップ後の相対角度推定値を演算することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の位相制御方法である。

【0010】

また、請求項５記載の発明は、内燃機関１１のクランクシャフト２２に対するカムシャフト５３の回転位相を変化させることで、機関弁のバルブタイミングを変化させる位相可変装置５１の制御装置であって、前記位相可変装置５１には、前記クランクシャフトから回転を伝達される駆動回転体と、この駆動回転体と同軸の前記カムシャフト５３側の従動回転体と、これらの回転体同士の相対角度を、電磁クラッチ７０を用いて変更し、位相可変装置５１を制御する位相可変機構と、を備えると共に、前記制御装置が、前記クランクシャフト２２の回転速度値及び前記カムシャフト５３の回転速度値とから算出する両シャフト間の現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチ７０への現ステップの指令値と、からカルマンフィルタを用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算する位相可変装置推定器１０７を備えると共に、前記推定値をフィードバック信号として入力し、その入力を基に前記推定器１０７における演算と共通のパラメータを使用して電磁クラッチ７０への１ステップ後の指令値を演算し、当該指令値を出力するスライディングモード制御器１０３を備えたことを特徴とする位相制御装置である。

【0011】

また、請求項６記載の発明は、前記電磁クラッチ７０への指令値を、前記スライディングモード制御器１０３からの出力値と、事前に登録された目標相対角度とするためのフィードフォワード制御器１１１からの出力値と、により演算していることを特徴とする請求項５に記載の位相制御装置である。

【0012】

また、請求項７記載の発明は、前記内燃機関１１の前記クランクシャフト２２又は前記カムシャフト５３の回転角を検出するセンサからのセンサフラグが立っていない時は、前記カルマンフィルタが、前記電磁クラッチ７０への現ステップでの指令値のみから１ステップ後の相対角度推定値を演算すると共に、前記センサフラグが立った時は、前記カルマンフィルタが、前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチ７０への現ステップでの指令値と、を用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算しフィードバックする位相可変装置推定器１０７を備えたことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の位相制御装置である。

【0013】

また、請求項８記載の発明は、前記現ステップでの相対角度と、前記電磁クラッチ７０への現ステップの指令値と、からカルマンフィルタを用いて位相可変装置５１のシステム同定を行い、このシステム同定により求めたパラメトリックモデルにより１ステップ後の相対角度推定値を演算しフィードバックする位相可変装置推定器１０７を備えたことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の位相制御装置である。

【発明の効果】

【0014】

請求項１又は請求項５に記載の発明によれば、クランクシャフト２２及びカムシャフト５３の回転速度値から算出する現ステップでの相対角度と電磁クラッチ７０への現ステップの指令値とから、推定器１０７においてカルマンフィルタを用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算し、これをフィードバック信号としてスライディングモード制御器１０３に入力し、その入力を基に制御器１０３において電磁クラッチ７０への１ステップ後の指令値を演算するので、クランクシャフトの回転数が小さい場合でも、制御器１０３への必要な数の入力信号を得ることができ、また推定器１０７における相対角度推定値の演算と制御器１０３における指令値の演算とで共通のパラメータを使用するので、推定器１０７の推定したモデル情報をスライディングモード制御器１０３の制御に生かすことが可能となり、位相可変装置を高応答で制御でき且つ制御性能を向上できる。

【0015】

請求項２又は請求項６に記載の発明によれば、請求項１又は請求項５に記載の発明の効果に加えて、電磁クラッチへの指令値を、スライディングモード制御器からの出力値と、事前に登録された目標相対角度を出力するフィードフォワード制御器からの出力値とにより算出していることにより、システム全体をより外乱に強くできる。

【0016】

請求項３又は請求項７に記載の発明によれば、請求項１、２又は請求項５、６に記載の発明の効果に加えて、シャフトの回転角を検出するセンサのフラグが立っていない時は、カルマンフィルタが、電磁クラッチへの現ステップでの指令値のみから１ステップ後の相対角度推定値を演算すると共に、センサフラグが立った時は、カルマンフィルタが、現ステップでの相対角度と、電磁クラッチの現ステップでの指令値と、を用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算することにより、センサが反応したときに精度の高い値を取り込んで演算することができ、電磁クラッチに精度の高い指令を行うことができる。

【0017】

請求項４又は請求項８に記載の発明によれば、請求項１から３又は請求項５から７のいずれかに記載の発明の効果に加えて、カルマンフィルタを用いて位相可変装置のシステム同定を行い、このシステム同定で求めたパラメトリックモデルにより１ステップ後の相対角度推定値を演算することにより、制御モデルの精度を上げることができる。これにより電磁クラッチにより精度の高い指令を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】車両用内燃機関の構成図である。

【図2】本発明の実施形態にかかる制御方法の制御対象である位相可変装置の縦断面図である。

【図3】図２の位相可変装置の内部構造を示す斜視図である。

【図4】図２の位相可変装置の制御系設計モデルである。

【図5】本発明の実施形態にかかる制御装置の制御構成のブロック図である。

【図6】本発明の実施形態にかかる位相可変装置推定器のブロック図である。

【図7】本発明の実施形態にかかる制御方法での制御結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

上記技術思想に基づいて具体的に構成された実施の形態について以下に図面を参照しつつ説明する。

【0020】

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、位相可変装置とその制御器を実装する車両用内燃機関の一実施形態の構成図である。内燃機関１１の吸気管１２には、電子制御スロットル１４が介装され、該電子制御スロットル１４及び吸気バルブ１５を介して、燃焼室１６内に空気が吸入される。

【0021】

燃焼排気は燃焼室１６から排気バルブ１７を介して排出され、浄化された後大気中に放出される。前記吸気バルブ１５及び排気バルブ１７は、それぞれ排気側カムシャフト２１，吸気側カムシャフト２０に設けられたカムによって開閉駆動されるが、吸気側カムシャフト２０には、クランクシャフト２２に対するカムシャフトの位相即ち相対角度を変化させることで、バルブタイミングを変化させる位相可変装置５１が設けられている。

【0022】

尚、本実施形態では吸気バルブ１５側にのみ位相可変装置５１を備える構成としたが、吸気バルブ１５側に代えて、又は、吸気バルブ１５側と共に、排気バルブ１７側に位相可変装置５１を備える構成であっても良い。

【0023】

また、各気筒の吸気バルブ１５上流側の吸気ポート１３には、電磁式の燃料噴射弁１８が設けられ、該燃料噴射弁１８は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５１からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１５に向けて噴射する。

【0024】

マイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ１５１には、各種センサからの検出信号が入力され、該検出信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１４，位相可変装置５１及び燃料噴射弁１８などを制御する。そしてこのＥＣＵ１５１に本発明にかかる、位相可変装置５１の位相制御装置１０２が組み込まれている。

【0025】

前記各種センサとしては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１９、クランクシャフト２２から回転信号を取り出すクランク角センサ２３、吸気側カムシャフト２０から回転信号を取り出すカム角センサ２４などが設けられている。

【0026】

次に本発明の位相制御器１０２の制御対象である位相可変装置５１の一実施形態を図面に基づいて説明する。図２には位相可変装置５１の縦断面図を、図３には図２の位相可変装置の内部構造を示す斜視図を示す。

【0027】

図２及び図３の位相可変装置５１は、自動車用の内燃機関１１に組み付け一体化された形態で用いられ、クランクシャフト２２の回転に同期して吸排気バルブ１５、１７が開閉するようにクランクシャフト２２の回転をカムシャフト５３に伝達するとともに、内燃機関１１の負荷や回転数などの運転状態によって内燃機関の吸排気バルブ１５，１７の開閉のタイミングを変化させるための装置として構成されている。

【0028】

位相可変装置５１は内燃機関１１のクランクシャフト２２の駆動力が伝達されるスプロケットである円環状の外筒部５２と、この外筒部５２と同軸に配置されて外筒部５２に対し相対回動可能で、カムシャフト５３の一部を構成する従動側の円環状の内筒部５４と、外筒部５２と内筒部５４にそれぞれヘリカルスプライン係合して外筒部５２と内筒部５４間に介装され、軸方向に移動して外筒部５２に対する内筒部５４の位相を変える中間移動部材５５と、この中間移動部材５５を動作させ、内筒部５４のカムシャフト５３非配設側に設ける電磁ブレーキ手段５６と、を備えて構成されており、電磁ブレーキ手段５６は、カバー（エンジンケース）５７に取り付けられている。中間移動部材５５と、電磁ブレーキ手段５６とにより、位相可変機構を構成する。本実施形態では、外筒部５２が駆動回転体であり、内筒部５４が従動回転体である。なお、本件において位相可変機構は電磁ブレーキ手段５６により駆動されたが、この電磁ブレーキ手段５６には電動モータで駆動する方式を含み、また位相可変機構は油圧駆動される場合もある。

【0029】

外筒部５２は、内周縁にリング状の凹部５８が設けられたスプロケット本体５９と、スプロケット本体５９の側面に密着し、凹部５８と協働してフランジ係合溝５８Ａを画成する内フランジプレート６０と、内フランジプレート６０をスプロケット本体５９に共締め固定し、中間移動部材５５とのスプライン係合部が内周に形成されたスプラインケース６１とから構成されている。

【0030】

凹部５８の開口側の大径凹部５８ａと、凹部５８の奧側の小径凹部５８ｂとの間には、後述する内筒部５４側のフランジ６２の外周縁と正対する段差部５８ｃが設けられている。

【0031】

スプロケットである外筒部５２（スプロケット本体５９）には、内燃機関１１のクランクシャフト２２の回転がチェーンＣを介して伝達される。符号６３は、スプロケット本体５９と内フランジプレート６０とスプラインケース６１を固定一体化する締結ねじで、スプロケット本体５９と内フランジプレート６０とスプラインケース６１でスプロケット（外筒部５２）を構成することで、フランジ係合溝５８Ａの形成が容易で、外筒部５２（スプラインケース６１）におけるスプライン係合部６４の形成も容易となっている。

【0032】

また、中間移動部材５５の内外周面の一部には雌雄ヘリカルスプライン６５、６６が設けられ、内筒部５４の外周面には雄ヘリカルスプライン６７が設けられている。スプラインケース６１の内周面には雌ヘリカルスプライン６８が設けられている。そして、中間移動部材５５の内外のスプライン６５、６６は逆方向ヘリカルスプラインとして形成されているので、中間移動部材５５の軸方向への僅かな移動で、外筒部５２に対し内筒部５４の位相を大きく変化させることができる。中間移動部材５５の外周面には雄角ねじ部６９が形成されている。

【0033】

電磁ブレーキ手段５６は、カバー（エンジンケース）５７に支持された電磁クラッチ７０と、ベアリング７１によって内筒部５４に回転可能に支承されるとともに、中間移動部材５５の雄角ねじ部６９が螺合し、電磁クラッチ７０の制動力が伝達される回転ドラム７２と、回転ドラム７２と外筒部５２間に軸方向に介装されたねじりコイルばね７３とを備えて構成されている。

【0034】

電磁クラッチ７０は、カバー５７のボス部５７ａの外周側に装着されている。回転ドラム７２の内周面には雌角ねじ部７４が設けられており、回転ドラム７２と中間移動部材５５は、角ねじ部７４、６９に沿って周方向に相対回動できる。即ち、中間移動部材５５は、角ねじ部７４、６９に沿って回動しながら軸方向に移動できる。

【0035】

また、回転ドラム７２と外筒部５２とは、巻き上げられたねじりコイルばね７３で連結されており、回転ドラム７２に制動力が作用しない状態では、外筒部５２、内筒部５４、中間移動部材５５および回転ドラム７２は、一体となって回転する。また、回転ドラム７２と外筒部５２（スプラインケース６１）間に介装したねじりコイルばね７３は軸方向に介装されているため、それだけ位相可変装置全体が軸方向には延びるが、半径方向にはコンパクトとなっている。

【0036】

そして、電磁クラッチ７０のＯＮ・ＯＦＦおよび電磁クラッチ７０への通電量を制御することによって、中間移動部材５５が角ねじ部７４、６９に沿って回動しながら軸方向に移動し、これによって外筒部５２と内筒部５４の位相が変化して、カムシャフト５３のカム５３ａによるバルブの開閉のタイミングが調整される。

【0037】

即ち、電磁クラッチ７０をＯＮする前（非通電時）は、電磁クラッチ７０は、図２の二点鎖線に示す位置にあって、回転ドラム７２と電磁クラッチ７０間には隙間が形成されており、外筒部５２と内筒部５４は位相差なく一体に回転している。そして、電磁クラッチ７０をＯＮ（通電）すると、電磁クラッチ７０が図２右方向にスライドして回転ドラム７２を吸引し、これにより回転ドラム７２には電磁クラッチ７０から伝達される制動力が作用する。

【0038】

そして、制動力が作用する回転ドラム７２に外筒部５２に対する回転遅れが生じ、即ち、中間移動部材５５が角ねじ部６９、７４によって前進（図２右方向に移動）し、中間移動部材５５の雌雄ヘリカルスプライン６５、６６によって、内筒部５４（カムシャフト５３）が外筒部５２（スプロケット本体５９）に対し回動してその位相が変わる。そして、回転ドラム７２は、伝達された制動力とねじりコイルばね７３のばね力とがバランスする位置（内筒部５４が外筒部５２に対し所定の位相差をもつ位置）に保持される。

【0039】

一方、電磁クラッチ７０をＯＦＦにすると、その制動力が回転ドラム７２に伝達されないため、ねじりコイルばね７３のばね力だけが作用する中間移動部材５５は、角ねじ部６９、７４によって後退（図２左方向に移動）して元の位置となり、この間に、内筒部５４（カムシャフト５３）が外筒部５２（スプロケット本体５９）に対し順方向もしくは逆方向に回動して、その位相差がなくなる。
なお実施形態として、ねじりコイルばね７３と制動力とのバランスにより位相可変機構を動作させる方式について説明したが、例えば二つの電動手段により位相可変機構を動作させる方式であっても問題ない。

【0040】

また、内筒部５４の外周面（スプロケット本体５９とのジャーナル面）にはフランジ６２が周設され、一方、外筒部５２（スプロケット本体５９）の内周面には、フランジ６２が係合するフランジ係合溝５８Ａが周設され、フランジ６２の側面とフランジ係合溝５８Ａの側面間に摩擦トルク付加部材７５、７６が介装されている。これにより、外筒部５２と内筒部５４間の相対摺動部の摩擦トルクが高められて、中間移動部材５５と外筒部５２および内筒部５４間のヘリカルスプライン係合部６７、６５、６６、６４、角ねじ部６９、７４における歯部同士がぶつかる打音の発生が抑制されている。

【0041】

図４には、本発明の実施形態にかかる制御方法の制御対象である位相可変装置５１の制御系設計モデルを示す。制御系設計モデルでは、初期トルクを付与されたねじりコイルばね７３のばねトルク方向に対抗するように、電磁クラッチ７０のクラッチトルクが作用し、外筒部５２に対する内筒部５４の相対角度が位相変換方向に生じることを表している。そしてこの設計モデルの状態方程式を数式１に示す。

【0042】

【数1】

【0043】

Ｘ（ｔ）は制御対象である位相可変装置５１の内部状態を表す状態変数、ｄ（ｔ）は位相可変装置５１への入力変数、ｙ（ｔ）は位相可変装置の出力変数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは位相可変装置５１の構成要素から求めることができる係数を示している。

【0044】

図５には、本発明の実施形態にかかる制御装置の制御構成のブロック図を示す。本発明にかかる位相制御装置は、スライディングモード制御器１０３、クランク角センサ２３及びカム角センサ２４からの位置情報を受け取りカムの回転速度差を演算する速度差演算器１０５、その速度差演算器１０５からの速度の値を積分する積分器１０６、この積分器１０６の出力から相対角度推定値を演算する位相可変装置推定器１０７、事前に登録していた目標相対角度にするための出力値を演算するフィードフォワード制御器１１１、他に減算器１０８、微分器１０９、加算器１１０、及び加算器１１０からの出力信号を受け電磁クラッチ７０を制御するＰＷＭ（パルス幅変調）駆動回路１０４により構成する。そしてこのＰＷＭ駆動回路からの電流により位相可変装置５１の電磁クラッチ７０を制御する。

【0045】

電磁クラッチ７０への指令値を、スライディングモード制御器１０３からの出力値と、事前に登録された目標相対角度を出力するフィードフォワード制御器１１１からの出力値とにより算出していることにより、システム全体をより外乱に強くできる。

【0046】

各制御器の状態方程式等について説明する。フィードフォワード制御を行うための相対角度の目標軌道の状態方程式を数式２に示す。ｒ（ｔ）は目標変換角、Ｘ_ｒ（ｔ）はフィードフォワード制御システム内部状態、Ａ_ｒはフィードフォワード制御システム行列、Ｂ_ｒはフィードフォワード制御入力行列である。この時の入力目標値はステップ入力である。数式１、数式２より状態方程式数式３を得ることができる。

【0047】

【数2】

【0048】

【数3】

【0049】

ｄ（ｔ）をフィードバックによるｄ_１（ｔ）とフィードフォワード入力ｄ_２（ｔ）に分けると数式４となり、フィードフォワード入力は数式５により与えられる。このときＥは目標変換角と現在変換角の偏差である。

【0050】

【数4】

【0051】

【数5】

【0052】

スライディングモード制御器１０３の設計は、第一段階として切替超平面（等価制御入力）の設計、第二段階として到達則（非線形切替入力）の設計及びチャタリング防止の設計がある。第一段階である、状態を拘束する切替超平面の設計は、基本的に線形制御系の設計であるので線形制御理論である最適制御理論による方法で設計を行う。具体的には数式４に積分器を加えた拡大系とし数式６を得、数式８にある評価関数を用いる。ここでＱはスライディングモード重み関数を示す。数式８の評価関数Ｊを最小にする解は、数式９のリカッチ方程式の正定対称唯一解Ｐ_Ｅを用いて表され、切替超平面は数式１０で表すことができる。スライディングモードにあるときは、数式１１の条件が適用され、数式１２より数式１３のように等価制御入力ｄ_ｌｅｑが求まる。このときσはスライディングモード切替関数である。

【0053】

【数6】

【0054】

【数7】

【0055】

【数8】

【0056】

【数9】

【0057】

【数10】

【0058】

【数11】

【0059】

【数12】

【0060】

【数13】

【0061】

切替超平面の設計後、切替超平面に状態を拘束させるために第二段階の到達則の設計を行う。到達則の設計は最終スライディングモード制御法により行う。最終スライディングモード制御法により非線形切替入力は数式１４で定義される。チャタリング現象を防止するために平滑関数を用い、更に加速率到達則関数を用いると非線形切替入力が数式１５のように求まる。このときγはスライディングモードリレー入力ゲインである。

【0062】

【数14】

【0063】

【数15】

【0064】

よってスライディングモード制御器１０３は数式１６のように表すことができ、更にフォードフォワード制御器を用いた、本発明の実施形態にかかる場合は、数式１７のように表すことができる。

【0065】

【数16】

【0066】

【数17】

【0067】

位相可変装置推定器１０７を構成するカルマンフィルタについて図５により説明する。数式１を制御周期で離散化すると数式１８となる。各文字の右下に付した「ｄ」は、離散化を表す。位相可変装置推定器１０７には、複数の入力により一つの相対角度推定値を出力する。まず、クランクシャフト２２の回転を検知するクランク角センサ２３により算出した回転速度値と、吸気側カムシャフト２０の回転を検知するカム角センサ２４により算出した回転速度値から、速度差演算器１０５によりそれらシャフトの速度差を演算し、積分器１０６により、シャフト間の現ステップでの相対角度（以下「現ステップでの相対角度」とする）を演算し、位相可変装置推定器１０７の入力とする。また、電磁クラッチ７０への現ステップの指令値も位相可変装置推定器１０７の入力とする。そして、これらの入力から位相可変装置推定器１０７を構成するカルマンフィルタを用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算し、これをフィードバック信号としてスライディングモード制御器１０３に入力する。

【0068】

【数18】

【0069】

クランクシャフト２２及びカムシャフト５３の回転速度値から算出する現ステップでの相対角度と、電磁クラッチ７０への現ステップの指令値とからカルマンフィルタを用いて１ステップ後の相対角度推定値を算出し、これをフィードバック信号としてスライディングモード制御器１０３に入力することにより、クランクシャフト２２の回転数が小さい場合でも、制御器への必要な数の入力信号を得ることができる。これにより制御システムを高応答で、かつ安定にすることができる。

【0070】

位相可変装置推定器１０７について図６のブロック図により詳細に説明する。図６の位相可変装置推定器１０７は、図５に合わせて右に入力、左に出力として示す。本発明の第一実施形態にかかる位相可変装置推定器１０７は、数式１９及び数式２０に表すカルマンフィルタ１２１（数式１９第一式、数式２０第一式）、１１５（数式２０第三式）、１１７（数式２０第五式）、１１８（数式２０第二式）と、センサフラグにより入力を切り替える複数の切替スイッチ１１３、１１５等から構成する。ここでＰ_ｄは離散化した誤差の共分散行列、Ｑ_ｄはカルマンフィルタ重み関数、Ｋ_ｄは離散化したカルマンゲイン、またＸの上に付した「＾」は推定値であることを表す。センサフラグは、カムシャフト５３の回転数を算出するための近接センサであるカム角センサ２４であり、このカム角センサがＯＮになっている状態が、センサフラグが立っている状態、ＯＦＦになっている状態が、センサフラグが立っていない状態である。なお、センサの種類によっては、ＯＮとＯＦＦが逆になる場合もあり、また、カムシャフト５３のセンサでなくクランクシャフト２２のセンサである場合もある。

【0071】

【数19】

【0072】

【数20】

【0073】

センサフラグが立っていない時、切替スイッチ１１３、１１６では共に、１１９の０値を選択する。これにより第一切替スイッチ１１３からの出力は必ず０となり、数式１９の第一式のカルマンフィルタ１２０は、電磁クラッチ７０への現ステップでの指令値のみから１ステップ後の相対角度推定値を演算する。この状態をオープンループ推定とする。

【0074】

センサフラグが立っているとき、切替スイッチ１１３、１１６は共に０値１１９以外を選択する。この時相対角度推定値は、現ステップでの相対角度と、電磁クラッチ７０への現ステップの指令値と、を用いてカルマンフィルタ１１５、１１７、１１８、１２０により演算される。この状態をクローズドループ推定とする。このカルマンフィルタは非線形のシステムに用いられるUnscentedカルマンフィルタである。

【0075】

シャフトの回転角を検出するセンサのフラグが立っていない時は、カルマンフィルタが、電磁クラッチ７０への現ステップでの指令値のみから１ステップ後の相対角度推定値を演算すると共に、センサフラグが立った時は、カルマンフィルタが、現ステップでの相対角度と、電磁クラッチ７０の現ステップでの指令値と、を用いて１ステップ後の相対角度推定値を演算することにより、センサが反応したときに精度の高い値を取り込んで演算することができ、電磁クラッチに精度の高い指令を行うことができる。

【0076】

本発明の第一実施形態にかかる位相制御方法で、内燃機関１１を制御した結果を図７に示す。図７（ａ）は位相可変装置推定器１０７を用いていないもの、図７（ｂ）は第一実施形態にかかる位相可変装置推定器１０７により状態推定を行ったものである。グラフのＸ軸は時間で、Ｙ軸は位相即ち位相可変装置５１内の外筒部５２と内筒部５４との相対角を示している。内燃機関１１の回転数は１０００[ｒｐｍ]で、一点鎖線で示したグラフが位相の指令値であり、実線が位相の実測値である。特に位相を変化させた直後の部分（○で囲った部分）において、オーバーシュートやアンダーシュートを抑えることができ、良好な応答性を得ることができた。

【0077】

本発明の第二実施形態にかかる位相可変装置推定器１０７は、位相可変装置５１のシステム同定を行い、相対角度推定値を演算する。詳細には、現ステップでの相対角度と、電磁クラッチ７０への現ステップの指令値と、から、位相可変装置推定器１０７内のカルマンフィルタを用いて、位相可変装置５１のシステム同定を行う。このシステム同定により位相可変装置５１内の各要素の状態を特定したパラメトリックモデルを作成することができる。例えば、位相可変装置５１内の温度環境が変化した場合のばね定数や、粘性などを含んだモデルとして特定できる。そしてこのシステム同定により求めたパラメトリックモデルにより１ステップ後の相対角推定値を演算する。

【0078】

カルマンフィルタを用いて位相可変装置５１のシステム同定を行い、このシステム同定で求めたパラメトリックモデルにより１ステップ後の相対角度推定値を演算することにより、制御モデルの精度を上げることができる。これにより電磁クラッチ７０により精度の高い指令を行うことができる。

【0079】

なお、本件においてはスライディングモード制御器１０３を用いたシステムにカルマンフィルタ等の位相可変装置推定器１０７を用いた制御方法及び制御装置を提案したが、スライディングモード制御器１０７以外のＰＩＤ制御器のような一般的なフィードバック制御器を用いた制御方法や制御装置も可能である。

【符号の説明】

【0080】

１１ 内燃機関
１５ 吸気バルブ
１７ 排気バルブ
２２ クランクシャフト
２３ クランク角センサ
２４ カム角センサ
５１ 位相可変装置
５２ 外筒部
５３ カムシャフト
５４ 内筒部
５５ 中間移動部材
７０ 電磁クラッチ
１０１ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１０２ 位相制御装置
１０３ スライディングモード制御器
１０７ 位相可変装置推定器
１１１ フィードフォワード制御器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】