可变气门正时机构的控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种可变气门正时机构的控制装置及其控制方法，该可变气门正时机构使用带电刷的dc马达，仅在相位变换时对该马达施加电压，使马达轴部相对于链轮部旋转，从而变换凸轮轴部的相位。

背景技术：

在专利文献1中，记载了利用马达的旋转扭矩来调整发动机的气门正时的电动式的气门正时调整装置。在该专利文献1中，基于凸轮轴角度、曲轴角度、润滑油的温度、冷却水的温度、以及马达轴的旋转角度，计算凸轮轴相对于实际的曲轴的相位(凸轮轴相位)，并且根据发动机运转条件来计算作为目标的凸轮轴相位。凸轮轴相位的计算与发动机旋转角同步地进行，因此在低速旋转时更新变慢。因此，使用马达旋转角传感器来检测马达轴的旋转角度，对可变气门正时(vtc：variablevalvetimingcontrol)机构的相位角进行插补。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-83187号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，为了削减vtc系统的成本，正在研究不搭载马达旋转角传感器。为此，例如可以考虑使用dc马达的扭矩-电流(t-i)特性和扭矩-转速(t-n)特性，根据马达电流进行相位角插补。

但是，由基于t-i特性和t-n特性的马达电流实现的相位角插补存在精度低的问题。精度降低的第一要因是因为，t-i特性和t-n特性是稳定特性，与此相对，vtc重复由马达的正转/反转产生的相位提前角-滞后角，相位角依赖于马达电流的变化而急剧变化。第二要因是因为，t-i特性和t-n特性是马达单体的特性，与此相对，vtc除了马达扭矩以外，还受到各种因子影响，相位角的变化比实际大。

本发明是鉴于上述那样的情况而完成的，其目的在于，提供一种可变气门正时机构的控制装置及其控制方法，该可变气门正时机构能够不使用马达旋转角传感器地提高凸轮相位角插补的精度。

用于解决课题的方案

本发明的一个方式的可变气门正时机构的控制装置基于凸轮信号来检测凸轮的相位角，并使用电动马达来控制凸轮的相位角，该可变气门正时机构的控制装置的特征在于，具备控制器，该控制器构成为，基于马达特性根据马达电流运算马达扭矩，至少基于马达扭矩以及发动机运转状态运算马达旋转角，并根据所述马达旋转角进行所述可变气门正时机构的凸轮相位角的插补。

另外，本发明的一个方式的可变气门正时机构的控制方法在基于凸轮信号来检测凸轮的相位角，并使用电动马达来控制凸轮的相位角的可变气门正时机构的控制装置中，该可变气门正时机构的控制方法的特征在于，具备基于马达特性根据马达电流运算马达扭矩的处理，至少基于马达扭矩以及发动机运转状态运算马达旋转角的处理，根据所述马达旋转角进行所述可变气门正时机构的凸轮相位角的插补的处理。

发明效果

根据本发明，在基于凸轮信号的相位角检测之间的插补中，基于马达特性根据马达电流推定马达扭矩，基于使用了马达扭矩和发动机运转状态的运动方程式推定马达旋转角来进行插补，因此，能够不使用马达旋转角传感器地高精度进行凸轮相位角插补。由于不使用马达旋转角传感器就能够进行凸轮相位角插补，因此能够削减vtc系统的成本。

附图说明

图1是本发明的实施方式的可变气门正时机构的控制装置被应用的内燃机的系统结构图。

图2是示出图1中的可变气门正时机构的剖视图。

图3是图2的a-a线剖视图。

图4是图2的b-b线剖视图。

图5是提取与图1所示的控制装置中的可变气门正时机构的控制有关的主要部分并示出的框图。

图6是用于说明本发明的概要的图，是图5所示的电动vtc控制器的功能框图。

图7a是示出在vtc相位阶跃响应中应用了本发明的相位角插补的情况下的马达电流的特性图。

图7b是将在vtc相位阶跃响应中应用了本发明的相位角插补的情况下的相位角与现有技术进行比较并示出的特性图。

图7c是将在vtc相位阶跃响应中应用了本发明的相位角插补的情况下的相位角校正量与现有技术进行比较并示出的特性图。

图8是放大并示出图7c中的相位角校正量中的一部分的区域的时间变化的特性图。

图9是用于说明本发明的第一实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的框图。

图10是用于说明本发明的第二实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的流程图。

图11是用于说明本发明的第二实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的变形例的流程图。

图12a是用于说明本发明的第三实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。

图12b是用于说明本发明的第三实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。

图13是用于说明图12a以及图12b中的dc马达特性的修正的特性图。

图14a是用于说明本发明的第四实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。

图14b是用于说明本发明的第四实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。

图15是用于说明在图14a以及图14b中马达电流的检测值和使用了理论值的检测值的修正的特性图。

图16是用于说明本发明的第五实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。

图17是用于说明图16中dc马达特性的修正的特性图。

图18是用于说明与电动vtc的相位变换有关的扭矩和其影响因子的图。

图19是用于说明与电动vtc的相位变换有关的促动器侧扭矩和发动机侧扭矩的示意图。

图20是用于说明施加电压对马达扭矩的影响的特性图。

图21是用于说明马达温度对马达扭矩的影响的特性图。

图22a是用于说明没有惯性扭矩的情况下的基于t-i特性以及t-n特性的vtc相位角的推定和插补的特性图。

图22b是用于说明没有惯性扭矩的情况下的基于t-i特性以及t-n特性的vtc相位角的推定和插补的特性图。

图23是用于说明考虑了惯性扭矩的情况下的基于t-i特性以及t-n特性的vtc相位角的推定和插补的特性图。

图24是示出马达旋转速度与摩擦扭矩之间的关系的特性图。

图25是示出油温与动力粘度(摩擦系数)的关系的特性图。

图26a是用于说明仅考虑了惯性扭矩的情况下的vtc相位角的推定和插补的特性图。

图26b是用于说明仅考虑了惯性扭矩的情况下的vtc相位角的推定和插补的特性图。

图27是用于说明考虑了惯性扭矩和摩擦扭矩的情况下的vtc相位角的推定和插补的特性图。

图28是用于说明与电动vtc的相位变换有关的凸轮扭矩对相位变换的影响的特性图。

图29是示出发动机旋转速度和凸轮扭矩之间的关系的特性图。

图30是用于说明考虑了惯性扭矩和凸轮扭矩的情况下vtc相位角的推定和插补的特性图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式的可变气门正时机构的控制装置被应用的内燃机的系统结构图。

内燃机(发动机)100搭载在车辆上并用作动力源。该内燃机100除了图示的串联型以外，还可以是v型或水平对置型等各种形式。

在内燃机100的进气管道102上，设置有检测内燃机100的吸入空气流量qa的吸入空气量传感器103。

进气门105开闭各气缸的燃烧室104的进气口。在该进气门105的上游侧的进气口102a上，对每个气缸配置有燃料喷射阀106。在此，以燃料喷射阀106向进气管道102内喷射燃料为例，但也可以是向燃烧室104内直接喷射燃料的缸内直接喷射式内燃机。

从燃料喷射阀106喷射的燃料与空气一起经由进气门105被吸入到燃烧室104内，通过火花塞107的火花点火而着火燃烧，由该燃烧产生的压力将活塞108朝向曲轴109押下，由此驱动曲轴109使其旋转。

另外，排气门110开闭燃烧室104的排气口，通过打开排气门110而燃烧室104内的废气被排出到排气管111。

在排气管111上设置具备三元催化剂等的催化转化器112，通过催化转化器112净化排气。

进气门105伴随着由曲轴109旋转驱动的进气凸轮轴115a的旋转而进行打开动作。另外，排气门110伴随着由曲轴109旋转驱动的排气凸轮轴115b的旋转而进行打开动作。

vtc机构114是电动式的vtc机构，其利用作为促动器的电动马达(带电刷的dc马达)，使进气凸轮轴115a相对于曲轴109的相对旋转相位角变化，从而使进气门105的气门工作角的相位、即进气门105的气门正时连续地向提前角方向以及滞后角方向变化。

另外，在每个气缸设置的火花塞107上，分别直接安装有对火花塞107供给点火能量的点火模块116。点火模块116具备点火线圈以及控制向点火线圈的通电的功率晶体管。

控制装置(电子控制单元)201具备驱动控制vtc机构114的电动vtc控制器201a、和控制燃料喷射阀106和点火模块116等的发动机控制模块(以下，称为ecm)201b。电动vtc控制器201a以及ecm201b分别具备包含cpu(中央处理器)、ram(随机存取存储器)、rom(只读存储器)等的微型计算机，通过按照预先存储在rom等存储器中的程序进行运算处理，运算并输出各种设备的操作量。另外，电动vtc控制器201a具备驱动vtc机构114的马达的逆变器等驱动电路。

这些电动vtc控制器201a和ecm201b构成为能够经由can(controllerareanetwork，控制器局域网)201c相互进行数据传输。

需要说明的是，在作为通信电路网的can201c上，除了电动vtc控制器201a、ecm201b之外，还连接有例如控制与内燃机组合的自动变速器的at控制器等。

在控制装置201中，除了输入从吸入空气量传感器103输出的吸入空气流量qa之外，还输入来自以下传感器等的输出信号：曲轴角传感器203，其输出曲轴109的旋转角信号pos；油门开度传感器206，其检测油门踏板207的踩踏量、换言之检测油门开度acc；凸轮角传感器204，其输出进气凸轮轴115a的旋转角信号cam；水温传感器208，其检测内燃机100的冷却水的温度tw；空燃比传感器209，其设置在催化转换器112的上游侧的排气管111中，基于排气中的氧浓度来检测空燃比af；油温传感器210，其检测油盘内(或发动机油的循环路径)的发动机油的油温to；进一步地，输入来自作为内燃机100的运转以及停止的主开关的点火开关(发动机开关)205的信号ignsw。

曲轴角传感器203输出的旋转角信号pos是每单位曲轴角(例如，10deg.ca)的脉冲信号，构成为在每个相当于气缸间的行程相位差(点火间隔)的曲轴角(在4缸内燃机中曲轴角180deg)中缺少一个或多个脉冲。

另外，曲轴角传感器203可以构成为输出每个单位曲轴角的旋转角信号pos(单位曲轴角信号)和每个相当于气缸间的行程相位差(点火间隔)的曲轴角的基准曲轴角信号。在此，每单位曲轴角的旋转角信号pos的缺失部位或基准曲轴角信号的输出位置表示各气缸的基准活塞位置。

凸轮角传感器204按每个相当于气缸间的行程相位差(点火间隔)的曲轴角输出旋转角信号cam。

在此，进气凸轮轴115a以曲轴109的旋转速度的一半的速度旋转，因此，如果内燃机100是四缸内燃机，相当于气缸间的行程相位差(点火间隔)的曲轴角为180deg.ca，则曲轴角180deg.ca相当于进气凸轮轴115a的旋转角90deg。即，凸轮角传感器204在进气凸轮轴115a每旋转90deg时输出旋转角信号cam。

旋转角信号cam是用于判别位于基准活塞位置的气缸的信号(气缸判别信号)，按每个相当于气缸间的行程相位差(点火间隔)的曲轴角，作为表示气缸编号的特性的脉冲输出。

例如，在是4缸内燃机且点火顺序为第一气缸、第三气缸、第四气缸、第二气缸的情况下，凸轮角传感器204通过每曲轴角180deg输出1个脉冲信号、3个脉冲信号、4个脉冲信号、2个脉冲信号，从而能够根据脉冲数特定位于基准活塞位置的气缸。另外，旋转角信号cam可以代替以脉冲数表示气缸编号，而基于脉冲宽度、振幅来表示气缸编号。

图2～图4分别示出图1中的vtc机构114的构造的一例。

需要说明的是，vtc机构114的构造并不限定于图2～图4所例示的构造，只要是仅在相位变换时对带电刷的dc马达施加电压,并使马达轴部相对于链轮部旋转来变换凸轮轴部的相位的构造，均可采用。

如图2所示，vtc机构114具备：正时链轮(凸轮链轮)1，其是由内燃机100的曲轴109旋转驱动的驱动旋转体；进气凸轮轴115a，其经由轴承44旋转自如地支承在气缸盖上，通过从正时链轮1传递的旋转力而旋转；罩部件3，其配置在正时链轮1的前方位置，通过螺栓固定在链罩40上；相位变更机构4，其配置在正时链轮1与进气凸轮轴115a之间，变更进气凸轮轴115a相对于正时链轮1的相对旋转相位角。

正时链轮1由链轮主体1a和齿轮部1b构成，该齿轮部1b一体地设置在链轮主体1a的外周，经由卷绕的正时链42承受来自曲轴109的旋转力。

另外，正时链轮1由第三滚珠轴承43旋转自如地支承在进气凸轮轴115a上，该第三滚珠轴承43介入安装在形成于链轮主体1a的内周侧上的圆形槽1c、与一体地设置于进气凸轮轴115a的前端部上的凸缘部2a的外周之间。

在链轮主体1a的前端部外周缘，一体地形成有环状突起1e。

环状部件19和圆环状的板6通过螺栓7从轴向共同紧固固定在链轮主体1a的前端部，该环状部件19同轴地定位在环状突起1e的内周侧，在内周形成有波形状的啮合部即内齿19a。

另外，如图4所示，在链轮主体1a的内周面的一部分上，沿着周向形成有规定长度范围的圆弧状的卡合部即止动凸部1d。

在板6的前端侧外周，通过螺栓11固定有圆筒状的壳体5，该壳体5以覆盖相位变更机构4的后述的减速机8、电动马达12的各构成部件的状态向前方突出。

壳体5由铁系金属形成，作为磁轭起作用，在前端侧一体地具有圆环板状的保持部5a，并且以包括保持部5a在内的外周侧整体由罩部件3以规定的间隙覆盖的形式配置。

进气凸轮轴115a在外周具有使进气门105打开动作的驱动凸轮(省略图示)，并且在前端部通过凸轮螺栓10从轴向结合有作为从动旋转体的从动部件9。

另外，如图4所示，在进气凸轮轴115a的凸缘部2a上，沿着圆周方向形成有供链轮主体1a的止动凸部1d卡入的卡止部即止动凹槽2b。

该止动凹槽2b形成为沿圆周方向具有规定长度的圆弧状，在该长度范围内转动的止动凸部1d的两端缘分别与周向的对置缘2c、2d抵接，由此限制进气凸轮轴115a相对于正时链轮1的最大提前角侧、最大滞后角侧的相对旋转位置。

即，止动凸部1d在止动凹槽2b内能够移动的角度范围成为进气凸轮轴115a相对于曲轴109的相对旋转相位角的可变范围，换言之，成为气门正时的可变范围。

在凸轮螺栓10的头部10a的轴部10b侧的端缘，一体地形成有凸缘状的座面部10c，在轴部10b的外周，形成有外螺纹部，该外螺纹部与从进气凸轮轴115a的端部沿内部轴向形成的内螺纹部螺合。

从动部件9由铁系金属材料形成，如图3所示，由形成在前端侧的圆板部9a和一体地形成在后端侧的圆筒状的圆筒部9b构成。

在圆板部9a上，在后端面的径向大致中央位置一体地设置有与进气凸轮轴115a的凸缘部2a大致相同外径的环状台阶突起9c。

而且，环状台阶突起9c的外周面和凸缘部2a的外周面供第三滚珠轴承43的内圈43a的内周插通配置。第三滚珠轴承43的外圈43b压入固定于链轮主体1a的圆形槽1c的内周面。

另外，在圆板部9a的外周部，一体地设置有保持多个辊34的保持器41。

保持器41从圆板部9a的外周部向与圆筒部9b相同的方向突出而形成，由在圆周方向上大致等间隔的位置具有规定间隙的多个细长的突起部41a形成。

圆筒部9b在中央贯通形成有供凸轮螺栓10的轴部10b插通的插通孔9d，在圆筒部9b的外周侧设置有第一滚针轴承28。

罩部件3由合成树脂材料形成，由鼓出为杯状的罩主体3a和一体地设置在该罩主体3a的后端部外周的托架3b构成。

罩主体3a以具有规定间隙地覆盖相位变更机构4的前端侧、即从壳体5的轴向的保持部5b到后端部侧的大致整体的方式配置。另一方面，托架3b形成为大致圆环状，在6个凸台部分别贯通形成有螺栓插通孔3f。

另外，在罩部件3上，托架3b经由多个螺栓47固定在链条罩40上，在罩主体3a的前端部3c的内周面上，以露出各内端面的状态埋设固定有内外双重的滑环48a、48b。

进一步地，在罩部件3的上端部，设置有连接器部49，该连接器部49在内部固定有经由导电部件与滑环48a、48b连接的连接器端子49a。

需要说明的是，来自未图示的电池-电源的电力经由控制装置201供给到连接器端子49a。

在罩主体3a的后端部侧的内周面与壳体5的外周面之间，介入安装有作为密封部件的大径的第一油封50。

第一油封50形成为横截面大致コ字形状，在合成橡胶的基材的内部埋设有芯棒，并且外周侧的圆环状基部50a嵌装固定在形成于罩主体3a后端部的内周面上的圆形槽3d内。

另外，在第一油封50的圆环状基部50a的内周侧，一体地形成有与壳体5的外周面抵接的密封面50b。

相位变更机构4由配置在进气凸轮轴115a的大致同轴上前端侧的电动马达12、和对电动马达12的旋转速度进行减速并传递到进气凸轮轴115a的减速机8构成。

电动马达12是带电刷的dc马达，具备：作为与正时链轮1一体地旋转的磁轭的壳体5、旋转自如地设置在壳体5的内部的作为输出轴的马达轴13、固定在壳体5的内周面上的半圆弧状的一对永久磁铁14、15、固定在保持部5a的内底面侧的定子16。

马达轴13形成为筒状，作为电枢起作用，在轴向的大致中央位置的外周固定有具有多个极的铁心转子17，并且在铁心转子17的外周卷绕有电磁线圈18。

另外，在马达轴13的前端部外周，压入固定有整流子20，在整流子20上，在分割为与铁心转子17的极数相同数量的各片段上连接有电磁线圈18。

马达轴13经由作为第一轴承的滚针轴承28和配置在该滚针轴承28的轴向的侧部的轴承即第四滚珠轴承35旋转自如地支承在凸轮螺栓10的头部10a侧的轴部10b的外周面上。

另外，在马达轴13的进气凸轮轴115a侧的后端部，一体地设置有构成减速机8的一部分的圆筒状的偏心轴部30。

另外，在马达轴13的外周面与板6的内周面之间，设置有阻止润滑油从减速机8内部向电动马达12内泄漏的作为摩擦部件的第二油封32。

第二油封32的内周部与马达轴13的外周面弹性接触，从而对马达轴13的旋转施加摩擦阻力。

减速机8主要由进行偏心旋转运动的偏心轴部30、设置在偏心轴部30的外周的作为第二轴承的第二滚珠轴承33、设置在第二滚珠轴承33的外周的辊34、将辊34在滚动方向上保持且容许径向的移动的保持器41、与保持器41一体的从动部件9构成。

形成在偏心轴部30的外周面上的凸轮面的轴心从马达轴13的轴心x向径向稍微偏心。需要说明的是，第二滚珠轴承33和辊34等作为行星啮合部而构成。

第二滚珠轴承33形成为大径状，在第一滚针轴承28的径向位置配置成整体大致重叠的状态，第二滚珠轴承33的内圈33a压入固定于偏心轴部30的外周面，并且辊34始终与第二滚珠轴承33的外圈33b的外周面抵接。

另外，在外圈33b的外周侧形成有圆环状的间隙c，通过该间隙c，第二滚珠轴承33整体能够伴随着偏心轴部30的偏心旋转而向径向移动，即能够进行偏心运动。

各辊34成为：伴随着第二滚珠轴承33的偏心运动而向径向移动的同时嵌入到环状部件19的内齿19a中，并且被保持器41的突起部41a在周向上引导的同时在径向上摆动运动。

从润滑油供给机构向减速机8的内部供给润滑油。

润滑油供给机构由形成在气缸盖的轴承44的内部并从未图示的主油道供给润滑油的油供给通路44a、形成在进气凸轮轴115a的内部轴向并经由沟槽与油供给通路44a连通的油供给孔48、在从动部件9的内部轴向贯通形成且一端向油供给孔48开口而另一端向第一滚针轴承28和第二滚珠轴承33的附近开口的小径的油供给孔45、同样地贯通形成在从动部件9上的大径的三个油排出孔(图示省略)构成。

接着，对上述的vtc机构114的动作进行说明。

首先，当内燃机100的曲轴109旋转驱动时，正时链轮1经由正时链42旋转，利用正时链轮1的旋转力经由壳体5、板6、环状部件19而电动马达12同步旋转。

另一方面，环状部件19的旋转力从辊34经由保持器41以及从动部件9传递到进气凸轮轴115a。由此，进气凸轮轴115a的凸轮使进气门105进行开闭动作。

而且，控制装置201在通过vtc机构114变更进气凸轮轴115a相对于曲轴109的相对旋转相位角、即变更进气门105的气门正时时，向电动马达12的电磁线圈18通电，使电动马达12驱动。当电动马达12被旋转驱动时，该马达旋转力经由减速机8传递到进气凸轮轴115a。

即，当偏心轴部30伴随着马达轴13的旋转而偏心旋转时，各辊34在马达轴13每旋转一周时，一边被保持器41的突起部41a向径向引导，一边越过环状部件19的一个内齿19a而向邻接的其他内齿19a滚动并移动，一边依次重复该动作一边向圆周方向滚动接触。

通过该各辊34的滚动接触，马达轴13的旋转被减速，同时旋转力被传递到从动部件9。需要说明的是，马达轴13的旋转传递到从动部件9时的减速比能够通过辊34的个数等而任意地设定。

由此，进气凸轮轴115a相对于正时链轮1正反相对旋转而变换相对旋转相位角，进气门105的开闭正时变更为提前角侧或滞后角侧。

在此，进气凸轮轴115a相对于正时链轮1的正反相对旋转通过止动凸部1d的各侧面与止动凹槽2b的各对置缘2c、2d中的任一方抵接而被限制。

即，从动部件9伴随着偏心轴部30的偏心运动而向与正时链轮1的旋转方向同方向旋转，由此，止动凸部1d的一侧面与止动凹槽2b的一侧的对置缘2c抵接，从而限制进一步的同方向的旋转。由此，进气凸轮轴115a相对于正时链轮1的相对旋转相位角向提前角侧变更为最大。

另一方面，从动部件9通过向与正时链轮1的旋转方向相反的方向旋转，止动凸部1d的另一侧面与止动凹槽2b的另一侧的对置缘2d抵接，从而限制进一步的同方向的旋转。由此，进气凸轮轴115a相对于正时链轮1的相对旋转相位向滞后角侧变更为最大。

这样，控制装置201通过控制vtc机构114的电动马达12的通电，而可变地控制进气凸轮轴115a相对于曲轴109的相对旋转相位角、即进气门105的气门正时。

控制装置201基于内燃机100的运转状态，例如内燃机负载、内燃机旋转速度、内燃机温度、起动状态等，而运算目标相位角(换言之，目标提前角量、目标气门正时、目标变换角)，另一方面，检测进气凸轮轴115a相对于曲轴109的实际的相对旋转相位角。

然后，控制装置201实施以使实际的相对旋转相位角接近目标相位角的方式运算并输出电动马达12的操作量的、旋转相位的反馈控制。在上述反馈控制中，控制装置201例如利用基于目标相位角与实际的相对旋转相位角之间的偏差的比例积分控制等，运算电动马达12的操作量。

图5提取与图1所示的控制装置201中的vtc机构114的控制有关的主要部分并示出。将来自与电池vbat连接的点火开关205的信号ignsw分别输入到ecm201b和电动vtc控制器201a，通过点火接通来起动。ecm201b具备输入电路211和cpu212。将来自凸轮角传感器204的旋转角信号cam以及来自曲轴角传感器203的旋转角信号pos分别输入到输入电路211和cpu212。ecm201b基于这些信号控制燃料喷射阀106和点火模块116等。

cpu212例如基于内燃机运转状态运算由vtc机构114调整的旋转相位的目标值(目标相位角)tgvtc(deg.ca)，基于来自曲轴角传感器203的旋转角信号pos以及进气凸轮轴115a的旋转角信号cam，计算旋转相位ang_camec(deg.ca)。还具有通过can通信朝向电动vtc控制器201a发送运算出的目标值tgvtc和计算出的旋转相位ang_camec等的功能。

另一方面，电动vtc控制器201a具备cpu213、驱动电路214a、214b、内部电源电路215、输入电路216以及can驱动器电路217等。该电动vtc控制器201a的电源端子和接地(gnd)端子与电池vbat连接。由此，经由熔丝219向驱动电路214a、214b和内部电源电路215供给电源。内部电源电路215对电池vbat的电压进行降压，生成例如5v的内部电源电压，供给到包括cpu213的电动vtc控制器201a内的各电路。

在输入电路216中，经由ecm201b的输入电路211，输入来自凸轮角传感器204的旋转角信号cam和来自曲轴角传感器203的旋转角信号pos，将这些旋转角信号cam、pos输入到cpu213。

can驱动器电路217用于在电动vtc控制器201a与ecm201b之间进行can通信，将来自cpu213的发送信息can_tx发送到ecm201b，由cpu213接收来自ecm201b的接收信息can_rx。

驱动电路214a、214b分别基于从cpu213输出的pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)信号pwm-p、pwp-n，控制向vtc机构114的电动马达12的通电。这些驱动电路214a、214b分别具备电流传感器218a、218b，检测在电动马达12的绕组中流过的电流并输入到cpu213。

接着，参照图6的功能框图，对本发明的概要进行说明。电动vtc控制器201a具有马达扭矩推定功能(马达扭矩推定部230)、马达旋转角推定功能(马达旋转角推定部231)、vtc变换角计算功能(变换部232)以及反馈控制功能(反馈控制部233)等。而且，在基于凸轮信号的相位角检测之间的插补中，基于马达特性从马达电流推定马达扭矩，基于使用了马达扭矩和发动机运转状态的运动方程式推定马达旋转角来进行插补。

即，当向马达扭矩推定部230输入马达电流[a]时，通过dc马达的t-i特性计算马达扭矩tmot[n·m]，并输入到马达旋转角推定部231。在马达旋转角推定部231中，将该马达扭矩tmot和影响因子输入到马达旋转的运动方程式中，计算马达旋转角[deg]。马达扭矩tmot由vtc促动器的惯性、vtc促动器侧的影响因子、以及凸轮侧的影响因子的和来表示，如下式所示。

[数1]

在此，j是惯性力矩[kg·m²]，d是摩擦系数[n·m·sec/deg]，θ是马达旋转角[deg.ca]。

基于上述马达旋转的运动方程式推定马达旋转角θ，由变换部232将该马达旋转角θ变换为vtc变换角[deg.ca]。在变换部232中，基于减速机8的减速比等，将由马达旋转角推定部231计算出的马达旋转角θ变换为vtc变换角。将该vtc变换角输入到反馈控制部233，通过反馈控制，进行基于凸轮的相位角检测值的插补。然后，从该反馈控制部233输出vtc相位角[deg.ca]。

在进行基于凸轮的相位角检测时，选择该检测值，从反馈控制部233输出基于相位角检测值的vtc相位角[deg.ca]。

电动vtc控制器201a的上述扭矩推定功能、马达旋转角推定功能以及vtc变换角计算功能由cpu213实现，输出与vtc相位角[deg.ca]对应的pwm信号，控制vtc机构114的电动马达12。

图7a～7c分别是将在vtc相位阶跃响应中应用了本发明的相位角插补的情况下的马达电流、相位角、相位角校正量与现有技术进行比较并示出的特性图。另外，图8是放大并示出图7c的相位角校正量的时间变化中的一部分的区域δa的特性图。

现有技术的概略的控制流程是，首先用ecm201b运算目标角(图7b中用细虚线l1表示)，向电动vtc控制器201a发送。电动vtc控制器201a根据与接收到的目标角与vtc相位角(用细实线l2表示的阶梯状的凸轮检测角)之间的偏差，运算电动马达12的操作量(用粗虚线l3表示)。马达电流(图7a)根据该操作量(驱动电压)而变化，vtc相位角根据该马达电流而变化。

与此相对，在本发明中，由于考虑了vtc促动器(马达+减速机)的惯性，因此不使用马达旋转角传感器，就能够再现如图7b中粗实线l4所示过渡的平滑的vtc相位角。另外，由于考虑影响因子，因此能够再现更接近实际的变化(斜率)。

由此，如图7c所示，与现有技术相比，能够减小相位角校正量。另外，如图8所示，相位角校正量与使用马达旋转角传感器的情况(实线mas)相同，成为足够小的相位角校正量。

[第一实施方式]

图9是用于说明本发明的第一实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的框图，示出了在图6中的相位角检测期间进行插补的功能框的更详细的结构例。该电动vtc控制器201a具备马达扭矩推定部230、马达旋转角推定部231、变换部232以及反馈控制部233等。

在马达扭矩推定部230中，除了马达电流[a]之外，还输入作为应考虑的促动器侧的影响因子的电源电压[v]、驱动占空比[％]以及马达温度[℃]，基于dc马达的特性，使马达电流、电源电压、驱动占空比以及马达温度中的至少一个来推定马达扭矩。马达扭矩的推定通过基于多项式的运算、表的参照、或者映射的参照等来进行。

将该推定到的马达扭矩[n·m]和发动机侧的影响因子，例如油温[℃]、发动机旋转角度[deg.ca]以及发动机转速[r/min]输入到马达旋转角推定部231，基于上述的马达旋转的运动方程式，使用马达扭矩、发动机转速、发动机旋转角度以及油温等推定马达旋转角[deg]。

接着，将推定到的马达旋转角输入到变换部232，将马达旋转角单位变换为vtc变换角，插补vtc相位角。

将通过单位变换获取到的vtc变换角[deg.ca]和凸轮信号输入到反馈控制部233，在通过凸轮信号检测到vtc相位角时，将相位角插补值校正为检测值。然后，从该反馈控制部233输出vtc相位角[deg.ca]。

这样，通过基于考虑了vtc相位变换的影响因子的运动方程式进行相位角插补，而能够提高基于马达电流的相位角插补的精度。

[第二实施方式]

图10是用于说明本发明的第二实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的流程图。在本第二实施方式中，在相位角控制为过渡时进行相位角插补，在稳定时不进行相位角插补。即，首先，判定是否为过渡状态(步骤s1)，当判断为是相位角变化的过渡状态时，进行vtc相位角插补(步骤s2)。是否为过渡状态的判定基于当前相位角和目标相位角之差和/或当前相位角的变化的程度来判定。在步骤s2中，在相位角上输入插补值，或者在凸轮信号输入时在相位角上输入检测值。

另一方面，当在步骤s1中判断为不是过渡状态时，不进行vtc相位角插补地将相位角作为检测值(转速)(步骤s3)。接着，进行相位角的反馈(f/b)控制(步骤s4)。

这样，通过在不需要相位角插补时停止插补运算，而能够降低运算负载。

<变形例>

图11是用于说明上述的本发明的第二实施方式的变形例的流程图。在本变形例中，除了相位角控制是否为过渡状态之外,还判断发动机转速是否为规定值以下,在规定值以下时进行相位角插补,在比规定值大时不进行相位角插补。即，首先，判定是否为过渡状态(步骤s11)，当判断为是过渡状态时，判断发动机是否为规定转速以下(步骤s12)。是否为过渡状态的判定基于当前相位角和目标相位角之差和/或当前相位角的变化的程度来判定。

当判断为是规定转速以下时，进行vtc相位角插补(步骤s13)。在步骤s13中，在相位角上输入插补值，或者在凸轮信号输入时在相位角上输入检测值。

另一方面，在步骤s11中判断为不是过渡状态的情况下，以及在步骤s12中判断为发动机不是规定旋转以下的情况下，不进行vtc相位角插补，将相位角作为检测值(转速)(步骤s14)。接着，进行相位角的反馈(f/b)控制(步骤s15)。

这样考虑发动机旋转的原因在于，发动机旋转速度越高，凸轮检测频度越增加，当发动机旋转速度比规定值大时，凸轮检测周期比vtc控制周期短。因此，不需要相位角插补。因此，通过在不需要相位角插补时停止插补运算，能够降低运算负载。

[第三实施方式]

图12a以及图12b分别是用于说明本发明的第三实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。本第三实施方式是学习输出(马达扭矩、马达旋转角)相对于输入(马达电流)的特性的实施方式。学习例如在出厂前、特定的发动机运转状态(恒定发动机旋转速度、恒定油温等)、有来自检查工具的学习要求的定时执行。

作为学习的流程，首先如实线l5所示，施加规定的马达电流(参照图12a的时刻t0)，接着学习vtc相位角的变化特性(＝马达旋转角的变化特性)。vtc相位角的变化特性成为如虚线l6所示连结阶梯状地变化的凸轮检测角的角部的直线(参照图12b)。

这样，修正dc马达特性(图13的t-i特性中的实线l7的斜率)和运动方程式的系数(惯性力矩j、摩擦系数d)，以使马达旋转角相对于马达电流的变化特性与实际设备一致。

[第四实施方式]

图14a以及图14b分别是用于说明本发明的第四实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。本第四实施方式是学习vtc操作量(与电动马达12的操作量对应)的实施方式。在此，操作量是为了使相位角接近目标角而控制马达的量，用驱动电压、占空比、马达电流中的任一个表示。马达电流可以使用传感器检测值，但由于存在“驱动电压＝电源电压×占空比”的关系，因此也可以根据驱动电压来推定。该学习例如在出厂前、特定的发动机运转状态(恒定发动机旋转速度、恒定油温等)、有来自检查工具的学习要求的定时执行。

作为学习的流程，首先，如实线l8所示，施加规定的vtc操作量(驱动电压[v]、占空比[％])(参照图14a的时刻t1-t2期间)，接着，学习实线l9所示的马达电流的检测特性(参照图14b的时刻t1-t2期间)。

之后，如图15所示，根据两点的马达电流的检测值和理论值，如实线l10所示计算增益、偏移量，使用它们修正检测值。

这样，通过学习vtc操作量，能够应对电流传感器的个体偏差、经时变化，能够提高相位角插补的精度。

[第五实施方式]

图16是用于说明本发明的第五实施方式的可变气门正时机构的控制装置及其控制方法的波形图。在上述的第一至第四实施方式中，预先考虑马达特性所预先考虑的影响因子来求出相位角。与此相对，在本第五实施方式中，以插补值相对于基于凸轮的检测值偏离的量来修正斜率。即，根据校正相位角时的插补值与检测值之差，修正马达扭矩和/或马达旋转角的运算。

作为修正的流程，首先，在凸轮检测角的更新时校正插补值。接着，根据校正时的插补值与检测值之差，修正dc马达特性或运动方程式的系数、常数。

在修正dc马达特性(t-i特性)的情况下，以使马达扭矩(马达旋转角)变小的方式修正t-i特性的增益。即，如图17所示，当用虚线表示成为基础的修正前的状态时，修正后为用实线表示。

这样，通过以插补运算接近检测值的方式修正斜率，而能够提高相位角插值的精度。该修正在图16那样的情况下，将马达特性的斜率修正得较小。另一方面，也有根据插补值与检测值之差将斜率修正得较大的情况。

图18汇总表示与电动vtc的相位变换有关的扭矩及其影响因子。在扭矩中，有马达扭矩、惯性扭矩(vtc促动器侧)、摩擦扭矩(vtc促动器侧)、凸轮扭矩、惯性扭矩(发动机侧)以及摩擦扭矩(发动机侧)，考虑各种因子(1次因子、2次因子)进行相位角插补。

(a)马达扭矩是用于变换凸轮的相位角的扭矩，作为1次因子有马达电流，作为2次因子有施加电压和马达温度。

(b)惯性扭矩(vtc促动器侧)是相对于马达扭矩的变化成为阻力的扭矩，作为1次因子有马达旋转角加速度和惯性力矩。

(c)摩擦扭矩(vtc促动器侧)是与马达旋转速度成比例地作用的vtc促动器的摩擦阻力扭矩，作为1次因子有马达旋转速度和摩擦系数，作为2次因子有油温。

(d)凸轮扭矩是根据发动机旋转角度从气门接受的交变扭矩，作为1次因子有发动机旋转角度和发动机旋转速度。

(e)惯性扭矩(发动机侧)是根据发动机旋转的加减速而作用的扭矩，作为1次因子有发动机旋转角加速度和惯性力矩，作为2次因子有发动机旋转速度(促动器固有值)。

(f)摩擦扭矩(发动机侧)是绕凸轮轴的摩擦阻力扭矩，作为1次因子有发动机旋转速度和摩擦系数，作为2次因子有油温。

图19是用于说明与图18所示的电动vtc的相位变换有关的促动器侧扭矩和发动机侧扭矩的图，(a)马达扭矩、(b)惯性扭矩以及(c)摩擦扭矩为vtc促动器侧，(d)凸轮扭矩、惯性扭矩以及(f)摩擦扭矩为发动机侧。

接着，对各扭矩的影响因子进行详细地说明。

(a)马达扭矩

马达扭矩基于t-i特性根据马达电流计算。马达扭矩与马达旋转速度之间的关系如图20中实线l11所示，马达旋转速度伴随着马达扭矩的上升而下降。此时，在施加电压高的情况下，成为如虚线l12所示的马达扭矩与马达旋转速度的关系。另一方面，在施加电压低的情况下，成为如虚线l13所示的马达扭矩与马达旋转速度的关系。这样，在施加电压高的情况和低的情况下，t-n特性变化。

另外，马达电流和马达扭矩之间的关系如图21中实线l14所示，马达扭矩伴随着马达电流的上升而上升。此时，在马达温度低的情况下，成为如虚线l15所示的马达电流和马达扭矩的关系。另一方面，在马达温度高的情况下，成为如虚线l16所示的马达电流和马达扭矩的关系。这样，在马达温度低的情况和高的情况下，t-i特性变化。

(b)惯性扭矩(vtc促动器侧)

如果通过t-i特性、t-n特性推定马达旋转角而进行插补(无惯性扭矩)，则在如图22a所示马达电流发生变化时，相位角的推定值如图22b所示。在此，粗虚线l17是无校正的推定值，粗实线l18是有校正的插补值。细虚线l19是目标角，阶梯状地上升的细实线l20是凸轮检测角。

另一方面，如果考虑惯性扭矩来计算推定值和插补值，则如图23中粗虚线l21所示无校正的推定值的变化变得平缓，且如粗实线l22所示有校正的插补值变得平滑。

这样，通过考虑惯性扭矩，在相位角插补时，能够再现平滑的相位角变化的开始和收敛的过渡动作。

(c)摩擦扭矩(vtc促动器侧)

如图24所示，摩擦扭矩与马达旋转速度成比例地作用，摩擦扭矩伴随着马达旋转速度的上升而增大。图25示出油温与动力粘度(摩擦系数)的关系，虽然因粘度而不同，但存在油温越低动力粘度越大的倾向。即，摩擦系数因油温而变化，在摩擦系数小的情况下摩擦扭矩的变化变小，在摩擦系数大的情况下摩擦扭矩的变化变大。

这样，摩擦扭矩根据马达旋转速度和摩擦系数而变化。

(c’)摩擦扭矩(vtc促动器侧)

在如图26a所示马达电流发生变化时，如果进行仅考虑了惯性扭矩的推定值和插补值的计算，则成为如图26b所示。在此，粗虚线l25是无校正的推定值，粗实线l26是有校正的插补值。另外，阶梯状地上升的细实线l27是凸轮检测角。

与此相对，如果考虑惯性扭矩和摩擦扭矩双方来进行推定值和插补值的计算，则如图27中粗虚线l28(无校正的推定值)和粗实线l29(有校正的插补值)所示，相位角的变化(斜率)变小。

这样，摩擦系数根据油温而变化，摩擦扭矩根据马达旋转速度和摩擦系数而变化。因此，通过考虑惯性扭矩和摩擦扭矩来进行相位角插补，能够提高相位角插补的精度。例如，在图27的情况下，相位角的变化(斜率)变小，能够提高相位角插补的精度。

(d)凸轮扭矩

如图28所示，凸轮扭矩根据发动机旋转角度而交替作用，如图29所示，交替扭矩的最大值、最小值根据发动机旋转速度而变化。

这样，根据发动机旋转角度在vtc提前角/滞后角方向上交替地产生扭矩作用，对相位角插补产生影响。

(d’)凸轮扭矩

在如图26a所示马达电流发生变化时，如果进行仅考虑了惯性扭矩的推定值和插补值的计算，则无校正的推定值(虚线l25)、有校正的插补值(粗实线l26)以及凸轮检测角(细实线l27)分别成为如图26b所示。

与此相对，如果考虑惯性扭矩和凸轮扭矩双方来进行推定值和插补值的计算，则如图30所示，相位角的变化(斜率)变小。在此，粗虚线l30是无校正的推定值，粗实线l31是有校正的插补值。另外，阶梯状地上升的细实线l27是凸轮检测角。

这样，根据发动机旋转角度和发动机旋转速度，在vtc提前角/滞后角方向上交替地作用凸轮扭矩。因此，通过考虑惯性扭矩和凸轮扭矩来进行相位角插补，能够提高相位角插补的精度。例如在图30的情况下，相位角的变化(斜率)变小，能够提高相位角插补的精度。

(e)惯性扭矩(发动机侧)

在发动机旋转加速时，在马达轴上由于惯性而在与发动机旋转方向相反的方向(行进方向)上作用扭矩。

这样，在发动机旋转速度加速时，在vtc提前角方向、vtc滞后角方向上作用扭矩，对相位角插补产生影响。因此，通过考虑根据发动机旋转的加减速而作用的扭矩对相位变换的影响，能够提高相位角插补的精度。

(f)摩擦扭矩(发动机侧)

绕凸轮轴作用的摩擦扭矩成为相位角变化的阻力。摩擦扭矩(绕凸轮轴)根据发动机旋转速度而发生变化。另外，摩擦扭矩(绕凸轮轴)的大小通过与油温对应的动力粘度(摩擦系数)变化而发生变化。

因此，通过考虑该影响,能够提高相位角插补的精度。

因此，如图18以及图19所示，考虑马达扭矩、惯性扭矩(vtc促动器侧)、摩擦扭矩(vtc促动器侧)、凸轮扭矩、惯性扭矩(发动机侧)以及摩擦扭矩(发动机侧)等各种因子进行相位角插补，由此能够提高凸轮相位角插补的精度。而且，由于能够在不搭载马达旋转角传感器的情况下进行凸轮相位角插补，因此能够削减vct系统的成本。

附图标记说明

12电动马达(带电刷的dc马达)

100内燃机(发动机)

114vtc机构

201控制装置

201a电动vtc控制器

201b发动机控制模块(ecm)

201ccan

203曲轴角传感器

204凸轮角传感器

205点火开关

210油温传感器

214a、214b驱动电路

218a、218b电流传感器

230马达扭矩推定部

231马达旋转角推定部

232变换部

233反馈控制部

ignsw来自点火开关的信号

to油温

cam进气凸轮轴的旋转角信号

pos曲轴的旋转角信号