电磁阀的控制设备和方法

摘要

一种电磁阀的控制设备，电磁阀包括起内燃机进气阀或排气阀作用的阀体和电磁铁，其将电磁力作用于阀体上的衔铁，使阀体在第一与第二位置间移动。除电磁力外，阀体逆着第一弹簧弹力移到第一位置，逆着第二弹簧弹力移到第二位置。控制设备包括：确定装置，用来确定当阀体从第一位置移到第二位置时作用于阀体的力，或确定根据作用于阀体的力而变化的阀体状态值；控制装置，用来控制电磁力，以将衔铁推向第一位置。确定装置确定出作用于阀体的力和阀体状态值之一。控制装置根据所确定的力与力目标值间的偏差以及所确定的状态值与状态值目标值间的偏差之一来控制电磁力，以便将衔铁推向第一位置，以使当阀体自第一位置移到第二位置时，该偏差最小。

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种用来操作电磁阀的控制设备和方法。更具体地说，本发明是关于用来基于一电磁铁的电磁力打开和关闭一电磁阀体的控制设备和方法，该电磁阀体起一内燃进气阀和排气阀的作用。

背景技术

现已公开用来基于电磁铁的电磁力控制起内燃进气阀和排气阀作用的阀体的公知电磁阀控制设备。在这些公知的电磁阀控制设备中，由于除电磁铁的电磁力以外，基于燃烧室内部压力(即气缸压力)和进气压力或排气压力的外力也作用于阀体，所以需要考虑启动阀体时的外力影响。例如，当打开阀体且在燃烧室内产生较大负压时，该真空使得阀体在打开阀的方向上受到吸引。因此，当阀体达到全开位置时，阀体的位移速度可能变得不必那么大。这种情况下，阀体一旦达到全开位置，就可以弹回到关闭一侧，这降低了操作稳定性。另外，阀体可以因基于关闭阀体时汽缸压力和进气压力或排气压力的外力而在关闭阀的方向上受到吸引。这种情况下，也因阀体的回弹降低了操作稳定性。

US 6,152,094A公开了一种用于驱动一电磁作动器以操作换气阀的方法，该作动器包含被安置在与该换气阀偶联的电枢的相反两侧的第一和第二电磁铁，该第一和第二电磁铁可被操作来移动该电枢以克服至少一个阀弹簧力。在这类作动器中，操作系统工作参数的波动可导致功能不正确，并增加该作动器的磨损。因此借助于一种新方法来驱动一作动器，利用一加速度传感器测量该换气阀的加速度曲线，按照该换气阀的加速度曲线控制对锁定该电枢的第一和第二电磁铁的能量供给。这样，可补偿因扰动引起的动能损失，使该电枢以预定的速度撞击该锁定电磁铁，以减少磨损和冲击。

在第2000-130198号日本专利公开文献中披露的一种公知设备产生一电磁力，该电磁力用来在假定燃烧室中所产生的负压增大时如暂停燃料喷射时吸引阀体朝向阀关闭一侧，以便电磁力使在打开阀方向上吸引阀体的外力平衡。

同时，作用于阀体的外力不是恒定的，它根据汽缸压力和进气与排气压力的情况而变化，也就是说，根据内燃机的工作而变化。因此，在前述的公知设备中，根据内燃机的工作预定产生在关闭阀方向上吸引阀体的电磁力周期，以便在电磁铁中产生适于内燃机工作条件的电磁力。

但是，为了在电磁铁中产生适于内燃机工作条件的电磁力，需要设计一种防范措施，例如预定与内燃机工作条件相匹配的电磁力的前述产生周期。也就是说，需要预先通过试验得到内燃机工作条件与适当电磁力之间的关系，并且将这些结果存储为一控制图。该方法需要较长时间来建立和调整必需的控制常数。

因此，考虑到前述缺陷而设计本发明。本发明提供一种电磁阀的控制设备和方法，它根据内燃机的工作以适当的电磁力启动阀体，并且用来简化对用于电磁阀控制的控制常数的确定。

发明内容

根据前面所述，本发明提供一种电磁阀的控制设备，该电磁阀包括起一内燃机的进气阀或排气阀作用的阀体和将一电磁力作用于设置在该阀体上衔铁的电磁铁，该衔铁基于电磁铁的电磁力使阀体在第一位置与第二位置之间移动。该电磁阀的控制设备还包括：确定装置，该确定装置用来确定当使阀体从第一位置移动到第二位置时作用于阀体的力，以及阀体根据该阀体的力变化的状态量；控制装置，该控制装置用来在阀体从第一位置移动到第二位置时，基于所确定的力和该力的目标值之间的偏差、所确定的状态量和该状态量的目标值之间的偏差之一，控制将衔铁引向第一位置的电磁铁电磁力，以便令偏差最小。

根据本发明的另一个方面，一种电磁阀控制设备的控制方法，该电磁阀包括起一内燃机的进气阀或排气阀作用的阀体和将一电磁力作用于设置在该阀体上衔铁的电磁铁，该衔铁基于电磁铁的电磁力使阀体在第一位置与第二位置之间移动。根据该控制方法，确定关于在阀体从第一位置移动到第二位置时作用于阀体的力的目标值和阀体根据该力变化的状态量。另外，当使阀体从第一位置移动到第二位置时，基于所确定的力与该力的目标值之间的偏差、所确定的状态量与该状态量的目标值之间的偏差之一，控制用来将衔铁引至第一位置的电磁铁电磁力，以使该偏差最小。

根据前述的电磁阀控制设备及其控制方法，当作用于阀体的力或根据该力变化的阀体状态量由于将阀体从第一位置移动到第二位置时汽缸压力所导致的作用于阀体的外力结果偏离目标值时，根据该偏差控制将衔铁引至第一位置的电磁铁电磁力，以使该偏差最小。因此，甚至当基于汽缸压力和进气阀与排气阀压力作用于阀体的外力根据内燃机的工作变化时，也可以每一次根据该外力适当校正电磁铁的电磁力，由此可以减少因阀体的跳动而导致的工作稳定性下降的情况。另外，由于基于前述偏差控制电磁铁的电磁力，并且将该电磁力每一次校正到适于内燃机的工作条件，所以不再需要预先得到内燃机工作条件与相应适当电磁力之间的关系。这样，可以简化对控制常数的确定。

根据本发明的再一方面，在该电磁阀的控制设备中，除电磁力外，阀体还受一弹簧的弹力启动，当基于弹簧的弹力将阀体从第一位置移动到第二位置时，确定装置把作用于阀体的力或阀体根据该力变化的状态量确定为标准值。

根据前面的结构，阀体可以从第一位置移动到第二位置，同时把作用于阀体的电磁力强度限制到最小。这样，可以限制启动阀体时功耗的增长。

根据本发明的又一方面，在电磁阀的控制设备及其控制方法中，优选的是，控制装置基于偏差进行对电磁力的反馈控制。

另外，当进行对电磁力的反馈控制时，优选的是，当进行对电磁力的反馈控制时，基于衔铁与电磁铁之间的气隙长度确定反馈增益。

根据前面的控制设备及其控制方法，阀体可以受适于衔铁与电磁铁之间气隙长度的电磁力的影响。

根据本发明的另一方面，在电磁铁的控制设备及其控制方法中，优选的是，控制装置基于电磁阀的物理模型计算使偏差最小所必需电磁力的需要值，该模型令所确定的力和状态量中至少一个作为一模型变量，并且控制装置基于该电磁需要值控制电磁力。

根据本发明的再一个方面，在电磁阀的控制设备及其控制方法中，优选的是，相对于该值的位移量和位移速度确定目标值，检测实际位移量和位移速度，基于所检测的位移量与其目标值之间的偏差和该位移量与其目标值之间的偏差控制电磁力。

根据本发明的又一个方面，在电磁阀的控制设备及其控制方法中，优选的是，将阀体的机械能量确定为目标值，检测实际机械能量，基于所检测的机械能量与其目标值之间的偏差控制电磁力。

根据本发明的另一个方面，在电磁阀的控制设备及其控制方法中，优选的是，确定作用于阀体的力的目标值，测定实际作用于阀体的力，基于所测定的力与其目标值之间的偏差控制电磁力。

附图说明

在连同附图一起考虑的情况下，通过阅读对本发明优选实施例的以下详细描述，将能更好地理解本发明的上述目的、特征、优点、技术和工业重要性，这些附图中：

图1是根据本发明每一个实施例的电磁阀控制设备的剖视图，该设备用于内燃机的排气阀；

图2是一时序图，它示出该电磁阀的阀体位移量与时间的关系；

图3是一时序图，它示出该电磁阀的位移量、前馈电流、反馈电流和驱动电流与时间的关系；

图4是一流程图，它示出根据第一实施例的电磁铁的激励控制过程；

图5是一局部视图，它示出具有根据第二实施例控制器的内燃机；

图6是一时序图，它用来解释第二实施例，并且用来示出当在完全关闭位置的阀体在打开阀方向上的位移从打开启动开始时间开始时，目标位移量和实际位移量与时间的关系；

图7是一流程图，它示出根据第二实施例的电磁铁的激励控制过程；

图8是接着图7的流程图示出该电磁铁的激励控制过程的流程图；

图9是一计算图，它示出电磁力需要值、气隙和反馈电流之间的关系；

图10是一流程图，它示出根据第四实施例的电磁铁的激励控制过程；

图11是一时序图，它用来解释第五实施例，并且用来示出当在完全关闭位置的阀体在打开阀方向上的位移从打开启动开始时间开始时，在阀体仅受摩擦阻力影响的条件下，阀体的位移量和实际位移量与时间的关系；

图12是一流程图，它示出根据第五实施例的电磁铁的激励控制过程；

图13是一时序图，它用来解释第六实施例，并且用来示出当从保持时间段移动到位移速度调节周期时，保持电流和保持之后的剩磁与时间的关系。

具体实施方式

在以下的描述中，将根据优选实施例对本发明进行更详细的描述。

第一实施例：

如下描述根据本发明的电磁阀控制设备的第一实施例，它用来打开和关闭一内燃机(下文简称为内燃机)的进气阀和排气阀。

根据第一实施例，将进气阀和排气阀构建成基于电磁铁的电磁力受到启动(即打开和关闭)的电磁阀。由于进气阀和排气阀的结构和驱动控制方法相同，所以就排气阀来解释电磁阀控制设备的驱动控制方法。

如图1所示，排气阀10包括一阀体19和用来往复摆动阀体19的电磁驱动部分21。阀体19包括阀轴20和设置在阀轴20一端上的伞状部分16，阀轴20用来往复摆动与阀轴20同轴设置且连同阀轴20一起往复摆动的衔铁轴26。

汽缸头部18形成有与燃烧室12连通的排气口14。阀座15形成于排气口14开放的周边。排气口14通过伞状部分16根据阀轴20的往复运动坐在阀座上或离开阀座得以打开和关闭。

下止动器22固定在阀轴20上与设置伞状部分16的端部相对的另一端。下弹簧24压缩地设置在下止动器22与汽缸头部18之间。阀体19在关闭阀的方向(即图1中向上的方向)上由下弹簧24的弹力偏斜。

由高磁导率材料制成的盘形衔铁28固定到接近衔铁轴26轴向方向的中央部分。上止动器30固定到衔铁轴26的一端。衔铁轴26上与固定到上止动器30上的端部相对的另一个端部接触阀轴20下止动器22一侧上的端部。

在电磁驱动部分21的外壳中(图中未示)，上铁芯32固定地位于上止动器30与衔铁28之间。该外壳中的下铁芯34固定地位于衔铁28与下止动器22之间。高磁导率材料制成的上铁芯32和下铁芯34形成为环状，衔铁轴26插入其中央部分内以用于往复运动。

上弹簧38压缩地设置在外壳内所设上帽36与上止动器30之间。阀体19在打开阀的方向(即，图1中向下的方向)上受上弹簧38弹力的偏置。

位移量传感器52设置在上帽36上。位移量传感器52根据位移量传感器52与上止动器30之间的长度输出一电压信号变量。因此，基于该电压信号检测衔铁轴26和阀轴20的位移量，即阀体19的位移量。

令衔铁轴26的轴心为中央的环形槽40形成于上铁芯32与衔铁28相对的表面上。环形上线圈42设置在环形槽40中。用于关闭阀体19的第一电磁铁(即用于关闭启动的电磁铁)61包括上线圈42和上铁芯32。

令衔铁轴26的轴心为中央的环形槽44形成于下铁芯34与衔铁28相对的表面上。环形下线圈46设置在环形槽44中。用于打开阀体19的第二电磁铁(即用于打开启动的电磁铁)62包括下线圈46和下铁芯34。

第一电磁铁61和第二电磁铁62的上线圈42和下线圈46的激励受电子控制单元(ECU)50的控制，电子控制单元50对内燃机进行总控制。ECU50由以下部分构成：一CPU；一存储器；一用来将励磁电流供给第一电磁铁61和第二电磁铁62的上线圈42和下线圈46的启动电路；一用来接收位移量传感器52检测信号的输入电路；一用来执行模数转换的模数转换器(即A/D转换器)(所有这些都未在图中示出)。

在图1的情况下，驱动电流并不供给第一电磁铁61和第二电磁铁62。图1示出阀体19的一种情况，其中在第一电磁铁61和第二电磁铁62中并未产生电磁力。在这种情况下，衔铁28不受第一电磁铁61和第二电磁铁62的吸引，而是静止于上铁芯32与下铁芯34之间的一个中间位置处，在该位置上，上弹簧24和下弹簧38的偏置力保持平衡。这种情况下，伞状部分16与阀座15分开，排气阀10半开。把前面条件下阀体19的位置确定为一中性位置。

以下将说明受第一电磁铁61和第二电磁铁62激励控制启动的排气阀10的操作。

图2是一时序图，它示出在通过打开启动使排气阀10从保持全闭情况过渡到全开情况之后，通过关闭启动使排气阀10从全开情况过渡到全闭情况时阀体19的位移量与时间之间的关系。

如图2所示，在从时间t0到时间t1的时间段中，把用来保持排气阀10全闭情况的保持电流供给用于关闭启动的第一电磁铁61。通过提供该保持电流，衔铁28受第一电磁铁61的电磁力吸引，以逆着上弹簧38的弹力接触上铁芯32，并且保持伞状部分16坐在阀座15上的状态。

在排气阀10的打开启动时间(即时间t1)开始对第一电磁铁61进行激励控制，以在一时间段(即时间t1-t2)内执行该激励控制，在该时间段内，阀体19到达一位置，该位置位于相对于中性位置阀关闭一侧的预定量以外处。在该时间段内，衔铁28与上铁芯32分开，以在打开排气阀10的方向上移动阀体19。另外，通过调节第一电磁铁61的驱动电流，控制用来在关闭阀方向上吸引阀体19(衔铁28)的电磁力，以便打开阀的位移速度不会因基于汽缸压力和排气压力的外力作用而过高。

当阀体19从全开位置移动了预定量时(即时间t2)，中止向第一电磁铁61和第二电磁铁62提供驱动电流，直到阀体19到达位于相对于中性位置阀打开一侧预定量以外处的位置(即时间t2-t3)为止。

阀体19还受上弹簧38的弹力移动。当阀体19到达位于相对于中性位置阀打开一侧预定量以外处的位置时(即时间t3)，对第二电磁铁62进行激励控制，直到阀体19到达全开位置(即时间t3-t4)为止。在此期间，通过调节第二电磁铁62的驱动电流，控制用来在打开阀方向上吸引阀体19的电磁力，以使阀体19以一预定位移速度安全到达全开位置。

当阀体19到达全开位置时(即时间t4)，把用来保持排气阀10全开状态的保持电流供给第二电磁铁62，直到预定时间段过去(即时间t4-t5)为止。通过供给保持电流，衔铁28受到第二电磁铁62的电磁力吸引，以逆着下弹簧24的弹力接触下铁芯34，并且保持伞状部分16保持在远离阀座15位置上的状态。

当在阀体19到达全开位置之后过去预定时间段时，在此期间对第二电磁铁62进行激励控制，直到阀体19到达位于相对于中性位置阀打开一侧预定量以外处的位置(即时间t5-t6)为止。在此期间，衔铁28与下铁芯34分开，以在关闭阀的方向上移动阀体19，并且通过调节第二电磁铁62的驱动电流，控制用来在打开阀方向上移动阀体19的电磁力，以便阀体19的位移速度不会因基于汽缸压力和排气压力的外力作用而过高。

当阀体19从全开位置开始移动了预定量时(即时间t6)，中止提供第一电磁铁61和第二电磁铁62的驱动电流，直到阀体19到达位于相对于中性位置阀关闭一侧预定量以外的位置(即时间t6-t7)为止。

然后，阀体19进一步由下弹簧24的弹力移动。当阀体19到达位于相对于中性位置阀关闭一侧预定量以外的位置(即时间t7)时，对第一电磁铁61进行激励控制，直到阀体19到达全闭位置(即时间t7-t8)为止。在此期间，通过调节第一电磁铁61的驱动电流，控制用来在打开阀方向上吸引阀体19的电磁力，以便阀体19以一预定位移速度安全地到达全闭位置。

当阀体19到达全闭位置(即时间8)时，把用来将排气阀10保持在全闭状态下的保持电流再次供给第一电磁铁61，直到下一个打开启动周期(即时间t8之后)为止。

这样，在根据本发明电磁阀的控制设备第一实施例中，用来在关闭阀方向上吸引阀体19的第一电磁铁61的电磁力受到控制，以便阀体19不会在打开阀体19时以如图2中虚线所示极高的速度在阀打开方向上移动。

同样，用来在打开阀方向上吸引阀体19的第二电磁铁62的电磁力受到控制，以便阀体19不会在关闭阀体19时以极高的速度在关闭方向上移动。通过以前面的方式控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，每一次都校正第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，以便即使在基于汽缸压力和排气压力作用于阀体19的外力根据内燃机的工作变化时，也能满足外力的要求，因而限制了因电磁铁的开-关操作处弹回而导致的操作稳定性降低的情况。

从排气阀10的打开启动开始到阀体19到达位于相对于中性位置阀关闭一侧预定量以外的位置为止的时间段(即图2中的时间t1-t2)，和从排气阀10的关闭启动开始到阀体19到达位于相对于中性位置阀打开一侧预定量以外的位置为止的时间段(即图2中的时间t5-t6)，这两个时间段称为位移速度调节时间段。阀体19到达全闭位置之后直到打开启动为止的时间段(即图2中的时间t0-t1和时间t8之后)，和阀体19到达全开位置之后直到关闭启动为止的时间段(即图2中的时间t4-t5)，这两个时间段称为保持时间段。

以下参照图3-4，就打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况，说明位移速度调节时间段内对第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励控制。

图3中，时序图(a)-(d)分别示出阀体19的位移量、供给第一电磁铁61的前馈电流(即FF电流)If、供给第一电磁铁61的反馈电流(FB电流)Ib、FF电流If与FB电流Ib之和(下文称为驱动电流I)的时移。

图4是一流程图，它示出第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励控制过程。该流程图中所示的一系列步骤由ECU50保持预定时间间隔反复执行。

根据这一系列步骤，首先，判断当前控制周期是否在位移速度调节时间段内(即步骤110)。若当前控制周期不在位移速度调节时间段内(即步骤110：否)，则这一系列步骤结束。

另一方面，若当前控制周期在位移速度调节时间段内(即步骤110：是，图3中的时间t1-t2)，则基于位移量传感器52的检测信号输入阀体19的实际位移量(即实际位移量x)。当阀体19在中性位置时将实际位移量确定为有一参考值(即实际位移量x＝0)，该实际位移量x表示中性位置与阀体19当前位置之间的长度。

在以实际位移量x输入之后，读入一目标位移量xt(即步骤130)，该目标位移量是实际位移量x的目标值。在阀体19根据内燃机的工作如汽缸压力和排气压力只受滑动部分处摩擦阻力作用而不受改变强度的外力作用的情况下，该目标位移量xt对应于上弹簧38的弹力在打开阀方向上从全闭位置开始自由振动阀体19时的位移量(即，在阀体19仅受摩擦阻力作用的情况下，下弹簧24的弹力在关闭阀的方向上从关闭排气阀10的全开位置开始自由振动阀体19时的位移量)。该目标位移量xt作为功能数据存储在ECU50中，该功能数据有一作为参数的经过时间，该经过时间从排气阀10的打开启动或关闭启动开始。

根据下式(1)，计算目标位移量xt与实际位移量x之差Δx(即步骤140)。

Δx＝xt-x(1)

在计算差Δx之后，判断差Δx是否大于零(即步骤150)。若差Δx等于或小于零(即步骤150：否)，则将差Δx设定为零(即步骤160)，以确定FB电流Ib在随后的处理中为零，因为与指定位置相比，阀体19位于阀关闭一侧，并且无需在打开阀的方向上用第一电磁铁61的电磁力吸引阀体19。

相反，若差Δx大于零(即步骤150：是)，则需要通过用关闭启动的第一电磁铁61在关闭阀的方向上吸引阀体19，降低位移速度，因为实际位移量x小于由基于汽缸压力和排气压力的外力所产生目标位移量xt。

接着，如下计算FF电流If(参见图3(b))(即步骤170)。通过与在位移速度调节时间段之前的保持时间段内一系列处理不同的一个处理，确定FF电流If，以使其有一将排气阀10保持在全闭位置上的值(即保持电流)。

如图3(b)所示，将FF电流If设定为一常值，其相对于保持电流有一相反方向的力，直到在排气阀10的打开或关闭启动之后的预定时间过去(即图3中时间t1-t11)为止。因此，抵消了上铁芯32和衔铁28的剩余电磁力，而衔铁28因上弹簧38的弹力迅速与上铁芯32分开，以在打开阀的方向上移动阀体19。在预定时间过去之后，将FF电流IF设定为零(即在时间t11之后)。

在计算了FF电流If之后，基于下式(2)计算Fb电流Ib(参见图3)(步骤180)。

Ib＝Kp·Δx    (2)

根据公式(2)，Kp代表一反馈增益。气隙G越大，第一电磁铁61的上铁芯32与衔铁28之间的长度越大，该反馈增益越大，因为气隙G变得越大，在第一电磁铁61中产生的磁通中穿过衔铁28的磁通比例就减小得越多，因此，必须将一相应大的驱动电流供给第一电磁铁61，以使电磁力在气隙G很大时有与衔铁28相同的强度。附带地，当关闭处于全开位置的阀体19时，气隙G是第二电磁铁62的下铁芯34与衔铁28之间的长度。

在分别计算了FF电流If和FB电流Ib之后，将FF电流和FB电流Ib之和确定为驱动电流I(参见图3(d))(即步骤190)。然后，将驱动电流I供给第一电磁铁61(即步骤200)。

如公式(2)所示，根据差Δx确定Fb电流Ib。在其中阀体19受基于汽缸压力和排气压力的外力作用的实际情况下，除外力以外，阀体19还受自身的惯性力、上弹簧38的弹力、每一个滑动部分处磨擦阻力和阻尼力等的作用。由于阀体19的状态量，即，由于实际位移量x根据前述力在这种情况下变化，所以只要将FF电流If供给第一电磁铁61，实际位移量x就会偏离目标位移量xt。

这样，在本发明的第一实施例中，为了使偏离的实际位移量与目标位移量xt相一致，根据公式(2)调节FB电流Ib的强度，以把作为FB电流Ib与FF电流If之和的驱动电流I供给第一电磁铁61。

在以前面的方式控制第一电磁铁61的电磁力之后，完成这一系列处理。在完成这一系列处理之后，上弹簧38的弹力进一步移动阀体19，阀体19到达相对于中性位置位于阀打开一侧一预定量之外的位置。然后，通过另一个处理进行对第二电磁铁62的激励控制，以通过第二电磁铁62的电磁力将阀体19安全地吸引至全开位置。

虽然如前所述说明了打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况，不过在关闭处于全开位置的阀体19时以同样的方式控制第二电磁铁62的电磁力。在从进气阀11的全开位置关闭阀体和从其全闭位置打开阀体的情况下，以同样的方式控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。

根据本发明的第一实施例，其中以前面的方式控制用来启动阀体19的电磁力，可以实现以下的操作效果。

(1)根据本发明的第一实施例，当启动阀体19且当阀体19的实际位移量x因基于汽缸压力和进气与排气压力的外力对阀体19的作用而偏离目标位移量xt时，根据实际位移量x与目标位移量xt之间的差Δx控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。因此，即使外力根据内燃机的操作变化，也可以每一次根据外力的变化将第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力校正到一适当强度，因而可以限制因开-关操作时的弹回导致的操作稳定性下降的情况。由于基于差Δx控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，并且每一次将该电磁力校正得适于内燃机的操作条件，所以无需事先通过实验得到内燃机操作条件与相应电磁力之间的关系。这样，可以简化对控制常数的确定。

(2)甚至在内燃机操作条件相同的时候，打开和关闭进气阀时的汽缸压力和打开和关闭排气阀时的汽缸压力不同，且进气压力和排气压力也不同。因此，当得到内燃机操作条件与用来基于所得到的关系控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的相应合适电磁力之间的关系时，需要考虑打开和关闭进气阀与打开和关闭排气阀10的情况，分别得到内燃机操作条件与电磁力之间的各个关系，这使得常值确定变得极其复杂。另一方面，在第一实施例中，由于基于阀体19的实际位移量x与目标位移量xt之间的差Δx对第一电磁铁61和第二电磁铁62进行反馈控制，所以无需这样复杂的确定。此外，甚至在打开和关闭进气阀与打开和关闭排气阀时，也可以用同样的逻辑适当控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。

(3)根据本发明的第一实施例，由于把仅有摩擦阻力作用于阀体19上的情况下阀体19基于下弹簧24和上弹簧38的弹力自由振动时的位移量确定为目标位移量xt，所以阀体19可以从一个位移端移动到另一个位移端，同时把第一电磁铁61和第二电磁铁62施加到阀体19上的电磁力强度限制到最小。这样，可以使启动阀体19时的功耗最小。

(4)由于每一次根据实际作用于阀体19的外力强度确定适当的驱动电流I，所以与前馈激励控制相比，可以减小启动阀体19时的功耗，前馈激励控制需要事先通过实验得到内燃机操作条件与用来控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的相应电磁力之间的关系。

(5)另外，由于基于第一电磁铁61和第二电磁铁62各自衔铁28与上、下铁芯32、34气隙G的长度而变化地确定用来计算FB电流Ib的反馈增益，所以可以将FB电流Ib作为满足气隙G长度要求的值进行计算，由此可以基于该FB电流Ib将电磁铁的适当强度用于阀体19。因此，可以改善实际位移量x相对于目标位移量xt的收敛性。

第二实施例：

如下描述根据本发明的电磁阀控制设备第二实施例，尤其是其与第一实施例的不同之处。

根据本发明的第二实施例，构建一物理模型，该模型包括作为模型变量的阀体19的位移量、阀体19的位移速度和作用于阀体19的力。通过该物理模型计算使实际位移量x与目标位移量xt相一致所必需的电磁力需要值。实际上，得到模拟启动阀体19动作的运动方程，通过基于该运动方程进行阀体19的响应分析来计算该电磁力需要值，并且基于该电磁力需要值计算FB电流Ib。

如图5所示，具有根据第二实施例的电磁阀控制设备的内燃机包括：一汽缸压力传感器54，它用来检测汽缸压力；一进气压力传感器56，它用来检测进气通道13的内部压力(即进气压力)；和一排气压力传感器58，它用来检测排气通道17的内部压力(即排气压力)。进气压力传感器56还用作检测空气-燃料比控制等中风量的传感器。虽然在包括一检测燃烧过程中最大汽缸压力——即检测燃烧压力——的燃烧压力传感器的内燃机中，汽缸压力传感器54用来估算作用于阀体19的外力，不过燃烧压力传感器也用作汽缸压力传感器54。

以下将参照图6-8就打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况说明当控制位移速度调节时间段中电磁铁61、62的激励时的过程。图6是一时序图，它就其中处于全闭位置的阀体19在打开阀方向上的位移从打开启动开始时间(即时间t(0))开始的情况，示出目标位移量xt(即，以实线示出)与实际位移量x(即以虚线示出)的时移。图7-8是流程图，它们示出了第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励控制过程。这些流程图中所示的一系列步骤由ECU保持预定时间间隔反复执行。

在这一系列步骤中，若判断当前控制周期t(i)在位移速度调节时间段内(即步骤210：是)，则输入一实际位移量x(i)(即步骤220)，并且输入一目标位移量xt(i)(即步骤230)。然后，基于下式(3)计算当前控制周期t(i)内的实际位移速度v(i)(即步骤240)。

v(i)＝(x(i)-x(i-1))/Δt               (3)

根据上式(3)，“x(i-1)”对应于前一个控制周期t(i-1)(即等于t(i)-Δt)的实际位移量(图6中所示)。

为了减小混在位移传感器52检测信号中的噪音影响，优选另外采用一滤波步骤，该步骤用来在用公式(3)计算实际位移速度v(i)之前从该位移量信号中去除噪音的高频分量。

在接下来的步骤中，根据下式(4)计算下一个控制周期t(i+1)(即等于t(i)+Δt)内的下一个目标位移速度vt(i+1)(即步骤250)。

v(i+1)＝(xt(i+1)-xt(i))/Δt                (4)

根据公式(4)，“xt(i+1)”对应于下一个控制周期t(i+1)的目标位移量(图6中所示)。作为下一个控制周期t(i+1)的目标位移量xt(i+1)，从ECU50中读入与从打开启动开始时间t(0)到下一个控制周期t(i+1)的经过时间(即等于t(i+1)-t(0))相对应的值。由于已经知道了与经过时间相对应的目标位移量xt，所以可以就存储在ECU50中的目标位移量x和目标位移量xt，通过适当地对该函数数据求微分，计算下一个控制周期t(i+1)内的目标位移速度vt(i+1)。

在计算当前周期t(i)内的实际位移速度v(i)和下一个控制周期t(i+1)内的目标位移速度vt(i+1)之后，计算通过下一个控制周期t(i+1)使实际位移速度v(i)与目标位移速度vt(i+1)相一致所必需的阀体19的加速度必需值“a”(即步骤260)。

a＝(vt(i+1)-v(i))/Δt                (5)

从上式(5)可知，根据本发明的第二实施例，基于实际位移速度“v”和目标位移速度vt之差，即，基于这种情况下的差(vt-v)计算加速度必需值“a”。

根据下式(6)，确定作用于阀体19的外力F(即步骤270)。

F＝Fp+Ff        (6)

根据上式(6)，“Fp”对应于基于汽缸压力和排气压力作用于阀体19尤其是伞状部分16的力，根据下式(7)计算该力。在确定作用于进气阀11阀体的力的情况下，采用通过进气压力传感器56检测的进气压力而不是排气压力。

Fp＝K₁·(Pc-Pe)        (7)

K₁：常数

Pc：汽缸压力

Pe：排气压力

根据上式(6)，“Ff”对应于排气阀10每一个滑动部分处的摩擦阻力，这是事先通过实验取得的常值。摩擦阻力的强度根据滑动部分的润滑条件变化，尤其是根据润滑油的温度变化。这样，例如，可以通过将摩擦阻力Ff确定为内燃机温度的函数，通过确定(内燃机冷却水温度所确定的)内燃机温度越高，摩擦阻力Ff越大，得到摩擦阻力Ff。

通过将排气阀10模拟为弹簧/质量振动系统，可以得到以下运动方程(8)。

m·a+c·v(i)+k·x(i)＝F+Fem        (8)

根据该动态方程(8)，“m”对应于基于阀体19和排气阀10活动部分的质量确定的弹簧/质量振动系统。“c”对应于基于根据排气阀10滑动部分的滑动速度所产生的阻力确定的弹簧/质量振动系统模型的阻尼常数。此外，“k”对应于基于上弹簧38和下弹簧24的弹力特性确定的弹簧/质量振动系统模型的弹簧常数。“Fem”对应于所需用来使阀体19的实际位移速度v(i)与目标位移速度vt(i+1)相一致的第一电磁铁61的电磁力需要值。

从动态方程(8)得到下式(9)。基于下式(9)，计算该电磁力需要值Fem(步骤280)。

Fem＝m·a+c·v(i)+k·x(i)-F        (9)

判断电磁力需要值Fem是否大于零(即步骤290)。若电磁力需要值Fem等于或小于零(即步骤290：否)，则FB电流Ib设定为零(即步骤310)，因为无需通过第一电磁铁61的电磁力在打开阀体19的方向上吸引阀体19。

另一方面，若电磁力需要值Fem大于零(即步骤290：是)，则基于电磁力需要值Fem计算FB电流Ib(即步骤300)。图9是一示出电磁力需要值Fem、气隙G和计算FB电流Ib所涉及的FB电流Ib之间的关系图。图中所示的关系事先作为功能数据存储在ECU50中。

如图9所示，电磁力需要值Fem越大，且气隙G越长，则确定越大的FB电流Ib。由于关于下式(10)所示的电磁力需要值Fem、气隙G和FB电流Ib的以下关系，所以设计成以前面的方式确定FB电流。

Fem∝(Ib/G)²          (10)

如在图4所示的步骤170中那样，计算FF电流If(即步骤320)。然后，将FF电流If和FB电流Ib之和(即If+Ib)确定为驱动电流I(即步骤330)，将该驱动电流I供给第一电磁铁61(即，步骤340)。在控制第一电磁铁61的电磁力之后，或者在步骤210中确定当前控制周期(i)不在位移速度调节时间段内(即步骤201：否)时，完成这一系列步骤。

虽然已经描述了打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况，不过若关闭处于全开位置的阀体19，则以同样的方式控制第二电磁铁62的电磁力。在从全开位置开始关闭进气阀11的阀体和从全闭位置开始打开阀体的情况下，以同样的方式控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。虽然可以在构建进气阀11的运动方程时采用排气阀10的运动方程，不过优选的是，根据进气阀11规格确定每一个模型常量m，c，k，以便以更高的精度进行控制。

根据以前面的方式控制启动阀体19的电磁力的本发明第二实施例，除第一实施例中所述的操作效果(2)-(4)之外，可以实现以下的操作效果。

(6)根据本发明的第二实施例，根据随作用于阀体19的变力而变化的阀体19的状态量确定加速度需要值“a”，也就是说，根据阀体19的实际位移速度“v”和目标值(即目标位移速度vt)之差(vt-v)确定。基于包括作为一参数的加速度需要值“a”的运动方程计算第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力需要值Fem。因此，在阀体19的实际位移速度“v”由于因启动阀体19时的汽缸压力和进气压力以及排气压力导致的对阀体19的外力作用而偏离目标位移速度vt的情况下，根据电磁力需要值Fem控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，以使实际位移速度“v”与目标位移速度vt相一致。这样，即使根据内燃机操作改变外力，也可以每一次将电磁铁61、62的电磁力校正到适当强度，由此减少出现因开-关操作时的弹回导致的操作稳定性降低的情况。由于每一次都基于电磁力需要值Fem控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，以将电磁力校正到适于内燃机操作条件，所以不再需要事先通过实验得到内燃机操作条件与相应适当电磁力之间的关系。这样，可以简化对控制常量的确定。

(7)根据本发明的第二实施例，根据将排气阀10或进气阀11构建模型作为弹簧/质量振动系统的模型(即运动方程)，计算电磁力需要值Fem。这样，与基于实际位移量x与目标位移量xt之差Δx计算的Fb电流Ib的情况相比，可以确定FB电流Ib的强度，同时确认阀体19的动态性能。因此，可以通过基于FB电流Ib将适当的电磁力作用于阀体19上，降低位移速度。由此，可以改善阀体19的实际位移量x和实际位移速度“v”相对于目标位移量xt和目标位移速度vt的收敛性。

(8)根据本发明的第二实施例，由于即使在根据电磁力需要值Fem计算FB电流Ib时电磁力需要值Fem是相同的，也基于气隙G的长度变化地确定FB电流Ib，所以可以将FB电流Ib作为与气隙G的长度相应的值计算，并且可以基于该FB电流Ib为阀体19提供适当的电磁力强度。由此，可以进一步改善阀体19的实际位移量x和实际位移速度“v”相对于目标位移量xt和目标位移速度vt的收敛性。

第三实施例：

如下描述根据本发明的电磁阀控制设备第三实施例，尤其是其与第二实施例的不同之处。

在第二实施例中，基于公式(3)计算实际位移速度“v”(即图7中的步骤240)。根据内燃机操作作用于阀体19的力，即根据关于排气阀10的汽缸压力与排气压力之间的压差作用于阀体19的力或者根据关于进气阀11的汽缸压力与排气压力之间的压差作用于阀体19的力，是基于分别由压力传感器54、56和58所检测的汽缸压力、排气压力和进气压力确定的。通过在滑动部分上增加作用于阀体的力和摩擦阻力，确定作用于阀体19的外力F(即图7中的步骤270)。

另一方面，在本发明的第三实施例中，确定一观测器，它用来基于一弹簧/质量振动系统模型观测阀体19的内部状态，该模型用来模拟阀体19的打开和关闭动作。通过采用观测器，确定阀体19的实际位移速度“v”，并且确定根据汽缸压力与排气压力之间或者汽缸压力与进气压力之间的压差作用于阀体19的力Fp和阀体19滑动部分上摩擦阻力Ff的合力(即外力F)。这样，在根据本发明第三实施例的电磁阀控制设备中，将汽缸压力传感器54和排气压力传感器58排除在外。进气压力传感器56用于空气燃料比控制。

以下就判断作用于排气阀10的外力的情况说明观测器判断外力的过程。

通过将排气阀10构建模型称为弹簧/质量振动系统，可以得到下面的运动方程(11)。在运动方程(11)中，模型常量“m”、“c”、“k”与方程(8)中定义的量相同。“x”对应于阀体19的位移量。“u”对应于弹簧/质量振动系统模型的控制输入量，即第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。“w”对应于作用于阀体19的外力，这是根据汽缸压力与排气压力之间的压差作用于阀体19的力和阀体19滑动部分上的摩擦阻力的合力。

$m·\stackrel{··}{x}+c·\stackrel{·}{x}+k·x=w+u---\left(11\right)$

状态变量X如下式(12)所示定义。

$X=\left(\begin{array}{c}x\\ \stackrel{·}{x}\\ w\end{array}\right)---\left(12\right)$

根据公式(11)、(12)，得到设计排气阀10弹簧/质量振动系统模型的下式(13)。

$\stackrel{·}{X}=A·X+B·u---\left(13\right)$

$A=\left(\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ -k/m& -c/m& 1/m\\ 0& 0& 0\end{array}\right)$

$B=\left(\begin{array}{c}0\\ 1/m\\ 0\end{array}\right)$

另一方面，排气阀10的弹簧/质量振动系统模型的输出方程如下式(14)。

Y＝C·X    (14)

C＝(1  0  0)

若将状态变量X的确定值确定为Z，则用来得到确定值Z的观测器将如下式(15)那样。根据公式(15)，L对应于一观测增益。

$\stackrel{·}{Z}=A·Z+B·u+L·(Y-C·Z)---\left(15\right)$

$Z=\left(\begin{array}{c}\bar{x}\\ \overline{\stackrel{·}{x}}\\ \bar{w}\end{array}\right)$

(对应于x，w的估算值)

根据以下由公式(13)-(15)得到的公式(16)，得到状态变量X与估算值之间的估算误差“e”(即X-Z)。

$\stackrel{·}{e}=(A·L·C)e---\left(16\right)$

因此，通过适当涉及观测增益L以使根据公式(16)得到的估算误差“e”收敛于零，可以根据公式(15)计算估算值Z。换句话说，可以估算阀体19的位移速度(即实际位移速度“v”)。这样，例如，当在公式(13)、(15)中将控制输入量“u”确定为零时，估算外力“w”。该估算的外力“w”对应于根据汽缸压力与排气压力之间的压差作用的力Fp、磨擦阻力Ff和第一电磁铁61与第二电磁铁62的电磁力之和。因此，通过从估算的外力“w”中减去当前在第一电磁铁61和第二电磁铁62中产生的电磁力，可以估算根据汽缸压力与排气压力之间的压差和磨擦阻力Ff的合力——外力。

根据本发明的第三实施例，基于阀体19的实际位移速度“v”和目标位移速度vt计算加速度需要值“a”，该实际位移速度“v”是经观测器估算的，该目标位移速度vt是由公式(4)计算的(即图7中的步骤260)。基于加速度需要值“a”和经观测器估算的外力F计算电磁力需要值Fem(即步骤280)。由电磁力需要值Fem计算FB电流Ib，然后基于由FB电流Ib和FF电流If得到的驱动电流I有选择地控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励(即步骤290-340)。

虽然就估算作用于排气阀10阀体19的外力的情况说明了本发明的第三实施例，不过也可以根据同样的程序得到作用于进气阀11阀体的外力。虽然可以在构建进气阀11的运动方程时采用排气阀10的运动方程，不过优选的是，根据进气阀11的规格确定每一个模型常量m，c，k，以便以更高的精度进行控制。

根据以前面的方式控制启动阀体19的电磁力的本发明第三实施例，除第一和第二实施例中所述的操作效果之外，还可以实现下面的操作效果。

(9)由于采用了用来基于模拟阀体19开、关动作的弹簧/质量振动系统模型观测阀体19内部状态的观测器，并且用该观测器估算作用于阀体19的外力，所以无需另外设置用来估算外力如汽缸压力和排气压力的传感器。这样，可以简化电磁阀控制设备的结构。

(10)根据本发明的第三实施例，不仅可以根据依内燃机操作条件变化的力精确地估算外力F，还可以甚至在阀体19滑动部分上摩擦阻力例如随内燃机温度变化时，根据阀体19滑动部分上摩擦阻力的波动进行估算。因此，可以在估算外力F时实现更精确的估算，并且可以改善实际位移量x和实际位移速度“v”相对于目标位移量xt和目标位移速度vt的收敛性。

(11)当如公式(3)所示通过对位移量传感器52的检测信号求微分，计算阀体19的实际位移速度“v”时，并且当有噪声混在该位移量传感器52的检测信号中时，计算精度可能因为通过微分增强噪声影响而降低。根据第三实施例，由于也可以通过用观测器估算阀体19的实际位移速度“v”，所以可以限制噪声的影响。这样，可以进一步改善实际位移量x和实际位移速度“v”相对于目标位移量xt和目标位移速度vt的收敛性。

第四实施例：

如下描述根据本发明的电磁阀控制设备第四实施例，尤其是其与第二实施例的不同之处。

第二实施例与第四实施例之间的差别在于，在第四实施例中，并不是基于运动方程，而是基于能量守恒的原理形成阀体的物理模型。

实际上，将阀体19的实际机械能量(即动态能量和弹性能量之和)计算为阀体19的状态量，该状态量根据作用于阀体19的变力改变。另外，确定是实际机械能量目标值的目标机械能量，以计算目标机械能量与实际机械能量之差。此外，基于关于阀体19的能量守恒原理和能量差，计算电磁力需要值。由于无需基于压力传感器的检测结果估算外力F，所以排除了汽缸压力传感器54和排气压力传感器58。进气压力传感器56用于空气-燃料比控制。

以下就打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况，参照图6的时序图和图10的流程图，说明位移速度调节时间段内控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励的过程。在根据本发明第四实施例的电磁阀控制器中，图7-8的流程图中所示的一部分过程以不同的方式执行。图10示出了变化的步骤。

根据图7中所示的过程，在每次执行了步骤210-240之后，基于例如下式(17)计算当前控制周期t(i)内的目标位移速度vt(i)。

vt(i)＝(xt(i)-xt(i-1))/Δt           (17)

根据公式(17)，xt(i-1)对应于前一个控制周期t(i-1)的目标位移量(参见图6)。由于已知对应于经过时间的目标位移量xt，所以可以通过适当对关于存储在ECU50存储器中目标位移量xt的函数数据求微分，计算当前控制周期t(i)内的目标位移速度vt(i)。可以类似地计算下一个控制周期t(i+1)内的目标位移速度vt(i+1)(即图7的步骤250)。

基于下式(18)计算当前控制周期t(i)内阀体19的实际机械能量E(即步骤262)。

$E=\frac{1}{2}m·v{\left(i\right)}^2+\frac{1}{2}k·x{\left(i\right)}^2---\left(18\right)$

上式(18)右边第一项对应于动态能量。“m”对应于基于排气阀10的活动部分如阀体19的质量确定的常数。上式(18)右边第二项对应于弹性能量。“k”对应于基于上弹簧38和下弹簧24的弹性确定的常数。

根据下式(19)，计算当前控制周期t(i)的目标机械能量Et(即步骤264)。

$\mathrm{Et}=\frac{1}{2}m·\mathrm{vt}{\left(i\right)}^2+\frac{1}{2}k·x{\left(i\right)}^2---\left(19\right)$

这样，在分别计算了实际机械能量E和目标机械能量Et之后，基于公式(20)计算实际机械能量E与目标机械能量Et之间的能量差ΔE(即步骤272)。

ΔE＝E-Et        (20)

能量差ΔE根据作用于阀体19的外力变化，该外力例如是根据内燃机操作条件和滑动部分上的摩擦阻力起作用的力。由外力基于汽缸压力等在打开阀的方向上吸引阀体19时的工作量越大，能量差ΔE越大。例如，当阀体19上没有外力作用时，阀体19的机械能量一直恒定，永远不会改变。但是，实际上，阀体19的机械能量受外力影响而变化，在实际机械能量E与目标机械能量Et之间产生偏差。因此，通过取得实际机械能量E与目标机械能量Et之间的能量差ΔE，以基于该能量差ΔE确定电磁力需要值Fem，在不直接取得外力和通过反映外力的影响的情况下，可以控制电磁力。

这种情况下，实际控制方式如下。也就是说，为了使当前控制周期t(i)的实际机械能量E与目标机械能量Et相一致，需要用经第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力作的功(即工作量Fem(xt(i)-x(i)))抵消能量差ΔE。也就是说，需要在能量差ΔE与工作量Fem(xt(i)-x(i))之间实现下式(21)所示的关系。

ΔE＝Fem(xt(i)-x(i))            (21)

因此，基于由公式(21)得到的下式(22)计算电磁力需要值Fem(即步骤282)。

Fem＝ΔE/(xt(i)-x(i))           (22)

在计算电磁力需要值Fem之后，确定能量差ΔE是否大于零(即步骤292)。若能量差ΔE等于或小于零(即步骤292：否)，则由阀体19通过基于汽缸压力的外力实现的工作量小，且阀体19不在打开阀的方向上以过高的速度移动。这样，在这种情况下，由于无需用第一电磁铁61(用于关闭启动的电磁铁)的电磁力在关闭阀方向上吸引阀体19，所以将FB电流Ib设定为零(即步骤310)。

另一方面，若能量差ΔE大于零(即步骤292：是)，需要通过在打开阀的方向上吸引阀体19来降低阀体19的位移速度。这样，在这种情况下，基于电磁力需要值Fem计算FB电流Ib(即步骤300)。

然后，通过图8所示步骤320-340计算驱动电流I，并且基于驱动电流I控制第一电磁铁61的激励。

虽然如上所述说明了打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况，不过在关闭处于全开位置的阀体19时可以以同样的方式控制第二电磁铁62的电磁力。当关闭进气阀11的阀体时和将进气阀11的阀体从全闭位置打开时，以同样的方式控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。

虽然在构建进气阀11的运动方程时可以采用排气阀10的运动方程，不过优选的是，根据进气阀11的规格确定每一个模型常量m，k，以便以高精度进行控制。

根据其中以前面的方式控制启动阀体19的电磁力的本发明第四实施例，除了第二实施例中所述的操作效果和第三实施例第(9)条中所述的操作效果之外，可以实现以下操作效果。

(12)根据本发明的第四实施例，用能量守恒原理计算电磁力需要值。根据该计算，把作用于阀体19上的外力如根据内燃机操作条件和滑动部分上摩擦阻力起作用的力的影响反映为能量差ΔE的程度。这样，无需直接估算外力本身。因此，无需另外设置估算外力的传感器，且可以简化电磁阀控制设备的构建。

第五实施例：

如下描述根据本发明的电磁阀控制设备第五实施例，尤其是其与第一实施例不同之处。

根据第一实施例，在阀体19仅仅受滑动部分上的摩擦阻力作用而不受根据内燃机操作条件变化的外力作用的情况下，把基于每一个弹簧24、38的弹力使阀体19从全闭位置开始或同全开位置开始自由振动时的位移量确定为目标位移量xt。在第一实施例中，当实际位移量x偏离目标位移量时，把FB电流Ib确定为适当强度，以抵消其间的偏差Δx。基于汽缸原理和进气与排气压力的外力作用是造成实际位移量x偏离目标位移量xt的主要因素。

依据前面所述，根据第五实施例，通过以与第一电磁铁62和第二电磁铁62反方向的力产生电磁力，基于弹簧/质量振动系统模型估算外力，该系统模型用来模拟阀体19的打开和关闭动作，在阀体19仅仅受每一个滑动部分上摩擦阻力的作用的情况下，启动阀体19(即打开/关闭)。也就是说，根据第五实施例，通过将摩擦阻力确定为作用于阀体19的外力目标值，在位移速度调节时间段内第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力受控，以使实际作用于阀体的外力与一目标值一致。虽然第一实施例中在单独计算FF电流If和FB电流Ib之后，把FF电流If和FB电流Ib之和确定为驱动电流I，但是在第五实施例中，直接基于目标值与实际作用于阀体19的外力之差计算驱动电流I。

以下参照图11-12，就打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况，说明根据第五实施例的第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励控制过程。图11是一时序图，它示出在打开阀方向上将处于全闭位置的阀体19位移从打开启动开始时间(即时间t(0))起的情况下，阀体19仅仅受摩擦阻力作用时的位移量(即以实线所示的)与实际位移量x(即以虚线所示的)的时移。图12是一流程图，它示出第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励控制过程。该流程图中所示的一系列步骤由ECU50保持预定时间间隔反复执行。

根据这一系列步骤，首先，确定当前控制周期t(i)是否在位移速度调节时间段内(即步骤410)。若确定当前控制周期不在位移速度调节时间段内(即步骤410：否)，则这一系列步骤结束。在位移速度调节时间段之前的保持时间段内，将确定电流I确定为一值(保持电流)，该值用来通过与这一系列执行步骤不同的另一个执行步骤将排气阀10保持在全闭状态。

另一方面，若当前控制周期t(i)在位移速度调节时间段内(即步骤410：是)，则根据公式(3)计算当前控制周期t(i)内的实际位移速度v(i)(即步骤430)。

根据下式(23)，计算当前控制周期t(i)内阀体19的加速度a(i)(即步骤430)。

a(i)＝(v(i)-v(i-1))/Δt              (23)

根据上式(23)，v(i-1)对应于在前一个控制周期t(i-1)计算的实际位移速度(即等于t(i)-Δt)(参见图11)。

在一前述方式计算了当前控制周期t(i)内的实际加速度a(i)和实际位移速度v(i)之后，根据下式(24)计算当前控制周期t(i)内作用于阀体19的实际电磁力f(i)(即步骤450)。

f(i)＝K₂·(I/G)²+K₃                  (24)

K₂，K₃：常数

根据上式(24)，I对应于在前一个控制周期t(i-1)计算的驱动电流(即命令值)。G对应于当前周期t(i)气隙的长度。当相对于当前控制周期t(i)第一电磁铁61输出的驱动电流强度可以由ECU50观察时，实际驱动电流的值可以由上式(24)替代，而不是由驱动电流的命令值替代。

通过将排气阀10模拟为弹簧/质量振动系统，可以得到以下的运动方程。

m·a(i)+c·v(i)+k·x(i)＝F+f(i)            (25)

根据该运动方程(25)，每一个模型常量m，c，k都与上式(8)中定义的量相同。F对应于外力F，即，基于汽缸压力作用于阀体19的力Fp与摩擦力Ff的合力。

根据从运动方程(25)得到的下式(26)，计算外力F(即步骤460)。

F＝m·a(i)+c·v(i)+k·x(i)-f(i)            (26)

在计算了外力F之后，基于下式(27)计算外力F和目标值Ft(即目标外力)之差ΔF(即步骤470)。

ΔF＝Ft-F                                  (27)

(Ft＝Ff)

如上所述，根据本发明的第五实施例，将目标外力Ft确定为阀体19每一个滑动部分上的摩擦阻力Ff。因此，当没有基于汽缸压力的力Fp作用于阀体19时，外力差ΔF计算为零。另一方面，当基于汽缸压力的力Fp沿在打开阀的方向上移动阀体19的方向(即，在关闭处于启动状态的阀的方向上移动阀体19的方向)作用于阀体19时，外力差ΔF变为大于零。此外，Fp的强度(|Fp|)越大，外力差ΔF越大。因此，通过产生与第一电磁铁61中(与处于关闭启动状态的第二电磁铁62)外力差ΔF强度相同的电磁力，用该电磁力抵消作用于阀体19的基于汽缸压力的力Fp。这样，在只有摩擦阻力Ff作用于阀体19的情况下，在打开阀的方向上移动阀体19。

然后，确定外力差ΔF是否大于零(即步骤480)。若外力差ΔF等于或小于零(即步骤480：否)，则将驱动电流I(即命令值)确定为零，因为基于汽缸压力的力Fp不在打开阀的方向上作用于阀体19，由此无需通过在打开阀的方向上吸引阀体19来降低位移速度(即步骤500)。

另一方面，若外力差ΔF大于零，则基于下式(28)计算驱动电流I，以用第一电磁铁61的电磁力抵消力Fp，因为基于汽缸压力等的力Fp在打开阀的方向上作用于阀体19(即步骤490)。

$I=K_4·G·\sqrt{\mathrm{\Delta F}}+K_5---\left(28\right)$

K₄，K₅：常数

从当前控制周期t(i)到下一个控制周期t(i+1)之前为止，将驱动电流I供给第一电磁铁61(即步骤510)。在以前面的方式控制第一电磁铁61的电磁力之后，完成这一系列步骤。

虽然如上所述说明了打开处于全闭位置的排气阀10阀体19的情况，不过在关闭处于全开位置的阀体19时可以以同样的方式控制第二电磁铁62的电磁力。当关闭进气阀11的阀体时和将进气阀11的阀体从全闭位置打开时，以同样的方式控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。

虽然在构建进气阀11的运动方程时可以采用排气阀10的运动方程，不过优选的是，根据进气阀11的规格确定每一个模型常量m，c，k，以便以高精度进行控制。

根据其中以前面的方式控制阀体19的本发明第五实施例，除了第一实施例第(4)条中所述的操作效果之外，还可以实现以下操作效果。

(13)根据本发明的电磁阀控制设备第五实施例，用把排气阀10或进气阀11模拟为弹簧/质量振动系统的模型(即运动方程)估算作用于阀体19的外力F，然后基于所估算的外力F与目标外力Ft(即摩擦阻力Ff)之差ΔF控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。因此，当作用于阀体19的外力F强度因基于汽缸压力和进气与排气压力的外力在启动阀体19时对阀体19的作用而偏离目标外力Ft时，基于该外力差ΔF控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，以使外力F与目标外力Ft一致。这样，即使基于汽缸压力和进气与排气压力的力Fp根据内燃机的操作变化，也可以每一次将第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力校正到一适当值，可以限制因开-关操作时的弹回导致的操作稳定性下降。此外，由于根据如前所述的外力差控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，并且每一次将该电磁力校正得适于内燃机的操作条件，所以无需再得到内燃机操作条件与相应电磁力之间的关系。这样，可以简化对控制常数的确定。

(14)根据第五实施例，根据将排气阀10和进气阀11构建模型作为弹簧/质量振动系统的模型(即运动方程)，计算外力F，并且基于外力F与目标外力Ft之差ΔF计算驱动电流I。这样，可以确定驱动电流I的强度，同时确认阀体19的动态性能，由此可以通过基于驱动电流I将适当的电磁力作用于阀体19上，降低位移速度。因此，可以改善外力F相对于目标外力Ft的收敛性。

(15)由于基于用来模拟阀体19打开和关闭状态的弹簧/质量振动系统模型估算作用于阀体19的外力F，所以无需另外设置估算外力F的传感器，如汽缸压力传感器和排气压力传感器。这样，可以简化电磁阀控制设备的结构。

(16)由于基于作用于阀体19的外力F与目标外力Ft之差ΔF控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力，所以不再需要复杂的推导，例如得到内燃机操作条件与关于排气阀10和进气阀的其相应适当电磁力之间的关系。这样，可以在打开和关闭进气阀11时与打开和关闭排气阀10时，采用相同的逻辑适当控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。

(17)由于把相对于作用于阀体19外力的目标外力Ft预定为阀体19每一个滑动部分上的摩擦阻力Ff，所以可以在位移速度调节时间段内，将阀体19从一个位移端移动到另一个位移端，同时使从第一电磁铁61和第二电磁铁62提供给阀体19的电磁力的强度最小。这样，可以降低启动阀体19时的功耗。

(18)由于外力差ΔF即使在由外力差ΔF计算驱动电流I时是相同的，也基于气隙G的长度可变地确定驱动电流I，所以可以将驱动电流I计算为与气隙G的长度相对应的值，并且可以相对于阀体19提供适当的电磁力强度。由此，可以改善外力F相对于目标外力Ft的收敛性。

第六实施例：

如下描述根据本发明的电磁阀控制设备第六实施例，尤其是其与第五实施例不同之处。

如上所述，在位移速度调节时间段之前的保持时间段内，为了将阀体19保持在全闭位置或全开位置上，将保持电流供给第一电磁铁61或第二电磁铁62。通过预定的电磁力，将阀体19(衔铁28)吸引至与第一电磁铁61的上铁芯32相接触，或者与第二电磁铁62的下铁芯34相接触。当该保持时间段结束并且位移速度调节时间段开始时，中止提供保持电流，消除已吸引阀体19的第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力。

但是，实际上，即使在中止提供保持电流以后，也在衔铁28和上、下铁芯32、34中产生剩余磁力。另外，当控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的驱动电路以中止提供保持电流时，存在一预定响应延迟，直到实际保持电流为零为止。因此，如图13所示，当在从保持时间段过渡到位移速度调节时间段之后启动阀体19时，从打开或关闭启动开始到预定时间过去为止(即，时间t0-t1)，因剩余磁力和保持电流的响应延迟在第一电磁铁61和第二电磁铁62中产生的电磁力(即下文称作保持后剩余电磁力Fr)作用于阀体19。这样，通过保持后剩余电磁力Fr在关闭(即打开启动位置上的)阀的方向上或打开(即关闭启动位置上的)阀的方向上吸引阀体19。

因此，当在不考虑保持后剩余电磁力Fr影响的情况下确定驱动电流I时，就在从保持时间段过渡到位移速度调节时间段之后，过强的电磁力作用于阀体19，因为由于有与保持后剩余电磁力Fr相对应的量，用来在关闭(即打开启动位置上的)阀的方向上或打开(即关闭启动位置上的)阀的方向上吸引阀体19的第一电磁铁61和第二电磁铁62的每一个电磁力变得更大。

当如第五实施例中所示通过观察实际供给第一电磁铁61和第二电磁铁62的驱动电流，基于实际驱动电流计算实际电磁力f(i)(即图12中的步骤450)时，即使在因保持电流的响应延迟而过渡到位移速度调节时间段之后，也可以考虑第一电磁铁61和第二电磁铁62中产生的电磁力计算驱动电流I(即命令值)。但是，这种情况下，需要设置另外的机构以在ECU50观察实际驱动电流，这增加了结构的复杂性。此外，甚至在这种情况下，不能考虑衔铁28和上、下铁芯32、34中产生的保持后剩余电磁力Fr。

依据前面所述，在根据本发明的电磁阀控制设备第六实施例中，在阀体19不受基于汽缸压力和进气与排气压力的力Fp影响的情况下启动(即打开和关闭)阀体时，作用于阀体19的力即事先通过实验得到的保持后剩余电磁力Fr与摩擦阻力Fr的合力被如下式(29)所示确定为目标外力Ft。

Ft＝Fr+Ff             (29)

通过图12所示的一系列步骤，计算目标外力Ft与实际作用于阀体19的外力F之差ΔF。然后，基于由差ΔF计算的驱动电流I控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的激励。

根据其中以前面的方式控制启动阀体19时的电磁力的本发明第六实施例，除了第五实施例中提到的操作效果外，还可以实现以下的操作效果。

(19)由于将目标外力Ft预定为保持后剩余电磁力Fr与摩擦阻力Ff的合力，并且基于其间的差ΔF控制第一电磁铁61和第二电磁铁62的电磁力以便实际外力F与目标外力Ft相一致，所以可以在第一电磁铁61和第二电磁铁62中产生与保持后剩余电磁力Fr相对应的适当电磁力，而不必增大结构的复杂性，例如设置用来观察实际驱动电流的机构。这样，可以进一步适当控制因开-关操作时弹回而导致的操作稳定性下降的情况。

虽然已经参照上述实施例说明了本发明，不过本发明的实施例结构可以如下改变。

虽然在前面的实施例中，在通过以提供保持电流产生的电磁力将阀体19保持在全闭位置或全开位置的保持时间段内，将保持电流供给第一电磁铁61和第二电磁铁62，但是也可以通过将第一电磁铁61和第二电磁铁62的上、下铁芯32、34设置成永久磁铁，将阀体19保持在全闭位置或全开位置。这种情况下，通过在第一电磁铁61和第二电磁铁62中产生与永久磁铁产生的磁通方向相反的磁通，抵消了永久磁铁的磁通。

虽然根据第一至第四实施例，相对于实际位移量x确定目标位移量xt，并且必要时根据目标位移量xt计算目标位移速度vt，但是也可以预定相对于阀体19实际位移量x的目标位移速度vt，以将其事先存储在ECU50中。

虽然根据第一实施例，只在计算FB电流Ib时计算PID控制的比例(P)项(即等于Kp·Δx)，但是也可以另外计算积分项(即等于∫Ki·Δx·dt)和微分项(即等于Kd·d(Δx)/dt)。同样，当由电磁力计算驱动电流I需要基于能量差ΔE计算的值Fem时，除比例项以外，可以另外计算积分项和微分项。当以该方式构建时，作用于阀体19的外力F相对于目标值的收敛性和根据外力F变化的状态量相对于目标值的收敛性可以得到改善。

虽然根据第一实施例，将差Δx计算为表示实际位移量x与目标位移量xt之差的参数，不过，例如可以通过实际位移量x与目标位移量xt(即x/xt之比)估算该差值。同样，在第五和第六实施例中，实际作用于阀体19的外力F与目标外力Ft之差可以由二者之比(即F/Ft)估算。

根据第二实施例，基于汽缸压力与排气压力之间的压差估算根据内燃机关于排气阀10的载荷起作用的力。需集中注意的是，总的来说排气压力的波动相对汽缸压力的波动较小，汽缸压力根据内燃机操作条件变化很大，通过假定排气压力为常量，可以仅基于汽缸压力估算作用于排气阀10的力。或者可以基于汽缸压力估算排气压力，因为汽缸压力和排气压力彼此相互关联。这样，可以去除排气压力传感器58，简化了控制器的结构。

虽然通过第二实施例中的进气压力传感器直接检测用来估算外力的进气压力，不过可以基于由例如空气流量计检测的内燃机转速和进气量来估算进气压力。

虽然在第二实施例中，基于当前控制周期t(i)的实际位移速度v(i)和下一个控制周期t(i+1)的目标位移速度vt(i+1)计算阀体19的加速度需要值“a”，不过可以基于当前控制周期t(i)的实际位移速度v(i)和目标位移速度vt(i)计算加速度需要值a”。

虽然在第四实施例中，基于当前控制周期t(i)的阀体19实际机械能量E与目标机械能量Et之间的能量差ΔE计算电磁力需要值Fem，不过也可以基于当前控制周期t(i)的实际机械能量E与下一个控制周期t(i+1)的目标机械能量Et之间的能量差ΔE计算电磁力需要值Fem。

虽然在第四实施例中基于公式(22)计算电磁力需要值Fem，不过可以将当前控制周期t(i)作用于阀体19的外力与抵消所估算外力的值之和设定为电磁力需要值Fem，该抵消所估算外力的值即为，由公式(23)得到的相反方向上的力。在这种结构中，由于以前馈的方式抵消了外力所产生的能量差ΔE，所以可以进一步提高实际位移量x和实际位移速度“v”相对于目标位移量xt和目标位移速度vt的收敛性。如第二实施例中所述，可以基于压力传感器54、56、58的检测信号估算外力，或者用如第三实施例中所述的观测器估算外力。

虽然根据第五和第六实施例把阀体19滑动部分上产生的摩擦阻力Ff或摩擦阻力Ff与保持后剩余电磁力Fr的合力确定为目标外力Ft，不过可以将目标外力Ft确定为零或仅仅为保持后剩余电磁力Fr。

虽然根据第五和第六实施例，基于外力差ΔF直接计算第一电磁铁61和第二电磁铁62的驱动电流I，不过也可以将驱动电流I计算为FB电流Ib与FF电流If之和，根据气隙G将FB电流Ib计算为外力差ΔF与反馈增益之积，而将FF电流If确定为与从保持时间段过渡到位移速度调节时间段之后预定时间过去为止的保持电流方向相反的常数。此外，在这种情况下，可以将FB电流Ib计算为积分项与微分项以及比例项之和。

虽然在第五和第六实施例中，就模拟阀体19打开和关闭状态的弹簧/质量振动系统模型，基于从运动方程(25)中得到的公式(26)估算了外力F，不过可以基于如第三实施例中所述的弹簧/质量振动系统模型，利用观测阀体内部状态的观测器来估算外力F。

尽管已经参考本发明的优选实施例描述的本发明，不过应当理解的是，本发明并不限于这些优选实施例。相反，意欲令本发明覆盖各种修改和等同设置。另外，尽管在各种结合和结构中示出了优选实施例的各种部件，不过它们只是示例性的。包括更多、更少或单独一个部件的其他结合和结构也在本发明的实质和范围内。