KR100303227B1

KR100303227B1 - 하나 이상의 용량성 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100303227B1
Application number: KR1019997005457A
Authority: KR
Inventors: 크리스찬 호프만; 헬무트 프로이덴베르크; 하르트무트 게르켄; 마르틴 헤커; 리하르트 피르클
Original assignee: 칼 하인쯔 호르닝어; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2001-09-29
Also published as: WO1998027602A1; EP0947001B1; DE19652801C1; EP0947001A1; KR20000057651A; US6121715A; AR008712A1

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 용량성 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 용량성 액추에이터는 규정된 충전 전압(Uc)으로 충전된다. 저장된 특성 필드(KF)를 기초로하여, 액추에이터(Cp)의 순시 용량은 충전 전압(Uc) 및 액추에이터 전압(Up)으로부터 결정되며, 액추에이터에 공급되는 에너지(E)는 충전 전압(Uc) 및 액추에이터 용량(Cp)으로부터 결정된다. 액추에이터의 다음 제어 프로세스를 위한 충전 전압(Uc)은 주어진 량의 에너지(Ev)와 액추에이터에 공급되는 에너지(E)의 편차에 따라 조절된다; 동일한 프로세스가 다른 액추에이터를 위해서 반복된다.

Description

하나 이상의 용량성 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AT LEAST ONE CAPACITIVE ACTUATOR}

피에조-액추에이터는 다수의 피에조 세라믹층으로 이루어지며, 전압 인가시 전압의 수치, 특히 길이(s)를 행정(ds) 만큼 변동시키거나 기계적인 압축시 또는 인장시 전압을 발생하는 소위 '스택'을 형성한다.

상기 방식의 피에조 스택의 전기적 특성은 상기 스택이 노출되는 온도에 따라 변동된다. 온도가 증가함에 따라 스택의 용량이 증대되지만, 행정도 또한 증가된다. 자동차에 적용하기 위해 고려되는 약 -40℃ 내지 +140℃의 온도에서는 팩터 2까지의 변동이 관찰될 수 있다.

미국 특허 5,387,834호에는 매트릭스-프린터의 압전 소자용 제어 회로가 공지되어 있으며, 상기 회로에서는 온도 센서가 압전 소자의 온도를 감지한다. 압전 소자의 제어는, 온도에 의존하여 테이블로 저장되는 충전 시간에 따라 이루어진다.

행정은, 액추에이터 용량 또는 온도가 결정된 경우에 인가되는 전압에 따라 대략 선형으로 변동된다. 온도가 변동되면, 전압이 동일한 경우에는 행정도 또한 변동된다. 그와 달리 상기 행정은 제공된 에너지(ds ∼ e²)의 제곱에는 비례하지만 온도와는 무관하다. 액추에이터에 결정된 에너지량을 공급하는 것은 비용이 매우 많이 소요된다.

본 발명은 용량성 액추에이터, 특히 내연 기관의 압전 방식으로 작동되는 연료 분사 밸브를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 액추에이터 용량(Cp), 충전 전압(Uc), 액추에이터 전압(Up) 및 에너지(E) 사이의 관계에 대한 특성 필드(KF)이고,

도 2는 다수의 액추에이터를 위한 제어 회로의 회로도이며,

도 3은 도 2에 따른 회로의 작동에 대한 흐름도이다.

본 발명의 목적은, 미리 주어진 에너지량으로 용량성 액추에이터를 제어하기 위한, 비교적 간단하게 실행될 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 상기 방법을 실행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 실시예는 개략도를 참조하여 하기에서 자세히 설명된다.

본 발명은, 액추에이터 용량(Cp)의 변동은 내연 기관에서 액추에이터의 연속 작동의 시간적인 간격에 비해서 매우 큰 시간 상수를 갖는, 온도로부터 기인하는 변동이라는 생각으로부터 출발한다. 그렇기 때문에, 제어 회로(제어 프로세스)내에서 충전을 조절할 필요가 없으며, 오히려 조절 편차를 한가지 제어 프로세스에서 검출하여 이 조절 편차를 다음 제어 프로세스에서 보정하는 것으로 완전히 충분하다.

도 1은 실험적으로 검출되거나 산출된 2개의 도표를 갖는 특성 필드를 보여주며, 이 도표는 액추에이터 용량(Cp), 충전 전압(Uc), 액추에이터 전압(Up) 및 에너지(E) 사이의 관계를 나타낸다. 상부 도표는 온도에 의존하는 액추에이터 용량(Cp) 위에서 (T 및 Cp는 횡좌표상에 도시됨) 상이한 충전 전압(Uc)을 위해 도달 가능한 액추에이터내의 에너지(E)를 도시하는 한편, 하부 도표는 마찬가지로 온도에 의존하는 횡좌표상에 있는 액추에이터 용량(Cp) 위에서 상기 충전 전압(Uc)을 위해 도달 가능한 액추에이터 전압(Up)을 도시한다.

각각의 액추에이터(P1 내지 Pn)를 위해서 고유의 특성 필드(KF)가 제공될 수 있지만, 또한 모든 액추에이터를 위해서 또는 각각의 액추에이터 그룹을 위해서 공통의 특성 필드(KF)가 제공될 수도 있다.

충전 전압(Uc) 및 그에 의해 도달된 액추에이터 전압(Up)을 관찰함으로써 전술한 바와 같은 전류 측정, 곱셈 및 적분이 포기될 수 있다. 언급한 값 사이의 명백한 관계를 기초로하여, 거의 일정한 에너지(Ev)로 조절될 수 있다. 100%Ev로 재배치(relocation)된 값(Ev)은 도 1에서 일점쇄선(e)으로 나타난다.

일정한 에너지로의 조절은 특히, 충전 커패시터(C)의 용량(Cc)이 액추에이터 용량(Cp)으로부터 현저하게 벗어나는 경우에 중요하다. 도 1에 도시된 도표는, 커패시터(C1 + C2)로 이루어진 직렬 회로의 용량(Cc)이 액추에이터(P)의 용량의 대략 절반 크기인 도 2에 따른 회로에 상응한다: Cc = Cp/2.

본 발명에 따른 방법은 도 2에 도시된 회로를 참조하여 자세히 설명된다. 내연 기관의 자세하게 도시되지 않은 n개의 연료 분사 밸브를 압전 액추에이터(P1 내지 Pn)를 통해 제어하는 것은 제어 회로(ST)에 의해서 이루어지며, 이 회로는 도시되지 않은 마이크로 프로세서-제어되는 모터 제어 장치의 부분이다.

제어 가능한 전압 소스(SNT), 특히 조합 회로의 플러스극(+Uc1)과 마이너스극(GND) 사이에는, 조합 회로(SNT)의 출력 커패시터로서 간주될 수 있고 그것의 출력 전압(Uc1)까지 충전되는 충전 커패시터(C1)가 접속된다. 플러스극(+Uc1)과 접속되고 그 극으로부터 떨어져서 전류를 통과시키는 충전 스위치(X1) 및 마이너스극(GND)과 접속되고 그 극쪽으로 전류를 통과시키는 방전 스위치(X2)로 이루어진 직렬 회로가 충전 커패시터(C1)에 대해 병렬로 배치된다.

스위치(X1 및 X2)에 대해 말하자면, 단지 한 방향으로만 전류를 통과시키며 적어도 하나의 반도체 소자로 이루어진 전자 스위치, 특히 제어 회로에 의해 도통되도록 제어되는 사이리스터 스위치가 다루어진다.

충전 스위치(X1) 및 방전 스위치(X2)의 접속점과 접지 단자(GND) 사이에는 충·방전 커패시터(C2), 코일(L), 제 1액추에이터(P1) 및 제어된 제 1파워-MOSFET-스위치(T1)로 이루어진 직렬 회로가 배치된다.

각각의 다른 액추에이터(P2 내지 Pn)를 위해서는, 상기 액추에이터 및 추가의 파워-MOSFET-스위치(T2 내지 Tn)로 이루어진 직렬 회로가 제 1액추에이터(P1) 및 제 1파워-MOSFET-스위치(T1)로 이루어진 직렬 회로에 병렬 접속된다.

액추에이터 및 파워-MOSFET-스위치로 이루어진 직렬 회로에 대해 병렬로, 접지 단자(GND)로부터 멀리 떨어져서 코일(L)쪽으로 전류를 통과시키는 다이오드(D)가 배치된다. 파워-MOSFET-스위치는 통상적으로 역다이오드를 포함하며, 이 역다이오드의 기능은 하기에서 자세히 언급되는 바와 같이 본 발명에 따른 장치의 작동시에 이용된다.

스위치(X1, X2 및 T1 내지 Tn)는 제어 회로(ST)에 의해서 본 발명에 따른 방법에 속하는 프로그램에 상응하게, 모터 제어 장치의 제어 신호(st), 도달된 액추에이터 전압(Up) 및 액추에이터의 방전 후에 충·방전 커패시터(C2)에서의 전압의 실제값(Uc2)에 의존하여, 제어 회로(ST)내에 저장된 도 1에 따른 특성 필드(KF)를 참조하여 제어된다.

다수의 용량성 액추에이터를 연속으로 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법은 도 2에 도시된 액추에이터(P1)용 회로를 기초로하는 도 3에 도시된 흐름도를 참조하여 하기에서 자세히 설명된다. 각각의 방법 상태들이 속하는 개별 박스들은 로마 숫자로 표시된다.

코일(L)이 무전류 상태이고, 모든 스위치(X1, X2 및 T1 내지 Tn)가 도통되지 않으며 (고오옴이며), 모든 액추에이터(P1 내지 Pn)가 방전된 상태인 상태 III(작동 동안)에서는, 관련 분사 밸브를 통해 연료가 실린더(1)내로 분사되도록 하기 위해서 액추에이터(P1)가 작동되어야 한다. 충전 전압(Uc = Uc1 + Uc2)은 제 1제어 프로세스(I)에서 자동차의 스타트시에 예정된 상태 0이 된다.

제 1제어 프로세스에서는 충·방전 커패시터(C2)가 방전된다. 액추에이터의 방전시 피드백되는 커패시터(C2)에서의 전압(Uc2)이 각각의 방전 프로세스 후에 예를 들어 값 Uc2 > +100V에 도달될 때까지, 일회 또는 다수회의 충전 사이클을 지속할 수 있는 과도 프로세스가 이루어진다. 최대 충전 전압 Ucmax = Uc1 + Uc2는 예를 들어 +270V이어야 한다.

먼저, 제어 회로가 액추에이터에 속하된 파워-MOSFET-스위치(T1)를 도통되도록 제어함으로써, 상기 제어 회로가 상응하는 액추에이터(P1), 즉 상태 IV를 선택한다. T1은 크랭크축 각도 KW = 720。KW/Z(Z = 실린더의 개수) 이상으로 도통되며 (저오옴이며), 이것은 예를 들어 4기통 엔진에서는 180。KW이고 6기통 엔진에서는 120。KW이다.

제 1제어 프로세스에서 제어 회로(ST)는 도 1의 특성 필드(KF)의 상부 도표에 저장된, 실험적으로 검출되거나 산출된 충전 전압(Uc(+210V))의 특성 곡선을 선택하며, 이 특성 곡선은 순시 액추에이터 온도에 액추에이터(P)의 용량값이 상응하는 경우에 액추에이터에 제공되는 원하는 에너지(Ev)(도표에서는 일점쇄선 e로 표시됨) 위에 놓인다. 즉 상태 0이다. 일반적으로 액추에이터 온도는 이용되지 않기 때문에, 사용 변수로서는 엔진 온도(T)(실시예에서는 +50℃)가 도입되며, 순시 액추에이터 용량(Cp)에 대한 근사값을 얻기 위해서는 도 1의 점 A까지 이르는 파선 a를 참조하라.

더 간단한 실시예에서는 충전 전압(Uc)(예를 들어 +210V)에 대한 초기값이 온도와 무관하게 간단히 주어질 수 있다.

액추에이터(P1)의 한가지 이상의 제어 프로세스(과도 프로세스) 후에 방전 과정이 종결된 후에는 충·방전 커패시터(C2)의 전압이 예를 들어 Uc2 = +120V가 된다.

제어 신호 st = 1 (상태 V)의 시작에 의해서 주어지는 다음 분사 시작시에는 충전 스위치(X1)가 제어 회로(ST)에 의해서 점화된다 (상태 VI). 그럼으로써 C1 및 C2로 이루어진 직렬 회로에 인가되는 충전 전압 Uc = +210V은 완전한 절반 사인 진동 동안 코일(L)을 통해서 액추에이터(P1)로 방전되며, 이 액추에이터가 도시되지 않은 분사 밸브를 개방한다. 전압 소스가 - 조합 회로(SNT)가 - 충전 커패시터(C1)와 접속됨으로써, 전압 소스도 또한 공진 회로내로 에너지를 공급한다.

와인딩 후에는 충전 스위치(X1)가 자체적으로 소거되며 (상태 VII), 액추에이터(P1)는 예를 들어 Up = +126V까지 충전된다.

액추에이터 전압 Up = +126V의 값은 제어 회로에 전달되며, 제어 회로는 특성 필드(KF)(도 1)에서 Uc = +210V 및 Up = +126V로부터 액추에이터에 공급되는 에너지를 결정한다 (상태 VIII). 이 목적을 위해서 특성 필드(KF)의 하부 도표에 있는 교차점(B)(Uc = +210V; Up = +126V, 파선 b)에서는 액추에이터(P1)의 순시 용량값 Cp14.5㎌가 결정되며, 그 다음에 상부 도표에서는 (Cp = 14.5㎌의 교차점 C; Uc = +210V, 파선 c) 공급되는 에너지가 E102.5%Ev(파선 d; 점 D)로 판독 출력된다.

조절의 '감도'에 따라 상기 값은 원하는 에너지(상태 XI)의 허용 오차 대역(Ev + DE) 내부에 있거나 (이 경우 다음 제어 프로세스는 변동되지 않은 충전 전압 Uc = +210V로 실행됨), 또는 액추에이터(P1)의 다음 제어 프로세스를 위해서 충전 전압(Uc)에 대한 새로운 값이 결정되며, 본 실시예에서는 E > Ev + DE가 원하는 값보다 약간 더 크기 때문에 (상태 IX), 즉 예를 들어 저장된 예정 지지값에 의해 보간되거나 DU = 5V 만큼 점진적으로 감소되기 때문에 (상태 XII), +205V로 고정된다. 이 값은 액추에이터(P1)의 다음 제어 프로세스에서 (동일한 액추에이터 용량이 전제되는 경우에) 전달되는 에너지에 대해 약 E = Ev의 값을 발생한다. 그러나 전달되는 에너지가 더 작으면, 즉 E < Ev (상태 X)이면, Uc는 다음 제어 프로세스에서 DU = 5V 만큼 Uc = +215V까지 상승된다 (상태 XIII).

액추에이터 전압이 예정된 최대값 Upmax - 예컨대 +160V - 위에 있는 경우에는 바람직하게, 액추에이터 전압을 상기 값으로 제한하기 위해서 도 1의 하부 도표에 따라 순수한 전압 조절이 이루어진다.

제어 신호(st)의 마지막에 액추에이터(P1)를 방전하기 위해서 (상태 XIV) 방전 스위치(X2)가 점화된다 (상태 XV). 방전 회로는 파워-MOSFET-스위치(T1)의 역다이오드를 통해 폐쇄된다. 액추에이터내에 저장된 에너지는 코일(L)을 통해, 이미 언급된 값(Uc2 = +120V)으로 충전되는 커패시터(C2)로 역진동된다; 충·방전 커패시터(C2)내에 저장된 에너지는 다음 사이클을 위해서 이용될 수 있다.

액추에이터가 '활성' 채널에 병렬 배치된 다이오드(D)의 임계 전압으로 방전되자마자, 계속해서 흐르는 전류는 상기 다이오드를 통해서 제공되며, 그럼으로써 액추에이터가 음의 전압으로 충전되는 것이 피해진다. 그 다음에 방전 스위치(X2)가 자체적으로 소거된다 (상태 XVI).

액추에이터(P1)의 다음 제어 프로세스를 위해서는 충전 커패시터(C1)가 전압 Uc1 = Uc - Uc2까지 충전되어야 하며, 이를 위해서 Uc2 = +120V가 측정된다 (상태 I). 그럼으로써 Uc1 = Uc - Uc2 = +205V - 120V = +85V가 결정될 수 있다 (상태 II). 조합 회로(SNT)는 액추에이터(P1)의 다음 제어 프로세스를 위해서 상기 값으로 세팅되며, 그에 따라 충전 커패시터(C1)가 Uc1 = +85V까지 충전된다. 상기 제어 프로세스에서 검출된 값에 의해 다음 제어 프로세스가 상태 III부터 실행된다. 다른 액추에이터(P2 내지 Pn)를 위한 제어 프로세스는 액추에이터(P1)를 위해 기술된 방법에 상응한다.

Claims

적어도 하나의 용량성 액추에이터(P), 특히 내연 기관의 압전 방식으로 작동되는 연료 분사 밸브를 미리 주어질 수 있는 에너지량(Ev)으로 제어하기 위한 방법에 있어서,

제어 프로세스의 처음에는 액추에이터(P1 내지 Pn)를 충전 커패시터(C1) 및 충·방전 커패시터(C2)의 직렬 회로로 이루어진 코일(L)을 통해 미리 주어질 수 있는 충전 전압(Uc = Uc1 + Uc2)으로 충전하며, 제어 프로세스의 마지막에는 충·방전 커패시터(C2)로 재차 방전하며,

상기 충전 전압(Uc) 및 그에 따라 액추에이터에서 도달된 액추에이터 전압(Up)으로부터 온도에 의존하는 액추에이터(P1 내지 Pn)의 용량값(Cp)을 검출하며,

상기 용량값(Cp) 및 충전 전압(Uc)으로부터 액추에이터(P1 내지 Pn)에 공급되는 에너지의 량(E)을 검출하며,

동일한 액추에이터(P1 내지 Pn)의 다음 제어 프로세스를 위해서 충전 전압(Uc)을 예정된 에너지량(Ev) 및 공급된 에너지량(E)의 차(Ev - E)에 의존하여 상승시키거나 감소시키며,

충전 커패시터(C1)를 결정된 상기 충전 전압(Uc)과 충·방전 커패시터(C2)에 순시적으로 인가되는 전압(Uc2)간의 차에 상응하는 전압(Uc1 = Uc - Uc2)으로 충전하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

충전 전압(Uc) 및 그와 함께 액추에이터(P)에서 도달된 액추에이터 전압(Up)에 의존하는 액추에이터 용량값(Cp),

충전 전압(Uc) 및 검출된 상기 액추에이터 용량값(Cp)에 의존하는, 액추에이터에 공급되는 에너지량값(E), 및

액추에이터에 공급될 예정된 에너지량(Ev)을 실험적으로 검출되거나 산출된 값으로서 특성 필드(KF)내에 비휘발성으로 저장하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2항에 있어서,

각각의 액추에이터(P1 내지 Pn)를 위해서 고유의 특성 필드(KF)를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2항에 있어서,

모든 액추에이터(P1 내지 Pn)를 위해서 또는 각각의 액추에이터 그룹을 위해서 공통의 특성 필드(KF)를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

각각의 액추에이터(P1 내지 Pn)의 제 1제어 프로세스를 위한 작동 개시시에는 충전 전압(Uc)에 대한 값을 미리 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서,

충전 전압(Uc)에 대한 예정된 값은 엔진 온도(T)에 의존하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

액추에이터 전압(Up)에 대한 최대값(Upmax)을 미리 제공하며,

액추에이터 전압(Up)이 상기 최대값(Upmax) 위에 있는 경우에는 순수한 전압 조절(Uc{Up})을 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 장치에 있어서,

제어될 수 있는 전압 소스(SNT)의 플러스극(+Uc1)과 마이너스극(GND) 사이에 충전 커패시터(C1)가 배치되며,

플러스극(+Uc1)과 접속되고 상기 극으로부터 멀리 떨어져 전류를 통과시키는 충전 스위치(X1) 및 마이너스극(GND)과 접속되고 상기 극쪽으로 전류를 통과시키는 방전 스위치(X2)로 이루어진 직렬 회로가 충전 커패시터(C1)에 병렬로 배치되며,

충전 스위치(X1) 및 방전 스위치(X2)의 결합점과 접지 단자(GND) 사이에는, 충전 스위치(X1)와 접속된 충·방전 커패시터(C2), 코일(L), 제 1액추에이터(P1) 및 제어된 제 1파워-MOSFET-스위치(T1)로 이루어진 직렬 회로가 배치되며,

각각의 추가 액추에이터를 위해서는, 상기 액추에이터(P2 내지 Pn) 및 추가의 파워-MOSFET-스위치(T2 내지 Tn)로 이루어진 직렬 회로가 제 1액추에이터(P1) 및 제 1파워-MOSFET-스위치(T1)으로 이루어진 직렬 회로에 병렬 접속되며,

제 1액추에이터(P1) 및 파워-MOSFET-스위치(T1)로 이루어진 직렬 회로에 병렬로 접지 단자(GND)로부터 코일(L) 쪽으로 전류를 통과시키는 다이오드(D)가 배치되며,

충전 전압(Uc) 및 그에 의해 액추에이터에서 도달되는 액추에이터 전압(Up) 그리고 상기 용량값(Cp) 및 충전 전압(Uc)으로부터 결과되는 공급되는 에너지량(E)에 의존하여 액추에이터(P1 내지 Pn)의 온도에 의존하는 용량값(Cp)이 저장되는 특성 필드(KF)가 제어 회로(ST)에 제공되며,

상기 제어 회로는, 이 회로가 충전 스위치(X1), 방전 스위칭(X2) 및 파워-MOSFET-스위치(T1 내지 Tn)를 제어하도록 형성되며,

상기 제어 회로는, 액추에이터(P1 내지 Pn), 각각 제어되는 액추에이터(P1 내지 Pn)에 인가되는 액추에이터 전압(Up) 및 충·방전 커패시터에 인가되는 전압(Uc2)를 특성 필드(KF)를 이용하여 트리거하기 위해 상기 회로에 제공된 제어 신호(st)로부터 액추에이터에 전달되는 에너지량(E)를 검출하고, 상기 에너지량(E)과 미리 주어진 에너지량(Ev)의 차에 의존하여 전압 소스(SNT)를 다음 충전 프로세스를 위한 충전 커패시터(C1)의 충전 전압으로 세팅하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 8항에 있어서,

제어 회로(ST)에 의해서 제어될 수 있는 전압 소스(SNT)는 조합 회로인 것을 특징으로 하는 장치.
제 8항에 있어서,

충전 스위치(X1) 및 방전 스위치(X2)는 다만 한 방향으로만 전류를 통과시키는, 제어된 전자 반도체 스위치인 것을 특징으로 하는 장치.