KR100340813B1 - 하나 이상의 용량형 액추에이터를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 용량형 액추에이터를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 액추에이터의 정전용량 Cp= ΔQ/Up는 상기 액추에이터에 제공되는 전하량(ΔQ) 및 충전 과정의 종결 후에 액추에이터에 인가되는 전압(Up)으로부터 계산되고, 충전 과정 동안 액추에이터에 제공되는 에너지 (Eist) = 0.5*Cp*Up 2= 0.5*ΔQ*Up는 액추에이터의 상기 정전용량(Cp) 및 전압(Up)으로부터 산출된다. 충전 전압(UL= UC1+ UC2)은, 제공되는 에너지(Eist)가 미리 정해 놓았던 목표값(Esoll)과 일치하도록 조절된다.

Description

하나 이상의 용량형 액추에이터를 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING AT LEAST ONE CAPACITIVE ACTUATING ELEMENT}
DE 36 21 541 A1호에는 용량형 액추에이터, 특히 내연 기관에서 압전 방식으로 작동되는 연료 분사 밸브를 시동하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 상기 방법에 따라 액추에이터는 일정한 전압으로 충전된다.
압전 액추에이터(piezoelectric actuator)는 압전 세라믹 층으로 이루어져 이른바 "적층(stack)"을 형성하며, 이 적층은 전압 인가 시 치수 특히 길이가 변동되며, 반대로 기계적인 압력이나 인장이 가해질 때는 전압을 발생시킨다.
상기 방식의 압전 적층의 전기적 특성들은 상기 적층이 노출되는 온도에 따라 변동된다. 온도가 상승됨에 따라 적층의 정전용량은 증가하지만, 행정(stroke)도 증가한다. 자동차에 적용하기 위해 고려될 온도인 약 -40℃∼+150℃의 경우에는 인수가 2가 되는 정도까지의 정전용량 변동이 관찰될 수도 있다.
압전 액추에이터(piezoelectric actuator)가, 예를 들어 저온에서 필요한 행정을 야기하는 일정한 전압으로 그 모든 작동점에서 충전되면, 고온에서는 요구되는 것보다 훨씬 더 큰 행정이 얻어진다. 이것은 연료 압력이 일정한 연료 분사 밸브에서 연료 분사량이 너무 많음을 의미한다. 고온에서는 압전 적층의 정전용량도 마찬가지로 비교적 크기 때문에, 요구되는 것보다 훨씬 더 많은 충전 및 에너지가 필요하다.
따라서 DE 36 21 541 A1호에 공지된 방법은 주변 조건들이 완전히 변동되지 않은 경우에만 (사용된 부품의 공차가 없고, 전기적 특성의 변동이 없으며, 온도가 일정한 경우에만) 충분히 정확하게 적용된다.
US 5,387,834호에는, 센서에 의해 측정된 액추에이터 온도에 따라 결정되는 충전 기간 동안 일정한 충전 전압으로 시동(triggering)되는 용량형 액추에이터용 시동 회로가 공지되어 있다.
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 하나 이상의 용량형 액추에이터(capacitive actuator)를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1은 용량형 액추에이터를 시동하기 위한 회로의 회로도이다.
본 발명의 목적은, 주변 조건의 변동 시에도 온도 센서를 사용하지 않으면서도 충분한 정확도로 적용될 수 있는, 하나 이상의 용량형 액추에이터를 시동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 언급된 장점에 의해 달성된다. 종속항에서는 본 발명의 바람직한 개선예가 기술된다.
행정의 크기는 인가되는 전압에 의해서보다도 용량형 액추에이터에 제공되는 에너지에 의해서 더욱 정확히 나타나며, 필요한 온도 범위에 걸쳐 일정한 에너지를 가지고 충전함으로써 행정은 훨씬 더 일정하게 이루어진다는 사실이 시험에 의해 밝혀졌다. 온도가 일정할 때 행정은, 인가되는 전압에 따라 대략 선형으로 변동된다. 전압이 일정하면, 온도가 변동될 때 행정도 변동된다. 반대로 행정은 인가된 에너지의 제곱에 비례하여 변동되지만, 온도에 대해서는 독립적이다.
이 목적을 위해, 충전 과정의 종결 후 액추에이터(예를 들어 액추에이터 P1)에서 측정된 전압(Up)으로부터, 그리고 액추에이터에 제공되는 전하량(ΔQ)으로부터, 액추에이터의 정전용량 Cp= ΔQ/Up가 계산되고, 그 다음에 상기 전하량 ΔQ 및 정전용량 Cp로부터, 액추에이터에 제공되는 에너지 Eist= 0.5*Cp*Up 2= 0.5*ΔQ*Up가 얻어진다. 상기 값(Eist)은 미리 정해 놓았던 값(Esoll)과 비교되고, 그 비교 결과에 따라, 다음 시동 과정을 위한 충전 전압(UL)이 재조정된다(즉 Eist< Esoll이면 UL은 커지고, EistEsoll이면 UL은 작아진다).은 작아진다).
임의의 시동 회로에 사용될 수 있는 방법에서, 인가된 전하량(ΔQ)은 충전 과정 동안 액추에이터를 통해 흐르는 전류(Ip)를 적분함으로써 구해진다. 그러면 전하량
충전 커패시터 및 방전 커패시터가 도면에 도시된 바와 같이 직렬 접속된 회로에서는 본 발명에 따라, 액추에이터에 제공되는 전하량(ΔQ)을 검출하기 위한 보다 간단한 방법이 제공되며, 이 방법에서는 적분이 필요 없다. 이 방법에서는 방전 커패시터(C2)에 인가되는 전압이 충전 과정 전과 충전 종결 후에 각각 측정되어 그 전압차 ΔU = Uvor- Unach가 형성되며, 그로부터 전하량 ΔQ = C2*ΔU = C2*(Uvor- Unach)가 산출된다; 액추에이터 정전용량(Cp) 및 액추에이터에 제공되는 에너지(Eist)는 상술한 방법과 유사하게, 충전 과정의 종결 후에 액추에이터에 인가되는 전압(Up)에 의해 계산된다:
전술한 바와 같이 상기 값은 미리 정해 놓았던 목표값(Esoll)과 비교되고, 그 결과에 따라 다음 시동 과정을 위해 충전 전압(UL)이 재조정된다.
액추에이터의 정전용량(Cp)은 대략 액추에이터의 온도(Tp)에 비례하기 때문에, 계산된 액추에이터 정전용량은 식 Cp= ΔQ/Up Tp에 따라 액추에이터 온도(Tp)를 구하는데 이용될 수 있으며, 따라서 경우에 따라서는 온도 센서가 없어도 된다.
마이크로 프로세서에 의해 제어되는 도시되지 않은 엔진 제어 장치의 일부인 제어 회로(ST)를 이용하여, 도시되지 않은 하나 이상의 연료 분사 밸브의 작동을 위해 하나 이상의 용량형 액추에이터(P1 내지 Pn)를 시동하기 위한 도면에 도시된 회로를 참조하여 본 발명에 따른 방법이 설명된다.
조절된 전압 소스(SNT), 바람직하게는 스위치 모드 파워 서플라이의 양극(+USNT)과 음극(GND) 사이에는 다이오드(D1)를 통해 충전 커패시터(C1)가 접속된다. 충전 스위치(Ta), 2개의 추가 다이오드(D2 및 D3) 및 음극(GND)과 접속된 방전 스위치(Tb)로 이루어진 직렬 회로가 상기 충전 커패시터(C1)에 병렬로 배치된다.
2개의 다이오드(D2 및 D3)의 접속점과 접지(GND) 사이에는 충·방전 커패시터(C2), 코일(L), 제 1 액추에이터(P1) 및 제어된 제 1 선택 스위치(T1)로 이루어진 직렬 회로가 배치된다.
추가의 액추에이터(P2 내지 Pn) 각각에 대해서는, 상기 액추에이터 및 추가의 선택 스위치(T2 내지 Tn)로 이루어진 직렬 회로가 제 1 액추에이터(P1) 및 제 1 선택 스위치(T1)로 이루어진 직렬 회로에 병렬로 접속된다. 본 실시예에서 선택 스위치, 방전 스위치(Tb) 및 아래에서 언급되는 바이패스 스위치(Tc)는 보통 인버스 다이오드를 포함하는 N형 파워 MOSFET 스위치(N type power MOSFET switch)이다. 충전 스위치(Ta)는 본 실시예에서 P형 파워 MOSFET 스위치로서 형성된다.
그밖에 이미 언급한 바이패스 스위치(Tc)가 제공되는데, 이 스위치의 드레인 단자는 코일(L)과 액추에이터(P1 내지 Pn) 사이에 있는 접속점과 접속되며, 상기 스위치의 소스 단자는 적어도 선택 스위치(T1)의 소스 단자와 접속된다. 모든 스위치는 게이트 단자를 통해서 제어 회로(ST)의 출력 신호에 의해 제어된다.
액추에이터 전압이 미리 정해진 한계값을 초과하거나, 내연 기관 내에서 분사 밸브의 파워 종료 단계에서까지 발생되는 에러가 검출되면, 액추에이터(P1 내지 Pn)에 병렬로 연결된 바이패스 스위치(Tc)는 제어 회로(ST)에 의해서 시동되어, 선택 스위치(T1 내지 Tn)의 인버스 다이오드를 통해 용량형 액추에이터(P1 내지 Pn)를 단락 방식(short-circuited fashion)으로 방전시킨다. 또 바이패스 스위치(Tc)는, 액추에이터의 첫 번째 시동 전에 방전 커패시터(C2)의 충전을 위해, 또는 시간적으로 이격되어 있는 2회의 시동 사이에서 액추에이터를 재충전하기 위해 필요하다. 바이패스 스위치(Tc) 대신, 바이패스 스위치의 인버스 다이오드와 동일한 극성을 갖는 다이오드 또는 제너 다이오드가 제공될 수도 있으나, 이 경우 방전 커패시터(C2)의 충전은, 연료 분사 밸브용 액추에이터의 작동을 통해서, 바람직하게는 연료 압력 없이, 이루어져야 한다.
스위치(Ta, Tb, Tc 및 T1 내지 Tn)는 도시되지 않은 엔진 제어 장치의 제어 신호(st)에 따라 제어 회로(ST)에 의해서 제어된다. 충전 커패시터(C1)는 스위치 모드 전원 장치(SNT)의 출력 커패시터로서 간주될 수 있다.
이하, 상기 회로의 시동 방법을 설명한다. 회로가 작동하는 동안, 충전 커패시터(C1)는 제어 회로(ST)에 의해 결정된 스위치 모드 전원 장치(SNT)의 출력 전압(+USNT)까지 충전된다. 상기 전압(+USNT)의 결정에 대해서는 다시 설명된다.
작동 시작 시에는 충전 커패시터(C1)가 +USNT까지 충전되고, 방전 커패시터(C2)는 방전되며, 코일(L)은 무전류 상태이다. 커패시터(C2)가 액추에이터의 첫 번째 시동 전에도 충전되도록 하기 위해서, 먼저 바이패스 스위치(Tc)가 도통되도록 제어된다. 그럼으로써 C1은 C2, L 및 Tc를 통해 방전된다. 그 다음에 Tc가 비도전성으로 되고, 방전 스위치(Tb)는 도통되도록 된다. 그에 의해 전류는 반대 방향으로 L, C2, Tb 및 바이패스 스위치(Tc)의 인버스 다이오드를 통해 흐르게 되며, 그럼으로써 C2는 충전되어 극성을 갖게 되며, 결과적으로 1회 이상의 충전 및 방전 사이클 후에는 C1 및 C2의 직렬 회로에 충전 전압 UL= UC1+ UC2가 인가된다.
커패시터(C2)에 인가되는 전압(UC2)은 본 실시예에서 샘플 앤 홀드 회로(Sample-and-Hold-Circuit)(SH)로 형성된 측정 회로를 통해 제어 회로(ST)에 전달되며, 상기 제어 회로는 C1 및 C2의 직렬 회로에 미리 정해진 초기 전압이 인가되도록 스위치 모드 전원 장치(SNT)의 출력 전압(+USNT UC1)을 조절한다.
비작동 시에는 커패시터(C2)의 전압(UC2)이 비작동 시에는 서서히 하강하기 때문에, 예를 들어 충전 과정과 같은 회전수가 낮은 경우의 작동 동안(즉 시간적으로 이격되어 있는 액추에이터 작동 시) 또는 병진 작동 시에도 상기와 같은 방전 커패시터(C2)의 재충전이 이루어진다.
액추에이터의 시동이 이루어져야 하는 경우에, 제 1 방법에 따라, 가장 단순한 경우 분로(shunt) 저항기로 이루어질 수 있는 측정 회로(M)에 의해 충전 회로 내에서 흐르는 전류(Ip)가 측정되고, 이 전류는 제어 회로 내에 있는 적분기에서 적분된다. 측정 회로(M)는 이 방법을 위해서만 필요하기 때문에, 이 측정 회로는 도면에서 파선으로 도시되어 전류의 도면 부호 Ip는 괄호 안에 삽입되어 있다. 상기 방법의 나머지는 아래에 설명되는 제 2 방법에서와 같이 이루어진다.
더 간단한 제 2 방법에 따르면, 액추에이터의 충전 전에 방전 커패시터(C2)에서의 전압(UC2= Uvor)이 측정되어 제어 회로(ST)에 전달된다. 그 다음에 대응하는 액추에이터, 예컨대 P1에 할당되는 선택 스위치(T1) 및 충전 스위치(Ta)가 도통되도록 제어된다. 전류는 액추에이터가 충전될 때까지 SNT 및 C1으로부터 Ta, C2, L, P1 및 T1을 거쳐 GND로 흐른다. 그 다음에 Ta 및 T1이 비도전성으로 되고, 액추에이터는 계속 충전된다. 이 때 방전 커패시터(C2)에서의 전압(UC2= Unach) 및 액추에이터(P1)에 인가되는 전압(Up)이 측정되어 제어 회로(ST)에 전달된다. 상기 제어 회로는 전술한 일반식에 따라, 액추에이터에 제공되는 에너지(Eist)를 계산하고 이 값을 미리 정해진 목표값(Esoll)과 비교한다. 이에 따라 상응하게 다음 시동 과정을 위해서 필요한 충전 전압(UL)이 구해진다. Eist< Esoll이면, 충전 전압(UL)은 이전에 유효했던 값에 비해서 예를 들어 한 단계씩 단계적으로 상승된다; EistEsoll이면, 충전 전압은 한 단계만큼 감소된다. 충전 전압(UL)은 Eist= Esoll로 조절된다.soll로 조절된다.
액추에이터(P1)의 충전 상태는, 제어 신호(st)가 사라진 후에, 방전 스위치(Tb)가 도통 제어될 때까지 유지된다. 방전 스위치(Tb)가 도통되는 경우에는, 모든 액추에이터(P1 내지 Pn)가 코일(L)을 통해 방전 커패시터(C2)로 방전된다.
액추에이터의 방전 후에 방전 커패시터(C2)에 인가되는 전압(UC2)은 샘플 앤드 홀드 회로(sample-and-hold circuit; SH)를 통해 제어 회로(ST)에 전달되며, 상기 회로는 스위치 모드 전원 장치(SNT)의 출력 전압(+USNT)을 재조정하여, 다음 시동 과정 시, 이전에 검출된 충전 전압 UL= UC1+ UC2에 도달되도록 한다. 그렇게 되면 상기 충전 전압에 의해서 액추에이터 P1의 다음 충전 과정 및 다음 액추에이터 P2의 충전 과정이 이루어질 수 있다.

Claims (4)

  1. 충전 전압(UL)을 이용하여 하나 이상의 용량형 액추에이터(P1 내지 Pn)를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    액추에이터(P1 내지 Pn)에 공급되는 전하량(ΔQ) 및 충전 과정의 종결 후에 액추에이터에 인가되는 액추에이터 전압(Up)으로부터, 액추에이터 정전용량을 식 Cp= ΔQ/Up에 따라 계산하는 단계;
    상기 액추에이터의 정전용량(Cp) 및 액추에이터 전압(Up) 값으로부터 충전 과정 동안 액추에이터에 공급된 에너지(Eist)를 식 Eist= 0.5*Cp*Up 2= 0.5*ΔQ*Up에 따라 계산하는 단계;
    공급된 에너지량(Eist)을 미리 정해 놓았던 목표값(Esoll)과 비교하는 단계; 및
    공급된 에너지량(Eist)이 목표값(Esoll)보다 작으면 충전 전압(UL= UC1+ UC2)은 다음 시동 과정을 위해 미리 정해진 값만큼 증가되고, 제공되는 에너지량(Eist)이 목표값(Esoll)보다 크면 충전 전압은 미리 정해진 값만큼 다음 시동을 위해 감소되는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 용량형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    충전 과정 동안 액추에이터를 통해 흐르는 전류(Ip)를 아래 식
    에 따라 적분함으로써, 액추에이터(P1 내지 Pn)에 제공되는 전하량(ΔQ)을 검출하는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 용량형 액추에이터(P1 내지 Pn)를 작동시키기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    충전 커패시터 및 방전 커패시터(C1, C2)가 직렬 접속되고 상기 충전 커패시터(C1)에 조절 가능한 전압(+USNT)이 인가될 수 있는 회로에서, 충전 과정 전에 방전 커패시터(C2)에 인가되는 전압(Uvor)과 충전 과정 후에 방전 커패시터(C2)에 인가되는 전압(Unach)의 차(ΔU = Uvor- Unach)를 통해서 액추에이터(P1 내지 Pn)에 공급되는 전하량(ΔQ)을 계산하고, 방전 커패시터의 정전용량(C2)을 식 ΔQ = C2*ΔU = C2*(Uvor- Unach)에 따라 구하는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 용량형 액추에이터(P1 내지 Pn)를 작동시키기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    산출된 상기 액추에이터의 정전용량(Cp)을 이용하여 액추에이터 온도(Tp)를 구하는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 용량형 액추에이터(P1 내지 Pn)를 작동시키기 위한 방법.
KR1019997011473A 1997-06-06 1998-04-24 하나 이상의 용량형 액추에이터를 제어하기 위한 방법 KR100340813B1 (ko)

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