KR100485408B1 - 적어도 하나의 용량성 액츄에이터를 제어하는 장치 및 방법 - Google Patents

적어도 하나의 용량성 액츄에이터를 제어하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전 커패시터(C1)와 방전 커패시터(C2)를 포함하는 적어도 하나의 용량성 액츄에이터를 제어하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에 따르면, 액츄에이터는 직렬로 위치하는 커패시터(C1+C2)에 의해 원하는 값(US)으로 충전되고 다음으로 커패시터(C2)로 방전된다. 다음으로 제어된 전압원을 사용하여 충전 커패시터가 전압(UC1=US-UC2)으로 재충전된다.

Description

적어도 하나의 용량성 액츄에이터를 제어하는 장치 및 방법 {DEVICE AND PROCESS FOR CONTROLLING OF AT LEAST ONE CAPACITIVE ACTUATOR}
본 발명은 제어 회로로 적어도 하나의 용량성 액츄에이터를 구동시키는 방법 특히, 청구항 1 또는 청구항 2의 특징에 따라 내부 연소 엔진의 압전 동작 연료 주입 밸브에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 장치를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
유럽 특허번호 제 0 464 443 A1호에 커패시터로부터 충전 코일을 통해 충전되는 압전 액츄에이터에 관해 개시되어 있다. 압전 액츄에이터를 방전시키는 동안, 공급된 에너지의 일부가 방전 코일을 통해 커패시터로 궤환되는 반면에 마지막 일부 또한 방전 코일을 통해 열로 전환된다. 방전동안, 압전 액츄에이터에 음의 전압이 인가된다.
독일 특허번호 제 36 21 541 A1호에 전원에 접속된 직렬 회로를 통해 충전되며, 두 개의 커패시터와 충전 코일로 구성되고 및 방전 코일을 통해 두 개의 커패시터중 하나로 방전되는 연료 주입 밸브의 압전 액츄에이터를 위한 구동 회로에 관해 개시되어 있다. 선택적인 설계에서, 액츄에이터는 전원에 접속된 커패시터와 충전 코일을 통해 충전되고, 방전동안 압전 액츄에이터내에 저장된 에너지는 방전 코일에 의해 소멸된다.
본 발명의 목적은 가능한 한 손실없이 구동되며, 간단하게 설계되고 및 음의 전압이 인가되지 않는 적어도 하나의 용량성 액츄에이터를 구동시키기 위한 장치를 제공하는 것에 기초한다.
본 발명의 목적은 청구항 1 또는 청구항 2의 특징에 의해 구현된다. 추가의 바람직한 실시예는 이들의 종속항을 통해 구현된다.
특히, 전원은 액츄에이터에 대한 충전 전압보다 더 적은 출력 전압을 가지도록 설계되고, 각각의 액츄에이터는 전류의 완전한 사인파의 반파장을 가지고 충전 및 방전되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 액츄에이터는 자신의 동작 전압에 도달하고, 따라서 "느린" 속도(코사인파 발진의 최대값)로 최종 범위를 가지게 된다. 그 결과, 주파수범위중 최대 300㎐의 기준 주파수 이하인 주파수만이 압전 동작 연료 주입 밸브의 동작동안 상승하고, 이에 의해 EMC 문제가 거의 발생하지 않는다. 액츄에이터는 전원 예를 들면, 스위칭된-모드 전력원의 전압을 조정하여 쉽게 변화된다. 전원이 항상 충전 커패시터와 연결되기 때문에, 어떠한 추가의 재충전 엘리먼트도 필요하지 않다. 게다가, 회로를 위해 제공된 하우징을 포함하는 링-어라운드(ring-around) 코일이 액츄에이터에 인접하게 이동될 수 있는데, 그 이유는 이러한 코일과 액츄에이터 사이에 어떠한 스위치도 위치하지 않기 때문이다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조로 하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 회로도이다.
도 2는 도 1의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 회로도이다.
도 1은 마이크로프로세서-제어된 엔진 제어 유닛(도시 안됨)의 일부인 제어 회로(ST)에 의해 압전 액츄에이터(P1-Pn)를 통해 내부 연소 엔진의 n개의 연료 주입 밸브(도시 안됨)를 구동시키기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 회로를 도시한다.
충전 스위치(X1)가 조정된 어스-포텐셜-프리 전원(SNT) 바람직하게는, 스위칭된-모드 전력원의 양극(+SNT)과 음극(-SNT) 사이에 위치한다. 양극(+SNT)과 연결되고 이러한 양극(+SNT)으로부터 전류가 흐르는 방향으로 통과시키는 충전 스위치(X1) 및 음극(-SNT)과 연결되고 이러한 음극으로 전류가 흘러 들어가는 방향으로 전류를 통과시키는 방전 스위치(X2)로 구성된 직렬 회로가 충전 커패시터(C1)와 병렬로 위치한다.
스위치(X1, X2)는 전자 스위치이고, 이를 통해 전류가 한쪽 방향으로만 흐를 수 있으며 적어도 하나의 반도체 엘리먼트를 포함하고, 이러한 스위치는 바람직하게는 제어 회로에 의해 전류가 흐르는 사이리스터 스위치이다.
재충전 커패시터(C2)가 스위칭된-모드 전력원의 어스-포텐셜-프리 음극(-SNT)과 회로의 어스 결합부(GND) 사이에 위치한다.
충전 스위치(X1)에 연결된 링-어라운드 코일(L), 제 1 액츄에이터(P1) 및 제 1 제어된 전력 MOSFET 스위치(T1)로 구성된 직렬 회로가 충전 스위치(X1)와 방전 스위치(X2)의 결합점과 어스 결합부(GND) 사이에 위치한다.
어스 결합부(GND)로부터 링-어라운드 코일(L)로 전류를 통과시키는 다이오드(D)가 액츄에이터(P1)와 전력 MOSFET 스위치(T1)를 포함하는 직렬 회로와 병렬로 위치한다.
각각의 추가의 액츄에이터(P2-Pn)에 대해, 이러한 액츄에이터와 추가의 전력 MOSFET 스위치(T2-Tn)를 포함하는 직렬 회로가 제 1 액츄에이터(P1)와 제 1 전력 MOSFET 스위치(T1)를 포함하는 직렬 회로에 병렬로 연결된다.
전력 MOSFET 스위치는 일반적으로 이하에서 상세히 설명될 바와 같이 본 발명에 따른 장치를 동작시키는 동안 사용되는 기능을 가진 반전 다이오드를 포함한다.
스위치(X1, X2 및 T1-Tn)는 엔진 제어 유닛의 제어 신호(st)의 기능을 하며 액츄에이터(P1-Pn)가 충전되는 전압에 대해 요구되는 전압값(US)과 재충전 스위치(C2)에서 전압의 실제값(UC2)을 가진 제어 회로(ST)에 의해 제어되고, 상기 요구되는 값(US)은 일 실시예에서 제어 회로(ST)에 저장되거나 또는 엔진 제어 유닛에 의해 궤환된다. 어스되지 않은 음극(-SNT)의 결합부는 동시에 재충전 커패시터(C2)에 인가되는 전압(UC2)에 대한 전압 측정 포인트로서의 역할을 한다. 충전 커패시터(C1)는 스위칭된-모드 전력원(SNT)의 출력 커패시터로서 간주될 수 있다.
이상에서 설명된 장치를 동작시키기 위한 방법이 도 2를 참조로 하여 이하에서 상세히 설명될 것이다. 도 2의 처리 단계(Ⅰ-Ⅹ)는 로마숫자만을 사용하여 표현하였다.
충전 커패시터(C1)가 충전되고(UC1=+60V) 재충전 커패시터(C2)가 충전되어(UC2=+100V) 이들이 함께 직렬 회로에서 원하는 전압(US=+160V)에 도달하며, 링-어라운드 코일(L)에 전류가 흐르지 않으며, 모든 스위치(X1, X2 및 T1-Tn)가 비-도전 상태이고(높은 임피던스) 및 모든 액츄에이터(P1-Pn)가 방전된 상태(단계 Ⅰ)로부터 시작하여, 액츄에이터(P1)는 할당된 주입 밸브를 통해 실린더내에 연료를 주입하도록 활성화된다. 원하는 전압값(US)이 제어 회로(ST)내에 저장되거나 또는 엔진 제어 유닛(도시 안됨)에 의해 설정된다.
가장 먼저, 제어 회로는 할당된 전력 MOSFET 스위치(T1)에 전류를 흐르게 함으로써 적절한 액츄에이터를 선택한다(단계 Ⅱ). 스위치(T1)는 크래프트 각도 CA=720°CA/N(여기서, N=실린더 수) 이상으로 (낮은 저항의) 전류가 흐르는 상태를 유지할 수 있고, 이는 예를 들면, 4-실린더의 경우 180°CA이고, 6-실린더의 경우 120°CA이다.
제어 신호(st)의 시작에 의해 설정되는 주입이 시작될 때(단계 Ⅲ), 충전 스위치(X1)는 제어 회로(ST)에 의해 트리거된다(단계 Ⅳ). 결과적으로, 상기 제어 회로(ST)는 하나의 완전한 사인파의 반파장 동안 스위치(C1, C2)를 포함하는 직렬 회로에 걸리는 전압 US=+160V를 링-어라운드 코일(L)을 통해 액츄에이터(P1)로 방전시키고, 상기 액츄에이터(P1)는 주입 밸브(도시 안됨)를 개방한다. 전압원-스위칭된-모드 전력원(SNT)-은 충전 커패시터(C1)에 연결된 상태를 유지하여 상기 전압원이 링-어라운드 회로에 에너지를 공급하도록 한다.
극성이 반전된 이후에, 충전 스위치(X1)는 전류가 흐르지 않는 상태(단계 Ⅴ)가 되고 액츄에이터(P1)는 충전된 상태를 유지한다. 방전이 발생될 때 커패시턴스에 의존하고 액츄에이터(P1)를 완전히 방전시키는데 필요한 음의 잉여 전압(예를 들면, -10V)이 재충전 커패시터(C2)에 남겨진다.
방전 스위치(X2)는 제어 신호(st)가 종결되면(단계 Ⅵ), 액츄에이터를 방전시키기 위해 트리거 된다(단계 Ⅶ). 방전 스위치는 전력 MOSFET 스위치(T1)의 반전 다이오드를 통해 폐쇄된다. 액츄에이터내에 남아 있는 에너지가 링-어라운드 코일(L)을 통해 커패시터(C2)로 궤환하고, 이러한 커패시터(C2)는 예를 들면, UC2=+100V로 다시 충전되어 다음 사이클에서 사용될 수 있다. 액츄에이터가 "활성" 채널과 병렬로 위치하는 다이오드(D)의 임계 전압으로 방전되면, 이러한 다이오드를 통해 전류가 계속 흐르고 액츄에이터가 음의 전압으로 충전되는 것을 방지한다. 다음으로, 방전 스위치(X2)가 전류가 흐르지 않는 상태가 된다(단계 Ⅷ).
다음 액츄에이터의 충전 사이클에서, 발생된 손실은 반드시 초기에 보상되어야 한다. 이를 위해, 재충전 스위치(X1)의 스위칭된-모드 전력원(SNT)의 음극(SNT)에서 탭핑될 수 있는 전압 UC2이 측정되고(단계 Ⅸ), 스위칭-모드 전력원(SNT)은 원하는 전압값 US=+160V와 측정된 전압값 UC2=100V사이의 차이에 상응하는 출력 전압값으로 설정(조정)된다. 따라서, 스위칭-모드 전력원에 연결된 충전 커패시터(C1)가 상기 전압 UC1로 재충전된다(단계 Ⅹ). 이러한 방법으로, 전체 전압 US=+160V가 다음의 충전 과정을 위해 커패시터(C1, C2)의 직렬 회로에서 다시 시작된다(단계 Ⅰ).
만일 장치가 비교적 긴 중단 이후에 활성화된다면, 재충전 커패시터(C2)가 가장 먼저 방전되고 충전 커패시터(C1)가 스위칭된-모드 전력원(SNT)의 최대 출력 전압 예를 들면, +75V로 충전된다. 각각의 링-어라운드 과정 이후 액츄에이터의 방전 동안 궤환되는 재충전 커패시터(C2)에서의 전압이 설정된 "안정-상태"에 이를 때까지 수 개의 충전 사이클을 지속하는 과도 응답이 발생된다.
도 1의 장치의 모드와 완전하게 동일한 동작 모드를 가지는 도 2의 장치의 실시예는 결합점의 수만이 다르다. 이러한 차이는 스위칭된-모드 전력원(SNT)의 음극이 회로의 어스 접속부(GND)에 결합되고, 이에 따라 재충전 커패시터(C2)가 충전 스위치(X1)와 방전 스위치(X2)의 결합점 및 링-어라운드 코일(L) 사이에 재배치된다.
스위칭된-모드 전력원은 어스에서 기준 포텐셜을 가지도록 쉽게 형성될 수 있다. 이러한 회로 설계로써, 방전 스위치(X2) 또한 어스 접속부가 주어지고 추가의 변화기없이도 구동될 수 있도록 한다.

Claims (7)

  1. 제어 회로(ST)에 의해 적어도 하나의 용량성 액츄에이터(P1-Pn)인 내부 연소 엔진의 압전 구동 연료 주입 밸브를 구동시키는 장치에 있어서,
    -상기 제어 회로(ST)에 의해 조정되는 어스 포텐셜-프리 전압원(SNT)의 양극(+SNT)과 음극(-SNT) 사이에 위치하며, 상기 전압원(SNT)에 의해 충전될 수 있는 충전 커패시터(C1);
    -상기 충전 커패시터(C1)와 병렬로 위치하며, 상기 양극(+SNT)에 접속되어 상기 양극(+SNT)으로부터 나오는 전류를 통과시키는 충전 스위치(X1) 및 상기 음극(-SNT)에 접속되어 상기 음극(-SNT)쪽으로 전류를 통과시키는 방전 스위치(X2)로 구성된 직렬 회로;
    -상기 음극(-SNT)과 어스 접속부(GND) 사이에 위치하는 재충전 커패시터(C2);
    -상기 충전 스위치(X1)와 상기 방전 스위치(X2)의 결합점과 상기 어스 접속부(GND) 사이에 위치하며 상기 충전 스위치(X1)에 접속된 링-어라운드 코일(L), 제 1 액츄에이터(P1) 및 제 1 제어된 전력 MOSFET 스위치(T1)로 구성된 직렬 회로;
    -상기 각각의 액츄에이터에 대해, 상기 액츄에이터(P2-Pn) 및 상기 제 1 액츄에이터(P1)와 상기 제 1 MOSFET 스위치(T1)로 구성된 직렬 회로와 병렬로 접속되는 추가의 전력 MOSFET 스위치(T2-Tn)로 구성된 직렬 회로; 및
    -상기 액츄에이터와 상기 전력 MOSFET 스위치로 구성된 상기 모든 직렬 회로와 병렬로 위치하며 상기 어스 접속부(GND)로부터 상기 링-어라운드 코일(L)로 전류를 통과시키는 다이오드(D)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액츄에이터 구동 장치.
  2. 제어 회로(ST)에 의해 적어도 하나의 용량성 액츄에이터(P1-Pn)인 내부 연소 엔진의 압전 구동 연료 주입 밸브를 구동시키는 장치에 있어서,
    -상기 제어 회로(ST)에 의해 조정되는 어스 포텐셜-프리 전압원(SNT)의 양극(+SNT)과 음극(-SNT) 사이에 위치하며, 상기 전압원(SNT)에 의해 충전될 수 있는 충전 커패시터(C1);
    -상기 충전 커패시터(C1)와 병렬로 위치하며, 상기 양극(+SNT)에 접속되어 상기 양극(+SNT)으로부터 나오는 전류를 통과시키는 충전 스위치(X1) 및 상기 음극(-SNT)에 접속되어 상기 음극(-SNT)쪽으로 전류를 통과시키는 방전 스위치(X2)로 구성된 직렬 회로;
    -상기 충전 스위치(X1)와 상기 방전 스위치(X2)의 결합점과 상기 어스 접속부(GND) 사이에 위치하며 상기 충전 스위치(X1)에 접속되는 재충전 커패시터(C2), 링-어라운드 코일(L), 제 1 액츄에이터(P1) 및 제 1 제어된 전력 MOSFET 스위치(T1)에 접속되는 직렬 회로;
    -상기 각각의 액츄에이터에 대해, 상기 제 1 액츄에이터(P1)와 상기 제 1 MOSFET 스위치(T1)로 구성된 직렬 회로와 병렬로 접속되며 상기 액츄에이터(P2-Pn) 및 추가의 전력 MOSFET 스위치(T2-Tn)로 구성된 직렬 회로; 및
    -상기 액츄에이터와 상기 전력 MOSFET 스위치로 구성된 모든 직렬 회로와 병렬로 위치하며 상기 어스 접속부(GND)로부터 상기 링-어라운드 코일(L)로 전류를 통과시키는 다이오드(D)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액츄에이터 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 어스되지 않은 상기 음극(-SNT)의 접속부가 상기 재충전 커패시터(C2)에 인가된 전압(UC2)을 위한 측정점과 같은 역할을 하는 것을 특징으로 하는 용량성 액츄에이터 구동 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어 회로(ST)에 의해 조정될 수 있는 상기 전압원(SNT)은 스위칭된-모드 전력원인 것을 특징으로 하는 용량성 액츄에이터 구동 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어 회로(ST)는 마이크로프로세서-제어된 엔진 제어 유닛의 일부인 것을 특징으로 하는 용량성 액츄에이터 구동 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 충전 스위치(X1)와 상기 방전 스위치(X2)는 한쪽 방향으로만 전류를 통과시킬 수 있는 제어된 전자 스위치이고 적어도 하나의 반도체 엘리먼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 용량성 액츄에이터 구동 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 장치를 동작시키는 방법에 있어서, 개별적으로 동작될 액츄에이터(P1-Pn)가 링-어라운드 코일(L)을 통해 충전 커패시터(C1)와 재충전 커패시터(C2)로 구성된 직렬 회로로부터 설정된 원하는 전압(US)으로 충전되고 및 다음 충전 사이클 이전에 상기 충전 커패시터(C1)는 상기 원하는 전압(US)과 상기 재충전 커패시터(C2)에서의 전압(UC2) 사이의 차이에 상응하는 전압(UC1=US-UC2)으로 충전되는 것을 특징으로 하는 방법.
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