KR100638939B1 - 용량성 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 상기 제어 방법 실행 장치 - Google Patents

용량성 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 상기 제어 방법 실행 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용량성 액추에이터를 구동하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 용량성 액추에이터에 에너지(E)가 제공되고 액추에이터에 인가되는 액추에이터 전압(Up)이 측정된다. 에너지(E) 및 액추에이터 전압(Up)과 기준 전압(Bo; Bu)의 비교로부터 기능 상태, 예를 들어 고장 또는 액추에이터 또는 분사 밸브의 올바른 기능이 유추된다. 또한, 액추에이터 전압(Up)으로부터 액추에이터 행정(ds)이 유추된다. 본 방법은 액추에이터 특성 곡선(KL I; KL Ⅱ)을 갖는 다이어그램에 나타난 규칙성을 토대로 한다.

Description

용량성 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 상기 제어 방법 실행 장치 {PROCESS AND DEVICE FOR CONTROLLING A CAPACITIVE ACTUATOR}
본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른, 용량성 액추에이터, 특히 연료 분사 밸브용 압전 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 청구항 제 9항의 전제부에 따른 방법의 실행을 위한 장치에 관한 것이다.
이러한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치는 아직 미공개된 독일 특허 출원서 196 44 521.3에서 설명되어 있다. 상기 방법에서는 용량성 액추에이터에 미리 결정된 에너지가 제공된다. 이는 충전 커패시터에 의해 액추에이터를 재충전함으로써 이루어지는데, 이때 상기 충전 커패시터는 초기 전압값에서 최종 전압값으로 방전된다. 대안적으로 액추에이터에 흐르는 또는 인가되는 전류 및 전압값을 측정함으로써 액추에이터에 제공된 에너지가 결정된다.
본 발명의 목적은 액추에이터 또는 연료 분사 밸브의 기능 상태를 진단할 수 있도록 용량성 액추에이터를 제어하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1항 및 제 9항에 제시된 특징들에 의해 달성된다.
본 발명의 장점은 간단한 방식으로 기능 상태를 신속하고 확실하게 검출할 수 있다는데 있다. 본 발명에 따른 방법에 의해서 상이한 고장 타입들, 예컨대 더이상 개방되지 않는 연료 분사 밸브 또는 더 이상 폐쇄되지 않는 연료 분사 밸브를 구별할 수도 있다.
본 발명은 액추에이터에 제공된 에너지량 및 상기 액추에이터에서 측정된 액추에이터 전압을 이용하여 액추에이터의 편위 및 이러한 편위에 따른 액추에이터 또는 연료 분사 밸브의 기능 상태를 유추하는 것을 전제로 하고 있다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예 및 개선예는 의존항에 제시된다.
도 1은 본 발명에 따른 액추에이터 특성 그래프이고,
도 2는 본 발명에 따른 한 실시예의 개략적인 블록도이며,
도 3은 도 2에 따른 실시예의 작동 방식에 대한 흐름도이다.
첨부한 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 1에는 액추에이터 특성 곡선 및 부하 곡선을 갖는 다이어그램이 도시된다. 세로 좌표는 액추에이터(P)에 의해 형성된 액추에이터 힘(actuator force)(Fp) 및 부하 바디(load body)에 작용하는 로딩 힘(loading force)(F1)을 나타낸다. 부하 바디의 한 실시예로서 예컨대 액추에이터(P)에 의해 구동되는 연료 분사 밸브의 노즐 니들(nozzle needle)이 있다. 횡좌표는 액추에이터(P)의 액추에이터 행정(actuator stroke)(ds) 및 부하 편위(x)를 나타내는데, 부하 바디는 상기 부하 편위(x) 만큼 거기에 작용하는 로딩 힘(F1)에 의해 편위된다.
0점으로부터 시작되는 도시된 각각의 부하 곡선, 예를 들어 Lmin 및 Lmax는 로딩 힘(F1)에 대한 부하 편위(x)의 선형 의존성을 도시하며, 이때 각각의 부하 바디는 그것의 바디 형태 및 탄성 특성, 예컨대 주어진 탄성 계수를 갖는 중공 실린더 형태의 금속 바디에 의해 특징지워진다. 부하 바디의 다른 실시예에서 비-선형 의존성은 부하 바디들이 예컨대 상이한 탄성 모듈을 가지며 서로 적층되어 있는 다수의 바디를 가지는 경우에 발생한다. 상기 다수의 바디들은 직렬로 연결된 상이한 스프링 상수를 가진 스프링, 또는 다이나믹 이동 부하 바디들처럼 작용한다.
액추에이터(P) 및 부하 바디가 서로 기계적으로 커플링됨으로써, 부하 곡선과 액추에이터 특성 곡선의 교점이 액추에이터(P)의 작동점을 결정한다.
각각의 액추에이터 특성 곡선(KL I, KL Ⅱ)은 미리 주어진 에너지(E)가 액추에이터(P)에 공급될 때 액추에이터 행정(ds)에 대한 액추에이터 힘(Fp)의 압전 액추에이터(P)에 전형적인 의존성을 보여준다. 이 실시예에서 특성 곡선 KL I은 63 mJ를 가지며 특성 곡선 KL Ⅱ는 51 mJ를 갖는다. 액추에이터(P)에서 측정된 액추에이터 전압(Up)은 액추에이터 행정(ds) 및 액추에이터 힘(Fp)에 따라 좌우된다. 액추에이터(P)는 예컨대 액추에이터에 공급된 에너지(E)가 63 mJ이고 측정된 액추에이터 전압(Up)이 125V일때, ds = 20㎛의 액추에이터 행정 및 Fp = 0 N의 액추에이터 힘을 가지는데, 이는 특성 곡선 KL I을 보면 알 수 있다.
본 발명에서 적용된 규칙들을 도 1에서 예시적으로 알 수 있다. 액추에이터 행정(ds)이 하부 에지 및 상부 에지로서 하부 기준값(Bu) 및 상부 기준값(Bo)을 갖는 주어진 범위(B) 내에 있으면, 액추에이터(P) 또는 연료 분사 밸브의 올바른 기능 상태가 유추된다. 이러한 범위의 에지는 예컨대 연료 분사 밸브에서 허용되는 최소 행정(dsmin) 또는 최대 행정(dsmax)에 상응한다. 액추에이터 행정(ds)이 상기 범위(B)를 넘어서면 제 1 고장 타입(F1)(ds ＞ dsmax) 또는 제 2 고장 타입(ds ＜ dsmin)의 고장이 유추된다. 액추에이터 행정(ds)은 미리 주어진 액추에이터 특성들 중 하나로부터 측정된 액추에이터 전압(Up)을 이용하여 결정된다.
기준값(Bu, Bo)은 액추에이터(P)의 작동점을 나타내며, 이는 고장 타입에 있어서 전형적으로 발생하는 로딩 힘(F1)이 이론적으로 또는 실험적으로 시뮬레이트되고 이렇게 검출된 액추에이터(P)의 작동점에 기준값이 할당되는 방식으로 결정된다.
삭제
상기 범위(B)의 에지 영역은 기능 상태가 확실히 검출되지 않는 허용 오차 범위(T)를 갖는다. 기능 상태에 대한 확실한 진단을 보장하기 위해, 범위(B)의 에지는 그 범위(B) 내에서 올바른 기능 상태가 보장되도록 선택된다. 범위(B)를 넘어선 허용 오차 범위(T)에 있는 액추에이터 행정(ds)이 결정되면, 예컨대 액추에이터 행정과 함께 기능 상태의 확실한 검출을 가능하게 하는 엔진 소음과 같은 작동상태에 대한 다른 측정변수(M)가 기록된다.
연료 분사 밸브에서 발생하는 고장 타입을 대략적으로 분류하면, 제 1 고장 타입(F1), 제 2 고장 타입(F2) 및 추가 고장 타입으로 나눌 수 있다. 한 실시예에서 제 1 고장 타입(F1)은 액추에이터 스프링의 파손을 나타내며, 제 2 고장 타입(F2)은 액추에이터(P)에 연결된 기계의 잼(jam)을 나타낸다. 추가 고장 타입으로 분류하려면, 고장 타입을 특성화하는 하나 이상의 기준값에 대해 각각의 추가 고장 타입을 관련시켜야만 한다.
본 발명에 따른 방법에 필요한 액추에이터 특성 곡선, 기준값 및 이에 상응하는 고장 타입이 예컨대 엔진 대상 시험(engine test bench)과 같은 실험에 의해서 결정되어서, 일군의 특성(KF)으로 제어 디바이스(ST)(도 2)에 저장된다.
대안적으로 압전 액추에이터의 특성을 근사치로 나타낸 한 샘플을 살펴보면 다음과 같다. 즉:
ds = f(k,E,Up)
상기 식에서,
ds는 액추에이터(P)의 액추에이터 행정이고,
E는 액추에이터(P)에 제공된 에너지이며,
Up는 액추에이터에서 측정된 액추에이터 전압이고,
k는 액추에이터의 기계적/전기적 특성을 나타내는 액추에이터 상수이다.
삭제
또한 도 2에 따른 액추에이터 제어 장치에서 발생하는 손실이 측정되고 손실을 보상하기 위한 이에 상응하는 보정 펙터가 결정되어서, 일군의 특성(KF)으로 저장된다.
압전 액추에이터(P)가 온도에 의존하는 특성을 가지기 때문에, 액추에이터 온도(Tp)의 변동시 액추에이터 특성 곡선에 나타난 액추에이터(P)의 특성이 변하게 된다. 온도 보상은 일군의 특성(KF)으로 저장된 보정 인자들을 이용하여 기준값을 적응시키는 방식으로 이루어진다.
일군의 특성(KF)은 도 3에 따른 제어 작동시에 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 데이터베이스로서 사용된다.
도 2에는 제어 디바이스(ST) 및 상기 제어 디바이스(ST)에 연결된 구동 회로(As)를 이용하여 도 3에 따른 방법에 따라 용량성 액추에이터(P)를 제어하기 위한 장치가 도시되는데, 이때 상기 제어 디바이스(ST)는 마이크로 프로세서에 의해 제어되는 엔진 제어 디바이스(도시되지 않음)의 부분을 형성할 수 있다.
구동 장치(As)는 충전 커패시터(C)를 가지는데, 상기 충전 커패시터(C)는 플러스극(+)에 있는 메인 스위치(X1)를 통해 에너지 소스(V)와 연결되며, 상기 메인 스위치(X1)와 연결된 진동 코일(L) 및 마이너스극(GND)에 연결된 보조 스위치(X2)로 이루어진 직렬 회로가 상기 충전 커패시터(C)에 대해 병렬로 제공된다. 상기 보조 스위치(X2)에 대해 평행하게 추가 직렬 회로가 제공되는데, 상기 직렬 회로는
진동 코일(L) 방향으로 도통시키는 방전 스위치(X4) 및 진동 코일(L)로부터 도통시키는 충전 스위치(X3)의 병렬 회로 및
마이너스극(GND) 방향으로 도통시키며 다이오드(D)를 갖는 액추에이터(P)의 병렬 회로를 포함한다.
제어 디바이스(ST)는 일군의 특성(KF)을 가지는데, 상기 일군의 특성(KF)은 액추에이터 특성곡선 및 액추에이터 특성의 온도에 따른 변동과 구동 회로(As) 내 손실을 보상하는 보정 인자들을 갖는다. 제어 디바이스(ST)는 도 3에 설명된 작동 단계에서 입력 신호들에 의존하며 내부적으로 진행되는 프로그램을 이용하여 스위치(X1 내지 X4)를 제어하는데, 상기 입력 신호들은 액추에이터 전압(Up), 구동 신호(sta), 측정변수(M) 및 온도 센서에 의해 검출된 액추에이터 온도(Tp)를 갖는다.
도 3에 도시된 흐름도를 보면, 도 2에 따른 장치 내에서 진행된 구동 과정이 전체 스위치(X1 내지 X4)가 비도전상태이고(흐름도에서 X1 내지 X4=0으로 표시됨) 진동 코일(L)이 도통되지 않는 상태인 출발 상태(상태 I)에서 시작된 것임을 알 수 있다.
제어 신호 sta=1(상태 Ⅱ)의 시작과 함께 구동 과정이 실행되는데, 상기 구동 과정은 미리 결정된 에너지(E)로 액추에이터(P)를 충전시킨다(상태 Ⅲ). 이를 위해 예컨대 최대 전압까지 충전된 충전 커패시터(C)가 최소 전압에 이를때까지 진동 코일(L)을 통해 액추에이터(P)를 재충전시킨다. 그런 다음 재충전 과정이 종결되고(상태 Ⅳ) 및 액추에이터 전압(Up)이 측정되며, 기준값(Upmin, Upmax)으로부터의 측정 전압(Up)의 편차로부터 액추에이터(P) 또는 연료 분사 밸브의 기능 상태가 유추된다. 액추에이터 전압(Up)이 최소 기준값(Upmin)에 미달하거나 최대 기준값(Upmax)을 초과할 경우, 제 1 고장 타입(F1)(상태 Ⅴ) 또는 제 2 고장 타입(F2)(상태 Ⅵ)이 유추된다. 제어 신호가 종결되어서(sta = 0)(상태 Ⅶ) 액추에이터(P)가 방전되면(상태 Ⅷ), 상기 액추에이터는 새로운 구동 과정을 위한 준비 상태가 된다(상태 Ⅸ).
본 발명의 또다른 한 실시예에서는 재충전 과정 및/또는 방전 과정동안 연속적으로 또는 적어도 몇몇 시점에서는 실제 에너지(E) 및 이에 상응하는 액추에이터 전압(Up)이 측정된다. 상기 에너지(E)는 충전 또는 방전 과정동안 예컨대 커패시터 전압(Uc)의 측정에 의해 또는 액추에이터(P)를 통해 흐르는 전류값과 액추에이터 전압(Up)값과의 곱셈에 의해, 그리고 상기 곱셈 결과의 적분값의 측정에 의해 결정될 수 있다. 에너지(E) 및 액추에이터 전압(Up)을 여러번 측정하면 기능 상태의 신속하고 정확한 검출이 바람직하게 달성된다.
또한 액추에이터(P)의 방전 과정후에(상태 Ⅷ) 액추에이터 전압(Up)을 측정할 수 있다. 액추에이터 전압(Up)이 또다른 기준값을 초과하면, 추가 고장 타입, 예컨대 편위된 상태에서의 액추에이터(P)의 잼이 유추될 수 있다. 즉, 편위된 상태에 있으면서 임피던스가 높은 액추에이터(P)에서의 내부 재충전 과정이 완전히 실행되기에는 방전 과정이 너무 짧으므로, 액추에이터(P)에 나머지 전압이 잔류하게 된다.
액추에이터(P)의 온도 의존성은, 하부 기준값(Bu) 및 상부 기준값(Bo) 또는 다른 기준값이 제어 디바이스(ST)의 일군의 특성(KF)으로 저장된 보정 인자들에 의해 변동되는 방식으로 보상된다.
액추에이터(P)는 연료 분사 밸브에서 내연 기관의 연소실에 대한 연료 공급을 제어한다. 따라서 전술한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치는 바람직하게 내연 기관의 작동 동안 개별 분사 과정시 진단 기능을 수행하며, 이것에 의해 고장 발생시에 적합한 대응 조치가 신속하게 취해질 수 있다. 예컨대 제 1 고장 발생(F1)의 경우에는 밸브가 더이상 폐쇄되어 있지 않고 연료가 연속적으로 연소실로 흐른다. 고장이 있는 연료 분사 밸브를 갖는 실린더의 연료 공급을 차단함으로써, 또는 진동(vibration)이 없는 엔진 작동을 유지시키기 위해서 다수의 실린더를 차단함으로써 엔진 손상을 막을 수 있으며, 차량이 그 자체의 힘으로 다음 작업장에 도달할 수 있다.
연료 분사 밸브에서 분사 작동을 최적화하기 위해서는 예컨대 개발 단계 또는 시험 단계에서 본 발명에 따른 방법이 사용되며, 이것에 의해 바람직하게는 구동 과정 동안 내부 프로세스에 대한 추론이 이루어질 수 있다. 또한 본 발명은 제조시 생산 라인 종결부에서 최종 제어를 위해서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 다른 사용 영역, 예컨대 압전 서보모터(piezoelectric servomotor)에서의 기능 상태를 진단하기 위해서도 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 용량성 액추에이터(P)를 제어하는 방법으로서,
    액추에이터(P)에 제공된 에너지(E)를 결정하는 단계;
    상기 액추에이터(P)에 인가되는 해당 액추에이터 전압(Up)을 측정하는 단계; 및
    상기 에너지(E) 및 상기 액추에이터 전압(Up)을 이용하여 상기 액추에이터의 기능 상태를 유추하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지(E) 및 적어도 하나의 기준값(Bu; Bo)으로부터의 상기 액추에이터 전압(Up)의 편차를 이용하여 상기 액추에이터의 기능 상태를 유추하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    - 상기 액추에이터 전압(Up)이 하부 기준값(Bu)과 상부 기준값(Bo) 사이에 있는 경우 상기 액추에이터의 올바른 기능 상태를 유추하는 단계;
    - 상기 액추에이터 전압(Up)이 상기 하부 기준값(Bu)에 미달하는 경우 제 1 고장 타입(F1)을 유추하는 단계; 및
    - 상기 액추에이터 전압(Up)이 상기 상부 기준값(Bo)을 초과하는 경우 제 2 고장 타입(F2)을 유추하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 에너지(E) 및 해당 액추에이터 전압(Up)에 대한 다수의 값들을 결정하는 단계; 및
    상기 다수의 값들을 이용하여 상기 액추에이터의 기능 상태를 유추하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 기준값(Bu, Bo)을 액추에이터 온도(Tp)에 따라 변동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    고장 타입과 연관된 상기 액추에이터(P)의 작동점들을 검출하는 단계; 및
    상기 작동점들을 이용하여 기준값(Bu; Bo)을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    추가 측정변수들(M)을 이용하여 상기 액추에이터의 기능 상태를 유추하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 에너지(E) 및 상기 액추에이터 전압(Up)을 이용하여 액추에이터 행정(ds)을 유추하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 액추에이터 제어 방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 따른 용량성 액추에이터 제어 방법을 실행하는 장치로서,
    메인 스위치(X1); 상기 메인 스위치(X1)를 통해 에너지 소스(V)에 연결된 충전 커패시터(C); 및 상기 충전 커패시터(C)에 병렬인 제 1 직렬 회로 - 상기 직렬 회로는 상기 메인 스위치(X1)에 연결된 진동 코일(L), 보조 스위치(X2), 및 상기 보조 스위치(X2)에 병렬인 제 2 직렬 회로를 포함하고, 상기 제 2 직렬 회로는 방전 스위치(X4) 및 충전 스위치(X3)를 포함하는 병렬 회로와 마이너스극(GND) 방향으로 도통시키며 다이오드(D)를 포함하는 병렬 회로를 구비함 -를 포함하는 구동 회로(As); 및
    상기 구동 회로(As)를 구동시키는 제어 디바이스 - 상기 제어 디바이스는 액추에이터 특성들(KL I; KL II; ...), 기준값(Bu; Bo), 및 보정 인자들을 갖는 일군의 특성(KF)을 구비함 -;
    를 포함하고,
    상기 제어 디바이스(ST)는 입력 신호들 및 상기 일군의 특성(KF)의 특성 곡선들에 의존하고 내부에서 실행되는 프로그램에 의해서 상기 스위치(X 내지 X4)를 제어하고, 상기 제어 디바이스에는 상기 입력 신호들로서 액추에이터 전압(Up), 액추에이터 온도(Tp), 추가의 측정 변수(M), 및 구동 신호(sta)가 제공되는 용량성 액추에이터 제어 방법 실행 장치.
KR1020007001851A 1998-06-25 1999-06-25 용량성 액추에이터를 제어하기 위한 방법 및 상기 제어 방법 실행 장치 KR100638939B1 (ko)

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DE19828401 1998-06-25
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