KR100653878B1 - 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치 - Google Patents

펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스폭변조 방식의 유압밸브 구동용 솔레노이드의 온도보상장치에 관한 것으로, 솔레노이드에 흐르는 전류변화에 따른 저항값을 추정하여 PWM 듀티비를 제어함으로써 솔레노이드의 온도변화를 보상하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명은, 플라이백 다이오드 보호회로를 갖춘 드라이버의 PWM 구동에 따라 밸브를 구동시키는 솔레노이드에 있어서, 상기 솔레노이드에 연결되어 솔레노이드의 온도변화에 따른 전류를 측정하는 전류측정부; 및 상기 전류측정부에서 측정된 전류값을 입력 받아 솔레노이드 저항의 전류를 추정하고, 이 측정전류와 추정전류에 따라 솔레노이드 저항값을 추정하여 상기 솔레노이드의 온도변화에 따른 PWM 듀티비를 보상하는 제어부를 포함하는 것이다.

Description

펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치{Apparatus to compensate temperature of solenoid for PWM operation}
도 1은 종래에 의한 솔레노이드의 펄스폭변조 구동회로도,
도 2는 본 발명에 의한 솔레노이드 온도보상장치의 펄스폭변조 구동회로도,
도 3은 본 발명의 PWM 듀티에 따른 솔레노이드의 전류변화를 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 솔레노이드 20 : FET
30 : 제어부 40 : 릴레이
50 : 전류측정부 52 : 증폭부
본 발명은 펄스폭변조(PWM) 방식의 유압밸브 구동용 솔레노이드에 관한 것으로, 특히 솔레노이드의 전류변화에 따라 듀티비를 제어하여 솔레노이드의 온도변화를 보상하는 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유압밸브(Hydraulic Unit Valve)를 구동하는 솔레노이드는 등가적으로 볼 때 저항(R)과 인덕턴스(L)의 연결로 생각할 수 있으며, 솔레노이드에 발 생되는 자기장(Magnetic Force)은 솔레노이드에 흐르는 전류에 비례한다. 따라서 밸브에 작용하는 자기장도 전류에 비례한다고 볼 수 있다.
종래에는, 이러한 밸브의 솔레노이드 전류제어를 위해 플라이백 다이오드(Flyback Diode 또는 Free-Wheeling Diode) 보호회로를 갖춘 드라이버를 펄스폭변조(이하, PWM이라 한다) 구동하는 방식이 도 1에 도시한 바와 같이, 제안되었다.
도 1을 참조하면, 저항(Rc) 및 인덕턴스(Lc)로 구성된 솔레노이드(10)에 전계효과 트랜지스터(20; 이하, FET라 한다)가 연결되어 제어부(30)의 PWM 구동신호에 따라 ON/OFF 되고, 상기 솔레노이드(10)에는 션트저항(Rs) 및 릴레이(40)가 연결되어 솔레노이드(10)의 동작을 제어하도록 하였다.
또한, 상기 솔레노이드(10)의 전류제어를 위한 PWM 동작특성을 고려하여 솔레노이드(10)에 플라이백 다이오드(D1)를 병렬로 연결한 보호회로를 구성하였다.
이와 같이 구성된 종래 솔레노이드(10)의 PWM 구동회로에 있어서, 저항(Rc) 및 인덕턴스(Lc)로 구성된 솔레노이드(10)를 PWM 구동할 때, 저항(Rc) 및 인덕턴스(Lc)가 일정하면 전류는 PWM 듀티비(Duty Ratio)에 비례하므로 PWM 듀티비를 제어하여 밸브의 자기장을 선형적으로 제어하였다.
그런데, 저항(Rc)은 전류가 흐르면 전력을 소비하면서 발열하는 특성을 가지므로 이 경우 솔레노이드(10)의 저항값이 변화하면서 듀티비에 비례하는 자기장도 변화하게 되나, 종래에는 저항(Rc) 및 인덕턴스(Lc)가 일정할 때의 안정된 상태에서의 듀티비를 가지고 전류를 제어함으로써 저항변화에 따른 밸브 제어특성이 온도변화의 영향을 받아 달라진다는 문제점이 있었다.
이것은 밸브(예를 들어, 유압 브레이크 등) 구동의 단순성과 강인성을 확보해야 하는 측면에서 볼 때, 안전성이 저하되는 결과를 초래하였다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 솔레노이드에 흐르는 전류변화에 따른 저항값을 추정하여 PWM 듀티비를 제어함으로써 솔레노이드의 온도변화를 보상하는 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 플라이백 다이오드 보호회로를 갖춘 드라이버의 PWM 구동에 따라 밸브를 구동시키는 솔레노이드에 있어서, 상기 솔레노이드에 연결되어 솔레노이드의 온도변화에 따른 전류를 측정하는 전류측정부; 및 상기 전류측정부에서 측정된 전류값을 입력 받아 솔레노이드 저항의 전류를 추정하고, 이 측정전류와 추정전류에 따라 솔레노이드 저항값을 추정하여 상기 솔레노이드의 온도변화에 따른 PWM 듀티비를 보상하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류측정부는 전류검출을 위한 저항(Ri)과, 상기 저항(Ri)에 의해 검출된 값을 차등 증폭하여 전류를 측정하는 증폭부로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 PWM 구동 시 상기 솔레노이드에 흐르는 전류가 듀티비에 비례하는 점을 이용하여 듀티비를 재설정하는 매 제어주기마다 측정전류와 추정전류를 이용하여 솔레노이드 저항값을 추정하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 솔레노이드 온도보상장치의 펄스폭변조 구동회로도로서, 솔레노이드(10), FET(20), 제어부(30), 릴레이(40) 및 션트저항(Rs), 전류측정부(50), 플라이백 다이오드(D1)를 포함하며, 종래의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일부호를 병기한다.
도 2에서, 상기 솔레노이드(10)는 유압밸브를 구동하기 위한 것으로, 등가적으로 볼 때 저항(Rc) 및 인덕턴스(Lc)로 구성된다.
상기 솔레노이드(10)에는 플라이백 다이오드(D1)가 병렬로 연결되어 있으며, 이 플라이백 다이오드(D1)는 상기 솔레노이드(10)의 전류제어를 위한 PWM 동작특성을 고려하여 보호회로를 구성한다.
상기 솔레노이드(10)에는 제어부(30)로부터 출력되는 PWM 구동신호에 따라 ON/OFF 되는 FET(20)가 직렬로 연결되어 있으며, 이 FET(20)는 PWM 듀티비에 비례하여 솔레노이드(10)에 흐르는 전류를 제어한다.
또한, 상기 솔레노이드(10)에는 제어부(30)로부터 출력되는 릴레이 구동신호에 따라 OPEN/CLOSE 되는 릴레이가(40)가 연결되어 있으며, 이 릴레이(40)에는 션트저항(Rs)이 병렬로 연결되고, 이 션트저항(Rs)은 수 Ω정도의 값을 갖는다.
상기 솔레노이드(10)와 릴레이(40) 사이에는 솔레노이드(10)의 온도변화에 따른 솔레노이드(10)의 전류변화를 측정하기 위한 전류측정부(50)가 연결되어 있으며, 이 전류측정부(50)는 전류검출을 위한 전류검출저항(Ri)과, 상기 전류검출저항 (Ri)에 의해 검출된 값을 차등 증폭하여 전류를 측정하는 차등증폭회로(52; 이하 증폭부라 한다)로 구성된다.
상기 저항(Ri)은 기존 회로동작에 전혀 영향을 미치지 않는 수준의 값(예를 들어, 0.05Ω)으로 결정한다.
상기 전류측정부(50)에서 측정된 전류값이 제어부(30)에 입력되면, 상기 제어부(30)는 이 측정전류와 추정전류를 이용하여 솔레노이드 저항값을 추정하여 솔레노이드(10)의 온도변화에 따른 PWM 듀티비를 보상하게 된다.
이하, 상기와 같이 구성된 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치의 작용효과를 설명한다.
본 발명에서는 솔레노이드(10)를 구동하면서 동시에 저항을 추정할 수 있는 방법과 이에 따른 PWM 듀티비 보상방법을 제시한다.
[1] 솔레노이드(10)를 구동하지 않을 때, 저항을 추정하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 릴레이(40)를 OPEN시키고 FET(20)를 구동하는데, 이때 5V 전원과 션트저항(Rs) 때문에 전류가 작아 실제적인 밸브 동작은 일어나지 않는다.
이후, 플라이백 다이오드(D1) 양단간의 전압(Vd+, Vd-)을 측정하고, 션트저항(Rs)에 걸리는 전압(Vs) = 5V - Vd+, 솔레노이드 저항(Rc)에 걸리는 전압(Vc) = Vd-을 측정한다.
션트저항(Rs)과 솔레노이드 저항(Rc)에 흐르는 전류(i)는
i = Vs/Rs = Vc/Rc ‥‥‥ [식 1] 이므로,
Rc = (Vc/Vs) * Rs 과 같다.
따라서, 솔레노이드(10)의 측정전류와 추정전류를 이용하여 솔레노이드 저항(Rc)을 추정함으로써 저항 추정을 통한 온도보상이 가능하므로 기존의 전류제어에 비해 안정된 제어특성을 갖게 된다.
[2] 솔레노이드(10)를 구동할 때, 저항을 추정하는 방법은 다음과 같다.
솔레노이드(10)의 구동이 시작되면, 새로 추가한 전류검출저항(Ri)과 증폭부(52)에 의하여 솔레노이드(10)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
PWM 구동 시 솔레노이드(10)에 흐르는 전류는 안정된 상태에서 듀티비에 비례한다는 것은 일반적인 공지기술이고, PWM 구동주파수를 솔레노이드 저항(Rc) 및 인덕턴스(Lc)값에 비해 월등이 높게 설정하면 평균전류의 시상수는 Lc/Rc에 접근한다는 것도 공지된 주지기술로 측정되는 평균전류는 다음과 같다.
I = Io + (Vc/Rc * d -Io) * (1 - e-t/τ) ‥‥‥ [식 2]
여기서, τ = Lc/Rc, d = 듀티비(duty ratio), V = 전원전압(12V),
Rc = 솔레노이드 저항, Io = 초기전류
따라서, 듀티비를 새로이 설정하는 매 제어주기마다 아래의 방법으로 솔레노이드(10) 저항값을 추정한다.
① 솔레노이드(10) 구동 전에 저항값(Ro)을 측정한다.([식 1]에 의해 계산)
② 측정전류(Im)를 측정한다.
③ 추정전류(Ip)를 계산한다.([식 2]에 의해 계산, 지난 주기의 측정전류를 Io라 한다)
* 이때, -t/τ가 매우 작은 값이기 때문에 지수함수(e-t/τ)는 테일러(Taylor) 급수 2~3차 항으로 근사화하여 계산함으로써 실시간으로 구할 수 있으며, 또는 테이블을 이용하여 구할 수도 있다.
이를 식으로 나타내면 아래와 같다.
Im = Vc/Rc, Ip = Vc/Ro
따라서, Rc = (Ip/Im)*Ro ‥‥‥ [식 3]
와 같이, 실제 저항(Rc)을 측정할 수 있다.
도 3은 측정전류(Im)와 추정전류(Ip)의 그래프로서, [식 3] 등에서 사용하는 전류값은 매 제어주기 시작점에서 측정한 값이다.
④ k = Rc/r (r = 상온일 때의 저항)일 때,
(온도변화는 느리므로 k는 수 Hz의 컷오프(cut-off) 주파수를 갖는 로우패스필터를 거친다)
제어 로직이 계산한 듀티비가 d일 때 k*d로 PWM 구동한다.
I = (Vc/Rc)*k*d = (Vc/Rc)*(Rc/r)*d = (Vc/r)*d 와 같이 온도특성이 제거된다.
⑤ Ro=Rc로 업데이트한 후 ②를 반복한다.
이와 같이, 본 발명은 측정전류(Im)와 추정전류(Ip)를 이용하여 솔레노이드 저항(Rc)을 추정함으로써 저항 추정을 통한 온도보상이 가능해지게 된다.
상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치에 의하면, 솔레노이드에 흐르는 전류변화에 따른 저항값을 추정하여 PWM 듀티비를 보상함으로써 솔레노이드의 PWM 구동에서 온도변화 영향을 제거할 수 있으며, 이에 따른 밸브 구동의 단순성과 강인성을 확보할 수 있다는 효과가 있다.
상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (3)

  1. 플라이백 다이오드 보호회로를 갖춘 드라이버의 PWM 구동에 따라 밸브를 구동시키는 솔레노이드에 있어서,
    상기 솔레노이드에 연결되어 솔레노이드의 온도변화에 따른 전류를 측정하는 전류측정부; 및
    상기 전류측정부에서 측정된 전류값을 입력 받아 솔레노이드 저항의 전류를 추정하고, 이 측정전류와 추정전류에 따라 솔레노이드 저항값을 추정하여 상기 솔레노이드의 온도변화에 따른 PWM 듀티비를 보상하는 제어부를
    포함하는 것을 특징으로 하는 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전류측정부는 전류검출을 위한 저항(Ri)과, 상기 저항(Ri)에 의해 검출된 값을 차등 증폭하여 전류를 측정하는 증폭부로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 PWM 구동 시 상기 솔레노이드에 흐르는 전류가 듀티비에 비례하는 점을 이용하여 듀티비를 재설정하는 매 제어주기마다 측정전류와 추정전류를 이용하여 솔레노이드 저항값을 추정하는 것을 특징으로 하는 펄스폭변조 구동용 솔레노이드의 온도보상장치.
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