KR100835195B1

KR100835195B1 - 솔레노이드의 위치 제어장치

Info

Publication number: KR100835195B1
Application number: KR1020040026561A
Authority: KR
Inventors: 문형태
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2008-06-05
Also published as: KR20050101363A

Abstract

본 발명은 솔레노이드의 구동시 사용하는 MCU의 PWM 신호를 이용하여 솔레노이드의 위치를 추정 및 제어할 수 있도록 한 솔레노이드의 위치 제어장치에 관한 것으로, 코일에 의한 자력과 스프링에 의해 역동자가 움직임으로써 전기적인 에너지를 기계적인 직선운동을 하는 에너지로 변환하는 솔레노이드와, PWM 신호를 출력하고, 입력되는 전류값의 차이와 전원전압 및 전압인가시간을 이용하여 인덕턴스를 구하며, 이 구한 인덕턴스와 솔레노이드의 고유 인덕턴스를 비교하여 솔레노이드내 역동자의 위치를 추정하여 솔레노이드의 위치를 제어하는 MCU와, 상기 MCU에서 출력되는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작하는 전자 스위치와, 상기 솔레노이드에 인가된 전원전압에 따라 솔레노이드에 통전되는 전류값이 상기 전자 스위치의 스위칭 동작을 통해 인가되는 전류 측정용 저항과, 상기 전류 측정용 저항에 인가되는 전류값을 측정하여 상기 MCU로 출력하는 전류 측정 회로부로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이와 같이 PWM 신호의 라이징 에지와 폴링 에지 사이의 전류값 차이를 이용하여 인덕턴스를 구하고, 이 인덕턴스와 고유 인덕턴스의 비교를 통해 솔레노이드내 역동자의 위치를 추정함으로써 솔레노이드의 위치를 용이하고도 정확하게 제어할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

솔레노이드의 위치 제어장치{LOCATION CONTROL APPARATUS OF SOLENOID}

도 1은 일반적인 솔레노이드의 구조를 보인 도면,

도 2는 본 발명에 의한 솔레노이드의 위치 제어장치의 블록 구성도,

도 3은 본 발명에 의한 솔레노이드의 위치 제어장치의 각 부 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 코일 2 : 스프링

3 : 역동자 11 : 솔레노이드

12 : MCU 13 : 전자 스위치

14 : 전류 측정용 저항 15 : 전류 측정 회로부

본 발명은 솔레노이드의 위치 제어장치에 관한 것으로, 특히 솔레노이드의 구동시 사용하는 MCU(Micro Control Unit)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 이용하여 솔레노이드의 위치를 추정 및 제어할 수 있도록 한 솔레노이드의 위치 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 솔레노이드는 도 1에 도시된 바와 같이 자력 발생을 위한 코일(1)과, 정상 상태 위치를 발생시키기 위한 스프링(2)과, 상기 코일(1)에 의해 발생된 자력과 상기 스프링(2)에 의해 움직이면서 자기회로를 구성하는 역동자(3)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 솔레노이드는 코일(1)에 전류가 흐르면 자력이 발생하여 자속이 자기저항이 적은 루트를 따라 발생하고, 이때 전체 구조를 자기저항이 적은 상태로 유지하기 위해 힘을 발생하며, 이 힘이 역동자(3)를 움직이고, 역동자(3)는 스프링(2)과 힘의 균형이 이루어진 곳에 멈추게 된다.

상기와 같이 동작되는 솔레노이드에 있어서, V=L(di/dt)로, 이때 L은 인덕턴스(Inductance)로서, 권선수 또는 코일 턴수를 말하며, 솔레노이드의 기계 구조와 함께 그 값이 결정되는데, 일반적으로 자기저항이 적어지면 L이 커지게 되는바, 특히 도 1에 도시된 역동자(3)가 스프링(2) 힘에 의해 밀려나면 L이 적어지고, 전류가 흘러 역동자(3)가 끌려오면 L은 커지게 된다.

한편, 종래에는 위치센서를 달아 솔레노이드의 위치, 즉 상기 역동자(3)의 위치를 감지하고, 원하는 위치에 가도록 전압을 달리 인가하면서 전류값을 조절하여 발생 자력을 조절함으로써 솔레노이드에 대한 위치제어를 수행하였다.

또한, 상기와 같은 위치센서를 사용하지 않고 대신에 경험에 의한 값으로 전압을 인가하여 솔레노이드에 대한 위치제어를 수행하기도 하였다.

그러나, 상기와 같은 솔레노이드의 위치제어 방법들은 별도의 위치센서를 사용함에 따른 번거로움 및 구조적 복잡함이 있다고 하는 문제점뿐만 아니라, 특히 시스템의 노후로 인하여 상기 경험에 의한 값이 오차를 갖게 되면 솔레노이드에 연결된 밸브 등의 동작점이 바뀌게 되는 등, 정확한 솔레노이드의 위치제어를 수행할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 별도의 위치센서를 사용하지 않고도 솔레노이드의 구동시 MCU에서 출력되는 PWM 신호의 라이징 에지(Rising Edge)와 폴링 에지(Falling Edge) 사이의 전류값 차이를 이용하여 솔레노이드의 인덕턴스를 구하고, 이 구한 인덕턴스와 고유 인덕턴스의 비교를 통해 솔레노이드내 역동자의 위치를 추정함으로써, 솔레노이드의 위치를 정확하게 제어할 수 있도록 한 솔레노이드의 위치 제어장치를 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 솔레노이드의 위치 제어장치는, 코일에 의한 자력과 스프링에 의해 역동자가 움직임으로써 전기적인 에너지를 기계적인 직선운동을 하는 에너지로 변환하는 솔레노이드와; PWM 신호를 출력하고, 입력되는 전류값의 차이와 전원전압 및 전압인가시간을 이용하여 인덕턴스를 구하며, 이 구한 인덕턴스와 솔레노이드의 고유 인덕턴스를 비교하여 솔레노이드내 역동자의 위치를 추정하여 솔레노이드의 위치를 제어하는 MCU와; 이 MCU에서 출력되는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작하는 전자 스위치와; 상기 솔레노이드에 인가된 전원전압에 따라 솔레노이드에 통전되는 전류값이 상기 전자 스위치의 스위칭 동작을 통해 인가되는 전류 측정용 저항과; 이 전류 측정용 저항에 인가되는 전류값을 측정하여 상기 MCU로 출력하는 전류 측정 회로부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 솔레노이드의 위치 제어장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 솔레노이드의 위치 제어장치의 블록 구성도로서, 이 솔레노이드의 위치 제어장치는, 코일에 의한 자력과 스프링에 의해 역동자가 움직임으로써 전기적인 에너지를 기계적인 직선운동을 하는 에너지로 변환하는 솔레노이드(11)와; PWM 신호를 출력하고, 입력되는 전류값의 차이와 전원전압 및 전압인가시간을 이용하여 인덕턴스를 구하며, 이 구한 인덕턴스와 솔레노이드(11)의 고유 인덕턴스를 비교하여 솔레노이드(11)내 역동자의 위치를 추정하여 솔레노이드(11)의 위치를 제어하는 MCU(12)와; 이 MCU(12)에서 출력되는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작하는 전자 스위치(13)와; 상기 솔레노이드(11)에 인가된 전원전압(+V_batt)에 따라 솔레노이드(11)에 통전되는 전류값이 상기 전자 스위치(13)의 스위칭 동작을 통해 인가되는 전류 측정용 저항(14)과; 이 전류 측정용 저항(14)에 인가되는 전류값, 즉 상기 전자 스위치(13)의 스위칭 동작에 따라 PWM 신호의 라이징 에지와 폴링 에지 사이에 흐르는 전류값을 측정하는 전류 측정 회로부(15);로 구성된다.

상기 솔레노이드(11)의 양단자에는 다이오드(D)가 구비되어 있어, 전자 스위치(13)가 스위칭 오프동작하는 경우 다이오드(D)를 통해 역방향으로 전류가 흐르게 된다.

반면에, 상기 전자 스위치(13)가 스위칭 온동작하는 경우에는 전류 측정용 저항(14)에 순방향으로 전류가 흐르게 된다.

상기 전자 스위치(13)로는 전계효과 트랜지스터(FET)를 사용하고, 상기 전류 측정 회로부(15)는 샘플 앤드 홀드(Sample and Hold)회로로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 솔레노이드의 위치 제어장치의 동작을 도 3의 파형도를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 솔레노이드(11)에 12V 등의 전원전압(+V_batt)을 인가하여 솔레노이드 코일에 전류를 발생시켜 솔레노이드 역동자를 움직이도록 한다.

상기와 같은 상태에서 전자 스위치(13)는 MCU(12)에서 출력되는 PWM 신호를 입력받아 스위칭 온오프 동작하게 되는데, 전류 측정 회로부(15)는 전자 스위치(13)의 스위칭 온동작시 상기 솔레노이드(11)에 인가된 전원전압에 따라 솔레노이드(11)를 거쳐 전류 측정용 저항(14)에 흐르는 전류값을 측정한다.

즉, PWM 신호의 입력에 따라 전자 스위치(13)가 스위칭 온동작하면 전류 측정용 저항(14)에 전류가 흐르는 반면, 전자 스위치(13)가 스위칭 오프동작하면 전류 측정용 저항(14)에 전류가 흐르지 않는다.

여기서, PWM의 신호 파형, 즉 전자 스위치(13)의 신호와 전류의 변화량, 스위칭 시간을 나타내는 파형은 도 3에 도시된 바와 같다.

즉, 전류 측정 회로부(15)는 PWM 신호의 라이징 에지와 폴링 에지 사이에서 변화되는 전류의 변화량(ΔIa, ΔIb)을 측정하게 되는 것이다.

한편, 아래 수학식 1과 같은 관계식을 통해 전원전압, 예를 들면 차량에서 사용하는 전압과, 이 전압을 인가하는 시간의 길이(도 3에 도시된 ΔT, ΔT')를 알고, 전류의 변화량(ΔIa, ΔIb)을 안다면 아래 수학식 2를 통해 인덕턴스를 구할 수 있게 된다.

그러므로, 이후 MCU(12)는 상기 전류 측정 회로부(15)에서 입력되는 전류값의 변화량과, 전원전압 및 전압인가시간을 이용하여 인덕턴스를 구하고, 이 구한 인덕턴스를 솔레노이드(11)의 기계 구조 및 역동자의 위치에 따른 고유 인덕턴스와 비교하여 솔레노이드(11)내 역동자의 위치를 추정한다.

따라서, 상기 MCU(12)에서 구한 인덕턴스, 즉 L을 통해 역동자의 위치를 제어할 수 있게 된다.

즉, 솔레노이드(11)의 기계 구조에 의해 결정되는 L은 솔레노이드(11)의 자기저항이 적어지면 커지는 것으로, 특히 역동자가 밀려나면 L이 적어지고, 역동자가 끌려오면 L이 커지게 되어 있다.

그러므로, L이 적으면 역동자가 밀려나는 위치에 있게 되고, L이 크면 역동자가 끌려오는 위치에 있게 되므로, 상기 MCU(12)에서 구한 L을 통해 솔레노이드(11)내 역동자의 위치를 추정할 수 있게 되고, 이 추정 결과에 따라 역 동자가 원하는 위치에 가도록 전압을 달리 인가하여 솔레노이드의 위치를 용이하게 제어할 수 있게 된다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 별도의 위치센서를 사용하지 않고도 솔레노이드의 구동시 MCU에서 출력되는 PWM 신호의 라이징 에지와 폴링 에지 사이의 전류값의 차이를 이용하여 솔레노이드의 인덕턴스를 구하고, 이 구한 인덕턴스와 고유 인덕턴스의 비교를 통해 솔레노이드내 역동자의 위치를 추정함으로써 솔레노이드의 위치를 용이하고도 정확하게 제어할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

코일에 의한 자력과 스프링에 의해 역동자가 움직임으로써 전기적인 에너지를 기계적인 직선운동을 하는 에너지로 변환하는 솔레노이드와;

PWM 신호를 출력하고, 입력되는 전류값의 차이와 전원전압 및 전압인가시간을 이용하여 인덕턴스를 구하며, 이 구한 인덕턴스와 솔레노이드의 고유 인덕턴스를 비교하여 솔레노이드내 역동자의 위치를 추정하여 솔레노이드의 위치를 제어하는 MCU와;

이 MCU에서 출력되는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작하는 전자 스위치와;

상기 솔레노이드에 인가된 전원전압에 따라 솔레노이드에 통전되는 전류값이 상기 전자 스위치의 스위칭 동작을 통해 인가되는 전류 측정용 저항과;

이 전류 측정용 저항에 인가되는 전류값을 측정하여 상기 MCU로 출력하는 전류 측정 회로부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔레노이드의 위치 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 전류 측정 회로부에서 측정되는 전류값이, 상기 전자 스위치의 스위칭 동작에 따라 PWM 신호의 라이징 에지와 폴링 에지 사이에 흐르는 전류값인 것을 특징으로 하는 솔레노이드의 위치 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 전자 스위치가 전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 솔레노이드의 위치 제어장치.
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