KR100911632B1 - 조절장치를 이용하여 유압을 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

작동기를 이용하여 유체 압력을 측정하는 방법 및 장치

작동기내에 우세한 압력차이 또는 유체의 압력을 결정하는 방법 및 장치로써 내부에 압력 측정용 전자기적으로 운행 가능한 작동기, 밸브 작동 요소에 작용하는 힘, 밸브 작동 요소의 위치 컨트롤에 사용되는 전기 조절 회로를 포함하는 장치.

Description

조절장치를 이용하여 유압을 측정하는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A FLUID PRESSURE BY MEANS OF A REGULATING DEVICE}

본 발명은 제 1 청구항의 전제부에 따라 유체의 압력을 측정하는 방법에 관한 것이다.

EP 1 282 544 A1 에 따르면, 자동차 브레이크 시스템에 사용되는 ABS 장치 또는 ESP 등과 같은 부가 기능을 장비한 소위 운행 동력 조절 장치의 휠(wheel) 브레이크 내부 유압을 측정하는 압력 센서(sensor)를 사용하는 것이 나와있다. 상기 압력 센서는 우세한 압력 차이의 변화로부터 얻어진 다이어프램(diaphragm)를 그리는 작업을 포함하고 있다.

또한 대규모 통합 전자식 브레이크 컨트롤 장치 내에 있는 압력 센서 설비는 바람직하지 못하게 여분의 필요분이 축적되거나 컨트롤 장치 비용이 발생하는 결과를 가져온다.

위에서 언급한 결함들은 제 1 청구항에 따른 방법으로써 압력 측정용 유압 조정 장치 - 특히 유압 밸브(valve) 조절을 통해 해결될수 있다.

장치의 기계적 부분을 작동시키는 설비부분의 자기적 부분이 특히 기계적 부분에 작동하는 힘을 조절하는 제어 회로에 종속되어 있기 때문에 압력 센서로써 장 치를 사용하는것이 가능하게 된다. 이러한 방식으로 압력 측정은 부가적인 압력 센서 없이 액츄에이터를 사용할 수 있다.

'액츄에이터'는 유체 흐름을 조절하는 슬라이드(slide)와 밸브와 관련되어 있으며, 바람직하게 사용되는 액츄에이터는 밸브이다. 공기 외에 선호되는 유체로는, 브레이크에서 통상적으로 사용되는 브레이크 유체인 유압 유체가 있다.

바람직하게 액츄에이터는 완전 개방과 완전 폐쇄 위치를 가지고 있다. 정상 개방형(normally open : NO-V) 또는 정상 폐쇠형 (normally closed : NC-V)방식에 따라, 밸브 작동장치(예: 밸브 태핏(tappet))는 리셋팅 요소의 작동에 응답하여 이들 위치들 중 하나에 있게된다. 적절한 리셋팅 요소는 본 방법에 따라 특별하게 선형 방정식으로 근사화될 수 있는 규정된 힘/거리 특성 곡선을 가지는 스프링이 될수 있다. 다음에 설명하겠지만, 밸브 작동 요소에서 힘의 평형이 이루어지는 경우 측정 가능한 자기력으로부터 액츄에이터의 개방 스트로크(stroke)가 계산될수 있다.

액츄에이터는 여진기 코일(exciter coil) 작동에 의해 기계적 작동 요소가 움직일수 있는 전자기적 장치를 포함한다. 상기 작동 요소는 축방향으로 변위가능하고, 여진기 코일의 자기장에 의해 움직일수 있는 자화가능 전기자와 관계있다. 좀 더 구체적으로, 이 전기자는 밸브 돔(dome) 내부에 배치된다.

본 발명의 방법에 따라 제어되는 액츄에이터의 자기력 또는 개방 스트로크(stroke)는 유도 전압으로부터 결정된다. 위에서 언급하였듯이, 힘/거리간의 상호관계가 알려져 있다면, 리셋팅요소에 대해 알려진 힘/거리 방정식을 이용하여 개방 스트로크(stroke)에서 자기력을 계산할수 있다.

자기 회로 내에서 액츄에이터는 자속을 결정하기 위한 하나 또는 그 이상의 추가적인 측정 요소, 특히 측정 코일을 구비한다.

소위 아날로그화된 파일럿 (analogized pilot) 밸브는 최신의 유압 제어 장치에 사용된다. 바람직하게 본 발명 방법에 사용되는 아날로그화된 파일럿 (analogized pilot) 밸브는 아날로그 조절 특성을 가진 구조적인 설계와 특정 전류 조절을 통해 작동되는 완전 개방 또는 완전 폐쇄를 위한 전류 구동식 솔레노이드 밸브이다.

본 발명의 방법은 바람직하게 자동차 브레이크 제어용 전자 유압 장치에 사용된다.

정확한 압력 측정을 위해서는 액츄에이터의 개방 스트로크(stroke)가 규정된 값에 일치하도록 하는것이 유리하다. 이러한 목적으로, 먼저 무압(pressureless) 상태에서 대응하는 여진(excite) 전류를 알아야만 한다. 이와 관련하여, 제품라인의 각 액츄에이터에 따라 큰 편차가 있게되는데, 이렇게되면 소망하는 전류를 필요한 정밀도로 조정하는 것이 쉽지 않게 된다. 그러므로, 본 방법에 따라 예컨대, 밸브의 개별 특성 곡선을 사용하는것이 적절한데, 이러한 경우 변하는 스프링력 F_spring및 공기틈의 상이한 자기저항과 같은 하나 이상의 기계적 공차를 보상할 수 있게 된다.

이를 위해, 하기 방법에 따라 결정할수 있는 특성 곡선(무압 보정) 또는 기존의 특성 곡선을 사용하는 것이 가능하다. 특성 곡선 대신, 특히 산술장치에 저장되는 파라미터 또는 특성 필드(field)가 사용될수 있다. 특성 곡선을 결정하기 위해, 이하 무압 보정이라고 하는 루틴이 수행되며, 이 경우 하나 이상의 액츄에이터 관련 특성 곡선, 특성 필드 또는 액츄에이터를 위한 파라미터 KG_ind가 결정되며, 유동 G, 여진기 코일에서의 전류의 세기 I, 압력차 ΔP 의 상호관계가 상기 파라미터들에 의해 규정될 수 있다.

보정화 작업은 개방 거리(travel) 1, 스피링력 F_spring 및/또는 액츄에이터의 자기 저항력들을 고려하여 적절하게 수행된다.

바람직하게, 액츄에이터의 개별 자기적, 기계적인 파라미터 KG_ind 가 측정 루틴에 고려될 수 있으며, 이러한 파라미터들은 각 특성 곡선에서 제조에 의한 편차의 주 원인이 된다. 제조에 의한 편차를 덜 받는 액츄에이터의 파라미터들은 추가적인 일반 파라미터 KG_gendp 의해 제품라인에 대해 일단 고정될 수 있으며, 전자 제어 장치에 영구적으로 저장될수 있다. 그러므로 액츄에이터 특성 곡선과 액츄에이터에 필요한 구동 전류(압력차에 응답함)가 개별적이고 일반적인 파라미터로부터 계산될 수 있다.

보정화 방법에 따르면, 자기 회로의 총 자기 저항이 측정된다. 바람직한 본 방법의 실시를 위한 등가적인 물리량으로서, 일반적으로 자기 저항 대신 코일의 감은 횟수 N과 관련 있는 대응 자기 회로의 인덕턴스(inductance) L 가 사용될 수 있으며, 특히 액츄에이터의 완전 개방 및/또는 완전 폐쇄 위치에서의 자기 저항이 결정된다. 바람직한 방식으로, 보정시 최대 태핏 스트로크 (tappet stroke)와 스프링력이 결정된다.

바람직하게, 액츄에이터는 하나 이상의 추가적인 측정 요소, 특히 측정코일을 포함한다. 측정 코일은 구동 코일과 독립적으로 전기적으로 연결될 수 있다. 그러나 바람직한 실시 형태에 따르면 측정 코일을 구동 코일과 전기적으로 직렬연결할 수 있다. 이런 구성이 세개의 작용 라인만 외부로 연결하면 되므로 유리하다.

본 발명의 다른 실시형태에 따라, 액츄에이터 영역에 배열되는 측정 요소를 통하여 액츄에이터의 내부 물리적 파라미터를 결정하는 것과 압력을 계산함에 있어서 이러한 파라미터들을 고려할 수 있다.

바람직하게, 유효 자속을 검출하는데 적절하다면, 코일 뿐만 아니라 자기장에 반응하는 모든 센서(Hall 센서, MR 센서)가 측정 요소로 사용될 수 있다. 그러나 낮은 제조 비용의 가능성 때문에 특히 코일을 널리 사용한다.

규정된 압력차에서 F_spring + F_hydraulics = F_magn 평형 방정식에 근거하여 결정되는 소위 홀딩(holding) 전류는 충분한 정확도로 밸브를 개방하는데 실제 요구되는 개방 전류와 아직 일치하지 않는데, 그 이유는 개방 전류가 계산된 홀딩 전류값보다 다소 작기 때문이다(이는 유동효과 때문임). 일정한 음의 전류 편차량 I_corr ^const 을 홀딩 전류 특성 곡선 I_holding (△P) 의 필요한 압력차 범위에서 추가함으로써 개방 전류 특성 곡선 I_opening (△P) 을 더욱 정확하게 결정할 수 있음이 밝혀졌다. 따라서 보정화 방법의 또 다른 실시 형태에 따르면, 홀딩 전류보다는 밸브 개방 전류가 기초가 된다. 이를 위해, 가장 간단한 경우에 일정한 전류 편차값인 보정항을 통해 밸브 개방 전류를 보정할 수 있다. 상기 개방 전류 보정과는 별개로, 강자성(ferromagnetic) 회로의 전류 응답 영향을 고려하는 다른 보정을 하는 것이 가능하고 또한 바람직하다. 상기 자기 보정과는 별개로, 여진기 코일의 옴 저항을 고려하여 열 보정을 수행하는것이 적합할 수 있다.

액츄에이터를 작동시키는 여진기 코일은 펄스 폭 변조(pulse-width modulated) 전류(PWM)로 작동되는것이 바람직하고, 코일저항은 PWM 작동의 듀티(duty) 싸이클에 의해 결정된다. 또한 정확도를 증가시키기 위해 각각의 액츄에이터에서 파라미터 KG_ind 를 계산할 때 코일저항을 고려하는 것이 바람직하다.

본 발명 방법에 따라 자속과 자기력을 결정하기 위해, 액츄에이터의 자기회로내에 유도된 전압을 적분하는 것이 바람직하다. 발명의 다른 독립적 실시형태에 따라, 간단한 구성을 지닌 소위 구형파(square-wave) 생성 전자회로를 통해 측정 코일의 탭(tap) 또는 코일 탭에서의 적분이 수행된다. 이 방법은 전자적 측정 장치를 사용하여 액츄에이터의 여진기 코일에 유도된 전압 U_ind을 조절하거나 구하여 구동기(driver)를 통해 전기적으로 작동될 수 있는 하나 이상의 유도 액츄에이터에서의 자속을 결정하는것과 관련되어 있으며, 코일에 작용하는 전압은 측정장치 또는 작동요소나 유도 액츄에이터의 전자적 작용을 통해 일정한 값으로 유지되며, 또한 유도 요소 또는 측정장치에 흐르는 전류가 충전 또는 차단될 때 전압을 유도하는 시간(t₁)이 결정된다.

또 다른 바람직한 실시형태는 종속항 또는 도면에 나타난 실시형태의 상세한 설명에서 찾을수 있다.

도 1 은 압력 제어 밸브의 유압 부품을 개략적으로 나타낸것이다.

도 2 은 일정한 태핏(tappet) 위치를 조절하기 위한 제어 회로의 기본 회로도이다.

도 3 은 밸브에서 가장 좁은 지점의 기하하적 현상을 개락적으로 나타낸 것이다.

도 4 은 자동차 브레이크 제어 장치의 개략도이다.

도 1 에서, 밸브 태핏(tappet) (1) 은 도면에는 나타나지 않은 전자기 장치에 의해 화살표 "7" 방향으로 축선방향으로 움직이게 되고 그 결과 태핏(tappet)표면(5)이 시일링을 위해 밸브 시트(seat)(3) 안으로 들어가게된다. 밸브 시트(seat) (3)에 위치되어 있는 스프링(2)의 힘(F_spring)이 화살표 "8" 방향으로 밸브 태핏(tappet)(1)에 작용한다. 전자기 장치는 화살표 "9" 방향으로 힘(F_magn )을 발생시킨다. 휠 브레이크 실린더를 이끄는 브레이크 회로 전반에 걸쳐 압력 (P₃) 이 작용한 다. 브레이크 시스템의 압력 발생 마스터 실린더(도시되지 않은)에는 압력 (P₁) 이 작용한다. 화살표 "10"은 태핏 (1)에 작용하는 유압력 F_p 의 방향을 나타낸다.

도 1 의 개략적인 도면은 유압력의 평가에 고려되는 영향 계수를 설명하고 있다. 밸브 태핏에 작용하는 힘들로는, 한편으로 가장 좁은 단면 (A₂) 에서의 빠른 속도와 F_{flow axial} 방향의 밸브 폐쇠를 야기하는 결과적인 부압 (P₂)에 의해 얻어지는 유동력 (F_flow) 및, 다른 편으로는 유체가 태핏을 가압함으로써 발생되며 P₁≥P₃ 인 경우에 밸브를 열게 할 수 있는 압력힘 (F_p)이 있다. 유동력에 베르누이(Bernoulli) 방정식을 적용해보면

Q 는 체적 유량(flow), A₂ 는 가장 좁은 단면에서의 유동단면적이다. α_D 는 유동 계수, Δp = p₁ - p₃ 는 압력차, ρ는 브레이크 유체의 밀도이다.

간단히 하기 위해 유동 계수 α_D ≒ [ 0.58 ... 0.7] 은 개방 스트로크 (x) 와 비교하여 비교적 일정한 것으로 가정할수 있다.

유동력의 비정상(unsteady) 부분을 무시하였을 때, 유동력은 다음과 같이 나타낼수 있다.

v₂ 는 가장 좁은 부분의 유동 속도를 나타낸다. 또한 Q = A₂v₂ 이다. 이로부터 유동력은 다음과 같이 나타난다.

태핏(tappet)에는 이 힘의 축방향 성분만이 작용한다. 가장 좁은 단면에서 유동방향과 밸브 축과의 각도를 ε 라고 하면 축방향으로 작용하는 유동력은 아래와 같이 된다.

가장 좁은 부분에서 소위 스트로크 다이어프램(stroke diaphragm)의 표면은 도 3 의 모델처럼 나타난 곧은 원뿔대의 둘레면으로 정확하게 정의될 수 있다. 아래식의 관계가 적용될수 있다.

여기서 l = x sin ε 이다.

개방 밸브를 통해 흐르는 유체 때문에 추가적인 압력힘 (F_p)이 발생되는데, 이 힘은 P₃ < P₁ 인 경우에 힘의 관점에서 유동력(F_flow)과 반대 방향으로 작용하고, P₃ > P₁ 인 경우에는 동일한 방향으로 작용한다.

압력힘은 압력차에 비례한다.

보정 계수 (α_corr ≤ 1)는 태핏의 가장자리로 가면서 압력이 감소함을 나타낸다.

스프링력은 다음식에 의해 표현된다.

다음과 같은 태핏(tappet) 운동 미분방정식이 위에서 언급한 타핏에 작용하는 힘의 평형으로부터 얻어진다.

도 2 는 본 발명에 따른 태핏 스트로크 (tappet stroke)를 조절하기 위한 회로도를 나타낸 것이다. X_nominal 은 타핏 위치의 공칭값을 나타낸 것이다. 초기값 X_nominal 은 제어장치의 메모리에 저장된 파라미터에 의해 규정된다. 제어장치 (12) 는 태핏 스트로크 (tappet stroke)(x) 를 일정하게 유지시킨다. 따라서 가속도는 영(zero)이다. 상기 미분방정식은 자기력의 항으로 계산될수 있으며, 이에 대응하여 각각의 힘이 대입될 수 있다.

위 방정식은 상수 a 와 b 를 사용하여 좀더 간단하게 표현될수 있다.

F _magn = a * Δp + b

위의 식에서 상수 a 와 b 는 기하학적인 구조, 스프링 상수, 일정하게 조절되는 태핏 위치에만 의존하게 된다.

자기력과 자속 사이의 관계를 이용하면 자속을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

압력 결정의 정확도는 아래에서 설명될 또 다른 계산 방법에 따라 더욱 높아질수 있다.

그러므로, 아래에 설명하는바와 같이 유도 전압을 적분하여 자속을 계산하는 방법으로 밸브간의 압력차를 수치적으로 결정할수 있다.

하기에서 설명하는 영향 계수를 고려하는 것이 정확한 양적 상호관계의 계산에 바람직하다.

- 도 1 에 나타난 단면 A₁ 는 제 1 유동 다이어프램으로 생각할수 있으며, 이에 따라 상기 모델을 두 다이어프램의 직렬 배열로 기술하는것이 가능하다.

- 제 1 다이어프램 (A₁)의 압력 감소는 압력 감소에 대한 보정항을 계산하는데 고려할수 있다.

아래의 수학적인 상호관계를 통해 본 발명을 더 설명한다.

자기력은 다음식으로 나타낼수 있다.

여기서 μ₀ 은 공기중에서의 투자율을 나타내고, A_armature 는 전기자 면적, Φ 는 자속을 나타낸다.

자속은 다음 식에 따라 계산된다.

,

여기서 I 는 코일 전류, N 은 여진기 코일의 감은 수, R_m,total 은 밸브내 자기 회로의 총 자기 저항을 나타낸다.

와

가 또한 적용된다.

도 4 는 승용차 브레이크의 전자 유압 제어장치를 나타내는 것으로, 이 제어 장치는 마이크로콘트롤러(microcontroller) 시스템을 지닌 제어기 하우징(13) (ECU)과 거기에 연결된 밸브 블록(valve block)(14)를 포함한다. 제어장치가 결합될때 도 1 과 관련하여 설명된 밸브를 내장하는 밸브 돔(dome)(16)에 여진기(exciter)코일(15)이 끼워진다. 상기 제어장치는 또한 각 밸브에 대해 개별적으로 펄스-폭-변조(pulse-width-modulated) 방식으로 각각의 여진기 코일의 전류 I 를 조절 및 측정하는데 사용되는 제어 회로를 더 포함한다. 이를 위해, 제어기 하우징(13)은 각 밸브용으로 개별 작동가능한 PWM 구동기(driver)를 포함한다. 측정 장치들(도시되지 않은)이 여진기 코일의 말단 부분(17)에 제공되어 유도 전압 U_ind(t)를 측정하는데 사용된다.

여진 전류가 비활성화 되면, 여진기 코일(15)에서 자속 Φ 의 변화가 일어나고 이러한 자속 변화는 코일에서의 유도 전압 U_ind 의 변동으로 측정될수 있다. 이를 위해 측정장치(도시되지 않은)에서 유도 전압 U_ind 의 시간에 대한 적분이 계산되어 제어기 하우징(13)의 마이크로콘트롤러로 전달된다. 이 신호는 여진기 코일에서 유도된 자속 Φ 에 비례하며, 이로부터 위 식에 따라 압력을 계산할 수 있다.

위 설명은 정상 개방형 밸브와 관련이 있다. 또한 본 방법은 정상 폐쇠형 밸브에 대해서도 유사하게 적용될수 있다.

Claims (11)

1. 액츄에이터에 발생된 압력차 또는 유체의 압력을 결정하는 방법에 있어서, 전자기 구동식 액츄에이터(4)가 압력 측정에 사용되며, 이 액츄에이터는 기계적 작동요소가 여진기 코일의 작동으로 움직일수 있는 전자기 장치와, 액츄에이터를 개폐시키는 밸브 작동 장치를 포함하고, 상기 작동요소는 액츄에이터의 개폐에 필요한 기계적 힘을 밸브 작동 장치(1)에 가하며, 밸브 작동 장치의 위치 또는 자기력을 제어하는데 전기 제어회로가 사용되고, 밸브 작동 장치에 작용하는 유압력은 상기 작동요소에 작용하는 자기력을 측정하여 전기적으로 측정되며, 이로부터 유체 라인의 압력 또는 액츄에이터에서의 압력차가 결정되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 액츄에이터는 유압 브레이크 제어 장치에 탑재되며, 센서 요소로서의 기능 외에, 이 요소는 압력 제어를 위한 작동요소로서도 사용되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 여진기 코일이 비활성화 되었을때, 폐쇄요소를 개폐하기 위한 리셋팅 요소가 제공되고, 액츄에이터를 개폐하기 위해 상기 폐쇄 요소가 결합하는 밸스 시트가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 미리 정해진 개별 파라미터, 특성 곡선 또는 특성 필드(field)가 밸브 작동 장치의 위치를 정하는 전류를 결정하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
5. 제 4 항에 있어서 액츄에이터와 관련된 파라미터, 특성 곡선, 특성 필드의 계산을 위해 개방 거리(1), 스프링력(F_spring), 또는 액츄에이터의 자기저항 중 하나 이상의 값이 결정되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 보정 루틴은 측정 루틴에서 결정된 액츄에이터 관련 파라미터(KG_ind) 외에 제품 라인과 관련된 일반적인 파라미터(KG_gen)도 고려하여 실행되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 보정 루틴에서 태핏력, 자기저항(R_M), 또는 태핏력 및 자기저항(R_M)은 액츄에이터의 완전 개방, 완전 폐쇄, 또는 완전 개방 및 완전 폐쇄 위치에서 결정되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 자기력은 밸브의 여진기 코일에 유도되는 자속에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
9. 제 4 항에 있어서, 전류 변동의 결과로 여진기 코일에 유도된 전압을 측정하고 적분하는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.
10. 압력 제어를 위한 하나 이상의 액츄에이터를 포함하는 전자 유압 압력 제어장치에 있어서, 압력 제어를 위해 제공된 액츄에이터가 압력 측정에 사용되고, 상기 압력 제어 장치에서 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 유압 결정 방법에 따라 유압이 결정되는 것을 특징으로 하는 전자 유압 압력 제어장치.
11. 제 4 항에 있어서, 상기 개별 파라미터, 특성 곡선 또는 특성 필드(field)는 무압력 조건에서 액츄에이터를 측정하는 보정 루틴을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 유압 결정 방법.

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