KR100957023B1 - 엔진의 액츄에이터 구조와 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류모터를 구비하고 엔진에 사용되는 액츄에이터가 제어 대상 물질로부터 역으로 제공되는 힘에 의해 그 설정값이 쉽게 틀어지지 않도록 하여 안정된 제어상태를 확보할 수 있도록 함은 물론, 반복적이고 지속적인 폐루프제어에 의해 직류모터의 브러쉬 수명이 단축되는 현상을 배제할 수 있도록 하여, 액츄에이터의 내구성과 안정된 작동성을 동시에 확보할 수 있도록 한다.

직류모터, 엔진컨트롤러, PWM, 워엄

Description

엔진의 액츄에이터 구조와 그 제어방법{Actuator Structure for an Engine and Control Method thereof}

본 발명은 엔진에 사용되는 액츄에이터의 구조와 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류모터를 사용하여 엔진의 작동에 필요한 물질들의 유동량 등을 제어하는 액츄에이터의 안정된 작동성 및 내구성을 확보하기 위한 기술에 관한 것이다.

엔진에는 엔진의 내부를 유동하는 각종 물질을 적절히 제어하기 위해 다수의 액츄에이터가 사용된다.

상기한 바와 같이 엔진에 사용되는 액츄에이터로는 엔진으로 흡입되는 공기의 양을 조절하기 위한 스로틀밸브와, 연소실로 공급되는 공기에 스월이 발생하도록 하여 공기와 연료의 혼합이 용이하게 이루어지도록 하는 스월밸브 및 배기가스 중의 Nox 등과 같은 유해물질을 저감하기 위한 EGR밸브 등이 있다.

상기한 바와 같은 액츄에이터들은 그 신속한 작동 응답성과 정확하고 안정된 움직임을 확보하기 위하여 직류모터를 채용하여, 직류모터에서 발생된 회전력을 이 용하도록 된 것이 많다.

상기와 같이 액츄에이터에 장착된 직류모터는 엔진컨트롤러에서 전송하는 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티값을 받아서 그 회전방향 및 회전량이 결정되는 바, 상기 엔진컨트롤러는 엔진에 설치된 각종 센서들의 신호와 미리 기억장치에 저장되어 있는 데이터맵 등을 이용하여 해당 액츄에이터가 작동해야 할 정확한 시점에 올바른 방향으로 정확한 양만큼 상기 액츄에이터가 작동될 수 있도록 PWM 듀티값을 계산 및 전송하는 것이다.

그런데, 엔진의 운행조건이 어느 특정 상태에서 고정되면, 즉 Static한 상태로 안정되면, 상기 액츄에이터는 일정한 상태를 유지해야 하므로, 상기 엔진컨트롤러가 해당 액츄에이터에게 PWM 듀티값을 동일하게 전송하게 되는데, 이때에도 상기 액츄에이터에서는 흡 배기 맥동 등과 같은 유동저항 등에 의해 액츄에이터의 조정값이 틀려지게 된다.

즉, 액츄에이터를 제어하는 신호는 일정한 값을 유지하도록 하는 신호인데, 오히려 액츄에이터가 제어하는 대상 물질로부터 작용하는 힘이 역으로 액츄에이터의 조정값을 변화시키게 되는 것이다.

이와 같은 경우, 종래의 엔진컨트롤러는 상기 액츄에이터의 직류모터의 위치를 피이드백 받아서, 상기 틀어지게 된 양을 보정하는 PWM 듀티값을 전송하는 폐루프 제어를 실시하게 된다.

그런데, 상기한 바와 같은 동작은 반복적, 계속적으로 일어나게 된다는 점에 문제가 있다.

즉, 상기한 바와 같이 엔진컨트롤러에서 액츄에이터의 틀려진 양을 보정하는 PWM 듀티값을 전송하여 액츄에이터의 상태가 원하는 상태로 회복된다 하여도, 다시 제어 대상물질로부터의 힘에 의해 액츄에이터의 설정값이 틀려지게 되고, 상기 엔진컨트롤러는 다시 이를 보정하려고 하는 등의 상호 반복적인 제어가 지속적으로 이루어지게 된다는 것이다.

상기한 바와 같이 반복적인 제어가 지속적으로 이루어지면, 직류모터에서는 브러쉬가 쉽게 마모되므로, 액츄에이터의 내구성에 치명적인 문제점이 된다.

여기서, 상기한 바와 같이 액츄에이터의 설정값이 제어 대상물질로부터 작용하는 힘에 의해 쉽게 변화되는 것은, 직류모터를 사용하는 대부분의 엔진용 액츄에이터가 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가지고 있기 때문으로 해석된다.

즉, 도 1을 참조하면, 직류모터(500)의 회전력이 다수의 평기어(502)로 이루어진 기어열을 통해 밸브스풀(504)로 연결된 구조이어서, 직류모터(500)로부터의 회전력이 상기 밸브스풀(504)로 전달되는 것과 마찬가지로 밸브스풀(504)이 유동하는 물질에 의해 회동되면, 그 회동력이 상기 기어열을 통해 상기 직류모터(500)를 회동시키는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 직류모터를 구비하고 엔진에 사용되는 액츄에이터가 제어 대상 물질로부터 역으로 제공되는 힘에 의해 그 설정값이 쉽게 틀어지지 않도록 하여 안정된 제어상태를 확보할 수 있도록 함은 물론, 반복적이고 지속적인 폐루프제어에 의해 직류모터의 브러쉬 수명이 단축되는 현상을 배제할 수 있도록 하여, 액츄에이터의 내구성과 안정된 작동성을 동시에 확보할 수 있도록 한 엔진의 액츄에이터 구조와 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 액츄에이터 구조는

하우징과;

상기 하우징에 고정된 직류모터와;

상기 직류모터의 회전력을 전달 받아 작동됨으로써, 제어대상 물질을 제어하는 제어체와;

상기 직류모터와 상기 제어체 사이에 구비되어 상기 직류모터로부터 상기 제어체로 향하는 한 방향의 회전력만 전달하도록 된 워엄과 워엄기어;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 엔진의 액츄에이터를 제어하는 방법은

엔진의 운전 상태에 따라 해당 액츄에이터의 직류모터의 목표위치 및 회전방향을 설정하는 연산단계와;

상기 연산단계의 결과에 따라 PWM 듀티값을 출력하는 제어신호출력단계와;

상기 직류모터의 위치값을 입력 받는 결과회수단계와;

상기 연산단계에서 연산된 직류모터의 목표위치와 상기 결과회수단계에서 입력 받은 직류모터의 위치값을 비교하는 비교단계와;

상기 비교결과, 상기 연산된 직류모터의 목표위치와 실제 직류모터의 위치값의 차이가 허용오차로 설정된 범위 이내인지 판단하는 범위판정단계와;

상기 제어신호출력단계 이후부터 상기 범위판정단계를 완료하는 데에 소요된 시간이 소정의 판정시간 이내인지 판단하는 시간판정단계와;

상기 시간판정단계 수행 결과, 상기 판정시간 이내인 경우 상기 해당 액츄에이터의 직류모터의 전류를 차단하는 전류차단단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 범위판정단계의 수행결과, 상기 연산된 직류모터의 목표위치와 실제 직류모터의 위치값의 차이가 허용오차로 설정된 범위를 벗어나는 경우에는, 상기 연산단계로 제어를 옮겨 이후의 제어단계들을 반복하도록 할 수 있다.

상기 시간판정단계의 수행결과, 상기 제어신호출력단계 이후부터 상기 범위판정단계를 완료하는 데에 소요된 시간이 소정의 판정시간을 벗어나는 경우에는, 상기 연산단계로 제어를 옮겨 이후의 제어단계들을 반복하도록 할 수 있다.

본 발명은 직류모터를 구비하고 엔진에 사용되는 액츄에이터가 제어 대상 물질로부터 역으로 제공되는 힘에 의해 그 설정값이 쉽게 틀어지지 않도록 하여 안정된 제어상태를 확보할 수 있도록 함은 물론, 반복적이고 지속적인 폐루프제어에 의해 직류모터의 브러쉬 수명이 단축되는 현상을 배제할 수 있도록 하여, 액츄에이터의 내구성과 안정된 작동성을 동시에 확보할 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 엔진의 액츄에이터 구조는 하우징(1)과; 상기 하우징(1)에 고정된 직류모터(3)와; 상기 직류모터(3)의 회전력을 전달 받아 작동됨으로써, 제어대상 물질을 제어하는 제어체(5)와; 상기 직류모터(3)와 상기 제어체(5) 사이에 구비되어 상기 직류모터(3)로부터 상기 제어체(5)로 향하는 한 방향의 회전력만 전달하도록 된 워엄(7)과 워엄기어(9)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 제어체(5)란 회동플레이트 형상의 밸브플랩 또는 회동하는 밸브스풀 등을 통칭하는 의미로 사용된 것으로서, 상기 직류모터(3)로부터 전달되는 회전력으로 작동되어 제어 대상 물질, 예컨대 흡입 공기량 또는 배기가스량 등의 유동량 등을 조절할 수 있는 모든 부재를 말한다.

상기 워엄(7)과 워엄기어(9)는 상기 직류모터(3)로부터 상기 제어체(5)로의 회전력 전달만이 가능하도록 설치되므로, 상기 직류모터(3)로부터 상기 제어체(5)로의 회전력 전달경로를 볼 때, 상기 워엄(7)은 직류모터(3) 쪽에 가깝게 위치되고 상대적으로 상기 워엄(7)에 치합되는 워엄기어(9)는 상기 제어체(5) 쪽에 가깝게 위치되게 된다.

물론, 상기 직류모터(3)와 상기 제어체(5) 사이에는 상기 워엄(7)과 워엄기어(9) 이외에도 다수의 다른 기어나 샤프트 등이 사용되어 직류모터(3)와 제어체(5) 사이의 적절한 위치 및 배치 조건을 충족시킬 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이 구성된 엔진의 액츄에이터(11)에서는 상기 직류모터(3)가 엔진컨트롤러로부터 전송된 PWM 듀티값에 의해 회전되면, 그 회전력은 상기 워엄(7)과 워엄기어(9)를 포함한 동력전달경로를 거쳐 상기 제어체(5)로 전달된다.

따라서, 상기 제어체(5)는 제어 대상 물질을 상기 엔진컨트롤러가 지시하는 양만큼 제어하게 된다.

만약, 상기 제어 대상 물질로부터 상기 액츄에이터(11)의 제어체(5)로 역방향의 힘을 작용하게 되면, 상기 제어체(5)는 종래와는 달리 작동되지 않고, 현재의 상태를 유지하게 된다.

즉, 상기 워엄(7)과 워엄기어(9) 구조에 의해 상기 워엄기어(9)에 까지는 상기 제어체(5)로부터의 회전력이 전달되지만, 상기 워엄기어(9)에서 상기 워엄(7)으로는 동력이 전달되지 않는 것이다.

따라서, 상기한 바와 같은 구조는 일단 액츄에이터(11)가 정상적인 작동상태에 접어든 뒤 일정한 상태를 유지하도록 함에 매우 유리하다.

또한, 상기와 같은 상태에서는 상기 직류모터(3)의 위치정보를 피이드백 제어해야 할 필요 없이 직류모터(3)의 제어를 중지해도 되는 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명 엔진의 액츄에이터 구조의 특징을 살리기 위한 본 발명의 액츄에이터를 제어하는 방법을 도 3을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 3을 참조하면, 본 발명 제어방법은 엔진의 운전 상태에 따라 해당 액츄에이터(11)의 직류모터(3)의 목표위치 및 회전방향을 설정하는 연산단계(S101)와; 상기 연산단계(S101)의 결과에 따라 PWM 듀티값을 출력하는 제어신호출력단계(S103)와; 상기 직류모터(3)의 위치값을 입력 받는 결과회수단계(S105)와; 상기 연산단계(S101)에서 연산된 직류모터(3)의 목표위치와 상기 결과회수단계(S105)에서 입력 받은 직류모터(3)의 위치값을 비교하는 비교단계(S107)와; 상기 비교결과, 상기 연산된 직류모터(3)의 목표위치와 실제 직류모터(3)의 위치값의 차이가 허용오차로 설정된 범위 이내인지 판단하는 범위판정단계(S109)와; 상기 제어신호출력단계(S103) 이후부터 상기 범위판정단계(S109)를 완료하는 데에 소요된 판정경과시간이 소정의 판정시간 이내인지 판단하는 시간판정단계(S111)와; 상기 시간판정단계(S111) 수행 결과, 상기 판정시간 이내인 경우 상기 해당 액츄에이터(11)의 직류모터(3)의 전류를 차단하는 전류차단단계(S113)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 범위판정단계(S109)의 허용오차는 미리 설정하여 엔진컨트롤러에 입력되어 있는 값으로서, 이 허용오차를 너무 크게 설정하면, 동일한 목표위치에 대하여 실제적으로 직류모터(3)가 고정되는 위치가 매번 변동되기 때문에, 원하 는 제어의 정밀도를 확보하지 못해서 엔진의 배기 유해성분이 증가하거나 엔진 출력이 저하되는 등의 문제가 발생하고, 또한 허용오차를 너무 작게 하면, 실질적으로 전류차단단계(S113)를 수행할 기회가 거의 없어서 무용지물이 되는 결과가 되므로 적절한 값을 실험과 해석을 통하여 결정하여야 한다.

상기 범위판정단계(S109)의 수행결과, 상기 연산된 직류모터(3)의 목표위치와 실제 직류모터(3)의 위치값의 차이가 허용오차로 설정된 범위를 벗어나는 경우에는, 상기 연산단계(S101)로 제어를 옮겨 이후의 제어단계들을 반복하도록 한다.

또한, 상기 시간판정단계(S111)의 수행결과, 상기 제어신호출력단계(S103) 이후부터 상기 범위판정단계(S109)를 완료하는 데에 소요된 시간이 소정의 판정시간을 벗어나는 경우에는, 상기 연산단계(S101)로 제어를 옮겨 이후의 제어단계들을 반복하도록 한다.

상기 시간판정단계(S111)의 소정의 판정시간도 미리 엔진컨트롤러에 입력되어 있는 값으로서, 이 값이 너무 길게 되면, 상기 전류차단단계(S113)가 수행되어 직류모터(3)의 전류가 차단되는 시간이 너무 짧게 되어 실질적으로 직류모터(3)의 작동금지에 따른 브러쉬 마모 방지의 개선 효과가 떨어지게 되므로, 적절하게 설정될 필요가 있다.

상기한 바와 같은 구조의 액츄에이터(11)를 상기한 바와 같은 제어방법에 의해 제어하게 되면, 상기 액츄에이터(11)의 제어대상 물체로부터 작용하는 외란에 의해 액츄에이터(11)의 설정 상태가 흐트러지지 않게 되고, 액츄에이터(11)의 설정상태가 변화할 필요가 없는 한, 상기 액츄에이터(11)의 직류모터(3)는 전류가 차단 되어 있으므로, 빈번하고 지속적인 직류모터(3) 작동에 따른 브러쉬 마모 등의 원인으로 액츄에이터(11)의 내구성이 떨어지는 경우를 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 엔진의 액츄에이터 구조를 예시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 액츄에이터 구조를 예시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 엔진의 액츄에이터를 제어하는 제어방법을 설명한 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 하우징 3; 직류모터

5; 제어체 7; 워엄

9; 워엄기어 11; 액츄에이터

S101; 연산단계 S103; 제어신호출력단계

S105; 결과회수단계 S107; 비교단계

S109; 범위판정단계 S111; 시간판정단계

S113; 전류차단단계

Claims (4)

1. 삭제
2. 하우징과, 상기 하우징에 고정된 직류모터와, 상기 직류모터의 회전력을 전달 받아 작동됨으로써 제어대상 물질을 제어하는 제어체와, 상기 직류모터와 상기 제어체 사이에 구비되어 상기 직류모터로부터 상기 제어체로 향하는 한 방향의 회전력만 전달하도록 된 워엄과 워엄기어를 포함하여 구성된 엔진의 액츄에이터를 제어하는 방법에 있어서,

   엔진의 운전 상태에 따라 해당 액츄에이터의 직류모터의 목표위치 및 회전방향을 설정하는 연산단계와;

   상기 연산단계의 결과에 따라 PWM 듀티값을 출력하는 제어신호출력단계와;

   상기 직류모터의 위치값을 입력 받는 결과회수단계와;

   상기 연산단계에서 연산된 직류모터의 목표위치와 상기 결과회수단계에서 입력 받은 직류모터의 위치값을 비교하는 비교단계와;

   상기 비교결과, 상기 연산된 직류모터의 목표위치와 실제 직류모터의 위치값의 차이가 허용오차로 설정된 범위 이내인지 판단하는 범위판정단계와;

   상기 제어신호출력단계 이후부터 상기 범위판정단계를 완료하는 데에 소요된 시간이 소정의 판정시간 이내인지 판단하는 시간판정단계와;

   상기 시간판정단계 수행 결과, 상기 판정시간 이내인 경우 상기 해당 액츄에이터의 직류모터의 전류를 차단하는 전류차단단계;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 액츄에이터 제어방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 범위판정단계의 수행결과, 상기 연산된 직류모터의 목표위치와 실제 직류모터의 위치값의 차이가 허용오차로 설정된 범위를 벗어나는 경우에는, 상기 연산단계로 제어를 옮겨 이후의 제어단계들을 반복하도록 된 것을 특징으로 하는 엔진의 액츄에이터 제어방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 시간판정단계의 수행결과, 상기 제어신호출력단계 이후부터 상기 범위판정단계를 완료하는 데에 소요된 시간이 소정의 판정시간을 벗어나는 경우에는, 상기 연산단계로 제어를 옮겨 이후의 제어단계들을 반복하도록 된 것을 특징으로 하는 엔진의 액츄에이터 제어방법.

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