KR100986068B1 - 가변밸브 타이밍 기구의 제어기 - Google Patents

가변밸브 타이밍 기구의 제어기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가변밸브 타이밍 기구의 제어기는, 캠이 형성된 캠샤프트, 상기 캠샤프트의 일단부에 장착되는 베인, 상기 베인에 장착되어 지각실과 진각실을 형성하는 스테이터, 상기 지각실과 상기 진각실에 오일을 공급하는 오일컨트롤밸브 및 상기 오일컨트롤밸브를 제어하는 슬라이딩모드 제어기를 포함하고, 상기 슬라이딩모드 제어기는, 상기 오일의 온도 및 엔진의 알피엠에 따른 상기 오일의 압력변화에 대한 모델을 포함하여 상기 지각실과 상기 진각실에 공급되는 오일을 제어한다.
따라서, 기존의 PID 기반 제어기보다 뛰어난 응답성과 제어 정밀도를 확보할 수 있다. 아울러, 제어기 설계를 모델을 기반으로 하여 모델에 온도와 오일압력 특성을 반영하고 불확실성과 외란에 대한 강건성을 정량화 함으로서 PID 제어기보다 비교적 간단한 캘리브레이션을 적용 할 수 있다. 또한, 온도변화, 엔진의 속도(회전수) 변화뿐만 아니라 미지의 외란에 대한 강건성을 확보 할 수 있다.
가변밸브타이밍, VVT, 슬라이딩모드, 슬라이딩제어

Description

가변밸브 타이밍 기구의 제어기{CONTROLLER OF VARIABLE VALVE TIMING APPARATUS}
본 발명은 가변밸브 타이밍 기구의 제어기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밸브타이밍의 응답성 향상과 외란에 대한 강건성을 확보한 가변밸브 타이밍 기구의 제어기에 관한 것이다.
가변밸브 타이밍 기구를 장착한 엔진은 운행조건에 따라 최적의 밸브타이밍을 적용할 수 있어 연비와 출력의 개선과 배기가스 저감의 효과가 있다. 이러한 성능개선을 위해서, 밸브타이밍은 운전과 동시에 연속적으로 변화해야 하기 때문에 빠르고 정확한 제어가 뒷받침되어야 한다.
기존의 가변밸브 타이밍 기구는 PID 제어기 또는 PID 제어기를 변형한 형태의 제어기로 컨트롤되었다. 이러한 기존 제어기들의 문제점은 온도조건이나 RPM 조건에 맞는 맵을 사용해야 한다는 것이다.
이 맵을 작성하기 위해 각 조건에서 실험을 통한 보정이 이루어 져야 한다. 또한 이러한 실험과정은 공차 때문에 엔진마다 모두 시행되어야 하는 문제점을 가진다.
이를 극복하기 위해서는 학습 알고리즘을 추가해야 한다. 이러한 문제점뿐만 아니라, 예상치 못한 미지의 외부입력에 취약한 단점을 가지고 있다.
도면 9는 PID기반제어기의 설계순서도이다.
PID기반 제어기에서는 가변밸브 타이밍 기구의 비선형 특성을 반영하고 있지 않기 때문에 오일온도 조건과 엔진 스피드(RPM)에 따라 다른 제어특성을 만족시킬 수 없다. 그렇기 때문에 각 조건에 따라 실험을 통하여 튜닝을 하고 맵으로 작성하여 제어에 활용해야 한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 가변밸브 타이밍 기구의 신속성, 정확성 및 미지의 외란에 대한 강인성을 확보한 가변밸브 타이밍 기구의 제어기를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변밸브 타이밍 기구의 제어기는, 캠이 형성된 캠샤프트, 상기 캠샤프트의 일단부에 장착되는 베인, 상기 베인에 장착되어 지각실과 진각실을 형성하는 스테이터, 상기 지각실과 상기 진각실에 오일을 공급하는 오일컨트롤밸브 및 상기 오일컨트롤밸브를 제어하는 슬라이딩모드 제어기를 포함하고, 상기 슬라이딩모드 제어기는, 상기 오일의 온도 및 엔진의 알피엠에 따른 상기 오일의 압력변화를 반영하여 상기 지각실과 상기 진각실에 공급되는 오일을 제어한다.
또한, 배터리전압의 변동에 따른 외란과 다른 미지의 외란 등을 고려하여 설계되고, 상기 오일이 컨트롤되는 오일컨트롤밸브를 통과하는 오일유동모델, 상기 진각실과 지각실 내의 압력모델 및 로터의 운동모델을 이용한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변밸브 타이밍 기구의 제어기에 의하면, 기존의 PID 기반 제어기보다 뛰어난 응답성과 제어 정밀도를 확보할 수 있다.
아울러, 제어기 설계를 모델을 기반으로 하여 모델에 온도와 오일압력 특성 을 반영하고 불확실성과 외란에 대한 강건성을 정량화 함으로서 PID 제어기보다 비교적 간단한 캘리브레이션을 적용 할 수 있다.
또한, 온도변화, 엔진의 속도(회전수) 변화뿐만 아니라 미지의 외란에 대한 강건성을 확보 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
가변밸브 타이밍 기구의 온도변화에 따른 오일특성변화, RPM에 따른 오일압력변화 등을 포함한 수학적 모델을 만들고, 이 모델을 기반으로 하여 가변밸브 타이밍 기구의 위치 제어를 위한 제어기를 설계하였으며, 모델 불확실성과 예상하지 못한 외란을 극복하기 위해 슬라이딩모드 제어 이론을 적용한다.
도 1은 가변밸브 타이밍 기구의 구성도이고, 가변밸브 타이밍 기구의 수학적 모델을 구하기 위해 자유물체도로 나타내면 도 2과 같다.
도 1을 참조하면, 가변밸브 타이밍 기구는 가변밸브기구(100), 캠샤프트(105), 지각유로(110), 진각유로(115), 오일컨트롤밸브(120)를 포함한다.
또한, 상기 캠샤프트(105)의 일단부에는 상기 가변밸브기구(100)가 배치되고, 상기 가변밸브기구(100)와 상기 오일컨트롤밸브(120) 사이에는 상기 진각유로(115)와 상기 지각유로(110)가 형성된다.
또한, 상기 가변밸브기구(100)는 로터(125), 베인(130), 스테이터하우징(135) 및 스토퍼핀(150)을 포함하고, 상기 베인(130)의 양측으로 상기 지각 실(140)과 상기 진각실(145)이 형성된다.
상기 오일컨트롤밸브(120)는 슬라이딩모드 제어기(305)에 의해서 제어되며, 상기 슬라이딩모드 제어기(305)는 수학적인 모델을 이용하여 오일압력, 오일온도 및 배터리전압과 같은 여러 가지 변수를 고려한다.
도 2를 참조하면, 상기 오일컨트롤밸브 내에는 상기 슬라이딩제어기에서 인가되는 전압에 따라서 움직이면서 오일을 상기 지각실(140) 또는 상기 진각실(145)로 공급하는 스풀(200)이 장착된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 슬라이딩모드 제어기(305)는 배터리센서로부터 배터리의 전압을 감지하고, 온도센서로부터 오일 온도를 감지하며, 엔진의 알피엠의 변동에 따른 오일의 압력을 오일 압력센서로부터 감지한다.
상기 수학적 모델은 3가지 하위 모델로 구성되는데, 상기 스풀밸브(200)에서 공급되는 오일유동모델, 상기 진각실(145)과 상기 지각실(145) 내의 압력모델, 상기 로터(125)의 운동모델이 그것이다.
상기 스풀밸브(200)에서 공급되는 오일유동모델은 오리피스 법칙, 베르누이 방정식 그리고 연속방정식을 이용하여 구하면 식 (1)과 같다.
Figure 112008056572311-pat00001
Figure 112008056572311-pat00002
과
Figure 112008056572311-pat00003
은 부하유량과 부하압력이다
Figure 112008056572311-pat00004
. 그 리고
Figure 112008056572311-pat00005
는 유량계수,
Figure 112008056572311-pat00006
는 스풀밸브의 출구 포트 폭 그리고
Figure 112008056572311-pat00007
는 오일 밀도 이다.
상기 스풀밸브(200)의 이동량
Figure 112008056572311-pat00008
는 상기 오일컨트롤밸브(120)에 인가되는 PWM 듀티와 비례관계로 실험을 통해 관계식을 구할 수 있다.
아울러, 상기 진각실(145)과 상기 지각실(140) 내의 압력모델은 두 실내의 연속방정식을 이용하여 식 (2)와 같이 구한다.
Figure 112008056572311-pat00009
여기서 Vt 는 두 실(145, 140)의 부피와 상기 오일경로(110, 115)의 부피를 포함한 전체 부피이고,
Figure 112008056572311-pat00010
은 상기 로터(125) 중심과 상기 베인(130)의 무게중심 사이의 거리이다.
Figure 112008056572311-pat00011
는 상기 베인(130)의 각 위치 즉, 캠 위상이다.
상기 로터(125)의 운동모델은 상기 로터(125)에 가해지는 힘에 대한 운동방정식을 이용하여 식 (3)과 같이 구한다.
Figure 112008056572311-pat00012
여기서
Figure 112008056572311-pat00013
는 상기 베인(130)을 포함하는 상기 로터(125)의 전체 질량이 고 b는 오일의 점성감쇠계수, k는 스프링상수 이다. 그리고
Figure 112008056572311-pat00014
는 마찰력이다.
위 3개의 하위모델을 결합하여 가변밸브 타이밍 기구의 수학적 모델은 식 (4)와 같다.
Figure 112008056572311-pat00015
여기서 변수 및 계수는 다음과 같다.
Figure 112008056572311-pat00016
이 모델을 기반으로 하여 가변밸브 타이밍 기구의 위치제어를 위해서 슬라이딩모드 제어기를 설계한다.
식 (4)에서
Figure 112008056572311-pat00017
는 상태 벡터,
Figure 112008056572311-pat00018
는 제어입력,
Figure 112008056572311-pat00019
는 외란, 그리고
Figure 112008056572311-pat00020
는 시스템 계수 와 제어 게인 이며 오일 온도변화와 오일 압력변화에 대한 특성을 포함하고 있다.
모델 불확실성과 외란에 대한 강건성을 정량화하면 식 (5)와 같다.
Figure 112008056572311-pat00021
Figure 112008056572311-pat00022
는 공칭값(nominal value)이며,
Figure 112008056572311-pat00023
는 모델 불확실성에 대한 값이다. 그리고 D는 외란의 상한값이다. 이 값들은 다음과 같이 정한다.
시스템계수에 대한 불확실성
Figure 112008056572311-pat00024
는 식 (6)과 같이 알고 있는 함수F에 상한값을 갖는다.
Figure 112008056572311-pat00025
제어게인
Figure 112008056572311-pat00026
는 하한값과 상한값 사이값으로 제한된다.
Figure 112008056572311-pat00027
이렇게 제어기 설계단계에서 모델 불확실성과 미지의 외란에 대한 고려를 하기 때문에 시스템 자체의 온도변화, 오일 압력변화 그리고 모델에서 포함하지 못했 던 캠축을 통해 들어오는 반발력, 마찰요인, 배터리 전압의 영향 등 외부환경적 요인에 대해 강건성을 가지게 된다.
다음으로 가변밸브 타이밍 기구의 추종값
Figure 112008056572311-pat00028
차이를 식 (7)과 같이 오차로 정의 하면 슬라이딩 s(t)=0 는 식 (8)과 같이 구해진다.
Figure 112008056572311-pat00029
여기서
Figure 112008056572311-pat00030
는 양의 상수값을 선택한다.
슬라이딩 조건은 식 (9)와 같다.
Figure 112008056572311-pat00031
여기서
Figure 112008056572311-pat00032
는 양의 상수값을 선택한다.
식 (9)로부터 전개하면 식 (10)과 같다.
Figure 112008056572311-pat00033
식 (9)와 (10)을 통하여 제어입력 u는 식(11)과 같이 구해진다.
Figure 112008056572311-pat00034
제어입력의 부호함수는 전기적 또는 물리적인 채터링을 야기할 수 있으므로, 부호함수 대신 포화함수로 대신하여 사용한다.
Figure 112008056572311-pat00035
따라서 식 (11)은 다음과 같이 식 (12)로 나타낸다.
Figure 112008056572311-pat00036
도 3은 가변밸브타이밍시스템에 위에서 구한 슬라이딩제어기를 적용한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 비선형 특성을 반영한 모델에 의해서 상기 슬라이딩제어 기(305)는 목표캠 각도를 입력받고, 상기 목표캠 각도 수치에 따라서 상기 오일컨트롤밸브(120)에 제어입력 신호를 전달한다.
또한, 상기 슬라이딩제어기(305)는 캠위치센서와 크랭크위치센서로부터 캠의 회전위치(위상) 신호를 인가받는다.
도 4의 슬라이딩모드 제어기 설계순서도에서 보는 것처럼, 비선형특성을 포함한 가변밸브 타이밍 기구의 모델을 기반으로 제어기를 설계함으로써 오일온도와 엔진스피드의 영향이 제어에 반영되고 있다.
뿐만 아니라, 제어기 설계과정에서 모델 불확실성과 미지의 외란에 대한 강건성을 정량화 함으로써 배터리 전압의 변화나 단품의 공차 등 외란에 대해 강건한 장점을 가진다.
이러한 설계과정은 1주일 정도 소요되며 공차에 대한 강건성으로 같은 엔진에 대해서는 한번의 작업만 해주면 된다. 아래 표 1은 PID 기반제어기와 슬라이딩모드 제어기를 비교한 내용이다.

제어기 종류
PID 기반제어기
슬라이딩모드 제어기

캘리브레이션
오일 온도와 엔진스피드에 따라 실험이 필요
모델에 포함됨.

배터리전압 외란
배터리전압에 대한 OCV 홀딩 듀티 사이클 맵 작성
모델에 포함되고 모델 불확실성도 제어기 설계단계에서 고려함

외란에 대한
강건성
미지의 외란에 대해서 취약함
강건함

제어성능
 -
PID 보다 뛰어난 제어성능

공차에 대한
강건성
공차 때문에 각 엔진에 캘리브레이션 필요, 또는 학습알고리즘 필요
공차에 대한 강건함

캘리브레이션
소요시간
한 달 정도
1주일 정도
도 5는 PID 제어기와 슬라이딩모드 제이기(SMC: Sliding Mode Controller)를 사용하여 목표 캠 각도를 5도에서 45도로 계단입력을 주었었을 때 실험결과를 보여준다. 결과를 보면 슬라이딩모드 제어기가 신속하게 정상상태에 도달함을 알 수 있다.
도 6는 Sine 함수 입력을 주었을 때 결과이다. PID 제어기와 오차를 비교하면 슬라이딩모드 제어기의 정확도를 확인할 수 있다.
도 7과 도 8는 외란에 대한 강건성을 보여준다.
도 7은 외란으로서 배터리전압을 12 V 에서 14 V로 스텝입력을 주었을 때 실험결과이고 도 8는 배터리전압을 10 V 에서 14 V 사이로 스윙 했을 때 실험결과이다. 이 실험결과 그래프를 통하여 슬라이딩모드 제어기의 강건성을 확인할 수 있다.
뿐만 아니라, 도 7과 8에서처럼 PID 제어기에서는 배터리 전압에 따라 OCV(오일컨트롤밸브)의 홀딩 PWM 듀티가 달라짐으로 제어성능에 악영향을 미친다.
이것을 극복하기 위해서 PID 제어기에서는 배터리 전압에 따른 실험을 통하여 맵을 작성해서 적용해야 한다.
따라서, PID 제어기는 실험으로 인해 한 달 정도의 캘리브레이션 기간이 필요하며, 오차로 인해서 각 엔진마다 캘리브레이션을 시행해야 하는 문제점을 가진다. 이를 극복하기 위해서는 학습알고리즘이 추가적으로 필요하다.
본 발명의 실시예에 따른 슬라이딩모드 제어기는 배터리전압과 같은 외란에 대한 고려가 모델에 포함되어 있으므로 별도의 맵데이터를 필요하지 않아 캘리브레이션 기간이 짧아진다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도면 1은 가변밸브 타이밍 기구의 구성도이다.
도면 2는 가변밸브 타이밍 기구의 자유 물체도이다.
도면 3은 슬라이딩모드 제어기의 구성도이다.
도면 4는 슬라이딩모드 제어기의 설계순서도이다.
도면 5은 4도에서 45도로 스텝입력에 대한 PID 제어기와 슬라이딩모드 제어기의 추종 결과를 나타낸 그래프이다.
도면 6은 Sine함수 입력에 대한 PID 제어기와 슬라이딩모드 제어기의 추종 결과를 나타낸 그래프이다.
도면 7은 외란으로서 배터리전압 스텝입력에 대한 PID 제어기와 슬라이딩모드 제어기의 추종 결과를 나타낸 그래프이다.
도면 8는 외란으로서 배터리전압 스윙에 대한 PID 제어기와 슬라이딩모드 제어기의 추종 결과를 나타낸 그래프이다.
도면 9는 PID기반제어기의 설계순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 지각실
105: 진각실
110: 로터
115: 베인
120: 스테이터
125: 가변밸브 타이밍 기구
130: 캠샤프트
135: 진각유로
140: 지각유로
145: 오일콘트롤벨브

Claims (10)

  1. 캠이 형성된 캠샤프트;
    상기 캠샤프트의 일단부에 장착되는 베인;
    상기 베인에 장착되어 지각실과 진각실을 형성하는 스테이터;
    상기 지각실과 상기 진각실에 오일을 공급하는 오일컨트롤밸브; 및
    상기 오일컨트롤밸브를 제어하는 슬라이딩모드 제어기;
    를 포함하고,
    상기 슬라이딩모드 제어기는,
    상기 오일컨트롤밸브로 공급되는 오일의 온도 및 오일의 압력변화를 반영하여 상기 지각실과 상기 진각실에 공급되는 오일을 슬라이딩 모드 방법으로 제어하고, 배터리전압의 변동에 따른 외란을 기초하여 상기 오일컨트롤밸브를 제어하는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 슬라이딩모드 제어기는,
    상기 오일컨트롤밸브에서 상기 진각실과 지각실로 공급되는 오일의 오일유동모델을 이용하는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 오일유동모델은 수식(1)
    Figure 112008056572311-pat00037
    에 의해서 계산되는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 슬라이딩모드 제어기는,
    상기 진각실과 지각실 내의 압력모델을 이용하는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 압력모델은 수식(2)
    Figure 112008056572311-pat00038
    에 의해서 계산되는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 진각실과 지각실을 형성하는 베인과 로터를 포함하고,
    상기 슬라이딩모드 제어기는 상기 베인과 로터의 운동모델을 이용하는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 운동모델은 수식(3)
    Figure 112008056572311-pat00039
    에 의해서 계산되는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 오일의 온도를 감지하는 온도센서와 상기 오일의 압력을 감지하는 압력센서를 더 포함하는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
  10. 캠이 형성된 캠샤프트;
    상기 캠샤프트의 일단부에 장착되는 베인;
    상기 베인에 장착되어 지각실과 진각실을 형성하는 스테이터;
    상기 지각실과 상기 진각실에 오일을 공급하는 오일컨트롤밸브; 및
    상기 오일컨트롤밸브를 제어하는 슬라이딩모드 제어기;
    를 포함하고,
    상기 슬라이딩모드 제어기는,
    상기 오일컨트롤밸브로 공급되는 오일의 온도 및 오일의 압력변화를 반영하여 상기 지각실과 상기 진각실에 공급되는 오일을 슬라이딩 모드 방법으로 제어하고, 상기 오일컨트롤밸브에서 상기 진각실과 지각실로 공급되는 오일의 오일유동모델을 이용하는 가변밸브 타이밍 기구의 제어기.
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