KR101279360B1 - 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법 - Google Patents

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박찬식
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Abstract

본 발명은 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법에 관한 것으로서, 가변 형상 터보차져 액추에이터의 변화에 대응하여 새로운 제어모델을 결정하고, 새로운 제어모델로부터 새로운 제어이득을 결정하여, 새로운 제어이득을 적용하여 가변 형상 터보차져 액추에이터를 제어함으로써, 단품의 특성에 맞게 새로운 제어이득을 적용하므로, 항상 일정한 특성(성능)을 얻을 수 있다.

Description

균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER ACTUATOR TO OBTAIN UNIFORM PERFORMANCE}
본 발명은 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단품별 차이, 단품의 변형 및 장착 등에 따른 변화에 대응하여 항상 일정한 특성을 얻을 수 있도록 한 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법에 관한 것이다.
배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation : 이하, “EGR”이라 함) 장치를 적용한 대형 디젤 엔진에서는 EGR 가스를 제어하는 방법으로 가변 형상 터보차져(Variable Geometric Turbo charger : 이하, “VGT”라 함)를 이용하고 있다. VGT는 ECU의 명령을 받아 모터를 구동하여 베인(vane)의 개도(각도)를 조절함으로써 흡입되는 공기량을 조절하는 장치로서, 이를 위해 모터 및 모터에 연동되는 기구물들을 포함하는 VGT 액추에이터를 구성하고 있다. 여기서, 기구물들에 대한 구성은 대한민국 등록특허공보 제10-0802762호(공고일 2008.02.12.)의 도 2 및 도 3에 잘 도시되어 있다.
도 1은 종래의 VGT 액추에이터 제어를 위한 제어회로블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, VGT 액추에이터를 제어하기 위해서는, ECU로부터 전달된 기준값과 홀센서로부터 전달된 측정값을 비교하여 제어신호(PWM신호)를 생성하는 마이크로 프로세서와, 제어신호에 따라 모터구동신호를 생성하는 모터 드라이버와, 모터구동신호에 대응하여 회전하는 모터 및 모터에 연동되는 기구물들과, 기구물의 위치변화를 센싱하여 측정값을 생성하는 홀센서를 포함한 제어회로를 구성하고 있다.
이와 같이 구성된 제어회로에서는, ECU로부터 기준값이 전달되면 마이크로 프로세서는 기준값과 홀센서에 의해 생성된 측정값을 비교하여 제어신호(PWM신호)를 생성한다. 이어서 모터 드라이버는 제어신호를 모터구동신호로 변환하여 모터에 전달한다. 이에 모터구동신호에 대응하여 모터의 회전이 이루어지고, 이 모터의 회전에 따라 기구물들이 연동되어 작동한다. 이 기구물들의 연동에 대응하여 베인의 각도가 제어된다. 이후, 홀센서에서는 제어된 베인의 각도를 센싱하여 마이크로 프로세서로 측정값을 전달한다.
이와 같이, ECU의 명령을 받아 VGT 액추에이터를 제어하여 VGT 밸브를 통하여 유입되는 배기가스의 양을 조절함으로써, 저속에서는 배기유로 축소에 의해 속도에너지를 최대화시켜 5%에서 15%까지의 토크를 향상시킬 수 있고, 고속에서는 배기유로를 확대하여 배기유량을 최대화시켜 10%에서 15%에 이르는 최고출력을 향상시킬 수 있다.
도 2는 종래의 VGT 제어 방법을 나타낸 로직도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, VGT 제어를 위해 PID 제어기가 사용될 수 있다.
Figure 112012061204066-pat00001
여기서, K D 는 미분이득이고, K P 는 비례이득이고, K I 는 적분이득이다.
마이크로 프로세서에서 구현된 제어기는 모터와 기구물의 모델
Figure 112012061204066-pat00002
에 대하여 결정된 이득
Figure 112012061204066-pat00003
,
Figure 112012061204066-pat00004
,
Figure 112012061204066-pat00005
를 이용한다.
그런데, 최초 설정된 제어모델에 대비하여 모터 및 기구물들의 부하가 변하게 되어 제어모델이
Figure 112012061204066-pat00006
와
Figure 112012061204066-pat00007
으로 변화됨에도 불구하고, 최초로 설정된 고정된 이득
Figure 112012061204066-pat00008
,
Figure 112012061204066-pat00009
,
Figure 112012061204066-pat00010
를 계속 사용하므로, VGT 제어가 의도하는 것과 다르게 이루어질 수 있는 문제점이 있다.
더구나, 교체 등에 의해 조립된 단품의 특성은 최초 세팅된 단품의 특성과 다를 수밖에 없음에도 불구하고, 고정된 이득
Figure 112012061204066-pat00011
,
Figure 112012061204066-pat00012
,
Figure 112012061204066-pat00013
를 변화시키지 않고서 계속 사용하므로, 주변기기와의 연동관계에서 큰 문제를 발생시킬 수도 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2006-0001811호(공개일 2006.01.06.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 단품별 차이, 단품의 변형 및 장착 등을 포함한 변화가 있을 경우에, VGT 액추에이터의 제어모델을 새롭게 결정하고, 결정한 제어모델에 대하여 새로운 제어이득을 적용하여 일정한 특성(성능)을 얻을 수 있도록 하는 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법은, 가변 형상 터보차져 액추에이터의 변화에 대응하여 새로운 제어모델을 결정하는 단계; 상기 새로운 제어모델로부터 새로운 제어이득을 결정하는 단계; 및 상기 새로운 제어이득을 적용하여 상기 가변 형상 터보차져 액추에이터를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 변화는, 새로운 단품의 장착 또는 상기 가변 형상 터보차져 액추에이터를 구성하는 부품의 부하변화에 의한 것일 수 있다.
한편, 상기 새로운 제어모델은, 설정된 듀티(duty)값으로 생성된 PWM신호의 변화에 대한 RPM 출력의 변화의 비인 이득과, 상기 RPM 출력의 변화의 특정 지점에 대응하는 시정수를 적용한
Figure 112012061204066-pat00014
이다.
그리고, 상기 새로운 제어이득은, 이전 모델(
Figure 112012061204066-pat00015
,
Figure 112012061204066-pat00016
)에 대비하여 상기 새로운 제어모델(
Figure 112012061204066-pat00017
,
Figure 112012061204066-pat00018
)에 대하여 전체 제어 시스템의 특성이 일정하게 유지하도록 하는 값이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법에 따르면, 단품의 특성에 맞게 새로운 제어이득을 적용하므로, 항상 일정한 특성(성능)을 얻을 수 있는 장점이 있고, 이러한 장점으로 인해, 단품 특성의 편차의 폭을 넓힐 수 있으므로 다양한 단품의 적용이 가능하다는 장점도 있다. 이 방법은 단품간의 차이뿐 아니라 부하에 의하여 특성이 변한 e-VGT의 성능도 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 1은 종래의 VGT 액추에이터 제어를 위한 제어회로블록도이다.
도 2는 종래의 VGT 제어 방법을 나타낸 로직도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 VGT 제어 방법을 나타낸 제어흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예로서, 제어모델을 결정하는 방법에 대한 개념도이다.
이하, 본 발명의 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 VGT 제어 방법을 나타낸 제어흐름도이다.
먼저, 본 발명의 VGT 액추에이터의 제어를 위한 시스템은 도 1의 구성을 이용하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 단품의 장착 혹은 단품의 부하가 변화되었다고 판단된 경우에(S1), 제어모델을 결정하는 제어모델 결정 알고리즘을 실행하고(S2), 제어모델 결정 알고리즘을 통해 결정한 새로운 제어모델
Figure 112012061204066-pat00019
에 대하여 새로운 제어이득
Figure 112012061204066-pat00020
,
Figure 112012061204066-pat00021
,
Figure 112012061204066-pat00022
를 적용하여 VGT 액추에이터를 제어한다(S3). 한편, 단품의 장착 혹은 단품의 부하가 변화되는 경우가 아니라고 판단되면, 기존의 세팅된 이득을 사용하여 VGT 액추에이터를 제어한다. 물론, 단품의 장착 혹은 단품의 부하가 변화되는 경우가 아니라고 판단되었다 하더라도, 정기적으로 또는 수시로 제어모델 결정 알고리즘을 실행할 수 있다. 여기서, 단품의 부하가 변화되었는지 여부에 대한 판단은 별도의 센싱을 통해 이루어지거나 부하변화 판단 알고리즘을 통해 이루어질 수 있다.
한편, 생산 초기에 VGT 액추에이터의 최소 동작범위와 최대 동작범위를 확인하고, 이를 각 단품의 메모리에 저장하는 과정이 있다. 이후, 최대 동작범위를 확인하는 과정에서 스텝 입력을 인가하고 홀센서의 측정값을 확인하면 상승시간(rising time)을 추출할 수 있다. 이에, 추출된 상승시간을 이용하여 부하(모터 및 기구물들)의 제어모델을 구할 수 있다. 이어서, 결정한 제어모델과 설계에 사용한 명목상(nominal) 제어모델의 차를 구하고, 이에 따라 제어기의 이득을 변경하면 단품간의 성능차이를 없애거나 최소화할 수 있다.
그러면, 여기서 제어모델 결정 알고리즘에 대해 상세히 설명한다.
제어모델 결정 알로리즘은, 이득과 시정수를 결정하는 과정과, 제어이득을 결정하는 과정을 포함한다.
이득과 시정수 결정
도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 제어모델 결정은 스텝 입력에 대한 속도 출력을 측정하여 이루어진다. 이 과정에서 위치가 아닌 속도를 이용하므로
Figure 112012061204066-pat00023
이 아닌
Figure 112012061204066-pat00024
의 제어모델을 결정하며, 결과는 같다.
여기서, 이득
Figure 112012061204066-pat00025
은 입력 변화(D-C)에 대한 출력 변화(B-A)에 대한 비율로서,
Figure 112012061204066-pat00026
이다.
시정수
Figure 112012061204066-pat00027
은 출력이
Figure 112012061204066-pat00028
되는 시정의 시간으로 결정한다. 여기서 제시된 63%는 하나의 예시일 뿐, 해당 값은 50% ~ 100% 사이에서 임의로 결정될 수 있다.
마이크로 프로세서에서 구현된 경우 모터의 데드존(Deadzone)을 고려하여 초기기동에 C는 약 30% 듀티(duty)값, D는 100% 듀티값이 되게 PWM신호를 생성한다.
이와 함께, 타이머 인터럽트(timer interrupt)에서 홀센서의 출력값을 메모리에 저장하고, 정상상태(steady state) 출력이 얻어지는 경우 메모리에 저장된 홀센서의 출력값을 분석하여 제어모델을 결정한다.
홀센서의 출력값은 베인의 각도에 대응하는 값이므로, 이들 측정값의 차분을 이용하여 RPM 출력을 계산하고,
Figure 112012061204066-pat00029
되는 지점에 대응하는 시정의 시간을
Figure 112012061204066-pat00030
으로 결정한다.
제어이득 결정
위에서 결정한
Figure 112012061204066-pat00031
,
Figure 112012061204066-pat00032
을 적용한 새로운 제어모델
Figure 112012061204066-pat00033
에 대하여, 새로운 제어이득
Figure 112012061204066-pat00034
,
Figure 112012061204066-pat00035
,
Figure 112012061204066-pat00036
을 결정하는 방법은 다음과 같다.
도 2를 참조하면,
Figure 112012061204066-pat00037
Figure 112012061204066-pat00038
에 대한 출력
Figure 112012061204066-pat00039
와,
Figure 112012061204066-pat00040
Figure 112012061204066-pat00041
에 대한 출력
Figure 112012061204066-pat00042
가 같도록
Figure 112012061204066-pat00043
를 조정하면, 모터와 기구물들이 변화되더라도 일정한 성능(특성)을 얻을 수 있다.
PID 제어를 적용한 전체 제어시스템의 전달함수는 다음과 같다.
Figure 112012061204066-pat00044
같은 방법으로 제어모델과 제어이득이 변경된 경우 전체 제어시스템의 전달함수는 다음과 같다.
Figure 112012061204066-pat00045
Figure 112012061204066-pat00046
이기 위한 조건은
Figure 112012061204066-pat00047
,
Figure 112012061204066-pat00048
,
Figure 112012061204066-pat00049
,
Figure 112012061204066-pat00050
의 계수를 비교하여 구할 수 있다.
Figure 112012061204066-pat00051
의 계수로부터 적분이득을 구할 수 있다.
Figure 112012061204066-pat00052
--→
Figure 112012061204066-pat00053
같은 방법으로
Figure 112012061204066-pat00054
의 계수로부터 비례이득을 구할 수 있다.
Figure 112012061204066-pat00055
--→
Figure 112012061204066-pat00056
Figure 112012061204066-pat00057
,
Figure 112012061204066-pat00058
의 계수로부터 여러 미분이득이 구해진다.
1)
Figure 112012061204066-pat00059
,
Figure 112012061204066-pat00060
--→
Figure 112012061204066-pat00061
2)
Figure 112012061204066-pat00062
--→
Figure 112012061204066-pat00063
3)
Figure 112012061204066-pat00064
--→
Figure 112012061204066-pat00065

여기서,
Figure 112012061204066-pat00066
,
Figure 112012061204066-pat00067
는 고유(unique)한 값을 갖는다.
한편,
Figure 112012061204066-pat00068
는 고유한 값을 갖지 않지만, 일반적으로 PID제어에서
Figure 112012061204066-pat00069
값으로 아주 작은값을 사용함을 고려하면 1), 2), 3)에서 계산된 값 중에서 가장 작은값을 선택할 수 있다.
PI 제어기인 경우에는
Figure 112012061204066-pat00070
으로 구현할 수도 있다.
한편, 실험실에서의 다양한 실험을 통하여
Figure 112012061204066-pat00071
값에 대한 테이블을 구성하여 적용할 수도 있다.
본 실시예에서는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법에 대해 개시하고 있으나, 본 발명은 전자식 가변 형상 터보차져 액추에이터(e-VGT)에도 동일하게 적용될 수 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
10 : 마이크로 프로세서
20 : 모터 드라이버
30 : 모터 및 기구물들
40 : 홀센서

Claims (4)

  1. 가변 형상 터보차져 액추에이터의 변화에 대응하여 새로운 제어모델을 결정하는 단계;
    상기 새로운 제어모델로부터 새로운 제어이득을 결정하는 단계; 및
    상기 새로운 제어이득을 적용하여 상기 가변 형상 터보차져 액추에이터를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변화는, 새로운 단품의 장착 또는 상기 가변 형상 터보차져 액추에이터를 구성하는 부품의 부하변화에 의한 것을 특징으로 하는 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 새로운 제어모델은, 설정된 듀티(duty)값으로 생성된 PWM신호의 변화에 대한 RPM 출력의 변화의 비율인 이득(
    Figure 112012061204066-pat00072
    )과, 상기 RPM 출력의 변화의 특정 지점에 대응하는 시정수(
    Figure 112012061204066-pat00073
    )를 적용한
    Figure 112012061204066-pat00074
    인 것을 특징으로 하는 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 새로운 제어이득은, 상기 새로운 제어모델(
    Figure 112012061204066-pat00075
    ,
    Figure 112012061204066-pat00076
    )이 전체 제어 시스템의 특성을 일정하게 유지하도록 하는 이전 모델(
    Figure 112012061204066-pat00077
    ,
    Figure 112012061204066-pat00078
    )에 대비되는 값인 것을 특징으로 하는 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법.
KR1020120083715A 2012-07-31 2012-07-31 균일한 성능을 유지하는 가변 형상 터보차져 액추에이터의 제어 방법 KR101279360B1 (ko)

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CN115324726A (zh) * 2022-06-27 2022-11-11 苏州意驱动汽车科技有限公司 一种基于非线性建模的电控执行器精确控制方法

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KR20090065382A (ko) * 2007-12-17 2009-06-22 현대자동차주식회사 가변용량 터보 차저의 진공 모듈레이터 제어 방법
KR101014450B1 (ko) 2008-11-11 2011-02-14 현대자동차주식회사 가변 형상 터보차져의 제어 방법

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