KR101567244B1 - 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법은 제어기(100)의 VCM포지션학습 상태에서 현재 엔진회전수(rpm)와 특정 엔진회전수(rpm)보다 작을 때 인테이크 매니폴드(Intake Manifold)(20)의 흡입공기배압을 고려하지 않는 PWM DUTY(Pulse Width Modulation DUTY)로 VCM모터(1)가 미분제어되고, 반면 현재 엔진회전수(rpm)가 특정 엔진회전수(rpm)보다 클 때 인테이크 매니폴드(20)의 흡입공기배압을 고려한 PWM DUTY로 VCM모터(1)가 미분제어됨으로써 VCM 모터 응답속도저하를 가져오는 PWM DUTY 신호 진동이 해소되고, 특히 미분제어 PWM DUTY가 VCM밸브(5)의 닫힘과 열림 조건을 고려해 가감됨으로써 VCM모터(1)의 목표 위치 도달 시 신속한 응답제어가 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법{Variable Charge Motion System}
본 발명은 가변차지모션 시스템(Variable Charge Motion System)에 관한 것으로, 특히 흡입공기의 배압을 고려한 모터의 미분제어가 이루어지는 모터 응답성제어방법에 관한 것이다.
최근 들어 강화된 환경 규제는 차량에 적용된 다양한 연비개선 장치나 방식에 대해 보다 강화된 성능개선을 요구하고 있고, 특히 유류비 상승은 그 필요성을 더욱 요구하고 있다.
이러한 조건 충족은 엔진의 연소 특성을 더욱 개선시켜줌으로써 구현될 수 있으며, 이를 구현한 기술로 흡입 공기에 텀블(Tumble)을 발생시켜줌으로써 실린더 내의 공기와 연료의 혼합을 좋게 하는 가변차지모션(Variable Charge Motion, 이하 VCM)을 예로 들 수 있다.
상기 VCM은 VCM모터(Variable Charge Motion Motor), 인테이크 매니폴드(Intake Manifold)의 흡입공기경로에 구비된 VCM밸브(VCM Valve), DC 모터 타입 VCM 모터와 VCM밸브를 이어주는 연계링크(Linkage Link), VCM모터를 제어하는 ECU(Engine Control Unit 또는 Electronic Control Unit)을 포함한다. 이하, 상기 VCM을 링크타입 VCM으로 칭한다.
상기 링크타입 VCM이 작동되면, VCM 모터의 위치가 ECU에 의한 PID제어와 함께 피드백(Feedback)제어되고, VCM 모터에 의한 VCM밸브의 움직임이 인테이크 매니폴드의 흡입공기통로를 가변시키며, 인 매니폴드의 흡입공기통로 단면적변화는 흡입공기의 텀블(Tumble)을 형성함으로써 실린더 내에서 더욱 향상된 공기와 연료의 혼합율로 연소 특성이 향상된다.
특히, PID제어 시 ECU는 엔진 흡기량(엔진 맵핑변수)의 변동에 연계된 PWM(Pulse Width Modulation)Duty로 VCM 모터를 제어함으로써 ECU의 목표 위치 추종이 가장 빠르게 구현된다.
국내특허공개 10-2009-0063912(2009년06월18일)
하지만, VCM 모터는 약 150mesc의 응답속도를 가지며, 적분/미분 개념의 PID중 미분제어(D)의 PWM DUTY로 목표 위치 도달 후 이루어지는 모터 DUTY 감속으로 목표에 도달하도록 제어됨으로써 신속한 타켓 위치 미 도달 시 노이즈로 인한 신호 진동이 발생될 수 있다.
특히, VCM 모터는 VCM 밸브와 링크로 연결됨으로써 인테이크 매니폴드의 흡입공기통로를 흐르는 흡입공기 배압의 힘에 의한 영향에 놓임으로써 목표 위치 도달 후 신속하지 못한 목표 도달은 DUTY 감속 신호의 노이즈 진동을 일으킬 수밖에 없다.
그러므로, 응답 속도를 향상시키는 미분제어 PWM DUTY의 부적합한 설정은 VCM 모터에 대한 외란이나 노이즈의 영향을 더욱 크게 하고, 특히 과도한 PWM DUTY 사용에 의한 임계온도초과(약 200도 이상) 시 VCM 모터 코일 소손도 가져올 수 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 VCM밸브에 연결된 VCM 모터의 미분제어 PWM DUTY가 인테이크 매니폴드의 흡입공기배압으로부터 받는 저항력을 고려해 인가됨으로써 PWM DUTY 신호 진동이 해소되고, 특히 미분제어 PWM DUTY가 VCM밸브의 닫힘과 열림 조건을 고려해 가감됨으로써 VCM모터의 목표 위치 도달 시 신속한 응답제어가 이루어지는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모터 응답성제어방법은 (A) VCM모터에 PWM DUTY(Pulse Width Modulation DUTY)를 인가해 미분제어하는 제어기의 VCM포지션학습완료에서 현재 엔진회전수(rpm)가 특정 엔진회전수(rpm)보다 큰지 여부를 판단하는 DUTY모드조건단계; (B) 상기 현재 엔진회전수(rpm)와 상기 특정 엔진회전수(rpm)의 크기 관계로 상기 VCM모터의 응답이 인테이크 매니폴드(Intake Manifold)의 흡입공기배압에 의해 영향을 받는지 판단하는 DUTY모드판단단계; (C) 상기 현재 엔진회전수(rpm)가 상기 특정 엔진회전수(rpm)보다 작으면, 상기 흡입공기배압을 고려하지 않는 일반정상 PWM DUTY가 상기 VCM모터로 인가되는 일반정상 DUTY제어모드단계; (D) 상기 현재 엔진회전수(rpm)가 상기 특정 엔진회전수(rpm)보다 크면, 상기 흡입공기배압을 고려한 신속응답 PWM DUTY가 상기 VCM모터로 인가되는 신속응답 DUTY제어모드단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 VCM포지션학습완료상태는 상기 제어기의 90% PWM DUTY 인가이다. 상기 특정 엔진회전수(rpm)는 1,500RPM이다.
상기 일반정상 PWM DUTY 크기는 상기 VCM모터에 인가되는 0% ~100% PWM DUTY중 30% ~65%이다. 상기 신속응답 PWM DUTY크기는 상기 VCM모터에 인가되는 0% ~100% PWM DUTY중 30% PWM DUTY가 기준되고, 상기 VCM모터가 인테이크 매니폴드의 흡기통로에 설치된 VCM밸브를 닫을 때 30% PWM DUTY보다 큰 반면 상기 VCM모터가 상기 VCM밸브를 열 때 30% PWM DUTY보다 작다. 상기 30% PWM DUTY를 증가시키거나 줄여주는 PWM DUTY 크기는 엔진회전수(RPM)에 따라 다르게 적용한다.
상기 흡입공기배압은 대기에서 도입되는 외기흐름 또는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)가스와 섞인 외기흐름으로 형성된다.
이러한 본 발명은 외란조건을 고려한 미분제어 PWM DUTY로 VCM모터의 신속한 목표 위치 도달이 이루어지고, VCM모터에 연계된 VCM 밸브의 작동도 신속하게 이루어짐으로써 VCM모터의 노이즈나 외란에 대한 강건성이 크게 향상되며, 특히 VCM모터의 응답성 향상으로 가속 시 링크타입 VCM의 응답성 관련 운전성이 크게 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 VCM 모터 코일 소손을 일으키는 과도한 PWM DUTY 사용 방지로 VCM모터 소손에 의한 클레임이 제기되지 않음으로써 링크타입 VCM의 고객 품질 만족 지수가 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 모터 응답성제어가 적용된 가변차지모션 시스템의 구성 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 모터 응답성제어 시 구현되는 PID제어의 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법의 순서를 나타낸다. 또한, 도 2는 모터 응답성제어방법으로 제어되는 가변차지모션 시스템의 구성 예를 나타낸다. 그러므로, 모터 응답성제어방법에 대한 설명은 도 2의 가변차지모션 시스템을 통해 설명된다.
S10은 VCM 포지션 학습 로직을 시작하는 단계로서, 이는 VCM모터(1)를 제어하는 제어기(10)에서 구현된다. 이를 위해, 제어기(10)에는 VCM 모터조건을 판단하는 VCM 모터조건 판단부(10-1), VCM의 제어 모드를 판단하는 VCM 모드 처리부(10-2), PWM DUTY(Pulse Width Modulation DUTY)를 VCM모터(1)로 출력하는 인터페이스(10-3)가 더 포함되고, VCM모터 센서(1-1)를 이용해 VCM모터(1)의 전압 검출값을 검출한다.
S20은 최초 학습 조건 판단 여부를 확인하는 단계로서, 이는 제어기(10)가 VCM모터(1)의 VCM 포지션을 학습하였는가로 판단된다. 그러므로, S20의 최초 학습 조건 판단 결과 VCM 포지션 학습이 이루어졌다면 S40으로 전환하지만 VCM 포지션 학습이 이루어지지 않았다면 S30으로 진입한다.
S30은 VCM DUTY 인가를 통해 VCM 포지션 학습이 이루어지는 단계로서, 이를 위해 제어기(10)는 PWM DUTY를 VCM모터(1)로 출력해 VCM모터(1)의 작동에 따른 VCM 포지션을 학습한다. 특히, PWM DUTY는 90% VCM DUTY까지 인가한다. 이때, VCM DUTY 인가에 의한 VCM모터(1)의 제어는 도 2에 예시된 PID제어블록 중 미분제어(D)로 구현된다.
S40은 VCM 포지션 학습 후 엔진조건을 판단하는 단계로서, 이를 위해 제어기(10)는 엔진회전수(RPM)를 검출하고, 엔진회전수(RPM)가 특정회전수(RPM)보다 큰지를 비교한다. 이때, 특정회전수(RPM)는 1500RPM을 적용한다.
S40의 판단 결과 엔진회전수(RPM)가 1500RPM보다 작은 경우 S50으로 진입함으로써 제어기(10)는 일반정상 DUTY제어모드로 전환하고, S60과 같이 VCM모터(1)에 인가되는 PWM DUTY의 범위를 약 30% ~65%로 변화시켜 준다. 상기 일반정상 DUTY제어모드는 인테이크 매니폴드(20)의 흡입공기배압이 VCM밸브(5)의 밸브 암(5B)과 연결된 플랩(5A)에 주는 영향이 거의 없음을 의미한다. 여기서, 상기 흡입공기배압은 대기에서 도입되는 외기와 배기가스에서 공급되는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)가스로 형성된다.
반면, S40의 판단 결과 엔진회전수(RPM)가 1500RPM보다 큰 경우 S50-1로 진입함으로써 제어기(10)는 신속응답 DUTY제어모드로 전환하고, S60-1과 같이 VCM모터(1)에 인가되는 PWM DUTY 크기를 달리함으로써 흡입공기배압의 영향 하에서 VCM모터(1)의 목표 위치 도달 시 신속한 응답제어가 이루어지도록 한다.
구체적으로, VCM모터(1)의 PWM DUTY 인가식은 다음과 같이 설정된다.
VCM밸브 닫힘 시 VCM모터 PWM DUTY = 30% + [+Fgas(흡입공기배압에 의한 저항력)] 또는 VCM밸브 열림 시 VCM모터 PWM DUTY = 30% - [-Fgas(흡입공기배압에 의한 부가력)
여기서, [+Fgas(흡입공기배압에 의한 저항력)] 및 [-Fgas(흡입공기배압에 의한 부가력)은 PWM DUTY 크기로 변환됨으로써 PWM DUTY 크기는 30% 이상이나 30% 이하로 인가된다.
상기 PWM DUTY 인가식의 적용 방식은 도 3의 미분제어의 예(A)를 통해 예시된다. 특히, Fgas 크기는 1500~2500 rpm(엔진회전수)에서 10Ncm이고, 2500~3500 rpm(엔진회전수)에서 13 Ncm, 3500~4500 rpm(엔진회전수)에서 18Ncm, 4500 이상 rpm(엔진회전수)에서 22 Ncm로 변화된다. 이는, Fgas가 압력 = 힘/ 단면적의 관계로부터 계산되고, 압력인 흡입 공기압은 엔진회전수(RPM)에 따라 변화됨에 기인된다. 일례로, 흡입 공기압 = 20N/cm2(= 2bar = 200 Kpa), 13cm의 플랩반경을 갖는 VCM밸브(5)의 단위면적= 3.14X 0.65 X 0.65일 때, F gas = 26.533 Ncm 로 결정된다.
그러므로, 신속응답 DUTY제어모드에서는 30% PWM DUTY를 기준으로하고, VCM밸브(5)의 닫힘 시에는 VCM모터(1)의 PWM DUTY 크기를 30% 보다 크게 해 VCM밸브(5)의 닫힘을 늦춰주는 Fgas의 영향이 극복되고 반면 VCM밸브(5)의 열림 시에는 VCM모터(1)의 PWM DUTY 크기를 30% 보다 작게 해 VCM밸브(5)의 열림을 빠르게 하는 Fgas의 영향이 극복된다. 이로 인한 결과는 도 3의 PID제어 특성결과(B)를 통해 예시된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법은 제어기(100)의 VCM포지션학습 상태에서 현재 엔진회전수(rpm)와 특정 엔진회전수(rpm)보다 작을 때 인테이크 매니폴드(20)의 흡입공기배압을 고려하지 않는 PWM DUTY로 VCM모터(1)가 미분제어되고, 반면 현재 엔진회전수(rpm)가 특정 엔진회전수(rpm)보다 클 때 인테이크 매니폴드(20)의 흡입공기배압을 고려한 PWM DUTY로 VCM모터(1)가 미분제어됨으로써 VCM 모터 응답속도저하를 가져오는 PWM DUTY 신호 진동이 해소되고, 특히 미분제어 PWM DUTY가 VCM밸브(5)의 닫힘과 열림 조건을 고려해 가감됨으로써 VCM모터(1)의 목표 위치 도달 시 신속한 응답제어가 이루어진다.
1 : VCM모터(Variable Charge Motion Motor)
1-1 : VCM모터 센서
3 : 연계링크(Linkage Link) 5 : VCM밸브(VCM Valve)
5A : 플랩(Flap) 5B : 밸브 암
10 : 제어기 10-1 : VCM 모터조건 판단부
10-2 : VCM 모드 처리부
10-3 : 인터페이스
20 : 인테이크 매니폴드(Intake Manifold)

Claims (7)

  1. (A) VCM모터에 PWM DUTY(Pulse Width Modulation DUTY)를 인가해 미분제어하는 제어기의 VCM포지션학습완료에서 현재 엔진회전수(rpm)가 특정 엔진회전수(rpm)보다 큰지 여부를 판단하는 DUTY모드조건단계;
    (B) 상기 현재 엔진회전수(rpm)와 상기 특정 엔진회전수(rpm)의 크기 관계로 상기 VCM모터의 응답이 인테이크 매니폴드(Intake Manifold)의 흡입공기배압에 의해 영향을 받는지 판단하는 DUTY모드판단단계;
    (C) 상기 현재 엔진회전수(rpm)가 상기 특정 엔진회전수(rpm)보다 작으면, 상기 흡입공기배압을 고려하지 않는 일반정상 PWM DUTY가 상기 VCM모터로 인가되는 일반정상 DUTY제어모드단계;
    (D) 상기 현재 엔진회전수(rpm)가 상기 특정 엔진회전수(rpm)보다 크면, 상기 흡입공기배압을 고려한 신속응답 PWM DUTY가 상기 VCM모터로 인가되는 신속응답 DUTY제어모드단계;
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (A)에서, 상기 VCM포지션학습완료상태는 상기 제어기의 90% PWM DUTY 인가인 것을 특징으로 하는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 (B)에서, 상기 특정 엔진회전수(rpm)는 1,500RPM인 것을 특징으로 하는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 (C)에서, 상기 일반정상 PWM DUTY 크기는 상기 VCM모터에 인가되는 0% ~100% PWM DUTY중 30% ~65%인 것을 특징으로 하는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 (D)에서, 상기 신속응답 PWM DUTY크기는 상기 VCM모터에 인가되는 0% ~100% PWM DUTY중 30% PWM DUTY가 기준되고, 상기 VCM모터가 인테이크 매니폴드의 흡기통로에 설치된 VCM밸브를 닫을 때 30% PWM DUTY보다 큰 반면 상기 VCM모터가 상기 VCM밸브를 열 때 30% PWM DUTY보다 작은 것을 특징으로 하는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 30% PWM DUTY를 증가시키거나 줄여주는 PWM DUTY 크기는 엔진회전수(RPM)에 따라 다르게 적용되는 것을 특징으로 하는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 흡입공기배압은 대기에서 도입되는 외기흐름 또는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)가스와 섞인 외기흐름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변차지모션 시스템의 모터 응답성제어방법.
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