KR101634546B1 - 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치 및 방법 - Google Patents

전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치 및 방법이 개시된다. 이 장치는 감속기를 향하는 모터의 측면의 테두리에 설치되며, 크랭크 샤프트와 결합되어 회전하는 제 1 회전 부재의 제 1 돌기의 회전 속도를 감지하며, 제 1 회전 부재와 소정의 기어비로 기어 결합되어서 캠 샤프트와 결합되어 회전하는 제 2 회전 부재의 제 2 돌기의 회전 속도를 감지하며, 회전 속도에 상응하는 출력 파형 형태의 감지신호를 만들고, 감지신호를 모터에 결합된 지능형 모터 컨트롤러에 입력하는 1개의 센서; 및 센서로부터 감지신호를 수신하여 제 1 돌기의 회전에 대응하는 크랭크 각 신호와 제 2 돌기에 대응하는 캠 각 신호를 분리하며, 크랭크 각 신호와 캠 각 신호를 비교하여 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 실제 위상 각을 검출하고, 검출된 실제 위상 각과 기 설정된 목표 위상 각 간의 위상 편차를 연산하는 지능형 모터 컨트롤러;를 포함하고, 제 1 돌기 및 제 2 돌기는 모터를 마주보는 감속기의 측면의 원주방향을 따라 배열되어 있다.

Description

전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING ELECTRONIC CONTINUOUSLY VARIABLE VALVE TIMING AND METHOD THEREOF}
본 발명은 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 하나의 센서를 사용하면서 감속기에 결합된 모터를 전기적 신호로 동작시켜서 내연기관의 캠 샤프트의 타이밍을 조정하는 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치 및 방법에 관한 것이다.
자동차 공학(Automotive Engineering)에서, 가변 밸브 타이밍(Variable Valve Timing: VVT) 제어 기술은 내연기관, 즉 엔진의 회전 수에 따라 밸브를 여닫는 타이밍에 변화를 주는 기술을 말한다. VVT 제어 기술은 엔진의 저속 회전과 고속 회전에 맞추어 밸브를 열고 닫는 시기를 바꿔주기 때문에 VVT 제어 기술이 적용된 차량은 연비와 출력을 동시에 늘릴 수 있게 된다.
일반적으로 엔진은 특정한 회전 대역(rpm)에서 최대출력을 얻을 수 있도록 밸브 개폐 타이밍이 정해져 있다. 다시 말하면, 저속 회전 대역에서는 혼합기의 팽창과 폭발을 위해 밸브 개폐 타이밍을 늦추어야 하고, 고속 회전 대역에서는 폭발한 혼합기의 배출을 위해 개폐 타이밍을 빨리 해야 한다. 밸브를 열고 닫는 시기를 저속에 맞추면 고속회전 때 혼합기의 배출이 늦어지고, 고속에 맞추면 저속회전 때 혼합기의 압축이 늦어져 결국 엔진의 효율이 크게 떨어지게 된다.
이 문제를 없애기 위하여 제안된 것이 VVT 제어 기술로, 밸브의 개폐 타이밍을 엔진의 회전 수에 맞게 바꾸어 줌으로써 고속과 저속에서 동시에 높은 연비와 높은 출력을 얻을 수 있도록 한 방식이다.
일반적으로 VVT의 타이밍 전환은 저속회전과 고속회전의 2단계이지만, 최근에는 연속 가변 밸브 타이밍이 가능한 연속 가변 밸브 타이밍(Continuously Variable Valve Timing: CVVT) 시스템이 일반화되고 있다. 이 시스템은 VVT, CVVT, CVTC, VANOS 등 각 업체에서 다른 이름으로 불려지고 있다.
CVVT 시스템은 엔진 회전 수와 액셀러레이터가 열린 정도에 따라 밸브의 개폐 타이밍을 연속적으로 바꿀 수 있는 시스템이다. 기본 구성은 캠 샤프트가 연결되어 있는 내축 챔버와, 타이밍 시스템(체인, 벨트 등)과 연결되어 엔진으로부터 동력을 받는 외장시스템, 현재의 타이밍을 측정할 수 있는 센서류, 그리고 조절 장치로 구성된다.
조절장치는 일반적으로는 유압식을 사용하여 OCV(Oil Control Valve)를 장착한다. 최근에는 빠른 응답 특성을 위해 전기 모터로 제어하는 방식이 있다.
종래 기술에 따른 전기 모터 제어식 연속 가변 밸브 타이밍 시스템에서는, 차량 내의 ECU(Electronic Control Unit)가 캠 샤프트의 근방에 설치된 일측 센서로부터의 캠 샤프트의 회전 수와, 크랭크 샤프트의 근방에 설치된 타측 센서로부터의 크랭크 회전 수를 입력 받아서, 전기 모터를 제어하기 위한 각종 제어값을 연산하고, 그 연산 결과에 따라 전기 모터의 동작을 제어한다.
그런데, 이러한 CVVT 시스템에서, 전기 모터를 제어하기 위한 연산은 ECU에서 수행되는 연산 부하를 가중시키는 요인으로서, ECU의 동작 오류 및 처리 속도를 저하시킨다.
특히, 캠 샤프트와 크랭크 샤프트의 근방에 설치된 센서들은 CAN 통신과 같은 차량 네트워크 통신으로 캠 샤프트의 회전 수와 크랭크 샤프트의 회전 수를 상기 ECU에 전송하고, 상기 ECU에서는 전송받은 캠 샤프트의 회전 수와 크랭크 샤프트의 회전 수를 연산하여, 전기 모터를 제어하기 위한 각종 제어값 연산을 수행한다. 따라서, 이러한 전송과정에서 신호 지연이 발생하고, 신호 지연은 ECU의 처리 속도 저하를 더욱 저하시키는 요인으로 작용한다.
따라서, 본 발명의 목적은 ECU와 협업하거나 또는 독립적으로 동작하는 지능형 모터 컨트롤러와, 지능형 모터 컨트롤러에 전기적으로 접속된 하나의 센서를 구비하여, 연속 가변 밸브 타이밍을 제어하는 연산 과정에서 ECU에서 수행되는 연산 부하를 감소시키고, 연속 가변 밸브 타이밍 조정을 위한 처리 속도를 상대적으로 빠르게 증가시킬 수 있는 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치는, 내연기관의 크랭크 샤프트와 연동하여 회전하는 캠 샤프트의 상대 회전 위상을 모터와 감속기로 변화시켜 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍을 조정하도록, 상기 감속기를 향하는 상기 모터의 측면의 테두리에 설치되며, 상기 크랭크 샤프트와 결합되어 회전하는 제 1 회전 부재의 제 1 돌기의 회전 속도를 감지하며, 상기 제 1 회전 부재와 소정의 기어비로 기어 결합되어서 상기 캠 샤프트와 결합되어 회전하는 제 2 회전 부재의 제 2 돌기의 회전 속도를 감지하며, 상기 회전 속도에 상응하는 출력 파형 형태의 감지신호를 만들고, 상기 감지신호를 상기 모터에 결합된 지능형 모터 컨트롤러에 입력하는 1개의 센서; 및 상기 센서로부터 상기 감지신호를 수신하여 상기 제 1 돌기의 회전에 대응하는 크랭크 각 신호와 상기 제 2 돌기에 대응하는 캠 각 신호를 분리하며, 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 비교하여 상기 흡기 밸브 또는 상기 배기 밸브의 실제 위상 각을 검출하고, 검출된 실제 위상 각과 기 설정된 목표 위상 각 간의 위상 편차를 연산하는 지능형 모터 컨트롤러;를 포함하고, 상기 제 1 돌기 및 상기 제 2 돌기는 상기 모터를 마주보는 상기 감속기의 측면의 원주방향을 따라 배열되어 있다.
상기 제 1 돌기는, 상기 모터를 마주보는 상기 제 1 회전 부재의 측면에서 상기 원주방향을 따라 이격 배치되어 돌기 그룹이 되며, 상기 돌기 그룹이 상기 제 1 회전 부재의 중심을 기준으로 이격 각도를 유지하면서 다수로 배치되어 있다.
상기 제 1 회전 부재는, 상기 돌기 그룹의 사이에 형성된 호형 슬롯을 포함한다.
상기 제 2 돌기는, 상기 제 1 돌기보다 상대적으로 긴 호형 길이를 가지고 있고, 상기 캠 샤프트와 동일한 회전 각도로 상기 호형 슬롯을 따라 이동한다.
상기 제 2 돌기는, 상기 호형 슬롯의 구멍 길이 보다 짧은 길이를 가지며, 상기 호형 슬롯을 통해 노출되어 상기 센서에 의해 감지된다.
상기 지능형 모터 컨트롤러는, 상기 감지신호에 대응한 출력 파형으로부터 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호로 분리하는 신호분리부와, 상기 분리된 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 연산하여 또는 비교하여 상기 실제 위상 각을 검출하는 신호연산부로 이루어진 APA 검출부를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치에 의한 밸브 타이밍 조정 방법은 내연기관의 크랭크 샤프트(crank shaft)와 연동하여 회전하는 캠 샤프트의 상대 회전 위상을 모터와 감속기로 변화시켜 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍(valve timing)을 조정하되, 상기 모터에 부착된 하나의 센서가 상기 크랭크 샤프트와 결합되어 회전하는 제 1 회전 부재에 마련된 제 1 돌기의 회전 속도를 감지하고, 상기 제 1 회전 부재와 소정의 기어비로 기어 결합되어서 상기 캠 샤프트와 결합되어 회전하는 제 2 회전 부재에 마련된 제 2 돌기의 회전 속도를 시계열적으로 감지하여 출력 파형 형태의 감지신호로 만들고, 상기 감지신호를 상기 모터에 결합된 지능형 모터 컨트롤러에 입력하는 과정; 상기 지능형 모터 컨트롤러가 신호분리부를 통해 상기 감지신호로부터 상기 제 1 돌기의 회전에 대응하는 크랭크 각 신호와 상기 제 2 돌기에 대응하는 캠 각 신호를 분리하며, 신호연산부를 통해 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 비교하여 상기 흡기 밸브 또는 상기 배기 밸브의 실제 위상 각을 검출하고, 검출된 실제 위상 각과 기 설정된 목표 위상 각 간의 위상 편차를 연산하는 과정; 및 상기 지능형 모터 컨트롤러가 연산된 상기 위상 편차에 기초해 상기 모터의 모터 토크를 조정하는 듀티값을 연산하는 과정;을 포함한다.
상기 듀티값을 연산하는 과정은, CAN 통신 및 RS-485 통신 중 어느 하나의 디지털 직렬 통신을 통해 상기 기 설정된 목표 위상 각을 수신하는 과정과, 상기 센서로부터의 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 이용하여 상기 실제 위상 각을 검출하는 과정과, 상기 목표 위상 각과 상기 실제 위상 각 간의 상기 위상 편차를 계산하는 과정, 및 상기 계산된 위상 편차로부터 상기 캠 샤프트의 출력 토크에 대한 가감 토크값을 설정하고, 상기 설정된 가감 토크값에 대응하는 듀티값을 연산하는 과정을 포함한다.
본 발명에 의하면, 지능형 모터 컨트롤러가 하나의 센서로부터 2종류의 신호로 이루어진 감지신호를 수신 받아 크랭크 각 신호와 캠 각 신호를 확인할 수 있음에 따라서, 빠르고 정확한 타이밍 조정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 모터를 제어하기 위해 기존의 ECU에서 수행되는 연산 과정을 전기 모터에 일체형으로 구현된 지능형 모터 컨트롤러가 ECU와 협업 형태로 수행하거나, 또는 ECU의 작동 불량(fail)시 지능형 모터 컨트롤러가 독립적으로 수행할 수 있음으로써, 기존의 ECU에서 수행되는 연산 부하를 줄일 수 있고, ECU의 작동 불량(fail) 등과 같은 긴급한 상황에서도 스스로 위상 제어를 수행하여, 엔진의 시동 정지 또는 낮은 회전수에서도 안전하면서도 빠르고 정밀한 밸브 타이밍 조정이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 지능형 모터 컨트롤러의 내부 구성을 보여주는 구성도.
도 3은 도 1에 도시된 선 A-A를 기준으로 모터와 마주보고 있는 감속기의 측면도.
도 4는 도 1에 도시된 하나의 센서의 출력 파형도.
도 5는 도 4에 도시된 출력 파형도로부터 분리된 크랭크 각 신호의 파형도.
도 6은 도 4에 도시된 출력 파형도로부터 분리된 캠 각 신호의 파형도.
도 7은 도 1의 장치에 의해 구현되는 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 방법을 보여주는 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치(100)는 전자 제어 유닛(110)(ECU: Electronic Control Unit), 모터 컨트롤러 모듈(120), 사이클로이드 감속기(Cycloid Reducer)(300: 이하, "감속기"), 내연기관의 크랭크 샤프트(140)(Crank Shaft) 및 캠 샤프트(150)(Cam Shaft)를 포함한다.
이러한 장치(100)는 크랭크 샤프트(140)와 연동하여 회전하는 캠 샤프트(150)의 상대 회전 위상을 모터 컨트롤러 모듈(120)의 모터(124)와 감속기(300)로 변화시켜 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍(valve timing)을 조정하는 장치이다.
ECU(110)는 CAN(Controller Area Network) 통신과 같은 차량 네트워크 통신 방식으로 모터 컨트롤러 모듈(120)과 통신한다. ECU(110)는 차량 네트워크 통신 방식으로 기 설정된 목표 위상 각(TPA(θ): Target Phase Angle(θ))을 모터 컨트롤러 모듈(120)로 제공한다.
모터 컨트롤러 모듈(120)은 캠 샤프트(150)의 회전 속도에 대한 모터(124)의 상대 회전 속도를 조정하기 위한 모터 토크(MT: Motor Torque)를 출력한다. 이를 위해, 모터 컨트롤러 모듈(120)은 지능형 모터 컨트롤러(122), 모터(124), 감속기(300)를 향하도록 모터(124)에 부착된 하나의 센서(200)를 포함한다.
모터(124)는 상기 지능형 모터 컨트롤러(122)로부터의 구동 전류에 따라 상기 캠 샤프트(150)의 회전 속도에 대해 모터(124)의 상대 회전 속도를 조정한 모터 토크(Motor Torque: MT)를 출력한다. 상기 모터(124)에는 그의 케이싱 일 측면에 센서(200)가 일체형으로 설치될 수 있는 센서 설치부가 마련되어 있고, 그의 케이싱 타 측면에 지능형 모터 컨트롤러(122)가 설치되어 있는 컨트롤러 설치부가 마련되어 있고, 센서 설치부와 컨트롤러 설치부의 사이에 BrushLess DC 모터(Motor)(BLDCM)가 배치되어 있을 수 있다.
센서(200)는 1개로 이루어진 것을 특징으로 한다. 센서(200)는 인덕티브 센서로 이루어질 수 있다.
즉, 본 실시예의 센서(200)는 동일한 회전 선상(예: 감속기(300)의 측면의 원주방향)의 2개의 계측 대상(예: 제 1 돌기(310) 및 제 2 돌기(320))을 감지하여 1개의 출력 파형으로부터 출력한다. 이후 과정에서 2개의 시그널인 크랭크 각 신호(CKP: Crank shaft Position signal)와 캠 각 신호(CMP: Cam shaft Position signal)에 의해 신속하고 정확하게 검출이 이루어 질 수 있도록, 센서(200)는 모터(124)의 제어에 곧바로 피드백 할 수 있는 구성품이므로, 기존의 크랭크 샤프트 위치 센서와 캠 샤프트 위치 센서 등과 같이 차별화될 수 있음에 유의해야 한다.
특히, 제 1 돌기(310) 및 제 2 돌기(320)는 모터(124)를 마주보는 감속기(300)의 측면의 원주방향을 따라 배열되어 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 도 3을 통해 상세히 설명될 수 있다.
센서(200)는 돌기 형상에 대응하게 자속이 변화되는 것을 감지하여 출력 파형을 만드는 속도 감지 센서의 일종이다. 예컨대, 센서(200)는 회전하는 감속기와 홀 소자(미 도시)(Hall IC)와의 미리 정한 거리(air-gap)에서 발생되는 거리차에 따라 자속의 변화를 감지하여 온/오프(On/Off)함으로써 회전속도에 따라 주파수가 바뀌는 전기적 신호, 즉 감지신호를 만들도록 구성되어 있거나, 또는 감지신호를 발생시키도록 구성되어 있다.
센서(200)는 크랭크 샤프트의 회전 속도를 감지하는 잘 알려진 크랭크 샤프트 위치 센서(Crank shaft Position Sensor)의 기능과, 캠 샤프트의 회전 속도를 감지하는 잘 알려진 캠 샤프트 위치 센서(Cam shaft Position Sensor)의 기능을 겸용할 수 있다.
특히, 센서(200)는 감속기(300)를 향하는 모터(124)의 측면의 테두리에 설치 된다. 또한, 센서(200)는 상기 측면의 테두리에 일체형으로 구성되므로, 센서(200)를 감속기(300) 쪽을 향하도록 설치하는 작업 및 그 작업 과정에서 발생 가능한 성능 편차를 줄일 수도 있다.
센서(200)와 감속기(300)는 미리 정한 거리(air-gap)에 대응한 사이 간격을 유지하고 있다.
센서(200)는 제 1 회전 부재(132)에 마련된 제 1 돌기(310)의 회전 속도를 감지한다. 여기서, 제 1 회전 부재(132)는 체인을 통해서 크랭크 샤프트(140)와 결합되어 회전하는 것으로서, 감속기(300)의 구성품에 해당한다.
또한, 제 2 회전 부재(134)는 캠 샤프트(150)에 연결되어 있는 감속기(300)의 구성품으로서, 감속기(300) 내에서 제 1 회전 부재(132)와 소정의 기어비로 기어 결합되어서 캠 샤프트(150)와 함께 회전된다. 따라서, 제 2 회전 부재(134)의 회전 속도는 감속기(300)의 외부의 하나의 센서(200)에 의해 감지되기 어려운 상황이다. 그러나, 본 실시예에서는 제 2 회전 부재(134) 또는 캠 샤프트(150)로부터 제 1 회전 부재(132)의 호형 슬롯(133)까지 연장된 후, 호형 슬롯(133)에서 센서(200)를 향하여 노출되며, 캠 샤프트(150) 또는 제 2 회전 부재(134)에 대하여 동기화되어 함께 회전하는 연장부(330)를 더 포함한다.
연장부(330)는 제 2 돌기(320)의 개수(예: 3개)에 대응하게 다수로 구비된다. 연장부(330) 및 제 2 돌기(320)의 개수는 필요로 하는 센서 감지 정밀도를 고려하여 3개를 기준으로 가감 될 수 있음은 물론이다.
또한, 센서(200)는 모터(124)의 케이싱에 고정 상태이며, 회전 중인 감속기(300)를 향하여 센싱 작동을 한다. 이런 연유로 센서(200)는 제 1 돌기(310)의 회전 속도 감지 이후 연속적으로 제 2 회전 부재(134)에 마련된 제 2 돌기(320)의 회전 속도를 감지하고, 다시 제 1 돌기(310)의 회전 속도를 감지하는 것을 반복하듯이, 시계열적 회전 속도 감지 과정을 수행한다. 그 결과 센서(200)는 회전 속도에 상응하도록, 일련의 출력 파형 형태의 감지신호를 만들고, 그 감지신호를 모터 컨트롤러 모듈(120)의 지능형 모터 컨트롤러(122)에 입력시킨다.
지능형 모터 컨트롤러(122)는 센서(200)에 의해 감지된 감지신호를 이용하여 감속기(300)의 회전 속도로부터 실제 위상 각(APA(θ): Actual Phase Angle(θ))을 검출하는 역할을 담당한다.
즉, 지능형 모터 컨트롤러(122)는 센서(200)로부터 상기 감지신호를 전달받아 제 1 돌기(310)의 회전에 대응하는 크랭크 각 신호(CKP)와 제 2 돌기(320)에 대응하는 캠 각 신호(CMP)를 분리하며, 크랭크 각 신호(CKP)와 캠 각 신호(CMP)를 비교하여 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 실제 위상 각(APA(θ))을 검출하고, 검출된 실제 위상 각(APA(θ))과 기 설정된 목표 위상 각(TPA(θ)) 간의 위상 편차를 연산한다.
이런 지능형 모터 컨트롤러(122)는 연산한 위상 편차에 대응하도록, 캠 샤프트(150)의 회전 속도에 대한 모터의 상대 회전 속도를 조정하기 위한 구동 전류를 출력하도록 구성되어 있다. 이러한 지능형 모터 컨트롤러(122)에 대한 구체적인 설명은 도 1 또는 도 2를 참조하여 상세히 설명될 수 있다.
감속기(300)는 크랭크 샤프트(140)의 체인을 통해 기계적으로 결합되어 회전하는 제 1 회전 부재(132)와 상기 캠 샤프트(150)와 기계적으로 결합되어 회전하는 제 2 회전 부재(134)를 포함한다. 이러한 감속기(300)는 때때로 Gear box, Cam Phase Converter, 차동 감속기 등으로 불릴 수도 있다.
제 1 및 제 2 회전 부재(132, 134)는 사전에 설정된 감속비(또는 기어비)로 기어 결합된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기술적 특징은 제 1 및 제 2 회전 부재(132, 134) 각각의 회전 속도를 모터에 장착된 하나의 센서(200)를 통해 감지함에 있는 것이지, 제 1 및 제 2 회전 부재(132, 134) 간의 기어 결합 구조(135)에 있는 것이 아니다. 따라서, 기어 결합 구조(135)에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.
감속기(300)는 가감속비(또는 기어비)에 따라 모터(124)로부터 전달받은 모터 토크(MT)와 크랭크 샤프트(140)의 체인(chain)을 통해 전달받은 크랭크 토크(Crank Torque: CT)를 가감한 출력 토크(ST)를 생성하고, 이를 캠 샤프트(150)로 전달한다.
캠 샤프트(150)는 감속기(300)로부터 전달받은 출력 토크(ST)에 따라 조정된 회전 위상으로 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍(valve timing)을 변화시킨다.
또한, 출력 토크(ST)에 따라 조정된 회전 위상의 값은 캠 샤프트(150)가 회전 또는 제 2 돌기(320)가 회전(예: 유한한 각도 범위 내에서 원주방향을 따라 호형을 그리면서 이동)하여 위치한 회전 위상과 동일하다.
도 2는 도 1에 도시된 지능형 모터 컨트롤러의 내부 구성을 보여주는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 지능형 모터 컨트롤러(122)는 모터(124)에 일체형(또는 내장형)으로 구현되어, 기존의 ECU(110)에서 수행하는 모터 듀티비 연산과 같은 모터 제어 연산을 수행한다. 이를 위해, 지능형 모터 컨트롤러(122)는 CAN 송수신기(122-1), 실제 위상 각(APA: Actual Phase Angle) 검출부(122-2), 감산기(122-3), 듀티값 산출부(122-5) 및 모터 구동부(122-7)를 포함한다.
CAN 송수신기(122-1)는 차량 내의 CAN 통신을 통해 ECU(110)로부터 목표 위상 각(TPA(θ))을 수신하고, 수신된 목표 위상 각(TPA(θ))을 감산기(122-3)로 출력한다.
APA 검출부(122-2)는 센서(200)로부터 수신된 감지신호에 대응한 출력 파형으로부터 크랭크 각 신호(CKP)와 캠 각 신호(CMP)로 분리하는 신호분리부(122-2a)와, 분리된 크랭크 각 신호(CKP)와 캠 각 신호(CMP)를 연산하여 또는 비교하여 실제 위상 각(APA(θ))을 검출하는 신호연산부(122-2b)로 이루어져 있다.
감산기(122-3)는 CAN 송수신기(122-1)로부터 제공받은 목표 위상 각(TPA(θ))과 상기 APA 검출부(122-2)로부터 제공받은 실제 위상 각(APA(θ)) 간의 위상 편차(Δθ)를 계산한다.
듀티값 산출부(122-5)는 감산기(122-3)로부터의 위상 편차(Δθ), 제어 단위 시간, 감속비(또는 기어비)를 이용하여 캠 샤프트(150)를 상대적 선행각(예: 진각) 또는 상대적 후행각(예: 지각)의 위상을 갖게 할 수 있도록, 캠 샤프트(150)의 출력 토크에 대한 가감 토크값을 설정하고, 설정된 가감 토크값에 대응하는 듀티값(DUTY)을 산출하여 이를 모터 구동부(122-7)로 전달한다.
여기서, 상기 모터(124)용 가감 토크값에 대한 설정은 아래의 수학식 1을 이용해 설정될 수 있다.
Figure 112015096313406-pat00001
여기서, Δθ는 캠 샤프트의 필요 위상 변화량이고, CT는 크랭크 토크, Z는 감속기의 감속비, MT는 모터 토크, ε는 전달효율(Transmission Efficiency)을 나타낸다.
모터 구동부(122-7)는 듀티값 산출부(122-5)로부터 전달받은 듀티값(MT)으로부터 상기 위상 편차(Δθ)에 대응하는 듀티비(duty ratio)를 계산하고, 계산된 듀티비에 대응하는 구동 전류를 생성한다.
생성된 구동 전류는 모터(124)로 출력되어 모터(124)의 회전 방향, 회전 속도 및 토크 중 적어도 하나를 제어한다.
한편, 지능형 모터 컨트롤러(122)는 오작동 또는 차량 사고 등에 의해서 ECU(110)의 작동 불량(fail), 엔진의 시동 정지 또는 과도하게 낮은 엔진 회전수 등과 같은 상황이 발생되어서, ECU(110)으로부터 목표 위상 각(TPA(θ))을 제공받지 못하는 상황이 되더라도, 스스로 위상 제어를 수행하도록 구성되어 있다.
즉, 지능형 모터 컨트롤러(122)는 ECU(110)로부터 목표 위상 각(TPA(θ))을 수신하지 못하는 경우, 실제 위상 각(APA(θ))만을 이용하여 결과적으로 구동 전류를 출력하거나, 실제 위상 각(APA(θ))을 디폴트 값으로 설정하여서, 상기 디폴트 값에 대응한 구동 전류를 출력하는 바와 같이 독립적으로 동작 가능하다.
도 3은 도 1에 도시된 선 A-A를 기준으로 모터와 마주보고 있는 감속기의 측면도이다.
도 3을 참조하면, 제 1 돌기(310)는 모터를 마주보는 제 1 회전 부재(132)의 측면에서 원주방향을 따라 이격 배치된다. 이들 제 1 돌기(310)들은 제 1 회전 부재(132)의 중심을 기준으로 이격 각도(예: 120도)를 유지하면서 다수로 배치되는 돌기 그룹(310a, 310b, 310c)의 개별 구성 요소이다. 상기 원주방향은 센서(200)가 감지하는 영역과 일치한다.
여기서, 제 1 돌기(310) 또는 돌기 그룹(310a, 310b, 310c)의 개수는 센서(200)의 정밀도에 대응하게 가감 될 수 있다.
또한, 돌기 그룹(310a, 310b, 310c) 중 어느 하나의 그룹 내에는 기준점 또는 크랭크 축에 결합된 피스톤의 상사점을 표시하기 위해 제 1 돌기(310) 들 중 1개 또는 2개가 생략될 수 있다. 예컨대, 도 3에서는 1개가 생략된 것으로 도시되어 있지만, 설계상 2개가 생략될 수도 있다. 이와 같이 돌기가 생략된 부분은 미싱투스(311)(Missing Tooth)라 한다. 즉, 센서(200)의 감지 영역이 감속기(300)의 회전 중 미싱투스(311)에 도달하게 되면, 센서(200)에서 유도되는 전압 파형이 왜곡되고, 이를 통해서, 지능형 모터 컨트롤러(122)가 상기 기준점 또는 상사점을 인식할 수 있게 된다.
미싱투스(311)가 본 실시예에서 사용되었지만, 다른 방안으로 제 1 돌기(310) 들의 간격이 등간격을 유지하다 기준점 또는 상사점에 해당하는 위치에서 비등간격으로 구성되더라도 동일한 인식 효과를 발휘할 수 도 있다.
또한, 제 1 회전 부재(132)는 돌기 그룹(310a, 310b, 310c)의 사이에 형성된 호형 슬롯(133)을 포함한다. 여기서, 호형 슬롯(133)은 모터를 마주보는 제 1 회전 부재(132)의 측면에서 상기 제 1 돌기(310)들이 배치된 것과 동일한 원주방향을 따라 배열 각도(예: 120도)를 유지하면서, 제 1 회전 부재(132)의 측면에 형성되어 있다.
특히, 제 2 돌기(320)는 호형 슬롯(133)의 구멍 길이 보다 짧은 길이를 가지며, 호형 슬롯(133)을 통해 노출되어서, 센서(200)에 의해 감지될 수 있으면서도 제 1 돌기(310)와 구별될 수 있는 형상으로 형성되어 있다.
이러한 제 2 돌기(320)는 호형 슬롯(133) 내에서 캠 샤프트의 회전 위상과 동일한 회전 위상을 갖는다. 즉, 각각의 제 2 돌기는 캠 샤프트와 동일한 회전 각도로 호형 슬롯(133)을 따라 이동한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치(100)에서는, 기존의 ECU에서 수행하는 연속 가변 밸브 타이밍 제어와 관련된 연산 부하가 모터(124)와 일체형(내장형)으로 설계된 지능형 모터 컨트롤러(122)쪽으로 분산됨으로써, ECU(110)에서의 연산 부하가 크게 감소될 수 있다. 또한, 하나의 센서(200)만을 사용하여 연산 처리 속도가 상대적으로 빠른 장점이 있다.
도 4는 도 1에 도시된 하나의 센서의 출력 파형도이고, 도 5는 도 4에 도시된 출력 파형도로부터 분리된 크랭크 각 신호의 파형도이고, 도 6은 도 4에 도시된 출력 파형도로부터 분리된 캠 각 신호의 파형도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 센서(200)로부터 수신된 감지신호는 크랭크 각 신호(CKP)의 성분과 캠 각 신호(CMP)의 성분이 시간에 따라 연속적 또는 반복적으로 출력되는 출력 파형에 해당할 수 있다. 여기서, 출력 파형의 가로축은 주파수를 의미하고, 세로축은 전압을 의미할 수 있다.
크랭크 각 신호(CKP)의 성분은 상대적으로 짧은 길이 또는 폭을 갖는 제 1 돌기(310)의 돌기 형상에 대응하여 상대적으로 주파수 폭이 좁은 주파수 파형에 해당한다.
캠 각 신호(CMP)의 성분은 제 1 돌기(310)보다 상대적으로 긴 호형 길이를 갖는 제 2 돌기(320)의 돌기 형상에 대응하여 상대적으로 주파수 폭이 길게 형성된 주파수 파형에 해당한다.
이처럼 하나의 출력 파형 내에서 크랭크 각 신호(CKP)의 성분과 캠 각 신호(CMP)의 성분이 구별될 수 있다.
따라서, 상기 도 2의 신호분리부(122-2a)는 상기 출력 파형으로부터 도 5에 도시된 크랭크 각 신호(CKP)에 상응하는 주파수 파형과, 도 6에 도시된 캠 각 신호(CMP)에 상응하는 주파수 파형을 분리할 수 있다.
이에 따라 신호연산부(122-2b)는 신호분리부(122-2a)에 의해 분리된 도 5의 주파수 파형과 같은 크랭크 각 신호(CKP)와 도 6의 주파수 파형과 같은 캠 각 신호(CMP)를 연산하여(또는 비교하여) 실제 위상 각(APA(θ))을 검출한다.
이하, 본 실시예에 따른 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 방법에 대하여 설명하고자 한다.
도 7은 도 1의 장치에 의해 구현되는 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 과정 110에서, 모터에 내장된(일체형으로 형성된) 지능형 모터 컨트롤러가 CAN 통신과 같은 차량 네트워크 통신으로 ECU로부터 목표 위상 각(TPA(θ))를 수신한다.
과정 S120에서, 모터에 부착된 하나의 센서는 크랭크 샤프트와 결합되어 회전하는 제 1 회전 부재에 마련된 제 1 돌기의 회전 속도를 감지하고, 제 1 회전 부재와 소정의 기어비로 기어 결합되어서 캠 샤프트와 결합되어 회전하는 제 2 회전 부재에 마련된 제 2 돌기의 회전 속도를 시계열적으로 감지하여 출력 파형 형태의 감지신호로 만든다. 또한, 지능형 모터 컨트롤러는 센서로부터 상기 감지신호를 수신한다.
과정 S130에서, 지능형 모터 컨트롤러의 신호분리부는 감지신호로부터 상기 제 1 돌기의 회전에 대응하는 크랭크 각 신호와 상기 제 2 돌기에 대응하는 캠 각 신호를 분리한다.
과정 S140에서, 지능형 모터 컨트롤러의 신호연산부는 분리된 크랭크 각 신호(CKP) 및 캠 각 신호(CMP)를 이용하여 실제 위상 각(APA(θ))을 검출한다. 여기서, 크랭크 각 신호(CKP) 및 캠 각 신호(CMP)를 이용하여 실제 위상 각(APA(θ))을 산출 또는 검출하는 방법은 연속 가변 밸브 타이밍 제어에서 일반화된 방법이므로, 본 실시예의 설명에서는 생략 가능하다. 또한, 실제 위상 각(APA(θ))은 감산기에 제공된다.
과정 S150에서, 지능형 모터 컨트롤러의 감산기는 검출된 실제 위상 각(APA(θ))과 기 설정된 목표 위상 각(TPA(θ)) 간의 위상 편차를 연산한다.
과정 S160에서, 지능형 모터 컨트롤러는 연산된 위상 편차에 기초해 모터의 모터 토크를 조정하기 위한 듀티값을 연산하고, 과정 S170에서, 지능형 모터 컨트롤러가 상기 연산된 듀티값에 대응하는 구동 전류를 생성한다.
과정 S180에서, 생성된 구동 전류는 모터로 출력되어, 모터의 모터 토크가 조정된다.
본 실시예에서 듀티값을 연산하는 과정은 CAN 통신 및 RS-485 통신 중 어느 하나의 디지털 직렬 통신을 통해 기 설정된 목표 위상 각(TPA(θ))을 제어부로부터 수신하는 과정(S110)과, 하나의 센서에 의해 검출된 크랭크 각 신호(CKP)와 캠 각 신호(CMP)를 이용하여 실제 위상 각(APA(θ))을 검출하는 과정(S120 ~ S140)과, 목표 위상 각(TPA(θ))과 실제 위상 각(TPA(θ)) 간의 위상 편차를 계산하는 과정(S150), 및 상기 계산된 위상 편차로부터 캠 샤프트의 출력 토크에 대한 가감 토크값을 설정하고, 설정된 가감 토크값에 대응하는 듀티값을 연산하는 과정(S160)을 포함하여 구현될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 내연기관의 크랭크 샤프트와 연동하여 회전하는 캠 샤프트의 상대 회전 위상을 모터와 감속기로 변화시켜 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍을 조정하는 장치에 있어서,
    상기 감속기를 향하는 상기 모터의 측면의 테두리에 설치되며, 상기 크랭크 샤프트와 결합되어 회전하는 제 1 회전 부재의 제 1 돌기의 회전 속도를 감지하며, 상기 제 1 회전 부재와 소정의 기어비로 기어 결합되어서 상기 캠 샤프트와 결합되어 회전하는 제 2 회전 부재의 제 2 돌기의 회전 속도를 감지하며, 상기 회전 속도에 상응하는 출력 파형 형태의 감지신호를 만들고, 상기 감지신호를 상기 모터에 결합된 지능형 모터 컨트롤러에 입력하는 1개의 센서; 및
    상기 센서로부터 상기 감지신호를 수신하여 상기 제 1 돌기의 회전에 대응하는 크랭크 각 신호와 상기 제 2 돌기에 대응하는 캠 각 신호를 분리하며, 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 비교하여 상기 흡기 밸브 또는 상기 배기 밸브의 실제 위상 각을 검출하고, 검출된 실제 위상 각과 기 설정된 목표 위상 각 간의 위상 편차를 연산하는 지능형 모터 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 제 1 돌기 및 상기 제 2 돌기는 상기 모터를 마주보는 상기 감속기의 측면의 원주방향을 따라 배열되어 있는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 돌기는,
    상기 모터를 마주보는 상기 제 1 회전 부재의 측면에서 상기 원주방향을 따라 이격 배치되어 돌기 그룹이 되며, 상기 돌기 그룹이 상기 제 1 회전 부재의 중심을 기준으로 이격 각도를 유지하면서 다수로 배치되는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 회전 부재는,
    상기 돌기 그룹의 사이에 형성된 호형 슬롯을 포함하는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 돌기는,
    상기 제 1 돌기보다 상대적으로 긴 호형 길이를 가지고 있고, 상기 캠 샤프트와 동일한 회전 각도로 상기 호형 슬롯을 따라 이동하는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 돌기는,
    상기 호형 슬롯의 구멍 길이 보다 짧은 길이를 가지며, 상기 호형 슬롯을 통해 노출되어 상기 센서에 의해 감지되는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지능형 모터 컨트롤러는,
    상기 감지신호에 대응한 출력 파형으로부터 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호로 분리하는 신호분리부와, 상기 분리된 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 연산하여 또는 비교하여 상기 실제 위상 각을 검출하는 신호연산부로 이루어진 APA 검출부를 포함하는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치.
  7. 내연기관의 크랭크 샤프트(crank shaft)와 연동하여 회전하는 캠 샤프트의 상대 회전 위상을 모터와 감속기로 변화시켜 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍(valve timing)을 조정하는 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 장치에 의한 밸브 타이밍 조정 방법에 있어서,
    상기 모터에 부착된 하나의 센서가 상기 크랭크 샤프트와 결합되어 회전하는 제 1 회전 부재에 마련된 제 1 돌기의 회전 속도를 감지하고, 상기 제 1 회전 부재와 소정의 기어비로 기어 결합되어서 상기 캠 샤프트와 결합되어 회전하는 제 2 회전 부재에 마련된 제 2 돌기의 회전 속도를 시계열적으로 감지하여 출력 파형 형태의 감지신호로 만들고, 상기 감지신호를 상기 모터에 결합된 지능형 모터 컨트롤러에 입력하는 과정;
    상기 지능형 모터 컨트롤러가 신호분리부를 통해 상기 감지신호로부터 상기 제 1 돌기의 회전에 대응하는 크랭크 각 신호와 상기 제 2 돌기에 대응하는 캠 각 신호를 분리하며, 신호연산부를 통해 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 비교하여 상기 흡기 밸브 또는 상기 배기 밸브의 실제 위상 각을 검출하고, 검출된 실제 위상 각과 기 설정된 목표 위상 각 간의 위상 편차를 연산하는 과정; 및
    상기 지능형 모터 컨트롤러가 연산된 상기 위상 편차에 기초해 상기 모터의 모터 토크를 조정하는 듀티값을 연산하는 과정;을 포함하는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 듀티값을 연산하는 과정은,
    CAN 통신 및 RS-485 통신 중 어느 하나의 디지털 직렬 통신을 통해 상기 기 설정된 목표 위상 각을 수신하는 과정과,
    상기 센서로부터의 상기 크랭크 각 신호와 상기 캠 각 신호를 이용하여 상기 실제 위상 각을 검출하는 과정과,
    상기 목표 위상 각과 상기 실제 위상 각 간의 상기 위상 편차를 계산하는 과정, 및
    상기 계산된 위상 편차로부터 상기 캠 샤프트의 출력 토크에 대한 가감 토크값을 설정하고, 상기 설정된 가감 토크값에 대응하는 듀티값을 연산하는 과정을 포함하는 것
    인 전자식 연속 가변 밸브 타이밍 조정 방법.
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