KR19990035938A - G교란 예측기를 갖는 제어장치, 그와 같은 제어장치에 의해제어되는 시스템, 그와 같은 제어장치에 의해제어되는 전기적 액츄에이터, 그와 같은 액츄에이터가제공되는 트로틀 장치 - Google Patents

G교란 예측기를 갖는 제어장치, 그와 같은 제어장치에 의해제어되는 시스템, 그와 같은 제어장치에 의해제어되는 전기적 액츄에이터, 그와 같은 액츄에이터가제공되는 트로틀 장치 Download PDF

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Abstract

시스템의 제 1 상태변수, 예컨데 내연 엔진에 사용되는 트로틀 장치내의 트로틀 밸브(7)의 회전각 Ø을 제어하기 위한 제어장치(75) 작동중 교란변수, 예컨데 트로틀 장치내의 공기 유동에 의해 야기되는 진동 부하 토크에 의해 영향을 받는 시스템. 제어 장치(75)는 시스템의 수학적 모델에 근거한 교란 변수의 값을 계산하기 위한 교란 관측기(125)와, 교란 관측기(125)에 의해 상기 교란 변수의 값이 계산되는 제 1 시점에 대해 선정된 시간 간격만큼 지체된 제 2 시점에서의 교란 변수의 값을 예측하는 교란 예측기(128)를 포함한다. 이와 같이, 교란 변수가 고주파수를 가질 경우에는, 시스템에 실제로 영향을 미치는 교란 변수와 시스템에 의해 감지되는 교란 변수에 대한 보상간의 상천이가 방해받는다. 특수한 실시예로서, 교란 예측기(128)는 학습 상태와 테스트 상태를 갖는 인공 신경 회로망(207)을 포함한다. 또 다른 실시예로서, 교란 예측기(128)는, 신경 회로망(207)이 학습 상태에 있는 경우에는 교란 관측기(125)에 의해 계산된 교란 변수의 값에 대응하는 신호를 제공하고, 신경 회로망(207)이 테스트 상태에 있을 때에는 제 2 시점에서 예측된 교란 변수의 값에 대응하는 신호를 제공한다.

Description

교란 예측기를 갖는 제어장치, 그와 같은 제어장치에 의해 제어되는 시스템, 그와 같은 제어장치에 의해 제어되는 전기적 액츄에이터, 그와 같은 액츄에이터가 제공되는 트로틀 장치
서두에서 언급된 종류의 제어 장치와 시스템은 Annals of the CIRP, Vol. 43, no.1, 1994에 게재된 H.Van Brussel의 논문 "Accurate Motion Controller Design Based on an Extended Pole Placement Method and a Disturbance Observer"에 나타난다. 공지된 제어 장치는 기계내의 구동 장치의 위치를 제어하는 동작 제어 장치이다. 상기 구동 장치의 위치는 작동중의 베어링과 같은 기계 표면의 마찰력과 점성력과 같은 내부 교란 변수와, 금속 제거 공정에서 발생하는 절단력과 같은 외부 교란 변수에 의해 영향 받는다.
그와 같은 교란 변수들을 측정하기란 매우 곤란하다. 공지의 제어 장치에 있어서 교란 관측기는 통상적으로 구동 장치와 기계의 수학적 모델에 기초한 교란 변수를 계산한다. 즉, 제어중인 물리적 시스템을 기술하는 1차 미분방정식에 기초하였다. 교란 관측기의 출력 신호는 공지된 제어 장치의 가합점에 공급되는 교란 변수의 계산값에 대응하는데, 상기 제어 장치는 교란 관측기의 상기 출력 신호와 피드백 제어 루프에 의해 공급되는 피드백 제어 신호를 제어 합산한다.
이와 마찬가지로, 패드백 제어 루프는 교란 변수 계산값과 계가 실제로 영향받은 교란 변수의 값 간의 편차를 보상해야 한다. 이로서 교란은 제어 장치에 의해 신속하게 보상된다.
공지된 제어장치 및 시스템의 결점은 제어 장치가 교란 관측기에 의해 계산된 교란 시점과 제어되는 시스템이 계산된 교란에 관한 보상을 실제로 감지하는 시점간의 시간 지체에서 기인하는, 비교적 고주파를 갖는 진동하는 교란에 대한 정확한 보상을 못한다는 것인데, 상기 시간지체는 제어 장치와 시스템에 의해 특징지워진다. 그 결과로서, 만약 진동하는 교란의 주파수가 시스템의 공진 주파수에 근사한 경우에는 시스템은 공진이 되기도 한다.
상기 시간 지체는 제어 장치의 특성에 의해서 결정될 뿐만 아니라 제어 장치에 의해 제어되는 시스템의 특성에 의해서도 결정되기 때문에, 공지된 제어 장치의 상기 결점은 제어 장치의 제어 루프로 회귀함으로써 회피될 수 없다.
본 발명은 작동중 교란 변수에 의해 영향을 받는 시스템의 제 1 상태 변수를 조절할 수 있는 제어 장치에 관한 것으로서, 시스템의 수학적 모델에 근거한 교란 변수를 계산하는 교란 관측기를 포함하며 교란 관측기는 측정할 수 있는 제 2 상태 변수에 대응하는 입력 신호를 수신하는 하나 이상의 인풋과, 계산된 교란 변수의 값에 대응하는 출력 신호를 공급하는 하나의 아웃풋을 포함하는 제어 장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은 작동중 교란 변수에 영향을 받는 시스템의 제 1 상태 변수의 값을 제어할 수 있는 제어 장치와, 최소한 시스템의 제 2 상태 변수의 값을 측정할 수 있는 측정 장치로 구성된 시스템에 관한 것이다.
또한 본 발명은 제 1 액츄에이터 바디와, 제 1 액츄에이터 바디에 대해 회전축을 중심으로 회전하는 제 2 액츄에이터 바디와, 제 2 액츄에이터 바디에 전자기 토크를 작용시키는 전기적 활성화 수단과, 제 2 액츄에이터 바디의 회전각을 제어하는 제어 장치를 포함하는 전기적 액츄에이터로서, 상기 제어 장치가 제 2 액츄에이터 바디의 필요 회전각에 대응하는 입력 신호를 수신하는 인풋과, 활성화 수단을 흐르는 필요 전류에 대응하는 출력 신호를 제공하는 아웃풋을 포함하는 전기적 액츄에이터에 관한 것이다.
또한 본 발명은 내연 엔진의 흡기구에 사용되는 트로틀 장치로서, 트로틀 밸브틀과, 상기 흡기구에 연결된 통풍관과, 상기 통풍관내에서 회전가능하도록 상기 트로틀 밸브에 저널링된 트로틀 밸브를 포함하는 트로틀 장치에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 트로틀 장치의 도식적 표현으로서, 트로틀 장치는 내연 엔진의 흡기구에 사용된다.
도 2a는 본 발명에 따른 비활성화 상태에 있는 전기적 액츄에이터의 단면도로서, 전기적 액츄에이터는 도 1 에 도시한 트로틀 장치에 적용된다.
도 2b는 도 2a의 전기적 액츄에이터의 활성화 상태의 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 제어 장치의 개략도이다. 제어 장치는 도 2 에 도시된 전기적 액츄에이터에 적용된다.
도 4a 는 엔진의 모터 운영 시스템에 필요한 전기적 액츄에이터의 회전각 대 시간의 프로파일이다.
도 4b 는 도 3 에 도시한 제어 장치의 프로파일 제너레이터에 의해 발생하는 회전각 대 시간의 프로파일이다.
도 4c 는 도 4b 에 도시한 회전각 대 시간의 프로파일에 대응하는 각가속도 대 시간의 프로파일이다.
도 5 는 도 3 에 도시한 제어 장치의 교란 관측기의 개략도이다.
도 6a 는 도 3 에 도시한 제어 장치의 교란 예측기의 개략도이다.
도 6b 는 도 6a 에 도시한 교란 예측기의 매개 뉴런의 1 단위의 개략도이다.
도 7 은 본 발명에 따른 제어 장치를 포함하는 제너레이터의 개략도이다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 공지된 제어 장치와 시스템의 결점을 회피하는 제어 장치와 시스템을 제공하는 것이며, 그러므로써 비교적 높은 주파수와 시스템의 공진 주파수에 근사한 주파수를 갖는 진동하는 교란은 제어 장치에 의해 정확하게 보상될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적에 의해 특징지어진 제어장치는 교란 관측기의 출력 신호는 교란예측기의 인풋에 입력되는데, 상기 교란예측기는 제 1 시점으로부터 선정된 시간 간격 만큼 지체된 제 2 시점에 대해 예측하는 교란 변수의 값에 대응하는 출력 신호를 공급하는 아웃풋을 갖고 있다. 본 발명에 따르면, 상기 목적에 의해 특징지어진 시스템에는 이 발명에 따른 제어 장치가 적용된다.
상기 선정된 시간 간격은, 교란 관측기에 의해 계산된 교란 변수의 값이 산출되는 제 1 시점과 제 1 시점에서 계산된 교란 변수에 대한 보상이 시스템에 실제로 감지되는 후시점 간에 발생하는 시간 지체에 대응되며, 상기 시간 지체는 제어 장치와 시스템의 특성에 의해 결정된다.
이와 같이, 교란 변수의 값은 제 1 시점에서 교란 예측기에 의해 예측되고 제 2 시점에서 시스템에 실제로 영향을 주는 교란 변수의 값에 대응된다. 그래서 제어 장치와 시스템의 시간 지체는 교란 예측기에 의해 보상받을 수 있다.
이와 같이, 시스템에서 실제로 인식하는 교란에 대한 보상은 실제로 시스템에 영향을 미치는 교란과 동상이다. 그래서 제어 장치는 비록 상대적으로 고주파수의 교란변수와 교란 변수가 시스템의 공진주파수에 근사한 주파수를 갖더라도 정확하게 보상할 수 있다. 본 발명에 따른 제어 장치의 한 양태는 교란 변수의 값으로 N(N≥4)을 저장할 수 있는 입력 메모리를 갖는 인공 신경 회로로 구성된 교란 예측기에 의해 특징지어진다. 이때 N 은 교란 예측기에 의해 계산되며, 시간의 경과에 따라 연속하는 숫자이며, 제 1 시점을 포함한다. M(M≥4)개의 매개 뉴론은 각각 N 개의 계산된 교란 변수 값의 경중을 표시한다. 그리고 출력 뉴론은 매개 뉴론이 표시하는 M 개의 가중치를 제공한다. 출력 뉴론의 상기 가중치는 제 2 시점에서 예측되는 교란 변수의 값에 대응된다. 인공 신경 회로는 제 1 시점을 포함한 N 개의 연속적인 수로된 인공 신경 회로는 교란 변수의 N 값에 근거한 제 2 시점에 대한 교란 변수의 값을 예측한다. 이 경우 교란 변수의 N 값은 제 1 시점을 포함하여 시간 경과에 따라 연속하고 교란 관측기에 의해 계산된다. 만약 N, M 이 충분히 크다면, 예컨대 10 또는 그 이상, 교란 변수가 복잡한 고조파의 성질을 갖더라도 교란 예측기는 교란 변수에 관해 매우 정확한 예측치를 제시할 수 있다.
본 발명에 따른 제어 장치의 실시예는 백 프로파게이션 회로망이 장착된 교란 예측기에 의해 특징지어진다. 상기 백 프로파게이션 회로망은 제 2 시점에서 예측되는 교란 변수의 값을 저장하기 위한 출력 메모리와, 제 2 시점에서 교란 관측기에 의해 계산된 교란 변수의 값과 제 2 시점에서 예측되는 교란 변수의 값 간의 편차를 결정하는 비교회로(comparator)를 포함한다. 상기 백프로파게이션 회로망은 상기 편차에 종속되는 가중 요소들을 계산하므로써 신경 회로망의 뉴런들을 트레이닝하기 위해 채택되었다.
신경 회로망의 뉴런들은 트레이닝된다. 즉, 뉴런들의 가중 요소들은, 예를 들면, 제 2 시점에서 교란 관측기에 의해 계산된 교란 변수의 값과 제 2 시점에서 신경 회로망에 의해 예측되는 교란 변수의 값간의 편차에 근거하는 경사 탐색 방법(Gradient Search Mathod)으로 계산된다. 이와 같이, 뉴론들의 가중요소는 주파수 또는 진폭과 같은 교란 변수들의 성질이 변할때 채택된다.
교란 예측기는 교란 변수의 성질이 변할 경우에도 교란 변수의 값을 정확하게 예측할 수 있는 자기 학습식의 견고한 시스템이다.
본 발명에 따른 제어 장치의 다른 실시예는 제 2 시점을 포함하여 시간 경과에 따라 연속되는 K(K≥1)개의 포인트에 의해 연속되는 K 개의 교란 변수의 값들을 제공하는, K개의 출력 뉴론들로 구성된 신경 회로망으로 특징지워진다. 백프로파게이션 회로망은 분리된 출력 메모리와, 각각의 출력 메모리들을 비교하는 비교 회로로 구성된다. 백프로파게이션 회로망은 K개의 비교회로에 의해 결정되는 K개의 편차에 종속하는 신경 회로망의 뉴런들의 트레이닝에 채택된다.
제어 장치의 상기 실시예에 있어서, 신경 회로망의 뉴론들은 시간의 경과에 따른 K 개의 연속적 포인트와 상기 K개의 포인트에 대한 교란 관측기에 의해 계산되는 K 개의 교란 변수의 값 간의 K개의 편차에 근거하여 트레인된다. 만약 K가 충분히 크다면, 뉴런들은 효과적으로 트레이닝 받을 수 있다. 그리하여 뉴런들을 트레이닝 하기 위한 필요한 시간 지체가 최소화될 수 있다.
본 발명에 따른 제어 장치의 또 다른 실시예는, 편차가 선정된 경계를 이탈할 경우에만 뉴런들의 트레이닝을 위해 백프로파게이션 회로망이 채택되도록 하는 것을 특징으로 한다. 이 제어 장치의 양태에서, 신경 회로망에 의해 예측된 교란 변수의 값은 계속적으로 교란 관측기에 의해 계산된 대응되는 교란 변수의 값과 비교가 된다. 상기 선정된 경계에 의해 뉴론들의 트레이닝에 필요한 시간 간격이 결정되는데, 상대적으로 작은 값을 갖는 상기 경계는 상대적으로 긴 트레이닝 시간과 교란 변수에 관한 매우 정확한 예측으로 귀결되고, 상대적으로 큰 값을 갖는 상기 경계는 상대적으로 짧은 트레이닝 시간과 교란 변수에 관한 덜 정확한 예측으로 귀결된다.
본 발명에 따른 제어 장치의 또 다른 실시예는, 교란 관측기에서 발생하는 출력 신호를 수신하는 제 1 인풋과, 제 2 시점에서 예측된 교란 변수의 값에 대응하는 가중치를 수신하는 제 2 인풋과, 만약 편차가 선정된 경계를 이탈한다면 교란 관측기에 출력 신호를 공급하고 만약 편차가 선정된 경계내라면 상기 가중치에 대응하는 신호를 공급하는 교란 예측기의 아웃풋과 연결된 아웃풋을 갖는 스위치로 구성되어 있다.
만약 편차가 상기 경계내라면, 교란 예측기는 신경 회로망으로부터 예측되는 교란 변수의 값에 대응하는 신호를 제공한다. 만약 편차가 상기 경계내라면, 신경 회로망은 학습 상태에 있고 또한 제어 장치의 안정성을 교란시킬 수 있는 출력 신호를 제공한다. 스위치의 아웃풋은, 신경 회로망이 학습상태에 있을 때 교란 관측기의 아웃풋에 연결되어 있으므로, 예측기의 아웃풋은 교란 관측기에 의해 계산되는 교란 변수의 값에 대응하는 신호를 공급한다.
이와 마찬가지로, 신경 회로망이 학습 상태에 있을 때 신경 회로망으로부터 공급되는 신호를 예측기의 아웃풋이 공급하는 것은 방지될 수 있다.
상술한 전기적 액츄에이터와 트로틀 장치는 WO95/34903으로 알려져 있다. 공지된 트로틀 장치는 차량의 내연 엔진의 공기 흡입구에 사용되고, 또한 가속페달의 수단으로 차량의 드라이버에 적용된다. 공지의 액츄에이터는 트로틀 밸브에 적합한 전자기 토크를 발생시킴으로써 트로틀 장치의 트로틀 밸브를 액츄에이팅시킨다. 가속 패달은 트로틀 장치의 트로틀 밸브와 기계적으로 결합되 있지 아니하며, 트로틀 장치의 공기 통로내에 있는 트로틀 밸브의 필요적 회전각에 대응하는 전기적 신호를 수신하는 전기적 인풋이 장착된 전기적 액츄에이터와 결합되어 있다.
상기 전기적 신호는, 예컨대, 내연 엔진의 연료 공급 시스템과 점화 시스템을 제어하는 전자 모터 운영 시스템에 의해 제공된다. 트로틀 장치의 공기 통로에 있는 트로틀 밸브의 회전각은 모터 운영 시스템에 의해 조정되는데, 이는 가속 페달의 위치의 함수일 뿐만 아니라, 공기 흡입구의 압력 및 온도의 함수도 된다. 이와 같은 구성에 의해서 내연 엔진의 연료의 소비량과 배기 가스의 조성이 개선된다.
작동중에 있어서, 공지의 트로틀 장치의 트로틀 밸브와 공지의 전기적 액츄에이터의 제 2 액츄에이터 바디는 주로 공기의 흐름에 따른 진동 및 소음에 의해 야기되는 요동ㆍ교란 부하들에 의해 영향받는다.
나아가서, 트로틀 밸브와 제 2 액츄에이터 바디는 교란 부하에 의해 영향을 받는데, 상기 교란 부하는 트로틀 밸브의 베어링에서 발생하는 마찰력과 제 1 액츄에이터 바디로부터 제 2 액츄에이터 바디에 작용하는 정자기력(magnetostatic forces)에 의해 야기된다.
상기 교란 부하는 교란 변수를 구성하는데, 상기 교란 변수는 트로틀 밸브의 회전각에 영향을 미치고 측정하기 매우 곤란하다.
상기 공기 유동에 의한 진동과 소음은 엔진의 동작원리에 의해 야기되는데, 특히, 엔진의 연소실의 흡입 밸브들이 작동중에 주기적으로 개폐되는 사실에 기인한다.
상기 진동의 주파수는 엔진의 속도에 비례한다. 상기 공기 흐름에 의한 진동은 공기 통로에 있는 트로틀 밸브의 예기치 않은 회전 진동을 야기시키는데, 상기 회전 진동은 트로틀 밸브의 베어링을 마모시킬 뿐 아니라 공기 통로에 있는 트로틀 밸브의 회전각을 부정확하게 하고 자주 엔진의 연소실에 유입되는 공기의 흐름을 부정확하게 만든다.
본 발명에 따르면, 전기적 액츄에이터는 제어 장치가 적용된 것을 특징으로 하며, 상기 제어 장치는 본 발명에 따른다.
본 발명에 따르면, 트로틀 장치는 전기적 액츄에이터가 적용된 것을 특징으로 하며, 상기 전기적 액츄에이터는 본 발명에 따른다. 전기적 액츄에이터의 제어 장치의 교란 관측기와 교란 예측기는 트로틀 밸브에 작용하는 교란 부하를 예측할 때 사용된다.
이와 같이하면 전기적 액츄에이터는 보상 전자기 토크를 트로틀 밸브에 작용시키는데, 상기 트로틀 밸브는 실제로 트로틀 밸브에 작용되는 교란 부하와 동상이 된다. 그리하여 제어 장치는 교란 부하의 상대적으로 높은 주파수에서도 정확한 보상을 할 수 있다. 상대적으로 높은 엔진 속도, 심지어 트로틀 장치의 공진 주파수에 근접하는 주파수를 가진 교란 부하가 그 예가 될 것이다.
본 발명에 따른 전기적 액츄에이터의 또 다른 실시예는, 필요한 회전각에 대응되는 입력 신호를 수신하는 인풋과 제 2 액츄에이터 바디에 작용하는 필요한 전자기 토크에 대응하는 신호를 제공하는 아웃풋을 포함하는 제 1 제어 요소와, 필요한 전자기 토크에 대응되는 신호를 수신하는 인풋과 필요한 전류에 대응되는 출력 신호를 공급하는 아웃풋을 포함하는 제 2 제어 요소로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 제어 요소는 교란 관측기와 교란 예측기를 포함하여, 상기 교란 관측기는 제 2 액츄에이터 바디에 작용하는 부하 토크를 계산한다.
상기 실시예에 있어서 액츄에이터의 제어 장치에는 소위 케스케이드 제어 구조가 제공되는데, 여기서 제 1 제어 요소는 액츄에이터의 기계적 성질과, 교란 예측기에 의해 예측되는 필요한 전자기 토크를 계산 교란 부하 토크를 고려하여, 제 2 제어 요소는 액츄에이터의 전자기적 성질을 고려하여 필요한 전류를 계산한다.
한편으로는 액츄에이터의 기계적 성질과 부하 토크가, 다른 한편으로는 액츄에이터의 전자기적 성질이 각각 별도로 고려되기 때문에, 액츄에이터의 이와 같은 성질들에 대한 지식은 상대적으로 구체적이고 세밀한 요소이다. 따라서 제 1 제어 요소와 제 2 제어 요소와 계산은 상대적으로 정확하고 그 양자간의 협동은 매우 효과적이다. 이는 필요한 회전이 완료되기 전에 제어 요소들에 의해 수행되어야 하는 반복적인 계산의 수를 제한한다.
본 발명에 따른 전기적 액츄에이터는, 필요한 전자기 토크에 대응하는 신호를 제공하는 아웃풋과, 필요한 회전각에 대응하는 입력 신호에 의해 결정되는 피드 포워드 제어 신호를 수신하는 제 1 인풋과, 필요한 회전각에 대응하는 입력 신호와 회전각 센서에 의해 제공되는 측정된 제 2 액츄에이터 바디의 회전각에 대응하는 피드백 제어 신호를 수신하는 제 2 인풋과, 교란 예측기의 출력 신호를 수신하는 제 3 인풋을 포함하는 가산기(adder)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 피드 포와드 제어 신호와 피드백 제어 신호를 합산함으로써 신속하고 정확한 계산과 필요한 전자기 토크의 제어가 가능하다.
교란 예측기의 출력 신호를 피드 포와드 제어 신호와 피드백 제어 신호에 가산을 하면 교란 부하 토크의 보상을 위해 필요한 전자기 토크의 구성 요소를 포함하기 위한 제어 장치의 피드백 제어 루프에서 피드백 제어 신호를 계산할 필요가 없게 된다. 이로써 피드백 제어 루프의 필요한 수렴시간과 제어 장치의 응답시간은 개선된다.
본 발명에 따른 전기적 액츄에이터의 또 다른 실시예는 필요한 전류에 대응하는 신호를 수신하는 제 1 인풋과, 활성화 수단으로 측정된 전류에 대응하고 또한 전류 센서에 의해 제공되는 신호를 수신하는 제 2 인풋과, 측정된 전류에 대응하는 신호와 필요한 전류에 대응하는 신호간의 차에 비례하는 차동 신호를 제공하는 아웃풋을 포함하는 비교 회로를 포함하는 제어 장치에 특징이 있으며, 나아가 제어 장치는 활성화 수단에 공급되는 전류에 대응하는 신호를 공급하는 조정기를 포함한다.
상기 비교 회로, 상기 전류 센서, 상기 조정기는 제어 장치의 전자 제어 루프에 속해 있다.
특히 조정기는 상기 차동 신호가 영으로 동조되도록 활성화 수단에 공급되는 전류에 대응하는 신호를 결정한다. 그리하여 활성화 수단에 의해 계측된 전류는 제어 장치에 의해 결정된 필요 전류와 같게 된다.
본 발명에 따른 전기적 액츄에이터의 또 다른 실시예는 계측된 전류에 대응하는 신호를 수신하는 인풋을 포함하는 교란 관측기에 그 특징이 있는데, 상기 교란 관측기는 회전각과 제 2 액츄에이터 바디의 각 속도와 액츄에이터에 대한 3 개의 상태 방정식에 근거한 부하 토크를 계산한다. 신호는 제어 장치의 전류 제어 루프에 사용되는 전류 센서에 의해 공급되는 계측된 전류에 대응한다.
제어 장치가 전류 제어 루프를 포함하므로, 액츄에이터의 활성화 수단을 통하는 전류값은 전류 제어 루프에 의해 부과되나, 활성화 수단에 인가된 전압을 통해 부과되지는 않는다. 활성화 수단을 흐르는 전류의 값은 전류 제어 루프에 의해 지시받는다. 그리하여 액츄에이터의 수학적 모델은 교란 관측기가 통상 인가된 전압에 관한 함수로서의 전류에 대한 미분방정식을 불필요하게 만든다는 것을 강조한다.
상술한 이유로 인해 수학적 모델은 단지 세개의 상태 방정식으로 구성되며, 교란 관측기는 상대적으로 단순하고 온라인 계산에 적합하다.
본 발명에 따른 전기적 액츄에이터의 또 다른 실시예는 계측된 회전각에 대응하는 신호를 수신하는 인풋과, 계측된 회전각과 계산된 회전각간의 편차를 결정하는 비교 회로와, 계산된 회전각과 계산된 각속도와 상기 편차에 비례하는 값에 의해 계산된 부하 토크를 수정하는 가산기를 포함하는 교란 관측기를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 실시예에 따르면 교란 관측기에 의해 계산되고, 교란 관측기를 강조하는 수학적 모델에 내재된 부정확성에 의해 야기되는 회전각 값과 각속도 값과 부하 토크값에 나타난 부정확성을 피드백 루프로 수정할 수 있다. 수정된 회전각은 계산된 회전각과 상기 편차의 결과와 제 1 가중 요소의 총화이고, 수정된 각속도는 계산된 각 속도와 상기 편차의 결과와 제 2 가중 요소의 총화이고, 수정된 부하 토크는 계산된 부하 토크와 상기 편차의 결과와 제 3 가중요소의 총화이다.
제 1, 제 2, 제 3 의 가중 요소들은 소위 극 배치 방법(pole-palcement method)에 의해 결정된다.
본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세하게 후술하겠다.
도 1 에 도시한 발명에 따른 트로틀 장치는 통풍관(3)과 플랜지(5)를 갖는 트로틀 밸브틀(1)을 포함하는데 트로틀 장치가 도시되지 않은 통풍구 또는 내연 엔진의 다지관에 연결되도록 한다. 트로틀 장치는 또한 통풍관(3)에 직교하여 확장되는 샤프트(9)에 장착된 디스크형의 트로틀 밸브를 포함한다. 트로틀 밸브(7)가 통풍관(3)에서 회전가능하도록, 샤프트(9)는 트로틀 밸브틀(1)에 있는 플랜지(5)내에 회전 가능하게 져널링되어 있다. 트로틀 밸브(7)가 회전하면, 통풍구(3)가 열리고 내연 엔진의 연소실로 유입되는 공기가 교환된다. 트로틀 밸브(7)는 전기적 액츄에이터(11)로 인해 통풍관(3)내에서 회전 가능한데, 전기적 액츄에이터(11)는 트로틀 밸브틀(1)의 액츄에이터틀(15)에 장착된 제 1 액츄에이터 바디와 샤프트(9)에 장착된 제 2 액츄에이터 바디(17)로 구성되어 있다. 도 2a 와 도 2b 에는, 제 2 액츄에이터 바디(17)는 반자성을 띄고 N 극과 S 극을 갖는 영구자화된 실린더형 회전자(19)로 구성된 제 2 액츄에이터 바디(17)가 도시되어 있다.
제 1 액츄에이터 바디(13)는 소결된 철이나, 적층된 자화철과 같이 높은 투자율을 갖는 물질로 제조된 ∪형 고정자(21)로 구성되었다.
∪형 고정자(21)는 베이스(27)에 의해 상호 연결된 두개의 림브(23, 25)로 구성되었다.
전기적 액츄에이터(11)는 베이스(27)에 의해 지원받는 전기 코일(31)을 갖는 활성화 수단(29)으로 구성되어 있다.
고정자(21)의 복수의 림브(23, 25)에는 각각 폴슈(33, 35)가 준비되어 있고, 복수의 상기 폴슈(33, 35)는 각각 만곡면(37, 39)을 갖는다. 도 2a, 도 2s 에서 도시한 바와 같이, 복수의 폴슈(33, 35)의 만곡면(37, 39)은 영구자화된 회전자(19)에 둘러쌓여 있다. 만곡면(37) 표면(37, 39)는 회전자(19)와 복수의 폴슈(33, 35) 사이의 에어갭(41, 43)을 정의한다. 나아가 제 1 갭(45)와 제 2 갭(47)은 복수의 폴슈(33, 35) 사이에 있고, 제 1 슬롯(49)은 폴슈(33)의 중심에 위치해 있고, 제 2 슬롯(39)도 폴슈(35)의 중심부에 위치해 있다.
좌측표면(37)은 제 1 표면부(53)와 제 2 표면부(55)로 나뉘어졌으며, 우측 표면(39)도 제 1 표면부(57)와 제 2 표면부(59)로 나뉘어졌다. 마찬가지로 좌측 에어갭(41)은 제 1 에어갭부(61)와 제 2 에어갭부(63)로 나뉘어졌고, 우측 에어갭(43)은 제 1 에어갭부(65)와 제 2 에어갭부(67)로 나뉘어진다.
도 2a 와 도 2b에서 도시했듯이, 축방향에 직교되며 마주하는 에어갭부(61, 67)간의 간격은, 다른 에어갭부(63, 65)간의 간격에 비해 작다. 에어갭부의 간격(61, 67)이 다른 에어갭부(63, 65)간의 간격에 비해 작기 때문에 정자기 토크 TMS는 제 1 액츄에이터 바디(18)로부터 제 2 액츄에이터 바디(17)로 작용하여, 제 2 액츄에이터(17)가 도 2a 에 도시한 바와 같이 전기 코일(31)이 활성화되지 않은 휴면상태(recetposition)에 이르게 한다.
전기 코일(31)이 활성화되면, 전자기 토크 TEM이 제 2 액츄에이터 바디(17)에 작용하고, 제 2 액츄에이터 바디(17)는 도 2a 에 도시한 휴면상태로부터 휴면위치에 대한 회전각 Ø로 특징되는 도 2b 에 도시한 위치로 회전한다. 만약 트로틀 밸브(7)에 작용하는 외력이 존재하지 않는다면, 전자기 토크 TEM은 도 2b 에 도시한 정자기 토크 TMS의 영향으로 휴면상태로 복귀한다. 도 2b 에 도시한 위치에 있는 회전각 Ø의 값은 전기코일(31)에 흐르는 전류의 값에 의해 결정되고 상술한 바와 같이 코일(31)에 흐르는 전류의 변화에 따라 변화한다.
도 2a 에 도시된 전기적 액츄에이터(11)의 휴면위치는 제 2 액츄에이터 바디(17)의 트로틀 밸브(7)의 위치에 정확히 대응되지는 않으며, 그 곳에서 제 2 액츄에이터 바디에 작용하는 정자기 토크 TMS는 영이 된다.
도 1 에서 도시한 바와 같이, 트로틀 장치는 억제 장치(71)을 포함하여, 제 2 액츄에이터 바디(17)는 코일(31)이 활성화되지 않을 때에는 억제 장치(71)와 마주보는 위치에 있는 캠(73)을 포함한다. 캠(73)이 억제 장치(71)에 마주보는 위치에 있는 제 2 액츄에이터 바디(17)의 휴면 위치가 정자기 토크 TMS가 영속때의 제 2 액츄에이터 바디(17)의 위치와 미소한 차이를 보이므로 캠(73)은 정자기 토크 TMS.Ø의 영향하에 억제장치(71)과 마주한다.
도 1 에 도시한 바와 같이, 이 위치는 통풍관(3)내의 트로틀 밸브(7)가 소위 말하는 림프 홈 위치에 있는 것에 대응된다. 상기 위치는 통풍관(3)의 틈새가 최소로 되는 트로틀 밸브(7)내의, 소위 말하는 아이들링 위치와 미소한 차이가 있다. 트로틀 밸브(7)의 림프 홈 위치에서, 예컨데, 트로틀 장치에 공급되는 전기적 에너지가 중단되는 경우, 통풍관의 틈새를 통해서 공기가 내연 엔진의 연소실로 유입된다. 따라서 트로틀 밸브(7)가 림프홈 위치에 있을 때 통풍관(3)을 통해 유입되는 공기는 조정될 수 있다. 따라서 엔진의 긴급 조작은 가능해진다. 억제 장치(71)는 기계적으로 조정될 수 있다. 따라서 트로틀 밸브(7)가 림프 홈 위치에 있을 때 통풍관(3)을 통해 유입되는 공기는 조정될 수 있다.
아이들링 위치와 풀 트로틀 위치를 포함하여 트로틀 밸브(7)의 여타 모든 위치에서, 통풍관(3)의 틈새는 코일(31)에 공급되는 전류에 대해서 최소값과 최대값을 갖는다.
도 1 에서 도시한 바와 같이, 트로틀 밸브(7)의 회전각 Ø 를 이용하는 전기 제어 장치(75)를 포함하는 전기적 액츄에이터(11)는 도 1은, 조정 가능한 트로틀 밸브(7)의 회전각 Ø에 따른 전기 제어 장치(75)를 포함하는 전기적 액츄에이터(11)를 도시한 것이다.
도 3 은 제어 장치(75)를 도안화한 도면이다. 상기 제어 장치(75)는, 제 2 액츄에이터 바디(17)와 트로틀 밸브(7)의 필요한 회전각 Ø에 대응하는 전기적 신호 UØ를 수신하는 전기적 인풋(77)과, 액츄에이터(11)의 활성화 수단(29)을 흐르는 전류를 결정하는 전기적 신호 Uc를 공급하는 전기적 아웃풋(79)을 포함한다. 신호 UØ는 내연 엔진의 모터 운영 시스템에 의해 제공되는데, 상기 시스템은 도시되지 않았다. 모터 운영 시스템은 신호 UØ의 값을 결정하는데, 운전자에 의해 조작되는 가속 페달의 위치에 대한 함수일 뿐만 아니라, 엔진의 알피엠, 흡입된 공기의 압력과 온도, 엔진의 온도 등과 같은 매개 변수의 함수이기도 한다. 나아가 모터 운영 시스템은 엔진의 최초 시동 이후에 있어서 엔진의 아이들링 스피드를 제어한다. 따라서 통상의 에어 바이패스 시스템은 불필요하다. 또한 모터 운영 시스템은 엔진의 연료 주입 장치와 점화 장치를 제어한다.
이와 같이 엔진의 연료 주입 장치와 점화 장치와 트로틀 장치의 조작은 상호 조절되므로, 엔진의 조작과 연료 소비량과 배기 가스의 구성이 개선된다.
도 3 은 또한, 제 1 제어요소(81)와 제 2 제어요소(83)을 포함하는 제어 장치(75)를 보여준다. 제 1 제어요소(81)는 제어장치(75)의 전기적 인풋(77)과, 제 2 액츄에이터 바디(17)에 작용하는 전자기 토크 TEM에 대응하여 전기적 신호 UEM을 공급하는 전기적 아웃풋(85)를 포함한다.
제 2 제어 요소(83)는 제 1 제어 요소(81)로부터 나오는 신호 UEM을 수신하는 전기적 인풋(87)과, 활성화 수단(29)을 흐르는 전류에 대응하는 전기적 신호 UI를 공급하는 전기적 아웃풋(88)을 포함한다.
도 3 에서 도시한 바와 같이, 제 1 제어 요소는 신호 UØ를 수신하는 제 1 전기적 인풋(91)을 갖는 프로파일 제너레이터(89)와, 제 2 액츄에이터 바디(17)과 트로틀 밸브(7)의 계측된 회전각에 대응한 전기적 신호 UØØ를 수신하는 제 2 전기적 인풋(93)을 포함한다.
신호 UØØ는 통상적인 고주파 필터(97)를 통해서 트로틀 장치의 회전각 센서(95)에 의해 제공된다. 도 1 에서 보듯이 회전각 센서(95)는 섀프트(9)의 단부 부근에 위치한 트로틀 밸브틀(1)에 마운팅되어 있는데, 상기 섀프트(95) 전기적 액츄에이터(11)로부터 원격되어 있다. 프로파일 제너레이터(89)는 계측된 실제 회전각 ØM으로부터 필요한 회전각 ØR까지 연장되어 있는 회전각 대 시간 프로파일을 발생시킨다. 도 4a 는 시간 t0에서 필요한 회전각이 ØM에서 ØR로 불연속적인 변화를 할때, 모터 운영 시스템에 필요한 회전각 대 시간 프로파일의 일예이다. 그와 같은 프로파일은 전기적 액츄에이터(11)에 의해 인식되지 않는데, 그 이유는 필요한 전자기 토크가 무한히 크기 때문이다. 도 4b 는, 시간 t0와 t1에서 회전막이 연속적으로 ØM에서 ØR로 변할때, 프로파일 제너레이터(89)에 의해 생산되는 회전각 대 시간 프로파일을 도시한 것이다. 도 4c 는 도 4b에 도시한 회전각 대 시간 프로파일에 대응하는 각 가속도 대 시간 프로파일을 도시한 것이다. 프로파일 제너레이터(89)는 피드 포와드 제어 신호 UFF를 제공하기 위한 제 1 전기적 아웃풋(99)을 포함하는데, 상기 피드포와드 제어 신호 UFF는 각 가속도 대 시간 프로파일에 따라 필요한 각 가속도와 트로틀 장치의 회전부의 관성 모멘트의 결과이다. 따라서 신호 UFF는 상기 각 가속도를 인식하는데 필요한 전자기 토크 성분에대응한다. 또한 프로파일 제너레이터(89)는 프로파일 제너레이터(89)에 의해 생산되는 회전각 대 시간 프로파일에 대응하는 전기적 기준 신호 UØR을 공급하는 제 2 전기적 아웃풋(101)을 포함한다. 이와 같이, 모터 운영 시스템에 의해 공급되는 신호 UØ의 즉시적이고, 불연속적인 변화는 프로파일 제너레이터(89)에 의해 피드포와드 제어 신호 UFF와 기준 신호 UØR의 프로파일로 전환 가능한데, 이는 전기적 액츄에이터(11)의 다이나믹한 성질의 관점에서 뿐만 아니라, 액츄에이터(11)의 제어 가능성의 관점에서도 타당하다.
도 3 는 신호 UØØ을 수신하기 위한 제 1 전기적 인풋(105)과 기준 신호 UØR을 수신하기 위한 제 2 전기적 인풋(107)을 갖는 비교 회로(103)를 포함하는 제 1 제어 요소(81)를 도시한 것이다.
비교회로(103)은 신호 UØØ와 UØR간의 차에 비례하여 차동 신호 UDØ를 공급하는 전기적 아웃풋(109)를 포함한다. 차동 신호 UDØ는 피아이디 조정기(113)의 전기적 인풋(111)에 공급되는데, 상기 피아이디 조정기(113)은 피드백 제어 신호 UFB를 공급하는 전기적 아웃풋(115)을 포함한다.
피드 포와드 제어 신호 UFF와 피드백 제어 신호 UFB는 각각 제 1 (제 1 제어 요소(81)의 전기적 가산기(121)에 포함된) 전기적 인풋(117)과 제 2 전기적 인풋(119)에 공급된다.
도 3 에 도시한 바와 같이, 가산기(121)는 전기적 신호 UPLT를 수신하기 위한 제 3 전기적 인풋(123)을 포함하는데, 상기 전기적 신호 UPLT는 트로틀 밸브(7)와 제 2 액츄에이터 바디(17)에 작용하는 예측된 부하 토크 TLP에 대응한다.
작동중에, 트로틀 밸브(7)와 제 2 액츄에이터 바디(17)는 상술한 전자기 토크 TEM과 정자기 토크 TMS뿐만 아니라 섀프트(9)의 베어링 마찰에서 기인된 토크와 통풍관(3)을 지나는 공기 유동에 의해 트로틀 밸브(7)에 작용하는 토크와 같은 다른 토크에 의해서도 영향을 받는다.
트로틀 장치는 제 1 차 상태 변수로 기술되는 시스템을 구성한다. 즉, 상기 상태 변수는 교란 변수에 의해 영향받는 트로틀 밸브(7)의 회전막 Ø와 정자기 토크 TMS, 마찰력에 의한 토크, 공기 유동에 의한 토크를 포함하는 부하 토크이다.
상기 제 1 차 상태 변수의 값은 전기적 액츄에이터(11)의 전자기 토크 TEM을 조절하는 제어 장치(75)에 의해 제어된다.
상기 제어 장치(75)는, 제 2 액츄에이터 바디(17)와 트로틀 밸브(7)에 작용하는 부하 토크와 같은 교란 변수를 계산하기 위한 교란 관측기를 포함한다. 상기 교란 관측기는 트로틀 장치와 전기적 액츄에이터(11)의 수학적 모델에 근거하여 교란 변수를 계산한다.
후에 상술할 교란 관측기(125)는 부하 토크의 값에 대응하는 전기적 신호 UCLT를 공급하는 전기적 아웃풋(126)을 포함하는데, 상기 부하 토크의 값은 제 1 시점에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된다.
상기 신호 UCLT는 교란 관측기(128)의 전기적 인풋(127)에 제공된다. 후에 상술한 교란 예측기(128)는, 제 2 시점에서의 부하 토크 값에 대응하는 신호 UPLT를 공급하는 전기적 아웃풋(129)를 포함하는데, 상기 제 2 시점은 선정된 시간 간격만큼 제 1 시점에 지체된다. 교란 예측기(128)을 사용하는 이유는 후술하기로 한다.
가산기(121)는 전기적 신호를 공급하는 전기적 아웃풋(131)을 포함하는데, 상기 전기적 아웃풋은 제 2 액츄에이팅 바디(17)에 작용하는 전자기 토크에 대응하는 전기적 신호를 공급한다.
신호 UEM은 신호 UFF, UFB그리고 UPLT의 산술적 합이다. 이와 같이, 필요한 전자기 토크 TEM은 트로틀 밸브(7)의 각 가속도를 인식하는데 필요한 전자기 토크 요소와, 예측된 부하 토크를 보상하기 위해 필요한 전자기 토크 요소와, 신호 UFB에 의해 대표되는 피드백 전자기 토크 요소의 합이다. 피 아이디 조절기(113)는 차동 신호 UDØ가 영이 되도록 신호 UFB를 결정한다. 그래서 측정된 트로틀 밸브(7)의 회전각이 프로파일 제너레이터(89)에 의해 생산되는 회전각 대 시간 프로파일에 일치할 수 있다.
통상 비교 회로(103)는 신호 UØØ와 피아이디 조절기(113)에 의한 신호 UFB의 제어는 매우 안정적이므로 통상적인 와인드업 효과와 다이나믹 오버슈트는 발생하지 않는다. 더욱이, 피 아이디 조절기(113)에 의한 신호의 제어는 가산기(121)의 사용 결과 만큼 신속하다. 신호 UFF와 신호 UPLT가 신호 UFB에 가산되므로, 피 아이디 조절기(113)는 트로틀 밸브(7)의 각 가속도를 인식하는데 필요한 전자기 토크 성분과 예측된 부하 토크에 대한 보상에 필요한 전자기 토크 성분을 계산할 필요가 없다. 피드백 제어 루프내 피 아이디 조절기에 의한 전자기 토크 성분의 계산은 콘트롤러 샘플링 시간(Controller Sampling times)이 필요하다. 전자기 토크 TMS와 회전각 Ø는 비선형적이며, 따라서 제어 장치(75)의 응답시간은 나빠지며 피 아이디 제어기의 불안정성은 증대된다. 가산기(121)를 이용하여 피 아이디 제어기(113)은 예측되는 부하 토크와, 트로틀 밸브(7) 및 제 2 액츄에이터 바디(17)에 실제로 영향을 주는 격하 토크간의 비교적 작은 편차를 계산한다. 따라서 제어 장치(75)의 응답 시간과 정확도는 개선이 된다.
도 1 은 신호 UEM의 진폭을 제한하기 위해 마련된 전기적 리미터(electrical limiter)(113)를 포함하는 제 1 제어 요소(81)를 도시한 것이다. 상기 전기적 리미터(113)는 신호 UEM이 선정된 제한값을 초과할 때 작용한다. 상기 제한값은 전자기 토크가 제 2 액츄에이터 바디(17)과 트로틀 밸브(7)에 작용하는 경우, 선정된 최대 토크값을 초과하지 아니하는 범위내인 것을 기준으로 하여 결정된다. 이로부터 전기적 액츄에이터(11)의 기계적 손상 또는 작동불량은 물론 활성화 수단(29)의 과열도 방지할 수 있다. 가산기(121)에 의해 제공되는 신호 UEM이 상기 선정된 제한 값을 초과할 경우에는, 신호 UEM의 값은 리미터(133)의 상기 제한값에 맞추어진다.
도 3 에서 도시한 바와 같이, 제어 장치(75)의 제 2 제어 요소(83)는 제 2 제어 요소(83)의 인풋(87)으로부터의 신호 UEM을 수신하기 위한 제 1 전기적 인풋(137)이 장착된 전기적 메모리(135)와, 회전각 센서(95)로부터의 신호 UØØ를 수신하기 위한 제 2 전기적 인풋(139)과, 활성화 수단(29)의 전기적 코일(31)을 흐르는 전류에 대응하는 전기적 신호 UI를 공급하기 위한 전기적 아웃풋(141)을 포함한다. 전자기 토크 TEM의 값은 제 2 액츄에이터 바디(17)의 회전각과 코일(31)에 흐르는 전류값에 의존한다. 전기적 토크 TEM과 코일(31)을 흐르는 전류의 회전각 Ø 간의 관계는 제 1 액츄에이터 바디(13)와 제 2 액츄에이터 바디(17)와 활성화 수단(29)의 구조와 조성에 의존한다. 상기 관계는 메모리(135)의 테이블형에서 계산, 측정, 저장된다. 이와 같이, 측정된 회전각이 수반하는 필요한 전자기 토크를 얻기 위해 필요한 전류값은, 중대한 지연이 없이 정확하고 단순하게 메모리(135)로부터 읽혀진다. 통상적인 계산기에 전류의 계산은 상당한 시간이 요구된다는 것은 주목할 만한 것이다. 더욱이, 전자기 토크, 회전각과 전류간의 관계는 비선형적이다. 메모리(135)를 사용하므로써, 가산기(121)와 결합된 피 아이디 조절기에 의하여 얻어지는 제어장치(75)의 짧은 응답 시간은 제 2 제어요소(83)에 의해 변형되지 않는다.
제어장치(75)는 제 2 제어요소(83)의 아웃풋(88)로부터 발신되는 신호 UI를 수신하기 위한 제 1 전기적 인풋(145)를 갖는 비교 회로(143)와, 활성화 수단(29)을 흐르는 측정된 전류에 대응하는 전기적 신호 UI를 수신하기 위한 제 2 전기적 인풋(147)과,
신호 UI과 신호 UII간의 차이에 비례하는 차동 신호 UDI를 공급하기 위한 전기적 아웃풋(149)를 포함한다.
신호 UII는 통상적인 고주파 필터(153)을 이용한 전류 센서에 의해 공급된다. 전류 센서(151)는 전기적 액츄에이터(11)의 파워 엔드 스테이지(Power End Stage)(155)에 의해 활성화 수단으로 공급되는 전류를 측정한다.
도 3 에서는, 전류 센서(151)와 파워 앤드 스테이지(155)를 도안적으로 도시하였다. 더욱이, 제어장치(75)는 차동 신호 UDI를 수신하는 전기적 인풋(159)를 갖는 피 아이 조절기(157)와 전기적 신호 UI'를 공급하는 전기적 아웃풋(161)을 포함하는데, 상기 전기적 신호 UI' 는 파워 엔드 스테이지(155)를 이용하는 활성화 수단(29)에 공급되는 전류에 대응한다. 피 아이 조절기(157)는 차동 신호 UDI가 영이 되게끔 신호 UI'을 결정한다. 따라서 파워 앤드 스테이지(155)로부터 활성화 수단(29)으로 공급되는 측정된 전류는 제 2 제어 요소(83)에 의해 결정되는 필요한 전류와 동일해진다.
도 3 은 또한 배터리와 같이 일정한 전압으로 유지되는 전기적 액츄에이터(11)의 파워 앤드 스테이지(155)를 도시한다. 파워 앤드 스테이지(155)는 NPN-트랜지스터를 포함하는데, 즉, 두개의 상측 트랜지스터(163, 165)와 두개의 하측 트랜지스터(167, 169)와 두개의 전기적 인버터(171, 173)를 갖는다.
트랜지스터(163, 165)와 인버터(171, 173)은 통상적인 브리지 배열로 상호 연결되어 있다. 트랜지스터(163, 165, 167, 169)는 제어 장치(75)의 펄스폭 변조기(175)에 의해 드리븐되는데 상기 펄스폭 변조기(175)는 피 아이 조절기(157)로부터 공급되는 신호 UI'를 수신하는 제 1 전기적 인풋(177)과, 전류센서(151)로부터 공급되는 신호 UII를 수신하는 제 2 전기적 인풋(179)을 포함한다. 펄스폭 변조기(175)의 제 1 전기적 아웃풋(181)은 하측 트랜지스터(167)의 베이스에 접속되어 있으며, 인버터(171)을 통해 상측 트랜지스터(163)에 접속되어 있다. 또 펄스폭 변조기(175)의 제 2 전기적 아웃풋(183)은 하측 트랜지스터(169)의 베이스에 접속되어 있으며, 인버터(173)을 통해 상측 트랜지스터(165)의 베이스에 접속되어 있다. 상기 UI'은 펄스폭 변조기(175)에 의해 수렴되어 펄스폭 변조기(173)의 제 1 전기적 아웃풋(181)과 제 2 전기적 아웃푹(183)에서 각각 상보적인 펄스 구동 신호 UC와 -UC로 된다.
구동 신호 UC와 -UC의 극성과 무관하게, 활성화 수단(29)에 흐르는 전류가 일방으로만 흐르게 하려면 하측 트랜지스터(167)과 상측 트랜지스터(165)는 모두 개방되어야 하고, 활성화 수단(29)에 흐르는 전류가 반대 방향으로 흐르게 하려면 하측 트랜지스터(169)와 상측 트랜지스터(163)은 개방되어야 한다.
또한, 펄스폭 변조기(175)는 전기적 리미터를 포함하는데, 상기 전기적 리미터는 전류 센서에 의해 공급되는 신호 UII가 선정된 한계치를 초과할 때 구동 펄스 신호 UC와 -UC의 폭을 제한한다. 이와 같이, 코일(31)을 흐르는 전류의 펄스폭은 활성화 수단(29)의 열적 성질의 관점에서 적합한 값에 의해 제한된다. 따라서 활성화 수단(29)와 전기적 액츄에이터(11)의 과열을 야기시킬 수 있는, 코일(31)에 흐르는 과전류는 회피될 수 있다.
상술한 제어 장치(75)는 소위 케스케이드 제어 구조를 갖고 있는데, 이에 의해서 필요한 회전각에 대응하는 신호 UØ는 필요한 회전각에 대응하는 신호로 수렴되고, 필요한 각 가속도에 대응하는 신호는 필요한 전자기 토크에 대응하는 신호 UEM으로 수렴되며, 필요한 전자기 토크에 대응되는 신호 UEM은 활성화 수단(29)을 흐르는 필요한 전류에 대응하는 신호 UI로 수렴된다.
상술한 바와 같이, 제 1 제어 요소(81)과 제 2 제어 요소(83)을 갖는 케스케이드 제어구조는 전기적 액츄에이터(11)의 기계적 성질과 교란 예측기(128)에 의해 예측되는 교란 부하 토크를 고려한 필요한 전자기 토크 TEM과, 액츄에이터(11)의 전자기적 성질을 고려한 필요한 전류의 계산을 수행할 수 있다. 상기 케스케이드 제어 구조는 종래의 제어 구조에 비해 제어 장치(75)의 응답 시간을 단축시키는데, 종래의 제어 구조는 필요한 전류를 계산함에 있어서, 매개 제어 단계(intermediate control steps)를 거의 갖추지 못한 피드백 제어 루프에 의해 반복적으로 계산하는 방식을 따랐다.
상기 종래의 제어 구조는 수많은 반복 계산이 요구되며, 따라서 반응 시간이 길어진다. 특히 필요한 전류와 회전각 간의 관계가 비선형적일 경우는 더욱이 그러하다.
상술한 바와 같이, 교란 관측기(125)는 트로틀 장치와 전기적 액츄에이터(11)의 수학적 모델에 근거하여, 제 2 액츄에이터 바디(17)과 트로틀 밸브(7)에 작용하는 부하 토크를 계산할 수 있다. 따라서 부하 토크의 난해하고 신뢰할 수 없는 측정은 회피될 수 있다. 교란 관측기(125)의 수학적 모델은 이하와 같은 세개의 1 계 미분 방정식에 근거한다.
수학식(1)은 트로틀 밸브(7)와 제 2 액츄에이터 바디(17)에 대한 운동 방정식이다. 여기서 J 는 트로틀 장치의 회전식의 관성 모멘트이고, ω 는 트로틀 장치의 회전부의 각속도이고, K(Ø)ㆍIACT는 제 2 액츄에이터 바디(17)에 작용하는 전자기 토크 TEM인데 여기서 K(Ø)와 IACT는 각각 회전각 Ø에 종속하는 요소와 활성화 수단(29)을 흐르는 전류고, TL9Ab는 트로틀 밸브(7)와 제 2 액츄에이터 바디(17)에 작용하는 부하 토크이다.
식(2)은 트로틀 밸브(7)의 각 속도 ω 와 회전각 Ø간의 관계를 나타냈다. 활성화 수단(29)을 흐르는 식(3)은 부하 토크에 관한 가정으로서, 부하 토크는 일정함을 나타낸다. 전류 IACT의 값은 제어장치(75)의 피 아이 조절기(157)에 의해 결정되며, 피딩된 전기적 액츄에이터(11)의 파워 엔드 스테이지(155)에 인가되는 전압에 의해 결정되지 않기 때문에, 교란 관측기(125)의 수학적 모델은 활성화 수단(29)을 흐르는 전류와 활성화 수단(29)에 인식되는 전압간의 관계를 기술하는 제 4 의 미분 방정식을 필요로 하지 않는다. 도 3 에서 도시한 바와 같이, 교란 관측기(125)는, 전류 센서(151)로부터 공급되며, 활성화 수단(29)을 흐르는 측정된 전류에 대응하는 신호 UII를 수신하는 제 1 전기적 인풋(185)를 갖고 있다.
교란 관측기(125)는 입력 신호 UII와 세개의 미분방정식 [1], [2], 그리고 [3]에 근거해서 회전각 Ø, 각속도 ω, 그리고 부하 토크 TLOAb를 계산한다. 교란 관측기(125)의 수학적 모델은 단지 3 개의 1 계 미본 방정식으로 구성되는데, 이에 의해 교란 관측기(125)는 단순하고 컴퓨터 계산에 적합해진다.
행렬식으로 표시하면, 식 [1], [2] 그리고 [5]은 다음과 같다 :
나아가, 교란 관측기(125)는 이하와 같이 근사할 수 있다 :
여기서 ØK+1과 ωK+1은 각각 제 k+1 시점에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 회전각과 각속도이고; Øk1과 ωK+1은 각각 제 k+1 시점에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 회전각, 각속도, 그리고 부하 토크이고; T 는 제 k 시점과 제 k+1 시점 간의 시간 간격이다. 상기 근사치에 의해 행렬 식[1], [2], 그리고 [3]은 다음과 같이 표시할 수 있다.
여기서
벡터 XR와 XR+1은 제 k 시점과 제 k+1 시점에서의 상태 벡터이고, 행렬 Ф는 시스템 행렬이고, 행렬 H 는 입력 행렬이다.
식 [1], [2], 그리고 [3]은 교란 관측기(125)에서 컴퓨터 프로그램의 형태로 수행된다.
도 5 는 교란 관측기(125)에 관한 컴퓨터 프로그램을 나타내는 블록도이다. 상술한 바와 같이, 교란 관측기(125)는 활성화 수단(29)을 통과하는 측정된 전류 IACT에 대응하는 신호 UII를 수신하기 위한 제 1 전기적 인풋(185)을 포함한다. 또 교란 관측기(125)는 측정된 회전각에 대응하는 신호 UØØ를 수신하기 위한 제 2 전기적 인풋(87)을 포함한다.
교란 관측기(125)에 의해 사용되는 신호 UØØ에 관해서는 후술하겠다.
도 5 에서 도시한 바와 같이, 교란 관측기(125)는 제 1 블록(189)를 포함하는데, 제 1 블록은 K(Ø)의 평균값을 대표하는 K를 IACT값에 곱하는 기능을 한다. 선택적으로, 블록(189)은 K(Ø)와 Ø 간의 관계를 포함하는데, 이 경우 블록(189)는 입력 신호 UØØ를 수신하는 인풋(191)을 포함한다.
도 5 에서, 선택적 인풋(191)은 점선으로 표시되었다. 교란 관측기(125)는 K.IACT또는 K(Ø) IACT값을 입력 행렬 H 에 곱해주는 제 2 블록(193)을 포함하므로, 블록(193)의 출력은 Hㆍk(Ø)IACT가 된다. 교란 관측기(125)는 벡터 Hㆍk(Ø)ㆍIACT와 후술하는 벡터 XCORP를 가산하는 제 3 블록(195)을 포함하는데, 제 3 블록(195)의 출력은 새로운 상태 벡터 XK+1도 표시할 수 있다. 교란 관측기(125)는 이에 포함된 아웃풋(126)에 새로운 상태 벡터 XK+1의 성분 TLOAD K+1을 제공하는 제 4 블록(197)을 포함한다. 제 4 블록(197)은 상태 벡터 Xk+1을 제 5 블록(199)에 제공하는데, 제 5 블록(199)은 시스템 행렬 ФㆍXk값으로 대표된다.
상술한 바와 같이, 교란 관측기(125)는 회전각 Ø, 각속도 ω, 그리고 부하 토크 TLOAD값을 식 [1], [2] 그리고 [3]을 근거로해서 계산한다.
회전각 Ø의 값은 회전각 센서(95)에 의해 측정되므로, 측정된 회전각의 값은 교란 관측기(125)의 수학적 모델에 내재된 부정확성과 식 [1], [2] 그리고 [3]의 근사치에 내재된 부정확성을 수정한다. 이와 같은 목적으로, 교란 관측기(125)는 입력 신호 UØØ에 의해 대표되는 회전각의 측정치와, 제 4 블록(197)로부터 제공되는 회전각의 측정치 Øk+1을 비교하기 위한 제 6 블록(201)을 포함한다. 상기 회전각의 측정치와 상기 회전각 간의 편차에 대응하는 블록 제 6 블록의 출력값 △Ø는 제 7 블록(203)에 제공되는데, 상기 제 7 블록(203)은 △Ø 값을 수정 행렬 L에 곱하는 기능을 한다. 수정 행렬 L 은 회전각의 측정치와, 각속도의 측정치와, 부하 토크의 측정치를 수정하기 위한 제 1 가중 요소 L1과, 제 2 가중요소 L2와, 제 3 가중요소 L3를 포함한다. 상기 가중요소들은 소위 극 배치 방법(pole-placement method)에 의해 결정된다. 제 7 블록(203)의 출력 벡터 Lㆍ△Ø는 교란 관측기(125)의 제 8 블록(205)으로 제공되는데, 상기 제 8 블록(205)은 벡터 ФㆍXb를 제 7 블록(203)의 출력 벡터 Lㆍ△Ø에 합산하는 기능을 한다. 이와 같이, 제 8 블록(205)의 출력 벡터 XCORP는 다음과 같다 :
여기서
따라서, 새로운 상태 벡터 Xk+1은 다음과 같다 :
상술한 바와 같이, 교란 관측기(125)는 제 1 시점에서 교란 관측기(125)에 의해 계산되는 부하 토크의 값에 대응하는 전기적 신호 UCLT를 공급한다. 만약 제어장치(75)가 교란 예측기(128)을 갖지 않는다면, 부하 토크의 측정치를 보정하기 위해서, 전기적 액츄에이터(11)는 제어장치(73)의 제 1 제어요소(81)과 제 2 제어요소(83)에 의해 프로세스되는 전기적 신호 UCLT는 전자기 토크 요소로 전화시킨다. 제어 장치(75)가 신호 UCLT를 프로세싱하기 위해 필요한 시간과 전기적 액츄에이터(11)가 부하 토크의 측정치를 보정하기 위한 전자기 토크 성분을 발생시키기 위해 필요한 시간이 존재하므로, 교란 관측기(125)가 부하 토크를 계산하는 제 1 시점과, 전기적 액츄에이터(11)가 제 1 시점에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크를 보정하기 위한 전자기 토크 성분을 실제로 감지하는 이후 시점간에 시간 지체가 발생한다.
만약 부하 토크가 상대적으로 높은 주파수를 갖는 진동 부하 토크라면, 진동 부하 토크와, 교란 관측기(125)에 의해 계산되는 부하 토크를 보정하기 위한 전자기 토크 성분간에는 상대적으로 큰 위상천이가 발생한다. 따라서 진동 부하 토크는 전기적 액츄에이터(11)에 의해 정확한 보상을 받을 수 없다. 만약 진동 부하 토크가 제 1 시점과 상기 이후 시점 간의 상이 시간지체와 동일한 시간 주기를 갖는다면, 트로틀 밸브(7)는 공진될 수 있다. 본 발명에 따른 트로틀 장치에서, 상대적으로 높은 주파수를 갖는 상기 진동 부하 토크는 공기 유동에 따른 진동과, 특히 작동중 엔진의 연소실의 흡기 밸브가 주기적으로 개폐하는 사실과 같은 내연기관의 작동원리에 기인한 소음으로부터 발생한다. 상기 공기 유동에 따른 진동은 통풍관(3)내의 트로틀 밸브(7)의 진동 회전 운동을 야기시킨다.
상술한 바와 같이, 제어 장치(75)의 교란 예측기(128)는, 제 2 시점에서 예측되는 부하 토크 값에 상응하는 출력 신호를 제공하는데, 상기 제 2 시점은 선정된 시간 간격 만큼 제 1 시점으로부터 지체되어 설정된 시점을 말한다.
상기 선정된 시간 간격은, 교란 관측기(125)가 부하 토크의 값을 계산하는 제 1 시점과, 제어 장치(75)가 교란 예측기(128)을 포함하지 않는 경우 전기적 액츄에이터(11)가 제 1 시점에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크를 보정하기 위한 전자기 토크 성분을 실제로 인식하는 상기 이후 시점간의 시간 지체에 대응한다. 이와 같이, 교란 예측기(128)는 상기 시간 지체에 대응하는 선정된 시간 간격으로 교란 예측기(128)의 입력 신호 UCLT에 선행하는 출력 신호 UPLT를 제공하므로써 상기 시간 지체를 보상할 수 있다.
교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크를 보상하는 전자기 토크 성분은 트로틀 밸브(7)와 제 2 액츄에이터 바디(17)에 작용하는 부하 토크와 실제로 동상이 된다. 따라서 전기적 액츄에이터(11)는 부하 토크의 주파수가 높은 때에도 부하 토크를 정확히 보상해준다. 부하 토크의 주파수가 높은 경우란, 예컨대, 내연 엔진의 알. 피. 엠이 높은 경우가 될 것이다.
도 6 에 도시한 바와 같이, 교란 예측기(128)는 컴퓨터 프로그램의 형태로 교란 예측기(128)내에서 수행되는 인공 신경 회로망(207)을 포함한다. 도 6 은, 교란 예측기(128)를 상기 컴퓨터 프로그램을 대표하는 블록으로 구성한 블록도이다. 신경 회로망(207)은 부하 토크의 11 개 값을 저장하기 위한 Z0, Z-1, ..., Z-10의 11 개의 메모리를 갖는 입력 메모리(209)를 포함하는데, 상기 부하 토크의 11개 값은 최초 시점 t0를 포함하여 시간 경과에 따라 상응하는 11 개의 연속수로써 교란 관측기(125)에 의해 계산된다. 최초 시점 t0에서, 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크의 최종값은 메모리 위치 Z0에 저장되고, 부하 토크의 이전 값은 순차적으로 다음 메모리 위치 Z-1, Z-2,..., Z-10에 저장된다. 신경 회로망(207)은 11 개의 매개 뉴런(213)의 띠(211)를 포함한다. 각각의 매개 뉴런(213)은 입력 메모리(209)의 부하 토크의 11 개 값을 받는다. 입력 메모리(209)와 매개 뉴런(213)간의 연결은 도 6a 에 표시된 것과 같이, 도면의 단순화를 위해 실선(215)로 표시하였다. 도 6b 에는 매개 뉴런(213)의 일단위를 도안화한 도면이다. 도 6b 에서 도시한 바와 같이, 매개 뉴런(213)은 가중 요소에 의해 계산된 부하 토크의 U 개의 값을 곱하기 위한 11 개의 블록 W0, W1, ..., W10과, 블록 W0, W1, ..., W10에 의해 제공되는 11 개의 값을 가산하기 위한 가산기(217)를 포함한다. 이와 같이 각각의 매개 뉴런(213)의 가산기의 출력값 ε 은 계산된 부하 토크의 11 개 값에 대한 가중치에 대응한다. 상기 출력값 ε은 출력 지그마 함수(jigmoid function)를 포함하는 매개 뉴런(213)의 블럭(219)에 의해 프로세싱된다. 도 6a 에서 도시한 바와 같이, 교란 예측기(128)의 신경 회로망(207)은 5 개의 출력 뉴런(223, 225, 227, 229, 231)의 띠(221)을 포함한다. 출력 뉴런(223, 225, 227, 229, 231)은 각각 도 6b 에 도시한 것과 같은 매개뉴런(213)의 구조에 유사한 구조를 갖고 있다.
각각의 출력 뉴런(223, 225, 227, 229, 231)은 11 개의 매개 뉴런(213)으로부터 제공된 11 개의 가충치 ε'을 받는다. 11 개의 매개 뉴런(213)과 5 개의 출력 뉴런(223, 225, 227, 229)의 연결은 도 6a 에 도시한 바와 같이 실선(233)으로 표시하였다. 도 6a 에 도시한 바와 같이, 출력 뉴런(223)은 매개 뉴런(213)의 11 개의 가중치 ε' 중의 제 1 가중치 ζ1을 제공하여, 출력 뉴런(225, 227, 229, 231)은 매개 뉴런(213)의 11 개의 가중치 ε' 중의 제 2 가중치 ζ2, 제 3 가중치 ζ3, 제 4 가중치 ζ4, 제 5 가중치 ζ5를 각각 제공한다. 후술한 바와 같이, 시점 t1= t0+ △t 에서 예측되는 부하토크의 값에 대응하는 제 5 가중치 ζ5, 시점 t2= t0+ 2△t 에서 예측되는 부하 토크의 값에 대응하는 제 4 가중치 ζ4, 시점 t3= t0+ 3△t 에서 예측되는 부하 토크의 값에 대응하는 제 3 가중치 ζ2, 시점 t4=t0+ 4△t 에서 예측되는 부하토크의 값에 대응하는 제 2 가중치, 시점 t5= t0+ 5△t 에서 예측되는 부하 토크의 값에 대응하는 제 1 가중치 ζ1가 있는데, 상기 시점 t5는 상기 제 2 시점에 대응되고, 시간 5ㆍ△t 는 제 1 시점과 제 2 시점 간의 선정된 시간 간격에 대응한다.
도 6a 는, 상술한 신경 회로망(207)의 매개뉴런(213)과 출력 뉴런(223, 225, 227, 229, 231)을 트레이닝시키기 위해 채택된 소위 백 프로파게이션 회로망(235)이 구비된 교란 예측기(128)를 도시한 도면이다. 백 프로파게이션 회로망(235)은 5 개의 메모리(237, 239, 241, 243, 245)와 5 개의 비교 회로(247, 249, 251, 253, 255)를 포함한다. ζ1값은 저장하기 위해 사용되는 메모리(237)은 제 2 시점 t5= t0+ 5△t 에서 5ㆍ△t 의 시간 동안 예측되는 부하 토크에 대응한다.
계속하여, 제 2 시점 t5에서, 비교 회로(247)는 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크의 값과 ζ1값간의 변차를 결정한다. 마찬가지로, 메모리 249, 251, 253, 그리고 255 는 각각 ζ2값과 시점 t4에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크 값간의 편차 δ2와, ζ3값과 시점 t3에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크 값간의 편차 δ3와, ζ4값과 시점 t2에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크값 간의 편차 δ4와, ζ5값과 시점 t1에서 교란 관측기 (125)에 의해 계산된 부하 토크값 간의 편차 δ5를 결정한다. 편차 δ1, δ2, δ3, δ4그리고 δ5는 신경 회로망(207)의 매개 뉴런(213)과 출력 뉴런 223, 225, 227, 229 그리고 231 은 트레이닝시킨다. 즉, 뉴런 213, 223, 225, 227, 229 그리고 231 의 가중요소는 경사 탐색방법(gradient search method)에 따라 상기 편차에 의존하여 재계산한다.
이와 같이, 뉴런 213, 223, 225, 227, 229 그리고 231 은 편차 δ1, δ2, δ3, δ4그리고 δ5가 최소화되도록 트레이닝된다. 따라서, 제 1 시점에서 ζ1, ζ2, ζ3, ζ4그리고 ζ5값은, 각각의 시간 간격 5ㆍ△t, 4ㆍ△t, 3ㆍ△t, 2ㆍ△t, 그리고 △t 로 제 1 시점에 대해 지체된 한 시점에서 교란 관측기(125)에 의해 계산된 부하 토크값이 대응하는데, 시간 간격 5ㆍ△t 는 제 1 시점과 제 2 시점간 선정된 시간 간격에 대응한다.
도 6a 에 도시한 교란 예측기 128 에서, 뉴론 213, 223, 225, 227, 229 그리고 231 은 편차 δ1, δ2, δ3, δ4그리고 δ5중 적어도 하나가 선정된 경계를 이탈할 경우에만 트레이닝된다. 상기 경우에, 신경 회로망(207)은 소위 학습 상태에 있다고 한다. 만약 편차 δ1, δ2, δ3, δ4그리고 δ5가 상기 선정된 경계내라면, 뉴런 213, 223, 225, 227, 그리고 231 의 가중 요소는 일정하여 또한 신경 회로망(207)은 소위 테스트 상태에 있다고 한다. 작동중, 신경 회로망(207)이 테스트 상태로부터 학습 상태로 천이하면, 주파수 또는 진폭과 같은 부하 토크의 성질은 변하게 된다. 이와 같이, 교란 예측기(128)는 자가 학습식의 강력한 시스템으로서, 부하 토크의 성질이 변할 경우에도 부하 토크의 값을 정확히 예측할 수 있다. 도 6a 에서 도시한 바와 같이, 교란 예측기(128)는 교란 관측기(125)의 출력 신호 UCLT를 수신하기 위한 교란 예측기(128)의 인풋(127)에 직접 연결된 제 1 인풋(259)과, 제 2 시점에서 예측된 부하 토크 값이 대응하는 출력 뉴런(223)의 가중치 ζ1을 수신하는 제 2 인풋(261)과,
교란 예측기(128)의 아웃풋(129)에 연결된 아웃풋(263)을 갖는 블록(257)을 포함한다. 블록(257)은 스위칭 기능과 비교회로 247, 249, 251, 253 그리고 255 와의 전달 수단을 갖고 있다. 만약 비교회로 247, 249, 251, 253 그리고 255 에 의해 결정되는 편차 δ1, δ2, δ3, δ4그리고 δ5가 선정된 경계 범위내이고 신경 회로망(207)이 테스트 상태라면, 스위칭 기능 블록(257)의 아웃풋(263)은 예측된 값 ζ1에 대응하는 출력 신호 UPLT를 제공하고, 반면에, 신경 회로망(207)이 학습상태에 있다면 스위칭 기능 블록(257)의 아웃풋(263)은 교란 관측기(125)의 출력 신호 UCLT에 대응하는 출력 신호 UCLT를 제공한다. 신경 회로망(207)이 학습 상태에 있을 때, 신경 회로망은 제 2 시점에서 작용하는 부하 토크 값으로부터 현저하게 벗어난 값 ζ1을 생산한다. 따라서 트로틀 장치의 안정성은 방해받는다. 신경 회로망(207)이 학습 상태에 있을 때에는 스위칭 기능 블록(257)의 아웃풋(263)은 교란 예측기(128)의 인풋(127)에 직접 연결되므로, 교란 예측기(128)이 신경 회로망(207)의 학습 상태에서 상기 편차 값 ζ1에 대응하는 출력 신호를 공급하는 것이 방해된다.
본 발명에 따른 전기적 액츄에이터가 다른 장치에도 선택적으로 적용된다는 사실은 주목할 만한 것인데, 여기서 섀프트의 각위(anqular position)은 일정 또는 가변의 기준각에 맞추어져야 한다. 예컨데, 전기적 액츄에이터는 화학공장과 파워스테이션의 타력 제어 밸브(servo-actuated valves)와 비행기 제어 표면을 편향시키는데 이용된다. 액츄에이터는 트랜스미션이 없는 소위 프라임 액츄에이터로 사용될 수 있는데, 이 경우 액츄에이터는 변위될 바디를 직접 구동한다. 상술한 반영의 일태양으로서, 또는 회전 운동을 다른 형태의 회전 운동이나 직선 운동으로 전환시키는 트랜스미션과 결합하므로써 전기적 액츄에이터에 의해 바디의 선형적 위치를 정확하게 제어될 수 있다.
상술한 전기적 액츄에이터(11)에서, 제 1 액츄에이터 바디(13)는 제 2 액츄에이터 바디(17)에 정자기 토크를 작용시키며, 상기 정자기 토크는 제 1 액츄에이터 바디(13)에 대하여 갖는 제 2 액츄에이터 바디의 상대적 회전각에 의존한다. 본 발명은 또한 제 1 액츄에이터 바디와, 상기 제 1 액츄에이터 바디에 대하여 제한된 회전각으로 상대 회전을 하는 제 2 액츄에이터 바디와, 제 2 액츄에이터 바디에 전자기 토크를 작용하기 위한 활성화 수단과, 상기 회전각을 제어하기 위한 제어 장치를 갖는 다른 타입의 전기적 액츄에이터와도 관련이 있다. 예컨데 액츄에이터 바디에 기계적 스프링 토크를 작용시키기 위한 기계적 토션 스프링을 갖출 수 있다.
상기 경우, 교란 관측기(125)는 상기 기계적 스프링의 토크를 고려하는 전기적 액츄에이터의 변형된 수학적 모델에 근거하였다.
상술한 바와 같이, 제어 장치(75)의 교란 예측기(128)은 제 2 시점에서의 부하 토크의 값을 예측하는 인공 신경 회로망(207)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 제어 장치(75)의 교란 예측기(128)은 또한 다른 종류의 프로세서를 포함하기도 한다. 상기의 선택적 프로세서의 일례는, 소위 멀티플 메모리 루프(multiple memory loop)가 있다. 그와 같은 메모리 루프는 다수의 메모리 위치를 포함하며, 또한 사기 메모리 루프는 교란 예측기로 사용된다. 제 1 시점을 포함하여 연속적으로 가산하는 방법으로 교란 관측기에 의해 계산된 진동 교란 변수값 또는 부하 토크값은 메모리 루프에 저장된다. 선정된 주기적 특징에 따라, 메모리 루프는 어느 값이 진동 교란 변수의 단일 사이클에 저장될 수 있는가를 결정한다. 만약 메모리 루프가 교란 변수의 단일 사이클을 결정하고 있었다면, 제 2 시점에서 교란 변수 값은 상기 선정된 단일 루프에 의해 결정된다. 상기 교란 변수값은 상기 선정된 시간 간격에 따른 제 1 시점에서 계산된 값에 따른다.
상술한 교란 예측기(128)의 신경 회로망(207)은, 11 개의 메모리 위치와, 11 개의 매개 뉴런(213)의 띠(211)와, 5 개의 출력 뉴런 223, 225, 227, 229 그리고 231 의 띠(221)를 갖는 입력 메모리(209)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 신경 회로망(207)은 상이한 수의 메모리 위치와, 상이한 수의 매개 뉴런과, 상이한 수의 출력 뉴런을 갖는 입력 메모리를 선택적으로 포함한다. 부하 토크 또는 교란 변수의 예측치를 정확하게 구하기 위해서, 신경 회로망(207)은 충분한 수의 메모리 위치와, 충분한 수의 매개 뉴런과, 충분한 수의 출력 뉴런을 갖는 입력 메모리를 포함해야 한다. 그러나 만약 교란 변수의 예측치에 대해 높은 정확도가 요구되지 않는다면, 예컨대 상대적으로 낮은 교란 변수를 갖는 경우가 그 예일 것이다. 신경 회로망(207)은 소수의 메모리 위치와, 소수의 매개 뉴런과, 소수의 출력 뉴런을 갖는 입력 메모리를 포함한다.
본 발명에 따르면, 교란 예측기(128)에서 스위칭 기능 블록(257)을 생략해도 된다. 본 발명에 따른 제어 장치의 선택적 태양에서, 신경 회로망(207)의 출력 신호 ζ1는 언제나 교란 예측기(128)의 아웃풋(129)에 공급된다. 만약 신경 회로망(207)의 학습 상태가 신경 회로망(207)의 테스트 상태에 비해 짧다면, 스위칭 기능 블록(257)을 생략해도 트로틀 장치의 안정성을 해하지 않는다. 예컨데, 진동 교란 변수 또는 부하 토크의 성질이 매우 완곡하게 변하는 경우가 이에 해당한다.
상술한 바와 같이, 제어 장치(75)는 작동중 교란 변수에 의해 영향받는 시스템의 제 1 상태 변수를 제어한다. 상기 제 1 상태 변수의 예는 회전막 Ø 을 들 수 있고, 상기 시스템의 예는 트로틀 밸브(7)를 포함하는 트로틀 장치를 들 수 있다. 또 교란 변수는 트로틀 밸브(7)에 작용하는 부하 토크로 볼 수 있다. 본 발명은 또한 다른 종류의 시스템에도 적용되는 바, 상기 시스템에서 제어 장치는 작동중 교란 변속에 의해 영향받는 시스템의 제 1 상태 변수를 제어한다. 상기 제 1 상태 변수는, 예컨대, 위치나, 상기 위치에 영향을 미치는 외력에 관한 교란 변수가 될 수 있다. 그러나, 제 1 상태 변수는 다른 종류의 변수도 될 수 있는데, 예컨데, 온도, 압력, 또는 전압이 될 수 있으며, 교란 변수도 예컨데, 상기 온도에 영향을 미치는 전류 또는 열전도, 상기 압력에 영향을 미치는 외부 열원 또는 외력, 또는 상기 전압에 영향을 미치는 전자장등이 될 수 있다. 그와 같은 선택적 시스템의 예는 도 7 에 도안화시켜 도시한 일정 전압 USET를 발생시키기 위한 발전기이다. 발전기 장치는 섀프트(271)을 통해 터어빈(267)에 의해 구동되는 발전기(269)와 터어빈(267)을 포함한다. 발전기(269)는 섀프트(271)의 각 속도 ω에 의해 결정되는 값을 갖는 전압 U를 발생시킨다. 일정한 전압 U 를 얻기 위해서는, 각속도 ω 는 가능한한 일정해야 한다. 작동중, 각속도 ω는 다양한 교란 변수에 의해 방해받는데, 예컨데, 섀프트(71), 터빈(267)의 회전부와 발전기(269)의 회전부의 베어링이 받는 힘 등이 있다. 특히 이는 섀프트(271)의 속도가 높은 때 발생한다.
도 7 에 도시한 바와 같이, 발전기 장치는 발전기(269)로부터 공급되는 전압 U를 제어하기 위한 제어 장치(273)를 포함한다. 제어 장치(273)은 비교 회로(277)과 피 아이디 조절기(281)을 갖는 피드백 제어 루프(275)를 포함하는데, 상기 비교 회로(277)은 전압 센서(279)에 의해 측정된 전압 UM과 전압의 필요치 USET간의 편차 δU를 결정하고, 상기 피 아이디 조절기(281)는 섀프트(271)에 작용하는 제동력에 대응하는 신호 UFF8를 결정한다. 나아가, 제어 장치(273)은 각속도센서(285)에 의해 측정된 각속도 값에 포함한다. 교란 관측기(283)의 출력 신호 UCDF는, 발전기 시스템의 수학적 모델에 근거한 교란 관측기(283)에 의해 계산된 베어링포스 값에 대응한다. 나아가, 제어장치(275)는 미래의 일정 시점에서 예측되는 베어링 포스 값에 대응하는 출력 신호 UPDF를 공급하기 위한 교란 예측기(287)을 포함한다. 가산기(289)는 신호 UFFB와 신호 UPDF를 합산하고, 조절기(291)은 신호 UFFB+ UPDF를 변조하여 제동 장치(293)에 제공한다. 교란 예측기(287)은 교란 관측기(283)이 베어링 포스를 계산하는 제 1 시점과, 제동 장치(293)이 제 1 시점에서 계산된 베어링 포스를 보상하기 위한 제동력을 실제로 인식하는 제 2 시점간에 발생되는 시간 지체를 보상한다.
섀프트(271)의 상대적으로 높은 속도에 대하여도 전압 U 의 정확한 값을 산출할 수 있다.

Claims (14)

  1. 작동중 교란 변수에 의해 영향을 받는 시스템의 제 1 상태 변수를 제어하는 제어 장치로서, 측정가능한 시스템의 제 2 상태 변수에 대응하는 입력 신호를 수신하기 위해 마련된 하나 이상의 인풋과, 제 1 시점에서 계산되는 상기 교란 변수의 값에 대응한 출력 신호를 공급하기 위해 마련된 하나의 아웃풋을 갖는, 상기 시스템의 수학적 모델에 근거한 상기 교란 변수를 계산하기 위해 마련된 상기 교란 관측기를 포함하는 제어 장치에 있어서,
    상기 교란관측기의 상기 출력 신호가, 선정된 시간 만큼 상기 제 1 시점으로부터 지체된 제 2 시점에서 예측되는 상기 교란 변수의 값에 대응한 상기 출력 신호를 제공하기 위해 마련된 상기 아웃풋을 갖는 교란 예측기의 상기 인풋에 제공되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 교란 예측기는, 상기제 1 시점을 포함하고 시간 경과에 따라 연속하는 N(N≥4) 포인트에서 상기 교란 관측기에 의해 계산된 상기 교란 변수의 값 N 개를 저장하는 입력 메모리와, 상기 교란 변수의 계산치 N 개의 가중치를 각각 제공하는 M(M≥4)개의 매개 뉴런과, 상기 매개 뉴런에 의해 제공되는 M 개의 상기 가중치에 대한 가중치를 제공하는 상기 출력 뉴런을 갖는 인공 신경 회로망을 포함하고, 상기 출력 뉴런의 상기 가중치가 상기 제 2 시점에서 예측된 상기 교란 변수의 값에 대응하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 교란 예측기는 상기 제 2 시점에서 예측되는 상기 교란 변수의 값을 저장하는 상기 출력 메모리와, 상기 제 2 시점에서 상기 교란 관측기에 의해 계산되는 상기 교란 변수의 값과 상기 제 2 시점에서 상기 교란 예측기에 의해 예측되는 상기 교란 변수의 값 간의 편차를 결정하는 비교 회로를 포함하는 백프로파게이션 회로망이 제공되고,
    상기 백프로파게이션 회로망은, 상기 편차에 종속하는 뉴런의 상기 가중치를 계산함으로써 상기 신경 회로망의 상기 뉴런을 트레이닝하도록 조절된 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 신경 회로망은 상기 제 2 시점을 포함하고 시간 경과에 따라 연속하는 K(K≥1) 포인트를 예측하기 위한 상기 교란 변수의 K 개의 값을 각각 제공하는 K 개의 상기 출력 뉴런을 포함하고, 상기 백프로파게이션 회로망은 격리된 출력 메모리와 격리된 상기 비교 회로를 포함하며, 또한 상기 백프로파게이션 회로망은 K 개의 상기 비교 회로에 의해 결정된 K 개의 상기 편차에 종속하는 상기 신경 회로망의 상기 뉴런을 트레이닝하도록 조절된 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 백프로파게이션 회로망은 상기 편차가 선정된 경계를 이탈한 경우에만 상기 뉴런을 트레이닝시키도록 조절된 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 교란 예측기는 상기 교란 관측기의 상기 출력 신호를 수신하기 위한 제 1 인풋과, 상기 제 2 시점에서 예측된 상기 교란 변수의 값에 대응하는 상기 가중치를 수신하는 제 2 인풋과, 상기 편차가 상기 선정된 경계를 이탈하는 경우에는 상기 교란 관측기의 상기 출력 신호를 제공하고 상기 편차가 상기 선정된 범위내인 경우에는 상기 가중치에 대응하는 신호를 제공하는 상기 교란 관측기의 상기 아웃풋과 연결된 아웃풋을 갖는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 작동중 상기 교란 변수에 의해 영향을 받는 시스템의 상기 제 1 상태 변수와, 최소한 상기 시스템의 상기 제 2 상태 변수를 측정하기 위한 측정 장치를 제어하는 상기 제어 장치를 포함하는 시스템에 있어서,
    상기 제어 장치는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 제어 장치인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1 액츄에이터 바디와, 상기 제 1 액츄에이터 바디에 대해 회전축을 중심으로 회전하는 제 2 액츄에이터 바디와, 상기 제 2 액츄에이터 바디에 전자기 토크를 작용시키는 전기적 활성화 수단과, 상기 제 2 액츄에이터 바디의 회전각을 제어하는 제어 장치를 포함하는 전기적 액츄에이터로서, 상기 제어 장치가 상기 제 2 액츄에이터 바디의 필요 회전각에 대응하는 입력 신호를 수신하는 인풋과, 상기 활성화 수단을 흐르는 필요 전류에 대응하는 출력 신호를 제공하는 아웃풋을 포함하는 전기적 액츄에이터에 있어서,
    상기 제어 장치는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 제어 장치인 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어 장치는 필요 회전각에 대응하는 입력 신호를 수신하기 위한 인풋과 상기 제 2 액츄에이터 바디에 작용하는 필요 전자기 토크에 대응하는 신호를 제공하는 아웃풋을 갖는 제 1 제어요소와, 필요 전자기 토크에 대응하는 신호를 수신하기 위한 인풋과 필요 전류에 대응하는 아웃풋 신호를 제공하는 아웃풋을 갖는 제 2 제어 요소를 포함하여, 상기 제 1 제어 요소가 상기 제 2 액츄에이터 바디에 작용하는 부하 토크를 계산하는 상기 교란 관측기와 상기 교란 예측기와 합체된 것을 특징으로 하는 전기적 액츄에이터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 제어 요소는 필요 전자기 토크에 대응하는 신호를 제공하기 위한 아웃풋과, 필요 회전각에 대응하는 입력 신호에 의해 결정되는 피드 포와드 신호를 수신하기 위한 제 1 인풋과, 필요 회전각에 대응하는 입력 신호와 회전각 센서에 의해 제공되는 신호에 의해 결정되고 상기 제 2 액츄에이터 바디의 측정된 회전각에 대응하는 제 2 인풋과, 상기 교란 예측기의 출력 신호를 수신하기 위한 제 3 인풋을 포함하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 액츄에이터.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 제어 장치는 필요 전류에 대응하는 신호를 수신하기 위한 제 1 인풋과, 전류에 의해 제공되고 상기 활성화 수단을 흐르는 측정 전류에 대응하는 신호를 수신하기 위한 제 2 인풋과, 필요한 전류에 대응하는 신호와 측정 전류에 대응하는 신호간의 차이에 비례하는 차동 신호를 제공하는 아웃풋을 갖는 비교 회로를 포함하며, 또 상기 제어 장치는 상기 차동 신호를 수신하기 위한 인풋과 상기 활성화 수단에 제공되는 전류에 대응하는 신호를 제공하기 위한 아웃풋을 갖는 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 액츄에이터.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 교란 관측기는 측정 전류에 대응하는 신호를 수신하기 위한 인풋을 갖고 있으며, 또 상기 교란 관측기는 상기 액츄에이터에 대한 3 개의 상태 방정식에 근거하여 회전각, 상기 제 2 액츄에이터 바디의 가속도, 그리고 부하 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 전기적 액츄에이터.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 교란 관측기는 측정 회전각에 대응하는 신호를 수신하기 위한 인풋과, 측정 회전각과 계산된 회전각간의 편차를 결정하기 위한 비교 회로와, 상기 편차에 비례하는 회전각, 각속도, 그리고 부하 토크의 계산치를 수정하기 위한 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 액츄에이터.
  14. 내연 엔진의 흡기구에 사용되는 트로틀 장치로서, 트로틀 밸브틀과, 상기 흡기구에 연결된 통풍관과, 상기 통풍관내에서 회전 가능하도록 상기 트로틀 밸브틀에 져널링된 트로틀 밸브를 포함하는 트로틀 장치에 있어서,
    상기 전기적 액츄에이터는 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 전기적 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 트로틀 장치.
KR10-1998-0700599A 1996-05-28 1997-04-30 교란예측기를갖는제어장치,그와같은제어장치에의해제어되는시스템,그와같은제어장치에의해제어되는전기적액츄에이터,그와같은액츄에이터가제공되는스로틀장치 KR100457845B1 (ko)

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