KR20010080032A - 전자기적 밸브의 엑튜에이션 작용을 위한 방법과 장치 - Google Patents

전자기적 밸브의 엑튜에이션 작용을 위한 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

밸브 구동 전기자(電機子)(armature)(25), 밸브 밀폐 위치를 포함하는 두 개의 극단적 위치 사이에서 실지적으로 그 절반인 지점으로 결정된 위치에서 정지 상태에 있는 밸브를 유지시키기 위한 탄성 회귀 장치(28a, 28b), 전기자(電機子)(armature)의 양쪽 측면 상에 위치한 강자성 코어를 갖는 전자기 장치(38), 그리고 상기 전자기 장치에 번갈아 전력을 공급해 주기 위한 전원 회로로 구성된 전자기 밸브 엑튜에이터에 관하여 설명하고 있다. 전원 회로가 전자기 장치 내의 여기 전류의 측정치를 기초로 전기자(電機子)(armature)가 각각의 극단적 위치에 접근할 수 있는 속도를 계산하기 위한 장치와 구동 코일(들)에 덧붙여 위치 및 속도 센서를 사용하지 않고도, 결정된 기준 프로파일에 대한 상기 속도의 변화를 서보-제어하고자 전자기 장치에 전류를 적용시키기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자기적 밸브의 엑튜에이션 작용을 위한 방법과 장치{METHOD AND DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC VALVE ACTUATING}
우선, 미국 특허로 알려진 전자기 엑튜에이터가 있으며(US-A-4 614 170), 밸브대(stem of a valve)를 구동시키는 강자성 물질(ferromagnetic material) 소재의 전기자(電機子)(armature), 밸브 완전 개방 위치와 완전 밀폐 위치 사이의 중간 위치에서 밸브를 정지 상태로 유지시키기 위해 제공된 탄성 회귀 장치(resilient return means), 그리고 그 밸브를 상기 개방 및 밀폐 위치에 번갈아 가며 놓일 수 있도록 해주는 전자기 장치(electromagnetic means)로 구성된다. 미국 특허(번호 US-A-4 614 170)로 공시되어 있는 전자기 장치는 전기자(電機子)(armature)의 한 쪽 측면 상에 위치하며 강자성 코어(ferromagnetic core)가 포함된 첫번째 전자석(電磁石)(electromagnet)을 가지고 있으므로 일단 자극을 받으면 밸브에 인접한 방향으로 전기자(電機子)(armature)를 끌어당기는 경향이 있고, 전기자(電機子)(armature)의 다른 한쪽 측면 상에 위치하는 두번째 전자석이 있으므로 이것 역시 자극을 받으면 밸브를 완전 개방 상태로 가져다 놓는 경향이 있다.
다른 전자기 엑튜에이터에 관해서는, 특허 번호 98/12489에서 찾아볼 수 있다. 이 엑튜에이터의 전자기 장치는 구조의 강자성 회로 상에 설치된 단일 코일을 가지고 있어 전기자(電機子)(armature)와 복합되어 전기자(電機子)(armature)와 강자성 회로 사이의 공기 틈에 대하여 미소 값, 즉 대개 영(zero)에 해당하는 두 개의 값을 갖는 안정한 자기 플럭스 경로(stable magnetic flux paths)를 나타낸다.
위와 같은 전자기 엑튜에이터들은 다음과 같이 작용한다. 전자기 장치는 전기자(電機子)(armature)가 밸브 밀폐 시에 해당하는 위치라고 가정한 "고" 위치(high position) 및 밸브 개방 시에 해당하는 위치라고 가정한 "저" 위치(low position)에 이르기에 적합하도록 전자기력을 작용시킬 수 있도록 하여 전기자(電機子)(armature)가 상기에 언급된 양쪽 위치 모두에 놓인 상태를 유지할 수 있도록 한다. "고" 위치에서 이 장치는 기계적 에너 지를 저장하기 위하여 적합한 전류가 코일을 통하여 흐르는 한, 또는 단일 코일이 전기자(電機子)(armature)를 보유하고 있는 한, 스프링을 압축한다. 임시 저장 전류(holding current)는 스위치가 꺼진 상태가 될 때, 운동 중인 장치를 스프링에 의해 상기 "저" 위치로 가져다 놓게 작용한다. 전기자(電機子)(armature)에 고정된 로드(rod)가 밸브대를 밀어 내며 밸브의 밀폐 스프링(closure spring)을 압축시킨다. 전기자(電機子)(armature) 스트로크가 끝날 즈음에, 임시 저장 전류가 코일 또는 밸브를 개방 상태로 유지시킬 수 있게 하는 적절한 코일 내에 형성된다. 밸브의 밀폐 스프링은 차례로(in turn) 에너지를 저장하는 역할을 하고 임시 저장 전류가 스위치 꺼진 상태가 될 때, 차례로밸브와 전기자(電機子)(armature)를 상방을 향하도록 구동, 작용시킨다.
기계적 에너지의 일부는 마찰, 역적, 와, 전류 및 반대 방향 압력 힘에 기인한 에너지 소모로, 특히 배기(on exhaust) 중에, 소실된다. 결과적으로, 전기자(電機子)(armature)가 하나의 극단적 위치에서 다른 극단적 위치로 갈 때 마다 매 번 발생하는 에너지 손실을 보상해 주기 위하여 스프링에 의해 작용하는 힘에 덧붙여 부가적 힘 또는 "유인하는" 힘을 작용시킬 필요가 있다.
공급된 부가 에너지는 반드시 전기자(電機子)(armature)가 완전 스트로크를 그릴 수 있도록 보장해 주기에 충분해야하나, 잡음과 마모를 발생시킬 최종 역적(terminal impact)을 피하고자 너무 과다해서도 안 될 것이다. 실제로, 잡음과 마모가 허용할 만한 수준으로 유지된다면, 역적 속도는 초당 몇 백분의 일 미터(m/s)를 초과해서는 안된다.
현존하는 전자기 장치 및 방법들은 위 두 가지 조건들을 간단한 방식으로 동시에 만족시키는데에 어려움을 가지고 있다. 반드시 높은 역적 속도를 허용하든지, 아니면 장치와 방법을 복잡하게 하는 위치 및 속도 센서가 갖추어져 있어야만 한다는 단점이 있어 총괄 비용마저 상승하게 되는 것이다.
본 발명은 개방 위치와 밀폐 위치에 번갈아 놓일 수 있도록 병진 운동 중인 밸브를 움직이기 위한 전자기 엑튜에이터에 관한 것이다. 주된 응용예는 불꽃 점화 또는 압축 점화를 하는 내연 기관 엔진의 밸브를 제어하는 데에 있다.
도 1은 밸브 축을 포함하는 한 평면 상에서 밸브 엑튜에이터의 실시예를 단면으로 도시한 것이다.
도 2는 포함된 파라미터들을 도시하기 위한 상세도이다.
도 3은 기능별 블럭 선도를 도시한 것이다.
도 4는 도 3을 변형시켜 도시한 것이다.
도 5는 사용될 수 있는 자기 회로를 변형시켜 도시한 것이다.
본 발명에서는 특히, 센서없이도, 적용될 에너지의 양을 만족할 만 하게 제어할 수 있도록 해 주는 전자기로 엑튜에이션 작용을 하는 밸브에 관한 엑튜에이팅 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명에서는 전자기 장치의 강자성 회로가 강자성 회로(들)에 반하여 전기자(電機子)(armature)가 달라붙기(stick) 전, 1 밀리미터의 스트로크의 최후 부분 중에 자기 저항[R(x)]과 공기 틈(x)의 크기 사이에 존재하는 거의 선형인 관계를 보장하기 위한 방식으로 전자기 장치가 만들어질 수 있다는 사실을 활용하고 있다. 이러한 성질은 특별히 위에서 언급된 바 있는 특허 (번호 98/12489)에 기술된 것과 같은 종류의 단일-코일 전자기 장치들에서 찾아 볼 수 있다. 그와 같은 엑튜에이터에서, 강자성 회로의 노치(notch)들이 전기자(電機子)(armature)의 두께와 실지적으로 동일한 길이를 가질 경우, 코일의 자기유도계수(inductance)[L(x)] 역시 준-선형(quasi-linear) 방식으로 전기자(電機子)(armature)의 중심 위치 바로 너머부터 시작되는 범위 상에서 변하게 된다. 코일(또는 직렬로 된 두 개의 코일들)을 통과하는 전류(i)를 기초로 R(x)와 L(x)를 계산하는 것이 가능하기 때문에, 중앙 위치를 통과한 후 거의 모든 순간에서x를 계산하여 이로부터 속도를 유도해 내는 것이 가능하다.
결과적으로, 본 발명에서는 특히 밸브 구동 전기자(電機子)(armature), 밸브 밀폐 위치를 포함하는 두 개의 극단적 위치 사이에서 실지적으로 그 절반으로 결정된 위치에 정지해 있는 밸브를 유지시키기 위한 탄성 회귀 장치, 전기자(電機子)(armature)의 양쪽 측면 상에 위치한 강자성 코어를 갖는 전자기 장치, 그리고 상기 전자기 장치에 번갈아 전력을 공급해 주기 위한 전원 회로로 구성된 엑튜에이터로서, 전자기 장치 내의 여기 전류(excitation current)의 측정치를 기초로 전기자(電機子)(armature)가 각 극단적 위치에 접근할 수 있는 속도를 계산하기 위한 장치와 구동 코일(들)에 덧붙여 위치 및 속도 센서를 사용하지 않고도결정된 기준 프로파일(reference profile)에 대한 상기 속도의 변화를 서보-제어하고자 전자기 장치에 전류를 적용시키기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브 엑튜에이터를 제안하고자 한다.
전기자(電機子)(armature)의 접근 단계 중 마지막 부분에 해당하는 단계 중에, 즉 작은 공기 틈새를 위하여 전류 측정치로부터 자기 저항의 변화를 계산할 수 있고, 자기 저항의 변화치로부터x대 시간의 변화를 계산할 수 있게 된다.
발명의 바람직한 실시예에서, 계산 장치도 설계되어 공기 틈이 결정된 값을 초과할 때 전자기 장치의 자기유도계수를 반복적으로 계산하므로, x에 대하여 해당하는 값, 즉 테이블 내에서 해당 수치들을 검토함으로써 해당 값들을 결정할 수 있다. 이와 같은 조건들에서, 조절(regulation)에 의해 전기자(電機子)(armature) 스트로크의 주요 부분 상에서 속도 변화 프로파일을 제어할 수 있다. L과 R이 변화하는 관계로 주어지는 범위에서 공기 틈x가 매우 선형적이지 않은 함수이기 때문에, 보간(interpolation)이 선형이라는 가정 하에 L과 R값을x의 함수로 보간함으로써 획득되는x의 도심 값을 구하여 어떤 순간에서든x에 대한 근사 값을 얻을 수 있다.
이러한 구조에 의하여, 단순한 개방 루프 제어와 달리, 또는 전기자(電機子)(armature) 진동의 이전 싸이클 중에 획득된 결과를 토대로 한 싸이클 중에 전달된 전류를 단순히 제어만 하는 것과 달리, 진정한 의미의 순수 조절(genuine regulation)이 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 그러한 하나의 엑튜에이터를 사용하여 하나의 밸브를 제어하는 방법을 제공하는 바, 이때 전자기 장치를 통과하는 전류가 샘플화되어, 계산에 의해 전류로부터 L(t)와 R(t)의 변화를 계산하게 되며, 저장된 테이블을 참조하여x의 변화치를 나누어주면, 잉여 속도가 시간에 대한x의 변화로부터 유도되고, 미리 결정된 프로파일에 대해x라는 시간의 변화를 서보 제어하는 방식으로 전자기 장치에 작용시킨 전압(voltage)이 제어된다.
실제로, L 또는 R의 변화가 비선형인 영역은 매우 좁게 나타날 수 있다. 앞서 제시한 바 있는 특허 (번호 98/12489)에 도시된 구조를 갖는 전자기 장치를 갖는 엑튜에이터의 경우,x가 0.5 밀리미터(mm) 가량의 x1 값을 초과하지 않는 한, R은x의 함수로서 거의 선형적으로 변화한다. 전기자(電機子)(armature)의 두께가 실지적으로 자기 회로 내에 형성된 노치들의 두께와 동일할 때x가 x2값을 초과하자마자, 즉 대략 1 mm인 경우가 대표적인데, 자기유도계수(L)는 x의 함수로서 준-선형적인 방식으로 변화한다.
x의 함수로 표현된 L과 R의 특성치는 상기에 언급된 특허(번호 98/12489)에 공시되어 있는 사례로부터 유도된 다른 유형의 자기 회로에 대해 얻어질 수 있다.
상기와 같은 특성들 및 다른 바람직한 활용예와 더불어 상기에 기술된 사항들이지만 종속적으로 사용될 수 있는 것은 실시예에 제한 없이 다음에 주어진 구체적인 실시예에 관한 설명을 검토함으로써 명확해 질 것이다.
아래는 제시된 도면들에 관한 간단한 설명이다.
도 1에 도시된 엑튜에이터는 엔진의 실린더 헤드(12) 상에 설치시키기 위한 조립품으로 구성된다. 이것은 도시되어 있지 않지만, 적절한 방법(예를 들면 나사)에 의해 서로 합체돼 조립되는 복수 개의 부위(14와 16)들로 구성되는 하우징을 포함하고 있다. 이 부품들은 강자성이 아닌 재료, 예를 들면 경 합금(light alloy)과 같은 재료로 만들어진다. 하우징은 강자성이 아닌 물질로 된 심(20)(shim) 조각을 통하여 실린더 헤드(12)로 고정될 수 있다.
엑튜에이터는 판-형상을 가진 움직이는 전기자(電機子)(armature)(22)를 가지고 있다. 이 전기자(電機子)(armature)는 강자성(ferromagnetic) 재료로 되어 있으며, 손실을 감소시켜주는 데에 유리하게 박층화되어 있다(laminated). 이것은 밸브(25)를 구동시키기 위하여 로드(24) 상에 고정되어 있다. 일반적으로 복수 개의 밸브들이 저마다 나란히 설치되어 있고 도 1의 평면에 수직한 방향으로 각 엑튜에이터에 대하여 활용 가능한 폭도 매우 좁아진다. 이로 인해 전기자(電機子)(armature)의 형상이 직사각형 모양으로 주어지게 된다. 전기자(電機子)(armature)는 일부 부위(16) 내부에서는 돌릴 수(turn) 없게 되어 있다. 해당부위(16)를 환형으로 연장한 부분에 고정된 링(26)에 의해 로드(24)가 안내된다.
두 개의 회귀 스프링(28a과 28b)들이 제공되어 있어서, 밀폐 위치와 완전 개방 위치 사이에 실지적으로 중간인 위치에서 밸브를 정지 상태로 유지시킨다. 스프링들 중 하나(28a)는 로드(24)에 고정된 판(30)과 상기에서 언급한 일부 부위(16)의 연장부 사이에서 압축된다. 나머지 다른 스프링(28b)은 밸브대(stem of the valve)에 고정된 판(31)과 실린더 헤드 내에 적합하게 잘 구성되어 있는 밸브의 바닥 사이에서 압축된다. 상승 시의 로드와 밀폐 시의 밸브 사이의 분배 간극(distribution clearance)으로 인해 공기에 의한 완전 밀봉(air-tightness)이 보장된다. 엑튜에이터는 견인 및 압축 운전되는 단일 스프링도 똑같이 잘 사용할 수 있으며, 프랑스 특허(번호 98/11670)에 공시되어 있듯이, 밸브 밀폐 시에 봉인(sealing)을 확실히 해 주기 위해 탄성 감쇄기(resilient damper)와 연계될 수도 있으므로, 로드와 밸브대가 단일품(single piece)으로 구성될 수 있는 것이다.
하우징은 강자성 물질(36)로 된 코어와 그 코어 상에 위치하는 코일(38)을 포함하며, 이때 상기 코어는 박층화되는 것이 유리하며, 강자성 회로를 정하기 위하여 전기자(電機子)(armature)와 함께 공동-작동한다. 도시된 코어는 서로를 감싸게 되는 두 개의 보조 부위로부터 만들어질 수도 있고, 한 개의 단일품으로 제작될 수도 있다. 코어의 각각의 절반을 구성하게 되는 박층은 E-자 형상이다. 최상단 분지부들은 구성자(44)를 통하여 그들이 지지하고 있는 코어(36)와 연계되어 있다. 나머지 다른 두 개의 분지부들 각 절반이 전기자(電機子)(armature)에 대한 경유 체적(travel volume)을 정해준다. 전기자(電機子)(armature)는 밸브의 완전 개방위치를 정해주는 한 위치에서 해당 체적의 바닥에 반하여 포함되어 있다. 체적의 천정(48)이 밸브 시트와 반대인 위치에 있기 때문에 전기자(電機子)(armature)가 천정에 반하게 포함되어 있으며 밸브가 밀폐될 수 없게 된다. 전기자(電機子)(armature)(22)의 잔여 위치에 해당하는 중앙 노치(49)는 챔버 내에 제공될 수 있고, 전기자(電機子)(armature)의 두께보다 다소 큰 길이를 가질 수 있다. 노치의 위/아래로, 체적의 벽에는 운동에 필요한 만큼의 간극만 남게되어 자기 저항이 감소된다.
전기자(電機子)(armature), 밸브, 그리고 스프링으로 구성되는 조립품은 공명 주파수(resonant frequency)를 갖는 진동 시스템을 구성하게 된다. 정상 상태 하에서, 코일에 전원이 들어오고 운동 장치를 하나의 극단적 위치로 가게 하여 하단자(lower)에 의해 그 상태가 유지되면, 운동 장치가 반대 방향으로 운동할 때까지 전류를 임시 저장하고 있다.
도시된 바와 같은 엑튜에이터에서, 공기 틈새들 중의 하나인x의 값이 보통 0.5 mm 가량되는 x1의 값보다 작은 한, 자기 회로의 자기 저항[R(x)]은 실지적으로 선형적으로 변한다. 자기 유도 계수[L(x)] 역시, 공기 틈새인 x2의 값이 대략 2 mm를 초과하는 한,x의 함수의 형태로서 실지적으로 선형 변화한다.
본 발명을 실제 적용하기 위하여, 엑튜에이터는 코일을 통해 흐르는 전류(i)를 감지하는 센서(50)가 구비된 전원 공급 회로(도 2)를 갖고 있다. 그 출력치는 발전기(54)에 의해 적용되는 전압을 제어하는 계산기 회로(52)에 의해 활용된다. 계산을 디지틀화하여 수행할 수 있게 해 주므로 편리한 이러한 해법은, 신호(i)를샘플링하느냐가 관건이다. 20 kHz의 샘플링 주파수면 보통 만족할 만한 결과를 산출한다. 코일에 전압,u, 가 공급되는 경우, 다음의 적분을 계산하는 프로그램에 의해 자기 유도 계수 L(t)와 자기 저항 R(t)이 구해질 수 있다. 즉,
여기서,
-r는 알려진 코일의 자기 저항이고(온도의 함수로 보정이 가능하다),
- 순시적 시간 T0가 선택되어 L(T0) * i(T0)가 기지의 값이 된다. 이때 T0는 흔히 i(T0) = 0으로 설정하며,
-n은 코일이 감긴 수(number of turns of the coil)이다.
측정된 전류i와 기준치를 비교하는 조절 루프에 의해 전류가 서보-제어된다. 관측된 값의 차이에 의해 아날로그 방식으로 제어를 수정해 나갈 수 있다. 도 3에 도시된 종류의 회로를 사용하면 유리한 점이 많은데, 여기에서 계산기는 복수 개의 모듈들로 구성되어 발전기(54)를 지배하는 전원 스위치를 제어해 주는 펄스 폭 모듈레이터(58)를 사용함으로써 고정된 주파수 fe에서 펄스의 형태로 코일에 적용된 전압u를 제어한다. 모듈레이터(58)는 수 십 킬로 헤르쯔(kHz)의 주파수 fe에서 작업률(duty ratio) DR을 갖는 주기적 출력 신호를 제공한다.
도시된 실시예에서, 샘플-및-임시 저장 회로(sample-and-hold circuit)(66)에 의해 유도된 정보를 토대로 L(t)를 산출하는 적분식은 총괄 플럭스 계산기로 계산되는데, 이때 샘플링 기간k상에 적용된 작업률이 DR(k)이고, 그 진행 기간(duration) te = 1/fe이며, 스위치(54)에 의해 적용된 공칭 전압은 Un이다. 즉,
여기서,
K0의 값은 T0= k0* te인 관계를 가지며,
K는 T = K*te인 관계를 갖는다.
전압 Un은 스위칭 회로의 구조로부터 알려지며 굳이 실시간으로 획득될 필요가 없다.
모듈레이터의 스위칭에 의해 교란 받지 않는 한 순간에 샘플-및-임시 저장 회로(66)가 아래 전류 I를 샘플화한 후, 그리고 안티-애일리어싱(anti-aliasing) 필터가 fe/2 너머의 조화함수(harmonics)들을 약화시킨 후, 시간에 따른 전류의 변화 i(t)를 나타내는 전류 I가 계산기에 제공된다. r*i(T)의 적분 값은 적분 영역, 즉 간단히 사다리꼴로 드러나는 형태의 면적을 합해주는 방법에 의해 디지틀 계산된다.
따라서, L과 R은 연속된 순시적 시간t에서 계산된다. 즉,
- R을x와i의 함수로 산출해 내는 지도로 인해, x1보다 작은x에 대하여, R과 i를 알고 선형 보간함으로써x를 유도해낼 수 있다.
-x와i의 함수로 L을 산출해내는 지도 덕분에 x2보다 큰x에 대하여, 주어진 L과i을 가지고 선형 보간함으로써x를 유도할 수 있다.
R과 L을 토대로 선형 보간의 평균을 취함으로써 x1과 x2 사이에서,x가 계산될 수 있다.
절단 주파수가 수 킬로헤르쯔(kHz)인 디지틀 필터에 의해 계산된x의 값,를 필터시킨 후, 속도 계산 모듈(65)에서 차분화 조작을 수행하면 특수한 센서를 굳이 사용할 필요 없이도 변환 스트로크(stroke of transition)를 통하여 계산된 속도가 얻어진다. 차량 엔진의 경우, 주파수 fe는 20 kHz이고 절단 주파수는 대개 74 kHz이면 좋은 결과를 얻는다.
도 3에 도시된 회로에 대하여 추가로 더 기술하기 전에, 그 작동이 이루어지는 원리에 관하여 설명을 좀 하고자 한다.
계산 속도를 모의 실험과 실험으로 결정된 기준 속도 프로파일과 비교해 보면, 소모 전원과 수정된 힘을 적용하는데에 따른 (시간) 지연 사이의 중재점(compromise)을 구함으로써 수정자(62)(corrector)를 통하여 유인력 F(t)의 프로파일을 발생시킬 수 있다.
적용된 힘 F(t)의 제어를 개선시키려면, 자기력을 전달하는데에 일조하는 플럭스 ψ(t)를 디지틀화하여 서보-제어하게 되는 서보 제어 루프로부터 기준 전류가 시작되게 하는 것이 유리하다. 이와 같은 접근 방식에 의하면 위치, 특히 소형 공기 틈새에서 위치와 관련된 불확실성을 접함에 있어서 강인한 힘 제어(forcecontrol robust)를 해준다. 따라서, 수정자(62)에 의해 계산된 바와 같이 힘의 설정치 또는 기준 값 들이 모듈(63)에 의하여 소실 자기 계수 Lf(leakage inductance)와 관련된 소실 플럭스(leak flux)에서 활용 가능한 힘의 플럭스와 동일한 크기의 총괄 플럭스 ψ(t)의 크기를 갖는 기준 값으로 변환된다. 활용가능한 플럭스 ψu 는 다음과 같이 쓸 수 있다. 즉,
여기서 α는 자기 회로의 형상에 따라 변하는 축척 지수(scale factor)이고 모의 실험과 시험을 통하여 결정된다.
모듈(63) 내에서 발생되는 총괄 플럭스의 기준치는 다음의 식으로 주어진다.
기준 플럭스 ψc는 계산된 총괄 플럭스와 비교된다. 즉,
이 공식은 위치 계산기(64)에서 이미 활용할 수 있는 항들을 사용하고 있으며 모의실험과 시험에 의해 결정된 소실 자기 유도 계수 Lf를 사용하고 있다.
따라서, 한 시스템이 중간에 끼워진 세 개의 밀폐 루프를 작동시킨다. 즉, 첫번째 루프가 속력과 관계있고, 두번째는 활용가능한 플럭스, 그리고 세번째 루프는 코일 내 흐르는 전류i와 관계있다.
도 3의 회로에서, 위치 계산기(64)는 측정된 전류i를 표현하며 디지타이즈된(digitized) 신호 I를 받아들인다. 전류 I와 플럭스, 그리고 저장된 테이블R(x, i)와 L(x, i)를 토대로, 이것은 한 싸이클의 시작인 T0에서 부터 시작하여 각 샘플링 순간마다 작동되어 예측된 실제 속도를 계산하기 위하여 모듈(65)로 전송되는 위치 정보를 산출해 낸다. 수정자(62)가 실제 속도 프로파일과 기준 속도 프로파일 vc를 비교하여 소실 자기 유도 계수 Lf와 계수 α를 고려하여 기준 플럭스 ψc를 계산하기 위해 모듈(68)에 작용하게 되는 힘 F(t)의 대표 신호를 공급한다. 플럭스 ψc를 산출하는데에 필요한 기준 전류 ic는 ψc와 계산된 총괄 플럭스사이의 차이로 부터 모듈(72)내에서 계산된다. 이와 같이 계산된 총괄 실제 플럭스는 저장된 값 r과 Te, 측정된 전류의 대표 신호 i, 발전기의 공칭 전압, 그리고 DR 값을 기초로 하여 모듈(70)에 의하여 주어진다.
기준 전류를 나타내는 디지틀 신호가 디지틀 신호를 아날로그 신호로 바꿔주는 D/A 컨버터(60)에 의하여 펄스 폭 모듈레이터(58)에 의해 전달되며 이 신호를 전류 I와 비교한다.
기준력 프로파일(reference force profile) fc도 고려하기 위하여 스트로크의 특정 미소 부분 상에서 수정자(62)가 작동하도록 설계될 수 있다.
상기에 언급된 바, 중간에 끼워진 세 개의 루프는 도 3에 다음과 같이 도시되어 있다. 즉,
- 전류 루프는 모듈레이터(58), 센서(50), 그리고 비교자(54)(comparator)에 의하여 구성된다.
- 플럭스 루프는 총괄 플럭스 계산기, 기준 플럭스 계산 모듈, 그리고 이전루프 상에서 밀폐된 모듈(72)에 의하여 구성되고,
- 속도 루프는 위치 계산기(64)와 이전 루프 상에서 밀폐된 힘 계산 모듈로 구성된다.
모듈들은 초소형 전기 성분(microelectronic components)이나 프로그램에 의해 구성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 수정된 실시예에서, 전류 루프는 생략되어 있다. DR(t)을 직접 계산하여 전압 u가 적용되는 시기에 해당하는 시간 간격을 제어하는 모듈레이터(58)을 통해 DR(t)를 적용하는 모듈(74)로 기준 전류 계산 모듈이 대체된다.
도 5에 제시한 바와 같은 또 다른 변형예에서, 전기자(電機子)(armature)는 박층화되는 것이 유리하며, 코어의 기둥에 평행하도록 모서리를 둥글게 깎아냈다. 자기 유도 계수와 자기 저항을 전류와 공기 틈새의 함수로 도표화함으로써 전기자(電機子)(armature)의 위치와 속도가 전확히 결정될 수 있는데, 그 이유는 전기자(電機子)(armature)는 그 작동 범위 내에서 자기적으로 포화 상태에 도달하지 않기 때문이며, 코어의 기둥 조각 형상 때문에 주로 전기자(電機子)(armature)를 통하여 지나감으로써 플럭스가 루프화되기 때문이다.
바닥 플럭스 회로와 비교되는 최상단 플럭스 회로의 자연적인 비대칭성은, 전방 기둥 표면은 상호 평행하게 남아 있게 된다는 것을 보장한 상태로, 최상단 기둥 표면(80)과 바닥 기둥 표면(82)에 상이한 구배를 부여함으로써 과장(시작 시간을 단축하기 위하여) 될 수 있다.

Claims (10)

  1. 밸브 구동 전기자(電機子)(armature)(25), 밸브 밀폐 위치를 포함하는 두 개의 극단적 위치 사이에서 실지적으로 그 절반인 지점으로 결정된 위치에서 정지 상태에 있는 밸브를 유지시키기 위한 탄성 회귀 장치(28a, 28b), 전기자(電機子)(armature)의 양쪽 측면 상에 위치한 강자성 코어를 갖는 전자기 장치(38), 그리고 상기 전자기 장치에 번갈아 전력을 공급해 주기 위한 전원 회로로 구성된 전자기 밸브 엑튜에이터로서, 전원 회로가 전자기 장치 내의 여기 전류의 측정치를 기초로 전기자(電機子)(armature)가 각각의 극단적 위치에 접근할 수 있는 속도를 계산하기 위한 장치와 구동 코일(들)에 덧붙여 위치 및 속도 센서를 사용하지 않고도, 결정된 기준 프로파일에 대한 상기 속도의 변화를 서보-제어하고자 전자기 장치에 전류를 적용시키기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 밸브 엑튜에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 공기 틈새가 결정된 값 이상을 초과할 때 전자기 장치의 자기 유도 계수와 자기 저항을 반복적으로 계산하기 위하여 계산 장치도 설계되어 있고, 전원 공급 회로가 전기자(電機子)(armature) 스트로크의 주요 부위 상에서 속도 변화 프로파일을 제어하는 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  3. 제 2 항에 있어서, 전자기 장치가 구조의 강자성 회로 상에 설치된 단일 코일로 구성되어 있어 전기자(電機子)(armature)와 결합하여 전기자(電機子)(armature)와 강자성 회로 사이의 공기 틈새에 대하여, 각각 미소 값으로서 보통 영(zero)에 해당하는 값인 두 개의 안정한 자기 플럭스 경로를 나타내는 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  4. 제 1 항, 제 2 항, 또는 제 3 항에 있어서, 계산 장치가 설계되어 다음에 표현된 식을 계산함으로써 자기 유도 계수 L(t)와 자기 저항 R(t)을 결정하는 엑튜에이터로서,
    이때,
    -r은 알려진 코일의 자기 저항(온도의 함수로 보정될 수 있다)이고,
    - L(T0)*i(T0)인 관계로부터 T0가 구해지고,
    - n은 전자기 장치가 감긴 회수인 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 계산된 속도 프로파일 v와 기준 프로파일 사이의 차이를 배제하기 위하여 제어되는 작업률을 갖는 수 십 킬로헤르쯔(kHz)의 주파수(fe)에서 주기적 출력 신호를 공급하는 펄스 폭 모듈레이터(58)에 의해 제어되는 스위치(54)에 의해 전자기 장치에 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  6. 제 2 항부터 제 5 항들 중 한 항에 있어서, 기준 전류를 기준 플럭스로 변환시키고 계산된 실제 전류에 의해 생성된 총괄 플럭스를 소실 플럭스와 비교하기 위하여 계산 장치가 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  7. 제 6 항에 있어서, 계산 장치가 전류 루프, 활용 가능한 플럭스 루프, 그리고 서로 중간에 끼워져 있는 속도 루프로 구성되는 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  8. 제 1 항부터 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 단일 코일, 박층화된 전기자(電機子)(armature), 그리고 코어의 기둥에 평행하게 모서리가 둥글게 깎여 있는 전기자(電機子)(armature) 상에 기둥 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  9. 제 8 항에 있어서, 바닥 플럭스 회로에 반하여 최상단 플럭스 회로의 자연적 비대칭성을 증가시키고자, 전기자(電機子)(armature)의 기둥 면적이 상이한 값으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 엑튜에이터.
  10. 제 1 항에 따른 엑튜에이터를 사용하여 밸브를 제어하는 방법으로서, 이때 전자기 장치를 통하여 흘러가는 전류가 샘플화되고, L(t)와 R(t)의 변화가 계산에의해 전류로부터 유도되고, 그 다음 저장된 테이블과 관련되어 공기 틈새(x)의 변화가 있어, 시간에 대한 공기 틈새의 속도 변화가 유도되고 전자기 장치로의 전압의 적용이 제어되는 방식으로 되어 있어 공기 틈새(x)의 시간 변화와 미리 결정되어 있는 프로파일에 대한 속도(v)의 시간 변화를 서보-제어하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
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