KR20070004732A - 용량성 작동기의 제어를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

용량성 작동기의 제어를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 제어 곡선(k)의 애플리케이션에 의해 제어되는 분사 밸브 상의 압전 작동기에 관한 것으로, 상기 작동기를 제어하기 위한 전류(I)에 대한 최대 진폭들(In)이 상기 제어 곡선(k) 상에 주어진다. 충전 또는 방전 과정의 시작 또는 종료시 완만하게 상승하거나 또는 하강하는 전하 과정(charge course)과 그에 따라 선형으로 제어될 수 있는 전하 레벨은 따라서 시간에 걸쳐 달성될 수 있다. 따라서 상기 작동기의 과구동(overdriving)이 방지될 수 있다.

Description

용량성 작동기의 제어를 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF A CAPACITIVE ACTUATOR}
본 발명은 압전 작동 엘리먼트, 특히 내연 엔진의 분사 밸브(injection valve)를 위한 압전 작동기(piezoelectric actuator)의 제어를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
용량성 작동기들의 제어를 위해, 즉 용량성 작동기들의 충전 또는 방전을 위해 작동기에 대한 전자 제어 부품에서의 주요한 요구들이 생긴다. 이는, 각 100V 범위의 전압들과, 10A 초과의 충전 및 방전을 위한 짧은 지속기간(duration)의 전류들이 제공되어야만 함을 의미한다. 제어는 대부분 밀리초 내에서 수행된다. 동시에, 상기 전류 및 전압은 상기 제어 단계(control phase)들 동안에 제어 방식으로 작동기에 공급된다.
용량성 작동 엘리먼트의 한 실시예로 분사 밸브(injection valve)를 작동시키기 위한 압전 작동기를 들 수 있다. 이러한 분사 밸브는 연료를 연소실(combustion chamber)에 분사하기 위하여 내연 엔진들에서 사용된다. 정확하면서 재생가능한(reproducible) 밸브들의 개폐에 관한 그리고 그로 인한 또한 작동기의 제어에 관한 매우 높은 요구들이 부과된다. 미래의 배기 방출 한계 값들이 충 족되도록 하기 위해, 연소 단계당 연료 분사들의 수는 증가한다. 이는, 분사 시간들과 그리고 그 때문에 또한 압전 작동기를 위한 작동 시간들이 더 짧아지고 작동기의 전자 제어 부품에 관해 추가적인 요구들이 부과됨을 의미한다.
공지된 회로 장치(DE 199 44 733 Al)에서, 압전 작동기는 전하 커패시터에 의하여 변압기를 통해 충전된다. 이를 위해, 변압기의 일차측 상에 배열된 충전 스위치가 펄스 폭 변조 제어 신호(pulse-width-modulated control signal)에 의해 제어된다. 충전 스위치와 또한 방전 스위치는 제어 가능한 반도체 스위치들로서 구현된다. 충전 또는 방전을 위하여, 미리 정의된 에너지 패킷들이 압전 작동기에 공급되거나 또는 상기 압전 작동기로부터 제거된다.
미리 정의된 에너지 패킷들보다 더 작은 에너지 패킷들이 필요한 경우, 시간에 따른 압전 작동기에 공급되고 상기 압전 작동기로부터 제거되는 에너지를 평균에 달하도록(averaging out) 하기 위하여, 공지된 회로 장치는 매우 효과적인 출력 필터를 필요로 한다. 또한, 작동기의 특성 제어 곡선(characteristic control curve)이 어떠한 불균형(unevenness)도 나타내지 않을 경우, 동일한 충전 및 방전 전류들이 요구된다.
본 발명의 목적은 고해상도 및 재생가능성이 탁월한 구조의 용량성 작동기를 제어하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 방법과 청구항 11의 특징들을 갖는 장치에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명의 방법에 따르면, 작동기는 각각이 미리 정의된 지속기간을 갖는 적어도 세 개의 스테이지들에서 충전된다. 적어도 세 개의 이러한 기간들 동안, 전류는 작동기가 충전될 때 상기 작동기로 흘러들어간다.
제1 기간 동안, 전류의 진폭은 미리 정의된 최소치로부터 미리 정의된 최대치까지 증가한다. 제2 기간 동안, 전류의 진폭은 거의 일정하게 유지된다. 마지막으로, 제3 기간 동안, 전류의 진폭은 미리 정의된 최대 전류로부터 마찬가지로 미리 정의된 최종 값까지 감소한다.
본 발명의 장치는 제어 유닛과, 상기 제어 유닛의 제어 신호를 통해 제어되는 최종 스테이지를 특징으로 한다. 제어 유닛은, 제1 기간 동안에 미리 정의된 최소치로부터 미리 정의된 최대치까지 상승하는 상기 제1 미리 정의된 기간 동안에 이용 가능한 제어 신호를 생성한다. 상기 제1 기간을 뒤따르는 제2 미리 정의된 기간 동안, 상기 제어 유닛은 상기 동안에 이용 가능한 매우 일정한 제어 신호를 생성한다. 상기 제어 유닛은, 제3 미리 정의된 기간에 걸쳐 상기 미리 정의된 최대치로부터 미리 정의된 종료 값까지 감소하는 상기 제3 미리 정의된 기간 동안에 이용 가능한 제어 신호를 생성한다.
또한, 상응하는 가정들이 작동기를 방전하기 위해 적용된다. 이 경우, 전류의 최대 진폭은 또한 제1 기간 동안에 최소치로부터 최대치까지 증가한다. 제2 기간 동안에 상기 진폭은 일정하게 유지되고, 제3 기간 동안에 상기 전류의 진폭은 최대치로부터 또한 미리 정의될 수 있는 종료 값까지 감소한다. 이 경우, 방전 전류는 작동기에 저장된 에너지가 감소하도록 하기 위한 방향으로 흐른다.
본 발명에 따른 작동기의 제어를 통해, 상기 작동기에 공급되는 전기적 충전의 소프트 기동(soft start)과 종료 시퀀스(end sequence)는 예를 들어 압전 작동기를 이용하므로 달성되고, 상기 작동기에 공급되고 있는 전하는 이동중인 상기 전하의 변화(change) 및 힘 변화에 비례하고, 충전 또는 방전의 기동 및 종료 시퀀스에서의 시간에 걸친 전하의 느린 변화는 작동기의 과구동을 방지한다. 이로써, 파괴적인 기계적 효과들 또는 음향 효과들은 감소한다.
전하 또는 방전 전류의 제어는 충전 또는 방전 기간 동안에만 요구된다.
본 발명의 유용한 개선예들은 종속항들에서 특정된다.
제1 바람직한 실시예에서는, 전체 충전 기간에서의 어떠한 변화 없이도 작동기에 공급되는 전하를 설정할 수 있다. 충전 또는 방전의 제1 및 제3 기간에서의 상승들만이 여기서 변화된다. 상기 상승을 적용시킴으로써, 제어의 선형성이 좌우될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 작동기에 공급되는 전하의 양은 제2 기간에 대한 변화에 의해 변동한다. 이러한 방식으로, 예를 들어 클럭된(clocked) 최종 스테이지에 의해 유도되는 양자화에도 불구하고, 작동기는 선형 방식으로 제어될 수 있다. 제1 및/또는 제3 기간은 여기서 변화되지 않은 상태로 유지되고, 때맞추어 전력-다운 램프(power-down ramp)만을 시프트(shift)하며, 상기 전력-다운 움직임은 동일하게 유지된다.
이는, 그 이상의 선형 제어 범위가 달성되도록 한다. 이 경우, 에너지에 관하여 10에서 100% 사이의 변화들 또는 시간에 관하여 20에서 100% 사이의 변화들이 가능하다. 0.5% 미만의 선형성 오류가 이러한 방식으로 구현될 수 있다. 상이한 충전 및 방전 전류들은 상기 제어 방법의 선형성에 영향을 끼치지 않는다.
바람직한 실시예에서, 최종 스테이지에 공급되는 제어 신호는 미리 정의된 출력 전류를 생성한다. 제어 신호는 아날로그 또는 디지털 회로에 의해 생성될 수 있다. 따라서 작동기에 공급되는 전류의 형태(form)는 최종 스테이지 자체의 제어와는 무관하게 설정될 수 있다.
유용하게도, 제2 기간 동안의 전류의 최대 진폭과 제3 기간의 최대치는 제1 기간의 미리 정의된 최대치에 거의 상응한다.
다른 바람직한 예시적 실시예에서, 세 개의 미리 정의된 기간들에 걸쳐 최대 진폭의 엔벨로트(enveloping)는 공중 그네(trapeze)의 형상(shape)에 거의 상응한다.
다른 바람직한 실시예에서, 충전 또는 방전 전류는 예를 들어 클럭된 전류 또는 전압 소스에 의해 이용 가능하도록 생성된 간헐성(intermittent) 전류이다.
또한, 전류는, 최대 진폭이 각 경우에 해당 기간 동안의 포락선(envelope curve)에서의 미리 정의된 지점에 위치하는 일련의 펄스들로 이루어질 수 있다.
삼각 펄스들은 유용하게도 이러한 펄스들에 적절하다.
본 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 작동기는 격차(gap)들에 의해 제어되지 않는다, 즉 전류의 진폭은 미리 정의된 최소치에 도달된 이후에 중단(pausing) 없이 계속 상승한다.
본 발명은 개략적인 도면들을 참조하는 예시적인 실시예들에 기초하여 하기에 보다 상세히 설명된다.
도 1은 작동기에 공급되는 전류에 대한 곡선과 그 결과로 시간에 걸친 작동기의 충전에 대한 예시적 실시예에 대한 도면,
도 2는 상기 작동기에 공급되는 전류에 대한 곡선의 다른 예시적 실시예에 대한 도면,
도 3은 용량성 작동기를 제어하기 위한 장치의 블록도,
도 4a는 제어 유닛의 제1 예시적 실시예에 대한 도면, 및
도 4b는 제어 유닛의 제2 예시적 실시예에 대한 도면.
도 1 및 도 2는 작동기에 공급되는 전류(I)에 대한 곡선을 나타낸다. 작동기에서 전류(I)에 의해 저장된 전하(Q)의 양은 또한 도 1의 시간(t)의 함수로서 도시된다.
여기에 동반된 작동기는 용량성 작동기, 특히 분사 밸브를 작동시키기 위한 압전 작동기(P)이다. 이러한 분사 밸브들은 예를 들어 내연 엔진들에 사용된다.
도 1의 상부는 작동기에 공급되는 전류(I)의 곡선을 나타낸다. 이 경우, 펄스 지속기간(Tp)을 갖는 삼각형의 전류 펄스들(PU)은 서로 인접한다. 이 경우 최대 진폭들(
Figure 112006067179291-PCT00001
1 내지
Figure 112006067179291-PCT00002
)은 제어 곡선(k)을 따른다.
제어 곡선(k)의 형상은 공중 그네에 상응한다. 제1 시간(T1) 동안에, 전류(I)의 최대 진폭들(
Figure 112006067179291-PCT00003
)은 미리 정의된 최소치(
Figure 112006067179291-PCT00004
)(여기서는, 0)로부터 미 리 정의된 최대치(
Figure 112006067179291-PCT00005
)까지 상승한다. 상기 최대치(
Figure 112006067179291-PCT00006
)는, 미리 정의된 특성 데이터 필드에서 충전 단계(T1+T2+T3) 종료시 작동기(P)의 원하는 전하(Q)의 결과로서 선택된다. 특성 데이터 분야는, 요구되는 연료의 부피와 그 때문에 목표되는 전하(Q)를 위해, 예를 들어 엔진 속도 및/또는 부하와 같은 내연 엔진의 상이한 파라미터들에 대한 할당(assignment)을 포함할 수 있다. 상기 특성 데이터 필드는 예를 들어 경험상으로 결정될 수도 있거나 또한 계산될 수도 있다. 이 경우 작동기(P)에서의 움직임 변화(
Figure 112006067179291-PCT00007
)는 작동기(P)에 공급되는 전하(Q)에 상응한다. 방정식은 전하
Figure 112006067179291-PCT00008
이다.
시간(t)에 따른 작동기(P)에 저장된 전하(Q)의 타이밍은 도 1의 하부에 도시된다. 제1 시간(T1) 동안에 작동기(P)에 저장된 전하(Q)의 양은 t2에 비례하여 상승한다.
시간의 제2 기간(T2) 동안에, 전류 펄스(PU)의 최대 진폭은 일정하게 유지된다. 최대 진폭(
Figure 112006067179291-PCT00009
) 및 펄스 폭(Tp)을 갖는 전류 펄스들(PU)은 바로 뒤이어 이어진다. 여기서
Figure 112006067179291-PCT00010
은 기간(T1)의 최대 전류(
Figure 112006067179291-PCT00011
)에 거의 상응한다. 상기 기간(T2) 동안에 작동기(P)에 공급되는 전하(Q)의 양은 시간(t)에 비례하여 상승한다.
마지막 섹션(T3)에서, 전류 펄스들(PU)의 진폭(
Figure 112006067179291-PCT00012
)은 미리 정의된 최대치(
Figure 112006067179291-PCT00013
)로부터 또한 미리 정의된 최종 값(
Figure 112006067179291-PCT00014
)(여기서는, 0)까지 감소한다. 여기서
Figure 112006067179291-PCT00015
은 기간(T1)에 일어난 최대 진폭(
Figure 112006067179291-PCT00016
)에 거의 상응한 다. 작동기(P)에 공급되는 전류(Q)의 양은 상기 기간(T3) 동안에 (t3-t)2에 비례하여 움직인다.
여기서, 기간들(T1 및 T3)은 충분한 수의 펄스들(PU)이 T1 또는 T3에 존재하도록 선택된다. 따라서
Figure 112006067179291-PCT00017
의 스위칭 주파수가 선택된다.
바람직하게도, 약 5 내지 10 펄스들이 곡선의 상승 또는 하강 에지(edge) 내에서 발생하여야 한다. 따라서 작동기를 제어하는 최종 스테이지(E)의 스위칭 주파수(ft)가 선택되어야만 한다. 펄스 폭(Tp)의 적합한 선택에 의하여, 펄스 폭(Tp)에 의해 유도되는 양자화의 충분한 평균화가 가능해지고 전하의 양이 전체 전하 시간(T1+T2+T3)에 걸쳐 선형 방식으로 제어된다.
펄스 폭(Tp)은 제어 기간(T1, T2, T3) 동안에 일정하게 유지될 수 있다.
작동기(P)에서의 움직임 변화(
Figure 112006067179291-PCT00018
)의 선형 제어를 달성하기 위해, 작동기에 공급되는 전하의 양은 주로 제2 기간(T2)을 변화시킴으로써 달성된다. 이 경우, 제3 기간(T3) 동안에 진폭들(
Figure 112006067179291-PCT00019
)의 포락선을 형성하는 하강 램프가 때맞추어 시프트되고, 제3 기간(T3)은 변화되지 않은 상태로 유지된다.
작동기(P)를 제어하는 전류(I)에 대한 대안적인 실시예가 도 2에 나타나 있다. 여기서 펄스 폭(Tp)은 기간(T3) 동안에 감소하고 그에 따라 스위칭 주파수(ft)는 증가했다.
도 3은 작동기를 제어하기 위한 장치의 예시적 실시예에 대한 블록도이다. 작동기, 여기서 압전 작동기(P)는 인덕터(L)를 통해 최종 스테이지(E)에 연결된다. 최종 스테이지(E)는 압전 작동기를 충전하는 인덕터를 통해 전류(I)를 전달한다. 최종 스테이지(E)는 통상의 스위칭 컨버터, 예를 들어 벅-부스트(buck-boost), 귀선(flyback) 또는 SEPIC 컨버터로서 실시될 수 있다. 제어 유닛(ST)에 의해 제공되는 제어 전압(UST)에 따라 좌우되어, 최종 스테이지(E)는 압전 작동기(P)를 충전하거나 또는 방전하는 전류(I)를 전달한다. 도 3에 묘사된 전류(I)의 방향은 충전 과정을 위한 전류 방향을 나타낸다.
도 4a는 제어 유닛(ST)의 제1 예시적 실시예를 나타낸다. 상기 유닛은 디지털-아날로그 컨버터, 바람직하게는 다운스트림 로우패스(downstream lowpass) 필터(R1', C1')를 갖는 빠른 다중 아날로그-디지털 컨버터(D/A1)를 가진다. 미리 정의된 값(X)은 디지털-아날로그 컨버터(D/A1)의 디지털 입력(Din)에 공급되고 전류의 최대 진폭(
Figure 112006067179291-PCT00020
)을 특정하는 제어 전압(
Figure 112006067179291-PCT00021
)은 다른 입력(Ref)에 공급된다. 그 다음에 인가된 제어 전압(
Figure 112006067179291-PCT00022
)은 제어 전압(UST)으로서 출력시 설정된 디지털 값(X)과 출력에 의해 곱해지고, 그 결과로 디지털-아날로그 컨버터는 정확한 디지털 전위차계(potentiometer)와 같이 작동한다. 미리 정의된 값(X)과 또한 최대 진폭 모두는 마이크로컨트롤러(μC)에 의해 제공된다. 이 경우, 제어 전압(
Figure 112006067179291-PCT00023
)은 마이크로컨트롤러(μC)의 디지털 정보로부터 제2 디지털-아날로그 컨버터(D/A2)에 의해 산출된다. 따라서, 산출된 제어 신호(UST)는 저항기(R1')와 커패시터(C1')로 형성된 로우패스 필터를 통해 최종 스테이지(E)에 공급된다. 따 라서, 포락선(k)은 작동기(P)의 타이밍 작동이 최종 스테이지에 의해 변화되지 않고 미리 정의될 수 있다.
도 4b는 제어 신호(UST)를 생성하기 위해 아날로그 컴포넌트들로 구성된 회로 장치에 대한 예시적 실시예를 나타낸다. 상기 도면에 나타난 회로 장치는 한 측에서 접지(GND)에 연결되고 다른 한 측에서 전압 리미터(B)를 통해 회로 장치의 출력(UST)에 연결된 전하 커패시터(C1)를 특징으로 한다.
전압 리미터(B)는 비반전 입력(+)에서 제한될 전압에 해당하는 전압(U/2)에 통해 연결된다. 반전 입력(-)은 접지 반대 방향의 커패시터(C1)의 면에 연결된다. 또한, 전압 리미터(B)의 출력(UST)은 커패시터(C1)의 상기 단자에 전기적으로 연결된다. 커패시터(C1)는 저항기(R5)와 선택 스위치(S1)(방전 설정 스위치"E"를 위해)를 통해 공급 전압(U)에 전기적으로 더 연결된다. 스위치(S1)의 제2 스위치 설정 충전("L")에서 커패시터(C1)는 저항기(R5)를 통해 인버팅 전압 증폭기로서 접속된 연산 증폭기(OP)의 출력에 연결된다. 연산 증폭기(OP)는 자신의 비반전 입력(+)이 접지(GND)에 연결되고, 자신의 반전 입력(-)이 저항기(R3)를 통해 전압 분할기(voltage divider)(R1, R2)(R1=R2)에 의해 절반으로 된 공급 전압(U)에 연결된다. 연산 증폭기(OP)의 출력은 다른 저항기(R4)를 통해 다시 자신의 반전 입력에 연결된다.
제어 신호(UST)의 램프는, 스위치 위치(L)에서 충전되고 이어서 스위치 위치(E)에서 방전되고 있는 커패시터(C1)에 의해 생성된다. 전류 리미터(B)의 기능은, 제어 신호(UST)가 커패시터(C1)의 방전 전압의 선형 범위에 위치하도록 커패시 터(C1)의 방전 전류를 제한하는 것이다. 그러나, RC 엘리먼트(R5, C1)를 대신하여, 이상적인 적분기(integrator)가 또한 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 작동기, 특히 압전 작동기를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 작동기가 전류(I)에 의해 미리 정의된 지속기간(T1, T2, T3)을 가진 적어도 세 개의 스테이지들에서 충전 또는 방전되는 단계;
    상기 제1 기간(T1) 동안에 전류(I)의 최대 진폭(
    Figure 112006067179291-PCT00024
    )이 미리 정의된 최소치(
    Figure 112006067179291-PCT00025
    )로부터 미리 정의된 제1 최대치(
    Figure 112006067179291-PCT00026
    )까지 증가하는 단계;
    상기 제2 기간(T2) 동안에 전류(I)의 최대 진폭(
    Figure 112006067179291-PCT00027
    )이 거의 일정하게 유지되는 단계; 및
    상기 제3 기간(T3) 동안에 전류(I)의 최대 진폭(
    Figure 112006067179291-PCT00028
    )이 다른 미리 정의된 최대치(
    Figure 112006067179291-PCT00029
    )로부터 다른 미리 정의된 최소치(
    Figure 112006067179291-PCT00030
    )까지 감소하는 단계
    를 포함하는,
    작동기 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 최대치(
    Figure 112006067179291-PCT00031
    )는 작동기(P)에 공급될 전하(Q)의 양에 따라 선택되는,
    작동기 제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 기간(T2)은 작동기(P)에 공급될 전하(Q)의 양에 따라 선택되는,
    작동기 제어 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 최대치(
    Figure 112006067179291-PCT00032
    ) 및/또는 상기 제2 기간(T2)은 특징적 데이터 분야로부터의 미리 정의된 길이 변화(
    Figure 112006067179291-PCT00033
    )에 따라 좌우되어 판독되는,
    작동기 제어 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최대 진폭들(
    Figure 112006067179291-PCT00034
    )은 포락선(k) 상에 위치하고, 상기 포락선(k)은 상기 세 개의 미리 정의된 기간들(T1, T2, T3)에 걸쳐 거의 공중 그네의 형상을 가지는,
    작동기 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류(I)는 간헐성인,
    작동기 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전류(I)는 일련의 펄스들(PU)로 이루어지고, 상기 최대 진폭(
    Figure 112006067179291-PCT00035
    )은 각 경우에 관련된 펄스(PU)의 최대 전류에 상응하는,
    작동기 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 펄스들(PU)은 삼각형의 형상인,
    작동기 제어 방법.
  9. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    전류(I)의 진폭들(
    Figure 112006067179291-PCT00036
    )은 미리 정의된 최소치에 도달된 이후에 중단 없이 증가하는,
    작동기 제어 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류(I)는 제어 전압(UST)에 따라 좌우되는 최종 스테이지(E)에 의해 제공되고, 상기 제어 전압(UST)은 디지털-아날로그 컨버터(DA1)에 의해 제공되는,
    작동기 제어 방법.
  11. 작동기, 특히 압전 작동기를 제어하기 위한 장치로서,
    제어 입력(UST)을 특징으로 하는 최종 스테이지(E); 및
    상기 최종 스테이지(E)를 작동시키도록 제어 전압(UST)을 제공하는 제어 유닛(ST) - 상기 제어 신호(UST)는 제1 미리 정의된 기간(T1) 동안에 미리 정의된 최소치(
    Figure 112006067179291-PCT00037
    )로부터 미리 정의된 최대치(
    Figure 112006067179291-PCT00038
    )까지 상승하고, 제2 미리 정의된 기간(T2) 동안에 일정하게 유지되며, 제3 미리 정의된 기간(T3) 동안에 미리 정의된 최대치(
    Figure 112006067179291-PCT00039
    )로부터 미리 정의된 최종 값(
    Figure 112006067179291-PCT00040
    )까지 하강함 -
    을 포함하는,
    작동기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 제어 전압(UST)을 제공하는 디지털-아날로그 컨버터(DA1)를 특징으로 하는,
    작동기.
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