KR20070031335A - 변속기 내의 압력 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

변속기의 압력을 제어하는 시스템은 변속기 제어 유닛(102)과, 변속기 제어 유닛(102)으로부터 희망 압력(202)을 입력으로서 수신하는 밸브 제어기(104)와, 밸브 드라이버(108)와, 변속기 클러치(106) 내의 유액의 양을 조정하는 밸브(112)와, 변속기 클러치(106) 내의 압력을 판독하고 판독한 압력(204)을 밸브 제어기(104)로 출력하는 압력 트랜스듀서를 포함하되, 밸브 제어기(104)는 밸브(112)를 제어하기 위한 인스트럭션 - 인스트럭션은 희망 압력(202) 및 판독한 압력(204)을 사용하여 공식화됨 - 을 밸브 드라이버(108)로 출력하는 로직을 포함한다.

Description

변속기 내의 압력 제어 시스템 및 방법{CLOSED-LOOP, VALVE-BASED TRANSMISSION CONTROL ALGORITHM}
본 출원은 2003년 12월 23일에 출원되어 본 발명의 양수인에게 양도된 "CLOSED LOOP CONTROL OF SHIFTING CLUTCH ACTUATORS IN AN AUTOMATIC SPEED CHANGE TRANSMISSION"이라는 명칭의 계류 중인 미국 특허 출원 번호 제10/327,792호와 관련된다.
본 발명은 차량 전송장치의 밸브와 같은 밸브의 폐쇄형 루프 제어에 관한 것이다.
자동 변속기의 클러치에서 유압액(hydraulic fluid)의 희망 압력을 달성하기 위해 밸브를 제어하는 마이크로프로세서를 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 현재 시스템은 휴리스틱(heuristic) 규칙을 이용하는데, 이 규칙은 소정 기간 동안의 밸브 개방이 변속기 클러치 내의 희망 압력과 비례함, 즉 선형적 관계를 나타낸다고 가정한다. 따라서, 일단 이 선형적 관계가 논리적 제어기 내에 프로그래밍되면, 시스템은 특정 밸브 작용의 야기가 클러치 내의 결과적인 압력으로 적절히 조정되 는 것으로 추정하게 된다. 그러나, 조정이 초기에는 정확하더라도, 시간에 따라 변속기 내 부품의 마모, 변속기용 윤활유의 분해, 시스템 동작의 고유한 비선형성 등으로 인해 보다 덜 정확하게 된다. 또한, 현재 시스템은 전기적 부하 변화, 압력 맥동 및 기타 시스템 비선형성으로 인해 동작 동안 에러가 발생하기 쉽다.
간략히 말해, 현재의 변속기 제어 시스템은 동작 동안 그들의 사전 프로그래밍된 발견적인 규칙을 재조정하거나 또는 그러한 규칙에 정정안을 적용할 수 없다. 즉, 현재 변속기 제어 시스템은 그들이 입력을 변속기에 제공하지만 변속기 시스템으로부터 제공될 수 있는 정보를 출력으로서 활용하지는 못한다는 점에서 "개방 루프"로 특징지어질 수 있다. 이에 따라, 실질적으로 모든 그러한 시스템에 존재하는 비선형성을 설명하는 변속기 압력 제어 시스템이 필요하다. 이러한 시스템에서는 정상 상태 에러(steady state error)를 제거하거나 현저히 감소시키는 것이 더욱 바람직할 것이다.
또한, 알려져 있는 바와 같이, 차량 성능, 보다 구체적으로 변속기 성능은 변속기 부품과 같은 차량 부품이 노후화 및 마모되기 때문에 시간에 따라 변화한다. 그러나, 그들이 개방형 루프이기 때문에, 현재의 변속기 제어 시스템은 변속기에서 클러치에서 적용되는 압력을 변속기의 현재 노후화 및 마모 정도로 조정할 수 없다. 현재 개방형 루프 시스템은 변속기 부품의 마모 및 노후화를 간단히 설명할 수 없다.
따라서, 변속기의 노후화 및 마모에 대해 적절했던 변속기 클러치에 대한 압력의 양을 적용한 차량 내 변속기 제어 시스템을 구비하는 것이 유리할 것이다. 이러한 변속기 제어 시스템은 개선된 연료 경제성 및 더욱 양호한 "구동성"의 이점을 가질 것이다. 즉, 변속기는 통상적인 개방 루프 제어 시스템을 구비한 경우보다 더욱 원활하게 시프트할 것이다. 또한, 이러한 변속기 제어 시스템은 변속기 내 부품이 노후화될 때 보다 덜 마모되게 할 수 있다는 이점을 가질 것이다. 또한, 이러한 변속기 제어 시스템은 변속기 내 부품의 비용을 낮춘다는 이점을 가질 것이다. 이것은 그러한 부품이 압력 및 그 밖의 힘의 변동에 대해 현재의 변속기 부품보다 더욱 낮은 내성을 가지도록 요구되어, 설계 및 제조 비용을 낮추기 때문이다.
이에 따라, 변속기 내의 압력 상태에 관한 정보를 이용하여 밸브 작용을 희망 압력으로 조정하는 변속기 압력 제어 시스템이 필요하다.
변속기의 압력을 제어하는 시스템은 변속기 제어 유닛과, 변속기 제어 유닛으로부터 희망 압력을 입력으로서 수신하는 밸브 제어기와, 밸브 드라이버와, 변속기 클러치의 유액의 양을 조절하는 밸브와, 변속기 클러치의 압력을 판독하여 판독한 압력을 밸브 제어기로 출력하는 압력 트랜스듀서를 포함하되, 밸브 제어기는 밸브를 제어하기 위한 인스트럭션 - 인스트럭션은 희망 압력 및 판독한 압력을 이용하여 공식화됨 - 을 밸브 드라이버로 출력하는 로직을 포함한다.
또한, 변속기의 압력을 제어하는 방법은 밸브 제어기에서 변속기 제어 유닛으로부터 희망 압력을 수신하는 단계와, 변속기의 밸브를 제어하기 위한 인스트럭션 - 인스트럭션은 희망 압력 및 변속기 클러치의 실제 압력의 판독을 이용하여 공식화됨 - 을 밸브 드라이버로 출력하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 시스템에 대한 설명을 제공하는 도면,
도 2는 본 발명의 시스템의 제어 로직에 대한 상세도,
도 3은 본 발명의 시스템이 변속기 클러치의 희망 압력을 성공적으로 발생시킴을 예시하는 제 1 그래프도,
도 4는 본 발명의 시스템이 변속기 클러치의 희망 압력을 성공적으로 발생시킴을 예시하는 제 2 그래프도이다.
도 1을 참조하면, 변속기 제어 유닛(102)은 변속기 클러치(106)에 대한 희망 압력을 밸브 제어기(104)로 출력한다. 사전결정된 휴리스틱 규칙을 이용하는 밸브 제어기(104)는 희망 전압을 발생시킬 수 있는 여기 드라이버인 밸브 드라이버(108)에 특정 전압을 방출하도록 지시한다. 밸브 제어기(104)에서 구현되는 휴리스틱 규칙은 도 2를 참조하여 더욱 상세히 후술되는 가변 이득 제어 구조체를 포함한다. 도 1에 도시한 바와 같은 몇몇 실시예에서, 변속기 제어 유닛(102) 및 밸브 제어기(104)는 각각 적어도 하나의 마이크로프로세서를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서는, 변속기 제어 유닛(102) 및 밸브 제어기(104)가 결합되어, 함께 하나의 마이크로프로세서를 포함한다. 일반적으로, 변속기 제어 유닛(102)은 당업계에 현재 알려져 있는 것이지만, 밸브 제어기(104)는 변속기 클러치의 압력 상태에 관한 정보를 입력으로서 수신하며 밸브 드라이버(108)에 전술한 정보 중 적어도 일부분을 기반으로 하여 특정 전압을 발생시키도록 지시하는 휴리스틱 규칙을 적용하는 능력을 포함하되, 이러한 것으로 제한되는 것은 아닌 여러 신규한 특징을 나타낸다. 밸브 드라이버(108)로부터 전압을 수신하는 솔레노이드(110)는 밸브(112)의 구성소자로서, 변속기 매니폴드(114) 내에 배치된다.
변속기 기름통(116)으로부터의 유압액은 변속기 펌프(118)를 통해 공급 포트(120)를 거쳐 변속기 매니폴드(114) 내로 펌핑된다. 유압액은 제어 포트(122)를 거쳐 변속기 매니폴드를 빠져나간다. 밸브(112)의 상태는 소정 기간에 변속기 매니폴드(114)를 빠져나가는 유압액의 양을 제어 포트(122)로부터 판별한다. 따라서, 밸브(112)가 개방 또는 폐쇄되는 정도는 변속기 클러치(126)에 유입되는 유압액의 양, 즉 변속기 클러치(126)에 인가되는 압력을 결정한다. 본 명세서에서는 논의를 목적으로, 변속기 매니폴드(114)를 통과하여 흐르는 유압액의 전부 또는 일부가 제어 포트(122)를 통과하게 될 때 밸브(112)는 "개방" 또는 "부분 개방"인 것으로 간주될 것이다. 마찬가지로, 밸브(112)는 변속기 매니폴드(114)를 통과하여 흐르는 유압액이 제어 포트(122)를 전혀 통과하지 않거나 일부가 통과하게 될 때 "폐쇄" 또는 "부분 폐쇄"인 것으로 간주될 것이다.
당업자에게는 잘 알려져 있는 트랜스듀서인 압력 트랜스듀서(128)는 변속기 클러치(106)에 근접하거나 그 내부에 배치된다. 압력 트랜스듀서(128)는 변속기 클러치(106) 내의 현재 압력의 결정에 대해 밸브 드라이버(108)로의 지시를 적어도 부분적으로 기반으로 하는 입력을 밸브 제어기(104)로 제공한다. 즉, 밸브 제어기(104)는 변속기 제어 유닛(102)으로부터의 입력으로서 희망 압력 값을 수신하고, 측정된 압력 값을 압력 트랜스듀서(128)로부터 수신한다. 도 2를 참조하여 더욱 상세히 후술되는 밸브 제어기(104) 내에 구현된 제어 로직의 목적은 변속기 클러치(106)의 측정된 압력을 변속기 제어 유닛(102)에 의해 결정된 희망 압력으로 또는 그러한 압력에 더욱 가깝게 근사화시키기 위해서 밸브(112)를 조절할 방법을 결정하는 것이다.
밸브(112)는 가변 블리드 솔레노이드(Variable Bleed Solenoid: VBS) 밸브 또는 가변력 솔레노이드(Variable Force Solenoid: VFS) 밸브와 같은 임의의 종류의 비례 밸브일 수 있다. 밸브(112)는 또한 압력 폭 변조(Pressure Width Modulation: PWM) 밸브일 수 있다. VBS, VFS 및 PWM 밸브는 모두 당업계에 잘 알려져 있다. VSB 및 VFS 밸브는 개방 또는 부분적으로 개방된 밸브에 의존하여 압력을 조정하기 때문에 비례 밸브라고도 알려져 있다. 이와 대조적으로, PWM 밸브는 밸브가 개방되어 있는 기간 내에 일부 비율의 시간을 포함하는 듀티 사이클에서 동작한다. 듀티 사이클 동안 개방 및 폐쇄시킴으로써, PWM 밸브는 VBS 밸브의 정상 상태 동작을 에뮬레이트한다. 알려져 있는 바와 같이, PWM 밸브는 보다 효율적으로 동작하지만, 더 큰 대역폭을 요구한다.
도 2는 밸브 제어기(104)에 구현될 수 있는 제어 로직을 설명한다. 도 2에 도시한 실시예에서, 밸브 제어기(104)의 제어 로직은 비례-적분 제 어(proportional-plus-integral control, proportional-integral control, PI control)를 이용한다. 비례-적분 제어는 당업계에 알려져 있다. 본 발명의 다른 실시예들은 비례-적분 미분(proportional-integral-derivative: PID), 비례-미분(proportional-derivative: PD) 또는 피드포워드 제어를 이용하는데, 이들은 모두 잘 알려져 있다. 또한, 당업자라면 경험적으로 본 명세서에서 설명한 제어 로직이 정상 상태 에러를 감소시키거나 실질적으로 제거하는 데 효율적인 것으로 보이는 것이지만 본 명세서에서 설명한 것 이외의 휴리스틱 규칙이 본 발명의 사상 및 범주와 일치할 것이라는 점을 이해할 것이다. 본 발명의 일 실시예에서는 Massachusetts, Natick 소재의 Mathworks, Inc사가 판매하는 SIMULINK(R) 소프트웨어 프로그램이 휴리스틱 규칙을 모델링하는 데 사용되고 있다.
밸브 제어기(104)는 입력으로서 2개의 압력 값을 수신한다. PC(202)는 변속기 제어기(102)로부터 수신된 희망 압력을 나타내며, 간혹 커맨드 압력 또는 제어 압력이라고 지칭된다. PT(204)는 압력 트랜스듀서(128)로부터 판독한 압력, 즉 변속기 클러치(126)에 현재 가해지는 실제 압력을 나타낸다. 블록(206)은 PC(202)와 PT(204) 사이의 차이를 산출하여 샘플링 에러(208)를 계산한다.
루프 이득(209)은 간단한 이득을 입력-가변 이득 블록(210)으로 인가한다. 당업자라면 루프 이득(209)의 크기를 증가시키면 가변 이득 블록(210)의 계산 시에 정확도를 더욱 크게 하여 에러가 감소한다는 것을 인지할 것이다. 물론, 루프 이득(209)의 크기가 일단 특정 지점을 지나서 증가하면 시스템이 불안정해질 수 있다 는 것도 이해할 것이다.
가변 이득 블록(210)은 휴리스틱 규칙을 적용하여 밸브 제어기(104)로부터 적절한 출력을 발생시킨다. 샘플 에러(208)는 입력(212)으로서 비례 이득(213)으로 공급되며, 이 비례 이득(213)은 입력을 승산 블록(214)으로 제공한다. PC(202)는 입력(215)으로서 룩업 테이블 블록(216)으로 공급되며, 이 룩업 테이블 블록(216)은 룩업 테이블을 사용하여 샘플 에러(214)가 승산되어야 하는 상수의 값을 판별한다. 이 룩업 테이블의 사용은 밸브 비선형성을 보상하도록 하는 이득 스케쥴링을 달성한다. 당업자라면 샘플 에러(208)의 각자의 값에 대응하는 상수 값이 최소 응답 시간을 갖는 밸브(112)의 가장 정확한 제어가 된다는 것을 유념하여 룩업 테이블의 값이 실험적으로 결정될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 블록(214)은 샘플 에러(208)를 블록(216)에서 결정된 상수 값으로 승산하여 출력(218)을 생성한다.
샘플 에러(208)는 입력(219)으로 적분 이득(220)으로 공급되며, 이 적분 이득(220)은 최소 응답 시간을 갖는 밸브(112)의 가장 정확한 제어가 되도록 실험적으로 결정된 상수로 샘플 에러(208)를 승산한다. 이산 시간 적분기(222)는 적분 이득(220)에 의해 수정된 샘플 에러(208)의 값을 적분하여 출력(224)을 생성한다. 이산 시간 적분은 당업자에게 알려져 있다. 일반적으로, 이산 시간 적분기(222)는 차량이 작동 중지된 후 다시 작동될 때에만 리셋된다. 일 실시예에서, 본 발명은 SIMULINK 소프트웨어 프로그램에 구현된 이산 시간 적분의 Trapezoidal 방법을 이 용한다. 그 중에서도, 이산 시간 적분의 Trapezoidal 방법은 본 명세서에서 참조로서 인용한 Mathworks, Inc의 Simulink Reference(Version 5)의 2-114 내지 2-121쪽에 기재되어 있다. 당업자라면, 역시 Simulink Reference에 기재되어 있는 Forward Euler 및 Backward Euler를 포함하는 이산 시간 적분의 다른 방법이 이산 시간 적분기(222)에서 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
출력(218) 및 출력(224)은 블록(226)에서 합산되고, 그 합산 결과는 루프 이득(227)에 의해 증폭된 후 포화 블록(228)으로 제공된다. 커패시터가 방전될 충분한 시간이 없다면, 그것은 전압에 따라 "포화 상태"로 될 수 있는데, 이는 커패시터로의 추가 입력이 의도된 효과를 갖지 않을 것임을 의미하며, 이러한 사항은 잘 알려져 있고, 또한 그러한 포화의 효과를 제한하는 수단도 잘 알려져 있다. 이에 따라, 당업자라면 입력이 밸브 드라이버(208)에 제공되기 전에 포화 블록(228)이 요구되는 지연(230)을 결정한다는 것을 이해할 것이다.
지연(230) 후, 밸브 제어기(104)는 밸브 드라이버(108)로 입력(232)을 제공한다. 밸브(112)가 VBS 밸브인 경우, 밸브 드라이버(108)로의 입력(232)은 밸브(112)가 변속기 클러치(126)의 희망 압력 PC(202)을 실행하는 데 필요한 양을 개방되게 한다. 밸브(112)가 PWM 밸브인 경우, 밸브 드라이버(208)로의 입력은 변속기 클러치(126)의 희망 압력 PC(202)을 실행하는 데 적절한 레벨로 듀티 사이클을 설정한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 시스템이 변속기 클러치(126) 내의 희망 압력 PC(202)을 실제 압력 PT(204)에 매우 가깝게 매칭시키는 것을 예시한 그래프이다. 변속기 클러치(126) 내의 희망 압력(202)과 실제 압력 PT(204) 사이의 긴밀한 매칭을 달성함으로써, 본 발명은 종래기술에 비해 많은 유익한 이점을 달성한다. 유리하게도, 본 발명은 희망 압력 PC(202)이 차량 변속기 내 부품의 노후화 및 마모에 알맞게 되게 함으로써 변속기 부품의 마모를 개선한다. 종래기술의 개방 루프 변속기 제어 시스템이 희망 압력 PC(202)과 실제 압력 PT(204)를 제곱 인치당(per square inch: PSI) 10파운드 이내로 정확히 매칭시킬 수 있지만, 본 발명은 PSI +/- 2파운드에 달하는 정확도를 갖는 것으로 나타내어진다. 따라서, 본 발명은 변속기 부품의 낮은 설계 및 제조 비용 뿐 아니라, 더욱 양호한 연료 경제성, 더 길고 더 양호한 변속기 부품 마모, 더 양호한 차량 구동성, 즉 이전에 가능했던 기어의 더욱 원활한 시프팅을 가능하게 한다.
전술한 사항은 예시적인 것으로 의도된 것으로서 제한적인 것으로 의도된 것은 아니다. 제공된 예 이외의 많은 실시예 및 애플리케이션은 전술한 개시 내용을 판독할 때 당업자에게는 명백할 것이다. 본 발명의 범주는 전술한 설명을 참조하는 것이 아니라, 첨부한 청구범위 및 이러한 청구범위에 의한 자격이 있는 등가물의 완전한 범주에 따라 결정되어야 한다. 장래에는 변속기 제어 시스템 분야가 개발되고 그러한 장래의 실시예 내에 시스템 및 방법이 수용될 것이라는 것이 예상되며 의도된다. 이에 따라, 본 발명은 수정 및 변형될 수 있으며 이하의 청구범위에 의해서만 제한된다는 것이 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 변속기의 압력을 제어하는 시스템에 있어서,
    변속기 제어 유닛(102)과,
    상기 변속기 제어 유닛(102)으로부터 희망 압력(202)을 입력으로서 수신하는 밸브 제어기(104)와,
    밸브 드라이버(108)와,
    변속기 클러치(106) 내의 유액의 양을 조정하는 밸브(112)와,
    상기 변속기 클러치(106) 내의 압력을 판독하고 판독한 압력(204)을 상기 밸브 제어기(104)로 출력하는 압력 트랜스듀서를 포함하되,
    상기 밸브 제어기(104)는 상기 밸브(112)를 제어하기 위한 인스트럭션 - 상기 인스트럭션은 상기 희망 압력(202) 및 상기 판독한 압력(204)을 사용하여 공식화됨 - 을 상기 밸브 드라이버(108)로 출력하는 로직을 포함하는
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브(112)는 압력 폭 변조 (pressure width modulation: PWM) 밸브인
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브(112)는 비례(proportional) 밸브인
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 비례-적분(proportional-plus-integral) 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative) 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 피드포워드 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 비례-미분(proportional-derivative) 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 제어기(104)는 상기 시스템이 포화 지점에 도달했는지를 판단하는 로직을 포함하는
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 포화 지점은 커패시터가 포함할 수 있는 최대량의 전압을 포함하는
    변속기 내의 압력 제어 시스템.
  10. 변속기 내의 압력을 제어하는 방법에 있어서,
    밸브 제어기(104)에서, 변속기 제어 유닛(102)으로부터 희망 압력(202)을 수신하는 단계와,
    변속기에서, 밸브(112)를 제어하기 위한 인스트럭션 - 상기 인스트럭션은 변속기 클러치(106) 내의 상기 희망 압력(202) 및 실제 압력의 판독을 이용하여 공식화됨 - 을 밸브 드라이버(108)로 출력하는 단계를 포함하는
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브(112)는 압력 폭 변조 (pressure width modulation: PWM) 밸브인
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브(112)는 비례(proportional) 밸브인
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 비례-적분(proportional-plus-integral) 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative) 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 비례-미분(proportional-derivative) 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 인스트럭션은 피드포워드 제어를 이용하여 공식화되는
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브 제어기(104)는 상기 시스템이 포화 지점에 도달했는지를 판단하는 로직을 포함하는
    변속기 내의 압력 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 포화 지점은 커패시터가 포함할 수 있는 최대량의 전압을 포함하는
    변속기 내의 압력 제어 방법.
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