KR20090096465A - Control structure for electro-mechanical camshaft phase shifting device - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 2006년 12월 5일 미국에서 출원된 출원번호 60/868,644을 우선권으로 주장하는 것으로서, 상기 출원의 내용을 전부 포함하고 있다.This application claims priority to Application No. 60 / 868,644, filed December 5, 2006 in the United States, which includes all of the contents of such application.
본 발명은 일반적으로 내부 연소 엔진에서 사용되기 위한 캠샤프트 조절 메커니즘에 관한 것으로, 더 상세하게는, 전기기계식 캠샤프트 위상 시프팅 장치를 위한 제어 구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention generally relates to camshaft adjustment mechanisms for use in internal combustion engines, and more particularly to control structures for electromechanical camshaft phase shifting devices.
캠샤프트 위상 시프팅 장치는 연료 소모 및 배기 가스의 질을 개선하는 효과를 거두기 위해서 밸브 타이밍을 가변 시키도록 가솔린 엔진 내에서 매우 빈번히 사용된다. 캠샤프트 위상 시프팅 장치에는 매우 많은 방식들이 있다. 유압 조절기는 현재 수많은 어플리케이션에서 공통적으로 볼 수 있는 방식이다. 유압 조절기에 대해 저속 동작에서의 슬루 레이트(Slew Rate) 개선, 정확한 캠샤프트 각 위치(Angular Position)의 유지 및 동작 온도 범위의 확장 등을 포함한 중요한 시도들이 이루어지고 있다. 더 나아가, 오염 방출을 감소시키기 위해서는 엔진의 시동 전에 또는 시동 중에 상기 캠 위상 각을 조절하는 것이 절실히 요구된다. 이는 캠샤프트 위상 시프팅 장치가 엔진 시동 전에 또는 시동 중에 제어되어야 가능하다. 이러한 시도들은 오직 전기기계식 캠샤프트 위상 시프팅 장치에 의해서만 가능하다.Camshaft phase shifting devices are used very frequently in gasoline engines to vary the valve timing to achieve the effect of improving fuel consumption and exhaust gas quality. There are many ways to camshaft phase shifting devices. Hydraulic regulators are common in many applications today. Important attempts have been made on hydraulic regulators, including improving the slew rate in low speed operation, maintaining accurate camshaft angular position, and extending the operating temperature range. Furthermore, it is urgently needed to adjust the cam phase angle before or during the start of the engine to reduce contamination emissions. This is possible only if the camshaft phase shifting device is controlled before or during engine start. These attempts are only possible with electromechanical camshaft phase shifting devices.
2007년 9월 18일에 출원되어 함께 계류중인 국제출원번호 PCT/US2007/078755 (지속적인 캠샤프트 위상 시프팅 장치) 및 본 발명이 포함하는 우선권의 기초가 된 출원은 전기기계식 캠샤프트 위상 시프팅 장치 (eCPS)를 개시하고 있다. 상기 eCPS 장치는 3축 기어 유닛 및 전기 기계를 포함한다. 엔진 전기 제어 유닛 (ECU)으로부터의 요구에 따르면, 상기 전기 기계는 원하는 목표가 되는 성과를 달성할 수 있도록 중립 동작 모드, 모터링 모드 및 발전 모드, 이 세가지 가능한 모드 중 하나에서 동작된다. 본 발명은 eCPS 장치가 이러한 세가지 모드를 구현하도록 명확한 수단을 제공하는 제어 구조를 개시한다. 개시된 상기 제어 구조는 부가적으로 다른 유사한 전기기계식 캠샤프트 위상 시프팅 장치의 동작을 통제하도록 적용될 수 있다.The international application No. PCT / US2007 / 078755 (continuous camshaft phase shifting device), filed on September 18, 2007 and which is the basis of the priority covered by the present invention, is an electromechanical camshaft phase shifting device. (eCPS) is disclosed. The eCPS device comprises a three axis gear unit and an electrical machine. According to the request from the engine electrical control unit (ECU), the electric machine is operated in one of three possible modes: neutral mode of operation, motoring mode and power generation mode to achieve the desired target performance. The present invention discloses a control structure that provides explicit means for an eCPS device to implement these three modes. The control structure disclosed may additionally be applied to control the operation of other similar electromechanical camshaft phase shifting devices.
간략하게 언급해서, 본 발명은 일반적으로 전기기계식 캠샤프트 위상 시프팅 장치를 위한 제어 구조를 제공하고, 특별하게는, 자동 잠금 메커니즘과 함께 전기기계식 캠샤프트 위상 시프팅 장치를 위한 제어 구조를 제공한다.Briefly mentioned, the present invention generally provides a control structure for an electromechanical camshaft phase shifting device, and in particular, a control structure for an electromechanical camshaft phase shifting device with an automatic locking mechanism. .
본 발명의 일 실시예에서, 상기 캠샤프트 위상 시프팅 장치는 동축으로 배열되고, 입력 샤프트, 출력 샤프트 및 상기 입력 및 출력 샤프트 사이의 위상 각을 조절하기 위한 제어 샤프트를 구비하는 3축 기어 시스템을 포함한다. 상기 제어 구조는 토크 기반의 제어 구조이다. 상기 기어 시스템의 역학적 응답 및 이에 따른 캠샤프트의 원하는 위상 각은 수신된 신호에 기반하여 토크 커맨드를 생성하는 컨트롤러(또는 보상기)에 의해 제어되고 조절된다. 이러한 신호는, 이에 한정하는 것은 아니지만, 캠 샤프트 위상 각 오류 신호 (기준 값으로부터 상기 캠 위상 시프트 각의 편차), 상기 캠 샤프트의 토크 로드 및/또는 각 위치 신호 및 상기 입력 및 출력 샤프트 사이의 상대 속도 신호를 포함한다. 이러한 토크 커맨드(예를 들어, 전압 신호)는, 그 후, 전기 기계에 의해 전기기계식 토크로 변환되어 상기 캠샤프트 위상 시프팅 장치의 상기 제어 샤프트 상에 가해진다. 상기 토크 커맨드는 두 부분, 시스템 토크 내에서 알려진 장애(Known Disturbance)를 보상하기 위한 피드 포워드 부분 및 알려지지 않은 장애(Unknown Disturbance)를 해결하고 기준 변화를 추적하는 피드 포워드 부분을 포함한다. 선택적으로, 상기 컨트롤러는 자동 잠금 메커니즘이 활성화되도록 결정되면 에너지 절약을 위해 상기 토크 커맨드를 턴오프 하는 ON/OFF 스위치를 포함할 수 있다.In one embodiment of the invention, the camshaft phase shifting device is arranged coaxially and has a three-axis gear system having an input shaft, an output shaft and a control shaft for adjusting the phase angle between the input and output shafts. Include. The control structure is a torque based control structure. The mechanical response of the gear system and thus the desired phase angle of the camshaft is controlled and adjusted by a controller (or compensator) that generates a torque command based on the received signal. Such signals include, but are not limited to, camshaft phase angle error signals (deviation of the cam phase shift angle from a reference value), torque rod and / or angular position signals of the camshaft and the relative between the input and output shafts. It includes a speed signal. This torque command (for example a voltage signal) is then converted by the electric machine into electromechanical torque and applied on the control shaft of the camshaft phase shifting device. The torque command includes two parts, a feed forward portion for compensating known disturbances in the system torque, and a feed forward portion for resolving unknown disturbances and tracking reference changes. Optionally, the controller may include an ON / OFF switch to turn off the torque command to save energy if it is determined that the automatic locking mechanism is to be activated.
본 발명뿐만 아니라 바람직한 실시예에서 앞서 기술한 특징 및 이점들은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages described above in the preferred embodiments as well as the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 전기기계식 캠 위상 시프팅 장치를 제어하기 위한 바람직한 제어 구조를 보여주는 블록도,1 is a block diagram showing a preferred control structure for controlling the electromechanical cam phase shifting device of the present invention;
도 2는 전기기계식 캠 위상 시프팅 장치의 단면도,2 is a cross-sectional view of an electromechanical cam phase shifting device,
도 3은 도 1의 제어 구조의 입출력 도표,3 is an input / output diagram of the control structure of FIG. 1;
도 4는 본 발명의 전기기계식 캠 위상 시프팅 장치를 제어하기 위한 대체적 인 제어 구조를 보여주는 블록도이다.4 is a block diagram showing an alternative control structure for controlling the electromechanical cam phase shifting device of the present invention.
첨부되는 참조 번호들은 상기 도면들 중 몇몇의 도면을 통해 해당 부분을 지시한다. 상기 도면은 본 발명의 내용을 설명하는 개념을 보여주는 것으로 이해되어야 하고, 축척 비율을 나타내는 것이 아니다.The accompanying reference numbers indicate corresponding parts throughout the several views of the drawings. It is to be understood that the drawings illustrate concepts that illustrate the subject matter of the present invention and do not represent scale factors.
이하에서 서술하는 상세한 설명은 한정하는 방식이 아닌 예시하는 방식으로 본 발명을 보여준다. 본 발명의 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 실시 및 이용할 수 있도록 하고, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예를 포함하여 본 발명의 몇몇의 실시예, 적용, 가변, 대체 및 용도를 기술하는 것이다.The detailed description set forth below shows the invention in an illustrative manner rather than a restrictive manner. The detailed description of the present invention is intended to enable those skilled in the art to make and use the invention, and to describe several embodiments, applications, variations, substitutions, and uses of the invention, including preferred embodiments for practicing the invention.
도 1은 전기기계식 캠 위상 시프팅 장치를 제어하기 위한 바람직한 제어 구조를 보여주는 일반적으로 보여준다. 도 1에서 볼 수 있는 상기 시스템은 엔진(10), 엔진 제어 유닛 (ECU, 20), 위상 시프팅 장치(30) 및 컨트롤러 (또는 보상기, 40)를 포함한다. 상기 위상 시프팅 장치(30)는 도 2에 묘사된 바와 같이, 3개의 동축으로 배열된 회전 가능한 샤프트를 구비하는 3축, 포지티브 차동 기어 드라이브이다. 입력 샤프트(16)는 스프로켓(18) 및 체인 드라이브 (도시하지 않음)를 통해 엔진 크랭크 샤프트에 연결된다. 출력 샤프트(14)는 엔진 캠 샤프트(12)에 연결된다. 제어 샤프트(34)는 전기 기계(32)의 회전자와 연결된다.1 generally shows a preferred control structure for controlling an electromechanical cam phase shifting device. The system as seen in FIG. 1 includes an
상기 위상 시프팅 장치는 상기 출력 샤프트(14)가 상기 입력 샤프트(16)와 잠길 수 있도록 내장 마찰 자동 잠금 메커니즘을 구비하므로, 상기 두 샤프트 사이에서 1:1 속도 비율로 토크를 전송할 수 있다. 이러한 조건하에서, 상기 입력 샤프 트(16)와 상기 출력 샤프트(14) 사이에는 위상 변화가 없다. 상기 입력 샤프트(16)와 상기 출력 샤프트(14) 사이의 마찰 잠금 상태는 오직 적절한 토크를 상기 제어 샤프트(34)에 인가하는 것에 의해 해제될 수 있다. 상기 필요한 토크는 전기 기계에 의해 수신되는 토크 커맨드에 응답하여 상기 제어 샤프트(34)에 연결된 전기 기계(32)에 의해 생성된다. 상기 위상 시프팅 장치의 잠금 상태가 해제되었을 때, 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트의 속도 사이에는 미세한 차이가 존재할 수 있다. 이는 상기 출력 샤프트(14)에 연결된 상기 캠 샤프트(16)가 상기 입력 샤프트에 대해 각 위치로 변환될 수 있도록 한다.The phase shifting device has a built-in friction automatic locking mechanism to allow the
상기 컨트롤러 (또는 보상기, 40)는 상기 컨트롤러 (또는 보상기, 40)에 의해 수신된 정보에 기반하여 전압 신호의 형태 또는 어떤 다른 적절한 신호 형태가 될 수 있는 상기 토크 커맨드를 생성한다. 상기 수신된 정보는 캠 샤프트 위상 변환 설정치 (기준), 또는 하나 또는 그 이상의 각 위치 감지 신호로부터 측정 및/또는 연산된 액츄얼 캠 샤프트 위상 변환을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 액츄얼 캠 위상 변환 각은 차동 (오류) 신호를 생성하도록 기준 값과 비교된다. 그 후, 상기 차동 또는 오류 신호는 피드백 토크 (토크 조절) 커맨드를 생성하도록 PID 보상기(42)와 통신된다. 상기 피드백 토크 커맨드는 상기 오류 신호를 감소시키도록 차례로 상기 캠 위상 각을 제어하고 조절하기 위해 상기 전기 기계를 상기 PID 보상기(42)의 입력으로 지시하는데 사용된다. 이러한 과정에서, 원하는 상기 캠 위상 변환을 얻을 수 있다. 제어 구조에 기반한 토크를 위해, 상기 PID 보상기는 일차적으로 비율 파생 컨트롤러(PD)가 된다.The controller (or compensator 40) generates the torque command, which may be in the form of a voltage signal or any other suitable signal based on the information received by the controller (or compensator, 40). The received information may include, but is not limited to, camshaft phase shift setpoints (reference), or physical camshaft phase shifts measured and / or calculated from one or more respective position sensing signals. The actual cam phase shift angle is compared with a reference value to produce a differential (error) signal. The differential or error signal is then communicated with the
엔진 어플리케이션에서, 상기 제어 시스템에는 장애가 있을 수 있다. 샤프트 토크는 밸브가 단계를 올리는 동안 캠 위상 각의 함수로서 가변한다. 기준 입력에 응답하여 상기 시스템을 개선하고 장애들을 확인 및/또는 제거하는 상기 시스템의 능력을 개선하기 위해, 어떠한 알려진 장애라도 보상하기 위한 피드 포워드 구성이 사용될 것이 종종 요구된다. 그러므로, 컨트롤러 (또는 보상기, 40)는 상기 시스템 내에서 예상된 토크 장애를 프로세싱하고 연산하기 위해서 피드 포워드 분지 (또는 유닛, 44)을 더 포함할 수 있다. 상기 결과 신호는 상기 PID 컨트롤러의 출력 신호로 피드 포워드 되고, 상기 PID 컨트롤러의 출력 신호와 조합되어, 상기 토크 커맨드 신호를 형성한다. 피드 포워드 토크라고도 불리는 상기 예견된 토크 장애는 두 가지 요소, T rq_static 및 T rq_friction 에 의해 결정된다. T rq_static 는 상기 3축 기어 드라이브의 마찰력이 없는 정적 평형 상태로부터 계산되는 한편, T rq_friction 는 현재 캠 샤프트 토크 로드에 대한 상기 마찰 토크를 극복하는데 요구되는 요소를 나타낸다. 상기 T rq_friction 의 기호는 상기 제어 샤프트(34)와 상기 입력 샤프트(16) (또는 상기 출력 샤프트(14)) 사이의 상대적인 속도에 의해 결정된다. 도 2에 도시된 위상 시프팅 장치의 구성에 대해, 상기 피드 포워드 토크는 하기 식으로 계산된다.In engine applications, the control system may be faulty. The shaft torque varies as a function of cam phase angle while the valve raises the stage. In order to improve the system in response to a reference input and to improve the system's ability to identify and / or eliminate faults, it is often required that a feed forward configuration be used to compensate for any known fault. Therefore, the controller (or compensator 40) may further include a feed forward branch (or unit) 44 to process and compute the expected torque failure in the system. The result signal is fed forward to the output signal of the PID controller and combined with the output signal of the PID controller to form the torque command signal. The predicted torque disturbance, also called feed forward torque, is determined by two factors, T rq_static and T rq_friction . T rq_static is calculated from the frictionless static equilibrium of the three-axis gear drive, while T rq_friction represents the element required to overcome the friction torque on the current cam shaft torque rod. The symbol of T rq_friction is determined by the relative speed between the
T ffwd =T rq_static +T rq_friction =(1- SR 0 )· T cam +sgn(v)· f(T cam ) T ffwd = T rq_static + T rq_friction = (1- SR 0 ) · T cam + sgn (v) · f (T cam )
여기서, T cam 는 캠 위상 각 의 함수이고 분석식 또는 고정 테이블에 의해 표현될 수 있는 상기 캠 샤프트 토크 로드이다. 상기 값 sgn(v)은 상기 제어 샤프 트(34) 및 상기 입력 샤프트(16) 사이의 상대적인 속도 v 를 나타내는 기호이고, 한편, 상기 함수 f(T cam )는 상기 마찰 토크 T rq_friction 의 크기를 나타낸다.Where T cam is the camshaft torque rod which is a function of cam phase angle and can be represented by analytical or fixed tables. The value sgn (v) is a symbol representing the relative speed v between the
SR 0 는 하기 식에 의해 주어지는 출력 샤프트(14)의 입력 샤프트(16)에 대한 기본 속도 비이다. SR 0 is the basic velocity ratio with respect to the
여기서, N 은 상기 입력 샤프트(16)와 연결되는 제 1 선기어(31), 상기 출력 샤프트(14)와 연결되는 제 2 선기어(33), 상기 제 1 선기어(31)와 연결되는 제 1 유성기어(35) 및 상기 제 2 선기어(33)와 연결되는 제 2 유성기어(37)를 각각 나타내는 아래첨자 S1, S2, P1 및 P2의 기어의 톱니 수를 표시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 및 제 2 유성기어(35, 37)는 상기 제어 샤프트(34)에 의해 지지되고 상기 제어 샤프트(34)에 대해 회전하는 공통 유성 어셈블리(39) 상에 유지되고, 상기 공통 유성 어셈블리(39)와 함께 완전하게 형성된다.Here, N denotes a
앞서 서술한 바와 같이, 상기 위상 샤프트 장치는 자동 잠금 특징을 갖기 때문에, 상기 액츄얼 캠 위상 변환 각이 상기 원하는 값 (기준값 또는 설정치)에 거의 근접하면 에너지 절약을 위해 상기 컨트롤러 및 상기 전기 기계를 턴 오프 시킬 수 있다. 이는, 예를 들어, 상기 전기 기계로 제로 토크를 명령함으로써 행해진다. 도 3은 파워 온 로직과 파워 스위치가 분리된 블록으로 보여지는 상황에서 상기 컨 트롤러(40)의 실행을 보여주는 도면이다.As mentioned above, since the phase shaft device has an automatic locking feature, the controller and the electric machine are turned to save energy if the actual cam phase shift angle is close to the desired value (reference value or set value). You can turn it off. This is done by, for example, commanding zero torque to the electric machine. 3 shows the execution of the
선택적으로, 상기 PID 보상기의 유도 부분은 기준 입력에서 충격의 효과 (갑작스런 변화)를 감소시키도록 상기 피드백 경로로 움직여질 수 있다. 도 4는 이러한 선택적 구성을 위한 해당 제어 구조를 보여준다.Optionally, the inductive portion of the PID compensator can be moved to the feedback path to reduce the effect of the impact (sudden change) at the reference input. 4 shows the corresponding control structure for this optional configuration.
또한, 상기 PID 보상기(42)를 대체하기 위해, 모델 예측 컨트롤러 (MPC)와 같은 대체 제어 법칙과 함께 다른 방식의 보상기들이 사용될 수 있고, 본 발명은 현재 토크에 기반한 제어 구조로부터 유도될 수 있는 다를 실시예들을 포함할 수 있다.Also, in order to replace the
본 발명은 컴퓨터 실행 프로세스 및 그러한 프로세스를 실행하는 장치의 형태의 일부분으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 플로피 디스켓, CD 롬, 하드 드라이브와 같은 유형 매체, 또는 컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체로 구현되는 지시들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 코드의 형태의 일부분으로 구현될 수 있다. 여기서, 상기 컴퓨터 프로그램 코드가 컴퓨터, 마이크로 프로세서 또는 로직 회로와 같은 전기 장치에 로딩되거나, 이와 같은 장치에 의해 실행될 때, 상기 장치는 본 발명을 실행하기 위한 장치가 될 수 있다.The invention may be implemented as part of a computer-implemented process and a form of apparatus for executing such a process. The invention may also be embodied as part of a computer program code including instructions embodied in a tangible medium such as a floppy diskette, CD-ROM, hard drive, or computer readable storage medium. Here, when the computer program code is loaded into or executed by an electric device such as a computer, a microprocessor or a logic circuit, the device may be a device for practicing the present invention.
본 발명은 또한, 예를 들어, 저장 매체에 저장되는지 여부, 컴퓨터로 로딩되는지 및/또는 컴퓨터에 의해 실행되는지 여부, 또는 전기 전선 또는 케이블, 또는 광섬유, 전자기파 복사와 같은 몇몇의 전송매체로 전송되는지 여부와 같은 컴퓨터 프로그램 코드의 형태의 일부분으로 구현될 수 있다. 여기서, 상기 컴퓨터 프로그램 코드가 컴퓨터로 로딩되고, 컴퓨터에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터는 본 발명의 실행을 위한 장치가 될 수 있다. 다용도 마이크로 프로세서로 실행될 때, 상기 컴퓨터 프로그램 코드 세그먼트는 특정 로직 회로를 창조하는 마이크로 프로세서를 구성한다.The invention also relates to whether it is stored in a storage medium, loaded into a computer and / or executed by a computer, or transmitted to some transmission medium such as an electric wire or cable, or an optical fiber, electromagnetic radiation. It may be implemented as part of the form of computer program code, such as whether or not. Here, when the computer program code is loaded into the computer and executed by the computer, the computer may be an apparatus for the execution of the present invention. When executed as a versatile microprocessor, the computer program code segments constitute a microprocessor that creates a particular logic circuit.
본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 상기 구성에서 다양한 변화가 이루어질 수 있기 때문에, 상세한 설명에 포함되거나 첨부된 도면에 의해 보여지는 모든 것들이 한정하는 의도가 아닌 실시예로 해석되어야만 할 것이다.Since various changes may be made in the above configuration without departing from the spirit of the present invention, it should be construed that the embodiments are not intended to limit everything included in the detailed description or shown by the accompanying drawings.
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