KR20140024225A - 전기 부하 장치의 출력 제어 또는 전압 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

전기 부하 장치의 출력 제어 또는 전압 제어 방법 및 그 장치 Download PDF

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 파워 출력단(16)을 이용한 전기 부하 장치의 출력 제어 또는 전압 제어 방법에 관한 것이며, 상기 출력 제어 또는 전압 제어는 설정 가능한 듀티 계수를 갖는 펄스폭 변조(PWM)를 통해 이루어지고, 펄스폭 변조의 주기는 스위치 온 영역과, 스위치 오프 영역과, 2개의 에지 영역으로 형성된다. 그 외에도, 전기 부하 장치상에서의 전압 변동이 검출되고, 상기 전압 변동으로부터 전기 부하 장치상에서의 실제 유효 전압이 계산되며, 실제 유효 전압이 사전 설정된 설정 유효 전압과 비교되며, 실제 유효 전압이 사전 설정된 설정 유효 전압에 상응하는 방식으로 펄스폭 변조의 듀티 계수가 변경된다.
또한, 본 발명은 상기 출력 제어 또는 전압 제어 방법을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다.
본원의 출력 제어 또는 전압 제어 방법 및 그 장치는, 특히 작은 듀티 계수 조건에서 펄스폭 변조를 통해 전기 부하 장치의 정확한 출력 제어 또는 전압 제어를 가능하게 한다.

Description

전기 부하 장치의 출력 제어 또는 전압 제어 방법 및 그 장치{METHOD AND DEVICE FOR POWER CONTROLLING OR VOLTAGE CONTROLLING OF AN ELECTRIC LOAD DEVICE}
본 발명은 파워 출력단(power output stage)을 이용한 전기 부하 장치의 출력 제어 또는 전압 제어 방법에 관한 것이며, 상기 출력 제어 또는 전압 제어는 설정 가능한 듀티 계수(duty factor)를 갖는 펄스폭 변조(PWM)를 통해 이루어지고, 펄스폭 변조의 주기는 스위치 온 영역과, 스위치 오프 영역과, 2개의 에지 영역으로 형성된다.
또한, 본 발명은 파워 출력단을 이용한 전기 부하 장치의 출력 제어 또는 전압 제어 장치에 관한 것이며, 출력 제어는 설정 가능한 듀티 계수를 갖는 펄스폭 변조(PWM)를 통해 이루어지고, 펄스폭 변조의 주기는 스위치 온 영역과, 스위치 오프 영역과, 2개의 에지 영역으로 형성된다.
출력, 유효 전압 또는 유효 전류의 설정을 위해, 펄스폭 변조(PWM)를 통해 전기 부하 장치를 제어하는 점은 공지되었다. 이 경우, 전기 부하 장치의 예컨대 일정한 공급 전압은 사전 설정된 듀티 계수(TV)로 스위치 온/오프된다. 스위치 온 시간 대 스위치 오프 시간의 비율을 통해, 부하 장치로 공급되는 전기 출력, 유효 전압 및 유효 전류가 설정될 수 있다.
스위칭 과정은 그에 상응하게 제어되는 파워 출력단을 통해 수행될 수 있다. 이 경우, 듀티 계수는 폐회로 또는 개회로 제어 방식으로 사전 설정될 수 있다.
듀티 계수의 설정은, 개회로 제어 시스템의 경우, 이용되는 전자 부품들 및 그와 더불어 부하 장치로 공급되는 전압의 시간별 변동의 이상적인 거동의 가정 하에 이루어진다. 예컨대 제한된 에지 경사도 또는 지연 시간에 의한, 상기 이상적 거동으로부터의 편차들은 부하 장치로 공급되는 출력 내지 유효 전류 및 유효 전압에 직접적으로 작용한다. 이때 편차들은 사용된 전자 부품의, 경우에 따라 부품 공차들에 의해 변동하는 응답 거동에 기반할 수 있다. 에지 경사도는 추가로 전자기 호환성(EMC)과 관련한 요건들에 의해 제한될 수 있다.
이상적 거동과의 편차들은 특히 펄스폭 변조의 듀티 계수들이 짧은 경우에 강하게 작용한다. 작은 듀티 계수는 예컨대 전기 부하 장치가 상이한 공급 전압들로 작동됨으로써 발생할 수 있다. 따라서 DE102010001004A1호에는 작동 전압들이 상이하거나 전기 공급 시스템 전압이 시간에 따라 변동하는 전기 공급 시스템 내부에서 액추에이터들을 제어하기 위한 방법이 기술되어 있다. 이 경우, 액추에이터(들)는 상이한 펄스폭 변조 제어 신호들로 제어되며, 제어 신호들의 펄스폭과 주기 지속은 상호 무관하게 설정될 수 있고, 현재 인가되는 전기 공급 시스템 전압에 따라서 적절하게 조정된다.
오늘날 현대적인 내연기관의 경우 배기가스 조성의 모니터링 및 폐회로 제어에 사용되는 것과 같은 배기가스 센서들, 예컨대 람다 센서들은, 주로 배기가스 센서의 사전 설정된 작동 온도를 설정하기 위한 전기 히터를 포함한다. 가열 용량은 예컨대 12V 공급 전압에 맞게 설계된 펄스폭 변조를 통해 설정된다. 24V 시스템에서 사용될 수 있는 배기가스 센서는 매우 작은 듀티 계수들을 초래한다. 펄스폭 변조의 이상적 거동과의 편차들은 폐회로 제어 작동 모드에서 소정의 목표 온도부터 온도 조절기를 통해 보상된다. 개회로 제어 작동 모드에서, 예컨대 배기가스 센서의 측정 변수가 폐회로 제어 모드를 위해 이용될 수 없는 동안에, 전술한 이상적 거동과의 편차들이 오작동으로 인해 그에 상응하게 높은 고장 위험을 내포한 강한 온도 편차들을 초래할 수 있다.
그럼에도, 개회로 제어 작동 모드를 가능하게 하기 위해, 공차가 매우 적은 고속 파워 출력단들이 제어를 위해 이용될 수 있다. 그러나 이는 과도하게 높은 EMC 방출을 야기한다.
추가의 가능 방법은 펄스폭 변조 대신 DC/DC 컨버터를 이용하는 것이다. 이는 높은 비용을 초래한다. 추가의 단점은, 공간 수요가 높을 뿐 아니라 방법의 실행 시 발생하는 손실열이 높다는 점이다.
적합한 전류 평균값의 측정 및 설정 시에도 마찬가지로 높은 비용과 높은 공간 수요가 발생하고, 그와 동시에 하드웨어 비용도 증가한다.
그러므로 본 발명의 과제는, 듀티 계수들이 작은 경우에도 펄스폭 변조를 통해 전기 부하 장치의 정확하면서도 경제적인 출력 제어를 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 과제는 상응하는 장치를 제공하는 것이다.
방법과 관련한 본 발명의 과제는, 전기 부하 장치상에서의 전압 변동을 측정하고, 이 전압 변동으로부터 전기 부하 장치상에서의 실제 유효 전압을 계산하며, 실제 유효 전압을 사전 설정된 설정 유효 전압과 비교하고, 실제 유효 전압이 사전 설정된 설정 유효 전압에 상응하도록 펄스폭 변조의 듀티 계수를 변경함으로써 해결된다.
이때 전압 변동은, 펄스들의 에지 영역들에서의 전압의 실제 시간별 변동도 설명하도록 높은 분해능으로 검출된다.
전기 부하 장치, 특히 옴 부하 장치상에서의 전압의 실제 시간별 변동을 통해, 전기 부하 장치의 부하 저항을 알고 있는 조건에서, 부하 장치로 실제로 공급되는 전기 출력이 검출되고, 이로부터 계산된 전압의 실제 유효값을 통해 설명된다. 목표하는 출력을 달성하기 위해 사전 설정된 설정 유효 전압과 실제 유효 전압의 비교를 통해, 펄스폭 변조의 비이상적 거동에 기인하는 것과 같은 출력 편차가 검출될 수 있고, 펄스폭 변조의 듀티 계수의 상응하는 조정을 통해 보상될 수 있다.
예컨대 전기 부하 장치의 상이한 온도들 및 그에 상응하는 온도 계수들에서 전기 부하 장치의 작동을 통해 부하 저항을 알고 있지 않다고 하더라도, 여기서도 사전 설정된 설정 유효 전압과 실제 유효 전압의 직접적인 비교와 펄스폭 변조의 듀티 계수의 상응하는 조정을 통해 전기 부하 장치 내 출력 입력의 개회로 제어가 현저히 개선된다.
듀티 계수의 조정은, 특히 듀티 계수가 매우 작은 경우에도, 전기 부하 장치에서의 정확한 출력 제어 또는 전압 제어를 가능하게 한다. 그리고 부품 공차들에 대한 특별한 요건 없이 경제적인 출력단들이 사용될 수 있다. 제한적으로 허용되는 에지 경사도가 보상될 수 있으며, 그에 따라 EMC에 대한 요건도 충족될 수 있다. 본원의 방법은 저비용으로, 하드웨어 및 소프트웨어를 적게 사용하여 구현될 수 있는 동시에, 적합한 전자 회로 상에서의 공간 수요도 적다. 그 외에도, 본원의 방법은 사용된 출력단 유형(이산형, 집적형, 하이 사이드, 로우 사이드)과 무관하게 적용될 수 있다. 예컨대 사용된 파워 출력단들을 진단하기 위한 추가 기능들은 간단한 소프트웨어 확장을 통해 구현될 수 있다.
전압 변동은 적어도 펄스폭 변조의 주기에 걸쳐, 또는 펄스폭 변조의 하나 이상의 펄스에 걸쳐, 또는 펄스폭 변조의 펄스의 하나 이상의 에지에 걸쳐 검출될 수 있다. 그럼으로써 요구되는 출력 제어 정밀도에 따라 필요한 측정 및 계산 복잡도가 감소할 수 있다. 예컨대 특정 적용의 경우, 오프 상태에서 가능한 전류 흐름은 무시될 수 있으므로 이 경우 전압 변동의 검출은 불필요하며, 스위치 오프 시간만이 실제 유효 전압의 계산에 포함된다. 부품 분산(part variances)(슬루 레이트 상승, 슬루 레이트 감소, 지연 등)은 에지 영역들에서의 상응하는 전압 변동의 측정을 통해 결정되고 보정될 수 있다.
전기 부하 장치를 통한 전압 변동의 간단하면서도 경제적인 검출은, 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 의해 사전 설정된 샘플링 시점들에 검출된 전압값들로부터 전압 변동이 산출되고, 아날로그-디지털 컨버터의 샘플링 시점들은 예상 전압 변동에 적합하게 조정됨으로써 수행될 수 있다.
샘플링 시점들의 사전 설정은 특히 실제 유효 전압의 측정을 위해 필요한 영역들에서 전압 변동의 검출 시 충분히 높은 분해능을 보장한다. 그러므로 펄스폭 변조의 펄스의 에지 영역들에서 샘플링 속도가 증가하고, 펄스폭 변조의 스위치 오프 영역 및 스위치 온 영역에서는 샘플링 속도가 감소할 수 있다. 스위치 오프 및 스위치 온 영역에서 소수의 측정치로부터 보통 상기 영역들의 잔여 영역이 추론될 수 있다. 그럼으로써, 펄스 지속과 관련한 제한이 없는 조건에서 검출될 측정점들의 범위가 강하게 제한되어 본원의 방법이 효율적으로 구현될 수 있다. 스위치 오프 영역에서의 전류 흐름이 무시될 수 있다면, 상기 영역에서 샘플링 속도는 영(0)으로 설정될 수 있다.
본원의 방법의 한 바람직한 변형예에 상응하게, 펄스폭 변조의 각각의 주기 동안, 또는 펄스폭 변조의 사전 설정되어 선택된 주기들 동안 전압 변동이 검출될 수 있다. 전형적인 PWM 주파수 및 제어의 경우에, 보통 단일 펄스로부터 복수의 펄스가 추론될 수 있다. 제어의 변동은 비교적 느리게 실시되므로, 감소된 개수의 펄스의 분석만으로도 충분하다. 분석될 펄스들의 빈도는 출력 제어 시 요구되는 정밀도에 따라 결정된다. 분석될 주기의 개수가 감소됨으로써, 사용되는 CPU의 계산 용량에 대한 요건도 현저히 감소할 수 있다.
부하 장치상에서의 실제 유효 전압의 검출은, 전기 부하 장치상에서의 전압값들이 각각의 샘플링 시점들에서 제곱되고, 상기 전압값들의 제곱이 현재 샘플링 속도와 펄스폭 변조의 주기 지속에 관련되고 합산되며, 그렇게 하여 얻은 합의 근으로부터 실제 유효 전압이 검출됨으로써 수행될 수 있다.
이에 대체되는 방식으로, 다양한 샘플링 속도가 사용되고, 전기 부하 장치상에서의 전압값들이 각각의 샘플링 시점들에 제곱되며, 각각 2개의 샘플링 시점 사이의 시간 편차들과 펄스폭 변조의 주기 지속의 비(ratio)와 전압값들의 제곱의 곱들이 합산되며, 이렇게 하여 구한 합산의 근으로부터 실제 유효 전압이 검출될 수 있다. 이 경우, 바람직하게는, 전압값들의 검출 시 예컨대 펄스폭 변조의 펄스에 걸쳐 상이한 샘플링 속도가 고려된다.
듀티 계수의 간단한 보정은, 실제 유효 전압과 사전 설정된 설정 유효 전압 사이의 비로부터 인수(factor)가 구해지고 펄스폭 변조의 듀티 계수가 상기 인수로 보정됨으로써, 또는 실제 유효 전압과 사전 설정된 설정 유효 전압의 편차로부터 오프셋이 구해지고 펄스폭 변조의 듀티 계수가 각각 그 자체로 고려되거나 본원의 방법과 조합되어 상기 오프셋으로 보정됨으로써 수행될 수 있다. 이 경우, 보정은 연속되는 복수의 펄스에 걸쳐 반복해서 이루어질 수 있다. 제1 보정 전에는 인수가 바람직하게 일(1)의 값으로 설정되고, 오프셋은 영(0)의 값으로 설정된다. 인수의 허용 범위는 사용된 파워 출력단에 따라 제한될 수 있다.
본 발명의 매우 바람직한 한 구현예에 상응하게, 전기 부하 장치상에서의 전압값의 검출을 위해 스위치 오프 영역에서 파워 출력단 상에서의 기준 전압이 결정될 수 있고, 전압값은 에지 영역 또는 스위치 온 영역 동안 파워 출력단 상에서 검출된 측정 전압과 상기 기준 전압의 편차로부터 결정될 수 있다. 파워 출력단의 일측이 접지에 놓이는, 전기 부하 장치와 파워 출력단의 직렬 회로의 경우, 기준 전압은 공급 전압에 상응한다. 기준 전압과 현재 파워 출력단 상에 인가된 전압 사이의 편차는 각각의 측정점에서 전기 부하 장치상에서의 전압 강하에 상응한다. 따라서 공급 전압의 변화는 전기 부하 장치상에서의 전압 변동의 검출 시에 고려될 수 있다. 출력단의 일측이 작동 전압에 놓이는 경우, 분석은 유사한 방식으로 이루어진다.
공급 전압이 사용된 아날로그-디지털 컨버터의 측정 범위를 초과한다면, 파워 출력단 상에서의 전압은 아날로그-디지털 컨버터의 측정 범위에 적합하게 조정하기 위한 분압기를 이용하여 검출될 수 있다.
장치와 관련한 본 발명의 과제는, 본원의 장치가 전기 부하 장치상에서의 전압 변동을 검출하기 위한 수단을 포함하고, 본원의 장치가 상기 전압 변동으로부터 전기 부하 장치상에서의 실제 유효 전압을 계산하기 위한 프로그램 시퀀스를 포함하고, 본원의 장치가 사전 설정된 설정 유효 전압과 실제 유효 전압을 비교하기 위한 비교단을 포함하며, 실제 유효 전압이 사전 설정된 설정 유효 전압에 상응하는 방식으로 펄스폭 변조의 듀티 계수를 변경하도록 본원의 장치가 설계됨으로써 해결된다. 본원의 장치는 전술한 방법의 실행을 가능하게 한다.
간단하게 구현되는 출력 제어 내지 전압 제어는, 전기 부하 장치가 옴 부하 장치로서 형성됨으로써 달성될 수 있다.
본원의 방법 및 장치는 바람직하게는 내연기관의 배기가스 덕트 내 배기가스 센서의 전기 히터의 출력 제어 또는 전압 제어를 위해 적용될 수 있다.
본 발명은 하기에서 도면들에 도시된 실시예를 토대로 더 상세하게 설명된다.
도 1은 전기 부하 장치의 출력 제어를 위한 제1 전기 회로도이다.
도 2는 출력단 전압 변동을 나타낸 그래프이다.
도 3은 히터 전압 변동을 나타낸 그래프이다.
도 4는 분압기를 포함하는 제어 장치의 회로도이다.
도 5는 전기 부하 장치의 출력 제어를 위한 제2 전기 회로도이다.
도 1에는 전기 부하 장치의 출력 제어를 위한 제1 전기 회로도가 도시되어 있다. 이 경우, 실시예는 디젤 엔진의 배기가스 덕트 내에 배치된 람다 센서의 전기 히터(14)의 출력 제어와 관련된다.
전기 히터(14)는 전압원(10)과 연결되고, 제어 장치(12)를 통해 접지(17)와 연결된다. 전기 히터(14)로 향하는 공급 라인들의 라인 저항들은 도면에서 제1 공급 라인 저항(13)에 통합되어 있다. 제어 장치(12)는 엔진 제어 유닛(ECU)으로서 형성된다. 이 경우에도 공급 라인들의 라인 저항들은 제2 공급 라인 저항(11)에 통합되어 있다. 제어 장치(12)는 제2 공급 라인 저항(11) 및 접지를 통해 전압원(10)과 연결된다. 전기 히터(14)와 제어 장치(12) 사이에는 제1 측정 단자(15)가 제공된다. 제1 공급 라인 저항(13)을 통한 손실을 보상할 수 있도록 하기 위해, 제1 공급 라인 저항(13)과 히터(14) 사이에 선택적으로 미도시된 추가의 측정 단자가 제공될 수 있다.
제어 장치(12)의 도해는 본 발명의 설명을 위해 중요한 부품들로 제한된다. 제어 장치는, 드레인 단자(16.2), 게이트 단자(16.1), 벌크 단자(16.3) 및 소스 단자(16.4)를 포함하는 전계 효과 트랜지스터(FET) 형태의 파워 출력단(16)을 포함한다. 벌크 단자(16.3)와 소스 단자(16.4)는 접지(17)와 연결되고, 드레인 단자(16.2)는 전기 히터(14)와 연결된다.
전기 히터(14)로 공급되는 전기 출력의 개회로 제어를 위해, 게이트 단자(16.1)에 펄스폭 변조 신호(PWM 신호)가 인가된다. PWM 신호의 스위치 온 시간 동안 전계 효과 트랜지스터가 통전되고, 전압원(10)으로부터 전류가 전기 히터(14) 및 파워 출력단(16)을 통해 접지(17)로 흐른다. 스위치 오프 시간 동안에는 전류 흐름이 차단된다. PWM 신호의 듀티 계수를 통해, 전기 히터(14) 내에서 변환되는 출력이 사전 설정된다. 제1 전기 회로도의 도시된 구성에 상응하게 파워 출력단(16)은 접지(17)에 대한 로우 사이드(low side) 스위치로서 형성된다.
도 2에는, 펄스폭 변조의 하나의 펄스 동안 제1 측정 단자(15)와 접지(17) 사이에 존재하는 것과 같은 출력단 전압 변동 곡선(21)이 도시되어 있다. 상기 출력단 전압 변동 곡선(21)은 전압 축(20) 및 시간 축(22)에 대해 도시되어 있다.
도 3에는 히터 전압 변동 곡선(23)이 도시되어 있다. 히터 전압 변동 곡선(23)은 도 2에 표시된 전압 축(20) 및 시간 축(22)에 대해 도시되어 있다. 전압원(10)으로부터 공급되는 공급 전압(24)은 점선으로 표시되어 있다. 히터 전압 변동 곡선(23)은 히터(14) 상에서 강하하는 전압을 나타낸다. 히터 전압 변동 곡선은 공급 전압(24)과 도 2에 도시된 출력단 전압 변동(21)의 편차로부터 도출된다.
예컨대 제한되는 에지 경사도 또는 지연 시간에 의한 제어 부품들의 비이상적 거동으로 인해, 히터 전압 변동 곡선(23)은 구형파 펄스를 갖는 이상적 전압 변동 곡선과 편차를 보인다. 이와 같은 편차는 부품 분산에 의해 상이한 파워 출력단들(16)에 대해 상이할 수 있다. 또한, 에지 경사도는 전자기 호환성(EMC)의 요건들에 의해 제한된다. 파워 출력단(16)의 내부 저항으로 인해, 스위치 온 상태에서 온전한 공급 전압(24)이 전기 히터(14) 상에 인가되지 않는다.
이상적 전압 변동 곡선과의 편차들은 곧바로, 사전 설정된 설정 값과 전기 히터(14) 내에서 변환되는 전기 출력의 편차를 야기한다. 이는 펄스폭 변조의 듀티 계수가 작은 경우에 특히 강하게 작용한다.
도시된 실시예의 경우, 람다 센서는 각각 존재하는 온보드 전압(on-board voltage)에 따라 12V 또는 24V의 공칭 시스템 전압의 공급 전압(24)에서 작동된다. 24V에서 작동 시 듀티 계수의 값은 12V에서의 작동에 비해 ¼이다. 그로 인해, 특히 람다 센서의 이른바 보호 가열의 범위에서 개회로 제어 방식으로 설정된 출력이 매우 낮은 경우, 전형적으로 1% 미만 범위의 매우 작은 듀티 계수가 제공된다. 여기서 가열 신호의 스위칭 에지들은 실제로 전기 히터(14) 내에서 변환된 출력에 큰 영향을 미친다. 그러나 이 경우, 스위칭 에지들의 경사도는 이용되는 부품들에 의해, 또는 24V에서 증가한 전자기 방출에 의해서도 제한된다. 사전 설정값과 실제 변환된 가열 용량의 편차는 오작동으로 인한 높은 현장 고장의 위험을 초래한다.
그러므로 본 발명에서는, 전기 부하 장치, 본 실시예에서는 히터(14)에서의 실제 전압 변동을 측정하여, 사전 설정된 전압 변동과 비교하고, 편차가 있을 경우 그에 상응하게 펄스폭 변조의 듀티 계수를 적절히 조정한다. 비교를 위해, 실제 히터 전압 변동(23)으로부터 사전 설정된 설정 유효 전압과 비교할 유효 전압이 결정된다.
도 1에 도시된 회로 장치에 상응하게, 본 실시예에서는 공급 전압(24)과, 파워 출력단(16) 위쪽의 제1 측정 단자(15)에서 측정된 출력단 전압 변동(21) 사이의 편차로부터 실제 히터 전압 변동(23)이 도출된다. 하기에서는 분석을 위한 가능 시퀀스 및 대안 시퀀스를 설명한다.
1. FET가 차단된 조건에서 사전 설정된 개수의 측정점들을 통해 파워 출력단(16) 상에서의 측정 전압(U_mess_i)을 검출.
2. 기준 전압(U_ref)으로서, 검출된 측정값들(U_mess_i)에 대한 평균값을 계산. 기준 전압(U_ref)은 공급 전압(24)에 상응한다.
3. 사전 설정된 샘플링 시점들(U_mess_i)에서 출력단 전압 변동(21)을 측정. 이어서 각각의 샘플링 시점에 대해:
Figure pat00001
기준 전압과 각각의 전압(U_mess) 사이의 편차로서 히터(14)에 의한 전압 강하(U_heater_i)를 계산: (U_heater_i = U_ref - U_mess_i).
Figure pat00002
U_heater_i의 제곱 구하기.
4. 샘플링 시점들에 걸쳐 U_heater_i의 제곱의 합계 구하기.
5. 펄스폭 변조의 주기에 대한 관계:
Figure pat00003
Signal_1 = 합계((U_heater_i)2/(PWM 주기 지속 x f_sample)). 이 식에서 f_sample은 샘플링 속도를 나타낸다.
6. Signal_1의 근으로서 히터(14)에서의 유효 전압(U_heff)을 검출. 유효 전압은, 파워 출력단(16)의 에지 허용오차, 지연, 전류 제한 및 그 내부 저항을 포함하는 히터 전압 변동(23)의 현재 특성을 규정한다.
7. 인수(F = U_heff/U_hsoll)를 계산함으로써, 사전 설정된 설정 유효 전압(U_hsoll)과 비교: .
8. 상기 인수(F)를 기반으로 펄스폭 변조의 듀티 계수를 보정.
그 대안으로, 위의 4항 및 5항 대신 하기의 시퀀스가 이용될 수 있다. 대안 시퀀스는 펄스에 걸친 샘플링 속도들이 가변적으로 포함된다는 장점을 보여준다.
4a. U_heater의 제곱된 값들을 계산
5a. ADC의 샘플링을 고려하여 합산값을 계산.
Figure pat00004
Signal_1 = 합계((U_heater_i)2 * Δt_ADC_i/PWM 주기 지속), 여기서 Δt_ADC_i는 각각의 신호 섹션의 지속을 나타낸다.
도 4에는, 도 1에서 소개된 제어 장치(12)의 파워 출력단(16)에 분압기가 추가된 모습이 도시되어 있다. 상기 분압기는 제1 저항(30)과 제2 저항(32)으로 구성된다. 저항들(30, 32) 사이에 제2 측정 단자(31)가 배치되어 있다.
출력단 전압 변동(21) 및 그와 더불어 히터 전압 변동(23)은 바람직하게 미도시된 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 측정된다. 분압기는 아날로그-디지털 컨버터의 측정 범위에 적합하게 측정 전압을 조정할 수 있게 한다. 그러한 아날로그-디지털 컨버터는 최근의 엔진 제어 유닛(ECU)으로서 구현된 제어 장치들(12)에 이미 제공되어 있다. 분압기만큼의 간단한 제어 장치(12)의 확장을 통해, 상기 아날로그-디지털 컨버터는 출력단 전압 변동(21)의 검출에 사용될 수 있다.
도 5에는 전기 부하 장치의 출력 제어를 위한 제2 전기 회로도가 도시되어 있다. 여기서는 이미 도 1과 관련하여 언급한 동일한 도면 부호들이 사용된다. 제1 전기 회로도와 다르게, 파워 출력단(16)은 고압측 스위치로서 형성되고 제1 공급 라인 저항(13)을 통해 전압원(10)과 연결된다. 히터(14)는 전기 부하 장치로서 파워 출력단(16)과 접지(17) 사이에 배치된다. 제1 측정 단자(15)에서 히터 전압 변동(23)이 접지로 연결된 히터(14)를 통해 직접 검출될 수 있다. 여기서도 아날로그-디지털 컨버터의 측정 범위에 적합하게 측정 전압을 조정하기 위해 분압기를 사용할 수 있다.
본원의 방법은 낮은 하드웨어 비용으로 구현되는 동시에, 제어 장치(12) 내에서의 공간 수요도 적다. 본원의 방법 및 장치는 배기가스 센서에만 사용되어야 하는 것은 아니며, 많은 다른 전기 부하 장치를 위해, 사용되는 파워 출력단(16)의 유형과 무관하게 사용될 수 있다. 더 높은 공차를 갖는 파워 출력단들도 사용될 수 있으며, 그럼으로써 비용이 절감될 수 있다. 파워 출력단(16)을 통한 전압 변동은 추가로 파워 출력단(16) 및 부하 장치의 진단을 위해 이용될 수 있다.
계산 용량을 절약하기 위해, 예상 출력단 전압 변동(21)에 적합하게 샘플링 시점들을 조정하는 것이 바람직하다. 예컨대 파워 출력단(16)의 차단 시 전류가 무시될 수 있다면, 이 경우에는 측정점이 검출되지 않거나 소수의 측정점만 검출된다.
부품 분산은 특히 펄스의 에지 영역에서 관련되므로, 여기서는 높은 샘플링 속도가 중요하다.
전형적인 PWM 주파수 및 제어의 경우, 단일 펄스 또는 소수 펄스의 분석으로부터 많은 펄스를 추론할 수 있으며, 그럼으로써 사전 설정된 비율의 펄스만 측정하고 분석하면 된다. 전형적인 광대역 람다 센서의 경우, 펄스폭 변조 시 주파수는 약 100Hz이다. 여기서는 예컨대 매 100번째 펄스만 분석하는 것으로도 충분할 수 있으며, 이는 측정 및 계산 복잡성을 현저히 감소시킨다.

Claims (12)

  1. 파워 출력단(16)을 이용한 전기 부하 장치의 출력 제어 또는 전압 제어 방법이며, 출력 제어 또는 전압 제어는 설정 가능한 듀티 계수를 갖는 펄스폭 변조(PWM)를 통해 이루어지고, 펄스폭 변조의 주기는 스위치 온 영역과, 스위치 오프 영역과, 2개의 에지 영역으로 형성되는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법에 있어서,
    전기 부하 장치상에서의 전압 변동을 검출하고, 상기 전압 변동으로부터 상기 전기 부하 장치상에서의 실제 유효 전압을 계산하고, 상기 실제 유효 전압을 사전 설정된 설정 유효 전압과 비교하고, 실제 유효 전압이 사전 설정된 설정 유효 전압에 상응하는 방식으로 펄스폭 변조의 듀티 계수를 변경하는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전압 변동은 적어도 상기 펄스폭 변조의 주기에 걸쳐, 또는 상기 펄스폭 변조의 하나 이상의 펄스에 걸쳐, 또는 상기 펄스폭 변조의 펄스의 하나 이상의 에지에 걸쳐 검출되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압 변동은, 사전 설정된 샘플링 시점들에서 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 검출된 전압값들로부터 산출되고, 상기 아날로그-디지털 컨버터의 샘플링 시점들은 예상 전압 변동에 적합하게 조정되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 펄스폭 변조의 펄스의 에지 영역들에서 샘플링 속도가 증가하고, 펄스폭 변조의 스위치 오프 영역 및 스위치 온 영역에서는 샘플링 속도가 감소하는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압 변동은 펄스폭 변조의 각각의 주기 동안, 또는 상기 펄스폭 변조의 사전 설정되어 선택된 주기들 동안 결정되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 전기 부하 장치상에서의 전압값들은 각각의 샘플링 시점들에서 제곱되고, 상기 전압값들의 제곱들은 현재의 샘플링 속도와 펄스폭 변조의 주기 지속에 관련되고 합산되며, 그렇게 하여 구해진 합계의 근으로부터 실제 유효 전압이 검출되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  7. 제3항에 있어서, 다양한 샘플링 속도가 사용되며, 상기 전기 부하 장치상에서의 전압값들이 각각의 샘플링 시점들에서 제곱되고, 각각 2개의 샘플링 시점 사이의 시간 편차들과 펄스폭 변조의 주기 지속의 비와 전압값들의 제곱의 곱들이 합산되며, 그렇게 하여 구해진 합계의 근으로부터 실제 유효 전압이 검출되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실제 유효 전압과 사전 설정된 설정 유효 전압 사이의 비로부터 인수가 구해지고 상기 펄스폭 변조의 듀티 계수가 상기 인수로 보정되거나, 실제 유효 전압과 사전 설정된 설정 유효 전압의 편차로부터 오프셋이 구해지고 펄스폭 변조의 듀티 계수가 각각 그 자체로 고려되거나 본원의 방법과 조합되어 상기 오프셋으로 보정되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기 부하 장치상에서의 전압값의 결정을 위해 스위치 오프 영역에서 상기 파워 출력단(16) 상에서의 기준 전압이 결정되며, 전압값들은 이 기준 전압과, 에지 영역 또는 스위치 온 영역 동안 파워 출력단(16) 상에서 검출된 측정 전압의 편차로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파워 출력단(16) 상에서의 전압은 아날로그-디지털 컨버터의 측정 범위에 적합하게 조정하기 위한 분압기에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 방법.
  11. 파워 출력단(16)을 이용하여 전기 부하 장치를 출력 제어하거나 전압 제어하기 위한 장치이며, 상기 출력 제어는 설정 가능한 듀티 계수를 갖는 펄스폭 변조(PWM)를 통해 이루어지고, 상기 펄스폭 변조의 주기는 스위치 온 영역과, 스위치 오프 영역과, 2개의 에지 영역을 통해 형성되는, 출력 제어 또는 전압 제어 장치에 있어서,
    상기 출력 제어 또는 전압 제어 장치는 상기 전기 부하 장치상에서의 전압 변동을 검출하기 위한 수단을 포함하고, 상기 출력 제어 또는 전압 제어 장치는 상기 전압 변동으로부터 상기 전기 부하 장치상에서의 실제 유효 전압을 계산하기 위한 프로그램 시퀀스를 포함하고, 상기 출력 제어 또는 전압 제어 장치는 사전 설정된 설정 유효 전압과 실제 유효 전압을 비교하기 위한 비교단을 포함하며, 상기 출력 제어 또는 전압 제어 장치는 상기 실제 유효 전압이 상기 사전 설정된 설정 유효 전압에 상응하는 방식으로 상기 펄스폭 변조의 듀티 계수를 변경하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전기 부하 장치는 옴 부하 장치로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 출력 제어 또는 전압 제어 장치.
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