KR20140119145A

KR20140119145A - 압전 액추에이터의 충전 또는 방전을 위한 방법 및 제어 장치

Info

Publication number: KR20140119145A
Application number: KR1020147023439A
Authority: KR
Inventors: 옌스-홀거 바르트; 마쿠스 크릭; 보리스 오스텐도르프; 마르코 그라프
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-10-08
Also published as: BR112014018182A2; BR112014018182A8; BR112014018182B1; EP2807363B1; CN104066958A; DE102012201161A1; CN104066958B; KR101951517B1; EP2807363A1; WO2013110522A1

Abstract

본 발명은, 특히 내연기관의 분사 밸브의 압전 액추에이터(100)를 충전 또는 방전하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 액추에이터(100)의 제1 단자(102)가 적어도 일시적으로 전달 인덕턴스(L)를 통해 제1 기준 전위(PB1)에 연결되며, 상기 방법은, 제1 기준 전위(PB1)와 액추에이터(100)의 제1 단자(102)에서의 전위(P102) 간 전위차에 따라 액추에이터(100)가 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 액추에이터의 충전 또는 방전을 위한 방법 및 제어 장치{METHOD AND CONTROL DEVICE FOR CHARGING OR DISCHARGING A PIEZO-ELECTRIC ACTUATOR}

본 발명은, 특히 내연기관의 분사 밸브의 압전 액추에이터를 충전 또는 방전하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 액추에이터의 제1 단자가 적어도 일시적으로 전달 인덕턴스를 통해 제1 기준 전위로 연결된다.

또한, 본 발명은 상기 유형의 방법을 실행하기 위한 제어 장치에 관한 것이다.

EP 1 139 448 B1호로부터, 압전 액추에이터를 충전 또는 방전하기 위한 방법 및 제어 장치가 이미 공지되었다. 그러나 공지된 방법은, 특히 압전 액추에이터의 제어가 비교적 단시간에 실행될 때, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전과 관련하여 제한된 정확성만을 가능케 한다. 특히 제어 장치 또는 액추에이터의 작동 동안 변동되는 변수들이 충분히 고려되지 않는다.

그러므로 본 발명의 과제는, 압전 액추에이터의 더욱 정밀한 충전 또는 방전이 가능해짐으로써, 특히 매우 적은 연료량을 이용한 연료 분사도 실행될 수 있도록 도입부에 언급한 유형의 방법 및 제어 장치를 개선하는 것이다.

상기 과제는, 도입부에 언급한 유형의 방법의 경우, 본 발명에 따라 제1 기준 전위와 액추에이터의 제1 단자에서의 전위 간 전위차에 따라 액추에이터가 제어됨으로써 해결된다.

본 발명에 따라, 기준 전위와 액추에이터의 제1 단자에서의 전위 간 전위차는 압전 액추에이터의 충전 또는 방전에 이용되는 전류의 시간별 거동에 실질적인 영향을 미치는 점이 확인되었다. 그러므로 본 발명에 따라 상기 전위차가 고려됨으로써 압전 액추에이터의 매우 정확한 제어가 가능해지며, 그럼으로써 특히 종래 기술에 비해 정확성이 높아진 비교적 짧은 제어 시간도 달성될 수 있다.

액추에이터의 매우 정확한 제어를 가능하게 하는 한 바람직한 실시예의 경우, 전위차는 반복적으로 검출된다. 예컨대 전위차는 압전 액추에이터 또는 이 액추에이터를 포함하는 분사 시스템의 작동 상태가 (계획된 것에 상응하게) 변동할 때마다, 또는 매번 변동하기 전에 결정될 수 있다. 특히 바람직하게는, 전위차의 주기적인 검출도 제공될 수 있으며, 그럼으로써 항상 실제로 존재하는 전위차에 따라 액추에이터의 제어가 실행될 수 있는 점이 보장된다. 특히 바람직하게는, 전위차를 검출하는 시점과 액추에이터를 제어하는 시점 사이의 전위차의 중간 변동에 의한 불필요한 오류를 최대한 적게 유지하기 위해, 전위차는 액추에이터의 계획된 제어 전에, 특히 바람직하게는 계획된 제어 전 최대한 단시간에 검출된다.

또 다른 한 바람직한 실시예의 경우, 액추에이터는 전류 펄스를 이용하여 충전 및/또는 방전되며, 그럼으로써 본 발명에 따른 방법은 압전 액추에이터들을 위한 제어 장치들의 기존의 아키텍처들에 호환될 수 있다. 또한, 전류 펄스의 이용을 통해, 압전 액추에이터를 위한 평균 충전 전류 또는 평균 방전 전류의 매우 정확한 조정이 가능하다.

또 다른 한 바람직한 실시예의 경우, 충전을 위해, 액추에이터의 제1 단자는, 전달 인덕턴스를 통해 액추에이터 내로 유입되는 충전 전류가 사전 설정 가능한 제1 설정값을 초과할 때까지, 적어도 1회, 바람직하게는 수회 제1 기준 전위에 연결된다. 제1 설정값의 초과가 인지되면, 곧바로 액추에이터 또는 전달 인덕턴스가 바람직하게는 제1 기준 전위로부터 다시 분리될 수 있으며, 전달 인덕턴스의 자기장의 소멸 시 계속해서 전달 인덕턴스를 통해 흐르는 전류는 계속해서 액추에이터 내로 유입된다. 나아가, 특히 바람직하게는, 충전 전류에 대한 전류 설정값의 하회 후 또다시 액추에이터의 제1 단자는 공지된 방식으로 충전 전류를 다시 증가시키기 위해, (전달 인덕턴스를 통해) 제1 기준 전위에 연결될 수 있다.

앞에서 기술한 방법을 통해, 압전 액추에이터의 충전은 전류 펄스를 이용하여 특히 효율적으로 실현된다. 이 경우, 본 발명에 따라 액추에이터의 제어를 위해 전위차가 고려됨으로써, 압전 액추에이터 또는 그의 제1 단자와 충전에 이용되는 기준 전위 간 전위차가 비교적 크다면, 바람직하게는 매우 큰 정밀도로, 압전 액추에이터를 위한 비교적 낮은 평균 충전 전류가 설정될 수도 있다. 그 결과로, 일반적으로 액추에이터 충전의 정확성 및 그와 더불어 충전에 수반되는 액추에이터 행정의 정확성이 향상될 수 있으며, 이는 특히 분사 밸브의 부재들을 작동시키기 위해 액추에이터를 이용할 때 바람직하다.

전체적으로, 본 발명에 따른 방법을 이용함으로써 액추에이터를 관류하는 충전 전류 또는 방전 전류의 시간별 거동이 더욱 정확하게 제공될 수 있다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 예컨대 전달 인덕턴스를 관련 기준 전위와 연결하거나, 관련 기준 전위로부터 분리하는 반도체 스위치에 의해 실현되는 것과 같은 충전 또는 방전 스위치들에 더욱 낮은 평균 스위칭 전압이 인가되기 때문에, 출력 손실도 보다 덜 발생한다.

본 발명의 또 다른 한 장점은, 압전 액추에이터의 이용 시, 소량 및 최소량 분사의 구현 가능성이 개선되는 동시에 행정간 편차(stroke-to-stroke deviation)도 감소한다는 점이다.

또 다른 한 바람직한 실시예의 경우, 방전을 위해, 액추에이터의 제1 단자는, 전달 인덕턴스를 통해 액추에이터로부터 방출되는 방전 전류가 사전 설정 가능한 제2 설정값을 초과할 때까지, 적어도 1회, 그러나 바람직하게는 수회, 제2 기준 전위에 연결된다. 제2 기준 전위를 위해, 예컨대 액추에이터를 제어하는 제어 장치의 공통 접지 전위가 사용되는 한편, 제1 기준 전위를 위해서는 예컨대 자동차 전기 시스템 전압, 또는 이 자동차 전기 시스템 전압으로부터 유도되는 상대적으로 더 높은 직류 전압처럼, 상기 공통 접지 전위와는 상이한, 특히 더 큰 전위가 사용된다.

또 다른 한 바람직한 실시예의 경우, 제1 기준 전위를 제공하기 위해 용량성 소자가 이용되고, 이 용량성 소자에 인가되는 전압이 검출되며, 바람직하게는 액추에이터에 인가되는 전압도 검출된다. 용량성 소자는 예컨대 적합한 충전 회로를 통해 목표 전압으로 충전되는 버퍼 커패시터일 수 있다. 버퍼 커패시터의 정격 전압은 예컨대 액추에이터의 작동 동안 액추에이터가 충전되는 최대 전압보다 약간 더 큰 전압일 수 있다.

본 발명에 따른, 제1 기준 전위와 액추에이터의 제1 단자에서의 전위 간 전위차의 고려는, 본 실시예에서 예컨대 버퍼 커패시터에서의 전압이 검출되고, 액추에이터에서의 전압도 검출됨으로써 수행될 수 있다. 상기 정보들로부터, 제1 기준 전위와 액추에이터의 제1 단자에서의 전위 간 전위차도 추론될 수 있으며, 이는, 특히 액추에이터뿐 아니라 버퍼 커패시터도 공통 기준 전위로서 접지 전위를 갖는 경우 매우 간단하다. 이 경우, 제1 기준 전위와 공통 접지 전위 간 전위차는 버퍼 커패시터에서의 전압에 상응하며, 압전 액추에이터의 제1 단자와 공통 접지 전위 간 전위차는 압전 액추에이터에 인가된 전압에 상응한다.

압전 액추에이터에 직렬로 연결되고, 예컨대 매우 작은 저항값을 보유함으로써 전류 측정이 공지된 방식으로 가능하게 하는 직렬 저항들이 제공될 경우, 본 발명의 원리 역시 바람직하게 적용될 수 있으며, 경우에 따라서는 직렬 저항들에서 발생하는 전압 강하가 고려될 수 있다.

또 다른 한 바람직한 실시예의 경우, 충전 동안 액추에이터를 통해 흐르는 전류의 시간별 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 변수는 제1 기준 전위 또는 제2 기준 전위와 액추에이터의 제1 단자에서의 전위 간 전위차에 따라 선택된다. 충전 전류에 영향을 미치는 변수는 예컨대 충전을 위해 이용되어야 하는 전류 펄스 패턴의 매개변수일 수 있다. 특히 상기 매개변수는 충전 전류 또는 방전 전류에 대한 앞에서 이미 기술한 제1 또는 제2 설정값일 수 있다. 본 실시예의 기능 원리는 액추에이터의 방전 과정에도 유사하게 적용될 수 있다.

앞에서 기술한 영향 변수를 선택하기 위해, 충전 동안에는 바람직하게 제1 기준 전위와 압전 액추에이터의 제1 단자의 전위 간 전위차가 고려되는 한편, 방전 중에는 제2 기준 전위(예: 접지)와 압전 액추에이터의 제1 단자의 전위 간 전위차가 고려된다.

또 다른 한 바람직한 실시예의 경우, (충전 또는 방전 전류에 대한) 제1 설정값 및/또는 제2 설정값은 전위차에 따라 선택된다. 특히 바람직하게는, 추가로 제1 및/또는 제2 설정값은 액추에이터를 제어하는 제어 장치 또는 그 구성요소의 하나 이상의 대기 시간에 따라 선택될 수 있다. 그 결과로, 제어 장치가 작동 상태의 변동 또는 제어 변수들의 변동을 임의로 신속하게 실행하거나 구현할 수 있는 것이 아니라, 고려되는 대기 시간(예: 반도체 스위치들 또는 이들 반도체 스위치를 위한 구동단들(driving stage) 또는 컴퓨터 유닛 등의 제어 시 신호 전파 시간)의 존재 하에서만 실행하거나 구현할 수 있음으로써 발생하는, 고려되는 작동 변수들(전류, 전압)의 시간별 변량이 고려될 수 있다. 특히 바람직하게는, 충전 전류에 대한 제1 설정값 또는 방전 전류에 대한 제2 설정값을 선택하기 위해, 전달 인덕턴스의 인덕턴스 값, 즉 전달 인덕턴스의 실제 인덕턴스 값이 추가로 고려될 수 있다.

본 발명의 과제의 또 다른 해결책으로서, 특허 청구항 제9항에 따른 제어 장치가 제공된다. 그 밖의 바람직한 구현예들은 종속 청구항들의 대상이다.

본 발명의 또 다른 특징들, 적용 가능성들 및 장점들은 도면들에 도시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대한 하기 기술 내용에 제시되어 있다. 여기서 기술되거나 제시되는 특징들은, 특허청구범위 내에 기재된 이들의 요약이나 그 인용 관계와 무관하게, 그리고 명세서 및 도면에 작성되고 도시된 것과 무관하게, 그 자체로, 또는 임의로 조합된 형태로 본 발명의 대상을 형성한다.

도 1은, 본 발명에 따른 제어 장치의 제1 실시예의 회로의 개략도이다.
도 2a는, 압전 액추에이터의 충전에 이용되는 제1 작동 상태에 있는, 도 1에 따른 회로의 개략도이다.
도 2b는, 압전 액추에이터의 방전에 이용되는 제2 작동 상태에 있는, 도 1에 따른 회로의 개략도이다.
도 3은, 충전 과정 동안 압전 액추에이터의 다양한 작동 변수들을 개략적으로 나타낸 시간 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개략적인 블록선도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 단순화하여 나타낸 흐름도이다.

도 1에는, 압전 액추에이터(100)를 위한 제어 장치(200)의 회로(220)가 도시되어 있다. 제어 장치(200)는, 전압원(215)(예: 자동차 전기 시스템 배터리)에 의해 그 입력측에 공급되는 직류 전압으로부터 출력 직류 전압을 생성하는 DC(direct current)/DC 컨버터(210)를 포함하며, 상기 출력 직류 전압은 예컨대 전압원(215)의 입력 전압보다 더 크다. 여기서, DC/DC 컨버터(210)의 출력 전압은 예컨대 대략 200볼트일 수 있다.

제어 장치(200)의 회로(220)의 버퍼 커패시터(C)는 DC/DC 컨버터(210)에 의해 DC/DC 컨버터(210)의 출력 전압으로 충전된다. 버퍼 커패시터(C)에 인가되는 전압은 여기서 도면 부호 "UC"로 표시되어 있다. 도 1에서 버퍼 커패시터(C)의 하부측 단자는, 제2 기준 전위(PB2)에 상응하는 공통 접지 전위와 직접 연결되기 때문에, 버퍼 커패시터(C)에서의 전압(UC)은, 도 1에서 버퍼 커패시터(C)의 상부측 단자에 인가된 제1 기준 전위(PB1)와 공통 접지 전위(PB2) 간의 전위차에 상응한다.

또한, 회로(220)는 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 포함하며, 이들 스위치는 상호 직렬로 접속된다. 스위치들(S1 및 S2)의 직렬 회로는 도 1에서 알 수 있는 것처럼 버퍼 커패시터(C)에 병렬로 접속된다.

마찬가지로 2개의 다이오드(D1, D2)로 이루어진 직렬 회로도 버퍼 커패시터(C)에 병렬 연결되며, 이때 제1 다이오드(D1)의 캐소드는 도 1에서 버퍼 커패시터(C)의 상부측 단자와, 다시 말해 제1 기준 전위(PB1)와 연결되며, 제2 다이오드(D2)는 그의 애노드가 접지 전위 또는 제2 기준 전위(PB2)와 연결되도록 배치된다.

다이오드들(D1 및 D2)과 스위치들(S1, S2) 사이에는 노드점(K)이 정의되며, 이 노드점에서 전달 인덕턴스(L)가 도 1에 더 상세하게 표시되지 않은 제1 단자와 연결된다. 전달 인덕턴스(L)의 제2 단자는 압전 액추에이터(100)의 제1 단자(102)에 접속된다. 압전 액추에이터(100)의 제2 단자(104)는 여기서 공통의 제2 기준 전위(PB2)(접지 전위)와 연결된다.

제어 장치(200)의 제어, 특히 예컨대 반도체 스위치들(예컨대 스위칭 적용을 위해 최적화된 전계 효과 트랜지스터들)일 수 있는 스위치들(S1, S2)의 제어는 여기서 제어 유닛(230)을 통해 수행된다. 이를 위해, 제어 유닛(230)은 예컨대 스위치들(S1, S2)로 상응하는 출력 신호들(221)을 송출한다. 또한, 제어 유닛(230)은, 예컨대 버퍼 커패시터(C)에서의 전위(PB1) 또는 전압(UC), 및/또는 액추에이터(100)의 제1 단자(102)에서의 전위(P102) 등을 특성화하는 변수들과 같은 디지털 변수들 또는 아날로그 변수들일 수 있는 하나 이상의 입력 신호(222)도 수신한다.

압전 액추에이터(100)의 충전을 위해, 제어 유닛(230)은 스위치들(S1, S2)을 도 2a에 도시된 상태로 제어한다. 이는, 제1 스위치(S1)는 폐쇄되고 제2 스위치(S2)는 개방됨을 의미한다. 그 결과로, 제1 기준 전위(PB1)로부터 제1 스위치(S1), 전달 인덕턴스(L) 및 압전 액추에이터(100)의 제1 단자(102)를 경유하여 최종적으로 공통 기준 전위(PB2)(접지)까지에 이르는 전류 경로가 정의되며, 이 전류 경로는 버퍼 커패시터(C)로부터 전달 인덕턴스(L)를 통과하여 압전 액추에이터(100) 내로 이어지는 전류 흐름(I_L)을 가능하게 한다. 상기 전류 흐름은 압전 액추에이터(100)의 전기 충전에 이용되는 충전 전류(I_L)를 나타낸다. 액추에이터(100)가 더 이상 충전되지 않아야 하면, 곧바로 제어 유닛(230)은 예컨대 제1 스위치(S1)를 개방할 수 있고, 그럼으로써 우선 전류 흐름은 전달 인덕턴스(L)를 통해, 요컨대 소자들(D2, L, 100)을 통해 계속 흐르게 된다. 그러나 전달 인덕턴스(L)의 자기장의 소멸 후 스위치들(S1, S2)이 개방된 상태로 유지되는 한, 압전 액추에이터(100)의 추가 충전 과정은 실시되지 않는다.

도 2b에는, 압전 액추에이터(100)의 방전에 이용되는 제2 작동 상태에 있는 제어 장치(200)가 도시되어 있다. 제2 작동 상태에서, 제1 스위치(S1)는 개방되고 제2 스위치(S2)는 폐쇄된다. 이런 방식으로, 액추에이터(100)의 제1 단자(102)로부터 전달 인덕턴스(L) 및 폐쇄된 제2 스위치(S2)를 경유하여 접지 전위(PB2)까지 이르는 전류 경로가 형성된다. 그 결과로, 방전 전류(I_E)는 액추에이터(100)로부터 전달 인덕턴스(L)를 경유하여 접지 전위(PB2) 쪽으로 흐를 수 있으며, 상기 방전 전류는 공지된 방식으로 압전 액추에이터(100)를 방전한다. 압전 액추에이터(100)가 더 이상 계속 방전되어서는 안 된다면, 곧바로 제2 스위치(S2)가 개방되고, 여전히 전달 인덕턴스(L)에 존재하는 자기장의 소멸을 위해 액추에이터(100)로부터 전달 인덕턴스(L) 및 다이오드(D1)를 경유하여 도 2b에서 버퍼 커패시터(C)의 상부측 단자까지 이르는 대체 전류 경로가 형성될 수 있으며, 그럼으로써 압전 액추에이터(100)의 방전 전류의 적어도 일부분이 버퍼 커패시터(C) 내로 전기 에너지를 재공급하기 위해 이용될 수 있다. 이런 작동 원리는 이미 공지된 것이며, 이에 대한 추가 세부 사항은 예컨대 도입부에 이미 언급한 EP 1 139 448 B1호에 기술되어 있다.

도 3에는, 충전 과정 동안 압전 액추에이터(100) 또는 제어 장치(200)의 여러 작동 변수의 시간별 거동이 도시되어 있다.

여기서는, 액추에이터(100)가 시점 t0에 완전히 방전되어, 충전 전압 U0 = 0V를 갖는다고 가정한다. 또한, 시점 t0에서는, 압전 액추에이터(100)의 충전을 위해 이미 앞에서 도 2a를 참조하여 기술한 제어 장치(200)의 작동 상태가 조정되며, 그 결과 도 3에 마찬가지로 재현된 충전 전류(I_L)가 조정된다. 실질적으로 제어 장치(200)의 회로 기술적 조건들에 의해, 특히 압전 액추에이터(100)에 대해 직렬로 전달 인덕턴스(L)가 제공됨으로써, 시점 t0과 t1 사이에서 충전 전류(I_L)의 실질적으로 선형인 첫 번째 상승이 나타난다.

여기서, 액추에이터(100)의 충전은 펄스 방식으로 수행되어야 하며, 충전 전류(I_L)는 바람직하게 항상 사전 설정 가능한 제1 설정값(I_L_soll)에 도달하는 즉시 차단되어야 한다. 이는, 도 3에서 알 수 있는 것처럼, 최초로 시점 t1에서 발생한다. 그러나 실제 충전 전류(I_L)의 측정 및 이에 후속하는, 예컨대 스위치들(S1, S2)의 제어와도 관련된 신호 검출 및 처리 시 대기 시간들에 기초하여, 도 2a에 따른 충전 전류 경로의 차단을 위해 제1 스위치(S1)를 실제로 개방할 때까지, 시점 t2까지 시간 지연이 발생한다. 시간 차(t2-t1)는 실질적으로 제어 장치(200)의 대기 시간들에 의해 좌우된다. 도 3에 따른 시간별 거동(I_L)에서는, 대기 시간(t1, t2) 동안 충전 전류(I_L)가 의도하지 않게 높은 최대값(Imax)으로 실질적으로 선형으로 계속 상승하는 것을 알 수 있다. 충전 전류 경로가 스위치(S1)의 개방을 통해 실제로 차단되는 시점 t2에 비로소, 충전 전류(I_L)는 (또다시 실질적으로 선형으로) 시간에 따라 감소하며, 그럼으로써 도 3에서 대략 시점 t4까지, t0 내지 t4의 시간 범위 내에서 그에 상응하게 표시된 수평의 파선으로 상징화된 것과 같은 평균된 충전 전류(I1m)가 생성된다.

이로부터, 평균 충전 전류(I1m)는 충전 전류(I_L)에 대한 사전 설정 가능한 제1 설정값(I_L_Soll)을 실질적으로 초과하며, 그럼으로써 압전 액추에이터(100)의 전기 충전 시 부정확성이 발생한다는 점을 알 수 있다.

예컨대 제어 유닛(230)에 의해 이미 앞에서 기술한 방식으로 계측학적으로 검출된 실제 충전 전류(I_L)가, 다시 제1 설정값(I_L_soll) 미만으로 떨어지면(이는 주로 시점 t3에 수행됨), 곧바로 상응하는 충전 전류 경로를 통해 제2 충전 전류 펄스를 가능하게 하기 위해, 스위치(S1)가 다시 폐쇄된다. 그러나 추가 대기 시간들로 인해, 제1 스위치(S1)의 실질적인 폐쇄는 시점 t4에 비로소 수행되며, 실제로 충전 전류(I_L)가 사전 설정 가능한 제1 설정값을 하회한 시점 t3에서 미리 수행되지 않는다.

이는, 시점 t4에서 비로소 제1 스위치(S1)(도 2a)가 다시 폐쇄되고, 그 결과 충전 전류(I_L)가 다시 실질적으로 선형으로 상승함을 의미한다. 따라서, 후속 시점 t5에서 충전 전류(I_L)는 다시 제1 설정값(I_L_soll)을 초과하며, 그 때문에 제어 유닛(230)은 또다시 제1 스위치(S1)를 개방하여 충전 전류 경로의 차단을 유발하게 된다. 그러나 이는 추가 대기 시간들로 인해 후속 시점 t6에서 비로소 수행된다. 시점들(t5, t6) 사이의 대기 시간은, 이미 기술한 대기 시간(t1, t2)에 상응하면서, 스위치(S1)의 개방 과정과, 충전 전류(I_L)에 대해 사전 설정 가능한 제1 설정값의 초과의 인지를 위해, 제어 장치(200)의 개별 요소들(230, S1)의 합해진 대기 시간들을 나타낸다.

시점 t6에서 제1 스위치(S1)(도 2a)는 다시 개방되며, 그럼으로써 충전 전류(I_L)는 또다시 감소하고 제어 패턴이 반복된다.

앞에서 기술한 방식으로, 바람직하게는 전기 액추에이터(100)의 충전 과정이 전류 펄스들(P1, P2, P3, ...)에 의해 구현될 수 있다.

그러나 시스템 고유의 대기 시간들[간격 (t1,t2),(t3,t4),(t5,t6)]로 인해, 상응하는 전류 펄스들(P1, P2, P3)에 대한 실제 발생하는 평균 충전 전류(I1m, I2m, I3m)는 통상 충전 전류(I_L)에 대한 제1 설정값(I_L_soll)과 상이하며, 그 결과, 이미 기술한 것처럼, 충전 중 압전 액추에이터(100)의 제어 시 부정확성이 발생하게 된다. 이런 부정확성은 액추에이터(100)에 의해 작동되는 분사 밸브(미도시)에 의한 연료 조절 시 정밀성을 악화시킨다.

도 3에는, 충전 전류(I_L)의 시간별 거동에 추가로, 압전 액추에이터(100)(도 2a)에서의 전압(U100)이 도시되어 있다.

본 발명에 따라, 액추에이터(100)의 제1 단자(102)와, 회로(220)의 노드점(K)(도 1)이 연결되는 기준 전위(예: PB1, PB2) 간 전위차가 액추에이터(100)의 충전 과정 또는 방전 과정에 실질적인 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

특히 충전 전류(I_L)(도 3)의 시간별 거동의 기울기는 지점들(K와 102) 사이의 전위차에 따라 좌우된다. 이는 방전 전류(I_E)에도 적용된다.

그러므로 본 발명에 따라, 액추에이터(100)의 전기 제어 시, 특히 충전 및/또는 방전을 위해, 상기 전위차를 고려하는 점이 제안된다.

도 3은 액추에이터(100)의 충전 전압(U100)을 표시한 그래프에서, 앞에서 도 3을 참조하여 기술한 충전 과정 중 여러 작동 시점에서 본 발명에 따라 고려되는 전위차를 보여준다.

지점(102)(도 1)과 노드점(K) 사이의 제1 전위차(PD1)는 충전 과정의 개시 시점(t = t0)에 정해진다. 그에 상응하게, 시점들(t0, t2) 사이에, 충전 전류(I_L)가 그에 상응하는 기울기로 일시적으로 상승하는 충전 과정이 설정된다.

시점(t4)에서 제1 스위치(S1)가 다시 폐쇄될 때 액추에이터(100)는 이미 제1 전압(U1 > U0)으로 충전되어 있음으로써, 전달 인덕턴스(L)를 통해 작용하는 전위차(PD2)는 시점 t4에서 시점 t0의 제1 전위차(PD1)보다 상응하게 더 작아진다.

이는 추가 전위차들(PD3, PD4)에도 적용된다.

앞에서 설명한 전위차들(PD1, ..., PD4)에 상응하게, t0부터, 또는 t4 등에서부터 상응하는 충전 시간 범위 내에 그에 상응하는 시간 기울기를 갖는 충전 전류(I_L)가 설정된다.

본 발명에 따라, 충전 또는 방전을 목적으로, 특히, 예컨대 서로 상이한 전류 펄스들(P1, P2, P3)에 대한 평균 충전 전류(I1m, I2m, I3m)를 더욱 정확하게 설정한다는 의미에서, 전위차에 따라 압전 액추에이터(100)의 제어를 수정하기 위해, 전위차들(PD1, PD2, ...), 또는 일반적으로 압전 액추에이터(100)의 제1 단자(102)와, 노드점(K) 또는 이 노드점(K)이 연결되는 기준 전위(PB1, PB2) 간 전위차를 고려하는 점이 제안된다.

계속해서 바람직하게는 (알고 있거나, 검출 가능하거나, 결정되는 한) 전달 인덕턴스(L)에서의 전위차의 고려를 대체하거나 이를 보충하여, 예컨대 충전 전류(I_L)의 검출 시 또는 스위치들(S1, S2)의 제어 시 발생하는 것과 같은 제어 장치(200)의 하나 이상의 대기 시간이 액추에이터(100)의 제어를 위해 고려될 수 있으며, 그럼으로써 액추에이터(100)의 훨씬 더 정확한 제어가 가능해진다.

도 4에는 본 발명의 일 실시예의 단순화된 블록선도가 도시되어 있으며, 여기서는 앞에서 기술한 바람직하지 못한 효과들[설정값(I_L_soll)과 관련된 충전 전류(I_L)의 오버슈트 및 언더슈트]을 보상하기 위해, 설정값(I_L_soll) 대신 액추에이터(100)의 제어에 이용되는 보정된 설정값(I_L_soll')을 확보하기 위해, 충전 전류(I_L)에 대한 설정값(I_L_soll)이 보정 장치(240)에 의해 보정된다.

이 경우, 기능 블록(240)은 전달 인덕턴스(L)에서의 전위차, 다시 말하면 단자(102)(도 1)와 회로 노드(K) 사이의 전위차 및 제어 장치(200)의 상이한 대기 시간들의 본 발명에 따른 고려를 나타낸다.

기능 블록(240)에는 제1 계산 유닛(242)이 할당되며, 이 계산 유닛의 임무는 지점들(102, K) 간의 전위차에 따라, 그리고 필요한 경우 장치(200)의 기지의 대기 시간들에 따라 제1 보정 변수(K1)를 산출하여, 충전 전류 또는 이 충전 전류에 대한 설정값(I_L_soll)의 보정을 위해 기능 블록(240)으로 공급하는 것이다.

계산 유닛(242)에는, 버퍼 커패시터(C)(도 1)에 인가된 전압(UC)과 액추에이터 전압(U100)의 차를 구하여 이 차를 제1 계산 유닛(242)으로 공급하는 감산기가 할당된다. 또한, 제1 계산 유닛(242)에는, 제1 대기 시간을 특성화하면서, 예컨대 시험 셋업에서 시간 "t = t1 내지 t = t2(도 3)" 이내에 계측학적으로 검출되는 대기 시간들을 나타내는 변수(tL1)가 공급된다.

그 밖에도, 제1 계산 유닛(242)에는, 전달 인덕턴스(L)(도 1)의 실제 인덕턴스 값을 나타내는 추가 입력 변수(It)가 더 공급될 수 있다. 특성 변수(It)는 예컨대 제어 장치(200)의 특별한 측정 작동 모드에서 검출될 수 있거나, 적합한 계산 모들에 의해 제공될 수 있거나, 제어 유닛(230)의 프로그래밍 또는 매개변수화 시 명시될 수 있다.

입력 변수들(UC, U100, tL1, It)에 따라, 제1 계산 유닛(242)은 이미 기술한 것처럼 기능 블록(240)에서 설정값(I_L_soll)의 수정에 이용될 수 있는 제1 보정 변수(K1)를 산출한다. 예컨대 제1 보정 변수(K1)는, 설정값(I_L_soll)을 넘어서 충전 전류의 극도로 강한 오버슈트를 방지하기 위해, 예컨대 시점 t1(도 3) 이후의 대기 시간(tL1)으로 인해 전류 오버슈트가 일어나게 되고 본 발명에 따라 고려되는 임계값이 그에 상응하게 감소할 수 있음을 고려하기 위해, 제1 계산 유닛(242)의 입력 측에 대기 시간(tL1)에 대한 비교적 큰 값이 공급되면, 충전 전류(I_L)에 대한 설정값(I_L_soll)이 감소하게 할 수 있다.

유사한 방식으로, 액추에이터 전압(U100)과 제1 기준 전위(PB1)를 나타내는 커패시터 전압(UC) 사이의 차가 제1 계산 유닛(242)에서 고려된다. 예컨대 차(UC - U100)가 비교적 큰 경우, 충전 중에 그에 상응하는 기울기의 일시적 전류 상승이 추론될 수 있으며, 다시 설정값(I_L_soll)은, 충전 중 액추에이터(100)의 더욱 정확한 제어를 가능하게 하기 위해, 그에 상응하게 선택된 제1 보정 변수(K1)를 이용하여 노드점들(102, K) 사이의 비교적 큰 전위차에 맞추어 조정될 수 있다.

또한, 제1 계산 유닛(242)과 유사하게, 제2 보정 변수(K2)를 산출하여 설정값(I_L_soll)의 추가 보정을 위해 기능 블록(240)으로 공급하는 제2 계산 유닛(244)도 제공된다. 제2 계산 유닛(244)은 입력측에서 액추에이터 전압(U100)을 제공받는다. 요컨대, 액추에이터(100)의 충전 과정의 범주에서 제1 스위치(S1)를 개방한 후, 충전 전류(I_L)의 추가 시간별 거동에 적용될 수 있는 전위차는 근사법에 의해 액추에이터(100)의 제1 단자(102)와 공통 접지 전위(PB2) 사이의 전위차에 의해 정해진다. 그러므로 (여기서처럼) 액추에이터(100)의 제2 단자(104)가 공통 접지 전위(PB2)와 연결되어 한, 제1 스위치(S1)가 전류 펄스(P1, P2, P3) 동안 개방되면, 곧바로 액추에이터 전압(U100)이 전달 인덕턴스(L)에서의 전위차로서 작용한다. 이는, 액추에이터(100)의 충전 과정 중에 제1 스위치(S1)(도 1)가 폐쇄된 상태에서 출발하여 다시 개방되면, 곧바로 액추에이터 전압(U100)에 비례하는 충전 전류(I_L)의 시간별 전류 기울기가 나타남을 의미한다. 상기 변수는, 펄스들(P1, P2, P3)(도 3) 동안 충전 전류(I_L)의 하강 에지에서도 액추에이터(100)의 더욱 정확한 제어가 가능하도록, 예컨대 설정값(I_soll) 미만의 너무 큰 전류 언더슈트를 방지하기 위해, 본 발명에 따른 원리에 따라서 제2 계산 유닛(244)에 의해 바람직하게 고려된다. 예컨대 액추에이터 전압(U100)이 비교적 큰 값을 보유하는 한, 예컨대 t = t2 내지 t = t4의 시간 범위 내에서 충전 전류(I_L)가 그에 상응하는 기울기로 감소한다고 가정된다. 그에 상응하게, 사전 설정 가능한 설정값(I_L_soll)은, 제2 계산 유닛(244)에 의해 공급된 제2 보정 변수(K2)에 따라서, 대기 시간 범위(t = t3 내지 t = t4) 내에서 충전 전류의 언더슈트가 감소함에 따라 실제로 목표하는 충전 전류, 요컨대 설정 충전 전류(I_L_soll)에 대한 추가 근사가 달성되도록 보정될 수 있다.

제1 계산 유닛(242)과 유사하게, 제2 계산 유닛(244)도 바람직하게는 상응하는 대기 시간들(tL2) 및 전달 인덕턴스(L)의 실제로 유효한 인덕턴스(It)를 고려할 수 있다.

제1 계산 유닛(242)은 전술한 실시예에 상응하게 설정값(I_L_soll)을 상회하는 전류 오버슈트의 보상에 이용될 수 있고, 제2 계산 유닛(244)은 설정값(I_L_soll)을 하회하는 전류 언더슈트의 보상에 이용될 수 있다.

이 경우, 변수(tL2)는 바람직하게는 도 3에 따라서 시간 범위(t3, t4) 내에서의 원하지 않는 대기 시간에 대한 척도를 나타낸다.

기능 블록(240)은, 예컨대 특성 맵을 기반으로, 또는 가산 또는 승산 방식으로, 보정 변수들(K1, K2)에 따라서 충전 전류에 대한 사전 설정 가능한 설정값(I_L_soll)을 수정하며, 그럼으로써 충전 전류(I_L)에 대한 보정된 설정값(I_L_soll')이 획득된다. 상기 보정된 설정값(I_L_soll')에 의해, 액추에이터(100)는, 앞에서 수회 기술한 원치 않는 전류 오버슈트 또는 언더슈트의 효과들을 보상하기 위해, 바람직하게는 하나 이상의 후속 전류 펄스(P2)를 위해 작동된다.

도 4에 도시된 기능 블록들(240, 242, 244)의 기능들은 예컨대 제어 유닛(230)(도 1)의 컴퓨터 유닛, 예컨대 마이크로 컨트롤러 내에 통합될 수 있다.

도 5에는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 단순화된 흐름도가 도시되어 있다. 제1 단계(300)에서, 액추에이터(100)의 제1 단자(102)와, 제1 기준 전위(PB1) 사이의 전위차가 검출되며, 상기 제1 기준 전위는 예컨대 액추에이터(100)의 충전에 이용되고, 제1 스위치(S1)의 폐쇄 시 전달 인덕턴스(L)에 인가된다. 전위차의 검출(300)은 예컨대 커패시터 전압(UC) 및 액추에이터 전압(U100)의 측정을 통해, 그리고 두 요소(C, 100)가 여기서는 접지 전위와 같은 공통의 제2 기준 전위(PB2)를 보유하는 한, 키르히호프의 법칙에 따른 상응하는 차 계산을 통해 수행된다.

본 발명에 따른 원리는 바람직하게는 요소들(C, 100)에 대한 공통 접지 전위(PB2)가 제공되지 않는 회로 구성에도 적용될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따라 고려되는 전달 인덕턴스에서의 전위차가 적합한 방식으로 계산되어야 한다.

검출된 전위차는 본 발명에 따른 방법의 제2 단계(310)에서 바람직하게는 액추에이터(100)의 추가 제어를 위해 고려된다. 이는, 한 바람직한 실시예의 경우, 예컨대 도 4의 기능도의 형태로 수행될 수 있다. 특히 바람직하게는, 충전 또는 방전 중에 특히 전류 기울기를 결정하는 전달 인덕턴스(L)에서의 전위차는 반복적으로, 특히 바람직하게는 주기적으로, 그리고/또는 각각 액추에이터(100)의 계획된 제어 이전에 검출된다.

특히 바람직하게는, 전위차의 결정은 예컨대 시점들(t0, t2, t4, t6)에서, 다시 말하면 특히 예컨대 제1 스위치(S1)가 실제로 작동 상태 전환(개방, 폐쇄)을 경험하는 시점들에서 수행된다. 그 결과로, 바람직하게는, 항상 전달 인덕턴스(L)에서 작용하는 현재의 전위차가 존재함으로써, 후속 전류 펄스들을 위해 액추에이터(100)의 제어를 보상할 때 정밀성을 더욱 향상시키는 점이 보장된다.

도 3 및 도 4를 참조하여 액추에이터(100)의 충전 과정을 토대로 기술한 본 발명에 따른 원리는 즉시 액추에이터(100)의 방전 과정으로 전용될 수 있다. 예컨대 도 3에 따른 펄스 방식의 충전과 유사하게 펄스 방식의 방전도 수행될 수 있으며, 이는 제1 스위치(S1)가 동시에 개방된 상태에서 방전 스위치(S2)(도 2b)의 주기적인 개방 또는 폐쇄에 의해 달성된다. 도 2b에 도시된 제어 장치(200)의 회로 토폴로지의 경우, 전달 인덕턴스(L)에서 강하하는 전압은 [제2 스위치(S2)가 폐쇄된 경우] 액추에이터 전압(U100)에 상응한다. 이는, 액추에이터 전압(U100)이 방전 전류(I_E)의 전류 기울기에 직접 적용될 수 있고, 그럼으로써 액추에이터 전압(U100)을 알고 있는 상태에서, 바람직하게 제2 스위치(S2)가 폐쇄되어 있는 한, (충전 전류에 따라 기술한 전술한 실시예들과 유사하게) 방전 전류(I_E)에 대한 제2 설정값의 보상이 달성될 수 있음을 의미한다.

예컨대 방전 전류(I_E)가 제2 설정값을 초과함으로써 제2 스위치(S2)가 방전 중에 개방된다면, 전달 인덕턴스(L)에 전위차(U100 - UC))가 작용하며, 이 전위차는 방전 전류(I_E)의 하강 에지 동안 시간 전류 기울기에 영향을 미치면서, 액추에이터(100)의 방전 동안에도 마찬가지로 제어를 위해 고려될 수 있다.

또한, 방전 과정을 위해 액추에이터(100)의 제어를 수정하기 위해, 대기 시간들 및 인덕턴스 값(It)도 마찬가지로 고려될 수 있다.

특히 바람직한 실시예의 경우, 액추에이터(100)의 제어에 영향을 미치기 위해, 예컨대 충전 전류 또는 방전 전류에 대한 상응하는 설정값들을 수정하기 위해, 전달 인덕턴스(L)에서의 전위차만 고려될 수 있다. 그러나 바람직하게는 대기 시간들(tL1, tL2, 도 4)의 추가 고려에 의해, 그리고 경우에 따라서는 직렬 인덕터(L)의 실제 인덕턴스(It)의 추가 고려에 의해 액추에이터(100)의 훨씬 더 정밀한 제어가 제공된다.

본 발명에 따른 원리는 바람직하게는, 액추에이터(100)는 복수의 전류 펄스 없이 충전 또는 방전되어야 할 때에도 적용될 수 있다. 예컨대 전위차 및/또는 대기 시간들 또는 실제 인덕턴스의 본 발명에 따른 고려는, 충전 전류 또는 방전 전류를 이용한 단일의 연속된 전류 공급 이내에 충전 또는 방전이 수행될 때에도 바람직할 수 있다.

내연기관을 위한 연료 분사 밸브에서 본 발명에 따라 작동되는 액추에이터(100)를 이용할 경우, 특히 바람직하게는 극소량의 분사도 매우 정밀하게 실현되는데, 그 이유는 전류 오버슈트 및 언더슈트의 본 발명에 따른 보상이 결과적으로 액추에이터(100)의 상응하는 제어 오류를 감소시키기 때문이다.

Claims

특히 내연기관의 분사 밸브의 압전 액추에이터(100)를 충전 또는 방전하기 위한 방법이며, 액추에이터(100)의 제1 단자(102)가 적어도 일시적으로 전달 인덕턴스(L)를 통해 제1 기준 전위(PB1)에 연결되는, 압전 액추에이터(100)의 충전 또는 방전 방법에 있어서,
제1 기준 전위(PB1)와 액추에이터(100)의 제1 단자(102)에서의 전위(P102) 간 전위차에 따라 액추에이터(100)가 제어되는 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
제1항에 있어서, 상기 전위차는 반복적으로, 특히 주기적으로, 그리고/또는 각각 액추에이터(100)의 계획된 제어 이전에 검출되는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액추에이터(100)는 전류 펄스를 이용하여 충전되고, 그리고/또는 방전되는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 충전을 위해 액추에이터(100)의 제1 단자(102)는, 전달 인덕턴스(L)를 통해 액추에이터(100) 내로 유입되는 충전 전류(I_L)가 사전 설정 가능한 제1 설정값(I_L_soll)을 초과할 때까지, 적어도 1회, 바람직하게는 수회 제1 기준 전위(PB1)에 연결되는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 방전을 위해 액추에이터(100)의 제1 단자(102)는, 전달 인덕턴스(L)를 통해 액추에이터(100)로부터 방출되는 충전 전류(I_E)가 사전 설정 가능한 제2 설정값을 초과할 때까지, 적어도 1회, 바람직하게는 수회 제2 기준 전위(PB2)에 연결되는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 기준 전위(PB1)를 제공하기 위해 용량성 소자(C)가 사용되고, 상기 용량성 소자(C)에 인가되는 전압(UC)이 검출되며, 바람직하게는 액추에이터(100)에 인가되는 전압(U102)도 검출되는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 충전 중에 액추에이터(100)를 통해 흐르는 전류(I_L)의 시간별 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 변수, 및/또는 방전 중에 액추에이터(100)를 통해 흐르는 전류(I_E)의 시간별 거동에 영향을 미치는 하나 이상의 변수가, 제1 기준 전위(PB1) 또는 제2 기준 전위(PB2)와 액추에이터(100)의 제1 단자(102)에서의 전위(P102) 간 전위차에 따라 선택되는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 설정값(I_L_soll) 및/또는 제2 설정값은 전위차에 따라 선택되며, 바람직하게는 추가로 a) 액추에이터(100)를 제어하는 제어 장치(200)의 대기 시간, 및/또는 b) 전달 인덕턴스(L)의 인덕턴스 값에 따라 선택되는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전 방법.
특히 내연기관의 분사 밸브의 압전 액추에이터(100)를 충전 또는 방전하기 위한 제어 장치(200)이며, 전달 인덕턴스(L)를 통해 제1 기준 전위(PB1)에 액추에이터(100)의 제1 단자(102)를 적어도 일시적으로 연결하도록 형성된 제어 장치(200)에 있어서,
상기 제어 장치(200)는, 제1 기준 전위(PB1)와 액추에이터(100)의 제1 단자(102)의 전위(P102) 간 전위차에 따라 액추에이터(100)의 제어를 실행하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전을 위한 제어 장치(200).
제9항에 있어서, 제어 장치(200)는 전위차를 반복적으로, 특히 주기적으로, 그리고/또는 각각 액추에이터(100)의 계획된 제어 이전에 검출하도록 형성된, 압전 액추에이터의 충전 또는 방전을 위한 제어 장치(200).