KR20180026721A - 기어박스 액튜에이터의 위치를 제어하는 방법 - Google Patents

기어박스 액튜에이터의 위치를 제어하는 방법 Download PDF

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 2 개 샤프트들의 속도 차이를 그것의 기계적 결합이 가능한 범위내로 가져가도록, 토크 구동되는 트랙션 장치를 통하여 기어박스의 2 개 샤프트들을 동기화시키는 예비 단계의 끝에서 비율을 연계를 담당하는 기어박스 액튜에이터의 위치를 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 2 개 샤프트들중 하나에서 측정된 속도가, 기어박스 액튜에이터의 함수로서 예상된 값에 대한 2 개 샤프트들중 하나에서 관찰된 관성 값 및, 장치 토크의 평가치의 함수로서 관찰된 속도와 수렴하는 것이 보장되는 것을 특징으로 한다.

Description

기어박스 액튜에이터의 위치를 제어하는 방법
본 발명은 히트 엔진(heat engine) 및 전기 트랙션 장치와 같은 2 개의 원동기(prime mover)를 이용하여 상이한 기어박스 비율을 제공하기 위한, 특히 도그 클러치(dog clutch)를 가진 하이브리드 기어박스(hybrid gearbox)와 같은 기어박스의 모니터 작용에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 트랙션 장치에 의한 기어박스의 2 개 샤프트들의 동기화의 예비 단계의 끝에서 비율을 맞물리게 하는 기어박스 액튜에이터의 위치를 모니터하는 방법에 관한 것으로서, 트랙션 장치의 토크는 2 개 샤프트들의 속도간의 차이를 샤프트들의 기계적 결합을 허용하는 범위에 가져가도록 제어된다.
본 발명은 특히, 전적으로 그러한 것은 아니지만, 기계적인 동기화 수단(synchronization means)을 가지지 않으면서 슬라이딩 기어 유형의 쉬프트 액튜에이터(shift actuator)를 가진 "도그 클러치(dog clutch)" 기어박스로서 알려진 것에 적용 가능하다. 그러나, 기어박스 쉬프트들의 동기화는 기어 쉬프트 작용중에 도그 클러치들이 맞물릴 수 있도록 하는 것이 필수적이다. 이것은 도그 클러치 결합이 발생될 수 있게 하는 모니터된 속도 차이를 발생시키도록 원동기(prime movers)의 미세한 제어를 필요로 한다.
도 1 은 하이브리드 파워트레인(hybrid powertrain)의 예를 도시하며, 이것은 열 엔진(1), 전기 장치 및, 슬라이딩 기어 유형의 3 개의 쉬프트 액튜에이터(C1, C2, C3)가 설치된 평행한 샤프트 기어박스(3)로 구성되며, 기계적인 동기화 장치가 없다. EV1(저속 기어) 비율로부터 EV2(고속 기어) 비율로의 쉬프트의 경우에, 도 2 는 쉬프트의 다양한 단계들을 도시한다. 곡선(a1) 및 곡선(a2)은 도그 클러치의 설정점 위치(setpoint position) 및 그것의 측정된 위치를 각각 도시한다. 5 mm 를 지난 위치는 EV1 비율이 맞물린 것을 신호한다. -5 mm 아래의 위치는 EV2 비율이 맞물린 것을 신호한다. 비율을 쉬프트시키려면, 도그 클러치가 처음에는 0 mm 에 있는 중립 위치에 놓인다 (어떤 비율로도 맞물리지 않는다). 전기 장치의 콘트롤러가 다음에 이용되어 EV2 비율의 맞물림을 허용하는 속도에서 회전되게 한다. 전기 장치의 속도 곡선(b)은 동기화 동안에 6000 r.p.m. 으로부터 대략 2200 r.p.m. 으로 변화된다. 속도가 안정화되었을 때, 도그 클러치는 EV2 비율로 쉬프트되도록 맞물린다.
메커니즘의 신뢰성 요건을 충족시키려면, 초기 비율로부터의 도그 클러치 맞물림 해제가 보장되어야 한다; 그렇지 않으면 전기 장치(2)를 동기화시키는 것이 불가능하다. 왜냐하면, 만약 클러치 해제(declutching)가 실패할 경우에, 엔진 속도를 동기화 목표에 대하여 조절하려는 시도로서 장치의 동기화 알고리듬이 매우 큰 토크를 기어 박스에 적용하기 때문이다. 선행의 비율 쉬프트의 예에서, 장치는 최소 토크를 발생시키는데, 이것은 대략 -220 Nm 이다 (브레이크 토크). 만약 클러치 해제가 실패하고 장치가 이러한 토크를 발생시키도록 허용된다면, 이것은 소망스럽지 않은 감속을 야기하는데, 왜냐하면 장치의 브레이크 토크가 바퀴로 전달되기 때문이다. 역의 쉬프트 작용의 경우(예를 들어, EV2 로부터 EV1 으로의 쉬프트)에, 클러치 해제의 실패는 소망스럽지 않은 가속을 일으킨다.
프랑스 공보 FR 2,917,479 에는 맞물린 비율 정보를 제어 시스템에서 통합(consolidating)하기 위한 기어박스 위치 센서가 개시되어 있다. 이러한 센서는 슬라이딩 기어(sliding gear)와 같은, 기어박스의 내측 작동 요소에 연결된 목표(target)와 상호 작용하는 프로브(probe)를 포함하여, 작동 요소가 사점 위치(dead center position)에 있는지의 여부에 대한 주기 정보(periodic information)를 전달하는 디지털 신호로 변환되는 아날로그 신호를 제공한다. 이러한 공보에 개시된 모니터 방법은 쉬프트 액튜에이터에서 기어박스의 내부에 전용 위치 센서 시스템이 포함될 것을 필요로 하는 단점을 가진다.
본 발명은 물리적인 센서 없이, 하이브리브 기어박스의 중립 위치를 확보하도록 의도된다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명은, 기어박스 액튜에이터의 함수로서 예상된 값에 대한 2 개의 샤프트들중 하나의 샤프트에서 관찰된 관성 및, 장치 토크의 평가치의 함수로서 관찰된 속도와, 2 개 샤프트들중 하나의 측정 속도의 수렴을 보장할 것을 제안한다. 바람직스럽게는, 다음의 연산들이 수행된다.
- 장치에 의해 실제로 공급된 토크의 평가치를 계산,
- 관성의 마지막으로 관찰된 값을 이용함으로써, 관찰된 속도 값을 업데이트함,
- 측정된 속도와 관찰된 속도 사이의 차이의 함수로서, 관찰된 관성의 값을 업데이트함.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 비제한적인 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1 은 하이브리드 기어박스의 단순화된 구조에 대한 다이아그램이다.
도 2 의 곡선은 기어박스에서 기어 쉬프트의 동기화를 도시한다.
도 3 은 제 1 계산 방법의 결과를 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 연산을 개략적으로 설명한다.
도 5 는 관성의 업데이트 방법을 나타낸다.
도 6 의 곡선 및 도 7 의 곡선은 공칭의 경우 및 클러치 해제 실패의 경우에 본 발명의 사용한 결과이다.
동기화되어야 하는 샤프트의 움직임에 대한 방정식은 다음과 같다.
Figure pct00001
여기에서,
-
Figure pct00002
는 동기화되어야 하는 샤프트의 관성이다.
-
Figure pct00003
는 샤프트의 각 가속도이며, 즉, 회전 속도의 미분치이다.
-
Figure pct00004
는 전기 장치에 의하여 샤프트상에 발생된 토크이다.
파워 트레인의 계산 유닛에는 샤프트(ω)의 속도 측정치 및 동기화 설정 지점(T)의 속도 측정치가 제공된다. 이러한 데이터는 트랙션 장치에 의한 기어박스의 2 개 샤프트들의 동기화의 예비 단계의 끝에서 비율을 연계시키는 것을 담당하는 기어박스 액튜에이터의 위치를 모니터하는데 이용되며, 2 개 샤프트의 속도간의 차이를 샤프트들의 기계적 결합이 허용되는 범위로 가져가도록 트랙션 장치(traction machine)의 토크가 제어된다.
위에서 언급된 바와 같이, 하이브리드 기어박스의 중립 위치를 고정시키기 위하여 제안된 해법은 고정되어야 하는 기어박스 샤프트의 관성을 평가하는 것에 기초한다. 샤프트의 관성을 모니터하는 제 1 모드는 속도 측정치의 미분에 의하여 가속도를 계산하고, 다음에 그렇게 계산된 가속도로 설정 지점 토크를 나눔으로써 관성을 계산하는 것으로 이루어진다. 도 3 은 특정 예에 대하여 상기 방법으로 얻어진 결과를 나타낸다. 재생된 곡선은 다음과 같다:
-곡선을 따른 속도(ω)의 변화 (곡선 i)
-방법에 의한 관성(J)의 직접 계산 (곡선 j), 및,
- 가장 낮은 도면에서의 설정점 동기화 토크(T) (곡선 k)
속도 측정에서의 "노이즈" 때문에, 미분 연산은 큰 에러를 도입하여, 상기 방법은 계산을 평활화시키려는 시도에서 로우 패스 필터(low pass filter)들이 추가될지라도 관성의 정확한 평가를 제공할 수 없다. 관성의 평가에 대하여, 이러한 단순한 방법의 수행은 수용될 정도로 정확하지 않다.
본 발명은 측정치의 노이즈 레벨(noise level)에 의해 영향을 받지 않는, 관성의 미세한 평가를 제공하기 위한 다른 방법을 제안하는데, 왜냐하면 이것은 노이즈를 증폭시킬 수 있는 그 어떤 미분 연산도 사용하지 않지만, 노이즈를 여과시키는 적분 연산을 사용하기 때문이다. 상기 방법은 측정된 속도를 관찰된 속도와 일치시키도록 관성 값을 조절하는 동안 샤프트 속도의 관찰자(observer)를 이용하는 것으로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 2 개의 샤프트들중 하나에서 측정된 속도는, 기어박스 액튜에이터의 함수로서 예상된 값에 대하여 상기 샤프트상에서 관찰된 관성 및, 장치 토크의 평가치의 함수로서 관찰된 속도로 수렴되는 것이 보장된다. 이러한 방법은 비율이 변화하는 동안 기어박스 액튜에이터의 중립으로의 쉬프트(shift)를 모니터하는데 특히 유용하지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 액튜에이터의 다른 위치들을 모니터하도록 유사한 조건에서 사용될 수 있다.
작동은 도 4 에 도시된 바와 같다. 실제 토크를 평가하기 위한 유닛은 토크 설정점상에서의 단순한 로우 패스 필터(low pass filter)여서, 전기 장치의 토크 제어에 대한 응답 시간을 나타낸다. 실제 토크의 평가치는 평가된 관성으로 나뉘어지고, "관찰된 속도"는 상기 비율의 적분된 항이다. 관성은 관성 업데이트 유닛(inertia updating unit)에서, "관찰된 속도"의 값과 측정 속도 사이의 차이에 기초하여 업데이트되고, 또한 실제 토크의 평가에 기초하여 업데이트된다.
관성은 활성화 신호에 응답하여, 관성 콘트롤러에서, 도 5 의 개략도에 따라서 상기 언급된 유닛에서 업데이트된다. 만약 평가된 토크의 절대값이 쓰레숄드보다 위에 있다면 이러한 신호가 전달된다. "관찰된 관성"은 속도 차이 및 평가된 토크의 프로덕트(product)에 기초하여 콘트롤러에서 계산된다. 이것은 이러한 프로덕트에서의 (적분에 의해 구해지는) 적분 이득(integral gain) 및 비례 이득(proportional gain)의 합이다.
따라서 계산의 단계들은 다음과 같다:
- 예를 들어, 동기화 알고리듬으로부터 얻어지는 설정점을 여과시킴으로써, 장치에 의해 실제로 공급되는 토크의 평가치를 계산,
- 마지막으로 관찰된 관성의 평가치를 이용함으로써 관찰 속도를 업데이트시킴,
- 측정된 속도와 관찰된 속도 사이의 차이의 함수로서, 관찰된 관성의 값을 업데이트시킴.
상기 업데이트는 설정점 토크가 속도 변화에 이르기에 충분할 정도로 크게 되는 조건으로 수행될 수 있다. 수용되는 속도 쓰레숄드는, 최대 220 Nm 까지 공급할 수 있는 장치에 대하여, 대략 5 Nm 이다. 관찰된 속도가 바람직스럽게는, 마지막으로 관찰된 관성의 값으로 나뉘어진, 평가된 실제 토크의 적분에 의해 찾아진다.
이러한 연산의 시퀀스는 속도 측정 및 동기화 토크(synchronization torque)의 각각의 업데이트상에서 재생될 수 있다. 이러한 과정에서, 동기화되어야 하는 기어박스의 관성은, 2 개의 샤프트들중 하나에서 측정된 속도를, 장치 토크의 평가치 및 상기 샤프트상에서 관찰된 관성값의 함수로서 관찰된 속도와 수렴시키는 것을 보장함으로써 모니터된다.
상기 방법의 사용에 의해 얻어진 결과는 도 6 및 도 7 의 곡선에 의해 도시된다. 도 6 은 (도그 클러치 결합(dog clutch coupling)의 그 어떤 실패도 없이) 쉬프트 액튜에이터의 정상 작동 상황에서 방법의 적용을 나타낸다. 제 1 곡선( u )은 측정된 속도 및 관찰된 속도를 중첩시키며, 관찰자는 측정된 속도를 향하는 관찰된 속도의 수렴을 보장한다. 제 2 곡선(s)은 관찰된 관성의 변이를 나타낸다. 마지막 곡선(t)은 동기화 설정점 토크(T)의 변이를 나타낸다.
도 7 의 곡선(u), (s), (y)은 도 6 의 곡선들에 대응하며, 클러치 해제(declutching)의 실패를 나타내는데, 왜냐하면 관찰된 관성이 대략 50 ms 에서 900 gm2 의 쓰레숄드를 초과하기 때문이다. 이러한 상황에서, 만약 동기화 시퀀스가 오직 50 ms 이후에 중지된다면, 운전자는 상기의 작은 시간 간격에서 바퀴로 공급되는 토크를 감지하지 않는다. 시퀀스를 중지시킴으로써, 클러치 해제의 실패가 있을 때 보통 감지되는, 소망스럽지 않은 가속 및 감속을 회피할 수 있다.
공칭 조건(nominal condition)에서 동기화가 발생되는 것을 보장하도록, 본 발명은 장치의 "관성 관찰자(inertia observer)"의 도입을 제안하며, 이것은 콘트롤러로의 동기화를 수행한다. 정상 조건에서의 제어 과정 동안에, 샤프트상의 관성은 정상적으로는 장치의 관성에 제한되어야 하며 (왜냐하면 도그 클러치(dog clutch)가 중립 위치에 있기 때문이다), 이것은 대략 50 gm2 이다. 그러나, 만약 클러치 해제(declutching)가 실패한다면, 장치의 관성으로 변환된 차량의 관성은 대략 1 kgm2의 등가 관성(equivalent inertia)을 초래한다. 만약 라인(line)상의 관성이 본 발명에 따라서 평가된다면, 관찰된 관성이 쓰레숄드(개시된 예에 있어서 예를 들어 900 gm2)를 초과하자마자 동기화는 중지될 수 있다.
요약하면, 제안된 방법은, 기어박스 액튜에이터의 그 어떤 실패라도 신뢰성 있게 검출하고, 만약 클러치 해제가 실패라면, 속도 차이와 평가된 토크의 프로덕트(product)에서의 적분 이득 및 비례 이득을 더한 가상의 "관성 콘트롤러"(virtual inertia controller)를 이용함으로써, 기어 시프트를 고정하는 일련의 연산(operation)들로 이루어진다. 이러한 연산은 기어박스가 높은 수준의 성능을 가질 것을 보장한다. 위에 설명된 예시적인 실시예에서, 예상된 관성과 관찰된 관성 사이에 비율의 변화가 20 인 경우에, 콘트롤러는 액튜에이터의 실패를 검출할 수 있다.
평가의 정확성은 다음과 같은 다른 기능들을 제공하기에 충분한 것으로 밝혀지기도 하였다.
- 관성이 감소되는 것을 관찰함으로써 열 엔진의 디커플링을 점검하거나, 또는
- 엔진의 관성으로 변환된 차량 관성에서의 변화에 기초하여, 새로운 기어가 맞물렸음을 보장함.

Claims (7)

  1. 트랙션 장치에 의한 기어박스 2 개 샤프트들의 동기화의 예비 단계의 끝에서, 비율의 연계(engaging)를 담당하는 기어박스 액튜에이터의 위치를 모니터하는 방법으로서, 상기 트랙션 장치의 토크는 2 개 샤프트들의 속도 사이의 차이를 2 개 샤프트들의 기계적 결합을 허용하는 범위로 가져가도록 제어되고,
    2 개 샤프트들중 하나에서 측정된 속도가, 기어박스 액튜에이터의 함수로서 예상된 값에 대한 2 개 샤프트들중 하나에서 관찰된 관성의 값 및 장치 토크의 평가치의 함수로서 관찰된 속도와 수렴되는 것을 보장함으로써, 액튜에이터의 중립 시프트 작용(neutral shifting)이 비율 변화 동안에 모니터되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 액튜에이터의 위치 모니터 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 장치에 의하여 실제로 공급되는 토크의 평가치를 계산하고;
    - 마지막으로 관찰된 관성의 값을 이용하여, 관찰된 속도 값을 업데이트시키고;
    - 측정된 속도와 관찰된 속도 사이의 차이의 함수로서 관찰된 관성의 값을 업데이트시키는; 작동들이 수행되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 액튜에이터의 위치 모니터 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 전기 장치의 설정점 토크(setpoint torque)가 현저한 속도 변화에 이를 정도로 큰 조건에서 관성의 업데이트가 수행되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 액튜에이터의 위치 모니터 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 관성의 업데이트는 속도 차이 및 평가 토크의 프로덕트(product)에 대한 적분 이득과 비례 이득을 더함으로써 관성 콘트롤러에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 액튜에이터의 위치 모니터 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 속도 쓰레숄드는 최대 220 Nm 까지 공급할 수 있는 장치에 대하여 대략 5 Nm 인 것을 특징으로 하는, 기어박스 액튜에이터의 위치 모니터 방법.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 장치에 의하여 실제로 공급되는 토크의 평가치는 설정점 토크의 값을 필터링(filtering)함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 액튜에이터의 위치 모니터 방법.
  7. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 관찰된 속도는, 마지막으로 관찰된 관성의 값으로 나뉘어진, 평가된 실제 토크의 적분에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는, 기어박스 액튜에이터의 위치 모니터 방법.



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