KR100724270B1

KR100724270B1 - 액츄에이터 전류 제어 방법

Info

Publication number: KR100724270B1
Application number: KR1020050002945A
Authority: KR
Inventors: 박민우
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2007-05-31
Also published as: CN1808891A; US20060152185A1; EP1681697A3; DE602006008835D1; EP1681697B1; EP1681697A2; KR20060082447A; US7235946B2; JP2006197796A; CN100446409C

Abstract

본 발명은 액츄에이터 전류 제어 방법에 관한 것으로, 액츄에이터에 흐르는 피드백 전류를 측정하는 단계와, 입력신호에 의거하여 산출된 목표전류와 피드백 전류의 오차 성분에 따라 PWM 듀티를 결정하여 PWM 신호를 생성하는 단계와, PWM 신호에 의거하여 액츄에이터에 공급하는 전류를 제어하는 단계와, PWM 신호의 매 주기 내에서 반 주기 시간차로 피드백 전류를 모니터링하여 평균 전류를 추정한 후 추정된 평균 전류에 의거하여 공급 전류 제어의 오류 여부를 판단하는 단계를 포함하며, 액츄에이터 피드백 전류의 평균 전류를 측정함에 있어서 PWM 신호의 매 주기 내에서 반 주기 시간차로 피드백 전류를 모니터링하여 평균 전류를 추정하는 알고리즘을 채택함으로써, 저주파 통과 필터와 같은 디지털 필터를 사용하지 않으므로 액츄에이터내 인덕턴스에 의한 시간지연을 제외하고 여타의 시간지연은 발생하지 않아 시스템의 신뢰성이 향상되고, 제어 회로가 단순화되어 전자부품의 최소화로 인한 신뢰성이 확보되며, 시스템의 경제성이 향상되는 이점이 있다.

Description

액츄에이터 전류 제어 방법{ACTUATOR CURRENT CONTROL METHOD}

도 1은 종래의 제 1 실시예에 따른 액츄에이터 전류 제어 장치의 블록 구성도,

도 2는 종래의 제 2 실시예에 따른 액츄에이터 전류 제어 장치의 블록 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 액츄에이터 전류 제어 방법을 수행할 수 있는 전류 제어 장치의 블록 구성도,

도 4는 도 3에 도시된 전류 제어 장치의 액츄에이터에 인가되는 PWM 신호와 이에 상응하는 전류 패턴의 관계를 보인 파형도,

도 5는 도 3에 도시된 전류 제어 장치의 액츄에이터에서 발생하는 전류 리플을 보인 그래프,

도 6은 도 3에 도시된 전류 제어 장치의 액츄에이터에서 발생하는 피드백 전류의 평균 전류 통과 시점을 보인 그래프,

도 7은 도 3에 도시된 전류 제어 장치에서 본 발명에 의한 반 주기 모니터링에 의해 산출된 평균 전류를 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

31 : 액츄에이터 구동부 32 : 액츄에이터

32 : 전류 감지부 100 : 마이크로 컴퓨터

101 : PI 제어기 102 : 평균전류 추정기

본 발명은 액츄에이터 전류 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비례 제어 솔레노이드와 모터 등과 같이 인덕턴스 성분이 있는 액츄에이터에 공급되는 전류를 제어하는 액츄에이터 전류 제어 장치에 관한 것이다.

종래 기술에 따라 인덕턴스 성분이 있는 액츄에이터를 제어하는 기술은 도 1과 도 2의 전류 제어 장치가 대표된다.

도 1은 종래의 제 1 실시예에 따른 액츄에이터 전류 제어 장치의 블록 구성도로서, 마이크로 컴퓨터(10), D/A 변환기(21), 차동 적분기(22), PWM 펄스 발생부(23), 액츄에이터 구동부(31), 액츄에이터(32), 전류 감지부(41), 저주파 통과 필터(42)로 구성된다.

이와 같이 구성된 전류 제어 장치는, 마이크로 컴퓨터(10)에서 입력신호에 의해 산출된 목표전류(Ic)가 D/A 변환기(21)를 통해 아날로그 신호로 변환되고, 차동 적분기(22)는 이 신호를 전류 감지부(41)로부터 피드백되는 전류 신호와 비교하여 오차비 만큼 차동 적분한다.

차동 적분기(22)의 적분결과는 PWM 펄스 발생부(23)에 의해 PWM 신호로 변환되고, PWM 신호에 의해 액츄에이터 구동부(31)가 동작하여 액츄에이터(32)에 공급 하는 전류를 제어, 즉 액츄에이터(32)를 구동시킨다.

전류 감지부(41)는 액츄에이터(32)에 흐르는 전류, 즉 피드백 전류(Id)를 감지하며, 마이크로 컴퓨터(10)는 저주파 통과 필터(42)를 통과한 피드백 전류(Id)를 감시하여 전류 제어 장치의 고장 유무를 판단한다.

도 2는 종래의 제 2 실시예에 따른 액츄에이터 전류 제어 장치의 블록 구성도로서, 액츄에이터 구동부(31), 액츄에이터(32), 전류 감지부(41), 저주파 통과 필터(42), PI(Proportional Integral) 제어기(51)를 포함하는 마이크로 컴퓨터(50)로 구성된다.

이와 같이 구성된 전류 제어 장치에서, 마이크로 컴퓨터(50)는 도 1에 도시된 전류 제어 장치의 D/A 변환기(21)와 차동 적분기(22) 및 PWM 펄스 발생부(23)의 기능을 수행하는 것으로서, 소프트웨어 피드백 방식이라 칭하기도 한다. 이를 위해, 마이크로 컴퓨터(50)의 PI 제어기(51)에 의해 PWM 듀티(Duty)가 결정되고 이 PWM 신호는 액츄에이터(32)에 공급되는 전류를 제어한다.

먼저, 마이크로 컴퓨터(50)의 제어로직은 입력신호에 의거하여 목표전류(Ic)를 산출하며, 전류 감지부(41)는 액츄에이터(32)에 흐르는 전류, 즉 피드백 전류(Id)를 감지한다.

PI 제어기(51)는 목표전류(Ic)와 피드백 전류(Id)가 입력되면 목표전류(Ic)와 피드백 전류(Id)의 오차 성분에 따라 PWM 듀티를 결정하여 PWM 포트를 통해 PWM 신호를 출력한다.

마이크로 컴퓨터(50)의 PWM 포트에 연결된 액츄에이터 구동부(31)는 PWM 신 호에 의해 동작하여 액츄에이터(32)에 공급하는 전류를 제어, 즉 액츄에이터(32)를 구동시킨다.

마이크로 컴퓨터(50)는 저주파 통과 필터(42)를 통과한 피드백 전류(Id)를 감시하여 전류 제어 장치의 고장 유무를 판단한다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 액츄에이터 전류 제어 장치들은 아래와 같은 문제점이 있다.

제 1 실시예에 따른 전류 제어 장치는, 복잡한 아날로그 회로에 기인하여 신뢰성 및 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. 회로가 복잡한 만큼 많은 전자부품이 사용되고, 이 많은 부품 중 신뢰성이 확보가 되지 않는 부품이 있을 경우 전체 회로의 성능에 상당한 문제를 야기시키는 단점이 있다.

제 2 실시예에 따른 전류 제어 장치는, 소프트웨어 피드백 방식을 적용하여 신뢰성 및 경제성이 다소 향상되었으나, 피드백되는 평균 전류를 추정함에 있어 차단 주파수가 낮은 저주파 통과 필터를 통과한 신호를 이용함으로써 여러 가지 문제점이 있다. 저주파 통과 필터는 액츄에이터의 인덕턴스에 의한 역기전력의 영향을 없애고 맥동하는 전류 파형을 평활화하기 위하여 캐피시턴스가 큰 RC 필터를 사용하는데, 이로써 현재 액츄에이터에 공급되는 실제의 전류를 측정함에 있어 상당한 시간지연이 발생하여 시스템 제어 응답성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 액츄에이터 피드백 전류의 평균 전류를 측정함에 있어서 PWM 신호의 매 주기 내에서 반 주기 시간차로 피드백 전류를 모니터링하여 평균 전류를 추정하는 알고리즘을 채택함으로써, 회로의 단순화 및 부품의 최소화로 인한 신뢰성 확보 및 경제성의 증대를 가져오면서도 시스템의 성능이 향상되도록 하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 액츄에이터 전류 제어 방법은, 액츄에이터에 흐르는 피드백 전류를 측정하는 단계와, 입력신호에 의거하여 산출된 목표전류와 피드백 전류의 오차 성분에 따라 PWM 듀티를 결정하여 PWM 신호를 생성하는 단계와, PWM 신호에 의거하여 액츄에이터에 공급하는 전류를 제어하는 단계와, PWM 신호의 매 주기 내에서 반 주기 시간차로 피드백 전류를 모니터링하여 평균 전류를 추정한 후 추정된 평균 전류에 의거하여 공급 전류 제어의 오류 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 액츄에이터 전류 제어 방법을 수행할 수 있는 전류 제어 장치는 도 3의 블록 구성도에 나타낸 바와 같이, 액츄에이터 구동부(31), 액츄에이터(32), 전류 감지부(41), PI 제어기(101) 및 평균 전류 추정기(102)를 포함하는 마이크로 컴퓨터(100)로 구성된다.

마이크로 컴퓨터(100)는 제어로직에 의해 입력신호에 따른 목표전류(Ic)를 산출하며, PI 제어기(101)는 전류 감지부(41)로부터 피드백 전류(Id)가 입력되면 목표전류(Ic)와 피드백 전류(Id)의 오차 성분에 따라 PWM 듀티를 결정하여 PWM 포트를 통해 PWM 신호를 출력하고, 평균 전류 추정기(102)는 PWM 신호의 매 주기 내에서 반 주기 시간차로 피드백 전류(Id)를 모니터링하여 평균 전류를 추정한 후 추정된 평균 전류에 의거하여 전류 제어 장치의 고장 유무를 판단한다.

전류 감지부(41)는 액츄에이터(32)에 흐르는 전류, 즉 피드백 전류(Id)를 감지하여 마이크로 컴퓨터(100)로 입력한다.

액츄에이터 구동부(31)는 마이크로 컴퓨터(100)의 PWM 포트에 연결되어 상기 PWM 신호에 의해 동작하여 액츄에이터(32)에 공급하는 전류를 제어, 즉 액츄에이터(32)를 구동시킨다.

이와 같이 구성된 액츄에이터 전류 제어 장치에 의해 수행되는 본 발명의 전류 제어 방법에 의한 상세 동작 과정을 도 3 내지 도 7을 참조하여 아래에서 설명하기로 한다.

먼저, 마이크로 컴퓨터(100)의 제어로직은 입력신호에 의거하여 목표전류(Ic)를 산출하며, 전류 감지부(41)는 액츄에이터(32)에 흐르는 전류, 즉 피드백 전류(Id)를 감지한다.

PI 제어기(101)는 목표전류(Ic)와 피드백 전류(Id)가 입력되면 목표전류(Ic)와 피드백 전류(Id)의 오차 성분에 따라 PWM 듀티를 결정하여 PWM 포트를 통해 PWM 신호를 출력한다. 여기서 PI 제어기(101)는 피드백 전류(Id)의 오차 성분이 양(+)일 경우에는 PWM 듀티를 증가시키는 방향으로 PWM 신호를 출력하며, 피드백 전류(Id)의 오차 성분이 음(-)일 경우에는 PWM 듀티를 감소시키는 방향으로 PWM 신호를 출력한다.

마이크로 컴퓨터(100)의 PWM 포트에 연결된 액츄에이터 구동부(31)는 상기 PWM 신호에 의해 동작하여 액츄에이터(32)에 공급하는 전류를 제어, 즉 액츄에이터(32)를 구동시킨다.

마이크로 컴퓨터(100)의 평균 전류 추정기(102)는 PWM 신호의 매 주기 내에서 반 주기 시간차로 전류 감지부(41)를 통하여 감지된 피드백 전류(Id)를 모니터링하여 평균 전류를 추정하며, 추정된 평균 전류에 의거하여 전류 제어 장치의 고장 유무를 판단한다. 즉 PWM 신호에 의거하여 액츄에이터(32)에 공급하는 전류의 제어 과정에 대한 오류 여부를 판단한다.

이와 같은 평균 전류 추정기(102)에 의한 평균 전류 추정 방법을 도 4 내지 도 7을 참조하여 검증하기로 한다.

도 4는 액츄에이터에 주기가

인 PWM 신호를 인가할 때 PWM 신호와 이에 상응하는 전류 패턴의 관계를 도식화한 것이다.

도 4에서 PWM 하이 레벨 시 임의의 시점

에서의 액츄에이터 전류는 아래의 수학식 1로 근사화 된다.

(여기서, E는 배터리 전압, R은 액츄에이터 내부저항,

는 액츄에이터 초기 전류, L은 액츄에이터 인덕턴스)

따라서, 피크에서의 전류는 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.

또한, PWM 로우 레벨에서의 전류 변화와 보텀에서의 전류는 각각 아래의 수학식 3과 수학식 4와 같이 수식화 된다.

일정 듀티로 액츄에이터를 계속 구동하게 되면 열에 의해 액츄에이터 저항이 증가하게 되고, 액츄에이터 전류는 점점 감소하게 되나 결국 일정 전류로 포화(saturation)된다. 이때, 피크에서의 전류는 수학식 2의

가 보텀에서의 전류가 되므로

에 수학식 4를 대입하여 전개하면 다음의 수학식 5와 같이 급수 형태가 된다.

수학식 5를 정리하면 아래의 수학식 6이 나온다.

또한, 보텀에서의 전류는 수학식 4와 수학식 6에 의해서 아래의 수학식 7이 된다.

따라서,

만큼의 일정 듀티에서의 피크 투 피크(Peak to Peak) 전류는 수학식 6과 수학식 7에 의해서 다음의 수학식 8과 같은 수식이 된다.

액츄에이터 전류 리플 해석을 위해 다음과 같은 전기적인 사양을 예로 든다.

R = 6.5Ω(액츄에이터 포화 저항 + 션트 저항)

L = 9.9mH at 1㎑

이때, 수학식 8에 의해서 배터리 전압이 16V일 때 리플을 구하면 도 5와 같이 나타난다. 여기서, 도 5는 액츄에이터의 한 예로, 솔레노이드에서 발생하는 전류 리플을 보인 그래프이다.

평균 전류는 두 피크 전류의 산술평균값이 되며, 저주파 필터를 거치지 않 고, PWM 주기내의 어느 한 지점에서 전류 검출을 하게 되면, 전류 오차는 피크 투 피크의 반에 해당하는 만큼의 오차가 발생한다.

PWM 하이 및 로우 레벨에서의 평균 전류

및

는 각 시간 구간에서 수학식 1 및 수학식 3을 적분하고 각 시간 값을 나누어주면 다음의 수학식 9와 수학식 10과 같은 수식이 된다.

전류가 포화될 때,

는 수학식 7이 되고,

는 수학식 6이 되는 데, 이를 대입하여 다시 정리하면 아래의 수학식 11과 수학식 12와 같이 된다.

이때 평균 전류를 지나치는 시점은 다음의 수학식 13과 수학식 14와 같은 방정식에 의해 산출할 수 있다.

수학식 13과 수학식 14는 아래의 수학식 15와 수학식 16과 같이 정리된다.

결국, 한 주기의 평균 전류는 아래의 수학식 17과 같다.

따라서,

과

시점에서 전류를 모니터링하여 수학식 17에 의해 평균 전류를 산출하면 되지만, 정확히 해당 시점에서 전류를 모니터링해야 하는 방식은 고성능의 프로세서가 요구된다.

이러한 액츄에이터 제어 조건에서의 평균 전류 통과 시점은 도 6과 같이 나타난다.

도 6에서 전류의 상승(rising)과 하강(falling)에서의 각 평균 전류를 지나치는 시점의 시간차는 PWM 반 주기에 해당함을 알 수 있다.

따라서, PWM 한 주기 내에서 반 주기 시간차로 전류를 모니터링하여 평균 전류를 구하는 방식을 적용한다. 이를 수식으로 나타내면 아래의 수학식 18과 같다.

이를 적용하면 도 7과 같이 근사화된 평균 전류를 산출할 수 있는 것이다.

지금까지의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시예에 국한하여 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있음이 자명하다.

전술한 바와 같이 본 발명은 액츄에이터 피드백 전류의 평균 전류를 측정함에 있어서 PWM 신호의 매 주기 내에서 반 주기 시간차로 피드백 전류를 모니터링하여 평균 전류를 추정하는 알고리즘을 채택함으로써, 저주파 통과 필터와 같은 디지털 필터를 사용하지 않으므로 액츄에이터내 인덕턴스에 의한 시간지연을 제외하고 여타의 시간지연은 발생하지 않아 시스템의 신뢰성이 향상된다.

아울러, 제어 회로가 단순화되어 전자부품의 최소화로 인한 신뢰성이 확보되며, 시스템의 경제성이 향상되는 효과가 있다.

Claims

인덕턴스 성분이 있는 액츄에이터에 공급되는 전류를 제어하는 액츄에이터 전류 제어방법에 있어서,

(a) 상기 액츄에이터에 흐르는 피드팩 전류를 측정하는 단계와;

(b) 입력신호에 의거하여 산출된 목표전류와 상기 피드백 전류의 오차 성분에 따라 PWM 듀티를 결정하여 PWM 신호를 생성하는 단계와;

(c) 상기 PWM 신호에 의거하여 상기 액츄에이터에 공급하는 전류를 제어하는 단계와;

(d) 상기 PWM 신호의 매 주기 내에서 그 매 주기의 반 주기 시간차로 상기 피드백 전류를 모니터링하여 평균 전류를 추정하는 단계와;

(e) 상기 (d) 단계에서 추정된 상기 평균 전류에 의거하여, 상기 액츄에이터에 대한 공급 전류 제어의 오류 여부를 판단하는 단계를;

포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 전류 제어방법.