氣門升程的控制方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及汽車電子技術(shù)，特別涉及基于永磁同步電機的氣門升程調(diào)整方法以及實現(xiàn)上述方法的氣門升程控制裝置。按照本發(fā)明的氣門升程控制裝置包括永磁同步電機、微控制器、與微控制器耦合的信號接口電路和驅(qū)動電路，所述微控制器借助所述驅(qū)動電路來控制所述永磁同步電機的轉(zhuǎn)動以將氣門升程調(diào)節(jié)到與油門踏板位置信號對應的目標值，其中，所述微控制器對所述永磁同步電機的轉(zhuǎn)動的控制基于經(jīng)所述信號接口電路接收的電機位置信號、電機電流信號以及與氣門進氣量有關(guān)的信號，所述電機位置信號由所述永磁同步電機上配備的旋轉(zhuǎn)變壓器提供。
【專利說明】氣門升程的控制方法和裝置 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及汽車電子技術(shù)，特別涉及基于永磁同步電機的氣門升程調(diào)整方法以及 實現(xiàn)上述方法的氣門升程控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動機可變氣門升程技術(shù)可以在發(fā)動機以不同轉(zhuǎn)速和負荷運行時提供匹配的氣 門升程。例如在低速、低負荷狀態(tài)下，可變氣門升程技術(shù)選用較小的氣門升程，從而增強進 氣渦流強度，增加缸內(nèi)紊流，提高燃燒速度，改善冷啟動和降低油耗；而在高速、高負荷狀態(tài) 下，可變氣門升程技術(shù)則通過增大氣門升程，減少了氣門節(jié)流損失，顯著提高進氣量，從而 提高發(fā)動機的功率輸出并且降低燃油消耗?？傊?，借助可變氣門升程技術(shù)是提升發(fā)動機的 動力性、經(jīng)濟性、排放性以及平順性水平的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)有的汽油機可變氣門升程系統(tǒng)采用有刷直流電機作為動力源調(diào)節(jié)氣門升程。圖 1示出了一種典型的氣門升程控制裝置的機械結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，有刷直 流電機通過蝸輪蝸桿減速機構(gòu)驅(qū)動偏心軸轉(zhuǎn)動，偏心凸輪1經(jīng)搖臂2作用于中間桿3,使中 間桿3的旋轉(zhuǎn)中心位置發(fā)生改變，從而間接地改變氣門的升程。但是有刷直流電機的使用 存在許多缺點，例如電刷使用壽命短、需要定期維護以及電機運轉(zhuǎn)時電磁噪聲大等。另一方 面，為了檢測偏心控制軸的當前位置，必須在有刷直流電機的偏心控制軸端加裝轉(zhuǎn)角傳感 器，該傳感器檢測的信號作為反饋信號輸入微控制器以用于氣門升程的調(diào)節(jié)過程。然而這 種非接觸式轉(zhuǎn)角傳感器需要較高的安裝精度，而且其價格昂貴。更為棘手的是，轉(zhuǎn)角傳感器 一旦失效，勢必會造成整個氣門升程控制系統(tǒng)的崩潰。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的一個目的是提供一種氣門升程控制裝置，其通過采用永磁同步電機替代 有刷直流電機，有效克服了上述缺點。
[0005] 按照本發(fā)明的一個實施例，氣門升程控制裝置包括永磁同步電機、微控制器、與微 控制器耦合的信號接口電路和驅(qū)動電路，所述微控制器借助所述驅(qū)動電路來控制所述永磁 同步電機的轉(zhuǎn)動以將氣門升程調(diào)節(jié)到與油門踏板位置信號對應的目標值，其中，所述微控 制器對所述永磁同步電機的轉(zhuǎn)動的控制基于經(jīng)所述信號接口電路接收的電機位置信號、電 機電流信號以及與氣門進氣量有關(guān)的信號，所述電機位置信號由所述永磁同步電機上配備 的旋轉(zhuǎn)變壓器提供。
[0006] 在上述實施例中。由于永磁同步電機自帶旋轉(zhuǎn)變壓器，因此可以省去轉(zhuǎn)角傳感器， 這大大降低了系統(tǒng)成本。
[0007] 優(yōu)選地，在上述氣門升程控制裝置中，所述與進氣量有關(guān)的信號為進氣歧管附近 的空氣流量信號，并且所述微控制器根據(jù)所述空氣流量信號判斷氣門升程是否調(diào)節(jié)到所述 目標值。
[0008] 優(yōu)選地，在上述氣門升程控制裝置中，所述與氣門進氣量有關(guān)的信號為進氣歧管 附近的空氣流量信號和排氣管附近的氧濃度信號，并且所述微控制器根據(jù)所述空氣流量信 號和氧濃度信號判斷氣門升程是否調(diào)節(jié)到所述目標值。
[0009] 優(yōu)選地，在上述氣門升程控制裝置中，當判斷氣門升程未達到所述目標值時，所述 微控制器按照下列方式控制所述永磁同步電機的轉(zhuǎn)動：
[0010] 利用比例積分調(diào)節(jié)算法確定所述永磁同步電機的運行參數(shù)，其中，所述比例積分 調(diào)節(jié)算法的輸入量為電機電流的實際值和與所述目標值對應的電機電流的設(shè)定值，所述實 際值通過對所述電機位置信號和所述電機電流信號依次施行Clarke變換和Park變換而得 到；
[0011] 對所述運行參數(shù)依次施行逆Park變換和逆Clarke變換；
[0012] 利用空間矢量調(diào)制，由施行逆Park變換和逆Clarke變換后的運行參數(shù)確定驅(qū)動 所述永磁同步電機的三相電壓的占空比信號；以及
[0013] 向所述驅(qū)動電路輸出所述占空比信號。
[0014] 優(yōu)選地，在上述氣門升程控制裝置中，還包含CAN通信電路，所述微控制器經(jīng)所述 CAN通信電路與外部設(shè)備通信。
[0015] 本發(fā)明的另一個目的是提供一種借助永磁同步電機調(diào)節(jié)氣門升程的方法，其通過 采用永磁同步電機替代有刷直流電機，有效克服了上述缺點。
[0016] 按照本發(fā)明的一個實施例，借助永磁同步電機調(diào)節(jié)氣門升程的方法包括下列步 驟：
[0017] 根據(jù)油門踏板位置信號確定所述氣門升程的目標值；
[0018] 根據(jù)與氣門進氣量有關(guān)的信號判斷氣門升程是否調(diào)節(jié)到所述目標值；
[0019] 如果判斷氣門升程未達到所述目標值時，則根據(jù)電機電流的實際值和與所述目標 值對應的電機電流的設(shè)定值確定所述永磁同步電機的運行參數(shù)，其中，所述實際值通過對 所述電機位置信號和所述電機電流信號依次施行Clarke變換和Park變換而得到，所述電 機位置信號由所述永磁同步電機上配備的旋轉(zhuǎn)變壓器提供；
[0020] 對所述運行參數(shù)依次施行逆Park變換和逆Clarke變換；
[0021] 利用空間矢量調(diào)制，由施行逆Park變換和逆Clarke變換后的運行參數(shù)確定驅(qū)動 所述永磁同步電機的三相電壓的占空比信號；以及
[0022] 向所述驅(qū)動電路輸出所述占空比信號。
[0023] 優(yōu)選地，在上述方法中，利用比例積分調(diào)節(jié)算法確定電機電流的調(diào)整值。
[0024] 優(yōu)選地，在上述方法中，所述與進氣量有關(guān)的信號為進氣歧管附近的空氣流量信 號。
[0025] 優(yōu)選地，在上述方法中，所述與氣門進氣量有關(guān)的信號為進氣歧管附近的空氣流 量信號和排氣管附近的氧濃度信號。
[0026] 優(yōu)選地，在上述方法中，通過查詢空氣流量與氣門升程的關(guān)系表確定所述實際值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為一種典型的氣門升程控制裝置的機械結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖2為按照本發(fā)明一個實施例的氣門升程控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0029] 圖3為按照本發(fā)明另一個實施例的氣門升程調(diào)整方法的流程圖。
[0030] 圖4示出了偏心軸轉(zhuǎn)角與氣門升程的關(guān)系曲線。
[0031] 圖5是出了空氣流量與氣門升程的關(guān)系曲線。

【具體實施方式】
[0032] 下面通過參考附圖描述【具體實施方式】來闡述本發(fā)明。但是需要理解的是，這些具 體實施方式僅僅是示例性的，對于本發(fā)明的精神和保護范圍并無限制作用。
[0033] 在本說明書中，"耦合"一詞應當理解為包括在兩個單元之間直接傳送能量或信號 的情形，或者經(jīng)一個或多個第三單元間接傳送能量或信號的情形，而且這里所稱的信號包 括但不限于以電、光和磁的形式存在的信號。另外，"包含"和"包括"之類的用語表示除了 具有在說明書和權(quán)利要求書中有直接和明確表述的單元和步驟以外，本發(fā)明的技術(shù)方案也 不排除具有未被直接或明確表述的其它單元和步驟的情形。
[0034] 還需要指出的是，為闡述方便，附圖中各單元并不一定按照它們實際的比例繪制， 而且附圖中各單元的尺寸以及它們之間的比例不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。
[0035] 按照本發(fā)明的實施例，采用永磁同步電機來調(diào)整氣門升程，并且通過利用安裝于 永磁同步電機的輸出軸端的旋轉(zhuǎn)變壓器來確定電機位置或轉(zhuǎn)角，省去了原來安裝于偏心控 制軸端的轉(zhuǎn)角傳感器。與此同時，通過比較氣門升程的目標值與利用涉及氣門進氣量的信 號確定的實際值，實現(xiàn)了對永磁同步電機的穩(wěn)定和可靠的控制。優(yōu)選地，涉及氣門進氣量的 信號例如包括但不限于進氣歧管附近測得的空氣流量信號和排氣管附近的氧濃度信號。
[0036] 圖2為按照本發(fā)明一個實施例的氣門升程控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0037] 按照本實施例的氣門升程控制裝置20主要包括微控制器（MCU) 210、驅(qū)動電路 220、永磁同步電機230、信號處理電路240和CAN通信電路250。
[0038] 如圖2所示，微控制器210與驅(qū)動電路220、信號處理電路240和CAN通信電路250 耦合，其根據(jù)信號處理電路240接收的傳感信號生成控制命令并輸出至驅(qū)動電路220,從而 借助驅(qū)動電路220實現(xiàn)對永磁同步電機230轉(zhuǎn)動的控制。優(yōu)選地，控制命令采用PWM信號的 形式，驅(qū)動電路220將來自于微控制器210的PWM信號進行放大后驅(qū)動永磁同步電機230。 微控制器210還經(jīng)CAN通信電路250與外部設(shè)備進行通信。
[0039] 在本實施例中，傳感信號包括但不限于油門踏板位置信號、電機位置信號、電機母 線電流信號以及與氣門進氣量有關(guān)的信號，其中，電機位置信號可借助安裝在永磁同步電 機230上的傳感器獲得，電機母線電流信號可借助安裝在驅(qū)動電路220中的電流傳感器芯 片（ICS)獲得。用于獲取電機位置信號的傳感器例如可以是安裝于永磁同步電機的輸出軸 端的旋轉(zhuǎn)變壓器，所獲取的信號經(jīng)信號處理電路240的調(diào)制解調(diào)處理后即可得到電機的位 置信息。傳感信號經(jīng)信號處理電路240轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后提供給微控制器210。
[0040] 在本實施例中，非限定性地，可以采用意法半導體公司生產(chǎn)的基于Cortex_M3內(nèi) 核的STM32F103ZG處理器作為微控制器210,其中，該處理器的引腳PBO、PB1、PCl分別耦 合至油門踏板傳感器、空氣流量傳感器，電機母線電流傳感器，引腳PE8、PE9、PE10、PE11、 PE12、PE13用作與驅(qū)動電路220相連的控制輸出端。此外，STM32F103ZG處理器與信號處理 電路240中的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AD2S1205之間采用串行通信方式，其中，引腳PDO?TO6 引腳分別與旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AD2S1205的SD0、SDI、i^/ FSKV('SCLK、A0、A1、&4MP/JT 引腳相連。
[0041] 圖3為按照本發(fā)明另一個實施例的氣門升程調(diào)整方法的流程圖。為闡述方便起 見，這里假設(shè)在圖2所示的氣門升程控制裝置中實現(xiàn)本實施例的方法。但是需要指出的是， 這僅僅是示例性的，本發(fā)明的原理完全可以應用于其它采用永磁同步電機作為動力源的氣 門升程控制裝置。
[0042] 如圖3所示，在步驟301，信號處理電路240從油門踏板位置傳感器接收油門踏板 位置信號并且轉(zhuǎn)換為適于微處理器210處理的形式。
[0043] 隨后進入步驟302,微控制器210根據(jù)油門踏板位置信號確定氣門升程的目標值 并且從該目標值確定相應的偏心軸轉(zhuǎn)角，由此可以得到永磁同步電機的、在d_q坐標系內(nèi) 的電流設(shè)定值4和i qs。
[0044] 圖4示出了偏心軸轉(zhuǎn)角與氣門升程的關(guān)系曲線，其中橫坐標為偏心控制軸轉(zhuǎn)角， 縱坐標為以毫米為單位的氣門升程。如圖所示，偏心軸轉(zhuǎn)角與氣門升程之間存在一一對應 的關(guān)系，因此可以所確定的氣門升程的目標值得到相應的偏心軸轉(zhuǎn)角。由于蝸輪蝸桿的減 速比是已知的，因此可由偏心控制軸所轉(zhuǎn)過的角度推算出永磁同步電機所需轉(zhuǎn)過的角度。 在典型的應用實例中，偏心軸可在〇?170°范圍內(nèi)連續(xù)變動，氣門升程可在0?8. 93MM范 圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。
[0045] 優(yōu)選地，油門踏板位置信號與氣門升程之間的關(guān)系和偏心軸轉(zhuǎn)角與氣門升程之間 的關(guān)系都以表格的形式存儲，因此微控制器210可以通過查表確定目標值和偏心軸轉(zhuǎn)角。
[0046] 接著執(zhí)行步驟303,信號處理電路240從永磁同步電機240上配備的旋轉(zhuǎn)變壓器讀 取電機位置信號并且提供給微控制器210。隨后執(zhí)行步驟304,信號處理電路240從驅(qū)動電 路220中的電流傳感器芯片讀取電機電流的實際值(也即電機母線電流信號i a、ib和i。）并 且提供給微控制器210。
[0047] 隨后依次執(zhí)行步驟305和306,微控制器210利用電機位置信號，對電機母線電流 信號i a、ib和i。分別施行Clarke變換和Park變換從而得到d-q坐標系內(nèi)的電機電流的實 際值和i d。
[0048] 在步驟307中，微控制器210根據(jù)電流設(shè)定值ids和iqs和實際值i,和i d確定永磁 同步電機的運行參數(shù)。在本實施例中，出于便于實施電機控制的考慮，運行參數(shù)以d_q坐標 系內(nèi)的電壓信號U q和Ud的形式提供。優(yōu)選地，可以利用比例積分調(diào)節(jié)算法確定上述運行參 數(shù)，其中，輸入量為電機電流的實際值和設(shè)定值。值得指出的是，也可以采用其它的控制算 法，包括但不限于比例積分微分調(diào)節(jié)算法等。
[0049] 隨后依次執(zhí)行步驟308和309,微控制器210對運行參數(shù)Uq和Ud分別施行逆 Clarke變換和逆Park變換從而得到A-B-C坐標系內(nèi)的電壓信號ua、Ub和uc。
[0050] 接著進入步驟310，微控制器210利用空間矢量調(diào)制（SVPWM)計算出永磁同步電機 的三相電壓的占空比并輸出至驅(qū)動電路220。作為響應，驅(qū)動電路220根據(jù)上述占空比驅(qū)動 偏心軸轉(zhuǎn)動以帶動中間桿的旋轉(zhuǎn)中心位置發(fā)生變化，從而改變氣門的升程。
[0051] 隨后，在步驟311中，信號處理電路240從安裝在進氣歧管附近的空氣流量傳感器 (例如空氣流量計）接收關(guān)于進入進氣歧管的空氣流量的信號并且轉(zhuǎn)換為適于微處理器210 處理的形式。
[0052] 接著執(zhí)行步驟312,微控制器210判斷氣門升程是否被調(diào)節(jié)到在前述步驟302中確 定的目標值。如果判斷達到目標值，則進入步驟313,否則返回步驟303。
[0053] 圖5是出了空氣流量與氣門升程的關(guān)系曲線，其中橫坐標為以毫米為單位的氣門 升程，縱坐標為以升/秒為單位的空氣流量。如圖所示，進氣歧管附近的空氣流量與氣門升 程之間存在一一對應的關(guān)系，因此可以根據(jù)空氣流量信號確定相應的氣門升程。
[0054] 為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，可選地，在步驟312中可以同時利用空氣流量信 號和安裝在排氣管附近的氧傳感器檢測的氧濃度來判斷氣門升程是否被調(diào)節(jié)到目標值。
[0055] 在步驟313中，微控制器210確定從永磁同步電機前次轉(zhuǎn)動結(jié)束起是否經(jīng)歷一個 預設(shè)的時間段，如果確定經(jīng)歷了一個預設(shè)的時間段，則返回步驟301，以根據(jù)新的油門踏板 位置信號調(diào)節(jié)氣門升程，否則將繼續(xù)等待。
[0056] 以上已經(jīng)參考具體實施例說明了本發(fā)明。然而，除上述以外的其它實施例也同樣 地在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以提供與上述由硬件或軟件執(zhí)行該方法的方法 步驟不同的方法步驟。本發(fā)明的不同特性和步驟可以被組合在上述以外的其它組合中。本 發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1. 一種氣門升程控制裝置，包括永磁同步電機、微控制器、與微控制器耦合的信號接 口電路和驅(qū)動電路，所述微控制器借助所述驅(qū)動電路來控制所述永磁同步電機的轉(zhuǎn)動以 將氣門升程調(diào)節(jié)到與油門踏板位置信號對應的目標值，其中，所述微控制器對所述永磁 同步電機的轉(zhuǎn)動的控制基于經(jīng)所述信號接口電路接收的電機位置信號、電機電流信號以 及與氣門進氣量有關(guān)的信號，所述電機位置信號由所述永磁同步電機上配備的旋轉(zhuǎn)變壓 器提供。
2. 如權(quán)利要求1所述的氣門升程控制裝置，其中，所述與進氣量有關(guān)的信號為進氣歧 管附近的空氣流量信號，并且所述微控制器根據(jù)所述空氣流量信號判斷氣門升程是否調(diào)節(jié) 到所述目標值。
3. 如權(quán)利要求1所述的氣門升程控制裝置，其中，所述與氣門進氣量有關(guān)的信號為進 氣歧管附近的空氣流量信號和排氣管附近的氧濃度信號，并且所述微控制器根據(jù)所述空氣 流量信號和氧濃度信號判斷氣門升程是否調(diào)節(jié)到所述目標值。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的氣門升程控制裝置，其中，當判斷氣門升程未達到所述目標 值時，所述微控制器按照下列方式控制所述永磁同步電機的轉(zhuǎn)動： 利用比例積分調(diào)節(jié)算法確定所述永磁同步電機的運行參數(shù)，其中，所述比例積分調(diào)節(jié) 算法的輸入量為電機電流的實際值和與所述目標值對應的電機電流的設(shè)定值，所述實際值 通過對所述電機位置信號和所述電機電流信號依次施行Clarke變換和Park變換而得到； 對所述運行參數(shù)依次施行逆Park變換和逆Clarke變換； 利用空間矢量調(diào)制，由施行逆Park變換和逆Clarke變換后的運行參數(shù)確定驅(qū)動所述 永磁同步電機的三相電壓的占空比信號；以及 向所述驅(qū)動電路輸出所述占空比信號。
5. 如權(quán)利要求1所述的氣門升程控制裝置，其中，還包含CAN通信電路，所述微控制器 經(jīng)所述CAN通信電路與外部設(shè)備通信。
6. -種借助永磁同步電機調(diào)節(jié)氣門升程的方法，包括下列步驟： 根據(jù)油門踏板位置信號確定所述氣門升程的目標值； 根據(jù)與氣門進氣量有關(guān)的信號判斷氣門升程是否調(diào)節(jié)到所述目標值； 如果判斷氣門升程未達到所述目標值時，則根據(jù)電機電流的實際值和與所述目標值對 應的電機電流的設(shè)定值確定所述永磁同步電機的運行參數(shù)，其中，所述實際值通過對所述 電機位置信號和所述電機電流信號依次施行Clarke變換和Park變換而得到，所述電機位 置信號由所述永磁同步電機上配備的旋轉(zhuǎn)變壓器提供； 對所述運行參數(shù)依次施行逆Park變換和逆Clarke變換； 利用空間矢量調(diào)制，由施行逆Park變換和逆Clarke變換后的運行參數(shù)確定驅(qū)動所述 永磁同步電機的三相電壓的占空比信號；以及 向所述驅(qū)動電路輸出所述占空比信號。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，利用比例積分調(diào)節(jié)算法確定電機電流的調(diào)整值。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述與進氣量有關(guān)的信號為進氣歧管附近的空氣 流量信號。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述與氣門進氣量有關(guān)的信號為進氣歧管附近的 空氣流量信號和排氣管附近的氧濃度信號。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，通過查詢空氣流量與氣門升程的關(guān)系表確定 所述實際值。
【文檔編號】F02D13/00GK104343547SQ201310329511
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月31日
【發(fā)明者】徐寅, 章健勇, 張華 , 尹琪, 許小穎 申請人:上海汽車集團股份有限公司