连续可变气门正时控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及连续可变气门正时装置及其控制方法，尤其，涉及一种利用马达的连续可变气门正时装置及其控制方法。

背景技术：

在汽车工程(Automotive Engineering)中，可变气门正时(Variable Valve Timing，VVT)控制技术(以下，称为VVT控制技术)是指根据发动机的旋转数来改变气门的开合时间的技术。

由于这种可变气门正时控制技术根据发动机的低速及高速旋转来改变气门的开合时间，因而适用可变气门正时控制技术的车辆可以同时提高燃料效率和功率。

一般而言，发动机以使在特定的旋转区间(特定RPM区间)得到最大功率的方式设定了气门开合的时间。换句话说，在发动机旋转数为低速的低速RPM区间时，在发动机的混合器上发生的做功冲程(Power stroke)中，应延迟气门开合时间，而在发动机旋转数为高速的高速RPM区间时，为了在发动机的混合器上发生的排气冲程(Exhaust stroke)中迅速地排气，应将开合时间提前。

若将气门的开合时机控制为低速，则发动机的混合器的排气速度慢，若将气门的开合时机控制为高速，则在发动机的混合器上发生的压缩冲程(compression stroke)慢，因而大大降低发动机的效率。

为了解决如上所述的问题，提出了上述可变气门正时控制技术。

即可变气门正时控制技术考虑到发动机的旋转数而控制气门的开合时间，从而在发动机的低速及高速旋转区间可以同时得到高的燃料效率和高的功率。

一般而言，根据可变气门正时控制技术的气门开合时间转换方式是由低速旋转和高速旋转的2个步骤形成的阶段方式。但是，最近开发了一种连续控制气门的开合时间的连续方式的连续可变气门正时(Continuously Variable Valve Timing，CVVT)技术。

连续可变气门正时技术是指可以根据发动机旋转数和油门开度来连续改变气门的开合时间的技术。

用于实现这种连续可变气门正时技术的系统的基本结构包括：内轴腔，其连接有凸轮轴(camshaft)；外置系统，其连接到如链条、皮带之类的同步(Timing)系统而从发动机接收动力；传感器，其可以测定当前的时间；以及调节装置。一般而言，调节装置使用液压方式来安装机油控制阀(Oil Control Valve，OCV)。且最近，为了快速响应特性，通过电动马达进行控制的方式趋于大众化。

在连续可变气门正时系统中，车辆内的发动机控制单元(Engine Controlling Unit，ECU)从设置在凸轮轴的传感器接收凸轮轴的旋转数和曲轴(crankshaft)的曲轴旋转数，并且以接收的信号为基础计算当前的相位(phase)，并运算用于控制电动马达的各种命令值(command value)。

但是，在这种连续可变气门正时系统中，是在发动机控制单元(ECU)执行用于控制电动马达的逻辑。而用于控制上述电动马达的运算正是给需要处理很多运算的发动机控制单元加重运算负荷的原因。最终，这些运算负荷导致发动机控制单元的操作错误并降低处理速度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题

因此，本发明的目的在于，提供一种连续可变气门正时控制装置及其控制方法，改装置及方法在控制连续可变气门正时时，可以减轻在发动机控制单元执行的运算负荷。

技术方案

根据用于达成上述目的的本发明的一实施方式的连续可变气门正时控制装置，包括：发动机控制单元，其输出进气阀或排气阀的实际相位角和上述进气阀或排气阀的目标相位角；以及智能马达控制器，其利用车辆内的数字通信从上述发动机控制单元接收上述实际相位角和上述目标相位角，并且利用接收的上述实际相位角和上述目标相位角之间的相位差生成用于调整上述马达的输出扭矩的驱动电流。

根据本发明的另一实施方式的连续可变气门正时控制装置包括：发动机控制单元，其输出上述进气阀或上述排气阀的目标相位角；以及智能马达控制器，其利用车辆内的数字通信从上述发动机控制单元接收上述目标相位角，并且利用从感知上述曲轴的旋转速度的曲轴位置传感器接收的曲轴转角信号和从感知上述凸轮轴的旋转速度的凸轮轴位置传感器接收的凸轮轴转角信号来计算实际相位角，并且利用接收的上述目标相位角和上述计算的实际相位角之间的相位差生成用于控制上述马达的输出扭矩的驱动电流。

根据本发明的另一实施方式的连续可变气门正时控制装置的控制方法，包括：在与上述马达实现一体型的智能马达控制器中，通过车辆内的数字通信从发动机控制单元接收上述进气阀或上述排气阀的实际相位角和目标相位角的步骤；以及在上述智能马达控制器中，利用接收的上述实际相位角和上述目标相位角之间的相位差生成用于调整上述马达的输出扭矩的驱动电流的步骤。

有益效果

根据本发明，在连续可变气门正时系统中，将以往的、为了控制马达而在发动机控制单元执行的部分运算过程，在与电动马达实现一体型的智能马达控制器中执行，从而可以减少在以往的发动机控制单元执行的运算负荷。

附图说明

图1为简要示出了根据本发明一实施例的连续可变气门正时控制装置的整体结构的框图。

图2为示出了图1图示的智能马达控制器的内部结构的框图。

图3为示出了根据本发明一实施例的连续可变气门正时控制方法的流程图。

图4为简要示出了根据本发明另一实施例的连续可变气门正时控制装置的整体结构的框图。

图5为示出了图4图示的智能马达控制器的内部结构的框图。

图6为示出了根据本发明另一实施例的连续可变气门正时控制方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供如下内燃机的连续可变气门正时控制装置：其将马达作为驱动源，并且通过改变对于内燃机的凸轮轴(cam shaft)旋转速度的上述马达的相对旋转速度，来改变对于曲轴(crank shaft)的上述凸轮轴的旋转相位，从而改变进气阀或排气阀的气门正时(valve timing)。

上述连续可变气门正时控制装置包括：发动机控制单元(Engine Controlling Unit，ECU)；以及与上述发动机控制单元执行数字通信的智能马达控制器。

本发明中，上述智能马达控制器代替执行以往在ECU执行的计算电动马达的命令值的部分处理过程，从而，欲减少上述发动机控制单元的运算负荷。

本申请人给本发明赋予了“连续可变气门正时控制装置”的名称，但还可以替换为“电动马达驱动的连续可变气门正时控制装置”(Electric motor driven CVVT，E-CVVT)的名称。

以下，参照附图详细说明本发明的一实施例。

图1为简要示出了根据本发明一实施例的连续可变气门正时控制装置的整体结构的框图。

参照图1，根据本发明一实施例的连续可变气门正时控制装置100包括：发动机控制单元(以下，称为ECU)110、马达控制器模块120、摆线针轮减速器(cycloid reducer)130、曲轴140、曲轴位置传感器142、凸轮轴150及凸轮轴位置传感器152。

ECU 110利用车辆内的数字通信(或车辆内的网络通信)将进气阀或排气阀的实际相位角(Actual Phase Angle，APA(θ))和目标相位角(Target Phase Angle、TPA(θ))传输到马达控制器模块120。

虽然没有特别限制，车辆内的数字通信可以例举局域互联网络(Local Interconnect Network，LIN)通信、控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)通信、FlexRay通信、媒体导向系统传输(Media Oriented System Transport，MOST)通信、以太网(Ethernet)通信、二线(2-wire)或四线(4-wire)方式的串行通信等。其中，串行通信可例举EIA-485、TIA/EIA-485、RS-485、EIA-422、TIA-422、RS-422等。

ECU 110从曲轴位置传感器142接收表示曲轴140的旋转速度的脉冲形态的曲轴转角信号CKP，并且从凸轮轴位置传感器152接收感知凸轮轴150的旋转速度的脉冲形态的凸轮轴转角信号CMP，利用接收的曲轴转角信号CKP和凸轮轴转角信号CMP来计算上述进气阀或排气阀的实际相位角APA(θ)。这种实际相位角APA(θ)可以根据与曲轴转角信号CKP的特定脉冲的边缘(edge)和凸轮轴转角信号CMP的特定脉冲的边缘之间的时间差有关的信息进行计算。

并且，ECU 110可以通过节气门位置传感器(Throttle Position Sensor、TPS)测定的节流阀(Throttle valve)的开度和发动机的燃烧所需要的空气和燃料之间的混合比来计算目标相位角TPA(θ)。其中，空气和燃料之间的混合比可以由安装在排气歧管(Exhaust Manifold)的氧气传感器所测定的、包含于发动机的排气中的氧浓度来计算。

虽然未图示，ECU 110可以通过车辆内的数字通信，从上述TPS接收与上述开度有关的信息，并且从上述传感器接收与氧浓度有关的信息。

若ECU 110计算出目标相位角TPA(θ)和实际相位角APA(θ)，则通过车辆内的通信总线115向上述马达控制器模块120传输检测到的实际相位角APA(θ)和目标位相角TPA(θ)。

其中，上述通信总线115可以为用于数字通信的LIN总线、CAN总线、FlexRay总线、媒体导向系统传输(MOST)总线、以太网总线等。

对于以往的ECU而言，其以实际相位角APA(θ)和目标位相角TPA(θ)为基础，执行计算用于控制电动马达124的命令值(command value)的所有处理过程。

但是，在本发明中，ECU 110仅将实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)通过数字通信传输到上述马达控制器模块120，而计算上述命令值的处理过程(例如，计算实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)之间的相位差的处理过程、利用计算出的相位差来计算用于控制电动马达124的输出扭矩的占空值(Duty value)的处理过程等)由上述马达控制器模块120进行处理。由此，可以减少ECU 110处理的、与连续可变气门正时控制有关的运算负荷。

马达控制器模块120通过上述通信总线115从上述ECU 110接收上述实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)，利用接收的上述实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)生成用于调整对于凸轮轴(cam shaft)的旋转速度的马达的相对旋转速度的马达扭矩(Motor Torque，MT)。其中，上述通信总线115可以为LIN总线、CAN总线、FlexRay总线、媒体导向系统传输总线、以太网总线等。

具体地，马达控制器模块120包括智能马达控制器122及电动马达124。

智能马达控制器122设置在形成上述马达124外观的外壳的特定面。因此，智能马达控制器122和上述马达124实现一体型。

上述智能马达控制器122运算接收的目标相位角TPA(θ)和上述实际相位角APA(θ)之间的相位差，并且以运算出的上述相位差为基础，计算用于调整上述马达124的相对旋转速度的占空值。

并且，上述智能马达控制器122输出对应于上述计算的占空值的驱动电流。对此的具体说明将参照图2进行详细说明。

电动马达124根据从智能马达控制器122输出的驱动电流来输出对应于相对旋转速度值的马达扭矩(MT)，其中，上述相对旋转速度值是对于凸轮轴(cam shaft)的旋转速度的相对旋转速度值。并且，马达124可以为无刷直流(BrushLess DC)马达(Motor)(BLDCM)。

摆线针轮减速器130(Cycloid Reducer)将输出扭矩传输到凸轮轴150，其中所述输出扭矩为根据减速比(或齿轮比)而在接收电动马达124传输的马达扭矩(MT)加减通过曲轴140的链条(chain)接收的曲柄扭矩(Crank Torque，CT)而获得的。这种摆线针轮减速器130有时还可以称为齿轮箱(Gear box)、凸轮相位转换器(Cam Phase Converter)等。

凸轮轴150根据接收的摆线针轮减速器130所传输的输出扭矩，以调整的旋转相位来改变进气阀或排气阀的气门正时(valve timing)。

图2为示出图1图示的智能马达控制器的内部结构的框图。

参照图2，智能马达控制器122以一体型(或内置型)的方式形成于无刷直流马达(BLDCM)124，从而执行在以往的ECU 110执行的马达控制运算。

为此，智能马达控制器122包括接收器122-1、减法器(subtracter)122-3、占空值计算部122-5及马达驱动部122-7。

上述接收器122-1通过通信总线115以数字通信方式从上述发动机控制单元110接收目标相位角TPA(θ)和实际相位角APA(θ)。其中，接收器122-1可以为LIN通信用接收器、CAN通信用接收器、FlexRay通信用接收器，MOST通信用接收器、以太网通信用接收器、串行通信用接收器。

上述减法器122-3从上述接收器122-1接收上述目标相位角TPA(θ)和上述实际相位角APA(θ)，并且计算其相位差Δθ。

上述占空值计算部122-5利用控制单位时间、减速比(或齿轮比)及上述相位差Δθ，计算用于加减(加法或减法)上述曲轴的扭矩值的扭矩值，并计算对应于上述计算的扭矩值的占空值(DUTY)。

上述输出扭矩值(MT)可以由以下数学式1计算。

数学式1

Δθ∝2·CT+Z·MT·ε

其中，Δθ为凸轮轴的必要位相变化量，CT为曲轴扭矩、Z为减速器的减速比、ε为传输效率(Transmission Efficiency)。

上述马达驱动部122-9根据在上述占空值计算部122-5计算出的占空值(DUTY)计算对应于上述相位差Δθ的占空比(duty ratio)，并生成对应于占空比的驱动电流，并将上述驱动电流输出至电动马达124。根据上述驱动电流，控制上述电动马达124的旋转方向、旋转速度及扭矩中的至少一个。

如上所述，与以往在ECU执行的连续可变气门正时控制有关的运算负荷分散到智能马达控制器122侧，从而可以大大减少ECU 110的运算负荷。

图3为示出根据本发明一实施例的连续可变气门正时控制方法的流程图。

参照图3，首先，在步骤S310中，与电动马达124实现一体型的智能马达控制器122从ECU 110接收实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)。

为了接收实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)，ECU 110和智能马达控制器122可以通过数字通信连接。

上述数字通信可以为LIN通信、CAN通信、FlexRay通信、MOST通信、以太网通信、二线(2-wire)或四线(4-wire)方式的串行通信中的任意一个。

在步骤S320中，计算上述智能马达控制器122接收的目标相位角TPA(θ)和实际相位角APA(θ)之间的相位差Δθ。

在步骤S330中，上述智能马达控制器122以上述相位差为基础计算用于调整上述电动马达124的输出扭矩的占空值(DUTY)。

在步骤S340中，上述马达驱动部122-9生成对应于上述智能马达控制器122计算的占空值(DUTY)的驱动电流，并且将上述生成的驱动电流输出至上述电动马达124。

之后，上述电动马达124向摆线针轮减速器130传输根据对应于上述驱动电流的转子的旋转方向及旋转速度的马达扭矩。

如上所述，以往的ECU，以实际相位角APA(θ)和目标位相角TPA(θ)为基础执行计算用于控制电动马达124的命令值(command value)的所有处理过程，但是，在本发明中，ECU 110只是通过数字通信向上述马达控制器模块120传输实际相位角APA(θ)和目标位相角TPA(θ)，而计算上述命令值的处理过程(例如，计算实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)之间的相位差的处理过程、利用计算出的相位差来计算用于控制电动马达124的输出扭矩的占空值(Duty value)的处理过程等)由上述马达控制器模块120进行处理。由此，可以减少ECU 110处理的、与连续可变气门正时控制有关的运算负荷。

图4为简要示出根据本发明另一实施例的连续可变气门正时控制装置的整体结构的框图。

参照图4，根据本发明另一实施例的智能马达控制器122通过数字通信从ECU 110只接收目标相位角TPA(θ)，对于实际相位角APA(θ)自行计算。

即根据本发明另一实施例的智能马达控制器122通过有线通信直接从曲轴位置传感器142接收曲轴转角信号CKP，并且从凸轮轴位置传感器152接收凸轮轴转角信号CMP，并且自行计算上述实际相位角APA(θ)。

因此，根据本发明另一实施例的智能马达控制器122由于除了计算目标相位角TPA(θ)和实际相位角APA(θ)之间相位差Δθ的过程及以上述相位差Δθ为基础计算用于调整上述电动马达124的输出扭矩的占空值(DUTY)的过程之外，还代替ECU 110处理计算上述实际相位角APA(θ)的过程，因而还可进一步减轻施加给ECU 110的运算负荷。

图5为示出图4图示的智能马达控制器的内部结构的框图。

参照图5，根据本发明另一实施例的智能马达控制器122包括APA计算部122-1A、接收器122-3A、上述减法器122-5A、占空值计算部122-7A及马达驱动部122-9A。

除APA计算部122-1A和上述接收器122-3A之外的剩余结构122-5A、122-7A、122-9A分别与图2所示的结构122-3、122-5、122-7执行相同的功能。因此，利用分别在图2中图示的结构122-3、122-5、122-7的说明代替对上述结构122-5A、122-7A、122-9A的说明。

上述APA计算部122-1A通过有线通信直接从曲轴位置传感器142接收曲轴转角信号CKP，并且从凸轮轴位置传感器152接收凸轮轴转角信号CMP。

上述APA计算部122-1A通过曲轴转角信号CKP的特定脉冲的边缘(edge)和凸轮轴转角信号CMP的特定脉冲的边缘之间的时间差来计算实际相位角APA(θ)。

上述APA计算部122-1A计算的实际相位角APA(θ)经过接收器122-3A传输到上述减法器122-5A。

虽然未图示，上述APA计算部122-1A计算的实际相位角APA(θ)可以不经过上述接收器122-3A而直接传输到上述减法器122-5A。

之后，由于上述减法器122-5A、上述占空值计算部122-7A及上述马达驱动部122-9A的各个处理过程与图3图示的上述减法器122-3、上述占空值计算部122-5及上述马达驱动部122-7的各个处理过程相同，因而省略了对其的说明。

图6为示出根据本发明另一实施例的连续可变气门正时控制方法的流程图。

参照图6，首先在步骤S610中，智能马达控制器122通过数字通信方式从ECU 110接收目标相位角TPA(θ)。

在步骤S620中，智能马达控制器122通过有线方式从曲轴位置传感器142接收曲轴转角信号CKP，并且从凸轮轴位置传感器152接收凸轮轴转角信号CMP。

在步骤S630中，智能马达控制器122利用曲轴转角信号CKP和凸轮轴转角信号CMP计算APA(θ)。

在步骤S640中，智能马达控制器122计算从ECU 110接收的目标相位角TPA(θ)和上述计算的APA(θ)之间的相位差。

在步骤S650中，智能马达控制器122利用上述计算的相位差Δθ计算占空值。

在步骤S660中，智能马达控制器122通过对应于上述计算的占空值的驱动电流控制电动马达124的输出扭矩。

如上所述，以往的ECU，以实际相位角APA(θ)和目标位相角TPA(θ)为基础执行计算用于控制电动马达124的命令值(command value)的所有处理过程，但是，在本发明中，ECU 110只是通过数字通信向上述马达控制器模块120传输实际相位角APA(θ)和目标位相角TPA(θ)，而计算上述命令值的处理过程(例如，计算实际相位角APA(θ)和目标相位角TPA(θ)之间的相位差的处理过程、利用计算出的相位差来计算用于控制电动马达124的输出扭矩的占空值(Duty value)的处理过程等)由上述马达控制器模块120进行处理。由此，可以减少ECU 110处理的、与连续可变气门正时控制有关的运算负荷。

如上所述虽然通过限定的实施例和附图说明本发明，但是本发明并不局限于上述实施例，本发明所属技术领域的普通技术人员能够在这种记载内进行多种修改及变形。因此，不能只通过以上记载的权利要求范围来判断本发明的思想，与其等同或等效的变形均属于本发明的思想。