气门升程的控制方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及汽车电子技术，特别涉及基于永磁同步电机的气门升程调整方法以及实现上述方法的气门升程控制装置。按照本发明的气门升程控制装置包括永磁同步电机、微控制器、与微控制器耦合的信号接口电路和驱动电路，所述微控制器借助所述驱动电路来控制所述永磁同步电机的转动以将气门升程调节到与油门踏板位置信号对应的目标值，其中，所述微控制器对所述永磁同步电机的转动的控制基于经所述信号接口电路接收的电机位置信号、电机电流信号以及与气门进气量有关的信号，所述电机位置信号由所述永磁同步电机上配备的旋转变压器提供。
【专利说明】气门升程的控制方法和装置 发明领域
[0001] 本发明涉及汽车电子技术，特别涉及基于永磁同步电机的气门升程调整方法以及 实现上述方法的气门升程控制装置。
【背景技术】
[0002] 发动机可变气门升程技术可以在发动机以不同转速和负荷运行时提供匹配的气 门升程。例如在低速、低负荷状态下，可变气门升程技术选用较小的气门升程，从而增强进 气涡流强度，增加缸内紊流，提高燃烧速度，改善冷启动和降低油耗；而在高速、高负荷状态 下，可变气门升程技术则通过增大气门升程，减少了气门节流损失，显著提高进气量，从而 提高发动机的功率输出并且降低燃油消耗。总之，借助可变气门升程技术是提升发动机的 动力性、经济性、排放性以及平顺性水平的关键技术。
[0003] 现有的汽油机可变气门升程系统采用有刷直流电机作为动力源调节气门升程。图 1示出了一种典型的气门升程控制装置的机械结构示意图。在图1所示的结构中，有刷直 流电机通过蜗轮蜗杆减速机构驱动偏心轴转动，偏心凸轮1经摇臂2作用于中间杆3,使中 间杆3的旋转中心位置发生改变，从而间接地改变气门的升程。但是有刷直流电机的使用 存在许多缺点，例如电刷使用寿命短、需要定期维护以及电机运转时电磁噪声大等。另一方 面，为了检测偏心控制轴的当前位置，必须在有刷直流电机的偏心控制轴端加装转角传感 器，该传感器检测的信号作为反馈信号输入微控制器以用于气门升程的调节过程。然而这 种非接触式转角传感器需要较高的安装精度，而且其价格昂贵。更为棘手的是，转角传感器 一旦失效，势必会造成整个气门升程控制系统的崩溃。
【发明内容】
[0004] 本发明的一个目的是提供一种气门升程控制装置，其通过采用永磁同步电机替代 有刷直流电机，有效克服了上述缺点。
[0005] 按照本发明的一个实施例，气门升程控制装置包括永磁同步电机、微控制器、与微 控制器耦合的信号接口电路和驱动电路，所述微控制器借助所述驱动电路来控制所述永磁 同步电机的转动以将气门升程调节到与油门踏板位置信号对应的目标值，其中，所述微控 制器对所述永磁同步电机的转动的控制基于经所述信号接口电路接收的电机位置信号、电 机电流信号以及与气门进气量有关的信号，所述电机位置信号由所述永磁同步电机上配备 的旋转变压器提供。
[0006] 在上述实施例中。由于永磁同步电机自带旋转变压器，因此可以省去转角传感器， 这大大降低了系统成本。
[0007] 优选地，在上述气门升程控制装置中，所述与进气量有关的信号为进气歧管附近 的空气流量信号，并且所述微控制器根据所述空气流量信号判断气门升程是否调节到所述 目标值。
[0008] 优选地，在上述气门升程控制装置中，所述与气门进气量有关的信号为进气歧管 附近的空气流量信号和排气管附近的氧浓度信号，并且所述微控制器根据所述空气流量信 号和氧浓度信号判断气门升程是否调节到所述目标值。
[0009] 优选地，在上述气门升程控制装置中，当判断气门升程未达到所述目标值时，所述 微控制器按照下列方式控制所述永磁同步电机的转动：
[0010] 利用比例积分调节算法确定所述永磁同步电机的运行参数，其中，所述比例积分 调节算法的输入量为电机电流的实际值和与所述目标值对应的电机电流的设定值，所述实 际值通过对所述电机位置信号和所述电机电流信号依次施行Clarke变换和Park变换而得 到；
[0011] 对所述运行参数依次施行逆Park变换和逆Clarke变换；
[0012] 利用空间矢量调制，由施行逆Park变换和逆Clarke变换后的运行参数确定驱动 所述永磁同步电机的三相电压的占空比信号；以及
[0013] 向所述驱动电路输出所述占空比信号。
[0014] 优选地，在上述气门升程控制装置中，还包含CAN通信电路，所述微控制器经所述 CAN通信电路与外部设备通信。
[0015] 本发明的另一个目的是提供一种借助永磁同步电机调节气门升程的方法，其通过 采用永磁同步电机替代有刷直流电机，有效克服了上述缺点。
[0016] 按照本发明的一个实施例，借助永磁同步电机调节气门升程的方法包括下列步 骤：
[0017] 根据油门踏板位置信号确定所述气门升程的目标值；
[0018] 根据与气门进气量有关的信号判断气门升程是否调节到所述目标值；
[0019] 如果判断气门升程未达到所述目标值时，则根据电机电流的实际值和与所述目标 值对应的电机电流的设定值确定所述永磁同步电机的运行参数，其中，所述实际值通过对 所述电机位置信号和所述电机电流信号依次施行Clarke变换和Park变换而得到，所述电 机位置信号由所述永磁同步电机上配备的旋转变压器提供；
[0020] 对所述运行参数依次施行逆Park变换和逆Clarke变换；
[0021] 利用空间矢量调制，由施行逆Park变换和逆Clarke变换后的运行参数确定驱动 所述永磁同步电机的三相电压的占空比信号；以及
[0022] 向所述驱动电路输出所述占空比信号。
[0023] 优选地，在上述方法中，利用比例积分调节算法确定电机电流的调整值。
[0024] 优选地，在上述方法中，所述与进气量有关的信号为进气歧管附近的空气流量信 号。
[0025] 优选地，在上述方法中，所述与气门进气量有关的信号为进气歧管附近的空气流 量信号和排气管附近的氧浓度信号。
[0026] 优选地，在上述方法中，通过查询空气流量与气门升程的关系表确定所述实际值。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为一种典型的气门升程控制装置的机械结构示意图。
[0028] 图2为按照本发明一个实施例的气门升程控制装置的结构框图。
[0029] 图3为按照本发明另一个实施例的气门升程调整方法的流程图。
[0030] 图4示出了偏心轴转角与气门升程的关系曲线。
[0031] 图5是出了空气流量与气门升程的关系曲线。
【具体实施方式】
[0032] 下面通过参考附图描述【具体实施方式】来阐述本发明。但是需要理解的是，这些具 体实施方式仅仅是示例性的，对于本发明的精神和保护范围并无限制作用。
[0033] 在本说明书中，"耦合"一词应当理解为包括在两个单元之间直接传送能量或信号 的情形，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号的情形，而且这里所称的信号包 括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。另外，"包含"和"包括"之类的用语表示除了 具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也 不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
[0034] 还需要指出的是，为阐述方便，附图中各单元并不一定按照它们实际的比例绘制， 而且附图中各单元的尺寸以及它们之间的比例不构成对本发明保护范围的限定。
[0035] 按照本发明的实施例，采用永磁同步电机来调整气门升程，并且通过利用安装于 永磁同步电机的输出轴端的旋转变压器来确定电机位置或转角，省去了原来安装于偏心控 制轴端的转角传感器。与此同时，通过比较气门升程的目标值与利用涉及气门进气量的信 号确定的实际值，实现了对永磁同步电机的稳定和可靠的控制。优选地，涉及气门进气量的 信号例如包括但不限于进气歧管附近测得的空气流量信号和排气管附近的氧浓度信号。
[0036] 图2为按照本发明一个实施例的气门升程控制装置的结构框图。
[0037] 按照本实施例的气门升程控制装置20主要包括微控制器（MCU) 210、驱动电路 220、永磁同步电机230、信号处理电路240和CAN通信电路250。
[0038] 如图2所示，微控制器210与驱动电路220、信号处理电路240和CAN通信电路250 耦合，其根据信号处理电路240接收的传感信号生成控制命令并输出至驱动电路220,从而 借助驱动电路220实现对永磁同步电机230转动的控制。优选地，控制命令采用PWM信号的 形式，驱动电路220将来自于微控制器210的PWM信号进行放大后驱动永磁同步电机230。 微控制器210还经CAN通信电路250与外部设备进行通信。
[0039] 在本实施例中，传感信号包括但不限于油门踏板位置信号、电机位置信号、电机母 线电流信号以及与气门进气量有关的信号，其中，电机位置信号可借助安装在永磁同步电 机230上的传感器获得，电机母线电流信号可借助安装在驱动电路220中的电流传感器芯 片（ICS)获得。用于获取电机位置信号的传感器例如可以是安装于永磁同步电机的输出轴 端的旋转变压器，所获取的信号经信号处理电路240的调制解调处理后即可得到电机的位 置信息。传感信号经信号处理电路240转换为数字信号后提供给微控制器210。
[0040] 在本实施例中，非限定性地，可以采用意法半导体公司生产的基于Cortex_M3内 核的STM32F103ZG处理器作为微控制器210,其中，该处理器的引脚PBO、PB1、PCl分别耦 合至油门踏板传感器、空气流量传感器，电机母线电流传感器，引脚PE8、PE9、PE10、PE11、 PE12、PE13用作与驱动电路220相连的控制输出端。此外，STM32F103ZG处理器与信号处理 电路240中的旋转变压器解码芯片AD2S1205之间采用串行通信方式，其中，引脚PDO?TO6 引脚分别与旋转变压器解码芯片AD2S1205的SD0、SDI、i^/ FSKV('SCLK、A0、A1、&4MP/JT 引脚相连。
[0041] 图3为按照本发明另一个实施例的气门升程调整方法的流程图。为阐述方便起 见，这里假设在图2所示的气门升程控制装置中实现本实施例的方法。但是需要指出的是， 这仅仅是示例性的，本发明的原理完全可以应用于其它采用永磁同步电机作为动力源的气 门升程控制装置。
[0042] 如图3所示，在步骤301，信号处理电路240从油门踏板位置传感器接收油门踏板 位置信号并且转换为适于微处理器210处理的形式。
[0043] 随后进入步骤302,微控制器210根据油门踏板位置信号确定气门升程的目标值 并且从该目标值确定相应的偏心轴转角，由此可以得到永磁同步电机的、在d_q坐标系内 的电流设定值4和i qs。
[0044] 图4示出了偏心轴转角与气门升程的关系曲线，其中横坐标为偏心控制轴转角， 纵坐标为以毫米为单位的气门升程。如图所示，偏心轴转角与气门升程之间存在一一对应 的关系，因此可以所确定的气门升程的目标值得到相应的偏心轴转角。由于蜗轮蜗杆的减 速比是已知的，因此可由偏心控制轴所转过的角度推算出永磁同步电机所需转过的角度。 在典型的应用实例中，偏心轴可在〇?170°范围内连续变动，气门升程可在0?8. 93MM范 围内连续调节。
[0045] 优选地，油门踏板位置信号与气门升程之间的关系和偏心轴转角与气门升程之间 的关系都以表格的形式存储，因此微控制器210可以通过查表确定目标值和偏心轴转角。
[0046] 接着执行步骤303,信号处理电路240从永磁同步电机240上配备的旋转变压器读 取电机位置信号并且提供给微控制器210。随后执行步骤304,信号处理电路240从驱动电 路220中的电流传感器芯片读取电机电流的实际值(也即电机母线电流信号i a、ib和i。）并 且提供给微控制器210。
[0047] 随后依次执行步骤305和306,微控制器210利用电机位置信号，对电机母线电流 信号i a、ib和i。分别施行Clarke变换和Park变换从而得到d-q坐标系内的电机电流的实 际值和i d。
[0048] 在步骤307中，微控制器210根据电流设定值ids和iqs和实际值i,和i d确定永磁 同步电机的运行参数。在本实施例中，出于便于实施电机控制的考虑，运行参数以d_q坐标 系内的电压信号U q和Ud的形式提供。优选地，可以利用比例积分调节算法确定上述运行参 数，其中，输入量为电机电流的实际值和设定值。值得指出的是，也可以采用其它的控制算 法，包括但不限于比例积分微分调节算法等。
[0049] 随后依次执行步骤308和309,微控制器210对运行参数Uq和Ud分别施行逆 Clarke变换和逆Park变换从而得到A-B-C坐标系内的电压信号ua、Ub和uc。
[0050] 接着进入步骤310，微控制器210利用空间矢量调制（SVPWM)计算出永磁同步电机 的三相电压的占空比并输出至驱动电路220。作为响应，驱动电路220根据上述占空比驱动 偏心轴转动以带动中间杆的旋转中心位置发生变化，从而改变气门的升程。
[0051] 随后，在步骤311中，信号处理电路240从安装在进气歧管附近的空气流量传感器 (例如空气流量计）接收关于进入进气歧管的空气流量的信号并且转换为适于微处理器210 处理的形式。
[0052] 接着执行步骤312,微控制器210判断气门升程是否被调节到在前述步骤302中确 定的目标值。如果判断达到目标值，则进入步骤313,否则返回步骤303。
[0053] 图5是出了空气流量与气门升程的关系曲线，其中横坐标为以毫米为单位的气门 升程，纵坐标为以升/秒为单位的空气流量。如图所示，进气歧管附近的空气流量与气门升 程之间存在一一对应的关系，因此可以根据空气流量信号确定相应的气门升程。
[0054] 为了进一步提高系统的可靠性，可选地，在步骤312中可以同时利用空气流量信 号和安装在排气管附近的氧传感器检测的氧浓度来判断气门升程是否被调节到目标值。
[0055] 在步骤313中，微控制器210确定从永磁同步电机前次转动结束起是否经历一个 预设的时间段，如果确定经历了一个预设的时间段，则返回步骤301，以根据新的油门踏板 位置信号调节气门升程，否则将继续等待。
[0056] 以上已经参考具体实施例说明了本发明。然而，除上述以外的其它实施例也同样 地在本发明的范围内。在本发明的范围内可以提供与上述由硬件或软件执行该方法的方法 步骤不同的方法步骤。本发明的不同特性和步骤可以被组合在上述以外的其它组合中。本 发明的范围只由所附权利要求来限定。
【权利要求】
1. 一种气门升程控制装置，包括永磁同步电机、微控制器、与微控制器耦合的信号接 口电路和驱动电路，所述微控制器借助所述驱动电路来控制所述永磁同步电机的转动以 将气门升程调节到与油门踏板位置信号对应的目标值，其中，所述微控制器对所述永磁 同步电机的转动的控制基于经所述信号接口电路接收的电机位置信号、电机电流信号以 及与气门进气量有关的信号，所述电机位置信号由所述永磁同步电机上配备的旋转变压 器提供。
2. 如权利要求1所述的气门升程控制装置，其中，所述与进气量有关的信号为进气歧 管附近的空气流量信号，并且所述微控制器根据所述空气流量信号判断气门升程是否调节 到所述目标值。
3. 如权利要求1所述的气门升程控制装置，其中，所述与气门进气量有关的信号为进 气歧管附近的空气流量信号和排气管附近的氧浓度信号，并且所述微控制器根据所述空气 流量信号和氧浓度信号判断气门升程是否调节到所述目标值。
4. 如权利要求2或3所述的气门升程控制装置，其中，当判断气门升程未达到所述目标 值时，所述微控制器按照下列方式控制所述永磁同步电机的转动： 利用比例积分调节算法确定所述永磁同步电机的运行参数，其中，所述比例积分调节 算法的输入量为电机电流的实际值和与所述目标值对应的电机电流的设定值，所述实际值 通过对所述电机位置信号和所述电机电流信号依次施行Clarke变换和Park变换而得到； 对所述运行参数依次施行逆Park变换和逆Clarke变换； 利用空间矢量调制，由施行逆Park变换和逆Clarke变换后的运行参数确定驱动所述 永磁同步电机的三相电压的占空比信号；以及 向所述驱动电路输出所述占空比信号。
5. 如权利要求1所述的气门升程控制装置，其中，还包含CAN通信电路，所述微控制器 经所述CAN通信电路与外部设备通信。
6. -种借助永磁同步电机调节气门升程的方法，包括下列步骤： 根据油门踏板位置信号确定所述气门升程的目标值； 根据与气门进气量有关的信号判断气门升程是否调节到所述目标值； 如果判断气门升程未达到所述目标值时，则根据电机电流的实际值和与所述目标值对 应的电机电流的设定值确定所述永磁同步电机的运行参数，其中，所述实际值通过对所述 电机位置信号和所述电机电流信号依次施行Clarke变换和Park变换而得到，所述电机位 置信号由所述永磁同步电机上配备的旋转变压器提供； 对所述运行参数依次施行逆Park变换和逆Clarke变换； 利用空间矢量调制，由施行逆Park变换和逆Clarke变换后的运行参数确定驱动所述 永磁同步电机的三相电压的占空比信号；以及 向所述驱动电路输出所述占空比信号。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，利用比例积分调节算法确定电机电流的调整值。
8. 如权利要求6所述的方法，其中，所述与进气量有关的信号为进气歧管附近的空气 流量信号。
9. 如权利要求6所述的方法，其中，所述与气门进气量有关的信号为进气歧管附近的 空气流量信号和排气管附近的氧浓度信号。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中，通过查询空气流量与气门升程的关系表确定 所述实际值。
【文档编号】F02D13/00GK104343547SQ201310329511
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】徐寅, 章健勇, 张华 , 尹琪, 许小颖 申请人:上海汽车集团股份有限公司