凸轮相位致动器控制系统和方法与流程

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凸轮相位致动器控制系统和方法
相关申请的交叉引用
1.本技术基于2021年8月12日提交的题为“cam phase actuator control systems and methods(凸轮相位致动器控制系统和方法)”的美国临时专利申请第63/232,495号，要求其优先权，并且其全部内容以参见的方式纳入本文。

背景技术：

2.通常，凸轮定相系统包括旋转致动器或相位器，其构造成调节凸轮轴相对于内燃机的曲柄轴的旋转位置。

技术实现要素：

3.根据一个方面，本公开提供了一种用于改变曲柄轴和凸轮轴之间的旋转关系的凸轮定相控制系统。该凸轮定相系统包括凸轮相位器，该凸轮相位器包括构造成联接到凸轮轴的第一部件和构造成联接到曲柄轴的第二部件；构造成调节第一部件相对于第二部件的旋转位置的致动器；构造成检测致动器的致动器位置的致动器位置传感器；以及包括处理器和存储器的控制器。处理器构造成接收相位角指令，基于相位角指令以及致动器的致动位置与凸轮相位角之间的预定关系来确定致动器的需求的致动位置。处理器还构造成指令致动器从第一固定位置移位至第二固定位置，其中第一固定位置和第二固定位置之间的位移幅度对应于第一部件和第二部件之间的成比例的旋转位移。
4.根据一些方面，在没有凸轮轴位置传感器和曲柄轴位置传感器的情况下确定需求的致动位置。
5.根据另一方面，本公开提供了一种用于改变曲柄轴和凸轮轴之间的旋转关系的凸轮定相系统的开环控制方法。该方法包括接收相位角指令、基于相位角指令以及凸轮相位器致动器的致动位置与凸轮相位角之间的预定关系来确定凸轮相位器致动器的需求的致动位置、以及指令致动器到需求的致动位置。
6.根据另一方面，本公开提供了一种校准凸轮定相控制系统的方法。该方法包括指令凸轮相位器致动器到端位置、检测凸轮轴位置和曲柄轴位置、基于凸轮轴位置和曲柄轴位置确定凸轮轴相对于曲柄轴的相位角、以及基于所确定的相位角以及凸轮相位器致动器的致动位置与所得相位角之间的预定关系来限定凸轮相位器致动器的致动位置与凸轮轴的相位角之间的比例关系。
7.根据另一方面，本公开提供了一种控制用于改变曲柄轴和凸轮轴之间的旋转关系的凸轮定相系统的方法。该方法包括检测所指令的致动器位置和凸轮相位器致动器的感测的致动器位置之间的误差，并且确定该误差是否在预定范围内。当误差在预定范围之外时，凸轮定相系统以开环模式运行。当误差在预定范围内时，确定由凸轮轴位置传感器感测到的相位角读数是否准确。当确定相位角读数准确时，凸轮定相系统以闭环模式运行。
8.根据另一方面，本公开提供了一种可在开环模式和闭环模式下运行的凸轮定相控制系统。该凸轮定相控制系统包括凸轮相位器，该凸轮相位器包括构造成联接到凸轮轴的
第一部件和构造成联接到曲柄轴的第二部件；构造成调节第一部件相对于第二部件的旋转位置的致动器；以及控制器，该控制器与构造成检测致动器的致动位置的致动器位置传感器、构造成检测曲柄轴位置的曲柄轴位置传感器和构造成检测凸轮轴位置的凸轮轴位置传感器连通。当控制器处于开环模式时，控制器构造成接收相位角指令，基于相位角指令以及致动器的致动位置与凸轮相位角之间的预定关系来确定致动器的需求的致动位置，并指令致动器移位至需求的致动位置。当控制器处于闭环模式时，控制器构造成接收相位角指令，基于相位角指令以及致动器的致动位置与凸轮相位角之间的预定关系确定致动器的估计致动位置，确定指令的相位角与由凸轮轴位置传感器和曲柄轴位置传感器检测到的实际凸轮相位角之间的误差，并基于误差和估计的致动位置指令致动器移位到致动器位置。
附图说明
9.图1是根据本公开的一个方面的凸轮定相控制系统的示意图；
10.图2是根据本公开的一个方面的开环控制方法的示意图；
11.图3是根据本公开的一个方面的致动器位置和凸轮相位角之间的比例关系的图解说明；
12.图4是校准图3的查表的方法的示意图。
13.图5是根据本公开的一个方面的修改的闭环控制方法的示意图；
14.图6是根据本公开的一个方面的用于确定凸轮定相控制系统的运行模式的算法图；
15.图7是根据本公开的一个方面的用于确定凸轮轴或曲柄轴位置传感器读数的精度的算法的示意图；
16.图8是测量出的致动器角度、测量出的相位角度和发动机转速随时间变化的曲线图；
17.图9示出了利用轴向位移致动器的凸轮定相系统的一个非限制性示例；以及
18.图10示出了利用旋转位移致动器的凸轮定相系统的一个非限制性示例。
具体实施方式
19.在对本发明的任何实施例进行详细说明之前，应当理解的是，本发明并不局限于将其应用至以下说明书所述或附图所示的结构细节和部件布置。本发明能够具有其它实施例并能够以各种方式实践或实施。而且，应当理解，本文所用的措辞和术语是为描述的目的，而不应视为限制。本文所用的“包含”、“包括”或“具有”及其变型意指包括其后列出的物品及其等同物以及附加物品。除非另有规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支承”和“联接”及其变型都被广义地使用，并且包括直接和间接的安装、连接、支承以及联接。进一步地，“连接”和“联接”不限于物理的或机械的连接或联接。
20.提供以下论述以使本领域技术人员能够制作并使用本发明的实施例。对所示实施例的各种修改对本领域的技术人员而言将是十分明显的，并且本文的一般原理可应用于其它实施例和应用，而不偏离本发明的实施例。因此，本发明的实施例并不意在限制于所示的实施例，而是为与本文中所公开的原理和特征一致的最宽的范围符合。应参考附图来阅读以下详细描述，其中不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。不一定依照比例绘制的
附图示出选定的实施例，并且不意在限制本发明的实施例的范围。本领域技术人员会认识到本文中所提供的示例具有许多有用的替代方式并且它们落在本发明的实施例的范围内。
21.目前，凸轮相位器可以是液压致动的、电子致动的或机械致动的。典型地，机械致动的相位器收集凸轮扭矩脉冲以使相位器能够旋转。在大多数情况下，系统只能控制是否允许系统沿期望方向旋转，而对速度或最终位置几乎没有控制。在凸轮扭矩脉冲已经结束之后相位器的旋转速度和相位器的停止位置是凸轮扭矩脉冲的幅度/方向和发动机速度等的函数。由于凸轮扭矩脉冲相对于机械凸轮定相系统的阻尼可能很大，因此相位器很容易超过或低于期望的旋转量。为了有效控制，这些系统依靠由发动机控制器(“ecu”)读取的凸轮轴和曲柄轴位置传感器，并且需要非常快速的控制或连续循环打开和关闭。即，在机械系统中，一个部件可以锁定或解锁两个部件之间的旋转。然而，处于锁定或解锁状态的两个部件与相位角无关。相反，处于锁定或解锁状态的部件仅确定是否允许相位器使凸轮轴相对于曲柄轴提前或延迟。因此，单独的致动器不能指令相位器以驱动至预定的、可预测的位置。
22.液压致动的相位器典型地利用油控螺线管来控制油压以使相位器能够旋转。虽然此运行可以允许对相位器进行双向控制，但液压致动的相位器依靠由发动机控制器(“ecu”)读取的凸轮轴和曲柄轴位置传感器进行有效控制。即，油控螺线管中阀芯的位置与相位角无关。相反，阀芯的位置仅确定相位器是否被驱动以使凸轮轴相对于曲柄轴提前或延迟。因此，单独的致动器不能指令相位器以驱动至预定的、可预测的位置。液压相位器还对内燃机内部的油的油压、粘度和质量敏感，油随着时间的推移容易劣化。
23.电子致动的相位器(也称为“电子相位器(e-phaser)”)典型地利用电动旋转致动器来实现相位器的旋转。在该运行中，旋转致动器必须比相位器旋转得更快或更慢(例如，比凸轮速度更快或更慢)以致动相位器。与液压致动的相位器类似，电子致动的相位器依靠由发动机控制器(“ecu”)读取的凸轮轴和曲柄轴位置传感器进行有效控制。即，这些常规的电子相位器中的电动旋转致动器的旋转位置与相位角无关。相反，旋转致动器的速度仅确定相位器是否被驱动以使凸轮轴相对于曲柄轴提前或延迟。因此，单独的致动器不能指令相位器以驱动至预定的、可预测的位置。进一步地，这些电子致动的相位器典型地需要系统在发动机关闭时返回“原始位置”以了解相位器的位置。
24.由于这些凸轮定相系统的缺陷，将期望具有一种凸轮定相系统，其能够独立于凸轮扭矩脉冲的幅度和方向以及发动机速度来改变内燃机上的凸轮轴和曲柄轴之间的关系。
25.本文所述的系统和方法能够改变内燃机上的凸轮轴和曲柄轴之间的旋转关系(即凸轮定相)，而与发动机速度和凸轮扭矩脉冲的幅度无关，其中凸轮相位器的致动器的位置与凸轮轴相对于曲柄轴的相位角具有直接关系。如将要描述的，系统和方法提供了一种方法，其中凸轮相位器的致动器的轴向或旋转位置单独与凸轮轴的相位角具有直接关系，从而允许精确的凸轮定相而不需要凸轮轴或曲柄轴位置传感器。提供相位角可调节性而无需曲柄轴或凸轮轴位置传感器仅通过感测凸轮相位器致动器的轴向或旋转位置即能够控制相位角。
26.如本文所用，凸轮轴位置传感器指的是检测凸轮轴的实际旋转位置的传感器。这典型地通过凸轮轴位置传感器检测为凸轮轴指定零位置的几何/结构特征(例如，指定新旋转开始的特征)来完成。类似地，曲柄轴位置传感器是指检测曲柄轴实际旋转位置的传感
器。这典型地还通过曲柄轴位置传感器检测为曲柄轴指定零位置的几何/结构特征来完成。在常规的凸轮定相系统中，如上所述，来自凸轮轴和曲柄轴位置传感器的信号用于确定凸轮轴相对于曲柄轴的相位角，以确定如何控制凸轮相位器或其致动器。
27.图1示出了凸轮定相系统10，该凸轮定相系统构造成在开环和闭环模式中控制凸轮轴14相对于曲柄轴16的相位角。凸轮定相系统10可以包括凸轮相位器12，该凸轮相位器构造成联接在内燃机(未示出)的凸轮轴14和曲柄轴16之间。凸轮相位器12可包括联接到凸轮轴14的第一部件18(例如，托架转子)和联接到曲柄轴16的第二部件20(例如，链轮毂)。第一部件18可以经由其与凸轮轴14的联接，例如经由一个或多个紧固件，来驱动凸轮轴14。第二部件20可以由曲柄轴16驱动，例如经由皮带、链条或齿轮系组件。这可以驱动第二部件20以与曲柄轴速度成比例(例如曲柄轴速度的一半)的速度旋转。本领域普通技术人员将知道，用于第一部件18、第二部件20、凸轮轴14和曲柄轴16的相对联接的替代构造是可能的。例如，在一个实施例中，曲柄轴16可以联接到第一部件18并且凸轮轴14可以联接到第二部件20。
28.凸轮定相系统10可以包括致动器22，该致动器构造成接合凸轮相位器12以调节第一部件18相对于第二部件20的旋转位置。如本文将描述的，在一些非限制性示例中，致动器22可以构造成直接或间接地接合凸轮相位器12的中间部件(例如，星形转子，参见图9和10)，用于利用机构精确控制中间部件的旋转位置，该机构使第一部件18遵循中间部件的旋转位置以改变内燃机上凸轮轴14和曲柄轴16之间的旋转关系。
29.致动器22可以构造成向凸轮相位器12提供轴向或旋转输入。例如，致动器22可以是构造成响应电流轴向位移的线性致动器或螺线管。致动器22还可以是机械连杆、液压致动的致动元件或能够向凸轮相位器12提供轴向力和/或位移的其它机构。根据另一示例，致动器22可以是旋转致动器并且可以包括定子和电磁联接到定子的转子。可向旋转致动器施加电流，该电流可导致旋转输出由旋转致动器以期望的力在期望的方向上提供。在一些非限制性示例中，旋转致动器可以是无刷直流(bldc)电机的形式。
30.凸轮定相系统可以包括控制器24，控制器包括处理器26和存储器28。存储器28可以是非暂态计算机可读介质或其它形式的存储，例如闪存或其它类型的存储器，包含可由处理器26执行的程序、软件或指令。根据一些非限制性示例，控制器24可以集成在内燃机的发动机控制单元中。在其它非限制性示例中，控制器24可以与发动机控制单元分开。例如，控制器24可以集成到致动器22的本体中。
31.在所示的非限制性示例中，控制器24可以与致动器22电连通以向致动器22提供致动指令信号。控制器24还可以与构造成测量/感测致动器22的致动位置的致动器位置传感器30电连通。根据一些非限制性示例，控制器24还可以与构造成分别检测凸轮轴14和曲柄轴16的旋转位置的凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34电连通。应当理解，凸轮轴和曲柄轴的速度和加速度也可以从凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34得到。
32.开环模式
33.图1的凸轮定相系统10可以在开环和修改的闭环模式两者下运行。图2示出了开环运行方法100的非限制性示例。参照图1和2，该过程可以通过在框102处接收或生成相位角指令开始。相位角指令可以由控制器24接收，例如从发动机控制单元接收。根据一个非限制性示例，相位角指令可以由控制器24基于内燃机的运行参数(例如，发动机速度、发动机载
荷等)产生。然后，控制器24可以在框104处基于相位角指令和致动器22的致动位置与产生的凸轮相位角之间的预定关系来确定致动器22的需求的致动位置(参见图3)。
34.在确定需求的致动位置后，控制器24可以在框106处指令致动器22(例如，通过提供给致动器22的信号或电流)到需求的致动位置。即，控制器24可以指令致动器22使致动元件轴向或旋转地移位以接合中间部件或以其它方式使中间部件从与第一相位角相关的第一固定位置(例如，静止致动元件位置)朝向与第二相位角相关的第二固定位置移位，中间部件诸如是星形转子(参见图9和图10)，其中第一固定位置和第二固定位置是不同的位置并且第一相位角和第二相位角是不同的相位角。致动器22将继续朝向第二固定位置前进，直到致动位置传感器30检测到致动器22或由致动器22控制的致动元件处于第二固定位置。如将要描述的，致动器22在第一固定位置和第二固定位置之间的致动元件位移的幅度对应于凸轮相位器12的第一部件18和第二部件20之间的成比例的旋转位移，从而基于致动器22的致动元件的位置成比例地调节凸轮轴14相对于曲柄轴16的相位角。
35.在开环运行期间，控制器24仅利用致动位置传感器30和致动器22的致动位置与产生的凸轮相位角之间的预定关系来控制凸轮相位器12以实现期望的相位角。即，在开环运行期间不需要或不利用凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34。利用致动位置传感器30和将致动位置与凸轮相位角相关联的预定关系可以允许快速和大幅度的相位角变化。这种开环运行还能够比闭环运行更稳健，因为它独立于凸轮轴和曲柄轴触发轮(即编码器)，这可能容易受到编码器故障的影响，诸如在大而快速的相位角变化期间可能发生的错误读数(例如检测到“假零”或“假缺齿”)。开环运行还可以经由利用致动位置和产生的凸轮相位角之间的预定关系实现大的、快速的相位角变化，而不是在闭环反馈模式下运行，从而在不增加过冲的情况下减少稳定时间。
36.现在参照图1和3，致动器22构造成向凸轮相位器12提供轴向或旋转输入，该轴向或旋转输入对应于凸轮相位器12的第一部件18和第二部件20之间的已知期望旋转位移。其结果是致动器22的致动元件位移已知量可以导致凸轮轴14相对于曲轴16顺时针或逆时针旋转已知量(也称为相位角)，这取决于是否期望使由凸轮轴14控制的阀打开/闭合事件的定时提前或延迟。
37.图3示出了固定致动器位置202和所得相位角204之间的预定比例关系206的一个示例。在所示的非限制性示例中，致动器22的每个不同位置，例如其致动元件的轴向/线性或旋转位置，导致不同的相位角204。所得的相位角204与致动器位置202成比例。在一个特定的非限制性运行示例中，致动器位置202可以处于与第一相位角204相关的第一固定位置。控制器24可以指令致动器22从第一固定位置朝向第二固定位置移位，直到致动位置传感器30检测到致动器22处于第二固定位置。当致动器22处于第二固定位置时，所得相位角是第二相位角。在该非限制性示例中，第一固定位置和第二固定位置以及第一相位角和第二相位角中的每一个都沿着图3所示的比例关系206下降。
38.在所示的非限制性示例中，所得相位角与致动器位置成线性比例，但是其它比例关系也是可能的。例如，该关系可以是基本上线性的，其中相位角和致动器位置之间的关系可能稍微偏离一个或多个致动器位置处的完美线性。根据另一示例，相位角和致动器位置之间的关系可以是成反比的。如将要描述的，致动器位置和相位角之间的比例可以由凸轮相位器的部件的几何形状或构造来限定。根据一些非限制性示例，比例由凸轮相位器内部
的螺旋特征限定(参见例如图9)。根据其它非限制性示例，比例由凸轮相位器内部的齿轮系的传动比限定(参见例如图10)。
39.校准
40.现在参照图1、3和4，控制器24可以执行校准过程300，校准过程构造成限定先前描述的预定关系。根据一些非限制性示例，校准过程可以利用致动器位置和相位角之间的预定关系来生成二维查表，以供在开环凸轮相位器运行期间使用。下面的等式说明了代表致动器位置(a)和所得相位角(θ)之间的预定关系的等式的一个非限制性示例。
41.θ＝β(a-a1)+θ1ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
42.在上式中，β是表示图3所示关系的斜率的系数，而(a1，θ1)是表示已知运行点的系数。如将要描述的，β系数可以通过凸轮相位器的已知几何特征或构造来限定，并且可以在校准过程期间确定已知运行点。
43.校准过程300可以通过控制器24指令致动器22到致动器22的运行范围(参见图3)的第一端位置208(例如，第一方向上的最大位置)或第二端位置210(例如，第二方向上的最大位置)而在框302处开始。例如，对于轴向致动器，致动器可以被指令到第一端位置或第二端位置。在另一个示例中，对于旋转致动器，致动器可以被指令到最大顺时针或逆时针位置。
44.然后控制器24可以经由致动位置传感器30检测致动器位置。然后控制器24可以在框304处经由凸轮轴位置传感器32感测或测量凸轮轴位置，并且经由曲柄轴位置传感器34感测或测量曲柄轴位置。接下来，控制器24可以在框306处基于感测到的凸轮轴和曲柄轴位置确定凸轮相位角，以了解凸轮轴14分别在第一端位置208或第二端位置210处的最大延迟位置212或最大提前位置214处的相位角。
45.一旦已知至少一个运行点(例如，一个凸轮相位角和对应的致动器位置)，控制器24就可以使用以上等式(1)连同已知的运行点为致动器22的整个致动范围限定致动器位置和所得凸轮相位角之间的关系，以及由凸轮相位器12的部件的几何形状或构造限定的致动器位置和相位角(即斜率206，β)之间的预定比例关系。该预定关系(例如，斜率或线性函数)可由控制器24获知，例如，通过存储在存储器28内(参见图1)。
46.根据一些非限制性示例，控制器24可以指令致动器22在第一端位置208和第二端位置210之间以及在多个不同的中间位置处倾斜，并且使用凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34确定多个中间位置中的每一个的相位角，以生成图3所示的关系。在这个特定的非限制性示例中，控制器24可以插设在多个不同位置之间。然后可以从多个数据点计算或导出致动器位置和相位角(例如斜率206)之间的比例关系。根据另一个非限制性示例，控制器24可以指令致动器22到第一端位置208和第二端位置210中的一个，使用凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34确定该位置处的相位角，然后指令致动器22到第一端位置208和第二端位置210中的另一个，并再次确定相位角。然后控制器24可以使用这两个已知位置生成图3所示的关系，并在两个已知位置之间插入比例关系(例如，线性或非线性)。
47.校准指令和信息可以存储在控制器24的存储器28中。根据一个非限制性示例，校准过程300可以在车辆处于组装线或离开组装线时在工厂执行。根据其它非限制性示例，可以在发动机启动时执行校准过程300。
48.通过限定预定关系，控制器24可以在凸轮定相系统10的开环和闭环控制期间利用
预定关系(例如，图3/等式1)以及致动位置传感器30。例如，控制器24可以在框308处将预定关系实施为二维查表。根据一些非限制性示例，控制器24可以例如通过利用致动位置传感器30、凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34在闭环运行期间基于测量数据连续更新查表。除其它因素外，主要由于制造的凸轮相位器之间的差异、公差和部件之间的摩擦，该测量数据可能导致查表具有偏离完美比例的部分(例如，完美线性或不直接落在由等式1限定的线上)。
49.修改的闭环模式
50.图1的凸轮定相系统10还可以运行修改的闭环模式。在闭环运行期间，控制器可以利用来自凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34的读数来确定相对于指令的相位角的实际凸轮相位角，以确定相位角误差。然后可以在反馈回路中使用该相位角误差来指令致动器22调节凸轮相位器12，以校正实际凸轮相位角相对于指令的相位角之间的误差。此外，这种修改的闭环模式利用图3所示的预定关系作为前馈机制。即，如图5所示，控制器24可以利用以上关于图2描述的方法来集成到修改的闭环控制算法350中。
51.算法350可以通过在框352处接收或生成相位角指令开始。然后，控制器24可以在框354处基于相位角指令和致动器22的致动位置与产生的凸轮相位角之间的预定关系确定致动器22的估计致动位置(参见图3和等式1)。然后控制器24可以经由凸轮轴位置传感器32感测或测量凸轮轴位置并且经由曲柄轴位置传感器34感测或测量曲柄轴位置，以基于感测到的凸轮轴和曲柄轴位置确定实际凸轮相位角。控制器24然后可以在框356处通过相对于指令的相位角比较实际凸轮相位角来确定相位角误差。然后控制器24可以在框358处基于估计的致动位置和相位角误差来指令致动器22到致动器位置。根据一些非限制性示例，相位角误差通过pid控制器递送。选择开环或闭环模式
52.通常，当需要大幅度相位角变化时，开环控制可能特别有益，因为凸轮定相系统可以更快地响应。例如，常规的闭环控制可能导致误差的结束，从而导致响应时间变慢。一旦当前相位角接近指令的相位角，或对于小的相位角变化，本文描述的修改的闭环模式可能是有益的，因为闭环控制允许精确的微调。此外，如果凸轮轴位置传感器32或曲柄轴位置传感器34发生故障或提供不准确的读数，那么本文所述的凸轮定相系统10允许凸轮定相运行以开环模式继续，从而提供更稳健和适应性更强的系统。
53.现在参照图1和6，控制器24可以执行算法400，该算法构造成确定凸轮定相系统10是否应该在开环模式或修改的闭环模式下运行。算法400可以开始于框402，其中控制器24可以检测致动器误差并确定致动器误差是否在预定范围内。致动器误差可以通过如从凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34得出、或如从致动位置传感器30以及致动器位置和相位角之间的预定关系得出的当前相位角与指令的相位角之间的差来限定。在控制器24在给定的发动机条件下(例如，在怠速时，或在巡航时保持一些发动机速度的同时)保持相位角的情况下，致动器误差可能很小，因为当前相位角与指令的相位角紧密匹配。相反，在刚刚指令的相位角变化的情况下，由于新的指令的相位角与当前相位角不同，致动器误差可能很大。
54.根据一些非限制性示例，预定范围可以通过百分比来限定。例如，预定范围可以由相对于当前相位角的百分比限定(例如，在当前相位角的10％、15％、25％等范围内)。根据
其它非限制性示例，预定范围可以通过相位角来限定。例如，预定范围可以由相对于当前相位角的相位角限定(例如，在当前相位角的10
°
、15
°
、25
°
等范围内)。
55.如果控制器24在框402处确定致动器误差在预定范围之外(即不在范围内)，则控制器24在框404处使用关于图2描述的开环控制模式。在一些非限制性示例中，如果控制器24在框402处确定致动器误差在预定范围内，则控制器24可以进行到框408以利用修改的闭环控制模式。可选地，如果控制器24在框402处确定致动器误差在预定范围内，则控制器24可以进行到框406，在框406处控制器可以确定来自凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34的相位角测量值是否是准确的。如果控制器24在框406处确定相位角测量值不准确，则控制器24在框404处使用关于图2描述的开环控制模式。如果控制器24确定相位角测量值是准确的，则控制器24在框408处使用修改的闭环控制模式。应当理解，算法400可以在内燃机运行期间连续重复，并且控制器24可以在任何给定时间根据致动器误差在开环和闭环运行之间多次切换。
56.图7示出了确定相位角测量值精度的方法500的一个特定且非限制性示例。如前所述，凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34可以感测或检测为凸轮轴和曲柄轴指定零位置的几何特征(例如，指定新的旋转开始的特征)。根据一些非限制性示例，几何特征可以是触发轮上的间隙。根据另一个非限制性示例，几何特征可以是触发轮上的突起。根据一个非限制性示例，几何特征可以是触发轮(即编码轮)的“齿”，其可以具有一个缺失的“齿”。该缺失的齿的检测可以限定指定“零”位置的几何特征并且可以用于确定相对于缺失齿的曲柄角。即，缺失齿被视为曲柄轴或凸轮轴旋转的“零”或起始点(例如，0
°
点)。来自凸轮轴位置传感器32和曲柄轴位置传感器34的信号因此可以类似于正弦信号，其中正弦信号的下降边缘可以与齿的通过相关。相邻齿的检测之间足够大的间隙可以指示凸轮轴或曲柄轴的零标记。应当理解，以下描述可以相对于曲柄轴或凸轮轴使用，以确定它们各自的位置测量是否准确。如果任一位置测量不准确，则所得相位角计算值也是不准确的，并且控制器24可以切换到开环运行。还应理解，以下描述描述了确定由曲柄和凸轮位置传感器感测的测量的相位角的准确性的一个特定且非限制性示例，并且该描述可应用于各种其它几何特征或触发轮，诸如以上描述的那些。
57.当控制器24检测到齿的下降边缘时，方法500可以在框502处开始。然后控制器24可以在框504处确定是否检测到指定“零”的几何特征，例如，是否在来自由先前齿引起的先前峰值的信号中检测到足够大的间隙。如果控制器24没有检测到表示零的信号条件，则控制器在框506处增加齿数并返回起始点。例如，如果控制器24经由曲柄/凸轮位置传感器检测到的当前齿数是某个数字“n”，则控制器24将齿数增加到“n+1”。
58.如果控制器24检测到表示零的信号条件，则控制器进行到框508并确定当前齿数“n”是否等于曲柄或凸轮触发轮的预定总齿数(例如，50)，预定总齿数可以存储在控制器24的存储器28中。如果控制器24确定当前齿数“n”等于预定齿数，则控制器24检测到触发轮的准确零(即，缺失的齿)，并且知道了凸轮轴14或曲柄轴16的位置(框510)。然后控制器24可以通过将当前齿数“n”重置为等于一来前进到框512，并且该过程可以返回起始点。在确定曲柄轴和凸轮轴位置准确时，控制器24可以切换到修改的闭环运行。
59.如果控制器24确定当前齿数“n”不等于预定齿数，则控制器24检测到触发轮的“假”零(即，齿之间的间隙，而不是缺失的齿)，并且凸轮轴14或曲柄轴16的位置是未知的
(框514)。然后控制器24可以通过将当前齿数“n”重置为等于一，来前进到框512，并且该过程可以返回起始点。在确定曲柄轴和凸轮轴位置不准确时，控制器24可以切换到开环运行。根据一些非限制性示例，控制器24默认为开环运行。
60.如上所述，“假”零可能是由相位角的快速变化或来自凸轮轴位置传感器32或曲柄轴位置传感器34的信号中的误差引起的。例如，在定相期间，凸轮轴速度可以根据定相方向而变化(例如，增加或减少)。在一些特定和非限制性示例中，凸轮轴速度可能减慢到凸轮轴位置传感器32检测到触发轮的齿之间异常大的间隙的程度，这可能导致指示为零的信号状态。即，在定相运行期间检测相邻齿之间的间隙可能大到足以类似于指定零位置(即缺失齿)的几何特征，从而导致错误读数。
61.图8示出了利用本文所述的凸轮定相系统10在启动时进行凸轮定相的一个非限制性示例。如图所示，在发动机启动期间，控制器24可以在开环运行中控制相位角，而无需适当或准确的相位角测量。即，在启动期间凸轮轴或曲柄轴可能还没有旋转足够多的时间来确定来自凸轮轴位置传感器32或曲柄轴位置传感器34的信号是否准确(参见图1)。凸轮相位器示例
62.如本文先前所述，致动器位置和相位角之间的比例可以由凸轮相位器的部件的几何形状或构造来限定。例如，凸轮相位器的几何特征或部件可以布置在输入轴与凸轮相位器的第一部件和第二部件中的一个之间，以分别联接到凸轮轴和曲柄轴。根据一些非限制性示例，比例由凸轮相位器内部的螺旋特征来限定，例如在授予schmitt等人的题为“mechanical cam phasing systems and methods(机械凸轮定相系统和方法)”的美国专利第10,072,537号中描述的凸轮相位器，其全文以参见的方式纳入本文。根据其它非限制性示例，比例由凸轮相位器内部的齿轮系的传动比来限定，例如在van weelden等人的题为“systems and methods for controlled relative rotational motion(用于受控相对旋转运动的系统和方法)”的美国专利申请第2020/031346号中描述的凸轮相位器，其全文以参见的方式纳入本文。
63.如图9所示，凸轮相位器内部的螺旋特征可以限定旋转部件之间的旋转位置和致动位置之间的关系。图9示出了凸轮定相系统1000，该凸轮定相系统构造成联接到内燃机(未示出)的凸轮轴(未示出)。如图9所示，凸轮定相系统1000可以包括构造成联接到凸轮轴的托架转子1018(例如，第一部件)、构造成联接到曲柄轴的链轮毂1020(例如，第二部件)、星形转子1006、构造为螺旋杆1008的输入轴、以及端板1010。链轮毂1020、托架转子1018、星形转子1006、螺旋杆1008和端板1010在组装时均可以共享共用的中心轴线1011。链轮毂1020可以包括齿轮1012并且齿轮1012可以连接到链轮毂1020的外径，并且齿轮1012可以联接到内燃机的曲柄轴(未示出)。这可以驱动链轮毂1020以与曲柄轴的速度成比例的速度旋转。
64.致动器1022可以构造成接合螺旋杆1008。致动器1022可以构造成在平行于或沿着中心轴线1011的方向上对螺旋杆1008施加轴向力。致动器1022可以是线性致动器、机械连杆、液压致动的致动元件或能够向螺旋杆1008提供轴向力和/或位移的任何其它机构。即，致动器1022可以构造成将螺旋杆1008轴向移位至已知位置，该位置对应于星形转子1006的期望旋转位移。致动器1022可以由控制器(例如，图1的控制器24)控制和供电。
65.螺旋杆1008包括螺旋部分1082，该螺旋部分构造成被接纳在星形转子1006的螺旋
特征1056内。螺旋杆1008的螺旋部分1082与星形转子1006的螺旋特征1056之间的相互作用能够使星形转子1006响应于致动器1022施加在螺旋杆1008上的轴向位移而相对于链轮毂1020旋转。在组装好时，如图9所示，星形转子1006可以被约束，使得它不能轴向位移。因此，响应于由致动器1022施加在螺旋杆1008上的轴向位移，星形转子1006被迫顺时针或逆时针旋转已知的量，这取决于是否期望使由凸轮轴控制的阀事件提前或延迟。即，由于螺旋杆1008的螺旋部分1082和星形转子1006的螺旋特征1056之间的相互作用，星形转子1006将相对于链轮毂1020旋转。
66.在运行中，当期望改变紧固到托架转子1018的凸轮轴和联接到链轮毂1020的曲柄轴之间的旋转关系时，控制器(例如，图1的控制器24)可以指令致动器1022向螺旋杆1008提供从第一固定轴向位置到第二固定轴向位置的轴向位移。当发送信号以使螺旋杆1008轴向移位时，凸轮定相系统1000可以从锁定状态转变为致动状态，在锁定状态中托架转子1018和链轮毂1020之间的旋转关系被锁定。由于螺旋杆1008的螺旋部分1082和星形转子1006的螺旋特征1056之间的相互作用，星形转子1006可以响应于施加至螺旋杆1008的轴向位移而根据轴向位移的方向顺时针或逆时针旋转。星形转子1006的旋转可以使星形转子1006接合锁定特征(未单独标记)，以将凸轮定相系统1000置于致动状态。当凸轮定相系统1000处于致动状态时，托架转子1018在与星形转子1006旋转相同的方向上旋转地遵循星形转子1006(例如，通过采集施加至托架转子1018的凸轮扭矩脉冲)。托架转子1018将继续旋转，直到托架转子1018旋转地移位到与螺旋杆1008的轴向位移的幅度和螺旋特征1056的角度相关的旋转位置。
67.一般而言，凸轮定相系统1000的设计仅在期望相对旋转时需要从致动器1022提供给螺旋杆1008的输入力(例如，致动器1022在固定位置之间移位，并且这些固定位置与凸轮轴和曲柄轴之间的已知相位角相关)。
68.如图10所示，凸轮相位器的行星齿轮系的传动比可以限定旋转部件之间的旋转位置和致动位置之间的关系。图10示出了包括行星致动器2001的凸轮定相系统2000的非限制性示例。在所示的非限制性示例中，机械凸轮定相系统2000包括构造成联接到凸轮轴的托架转子2018(例如，第一部件)、构造成联接到曲柄轴的链轮毂2020(例如，第二部件)、托架转子2018、轴承保持架或星形转子2008、多个锁定组件2010以及行星致动器2001。行星致动器2001、链轮毂2020、托架转子2018和轴承保持架2008在组装时均可以共享共用的中心轴线c。
69.在所示的非限制性示例中，机械凸轮定相系统2000包括致动器2022，该致动器构造为旋转致动器。在一些非限制性示例中，旋转致动器2022可以包括定子和电磁联接到定子的转子。可向旋转致动器2022施加电流，该电流可导致旋转输出由旋转致动器2022以期望的力在期望的方向上提供。在一些非限制性示例中，旋转致动器2022可以是无刷直流(bldc)电机的形式。
70.行星致动器2001包括第一齿圈2200、第一太阳齿轮2202、行星架组件2204、第二齿圈2206、第二太阳齿轮2208和输入轴2021。行星架组件2204包括第一组行星齿轮2222、第二组行星齿轮2224和行星架板2226。第一组行星齿轮2222和第二组行星齿轮2224可以布置在行星架板2226的轴向相对两侧上。在所示的非限制性示例中，第一组行星齿轮2222与第一太阳齿轮2202啮合，而第二组行星齿轮2224与第二太阳齿轮2208啮合。
71.第一齿圈2200可以选择性地相对于第二齿圈2206在期望的方向上旋转。为了促进第一齿圈2200相对于第二齿圈206的旋转，可旋转地联接到旋转致动器2022的输入轴2021可以在第一方向上旋转。输入轴2021在第一方向上的旋转导致第一太阳齿轮2202在第一方向上的旋转。第一太阳齿轮2202在第一方向上的旋转导致第一组行星齿轮2222的行星齿轮在与第一方向相反的第二方向上旋转，这使第一齿圈2200在第二方向上旋转。在第二太阳齿轮2208旋转固定的情况下，第一太阳齿轮2202以及由此第一齿圈2200的这种选择性旋转允许第一齿圈2200相对于第二齿圈2206在第二方向上旋转。如果输入轴在第二方向上旋转，反之亦然。
72.链轮毂2020可以包括布置在其外径上的齿轮2011，该齿轮可以例如经由皮带、链条或齿轮系组件联接到内燃机(未示出)的曲柄轴(未示出)。托架转子2018可以构造成经由螺栓2034附连到内燃机的凸轮轴(未示出)。通常，托架转子2018可以与锁定组件2010接合。
73.在所示的非限制性示例中，输入轴2021可以联接到旋转致动器2022，使得由旋转致动器2022提供的旋转输出被旋转地传递至输入轴2021。第二太阳齿轮2208被旋转地固定到旋转致动器2022并且被防止旋转。旋转致动器2022旋转地联接到第一太阳齿轮2202并且控制其旋转。通常，第二齿圈2206可构造成旋转地联接到链轮毂2020，使得第二齿圈2206与链轮毂2020一起旋转。
74.在运行中，旋转致动器2022可以构造成向第一太阳齿轮2202施加旋转位移/扭矩，以基于行星致动器2001的传动比实现第一齿圈2200的已知旋转位移，其对应于轴承保持架2008的已知期望旋转位移。旋转致动器2022可以由控制器(例如，图1的控制器24)控制和供电。
75.在运行期间，链轮毂2020可以联接到内燃机的曲柄轴。内燃机的凸轮轴可以紧固到托架转子2018。由此，凸轮轴和曲柄轴可以经由机械凸轮定相系统2000联接以一起旋转，凸轮轴的转速是曲柄轴的转速的一半。当发动机运行并且不期望凸轮轴的旋转调节时，机械凸轮定相系统2000可以处于锁定状态，以锁定链轮毂2020和托架转子2018之间的旋转关系，从而锁定凸轮轴和曲柄轴之间的旋转关系。在该锁定状态下，旋转致动器2022不向行星致动器2001的输入轴2021提供旋转输出，并且第一齿圈2200和第二齿圈2206与链轮毂2020一致旋转。因此，轴承保持架2008不相对于链轮毂2020旋转，并且锁定组件2010锁定托架转子2018和链轮毂2020之间的相对旋转。因此，当机械凸轮定相系统2000处于锁定状态时，凸轮轴14和曲柄轴12之间的旋转关系不变。
76.如果期望使凸轮轴相对于曲柄轴提前或延迟，可以通过控制器24指令旋转致动器2022以向行星致动器2001的输入轴2021提供旋转位移/扭矩。即，控制器24可以指令致动器2022向输入轴2021提供从第一固定旋转位置到第二固定旋转位置的旋转位移。输入轴2021的旋转方向和幅度可以与第一齿圈2200相对于第二齿圈2206的已知旋转相关。由于第二齿圈2206旋转地联接到链轮毂2020，因此第一齿圈2200可以相对于链轮毂2020旋转。施加至第一齿圈2200的相对旋转的期望幅度和方向可以经由它们之间的联接部旋转地传递至轴承保持架2008。联接部构造成保持施加至轴承保持架2008的力，直到托架转子2018相对于链轮毂2020到达期望的旋转位置，其由旋转致动器2022提供的旋转输入位移/力和行星致动器2001的传动比确定。轴承保持架2008的旋转可以接合锁定组件2010并将凸轮定相系统2000置于致动状态。
77.在致动状态下，托架转子2018在与轴承保持架2008旋转相同的旋转方向上旋转。例如，在第一齿圈2200顺时针旋转偏置轴承保持架2008的非限制性示例中，托架转子2018可以在顺时针方向上旋转移位。通常，响应于通过行星致动器2001施加至轴承保持架2008的给定旋转输入位移/力，托架转子2018基于输入轴2021的旋转输入的大小和行星致动器2001的传动比旋转地遵循轴承保持架2008并且最终到达轴承保持架2008的预定最终旋转位置。
78.在该定相过程期间发生的托架转子2018相对于链轮毂2020的旋转可以改变凸轮轴和链轮毂2020之间的旋转关系，这同时改变凸轮轴和曲柄轴之间的旋转关系。如上所述，对于由旋转致动器2022提供的给定旋转输入位移/扭矩，由轴承保持架2008实现的旋转量可以基于第一太阳齿轮2202和第一齿圈2200之间的齿轮传动和限定在它们之间的合成传动比而获知。此外，机械凸轮定相系统2000的设计可以使托架转子2018仅被允许在与轴承保持架2008相同的方向上旋转。因此，在发动机运行期间，机械凸轮定相系统2000可以改变凸轮轴和曲柄轴之间的旋转关系。
79.一般而言，凸轮定相系统2000的设计仅在期望相对旋转时需要从旋转致动器2022提供给输入轴2021的输入扭矩/位移(例如，致动器2022在固定位置之间移位，并且这些固定位置与凸轮轴和曲柄轴之间的已知相位角相关)。
80.本领域技术人员应理解，尽管上文已结合具体实施例和示例描述了本发明，但本发明不必然如此限制，并且各种其它实施例、示例、使用、对各实施例、示例和使用的修改和改变意在由所附的权利要求所包含。本文所引用的各专利和出版物的全部公开内容都以参见的方式纳入本文，就像每个专利或出版物单独地以参见方式纳入本文那样。
81.在以下权利要求书中阐述了本发明的各种特征和优点。

技术特征：

1.一种凸轮定相控制系统，用于改变曲柄轴和凸轮轴之间的旋转关系，所述凸轮定相控制系统包括：凸轮相位器，所述凸轮相位器包括构造成联接到凸轮轴的第一部件和构造成联接到曲柄轴的第二部件；致动器，所述致动器构造成调节所述第一部件相对于所述第二部件的旋转位置；致动器位置传感器，所述致动器位置传感器构造成检测所述致动器的致动位置；以及控制器，所述控制器包括处理器和存储器，所述处理器构造成：接收相位角指令；基于所述相位角指令以及所述致动器的致动位置与凸轮相位角之间的预定关系，确定所述致动器的需求的致动位置；以及指令所述致动器从第一固定位置移位至第二固定位置，其中，所述第一固定位置和所述第二固定位置之间的位移幅度对应于所述第一部件和所述第二部件之间的成比例的旋转位移。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述致动器的所述致动位置与所述凸轮相位角之间的所述预定关系是线性的。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在没有凸轮轴位置传感器和曲柄轴位置传感器的情况下确定所述需求的致动位置。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述致动器的所述致动位置与所述凸轮相位角之间的所述预定关系由布置在所述凸轮相位器的输入轴与所述第一部件或所述第二部件中的一个之间的螺旋特征限定。5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述致动器构造成使所述凸轮相位器的所述输入轴轴向地移位。6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述致动器的所述致动位置与所述凸轮相位角之间的所述预定关系由布置在所述凸轮相位器的输入轴与所述第一部件或所述第二部件中的一个之间的行星齿轮系的传动比限定。7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述致动器构造成使所述凸轮相位器的所述输入轴旋转地移位。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预定关系由以下等式控制：θ＝β(a-a1)+θ1其中，a是所述致动位置，θ是所述凸轮相位角，β是由布置在所述凸轮相位器的输入轴与所述第一部件或所述第二部件中的一个之间的螺旋特征或行星齿轮系的传动比中的一种限定的系数，并且a1、θ1分别是代表已知致动位置的已知运行点和对应的已知凸轮相位角的系数。9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括构造成检测曲柄轴位置的曲柄轴位置传感器和构造成检测凸轮轴位置的凸轮轴位置传感器；其中，所述处理器构造成基于所述曲柄轴位置和所述凸轮轴位置测量凸轮相位角。10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述预定关系作为二维查表存储在所述控制器的所述存储器中；其中，所述处理器构造成基于测量出的凸轮相位角和所述致动器的所述致动位置来更
新所述二维查表。11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述处理器还构造成执行校准程序，所述处理器构造成：指令所述致动器到端位置；基于所述曲柄轴位置和所述凸轮轴位置确定所述凸轮相位角；以及基于确定的凸轮相位角以及由布置在所述凸轮相位器的输入轴与所述第一部件或所述第二部件中的一个之间的螺旋特征或行星齿轮系的传动比中的一种限定的系数生成所述二维查表。12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述处理器还构造成以开环模式和闭环模式运行，所述处理器构造成：检测所述致动器的指令的致动器位置和所感测到的致动器位置之间的致动器误差；以及确定所述致动器误差是否在预定范围内；其中，当所述致动器误差在所述预定范围之外时，所述处理器构造成以开环模式运行所述凸轮定相控制系统；其中，当所述致动器误差在所述预定范围内时，所述处理器构造成确定由所述凸轮轴位置传感器和所述曲柄轴位置传感器检测到的测量出的凸轮相位角是否准确；以及其中，当确定相位角读数准确时，所述处理器构造成以闭环模式运行所述凸轮定相控制系统。13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，当所述凸轮定相控制系统处于所述闭环模式时，所述处理器构造成：接收相位角指令；基于所述相位角指令以及所述致动器的所述致动位置与所述凸轮相位角之间的预定关系，确定所述致动器的估计致动位置；确定所指令的相位角与实际凸轮相位角之间的相位角误差；以及基于所述相位角误差和所述估计致动位置，指令所述致动器到致动器位置。14.一种用于改变曲柄轴和凸轮轴之间的旋转关系的凸轮定相系统的开环控制方法，所述方法包括：接收相位角指令；基于所述相位角指令以及凸轮相位器致动器的致动位置与凸轮相位角之间的预定关系，确定所述凸轮相位器致动器的需求的致动位置；以及指令所述凸轮相位器致动器到所述需求的致动位置。15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述凸轮相位器致动器的所述致动位置与所述凸轮相位角之间的所述预定关系是线性的。16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在没有凸轮轴位置传感器和曲柄轴位置传感器的情况下确定所述需求的致动位置。17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，指令所述凸轮相位器致动器到所述需求的致动位置包括将所述凸轮相位器致动器从对应于第一相位角的第一固定位置移位至对应于第二相位角的第二固定位置。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一固定位置和所述第二固定位置之间的位移的幅度对应于凸轮相位器的第一部件和第二部件之间的成比例的旋转位移。19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一固定位置和所述第二固定位置是所述凸轮相位器致动器的第一轴向位置和第二轴向位置，所述第二轴向位置不同于所述第一轴向位置；或者其中，所述第一固定位置和所述第二固定位置是所述凸轮相位器致动器的第一旋转位置和第二旋转位置，所述第二旋转位置不同于所述第一旋转位置。20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，确定所述凸轮相位器致动器的所述需求的致动位置包括执行以下等式：θ＝β(a-a1)+θ1其中，a是所述需求的致动位置，θ是所指令的相位角，β是由凸轮相位器内部的螺旋特征或行星齿轮系的传动比中的一种限定的系数，并且a1、θ1分别是代表已知致动位置的已知运行点和对应的已知凸轮相位角的系数。

技术总结

本发明涉及一种凸轮定相控制系统，其中凸轮相位器的致动器的轴向或旋转位置与凸轮轴的相位角具有直接关系，从而允许精确的凸轮定相而不需要凸轮轴或曲柄轴位置传感器。提供相位角可调节性而无需曲柄轴或凸轮轴位置传感器仅通过感测凸轮相位器的致动器的轴向或旋转位置即能够控制相位角。本发明还涉及一种用于改变曲柄轴和凸轮轴之间的旋转关系的凸轮定相系统的开环控制方法。定相系统的开环控制方法。定相系统的开环控制方法。