CN103161582A - 对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的装置。该装置包含：连接至马达的输入轴；与输入轴相配合地旋转的输出轴；包含设置在同心圆上的第一磁体和第二磁体的磁体单元，其中第一磁体被设置成使不同磁极以90°角交替布置，且第二磁体被设置成使不同磁极以预设角度交替布置；以及控制单元，其中第一霍尔传感器布置在第一磁体的旋转区域中从而检测第一磁体的极性变化，且第二霍尔传感器和第三霍尔传感器布置在第二磁体的旋转区域中从而检测第二磁体的极性变化。

Description

对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年12月12日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2011-0133209号的优先权和权益，其全部内容通过引用的方式合并入本文。

技术领域

本发明涉及用于对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的装置和方法。更具体地，本发明涉及控制致动器的装置和方法，以便进气阀根据引擎的运行情况而开启和闭合。本发明使得致动器结构的简化成为可能，从而降低与之相关的设计成本，并进一步提高致动器的控制精度。

背景技术

近年来，已做出多种努力来改善车辆引擎的功率和效率。这些努力包括通过调整进气歧管的形状以及控制进气阀开启和闭合的时序（timing）而提高进气效率。

图1示出安装在进气歧管上以控制进气阀开启和闭合的时序的致动器。如图所示，该致动器包含固定至进气歧管的壳体100。该壳体容纳：驱动马达2，其具有位于驱动轴上的小齿轮24；二级齿轮部4，其包含多个齿轮部件并具有结合至壳体100内部的轴；阀动装置部6，与二级齿轮部4啮合并具有作为中心轴的阀轴400；以及传感器部8，安装在阀动装置部6的一部分中并配置成检测阀轴400的旋转角度。此处，传感器部8安装在壳体100内部以对应于磁体64，并使用霍尔元件82来进行实施。

具体地，当阀动装置部6中霍尔元件82与磁体64的磁场之间发生位移（displacement）后，控制单元计算该位移。根据计算出的位移，该控制单元确定是否驱动该驱动马达2，如果驱动的话，确定将在哪个方向上驱动该驱动马达2。

然而，尽管这种致动器的多种组件例如旋转磁体和传感器产生增加分辨率（精度）的线性输出，它们相当昂贵。

另一方面，虽然可以使用相对便宜的元件例如霍尔元件，得到的产品的分辨率可能变差。

以上描述仅为帮助更好地理解本发明的背景，而并非意味着本发明落在本领域技术人员已知的相关技术的范围内。

发明内容

因此，谨记存在于现有技术中的以上问题而做出本发明，且本发明的目的是提供用于对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的装置和方法，特别是根据引擎的运行情况而控制进气阀开启和闭合的时序。因而，本发明的装置和方法可以优化进气流。

本发明的另一目的是提供用于对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的装置和方法，具体是通过控制进气阀开启和闭合的程度。根据本发明，可使用在价格上具有竞争性的传感部件来降低成本，并可提高致动器的控制精度。

为实现以上目的，根据一个方面，本发明提供用于控制致动器的装置，该致动器控制进气阀的开启和闭合。该装置可包含：输入轴，连接到马达并可在正向和反向上被旋转驱动；输出轴，设置成与输入轴相配合地旋转，并具有连接至进气阀的第一端，以使对于输出轴的操纵可开启和闭合进气阀；磁体单元，布置在输出轴的第二端并可与输出轴相配合地旋转，该磁体单元包含布置在在同心圆上的第一磁体和第二磁体，其中第一磁体布置成使不同磁极以90度角度交替布置，第二磁体布置成使不同磁极以预设角交替布置，希望以该预设角度控制旋转角度；以及控制单元，布置在磁体单元的一部分上，并配置成使第一霍尔传感器布置在在第一磁体的旋转区域中从而检测第一磁体随磁体单元旋转的极性变化，并配置成使第二霍尔传感器和第三霍尔传感器布置在第二磁体的旋转区域中，从而检测第二磁体随磁体单元旋转的极性变化，其中当第二霍尔传感器或第三霍尔传感器的其中之一位于不同磁极的分界线上时，另一个位于任意磁极的中央。

优选地，当第一霍尔传感器位于第一磁体的不同磁极之间的分界线上时，第二或第三霍尔传感器的其中之一可位于第二磁体的不同磁极之间的分界线上。

优选地，第一磁体可仅安装在当磁体单元旋转时第一磁体被第一霍尔传感器检测到的区域中。

优选地，第一磁体可安装为单个磁体。

优选地，第二磁体可仅安装在当磁体单元旋转时第二磁体被第二和第三霍尔传感器检测到的区域中。

优选地，第一磁体和第二磁体可以为橡胶磁体。

优选地，霍尔传感器可以布置成在第一和第二磁体的磁场范围内与第一和第二磁体隔开预设距离。

优选地，输入轴可设置有蜗杆，且输出轴设置有形成其上的涡轮，以使涡轮在与蜗杆啮合的同时旋转。

优选地，控制单元可将当磁体单元旋转时第一磁体的极性变化被第一霍尔传感器检测到的位置设定为绝对位置。

优选地，当第一磁体的极性变化被第一霍尔传感器检测到时，控制单元可确定由第二和第三霍尔传感器所检测的第二磁体的相对极性变化，从而确定马达的旋转方向。下文将讨论本发明的其他方面和示例性实施方式。

附图说明

本发明的以上和其他目的、特征和优点可结合附图从以下详细描述中更清楚地了解，其中：

图1是示出安装在传统进气歧管中的致动器的结构的视图；

图2是示出根据本发明实施方式的用于控制致动器的装置的外部和内部构造的放大透视图；

图3是示出根据本发明实施方式的用于控制致动器的装置的截面侧视图；

图4是示出根据本发明实施方式的磁体单元的形状和霍尔传感器的位置的视图；和

图5是示出根据本发明实施方式的当磁体单元旋转时波形信号随霍尔传感器的感测而变化的视图。

应该理解的是，附图没有必要成比例，而是呈现说明本发明基本原理的多种优选特征的略微简化的表现。在此公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、取向、位置和形状，将部分地由特定意向的应用和使用环境来确定。

在附图中，参照数字在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

在下面的详细描述中，仅有本发明的某些示例性实施方式被简单地通过示例的方式而示出和描述。本领域技术人员应当意识到，所描述的实施方式可以以多种不同方式进行改变而不偏离本发明的精神或范围。因此，附图和说明书在本质上应当被认为是示例性的而非限制性的。在整个说明书中，相似的参照数字指示相似的元件。

本文中使用的术语仅为描述具体实施方式的目的而不意在限制本发明。如本文中所用的单数形式“一个”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文清楚地表明其他意思。应进一步理解，除非有明确地描述为相反意思，单词“包括（comprise）”以及其变体如“包含（comprises、comprising）”表明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或增加。此外，如说明书中描述的术语“-器”、“-装置”和“模块”是指用来处理至少一个功能和操作的单元，且可通过硬件或软件和其组合来实现。本文中所用的术语“和/或”包括一个或多个相关列举项的任何及所有组合。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

下文将参考附图详细描述本发明的实施方式。

如图2~5所示，根据本发明实施方式的用于对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的装置包含输入轴10、输出轴20、磁体单元30和控制单元40。输入轴10连接到马达11并可在正向或反向上被旋转地驱动。输出轴20被配置成与输入轴10相配合地旋转，并设置有连接到进气阀21的一个端以使对输出轴20的操作可开启和关闭进气阀21。磁体单元30设置在输出轴20的另一端上，且被配置成与输出轴20相配合地旋转。如图所示，磁体单元30具有设置在同心圆上的第一磁体31和第二磁体32。具体地，第一磁体31被布置成使不同磁极以90°角交替设置，且第二磁体32布置成使不同磁极以预设角度交替设置，希望以该角度控制旋转角度。控制单元40设置在磁体单元30的一部分上，且被配置成使安装在第一磁体31的旋转区域中的第一霍尔传感器41检测第一磁体31随磁体单元30旋转的极性变化，并且被配置成使安装在第二磁体32的旋转区域中的第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43检测第二磁体32随磁体单元30旋转的极性变化。在这种情况下，当第二霍尔传感器42或第三霍尔传感器43中的一个位于不同磁极之间的分界线时，另一个位于任意磁极的中央。

具体地，输入轴10结合至马达11，且与马达11相配合地旋转。主动齿轮12的轴结合至马达11的端部，且从动齿轮13被布置成在与主动齿轮12啮合的同时旋转。在这种情况下，蜗杆15可沿着从动齿轮13的轴向而形成在从动齿轮13上。

此外，输出轴20被配置成将从输入轴10接收到的马达11的驱动力传送至进气阀21。输出轴20结合至用于开启或闭合进气阀21的节流阀片（未示出），且被配置成根据输出轴20的旋转来控制进气阀21的开启和闭合。

在这种情况下，涡轮25在输出轴20上形成并被配置成能够在与蜗杆15啮合的同时旋转。涡轮25可形成扇形，从而其旋转角被限制在90°。

此外，磁体单元30被固定安装在输出轴20的顶部上，并配置成使第一磁体31布置在环绕输出轴20的同心圆的内圆上，且第二磁体32安装在其外圆上。

根据实施方式，第一磁体31可磁化为四个磁极，且可被配置成对阀门在90°角的开启和闭合的操作进行检测和控制。第二磁体32可磁化为60个磁极，且可配置成以作为最小单位的3°（360°/60个磁极/2=3°）角来检测和控制阀门。当然，可以将第一和/或第二磁体31、32磁化成比上述更多或更少的磁极。

控制单元40可以是印刷电路板（PCB），且可被配置成提供第一霍尔传感器41、第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43。关于第二和第三霍尔传感器42和43的安装位置，如果满足当第二霍尔传感器42或第三霍尔传感器43中的一个位于不同磁极之间的分界线上时另一个位于任意磁极的中央的条件，那么第二和第三霍尔传感器42和43可自由地安装在第二磁极32的区域内。

具体地，如附图（图4）所示，当第二霍尔传感器42位于第二磁体32的N（北）与S（南）极之间的分界线时，那么第三霍尔传感器43布置在第二磁体32的N极或S极的中央。

因此，所描述的输入轴10、输出轴20、磁体单元30和控制单元40安装在外壳1内从而形成致动器。

根据本发明的实施方式，当第一霍尔传感器41位于第一磁体31的不同磁极之间的分界线上时，第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43中的任意一个可设置成位于第二磁体32的不同磁极之间的分界线上。

具体地，如附图（图4）所示，当第一霍尔传感器41位于第一磁体31的N极与S极之间的分界线上时，第二霍尔传感器42位于第二磁体32的N极与S极之间的分界线上。在这种情况下，如上所述，第三霍尔传感器43设置成位于第二磁体32的N极或S极的中央。

以这种结构，第一霍尔传感器41所检测到的信号的波形根据第一磁体31的极性变化而由高信号转变为低信号或由低信号转变为高信号。同时，由第二霍尔传感器42所检测到的信号的波形以方波信号的形式产生，其方波的电平（level）根据第二磁体32的极性变化而变为高信号和低信号。该现象的发生是因为检测第二磁体32的第二霍尔传感器42也位于第二磁体32极性变化的分界线上。

因此，相对于第一磁体31极性变化的绝对位置，根据由第二霍尔传感器42感受和检测到的第二磁体32的波形信号，可更精确地检测和控制磁体单元30的旋转角度和旋转速度。

根据本发明的实施方式，第一磁体31可以仅被设置在当磁体单元30旋转时第一磁体31被第一霍尔传感器41检测到的区域中。

根据本发明的实施方式，第一磁体31可安装为单个元件。

换言之，可限制输出轴20的旋转角度来满足（suit）进气阀21的节流阀片的旋转角度。由于固定在输出轴20上的磁体单元30也仅在预设的旋转角度内旋转，第一磁体31可安装在第一霍尔传感器41检测到第一磁体31的旋转角度内，且不必安装在第一霍尔传感器41不进行检测的旋转区域内。

具体地，根据所描述的实施方式，第一磁体31测量并设定输出轴20的绝对位置。如果仅有由90°角磁极所组成的单个第一磁体31安装在第一霍尔传感器41检测到第一磁体31的区域中，那么在第一磁体31的端部产生波形大小变化的脉冲信号。具体地，脉冲信号产生在感测（sensing）开始或结束的部分，因而能够使用单个第一磁体31来设定输出轴20的绝对位置。

因此，可以最小化/简化第一磁体31的结构，从而能够降低这样形成的产品的成本和重量。

此外，根据本发明，第二磁体32可以仅安装在当磁体单元30旋转时第二磁体32被第二霍尔传感器42与第三霍尔传感器43检测到的区域中。

具体地，如上所述，可限制输出轴20的旋转角度从而满足进气阀21的节流阀片的旋转角度。在这种情况下，由于固定在输出轴20上的磁体单元30也仅在预设旋转角度内旋转，第二磁体32可安装在第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43检测到第二磁体32的旋转角度内。因而，第二磁体32不必安装在第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43不检测第二磁体32的旋转区域中。

因此，第二磁体32的结构也可最小化/简化，因而进一步降低这样形成的产品的成本和重量。

根据本发明的多种实施方式，第一磁体31和第二磁体32中的每一个都可为橡胶磁体。具体地，被第一霍尔传感器41、第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43检测到的第一磁体31和第二磁体32可以是具有价格竞争性的橡胶磁体。如此，可进一步降低形成的产品的生产成本。

根据本发明的实施方式，霍尔传感器可安装成，在第一磁体31和第二磁体32的磁场范围内与第一磁体31和第二磁体32相隔预设距离“d”。

根据本发明的实施方式，蜗杆15可设置在输入轴10上，且涡轮25可在输出轴20上，从而蜗轮25旋转并同时与蜗杆15啮合。

具体地，蜗杆15和蜗轮25可以以蜗轮副（worm gear）的形式在输入轴10和输出轴20上彼此啮合，因此使得能够通过驱动马达11实现输出轴20的旋转驱动。此外，这样的布置可同时抑制马达11在反向上的旋转驱动。

在本发明中，控制单元40可在磁体单元30旋转时，将第一磁体31的极性变化被第一霍尔传感器41检测到的位置设定到绝对位置。

具体地，通过以90°的扇形形成第一磁体31的各个磁极，在阀门以90°角开启或闭合的过程中，第一磁体31的极性变化必定被第一霍尔传感器41检测到。在这种情况下，在检测到极性变化的时间点的位置可设置为绝对位置，以便控制阀门开启和闭合的程度。

在本发明中，当第一磁体31的极性变化被第一霍尔传感器41检测到时，控制单元40可确定被第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43检测到的第二磁体32的相对极性的变化。如此，可检测到并确定马达11的旋转方向。

下文将参考图2和图3进一步详细描述本发明的操作和效果。

当控制单元40使用对应于引擎目标性能的阀门开启/闭合控制值作为信号时，使用脉宽调制（PWM）控制模式来以正向或反向驱动马达11。

这样，随着输入轴10通过马达11的驱动而旋转，输出轴20也与输入轴10相配合地旋转。由于固定到输出轴20上的磁体单元30和阀门的节流阀片彼此相配合地旋转，流入进气阀21的空气量被控制。

在这种情况下，当磁体单元30配合输出轴20而旋转时，安装在磁体单元30中的第一磁体31和第二磁体32的极性变化被第一霍尔传感器41、第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43检测到。因此，通过检测输出轴20的旋转角度、旋转方向和绝对位置可控制进气阀21的开启/闭合值。

即，将参考图4和图5做出详细描述。当磁体单元30处在第一霍尔传感器41位于第一磁体31的N与S极之间分界线上（该位置成为绝对位置）的状态下而逆时针旋转时，第一磁体31也逆时针旋转。通过旋转的方式，第一磁体31的S极接近第一霍尔传感器41，波形信号做出从高信号到低信号的转变。

此外，于此同时，第二磁体32也逆时针旋转。随着第二磁体32的N极接近位于第二磁体32的N与S极之间的分界线上的第二霍尔传感器42时，波形信号做出从低信号到高信号的转变。当磁性再次从N极变到S极时，波形信号做出从高信号到低信号的转变。

此外，在位于第二磁体32的S极中央的第三霍尔传感器43的位置上，随着第二磁体32的S极的位置移动向N极，波形信号做出从低信号到高信号的转变。当第二磁体32的极性再次从N极变到S极，波形信号做出从高信号到低信号的转变。

具体地，根据被第一霍尔传感器41检测到的绝对位置，确定第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43所检测到的信号是高信号还是低信号，从而使得方向能够被确定。

如上所述，本发明使用第一霍尔传感器41设置绝对位置，并通过确定在绝对位置时由第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43检测到的相对波形信号来控制旋转方向。如此，可以根据引擎的运行情况来控制进气阀21的开启和闭合时序，并可因此优化进气流。

此外，在本发明中，第一磁体31和第二磁体32可提供为具有价格竞争力且配置成被第一霍尔传感器41、第二霍尔传感器42和第三霍尔传感器43检测和控制的橡胶磁体，因而降低产品的生产成本并同时改善致动器的控制精度。

如上所述，本发明可有利地使用第一霍尔传感器来设置绝对位置，且可通过确定在绝对位置时由第二霍尔传感器和第三霍尔传感器检测到的相对波形信号来控制旋转方向。如此，可根据引擎的运行情况来控制进气阀的开启和闭合时序，且可优化进气流。

其他的优势是，因为第一磁体和第二磁体可以是具有价格竞争力且可被第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和第三霍尔传感器检测和控制的橡胶磁体，可降低产品的生产成本并同时改善致动器的控制精度。

尽管上述示例性实施方式描述为使用单个控制单元，但应当理解，上述装置也可由多个控制器或单元进行控制。

此外，可进一步结合本发明使用控制逻辑，并可表现为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质，该计算机可读介质包含被处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的例子包括，但其不限于，ROM、RAM、光盘（CD）-ROM、磁带、软盘、闪存、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在结合网络的计算机系统中，以便以分布方式例如通过远程信息服务器或控制器局域网（CAN）来存储和执行计算机可读介质。

尽管已经为说明的目的而公开了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员应当理解，可以做出多种修改、添加和替换可不偏离在所附权利要求中所限定的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种用于对控制进气阀开启和闭合的致动器进行控制的设备，其包含：

输入轴，连接到马达并能够在正向和反向上旋转；

输出轴，被配置成能够与所述输入轴相配合地旋转，并具有连接到进气阀的第一端，从而所述输出轴的操作能够开启和闭合所述进气阀；

磁体单元，设置在所述输出轴的第二端，并被配置成能够与所述输出轴相配合地旋转，所述磁体单元包含设置在同心圆上的第一磁体和第二磁体，其中所述第一磁体被配置成使不同磁极以90°角交替布置，且所述第二磁体被配置成使不同磁极以预设的角度交替布置，期望以所述预设角度来控制旋转角度；以及

控制单元，设置在所述磁体单元的一部分上，且被配置成使第一霍尔传感器设置在所述第一磁体的旋转区域中以检测所述第一磁体随所述磁体单元旋转时的极性变化，并被配置成使第二霍尔传感器和第三霍尔传感器设置在所述第二磁体的旋转区域中以检测所述第二磁体随所述磁体单元旋转时的极性变化，其中当所述第二霍尔传感器或所述第三霍尔传感器中的一个位于不同磁极之间的分界线上时，另一个位于任意磁极的中央。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，

当所述第一霍尔传感器位于所述第一磁体的不同磁极之间的分界线上时，所述第二或所述第三霍尔传感器位于所述第二磁体的不同磁极之间的分界线上。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述第一磁体仅设置在当所述磁体单元旋转时所述第一磁体被所述第一霍尔传感器检测到的区域中。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，

所述第一磁体设置为单个磁体。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述第二磁体仅设置在当所述磁体单元旋转时所述第二磁体被所述第二和所述第三霍尔传感器检测到的区域中。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述第一磁体和所述第二磁体是橡胶磁体。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述霍尔传感器被配置成，在所述第一和所述第二磁体的磁场范围内与所述第一和所述第二磁体隔开预设距离。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述输入轴设置有蜗杆，且所述输出轴设置有涡轮，所述蜗杆和所述蜗轮被配置成使所述涡轮在与所述蜗杆啮合的同时旋转。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述控制单元被配置成，将在所述磁体单元旋转时所述第一磁体的极性变化被所述第一霍尔传感器检测到的位置作为绝对位置。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述控制单元被配置成，当所述第一磁体的极性变化被所述第一霍尔传感器检测到时，确定由所述第二霍尔传感器和所述第三霍尔传感器所检测到的所述第二磁体的相对极性变化，从而确定所述马达的旋转方向。

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