CN104929791B - 致动器运动控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及致动器运动控制。用于控制电磁致动器的致动的系统包括具有电线圈、磁芯和电枢的致动器。可控驱动电路响应于电功率流信号以驱动通过电线圈的电流来致动电枢。控制模块包括电枢运动观测器，其设置为基于致动器内的磁通量和对应于致动器的预定机械运动方程确定致动器中的电枢运动参数并且基于电枢运动参数修改电功率流信号。

Description

致动器运动控制

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月20日递交的美国临时申请No.61/955963和2014年3月20日递交的美国临时申请No.61/955942的权益，两者都通过引用而并入本文。

技术领域

本公开涉及螺线管启动致动器。

背景技术

本章节中的叙述仅提供涉及本公开的背景信息。因此，这类叙述不致力于构成现有技术的承认。

螺线管致动器可以被用于控制流体(液体和气体)，或者用于定位或用于控制功能。螺线管致动器的典型示例为燃料喷射器。燃料喷射器被用于将加压燃料注入歧管、进气口、或直接注入内燃发动机的燃烧室。已知的燃料喷射器包括克服机械弹簧以打开位于喷射器尖端的阀以允许燃料从中流动的电磁启动螺线管器件。喷射器驱动器电路控制流至电磁启动螺线管器件的电流流动以打开和闭合喷射器。喷射器驱动器电路可以在峰值和保持控制配置或饱和开关配置中操作。

燃料喷射器的电枢响应于螺线管器件被电磁启动时产生的磁通量和磁力而运动。电枢的运动克服弹簧启动枢轴的偏置力以实现燃料喷射器的打开。虽然产生的磁通量和磁力理论上与施加至螺线管器件的电流成比例，但是燃料喷射器内的残余磁通量可导致偏离期望值。残余磁通量归因于由于切换要求不同初始磁通量值的注入燃料质量速率所导致的燃料喷射器内的持续涡流和磁滞。结果，在燃料注入事件期间，仅依靠施加至螺线管器件的电流会导致对电枢运动和位置的不精确估计。

发明内容

一种用于控制电磁致动器的致动的系统包括具有电线圈、磁芯和电枢的致动器。可控驱动电路对用于驱动通过电线圈的电流来致动电枢的电功率流信号作出响应。控制模块包括电枢运动观测器，其设置为基于致动器内的磁通量和对应于致动器的预定机械运动方程确定致动器中的电枢运动参数并且基于电枢运动参数修改电功率流信号。

本申请进一步提供以下方案。

方案1.一种用于控制电磁致动器的方法，所述电磁致动器包括电线圈、磁芯和邻近于磁芯的电枢，所述方法包括：

在电线圈被电流通电时确定致动器内的磁通量；

基于电枢在磁芯和电枢之间的气隙附近的磁通量和表面积确定作用在电枢上的磁力；

将磁力作为外力函数施加在对应于致动器的机械运动方程上以确定至少一个电枢运动参数；以及

基于所述至少一个电枢运动参数控制致动器。

方案2.根据方案1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中确定致动器内的磁通量包括基于探查线圈电压确定磁通量。

方案3.根据方案1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中确定致动器内的磁通量包括基于电线圈电压确定磁通量。

方案4.根据方案1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中确定致动器内的磁通量包括基于磁场传感器信号确定磁通量。

方案5.根据方案1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中确定作用在电枢上的磁力包括根据以下关系确定磁力：

其中f_mag为磁力，

S_a为电枢在气隙附近的表面积，

B_n为电枢在气隙附近的通量密度

μ₀为自由空间的磁导率，并且

b为校正因子，其为电枢位置s和通量的函数。

方案6.根据方案1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中机械运动方程由以下关系表示：

其中f_mag为作用在电枢上的磁力，

m为电枢的运动质量，

s为电枢位置，并且

f为作用在电枢上的合力。

方案7.根据方案1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中所述至少一个电枢运动参数包括位置。

方案8.根据方案1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中基于所述至少一个电枢运动参数控制致动器包括在电枢位置控制模块中的反馈中提供所述至少一个电枢运动参数。

方案9.根据方案8所述的用于控制电磁致动器的方法，其中所述电枢位置控制模块包括电枢运动观测器。

方案10.一种用于控制燃料喷射器的致动的系统，包括：

包括电线圈、磁芯和电枢的燃料喷射器；

响应于功率流信号以驱动通过电线圈的电流来致动电枢的可控驱动电路；以及

设置为确定燃料喷射器中的电枢运动参数并基于电枢运动参数修改功率流信号的控制模块。

方案11.根据方案10所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，其中所述控制模块包括设置为基于燃料喷射器内的磁通量确定所述电枢运动参数的电枢运动观测器。

方案12.根据方案11所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，还包括相互磁性耦联至电线圈的探查线圈，所述控制模块还被设置为基于探查线圈确定燃料喷射器内的所述磁通量。

方案13.根据方案11所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，还包括设置在燃料喷射器内的通量路径内的磁阻传感器，所述控制模块还被设置为基于磁阻传感器确定燃料喷射器内的所述磁通量。

方案14.根据方案11所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，还包括设置在燃料喷射器内的通量路径内的霍尔效应传感器，所述控制模块还被设置为基于霍尔效应传感器确定燃料喷射器内的所述磁通量。

方案15.根据方案11所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，其中所述电枢运动观测器被设置为：

在电线圈被电流通电时确定致动器内的磁通量；

基于电枢在磁芯和电枢之间的气隙附近的磁通量和表面积确定作用在电枢上的磁力；以及

将磁力作为外力函数施加在对应于致动器的机械运动方程上以确定所述电枢运动参数。

方案16.根据方案15所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，其中根据以下关系确定作用在电枢上的磁力：

其中f_mag为磁力，

S_a为电枢在气隙附近的表面积，

B_n为电枢在气隙附近的通量密度

μ₀为自由空间的磁导率，并且

b为校正因子，其为电枢位置s和通量的函数。

方案17.根据方案15所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，其中机械运动方程由以下关系表示：

其中f_mag为作用在电枢上的磁力，

m₁为电枢的第一部分的运动质量，

m₂为电枢的第二部分的运动质量，

在电枢的第一部分运动时，k₁(s)等于1，

在电枢的第一和第二位置被解耦时，k₂(s)等于0，并且在所述第一和第二部分耦联时，k₂(s)等于1，

c为可以是电枢位置和温度的函数的粘性阻尼系数，

p为燃料喷射器处的燃料压力，

k为作用在电枢上的弹簧的弹簧常数，其可以为电枢位置和温度的函数，

s为电枢位置，

f_plp为在关闭位置作用在电枢上的取决于位置和燃料压力的力，

f_pl为弹簧的预加载荷，其可以为温度的函数，并且

T为温度。

方案18.一种用于控制电磁致动器的致动的系统，包括：

包括电线圈、磁芯和电枢的致动器；

响应于电功率流信号以驱动通过电线圈的电流来致动电枢的可控驱动电路；以及

控制模块，所述控制模块包括电枢运动观测器，所述电枢运动观测器设置为基于致动器内的磁通量和对应于致动器的预定机械运动方程确定致动器中的电枢运动参数并且基于电枢运动参数修改电功率流信号。

附图说明

现在将通过示例的方式结合附图描述一个或多个实施例，在附图中：

图1示出根据本公开的燃料喷射器和启动控制器的示意性剖视图；

图2示意性示出根据本公开的用于估计图1的燃料喷射器10内的磁力的瞬态电枢模型；

图3-1示出根据本公开的、在存在磁通量时图1和2的燃料喷射器10的电枢部分、机械弹簧和电磁组件24的示意性剖视图；

图3-2示出根据本公开的沿着图3-1中的横截面A-A的气隙附近的电枢部分21；以及

图4示出根据本公开的位置控制模块。

具体实施方式

本公开结合应用于线性运动燃料喷射器的示例性应用来描述当前要求保护的主题的构思。然而，要求保护的主题更广泛地适用于采用在磁芯内诱导磁场以产生作用在可移动电枢上的吸引力的电线圈的任意线性或非线性电磁致动器。典型的示例包括流体控制螺线管、在内燃发动机上采用的汽油或柴油或CNG燃料喷射器以及用于定位和控制的非流体螺线管致动器。

现在参见附图，其中图示仅为了示出某些示例性实施例，并且不为了限制这些实施例，图1示意性示出电磁启动直接注入燃料喷射器10的非限制示例性实施例。虽然在示出的实施例中描述了电磁启动直接注入燃料喷射器，但是进气道燃料喷射器同样适用。燃料喷射器10被设置为将燃料直接注入内燃发动机的燃烧室100。启动控制器80电操作地连接至燃料喷射器10以控制其启动。启动控制器80只对应于燃料喷射器10。在示出的实施例中，启动控制器80包括控制模块60和喷射器驱动器50。控制模块60电操作地连接至喷射器驱动器50，所述喷射器驱动器50电操作地连接至燃料喷射器10以控制其启动。反馈信号42可以从燃料喷射器提供至启动控制器80。燃料喷射器10、控制模块60和喷射器驱动器50可以为设置为如本文所述那样操作的任意适合的器件。在示出的实施例中，控制模块60包括处理器件。在一个实施例中，启动控制器80的一个或多个部件被集成在燃料喷射器36的连接组件36内。在另一个实施例中，启动控制器80的一个或多个部件被集成在燃料喷射器10的主体12内。在又一个实施例中，启动控制器80的一个或多个部件在燃料喷射器10的外部并且与燃料喷射器10紧邻，并且经由一个或多个电缆和/或电线电操作地连接至连接组件36。术语“电缆”和“电线”在本文将互换地用于提供电功率的传输和/或电信号的传输。

控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和类似术语的意思是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或例程的中央处理单元(优选微处理器)和关联的储存器和存储装置(只读、可编程只读、随机访问、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和器件、适当的信号调节和缓冲电路以及提供所述功能的其他部件中的一个或多个中的任一种或各种组合。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语的意思是包括校准和查找表的任意指令组。控制模块具有被执行以提供预期功能的一组控制例程。例程例如被中央处理单元执行并且可操作为监控来自传感装置和其他网络化控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。可以定期执行例程，例如在运转中的发动机和车辆运行期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒来执行。替代地，例程可以响应于事件的发生而被执行。

通常，电枢可控制到致动位置和静态或静止位置中的一个。燃料喷射器10可以为可控制到打开(致动)位置和闭合(静态或静止)位置之一的任意适合的分立燃料喷射器件。在一个实施例中，燃料喷射器10包括限定纵轴线101的圆柱形中空主体12。燃料入口15位于主体12的第一端14处，并且燃料喷嘴28位于主体12的第二端16处。燃料入口15被流体联接至高压燃料管30，该高压燃料管30流体联接至高压喷射泵。阀组件18被包含在主体12内，并且包括针阀20、弹簧启动枢轴22和电枢部分21。针阀20干涉地位于燃料喷嘴28中以控制在此经过的燃料流量。虽然示出的实施例描述了三角形针阀20，但是其他实施例可以利用球体。在一个实施例中，电枢部分21被固定地联接至枢轴22，并且被设置为分别在第一和第二方向81、82上与枢轴22和针阀20作为单元来线性平移。在另一个实施例中，电枢部分21可以被可滑动地联接至枢轴22。例如，电枢部分21可以在第一方向81上滑动直到被固定附接至枢轴22的枢轴停止件停止。类似地，电枢部分21可以在第二方向82上独立于枢轴22而滑动，直到接触固定附接至枢轴22的枢轴停止件。在与固定附接至枢轴22的枢轴停止件接触时，电枢部分21的力导致枢轴22在第二方向82上由电枢部分21推进。电枢部分21可以包括突起以与燃料喷射器10内的各种停止件接合。

包括电线圈和磁芯的环形电磁组件24被设置为磁性接合阀组件的电枢部分21。为了示意的目的，电线圈和磁芯组件24被描绘为处于燃料喷射器主体的外部；然而，本文的实施例所涉及的电线圈和磁芯组件24被集成至燃料喷射器10或集成在燃料喷射器10内。电线圈被卷绕到磁芯上，并且包括用于从喷射器驱动器50接收电流的端子。在下文，“电线圈和磁芯组件”将被简称为“电线圈24”。在电线圈24被停用并断电时，弹簧26在第一方向81上将包括针阀20的阀组件18推向燃料喷嘴28以关闭针阀20并阻止在此经过的燃料流量。在电线圈24被启动并通电时，电磁力(下文称为“磁力”)作用在电枢部分21上以克服弹簧26施加的弹簧力，并且在第二方向82上推进阀组件18，将针阀20从燃料喷嘴28移走并允许阀组件18内的加压燃料流流过燃料喷嘴28。探查线圈25相互磁性耦联至电线圈24，并且优选邻近于线圈24轴向或径向地卷绕。探查线圈25被用作传感线圈。

燃料喷射器10可以包括停止件29，该停止件29与阀组件18相互作用并在该阀组件被推进为打开时停止阀组件18的平移。在一个实施例中，压力传感器32被设置为获取接近于燃料喷射器10(优选燃料喷射器10的上游)的高压燃料管30中的燃料压力34。在另一个实施例中，压力传感器可以被集成在燃料喷射器的入口15内代替燃料分配管30中的压力传感器32或者与该压力传感器相结合。图1示出的实施例中的燃料喷射器10不限于本文描述特征的空间和几何布置，并且可以包括本领域中用于在打开和闭合位置之间操作燃料喷射器10的已知的附接特征和/或其他空间和几何布置以控制燃料至发动机100的传送。

控制模块60产生控制喷射器驱动器50的喷射器命令(致动器命令)信号52，喷射器驱动器50启动燃料喷射器10至打开位置以影响燃料喷射事件。在示出的实施例中，控制模块60与诸如发动机控制模块(ECM)5的一个或多个外部控制模块通信；然而，控制模块60可以被集成至其他实施例中的ECM。喷射器命令信号52与在燃料喷射事件期间被燃料喷射器10传送的燃料的预期质量相关联。类似地，喷射器命令信号52可以与在燃料喷射事件期间被燃料喷射器10传送的预期燃料流速相关联。如本文使用的，术语“预期喷射燃料质量”指的是要被燃料喷射器10传送至发动机的燃料的预期质量。如本文使用的，术语“预期燃料流速”指的是要被燃料喷射器10传送至发动机的燃料的速率以实现燃料的预期质量。预期喷射燃料质量可以基于输入至控制模块60或ECM 5的一个或多个监控的输入参数51而定。一个或多个监控输入参数51可以包括，但不限于，操作者扭矩请求、歧管绝对压力(MAP)、发动机速度、发动机温度、燃料温度和由已知方法获取的环境温度。喷射器驱动器50响应于喷射器命令信号52而产生喷射器启动(致动器启动)信号75以启动燃料喷射器10。喷射器启动信号75控制流至电线圈24的电流流动，以响应于喷射器命令信号52而产生电磁力。电功率源40为喷射器驱动器50提供DC电功率源。在一些实施例中，DC电功率源提供低压，例如12V，并且升压变换器可以被用于输出高压，例如24V至200V，高压被供给至喷射器驱动器50。在使用喷射器启动信号75启动时，由电线圈24产生的电磁力在第二方向82上推进电枢部分21。在电枢部分21在第二方向82上被推进时，阀组件18从而被引起为在第二方向82上推进或平移至打开位置，允许加压燃料在此流过。喷射器驱动器50通过包括例如脉冲宽度调制(PWM)电功率流的任意适合的方法将喷射器启动信号75控制至电线圈24。喷射器驱动器50被设置为通过产生适合的喷射器启动信号75控制燃料喷射器10的启动。在针对给定发动机循环采用多个相继燃料喷射事件的实施例中，可以产生针对发动机循环内燃料喷射事件的每一个而固定的喷射器启动信号75。

喷射器启动信号75的特征在于喷射持续时间和包括初始峰值拉入电流和二次保持电流的电流波形。初始峰值拉入电流的特征在于稳态斜升以实现峰值电流，峰值电流可以按照本文的描述来选择。初始峰值拉入电流产生作用在阀组件18的电枢部分21上的电磁力以克服弹簧力，并在第二方向82上将阀组件18推进至打开位置，使得加压燃料开始流过燃料喷嘴28。在实现初始峰值拉入电流时，喷射器驱动器50将电线圈24中的电流减小至二次保持电流。二次保持电流的特征在于小于初始峰值拉入电流的某种程度的稳态电流。二次保持电流为由喷射器驱动器50控制的电流水平，以将阀组件18维持在打开位置，从而加压燃料继续流过燃料喷嘴28。二次保持电流优选由最小电流水平指示。喷射器驱动器50被设置为能够提供负电流以从电线圈24提取电流的双向电流驱动器。如本文使用的，术语“负电流”指的是用于使电线圈反向通电的电流的方向。因此，术语“负电流”和“反向电流”在本文可互换地使用。

本文的实施例旨在控制用于发动机循环期间紧密间隔的多个燃料喷射事件的燃料喷射器。如本文使用的，术语“紧密间隔”指的是小于预定驻留时间阈值的每个连续燃料喷射事件之间的驻留时间。如本文使用的，术语“驻留时间”指的是燃料喷射事件的每个连续对的第一燃料喷射事件(致动器事件)的喷射终止和对应的第二燃料喷射事件(致动器事件)的喷射开始之间的时间段。驻留时间阈值可以被选择为限定时间段，以使得小于驻留时间阈值的驻留时间指示针对燃料喷射事件中的每一个传送的喷射燃料质量的大小的不稳定性和/或偏差。喷射燃料质量的大小的不稳定性和/或偏差可响应于二次磁效应的存在。二次磁效应包括燃料喷射器内的且基于其上的剩余通量的持续涡流和磁滞。持续涡流和磁滞由于紧密间隔燃料喷射事件之间的初始通量值的转变而存在。因此，驻留时间阈值不被任意固定值限定，并且其选择可以基于但不限于燃料温度、燃料喷射器温度、燃料喷射器类型、燃料压力以及诸如燃料类型和燃料混合的燃料特性。如本文使用的，术语“通量”指的是指示由电线圈24产生的总磁场并穿越电枢部分的磁通量。因为电线圈24的匝数与磁芯中的磁通量关联，该通量因此可以由磁链来换算。该磁链基于穿越电枢部分的磁通密度、电枢部分邻近于气隙的表面积和线圈24的匝数而定。因此，除非另外陈述，术语“通量”、“磁通量”和“磁链”将在本文可互换地使用。

对于不紧密间隔的燃料喷射事件，独立于驻留时间的固定电流波形可以被用于每个燃料喷射事件，因为连续对中的第一燃料喷射事件对该连续对中的第二燃料喷射事件的传送的喷射燃料质量产生很小影响。然而，在第一和第二燃料喷射事件是紧密间隔的并且利用固定电流波形时，第一燃料喷射事件可容易影响第二燃料喷射事件和/或进一步随后的燃料喷射事件的传送的喷射燃料质量。在第一喷射事件被发动机循环的一个或多个在先燃料喷射事件影响的任何时刻，对应燃料喷射事件的相应传送的喷射燃料质量可以在多个发动机循环过程中导致不可接受的可重复性，并且连续的燃料喷射事件被认为是紧密间隔的。更通常地，其中来自在先致动器事件的剩余通量影响随后致动器事件相对于标准(例如相对于缺少剩余通量的性能)的性能的任意连续致动器事件被认为是紧密间隔的。

在一些实施例中，图1的燃料喷射器10可以包括相互磁性耦联至电线圈部分并卷绕到电线圈和磁芯组件24的磁芯部分上的探查线圈25。本公开可互换地将电线圈24称为“主线圈”。为了示意的目的，探查线圈25被描绘为处于燃料喷射器主体的外部，然而，本文的实施例所涉及的探查线圈25被集成至燃料喷射器10或集成在燃料喷射器10内。探查线圈25被定位在由主线圈24产生的磁场路径内。因此，探查线圈25不限于任意特定结构或空间取向。在一个实施例中，探查线圈25邻近于主线圈24卷绕。在另一个实施例中，探查线圈25围绕主线圈24卷绕。探查线圈25可以包括电连接至电压传感器的终端引线。探查线圈25可以被用于获取燃料喷射器10内的磁通量。例如，根据以下关系，探查线圈25的磁链可以在探查线圈25中产生电压：

其中V_SC为探查线圈电压，

λ为磁链，并且

t为时间。

因此，根据以下关系，燃料喷射器的气隙内的磁通量可以通过积分来获得：

其中为气隙中的磁通量，

为初始(剩余)通量，并且

N为探查线圈中的指定匝数。

因此，探查线圈25可以作为经由反馈信号42将信息提供至控制模块60的燃料喷射器内的传感器器件中的一个。初始通量可以使用消磁或通量复位程序而设定为零。

另外，基于其间的相互磁耦联，由方程[1]确定的探查线圈25磁链与主线圈24的磁链基本相同。有利地，燃料喷射器内磁链和磁通量的值甚至可以在没有直接监控电压(诸如如上文描述的探查线圈)的情况下通过其他参数确定。主线圈电压、电流和电阻可以被用在以下关系中以获得磁链：

其中V_MC为主线圈电压，

λ为磁链，

R为主线圈的电阻，

i为通过主线圈的测量电流，并且

t为时间。

因此，根据以下关系，燃料喷射器的气隙内的磁通量可以通过积分来获得：

其中为气隙中的磁通量，

N为主线圈中的指定匝数。

为初始(剩余)通量，

R为主线圈的电阻，

i为通过主线圈的电流，并且

t为时间。

因此，磁通量可以在没有单独的探查线圈的情况下来确定。无论哪种方式，磁通量可以经由反馈信号42而提供至启动控制器80的控制模块60。

在其他实施例中，诸如霍尔传感器的磁场传感器可以被定位在燃料喷射器内的磁通量路径内以测量磁通量。类似地，其他磁场传感器可以被用于测量磁通量，例如但是不限于模拟霍尔传感器和磁阻(MR)式传感器。由这些磁场传感器测量的磁通量可以经由反馈信号42而提供至控制模块60。可以理解的是，这些磁场传感器表示集成在燃料喷射器内以获取主动磁通量的感测器件。可以理解的是，本文的实施例并不致力于限制用于确定燃料喷射器10内的磁通量或等效磁链的任何一种技术。

图2示意性示出根据本公开的用于估计图1的燃料喷射器10的电枢部分21的瞬时位置、速度和加速度的瞬态电枢位置模型。瞬态电枢模型200可以被实施在图1的控制模块60和/或外部ECM 5内，并且由图1的控制模块60和/或外部ECM 5的处理器件执行。瞬态电枢模型200包括电气子系统210和磁性、流体和机械(MFM)子系统220。瞬态电枢模型200将参考图1的燃料喷射器10和启动控制器80来描述。电芯和电磁组件24的喷射器驱动器50、电枢部分21和固定磁芯240进一步被示出为线圈驱动电压201、线圈驱动电流202、总串联电阻204、用于磁链计算的电压206、磁力212和电枢部分21的位置的参数之间的描绘关系。在示出的实施例中，假定电枢部分的磁力212和位置214是未知的。水平虚线244指示电枢部分21的位置214等于零。在位置214为零时，可以理解的是，电枢部分21不移动并且由机械弹簧26在图1的第一方向81上偏置；也就是说，喷射器被关闭，防止通向发动机100的燃料流动。

电气子系统210可以表示电线圈的磁链和基于以下关系由喷射器驱动器50提供的电压：

其中v为由喷射器驱动器提供的电压201，

λ为磁链206，

R为主线圈、电缆和反射涡流电阻的总串联电阻204，

i为通过主线圈的测量电流202，

t为时间，

T为主线圈的温度，以及

s为电枢的位置214。

将意识到的是，一些实施例可以包括探查线圈25以利用上文所描述的方程[1]间接获取磁链206。

瞬态电枢位置模型200的MFM子系统220可以基于以下运动关系表示作用在运动的电枢部分21上的磁力212和电枢21的位置214，从以下运动关系，本领域技术人员会认识到位置、速度和加速度项：

其中f_mag为作用在电枢上的磁力212，

m₁为电枢的第一部分的运动质量，

m₂为电枢的第二部分的运动质量，

在电枢21的第一部分运动时，k₁(s)等于1，

在电枢21的第一和第二位置被解耦时，k₂(s)等于0，并且在第一和第二部分耦联时，k₂(s)等于1，

c为可以是位置s和温度T的函数的粘性阻尼系数，

p为燃料压力，

k为可以是位置s和温度T的函数的弹簧的弹性常数，

f_plp为在关闭位置作用在电枢上的取决于位置和燃料压力的力，以及

f_pl为可以为温度T的函数的弹簧的预加载荷，

T为温度。

将理解的是，电枢的第一部分的第一运动质量m₁可以包括在与电枢的第二部分耦联之前在第二方向82上运动的电枢部分21，电枢的第二部分可以包括枢轴22或联接至枢轴的停止件。类似地，电枢21的第二部分的第二运动质量m₂可以包括在第二方向82上运动且同时联接至停止件或枢轴22的电枢部分21。方程[6]可以被应用于与超过两个质量一起运动的电枢部分21。作用在电枢上的磁力可以基于以下图3-1和3-2中描述的关系来确定。诸如质量、弹簧常数、粘性阻尼系数和弹簧的预加载荷可以被存储在控制模块60的存储器器件内。另外，虽然关于燃料喷射器来陈述方程[6]的特定项，但是在理解特定致动器应用的唯一结构和力的情况下，适用于其他类型的电磁致动器应用的方程的更一般的或具体形式对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，单个质量电枢将使用具有结合质量项的类似方程。并且，虽然方程[6]包括取决于燃料压力的力，但是适用于未受到类似力的其他致动器的方程的更一般形式将不包括这种力项，或者包括适用于特定硬件配置的力项。另外，根据特定硬件配置，弹簧预加载荷和弹簧常数项将类似地适用或者完全消除，例如消除弹簧常数项，但是在磁性闭锁螺线管的情况下保留力预加载荷。其他变型对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且方程[6]的特定形式和项仅仅为示例性的，并且不限制根据本公开的电枢运动关系的应用。因此，更一般的关系可以由至少电枢质量和加速度项以及单个力项表示，以包括作用在电枢上的附加力的合力。

图3-1示出根据本公开的、在存在磁通量的图1和2的燃料喷射器10的电枢部分21和电磁组件24的示意截面图。电磁组件24包括环形电线圈241和固定磁芯240。电线圈241包括指定匝数N。磁通量沿着磁通量路径324，并且在电线圈241被由喷射器驱动器50提供的电流通电时产生。在电枢部分21处沿着横截面A-A的气隙附近的磁通量密度350被进一步示出。将理解的是，作用在电枢部分21上的磁力212确定在电枢部分21的气隙处而非磁通量路径324的磁通量密度350。例如，磁通量路径324在径向方向上进入电枢部分21的部分抵消并在电枢运动的方向上产生零净力。进一步，由于磁通量路径的部分碰撞，所以整个磁通量路径324不进入电枢部分，并且因此在垂直于电枢部分21的方向上没有进入和离开电枢部分。换句话说，磁通量密度350只引起垂直于气隙附近的电枢部分21的磁通量。

路径324中流动的磁通量可以基于由方程[5](或上文描述的其他方法)和电线圈241的指定匝数N来如下确定。

其中为磁通量，

λ为电线圈241的磁链，以及

N为电线圈241的指定匝数。

图3-2示出根据本公开的沿着图3-1中的横截面A-A的气隙附近的电枢部分21。电枢部分具有表面积S_a。将理解的是，电枢部分的表面积、指定匝数N和其他参数可以存储在控制模块60的存储器内。沿着横截面A-A的磁通量密度350可以如下使用由方程[7]确定的磁通量获得。

其中B_n为电枢部分21沿着横截面A-A的磁通量密度350，以及

S_a为电枢部分21在气隙附近的表面积。

返回参考图3-1，作用在电枢部分21上的磁力212可以如下由从方程[8]确定的磁通量密度350确定。

其中μ₀为自由空间的磁导率，以及

b为校正因子，其为电枢位置s和通量的函数。

因此，作用在运动电枢21上的磁力212可利用方程[9]获得并插入方程[6]以确定运动电枢部分21的位置、速度和/或加速度参数(即位置、速度、加速度项)。经由图1的反馈信号42提供的信息允许控制模块60(或ECM 5)执行图2的瞬态电枢模型200以利用方程[6]获得燃料喷射器10内的磁链和磁通量。然而，如上文参考图1所述，一些实施例可以包括探查线圈25、通量传感器或磁场传感器以获得磁通量或磁链。进而，瞬态电枢模型200的闭环操作可以执行方程[6]以基于燃料喷射器10内的磁通量确定运动电枢部分21的瞬时位置、速度和/或加速度参数(即，电枢运动参数)。知晓电枢位置和运动能够实现传送至燃烧室的精确燃料速率，并且进一步允许采用紧密间隔的多个、小量燃料喷射事件以减少燃料消耗和排放。由于存在剩余通量并且没有解决持续涡流，仅解决提供至电磁组件以确定电枢位置的电流的开环操作经常容易产生误差。

图4示出使用电枢位置反馈来控制施加至燃料喷射器的电线圈的电流以控制燃料喷射器启动的位置控制模块的示例性实施例。位置控制模块400可以被实施在图1的启动控制器80的控制模块60内并由控制模块60的处理器件执行。

因此，位置控制模块400将结合图1来描述。位置控制模块400包括位置命令产生(PCG)模块410、差分单元412、比例积分(PI)位置控制模块414、喷射器驱动器420和电枢运动观测器460。图1的启动控制器80的控制模块60可以包含PCG模块410、差分单元412、PI位置控制模块414和电枢运动观测器460。图1的力启动控制器80的喷射器驱动器50可以包含喷射器驱动器420。然而，控制模块60和喷射器驱动器50可以包含上文列举的那些特征的不同组合。

在示出的实施例中，预期燃料流质量409被输入至PCG模块410。使用预期燃料流质量409可以由例如ECM 5的外部模块基于上文提及的输入参数51提供，以实现如上文结合图1所描述的预期喷射燃料质量。PCG模块410基于预期燃料流质量409和其他输入402输出电枢位置命令411，其他输入402例如为燃料压力，其对于通过喷射器的燃料传送具有重要作用。PCG模块可以在包括查找表或方程的任意熟知的原理下操作以产生输出。电枢位置命令411指示出建立所需电枢位置的命令，用以在打开位置启动燃料喷射器10，从而将预期燃料流质量409传送至燃烧室100。然而，将意识到的是电枢位置命令411不考虑剩余通量的存在，剩余通量例如为由于滞后和涡流效应而存在于燃料喷射器内的磁通量。剩余通量的存在可以导致燃料喷射器内的不稳定性，这可能影响被传送至燃烧室的燃料流质量和喷射的燃料质量。因此，仅仅基于电枢位置命令来移动电枢部分21可导致的是实际传送至燃烧室的燃料流质量偏离预期燃料流质量409，由此导致传送至燃料喷射器10的不精确喷射燃料质量。

电枢位置命令411被输入差分单元412。差分单元412将燃料喷射器10内的电枢位置反馈425与电枢位置命令411比较。电枢位置反馈425基于由燃料喷射器10提供的喷射器参数输入450从电枢运动观测器460输出。如本文上文所述，喷射器参数输入450指示存在于燃料喷射器10内的主动磁通量，并且可以包括主线圈电压、主线圈电流、感测线圈电压或磁场传感器。存在于燃料喷射器10内的主动磁通量或等效磁链可以使用集成到燃料喷射器10内的一个或多个传感器件和对应的喷射器参数输入通过如上文结合图1示出的实施例所描述的任意方法来获得。基于上文结合运动方程[6]描述的已知关系，电枢运动观测器460可以提供对应于电枢的位置信息(即，位置(s)、速度(ds/dt)和加速度(d²s/dt))。而且，因为磁链λ可以由喷射器参数输入450在电枢运动观测器460内确定，其也可以作为输出被提供。具体结合本实施例，电枢位置被提供为电枢位置反馈425。因此，电枢位置反馈425考虑了作用在电枢上的所有力，包括由于存在于燃料喷射器10内的主动磁通量时的剩余通量所产生的力。

基于电枢位置反馈425和电枢位置命令411之间的比较，差分单元412输出考虑到燃料喷射器10内存在的磁通量的调节的电枢位置命令413。调节的电枢位置命令413被输入至PI位置控制模块414，由此PWM电功率流信号429被产生并输入至喷射器驱动器420。因此，所命令的PWM电功率流信号429考虑了燃料喷射器内的电枢位置反馈425。因此，位置控制模块400使得能够基于燃料喷射器10内的电枢位置反馈425使用闭环操作针对快速连续的多个燃料喷射事件中的每一个实现预期燃料流质量409。

本公开已经描述了某些优选实施例及其修改例。他人在阅读并理解本说明书时，可以想到进一步修改例和替代例。因此，本公开致力于不限制于作为用于实施本公开所构想的最佳模式而公开的特定实施例，而且本公开将包括落入所附权利要求范围内的全部实施例。

Claims (12)

1.一种用于控制电磁致动器的方法，所述电磁致动器包括电线圈、磁芯和邻近于磁芯的电枢，所述方法包括：

在电线圈被电流通电时确定致动器内的磁通量；

基于电枢在磁芯和电枢之间的气隙附近的磁通量和表面积以及电枢位置确定作用在电枢上的磁力，其中确定作用在电枢上的磁力包括根据以下关系确定磁力：

，其中f_mag为磁力，S_a为电枢在气隙附近的表面积，B_n为电枢在气隙附近的通量密度，为自由空间的磁导率，并且b为校正因子，其为电枢位置s和通量φ的函数；

将磁力作为外力函数施加在对应于致动器的机械运动方程上以确定至少一个电枢运动参数，其中机械运动方程由以下关系表示：

，

其中为作用在电枢上的磁力，为电枢的第一部分的运动质量，为电枢的第二部分的运动质量，在电枢的第一部分运动时，k₁(s)等于1，在电枢的第一和第二部分被解耦时，k₂(s)等于0，并且在所述第一和第二部分耦联时，k₂(s)等于1，c为可以是电枢位置和温度的函数的粘性阻尼系数，p为燃料喷射器处的燃料压力，k为作用在电枢上的弹簧的弹簧常数，其可以为电枢位置和温度的函数，s为电枢位置，为在关闭位置作用在电枢上的取决于位置和燃料压力的力，为弹簧的预加载荷，其可以为温度的函数，并且T为温度；以及

基于所述至少一个电枢运动参数控制致动器。

2.根据权利要求1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中确定致动器内的磁通量包括基于探查线圈电压确定磁通量。

3.根据权利要求1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中确定致动器内的磁通量包括基于电线圈电压确定磁通量。

4.根据权利要求1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中确定致动器内的磁通量包括基于磁场传感器信号确定磁通量。

5.根据权利要求1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中所述至少一个电枢运动参数包括位置。

6.根据权利要求1所述的用于控制电磁致动器的方法，其中基于所述至少一个电枢运动参数控制致动器包括在电枢位置控制模块中的反馈中提供所述至少一个电枢运动参数。

7.根据权利要求6所述的用于控制电磁致动器的方法，其中所述电枢位置控制模块包括电枢运动观测器。

8.一种用于控制燃料喷射器的致动的系统，包括：

包括电线圈、磁芯和电枢的燃料喷射器；

响应于功率流信号以驱动通过电线圈的电流来致动电枢的可控驱动电路；以及

设置为确定燃料喷射器中的电枢运动参数并基于电枢运动参数修改功率流信号的控制模块；

其中所述控制模块包括设置为基于燃料喷射器内的磁通量确定所述电枢运动参数的电枢运动观测器，其中所述电枢运动观测器被设置为：

在电线圈被电流通电时确定致动器内的磁通量；

基于电枢在磁芯和电枢之间的气隙附近的磁通量和表面积以及电枢位置确定作用在电枢上的磁力，其中根据以下关系确定作用在电枢上的磁力：，其中f_mag为磁力，S_a为电枢在气隙附近的表面积，B_n为电枢在气隙附近的通量密度，为自由空间的磁导率，并且b为校正因子，其为电枢位置s和通量的函数；以及

将磁力作为外力函数施加在对应于致动器的机械运动方程上以确定所述电枢运动参数，其中机械运动方程由以下关系表示：

其中为作用在电枢上的磁力，为电枢的第一部分的运动质量，为电枢的第二部分的运动质量，在电枢的第一部分运动时，k₁(s)等于1，在电枢的第一和第二位置被解耦时，k₂(s)等于0，并且在所述第一和第二部分耦联时，k₂(s)等于1，c为可以是电枢位置和温度的函数的粘性阻尼系数，p为燃料喷射器处的燃料压力，k为作用在电枢上的弹簧的弹簧常数，其可以为电枢位置和温度的函数，s为电枢位置，为在关闭位置作用在电枢上的取决于位置和燃料压力的力，为弹簧的预加载荷，其可以为温度的函数，并且T为温度。

9.根据权利要求8所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，还包括相互磁性耦联至电线圈的探查线圈，所述控制模块还被设置为基于探查线圈确定燃料喷射器内的所述磁通量。

10.根据权利要求8所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，还包括设置在燃料喷射器内的通量路径内的磁阻传感器，所述控制模块还被设置为基于磁阻传感器确定燃料喷射器内的所述磁通量。

11.根据权利要求8所述的用于控制燃料喷射器的致动的系统，还包括设置在燃料喷射器内的通量路径内的霍尔效应传感器，所述控制模块还被设置为基于霍尔效应传感器确定燃料喷射器内的所述磁通量。

12.一种用于控制电磁致动器的致动的系统，包括：

包括电线圈、磁芯和电枢的致动器；

响应于电功率流信号以驱动通过电线圈的电流来致动电枢的可控驱动电路；以及

控制模块，所述控制模块包括电枢运动观测器，所述电枢运动观测器设置为基于致动器内的磁通量和对应于致动器的预定机械运动方程确定致动器中的电枢运动参数并且基于电枢运动参数修改电功率流信号；其中机械运动方程由以下关系表示：

其中为作用在电枢上的磁力，为电枢的第一部分的运动质量，为电枢的第二部分的运动质量，在电枢的第一部分运动时，k₁(s)等于1，在电枢的第一和第二位置被解耦时，k₂(s)等于0，并且在所述第一和第二部分耦联时，k₂(s)等于1，c为可以是电枢位置和温度的函数的粘性阻尼系数，p为燃料喷射器处的燃料压力，k为作用在电枢上的弹簧的弹簧常数，其可以为电枢位置和温度的函数，s为电枢位置，为在关闭位置作用在电枢上的取决于位置和燃料压力的力，为弹簧的预加载荷，其可以为温度的函数，并且T为温度。