CN110425072B - 用于内燃发动机的起动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机起动机系统包括起动机，该起动机包括多相无刷电动机和电子换向器组件。控制器包括指令集，该指令集可响应于执行发动机起动事件的命令而执行。操作包括确定期望的起动曲线，控制起动机接合发动机的可旋转构件，以及经由转子位置感测电路监控电动机的转速。起动机逆变器被动态控制以响应于期望的起动曲线来控制电动机旋转内燃发动机的可旋转构件，包括动态地控制起动机逆变器以响应于期望的起动曲线来控制电动机控制发动机的旋转，从而防止在发动机起动事件期间发生发动机转速突变事件。

Description

用于内燃发动机的起动机
引言
内燃发动机可以具有电动起动机，该起动机设置成转动曲轴从而导致起动事件。发动机起动事件可包括操作员发起的起动事件和自动起动事件。
发明内容
描述了一种用于内燃发动机的起动机系统，起动机系统包括起动机，该起动机包括多相无刷电动机和连接到电动机的电子换向器组件，其中电子换向器组件包括转子位置感测电路和起动机逆变器，并且其中起动机可被控制以接合内燃发动机的可旋转构件。控制器可操作地连接到起动机逆变器，并与转子位置感测电路通信。控制器包括指令集，指令集可响应于执行发动机起动事件的命令而执行。该指令集包括以下步骤：
确定发动机的期望起动曲线，控制起动机接合内燃发动机的可旋转构件，以及经由转子位置感测电路监控电动机的转速。起动机逆变器被动态地控制以响应于期望的起动曲线来控制电动机旋转内燃发动机的可旋转构件，包括动态地控制起动机逆变器以响应于期望的起动曲线来控制电动机来控制内燃发动机的可旋转构件的旋转，从而防止在发动机起动事件期间发生发动机转速突变事件。
本公开的一个方面包括指令集，该指令集可执行以动态地控制起动机逆变器，以响应于期望的起动曲线控制电动机旋转内燃发动机的可旋转构件，该指令集包括闭环控制例程，该闭环控制例程可执行以动态地控制起动机逆变器，以基于所监控的电动机转子转速，响应于期望的起动曲线来控制电动机旋转内燃发动机的可旋转构件。
本公开的另一个方面包括发动机的期望的起动曲线，该期望的起动曲线是期望的速度曲线。
本公开的另一个方面包括发动机的期望的起动曲线，该期望的起动曲线是期望的扭矩曲线。
本公开的另一个方面包括起动机，该起动机包括可回缩的小齿轮，该小齿轮可选择性地延伸以啮合接合内燃发动机的可旋转构件。
本公开的另一个方面包括小齿轮，该小齿轮机械连接到电动机的转子轴，而没有超速离合器插置在之间。
本公开的另一个方面包括内燃发动机的可旋转构件，该可旋转构件是连接到曲轴的飞轮。
本公开的另一个方面包括逆变器，该逆变器被动态地控制以响应于期望的起动曲线来控制电动机来控制内燃发动机的可旋转构件的旋转，从而防止发生发动机转速突变事件，其中发动机转速突变事件包括与发动机起动事件期间的发动机点火相关联的不受控制的发动机转速。
通过以下结合附图对用于实施所附权利要求书所限定的本发明教导的一些最佳方式和其他实施例进行的详细描述，本发明教导的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
现将参考附图通过举例的方式描述一个或多个实施例，其中：
图1示意性地示出了包括推进系统的车辆，该推进系统具有内燃发动机和用于该推进系统的无刷电起动机。
图2示出了侧视剖视图，其描绘了图1所示起动机的横截面侧视图。
图3示出了图2所示起动机的分解等距后视图。
图4示出了图2和图3所示起动机的分解等距前视图。
图5示意性地示出了与参考图2、图3和图4所描述的起动机的实施例相关联的控制电路。
图6-1示意性地示出了发动机起动控制例程，其用于经由控制器控制起动机的实施例，以作为实现发动机的实施例的起动的部分手段。
图6-2示意性地示出了基于扭矩的闭环自动起动控制例程，其用于控制起动机的实施例，以作为实现发动机的实施例的起动的部分手段。
图6-3示意性地示出了基于速度的离合器自动起动控制例程，其用于控制起动机的实施例，以作为实现发动机的实施例的起动的部分手段。
图7图示了与不同类型的发动机自动起动事件相关联的第一速度曲线和相关联的第一加速度曲线以及第二速度曲线和相关联的第二加速度曲线。
针对采用参考图6-1、图6-2和图6-3所述的发动机起动控制例程的发动机和起动机的实施例，图8图示了发动机自动起动控制以及与发动机起动事件期间的时间有关的运行参数。
应该理解，附图未必按比例绘制，并且呈现了本文所公开的本公开的各种优选特征的某种简化表示，包括例如特殊尺寸、方向、位置和形状。与这些特征相关联的细节将部分地通过具体的应用和使用环境确定。
具体实施方式
如本文所述和示出的，所公开的实施例的部件可以按各种不同的配置来布置和设计。因此，以下详细描述并不旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的可能实施例。另外，虽然在以下描述中阐述了许多具体细节，以便提供对本文所公开的实施例的透彻理解，但是一些实施例可以在没有这些具体细节中的某些的情况下实施。此外，为了清楚起见，将不详细描述相关领域中公知的特定技术资料以免不必要地使本公开不明确。此外，附图是简化形式，并且没有按精确的比例。此外，可以在缺少未在本文具体公开的元件的情况下实施如本文所示和所述的本公开。
参考附图，在所有附图中相同的附图标记对应于相同或相似的部件，图1示出了具有动力传动系统11的车辆10的系统示意图，动力传动系统11包括动力系。车辆10可以具有仅采用内燃发动机(发动机)12的推进系统。另选地，车辆10可以是混合动力汽车(HEV)，混合动力汽车具有采用发动机12和电力推进源的动力系。在车辆10的混合动力汽车的实施例的情况下，发动机12和电力推进源中的任一个或两者可以基于车辆运行条件和其他因素选被择性地启动以提供推进力。
在一个实施例中，发动机12可以设置在车辆10上，并且车辆可以包括但不限于商用车辆、工业车辆、农用车辆、客运车辆、飞机、船舶、火车、全地形车辆、个人移动设备、机器人等形式的移动平台，以实现本公开的目的。另选地，发动机12可以设置在静止的电源上。
发动机12将扭矩传递给轴14。沿着轴14可以包括一个或多个分离机构，以将发动机12的扭矩输出从动力系的剩余部分分离。提供离合器16以使得能够选择发动机12的部分或完全扭矩分离。离合器16可以是摩擦式离合器，摩擦式离合器具有多个摩擦片，当离合器关闭以传递扭矩时，摩擦片至少部分地接合，当离合器16打开以隔离动力系下游部分和发动机12之间的扭矩流时，摩擦片分离。还可以包括变矩器18，以在发动机12的输出部分和车辆动力传动系统11的下游部分之间提供流体耦合。变矩器18运行以平稳地增加从发动机12到动力传动系统11的其余部分的扭矩传递。此外，变矩器18使得发动机12能够分离，使得发动机12可以继续以低转速运行，而不产生车辆10的推进力，例如，在静止怠速条件下。
在车辆10的混合动力汽车实施例的情况下，电力推进源可以是由高压外部电源和能量存储系统供电的第一电机20，该能量存储系统包括高压牵引电池22，即直流电源。在一个实施例中，高压牵引电池是额定运行电压大于约36伏但小于60伏的电池。例如，牵引电池可以是额定电压为48伏的锂离子高压电池。在车辆10的混合动力汽车实施例中，高压直流电在输送到第一电机20之前由逆变器24进行调节。逆变器24包括多个开关和控制电路，该控制电路运行以将直流电转换成三相交流电以驱动第一电机20。高压牵引电池22的负极端子电连接到底盘接地95。
另外，在混合动力汽车动力系的情况下，第一电机20可以根据动力流动的方向具有多种运行模式。在马达模式下，从高压牵引电池22输送的电力使得第一电机20能够产生到轴26的输出扭矩。然后，第一电机20的输出扭矩可以通过变速比变速器28传递，以便于在输出扭矩传递到最终驱动机构30之前选择期望的传动比。最终驱动机构30可以是多齿轮差速器，多齿轮差速器被构造成将扭矩分配给连接到车轮32的一个或多个侧轴或半轴31。第一电机20可以设置在变速器28的上游、变速器28的下游，或者集成在变速器28的壳体内。
第一电机20还可以被构造成以发电模式运行，从而将各种动力传动系统11部件的旋转运动转换成电能，包括用于存储在高压牵引电池22中的电能。当车辆10移动时，无论是由发动机12推动还是由于其自身惯性滑行，轴26的旋转使第一电机20的电枢或转子(未示出)转动。这种旋转运动致使电磁场产生交流电，该交流电通过逆变器24转换成直流电。直流电然后可以被提供给高压牵引电池22以补充其荷电量。单向或双向DC-DC转换器33可用于给低压(例如12伏)电池34充电，并提供低压负载35，例如12伏负载。当使用双向DC-DC转换器33时，可以从低压电池34快速起动高压牵引电池22。低压电池34或高压牵引电池22可用于向起动机40提供电力以旋转和起动发动机12。
这里讨论的各种推进系统部件可以具有一个或多个相关联的控制器来对运行进行控制和监控。电子控制器36虽然示意性地描述为单个控制器，但也可以实现为协作控制器系统，以共同管理推进系统。多个控制器可以通过串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或离散的导线进行通信。控制器36包括一个或多个数字计算机，每个数字计算机具有微处理器或中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、输入/输出电路和设备(I/O)以及适当的信号调节和缓冲电路。控制器36还可以存储多个算法或计算机可执行指令，执行根据本公开的动作时需要这些算法或计算机可执行指令来发出命令。
控制器36被编程为监控和协调本文所讨论的各种推进系统部件的运行。控制器36与发动机12通信，并接收指示发动机转速、冷却剂温度和/或其他发动机运行条件的信号。控制器36还可以与第一电机20通信，并接收指示电机速度、扭矩和电流消耗的信号。控制器36还可以与高压牵引电池22通信，并接收指示诸如电池荷电量(SOC)、电池温度和电流消耗的状态指标的信号。控制器36还可以接收指示高压总线上的电路电压的信号。控制器36还可以与一个或多个传感器通信，所述传感器被设置成监控驾驶员输入踏板38，以接收指示特定的踏板位置的信号，特定的踏板位置可以反映驾驶员的加速需求。在一个实施例中，驾驶员输入踏板38可以包括加速踏板和/或制动踏板。在另选的实施例中，例如自驱动自主车辆，加速需求可以由车辆10上或车辆外部的计算机确定。
如上所述，在车辆10的混合动力汽车实施例的情况下，发动机12和第一电机20中的一者或两者可以至少基于主题车辆的推进需求在特定时间运行。在需要高扭矩的条件下，控制器36可以使发动机12和第一电机20都被激活，使得推进源中的每一个提供相应的输出扭矩用于车辆10的同时或组合推进。在某些需要中等扭矩的条件下，发动机12高效运行，并可用作唯一的推进源。例如，在混合动力汽车以相对恒定的速度高速行驶期间，第一电机20可以停用，使得仅有发动机12提供输出扭矩。
在混合动力汽车的其他运行条件下，发动机12可以停用，使得仅有第一电机20提供输出扭矩。离合器16可以打开以将轴14从动力系的下游部分分离。具体而言，在混合动力汽车驾驶员使得车辆10在动力传动系统和道路摩擦以及空气阻力下减速的滑行条件下，发动机12可以停用，第一电机20以发电机模式运行以回收能量。另外，即使在仅使用发动机12来推进的车辆10中，在临时停车期间，例如在交通灯处，发动机12的也可能理想地停用。可以通过在车辆10静止时停用发动机而不是使发动机12空转来降低燃料消耗。在两个示例中，响应于推进需求的随后恢复或增加，快速重启发动机12可能是有益的。发动机12的迅速起动可以避免车辆10的驾驶员感觉到动力传递的猛烈和/或延迟。
车辆10还包括第二电机，以下称为起动机40，其采用多相无刷电动机54。起动机40连接到发动机12，并且被设置成产生曲柄起动转矩作为发动机起动事件的一部分，包括用于发动机停止起动例程。
当在发动机起动事件之前起动机40与发动机12接合时，起动机40转动发动机12的曲轴以促进其起动，发动机起动可以是冷起动事件、热起动事件或自动起动事件。具体而言，起动机40被构造成与附接到发动机12的曲轴飞轮或柔性板(未示出)的外齿圈12A接合，并且选择性地向外齿圈12A施加输入扭矩T，以便旋转发动机12的曲轴。根据本公开的各方面，控制器36被编程为在自动停止事件之后发出命令，以响应于加速需求，例如通过驾驶员输入踏板38处的传感器(未示出)检测到的加速需求，使用起动机40起动发动机12，该自动停止事件例如可以响应于加速需求减少的时段而发生。
如图2至图4所示，起动机40被构造成同轴电机。如本文所定义的，“同轴”表示起动机40被设计和构造成使得起动机的轮系部件、电动机和电子换向器组件布置在共用的第一轴线X1上。起动机40包括部分行星齿轮组42，该部分行星齿轮组42经由壳体45可操作地连接到起动机小齿轮44，并且被构造成沿着第一轴线X1平移。弹簧43设置在轴48上，以促使小齿轮44进入脱离状态。部分行星齿轮组42提供减速，例如在25：1和55：1之间，以输出发动机曲轴处的曲柄起动转矩作为期望的曲柄起动速度。如参考图2至图4所述，起动机40包括齿轮组壳体46，该齿轮组壳体46被构造成容纳部分行星齿轮组42，并且具有安装凸缘46A，用于经由适当的紧固件附接到发动机12上。
部分行星齿轮组42包括固定到齿轮组壳体46的内齿圈42-1。部分行星齿轮组42还包括与内齿圈42-1啮合的多个行星齿轮42-2，以及被构造成固定行星齿轮42-2的行星架42-3。具体而言，部分行星齿轮组42可以经由小齿轮轴48直接连接到起动机小齿轮44。为此，在一个实施例中，轴48可以包括外花键48A，而小齿轮44包括匹配的内花键44A，使得当小齿轮44被推出以与发动机飞轮上的齿圈12A接合时，小齿轮44能够沿着小齿轮轴48平移。如图所示，齿轮组壳体46被构造成经由轴承表面46B支撑轴48的前端。
起动机40还包括电动机壳50。齿轮组壳体46可以与电动机端盖68一起经由例如卡环71固定到电动机壳50上，如图3所示。电动机壳50包括第一轴承52，并且被构造成容纳无刷电动机54，无刷电动机54是永磁交流或直流电动机。电动机端盖68可以经由多个螺栓269紧固到齿轮组壳体46上。无刷电动机54例如可以是多种电动机类型中的一种，例如感应电机、表面贴式永磁体(PM)电机、内部永磁体电机、同步磁阻电机、永磁体辅助同步磁阻电机、托杯形感应电机或开关磁阻电机。无刷电动机54也可以是径向或轴向磁通电机。无刷电动机54上的导线选择可以例如包括单线导体，单线导体可以具有圆形、方形或矩形横截面，可以用于集中或分布式绕组。
与有刷电动机相比，无刷电动机由于消除了换向器处电刷接触造成的物理磨损，可能会延长使用寿命。此外，与有刷电动机相比，电子换向电机能够更精确地控制电机速度。在一些示例中，第二电机可以使用弱磁控制策略来运行，以进一步改善对功率输出的控制。根据本公开的各方面，起动机40输出的旋转与齿圈12A的旋转同步，以减少在发动机12重启事件期间可能发生的噪声、振动和不平顺性(NVH)。
图2示出了侧视剖视图，其描绘了起动机的横截面侧视图，并且在图3的分解视图中，无刷电动机54包括多相定子组件56，该多相定子组件56具有定子芯56B，该定子芯56B相对于第一轴线X1同心地布置在电动机壳50内部。多个绕组56A设置在定子芯56B上以产生旋转磁场。绕组56A通过多个相位引线57电连接到电子换向器组件74的电力电子子组件78，相位引线57是高温(>240℃)额定绝缘引线，其从无刷电动机54平行于第一轴线X1线性向外突出，并朝向电子换向器组件74突出以与其电连接。相位引线57位于定子组件56的外圆周上，并以120度的机械间距定位。相位引线57电连接到相应的相位端子97，并且相位端子97中的每一个电连接到起动机逆变器140的支路中的一个以传导相流。无刷电动机54还包括转子组件58，转子组件58被布置成在定子组件56内部旋转。转子组件58包括转子58A。当绕组56A被顺序供电以产生旋转电磁场时，无刷电动机54被驱动，并且当定子芯56B被如此供电时，致使转子组件58旋转。
定子芯56B为圆柱形，并限定中空的中心部分以容纳转子58A。根据至少一个示例，定子芯56B的外径可以被限制为不大于80毫米。转子58A被构造成围绕第一轴线X1相对于定子芯56B旋转。转子58A可以形成为层或叠层，这些层或叠层沿着第一轴线X1在轴向上堆叠，其中叠层堆限定了起动机40的有效长度。根据一个示例，叠层堆的长度被限制为不大于40毫米。起动机40的总体尺寸可以取决于包装约束，使得定子芯56B的外径与叠层堆的长度的比率在大约1.5和3.5之间的范围内。
转子58A可以限定设置在转子外周部分附近的多个开口59，并且每个开口可以被构造成固定永磁体59A。开口59的尺寸设定为增强可制造性，例如具有至少大约2毫米的开口宽度。多个永磁体59A可以由一种铁基合金形成，例如钕，并且配合以产生磁场，该磁场在通电时与定子相互作用以致使转子58A运动。例如，为了提高简单性并降低制造成本，永磁体59A中的每一个可以是矩形的。然而，根据本公开，其他磁体形状可以适用于无刷电动机54的具体应用。
永磁体59A被布置成在转子58A周围产生多个磁极。永磁体59A中的每一个被固定在转子58A的开口59中的一个内，并用作旋转电机的磁极。在垂直于磁体59A的主体的方向上产生磁通量。转子58A的开口59可以成形为在每个永磁体59A的任一侧包括气隙(未示出)。每个磁极之间的气隙的尺寸可以设定为减少转子58A的磁极之间的磁通量泄漏。每个永磁体59A被定向为相对于相邻磁体具有相反的极性方向，以便在相反的方向上产生磁通量。磁极的数量可以根据无刷电动机54的性能要求来选择。
转子组件58包括轴58B。轴58B布置在第一轴线X1上，由第一轴承52支撑，并且直接连接到被构造成接合部分行星齿轮组42的太阳齿轮60。如图所示，太阳齿轮60可以与轴58B一体形成。轴58B的前部62可经由构造在轴48内的轴承表面64引导，使得轴48和轴58B各自围绕第一轴线X1旋转。转子组件58还包括转子位置目标磁体66。如图2所示，转子位置目标磁体66可以被构造成被附接到转子轴58B的端部的一个或多个径向或直径方向上定位的磁体。目标磁体也可以由导电或软磁材料制成，与传感器板上的替代替霍尔效应传感器的具有高频激励的感应式传感器一起使用。
转子组件58包括轴58B、太阳齿轮60、部分行星齿轮组42、小齿轮轴48和小齿轮44，它们之间没有插置任何形式的单向离合器或其他超速离合器，使得当小齿轮44延伸到与外齿圈12A啮合接合时，转子组件58的旋转直接机械地耦合到发动机飞轮的外齿圈12A的旋转。这样，当小齿轮44伸出并啮合外齿圈12A时，起动机电动机的转速等于发动机12速度的标量乘积。
无刷电动机54还包括电动机端盖68，电动机端盖68被构造成与电动机壳50配合并包围电动机壳50。如图3和图4所示，电动机端盖68可以经由多个螺栓69紧固到齿轮组壳体46，从而将电动机壳50保持在之间。电动机端盖68包括为第二轴承70提供安装结构的孔，第二轴承70被构造成支撑轴58B以相对于第一轴线X1旋转。如图3和图4所示，卡环71可用于将第二轴承70保持在电动机端盖68的孔内。无刷电动机54还包括电子盖72，该电子盖72具有用于从高压牵引电池22接收电能的电源连接器73(如图3和图4所示)和用于与发动机控制器通信以接收自动起动和自动停止命令的控制信号连接器(未示出)。电子盖72被构造成与电动机端盖68配合，并容纳或封装电子换向器组件74。电子换向器组件74包括控制电子子组件76和电力电子子组件78，控制电子子组件76和电力电子子组件78被封装在导热介电材料中以减轻机械冲击和振动，并提供到电子盖72的热路径以用于散热。控制电子子组件76被布置在电动机端盖68和电力电子子组件78之间。因此，如图所示，无刷电动机54被布置或夹在部分行星齿轮组42和电子换向器组件74之间，而部分行星齿轮组42被布置在起动机小齿轮44和电动机54之间。电子装置盖72可以经由合适的紧固件，例如图3所示的螺钉79，附接到电力电子子组件78。
如图2至图4所示，起动机40另外包括螺线管组件80。螺线管组件80包括小齿轮换档螺线管82和致动器83，并且小齿轮换档螺线管82被布置在平行于第一轴线X1布置的第二轴线X2上。螺线管组件80被构造成例如通过合适的紧固件安装并紧固到齿轮组壳体46上。螺线管组件80还被构造成根据控制器36的命令沿着第一轴线X1推动起动机小齿轮44，如箭头84所示，以啮合接合齿圈12A来重新起动发动机12。小齿轮换档螺线管82可以例如通过杠杆臂85(如图2所示)来对起动机小齿轮44换档。
控制电子子组件76可以包括垂直于第一轴线X1布置的处理器电路板86，以及一个或多个转子位置感测电路88，例如被构造成监控转子位置目标磁体66的霍尔效应传感器。转子位置感测电路88被放置成在转子轴58B的端部与转子位置目标磁体66保持预定距离(例如，0.5mm至1.5mm)。电力电子子组件78可以包括平行于处理器电路板86布置的电源电路板90、电流纹波滤波器92、以及被构造成从电源电路板90吸收热能的散热器94。电力电子子组件78可以另外包括布置在电源电路板90和电流纹波滤波器92之间的导热电绝缘体96。电流纹波滤波器92可以包括布置在节距圆Cp(如图4所示)上的多个滤波电容器98，节距圆以第一轴线X1为中心并垂直于第一轴线X1。如图2至图4所示，多个滤波电容器98中的每一个都沿着第一轴线X1在电源电路板90和处理器电路板86之间布置有与电源电路板90平行的纵向轴线。
转子位置感测电路88的实施例可以包括提供增量或绝对位置信号的原始角位置传感器。无论转子是静止的还是运动的，来自绝对位置传感器的位置信号都与真实位置成比例。增量位置传感器检测位置变化。在一个实施例中，用于本申请的转子位置感测电路88包括乘法编码器或数字霍尔传感器，例如采用聚合物结合的多极磁体，并且其中编码器/霍尔脉冲和换向脉冲作为信号输出产生。转子位置感测电路88还包括基于智能微处理器的芯片，芯片用于提取和传输位置信号。另一个传感器是模拟霍尔效应传感器，例如采用钕磁体的传感器，或者可操作用于产生正弦和余弦信号作为传感器输出的其他基于场的传感器。产生类似正弦和余弦输出的其他传感器类型是电感型位置传感器和磁阻型位置传感器，电感型位置传感器和磁阻型位置传感器在其工作中不使用磁体。
部分行星齿轮组42以及齿轮组壳体46和起动机小齿轮44可以是第一子组件100的一部分。螺线管组件80可以是第二子组件102的一部分。电动机壳50、无刷电动机54和电动机端盖68可以是第三子组件104的一部分。电子盖72和电子换向器组件74可以是第四子组件106的一部分。根据本公开，第一子组件100可以被构造成与第二子组件102预组装，第三子组件104可以被构造成与预组装的第一子组件100和第二子组件102组装，第四子组件106被构造成与预组装的第一子组件100、第二子组件102和第三子组件104组装，从而提供完整的电起动机40。此外，在单独的子组件被组装到起动机40中之前，第一子组件100、第二子组件102、第三子组件104和第四子组件106中的每一个可以相对于相应的预设运行参数被分开地和单独地测试，以验证每个子组件所需的性能。在另选的实施例中，电子换向器组件的部分，例如控制电子子组件、电力电子子组件和/或散热器，可以设置在远离三相无刷电动机的位置，例如在控制器36中。
图5示意性地示出了与参考图2、图3和图4描述的起动机40的实施例相关联的控制电路。起动机40包括无刷电动机54，无刷电动机54包括转子58和转子轴58B，转子轴58B经由行星齿轮组42连接到小齿轮轴48上。小齿轮44可滑动地设置在小齿轮轴48上。小齿轮换档螺线管82是可控制的，以响应小齿轮控制信号101来致动杠杆臂85，以将小齿轮44推到伸出位置，从而啮合接合发动机飞轮的外齿圈12A，小齿轮控制信号101可以由控制器36产生，作为发动机起动事件的一部分。电子换向器组件74包括转子位置感测电路88、控制电子子组件76和电力电子子组件78。控制电子子组件76包括与多个栅极驱动器和转子位置感测电路88通信的数字信号处理(DSP)控制器。电力电子子组件78包括起动机逆变器140和其他元件。响应于起动电动机控制信号103，数字信号处理控制器控制栅极驱动器产生控制信号，控制信号被传送到起动机逆变器140的电源开关142，该电源开关142产生电流信号，该电流信号被传送到定子56的定子绕组56A，以产生旋转磁场来促使转子58A旋转。转子58A和转子轴58B的旋转由转子位置感测电路88监控。控制器36同时产生起动机电动机控制信号103和小齿轮控制信号101，以实现发动机起动事件。起动机40包括外部可访问的编程通信端口，编程通信端口被构造成发送和接收消息105。
如本文所述，加速曲线用于控制无刷起动机的发动机自动起动操作，包括响应平滑速度曲线描绘发动机加速度曲线，从而提供快速的发动机起动，同时使发动机转速突变的影响最小。这包括在达到期望的怠速速度之前，在发动机12达到曲柄起动速度之后，减小起动机电动机扭矩，或者甚至施加负的起动机电动机扭矩，以控制发动机转速突变。这包括在转矩控制或速度控制模式下运行起动机40，使得发动机起动加速度曲线可以被控制，直到发动机12达到期望的怠速。
响应于执行发动机起动事件的命令，选择期望的发动机转速曲线，并且控制小齿轮致动器以使小齿轮与发动机飞轮啮合接合。转子位置感测电路监测电动机转子的转速，并且逆变器在闭环控制下运行，以基于监测到的电动机转子转速来控制电动机响应于期望的发动机转速曲线使发动机旋转。逆变器被控制以控制电动机，包括降低起动机扭矩或引入负起动机扭矩，以最小化与发动机点火相关的发动机转速突变。
图6-1示意性地示出了发动机起动控制例程600，其用于在发动机起动事件期间经由控制器36控制起动机40的实施例，以实现内燃发动机12的实施例的起动。表1被提供为键形表，其中对应于发动机起动控制例程600，数字标记的块和相应的功能如下所述。这里可以根据功能和/或逻辑块部件和/或各种处理步骤来描述这些教导内容。应当认识到，这些块部件可以由硬件、软件和/或固件部件组成，这些部件已经被构造成进行指定的功能，并且可以在控制器36中或者在另一个控制器中被执行。
表1
Figure BDA0002030430000000141
执行发动机起动控制例程600可以如下进行。发动机起动控制例程600的步骤可以以合适的顺序执行，并且不限于参考图6描述的顺序。如本文所用，术语“1”表示肯定的回答，或“是”，术语“0”表示否定的回答，或“否”。
发动机起动事件包括接合小齿轮螺线管82以延伸小齿轮44，从而使小齿轮44啮合接合外齿圈12A，然后控制起动机系统40使发动机12旋转，接着给发动机12加燃料和点火以实现目标发动机怠速。发动机起动控制例程600响应于接收到发动机起动命令(602)来执行发动机起动事件，该发动机起动命令(602)最初确定起动命令是包括操作员发起的发动机起动事件(主曲柄)(604)(1)还是自动起动的发动机起动事件(604)(0)。当起动命令是操作员发起的发动机起动事件(主曲柄)(604)(1)时，程序首先接合小齿轮螺线管82以延伸小齿轮44，从而使小齿轮44与附接到曲轴飞轮(606)的外齿圈12A啮合接合，这包括执行预定的时间延迟(608)，以将机电动作相关联的延迟考虑在内，机电动作用于致动小齿轮螺线管82以推动小齿轮44并克服来自弹簧43的所有阻力。起动机系统40的运行被控制以响应于最大扭矩曲线(610)旋转发动机12，直到发动机12被加燃料、点火并达到目标发动机怠速(612)，在该点(612)(1)发动机起动事件结束(614)。响应于最大扭矩曲线(610)控制起动机系统40包括：控制起动机逆变器140最大化传输到起动机40的多相无刷电动机54的三相电力，以旋转小齿轮44，并因此在发动机起动事件期间旋转附接到发动机12的曲轴飞轮的外齿圈12A。
当起动命令是自动起动发动机起动事件(604)(0)时，例程确认自动起动发动机起动事件(620)(0)和自动起动发动机起动事件(620)(1)，然后接合小齿轮螺线管82以延伸小齿轮44，从而使小齿轮44与附接到曲轴飞轮(622)的外齿圈12A啮合接合，这包括执行预定的时间延迟(624)，以将机电动作相关联的延迟考虑在内，机电动作用于致动小齿轮螺线管82以推动小齿轮44并克服来自弹簧43的所有阻力。例程确定自动起动发动机起动事件的类型，例如正常自动起动事件、积极自动起动事件或扩展自动起动事件，这些事件其参数均基于发动机加速度(626)来限定。参考图7描述和示出的发动机起动曲线的非限制性示例，这些非限制性示例为与不同类型的自动起动事件相关联的加速度曲线和速度曲线的形式。确定(628)与所选类型的自动起动发动机起动事件相关联的期望输入加速度曲线，并且该输入加速度曲线包括基于速度控制的自动起动例程(640)和基于扭矩控制的自动起动例程(630)中的一者。
图6-2示意性地示出了基于扭矩控制的自动起动例程(630)的实施例，自动起动例程(630)用于控制起动机40的实施例，以实现内燃发动机12的实施例的起动。表2被提供为键形表，其中数字标记的块和相应的功能如下所述。这里可以根据功能和/或逻辑块部件和/或各种处理步骤来描述这些教导内容。应当认识到，这些块部件可以由硬件、软件和/或固件部件组成，这些部件已经被构造成进行指定的功能，并且可以在控制器36中或者在另一个控制器中被执行。
表2
Figure BDA0002030430000000161
基于扭矩控制的自动起动例程(630)是闭环控制例程，其结合了加速度曲线和速度曲线中的选定一个，加速度曲线和速度曲线与参考图7描述的不同类型的自动起动事件相关联。在一个实施例中，如本文所述，闭环控制例程是基于加速度误差执行控制的比例积分闭环控制例程。执行包括按如下所示确定加速度误差(632)：
加速度err＝加速度cmd-加速度actual
其中：
加速度err表示加速度误差，
加速度cmd表示命令的加速度，其通过加速度曲线确定，以及
加速度actual表示实际的加速度，其经由转子位置感测电路88测定。
用于控制起动机逆变器140的扭矩命令可以基于加速度误差来确定，如下所示：
Tcmd＝Kp*加速度err+ki∫加速度errdt
其中：
Tcmd是扭矩命令，以及
Kp和ki是具体应用的标量项。
扭矩命令被传送到起动机控制器36来控制起动机逆变器140的运行，以控制起动机40的多相无刷电动机54的三相电力，从而旋转小齿轮44，并因此在发动机起动事件期间旋转附接到发动机12的曲轴飞轮的外齿圈12A。
监控起动机40的转速，从而监控发动机12的转速，以确定是否已经达到目标怠速(636)。当没有达到目标怠速时(636)(0)，继续闭环操作，重复步骤632、步骤634和步骤636。当已经达到目标怠速时(636)(1)，自动起动事件结束，发动机12运行(638)，起动机40被停用，导致小齿轮44缩回和其他动作。
基于扭矩控制的自动起动例程(630)的一个微妙之处在于加速度误差(加速度err)，因此扭矩命令Tcmd可以是正的，即增加或附加扭矩的命令，或者是负的，即减小扭矩的命令。正扭矩命令包括将正扭矩从起动机40传递到内燃发动机12以增加其转速。负扭矩命令包括将负扭矩从起动机40传递到内燃发动机12以降低其转速，例如响应于当发动机12加燃料和点火时可能发生的发动机转速突变事件。该动作通过小齿轮44经由行星齿轮组42直接机械连接到电动机54的转子轴58B而变得容易，而其间没有插入单向离合器或另一种形式的超速离合器。响应于负扭矩命令，例如响应于发生发动机转速突变，起动机40的控制致使速度曲线更平滑和自动起动事件的操作员感知质量的相关改善。
图6-3示意性地示出了发动机起动控制例程600的一部分，其包括执行基于速度控制的自动起动例程(640)以控制起动机40的实施例，从而实现内燃发动机12的实施例的起动。表3被提供为键形表，其中数字标记的块和相应的功能如下所述。这里可以根据功能和/或逻辑块部件和/或各种处理步骤来描述这些教导内容。应当认识到，这些块部件可以由硬件、软件和/或固件部件组成，这些部件已经被构造成进行指定的功能，并且可以在控制器36中或者在另一个控制器中被执行。
表3
Figure BDA0002030430000000181
基于速度控制的自动起动例程(640)是闭环控制例程，其结合了加速度曲线和速度曲线中的选定一个，加速度曲线和速度曲线与参考图7描述的不同类型的自动起动事件相关联。在一个实施例中，如本文所述，闭环控制例程是基于速度误差执行控制的比例积分闭环控制例程。执行包括根据速度曲线来动态确定电机速度命令(642)，然后按如下方式确定速度误差(644)：
ωerr＝ωcmd–ωactual
其中：
ωerr表示速度误差，
ωcmd表示命令的速度，其通过速度曲线确定，以及
ωactual表示实际的速度，其经由转子位置感测电路88测定。
用于控制起动机逆变器140的扭矩命令可以基于速度误差来确定，如下所示：
tcmd＝Kp*ωerr+ki∫ωerrdt
其中：
Tcmd是扭矩命令，以及
Kp和ki是具体应用的标量项。
扭矩命令被传送到起动机控制器36来控制起动机逆变器140的运行，以控制起动机40的多相无刷电动机54的三相电力，从而旋转小齿轮44，并因此在发动机起动事件中，旋转附接到飞轮上的外齿圈12A，使发动机12旋转。
监控起动机40的转速，从而监控发动机12的转速，以确定是否已经达到目标怠速(636)。当没有达到目标怠速时(648)(0)，继续闭环操作，重复步骤642、步骤644、步骤646和步骤648。当已经达到目标怠速时(648)(1)，自动起动事件结束，发动机12运行(650)，起动机40被停用，导致小齿轮44缩回和其他动作。
基于速度控制的自动起动例程(640)的一个微妙之处在于速度误差ωerr，因此扭矩命令Tcmd可以是正的，即增加速度的命令，或者是负的，即降低速度的命令。正速度命令包括增加起动机40的速度以增加内燃发动机12的转速。负速度命令包括例如响应于发动机12加燃料和点火时可能发生的发动机转速突变事件降低起动机40的速度。该动作通过小齿轮44经由行星齿轮组42直接机械连接到电动机54的转子轴58B而变得容易，而其间没有插入单向离合器或另一种形式的超速离合器。响应于负速度命令，例如响应于发生发动机转速突变，起动机40的控制致使速度曲线更平滑和自动起动事件的操作员感知质量的相关改善。
图7图示地示出了发动机起动曲线的示例，包括与不同类型的自动起动事件相关联的两个期望的发动机转速曲线和两个期望的发动机加速度曲线，其中速度和加速度相对于发动机起动事件期间的时间显示在垂直轴线702上，发动机起动事件期间的时间显示在水平轴线704上。绘制的结果包括第一速度曲线711和相关联的第一加速度曲线712，以及第二速度曲线713和相关联的第二加速度曲线714。例如响应驾驶员输入踏板38的低操作者输入，第一速度曲线711和第一加速度曲线712与正常启动相关联。例如响应于驾驶员输入踏板38的高操作者输入，第二速度曲线713和相关联的第二加速度曲线714与积极启动相关联。
两个期望的发动机转速曲线和两个期望的发动机加速度曲线由第一时段721、第二时段723和第三时段725指示，第三时段725在发动机转速达到期望的发动机怠速时结束。第一时段721与在给发动机12加燃料和点火之前发动机12的旋转相关联。如所理解的，第一加速度曲线712以比第二加速度曲线714更低的速率增加，使得在发动机加燃料和点火发起的时间点发动机转速更低。在时间点722，发动机控制器发起发动机加燃料和点火，从而发起第二时段723。在时间点724，发动机控制器检测发动机点火，并开始控制加燃料和点火正时以实现发动机怠速，该怠速在时间点726处指示为与第二速度曲线713和相关联的第二加速度曲线714相关联的积极启动，并且在时间点728处指示为与第一速度曲线711和相关联的第一加速度曲线712相关联的正常启动。
应当理解，用于起动发动机12的期望的发动机转速随着条件的变化而变化，例如各种车辆系统的温度。因此，发动机转速曲线可以基于发动机12和车辆的当前运行条件来确定，包括但不限于环境温度或离合器扭矩极限。因此，发动机转速曲线代表起动机40的期望路径或转速的增加，以便响应于运行条件将发动机12的转速增加到用于起动发动机12的期望的发动机转速。发动机转速曲线在发动机起动事件期间改变发动机12的转速，以达到期望的发动机转速。因此，应当理解，期望的发动机转速不是每个发动机起动事件期间的恒定转速，而是每个发动机起动事件期间的变化或改变，并且是由发动机转速曲线实现的最终结果。此外，应当理解，发动机转速曲线在不同的发动机起动事件之间不是恒定的，而是基于当时发动机和车辆的特定运行条件为每个发动机起动事件定义的。
通过采用与图6-1、图6-2和图6-3相关联的发动机起动控制例程，图8为本文所述的发动机12的实施例和相关联的起动机40图示地示出了与发动机自动起动控制相关联的数据800，以及与发动机起动事件期间的时间有关的运行参数。参数大小参照竖直轴线810来指示，并且在水平轴线820上指示出时间。监控的参数包括自动起动命令811、起动机扭矩812、发动机扭矩813和发动机转速814。发动机转速包括在发动机转速突变事件期间的不受控制的发动机转速部分815和在发动机转速突变事件期间的受控制的发动机转速部分816，其中受控制的发动机转速部分816包括受发动机起动控制例程600的一部分影响的自动起动操作的一部分，发动机起动控制例程600包括执行基于速度控制的自动起动例程(640)。
发动机自动起动事件在时间点822发起，如自动起动命令811中的阶跃变化所示。此后，起动机扭矩812很快增加，发动机转速814相应增加。发动机扭矩保持为零。在时间点824，发动机转速814达到与起动机40的能力相关联的曲柄速度817，并且发起发动机加燃料，发动机扭矩813和发动机转速814相应增加，并且发生相关联的发动机转速突变事件。发动机转速突变事件期间的不受控制的发动机转速部分815被指示，并且表示不采用发动机起动控制例程600时可能发生的发动机转速。
然而，在发动机起动事件的这一部分期间，随着发动机起动控制例程600的运行，起动机40接收负扭矩命令，以将负扭矩从起动机40传递到内燃发动机12，从而降低其转速。在发动机转速突变事件期间的受控发动机转速部分816期间，发动机转速可以通过起动机40的运行来控制，以避免其他可能发生的任何发动机转速的增加。在时间点826，发动机转速达到目标发动机怠速值818，并且起动机40被控制成使得扭矩不再从起动机40传递到内燃发动机12，并且小齿轮44可以脱离。
术语“控制器”和相关术语如控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元的一种或多种组合，例如，存储器和存储设备(只读、可编程只读、随机访问、硬盘驱动等)形式的微处理器和相关联的非暂时性存储器部件。非暂时性存储器部件能够以以下形式存储机器可读指令：一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、信号调节和缓冲电路、以及可由一个或多个处理器访问以提供所述功能的其他组件。输入/输出电路和设备包括模拟/数字转换器和监控来自传感器的输入的相关设备，这些输入以预设的采样频率或响应于触发事件而被监控。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语是指控制器可执行的指令集，指令集包括校准和查找表。每个控制器执行控制例程以提供期望的功能。可以定期执行例程，例如在正在进行的操作期间每100微秒执行一次。另选地，可以响应于触发事件的发生来执行例程。控制器之间的通信以及控制器与致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线点对点链路、网络通信总线链路、无线链路或另一种合适的通信链路来实现。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。数据信号可以包括离散的、模拟的或数字化的模拟信号，信号代表来自传感器的输入、致动器命令和控制器之间的通信。术语“信号”指的是传达信息的物理上可辨别的指示，并且可以是合适波形(例如，电、光、磁、机械或电磁)，例如直流、交流、正弦波、三角波、方波、振动等，其能够通过介质传播。
详细描述和附图支持并描述了本教导，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实施本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实施所附权利要求中定义的本教导的各种另选的设计和实施例。

Claims (9)

1.一种用于内燃发动机的起动机系统，包括：
起动机，包括多相无刷电动机和连接到所述电动机的电子换向器组件，其中所述电子换向器组件包括转子位置感测电路和起动机逆变器，并且其中所述起动机能够被控制以接合所述内燃发动机的可旋转构件；以及
控制器，可操作地连接到所述起动机逆变器并与所述转子位置感测电路通信，所述控制器包括指令集，所述指令集能够响应于执行发动机起动事件的命令而执行，所述指令集能够执行以：
确定所述内燃发动机的期望的起动曲线，
控制所述起动机接合所述内燃发动机的所述可旋转构件，
经由所述转子位置感测电路监控所述电动机的转速，以及
动态地控制所述起动机逆变器以响应于期望的起动曲线来控制所述电动机旋转所述内燃发动机的所述可旋转构件；
其中所述起动机逆变器被动态控制以控制所述电动机感应负扭矩以响应于所述期望的起动曲线来控制所述内燃发动机的所述可旋转构件的旋转，从而防止在所述发动机起动事件期间发生发动机转速突变事件。
2.根据权利要求1所述的起动机系统，其中所述指令集包括闭环控制例程，所述闭环控制例程能够执行以动态地控制所述起动机逆变器，以基于所述电动机的所述转子的转速，响应于所述期望的起动曲线来控制所述电动机旋转所述内燃发动机的可旋转构件。
3.根据权利要求2所述的起动机系统，其中，所述发动机的所述期望的起动曲线包括期望的速度曲线。
4.根据权利要求1所述的起动机系统，其中，所述起动机包括可缩回的小齿轮，所述小齿轮能够选择性地延伸以啮合接合所述内燃发动机的所述可旋转构件。
5.根据权利要求4所述的起动机系统，其中，所述小齿轮机械连接到所述电动机的转子轴上，而没有超速离合器插置在之间。
6.根据权利要求1所述的起动机系统，其中，所述内燃发动机的所述可旋转构件包括连接到曲轴的飞轮。
7.根据权利要求1所述的起动机系统，其中，所述起动机逆变器被动态地控制以响应于所述期望的起动曲线来控制所述电动机来控制所述内燃发动机的所述可旋转构件的旋转，从而防止发生所述发动机转速突变事件，其中所述发动机转速突变事件包括与所述发动机起动事件期间的发动机点火相关联的不受控制的发动机转速。
8.一种用于操作内燃发动机的起动机的方法，其中所述起动机包括多相无刷电动机和连接到所述电动机的电子换向器组件、转子位置感测电路、以及起动机逆变器，所述方法包括：
确定执行发动机起动事件的命令；
确定所述内燃发动机的期望的起动曲线；
控制所述起动机接合所述内燃发动机的可旋转构件；
经由所述转子位置感测电路监控所述电动机的转速；
动态地控制所述起动机逆变器以响应于所述期望的起动曲线来控制所述电动机旋转所述内燃发动机的所述可旋转构件；以及
控制所述电动机感应负扭矩以响应于所述期望的起动曲线来控制所述内燃发动机的所述可旋转构件的旋转，从而防止在所述发动机起动事件期间发生发动机转速突变事件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，动态地控制所述起动机逆变器包括执行闭环控制例程以动态地控制所述起动机逆变器，以基于所述电动机的所述转子的转速，响应于所述期望的起动曲线来控制所述电动机旋转所述内燃发动机的所述可旋转构件。
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