CN111622913A - 生成活塞冲程速度和长度信号的可变排量往复活塞单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可变排量往复活塞单元，以改善活塞单元性能。可变排量往复活塞单元包括处理单元、传感器探头和目标。处理单元配置为：从传感器探头接收信号，当目标从在传感器探头处存在移动到在传感器探头处不存在时，信号允许测量第一时间戳，当目标从在传感器探头处不存在移动到在传感器探头处存在时，信号允许测量第二时间戳；通过将第一函数应用于所述第一时间戳中的至少两个时间戳或所述第二时间戳中的至少两个时间戳来确定活塞的周期性；通过将由第一时间戳和第二时间戳生成的目标脉冲持续时间与周期性进行比较，确定目标占空比；并且根据周期性和目标占空比生成指示冲程速度和冲程长度的信号。

Description

生成活塞冲程速度和长度信号的可变排量往复活塞单元
技术领域
本申请涉及改进的可变排量往复活塞单元，其以低等待时间生成指示当前活塞冲程速度和活塞冲程长度的信号。
背景技术
在下文中，将在可变排量压缩机的背景下描述可变排量往复活塞单元。然而，这仅是本发明的背景的示例。对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可应用于任何可变排量往复式活塞单元、机器和/或集合体，例如可变排量压缩机或泵。
美国专利公开US 6,991,435B2涉及一种可变排量压缩机，其包括处理单元，该处理单元基于传感器的输出信号来估计斜盘的倾斜角。
发明内容
本发明的目的是在车辆操作中提高效率、减少燃料消耗并减少废气排放。本发明的另一目的包括提高车辆空调操作的安全性并提高空调压缩机的操作可靠性。另一个目的是提高精度并减少压缩机扭矩计算的等待时间。另一个目的是提供压缩机操作的附加监测能力。另一个目的是提高精度，并减少压缩机活塞冲程长度反馈的延迟，并改善压缩机活塞往复频率的反馈。
本发明的目的通过权利要求1的主题解决。
特别地，这些目的由一种可变排量往复活塞单元解决，例如压缩机或泵，其用于生成指示活塞冲程速度(往复频率)和活塞冲程长度的信号，该可变排量往复活塞单元包括至少一个处理单元、至少一个传感器探头、至少一个目标，活塞具有上止点(TDC)和下止点(BDC)，并且，所述至少一个处理单元配置为从传感器探头接收信号，当目标相对于传感器探头移动时，传感器探头指示目标的存在和/或不存在，当目标从在传感器探头处存在移动到在传感器探头处不存在时，信号允许测量第一时间戳(时间可以在信号的边沿或侧面测量)，且当目标从在传感器探头不存在移动到在传感器探头处存在时，信号允许测量第二时间戳；通过将第一函数应用于第一时间戳中的至少两个时间戳或第二时间戳中的至少两个来确定周期性(即，在两个边沿和/或两个侧面之间)；周期性可以与活塞的时间周期或往复频率相关。第一时间戳可以对应于信号的上升沿，且第二时间戳可以对应于信号的下降沿(侧面)。第一时间戳可以对应于信号的下降沿(侧面)且第二时间戳可以对应于信号的上升沿，通过将由第一时间戳中的至少一个时间戳和第二时间戳中的至少一个时间戳生成的目标脉冲持续时间与时间周期进行比较，来确定目标占空比；并且，根据时间周期和目标占空比生成指示冲程速度(或冲程频率)和冲程长度的信号，其中传感器探头、目标和活塞相对于彼此定位，使得当活塞朝向上止点(TDC)位置行进时，目标从在传感器探头处不存在移动到在传感器探头处存在，且使得当活塞朝向下止点(BDC)位置行进时，目标从在传感器探头处存在移动到在传感器探头处不存在；
本发明的优点包括更快和明显更准确的活塞运动反馈。更快，更准确的活塞运动反馈可通过提高斜盘角度控制的速度(尤其是通过启用新型的压缩机控制)来提高车辆效率并减少燃料消耗和废气排放。通常通过调节压缩机中的压力差来控制斜盘角度，从而控制活塞冲程长度。以前的压缩机设计包括“泄气孔”。泄气孔导致压缩的制冷剂从压缩机的曲轴箱室流回吸气室，从而增加了能耗和温度。本发明允许减少或关闭泄气孔。关闭或减少泄气孔会导致对斜盘控制的更严格要求。在没有泄气孔的情况下，对斜盘运动做出非常快速的反应至关重要。使用本发明的信号，可以将不稳定的斜盘稳定在控制回路中，特别是可以直接从信号计算或从信号得出的活塞冲程长度，从而可以进行更精确的控制。
本发明还允许分别使用活塞速度或压缩机速度来改善压缩机控制，该活塞速度或压缩机速度可以直接从传感器信号计算出，以便对任何压缩机速度变化非常快速地作出反应。
此外，本发明还允许利用信号(例如来自吸气室压力传感器的信号)根据直接活塞速度和冲程长度直接计算出压缩机的质量流量。
本发明还可用于计算除活塞冲程速度和活塞冲程长度之外的附加物理值。这些可以包括排量速率、间隙容积效率、压缩机的功、摩擦系数(活塞与气缸)、制冷剂质量流量等。这些计算可能需要其他传感器信息。
为了获得最高精度的质量流量计算，除了活塞速度、活塞冲程和吸气压力外，还可以包括指示排气压力、吸气温度和排气温度数字的值。在输入更多的传感器值的情况下，质量流量计算的准确性进一步提高。
因此，可以通过调节斜盘角度直到获得所需的质量流量来实现压缩机的所需的质量流量。使用本发明还可以更快、更准确地计算出实际压缩机扭矩。可以将更快且更准确的实际压缩机扭矩计算输入发动机控制单元，以使车辆操作更高效、更平滑。
本发明通过允许对压缩机操作的附加和直接监测来提高车辆空调操作的安全性和空调压缩机的操作可靠性。如果超出了压缩机的速度和/或负载，则可以采取适当的措施(例如向用户发出警告信号和/或降低压缩机的负载和/或关闭压缩机)。可以将活塞速度的附加信号与发动机速度和/或压缩机转子角速度的独立信号进行比较，以直接监测压缩机故障，例如压缩机锁死、压缩机或液体滞留(气缸孔中的液体压缩)。皮带的打滑可以用本发明检测。
本发明还允许精确地测量例如活塞裙的材料厚度，因此可以及早检测到活塞磨损，从而增加了空调压缩机的操作可靠性。
更加准确和快速的活塞数据运行更快地反馈到空调控制系统，从而实现更精确的空调控制，从而进一步降低能耗并提高乘客的舒适度，例如在测量高峰值扭矩的情况下。在这种情况下，本发明允许减小压缩机扭矩。
有助于本发明的目的的一个特征是允许处理单元测量时间戳的传感器和目标，在该时间戳期间，活塞以预定距离位于冲程的一部分中。通过提取目标的边缘移动经过传感器探头时的时间戳，可以得出活塞速度和活塞冲程长度。
活塞的周期性可以从第一时间戳中的至少两个时间戳的时间差异(两个“下降”侧面之间的时间差异)或第二时间戳中的至少两个时间戳的时间差异(两个“上升”沿之间的时间差异)得出。周期性也可以通过对第一和/或第二时间戳指标的每n个时间戳(例如每三个时间戳)进行测量得出。然后，将时间差异适当地除以间隔数的数量，以在测得的时间间隔内到达周期性。周期性优选地用时间单位表示，但是也可以用一个随时间的单位(频率)来表示，并有相应的计算修正。
通过这种方式，周期性(即，活塞/斜盘/压缩机的往复运动/旋转时间)可以根据信号的第一上升沿与第二上升沿或第一下降沿与第二下降沿之间的时间差异来计算，以指示目标的存在或不存在。
目标占空比可以通过以下方式得出，将目标脉冲持续时间与周期性进行比较，优选将目标脉冲持续时间除以周期性，目标脉冲持续时间通常由测量第一时间戳中的一个或多个时间戳与第二时间戳中的一个或多个时间戳之间的时间来得出(“上升”和“下降”之间的时间，或“下降”和“上升”之间的时间)。通过将脉冲持续时间除以周期性，可以得出独立于冲程速度的目标占空比。
目标占空比对应于在整个活塞冲程的时间内，目标在传感器探头处出现的时间量。由于目标存在于传感器探头处的时间加上目标不存在于传感器探头处的时间等于整个冲程的时间，目标占空比也可以定义为，在整个活塞冲程的时间内，目标不存在于传感器探头处的时间，并有相应的计算调整。
活塞冲程往复时间可以表示为频率。
Figure BDA0002393505980000041
其中Trec是活塞往复时间，frec是活塞冲程往复频率。
活塞冲程长度可以表示为目标占空比，或可以通过将占空比转换为冲程长度而从目标占空比得出。
可以针对非正弦的活塞运动调整活塞冲程长度(对于针对冲程长度，或者针对某些冲程长度，例如针对更长的冲程长度)。还可针对特定的斜盘活塞连接设计和活塞运动中的滞后来调整活塞冲程长度。
在一个实施例中，校准目标由目标位置中的载流量的变化和/或活塞形貌的变化指示，且载流量的变化可以是由于形貌的变化。且形貌的变化可以是以下中的一个或多个：活塞中的气隙、活塞中的凹部、活塞上的凹槽、活塞的斜坡或边缘，或者活塞中的孔或活塞的孔。载流量的变化可以是由于活塞的目标区域中的特定材料。特定材料可以是铜、铝和/或硬灌封或任何其他合适的材料。传感器探头进一步优选地附接到压缩机的外壳。优点包括减少制造成本的设计。
在一个实施例中，目标区域具有凸形形貌，呈弓形，和/或以拱形方式设计，和/或目标区域的形貌补偿活塞的轴向旋转运动，和/或传感器探头和目标之间的气隙基本上与某些活塞轴向旋转无关，例如小活塞轴向旋转，例如未旋转和/或初始活塞位置的±3°内的活塞轴向旋转。
旋转可以是活塞的轻微初始旋转错位、操作期间的旋转变化，和/或随着时间的轴向旋转漂移，或活塞的任何其他旋转运动。
该实施例的另一个优点是，传感器探头和目标之间的气隙较少地依赖于(或基本独立于)一些或全部活塞轴向旋转运动，这可以允许活塞旋转的变化，而基本上不影响从传感器探头接收到的传感器信号。该实施例的另一优点可以是，增加活塞冲程速度和冲程长度指示的稳健性(robustness)，和/或增加零件制造和/或组装期间的公差。
也可以在不修改的情况下使用活塞。例如，可以使用靠近活塞边缘的斜坡，或使用边缘本身或其他活塞几何形状。活塞裙的端部和/或活塞的底部可用作目标。在这种情况下，可能必须调整传感器探头位置。传感器探头优选定位为使其在上止点活塞位置处在目标上或接近目标，而在下止点活塞位置处不在目标上。
在一个实施例中，传感器可以包括传感器探头和处理单元。传感器可以是涡流传感器。指示目标的存在和不存在的信号可以直接测量，例如通过测量传感器线圈的阻抗或电流，或者信号的电压或频率值，或者可以对谐振电路中的谐振频率进行解调而得出/生成，或者通过测量受感应涡流影响的发射信号和接收信号之间的相移。
传感器也可以是霍尔效应传感器。霍尔效应传感器可以用磁体偏置，或者目标可以是铁磁的，以便从传感器探头确定目标的存在和不存在。
作为涡流传感器的传感器的优点包括无接触式接近测量，该测量对传感器和目标之间的间隙中的材料(非导电的)基本不敏感。依靠频率调制的优点包括目标检测的改善的温度独立性。为了提高测量的准确性，可以将数字和/或模拟滤波器应用于信号。目标可以是活塞上的位置并且与活塞的其他部分相比增加和/或抑制涡流，从而允许检测到目标的存在/不存在。
可以使用任何活塞形貌，其在活塞移动时导致传感器探头和活塞之间的气隙和/或材料厚度和/或材料种类变化，以指示目标的存在和不存在。
对于使用涡流传感器，取决于活塞材料中电磁场的穿透深度，不仅气隙很重要，材料厚度也很重要。例如，可以用电流样本检测到薄的活塞壳体，并且任何足够的材料厚度变化都可以用作目标的触发器。活塞的导电率也可以局部改变，以减小涡流强度或防止涡流流动。添加凹槽或改变活塞的厚度会改变载流量，并且可以用作目标，并由涡流传感器指示。将凹槽用作局部涡流阻塞会导致显著的传感器探头的灵敏度，但也会削弱活塞的机械稳定性。
与活塞的非目标部分相比，凹槽可以用较小或较高的导电率的材料填充。如果活塞由铝制成，则目标可以是铜或“硬”灌封。可以使用材料的任意组合或不同的载流量。
为了防止涡流流动，可以在活塞上形成小凹槽或孔，例如通过机器限定的小凹槽或在活塞的目标区域中钻小孔。通过在活塞上加工线或在活塞中钻小孔，与带有一个大的凹槽的活塞相比，活塞的机械强度得到了显著提高。可以使用在活塞目标区域上的任何修改，与活塞的其余部分相比，该修改会改变涡流强度。
在一个实施例中，传感器探头包括一个或多个传感器线圈，优选地，线筒上的至少一个扁平缠绕线圈和/或线筒上的一层或多层的至少一个扁平线圈。优点包括准确度和制造成本之间的良好折衷。
在一个实施例中，传感器线圈具有发射线圈和接收线圈，它们是缠绕线圈或优选是不同层上的PCB线圈，且传感器信号在接收线圈中感应处，并处理电压、电流、频率或相移以形成经处理的信号。
在一个实施例中，传感器定位为使得传感器探头指示目标在靠近上止点(TDC)位置的存在，并且传感器优选地被同时定位为使得传感器探头指示目标在下止点(BDC)位置的不存在。
位置允许导出目标占空比，而与活塞冲程长度无关，因此可以在所有冲程长度操作中从占空比计算冲程长度。
冲程长度的计算可以与活塞(和压缩机)速度无关。
在一个实施例中，使用映射从目标占空比得出冲程长度，该映射将目标占空比转换和/或线性化为冲程长度。映射优选地包括一个或多个函数关系，例如包括一个或多个多项式函数、一个或多个三角函数或一个或多个查找表的关系。函数关系可以存储在一个或多个查找表中。
可以通过在目标占空比值(例如两个或多个连续的目标占空比值)之间进行插值来得出活塞冲程长度，以便计算出相应的活塞冲程长度。可以从查找表取回目标占空比值。插值可以具有阶(例如n阶)，比如一阶，优选地二阶，或更优选地三阶。
在一个实施例中，可变排量往复活塞单元，优选地是活塞，包括校准目标，其优选地不同于目标，并且优选地与目标一致。当活塞(和校准目标)移动经过传感器探头时，传感器探头可以指示校准目标的存在和不存在，从而优选生成校准占空比。
解决的问题包括目标位置和传感器探头位置之间在活塞运动方向(x方向)上的公差会影响根据占空比计算活塞冲程长度的准确度。
处理单元可以进一步配置为使用指示校准目标的存在的信号来校准从目标占空比生成的冲程长度。
校准可以包括对将目标占空比转换为冲程长度的映射应用校准因子。
这种改进可以消除或减少对活塞冲程的生产变化和/或使用影响。这种改进还可以通过降低制造公差要求来降低制造成本，从而降低生产成本。尤其是随着时间的推移，这进一步提高了活塞冲程长度检测的指示的准确性，因为该检测可以在运行期间自动地进行校准。
此外，由于设计原因，冲程长度的计算对下部区域中的占空比变化更为敏感。该实施例可以用于增加高冲程长度区域中的准确度。
在一个实施例中，校准生成的冲程长度的步骤包括，从当校准目标从不存在于传感器探头移动到存在于传感器探头时(下降沿)和/或当校准目标从存在于传感器探头移动到不存在于传感器探头时(上升沿)测量的校准时间戳生成校准占空比。校准时间戳可以与第一和/或第二时间戳比较以得出校准占空比，优选使用以下关系：
Figure BDA0002393505980000071
其中，DCcal是校准占空比，t1和t4是所述目标信号的两个上升或下降沿，且t2是所述校准目标的上升或下降沿。
在一个实施例中，校准生成的冲程长度的步骤包括，用校正因子或校正函数校正目标占空比，校正因子或函数从当前校准占空比和当前目标占空比、以及校准占空比和目标占空比之间的预存储的准确相关性得出。校正因子可以应用于将目标占空比转换为冲程长度的映射。
在一个实施例中，校准生成的冲程长度的步骤在活塞冲程长度高于传感器探头指示校准目标的存在所需的最小冲程长度时执行，例如在压缩机和/或车辆生产线末端测试期间或正常操作期间，例如以一定的时间间隔，在车辆启动时，或当冲程长度高于最小校准冲程长度时连续的。
在一个实施例中，指示校准目标的存在的传感器探头所需的最小冲程长度可以是最大冲程长度的2/3，这取决于传感器探头和校准目标的位置。
在一个实施例中，校准目标由目标位置中的载流量的变化和/或活塞形貌的变化指示，且载流量的变化可以是由于形貌的变化。形貌的变化可以包括：活塞中的气隙、活塞中的凹部、活塞中的孔或活塞的孔、活塞上的凹槽、活塞的斜坡或边缘。位于活塞裙上的油槽可以用作校准目标。该改进允许涡流传感器用于指示目标的存在或不存在。通过使用油槽作为校准目标，无需对活塞进行另外的调整，从而避免另外的活塞机加工。
在一个实施例中，尽管使用相同的传感器探头，指示校准目标的存在的信号与指示主目标的存在的信号可区分。可使用未校准的活塞冲程信息来区分信号，例如活塞速度和/或活塞冲程长度和/或校准和目标存在持续时间的差异。
即，如果已知未校准的传感器的最大可能误差，则不同的凹槽可以通过未校准的默认活塞冲程信息用它们在活塞上的位置来识别。例如，如果最大误差是例如±5mm，则活塞位置处的高于例如15mm的频率变化必然属于校准目标。
该区分还可以基于两个校准目标频率变化(下降)之间的时间与主目标频率下降和校准频率下降之间的时间相比的差异。
差异还可以基于目标和校准目标之间的频率变化(下降)的差异。该差异可以是由于当目标和校准目标相对于传感器探头移动时，导致不同的感应涡流的形貌和/或材料的差异。
主凹槽和校准凹槽之间的区别确保了正常操作模式不受校准凹槽的影响。
在一个实施例中，生成指示冲程速度和冲程长度的信号的步骤包括目标占空比的线性化。为了提高线性化准确度，目标占空比可以由以下等式得出：
Figure BDA0002393505980000081
该等式可以对应于脉冲宽度开启时间(420到410)和脉冲宽度关闭时间(410到420)的检测之间的比较，其中脉冲宽度ON_time是传感器探头(130)指示目标的存在的持续时间，OFF_time是传感器探头(130)指示目标的不存在的持续时间，Period是ON_time和OFF_time时间的总和。该等式允许更好的线性度，因此可以更好地拟合函数。
附图说明
在下文中，参考附图描述本发明的实施例，其中
图1示出了在短冲程长度操作中根据本发明的一个实施例的可变排量压缩机。
图2示出了在长冲程长度操作中根据本发明的一个实施例的可变排量压缩机。
图3是示出了传感器探头、处理单元和信号输出的框图。
图4示意性地示出了允许从谐振信号的频率解调提取目标的不存在和存在的信号。
图5示出了根据本发明的一个实施例的用于生成信号的方法的步骤。
图6示出了谐振频率信号，其作为距上止点(TDC)的活塞距离的函数。
图7示出了描绘三个不同的冲程长度操作中的活塞运动的曲线图。
图8示出了随活塞速度增加的与图7相同的信息。
图9示出了理想位置和由于公差而偏移的传感器线圈的位置。
图10示出了检测校准目标的传感器探头的最小冲程长度。
图11示出了谐振频率，其作为3000RPM下的斜盘的两转期间的时间的函数。
图12示出了与图11相同的配置，其中公差已经以时间偏移形式的误差被引入。
图13示出了根据本发明的一个实施例的用于控制汽车中的温度的示例性系统。
具体实施方式
图1描绘了在减小的冲程长度操作170中的可变排量压缩机100，其用于生成如本文所述的指示冲程速度和冲程长度的信号。可变排量压缩机包括活塞110、传感器探头130和目标140。压缩机还可以包括斜盘120、校准目标150和外壳160。处理单元(未示出)可以是传感器探头的部分、控制器的部分、或者压缩机或分离部件的部分。处理单元可以实现为专用处理单元，或者是通用车辆控制器的模块，例如压缩机控制单元和/或加热通风和空气调节(HVAC)系统或发动机控制单元的一部分。
图2描绘了在增加的冲程长度操作180中的图1的可变排量压缩机100。活塞的增加的冲程长度是由于增加的斜盘角度125。
图3描绘了示出本发明的一个实施例的概览的框图。包括传感器线圈135的谐振电路210生成指示目标140(以及可选的校准目标150)的存在和不存在的信号。该指示可以借助于信号中的频率变化，其取决于目标是否存在。位于解调电路230中的FM解调220可以解调谐振信号以生成指示目标140的存在和不存在的信号。根据目标140的不存在和存在，可以如本文所述计算活塞冲程长度240和活塞速度250。活塞的冲程长度240之后可以是活塞冲程长度260的线性化。活塞速度270的线性化之后可以是活塞速度250，之后是计算活塞冲程长度和活塞速度。
传感器探头130可以包括两个线圈，一个是发射线圈，一个是接收线圈。在这种情况下，谐振电路可以包括发射电路和接收电路。在这种情况下，例如通过比较发送信号和接收信号之间的相移来处理接收线圈接收到的信号。
速度和冲程传感器输出信号635优选为(但不限于)PWM、SENT、LIN、PSI5或CAN输出。
图4描绘了解调的信号450和谐振信号460。解调的信号450可以用于指示目标的存在和不存在。在传感器是涡流传感器的情况下，可以从频率(诸如谐振信号460的频率)的FM解调生成解调信号450，其中谐振信号460的频率可以对涡流传感器线圈135的由于目标的不存在或存在而产生的阻抗的变化敏感。第一信号450也可以通过其他方式生成，例如通过解码来自传感器探头130的信号。阻抗变化也可以是由于传感器探头和活塞之间气隙变化。
图4的430部分所示的频率增加可能是由于活塞中的涡流产生相反的磁场而导致谐振电路中电感减小的结果。较低频率部分440可能是由于目标(诸如活塞中的间隙)所产生的电感增加。
图5描绘了用于生成指示活塞的冲程速度和冲程长度的信号的步骤。处理单元提供谐振频率电路，并从谐振电路接收谐振频率信号460。在可选步骤305中，谐振频率信号460可以被解调为解调信号450。
在步骤310中，当目标140相对于传感器探头130移动时，解调信号450指示目标140的存在440和/或不存在430，当目标140从在传感器探头130处存在440移动到在传感器探头130处不存在430时，传感器探头130允许此时测量第一时间戳410(例如上升沿)，且当目标140从在传感器探头130处不存在430移动到在传感器探头130处存在440时，传感器探头130允许第二次测量第二时间戳420(例如下降沿)。该步骤还包括以下步骤，通过将第一函数应用于第一时间戳410中的至少两个时间戳或第二时间戳420中的至少两个时间戳来确定320活塞110的周期性。该步骤还包括通过将由第一时间戳410中的至少一个时间戳和第二时间戳420中的至少一个时间戳生成的目标脉冲持续时间与周期性进行比较，来确定330目标占空比。该步骤还包括根据周期性和目标占空比生成340信号，其指示冲程速度和冲程长度。
图6描绘了在最大冲程长度操作中相对于上止点(TDC)710的不同活塞位置处的谐振回路中的谐振频率。接近TDC，谐振频率较低，指示目标140的存在。在TDC上方，谐振频率增加，指示目标140的不存在。在距TDC一定距离处，谐振频率在720处再次下降，指示校准目标150的存在。当活塞(和校准目标)移动经过传感器探头时，谐振频率再次增加，指示校准(和主)目标的不存在。活塞最终到达下止点(BDC)730(其为该配置的最大冲程长度)。
图7绘示了示出了活塞距上止点(TDC)的位置的曲线图，作为在3000RPM下运行的时间的函数。实线510示出了活塞位置，作为在低活塞冲程长度(约4mm冲程长度)下的时间的函数。点划线520示出了活塞位置，作为在中冲程长度(约14mm冲程长度)下的时间的函数。虚线530示出了活塞位置，作为在高冲程长度(约28mm冲程长度)下的时间的函数。对于所有示出的冲程长度，活塞速度(且因此压缩机速度)相同。附图标记540示出了传感器信号450指示目标的存在440的活塞的位置。如从曲线图中可以看出，在该示例中，当活塞位于活塞上止点附近时，传感器探头指示目标的存在440。当活塞在下止点附近时，传感器探头指示目标的不存在。如从曲线图中可以看出，随着冲程长度增加，传感器信号指示目标的存在440的时间减少(且目标占空比也减小)。通过测量目标占空比的减少，可以如本文所述以高准确度和低等待时间计算目标的冲程长度。
图7还描绘了当传感器探头指示校准目标150的存在时的活塞的位置570。当传感器探头指示校准目标的存在时，活塞的位置可以靠近活塞的下止点(BDC)。校准目标可以位于任何合适的位置，例如但不限限于，在最大冲程长度下距活塞下止点1/3以内。当传感器探头指示校准目标的存在时，活塞的位置还可以确定校准占空比并如本文所述进一步用于提高活塞冲程长度的计算的准确度。
图8绘示了示出了活塞距上止点的位置的曲线图，作为在6000RPM下运行的时间的函数。如从图中可以见，占空比和活塞冲程长度的相应的计算不受压缩机速度的变化的影响。
作为时间的函数的活塞位置在图7和图8中描绘为基本上正弦曲线。只要目标时间的占空比可以映射到冲程长度，活塞的实际位置可以不是近似正弦曲线。映射可以是分析性和/或实验性的。映射还可以是分析性的，并且具有通过实验得出的校正因子。
图9描绘了理想位置S0，S1(情况a)和偏移的传感器位置S0’，S1’(情况b)。传感器位置可以由于公差偏移。目标凹槽和传感器位置之间的活塞运动方向(x方向)公差会影响从占空比计算冲程长度的准确性。公差可以由传感器零件的制造、传感器的组装、传感器与压缩机的组装、压缩机安装孔的位置公差等引起。
情况a)示出了示例，其中活塞从s0移动到s1，即，在此配置中的最小冲程长度为0.7mm。情况a)描绘了理想位置。在这种情况下，得到的占空比为约50％。
在情况b)中，传感器线圈的中心相对于主凹槽的位置由于公差而偏移。这导致得到的占空比低得多，在该示例中约为20％。如果使用20％的不正确(偏移)的占空比来计算冲程长度，结果将是错误的冲程长度。
因此，描述一种校准程序，其无需任何昂贵的参考活塞冲程传感器即可应用，即通过在活塞上使用第二个目标(校准目标)。目标可以是第二凹槽，例如已经位于活塞上的油槽，而不需要进一步修改活塞。
图10描绘了检测校准目标的传感器探头的最小冲程长度。活塞冲程需要足够大以使得传感器探头能够检测校准凹槽150的第一边缘，例如，从上止点S0行进到校准目标检测S2。
如图10所示，可以在活塞冲程足够大以使传感器探头指示校准目标时随时进行校准。进行校准的合适时间包括在压缩机生产线末端测试期间或在车辆生产线末端测试期间。也可以在车辆操作期间(例如，以一定间隔)或在车辆或压缩机启动时进行校准。
图11示出了谐振频率，其作为在3000RPM下旋转的斜盘的两转期间的时间的函数。图11还示出了两个校准频率下降之间的时间(Δt1)以及主目标频率下降和校准频率下降之间的时间(Δt2)。
例如，如果已知在最大冲程长度下进行校准，则此信息可用于区分指示校准目标的下降和主要目标。信号将指示每转四个下降。由于已知两个校准频率下降之间的时间(Δt1)短于主目标频率下降和校准频率下降之间的时间(Δt2)，这可以用来区分主目标下降和校准目标下降。
从校准下降识别主目标下降可以通过以下方式完成，例如，通过识别校准凹槽的凹槽深度(且因此频率下降)小于传感器凹槽的深度。频率下降可以是由于校准目标的不同形状或材料。可以检测到频率下降的差异，以识别频率下降是来自主目标还是来自校准目标。
图12示出了与图11相同的配置，其中公差已经以时间偏移(Δterror)形式的误差被引入，如相对于情况b)在图9下描述的。图9中描述的情况b)导致正确的频率信号(实线，图12)，其修改为公差影响的频率信号(点划线)，且导致计算出的不正确的目标占空比。
冲程往复时间(T＝t4-t1)不变，但脉冲宽度时间(ON time)减少(t3-t1)，导致不正确的占空比以及由此的不正确的冲程长度计算。
公差影响的目标占空比可以如下式计算：
Figure BDA0002393505980000131
通过使用指示校准目标的信号，可以校正不正确的占空比。
指示校准目标的信号可以用于计算校准占空比。校准占空比可以独立于轴线公差(传感器凹槽的上升沿(t1)和校准凹槽的下降沿(t2)之间的时间差异独立于轴向公差)。校准占空比可限定为：
Figure BDA0002393505980000132
如从等式中可见，信号的时间偏移可以彼此抵消，且校准占空比独立于活塞运动检测中的公差。类似于目标占空比，校准占空比也独立于压缩机RPM。
用于一个或多个给定的校准占空比的校正目标占空比是预定的。该关系可以存储为算法或查找表，可以根据活塞的几何形状进行计算，也可以使用参考冲程传感器进行测量，自动存储且可以用于所有相同类型的压缩机。使用校准占空比和目标占空比之间的一个或多个已知相关性，可以执行一个或多个点校正。
示例
从(一次)参考测量，已知75％的校准占空比对应于26mm活塞冲程长度，且在该冲程下，目标占空比应为70％。
但是，由于轴向公差，测得的目标占空比仅为68％，意味着2％的误差。利用这一知识，可以通过将校正因子应用于目标占空比(例如，校准完整的查找表和/或映射)来进行单点校准，以便将计算调整为70％的正确输出值。替代地，可以在传感器输出的线性化之后完成单点校准。
图13描绘了用于调节可变排量压缩机的冷却(或加热)能力的系统。该系统可以包括压缩机605、信号处理单元610、压缩机控制器615以及加热通风和空调单元(HVAC单元)620。系统还可包括传感器信号630、速度和冲程信号635、附加传感器信号640(例如压缩机吸气部分中的压力或压缩机的曲轴箱中的压力)、斜盘角度调节信号650、压缩机控制信号660和HVAC输入信号670。压缩机605可以由压缩机转子角速度680驱动。
压缩机控制器615可以接收压缩机控制信号660，其具有要求的压缩机性能(例如，要求的活塞冲程长度、要求的斜盘角度、要求的制冷剂质量流量、要求的吸气压力和/或要求的蒸发器出口空气温度，和/或要求的压缩机扭矩)。
为了高效且准确地达到要求的压缩机性能，控制器从信号处理单元610读取速度和冲程信号635，其中基于传感器信号630如本文所述以高准确度和低等待时间计算或得出活塞冲程长度和速度。使用速度和冲程信号635，压缩机控制器615可以影响斜盘角度调节信号650以增加或减小斜盘角度以达到要求的压缩机性能。
在外部控制信号670指示所需的活塞冲程长度的情况下，斜盘角度调节信号650受到影响，直到读取的活塞冲程长度对应于所请求的活塞冲程长度。在外部控制信号670指示期望的斜盘角度的情况下，在将实际值和期望值进行比较之前，可以将期望的斜盘角度转换为相应的活塞冲程长度(或将活塞冲程长度信号转换为斜盘角度)。
在外部控制信号670指示吸气压力或蒸发器出口空气温度的情况下，压缩机控制器615可以使用附加的传感器信号640，以生成适当的斜盘角度调整信号650。压缩机控制器可以读取附加的传感器信号640，例如包括压缩机和/或制冷循环吸气压力和曲轴箱压力以及压缩机速度。
在外部控制信号67指示所需的压缩机质量流量的情况下，则可以通过活塞速度、活塞冲程长度，和/或附加的传感器信号640(例如吸力压力信号和/或蒸发器压力信号)来计算对当前压缩机质量流量的调整。
HVAC单元620可以接收HVAC输入信号670(诸如指示当前吸气压力、蒸发器出口空气温度、压缩机扭矩、压缩机速度，和/或车厢空气温度)以生成压缩机控制信号660。信号值可以直接测量或根据信号值计算和/或估计。HVAC可以是单独的处理单元(例如HVAC ECU)，也可以是发动机处理单元(例如发动机ECU)的一部分，或者是其他车辆处理器单元的一部分。
压缩机控制器615可以与HVAC单元620位于一起，作为HVAC单元620的模块，或者位于任何其他合适的位置中。压缩机控制器615可以物理上是压缩机605的一部分，或者是分离的但可操作地连接到压缩机。
信号处理单元610可以位于压缩机605上，其中压缩机控制器615(例如集成在压缩机控制器615中)是压缩机控制器615的模块，或者分离的，但可操作地连接到压缩机和/或压缩机控制器615和/或HVAC单元620。信号处理单元610可以是传感器外壳的一部分(例如集成在传感器外壳中)。处理单元也可以集成到HVAC单元中。
附图标记
100 可变排量压缩机
110 活塞
120 斜盘
125 斜盘角度
130 传感器探头
135 传感器线圈
140 主目标
150 校准目标
160 压缩机外壳
170 减小的冲程长度
180 增加的冲程长度
210 谐振电流
220 FM解调
230 信号评估和/或转换电路
240 活塞冲程长度
250 活塞冲程速度
260 活塞冲程长度的线性化
270 活塞冲程速度的线性化
305 可选的解调步骤
310 接收第一信号
320 确定周期性
330 确定占空比
340 生成速度和冲程信号
410 第一时间戳
420 第二时间戳
430 目标不存在
440 目标存在
450 经处理的传感器信号
460 谐振信号
510 实线；低冲程长度
520 点划线；中冲程长度
530 虚线；高冲程长度
540 目标位置
570 校准目标位置
605 压缩机
610 信号处理单元
615 压缩机控制器
620 加热通风和空气调节(HVAC)系统
630 传感器信号
635 速度和冲程信号
640 附加的传感器信号
650 斜盘角度调节信号
660 压缩机控制信号
670 HVAC输入信号
680 转子角速度
710 上止点(TDC)处的频率
720 活塞经过校准目标
730 下止点(BDC)处的频率

Claims (16)

1.一种可变排量往复活塞单元(100)，用于生成信号(635)，所述信号指示至少一个活塞(110)的活塞冲程速度和冲程长度，所述可变排量往复活塞单元(100)包括至少一个处理单元(610)、至少一个传感器探头(130)和至少一个目标(140)，所述活塞(110)具有上止点位置(TDC)和下止点位置(BDC)，所述处理单元配置为：
从所述传感器探头(130)接收(310)信号，所述传感器探头(130)在所述目标(140)相对于所述传感器探头(130)移动时指示所述目标(140)的存在(440)和/或不存在(430)，当所述目标(140)从在所述传感器探头(130)处存在(440)移动到在所述传感器探头(130)处不存在(430)时，所述信号允许测量第一时间戳(410)，且当所述目标(140)从在所述传感器探头(130)处不存在(430)移动到在所述传感器探头(130)处存在(440)时，所述信号允许测量第二时间戳(420)；
通过将第一函数应用于所述第一时间戳(410)中的至少两个时间戳或所述第二时间戳(420)中的至少两个时间戳来确定(320)所述活塞(110)的周期性；
通过将由所述第一时间戳(410)中的至少一个时间戳和所述第二时间戳(420)中的至少一个时间戳生成的目标脉冲持续时间与所述周期性比较，确定(330)目标占空比；以及
根据所述周期性和所述目标占空比生成(340)指示所述冲程速度和所述冲程长度的信号(635)，
其中，所述传感器探头(130)、所述目标(140)和所述活塞(110)相对于彼此定位，使得当所述活塞(110)朝向所述上止点位置行进时，所述目标(140)从在所述传感器探头(130)处不存在(430)移动到在所述传感器探头(130)处存在，且当所述活塞(110)朝向所述下止点位置行进时，所述目标(140)从在所述传感器探头(130)处存在(440)移动到在所述传感器探头(130)处不存在(430)；以及
其中，所述目标(140)可以是目标区域。
2.如权利要求1所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述目标(140)由所述目标的位置中的载流量的变化和/或活塞形貌的变化指示，其中，所述形貌的变化优选地包括以下中的一个或多个：
所述活塞中的气隙，
所述活塞中的凹部，
所述活塞上的凹槽，
所述活塞的斜坡或边缘，或
所述活塞中的孔或所述活塞的孔，和/或
所述载流量的变化可以是由于用于所述目标区域的目标材料的导电率不同于所述活塞的材料，其中，所述目标材料可以是铜或硬灌封，和/或
所述载流量的变化可以是由于所述活塞形貌的变化。
3.如权利要求1或2所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述目标区域具有凸形形貌，呈弓形，和/或以拱形方式设计，和/或
所述目标区域的形貌补偿所述活塞的轴向旋转运动，和/或
所述传感器探头和所述目标之间的气隙基本上与某些活塞轴向旋转无关，例如小活塞轴向旋转，例如未旋转和/或初始活塞位置的±3°内的活塞轴向旋转。
4.如前述权利要求中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，包括所述传感器探头(130)和所述处理单元(610)的传感器为涡流传感器；和/或
其中，所述传感器探头(130)的信号，例如电压、电流、频率或相移被直接测量(460)，或从解调和/或信号处理(450)得出。
5.如权利要求4所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述传感器探头(130)包括至少一个传感器线圈(135)，并且，所述传感器线圈(135)优选地是线筒上的扁平缠绕线圈和/或PCB上的一层或多层的扁平线圈。
6.如权利要求5所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述传感器线圈(135)具有发射线圈和接收线圈，它们是缠绕线圈或优选地是不同层上的PCB线圈，和/或
其中，所述传感器信号(460)在所述接收线圈中感应出，且处理电压、电流、频率或相移以产生所述信号(450)。
7.如前述权利要求中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述传感器探头(130)定位为使得所述传感器指示所述目标在上止点位置中存在，且
所述传感器探头(130)优选定位为使得所述传感器指示所述目标在下止点位置中不存在。
8.如前述权利要求中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，将目标占空比转换和/或线性化为冲程长度的映射用于从所述目标占空比得出所述冲程长度；
其中，所述映射优选地包括至少一个函数关系，例如包括至少一个多项式函数的关系，和/或至少一个三角函数，和/或查找表；并且
其中，至少一个函数关系优选地存储在查找表中。
9.如前述权利要求中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述可变排量往复活塞单元(100)还包括校准目标(150)，当所述校准目标(150)相对于所述传感器探头(130)移动时，所述传感器探头(130)指示所述校准目标(150)的存在和不存在；并且
其中，所述处理单元还配置为使用所述校准目标(150)的存在的指示校准所述活塞的生成的冲程长度；以及
其中，所述校准目标(150)优选地位于所述活塞上。
10.如权利要求9所述的可变排量往复活塞单元，
其中，校准所述生成的冲程长度的步骤包括，从当所述校准目标(150)从不存在于所述传感器探头(130)处移动到存在于所述传感器探头(130)处时，或当所述校准目标(150)从存在于所述传感器探头(130)处移动到不存在于所述传感器探头(130)处时测量的校准时间戳生成校准占空比，并且
其中，所述校准时间戳优选地与所述第一和/或第二时间戳比较以得出校准占空，优选地使用以下关系：
Figure FDA0002393505970000031
其中，DCcal是所述校准占空，t1和t4是所述目标信号的两个上升或下降沿，且t2是所述校准目标的上升或下降沿。
11.如权利要求10所述的可变排量往复活塞单元，
其中，校准所述生成的冲程长度的步骤还包括，用校正因子或校正函数校正所述目标占空比，所述校正因子或所述校正函数从所述校准占空比和所述目标占空以及所述校准占空比和所述目标占空之间的预存储的准确相关性得出，并且
其中，所述校正因子或所述校正函数优选地应用于从目标占空比转换为冲程长度的映射。
12.如权利要求9至11中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，校准所述生成的冲程长度的步骤在所述活塞冲程长度高于所述传感器探头指示所述校准目标(150)的存在所需的最小冲程长度时执行，优选地在压缩机和/或车辆生产线末端测试期间或正常操作期间，例如以一定的时间间隔或在车辆启动时。
13.如权利要求12所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述传感器指示所述校准目标(150)的存在所需的所述最小冲程长度优选地高于最大冲程长度的2/3。
14.如权利要求9至13中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述校准目标(150)由所述目标位置中的载流量的变化和/或活塞形貌的变化指示，且所述载流量的变化可以是由于所述形貌的变化；
以及
其中，所述形貌的变化优选地包括以下中的一个或多个：
所述活塞中的气隙，
所述活塞中的凹部，
所述活塞(100)上的凹槽，
所述活塞的斜坡或边缘，
所述活塞的孔；
其中，所述校准目标(150)优选地是所述活塞中的凹槽，优选是油槽。
15.如权利要求9至14中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，所述校准目标(150)的存在与所述目标(140)的存在可区分，
优选地可使用未校准的活塞冲程长度信号区分，或者
通过使用两个校准目标频率变化之间的时间与主目标频率变化和校准频率变化之间的时间相比的差异，或者
通过使用所述目标和所述校准目标之间的频率和/或相移变化的差异，其优选是由当所述目标和所述校准目标相对于所述传感器探头移动时，导致不同的感应涡流的形貌和/或材料的差异生成。
16.如前述权利要求中任一项所述的可变排量往复活塞单元，
其中，生成指示所述冲程速度和所述冲程长度的所述信号(635)的步骤包括所述目标占空的线性化，且所述目标占空比由以下等式给出：
Figure FDA0002393505970000051
其中，脉冲宽度ON_time是所述传感器探头(130)指示所述目标的存在的持续时间，OFF_time是所述传感器探头(130)指示所述目标的不存在的持续时间。
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