专利名称：电动执行装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及执行机构的控制技术领域，特别涉及一种用于变几何涡轮增压器的电 动执行装置。
背景技术：
涡轮增压器是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。涡轮增压器利用发 动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空 气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转 速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的 燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，可以增加发动机的输出功率。现有申请号为01805931. 7、申请日为2001. 3. 2的专利公开了一种电动执行装置， 如图1所示。该电动执行装置不仅需要通过速度传感器46测量涡轮增压器轴的转速、还需 要通过温度传感器和压力传感器等测量压缩机出入口、涡轮机出入口以及EGR流量控制阀 的出口的温度和压力。因此，可以看出目前的电动执行装置需要采样大量的数据、结构非常 复杂，从而导致成本非常高。另外，现有的电动执行装置中的控制单元多采用电位器作为位置反馈元件，并且 以伺服放大器作为功率放大元件进行闭环控制。由于电位器的固有缺陷，上述电动执行装 置存在易磨损、使用寿命短、耐环境能力差、零位漂移严重、结构复杂、组装困难等缺点。并 且，伺服放大器工作在线性区，功率损耗大，发热十分严重。这些问题都制约了电动执行装 置在涡轮增压器等需要耐高温、长寿命、高可靠工作性能场合的应用。

发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。特别针对现有的电动执行装置， 提出了一种改进的电动执行装置，实现对输出转角的非接触测量，避免了机械磨损和热量 传导问题，并且结构简单，便于生产和安装。为达到上述目的，本发明提出了一种电动执行装置，包括输出轴；角度测量组 件，所述角度测量组件通过非接触式方式测量所述输出轴的当前角度；控制组件，所述控制 组件与所述角度测量组件相连，所述控制组件根据所述角度测量组件检测的所述输出轴的 当前角度和待调整角度进行比较，并实时根据偏差量计算控制量以产生驱动信号；和驱动 组件，所述驱动组件与所述控制组件相连，根据所述控制组件的驱动信号驱动所述输出轴 以转动至所述待调整角度。在本发明的一个实施例中，所述角度测量组件进一步包括磁性体，所述磁性体固 定在所述输出轴上；与所述磁性体对应的磁阻传感器，所述磁阻传感器根据所述磁性体的 位置获得与所述输出轴的当前角度对应的电信号输出。在本发明的一个实施例中，所述磁阻传感器的感应方向与所述输出轴相垂直。优 选地，所述磁阻传感器为KMZ241。
在本发明的其他实施例中，所述角度测量组件还可为电容式角度传感器或感应同 步器式角度传感器。在本发明的一个实施例中，在所述角度测量组件的外周安装有导磁圈，从而使得 磁力线形成闭合回路，并隔绝外部磁场干扰，增加磁阻传感器测量精度。 在本发明的一个实施例中，所述控制组件进一步包括信号调理单元，所述信号调 理单元与所述磁阻传感器相连，所述信号调理单元对所述磁阻传感器的输出信号进行预处 理，输出与所述输出轴当前角度对应的电压信号；输入单元，所述输入单元接收来自电子控 制单元ECU的待调整角度和调整指令；计算单元，所述计算单元分别与所述信号调理单元 和输入单元相连，所述计算单元将所述输出轴当前角度和待调整角度进行比较，并实时计 算偏差控制量以输出所述偏差控制量对应的脉冲调宽信号；和脉冲调宽功率放大单元，所 述脉冲调宽功率放大单元与所述计算单元相连，所述脉冲调宽功率放大单元对所述脉冲调 宽信号进行功率放大，以得到偏差控制量对应的驱动信号。在本发明的一个实施例中，所述驱动组件包括电机，所述电机与所述控制组件相 连，在所述驱动信号的驱动下进行转动；和调整组件，所述调整组件与所述电机相连，根据 所述电机的控制驱动所述输出轴以转动至所述待调整角度。在本发明的一个实施例中，所述调整组件进一步包括第一齿轮减速器，所述第一 齿轮减速器受所述电机驱动；第二齿轮减速器，所述第二齿轮减速器与所述第一齿轮减速 器相互啮合；蜗杆，所述蜗杆与所述第二齿轮减速器同轴；和涡轮，所述涡轮与所述输出轴 同轴，所述蜗杆与所述涡轮相互啮合，通过驱动所述涡轮以使所述输出轴转动至所述待调 整角度。在本发明的一个实施例中，该电动执行装置还包括摇臂，所述摇臂被所述输出轴 所驱动。在本发明的一个实施例中，所述控制组件进一步包括过流检测和保护电路，所述 过流检测和保护电路与所述脉冲调宽功率放大单元相连，所述过流检测和保护电路进行过 流检测和保护。本发明实施例的电动执行装置具有以下优点(1)直接检测输出轴的当前角度，简化了电动执行装置的结构，降低了生产成本， 且便于安装和生产。(2)采用磁阻传感器和磁性体作为角度测量组件，两者之间没有任何机械或电气 连接，实现了输出转角的非接触测量。采用上述非接触测量方式，避免了机械磨损和热量传 导问题。并且由于非接触测量，还可以对电路板进行密封加固，这样本发明的电动执行装置 就可用在密封或隔爆要求的场景中。(3)采用电机作为动力源，无需外部气源或真空源，使用方便且驱动力矩大；采用 涡轮蜗杆减速器，使得输出轴具有自锁功能，增压器流量不变时无驱动电流消耗，更加节 能。同时，系统意外断电时不会出现阀门失控或关闭情况，更加安全可靠。(4)采用数字化单片微型计算机技术，使信号的采集、处理及实现高性能的控制算 法变得灵活可靠，可以方便地通过软件设置更改角度执行装置的实际输出转角范围及输出 特性，并可实现一些特殊的控制逻辑，满足不同控制需要。(5)本发明实施例的电动执行装置具有十分广泛的适用面，除用于变几何涡轮增
5压器流量调节控制外，还可满足汽车、矿山、化工、石油、冶金、水处理、航空航天等多种行业 对角度执行器的使用需求。并且通过摇臂连杆装置，还可将角行程运动转换为位移运动后， 还可用于拉线油门、推拉阀门等线性行程执行机构的驱动控制中。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。


本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1为现有技术的电动执行装置结构图；图2为本发明实施例的电动执行装置结构图；和图3为本发明一个实施例的电动执行装置结构图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。如图2所示，为本发明实施例的电动执行装置结构图。该电动执行装置包括输出 轴110、角度测量组件120、控制组件130和驱动组件140。其中，角度测量组件120通过非 接触式方式测量输出轴110的当前角度。这样，本发明相对于现有技术来说直接测量输出 轴110的当前角度，从而可以极大地减少电动执行装置的结构的复杂度。进一步优选地，本 发明采用非接触式的方式测量输出轴110的当前角度，从而可以避免机械磨损和热量传导 的问题，另外还可对电路板进行密封加固以适于有密封或隔爆要求的场景。在本发明的一 个实施例中，角度测量组件120可以是磁阻传感器，也可以是电容式角度传感器。当然本领 域技术人员还可选择其他角度传感器，但是基于本发明的目的，达到等同目的的其他角度 传感器均应包含在本发明的保护范围之内。控制组件130与角度测量组件120相连，控制 组件130根据角度测量组件120检测的输出轴110的当前角度和待调整角度进行比较，并 实时计算偏差控制量以产生相应的驱动信号。其中，在本发明的一个实施例中，待调整角度 由E⑶(电子控制单元)生产并发送至所述控制组件130。驱动组件140与控制组件130相 连，驱动组件140根据控制组件130的驱动信号驱动输出轴110以转动至待调整角度。为了能对本发明实施例有清楚的理解，以下将以具体实施例的方式对本发明进行 详细介绍，但是需要说明的是以下实施例仅为本发明的优选方式，并不是说本发明仅能通 过以下实施例实现，本领域技术人员根据本发明的上述思想对以下实施例做出等同的修改 或变化，这些均应包含在本发明的保护范围之内。以下实施例以磁阻传感器为例进行描述。如图3所示，为本发明一个实施例的电动执行装置结构图。该电动执行装置包括 输出轴110、输出轴110驱动的摇臂150、固定在输出轴110上的磁性体121、与磁性体121 对应的磁阻传感器122，其中，磁性体121与磁阻传感器122共同组成磁阻角度传感器，磁阻 传感器122根据磁性体121的位置输出与输出轴的当前角度对应的电信号。在本发明的一 个实施例中，磁阻传感器122的感应方向与输出轴110相垂直，对固定在输出轴110之上且
6磁场方向垂直于输出轴110的磁性体121的方向进行感应。优选地，磁阻传感器122的型 号可为KMZ241，当然本领域技术人员还可选择其他类型的磁阻传感器。优选地，在磁阻传感 器122的外周安装有导磁圈，从而使得磁力线形成闭合回路，并隔绝外部磁场干扰，提高磁 阻传感器122的测量精度和稳定性。该电动执行装置还包括与磁阻传感器122相连的信号调理单元131、输入单元 132、计算单元133和脉冲调宽功率放大单元134。其中，信号调理单元131对磁阻传感器 122的输出信号进行预处理，输出与所述输出轴当前角度对应的电压信号。输入单元132接 收来自E⑶的待调整角度和调整指令，其中关于E⑶如何计算待调整角度等问题为现有技 术在此不再赘述。计算单元133分别与信号调理单元121和输入单元132相连，计算单元 133将输出轴110的当前角度和待调整角度进行比较，并实时计算偏差控制量以输出偏差 控制量对应的脉冲调宽信号。具体地，在本发明的一个实施例中，计算单元133可采用反三 角运算解算出磁场方向与磁阻传感器122敏感基线的夹角，即执行器的输出角度。在本发 明实施例中计算单元133为集成有AD转换器的单片机，当然在其他实施例中也可采用独立 的AD转换器和单片机实现，这些均应包含在本发明的保护范围之内。脉冲调宽功率放大单 元134与计算单元133相连，脉冲调宽功率放大单元134对计算单元133输出的脉冲调宽 信号进行功率放大，以得到偏差控制量对应的驱动信号。该电动执行装置还包括受脉冲调宽功率放大单元134控制的电机141、第一齿轮 减速器142a、第二齿轮减速器142b、蜗杆142c和涡轮142d。其中，第一齿轮减速器142a受 电机141驱动。第二齿轮减速器142b与第一齿轮减速器142a相互啮合。蜗杆142c与第 二齿轮减速器142b同轴。涡轮142d与输出轴110同轴，蜗杆142c与涡轮142d相互啮合， 通过驱动涡轮142d以使输出轴110转动至待调整角度。当然在本发明的其他实施例中，还 可采用其他减速器，例如行星齿轮减速器、谐波齿轮减速器等。通过本发明使得输出轴110 具有自锁功能，因此在增压器流量不变时无驱动电流消耗，从而更加节能。同时，在系统意 外断电时不会出现发明失控或关闭的情况，从而进一步提高安全性和可靠性。并且，在驱动组件140驱动输出轴110的同时，计算单元133还可继续跟进磁阻传 感器122输出的输出轴110的当前角度信号解算出输出轴110实际转角，从而进行闭环控 制，直至输出轴110实际转角等于输入指令转角，达到使执行器输出角度跟随指令角度的 目的。在本发明的优选实施例中，该电动执行装置还包括过流检测和保护电路135，过流 检测和保护电路135分别与脉冲调宽功率放大单元134和计算单元133相连，过流检测和 保护电路135进行过流检测和保护，从而可在发生堵转、短路等故障时及时切断电机电流， 保证安全。本发明实施例的电动执行装置具有以下优点(1)直接检测输出轴的当前角度，简化了电动执行装置的结构，降低了生产成本， 且便于安装和生产。(2)采用磁阻传感器和磁性体组成角度测量组件，两者之间没有任何机械或电气 连接，实现了输出转角的非接触测量。采用上述非接触测量方式，避免了机械磨损和热量传 导问题。并且由于非接触测量，还可以对电路板进行密封加固，这样本发明的电动执行装置 就可用在密封或隔爆要求的场景中。
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(3)采用电机作为动力源，无需外部气源或真空源，使用方便且驱动力矩大；采用 涡轮蜗杆减速器，使得输出轴具有自锁功能，增压器流量不变时无驱动电流消耗，更加节 能。同时，系统意外断电时不会出现阀门失控或关闭情况，更加安全可靠。(4)采用数字化单片微型计算机技术，使信号的采集、处理及实现高性能的控制算 法变得灵活可靠，可以方便地通过软件设置更改角度执行装置的实际输出转角范围及输出 特性，并可实现一些特殊的控制逻辑，满足不同控制需要。(5)本发明实施例的电动执行装置具有十分广泛的适用面，除用于变几何涡轮增 压器流量调节控制外，还可满足汽车、矿山、化工、石油、冶金、水处理、航空航天等多种行业 对角度执行器的使用需求。并且通过摇臂连杆装置，还可将角行程运动转换为位移运动后， 还可用于拉线油门、推拉阀门等线性行程执行机构的驱动控制中。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
一种电动执行装置，其特征在于，包括输出轴；角度测量组件，所述角度测量组件通过非接触式方式测量所述输出轴的当前角度；控制组件，所述控制组件与所述角度测量组件相连，所述控制组件根据所述角度测量组件检测的所述输出轴的当前角度和待调整角度进行比较，并实时根据偏差量计算控制量以产生驱动信号；和驱动组件，所述驱动组件与所述控制组件相连，根据所述控制组件的驱动信号驱动所述输出轴以转动至所述待调整角度。
2.如权利要求1所述的电动执行装置，其特征在于，所述角度测量组件进一步包括 磁性体，所述磁性体固定在所述输出轴上；与所述磁性体对应的磁阻传感器，所述磁阻传感器根据所述磁性体的位置获得与所述 输出轴的当前角度对应的电信号输出。
3.如权利要求2所述的电动执行装置，其特征在于，所述磁阻传感器的感应方向与所 述输出轴相垂直。
4.如权利要求3所述的电动执行装置，其特征在于，所述磁阻传感器为KMZ241。
5.如权利要求1所述的电动执行装置，其特征在于，所述角度测量组件为电容式角度 传感器。
6.如权利要求1所述的电动执行装置，其特征在于，所述角度测量组件为感应同步器 式角度传感器。
7.如权利要求2所述的电动执行装置，其特征在于，在所述角度测量组件的外周安装 有导磁圈。
8.如权利要求2所述的电动执行装置，其特征在于，所述控制组件进一步包括信号调理单元，所述信号调理单元与所述磁阻传感器相连，所述信号调理单元对所述 磁阻传感器获得的所述输出轴的当前角度信号进行预处理；输入单元，所述输入单元接收来自电子控制单元ECU的待调整角度和调整指令； 计算单元，所述计算单元分别与所述信号调理单元和输入单元相连，所述计算单元将 所述输出轴当前角度和待调整角度进行比较，并实时计算偏差控制量以输出所述偏差控制 量对应的脉冲调宽信号；和脉冲调宽功率放大单元，所述脉冲调宽功率放大单元与所述计算单元相连，所述脉冲 调宽功率放大单元对所述脉冲调宽信号进行功率放大，以得到偏差控制量对应的驱动信 号。
9.如权利要求1所述的电动执行装置，其特征在于，所述驱动组件包括 电机，所述电机与所述控制组件相连，在所述驱动信号的驱动下进行转动；和调整组件，所述调整组件与所述电机相连，根据所述电机的控制驱动所述输出轴以转 动至所述待调整角度。
10.如权利要求9所述的电动执行装置，其特征在于，所述调整组件进一步包括 第一齿轮减速器，所述第一齿轮减速器受所述电机驱动；第二齿轮减速器，所述第二齿轮减速器与所述第一齿轮减速器相互啮合； 蜗杆，所述蜗杆与所述第二齿轮减速器同轴；和涡轮，所述涡轮与所述输出轴同轴，所述蜗杆与所述涡轮相互啮合，通过驱动所述涡轮 以使所述输出轴转动至所述待调整角度。
11.如权利要求1所述的电动执行装置，其特征在于，还包括 摇臂，所述摇臂被所述输出轴所驱动。
12.如权利要求1所述的电动执行装置，其特征在于，所述控制组件进一步包括过流检测和保护电路，所述过流检测和保护电路与所述脉冲调宽功率放大单元相连， 所述过流检测和保护电路进行过流检测和保护。
全文摘要
本发明提出一种电动执行装置，包括输出轴；角度测量组件，所述角度测量组件通过非接触式方式测量所述输出轴的当前角度；控制组件，所述控制组件与所述角度测量组件相连，所述控制组件根据所述角度测量组件检测的所述输出轴的当前角度和待调整角度进行比较，并实时根据偏差量计算控制量以产生驱动信号；和驱动组件，所述驱动组件与所述控制组件相连，根据所述控制组件的驱动信号驱动所述输出轴以转动至所述待调整角度。
文档编号G01B7/30GK101982650SQ20101051961
公开日2011年3月2日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者吴瑞峰, 徐骋, 黄明 申请人:远华京控(北京)科技有限公司