CN101387236A - 一种可变喷嘴涡轮增压控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种可变喷嘴涡轮增压控制方法及系统，涉及一种以电液伺服比例电磁阀为执行器的可变喷嘴涡轮增压器电控系统。其特征是通过采集发动机的转速和油门踏板位置信号，计算需要的目标增压压力值和目标位置驱动信号值，驱动电液伺服阀的PWM信号值的控制算法采用以电磁阀最佳位置为控制目标的开环前馈控制加以进气管内增压压力信号为控制目标的闭环数字PI反馈控制。为提高控制系统的控制精度和响应速度，闭环PI控制的控制参数根据发动机转速信号和油门踏板位置信号采用查2维MAP图来得到。该电控系统与现有的气动控制系统相比，控制的响应速度快。与步进电机为执行器的控制系统相比，执行器输出的力矩大，精度高。

Description

一种可变喷嘴涡轮增压控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种发动机可变喷嘴涡轮增压系统，特别涉及一种以电液伺服比例电磁阀为执行器的柴油机可变喷嘴涡轮增压系统。

背景技术

涡轮增压器要适应发动机宽广的转速变化范围。固定截面涡轮增压器存在的缺点有：(1)在发动机低速运转时，由于废气提供的能量很少，涡轮增压器的转速过低，无法提供合适的增压压力和足够的进气量，发动机无法产生大的低速扭矩，导致其低速性能难以有明显的提高。(2)发动机高速运转时，由于排气温度和压力很高，可能会造成增压器超速。(3)增压器与发动机之间仅存在气动联系，在加速过程中增压器的响应滞后明显。由于发动机油量供给的响应比进气量供给的响应快，会导致发动机的加速性能不好，产生加速冒烟现象。因此固定截面涡轮增压器与发动机的匹配比较困难，如果涡轮增压器按照发动机高速工况进行设计匹配，就会出现低速时转速过低，增压压力过低，如果按照低速工况进行设计匹配，则在高速时，为避免出现增压器超速，在发动机排气管处需要安装一个废气放气阀，浪费了一部分的废气能量。然而，采用可变喷嘴涡轮增压器可以很好的解决涡轮增压器与发动机的匹配问题。发动机可变喷嘴涡轮增压器是在固定截面涡轮增压器上增加了一个可调节喷嘴截面的喷嘴环，喷嘴环一圈上有多个叶片，它们可以绕自己的轴心转动从而改变喷嘴截面，其调节通过喷嘴环上的操纵环实现，操纵环的转动由涡轮壳外的调节曲柄控制。转动调节曲柄，带动操纵环旋转，使喷嘴环叶片各自绕自己的轴心同时旋转。通过改变喷嘴环叶片的角度，改变涡轮入口的流通截面积。

目前发动机可变喷嘴涡轮增压器的喷嘴环开度的调节方式有以下几种：一、采用真空膜片弹簧的调节控制，通过一个膜片式的气动执行器来实现的，通过改变膜片弹簧一面的气体压力值来调节膜片位移，从而调节喷嘴环开度的调节曲柄。气体压力通过电磁阀或真空泵来控制。电控单元根据发动机所处的工况，控制真空执行器中膜片弹簧的位移，从而控制进气管中增压压力值。该机构的好处是真空度可以连续变化从而可以连续的调节喷嘴环的开度。其缺点主要是通过膜片弹簧的真空度来调节，在发动机瞬态变化时，喷嘴环动作的快速响应性能不够。二、采用步进电机为执行器的调节控制，步进电机通过一套机械结构与喷嘴环调节曲柄相连，调节步进电机的步进步数就可以调节喷嘴环截面开度的大小。该机构的好处是调节的速度快，在电信号的驱动下步进电机可以快速从最小位置动作到最大位置，其缺点是由于步进电机是单步前进的，不能连续调节喷嘴截面位置。

发明内容

本发明的目的和任务是开发一种可变喷嘴涡轮增压器的电控方法及系统。针对以电液伺服比例电磁阀为执行器的可变喷嘴涡轮增压器实现对涡轮喷嘴环开度的调节，对发动机各种工况都能快速调节涡轮增压器的喷嘴截面到指定位置，控制系统的精度高，响应速度快。

一种可变喷嘴涡轮增压控制方法，其特征在于：该控制方法采用以电液伺服比例电磁阀为执行元件，以可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环最佳开度目标位置对应的驱动信号为控制目标的前馈控制和以进气管内增压压力信号为控制目标的闭环分段数字PI反馈控制，前馈控制负责在瞬态工况时快速调节喷嘴截面到指定位置，反馈控制负责在小幅度的扰动工况下保持实际增压压力对最终目标增压压力的跟踪，其具体控制步骤如下：

1)若为正常工作状态：

1.1)闭环反馈控制

a.电控单元根据采集的发动机转速信号和油门位置信号查2维MAP图，得到发动机负荷量信号，再根据发动机负荷量和发动机转速查2维MAP图，得到初始目标增压压力值P_target0；

b.电控单元根据采集的环境压力信号查1维特性表对目标增压压力值进行修正，得到压力修正值1P_rev1，根据采集的进气温度信号查1维特性表对目标增压压力值进行修正，得到压力修正值2P_rev2，利用下式：

P_target＝P_target0+P_rev1+P_rev2得到最终目标增压压力值P_target；

c.电控单元根据最终目标增压压力值P_target与增压压力传感器采集的实际增压压力信号P_in的差得到压力偏差ΔP；

d.电控单元根据发动机转速信号和发动机负荷量信号查2维MAP图得到数字PI控制的比例控制参数Kp；根据发动机转速信号和发动机负荷量信号查2维MAP图得到数字PI控制的积分控制参数Ki，根据下式 ${\mathrm{VNT}}_{\mathrm{duty}\_\mathrm{cyc}\_\mathrm{fb}}=K_P{\mathrm{\ΔP}}_n+K_I\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_k$ 得到反馈部份控制量；

1.2)开环前馈控制

电控单元根据发动机转速信号和发动机负荷量信号查2维MAP图得到前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}；

1.3)控制量的计算

电控单元根据反馈部份控制量VNT_{duty_cyc_fb}和前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}的和得到初始控制量VNT_{duty_cyc0}；利用最大允许PWM占空比值和最小允许PWM占空比值进行占空比范围限制；当VNT_{duty_cyc0}在最小允许PWM占空比值和最大允许PWM占空比值之间时，控制量VNT_{duty_cyc}等于初始控制量VNT_{duty_cyc0}；当VNT_{duty_cyc0}小于最小允许PWM占空比值时，VNT_{duty_cyc}等于最小允许PWM占空比值，当VNT_{duty_cyc0}大于最大允许PWM占空比值时，VNT_{duty_cyc}等于最大允许PWM占空比值，总控制量pwm_out等于控制量VNT_{duty_cyc}；

1.4)电控单元根据总控制量pwm_out调节喷嘴截面到指定位置；

2)通过检测发动机转速信号来判断是否为停机状态，如果发动机转速为零，则处于停机状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最大开度位置；

3)通过检测发动机转速信号和油门位置信号来判断是否为起动状态，如果发动机转速大于零且小于怠速转速值，同时油门位置处于初始值状态，并且发动机转速变化率超过一个设定的值，则处于起动状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最小开度位置；

4)通过检测发动机转速信号和油门位置信号来判断是否为怠速状态，如果发动机转速在怠速值附近±50转/分范围内，并且油门位置处于初始值状态，则处于怠速状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最大开度位置；

5)通过检测发动机转速信号来判断是否为超速状态，如果发动机转速大于发动机的额定转速值，则处于超速状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最大开度位置，并进行报警。

上述控制方法中，在正常工作状态下，当增压压力过大导致增压器转速超过限制值时，设置增压压力限制方法如下：电控单元根据发动机转速信号和发动机负荷量查2维压力限制MAP图得到最高压力限制值，当增压压力值大于最高压力限制值时，将总控制量pwm_out设为前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}。查1维特性表的具体方法是根据1维线性拉格朗日插值公式进行计算，查2维MAP图的具体方法是根据2维平面上的4点拉格朗日线性插值公式进行计算。

本发明提供的可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：该控制系统包括可变喷嘴涡轮增压器、电控单元13、用于调节涡轮喷嘴环开度的电液伺服比例电磁阀2、发动机转速传感器12、油门踏板位置传感器22、增压压力传感器10、进气温度传感器11、大气环境压力传感器24、起动开关14、故障诊断开关15和预先存储在电控单元的单片机中的程序；所述的电控单元含有主单片机电路、模拟量输入电路、数字量输入电路、驱动电路、CAN通讯电路和故障显示电路；模拟量输入电路对油门踏板位置传感器22、增压压力传感器10、进气温度传感器11和大气环境压力传感器24输出的模拟量进行信号调理；数字量输入电路对发动机转速传感器12、起动开关14和故障诊断开关15输出的数字量进行信号调理；模拟量输入电路的输出端与主单片机电路中的单片机的模拟量采集端口连接；数字量输入电路输出端与主单片机电路中的单片机的数字输入输出端口连接；所说的驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序根据输入的信号进行处理和计算，从单片机的脉冲宽度调制端口输出控制信号给驱动电路；驱动电路的输出端与电液伺服比例电磁阀2连接；CAN通讯电路一端与主单片机电路中的单片机的CAN接口相连，另一端与计算机或其它电控单元的CAN总线通讯端口相连，实现与计算机的监控通讯以及与其它电控单元的数据通讯功能。

本发明所述的可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征还在于：所述的单片机采用16位单片机，芯片为MC9S12DP256B。所述的驱动电路采用半桥的驱动模式，控制信号作为半桥驱动电路的高端MOS管和低端MOS管的控制信号，对电磁阀进行驱动控制时，驱动控制程序将控制信号从单片机的PWM端口输出给半桥驱动电路的高端，同时从单片机的输入输出端口输出一个高电平打开低端的MOS管开关。半桥驱动电路的驱动芯片为BTS7710G。CAN通讯电路的集成芯片采用TLE6250G。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：①根据发动机负荷量和发动机转速查2维MAP图的方法确定采用分段式PI控制的Kp和Ki参数，能够克服发动机工作区域的非线性，提高反馈控制的精度。②根据发动机负荷量和发动机转速查2维MAP图得到前馈部份控制量，提高了瞬态下大范围动作时反馈控制速度慢的缺点，提高了瞬态控制的响应速度。其应用效果明显，对发动机进气量和输出转矩有比较大的提高，尤其低速工况提高明显，对发动机烟度有比较大改善，尤其在低速工况下明显。同时对发动机的燃油经济性也有一定改善。本发明可应用于各种发动机，尤其是大功率的增压柴油机。

附图说明

图1为本发明的增压系统连接图。

图2为电控单元的硬件结构连接简图。

图3为主单片机电路。

图4为驱动电路。

图5为模拟量输入调理电路。

图6为数字量输入调理电路。

图7为故障显示电路。

图8为CAN通讯电路。

图9为软件控制算法图。

图10为查1维特性表的原理图。

图11为查2维MAP图的原理图。

图12为程序总体流程图。

图13为增压压力采集程序流程图。

图14为驱动控制程序流程图。

图中：1-涡轮喷嘴环调节曲柄；2—电液伺服比例电磁阀；3—齿条；4—齿轮；5—进气口；6—压气机；7—中冷器；8—进气管；9—发动机进气歧管；10—增压压力传感器；11—进气温度传感器；12—发动机转速传感器；13—电控单元；14—起动开关；15—故障显示开关；16—发动机飞轮；17—发动机；18—发动机排气歧管；19—可变喷嘴涡轮进气口；20—增压器轴；21—排气口；22—油门位置传感器；23—可变喷嘴涡轮；24—大气环境压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的增压系统连接图。该控制系统包括可变喷嘴涡轮增压器、电控单元13、用于调节涡轮喷嘴环开度的电液伺服比例电磁阀2、发动机转速传感器12、油门踏板位置传感器22、增压压力传感器10、进气温度传感器11、大气环境压力传感器24、起动开关14、故障诊断开关15和预先存储在电控单元的单片机中的程序。发动机转速传感器12安装在发动机飞轮16处，用于采集发动机转速信号。发动机油门位置传感器22安装在油门踏板上，当驾驶员脚踩踏板时传感器与踏板同轴旋转，输出电压信号，用于采集油门位置信号。增压压力传感器10安装在发动机进气歧管9上，用于采集增压压力信号。进气温度传感器11安装在发动机进气歧管9上，用于采集进气歧管内的进气温度信号。大气环境压力传感器24安装在电控单元13的PCB板上，用于采集环境压力。可变喷嘴涡轮增压器安装在发动机排气管一侧，可变喷嘴涡轮23的进气口19与发动机排气歧管18相连，增压器轴20的另一端的压气机6的进气口5通空气滤清器，压气机出口接中冷器7，涡轮喷嘴环调节曲柄1与齿轮4相连，与齿轮4啮合的齿条3的一端与电液伺服比例电磁阀2的可移动顶柱相连。电控单元13采集各传感器的信号，经过控制算法计算后输出驱动信号给驱动电路，驱动电路输出的电信号驱动电液伺服比例电磁阀2的衔铁动作，在电磁力、液压力和弹簧力的共同作用下推动电磁阀的顶柱运动，经过机械传动机构带动喷嘴环转动。

电控单元13安装在驾驶室座椅下，该电控单元含有主单片机电路、模拟量输入电路、数字量输入电路、驱动电路、CAN通讯电路、故障显示电路以及电源电路；模拟量输入电路对油门踏板位置传感器22、增压压力传感器10、进气温度传感器11和大气环境压力传感器24输出的模拟量进行信号调理；数字量输入电路对发动机转速传感器12、起动开关14和故障诊断开关15输出的数字量进行信号调理；模拟量输入电路的输出端与主单片机电路中的单片机的模拟量采集端口连接；数字量输入电路输出端与主单片机电路中的单片机的数字输入输出端口连接；所说的驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序根据输入的信号进行处理和计算，从单片机的脉冲宽度调制端口输出控制信号给驱动电路；驱动电路的输出端与电液伺服比例电磁阀2连接；CAN通讯电路一端与主单片机电路中的单片机的CAN接口相连，另一端与计算机或其它电控单元的CAN总线通讯端口相连，实现与计算机的监控通讯以及与其它电控单元的数据通讯功能。启动开关14接通以后电控单元开始工作，它采集油门位置传感器22和发动机转速传感器12信号。根据油门位置信号和发动机转速信号来判断发动机工作工况，并计算发动机在该工况下的负荷量，根据采集的进气温度和环境压力信号对目标增压压力进行修正，根据控制算法计算驱动电液伺服比例电磁阀的总控制量的大小。故障显示开关15接通以后在系统工作时可以通过故障显示电路进行故障诊断。

电控单元13中的软件程序采集发动机的转速、油门、增压压力、环境压力和进气温度信号，判断发动机的工作工况，在停机状态、起动状态、怠速状态和超速状态下，直接驱动喷嘴叶片到某一开度。在正常工作状态，根据发动机转速信号和油门位置信号，查2维油门特性MAP图得到发动机负荷量。根据发动机负荷量和发动机转速信号查2维目标压力MAP图得到初始目标增压压力值P_target0。根据环境压力信号和进气温度信号对初始目标增压压力值P_target0进行修正后得到最终目标增压压力值P_target。最终目标增压压力值P_target减去实际增压压力值P_in得到压力偏差ΔP，采用分段式数字PI控制计算反馈部份控制量VNT_{duty_cyc_fb}。PI控制的Kp和Ki参数根据发动机转速和发动机负荷量查2维MAP图得到。根据发动机转速和发动机负荷量查2维MAP图得到前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}。反馈部份控制量加上前馈部份控制量作为控制信号的总控制量pwm_out。根据发动机转速和发动机负荷量查2维压力限制MAP图得到最高压力限制值。当实际增压压力值小于最高压力限制值时，总控制量pwm_out作为最终控制信号从单片机的PWM口输出，当实际增压压力值大于或等于最高压力限制值时，前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}作为最终控制信号从单片机的PWM口输出。整体控制算法采用以可变喷嘴涡轮增压器最佳开度目标位置对应的驱动信号为控制目标的前馈控制加以进气管内增压压力信号为控制目标的闭环分段数字PI反馈控制。前馈控制负责在瞬态工况时快速调节喷嘴截面到指定位置，反馈控制负责在小幅度的扰动工况下保持实际增压压力对最终目标增压压力的良好跟踪。

本发明的工作原理如下：

发动机低速时，让喷嘴环出口截面积减小，废气流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，发动机进气量增加。发动机高速时，让喷嘴环出口截面积增加，废气流出速度相对减小，增压器转速相对减小，增压压力降低，防止增压过量。发动机在加速时，减小喷嘴环开度，在短时间内提高增压器转速，迅速增加进气量，改善其加速性能。

本发明的工作过程如下：

发动机加速时，喷油量增加，电控单元驱动执行器，减小可变喷嘴环叶片开度，迅速提高增压器转速，加大压气机端的进气量，与喷油量的增加相协调，使发动机提供大的输出扭矩，同时避免一般发动机加速过程产生的冒烟现象。

发动机减速时，喷油量减少，此时喷嘴环开度相应增大，发动机进气量减小。

发动机稳态运转时，提供恒定的增压压力，以保证稳定的进气，对发动机油门和转速的扰动，以及进气温度的变化的小幅度扰动，采用闭环PI控制以保证恒定的增压压力值。当实际增压压力值低于目标值时，关小喷嘴环叶片提高增压压力，实际增压压力值高于目标值时，增大喷嘴环叶片减小增压压力。当油门位置信号或发动机转速信号出现快速变化时，通过增加开环前馈部份控制量来驱动电液伺服比例电磁阀以实现快速调节喷嘴叶片到最佳位置。

图2为电控单元的硬件结构连接简图。单片机采用MC9S12DP256B单片机，环境压力传感器、油门位置传感器、进气温度传感器和增压压力传感器输出的为模拟信号，其值经模拟量输入调理电路处理后输给单片机的AD采集口，发动机转速、起动开关和故障诊断开关输出的为24V开关信号，其值经数字量输入调理电路处理后输给单片机的输入输出端口。控制软件存放在MC9S12DP256B内的Flash内存中。电源电路为单片机和其它芯片提供5伏、2.5伏电压，同时为采集电路提供12伏供电电压，其供电由外部蓄电池提供。时钟电路为单片机提供16M晶振信号。CAN通讯电路与单片机的CAN通讯口相连，实现与监控计算机或其它电控单元的CAN总线通讯。故障显示电路由单片机的输入输出端口驱动，显示电控单元的硬件或传感器故障。驱动电路接收由单片机提供的驱动逻辑信号，其产生大功率的驱动信号驱动电液伺服比例电磁阀，调节可变喷嘴涡轮增压器的喷嘴到指定的截面位置。

图3为主单片机电路，晶振Y1为16MHz，电源电路提供的+5V信号给单片机的AD采集模块供电，提供的+2.5V信号给单片机的CPU内核供电。采用第3脚输出PWM1信号用来控制驱动电路，为半桥驱动电路的高端控制信号。采用第9脚PTO来采集发动机转速信号，对转速信号进行输入捕捉。第23脚BKGD为BDM背景调试模式用信号，在单片机起动时作为MODC信号接高电平。第24脚PBO为数字输入端口与ON/OFF*相连，处理起动开关输入信号，当其为高电平时，程序进入主程序，进行可变喷嘴涡轮增压器的控制，当其为低电平时，程序不启动可变喷嘴涡轮增压器的控制。第25脚PB1为数字输入端口与DIAGSW相连，作为故障诊断开关输入信号，当其为高电平时，启动故障诊断程序。第28脚PB4为CAN通道收发芯片TLE6259的控制信号。第30脚PB6为故障输出信号，当故障诊断程序检测到系统故障时，驱动该管脚为低电平。第36脚PE7为设置系统工作信号，接高电平。第37脚MODB和第38脚MODA为设置系统工作信号，接低电平。第42脚为RESET信号，当其为低电平时单片机将会从重启程序。第58脚M1L1D接驱动控制电路，为半桥驱动的低端控制信号，第59脚M1STD接驱动控制电路，为控制芯片的故障诊断输入信号。第67脚ANOO接PEDAL1IN为油门踏板信号输入。第69脚ANO1接PMSIN为增压压力信号输入。第70脚ANO9接TMSIN为进气温度信号输入。第71脚ANO2接PatmIN为环境压力信号输入。第104脚接CAN1Tx为第一路CAN信号输出。第105脚接CAN1Rx为第一路CAN信号输入。CAN1Rx和CAN1Tx与CAN总线通讯电路相连，CAN1Rx接受上位机传来的信号，CAN1Tx给上位机发出信号。

图4为驱动电路，针对执行器为电液伺服比例电磁阀的应用，驱动电压为+24V，电流从0.5A到1.5A，驱动电路采用了BTS7710GP集成芯片，其为H桥驱动芯片，最大平均电流为10A，峰值电流为15A，最大驱动电压可达40V，PWM控制信号频率采用1KHz。该芯片自带短路和过温保护功能，通过M1ST可以实现故障诊断功能。IH1和IH2为高端驱动信号，设计中采用第10脚IH2与PWM1相连，为高端驱动MOS管。IL1和IL2为低端驱动信号，设计中采用第1脚IL1与M1L1D相连，为低端驱动MOS管。MOTH和MOTL接电磁阀接头。VBAT接24V蓄电池正极。

图5为模拟量输入调理电路，增压压力传感器和油门踏板传感器输出的信号都是0-5V的电压信号，信号首先通过R14和R15进行分压处理，随后通过运放进行放大后送给单片机的AD采集端口。

图6为数字量输入调理电路，输入数字量DIGIN的低电平为0V，高电平为24V，当数字量的控制开关接通时，DIGIN为高电平，经过电阻R65和R66分压后变成小于5V的信号，电阻R67限流后送给两个非门整形后送给单片机的数字输入输出端口。

图7为故障显示电路，ERRLT由单片机的PB6口输出，程序控制该信号的高低电平时间及转换次数，来控制发光二极管LS1的亮灭，不同的故障有不同的亮灭方式，对比故障码表就可以知道产生故障的原因。

图8为CAN通讯电路，与PC机的CANoe软件实现数据通讯。CAN1Rx和CAN1Tx接单片机相应管脚，CAN1H和CAN1L分别接CAN总线的CANH和CANL。

图9为软件控制算法图，结合该图介绍控制算法原理和结构如下：

油门位置ped、发动机转速n、实际增压压力P_in、环境压力P_atm和环境温度T_atm为电控系统通过传感器采集输入的信号，这些信号经过了软件程序的数字滤波处理。油门特性计算根据发动机转速和油门位置查2维特性MAP图得到发动机负荷量Engine_Duty，该负荷量为在此发动机转速和油门位置的条件下输出转矩相对该转速下最大转矩的百分比。油门特性MAP图由发动机匹配标定试验确定。根据发动机转速和发动机负荷量查2维MAP图得到该工况下的初始目标增压压力值P_target0，实际增压压力值的采集位置为中冷器后的进气歧管处，见图1。目标增压压力MAP图由发动机匹配标定试验确定。在不同的海拔高度和纬度的地方，或者由于大气条件或季节变化都会引起环境压力和环境温度的变化，环境压力和环境温度的变化会影响到进入气缸的空气量，因此采用环境压力和进气温度来对进入气缸的空气量进行修正计算。根据环境压力查1维特性表得到压力修正值1P_rev1，该1维特性表由匹配标定试验得到。根据进气温度查1维特性表得到压力修正值2P_rev2，该1维特性表由匹配标定试验得到。最终目标增压压力值P_target根据下式计算：

P_target＝P_target0+P_rev1+P_rev2

压力偏差ΔP为最终目标增压压力P_target与实际增压压力P_in的差。以进气管内实际增压压力信号为控制目标的闭环数字PI反馈控制的控制算法如下：

${\mathrm{VNT}}_{\mathrm{duty}\_\mathrm{cyc}\_\mathrm{fb}}=K_P{\mathrm{\ΔP}}_n+K_I\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_k$

单片机的数字控制为离散时间域的控制算法，其采样周期和控制周期均为4毫秒。ΔP_n为当前时刻的最终目标增压压力和实际增压压力的差值，ΔP_n-1为上一时刻的最终目标增压压力和实际增压压力的差值，K_P、K_I分别是PI控制的比例和积分参数，VNT_{duty_cyc_fb}为根据反馈控制算法得出的驱动控制电液伺服比例电磁阀的PWM信号的占空比的数值。由于发动机工作的非线性比较大，为提高反馈控制的精度，比例参数K_P和积分参数K_I根据发动机工作工况的不同，采用了查2维MAP图的方法。根据发动机转速和发动机负荷量查2维MAP图得到比例参数K_P，该2维MAP图根据发动机匹配标定试验得到。根据发动机转速和发动机负荷量查2维MAP图得到积分参数K_I，该2维MAP图根据发动机匹配标定试验得到。为防止积分量过大导致积分饱和，数字PI控制算法中采用了预限削弱的算法。

以电液伺服比例电磁阀最佳开度位置为控制目标的开环前馈控制的控制算法如下：根据发动机转速和发动机负荷量查2维MAP图得到开环前馈控制的驱动液伺服比例电磁阀PWM信号的占空比VNT_{duty_cyc_ff}，该2维MAP图由发动机匹配标定试验得到。前馈控制计算得到的占空比值加上反馈控制计算得到的占空比值得到驱动电液伺服比例电磁阀的初始控制量VNT_{duty_cyc0}，当初始控制量VNT_{duty_cyc0}大于程序设定的最大占空比限值时，占空比范围限制算法将驱动电液伺服比例电磁阀的总控制量pwm_out设为最大占空比限值，当初始控制量VNT_{duty_cyc0}小于程序设定的最小占空比限值时，占空比范围限制算法将驱动电液伺服比例电磁阀的总控制量pwm_out设为最小占空比限值，否则驱动电液伺服比例电磁阀的总控制量pwm_out等于初始控制量VNT_{duty_cyc0}。为防止增压压力过大导致增压器转速超过最大转速从而损坏增压器，控制算法中设置了增压压力限制算法，具体为：根据发动机转速和发动机负荷量查2维压力限制MAP图，得到该工作工况下的最高压力限制值，当实际增压压力值大于最高压力限制值时，将总控制量pwm_out设为开环前馈控制计算得到的前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}。2维压力限制MAP图根据发动机匹配标定试验得到。

图10为查1维特性表的原理图。输入量X被制作成1个一维数组储存在内存中，其对应的输出量Y被制作成另一个一维数组储存在内存中。程序采集的输入量为x，通过查1维特性表求其对应得y的计算方法为1维线性拉格朗日插值算法。具体的程序算法为：判断x在数组X中的x₁和x₂之间，x₁对应的值为y₁，x₂对应的值为y₂，则与x对应的y’为：

$y\′=\frac{x_2-x_1}{y_2-y_1}(x-x_1)+y_1$

设原来的X与Y对应关系为弧AB，线性插值计算的y’与y存在一定的误差，当数组X的元素之间的间隔很小时，计算误差在允许的范围之内。

图11为查2维MAP图的原理图。输入量X被制作成1个一维数组储存在内存中，输入量Y被制作成1个一维数组储存在内存中，其对应的输出量Z(X，Y)被制作成一个二维数组储存在内存中。程序采集的点在三维坐标系中为G点，其输入量为x和y，对应G₁点。程序通过输入量x₁判断G₁点在线A₁D₁和B₁C₁之间，通过输入量y₁判断G₁点在线A₁B₁和C₁D₁之间，计算G点对应的z值的方法采用2维4点拉格朗日线性插值算法，即根据A、B、C、D四点进行插值求解。在3维坐标系内设A点坐标为(x₁，y₁，z₁)，设B点坐标为(x₂，y₁，z₂)，设C点坐标为(x₂，y₂，z₃)，设D点坐标为(x₁，y₂，z₄)，设G点坐标为(x，y，z)，则计算公式为：

$z=\frac{{y-y}_1}{y_2-y_1}[\frac{x-x_1}{x_2-x_1}(z_3+z_1-z_2-z_4)+z_4-z_1]+\frac{x-x_1}{x_2-x_1}(z_2-z_1)+z_1$

线性插值计算的z与曲面上的原值存在一定的误差，当数组X和数组Y的元素之间的间隔很小时，计算误差在允许的范围之内。

图12为根据控制算法编写的控制软件的总体流程图，单片机在初始化部分完成系统寄存器和RAM控制参数区的初始化、中断定时器初始化、AD采集寄存器、CAN通讯寄存器和执行器驱动电路的初始化工作。接着判断启动开关状态，若接通进入中断循环工作程序，若断开则进入等待循环程序。等待循环程序执行阶段电控单元不断检测启动开关状态。当检测到启动开关接通后，程序会立即打开4毫秒定时器中断，随后进入到循环工作程序。循环工作程序首先判断4毫秒的周期是否到达，当4毫秒定时到达时，进行传感器信号采集的工作，依次采集发动机油门位置、实际增压压力、发动机转速、进气温度、环境压力和环境温度信号，随后判断发动机工作工况，进行控制算法的计算并输出控制信号给驱动电路，驱动电液伺服比例电磁阀动作。最后进入CAN通讯电路，当接收到上位机的控制指令时，CAN通讯程序会将相应的信息通过CAN总线发送给上位机。

图13为增压压力采集程序流程图，首先程序设置AD通道寄存器来选择压力输入的端口，判断AD转换是否完成，在转换完成后将连续4次采集的数值进行平均滤波，滤波后的增压压力值经过故障诊断程序判断是否出现错误，如果出错则输出错误报警信号，否则根据采集值计算以kPa为单位的实际增压压力值，随后对采集的实际增压压力信号的离散序列进行一阶数字滤波。其余模拟量信号采集的过程与此类似。

图14为驱动控制程序流程图，该程序计算实际驱动控制电液伺服比例电磁阀的PWM信号的占空比。首先程序根据发动机转速和油门位置判断发动机的工作状态，当为起动状态时直接设置驱动PWM信号的总控制量pwm_out为起动条件下的最大占空比值pos_max，当为停机状态时直接设置驱动PWM信号的总控制量pwm_out为最小占空比值pos_min，当为怠速状态时直接设置驱动PWM信号的总控制量pwm_out为最小占空比值pos_min，当为超速状态时直接设置驱动PWM信号的总控制量pwm_out为最小占空比值pos_min。pos_max值和pos_min值由增压器台架试验标定得到。当为正常工作状态时，根据发动机转速和油门位置查2维负荷MAP图，该查表算法为2维拉格朗日线性插值算法。随后是查2维目标压力MAP图、查2维Kp参数MAP图、查2维Ki参数MAP图、查2维增压压力限制MAP图、查2维前馈值MAP图，然后根据图8的控制算法计算闭环PI反馈控制部份控制量VNT_{duty_cyc_fb}、开环前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}和总控制量pwm_out的计算并从单片机的PWM1端口上输出计算的总控制量信号。

Claims (11)

1.一种可变喷嘴涡轮增压控制方法，其特征在于：该控制方法采用以电液伺服比例电磁阀为执行元件，以可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环最佳开度目标位置对应的驱动信号为控制目标的前馈控制和以进气管内增压压力信号为控制目标的闭环分段数字PI反馈控制，前馈控制负责在瞬态工况时快速调节喷嘴截面到指定位置，反馈控制负责在小幅度的扰动工况下保持实际增压压力对最终目标增压压力的跟踪，其具体控制步骤如下：

1)若为正常工作状态：

1.1)闭环反馈控制

a.电控单元根据采集的发动机转速信号和油门位置信号查2维MAP图，得到发动机负荷量信号，再根据发动机负荷量和发动机转速查2维MAP图，得到初始目标增压压力值P_{t arg et 0}；

b.电控单元根据采集的环境压力信号查1维特性表对目标增压压力值进行修正，得到压力修正值1 P_rev1，根据采集的进气温度信号查1维特性表对目标增压压力值进行修正，得到压力修正值2 P_rev2，利用下式：

P_t arg et＝P_{t arg et 0}+P_rev1+P_rev2得到最终目标增压压力值P_t arg et；

c.电控单元根据最终目标增压压力值P_t arg et与增压压力传感器采集的实际增压压力信号P_in的差得到压力偏差ΔP；

d.电控单元根据发动机转速信号和发动机负荷量信号查2维MAP图得到数字PI控制的比例控制参数Kp；根据发动机转速信号和发动机负荷量信号查2维MAP图得到数字PI控制的积分控制参数Ki，根据下式 ${\mathrm{VNT}}_{\mathrm{duty}\_\mathrm{cyc}\_\mathrm{fb}}=K_P\mathrm{\Δ}{P}_n+K_I\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{P}_k$ 得到反馈部份控制量；

1.2)开环前馈控制

电控单元根据发动机转速信号和发动机负荷量信号查2维MAP图得到前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}；

1.3)控制量的计算

电控单元根据反馈部份控制量VNT_{duty_cyc_fb}和前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}的和得到初始控制量VNT_{duty_cyc0}；利用最大允许PWM占空比值和最小允许PWM占空比值进行占空比范围限制；当VNT_{duty_cyc0}在最小允许PWM占空比值和最大允许PWM占空比值之间时，控制量VNT_{duty_cyc}等于初始控制量VNT_{duty_cyc0}；当VNT_{duty_cyc0}小于最小允许PWM占空比值时，VNT_{duty_cyc}等于最小允许PWM占空比值，当VNT_{duty_cyc0}大于最大允许PWM占空比值时，VNT_{duty_cyc}等于最大允许PWM占空比值，总控制量pwm_out等于控制量VNT_{duty_cyc}；

1.4)电控单元根据总控制量pwm_out调节喷嘴截面到指定位置；

2)通过检测发动机转速信号来判断是否为停机状态，如果发动机转速为零，则处于停机状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最大开度位置；

3)通过检测发动机转速信号和油门位置信号来判断是否为起动状态，如果发动机转速大于零且小于怠速转速值，同时油门位置处于初始值状态，并且发动机转速变化率超过一个设定的值，则处于起动状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最小开度位置；

4)通过检测发动机转速信号和油门位置信号来判断是否为怠速状态，如果发动机转速在怠速值附近±50转/分范围内，并且油门位置处于初始值状态，则处于怠速状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最大开度位置；

5)通过检测发动机转速信号来判断是否为超速状态，如果发动机转速大于发动机的额定转速值，则处于超速状态，此时，电控单元调节喷嘴截面到最大开度位置，并进行报警。

2.按照权利要求1所述的可变喷嘴涡轮增压控制方法，其特征在于：在正常工作状态下，当增压压力过大导致增压器转速超过限制值时，设置增压压力限制方法如下：电控单元根据发动机转速信号和发动机负荷量查2维压力限制MAP图得到最高压力限制值，当增压压力值大于最高压力限制值时，将总控制量pwm_out设为前馈部份控制量VNT_{duty_cyc_ff}。

3.按照权利要求1所述的可变喷嘴涡轮增压控制方法，其特征在于：查1维特性表的具体方法是根据1维线性拉格朗日插值公式进行计算，查2维MAP图的具体方法是根据2维平面上的4点拉格朗日线性插值公式进行计算。

4.按照权利要求1所述的可变喷嘴涡轮增压控制方法，其特征在于：所述的驱动电路采用半桥的驱动模式，控制信号作为半桥驱动电路的高端MOS管和低端MOS管的控制信号，对电磁阀进行驱动控制时，驱动控制程序将控制信号从单片机的PWM端口输出给半桥驱动电路的高端，同时从单片机的输入输出端口输出一个高电平打开低端的MOS管开关。

5.一种采用如权利要求1所述控制方法的可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：该控制系统包括可变喷嘴涡轮增压器、电控单元(13)、用于调节涡轮喷嘴环开度的电液伺服比例电磁阀(2)、发动机转速传感器(12)、油门踏板位置传感器(22)、增压压力传感器(10)、进气温度传感器(11)、大气环境压力传感器(24)、起动开关(14)、故障诊断开关(15)和预先存储在电控单元的单片机中的程序；

所述的电控单元含有主单片机电路、模拟量输入电路、数字量输入电路、驱动电路、CAN通讯电路和故障显示电路；

模拟量输入电路对油门踏板位置传感器(22)、增压压力传感器(10)、进气温度传感器(11)和大气环境压力传感器(24)输出的模拟量进行信号调理；数字量输入电路对发动机转速传感器(12)、起动开关(14)和故障诊断开关(15)输出的数字量进行信号调理；模拟量输入电路的输出端与主单片机电路中的单片机的模拟量采集端口连接；数字量输入电路输出端与主单片机电路中的单片机的数字输入输出端口连接；

所说的驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序根据输入的信号进行处理和计算，从单片机的脉冲宽度调制端口输出控制信号给驱动电路；驱动电路的输出端与电液伺服比例电磁阀(2)连接；

CAN通讯电路一端与主单片机电路中的单片机的CAN接口相连，另一端与计算机或其它电控单元的CAN总线通讯端口相连，实现与计算机的监控通讯以及与其它电控单元的数据通讯功能。

6.按照权利要求5所述的可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：所述的单片机采用16位单片机，芯片为MC9S12DP256B.

7.按照权利要求5所述的可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：半桥驱动电路的驱动芯片为BTS7710G。

8.按照权利要求5所述的可变喷嘴涡轮增压控制系统，其特征在于：CAN通讯电路的集成芯片采用TLE6250G。

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