CN101408133B - 一种发动机电子节气门的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发动机电子节气门的控制方法，其中所述控制方法包括检测电子节气门的起始开度或当前开度；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值大于X时，采用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值小于或等于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2°至6°。采用本发明所述的发动机电子节气门的控制方法，在所述差值较大时能够实现节气门碟片运行的快速和平稳，并且在所述差值较小时能够实现节气门碟片运行的准确和防止超调。

Description

一种发动机电子节气门的控制方法

技术领域

本发明涉及发动机，更具体地，涉及一种发动机电子节气门的控制方法。

背景技术

随着电子技术的日益发展，能源问题和环境问题的日益突出以及对汽车性能要求的提高，电子节气门成为全电控发动机上最重要的控制装置并已开始广泛应用到各种车辆上，其优点在于可根据驾驶员愿望、排放、油耗和安全需求，使节气门快速精确地控制在最佳开度，并可设置多种控制功能来改善驾驶安全性和舒适性。

电子节气门是一个存在非线性时变阻尼特性的系统，在其控制中存在以下几个难点：

(1)非线性复位弹簧：节气门体轴上有两个作用力方向相反的复位弹簧，其主要作用为保证在节气门的控制失效时能够使节气门碟片回到自由位置，以保证发动机在运行过程中不会产生熄火的情况。复位弹簧的拉力是节气门的控制主要需克服的力，且此拉力的特性在自由位置的两端也各不相同；同时，随着节气门使用时间的增加，复位弹簧的弹性系数也会发生变化，使得一般单一不变的控制方法会随时间的增加而失效；

(2)摩擦力矩的不确定性：节气门体内的摩擦力较复杂，主要包括传动轴的滑动摩擦和静摩擦，传动齿轮的粘滞摩擦，且作用时间和范围也不一样，综合考虑其影响比较困难；

(3)传动齿轮间隙对传动的影响较大：由于节气门的控制精度要求，因此传动齿轮之间的间隙可能会导致节气门簧片的轻微抖动或对节气门进行微调时节气门动作的滞后；

(4)进气气流对碟片运动的影响难于计算：当空气流经节气门体时，由于节气门体的结构会使得气流作用在碟片两边的压力分布不均，从而导致力矩不平衡，其大小与节气门体结构、进气气流大小以及碟片开度有非线性关系，难以函数化。

(5)节气门体的老化：随着节气门使用时间的增加，其机械结构将呈现老化，如自由位置开度可能会发生变化；还有就是节气门体的位置传感器一般为电阻膜接触式传感器，同样也会随着使用时间的增加使得其电压变化范围发生偏移。

由此，电子节气门由于其结构特点和工作环境等因素，对于电子节气门难以准确加以控制。

发明内容

本发明的目的在于克服电子节气门控制过程中的上述困难，提供在一种能够保持电子节气碟片运动的连续性和平稳性，从而实现电子节气门碟片运行的快速、平稳、准确和防止超调的发动机电子节气门控制方法。

本发明提供了一种发动机电子节气门的控制方法，其中，所述控制方法包括检测电子节气门的起始开度或当前开度；根据电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值，当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值大于X时，采用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值小于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2°至6°；所述基本方法为实时检测实际开度变化率，控制PWM信号的占空比使实际开度变化率接近目标开度变化率；所述目标开度变化率为0.05至0.40度/毫秒；所述开度变化率指电子节气门碟片的运动速率；所述PID控制方法是根据目标开度与起始开度或当前开度之间的差值，通过比例P、积分I和微分D的线性组合来构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制碟片接近并稳定在目标开度。

采用本发明所述的发动机电子节气门的控制方法，针对电子节气门的当前开度与目标开度的差值的不同，采用不同的控制方法以输出不同的PWM信号的占空比，使得在所述差值较大时通过采用基本方法能够实现节气门碟片运行的快速和平稳，并且在所述差值较小时通过采用PID方法能够实现节气门碟片运行的准确和防止超调。

附图说明

图1是电子节气门工作流程图；

图2是电子节气门传感器故障诊断的优选实施方式的流程图；

图3是电子节气门自学习控制流程图。

具体实施方式

在具体描述本发明的控制方法之前，首先对电子节气门的基本结构做一简要介绍。电子节气门系统主要包括：油门踏板位置传感器，油门踏板位置传感器由在同一基准电压下工作的两个无触点线性电位器传感器组成，基准电压由ECU提供，随着油门踏板位置的改变，电位器阻值也发生线性的变化，由此产生反应油门踏板移动量和油门踏板变化率的大小的电压信号输入ECU；节气门位置传感器，节气门位置传感器也是由两个无触点线性电位器传感器组成，且由ECU提供相同的基准电压，当节气门位置发生变化时，电位器阻值也随之线性地改变，由此产生相应的电压信号输入ECU，该电压信号反映节气门开度大小和变化速率；节气门控制电机，一般选用步进电机或直流电机，经过两级齿轮减速来调节节气门开度；控制单元(ECU)是整个系统的核心，包括两部分：信息处理模块和电机驱动电路模块，信息处理模块接受来自油门踏板位置传感器的电压信号，经过处理后得到节气门的目标开度，并把相应的电压信号发送到电机驱动电路模块；电机驱动电路模块接受来自信息处理模块的信号，控制电机转动相应的角度，使节气门达到或保持相应的开度。

在电子节气门开始工作以后，油门踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、油门踏板移动量和油门踏板变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门开度的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门开度期望值进行补偿，得到节气门的目标开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到目标开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。在运动过程中，节气门碟片会受到很多方面的外力干扰，其中影响最大的就是进气气流，节气门当前开度与目标开度的差较大和较小时，对节气门是否能够快速准确地运动到目标开度的主要影响因素是不同的。

如图1所示，本发明提供的发动机电子节气门的控制方法包括检测电子节气门的起始开度或当前开度；根据电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值，当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值大于X时，采用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值小于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2°至6°；所述基本方法为实时检测实际开度变化率，控制PWM信号的占空比使实际开度变化率接近目标开度变化率；所述目标开度变化率为0.05至0.40度/毫秒；所述开度变化率指电子节气门碟片的运动速率；所述PID控制方法是根据目标开度与起始开度或当前开度之间的差值，通过比例P、积分I和微分D的线性组合来构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制碟片接近并稳定在目标开度。其中，起始开度指每一次控制过程开始时电子节气门的开度；当前开度指当前时刻电子节气门的开度；开度变化率指电子节气门碟片的运动速率。所述实际开度变化率接近目标开度变化率指目标开度变化率与实际开度变化率的差值小于目标开度变化率的3％。

采用本发明的方法，可以在每一个控制过程的开始根据起始开度选定控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率的控制方法，也可以在当前开度接近目标开度，进入PID适控范围时，由基本方法换用PID方法来进行控制。

当目标开度和碟片的当前开度相距较大，为了保持碟片运动的连续性和平稳性，主要需要考虑的问题是运动过程中的抗干扰问题，此时采用基本方法控制节气门碟片的运动。所述基本方法是根据电子节气门的当前开度与目标开度的差值、当前开度与目标开度的大小和使用者对节气门碟片运动速率的不同要求来确定电子节气门的目标开度变化率，并且实时根据电子节气门的实际开度变化率大于或者小于目标开度变化率以及为电子节气门驱动电机提供的实际驱动电压大于或者小于电子节气门标准驱动电压来减少或者增加PWM信号的占空比。具体来说，需要根据目标开度和碟片当前开度的差值大小以及车辆生产者设定的节气门全开角度和节气门由全闭到全开的时长(不同的车辆生产者对于节气门打开和关闭的考虑不同，有的以快速为优选，有的以平稳为优选)，以及节气门碟片的运动对发动机性能的影响来确定在不同的差值范围内节气门碟片的开度变化率(也就是碟片的运动速率)；同时在电子节气门实际运行时还应该根据使用者在对电子节气门施加标准驱动电压(此标准驱动电压由电子节气门生产厂家给出，一般为12V)下得到的节气门碟片运动速率，结合当前电子节气门驱动电机的实际驱动电压对PWM信号的占空比进行修正：检测碟片在运动中的开度变化率，与给定的开度变化率进行对比，如碟片受到外力阻碍使得开度变化率减小，则步进增大PWM信号的占空比；如碟片开度变化率过大或受到的外力减小导致碟片运动速率过快，则步进减小PWM信号的占空比，这样，可以保证节气门碟片以一个近似固定的开度变化率平稳、快速的运动。

当目标开度和碟片的当前开度相距较小时，主要需要考虑的问题是如何使碟片快速接近并稳定在目标开度且超调最小，因此采用PID控制方法。所述PID控制方法是本领域常用的控制方法之一，其控制原理是本领域技术人员所公知的，在此不再赘述。在本发明中具体应用时是根据目标开度及碟片的当前开度变化率确定一定占空比的PWM电压，该占空比的PWM电压使得碟片在进入PID控制区域时能够将其变化率减小至PID适控的范围，再根据目标开度和当前开度之间的差值，将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制碟片快速接近并稳定在目标开度。具体来说，可在碟片PID控制范围内时首先输出一固定占空比(此占空比的数值需标定，基于不同厂家生产的电子节气门有所不同，并且与碟片的目标开度有关)，所述PWM电压使碟片的运动速率达到上述PID适控的范围内，然后根据碟片目标开度和当前开度的差值，采用不同的PID参数(包括比例参数、积分参数、微分参数，其具体数值需要实验标定，所述实验标定的方法是本领域技术人员所公知的)通过线性组合构成控制量，从而计算得出PWM信号的占空比，从而控制碟片的开度使其快速接近并稳定在目标开度，为了控制的更精确，还可在PID控制范围内设置根据开度差值的大小设置不同的PID参数参与控制量的计算。

所述控制方法还包括确定电子节气门的自由位置和全闭位置的2个位置传感器的输出信号，以作为确定PWM信号的换向位置以及计算电子节气门的当前开度的基础。具体来说，为了确定PWM信号驱动电流的换向位置需要确定自由位置的开度大小；为了计算碟片在任意位置时的开度大小需要记录节气门碟片全闭时两个位置传感器的电压值。一般来说，上述过程在车辆启动自检时进行，优选地，为了应对位置传感器受到干扰的情况；也可以在车辆行驶中，记录节气门位于相应位置的输出电压信号，并加以判断。

电子节气门体上有两个节气门位置传感器，其主要作用为反馈碟片的当前开度。随着碟片开度的增加，其中一个位置传感器的输出电压会由低到高线性增加，而另一个位置传感器的输出电压则由高到低线性减小，且两个传感器输出电压的变化率大小相等，方向相反，也就是说，碟片在任意开度时两个位置传感器的输出电压之和为一个常数(记为A)。

所述确定电子节气门的自由位置和全闭位置时两个位置传感器的输出信号的方法包括以下步骤：控制电子节气门处于自由位置，记录2个位置传感器的输出电压信号，分别记为AD1_0、AD2_0；控制电子节气门处于全闭位置，记录2个位置传感器的输出电压信号，分别记为AD1_1、AD2_1；将(AD1_0-AD1_1)和(AD2_0-AD2_1)并分别除以位置传感器的单位开度电压变化率，即可得出电子节气门在自由位置时的开度，将该开度与该电子节气门的标准开度进行对比；如果该开度处于标准开度的自由位置的开度的误差允许范围内，则将所述AD1_0、AD1_1、AD2_0和AD2_1作为电子节气门的自由位置和全闭位置时两个位置传感器的输出电压信号；其中，位置传感器的单位开度电压变化率、自由位置开度和标准开度均由电子节气门生产厂家标定，误差允许范围一般设置为位置传感器的器件误差范围，其数值为3％-6％。

如图3所示，具体实现步骤如下：首先，对节气门输入占空比为零的PWM电压，使其碟片单纯依靠复位弹簧之间的作用力稳定在自由位置，然后采集碟片稳定在自由位置时的两个位置传感器的AD采样值，记为AD1_0、AD2_0；对电子节气门输入一定占空比(具体数值可通过对电子节气门进行实验标定得到)的PWM电压，使电子节气门的碟片上升到全关闭的位置并稳定住，然后记录下碟片稳定在全关闭位置时两个位置传感器的AD采样值，记为AD1_1、AD2_1；将PWM信号的占空比置为零，使电子节气门碟片回到自由位置；分别将两个传感器的2个不同位置的采样值作差，即将每一个传感器在碟片处于自由位置时的采样值减去碟片处在全闭位置时的采样值(AD1_0-AD1_1、AD2_0-AD2_1)，用求得的差值分别除以电子节气门生产厂家提供的位置传感器的单位开度电压变化率，即可得出碟片在自由位置时的开度大小，同时对照电子节气门生产厂家给出的自由位置的开度范围，可判断出计算出来的自由位置的开度是否合理，若合理，则将AD1_0、AD2_0、AD1_1、AD2_1分别存入车辆控制器的EEPROM中；不合理，则将EEPROM中存储的前一次得到的AD1_0、AD2_0、AD1_1、AD2_1等数据取出用于计算自由位置的开度以及计算碟片在任意位置的开度大小。

由于电子节气门是发动机系统的重要执行器，其工作状态的良好是发动机正常运转的直接前提，检测电子节气门的当前开度的装置为2个位置传感器，同时由于节气门体工作在高温高压且电气干扰频繁的工作环境中，位置传感器可能受到不可预测的干扰或者老化失效，如何能够排除干扰，准确的判断出传感器的故障并加以控制成为电子节气门正常工作的前提。优选地，本发明提供的控制方法还包括实时检验电子节气门位置传感器工作是否正常，当2个位置传感器工作正常时，采用本发明前述的方法来控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，当2个位置传感器中的至少一个工作不正常时，为了安全目的应保持电子节气门处在打开状态，以便车辆能够继续行驶至维修站。不同厂家对电子节气门保持打开的角度的设置可能有所不同，一般来说该开度是当电子节气门不受外力为5°至10°。

所述检测所述位置传感器的方法包括在多个时刻同时采集2个位置传感器的输出电压信号；分别计算多个时刻2个位置传感器输出电压信号的平均值，记作AD_1；通过判断2个AD_1的和是否满足位置传感器的器件误差要求，从而判断位置传感器工作是否正常；其中，所述多个时刻包括2-10个时刻，所述位置传感器的器件误差范围为3％-6％。一般来说，如果满足了位置传感器的器件误差要求，应当认定位置传感器工作正常，如果不满足；采用此种方法则只能得知位置传感器工作不正常，却无法断定是因为受到干扰还是位置传感器本身老化故障。

优选地，检测所述位置传感器的方法包括在多个时刻同时采集2个位置传感器的输出电压信号；分别计算第一多个时刻和第二多个时刻2个位置传感器输出电压信号的平均值，并记作AD_1和AD_2；将2个AD_1相加，判断2个AD_1的和是否在位置传感器的采样误差范围内；如不在该采样误差范围内，则将2个AD_1相加，并且进一步判断2个AD_2的和是否在位置传感器的器件误差范围内，从而判断位置传感器工作是否正常；其中，所述第二多个时刻包括的时刻多于所述第一多个时刻包括的时刻。所述第一多个时刻包括2-10个时刻，第二多个时刻包括10-100个时刻，所述位置传感器的采样误差范围为8％-12％，位置传感器的器件误差范围为3％-6％。

举例来说，如图2所示，检验电子节气门位置传感器的方法可以如下执行：在多个时刻同时对2个位置传感器的输出信号进行采样；将对2个位置传感器的采集结果分别放入2个数组中，以5个采集结果为单元分别对数组中的数据求平均值，记作AD_1；将上述平均值分别放入2个数组中，以50个平均值为单元分别对数组中的数据求平均值，记作AD_2；将2个AD_1相加，如果其和在A±C范围内，则位置传感器工作正常；如不在该范围内，则将2个AD_2相加，如果其和在A±C范围内，则位置传感器受到了干扰，如不在该范围内，则位置传感器发生故障；其中，B为允许的位置传感器的采样误差，C为允许的位置传感器的器件误差，一般来说B为A的8％-12％，C为A的3％-6％。当判断位置传感器发生故障时，应利用每个传感器的AD_5数据分别对传感器进行故障诊断。采用上述关于节气门位置传感器信号处理及诊断策略，在位置传感器受到外界信号干扰时，碟片不会产生震荡或只产生很小的震荡，同时，采用此种方法对于故障与信号干扰能够很快区分并有利于采取相应对策。

Claims (4)

1.一种发动机电子节气门的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括检测电子节气门的起始开度或当前开度；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值大于X时，采用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值小于或等于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2°至6°；

所述基本方法为实时检测实际开度变化率，控制PWM信号的占空比使实际开度变化率接近目标开度变化率；所述目标开度变化率为0.05至0.40度/毫秒；

所述PID方法是根据目标开度与起始开度或当前开度之间的差值，通过比例P、积分I和微分D的线性组合来构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制电子节气门碟片接近并稳定在目标开度。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述实际开度变化率接近目标开度变化率指目标开度变化率与实际开度变化率的差值小于目标开度变化率的3％。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述电子节气门的目标开度是根据油门踏板移动量和油门踏板变化率解析得到节气门开度的基本期望值，并通过获取发动机转速、档位、节气门位置信号对该节气门开度的基本期望值进行修正来获得的。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其中，检测电子节气门的开度的装置为2个位置传感器。

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