CN101761401A - 一种发动机电子节气门控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种电子节气门的控制方法和装置，在软件上提供了新的规则控制方法，提供了具有初始位置更新的自学习功能、电压补偿功能、故障诊断功能；在硬件上，不仅拥有与其他控制系统功能相同的装置，同时提供了具有故障诊断的新的电子节气门驱动电路，具有在线修改程序的串口通信模块。一种发动机电子节气门控制的方法，包括：适应能力强和精度高的规则控制方法；具有初始位置不断更新的自学习功能；具有电压补偿，低电压正常运行的电压补偿方法；具有诊断故障并报警的故障诊断功能。一种发动机电子节气门控制的装置，包括：微控制器、集成在微控制器中的AD模块、PWM模块、CAN通信模块、串口通信模块、踏板位置传感器、电子节气门位置传感器、电子节气门驱动电路。

Description

一种发动机电子节气门控制的方法和装置

技术领域

本发明实施例涉及一种汽车控制系统，具体涉及一种发动机电子节气门控制系统。

背景技术

目前对于油门系统存在机械式油门系统和电机控制式油门系统两种。

传统的汽车节气门，采用钢丝绳和拉杆与驾驶室内的油门踏板相连，通过回复弹簧回复节气门体。通过驾驶员脚踩油门踏板的行程来控制节气门开度，从而改变进气通道的开度，调节发动机的进气量，达到改变发动机输出功率的目的。这种节气门控制方式很难根据汽车的不同工况相应地做出精确调整，特别是在冷起动、低负荷和怠速工况下更是如此，因而导致汽车的经济性下降和排放的降低。对于后置发动机，当车身过长时，油门拉线也随宜之增长，这造成了油门回位问题，给行车带来了很大的安全隐患。另外，该系统在怠速控制中还需要步进电机控制阀，组成元件的过多不仅增加了成本还增加了故障的机率。该系统由节气门位置传感器、步进电机以及控制器、节气门体和拉线组成。

随着技术的发展，目前直流电机控制式油门控制系统也有一定发展，该控制系统通过直流电机驱动节气门运动，回复弹簧起回位作用，减速齿轮组起减小电机转速增大扭矩的作用，并通过位置传感器反馈节气门位置。该控制系统大多集成在国外ECU控制系统中，价格高昂且无法用于自主产品的开发。目前国内类似控制系统，有的采用PID控制算法，但由于电子节气门的严重非线性，该算法需要多组PID参数，这就导致严重的参数整定困难，一旦参数不合适，就会存在超调量大、抖动大、调节时间长和静态偏差大等性能问题。也有采用模糊控制算法的，但模糊控制需要大量的专家经验，如隶属度函数的选择，控制规则的选取等，这往往需要大量实验和长时间调试的经验积累，这就加长了开发周期，且一旦选取不合适，同样会造成控制性能差的问题。另外，节气门的制造存在差异，即使同一型号也会存在初始位置不同、弹簧力不同等差异。还有随着电子节气门的使用，磨损增加，会发生减速齿轮间隙变大，摩擦力改变，回复弹簧力减小和初始位置变化等结构性的变化，目前的这些控制系统无法适应这种情况且对初始位置的变化不能进行自学习，适应能力较差。

发明内容

本发明实施例提供一种电子节气门的控制方法和装置，它能克服目前存在的节气门控制系统的弊端，是一种适应能力强、精度高、超调小、调节时间短且具有初始位置学习和电压补偿功能的新型电子节气门控制系统。同时还增加了故障诊断功能，使其使用更加安全、高效。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体实现是这样的：

一种发动机电子节气门控制的方法，包括：适应能力强、调节时间短、超调量小和精度高的规则控制方法；具有初始位置不断更新的位置学习功能；具有电压补偿，低电压正常运行的电压补偿方法；具有诊断故障并报警的故障诊断功能。

一种发动机电子节气门控制的装置，包括：微控制器、集成在微控制器中的AD模块、PWM模块、CAN通信模块、串口通信模块、踏板位置传感器、电子节气门位置传感器、电子节气门驱动电路。

由上述的技术方案可见，本发明实施例的这种发动机电子节气门控制的方法和装置，在软件上提供了适应能力强和控制性能优异的新的规则控制方法，提供了具有初始位置更新的自学习功能，提供了电压补偿功能，提供了故障诊断功能；在硬件上，不仅拥有与其他控制系统功能相同的装置，同时提供了具有故障诊断的新的电子节气门驱动电路，具有在线修改程序的串口通信模块。

附图说明

图1为本发明实施例中电子节气门输出PWM计算原理图。

图2为本发明实施例中电子节气门控制算法流程图。

图3为本发明实施例中初始位置自学习流程图。

图4为本发明实施例中电子节气门输出PWM计算流程图。

图5为本发明实施例中诊断功能流程图。

图6为本发明实施例中电子节气门控制系统总体结构示意图。

图7为本发明实施例中电子节气门结构示意图。

图8为本发明实施例中电子节气门开度与位置传感器关系图。

图9为本发明实施例中电子节气门驱动电路硬件连接图。

图10为本发明实施例中通信模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

任何控制算法计算出的结果都是PWM值，基于此原理，本发明实施例中电子节气门控制过程原理图如图1所示，该控制方式为规则控制，即在不同的规则条件下直接给予不同的PWM输出。

节气门每次从实际位置到目标位置作都经历一个加速、恒速、减速和停止的过程。阶段101为加速阶段，此时电机扭矩与目标位置方向相同，弹簧力为阻力，此阶段的起始点是开始调节时的实际位置，此阶段的终点是加速结束时对应的实际位置STDH，该位置需要在实际中确定；由于阶段101速度较大，若不减速会导致冲过目标位置，因此需要在阶段102减速，此时，电机扭矩与目标位置方向相反，弹簧力与目标位置方向相反，此阶段的结束条件是速度接近于0；由于阶段102的所有力矩方向与目标位置相反，若不在速度接近于0时更改扭矩方向，会导致节气门向偏离目标位置方向转动，因此阶段103电机扭矩为正向，且力矩恰好能与弹簧等力矩相平衡，此阶段结束的条件是速度为0；阶段104为新的加速阶段，此阶段与阶段101不同，由于此时节气门阀接近目标位置，该阶段的加速力矩作用时间不能过长，但于静摩擦力较大，力矩必须能克服摩擦力，因此该阶段的力矩为作用时间较短的小力矩，此阶段的结束条件为速度达到某一值，该速度值较小，以保证可控；阶段105为对应阶段804的减速阶段，结束条件为速度接近于0；阶段106为保持阶段，该保持阶段与104相同；阶段107为上述阶段104、阶段105、阶段106的重复，直至接近目标位置；为防止节气门在目标位置附近抖动，设置调节死区即阶段108，此死区为正负0.1度，不会造成影响，此时PWM输出为保持值。

节气门制作工艺存在差异，节气门随着磨损会出现结构差异。但由以上控制方法的原理可以看出，该算法每个加速阶段的PWM值都比较大，都完全足以克服阻力，能够适应以上所述差异。大减速阶段都是以直流电机反向力矩为阻力，也足以适应上述差异。无论是加速阶段，还是减速阶段，其结束条件都是以目标位置和实际位置的差异以及节气门动作速度为依据的，这样就可以保证节气门可以以最快的速度接近目标位置，也可以保证节气门能够在目标位置附近减速，也可以保证节气门以可控制的速度值接近目标位置，也可以保证节气门的静态误差保证在死区之内。

本发明实施例的控制程序流程图如图2所示：

步骤201：程序开始，ECU上电。

步骤202：ECU中的中央控制器初始化以及外围各驱动芯片初始化。

步骤203：上电后的节气门初始位置学习，这可以让该算法适应不同的电子节气门，且能不断适应电子节气门磨损后的结构。

步骤204：节气门位置、踏板位置和发动机工作状态判定和计算，信息来源于节气门位置传感器、踏板位置和加速传感器和发动机其他状态信息。

步骤205：发动机其他状态信息采集，主要由转速信号、进气压力信号、冷却水温度等信号组成。

步骤206：CAN通信模块，用于传输其他整车信息。

步骤207：整车信息采集。

步骤208：根据以上步骤采集到的信息，判断各个模块是否工作正常。

步骤209：当工作不正常时，电子节气门所采集的动作是关闭节气门阀。

步骤210：在关闭节气阀的同时，故障灯亮，提示故障。

步骤211：当一切工作正常时，根据以上步骤采集到的信息进行综合判断和计算得出所需要的节气门目标位置。

步骤212：判断目标位置和实际位置是否相等，若相等，则转到步骤204；若不相等，则进入步骤213。

步骤213：判断目标位置是否大于初始位置，由于回复弹簧等的存在，节气门位置在大于初始位置的区域和小于初始位置的区域的结构不同，这就需要不同的控制算法。

步骤214：由于回复弹簧的存在，节气门开大和关小时的结构不同，这需要不同控制算法。该步骤判断目标位置是否大于实际位置，判断的前提是目标位置小于初始位置即所划分的B区。

步骤215：判断目标位置是否大于实际位置，判断的前提是目标位置大于初始位置即所划分的A区。

步骤216：当目标位置小于初始位置且目标位置大于实际位置时，采用B区正向控制算法。

步骤217：当目标位置小于初始位置且目标位置小于实际位置时，采用B区反向控制算法。

步骤218：当目标位置大于初始位置且目标位置小于实际位置时，采用A区反向控制算法。

步骤219：当目标位置大于初始位置且目标位置大于实际位置时，采用A区正向控制算法。

步骤220：计算步骤216、步骤217、步骤218和步骤219所得到的PWM值和PWM输出的方向，并加上电压修正等补偿措施。

步骤221：将步骤220所得到的PWM值和输出方向值通过驱动电路控制直流电机运动，并通过减速齿轮组带动节气门阀运动。

初始位置决定了两个力学结构完全相反的A区和B区的分界线，也决定了跛行回家时节气门的开度，初始位置的确定至关重要。本控制策略所具有的自学习功能，和以上所述适应能力强的控制算法，保证了其对不同节气门的统一适应性和对同一节气门的不同磨损结构的统一适应性。自学习流程如图3所示，包括：

步骤301：上电。

步骤302：芯片初始化，即完成芯片设置的初始化。

步骤303：延时，以保证芯片初始化完成。

步骤304：清除模式，使节气门完成一次快速全开全闭动作，目的是清除积炭及杂垢，且若不能达到全开和全闭，则判为故障，报警。

步骤305：PWM输出为零，以保证节气门完全处于弹簧力下，以此时位置定为节气门的初始位置，也即A区与B区的分界点。

步骤306：在步骤305的前提下，采集初始位置N次，并采用平均值法滤波，得出的结果作为初始位置的更新依据。

步骤307：读flash中存储的初始位置值，此值为上次使用过的初始位置值。

步骤308：将步骤306和步骤307所得的值进行比较，作为是否更新的依据。若二都相等，则直接进入工作模式；否则进入步骤309。

步骤309：步骤306和步骤307所得的值是否相差过大，若相差过大，则进入故障模式，此处作为第二次诊断。若相差不大，则进入步骤310。

步骤310：存储新的位置值，并固化到存储器中。

步骤311：工作模式。

步骤312：故障模式，报警灯亮。

需要说明的是，在步骤309中，由于步骤306和步骤307所比较的值是此次ECU开机和上次ECU停机之间的值的比较，在正常情况下不会相差过大，故若相差过大，则进入故障模式。

根据以上所述的控制原理，控制信号PWM输出的计算流程图如图4所示，A区和B区、节气门打开和关闭的结构虽然不同，其控制原理相同。所以图4是以A区正向打开为例说明控制算法。

步骤401：开始。

步骤402：数据初始化，包括各阶段的PWM值、PWM方向值、加速结束位置值STDH、速度speed1、速度speed2、死区值等。

步骤403：判断偏差是否在死区内，若已在死区转到步骤416保持；若在死区外，则进入步骤404。

步骤404：判断偏差是否大于STDH，若大于则进入步骤405；若小于则进入步骤406。

步骤405：高速加速和恒速阶段。

步骤406：判断速度是否大于speed1，若大于则进入步骤407；若小于则进入步骤408。

步骤407：反向减速阶段，能以最短时间减速。

步骤408：保持阶段。

步骤409：判断速度是否为0，若是则进入步骤410；若不为0则重复步骤408；

步骤410：低速加速和恒速阶段。

步骤411：判断速度是否大于speed2，若是则进入步骤412；若小于则重复步骤410。

步骤412：正向减速。

步骤413：判断速度是否为0，若是则进入步骤414；若不为0则重复步骤412；

步骤414：保持阶段。

步骤415：判断是否进入死区，若是则进入步骤416；若不是则转到步骤410；

步骤416：保持阶段。

步骤417：结束。

本控制方法具有电压补偿功能，具体实施如下：每个控制周期，采集AD电压，计算实际电压与额定电压差异。若实际电压小于额定电压，则以额定电压和实际电压的差值为比例增加PWM值；若实际电压大于额定电压，则以实际电压和额定电压差值为比例减小PWM值。若PWM值为0，即弹簧力作为运动力，不进行补偿。

本实施例具有诊断报警的功能，如图5示出了电子节气门控制系统相关的诊断功能：

步骤501：开始。

步骤502：判断节气门位置传感器是否正常，这是通过判断节气门两个互为增减的冗余设计的传感器的值确定的，即两个传感器的AD值相加为一定值。若不为定值，则认为故障。

步骤503：判断踏板传感器是否正常，这是通过其一传感器AD值是否为另一传感器AD值的两倍，若是表示正常，否则认为故障。

步骤504：微控制器通过SPI接口给驱动芯片发诊断字，通过返回的诊断结果判断驱动电路是否工作正常，若不正常认为故障。

步骤505：该诊断功能为本系统特有，本系统将整个控制过程分为若干控制阶段，每一阶段都有特定的PWM值，每一阶段的PWM值都能节气门在特定的时间内运动一定的位置长度值。本判断认为，若某一阶段在PWM作用超过某一值时而节气门运动的速度或位置变化没有达到特定值时，即认为故障。否则，认为工作正常，进入工作模式。

步骤506：工作模式。

步骤507：故障模式。

可见，本发明实施例中的发动机电子节气门的控制方法，通过以上所述的规则控制策略、自学习方法和电压补偿功能，能够适应不同节气门之间的差异及同一节气门不同磨损程度的差异，这就保证了本发明实施例的控制方法具有较强的适应性和通用性。另外，所具有的故障诊断功能，能及时判断出故障，并进入故障模式，即电子节气门控制电压为零，跛行回家。

本发明实施例还提供一种发动机电子节气门控制的装置，其总体结构如图6所示：

模块610为其它信息采集模块，主要是包括转速信号采集、进气压力采集、冷却水温度采集、进气温度采集、氧传感器信号采集等反映发动机工作状态的相关信号采集；

模块620为踏板位置和加速传感器，用来反映踏板位置和变化速度，并通过ECU模块630的AD转换输入到ECU的计算判定学习模块633中，同时也输入到诊断模块632中，进行故障诊断；

模块630为ECU模块，包括AD转换模块631、用于故障诊断的诊断模块632、ECU进行电子节气门控制器计算的学习判定诊断模块633和用于生成驱动电路控制信号PWM输出模块634；

直流电机驱动模块640，用于将ECU输出的PWM控制信号转换为直流电机的电流信号，实现信号与执行器件连接；

模块650为电子节气门模块，包括直流电机模块651、减速齿轮组模块652、节气门阀模块653和位置传感器模块654；

模块660为CAN通信模块，用来接收整车中其它控制ECU的信号，从而根据整车状况对发动机和电子节气门做出相应调整；

模块670为串口通信模块，可实现PC机和ECU的通信，可以实现程序在线修改和在线监控功能。

电子节气门结构如图7所示：电子节气门由节气门阀1、位置传感器2、位置传感器3、减速齿轮组4、直流电机5、回复弹簧6、限位块7组成。所述回复弹簧分为两个区，A区和B区，其弹簧力都指向初始位置8，以使节气门在静态时停在初始位置，即跛行位置。以初始位置为界，节气门在A区和B区是两个完全相反的受力区。减速齿轮组对直流电机减速并增加扭矩，增加可控性并使结构紧凑；位置传感器为反馈控制提供依据。

图8为电子节气门开度与位置传感器的关系图。电子节气门有两个位置传感器，传感器1和传感2，从图3可以看出，这个位置传感器互为增减关系，当传感器1的电压值增大时，传感器2的电压值减小，且这两个传感器的电压和为恒5V。这是一种冗余设计，在实际控制中，同时采集这两个AD传感器的值，并根据他们的和为恒值的关系做出判断，以保证安全性。

图9为本发明实施例中电子节气门驱动电路硬件连接图，TLE6209R是特别适合直流电机驱动的H桥智能集成芯片，可以通过SPI功能对调制电流进行设定，也可进行故障诊断。管脚CSN为片选功能，管脚INH为禁止工作功能，管脚PWM为PWM信号输入，管脚DIR用来控制电流方向从而控制电机扭矩方向，OUT1和OUT2为输出管脚即为直流电机输入。

图10为通信模块示意图，其中串口通信模块是将串口转换为可以单线通信，且具有KWP2000协议的K线通信，包括：

模块1010为PC机，作为程序在线修改和在线临控的上位机。

模块1020为K线和串口转换模块，将PC机的串口信号转换为K线信号。

模块1030为K线信号的通信线，K线的逻辑1为12V，逻辑0为0V。

模块1040为K线和串口转换模块，将传过来的K线信号转为SCI可以接受的串口通信信号。

模块1050为MCU单元。

1051为微控制器所具有的SCI模块，用来进行串口通信。

模块1052为微控制器的数据处理单元，处理传传输数据。

模块1053为CAN接口模块，即为整车与ECU通信接口。

模块1060为CAN驱动模块，即为实现CAN通信的驱动电路。

模块1070为微控制器内的CAN通信模块，处理CAN信号的接收和发送。

需要说明，通信模块中的CAN通信模块与现有技术相同，不再赘述。

由上述可见，本发明实施例提供了一种电子节气门控制系统，该控制系统包括方法和装置。本发明实施例提供了一种控制方法：一种基于规则控制的具有适应能力强、调节时间短、抖动小、超调小和静态误差小的控制算法；提供了一种初始位置自学习的控制策略，具有更强的适应性；提供一种电压补偿功能，使电子节气门在较低电压下可以正常工作；提供了一种诊断功能，能及时判断出故障并进入故障模式；本发明实施例还提供了一种控制装置：一种完全具有现有技术优点如CAN通信等，且又具有自身优点的装置；一种带有SPI功能，能及时返回诊断字的驱动电路；一种带有串口通信，能实现程序在线修改和在线监测的装置。可以看出，本发明具有许多其他发明所没有的技术优势，是一个更适应汽车特殊情况和实际使用的新的创新。

容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的精神和保护范围，任何熟悉本领域的技术人员所做出的等同变化或替换，都应视为涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种发动机电子节气门控制的方法，其特征在于，包括：适应能力强、调节时间短、超调量小和精度高的规则控制方法；具有初始位置不断更新的位置学习功能；具有电压补偿，低电压正常运行的电压补偿方法；具有诊断故障并报警的故障诊断功能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子节气门控制方法为：基于规则控制的控制方法，以目标位置和实际位置的偏差以及节气门运动速度为规则条件，将节气门的控制过程分为几个控制阶段，每个阶段给予相应的PWM值，且PWM值对不同类型节气门和节气门不同磨损程度具有通用适应性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始位置学习方法为：每次ECU启动都进行学习，并将学习的结果存在存储器中，以此初始位置决定节气门不同结构的分界点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压补偿方法为：每个控制周期，采集AD电压，计算实际电压与额定电压差异。若实际电压小于额定电压，则以额定电压和实际电压的差值为比例增加PWM值；若实际电压大于额定电压，则以实际电压和额定电压差值为比例减小PWM值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述诊断方法为：每一阶段的PWM值都能节气门在特定的时间内运动一定的位置变化值。本判断认为，若某一阶段在PWM作用超过某一值时而节气门运动的速度或位置变化没有达到特定值时，即认为故障。

6.一种发动机电子节气门控制的装置，其特征在于，包括：发动机其他状态信息采集模块、踏板位置和加速传感器、ECU模块、直流电机驱动模块、电子节气门模块、CAN通信模块、串口通信模块。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述发动机其他状态信息采集模块包括：转速信号采集、进气压力采集、冷却水温度采集、进气温度采集、氧传感器信号采集等反映发动机工作状态的相关信号采集。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述踏板位置和加速传感器模块包括：用来反映踏板位置和变化速度，并通过ECU模块的AD转换输入到ECU的计算判定学习模块中，同时也输入到诊断模块中，进行故障诊断。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述ECU模块包括：包括AD转换模块、用于故障诊断的诊断模块、ECU进行电子节气门控制器计算的学习判定诊断模块和用于生成驱动电路控制信号PWM输出模块。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述直流电机驱动模块包括：用于将ECU输出的PWM控制信号转换为直流电机的电流信号，实现信号与执行器件连接，并具有SPI功能和电流设置功能，能进行故障诊断和电流限制。

11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电子节气门模块，包括直流电机模块、减速齿轮组模块、节气门阀模块和位置传感器模块，直流电机带动减速齿轮组和节气门运动，位置传感器反馈节气门位置，以用于闭环控制。

12.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述CAN通信模块，用来接收整车中其它控制ECU的信号，从而根据整车状况对发动机和电子节气门做出相应调整；

13.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述串口通信模块，可实现PC机和ECU的通信，可以实现程序在线修改和在线监控功能。

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