CN101813209B - 采用无刷直流电机的执行阀控制模组及执行阀控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用BLDC电机的执行阀控制模组和执行阀控制方法。所述系统包括：无刷直流电机(44)，用于调节执行阀(1)的开度；执行阀位置传感器(41)，用于反馈执行阀位置信号；与执行阀位置传感器(41)连接的脉宽调制模块(42)，用于根据执行阀位置信号、执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号产生脉宽调制序列；与执行阀位置传感器(41)连接的解码模块(46)，用于根据执行阀位置信号解码出无刷直流电机换流控制逻辑；与脉宽调制模块(42)、解码模块(46)连接的电机驱动模块(43)，用于根据脉宽调制序列和无刷直流电机换流控制逻辑控制无刷直流电机(44)的绕组电流。实施本发明，BLDC不需要安装霍尔传感器，降低成本，提高系统的可靠性。

Description

采用无刷直流电机的执行阀控制模组及执行阀控制方法
【技术领域】
本发明涉及电动控制领域，具体涉及采用无刷直流电机的执行阀控制模组和控制方法，所述执行阀可以是但不限于汽车发动机的电子节气门（简称节气门）、汽车的废气再循环阀（简称EGR阀）等。
【背景技术】
执行阀是电动控制领域中常用的阀门，这种阀门通常在0～90度的范围内转动，0度是阀门关闭状态，而90是阀门最大开度状态。图6是现有的一种基于永磁直流有刷（PMDC）电机的执行阀控制模组的示意图。参考图6，执行阀控制模组2包括执行阀位置传感器（TPS）21、脉宽调制模块22、电机驱动模块23、PMDC电机24以及齿轮系25，其中，执行阀位置传感器21用于检测执行阀1’的开度并生成执行阀位置信号，脉宽调制模块22根据执行阀位置信号、以及执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号（given position signal）生成脉宽调制（PWM）序列，电机驱动模块23根据该PWM序列控制PMDC电机24，受控的PMDC电机24通过齿轮系25控制和调节执行阀1’的开度。这种方案的缺陷在于，因为PMDC电机是采用碳刷配合换向器进行电流换向的，而执行阀控制模组2为短时、断续和往复工作，导致碳刷经常与换向器的特定点或区域摩擦，导致换向器的对应位置容易产生电阻率高的氧化膜或者碳刷死点，从而导致PMDC电机运行故障，降低了执行阀控制模组的可靠性。
为克服上述的缺陷，业内提出了采用无刷直流（BLDC）电机作为动力源的方案。下面将结合图7阐述一种采用BLDC电机的节气门控制模组。节气门是汽车发动机的重要部件，节气门由节气门控制模组（ETC）控制，节气门控制模组是发动机控制模组（ECM）的一部分，换言之，发动机控制模组（ECM）作为节气门的管理系统，汽车运行时，ECM根据汽车加速踏板（也称为油门踏板）、车辆运行状态以及发动机的各种传感器信号产生执行阀给定开度信号，而ETC根据该执行阀给定开度信号来驱动电机以控制执行阀的开度，从而控制进入发动机的可燃混合气体的量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。
图7是采用BLDC电机的节气门控制模组3的示意图，图8是图7所示的BLDC电机的分解示意图。参考图7和图8，节气门控制模组3包括节气门位置传感器（TPS）31、脉宽调制模块32、电机驱动模块33、BLDC电机34以及齿轮系35，还包括BLDC电机换流逻辑模块36，换流逻辑模块36根据BLDC电机34反馈的霍尔位置信号产生对应的换流控制逻辑，电机驱动模块33根据该换流控制逻辑以及脉宽调制模块32产生的PWM序列对BLDC电机34进行绕组电流换向，受控的BLDC电机34通过齿轮系35控制节气门1’’的开度。BLDC电机34需要霍尔（Hall）位置传感器37来反馈位置信号，如图8所示。这种控制模组采用BLDC电机，避免了PMDC电机产生碳刷死点的缺陷，但是，这种节气门控制模组具有以下的缺陷：首先，BLDC电机34上装有用于检测转子转动位置的霍尔位置传感器37，而BLDC电机所在的环境温度通常高于霍尔位置传感器可耐受的最高工作温度，导致霍尔传感器失灵，进而导致节气门控制模组故障；其次，这种BLDC电机通常需要3个霍尔传感器，成本高，电机结构复杂，而且会导致8线的对外接线端子38（BLDC使用3线，3个霍尔传感器需要5线），加大了电气接口的复杂度，也增加了成本。
因此，亟需一种高可靠性的、低成本的执行阀控制模组。
【发明内容】
本发明提供一种采用无刷直流电机的执行阀控制模组，包括：无刷直流电机，用于通过齿轮系控制所述执行阀的开度；执行阀位置传感器，用于检测执行阀的开度并反馈执行阀位置信号；与执行阀位置传感器连接的脉宽调制模块，用于根据所述执行阀位置信号、以及执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号产生脉宽调制序列；与执行阀位置传感器连接的解码模块，用于根据所述执行阀位置信号解码出无刷直流电机换流控制逻辑；与脉宽调制模块、解码模块连接的电机驱动模块，用于根据所述脉宽调制序列和无刷直流电机换流控制逻辑控制所述无刷直流电机的绕组电流。
本发明还提供一种采用无刷直流电机的执行阀控制方法，包括以下步骤：接收执行阀位置传感器反馈的执行阀位置信号，通过模数转换器将所述执行阀位置信号转换成数字信号并定标；根据所述定标后的执行阀位置信号解码出对应的无刷直流电机的绕组换流控制逻辑，根据所述定标后的执行阀位置信号、执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号产生脉宽调制序列；根据所述脉宽调制序列、所述绕组换流控制逻辑控制无刷直流电机的绕组电流，通过无刷直流电机和齿轮系调节所述执行阀的开度。
实施本发明，将获得以下有益效果：本发明的执行阀控制模组采用无刷直流电机作为动力，避免了采用PMDC电机而导致的生成碳刷死点的缺陷；另外，本发明能够根据执行阀的位置反馈信号解码出无刷直流电机绕组换流控制逻辑，不需要使用位置传感器（例如霍尔元件）来检测转子位置，降低了成本，提高了系统的可靠性。
【附图说明】
图1是本发明采用BLDC的执行阀控制模组的原理框图；
图2是本发明一个实施例中无刷直流电机、齿轮系和节气门的示意图；
图3是本发明一实施例的节气门控制模组的脉宽调制模块、解码模块和电机驱动模块的示意图；
图4是图3所示的功能模块处理信号的流程图；
图5是本发明一个实施例中三相无刷直流电机功率变换电路示意图；
图6是现有的采用有刷PMDC电机的执行阀控制模组的原理框图；
图7是现有的采用BLDC的节气门控制模组的原理框图；
图8是图7所示控制模组的BLDC电机的示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明的进行阐述。
图1是本发明的采用BLDC电机的执行阀控制模组的原理框图，执行阀控制模组是执行阀管理系统的一部分，执行阀控制模组根据执行阀的反馈信息、以及执行阀管理系统提供给定位置信号调节执行阀的开度。参考图1，执行阀控制模组4包括执行阀位置传感器41、脉宽调制模块42、解码模块46、电机驱动模块43、无刷直流电机44以及齿轮系45。其中，执行阀位置传感器41检测执行阀1的开度并产生执行阀位置信号。脉宽调制模块42和执行阀位置传感器41连接，根据执行阀位置传感器41的执行阀位置信号以及执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号产生脉宽调制（PWM）序列；解码模块46也连接到执行阀位置传感器41，根据执行阀位置传感器41反馈的执行阀位置信号解码出无刷直流电机的绕组换流控制逻辑。电机驱动模块43连接脉宽调制模块42和解码模块46，根据上述脉宽调制序列和绕组换流控制逻辑控制无刷直流电机44的绕组电流，受控的无刷直流电机44通过齿轮系45控制执行阀1的开度。
图1所示的执行阀控制模组采用无刷直流电机作为动力源，克服了现有的采用永磁直流电机（PMDC）作为动力源而带来的故障率高、可靠性差等缺陷。此外，本发明的执行阀控制模组从执行阀位置信号解码出对应的无刷直流电机绕组换流控制逻辑，不再需要在无刷直流电机上安装霍尔位置传感器，简化了电机和电气接口结构，降低了成本，大大提高了系统的可靠性。优选地，齿轮系45为减速齿轮系，这样，能够采用输出转矩较小的电机来调节执行阀1，从而能够尽可能地减小电机的体积和重量。
执行阀1可以是汽车发动机的电子节气门（简称节气门）、汽车发动机的废气再循环阀（简称EGR阀）、空调风道的阀门（在0～90度范围内转动）等等。
在本发明的一个实施例中将图1所示的执行阀控制模组应用到节气门控制领域。图2是该实施例中无刷直流电机、齿轮系和节气门的示意图。参考图2，齿轮系包括驱动齿轮4501、传动齿轮4502和从动齿轮4503，其中，驱动齿轮4501安装在无刷直流电机44的输出轴上，从动齿轮4503安装在节气门1转轴上，而传动齿轮4502安装在驱动齿轮4501和从动齿轮4503之间。在本实施例中，传动齿轮4502包括同心地固定在一起的第一齿轮盘和第二齿轮盘，第一齿轮盘与驱动齿轮4501啮合并由驱动齿轮4501驱动，第二齿轮盘与从动齿轮4503啮合并驱动从动齿轮4503，第一齿轮盘的外径大于第二齿轮盘的外径。优选地，从动齿轮4503的外径大于驱动齿轮4501的外径。
图3是将本发明应用到节气门控制领域时的脉宽调制模块、解码模块和电机驱动模块的示意图。参考图1和图3，脉宽调制模块42主要对信号（例如ADC1输出的节气门位置信号、ADC2输出的节气门给定开度信号）进行PID（比例、积分和微分）处理并生成PWM序列；解码模块46主要包括模数转换器（ADC1）和解算模块，用于生成无刷直流电机的绕组换流控制逻辑；而电机驱动模块43根据上述PWM序列和换流控制逻辑驱动BLDC电机。下面将结合图4阐述各个模块对信号进行处理的流程。
参考图3和图4，该处理流程包括两个处理支路，其中一个支路包括步骤S101、S103和S105，另一个支路包括步骤S102、S104和S106，并且，步骤S105和步骤S106最后汇合到步骤S110。步骤S101和S103中，ADC1（模数转换器）接收节气门位置传感器反馈的节气门位置信号，将节气门位置信号转换成数字信号并定标（重新定义零点、范围等），定标后的信号分两路处理，一路进入步骤S105由解算模块进行处理，另一路进入步骤S106由PWM（脉宽调制）模块进行处理。在步骤S105中，解算模块根据定标后的节气门位置信号解码出无刷直流电机转子与当前节气门开度对应的电气角度，并根据该电气角度解码出对应的无刷直流电机的绕组换流控制逻辑。
另一方面，步骤S102和S104中，ADC2（模数转换器）接收由ECM提供的节气门给定开度信号，并将节气门给定开度信号转换成数字信号，接着，流程进入步骤S106。步骤S106中，PWM模块对上述定标后的节气门位置信号（由步骤S103提供）、数字化的节气门给定开度信号（由步骤S104提供）进行PID（比例、积分和微分）处理得到脉宽调制（PWM）信号，并最终产生PWM序列。最后，步骤S105和S106都汇合到步骤S110，在步骤S110中，发电机驱动模块根据上述PWM序列、换流控制逻辑控制无刷直流电机的绕组电流。
在一个实施例中，无刷直流电机的换流驱动电路如图5所示，解码模块46根据以下等式计算电气角度：
G = Rem [ ( X 2 n * RANG * m * P ) / 360 ] , 其中，G为无刷直流电机的转子转动的电气角度，Rem[]函数用于取余数，X为定标后的节气门位置信号，n为模数转换器的转换精度位数，RANG为节气门3的最大转动角度，m为齿轮系的减速系数，P为无刷直流电机的转子极对数。
接着，解码模块46根据所计算得到的电气角度G结合以下表1所示的控制逻辑表产生对应的绕组换流控制逻辑。
G 0-60 60-120 120-180 180-240 240-300 300-360
Q1 on on off off off off
Q2 off off on on off off
Q3 off off off off on on
Q4 off off off on on off
Q5 on off off off off on
Q6 off on on off off off
表1：绕组换流逻辑控制表
也就是说，对应于图5的三相功率变换电路，若G在0～60之间，Q1、Q5导通；若G在60～120之间，Q1、Q6导通；若G在120～180之间，Q2、Q6导通；若G在180～240之间，Q1、Q4导通；若G在240～300之间，Q3、Q4导通；若G在300～360之间，Q3、Q5导通，然后循环依次换流。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用无刷直流电机的执行阀控制模组，包括：
无刷直流电机（44），用于通过齿轮系（45）调节执行阀（1）的开度；
执行阀位置传感器（41），用于检测执行阀（1）的开度并反馈执行阀位置信号；
与执行阀位置传感器（41）连接的脉宽调制模块（42），用于根据所述执行阀位置信号、执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号产生脉宽调制序列；
与执行阀位置传感器（41）连接的解码模块（46），用于根据所述执行阀位置信号解码出无刷直流电机换流控制逻辑；
与脉宽调制模块（42）、解码模块（46）连接的电机驱动模块（43），用于根据所述脉宽调制序列和无刷直流电机换流控制逻辑控制所述无刷直流电机（44）的绕组电流；
所述无刷直流电机不需要位置传感器来检测转子转动位置；
其特征在于，所述解码模块（46）包括：
模数转换器，用于将所述执行阀位置信号转换成数字信号并定标；以及
解算模块，用于根据所述定标后的执行阀位置信号、所述模数转换器的转换精度、所述无刷直流电机（44）的转子极对数以及齿轮系（45）的减速系数解算出无刷直流电机的转子对应于执行阀开度的电气角度，并根据所述电气角度产生所述无刷直流电机的绕组换流控制逻辑；
所述解码模块（46）根据以下等式计算无刷直流电机的转子电气角度G：
Figure FDA00003157596400011
其中，Rem[]函数用于取余数，X为定标后的执行阀位置信号，n为所述模数转换器的转换精度位数，RANG为执行阀（1）的最大转动角度，m为所述齿轮系（45）的减速系数，P为所述无刷直流电机的转子极对数。
2.根据权利要求1所述的执行阀控制模组，其特征在于，所述齿轮系（45）为减速齿轮系，包括：
驱动齿轮（4501），安装在所述无刷直流电机（44）输出轴上；
从动齿轮（4503），安装在所述执行阀（1）的转轴上，外径大于所述驱动齿轮（4501）的外径；以及
传动齿轮（4502），安装在所述驱动齿轮（4501）和从动齿轮（4503）之间并与所述驱动齿轮（4501）和从动齿轮（4503）啮合。
3.根据权利要求2所述的执行阀控制模组，其特征在于，所述传动齿轮（4502）包括同心地固定在一起的第一齿轮盘和第二齿轮盘，所述第一齿轮盘与所述驱动齿轮（4501）啮合，所述第二齿轮盘与所述从动齿轮盘（4503）啮合，所述第一齿轮盘的外径大于所述第二齿轮盘的外径。
4.一种采用无刷直流电机的执行阀控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收执行阀位置传感器反馈的执行阀位置信号，通过模数转换器将所述执行阀位置信号转换成数字信号并定标；
根据所述定标后的执行阀位置信号解码出对应的无刷直流电机的绕组换流控制逻辑，根据所述定标后的执行阀位置信号、执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号产生脉宽调制序列；
根据所述脉宽调制序列、所述绕组换流控制逻辑控制无刷直流电机的绕组电流，通过无刷直流电机和齿轮系调节所述执行阀的开度;
所述解码出对应的无刷直流电机的绕组换流控制逻辑的步骤包括：
根据定标后的执行阀位置信号、所述模数转换器的转换精度位数、所述无刷直流电机的极对数解算出与无刷直流电机的转子对应于执行阀位置的电气角度G；
根据所述电气角度G解码出对应的无刷直流电机绕组换流控制逻辑;
计算无刷直流电机的转子电气角度G的方法是： G = Rem [ ( X 2 n * RANG * m * P ) / 360 ] , 其中，Rem[]函数用于取余数，X为定标后的执行阀位置信号，n为所述模数转换器的转换精度位数，RANG为执行阀（3）的最大转动角度，m为所述齿轮系（2）的减速系数，P为所述无刷直流电机的转子极对数。
5.根据权利要求4所述的执行阀控制方法，其特征在于，所述齿轮系为减速齿轮系，包括驱动齿轮（4501）安装在所述无刷直流电机输出轴上、从动齿轮（4502）安装在所述执行阀转轴上、传动齿轮（4503）安装在所述驱动齿轮和从动齿轮之间并与所述驱动齿轮和从动齿轮啮合，所述从动齿轮的外径大于所述驱动齿轮的外径。
6.一种采用无刷直流电机的执行阀控制模组，包括：
无刷直流电机（44），用于通过齿轮系（45）调节执行阀（1）的开度；
执行阀位置传感器（41），用于检测执行阀（1）的开度并反馈执行阀位置信号；
与执行阀位置传感器（41）连接的脉宽调制模块（42），用于根据所述执行阀位置信号、执行阀管理系统提供的执行阀给定开度信号产生脉宽调制序列；
与执行阀位置传感器（41）连接的解码模块（46），用于根据所述执行阀位置信号解码出无刷直流电机换流控制逻辑；
与脉宽调制模块（42）、解码模块（46）连接的电机驱动模块（43），用于根据所述脉宽调制序列和无刷直流电机换流控制逻辑控制所述无刷直流电机（44）的绕组电流；
其特征在于，所述解码模块（46）包括：
模数转换器，用于将所述执行阀位置信号转换成数字信号并定标；以及
解算模块，用于根据所述定标后的执行阀位置信号、所述模数转换器的转换精度、所述无刷直流电机（44）的转子极对数以及齿轮系（45）的减速系数解算出无刷直流电机的转子对应于执行阀开度的电气角度，并根据所述电气角度产生所述无刷直流电机的绕组换流控制逻辑；
所述解码模块（46）根据以下等式计算无刷直流电机的转子电气角度G：其中，Rem[]函数用于取余数，X为定标后的执行阀位置信号，n为所述模数转换器的转换精度位数，RANG为执行阀（1）的最大转动角度，m为所述齿轮系（45）的减速系数，P为所述无刷直流电机的转子极对数。
7.根据权利要求6所述的执行阀控制模组，其特征在于，所述齿轮系（45）为减速齿轮系，包括：
驱动齿轮（4501），安装在所述无刷直流电机（44）输出轴上；
从动齿轮（4503），安装在所述执行阀（1）的转轴上，外径大于所述驱动齿轮（4501）的外径；以及
传动齿轮（4502），安装在所述驱动齿轮（4501）和从动齿轮（4503）之间并与所述驱动齿轮（4501）和从动齿轮（4503）啮合。
8.根据权利要求7所述的执行阀控制模组，其特征在于，所述传动齿轮（4502）包括同心地固定在一起的第一齿轮盘和第二齿轮盘，所述第一齿轮盘与所述驱动齿轮（4501）啮合，所述第二齿轮盘与所述从动齿轮盘（4503）啮合，所述第一齿轮盘的外径大于所述第二齿轮盘的外径。
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