CN104534145B - 电动阀门位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动阀门位置控制方法，在电动阀门运行过程中，控制器获取实际位置信号，通过比较目标位置和实际位置来确定电机的旋转方向，并计算当前位置和实际位置的偏差；当位置偏差大于临时停靠范围时，将目标位置设定为临时停靠点，并计算电机PID调节占空比的比例项、积分项和微分项；当电机运行到临时停靠点附近时，延时一段时间，而后将目标位置设定回原始目标位置，重新计算位置偏差之后，再通过PID控制策略计算占空比调节的比例项、积分项和微分项，当电机运行到原始目标位置后，保持当前开度。其优点是：在电动阀门位置PID控制的基础上增加临时停靠策略，在提高了阀门响应时间的前提下，消除了阀门过冲现象，保证了电机可靠稳定的运行。

Description

电动阀门位置控制方法

技术领域

本发明涉及汽车电气自动化控制领域，具体是一种电动阀门位置控制方法。

背景技术

如果电动阀门在全开和全关位置产生过冲现象，将会导致阀门撞击机械限位机构，久而久之将会影响阀体的可靠性和耐久性，导致阀体寿命缩短，同时，过冲现象的调节过程也会增加电子阀门的调节响应时间。

中国专利CN101573525A公开了一种EGR阀控制装置，该装置包括：进行EGR阀开关控制的电机、检测EGR阀实际开度的位置传感器，以及根据EGR阀的目标位置和实际位置算出电机驱动占空比的电机控制装置。当EGR阀的目标位置被设定时，电机控制装置通过计算积分项、比例项、微分项和前馈项得出所述电机的驱动占空比，进行EGR阀的开闭控制。控制方法主要通过PID策略，根据目标位置和实际位置的差值，计算比例项、积分项和微分项，从而控制电机运行的占空比。应用这种方法，电机的响应速度和阀门过冲是一对不可协调的矛盾。当阀门的目标位置和实际位置偏差较大时，为了保证电动阀门的响应时间，单纯的PID控制在目标位将会产生过冲现象。如果在阀门全开或者全闭的位置，过冲将导致阀门敲击机械限位装置，久而久之将会影响到阀门的性能，缩短了阀门的寿命。如果要用单纯的PID控制策略来消除目标位置处的过冲现象，将会使得在阀门靠近目标位置时，阀门的运动时间过长而不满足阀门的响应时间要求。

中国专利CN101408133B公开了一种电子节气门的控制方法，大范围调节时需要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。而电机在运动过程中，控制器通常只能获得电机的转速，这与阀门开度变化率还有着一定换算关系。而且阀门开度变化率与机械结构密切相关，如果机械结构调整需要重新计算换算关系。因此阀门开度的变化率计算比较复杂，且重用性不高。

由于车用电动阀门的恶劣工作条件和发动机排放要求的提高，对阀门的可靠性和瞬态响应特性要求越来越严格。因此，寻找一种在电动阀门开度连续变化的情况下也能保证阀门稳定迅速运行的控制方法，具有很重要的现实意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种电动阀门的位置控制方法。本发明应用在电子阀门位置调节时，消除了过冲现象，同时还优化了阀门的响应时间。

按照本发明提供的技术方案，所述的电动阀门位置控制方法为：在电动阀门运行过程中，控制器获取实际位置信号，通过比较目标位置和实际位置来确定电机的旋转方向，并计算当前位置和实际位置的偏差；根据偏差大小采用临时停靠位置PID控制方式；使阀门能够迅速稳定的调节到目标位置。

临时停靠控制时，设定一个临时停靠范围阈值，根据目标位置与实际位置偏差，判断是否需要设定临时停靠点；当位置偏差小于或等于所设定的临时停靠范围阈值时，则不需要设定临时停靠点，控制策略直接通过占空比PID调节，将阀门移动到目标位置；当位置偏差大于所设定的临时停靠范围阈值时，设定临时停靠点。

阀门位置PID调节过程中，当位置偏差大于临时停靠范围时，将目标位置设定为临时停靠点，并计算电机PID调节占空比的比例项、积分项和微分项，位置PID调节至临时停靠点；当电机运行到临时停靠点时，延时一段设定时间，而后将目标位置设定回原始目标位置，重新计算位置偏差之后，再通过PID控制策略计算占空比调节的比例项、积分项和微分项，位置PID调节至原始目标位置，当电机运行到原始目标位置后，保持当前开度。

控制电机旋转方向时，如果目标位置大于实际位置，则控制阀门打开；如果目标位置小于实际位置，则控制阀门关闭。

临时停靠点的确定原则是：从该点到原始目标位置范围内，通过PID控制调节，EGR阀门的运动平稳，不会产生过冲现象。

对于具有回位弹簧的阀门，开启和关闭时采用不同的PID控制参数。

本发明的优点是：本发明在电动阀门位置PID控制的基础上增加临时停靠策略，在电机运行过程中，解决了阀门过冲和响应时间这对矛盾。在提高了阀门响应时间的前提下，消除了阀门过冲现象，保证了电机可靠稳定的运行。

附图说明

图1是带EGR阀的燃油系统结构图。

图2是EGR位置控制方法流程图。

图3是调节EGR阀门从关闭到全开时位置调节过程示意图。

图4是调节EGR阀门从全开到关闭时位置调节过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供的电动阀门位置控制方法为：在电动阀门运行过程中，控制器获取实际位置信号，根据实际位置确定电机的旋转方向，并计算当前位置和实际位置的偏差。当位置偏差大于临时停靠范围时，将目标位置设定为临时停靠位置，并计算电机PID调节占空比的比例项、积分项和微分项。当电机运行到临时目标位置附近时，延时一段时间。而后将目标位置设定为原始目标位置，重新计算位置偏差之后，再通过PID控制策略计算占空比调节的比例项、积分项和微分项，当电机运行到原始目标位置后，保持当前开度。

不同的电动阀门机械结构参数，其对应的临时停靠点和停靠延时T0是不一样的，主要通过实验确定。临时停靠点的确定原则是在该范围内，通过PID控制调节，EGR阀门的运动平稳，不会产生过冲现象。停靠延时主要用来消除电动阀门在大范围运动过冲中的惯性，需要根据具体的机械结构参数，标定合适的范围。如果停靠延时选择过小，则对阀门运动惯性消除不明显，如果停靠延时选择过大，则会影响到整个阀门的响应时间。

类似于车用EGR阀门，阀体内部设有弹簧机构，保证EGR阀在异常状态下靠机械回位，因此，这类具有回位弹簧的阀门开启和关闭时的PID控制参数和临时停靠范围都有所区别。

以下选用本发明运用于智能EGR阀控制器上的电动阀门位置控制方法作为实施例进行详细说明。

EGR技术就是将发动机排放的一部分废气冷却后，通过一个控制阀将其引入到进气管中，与新鲜空气混合之后共同参与燃烧，利用废气中所含有大量的二氧化碳，降低燃烧温度，以减少尾气中NOx的排放。同时，引入的废气对新鲜空气中氧含量有一定的稀释作用，进一步降低了NOx的排放。根据废气是否通过发动机的进气系统，EGR可以分为内部EGR和外部EGR。相对于内部EGR来讲，外部EGR能够使得废气经过冷却之后，在参与燃烧前与新鲜空气充分混合，同时电控EGR阀可以精确控制EGR率，优化发动机性能，使得发动机排放、性能和油耗达到一个平衡，因此目前应用较为广泛。图1为典型的外部EGR系统简单示意图，包括压气机1、涡轮机2、内燃机3、EGR阀4和气体管路。EGR阀门智能控制单元通过控制EGR阀4的开度来调节引入的废气量，以满足不同工况的需求。

图2为EGR阀位置控制方法流程图。控制方法包括电机方向控制部分、电机占空比位置PID调节部分和临时停靠控制部分三个子模块。

电机方向控制部分主要通过比较目标位置和实际位置来确定电机的旋转方向。如果目标位置大于实际位置，则控制EGR阀打开；如果目标位置小于实际位置，则控制EGR阀门关闭。如果在EGR阀门工作过程中产生故障，将会使得废气引入进气不受控，导致整车动力性、经济性和排放的恶化。因此，EGR阀门存在回位弹簧，当阀门控制器失效时，机械上保证EGR阀门自动关闭。回位弹簧的弹簧力使得EGR阀门开阀和关阀驱动占空比有所区别。一般来讲，EGR阀门在打开时，需要克服弹簧力，因此驱动占空比相对于关阀时较大。

电机占空比PID调节部分根据EGR阀所在的实际位置以及目标位置与实际位置的偏差，确定电机调节占空比的基本量Duty_Base和PID调节量Duty_PID。电机调节占空比基本量Duty_Base与EGR阀的实际开度有关，根据实际位置查询Duty_Base基本表格，确定占空比调节基本量。一般来讲，EGR阀门开度越大，Duty_Base越大。PID调节量Duty_PID由比例项、积分项和微分项组成。最终确定的电机占空比调节量Duty为Duty_Base和Duty_PID之和。

其中，Duty_PID = Duty_P + Duty_I + Duty_D;

式中的Duty_P、Duty_I和 Duty_D分别对应了比例项、积分项和微分项。比例项、积分项和微分项可以通过目标位置与实际位置偏差e(i)与PID系数Kp、Ki、Kd计算得到，也可以根据偏差通过查表直接获得。以比例项为例，Duty_P可以通过比例系数Kp与偏差e(i)的乘积计算得到，也可以以偏差为坐标轴，通过查询表格的方式直接得到比例项的值。对于比例项、积分项、微分项和最终的PID调节量来讲，都有一个限值，将PID调节最大量限制在一定范围内。对于标定完成的EGR系统来讲，如果发现PID调节量总是超出其设定的限值，则EGR系统可能存在异常现象，应该予以排除。

临时停靠控制部分需根据具体EGR阀门结构配置，设定一个临时停靠范围阈值，根据目标位置与实际位置偏差，判断是否需要设定临时停靠点。临时停靠点范围阈值是通过实验来确定的，不同的阀门以及不同运用场合该值是不一样的，确定的基本原则是在该阈值范围内移动时，阀门运动不出现或者出现很小范围的过冲现象。当位置偏差小于等于所设定的临时停靠范围阈值时，则不需要设定临时停靠点，控制策略直接通过占空比PID调节，将阀门移动到目标位置。EGR阀门在该范围内移动，不会产生过冲现象，并且响应也比较迅速。当位置偏差大于所设定的临时停靠范围阈值时，设定临时停靠点。EGR阀门首先通过位置PID调节，朝临时停靠点位置移动，当实际位置到达临时停靠点时，延时一段设定时间T0，然后再将EGR阀门运动到初始目标位置处，并在目标位置处保持。不同阀门的延时时间T0是不同的，需要通过标定实验来确定合适的延时时间。临时停靠策略消除了EGR阀门在大范围移动过程中的过冲现象，同时，在临时停靠范围以外，EGR阀门驱动占空比仅对相应时间有影响，并不会导致最终阀门的过冲现象，因此EGR阀门驱动占空比标定策略仅需要考虑相应时间特性，并不需要精确标定。

将本发明应用于多种机械结构参数不同的EGR阀门上，分别标定PID调整参数表格、临时停靠位置和停靠延时，发现EGR阀门在运动过程中，均没有产生过冲现象，而且响应时间也比单纯的PID调节迅速。图3，图4为某一种型号EGR阀位置调节过程示意图。虚线为目标位置，实线为实际位置。分别调节EGR阀门从关闭到全开和全开到关闭。由于EGR阀门开阀过程中需要克服机械回位弹簧力，而阀门关阀时回位弹簧力辅助阀门关闭，因此，关阀响应时间略小于开阀响应时间。如果EGR阀门控制策略不完善或者控制参数标定不合适，实际位置运动曲线将在目标位置处震荡，即产生过冲现象。过冲将对整个系统产生较大的冲击。本实例的实际位置运动规律曲线表明，由于EGR阀门为满量程开关阀，目标位置与实际位置偏差大于临时停靠范围阈值，临时停靠策略起作用，不管是EGR阀门全开还是全关，阀门响应迅速，在接近目标位置处均没产生过冲现象，在保证EGR响应特性的前提下，提高了阀门运行的稳定性和可靠性。

本发明所述电动阀门位置控制方法，并不局限于车用EGR阀、电子节气门等电器设备，其他场合类似结构的阀门的位置控制方法都在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.电动阀门位置控制方法，其特征是：在电动阀门运行过程中，控制器获取实际位置信号，通过比较目标位置和实际位置来确定电机的旋转方向，并计算当前位置和实际位置的偏差；根据偏差大小采用临时停靠位置PID控制方式；使阀门能够迅速稳定的调节到目标位置；

设定一个临时停靠范围阈值，根据目标位置与实际位置偏差，判断是否需要设定临时停靠点；当位置偏差小于或等于所设定的临时停靠范围阈值时，则不需要设定临时停靠点，控制策略直接通过占空比PID调节，将阀门移动到目标位置；当位置偏差大于所设定的临时停靠范围阈值时，设定临时停靠点。

2.如权利要求1所述电动阀门位置控制方法，其特征是，所述位置PID控制方式为：当位置偏差大于临时停靠范围时，将目标位置设定为临时停靠点，并计算电机PID调节占空比的比例项、积分项和微分项，位置PID调节至临时停靠点；当电机运行到临时停靠点时，延时一段设定时间，而后将目标位置设定回原始目标位置，重新计算位置偏差之后，再通过PID控制策略计算占空比调节的比例项、积分项和微分项，位置PID调节至原始目标位置，当电机运行到原始目标位置后，保持当前开度。

3.如权利要求1所述电动阀门位置控制方法，其特征是，控制电机旋转方向时，如果目标位置大于实际位置，则控制阀门打开；如果目标位置小于实际位置，则控制阀门关闭。

4.如权利要求1所述电动阀门位置控制方法，其特征是，临时停靠点的确定原则是：从该点到原始目标位置范围内，通过PID控制调节，EGR阀门的运动平稳，不会产生过冲现象。

5.如权利要求2所述电动阀门位置控制方法，其特征是，对于具有回位弹簧的阀门，开启和关闭时采用不同的PID控制参数。