CN105888854A - 一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法。在传统的PID柴油机用主动式电子节气门位置控制的基础上，提出了一种复位弹簧故障诊断方法：结合柴油机用主动式电子节气门数学模型，根据若干采样周期内的气门位置、驱动电机PWM占空比，实时计算出复位弹簧的弹性系数和初始扭矩，并和复位弹簧无故障时得到的标准值进行比较；若比较结果没有问题，则判定复位弹簧无故障，否则判定复位弹簧出现故障，并采取相应处理措施，以此提高电子节气门的使用可靠性。

Description

一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧故障诊断方法，特别涉及一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法。

背景技术

节气门是发动机控制进气量的一个重要部件，按照控制方式不同可以分为机械式拉线节气门和电子节气门两种，而电子节气门根据有无控制逻辑又被分为被动式电子节气门和主动式电子节气门，近年来主动式电子节气门逐渐被各发动机主机厂广泛应用。

柴油机用主动式电子节气门一般由控制器、驱动电机、传动齿轮、复位弹簧、气门、位置传感器构成。控制器在接收到发动机目标位置信号后通过PID控制算法控制驱动电机完成动作。

其中，复位弹簧可以使气门在电机掉电情况下重新回到安全初始位置，因而复位弹簧是否正常对电子节气门控制系统至关重要。复位弹簧异常主要产生于三个过程：加工过程、装配过程、使用过程。首先，在复位弹簧加工过程中，质检只能保证一定合格率，很难保证每个各体都能满足设计要求。其次，在电子节气门各零件装配过程中，也会引入装配误差。最后，在使用过程中，由于长期受静、动压变载荷，疲劳等因素影响，复位弹簧也可能会发生严重扭曲变形、簧丝裂痕、弹力不足等故障。所以，为了提高电子节气门的使用可靠性，在PID控制算法的基础上还应该增加弹簧诊断的逻辑。

发明内容

针对上述问题，在传统的PID柴油机用主动式电子节气门位置控制的基础上，本发明提出了一种复位弹簧故障诊断方法：结合柴油机用主动式电子节气门数学模型，根据若干采样周期内的气门位置、驱动电机PWM占空比，实时计算出复位弹簧的弹性系数和初始扭矩，并和复位弹簧无故障时得到的标准值进行比较；若比较结果没有问题，则判定复位弹簧无故障，否则判定复位弹簧出现故障，并采取相应处理措施，以此提高电子节气门的使用可靠性。如图1所示，根据复位弹簧故障诊断是否异常的判定结果，选择器选择输出结果，若复位弹簧故障诊断为异常则选择复位弹簧故障诊断异常处理的输出，否则选择发动机ECU指定目标位置的输出。

下面具体说明复位弹簧故障诊断方法，以及复位弹簧故障诊断异常处理方法。

步骤1.建立柴油机用主动式电子节气门数学模型：

以气门转轴为参考系，根据转动定律，建立如下方程：

M-T_s-T_d＝J·α (1)

其中，M为驱动电机传动到气门上的扭矩，T_s为复位弹簧的扭矩，T_d为滑动摩擦力产生的扭矩，J为转动惯量，α为角加速度。由于T_d<<T_s，所以方程可化简为：

M-T_s＝J·α (2)

假设第N控制时点的电机的占空比为Duty_N，本发明中Duty为矢量，正方向与ω相同，ω为气门转速，则此占空比在第N+1控制时点之前恒定，且输出功率为：

$P_N=P_{Max}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}---\left(3\right)$

其中，P_Max为占空比为100％时的电机功率。

考虑加速时的运动规律(占空比Duty_N与转度ω_N方向一致时)，有以下功率公式成立：

P_N＝M·ω_N (4)

其中，ω_N表示第N个采样点时的ω变量的值。

由式(3)(4)得出：

$M=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}---\left(5\right)$

为了保证气门在电机掉电情况下能被复位弹簧拉回至安全初始位置，所以复位弹簧在装配时具有一定初始扭矩T₀，则由胡克定律得到复位弹簧扭矩：

T_s＝K_s·θ+T₀ (6)

其中，K_s为复位弹簧弹性系数，θ为当前气门开度。结合式(5)和(6)，式(2)可化为：

$\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}-\left(\right(K_s\&CenterDot;\mathrm{\&theta;}+T_0)=J\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}---\left(7\right)$

步骤2.计算复位弹簧弹性系数K_s，初始扭矩T₀：

由式(7)可知，在第N控制时点，有：

$(K_s\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N+T_0)=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}-J\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_N---\left(8\right)$

在第N+1控制时点，有：

$(K_s\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}+T_0)=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{100}-J\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}---\left(9\right)$

则，由式(8)和(9)得到：

$K_s=\&lsqb;\frac{P_{Max}}{100}\&CenterDot;(\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}-\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_N})-J\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}-{\mathrm{\&alpha;}}_N)\&rsqb;/({\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&theta;}}_N)---\left(10\right)$

$T_0=\&lsqb;\frac{P_{Max}}{100}\&CenterDot;(\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N)-J\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_N\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N)\&rsqb;/({\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&theta;}}_N)---\left(11\right)$

假设控制周期(采样周期)为T，则

ω_N＝(θ_N-θ_N-1)/T (12)

α_N＝(ω_N-ω_N+1)/T (13)

由式(10)、(11)、(12)、(13)可知，只要获得三个连续采样周期的气门开度θ和两个连续采样周期的PWM的占空比Duty_N，即可求解出一组(K_sN,T_0N)。

步骤3.复位弹簧故障诊断异常处理的方法：

若通过以上公式求解出的(K_sN,T_0N)超出复位弹簧的弹性系数和初始扭矩的标准值一定范围，且持续一定时间，则判定复位弹簧异常。

在诊断到复位弹簧异常时，采取以下措施进行故障处理：

(1)驱动气门转到紧急位置(为复位弹簧异常设定的安全位置)，且保持在该位置，不响应发动机ECU信号，直到发动机关闭。

(2)通过状态线(发动机ECU和电子节气门控制器之间硬件连接线)，以图2方式向发动机ECU反馈复位弹簧异常故障信号(复位弹簧正常时状态线保持高电平)。

本发明的有益效果是：

在传统的PID柴油机用主动式电子节气门位置控制的基础上，提出了一种复位弹簧故障诊断方法：结合柴油机用主动式电子节气门数学模型，根据若干采样周期内的气门位置、驱动电机PWM占空比，实时计算出复位弹簧的弹性系数和初始扭矩，并和复位弹簧无故障时得到的标准值进行比较；若比较结果没有问题，则判定复位弹簧无故障，否则判定复位弹簧出现故障，并采取相应处理措施，以此提高电子节气门的使用可靠性。

附图说明

图1为本发明复位弹簧故障诊断及异常处理示意图；

图2为本发明中复位弹簧故障诊断异常处理的状态线信号输出示意图；

图3为本发明复位弹簧故障诊断的硬件环境示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。本发明的方法包括如下：

步骤1.建立柴油机用主动式电子节气门数学模型：

首先，搭建复位弹簧故障诊断的硬件环境：柴油机用主动式电子节气门的控制器通过AD转换将气门位置传感器的模拟信号转化为数字信号，同时通过CAN转接设备接收PC机(模拟发动机ECU)发送的目标位置指令，经PID控制输出PWM信号，再经过功率放大加载到电机，以驱动气门到达目标位置。如图3所示。

其次，以气门转轴为参考系，根据转动定律，建立如下方程：

M-T_s-T_d＝J·α (1)

其中，M为电机传动到气门上的扭矩，T_s为复位弹簧的扭矩，T_d为滑动摩擦力产生的扭矩，J为转动惯量，α为角加速度。由于T_d<<T_s，所以方程可化简为：

M-T_s＝J·α (2)

假设第N控制时点的电机的占空比为Duty_N(本发明中Duty为矢量，正方向与ω相同)，则此占空比在第N+1控制时点之前恒定，且输出功率为：

$P_N=P_{Max}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}---\left(3\right)$

考虑加速时的运动规律(占空比Duty_N与速度ω_N方向一致时)，有以下功率公式成立：

P_N＝M·ω_N (4)

由式(3)(4)得出：

$M=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}---\left(5\right)$

为了保证气门在电机掉电情况下能被复位弹簧拉回至安全初始位置，所以复位弹簧在装配时具有一定初始扭矩T₀，则由胡克定律得到复位弹簧扭矩：

T_s＝K_s·θ+T₀ (6)

其中，K_s为复位弹簧弹性系数，θ为当前气门开度。由式(5)和(6)，式(2)可化为：

$\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}-\left(\right(K_s\&CenterDot;\mathrm{\&theta;}+T_0)=J\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}---\left(7\right)$

步骤2.计算复位弹簧弹性系数K_s，初始扭矩T₀：

由式(7)可知，在第N控制时点，有：

$(K_s\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N+T_0)=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}-J\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_N---\left(8\right)$

在第N+1控制时点，有：

$(K_s\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}+T_0)=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{100}-J\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}---\left(9\right)$

则，由式(8)和(9)得到：

$K_s=\&lsqb;\frac{P_{Max}}{100}\&CenterDot;(\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}-\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_N})-J\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}-{\mathrm{\&alpha;}}_N)\&rsqb;/({\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&theta;}}_N)---\left(10\right)$

$T_0=\&lsqb;\frac{P_{Max}}{100}\&CenterDot;(\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N)-J\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_N\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N)\&rsqb;/({\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&theta;}}_N)---\left(11\right)$

假设控制周期(采样周期)为T，则

ω_N＝(θ_N-θ_N-1)/T (12)

α_N＝(ω_N-ω_N+1)/T (13)

由式(10)、(11)、(12)、(13)可知，只要获得三个连续采样周期的气门开度θ和两个连续采样周期的PWM的占空比Duty_N，即可求解出一组(K_sN,T_0N)。

步骤3.复位弹簧故障诊断实施及异常处理。

若通过上式(10)、(11)、(12)、(13)求解出的(K_sN,T_0N)超出复位弹簧的弹性系数和初始扭矩的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)一定范围(上下浮动10％)，且持续一定时间(本发明实施例中设为2s)，则判定复位弹簧异常。

所述复位弹簧的弹性系数和初始扭矩的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)通过产品下线自学习，增加复位弹簧自学习功能，得到标准值(K_s ^*,T₀ ^*)。

柴油机用主动式电子节气门在产品下线时，为了得到机械止点以及开度值换算比例，会进行自学习。在此阶段，针对复位弹簧弹性系数和初始扭矩，加入复位弹簧自学习功能。下面详述复位弹簧自学习功能：

开环驱动气门先到气门全开位置，再到气门闭合位置(同柴油机用主动式电子节气门常规自学习的气门动作)。

利用式(10)、(11)、(12)、(13)，在气门由全开位置到闭合位置过程中，解算出N组(K_s0,T₀₀)，(K_s1,T₀₁)，(K_s2,T₀₂)，…，(K_sN,T_0N)。

通过线性拟合，得到弹性系数和初始扭矩的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)。

判断学习到的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)是否满足设计要求的误差范围。若满足，则将(K_s ^*,T₀ ^*)存储至控制器主芯片EEPROM中，否则，判定自学习失败，再次上电后仍然继续进行如上产品下线自学习，直到自学习成功。

在诊断到复位弹簧异常时，采取以下措施进行故障处理：

(1)驱动气门转到紧急位置(为复位弹簧异常设定的安全位置，本实施例中设定该位置为气门开度5％的位置)，且保持在该位置，不响应发动机ECU信号，直到发动机关闭。

(2)通过状态线(发动机ECU和电子节气门控制器之间硬件连接线)，以图2方式向发动机ECU反馈复位弹簧异常故障信号，即以1s低电平、2s高电平交替向发动机ECU反馈当前故障状态，复位弹簧正常时状态线保持高电平。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.建立柴油机用主动式电子节气门数学模型；包括：

步骤1.1，以气门转轴为参考系，根据转动定律，建立如下方程：

M-T_s-T_d＝J·α

其中，M为驱动电机传动到气门上的扭矩，T_s为复位弹簧的扭矩，T_d为滑动摩擦力产生的扭矩，J为转动惯量，α为角加速度；

步骤1.2，考虑实际中T_d<<T_s，步骤1.1的方程简化为：

M-T_s＝J·α

步骤1.3，定义第N控制时点的电机的占空比为Duty_N，所述Duty为矢量，正方向与ω相同，ω为气门转速，则此占空比在第N+1控制时点之前恒定，得出输出功率为：

$P_N=P_{Max}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}$

其中，P_Max为占空比为100％时的电机功率。

步骤1.4，考虑加速时的运动规律，得出如下功率公式：

P_N＝M·ω_N

其中，ω_N表示第N个采样点时的ω变量的值；

步骤1.5，由步骤1.3、步骤1.4得出：

$M=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100};$

步骤1.6，为了保证气门在电机掉电情况下能被复位弹簧拉回至安全初始位置，复位弹簧在装配时赋有初始扭矩T₀，则由胡克定律得到复位弹簧扭矩：

T_s＝K_s·θ+T₀

其中，K_s为复位弹簧弹性系数，θ为当前气门开度；

步骤1.7，结合步骤1.2、步骤1.5、步骤1.6得出电子节气门数学模型为：

$\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}-(\left(K_s\&CenterDot;\mathrm{\&theta;}+T_0\right)=J\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}.$

步骤2.依据数学模型计算复位弹簧弹性系数K_s，初始扭矩T₀：包括：

步骤2.1，分别建立第N控制时点、第N+1控制时点的电子节气门数学模型：

$(K_s\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N+T_0)=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{100}-J\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_N;$

$(K_s\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}+T_0)=\frac{P_{Max}}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}\&CenterDot;\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{100}-J\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_{N+1};$

步骤2.2，由步骤2.1的关系式推导得出：

$K_s=\&lsqb;\frac{P_{Max}}{100}\&CenterDot;(\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}-\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_N})-J\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}-{\mathrm{\&alpha;}}_N)\&rsqb;/({\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&theta;}}_N);$

$T_0=\&lsqb;\frac{P_{Max}}{100}\&CenterDot;(\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_N\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_N}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-\frac{\left|{\mathrm{Duty}}_{N+1}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_{N+1}}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N)-J\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_N\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{N+1}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_N)\&rsqb;/({\mathrm{\&theta;}}_{N+1}-{\mathrm{\&theta;}}_N);$

步骤2.3，设定采样周期为T，建立ω_N、α_N的表达式：

ω_N＝(θ_N-θ_N-1)/T；

α_N＝(ω_N-ω_N+1)/T；

步骤2.4，结合步骤2.2、步骤2.3，获得三个连续采样周期的气门开度θ和两个连续采样周期的占空比Duty_N，即可求解出一组(K_sN,T_0N)。

步骤3.将步骤2计算的复位弹簧弹性系数K_s，初始扭矩T₀的值与复位弹簧的弹性系数和初始扭矩的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)进行比较，得出复位弹簧故障诊断结论。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法，其特征在于，步骤3中所述标准值(K_s ^*,T₀ ^*)由产品下线自学习得到，包括：

开环驱动气门先到气门全开位置，再到气门闭合位置；

在气门由全开位置到闭合位置过程中，利用步骤2.2、步骤2.3中的关系式，解算出N组(K_s0,T₀₀)，(K_s1,T₀₁)，(K_s2,T₀₂)，…，(K_sN,T_0N)；

将N组值通过线性拟合，得到弹性系数和初始扭矩的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)；

判断学习到的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)是否满足要求，不满足时，再次上电后继续进行上述过程，直到自学习成功，得到满足要求的弹性系数和初始扭矩的标准值(K_s ^*,T₀ ^*)。

3.根据权利要求1所述的一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法，其特征在于，步骤3中所述进行比较的方法为：判断计算的复位弹簧弹性系数K_s，初始扭矩T₀的值是否超出标准值(K_s ^*,T₀ ^*)的上下10％。

4.根据权利要求1所述的一种柴油机用主动式电子节气门复位弹簧故障诊断方法，其特征在于，还包括故障处理方法：根据复位弹簧故障诊断结论是否异常，选择器选择输出结果，若复位弹簧故障诊断为异常则选择复位弹簧故障诊断异常处理的输出，否则选择发动机ECU指定目标位置的输出；所述选择复位弹簧故障诊断异常处理的输出时采取的措施包括：

(1)驱动气门转到紧急位置，所述紧急位置设定为气门开度5％的位置，且保持在该位置，不响应发动机ECU信号，直到发动机关闭；

(2)通过状态线以1s低电平、2s高电平交替向发动机ECU反馈当前故障状态。