CN106194447A - 电子节气门控制方法及其节气门系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电子节气门控制方法，其特征在于，发动机控制器上电时，发动机运行之前进行节气门零位自学习，学习方法包括：机械零位自学习；角度开度上限自学习；电压‑角度斜率自学习。‑。本发明自学习控制方法采用步进电机控制节气门阀片转动，利用节气门角度位置传感器测量实际节气门开度，通过设计电子节气门自学习算法学习电子节气门机械零位的节气门位置传感器电压值与传感器信号与电子节气门开度的斜率对应关系。从而实现电子节气门的航空应用，实现发动机进气系统的电子节气门精确控制。

Description

电子节气门控制方法及其节气门系统

技术领域

本发明涉及发动机控制领域，尤其涉及发动机中电子节气门控制方法的改进。

背景技术

电子节气门是汽油发动机控制发动机功率的最基本途径，利用节气门的节流效应使发动机在不同工况需求时达到理想的发动机进气效率，配合发动机喷油与点火，使发动机按需求进行燃烧为飞机提供所需的功率。

节气门控制的稳定性与准确性是精确控制发动机燃烧新鲜空气量的关键，从而保障发动机平稳精准的转速、功率控制。

航空发动机对动力性、经济性、安全性要求比较严格，不能完全直接采用汽车发动机的控制方式，这要求采用新型的电子节气门与新的节气门控制方法。

当前航空应用发动机进气节气门以机械节气门为主，节气门控制方法采用机械控制方法。机械节气门控制需要油门舵机、拉线等机械部件，在重量上处于劣势。而机械节气门控制完全依靠飞行员或无人机飞手直接控制，不同操作人员控制的稳定性、准确性受个体经验、制造误差、环境误差各方面影响大，不能达到产品性能的一致性以及安全可靠性要求。而且由于产品应用时间与空间维度的变化，导致产品应用在不同季节、不同地区、不同高度时由于空气密度的变化，发动机电子节气门的机械零位与传感器电压对角度的变化斜率有一定误差范围，机械节气门系统无法自动学习，从而带来操作人员的控制操作困难，降低任务执行效率、平顺性与安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种电子节气门自学习控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：电子节气门控制方法，发动机控制器上电时，发动机运行之前进行节气门自学习，学习方法包括：

机械零位自学；

角度开度上限自学习习；

电压-角度斜率自学习。

所述机械零位自学的包括以下四种自学方法；

1)当发动机转速检测为零、且节气门驱动和节气门位置传感器无故障，则控制节气门阀片朝机械零位匀速运动，直到节气门角度位置传感器电压进入零位范围允许区间内，并且在运动过程中步进电机已经发生堵转，位置传感器电压不再向下变化，此时记录的角度位置传感器电压值为学习完成的节气门机械零位电压值，并记录此次电子节气门零位自学习完成，当节气门系统开始运行后以此零位电压值作为节气门开度为零位的标准电压值；

2)当电子节气门零位自学习过程超过设定时间没有完成，则记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，节气门系统开始运行；

3)当电子节气门零位自学习过程发动机开始运转，则自动退出节气门自学习过程，节气门系统开始运行；

4)当检测到节气门步进电机驱动或角度位置传感器有故障存在，影响电子节气门零位自学习的正常运行，则记录此次自学习失败并退出自学习控制策略，节气门系统开始运行。

当节气门自学习未成功完成时，且发动机需要进入正常运行阶段，则根据发动机控制器是否完成过节气门机械零位的自学习进行控制采用的节气门机械零位值选择：

a)若发动机控制器曾经正确的完成过对应电子节气门的零位自学习过程，则发动机控制器采用原先记录的自学习成功时的机械零位值进行电子节气门开度控制；

b)若发动机控制器一直没有正确的完成过对应电子节气门的零位自学习过程，则发动机控制器采用根据零部件特性设置的电子节气门机械零位值进行电子节气门开度控制。

所述角度开度上限自学习包括以下四种自学方法；

1)当发动机转速检测为零、且节气门驱动和节气门位置传感器无故障，则控制节气门阀片朝最大开度方向匀速运动，直到节气门角度位置传感器电压进入节气门最大开度允许区间内，并且在运动过程中步进电机已经发生堵转，位置传感器电压不再向上变化，此时记录的角度位置传感器电压值为学习完成的节气门开度上限电压值，并记录此次电子节气门开度上限自学习完成，根据此学习值与上一步的零位自学习值一起进行控制斜率计算；

2)当电子节气门开度上限自学习过程超过设定没有完成，则记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，节气门系统开始运行；

3)当电子节气门开度上限自学习过程发动机开始运转，此时自动退出节气门自学习过程，节气门系统开始运行；

4)当检测到节气门步进电机驱动或角度位置传感器有故障存在，影响电子节气门开度上限自学习的正常运行，则记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，节气门系统开始运行。

当节气门自学习没有成功完成时，发动机需要进入正常运行阶段的情况下，根据发动机控制器是否完成过节气门开度上限的自学习进行控制采用的节气门开度上限值选择：

a)发动机控制器曾经正确的完成过对应电子节气门开度上限自学习过程，发动机控制器采用原先记录的自学习成功时的开度上限值进行电子节气门开度控制；

b)发动机控制器一直没有正确的完成过对应电子节气门开度上限自学习过程，发动机控制器采用根据零部件特性设置的电子节气门开度上限值进行电子节气门开度控制。

所述机械零位自学习的步骤3)属于节气门零位自学习过程未完成，在后续运行中一旦发动机停止运行，则再次进入自学习过程重新进行机械零位自学习；

所述角度开度上限自学习的步骤3)属于节气门开度上限自学习过程未完成，在后续运行中一旦发动机停止运行，则再次进入自学习过程重新进行开度上限自学习。

所述电压-角度斜率自学习方法：角度开度上限自学习获得开度上限电压值与机械零位自学获得开度零位电压值之差，为节气门开度0％-100％的角度变化，根据等比关系获得传感器信号转化为节气门开度的控制斜率值。

使用所述电子节气门控制方法的节气门系统，系统包括执行电子节气门控制方法的发动机控制器，节气门本体上安装有采集节气门开度信号的角度位置传感器、驱动节气门开合的步进电机，所述角度位置传感器输出信号至发动机控制器，所述发动机控制器输出控制信号至步进电机。

所述的节气门系统为航空发动机电子节气门系统。

本发明自学习控制方法采用步进电机控制节气门阀片转动，利用节气门角度位置传感器测量实际节气门开度，通过设计电子节气门自学习算法学习电子节气门机械零位的节气门位置传感器电压值与传感器信号与电子节气门开度的斜率对应关系。从而实现电子节气门的航空应用，实现发动机进气系统的电子节气门精确控制。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为节气门系统框图；

图2为节气门系统学习方法控制流程图；

图3为图2中节气门机械零位自学习流程图；

图4为图2中节气门开度上限自学习流程图；

图5为节气门控制斜率算法图。

具体实施方式

如图1所示，电子节气门自学习控制系统组成，按图示方法通过发动机线束连接节气门本体、角度位置传感器、节气门驱动步进电机、发动机控制器。步进电机与位置传感器集成到节气门本体上，通过机械传动系统使步进电机可驱动节气门阀片转动；节气门位置传感器测量阀片实际转动角度值；通过发动机控制线束连接发动机控制器、电子节气门驱动步进电机、电子节气门位置传感器。组成完整的节气门自学习控制系统。

发动机控制器5V传感器供电、传感器信号地连接角度位置传感器的供电与地端子，角度位置传感器的输出信号线连接发动机控制器的AD采样通道，实时检测传感器信号电压0-5V。控制器步进电机驱动电路A、B、C、D四项端子通过线束接插件连接节气门体步进电机，通过A、B、C、D四项端子驱动步进电机运行，带动节气门阀片按控制方向正传、反转、保持位置不动，从而控制实现节气门达到预定位置。

采用高速步进电机驱动电子节气门阀片，步进电机驱动频率可达1000HZ，步进电机可精确控制按预期方向旋转精确步数，机械传动作为角度控制的基础，理论上可按预期进行运行步数控制精确控制节气门开度，精度达到0.075度。

如图2所示，电子节气门自学习系统框架流程图，按图示控制系统上电后，首先进行系统初始化，完成系统时钟、AD通道、步进电机驱动芯片功能的配置与初始化工作，使系统达到可正常运行状态。分别进行电子节气门系统机械零位自学习与电子节气门机械上限自学习，两个自学习过程完成后，进行电子节气门传感器信号电压与电子节气门开度对应关系斜率的计算，完成整个节气门零位与斜率的自学习过程。系统转入正常发动机控制状态。

如图3所示，节气门机械零位自学习的控制方法，在系统初始化之后，发动机控制器进行节气门零位自学习，此时可能存在以下4种情况：

1)发动机转速检测为零、节气门驱动以及节气门位置传感器没有故障的前提下，控制节气门阀片朝机械零位匀速运动，直到节气门角度位置传感器电压进入零位范围允许区间内，并且在运动过程中步进电机已经发生堵转，位置传感器电压不再向下变化。此时记录的角度位置传感器电压值为学习完成的节气门机械零位电压值，并控制器记录此次电子节气门零位自学习完成，在后续发动机控制中根据此零位电压值进行准确控制节气门开度；

2)电子节气门零位自学习过程消耗时间过长，超过2s钟没有学习完成，则表示此节气门存在机械方面故障，无法完成零位自学习，控制器记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，进入正常控制阶段策略；

3)电子节气门零位自学习过程发动机开始运转，此时控制器自动退出节气门自学习过程，进入发动机正常运行控制。但此时节气门零位自学习属于过程未完成，不足以判断自学习失败或成功，在后续运行中一旦发动机停止运行即可再次进入自学习过程重新进行机械零位自学习；

4)控制器检测到节气门步进电机驱动或角度位置传感器有故障存在，影响电子节气门零位自学习的正常运行，此时无法完成零位自学习，控制器记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，进入正常控制阶段策略。

当节气门自学习没有成功完成时，发动机需要进入正常运行阶段的情况下，根据控制器是否完成过节气门机械零位的自学习进行控制采用的节气门机械零位值选择：

a：发动机控制器曾经正确的完成过对应电子节气门的零位自学习过程，发动机控制器采用原先记录的自学习成功时的机械零位值进行电子节气门开度控制；

b:发动机控制器一直没有正确的完成过对应电子节气门的零位自学习过程，发动机控制器采用根据零部件特性设置的电子节气门机械零位值进行电子节气门开度控制；

如图4所示，电子节气门开度上限位置的自学习软件流程，此时与机械零位自学习一样，可能存在以下4种情况：

1)发动机转速检测为零、节气门驱动以及节气门位置传感器没有故障的前提下，控制节气门阀片朝最大开度方向匀速运动，直到节气门角度位置传感器电压进入节气门最大开度允许区间内，并且在运动过程中步进电机已经发生堵转，位置传感器电压不再向上变化。此时记录的角度位置传感器电压值为学习完成的节气门开度上限电压值，并控制器记录此次电子节气门开度上限自学习完成，根据此学习值与上一步的零位自学习值一起进行控制斜率计算；

2)电子节气门开度上限自学习过程消耗时间过长，超过2s钟没有学习完成，则表示此节气门存在机械方面故障，无法完成开度上限自学习，控制器记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，进入正常控制阶段策略；

3)电子节气门开度上限自学习过程发动机开始运转，此时控制器自动退出节气门自学习过程，进入发动机正常运行控制。但此时节气门开度上限自学习属于过程未完成，不足以判断自学习失败或成功，在后续运行中一旦发动机停止运行即可再次进入自学习过程重新进行开度上限自学习；

4)控制器检测到节气门步进电机驱动或角度位置传感器有故障存在，影响电子节气门开度上限自学习的正常运行，此时无法完成开度上限自学习，控制器记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，进入正常控制阶段策略。

当节气门自学习没有成功完成时，发动机需要进入正常运行阶段的情况下，根据控制器是否完成过节气门开度上限的自学习进行控制采用的节气门开度上限值选择：

a：发动机控制器曾经正确的完成过对应电子节气门开度上限自学习过程，发动机控制器采用原先记录的自学习成功时的开度上限值进行电子节气门开度控制；

b:发动机控制器一直没有正确的完成过对应电子节气门开度上限自学习过程，发动机控制器采用根据零部件特性设置的电子节气门开度上限值进行电子节气门开度控制。

如图5所示，电子节气门机械零位自学习与开度上限自学习完成的基础上，对节气门角度位置传感器电压值与对应节气门阀片开度斜率的计算算法，以满足精确的角度控制。通过节气门上限自学习电压值减零位自学习电压值，此电压范围表达节气门开度0％-100％的角度变化，计算传感器信号转化为节气门开度的控制斜率值。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.电子节气门控制方法，其特征在于，发动机控制器上电时，发动机运行之前进行节气门自学习，学习方法包括：

机械零位自学；

角度开度上限自学习习；

电压-角度斜率自学习。

2.根据权利要求1所述的电子节气门控制方法，其特征在于，所述机械零位自学的包括以下四种自学方法；

1)当发动机转速检测为零、且节气门驱动和节气门位置传感器无故障，则控制节气门阀片朝机械零位匀速运动，直到节气门角度位置传感器电压进入零位范围允许区间内，并且在运动过程中步进电机已经发生堵转，位置传感器电压不再向下变化，此时记录的角度位置传感器电压值为学习完成的节气门机械零位电压值，并记录此次电子节气门零位自学习完成，当节气门系统开始运行后以此零位电压值作为节气门开度为零位的标准电压值；

2)当电子节气门零位自学习过程超过设定时间没有完成，则记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，节气门系统开始运行；

3)当电子节气门零位自学习过程发动机开始运转，则自动退出节气门自学习过程，节气门系统开始运行；

4)当检测到节气门步进电机驱动或角度位置传感器有故障存在，影响电子节气门零位自学习的正常运行，则记录此次自学习失败并退出自学习控制策略，节气门系统开始运行。

3.根据权利要求2所述的电子节气门控制方法，其特征在于：当节气门自学习未成功完成时，且发动机需要进入正常运行阶段，则根据发动机控制器是否完成过节气门机械零位的自学习进行控制采用的节气门机械零位值选择：

a)若发动机控制器曾经正确的完成过对应电子节气门的零位自学习过程，则发动机控制器采用原先记录的自学习成功时的机械零位值进行电子节气门开度控制；

b)若发动机控制器一直没有正确的完成过对应电子节气门的零位自学习过程，则发动机控制器采用根据零部件特性设置的电子节气门机械零位值进行电子节气门开度控制。

4.根据权利要求3所述的电子节气门控制方法，其特征在于，所述角度开度上限自学习包括以下四种自学方法；

1)当发动机转速检测为零、且节气门驱动和节气门位置传感器无故障，则控制节气门阀片朝最大开度方向匀速运动，直到节气门角度位置传感器电压进入节气门最大开度允许区间内，并且在运动过程中步进电机已经发生堵转，位置传感器电压不再向上变化，此时记录的角度位置传感器电压值为学习完成的节气门开度上限电压值，并记录此次电子节气门开度上限自学习完成，根据此学习值与上一步的零位自学习值一起进行控制斜率计算；

2)当电子节气门开度上限自学习过程超过设定没有完成，则记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，节气门系统开始运行；

3)当电子节气门开度上限自学习过程发动机开始运转，此时自动退出节气门自学习过程，节气门系统开始运行；

4)当检测到节气门步进电机驱动或角度位置传感器有故障存在，影响电子节气门开度上限自学习的正常运行，则记录此次自学习失败，自学习控制策略退出，节气门系统开始运行。

5.根据权利要求4所述的电子节气门控制方法，其特征在于：当节气门自学习没有成功完成时，发动机需要进入正常运行阶段的情况下，根据发动机控制器是否完成过节气门开度上限的自学习进行控制采用的节气门开度上限值选择：

a)发动机控制器曾经正确的完成过对应电子节气门开度上限自学习过程，发动机控制器采用原先记录的自学习成功时的开度上限值进行电子节气门开度控制；

b)发动机控制器一直没有正确的完成过对应电子节气门开度上限自学习过程，发动机控制器采用根据零部件特性设置的电子节气门开度上限值进行电子节气门开度控制。

6.根据权利要求5所述的电子节气门控制方法，其特征在于：

所述机械零位自学习的步骤3)属于节气门零位自学习过程未完成，在后续运行中一旦发动机停止运行，则再次进入自学习过程重新进行机械零位自学习；

所述角度开度上限自学习的步骤3)属于节气门开度上限自学习过程未完成，在后续运行中一旦发动机停止运行，则再次进入自学习过程重新进行开度上限自学习。

7.根据权利要求4、5或6所述的电子节气门控制方法，其特征在于，所述电压-角度斜率自学习方法：角度开度上限自学习获得开度上限电压值与机械零位自学获得开度零位电压值之差，为节气门开度0％-100％的角度变化，根据等比关系获得传感器信号转化为节气门开度的控制斜率值。

8.使用权利要求1-7中任一项所述电子节气门控制方法的节气门系统，其特征在于：系统包括执行电子节气门控制方法的发动机控制器，节气门本体上安装有采集节气门开度信号的角度位置传感器、驱动节气门开合的步进电机，所述角度位置传感器输出信号至发动机控制器，所述发动机控制器输出控制信号至步进电机。

9.根据权利要求8所述的节气门系统，其特征在于：所述的节气门系统为航空发动机电子节气门系统。