CN108345244B - 控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法和电路 - Google Patents

控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法和电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法，包括：电磁式执行器L的驱动周期包括三个阶段:第一闭环控制阶段、开环控制阶段、第二闭环控制阶段；第一闭环控制阶段闭环控制电磁式执行器L的驱动电流I持续上升直至达到驱动电流峰值；在开环控制阶段，对电磁式执行器L的驱动电流I进行开环控制，以PWM信号控制电磁式执行器L的驱动电流；找到在开环控制阶段中驱动电流I的最低点即特征点，该特征点对应的时刻也就是电磁式执行器的开启时刻；在第二闭环控制阶段闭环控制电磁式执行器L的驱动电流以保持维持电流。本发明可降低诊断成本，通过执行器驱动的过程进行诊断，消除开启累计误差，提高诊断的准确性。

Description

控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法和电路
技术领域
本发明涉及发动机电控驱动领域，尤其是一种控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法。
背景技术
内燃机的电磁式执行器驱动，特别是在节气门的阀门部件的控制，需要精准的驱动控制。国外的专利如EP1653066B1，是相近领域的控制方法，但是只是提出了驱动的基本框架，并没有在驱动的过程中做自诊断的设计。同样，日本的P2012-29312A同样也只是做了驱动的细节优化，比如电流的控制精度等设计，并没有做诊断方面的相关设计。国内专利201410145536.2描述的是中低速磁悬浮列车的电参数在线检测手段，虽然也是利用了电感的电流不可突变特性，但是主要是采用PWM时间内的具体电流上升时间以及电流变化和电压变化的参数变化做的算法分析电阻电感参数的变化，与本发明的诊断模式不一致。另外，三菱电机的专利201280015012.0的电磁制动器状态诊断装置，是通过电感与弹簧之间的相互位置变化产生的电流变化推断出按压力与制动器行程的关系以及吸引力与制动器行程的关系来检测制动器行程和按压力，简单而言是通过执行器与弹簧不同位置的电流相对值之间的变化来推断最终结果，与本发明涉及的内燃机控制领域的时间点判断有着本质的不同。
电磁式执行器实际开启时刻与控制信号之间的误差，加上复杂工况会形成累计公差，影响系统控制的精度。
目前通过外置传感器的方式来判断电磁式执行器的实际工作状态。外置传感器方案，存在以下两个问题：
1)增加成本，不仅仅是传感器本身带来的额外成本，还带有整个工艺的成本支出；
2)增加系统复杂度，需要另外增加传感器处理电路和信号处理电路；另外也对机械结构设计提出额外的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法和相应的电路，可以在驱动执行器的过程中，替代传感器的位置检测功能，并且对执行器本身的工作状态提供诊断功能。本发明采用的技术方案是：
一种控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动电路，包括MCU、开环驱动电路、闭环驱动电路、反馈电路、AD采样模块、逻辑与、逻辑或、第一驱动管Q1、第二驱动管Q2、电阻R1、二极管D1；
MCU分别连接开环驱动电路和闭环驱动电路的输入端，开环驱动电路的输出端接逻辑或的一个输入端；闭环驱动电路的输出端接逻辑与的一个输入端；逻辑与的输出端接逻辑或的另一个输入端；逻辑或的输出端接第一驱动管Q1的栅极，第一驱动管Q1的漏极接供电电源，源极接二极管D1的阴极和电磁式执行器L的一端；二极管D1的阳极接地；电磁式执行器L的另一端接第二驱动管Q2的漏极，第二驱动管Q2的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地；
电阻R1的一端接反馈电路的输入端和AD采样模块的输入端，反馈电路的输出端接逻辑与的另一个输入端；AD采样模块的输出端接MCU；MCU还连接第二驱动管Q2的栅极；
MCU通过开环驱动电路输出的开环驱动信号作用于逻辑或的一个输入端；
MCU通过闭环驱动电路输出的闭环驱动使能信号作用于逻辑与的一个输入端；反馈电路从电阻R1一端获取代表驱动电流I大小的电压反馈信号，并输出反馈信号作用于逻辑与的另一输入端；逻辑与输出闭环驱动信号作用于逻辑或的另一个输入端；逻辑或输出高端驱动信号作用于第一驱动管Q1的栅极；
MCU发出低端选通信号作用于第二驱动管Q2的栅极；AD采样模块从电阻R1一端获取代表驱动电流I大小的电压采样信号，并向MCU输出采样信号。
进一步地，电磁式执行器L的驱动周期包括三个阶段:第一闭环控制阶段、开环控制阶段、第二闭环控制阶段；
在一个驱动周期内，MCU发出的低端选通信号保持高电平；
在第一闭环控制阶段，对电磁式执行器L进行闭环控制驱动；从电阻R1一端获取的代表驱动电流大小的电压反馈信号经过反馈电路得到反馈信号；反馈信号在第一闭环控制阶段保持高电平；在第一闭环控制阶段，驱动电流I持续上升，当到达驱动电流峰值也就是第一闭环控制阶段结束时刻时，反馈信号翻转，得到一个反馈信号的低电平脉冲；该反馈信号的低电平脉冲位于开环控制阶段的起始部分；
在第一闭环控制阶段，开环驱动信号保持低电平；闭环驱动使能信号保持高电平；因此闭环驱动使能信号与反馈信号经过逻辑与以后，得到的闭环驱动信号在第一闭环控制阶段保持高电平；高电平的闭环驱动信号与低电平的开环驱动信号经过逻辑或以后，得到的高端驱动信号在第一闭环控制阶段保持高电平，使得第一驱动管Q1在第一闭环控制阶段导通，驱动电流I持续上升，直至反馈信号发生翻转结束第一闭环控制阶段；
在开环控制阶段，开环驱动信号为PWM信号；
在开环控制阶段，闭环驱动使能信号在开环控制阶段的起始部分延伸一段高电平，随后立刻转变为低电平；该延伸的高电平宽度小于反馈信号在开环控制阶段起始部分低电平脉冲宽度；
在开环控制阶段，反馈信号在经过一个低电平脉冲后转变为高电平；在开环控制阶段，闭环驱动使能信号与反馈信号经过逻辑与后得到的闭环控制信号为低电平；从而开环驱动信号与低电平的闭环控制信号经过逻辑或以后得到的高端驱动信号在开环控制阶段为PWM信号，通过第一驱动管Q1驱动电磁式执行器L；
在第二闭环控制阶段，闭环控制电磁式执行器L的驱动电流以保持维持电流。
更进一步地，在开环控制阶段，闭环驱动使能信号在开环控制阶段的起始部分延伸一段高电平是通过预估控制实现的。
更进一步地，反馈电路还连接MCU，当反馈信号在第一闭环控制阶段结束时刻翻转时，MCU得到信号以便切换闭环驱动使能信号从高电平转为低电平。
本发明提供一种控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法，包括：
电磁式执行器L的驱动周期包括三个阶段:第一闭环控制阶段、开环控制阶段、第二闭环控制阶段；
第一闭环控制阶段为开启电流阶段，闭环控制电磁式执行器L的驱动电流I持续上升直至达到驱动电流峰值；
在开环控制阶段，对电磁式执行器L的驱动电流I进行开环控制，以PWM信号控制电磁式执行器L的驱动电流；找到在开环控制阶段中驱动电流I的最低点即特征点，该特征点对应的时刻也就是电磁式执行器的开启时刻；
在第二闭环控制阶段闭环控制电磁式执行器L的驱动电流以保持维持电流。
进一步地，该方法还包括：判断特征点时刻对应的采样信号，若采样信号大于设定阈值则判断为电磁式执行器堵塞。
本发明的优点在于：
1）利用电感特性变化，在闭环控制周期内开窗进行开环控制的模式实现无传感器的驱动模式；
2）开窗控制期间的电流特征点表现的执行器工作状态诊断功能。
3）降低诊断成本，通过电磁式执行器驱动的过程进行诊断，消除开启累计误差，提高诊断的准确性。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明的信号时序图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
驱动电磁式执行器（电磁式执行器可以是一个电磁阀，以下简称执行器）的过程中，当达到执行器的吸合点（驱动要求）时，此时执行器顶到弹簧基座，此时电感参数由于机械结构的原因会暂时稳定在一个相对较大的新值；此时通过降低驱动功率密度（低占空比的PWM驱动），通过开窗处理，即在一定范围的开环设计，执行器由于缺乏驱动能量，在电流的特征上会显示越来越小，而随着时间的推移，执行器的输出力与弹簧能量相抵，电感也会因为位移的变化而逐渐减弱，此时相对减弱的功率密度又可以将执行器驱动上去，最后达到略低于峰值电流位置的一个状态，根据此原理，可以在第一个闭环控制阶段后设计一个开环控制阶段，在开环控制阶段内找到驱动电流低点，该驱动电流低点对应的时刻就是电磁式执行器的开启时刻；
控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动电路如图1所示，包括MCU、开环驱动电路、闭环驱动电路、反馈电路、AD采样模块、逻辑与、逻辑或、第一驱动管Q1、第二驱动管Q2、电阻R1、二极管D1；其中Q1和Q2也分别称为高端开关管和低端开关管，一般采用功率MOS管，D1为Q1关断时的续流二极管；
MCU分别连接开环驱动电路和闭环驱动电路的输入端，开环驱动电路的输出端接逻辑或的一个输入端；闭环驱动电路的输出端接逻辑与的一个输入端；逻辑与的输出端接逻辑或的另一个输入端；逻辑或的输出端接第一驱动管Q1的栅极，第一驱动管Q1的漏极接供电电源，源极接二极管D1的阴极和电磁式执行器L的一端；二极管D1的阳极接地；电磁式执行器L的另一端接第二驱动管Q2的漏极，第二驱动管Q2的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地；
电阻R1的一端接反馈电路的输入端和AD采样模块的输入端，反馈电路的输出端接逻辑与的另一个输入端；AD采样模块的输出端接MCU；MCU还连接第二驱动管Q2的栅极；
MCU通过开环驱动电路输出的开环驱动信号7作用于逻辑或的一个输入端；
MCU通过闭环驱动电路输出的闭环驱动使能信号6作用于逻辑与的一个输入端；反馈电路从电阻R1一端获取代表驱动电流I大小的电压反馈信号3，并输出反馈信号8作用于逻辑与的另一输入端；逻辑与输出闭环驱动信号10作用于逻辑或的另一个输入端；逻辑或输出高端驱动信号1作用于第一驱动管Q1的栅极；
MCU发出低端选通信号2作用于第二驱动管Q2的栅极；AD采样模块从电阻R1一端获取代表驱动电流I大小的电压采样信号4，并向MCU输出采样信号5；采样信号5其实就是电压采样信号4的数字化形式；
电磁式执行器L的驱动周期包括三个阶段:第一闭环控制阶段、开环控制阶段、第二闭环控制阶段；这三个阶段依次为开启电流阶段（T1-T2)、电流诊断阶段(T2-T4)和维持电流阶段(T4-T5)；开环控制阶段就是本发明为了精确找出电磁式执行器中整个阀门结构的开启时刻而增设的一个环节；
控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动电路中各信号的波形如图2所示；
在一个驱动周期内，MCU发出的低端选通信号2保持高电平，该低端选通信号2作用于第二驱动管Q2的栅极，使得Q2在驱动周期内始终导通；
在第一闭环控制阶段，对电磁式执行器L进行闭环控制驱动；从电阻R1一端获取的代表驱动电流大小的电压反馈信号3经过反馈电路得到反馈信号8；反馈信号8在第一闭环控制阶段保持高电平；在第一闭环控制阶段，驱动电流I持续上升，当到达驱动电流峰值（图2中的a点）也就是第一闭环控制阶段结束时刻时，反馈信号8翻转，得到一个反馈信号8的低电平脉冲；该反馈信号8的低电平脉冲位于开环控制阶段的起始部分；反馈信号8的翻转意味着第一闭环控制阶段的结束；
在第一闭环控制阶段，开环驱动信号7保持低电平（因为这阶段不是开环驱动）；闭环驱动使能信号6保持高电平；因此闭环驱动使能信号6与反馈信号8经过逻辑与以后，得到的闭环驱动信号10在第一闭环控制阶段保持高电平；高电平的闭环驱动信号10与低电平的开环驱动信号7经过逻辑或以后，得到的高端驱动信号1在第一闭环控制阶段保持高电平，使得第一驱动管Q1在第一闭环控制阶段导通，驱动电流I持续上升，直至反馈信号8发生翻转结束第一闭环控制阶段；
在开环控制阶段，开环驱动信号7为PWM信号，以降低执行器L的驱动功率密度；
在开环控制阶段，闭环驱动使能信号6在开环控制阶段的起始部分延伸一段高电平，随后立刻转变为低电平；该延伸的高电平宽度小于反馈信号8在开环控制阶段起始部分低电平脉冲宽度；该延伸的高电平有两种方式可以实现，第一种方式是预估，因为电磁式执行器的型号确定后，其第一闭环控制阶段也就是开启电流阶段的时间基本是固定的，因此可在第一闭环控制阶段结束后略持续一个很小的时间高电平；第二种方式是通过反馈电路给MCU一个反馈，如图1中反馈电路连接MCU的虚线所示，当反馈信号8在第一闭环控制阶段结束时刻翻转时，MCU可以得到信号以便切换闭环驱动使能信号6从高电平转为低电平，由于切换闭环驱动使能信号6有个时间差，因此存在一个延伸的高电平；
在开环控制阶段，反馈信号8在经过一个低电平脉冲后转变为高电平；在开环控制阶段，闭环驱动使能信号6与反馈信号8经过逻辑与后得到的闭环控制信号10为低电平；从而开环驱动信号7（PWM信号）与低电平的闭环控制信号经过逻辑或以后得到的高端驱动信号1在开环控制阶段为PWM信号，通过第一驱动管Q1驱动电磁式执行器L，降低驱动功率密度；
在开环控制阶段，电磁式执行器L的驱动电流I会先变小而后变大，呈V型；通过AD采样模块，MCU可以实时监测电磁式执行器L的驱动电流I，找到在开环控制阶段中驱动电流I的最低点即特征点，该特征点对应的时刻也就是电磁式执行器的开启时刻；
在第二闭环控制阶段，电磁式执行器L完全开启后，需要一个维持电流来驱动，此时对电磁式执行器L进行闭环驱动，驱动方式同现有技术。
在第二闭环控制阶段，开环驱动信号7保持低电平；闭环驱动使能信号6保持高电平；反馈信号8为PWM信号；相应的闭环驱动信号10为PWM信号，而高端驱动信号1也是PWM信号；闭环驱动的原理再次不再赘述。
本发明的一些实际作用在于：
1）如果特征点相对时间滞后，则在下一个循环开始前通过一定的偏差算法提前打开驱动，即T1时刻前移；反之则滞后打开驱动；
2）可以在线诊断电磁式执行器的工作状态；特征点对应的电阻R1一端的电位超过设定阈值（过于偏大），则判断为电磁式执行器堵塞，可反馈给OBD诊断模块。

Claims (6)

1.一种控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动电路，其特征在于，包括MCU、开环驱动电路、闭环驱动电路、反馈电路、AD采样模块、逻辑与、逻辑或、第一驱动管Q1、第二驱动管Q2、电阻R1、二极管D1；
MCU分别连接开环驱动电路和闭环驱动电路的输入端，开环驱动电路的输出端接逻辑或的一个输入端；闭环驱动电路的输出端接逻辑与的一个输入端；逻辑与的输出端接逻辑或的另一个输入端；逻辑或的输出端接第一驱动管Q1的栅极，第一驱动管Q1的漏极接供电电源，源极接二极管D1的阴极和电磁式执行器L的一端；二极管D1的阳极接地；电磁式执行器L的另一端接第二驱动管Q2的漏极，第二驱动管Q2的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地；
电阻R1的一端接反馈电路的输入端和AD采样模块的输入端，反馈电路的输出端接逻辑与的另一个输入端；AD采样模块的输出端接MCU；MCU还连接第二驱动管Q2的栅极；
MCU通过开环驱动电路输出的开环驱动信号(7)作用于逻辑或的一个输入端；
MCU通过闭环驱动电路输出的闭环驱动使能信号(6)作用于逻辑与的一个输入端；反馈电路从电阻R1一端获取代表驱动电流I大小的电压反馈信号(3)，并输出反馈信号(8)作用于逻辑与的另一输入端；逻辑与输出闭环驱动信号(10)作用于逻辑或的另一个输入端；逻辑或输出高端驱动信号(1)作用于第一驱动管Q1的栅极；
MCU发出低端选通信号(2)作用于第二驱动管Q2的栅极；AD采样模块从电阻R1一端获取代表驱动电流I大小的电压采样信号(4)，并向MCU输出采样信号(5)。
2.如权利要求1所述的控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动电路，其特征在于，
电磁式执行器L的驱动周期包括三个阶段:第一闭环控制阶段、开环控制阶段、第二闭环控制阶段；
在一个驱动周期内，MCU发出的低端选通信号(2)保持高电平；
在第一闭环控制阶段，对电磁式执行器L进行闭环控制驱动；从电阻R1一端获取的代表驱动电流大小的电压反馈信号(3)经过反馈电路得到反馈信号(8)；反馈信号(8)在第一闭环控制阶段保持高电平；在第一闭环控制阶段，驱动电流I持续上升，当到达驱动电流峰值也就是第一闭环控制阶段结束时刻时，反馈信号(8)翻转，得到一个反馈信号(8)的低电平脉冲；该反馈信号(8)的低电平脉冲位于开环控制阶段的起始部分；
在第一闭环控制阶段，开环驱动信号(7)保持低电平；闭环驱动使能信号(6)保持高电平；因此闭环驱动使能信号(6)与反馈信号(8)经过逻辑与以后，得到的闭环驱动信号(10)在第一闭环控制阶段保持高电平；高电平的闭环驱动信号(10)与低电平的开环驱动信号(7)经过逻辑或以后，得到的高端驱动信号(1)在第一闭环控制阶段保持高电平，使得第一驱动管Q1在第一闭环控制阶段导通，驱动电流I持续上升，直至反馈信号(8)发生翻转结束第一闭环控制阶段；
在开环控制阶段，开环驱动信号(7)为PWM信号；
在开环控制阶段，闭环驱动使能信号(6)在开环控制阶段的起始部分延伸一段高电平，随后立刻转变为低电平；该延伸的高电平宽度小于反馈信号(8)在开环控制阶段起始部分低电平脉冲宽度；
在开环控制阶段，反馈信号(8)在经过一个低电平脉冲后转变为高电平；在开环控制阶段，闭环驱动使能信号(6)与反馈信号(8)经过逻辑与后得到的闭环控制信号(10)为低电平；从而开环驱动信号(7)与低电平的闭环控制信号经过逻辑或以后得到的高端驱动信号(1)在开环控制阶段为PWM信号，通过第一驱动管Q1驱动电磁式执行器L；
在第二闭环控制阶段，闭环控制电磁式执行器L的驱动电流以保持维持电流。
3.如权利要求1或2所述的控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动电路，其特征在于，
在开环控制阶段，闭环驱动使能信号(6)在开环控制阶段的起始部分延伸一段高电平是通过预估控制实现的。
4.如权利要求1或2所述的控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动电路，其特征在于，
反馈电路还连接MCU，当反馈信号(8)在第一闭环控制阶段结束时刻翻转时，MCU得到信号以便切换闭环驱动使能信号(6)从高电平转为低电平。
5.一种控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法，其特征在于，
电磁式执行器L的驱动周期包括三个阶段:第一闭环控制阶段、开环控制阶段、第二闭环控制阶段；
第一闭环控制阶段为开启电流阶段，闭环控制电磁式执行器L的驱动电流I持续上升直至达到驱动电流峰值；
在开环控制阶段，对电磁式执行器L的驱动电流I进行开环控制，以PWM信号控制电磁式执行器L的驱动电流；找到在开环控制阶段中驱动电流I的最低点即特征点，该特征点对应的时刻也就是电磁式执行器L的开启时刻；
在第二闭环控制阶段闭环控制电磁式执行器L的驱动电流以保持维持电流。
6.如权利要求5所述的控制内燃机内部电磁式执行器的自诊断驱动方法，其特征在于，
判断特征点时刻对应的采样信号(5)，若采样信号(5)大于设定阈值则判断为电磁式执行器L堵塞。
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