CN108757160A - 一种vgt智能电动执行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种VGT智能电动执行器及其控制方法，该执行器包括：驱动部、传动部、涡轮增压器叶片调节部和控制装置；该执行器通过位置传感器获得涡轮增压器叶片的位置信息并将其传给控制装置，控制装置对驱动部发出指令，驱动部带动传动部进而驱动涡轮增压器叶片调节部，其输出端连接涡轮增压器叶片的调节摇臂，实现叶片开启角度的变化。通过执行器改变叶片的开启角度有利于发动机在不同工况下获得足够的进气量和进气压力，有利于提高其输出扭矩与功率，并在一定程度上降低发动机的燃油消耗率、改善发动机的排放性。

Description

一种VGT智能电动执行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种VGT智能电动执行器及其控制方法。

背景技术

VGT是Variable geometryturbocharger的缩写，中文说法是“可变截面涡轮增压系统”，VGT技术是当代发动机满足动力性、经济性、排放性所使用的重要的技术手段之一。VGT系统的执行器基本功能是能够根据不同的发动机工况及时调节气体流通截面，以获得合适的增压压力和进气量，并增强增压器与发动机匹配性，提高发动机的工作效率。其关键技术主要包括两个方面：一方面针对增压器本身的结构、材料等方面的设计和优化，包括采用陶瓷转子、改进轴承支撑系统、改进叶片形状和提升材料耐温性能等技术；另一方面是针对可变截面涡轮增压系统与其他系统的匹配与控制研究，包括与发动机的匹配设计、与EGR系统的联合优化、VGT的控制策略优化以及先进执行器的设计与研究等。

对于系统的控制效果，一方面与采用的控制策略密切相关，合理的控制策略能够有效地改善系统的控制效果，充分发挥系统的硬件性能，提升系统的可靠性；另一方面系统控制效果还与执行器精度和响应性密切相关。精准的控制系统必须拥有快速而准确的执行器来实现相应功能，而目前国内对于VGT执行器方面的研究相对较少，国内外技术水平差距也较大，同时随着车辆节能和轻量化等趋势进一步加快，发展体积小、控制准确、快速的执行器，已经成为未来VGT技术的发展趋势。

日本IHI公司开发了利用步进电机为驱动的VNT控制系统，根据输入的齿杆位置、增压压力、发动机转速进行控制。日本Nissan公司开发一款可变喷嘴涡轮增压器，采用的执行器系统主要由压力控制阀(PCM阀)、真空泵、电子控制单元等组成，控制单元根据传感器采集的信号改变PCM阀开启和关闭的时间比调节气体的流通截面。美国GM公司开发了一款用于汽油机的可变截面涡轮增压器，该变截面涡轮增压器的系统分别利用电子压力调节器(EPR)调节增压后的进气管压力，利用压力传感器进行增压压力闭环控制。Honeywell公司开发了一种电—液执行器，该执行器采用与凸轮轴相连的转轴来给液压系统提供动力源。德国Hella公司开发的一款电控涡轮增压执行器采用直流马达作为驱动装置，利用平面线圈感应技术开发的无接触传感器对电机的转动角度进行控制。在国内多数还是以气动控制或利用步进电机进行开环控制，控制精度不高，调节速度较慢，执行器的结构也比较简单和单一，可靠性也较低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种VGT智能电动执行器及其控制方法，通过执行器改变叶片的开启角度有利于发动机在不同工况下获得足够的进气量和进气压力，有利于提高其输出扭矩与功率，并在一定程度上降低发动机的燃油消耗率、改善发动机的排放性。

作为本发明的第一方面，涉及一种VGT智能电动执行器，包括：驱动部、传动部、涡轮增压器叶片调节部和控制装置；

其中：所述驱动部的输出端与所述传动部的一端连接；

所述传动部的另一端与所述涡轮增压器叶片调节部连接；

所述涡轮增压器叶片调节部的输出端与涡轮增压器叶片的调节摇臂连接；

所述控制装置上设有位置传感器，所述位置传感器用于获取涡轮增压器叶片的位置信息；所述控制装置与所述驱动部电连接。

在一个实施例中，所述传动部包括：依次相啮合连接的第一级传动机构、第二级传动机构和第三级传动机构；

所述第一级传动机构包括：设置于所述驱动部输出端上的蜗杆、与所述蜗杆相啮合的蜗轮、一级传动固定轴和一级同轴输出齿轮；所述一级传动固定轴依次穿过蜗轮和所述一级同轴输出齿轮，且与所述蜗轮和所述一级同轴输出齿轮固定连接；

所述第二级传动机构包括：二级同轴输入齿轮、二级同轴输出齿轮和二级传动固定轴；所述二级传动固定轴依次穿过所述二级同轴输入齿轮和二级同轴输出齿轮，且与所述二级同轴输入齿轮和二级同轴输出齿轮固定连接；

所述第三级传动机构包括：三级传动输入齿轮；

所述一级同轴输出齿轮与所述二级同轴输入齿轮相啮合，所述二级同轴输入齿轮通过所述二级传动固定轴驱动所述二级同轴输出齿轮，所述二级同轴输出齿轮与所述三级传动输入齿轮相啮合。

在一个实施例中，所述三级传动输入齿轮为直齿单齿轮，所述直齿单齿轮的直径大于所述二级同轴输出齿轮的直径，所述直齿单齿轮的齿数大于所述二级同轴输出齿轮的齿数；

所述二级同轴输入齿轮的直径大于所述一级同轴输出齿轮的直径，所述二级同轴输入齿轮的齿数大于所述一级同轴输出齿轮的齿数。

在一个实施例中，所述涡轮增压器叶片调节部包括：穿设于所述三级传动输入齿轮的D型轴和位于所述D型轴一端的磁缸；所述磁缸具有一侧开口的中空腔，所述中空腔内置磁铁；

所述D型轴另一端与涡轮增压器可调叶片的摇臂相连。

在一个实施例中，所述D型轴一端设有磁缸安装孔、齿轮花键和固定凸台；

所述磁缸安装孔内具有内螺纹，所述磁缸远离开口的底部具有带外螺纹的螺杆；所述磁缸通过带外螺纹的螺杆与具有内螺纹的磁缸安装孔的所述D型轴螺栓连接；

所述齿轮花键和固定凸台将所述D型轴与所述三级传动输入轴固定连接。

在一个实施例中，所述磁铁与所述位置传感器的距离为1-8mm。

在一个实施例中，所述驱动部为直流电机。

第二方面，本发明还涉及一种VGT智能电动执行器的控制方法，包括：

根据发动机当前工作状态，获取涡轮叶片的目标位置数据；

通过位置传感器获取涡轮叶片当前位置数据；

计算所述目标位置数据与所述当前位置数据的差值，所述差值为调整位置数据；

将所述调整位置数据通过位置调节器和速度调节器，转换为执行器工作的电压和电流信号；

所述执行器根据所述电压和电流信号工作，实现实时调整所述涡轮叶片的位置和转速。

在一个实施例中，通过位置传感器获取涡轮叶片当前位置数据，包括：

通过位置传感器获取所述磁缸内磁铁旋转磁场变化的信号；

将所述磁场变化的信号转换得到涡轮叶片转动的位置信号和速度信号；

将所述涡轮叶片转动的位置信号和速度信号，转换为涡轮叶片当前位置数据。

在一个实施例中，将所述调整位置数据转换为执行器工作的电压和电流信号，包括：

根据所述调整位置数据，利用PI运算产生驱动部的占空比Sduty；

所述执行器根据所述电压和电流信号工作，实现实时调整所述涡轮叶片的位置和转速，包括：

所述执行器将所述占空比Sduty赋予驱动H桥PWM信号的占空比，通过控制驱动部运转，实现实时调整所述涡轮叶片的位置和转速。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种VGT智能电动执行器，包括：驱动部、传动部、涡轮增压器叶片调节部和控制装置；其中：所述驱动部的输出端与所述传动部的一端连接；所述传动部的另一端与所述涡轮增压器叶片调节部连接；所述涡轮增压器叶片调节部的输出端与涡轮增压器叶片的调节摇臂连接；所述控制装置上设有位置传感器，所述位置传感器用于获取涡轮增压器叶片的位置信息；所述控制装置与所述驱动部电连接。该执行器通过位置传感器获得涡轮增压器叶片的位置信息并将其传给控制装置，控制装置对驱动部发出指令，驱动部带动传动部进而驱动涡轮增压器叶片调节部，其输出端连接涡轮增压器叶片的调节摇臂，实现叶片开启角度的变化。通过执行器改变叶片的开启角度有利于发动机在不同工况下获得足够的进气量和进气压力，有利于提高其输出扭矩与功率，并在一定程度上降低发动机的燃油消耗率、改善发动机的排放性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的VGT智能电动执行器的立体结构图；

图2为本发明提供的VGT智能电动执行器的又一立体结构图；

图3为本发明提供的VGT智能电动执行器的平面示意图；

图4为本发明提供的D型轴的结构示意图；

图5为本发明提供的VGT智能电动执行器的控制信号流向示意图；

图6为本发明提供的VGT智能电动执行器的包含任务及其触发方式的示意图；

图7为本发明提供的VGT智能电动执行器的控制方法的流程图；

图8为本发明提供的步骤S12的流程图；

图9为本发明提供的针对两种信号的处理流程图；

图10为本发明提供的计算输入值的处理流程图；

图11为本发明提供的信号处理流程图；

其中：1-直流电机，2-蜗杆，3-蜗轮，4-一级同轴输出齿轮，5-一级传动固定轴，6-二级同轴输入齿轮，7-二级同轴输出齿轮，8-二级传动固定轴，9-三级传动输入齿轮，10-磁缸，11-支撑套筒，12-D型轴，13-磁缸安装孔，14-齿轮花键，15-固定凸台，16-D型防松轴端。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种VGT智能电动执行器，能够根据发动机不同的工况及时调节增压器涡轮流通截面，以获得合适的增压压力和进气量，下面结合附图说明。

参照图1-3所示，该电动执行器包括：驱动部、传动部、涡轮增压器叶片调节部和控制装置；

其中：驱动部的输出端与传动部的一端连接；传动部的另一端与涡轮增压器叶片调节部连接；涡轮增压器叶片调节部的输出端与涡轮增压器叶片的调节摇臂连接；

控制装置上设有位置传感器，位置传感器用于获取涡轮增压器叶片的位置信息，并将位置信息传输给控制装置，控制装置将位置信息与内部存储的数据进行对比计算，控制驱动部运行。

本实施例中，该执行器通过位置传感器获得涡轮增压器叶片的位置信息并将其传给控制装置，控制装置对驱动部发出指令，驱动部带动传动部进而驱动涡轮增压器叶片调节部，其输出端连接涡轮增压器叶片的调节摇臂，实现叶片开启角度的变化。通过执行器改变叶片的开启角度有利于发动机在不同工况下获得足够的进气量和进气压力，有利于提高其输出扭矩与功率，并在一定程度上降低发动机的燃油消耗率、改善发动机的排放性。

在一个实施例中，参照图1-3所示，上述驱动部选择直流电机1，比如为有刷直流永磁电机，与其他驱动方式相比可以利用电枢电压或磁场进行闭环控制，且直流电机的运行区间较宽泛、平稳，输出扭矩或功率恒定，且具有较强的过载能力。

在一个实施例中，参照图1-3所示，传动部又可以称为减速部件：传动机构依靠齿轮之间的啮合关系传递并放大扭矩，由蜗杆蜗轮、同轴齿轮、传动固定轴和支撑套筒组成。

其中：驱动部的输出端加装蜗杆2，并与蜗轮3组成第一级传动机构，之后的二级和三级传动均由同轴齿轮、传动固定轴组成，传动固定轴用于安装传动机构中的二级和三级同轴齿轮，支撑套筒11用于支撑同轴齿轮。

参照图1-3所示，传动部包括，依次相啮合连接的第一级传动机构、第二级传动机构和第三级传动机构；

第一级传动机构包括：设置于驱动部输出端上的蜗杆2、与该蜗杆2相啮合的蜗轮3、一级传动固定轴5和一级同轴输出齿轮4；一级传动固定5轴依次穿过蜗轮3和一级同轴输出齿轮4，且与蜗轮3和一级同轴输出齿轮4固定连接；

第二级传动机构包括：二级同轴输入齿轮6、二级同轴输出齿轮7和二级传动固定轴8；二级传动固定轴8依次穿过二级同轴输入齿轮6和二级同轴输出齿轮7，且与二级同轴输入齿轮6和二级同轴输出齿轮7固定连接；

第三级传动机构包括：三级传动输入齿轮9；

一级同轴输出齿轮4与二级同轴输入齿轮6相啮合，二级同轴输入齿轮6通过二级传动固定轴8驱动二级同轴输出齿轮7，二级同轴输出齿轮7与三级传动输入齿轮9相啮合。

三级传动输入齿轮9为直齿单齿轮，该直齿单齿轮的直径大于二级同轴输出齿轮7的直径，且直齿单齿轮的齿数大于二级同轴输出齿轮7的齿数；

二级同轴输入齿轮6的直径大于一级同轴输出齿轮4的直径，且二级同轴输入齿轮6的齿数大于一级同轴输出齿轮4的齿数。

本实施例中，传动部采用三级传动机构，其为蜗轮蜗杆和直齿齿轮相结合的方式，使该传动部(减速机构)结构紧凑，具有体积小、重量轻的优势；蜗杆齿与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗轮齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳、冲击噪音小。更重要的是，蜗轮蜗杆传动具有自锁性，避免了反向冲击造成倒转损坏执行器。此种传动方式可以获得较大的传动比和输出扭矩，较低的输出转速也有利于执行器对于涡轮叶片的精确调节。

进一步地，参照图1、4所示，涡轮增压器叶片调节部包括：穿设于上述三级传动输入齿轮9的D型轴12和位于该D型轴12一端的磁缸10；其中三级传动输入齿轮9中间设有D型孔，D型轴12一端为D型防松轴端；D型孔和D型防松轴端配合，作为输出轴时，不会出现打滑的现象，能够将扭矩完全的传递下去。另外，磁缸10具有一侧开口的中空腔，中空腔内置磁铁；D型轴12另一端与涡轮增压器可调叶片的摇臂相连；通过磁铁旋转产生变化的磁场可以反映此时涡轮叶片的位置。

参照图4所示，D型轴12一端设有磁缸安装孔13、齿轮花键14和固定凸台15；磁缸安装孔13内具有内螺纹，比如在磁缸10远离开口的底部具有带外螺纹的螺杆；磁缸10通过带外螺纹的螺杆与具有内螺纹的磁缸安装孔13的D型轴12螺栓连接；其中，齿轮花键14和固定凸台15将D型轴12与三级传动输入轴9固定连接。

进一步地，上述位置传感器集成于控制装置上，与磁缸10内的磁铁保持1-8mm以内的距离，便于位置传感器采集磁铁旋转时产生磁场变化的信号，并将信号输入到控制装置，此信号反映了涡轮叶片的角度变化。其中具体距离的选择与位置传感器的测量范围和磁铁的磁场强度正相关。

上述位置传感器用于获取磁铁旋转磁场变化的数据，施加到位置传感器的芯片上的磁通密度作为模拟信号可以被位置传感器采集到，模拟信号经过芯片内核的A/D转换得到涡轮叶片转动的位置信号和速度信号并传输至控制装置，进而控制电机运行。

进一步地，上述控制装置采用双闭环控制，将采集到的涡轮叶片位置信号和叶片调节速度信号输入到控制系统，经过计算输出驱动信号给D型轴，由它带动摇臂精确调节涡轮叶片的角度和使涡轮叶片快速到达目标位置，D型轴带动调节摇臂作圆周运动，转动角度行程根据叶片的工作范围通过控制装置设定为0-120度。D型轴的输出端为“D”字型设计不仅能够完整地传递输出扭矩，并且能够与摇臂形成过盈配合起到防滑的作用。

其中，电机的动力源来源于发动机蓄电池中的电能，电机的运行由控制装置制定特定的控制策略进行控制，该控制装置的控制策略采用双闭环控制，根据发动机实际工况要求，控制装置发出指令使电机运行，带动蜗轮蜗杆以及啮合齿轮转动，通过啮合的力矩传递，输出轴带动涡轮增压器的摇臂进行叶片的调节。位置传感器将输出轴上的磁铁信号反馈给控制装置中的主控制芯片，主控制芯片将信号与内部存储数据进行对比计算。

本发明提供的一种VGT智能电动执行器，其包括的位置传感器获得磁铁的磁场变化的信息并将其传给控制装置的主控制芯片，主控制芯片对直流电机发出指令，直流电机带动传动部(减速组件)进而驱动D型轴，D型轴输出端连接涡轮增压器可调叶片的调节摇臂实现叶片开启角度的变化。传动部(减速组件)方面采用三级传动机构，由蜗轮蜗杆和直齿齿轮相结合的方式，该传动部的结构紧凑，具有体积小、重量轻的优势，蜗杆齿与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗轮齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳、冲击噪音小。更重要的是，传动具有自锁性，避免了反向冲击造成倒转损坏执行器。此种传动方式可以获得较大的传动比和输出扭矩，较低的输出转速也有利于执行器对于涡轮叶片的精确调节。与现有技术中的调节范围相比，既保证了足够调节的范围，又保证了调节方向的正反可调。且整个调节机构结构简单，原理清晰，对于发动机涡轮增压系统的调整和结构改造较小，并且可以根据不同的发动机型和运行工况，制定相应的控制策略，实现性强，通用性强。通过执行器改变叶片的开启角度有利于发动机在不同工况下获得足够的进气量和进气压力，有利于提高其输出扭矩与功率，并在一定程度上降低发动机的燃油消耗率、改善发动机的排放性。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种VGT智能电动执行器的控制方法，以下将对该控制方法具体的调节规律进行简单表述。

发动机属于非线性、时变系统，大部分工况下采用的都是基于增压压力的控制，因为增压压力的改变，还需要经过增压器和发动机等环节，对基于增压压力的控制而言，其明显的缺点就是响应的过程较慢，这对于增压压力的快速响应是非常不利的。如果直接对叶片的位置进行控制，那么响应速度就会大大增加，而且只要事先将各个工况下标定的叶片位置MAP存储到控制装置中，就可以实现对叶片位置的控制。对于某一确定工况而言，增压压力与VGT叶片位置的关系是确定的，因此相关的标定工作只需在增压压力标定的基础上，确定此时VGT的叶片开度即可。其中，上述实施例提供的执行器所包括的控制装置，采用位置-转速双闭环的PI控制策略，控制信号流可参照图5所示，其中，位置微分dy/dt，位置信号为磁场强度的信号，微分后是磁场强度的变化速度，就可以作为叶片的调节速度信号。

通过上述的分析，明确了执行器应当包括若干功能环节。为实现某一功能，则执行器需要完成一系列的配置和操作，可称之为任务。因此本发明研究的执行器通过中断的方式来处理任务。不同中断任务之间的优先级和执行频率是不一样的，且中断程序可以相互嵌套，在本发明提供的执行器中，相关任务的执行都是从中断程序中进入的，而任务触发的方式有很多，比如事件触发，定时触发等。由于本发明提供的执行器相对任务较少，各任务间的嵌套相对不复杂，因此采用的是定时触发任务的方式。本发明提供的执行器包含的任务及其触发方式参照图6所示。主要包括目标位置计算，位置信号采集，电机控制，CAN通信和SPI诊断等。SPI是一种信息传递和交换的方式，用户可以根据需要，自己定义通信的方式、内容等协议，这种方式一般由一个主设备和多个从设备组成。接口由时钟信号(SCLK)、使能信号(CS)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)组成。

该执行器，可减小能耗，调节涡轮增压器叶片的速度较快，且调节涡轮增压器叶片位置的精度较高。

参照图7所示，包括下述步骤：

S11、根据发动机当前工作状态，获取涡轮叶片的目标位置数据；

S12、通过位置传感器获取涡轮叶片当前位置数据；

S13、计算所述目标位置数据与所述当前位置数据的差值，所述差值为调整位置数据；

S14、将所述调整位置数据转换为执行器工作的电压和电流信号；

S15、所述执行器根据所述电压和电流信号工作，实现实时调整所述涡轮叶片的位置和转速。

本实施例中，参照图5所示，整个过程是一个控制的流程图，具体的工作原理是：首先执行器会获取一个根据发动机实际的工作状况下涡轮叶片应该开启的目标位置信号，即目标位置信号；这个信号经过控制装置中软件程序转换成驱动执行器工作的电压和电流信号，执行器才可以按照目标位置信号的要求工作。但这一过程不是一步到位的，由于惯性等因素执行器输出轴(即：上述D型轴)的转动角度会出现偏差，所以才会有位置传感器不断地采集输出轴转过的角度，获取涡轮叶片当前的位置信号，当目标位置信号和当前的位置信号，两者有差距时执行器就会不断接收调整的信号，直到二者无差距时，整个过程才算调整到位。调整的过程如步骤S13，计算目标位置数据与当前位置数据的差值，该差值为调整位置数据；步骤S14将调整位置数据转换为执行器工作的电压和电流信号；步骤S15执行器根据步骤S14中的电压和电流信号工作，实现实时调整涡轮叶片的位置和转速。

该控制方法采用位置-转速双闭环的PI控制策略，在控制方法上，中断系统的出现为单片机高效执行多任务运算提供了便利的条件，大大提高了控制装置中主控芯片的处理效率。双闭环的控制策略中位置闭环调节会大大减小压力闭环调节时的标定工作量；速度闭环的引入也会减小系统调节时电路中电流的超调量，减小系统的能耗，提高调节的精度。

在一个实施例中，参照图8所示，上述步骤S12包括：步骤S121～S123；

S121、通过位置传感器获取所述磁缸内磁铁旋转磁场变化的信号；

S122、将所述磁场变化的信号转换得到涡轮叶片转动的位置信号和速度信号；

S123、将所述涡轮叶片转动的位置信号和速度信号，转换为涡轮叶片当前位置数据。

本发明上述的位置传感器用于获取磁铁旋转磁场变化的数据，施加到位置传感器芯片上的磁通密度作为模拟信号可以被传感器采集到，模拟信号经过芯片内核的A/D转换得到涡轮叶片转动的位置信号和速度信号并传输至控制装置中的主控芯片，主控芯片将其转换为涡轮叶片当前位置数据。

执行器一般可接收PWM波和CAN两种信号的输入，针对PWM波和CAN两种信号输入形式都设计了相应的目标位置解读程序。针对两种不同形式的信号输入，其软件处理流程可参照图9所示。输入方式标志位的数为0代表选择PWM输入的方式；标志位为1代表选择CAN输入。

其中：以PWM信号输入为例，利用定时器(TIM)的0通道和1通道，分别检测输入PWM信号的下降沿和上升沿，并记录相关时刻。则占空比的计算方式为：

当信号进入下一个周期后，可以数据迭代的方式，将now_time1的值赋给past_time1，t0赋值给now_time0，t1赋值给now_time1，以此来循环计算输入信号占空比。

执行器接收来自汽车ECU发出的目标位置信号，然后通过直流电机来驱动可调叶片达到目标位置，而位置的变化是通过改变电机的转速来实现的，因此需要研究位置和转速共同影响下的控制系统的调节情况。参照图10所示，目标位置与实际位置的差值将作为控制装置的输入值，经过PI算法得到电机转速的目标值，而实际的电机转速则可以利用A/D采集的电机输出转角位置进行近似处理得到，用AN0通道每10ms采集一次电机转角位置信息，并进行位置的控制，而AN1通道每1ms采集一次位置信息，并用两次测量的位置信号之间的差值作微分后，近似计算出电机经减速器的输出转速Speed，乘以传动比得到电机的实际转速SpeedM。其中转速反馈系数a的值是双闭环中Pduty的幅值与电机转速值相比得到的。在目标转速和实际转速比较后，利用PI运算来产生驱动电机的占空比Sduty，将得到的值赋予驱动H桥PWM信号的占空比，占空比越大、转角调节越迅速；此外，控制系统还具有正反转调节的功能，若目标值比实际值大，即E(k)>0，则令PA1＝1，PA1口输出高电平，电机保持正转；若E(k)<0，则令PA1＝0，PA1口电平拉低，以使得电机减速或反转。执行器的控制装置的主控制芯片上的输入输出信号及片上利用资源参照图11所示。

在控制方法上，中断系统的出现为单片机高效执行多任务运算提供了便利的条件，大大提高了控制装置的主控制芯片的处理效率。双闭环的控制策略中位置闭环调节会大大减小压力闭环调节时的标定工作量；速度闭环的引入也会减小系统调节时电路中电流的超调量，减小系统的能耗，提高调节的精度。对于执行器而言，需要在不同工况下都能够迅速准确地将可调叶片驱动至目标位置，本执行器采用的控制方法，采用位置-转速双闭环的PI控制策略，位置闭环调节会大大减小压力闭环调节时的标定工作量；速度闭环的引入也会减小系统调节时电路中电流的超调量，减小系统的能耗，提高调节的精度。驱动部采用有刷直流永磁电机，与其他驱动方式相比可以利用电枢电压或磁场进行闭环控制，直流电机的运行区间较宽泛、平稳，输出扭矩或功率恒定，且具有较强的过载能力。执行器的传动机构由蜗轮蜗杆和齿轮组成三级自锁减速机构，结构紧凑、体积小，有效减少气缸内高温废气对执行器产生的气流波动，且输出扭矩足以驱动涡轮叶片。执行器的输出轴作为电机的动力输出部件，具有摩擦小、强度高、便于安装和装配的特点，输出轴顶部有安放磁铁的磁缸，通过磁铁可以间接测量输出轴的转角并代替涡轮叶片的开启角度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种VGT智能电动执行器，其特征在于，包括：驱动部、传动部、涡轮增压器叶片调节部和控制装置；

其中：所述驱动部的输出端与所述传动部的一端连接；

所述传动部的另一端与所述涡轮增压器叶片调节部连接；

所述涡轮增压器叶片调节部的输出端与涡轮增压器叶片的调节摇臂连接；

所述控制装置上设有位置传感器，所述位置传感器用于获取涡轮增压器叶片的位置信息；所述控制装置与所述驱动部电连接。

2.如权利要求1所述的一种VGT智能电动执行器，其特征在于，所述传动部包括：依次相啮合连接的第一级传动机构、第二级传动机构和第三级传动机构；

所述第一级传动机构包括：设置于所述驱动部输出端上的蜗杆、与所述蜗杆相啮合的蜗轮、一级传动固定轴和一级同轴输出齿轮；所述一级传动固定轴依次穿过蜗轮和所述一级同轴输出齿轮，且与所述蜗轮和所述一级同轴输出齿轮固定连接；

所述第二级传动机构包括：二级同轴输入齿轮、二级同轴输出齿轮和二级传动固定轴；所述二级传动固定轴依次穿过所述二级同轴输入齿轮和二级同轴输出齿轮，且与所述二级同轴输入齿轮和二级同轴输出齿轮固定连接；

所述第三级传动机构包括：三级传动输入齿轮；

所述一级同轴输出齿轮与所述二级同轴输入齿轮相啮合，所述二级同轴输入齿轮通过所述二级传动固定轴驱动所述二级同轴输出齿轮，所述二级同轴输出齿轮与所述三级传动输入齿轮相啮合。

3.如权利要求2所述的一种VGT智能电动执行器，其特征在于，所述三级传动输入齿轮为直齿单齿轮，所述直齿单齿轮的直径大于所述二级同轴输出齿轮的直径，所述直齿单齿轮的齿数大于所述二级同轴输出齿轮的齿数；

所述二级同轴输入齿轮的直径大于所述一级同轴输出齿轮的直径，所述二级同轴输入齿轮的齿数大于所述一级同轴输出齿轮的齿数。

4.如权利要求2所述的一种VGT智能电动执行器，其特征在于，所述涡轮增压器叶片调节部包括：穿设于所述三级传动输入齿轮的D型轴和位于所述D型轴一端的磁缸；所述磁缸具有一侧开口的中空腔，所述中空腔内置磁铁；

所述D型轴另一端与涡轮增压器可调叶片的摇臂相连。

5.如权利要求4所述的一种VGT智能电动执行器，其特征在于，所述D型轴一端设有磁缸安装孔、齿轮花键和固定凸台；

所述磁缸安装孔内具有内螺纹，所述磁缸远离开口的底部具有带外螺纹的螺杆；所述磁缸通过带外螺纹的螺杆与具有内螺纹的磁缸安装孔的所述D型轴螺栓连接；

所述齿轮花键和固定凸台将所述D型轴与所述三级传动输入轴固定连接。

6.如权利要求4所述的一种VGT智能电动执行器，其特征在于，所述磁铁与所述位置传感器的距离为1-8mm。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种VGT智能电动执行器，其特征在于，所述驱动部为直流电机。

8.一种VGT智能电动执行器的控制方法，其特征在于，包括：

根据发动机当前工作状态，获取涡轮叶片的目标位置数据；

通过位置传感器获取涡轮叶片当前位置数据；

计算所述目标位置数据与所述当前位置数据的差值，所述差值为调整位置数据；

将所述调整位置数据转换为执行器工作的电压和电流信号；

所述执行器根据所述电压和电流信号工作，实现实时调整所述涡轮叶片的位置和转速。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，通过位置传感器获取涡轮叶片当前位置数据，包括：

通过位置传感器获取所述磁缸内磁铁旋转磁场变化的信号；

将所述磁场变化的信号转换得到涡轮叶片转动的位置信号和速度信号；

将所述涡轮叶片转动的位置信号和速度信号，转换为涡轮叶片当前位置数据。

10.如权利要求8-9任一项所述的控制方法，其特征在于，将所述调整位置数据转换为执行器工作的电压和电流信号，包括：

根据所述调整位置数据，利用PI运算产生驱动部的占空比Sduty；

所述执行器根据所述电压和电流信号工作，实现实时调整所述涡轮叶片的位置和转速，包括：

所述执行器将所述占空比Sduty赋予驱动H桥PWM信号的占空比，通过控制驱动部运转，实现实时调整所述涡轮叶片的位置和转速。