CN111663994A - 一种可调喷嘴控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调喷嘴控制方法，通过计算并比较压力指令与实际压力值的差值、当前角度值和目标角度值的差值这两种控制策略，保证了可调喷嘴控制系统稳定可靠运行；运用核心算法调整主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，并根据主涡轮增压器的转速调整从涡轮增压器环喉口面积，能够有效避免涡轮增压器喘振现象发生，减小运转时的噪声，优化涡轮增压器长期全工况运行效率，提高使用寿命。

Description

一种可调喷嘴控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机车增压器领域，尤其涉及一种可调喷嘴控制方法。

背景技术

可调喷嘴控制系统应用于内燃机车增压器领域，通过控制执行器电机，辅助可调喷嘴增压器以提高内燃机车在高原、高温、高寒等环境地区运用性能，这是当前国际上增压器行业的最新技术，也是柴油机增压配套技术发展的必然。

目前，可调喷嘴控制的方法普遍都是通过获取柴油机ECU发送的稳压箱压力指令信号，计算出执行器运行位置，这种方法的缺点是当执行器运转到稳压箱压力指令信号位置处时，增压器有时会出现喘振现象，长期的喘振现象会加速增压器内部零件的疲劳，并快速扩大已有的裂纹，甚至会造成更加严重的损伤。

发明内容

本发明提供一种可调喷嘴控制方法，以克服上述技术问题。

本发明一种可调喷嘴控制方法，包括：获取稳压箱的压力指令，采集所述稳压箱的实际压力值；计算所述压力指令与所述实际压力值的差值，并判断所述差值是否大于零，若是，则调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，若否，则调大主涡轮增压器喷嘴环喉口面积；比较所述当前的角度值和所述目标角度值，若所述当前的角度值小于所述目标角度值，则调大主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，若所述当前的角度值大于所述目标角度值，则调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积；根据所述主涡轮增压器的转速调整所述当前从涡轮增压器环喉口面积。

进一步地，所述根据所述主涡轮增压器的转速调整所述当前从涡轮增压器环喉口面积，包括：获取主涡轮增压器和从涡轮增压器的当前转速，并计算所述主涡轮增压器和所述从涡轮增压器之间的转速差；判断所述差值是否大于零，若是，则调小所述从涡轮增压器环喉口面积，若否，则调大所述从涡轮增压器环喉口面积。

进一步地，所述调大或者调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积和所述调小或者调大所述从涡轮增压器环喉口面积，包括：获取设定叶片的角度值和叶片的当前角度值；计算所述设定叶片的角度值和叶片的当前角度值误差值，采用电流闭环调节所述角度误差值，使所述角度误差值Δθ≤α°，α°为设定的角度误差值，采用开环调节所述角度误差值。

进一步地，所述采用电流闭环调节角度值，包括：设定电机的指令电流和电机闭环调节的运行频率，根据所述电机闭环调节的运行频率确定电流采集周期；在所述采集周期内采集电机当前的电流，计算所述电机的指令电流和所述电机当前的电流之间的电流误差值Δi；判断第一个采集周期内的所述电流误差值Δi是否大于0，若是，则控制所述电流误差值Δi调小，若否，则控制所述电流误差值Δi调大。

进一步地，所述采用开环调节角度值，包括：采用两路相位差90°的脉冲信号进行电压调节，使所述角度误差值Δθ变小，所述开环调节电机频率为所述闭环调节电机频率的2倍。

本发明通过计算并比较压力指令与实际压力值的差值、当前角度值和目标角度值的差值这两种控制策略，保证可调喷嘴控制系统稳定可靠运行；运用核心算法调整主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，并根据主涡轮增压器的转速调整从涡轮增压器环喉口面积，有效避免涡轮增压器喘振现象发生，减小运转时的噪声，优化涡轮增压器长期全工况运行效率，提高使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种可调喷嘴控制方法流程图；

图2是本发明中控制系统的结构示意图；

图3是本发明中主涡轮增压器运行流程图；

图4是本发明中从涡轮增压器运行流程图；

图5是本发明中闭环调节示意图；

图6是本发明中步进电机扭矩与脉冲周期关系图；

图7是本发明所述的通过MCU指定引脚控制主、从增压器的驱动电路的结构示意图；

图8是本发明中运用核心算法时电流和电压的波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一种可调喷嘴控制方法流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤101、获取稳压箱的压力指令，采集稳压箱的实际压力值；

具体而言，控制系统接收柴油机的电子控制单元通过CAN通信模块发送的稳压箱压力指令信号，并通过采集模块获得稳压箱的实际压力值。

控制系统承担数据处理、转角控制算法/策略、步进电机控制算法/策略、故障诊断、系统保护、数据存储管理、信息转储等任务。

如图2所示，本实施例中，控制系统具体包括以下工作模块：

采集模块：负责模拟量信号、数字量信号、频率量信号等的采集及处理工作，主要包括采集的电机电流、大气压力、稳压箱压力、角度反馈信息、环境温度、电机温度、涡轮进口温度、增压器转速信息、报警信息等；CAN通信模块：负责与柴油机ECU及显示屏模块进行数据交互；LAN通信模块：负责与上位机进行数据交互；显示屏模块：显示采集数据、调试可调喷嘴执行器、更新可调喷嘴控制器程序及可调喷嘴控制器的故障显示，详细情况如下所述：1、主要显示的数据包括：采集的电机电流、大气压力、稳压箱压力、角度反馈信息、环境温度、电机温度、涡轮进口温度、增压器转速信息、报警信息、系统时间、系统心跳、系统版本、系统故障信息等；2、显示屏可以通过CAN通信发送特定指令对执行器的参数及执行器进行控制，辅助调试人员进行故障分析及功能试验，方便设定执行器的初始角度等。3、显示屏能够通过CAN总线对可调喷嘴控制器主程序进行在线更新；4、显示屏能够显示可调喷嘴控制器的历史故障信息及故障的详细数据；电源模块：负责给核心模块、驱动模块、显示屏模块等供电；报警模块：当可调喷嘴控制器出现严重故障时，报警模块进行声光报警；复位模块：当可调喷嘴控制器接收到复位指令后，由复位模块复位可调喷嘴控制器；时钟模块：负责可调喷嘴控制器的系统计时，为故障存储模块、显示模块等提供时钟；闪存模块：负责存储特定信号，如IP地址、特殊变量等一些需要断电情况下仍需保存的数据；故障存储模块：负责存储可调喷嘴控制器的故障信息及发生故障前后3s钟的采集数据，方便调试人员对故障进行分析，解决故障问题；驱动模块：负责驱动执行器进行运转。

步骤102、计算压力指令与实际压力值的差值，并判断差值是否大于零，若是，则调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，若否，则调大主涡轮增压器喷嘴环喉口面积；

具体而言，如图3所示，控制系统计算压力指令与实际压力值的差值，确定调整涡轮增压器喷嘴环的策略，并根据计算差值驱动主执行器运行。该步骤采用的核心算法是开环调节算法，比较压力后，根据压力差值大小向压力差减小方向调整电机运转，将涡轮增压器喷嘴环喉口面积调整到接近期望值，但无法精确调整至最佳值，即使调整到压力差为零，此时也未必是达到最佳喉口面积，有可能增压器还会出现喘振现象，因此，需要继续进行后面的调节步骤。

核心算法包括：闭环调节算法和开环调节算法。

闭环调节算法，通过实时比较正弦波电流给定信号与实际电机线圈电流采集信号，根据比较结果信号输出驱动控制量，形成一个电流实时闭环的调节算法，从而实现电机控制调节涡轮增压器喷嘴环喉口面积。

开环调节算法，通过设定大于闭环调节算法中电机频率的2倍数值，并通过脉冲信号驱动运行y个周期，从而快速精确达到目标角度值。

通过采用核心算法调节喷嘴环喉口面积，解决了传统技术中采用电压型控制或是直接采用驱动器进行脉冲波形控制的方法，会导致步进电机运转噪声大，振动较剧烈的技术问题，优化了涡轮增压器长期全工况运行效率，提高使用寿命。

步骤103、比较当前的角度值和目标角度值，若当前的角度值小于目标角度值，则调大主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，若当前的角度值大于目标角度值，则调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积；

具体而言，如图3所示，控制系统通过采集模块获得喷嘴环当前角度的反馈信息，得到当前的角度值。喷嘴环的目标角度值是通过实验，对应柴油机不同工况，涡轮增压器的最佳喉口面积确定的。如图2所示，控制系统通过采集模块获取增压器的实际转速n、标准大气温度T₀、表示压气机进口温度T₁，通过公式

计算出折合转速n_np。控制系统根据控制策略的折合转速值对应的给定的角度值，依据给定的角度值作为输入组成闭环系统。通过核心算法实时反馈当前角度，并与给定的角度值进行比较，根据差值大小继续接近给定角度值，直到完全达到给定的角度值。

当出现转速等信号的失效现象时，控制系统会自动切换至步骤102，通过计算出压比信号来调节涡轮增压器喷嘴环喉口面积，两套控制方案可以保证控制系统稳定可靠运行。

步骤104、根据主涡轮增压器的转速调整当前从涡轮增压器环喉口面积。

具体而言，如图4所示，控制系统可以同时控制主增压器和从增压器独立工作，根据两台增压器的实际转速差值调节从增压器喷嘴环喉口面积。

本实施例中，从涡轮增压器环喉口面积根据主、从涡轮增压器的转速差进行调整的方法是，当转速差大于0时，调小从涡轮增压器环喉口面积；当转速差小于0时，调大从涡轮增压器环喉口面积。

如图4所示，具体运行流程是：

1、控制系统判断主增压器是否工作；若主增压器处于工作中，运行此方案调节从增压器；若主增压器未处于工作中，停止运行。

2、调用电机核心算法调节主增压器喷嘴环喉口面积。

3、控制系统的采集模块获取主增压器运行时的转速。

4、控制系统计算主、从增压器之间的转速差值。

5、控制系统判断差值是否大于零，若是，则调小从增压器环喉口面积，若否，则调大从增压器环喉口面积。

6、控制系统判断主、从增压器转速差是否小于600，若是，调整结束，若否，重新计算比较主、从增压器之间的转速差值，并重新进行增压器环喉口调节。

本实施例中，调大或者调小主、从涡轮增压器喷嘴环喉口面积的方法是：，获取设定叶片的角度值和叶片的当前角度值；计算设定叶片的角度值和叶片的当前角度值误差值，采用电流闭环调节角度误差值，使角度误差值Δθ≤α°，α°为设定的角度误差值，采用开环调节角度误差值。

具体而言，每10ms计算一次角度设定值与角度实际值的误差，通过误差进行PI算法调节，在系统算法中运用了两次调整方案，当设定角度值与实际角度误差值Δθ>α°时，运用闭环PI调节；当前述实际误差值与设定误差值Δθ≤α°时，运用开环调节。α°是控制系统预设的精度值，优选的可以将α°设为0.2°，当实际角度误差值达到这个界限时，便会转换控制方法。控制系统可以通过此核心算法控制一台或是两台执行器稳定地运转到所需要的角度值，从而控制执行器驱动和调节喷嘴叶片面积。

本实施例中，上述电流闭环调节角度值的方法是，设定电机的指令电流和电机闭环调节的运行频率，根据电机闭环调节的运行频率确定电流采集周期；在采集周期内采集电机当前的电流，计算电机的指令电流和电机当前的电流之间的电流误差值Δi；判断第一个采集周期内的电流误差值Δi是否大于0，若是，则控制电流误差值Δi调小，若否，则控制电流误差值Δi调大。

具体而言，如图5所示，本实施例采用PI算法实现闭环调节角度值。如图6所示，根据公式

控制系统步进电机根据的电流与扭矩关系，及实验验证得到步进电机工作额定电流值为I额定值此时推力接近最大。最大电流即为

设计允许误差存在，设置指令电流

||I_最大值-I_指令电流||≤0.2A。

在程序中设置实时采样电机线圈电流值iL，电流正弦波的理想波形为

iL＝I_有效值*sinωt，

电流误差值为

Δi＝I_指令电流–iL，

由电流误差值Δi大小可生成控制信号，步进电机运行通过设置MCU中通用计数器的周期实现电机频率，实际设定电机运行频率为xHZ，即一个正弦波周期f为

如图8所示，程序可分成2个

的周期实时判断电流数据，分别为波形正半周期和负半周期。程序每

采集一次电机线圈电流值iL，一个周期能够采集10次，能够较精确地校正电流波形。如图7所示，首先在第一个周期

当电流误差值Δi大于0时，MCU四路控制引脚连接转换芯片，通过转换芯片向四路驱动器件发送指令，从而控制Q1、Q4导通，桥臂输出电压为+U，电机电感电流i_L增大，当导通电流误差值Δi小于0时，控制Q2、Q3导通，桥臂输出电压为-U，电感电流iL减小；每个周期内反复判断，电感线圈电流也会跟随指令值电流做正弦周期变化。另一路Q5、Q6、Q7、Q8执行原理与第一路驱动原理基本相同。通过定时控制电机另一路的执行时间，在程序中设置相对延时满足90°相位差，可以控制电机的正反转运行，接近电机线圈中实际电流的波形。这里的MCU指主、从执行器芯片，通过一个芯片即可以实现同时控制主、从执行器。

本实施例中，上述开环调节角度值的方法是，设置电机频率为闭环调节电机频率的2倍，采用两路相位差90°的脉冲信号进行电压调节，通过脉冲信号驱动运行y个周期，从而使所述角度误差值Δθ变小。运用开环调节可以在闭环调节的基础上，快速、精确地调小喷嘴环实际角度与给定角度之间的角度误差，使涡轮增压器喷嘴环喉口面积调整到设定值。

采用两路相位差90°的脉冲信号进行电流误差值Δi调小，开环调节电机频率为闭环调节电机频率的2倍，并通过脉冲信号驱动运行y个周期。

采用两路相位差90°的脉冲信号进行电压调节，使所述角度误差值Δθ变小，所述开环调节电机频率为所述闭环调节电机频率的2倍。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种可调喷嘴控制方法，其特征在于，包括：

获取稳压箱的压力指令，采集所述稳压箱的实际压力值；

计算所述压力指令与所述实际压力值的差值，并判断所述差值是否大于零，若是，则调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，若否，则调大主涡轮增压器喷嘴环喉口面积；

比较所述当前的角度值和所述目标角度值，若所述当前的角度值小于所述目标角度值，则调大主涡轮增压器喷嘴环喉口面积，若所述当前的角度值大于所述目标角度值，则调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积；

根据所述主涡轮增压器的转速调整所述当前从涡轮增压器环喉口面积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述主涡轮增压器的转速调整所述当前从涡轮增压器环喉口面积，包括：

获取主涡轮增压器和从涡轮增压器的当前转速，并计算所述主涡轮增压器和所述从涡轮增压器之间的转速差；

判断所述差值是否大于零，若是，则调小所述从涡轮增压器环喉口面积，若否，则调大所述从涡轮增压器环喉口面积。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述调大或者调小主涡轮增压器喷嘴环喉口面积和所述调小或者调大所述从涡轮增压器环喉口面积，包括：

获取设定叶片的角度值和叶片的当前角度值；

计算所述设定叶片的角度值和叶片的当前角度值误差值，采用电流闭环调节所述角度误差值，使所述角度误差值Δθ≤α°，α°为设定的角度误差值，采用开环调节所述角度误差值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用电流闭环调节角度值，包括：

设定电机的指令电流和电机闭环调节的运行频率，根据所述电机闭环调节的运行频率确定电流采集周期；

在所述采集周期内采集电机当前的电流，计算所述电机的指令电流和所述电机当前的电流之间的电流误差值Δi；

判断第一个采集周期内的所述电流误差值Δi是否大于0，若是，则控制所述电流误差值Δi调小，若否，则控制所述电流误差值Δi调大。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用开环调节角度值，包括：

采用两路相位差90°的脉冲信号进行电压调节，使所述角度误差值Δθ变小，所述开环调节电机频率为所述闭环调节电机频率的2倍。

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