CN114000955A - 一种发动机节气门自标定系统及控制方法 - Google Patents

一种发动机节气门自标定系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机节气门自标定系统及控制方法包括节气门座、节气门轴、带动节气门轴旋转的电机、与节气门轴相连的节气门开度感应指针、位于节气门座内腔的节气门门板、与节气门开度感应指针同圆心设置的节气门开度分度盘、节气门位置传感器以及标定控制单元，其中节气门开度分度盘上将节气门开度从节气门全闭到节气门全开等分为n个区，并在每一区对应刻度点上分别设置位于同一圆周上的静触点，节气门开度感应指针上设置与静触点相对应的动触点,标定控制单元控制节气门电机PWM控制信号占空比步进变化，并自动采集每个静触点与动触点接触时的PWM控制信号占空比值和节气门位置电压值。本发明标定效率高且适用于多种应用场景。

Description

一种发动机节气门自标定系统及控制方法
技术领域
本发明涉及节气门标定系统，尤其涉及一种发动机节气门自标定系统及控制方法。
背景技术
随着技术进步及排放法规的日益严格，活塞发动机全面步入电喷化时代，节气门控制是发动机电控技术的重要领域。
电喷发动机工作过程中，需要采集节气门开度的大小来计算吸入发动机的空气质量，并根据该数值计算最佳燃油喷射量，确保空气与燃油混合比保持在最佳值。
节气门控制包括两个方面：节气门开度控制及节气门开度位置回报；节气门的开度控制精度和节气门位置传感器回报的节气门位置精度直接影响空气与燃油混合比，与发动机性能密切相关。
节气门开度控制基本采用PWM技术控制节气门电机的旋转角度，节气门位置传感器将节气门开度值转换为电压输出。
现有的节气门开度标定技术仅是在发动机开发阶段手动标定节气门开度的PWM控制信号占空比，同时标定节气门位置传感器输出电压与节气门开度值的对应关系，该方法标定效率低下，且无法避免因生产过程中出现的节气门体及节气门位置传感器的制造公差导致的节气门控制精度不高，从而影响发动机的稳定运行等问题。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种标定效率高且适用于多种应用场景的发动机节气门自标定系统。
本发明的第二目的是提供一种发动机节气门自标定系统的控制方法。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种发动机节气门自标定系统，包括节气门座、穿设在节气门座上的节气门轴、与节气门轴一端相连且用于带动节气门轴旋转的电机、与节气门轴另一端相连且随着节气门轴一同旋转的节气门开度感应指针、与节气门轴相连且位于节气门座内腔的节气门门板、与节气门开度感应指针同圆心设置且固定于节气门座上的节气门开度分度盘、节气门位置传感器以及标定控制单元，其中节气门开度分度盘上将节气门开度从节气门全闭到节气门全开等分为n个区，并在每一区对应刻度线上分别设置位于同一圆周上的静触点，节气门开度感应指针上设置与静触点位于同一圆周上的动触点；标定控制单元控制电机电机旋转，当节气门开度感应指针旋转到节气门开度分度盘上静触点位置，标定控制单元接收到动、静触点导通信号，标定控制单元记录当前对应的节气门开度PWM控制信号的占空比和节气门位置传感器的电压值。
其中，所述节气门轴的端部具有用于定位节气门开度感应指针的D形圆周面，节气门开度感应指针上开设有相应的D形孔。
优选地，所述节气门开度分度盘为PCB板，PCB板上印制有n+1个等角度排列的金属触点作为静触点。
再者，所述节气门开度感应指针由非金属材料制成，节气门开度感应指针上与静触点同一圆周处镶嵌金属块作为动触点。
进一步，所述节气门座上设置有至少2个用于安装节气门开度分度盘的安装柱，且安装柱分布于以节气门轴为圆心的同一圆周上。
优选地，所述节气门开度分度盘上开设有用于调整分度盘初始安装角度的圆弧槽，该圆弧槽与安装柱位于同一圆周上，且安装柱对应圆周角位于圆弧槽对应圆周角内。
再者，所述标定控制单元包括与节气门位置传感器和单片机相连的电源芯片、单片机、通讯芯片以及与电机及单片机相连的电机驱动芯片，其中节气门开度分度盘上n个区对应形成θ0~θn开度点，单片机上设置有与θ0~θn开度点上静触点相对应连接的I00~I0n端口。
进一步，还包括通过电阻与单片机相连的标定指示灯、与通讯芯片相连的上位机和与单片机相连的标定按钮。
本发明一种发动机节气门自标定系统的控制方法，当发动机节气门自标定系统作为标定工具时，包括如下步骤：在上位机上选择标定功能，将节气门门板和节气门开度感应指针旋转到θ0位置，按下标定按钮，控制单元的单片机控制节气门开度PWM控制信号从最小占空比开始驱动电机旋转；如果单片机I01端口未接受到动、静触点导通信号，则按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号占空比，直到单片机I01端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到当前节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，θ1开度点的标定完成；单片机继续按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号的占空比，直到单片机I02~I0n端口均依次接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到每一开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录相应刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ2到θn的标定工作；当θn点的标定工作完成，单片机直接将节气门开度PWM控制信号调整到θ1的占空比，并继续向下调整其占空比，直到I00的端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到该开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ0开度点的标定，标定指示灯长亮，通知标定完成。
本发明一种发动机节气门自标定系统的控制方法，当发动机节气门自标定系统作为质量检测工具或者故障检测工具时，包括如下步骤：在上位机上选择检测功能，将节气门门板和节气门开度感应指针旋转到θ0位置，按下标定按钮，控制单元的单片机控制节气门开度PWM控制信号从最小占空比开始驱动电机旋转；如果单片机I01端口未接受到动、静触点导通信号，则按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号占空比，直到单片机I01端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到当前节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，θ1开度点的检验完成；单片机继续按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号的占空比，直到单片机I02~I0n端口均依次接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到每一开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录相应刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ2到θn的检验工作；当θn点的标定工作完成，单片机直接将节气门开度PWM控制信号调整到θ1的占空比，并继续向下调整其占空比，直到I00的端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到该开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ0开度点的检验，单片机将检验值与存储在上位机的各刻度点PWM控制信号标准占空比和节气门位置传感器标准电压值进行比较，如有不合格点，则标定完成指示灯闪烁，并在上位机显示出不合格点的具体数值，如无不合格点，则标定指示灯长亮。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
（1）产品开发阶段：利用本发明可以快速完成节气门控制PWM信号占空比及节气门位置传感器的标定；
（2）发动机批量生产阶段：自标定系统可以作为工装，在生产线上实现每台发动机的节气门控制PWM信号占空比及节气门位置传感器的自动快速标定，消除节气门及节气门位置传感器的制造公差，实现节气门开度的精确控制及节气门位置的准确回报；自标定系统可以作为检具，用于节气门及节气门位置传感器的快速检验；
（3）发动机保养、维修阶段：自标定系统可以作为检具，检查、维护节气门及节气门位置传感器，用于节气门及节气门位置传感器的故障快速诊断，或者用于调整节气门及节气门位置传感器运转后出现的磨损偏差，确保发动机节气门的精密控制和节气门位置的准确反馈；
（4）该自标定系统及控制方法目视性强、简单可靠且标定效率高，能快速进行节气门性能检测，提高检验及故障排除的效率，并能有效提升发动机性能。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的结构连接图；
图3为本发明中结构连接的爆炸示意图；
图4为本发明中节气门轴的安装剖视图；
图5为本发明中节气门轴安装爆炸图；
图6为本发明中节气门开度分度盘的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明一种发动机节气门自标定系统，包括节气门座1、节气门轴2、电机3、节气门开度感应指针4、节气门门板5、节气门开度分度盘6、节气门位置传感器7、标定控制单元8、标定指示灯12、上位机13和标定按钮14。
如图2、图3、图4和图5所示，节气门轴2安装在节气门座1上，节气门座1上具有用于穿设节气门轴2的通孔102，节气门轴2穿过节气门座1的通孔；节气门轴2的一端与电机3输出轴相连，电机旋转带动节气门轴一同旋转；节气门轴2的另一端具有D形圆周面201，D形圆周面201的平面上设置有插销孔205，节气门开度感应指针4上开设有相应的D形孔401；节气门轴2端部的D形圆周面201装配入节气门开度感应指针4的D形孔401内，实现节气门开度感应指针的定位，保证了节气门门板5和定位节气门开度感应指针间始终是固定的安装角度；再通过插销插入插销孔205上，完成节气门开度感应指针4与节气门轴2的快速固定。节气门轴2上设置有周向槽202，周向槽202用于安装卡簧，通过卡簧将节气门轴固定在节气门座上；节气门开度分度盘空套于节气门轴2上，节气门轴2旋转的时候，不会带动节气门开度分度盘一同旋转。节气门座1上设置有至少2个安装柱101，安装柱101分布于同一圆周上，且节气门轴2位于该圆周的圆心处，节气门开度分度盘与该圆周同心，节气门开度感应指针的旋转支点也位于该圆的圆心；节气门开度分度盘通过螺钉安装在节气门座1的安装柱101上，节气门开度分度盘6上开设有圆弧槽601，圆弧槽601用于调整分度盘初始安装角度，该圆弧槽601与安装柱101位于同一圆周上，且安装柱101对应圆周角位于圆弧槽601对应圆周角内；节气门开度分度盘6为PCB板，节气门开度分度盘6上将节气门开度从节气门全闭到节气门全开等分为n个区，并在每一区对应刻度线上分别设置位于同一圆周上的静触点15，静触点为PCB板上印刷的n+1个等角度排列的金属触点；如图1和图6所示，n=9，即将节气门开度从全闭到全开等分为9个区，对应的刻度值为θ0=0°、θ1=10°、θ2=20°、θ3=30°、θ4=40°、θ5=50°、θ6=60°、θ7=70°、θ8=80°、θ9=90°，θ0为节气门全闭点，θ9为节气门全开点。节气门开度感应指针4上设置与静触点同圆周的动触点16，节气门开度感应指针4由非金属材料制成，节气门开度感应指针上与静触点同一圆周处镶嵌金属块作为动触点；安装时旋转节气门板到节气门处于全闭状态，旋转节气门开度分度盘，确保θ0位置的静触点与动触点接触，即节气门开度感应指针指在节气门开度分度盘上的θ0位置，紧固节气门开度分度盘安装螺钉。节气门轴2的中部开设有凹槽203和安装孔204，节气门门板5放置于凹槽203处，通过螺钉固定于安装孔204内实现节气门门板与节气门轴的固定连接，其中节气门门板5位于节气门座内腔，节气门门板5与内腔的截面相适配。
本发明的节气门位置传感器7将节气门开度值转换为电压输出，节气门位置传感器7可单独设置，也可集成于电机3上。标定控制单元8包括电源芯片9、单片机10、通讯芯片11和电机驱动芯片17，电源芯片9与节气门位置传感器和单片机相连，电机驱动芯片17和电机及单片机相连，节气门开度分度盘6上9个区对应形成θ0~θ9共10个开度点，单片机10上设置有与θ0~θ9开度点上静触点相对应连接的I00~I09端口，动触点接地，如图1所示，单片机10上设置有I00~I09端口；标定指示灯12通过电阻R1与单片机的I010端口相连，上位机13与232串口通讯芯片相连，232串口通讯芯片上具有发送数据端口Tx和接收数据端口Rx；电机3与电机驱动芯片17的OUT1及OUT2端口相连，电机驱动芯片17的input端口和单片机的I011相连，节气门位置传感器7的OUT端口与单片机的AD1端口相连，标定按钮14与单片机的I012端口相连。本发明标定控制单元8控制电机3旋转，当节气门开度感应指针4旋转到节气门开度分度盘6上静触点对应位置，标定控制单元8接收到动、静触点导通信号，标定控制单元8记录当前对应的节气门开度PWM控制信号的占空比和节气门位置传感器的电压值；其中动、静触点导通信号可以设置为低电平信号或高电平信号。
本发明一种发动机节气门自标定系统的控制方法，当发动机节气门自标定系统作为标定工具时，包括如下步骤：在上位机上选择标定功能，将节气门门板和节气门开度感应指针旋转到θ0位置，按下标定按钮，控制单元的单片机控制节气门开度PWM控制信号从最小占空比开始驱动电机旋转；如果单片机I01端口未接受到动、静触点导通信号，则按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号占空比，直到单片机I01端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到当前节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，θ1开度点的标定完成；单片机继续按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号的占空比，直到单片机I02~I0n端口均依次接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到每一开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录相应刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ2到θn的标定工作；当θn点的标定工作完成，单片机直接将节气门开度PWM控制信号调整到θ1的占空比，并继续向下调整其占空比，直到I00的端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到该开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ0开度点的标定，标定指示灯长亮，通知标定完成。
本发明一种发动机节气门自标定系统的控制方法，当发动机节气门自标定系统作为质量检测工具或者故障检测工具时，包括如下步骤：在上位机上选择检测功能，将节气门门板和节气门开度感应指针旋转到θ0位置，按下标定按钮，控制单元的单片机控制节气门开度PWM控制信号从最小占空比开始驱动电机旋转；如果单片机I01端口未接受到动、静触点导通信号，则按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号占空比，直到单片机I01端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到当前节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，θ1开度点的检验完成；单片机继续按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号的占空比，直到单片机I02~I0n端口均依次接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到每一开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录相应刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ2到θn的检验工作；当θn点的标定工作完成，单片机直接将节气门开度PWM控制信号调整到θ1的占空比，并继续向下调整其占空比，直到I00的端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到该开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ0开度点的检验，单片机将检验值与存储在上位机的各刻度点PWM控制信号标准占空比和节气门位置传感器标准电压值进行比较，如有不合格点，则标定完成指示灯闪烁，并在上位机显示出不合格点的具体数值，如无不合格点，则标定指示灯长亮。

Claims (10)

1.一种发动机节气门自标定系统，其特征在于，包括节气门座（1）、穿设在节气门座上的节气门轴（2）、与节气门轴一端相连且用于带动节气门轴旋转的电机（3）、与节气门轴另一端相连且随着节气门轴一同旋转的节气门开度感应指针（4）、与节气门轴相连且位于节气门座内腔的节气门门板（5）、与节气门开度感应指针同圆心设置且固定于节气门座上的节气门开度分度盘（6）、节气门位置传感器（7）以及标定控制单元（8），其中节气门开度分度盘（6）上将节气门开度从节气门全闭到节气门全开等分为n个区，并在每一区对应刻度点上分别设置位于同一圆周上的静触点（15），节气门开度感应指针（4）上设置与静触点位于同一圆周上的动触点（16）；标定控制单元（8）控制电机（3）旋转，当节气门开度感应指针（4）旋转到节气门开度分度盘上静触点位置，标定控制单元（8）接收到动、静触点导通信号，标定控制单元（8）记录当前的节气门开度PWM控制信号的占空比和节气门位置传感器的电压值。
2.根据权利要求1所述的一种发动机节气门自标定系统，其特征在于：所述节气门轴（2）的端部具有用于定位节气门开度感应指针的D形圆周面（201），节气门开度感应指针（4）上开设有相应的D形孔（401）。
3.根据权利要求1所述的一种发动机节气门自标定系统，其特征在于：所述节气门开度分度盘（6）为PCB板，PCB板上印制有n+1个等角度排列的金属触点作为静触点。
4.根据权利要求1所述的一种发动机节气门自标定系统，其特征在于：所述节气门开度感应指针（4）由非金属材料制成，节气门开度感应指针上与静触点同一圆周处镶嵌金属块作为动触点。
5.根据权利要求1所述的一种发动机节气门自标定系统，其特征在于：所述节气门座（1）上设置有至少2个用于安装节气门开度分度盘的安装柱（101），且安装柱（101）分布于以节气门轴为圆心的同一圆周上。
6.根据权利要求5所述的一种发动机节气门自标定系统，其特征在于：所述节气门开度分度盘（6）上开设有用于调整分度盘初始安装角度的圆弧槽（601），该圆弧槽（601）与安装柱（101）位于同一圆周上，且安装柱（101）对应圆周角位于圆弧槽（601）对应圆周角内。
7.根据权利要求1所述的一种发动机节气门自标定系统，其特征在于：所述标定控制单元（8）包括与气门位置传感器和单片机相连的电源芯片（9）、单片机（10）、通讯芯片（11）以及与电机及单片机相连的电机驱动芯片（17），其中节气门开度分度盘（6）上n个区对应形成θ0~θn个开度点，单片机（10）上设置有与θ0~θn开度点上静触点相对应连接的I00~I0n端口。
8.根据权利要求7所述的一种发动机节气门自标定系统，其特征在于：还包括通过电阻与单片机相连的标定指示灯（12）、与通讯芯片相连的上位机（13）和与单片机相连的标定按钮（14）。
9.一种根据权利要求1至权利要求8任一所述的发动机节气门自标定系统的控制方法，其特征在于，当发动机节气门自标定系统作为标定工具时，包括如下步骤：在上位机上选择标定功能，将节气门门板和节气门开度感应指针旋转到θ0位置，按下标定按钮，控制单元的单片机控制节气门开度PWM控制信号从最小占空比开始驱动电机旋转；如果单片机I01端口未接受到动、静触点导通信号，则按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号占空比，直到单片机I01端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到当前节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，θ1开度点的标定完成；单片机继续按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号的占空比，直到单片机I02~I0n端口均依次接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到每一开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录相应刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ2到θn的标定工作；当θn点的标定工作完成，单片机直接将节气门开度PWM控制信号调整到θ1的占空比，并继续向下调整其占空比，直到I00的端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到该开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ0开度点的标定，标定指示灯长亮，通知标定完成。
10.一种根据权利要求1至权利要求8任一所述的发动机节气门自标定系统的控制方法，其特征在于，当发动机节气门自标定系统作为质量检验工具或者故障检测工具时，包括如下步骤：在上位机上选择检测功能，将节气门门板和节气门开度感应指针旋转到θ0位置，按下标定按钮，控制单元的单片机控制节气门开度PWM控制信号从最小占空比开始驱动电机旋转；如果单片机I01端口未接受到动、静触点导通信号，则按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号占空比，直到单片机I01端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到当前节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，θ1开度点的检验完成；单片机继续按照固定的步长增加节气门开度PWM控制信号的占空比，直到单片机I02~I0n端口均依次接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到每一开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录相应刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ2到θn的检验工作；当θn点的标定工作完成，单片机直接将节气门开度PWM控制信号调整到θ1的占空比，并继续向下调整其占空比，直到I00的端口接收到动、静触点导通信号，同时单片机接收到该开度点节气门位置传感器的电压值，上位机通过通讯芯片与单片机连接，记录该刻度点对应的PWM控制信号占空比值和节气门位置传感器的电压值到上位机，完成θ0开度点的检验，单片机将检验值与存储在上位机的各刻度点PWM控制信号标准占空比和节气门位置传感器标准电压值进行比较，如有不合格点，则标定完成指示灯闪烁，并在上位机显示出不合格点的具体数值，如无不合格点，则标定指示灯长亮。
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