专利名称：一种发动机电子节气门的控制方法
技术领域：
本发明涉及发动机，更具体地，涉及一种发动机电子节气门的控制方法。
背景技术：
随着电子技术的日益发展，能源问题和环境问题的日益突出以及对汽车 性能要求的提高，电子节气门成为全电控发动机上最重要的控制装置并己开 始广泛应用到各种车辆上，其优点在于可根据驾驶员愿望、排放、油耗和安 全需求，使节气门快速精确地控制在最佳开度，并可设置多种控制功能来改 善驾驶安全性和舒适性。
电子节气门是一个存在非线性时变阻尼特性的系统，在其控制中存在以 下几个难点
(1) 非线性复位弹簧节气门体轴上有两个作用力方向相反的复位弹 簧，其主要作用为保证在节气门的控制失效时能够使节气门碟片回到自由位 置，以保证发动机在运行过程中不会产生熄火的情况。复位弹簧的拉力是节 气门的控制主要需克服的力，且此拉力的特性在自由位置的两端也各不相 同；同时，随着节气门使用时间的增加，复位弹簧的弹性系数也会发生变化， 使得一般单一不变的控制方法会随时间的增加而失效；
(2) 摩擦力矩的不确定性节气门体内的摩擦力较复杂，主要包括传 动轴的滑动摩擦和静摩擦，传动齿轮的粘滞摩擦，且作用时间和范围也不一 样，综合考虑其影响比较困难；
(3) 传动齿轮间隙对传动的影响较大由于节气门的控制精度要求， 因此传动齿轮之间的间隙可能会导致节气门簧片的轻微抖动或对节气门进 行微调时节气门动作的滞后；(4) 进气气流对碟片运动的影响难于计算当空气流经节气门体时， 由于节气门体的结构会使得气流作用在碟片两边的压力分布不均，从而导致 力矩不平衡，其大小与节气门体结构、进气气流大小以及碟片开度有非线性 关系，难以函数化。
(5) 节气门体的老化随着节气门使用时间的增加，其机械结构将呈 现老化，如自由位置开度可能会发生变化；还有就是节气门体的位置传感器 一般为电阻膜接触式传感器，同样也会随着使用时间的增加使得其电压变化 范围发生偏移。
由此，电子节气门由于其结构特点和工作环境等因素，对于电子节气门 难以准确加以控制。
发明内容
本发明的目的在于克服电子节气门控制过程中的上述困难，提供在一种 能够保持电子节气碟片运动的连续性和平稳性，从而实现电子节气门碟片运 行的快速、平稳、准确和防止超调的发动机电子节气门控制方法。
本发明提供了一种发动机电子节气门的控制方法，其中，所述控制方法 包括检测电子节气门的起始开度或当前开度；根据电子节气门的起始开度或 当前开度与目标开度的差值，当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开 度的差值大于X时，采用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或 关闭电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标 开度的差值的绝对值小于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而 控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2。至6° ;所 述基本方法为实时检测实际开度变化率，控制PWM信号的占空比使实际开 度变化率接近目标开度变化率;所述目标开度变化率为0.05至0.40度/毫秒； 所述开度变化率指电子节气门碟片的运动速率；所述PID控制方法是根据目 标开度与起始开度或当前开度之间的差值，通过比例P、积分I和微分D的线性组合来构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制碟片接近弁稳
定在目标开度。
采用本发明所述的发动机电子节气门的控制方法，针对电子节气门的当
前开度与目标开度的差值的不同，采用不同的控制方法以输出不同的PWM 信号的占空比，使得在所述差值较大时通过采用基本方法能够实现节气门碟 片运行的快速和平稳，并且在所述差值较小时通过采用PID方法能够实现节 气门碟片运行的准确和防止超调。
图1是电子节气门工作流程图2是电子节气门传感器故障诊断的优选实施方式的流程图; 图3是电子节气门自学习控制流程图。
具体实施例方式
在具体描述本发明的控制方法之前，首先对电子节气门的基本结构做一 简要介绍。电子节气门系统主要包括油门踏板位置传感器，油门踏板位置 传感器由在同一基准电压下工作的两个无触点线性电位器传感器组成，基准 电压由ECU提供，随着油门踏板位置的改变，电位器阻值也发生线性的变 化，由此产生反应油门踏板移动量和油门踏板变化率的大小的电压信号输入 ECU;节气门位置传感器，节气门位置传感器也是由两个无触点线性电位器 传感器组成，且由ECU提供相同的基准电压，当节气门位置发生变化时， 电位器阻值也随之线性地改变，由此产生相应的电压信号输入ECU，该电压 信号反映节气门开度大小和变化速率；节气门控制电机， 一般选用步进电机 或直流电机，经过两级齿轮减速来调节节气门开度；控制单元(ECU)是整 个系统的核心，包括两部分信息处理模块和电机驱动电路模块，信息处理 模块接受来自油门踏板位置传感器的电压信号，经过处理后得到节气门的目标开度，并把相应的电压信号发送到电机驱动电路模块；电机驱动电路模块 接受来自信息处理模块的信号，控制电机转动相应的角度，使节气门达到或 保持相应的开度。
在电子节气门开始工作以后，油门踏板位置传感器产生相应的电压信号 输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪 声的影响，然后根据当前的工作模式、油门踏板移动量和油门踏板变化率解 析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门开度的 基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工 况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等 等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门开度期望值进行补偿， 得到节气门的目标开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控 制电机使节气门达到目标开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信 号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。在运动过程中，节气门碟 片会受到很多方面的外力干扰，其中影响最大的就是进气气流，节气门当前 开度与目标开度的差较大和较小时，对节气门是否能够快速准确地运动到目 标开度的主要影响因素是不同的。
如图1所示，本发明提供的发动机电子节气门的控制方法包括检测电子 节气门的起始开度或当前开度；根据电子节气门的起始开度或当前开度与目 标开度的差值，当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝 对值大于X时，釆用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭 电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度 的差值的绝对值小于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而控制 打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2。至6° ;所述基 本方法为实时检测实际开度变化率，控制PWM信号的占空比使实际开度变 化率接近目标开度变化率；所述目标开度变化率为0.05至0.40度/毫秒；所 述开度变化率指电子节气门碟片的运动速率；所述PID控制方法是根据目标开度与起始开度或当前开度之间的差值，通过比例P、积分I和微分D的线 性组合来构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制碟片接近并稳定 在目标开度。其中，起始开度指每一次控制过程开始时电子节气门的开度； 当前开度指当前时刻电子节气门的开度；开度变化率指电子节气门碟片的运 动速率。所述实际开度变化率接近目标开度变化率指目标开度变化率与实际 开度变化率的差值小于目标开度变化率的3%。
采用本发明的方法，可以在每一个控制过程的开始根据起始开度选定控 制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率的控制 方法，也可以在当前开度接近目标开度，进入PID适控范围时，由基本方法 换用PID方法来进行控制。
当目标开度和碟片的当前开度相距较大，为了保持碟片运动的连续性和 平稳性，主要需要考虑的问题是运动过程中的抗干扰问题，此时采用基本方 法控制节气门碟片的运动。所述基本方法是根据电子节气门的当前开度与目 标开度的差值、当前开度与目标开度的大小和使用者对节气门碟片运动速率 的不同要求来确定电子节气门的目标开度变化率，并且实时根据电子节气门 的实际开度变化率大于或者小于目标开度变化率以及为电子节气门驱动电 机提供的实际驱动电压大于或者小于电子节气门标准驱动电压来减少或者 增加PWM信号的占空比。具体来说，需要根据目标开度和碟片当前开度的 差值大小以及车辆生产者设定的节气门全开角度和节气门由全闭到全开的 时长(不同的车辆生产者对于节气门打开和关闭的考虑不同，有的以快速为 优选，有的以平稳为优选)，以及节气门碟片的运动对发动机性能的影响来 确定在不同的差值范围内节气门碟片的开度变化率(也就是碟片的运动速 率)；同时在电子节气门实际运行时还应该根据使用者在对电子节气门施加 标准驱动电压(此标准驱动电压由电子节气门生产厂家给出， 一般为12V) 下得到的节气门碟片运动速率，结合当前电子节气门驱动电机的实际驱动电 压对PWM信号的占空比进行修正检测碟片在运动中的开度变化率，与给定的开度变化率进行对比，如碟片受到外力阻碍使得开度变化率减小，则步 进增大PWM信号的占空比；如碟片开度变化率过大或受到的外力减小导致 碟片运动速率过快，则步进减小PWM信号的占空比，这样，可以保证节气 门碟片以一个近似固定的开度变化率平稳、快速的运动。
当目标开度和碟片的当前开度相距较小时，主要需要考虑的问题是如何
使碟片快速接近并稳定在目标开度且超调最小，因此采用PID控制方法。所 述PID控制方法是本领域常用的控制方法之一，其控制原理是本领域技术人 员所公知的，在此不再赘述。在本发明中具体应用时是根据目标开度及碟片 的当前开度变化率确定一定占空比的PWM电压，该占空比的PWM电压使 得碟片在进入PID控制区域时能够将其变化率减小至PID适控的范围，再根 据目标开度和当前开度之间的差值，将偏差的比例P、积分I和微分D通过 线性组合构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制碟片快速接近并 稳定在目标开度。具体来说，可在碟片PID控制范围内时首先输出一固定占 空比(此占空比的数值需标定，基于不同厂家生产的电子节气门有所不同， 并且与碟片的目标开度有关)，所述PWM电压使碟片的运动速率达到上述 PID适控的范围内，然后根据碟片目标开度和当前开度的差值，采用不同的 PID参数(包括比例参数、积分参数、微分参数，其具体数值需要实验标定， 所述实验标定的方法是本领域技术人员所公知的)通过线性组合构成控制 量，从而计算得出PWM信号的占空比，从而控制碟片的开度使其快速接近 并稳定在目标开度，为了控制的更精确，还可在PID控制范围内设置根据开 度差值的大小设置不同的PID参数参与控制量的计算。
所述控制方法还包括确定电子节气门的自由位置和全闭位置的2个位置 传感器的输出信号，以作为确定PWM信号的换向位置以及计算电子节气门 的当前开度的基础。具体来说，为了确定PWM信号驱动电流的换向位置需 要确定自由位置的开度大小；为了计算碟片在任意位置时的开度大小需要记 录节气门碟片全闭时两个位置传感器的电压值。 一般来说，上述过程在车辆启动自检时进行，优选地，为了应对位置传感器受到干扰的情况，也可以在 车辆行驶中，记录节气门位于相应位置的输出电压信号，并加以判断。
电子节气门体上有两个节气门位置传感器，其主要作用为反馈碟片的当 前开度。随着碟片开度的增加，其中一个位置传感器的输出电压会由低到高 线性增加，而另一个位置传感器的输出电压则由高到低线性减小，且两个传 感器输出电压的变化率大小相等，方向相反，也就是说，碟片在任意开度时
两个位置传感器的输出电压之和为一个常数(记为A)。
所述确定电子节气门的自由位置和全闭位置时两个位置传感器的输出
信号的方法包括以下步骤控制电子节气门处于自由位置，记录2个位置传
感器的输出电压信号，分别记为AD1—0、 AD2—0;控制电子节气门处于全闭 位置，记录2个位置传感器的输出电压信号，分别记为AD1—1、 AD2—1;将 (AD1—0—AD1—1)和(AD2—0—AD2一1)并分别除以位置传感器的单位开 度电压变化率，即可得出电子节气门在自由位置时的开度，将该开度与该电 子节气门的标准开度进行对比；如果该开度处于标准开度的自由位置的开度 的误差允许范围内，则将所述AD1一0、 AD1—1、 AD2一0和AD2一1作为电子 节气门的自由位置和全闭位置时两个位置传感器的输出电压信号；其中，位 置传感器的单位开度电压变化率、自由位置开度和标准开度均由电子节气门 生产厂家标定，误差允许范围一般设置为位置传感器的器件误差范围，其数 值为3%-6%。
如图3所示，具体实现步骤如下首先，对节气门输入占空比为零的 PWM电压，使其碟片单纯依靠复位弹簧之间的作用力稳定在自由位置，然 后采集碟片稳定在自由位置时的两个位置传感器的AD采样值，记为AD1J)、 AD2一0;对电子节气门输入一定占空比(具体数值可通过对电子节气门进行 实验标定得到)的PWM电压，使电子节气门的碟片上升到全关闭的位置并 稳定住，然后记录下碟片稳定在全关闭位置时两个位置传感器的AD采样值， 记为AD1 1、 AD2 1;将PWM信号的占空比置为零，使电子节气门碟片回到自由位置；分别将两个传感器的2个不同位置的采样值作差，即将每一个 传感器在碟片处于自由位置时的采样值减去碟片处在全闭位置时的采样值 (ADl—0—AD1一1、 AD2J)—AD2—1)，用求得的差值分别除以电子节气门生 产厂家提供的位置传感器的单位开度电压变化率，即可得出碟片在自由位置 时的开度大小，同时对照电子节气门生产厂家给出的自由位置的开度范围， 可判断出计算出来的自由位置的开度是否合理，若合理，则将AD1J)、 AD2一0、 AD1_1、 AD2—1分别存入车辆控制器的EEPROM中；不合理，则 将EEPROM中存储的前一次得到的AD1一0、 AD2一0、 AD1_1、 AD2—1等数 据取出用于计算自由位置的开度以及计算碟片在任意位置的开度大小。
由于电子节气门是发动机系统的重要执行器，其工作状态的良好是发动 机正常运转的直接前提，检测电子节气门的当前开度的装置为2个位置传感 器，同时由于节气门体工作在高温高压且电气干扰频繁的工作环境中，位置 传感器可能受到不可预测的干扰或者老化失效，如何能够排除干扰，准确的 判断出传感器的故障并加以控制成为电子节气门正常工作的前提。优选地， 本发明提供的控制方法还包括实时检验电子节气门位置传感器工作是否正 常，当2个位置传感器工作正常时，采用本发明前述的方法来控制PWM信 号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，当2个位置传感 器中的至少一个工作不正常时，为了安全目的应保持电子节气门处在打开状 态，以便车辆能够继续行驶至维修站。不同厂家对电子节气门保持打幵的角 度的设置可能有所不同， 一般来说该开度是当电子节气门不受外力为5。至 10° 。
所述检测所述位置传感器的方法包括在多个时刻同时采集2个位置传感 器的输出电压信号；分别计算多个时刻2个位置传感器输出电压信号的平均 值，记作AD—1;通过判断2个AD一1的和是否满足位置传感器的器件误差 要求，从而判断位置传感器工作是否正常；其中，所述多个时刻包括2-10 个时刻，所述位置传感器的器件误差范围为3%-6%。 一般来说，如果满足了位置传感器的器件误差要求，应当认定位置传感器工作正常，如果不满足， 采用此种方法则只能得知位置传感器工作不正常，却无法断定是因为受到干 扰还是位置传感器本身老化故障。
优选地，检测所述位置传感器的方法包括在多个时刻同时采集2个位置
传感器的输出电压信号；分别计算第一多个时刻和第二多个时刻2个位置传 感器输出电压信号的平均值，并记作AD一1和AD—2;将2个AD一1相加， 判断2个AD一1的和是否在位置传感器的采样误差范围内；如不在该采样误 差范围内，则将2个AD—l相加，并且进一步判断2个AD—2的和是否在位 置传感器的器件误差范围内，从而判断位置传感器工作是否正常；其中，所 述第二多个时刻包括的时刻多于所述第一多个时刻包括的时刻。所述第一多 个时刻包括2-10个时刻，第二多个时刻包括10-100个时刻，所述位置传感 器的采样误差范围为8%-12%，位置传感器的器件误差范围为3%-6°%。
举例来说，如图2所示，检验电子节气门位置传感器的方法可以如下执 行在多个时刻同时对2个位置传感器的输出信号进行采样；将对2个位置 传感器的采集结果分别放入2个数组中，以5个采集结果为单元分别对数组 中的数据求平均值，记作AD—1;将上述平均值分别放入2个数组中，以50 个平均值为单元分别对数组中的数据求平均值，记作AD—2;将2个AD—1 相加，如果其和在A土C范围内，则位置传感器工作正常；如不在该范围内， 则将2个AD—2相加，如果其和在A士C范围内，则位置传感器受到了干扰， 如不在该范围内，则位置传感器发生故障；其中，B为允许的位置传感器的 采样误差，C为允许的位置传感器的器件误差， 一般来说B为A的8。%-12 %， C为A的3X-6X。当判断位置传感器发生故障时，应利用每个传感器 的AD_5数据分别对传感器进行故障诊断。采用上述关于节气门位置传感器 信号处理及诊断策略，在位置传感器受到外界信号干扰时，碟片不会产生震 荡或只产生很小的震荡，同时，采用此种方法对于故障与信号干扰能够很快 区分并有利于采取相应对策。
权利要求
1、一种发动机电子节气门的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括检测电子节气门的起始开度或当前开度；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值大于X时，采用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值小于或等于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2°至6°；所述基本方法为实时检测实际开度变化率，控制PWM信号的占空比使实际开度变化率接近目标开度变化率；所述目标开度变化率为0.05至0.40度/毫秒；所述PID控制方法是根据目标开度与起始开度或当前开度之间的差值，通过比例P、积分I和微分D的线性组合来构成控制量，从而计算出PWM电压占空比以控制碟片接近并稳定在目标开度。
2、 根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述实际开度变化率接近 目标开度变化率指目标开度变化率与实际开度变化率的差值小于目标开度 变化率的3%。
3、 根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述电子节气门的目标开 度是根据油门踏板移动量和油门踏板变化率解析得到节气门开度的基本期 望值，并通过获取发动机转速、档位、节气门位置信号对该节气门开度的基 本期望值进行修正来获得的。
4、 根据权利要求1所述的控制方法，其中，检测电子节气门的开度的 装置为2个位置传感器。
5、 根据权利要求4所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括确定电子节气门的自由位置和全闭位置的2个位置传感器的输出信号，以作为确 定PWM信号的换向位置以及计算电子节气门的当前开度的基础。
6、 根据权利要求5所述的控制方法，其中，所述确定电子节气门的自由位置和全闭位置时2个位置传感器的输出信号的方法包括控制电子节气门处于自由位置，记录2个位置传感器的输出电压信号， 分别记为AD1J)、 AD2一0;控制电子节气门处于全闭位置，记录2个位置传感器的输出电压信号， 分别记为AD1—1 、 AD2—1;将(AD1—0—AD1—1)禾卩(AD2—0—AD2J)并分别除以位置传感器的 单位开度电压变化率，得到电子节气门在自由位置时的开度，将该开度与该 电子节气门的标准开度进行对比，如果该开度处于标准开度的自由位置的开 度的允许范围内，则将所述AD1J)、 AD1一1、 AD2一0和AD2_1作为电子节 气门的自由位置和全闭位置时2个位置传感器的输出电压信号。
7、 根据权利要求4所述的控制方法，其中，该控制方法还包括实时检 测该2个位置传感器工作是否正常，当2个位置传感器中的至少一个工作不 正常时，控制电子节气门保持打开。
8、 根据权利要求7所述的控制方法，其中，检测所述位置传感器的方 法包括在多个时刻同时采集2个位置传感器的输出电压信号； 分别计算多个时刻2个位置传感器输出电压信号的平均值，记作AD一1; 通过判断2个AD 1的和是否满足位置传感器的器件误差要求，从而判断位置传感器工作是否正常。
9、 根据权利要求8所述的控制方法，其中，所述多个时刻包括2-10个 时刻，所述位置传感器的器件误差范围为3。%-6%。
10、 根据权利要求7所述的控制方法，其中，检测所述位置传感器的方法包括在多个时刻同时采集2个位置传感器的输出电压信号； 分别计算第一多个时刻和第二多个时刻2个位置传感器输出电压信号的平均值，并记作AD—1和AD一2;将2个AD—1相加，判断2个AD—1的和是否在位置传感器的采样误差范围内；如不在该采样误差范围内，则将2个AD一2相加，并且进一步判断2个 AD—2的和是否在位置传感器的器件误差范围内，从而判断位置传感器工作 是否正常；其中，所述第二多个时刻包括的时刻多于所述第一多个时刻包括的时刻。
11、 根据权利要求IO所述的控制方法，其中，所述第一多个时刻包括 2-10个时刻，第二多个时刻包括10-100个时刻，所述位置传感器的采样误 差范围为12%，位置传感器的器件误差范围为3%-6%。
全文摘要
本发明提供了一种发动机电子节气门的控制方法，其中所述控制方法包括检测电子节气门的起始开度或当前开度；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值大于X时，采用基本方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率；当电子节气门的起始开度或当前开度与目标开度的差值的绝对值小于或等于X时，采用PID方法控制PWM信号的占空比从而控制打开或关闭电子节气门的开度变化率，其中X的范围是2°至6°。采用本发明所述的发动机电子节气门的控制方法，在所述差值较大时能够实现节气门碟片运行的快速和平稳，并且在所述差值较小时能够实现节气门碟片运行的准确和防止超调。
文档编号F02D11/10GK101408133SQ20071016386
公开日2009年4月15日 申请日期2007年10月9日 优先权日2007年10月9日
发明者杰 侯, 强 沈 申请人:比亚迪股份有限公司