专利名称：一种油门执行器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种油门执行器，更具体的说是涉及一种应用在发动机性能试验台架测控系统中控制油门开启的油门执行器。
背景技术：
现今发动机性能试验台架的油门执行器多半使用力矩电机，并采用角位移传感器反馈控制实现油门开启的可调。而力矩电机存在以下缺点加/减速(包括启动/停止)动态响应慢；无动态响应重复性；长时间工作温度升高速率快，无法适应台架的长时间工作；随着使用时间的增长存在消磁现象，这样可输出扭矩就大打折扣，必须考虑定期更换电机才能解决这一问题。而采用角位移传感器做反馈控制，定位重复性差，局部调整(零点与满度点)存在很严重的抖动与过冲现象，无法实现油门的静态精准定位。
在某些传动领域内，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的力矩电机、步进电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高。而近些年兴起的交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度。
实用新型内容本实用新型克服油门执行器中的力矩电机存在的重复性低、动态响应慢、温度升高速率快、可靠性低和位置控制不准、角位移传感器定位不够精确的缺陷，提供了一种可靠性和重复性高、动态调节好、定位性精度准确的油门执行器。
本实用新型提供了一种油门执行器，该执行器包括控制器、数据采集调理装置，其特征在于，还包括伺服控制器和伺服电机；其中，所述控制器接收用户输入的控制油门开度的参数，所述数据采集调理装置采集来自于所述控制器的控制油门开度的参数并将该参数转化为脉冲个数信号和方向信号，所述伺服控制器接收来自于所述数据采集调理装置的脉冲信号和方向信号，生成控制伺服电机转动的信号，所述伺服电机根据伺服控制器生成的信号转动相应的角度和方向；所述伺服控制器接收来自于所述伺服电机的位置反馈信号并根据该反馈信号调整伺服电机的转动。
由于本实用新型所提供的油门执行器中采用伺服电机来控制油门的开启，而伺服电机本身有高动态的启/停运转的特性、电机的温度升高不会超过50度、定子没有使用永磁结构以及定子、转子绕组的特性而没有消磁现象、伺服电机自身具有编码器作为反馈单元，且反馈单元决定反馈控制、定位性的精度和可靠性较高。本实用新型所提供的油门执行器具有的两种工作模式位置控制模式和调零模式。其中，所述位置控制模式可靠的保障了油门的静态精准定位和较好的动态调节；调零模式可以实现油门拉索的预张紧，以达到每次动作的零点重复性。经过长期的发动机台架的各项试验证明本实用新型所提供的油门执行器具有动态响应好、重复性好、使用时间长、定位性精度高的特点，完全能够满足发动机台架各项试验的要求。此油门执行器在动态调节的门板式节气门结构中都能使用。
图1是本实用新型提供的油门执行器的结构框图；图2本实用新型提供的油门执行器应用于发动机性能试验台架测控系统中控制油门开启的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图作进一步的说明。
如图1所示，本实用新型提供了一种油门执行器，该执行器包括控制器1、数据采集调理装置2、伺服控制器4和伺服电机3；其中，所述控制器1接收控制油门开度的参数，所述数据采集调理装置2与所述控制器1电连接，采集来自于所述控制器1的控制油门开度的参数并将该参数转化为脉冲个数信号和方向信号，所述伺服控制器4与所述数据采集调理装置2电连接，接收来自于所述数据采集调理装置2的脉冲个数信号和方向信号，生成控制伺服电机3转动的信号，所述伺服电机3与所述伺服控制器4电连接，根据该伺服控制器生成的信号转动相应的角度和方向；所述伺服控制器4接收来自于所述伺服电机3的位置反馈信号并根据该反馈信号调整伺服电机3的转动。
其中，所述控制器1输入的控制信号为油门的开度，该开度除了包括油门开启的大小之外，还包括油门开启的方向，例如可以用“+30”代表正向转动30度，“-30”代表反向转动。所述控制器1可以为单片机、计算机，优选具有PCI插槽的电脑，并通过PCI总线连接到数据采集调理装置2。因为PCI总线具有与处理器无关性，扩展了应用范围；支持自动配置功能，具有广泛的标准配置功能和独特的即插即用性；重叠突发操作模式，减少了数据传输的等待时间，提高了数据传输率的特点。
所述数据采集调理装置2优选为具有PCI总线的多功能数据采集卡，例如NI公司的PCI-6221多功能数据采集卡，该6221采集卡具有12位采样精度、250k的模数采样速率、16路模拟输入通道、2路脉冲输入/输出通道和8路数字输入/输出通道，价格低廉、性能好，完全可以满足汽车发动机性能试验台架测试实验的要求。
该开度经算法转化为脉冲个数信号和方向信号，所述脉冲个数信号控制伺服电机3的转动角度，所述方向信号控制伺服电机3的转动方向。将油门开度转换成脉冲个数的转换算法为本领域人员所公知，例如对于具有17位元的编码器的伺服电机而言，伺服电机3转动360度，数据采集调理装置2要输出217个脉冲，一般的伺服系统都是4个脉冲对应于编码器数字的一格，所以每输出4个脉冲伺服电机3就转动 度，依次类推，所以根据伺服电机所需转动的角度，也就是根据从控制器1输入的用于控制油门开度的参数就可以换算出数据采集调理装置所要输出的脉冲个数。可以利用电平的不同来控制伺服电机的方向，例如，当输入为“+”时，所述控制器数据采集调理装置2可用高电平的输出信号指示伺服控制器4使得伺服电机3顺时针转动，当输入为“-”时，用低电平的输出信号指示伺服控制器4使得伺服电机3逆时针转动。
如图2所示，控制器1通过PCI插槽与6221多功能数据采集卡相连，所述6221数据采集卡得到的脉冲个数信号通过端口“Countl”输出到伺服控制器4的“PULSE”端口，同时将开启方向信号从DIO口输出到服控制器4的“SIGN”端口，来控制所述伺服控制器4，从而实现伺服电机3的位置精准确输出。其中所述的输出固定的脉冲个数为输出脉冲的频率的高低决定伺服电机3的运转速度的快慢，即实现油门开启调节的快慢。
所述伺服电机3用转动的角度来控制油门的开启，优选地为交流伺服电机，该交流伺服电机3包括编码器(未示出)以提供位置反馈信号，如最大输出扭矩7NM和响应时间200ms出力满行程的交流伺服电机。
优选情况下，所述编码器为增量型旋转编码器。
所述伺服控制器4是伺服电机3的驱动器，除了接收来自于所述数据采集调理装置2的信号之外，还接收来自于所述伺服电机3的编码器的位置反馈信号。优选情况下，所述编码器为增量型旋转编码器，因为增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实际应用较多。伺服电机3与伺服控制器4的配合主要根据电机的功率与电流、额定转速和额定扭矩。一般而言伺服控制器4都是根据伺服电机3的功率配套使用，对于本领域技术人员来说，选择适合配套的伺服控制器4及伺服电机3是常识，不需创造性劳动。
通常的伺服控制器4可以采用多种控制模式来控制伺服电机3，例如速度控制、扭矩控制和位置控制，这对于本领域的技术人员来说是公知的，在此不作过多的详细说明。在本实用新型提供的油门执行器的使用中主要使用其中的位置控制模式和速度控制模式。在位置控制模式下，脉冲信号的多少可以决定转动的角度，方向信号觉得转动的方向，这两种信号可以完全控制电机的位置控制模式下的运转。而在速度控制模式，可以实现节气门的调零。此外，本领域技术人员可知，在各模式下可以采用扭矩保护功能，保证调零的时候不至于反转过度。
优选情况下，本实用新型提供的油门执行器进一步包括油门开度传感器(未示出)，该传感器感测油门的实际开度并将感测到的实际油门开度发送给所述控制器1，此时，所述控制器1进一步包括比较器，对接用户输入的控制油门开度的参数和油门开度传感器感测的油门实际开度进行比较，并将比较结果发送给数据采集调理装置2，数据采集调理装置2再将二者的差值转化为相应的脉冲个数的方向信信号。该比较器可以通过硬件或软件的方式实现。所述油门开度传感器在可以是现有的任何种类的油门开度传感器。
本实用新型提供的油门执行器，还包括模式选择器5，用于选择所述伺服控制器4的控制模式，从而进一步控制伺服电机4的工作。如图2所示，所述模式选择器5的输入端和输出端分别与数据采集调理装置2和伺服控制器4相连，具体来说，所述模式选择器5的输入端包括PULSE和SIGN两个端口，分别连接在数据采集调理装置2的Countl端口和DIO端口；该伺服控制器4的输出端口包括PUSLE输出端口、SIGN输出端口和控制模式输出端口，分别输出脉冲个数信号、开启方向信号以及控制模式信号，这三个信号分别输入到所述伺服控制器4上的相应端口(PULSE端口、SIGN端口以及控制模式端口)。
根据本实用新型，所述模式选择器5包括位控按钮(位置控制按钮)、调零按钮、调零方向按钮以及调零启动按钮，这些按钮都与所述伺服控制器4的输入端连接，更具体来说，与所述伺服控制器4上的控制模式端口连接。其中，所述位控按钮和调零按钮可以是一个可以切换的开关，通过拨动开关从而选择控制模式，调零方向按钮是在设定了调零模式的时候，选择伺服控制器4的调零方向，当设定好上述功能时，按动调零启动按钮，则会产生一个电压信号，从而通过所述控制模式端口来控制所述伺服控制器4的调零。需要理解的是，上述功能的实现需要对伺服控制器4作相应的改动，既伺服控制器中需要有能够识别这些按钮的电压的子程序或者电路。对于本领域技术人员来说，根据需要来设定或改动伺服控制器4的功能是一般的技术性操作，不需要创造性劳动，因此这里不再详述。
在位置控制模式下，伺服控制器4控制伺服电机3处于位置控制模式，油门执行器处于精准位置控制，可以进行油门的高动态调节。所述伺服控制器4优选为满输出扭矩保护来达到很好的伺服电机3的启/停性。通过数据采集调理装置2的计数器的输出端口输出的脉冲频率和DIO口线输出的控制方向，输入到伺服控制器4，输入到伺服控制器4的脉冲信号的个数决定伺服电机3转动的角度，方向信号决定伺服电机3转动的方向。这两组信号可以完全控制伺服电机3的位置控制模式下的运行，从而实现伺服电机3的位置控制精确输出。
在调零模式下，是使用伺服控制器4中的速度控制加上扭矩保护功能。在需要节气门调零时，切换到速度控制模式。同时采用各模式下的扭矩保护功能保证调零的时候不至于反转过度。具体为根据具体安装环境选择调零的方向，即现场的伺服电机3的旋转方向，再启动/停止调零控制实现油门拉索的预张紧。
优选情况下，本实用新型提供的模式选择器5进一步包括调理电路(未示出)，对来自于数据采集调理装置2的脉冲信号进行放大和电平整形，输出整形后的脉冲信号到伺服控制器4。
本实用新型提供的油门执行器是一个完整的两级闭环控制系统。上层级别闭环是控制器1输出的需要转动的角度；下层闭环是由伺服控制器4与伺服电机3的反馈单元编码器，即增量型旋转编码器构成的，能够通过不断修正被改变的电机转动角度来可靠地保证节气门板转动的角度。
下面介绍根据本实用新型的油门执行器的工作过程。
本实用新型提供的油门执行器的具体工作流程为当本发明的油门执行器开始工作时，所述的伺服电机3一直处于编码器的位置反馈状态，控制器1将预先设定好的油门角度输出，即输出包括脉冲的个数和方向信号的数据；然后，控制器1读入油门的实际角度，其中，可通过安装在油门上的测试装置来读入油门的实际角度，例如油门开度传感器等等；控制器1将输入的设定值和读入的油门实际角度进行比较和判断，若二者相等，则控制器1停止输入；否则，控制器1计算出需要转动的角度和方向，一起输出给伺服控制器4，此时伺服控制器4从编码器读取伺服电机3的实际运转角度，将给定值和伺服电机3的实际角度进行比较和判断，若二者相等，则伺服控制器停止控制，此次对油门的调节和控制结束；若不等，则伺服控制器4计算出伺服给定量，再对伺服电机3进行控制，从而实现对油门的精准确定位。
权利要求1.一种油门执行器，该执行器包括控制器(1)、数据采集调理装置(2)，其特征在于，该执行器还包括伺服控制器(4)和伺服电机(3)；其中，所述控制器(1)接收用户输入的控制油门开度的参数，所述数据采集调理装置(2)采集来自于所述控制器(1)的控制油门开度的参数并将该参数转化为脉冲个数信号和方向信号，所述伺服控制器(4)接收来自于所述数据采集调理装置(2)的脉冲个数信号和方向信号，生成控制伺服电机(3)转动的信号，所述伺服电机(3)根据伺服控制器生成的信号转动相应的角度和方向；所述伺服控制器(4)接收来自于所述伺服电机(3)的位置反馈信号并根据该反馈信号调整伺服电机(3)的转动。
2.根据权利要求1所述的油门执行器，其中，所述控制器(1)为具有PCI插槽的电脑。
3.根据权利要求2所述的油门执行器，其中，所述数据采集调理装置(2)为PCI-6221多功能数据采集卡。
4.根据权利要求1所述的油门执行器，其中，所述伺服电机(3)为交流伺服电机，该交流伺服电机包括编码器，以提供位置反馈信号给所述伺服控制器(4)。
5.根据权利要求4所述的油门执行器，其中，所述编码器为增量型旋转编码器。
6.根据权利要求1所述的油门执行器，其中，该执行器进一步包括油门开度传感器，该传感器感测油门的实际开度并将感测到的实际油门开度发送给所述控制器(1)，所述控制器(1)进一步包括比较器，对用户输入的控制油门开度的参数和油门开度传感器感测的油门实际开度进行比较，并将比较结果发送给数据采集调理装置(2)。
7.根据权利要求1所述的油门执行器，其中，该油门执行器还包括模式选择器(5)，所述模式选择器(5)的输入和输出分别与数据采集调理装置(2)和伺服控制器(4)相连。
8.根据权利要求7所述的油门执行器，其中，所述模式选择器(5)包括位控按钮、调零按钮、调零方向按钮以及调零启动按钮，这些按钮都与所述伺服控制器(4)的输入端连接。
9.根据权利要求7所述的油门执行器，其中，所述模式选择器(5)包括调理电路，对来自于数据采集调理装置(2)的脉冲信号进行放大和电平整形，输出整形后的脉冲信号到伺服控制器(4)。
专利摘要一种油门执行器，该执行器包括控制器(1)、数据采集调理装置(2)、伺服控制器(4)和伺服电机(3)；其中，所述控制器(1)接收用户输入的控制油门开度的参数，所述数据采集调理装置(2)采集来自于所述控制器(1)的控制油门开度的参数并将该参数转化为脉冲个数信号和方向信号，所述伺服控制器(4)接收来自于所述数据采集调理装置(2)的脉冲个数信号和方向信号，生成控制伺服电机(3)转动的信号，所述伺服电机(3)根据伺服控制器生成的信号转动相应的角度和方向；所述伺服控制器(4)接收来自于所述伺服电机(3)的位置反馈信号并根据该反馈信号调整伺服电机(3)的转动。
文档编号G01M15/02GK2898807SQ20062011360
公开日2007年5月9日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者张海勃, 叶俊杰 申请人:比亚迪股份有限公司