汽車電子增壓器控制系統(tǒng)研究

刁一峰

摘要：電子增壓器是提升汽車性能的關(guān)鍵元器件，本文結(jié)合多年工作實踐，闡述汽車電子增壓器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且基于汽車安全行駛的要求，結(jié)合電子增壓器控制系統(tǒng)原理提出一種基于KD.TCU的電控系統(tǒng)，以此滿足我國汽車電子增壓器裝置性能發(fā)展的要求。

關(guān)鍵詞：汽車;電子增壓器;控制系統(tǒng)

0 ?引言

隨著我國汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是環(huán)保工作對汽車性能的要求日益嚴(yán)格。降低汽車污染排量、提高汽車動力是汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。實踐證明提升汽車發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵手段就是利用電子增壓器，同電子增壓器達(dá)到調(diào)整控制供氣量，實現(xiàn)汽車進(jìn)氣量與排氣量的有效匹配，達(dá)到精準(zhǔn)燃燒的目的。相比于傳統(tǒng)的增壓技術(shù)，電子增壓器實現(xiàn)了無需與發(fā)動機(jī)進(jìn)行機(jī)械連接，因此電子增壓器不僅具有安裝自由度高的優(yōu)勢，而且還不需要對發(fā)動機(jī)排氣端進(jìn)行改變，達(dá)到了增壓器的快速響應(yīng)?；陔娮釉鰤浩鞯膬?yōu)勢，發(fā)揮電子增壓器功能關(guān)鍵就是要設(shè)計完善的控制系統(tǒng)，因此本文設(shè)計KD-TCU電控系統(tǒng)，并且通過檢驗驗證了其能夠達(dá)到精準(zhǔn)控制電子增壓器，滿足發(fā)動機(jī)的實際需求[1]。

1 ?電子增壓器電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概述

電子增壓器電控系統(tǒng)見圖1所示。電子增壓器電控系統(tǒng)是實現(xiàn)對汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣自動控制的關(guān)鍵系統(tǒng)，其主要是通過對汽車變截面噴嘴環(huán)口流通面積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的運動，以此改變進(jìn)入汽車氣流的流量。根據(jù)其結(jié)構(gòu)圖可以看出電控系統(tǒng)主要包括CAN總線通訊接口電路、微處理器、電源調(diào)節(jié)電路以及位置信息反饋電路等等。

本文電子增壓器電控系統(tǒng)需要滿足以下要求：一是要保證電子增壓器電控系統(tǒng)具有耐高溫的特點，因此需要采取高精度的32位微處理器的集成電路，這樣可以適應(yīng)電控系統(tǒng)高精度的控制性及對系統(tǒng)的適應(yīng)性要求;二是具有加強獲悉控制指令的功能，能夠?qū)刂浦噶钭龀鲎羁斓捻憫?yīng)。目前控制系統(tǒng)獲取指令的方式主要有兩種：一是電控系統(tǒng)在獲得發(fā)動機(jī)等參數(shù)值后，電控系統(tǒng)會利用系統(tǒng)的控制模型發(fā)出對驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運動指令;二是利用主控制算法將其放在ECU中，經(jīng)過計算機(jī)ECU直接計算出最佳增壓器葉片開度位置，以此發(fā)出控制指令;三是強化對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，縮短運動相應(yīng)的時間;四是采取PID位置閉環(huán)反饋系統(tǒng)，以此保證執(zhí)行的精度。同時為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止故障發(fā)生后出現(xiàn)適應(yīng)性不強的問題，需要開發(fā)設(shè)計多種故障處理程序，以此保證系統(tǒng)的可靠性。

2 ?電控系統(tǒng)的研究及設(shè)計

2.1 控制策略

電子增壓器使用的關(guān)鍵就是要提高發(fā)動機(jī)的性能，而增加發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵就是通過增壓器實現(xiàn)對進(jìn)氣量的調(diào)整，以此保證發(fā)動機(jī)充分燃燒。目前電子增壓器的控制參數(shù)有3種：增壓壓力、噴嘴開度位置以及增壓器轉(zhuǎn)速。實踐證明在發(fā)動機(jī)和增壓器參數(shù)確定的環(huán)境下，三種控制參數(shù)均與進(jìn)氣量有對應(yīng)關(guān)系，但是其精度不同。增壓器控制方法有很多種，例如控制算法雖然實現(xiàn)了精度高的要求，但是其系統(tǒng)比較復(fù)雜。位置控制方法雖然MAP的制取工作量比較大，但是其葉輪轉(zhuǎn)速控制方法比較簡單，瞬間響應(yīng)比較快，因此本文采取位置控制方法。

KD-GCT增壓器采取的是雙組葉片噴嘴結(jié)構(gòu)，為了提高測量傳感器的精度，檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的末端轉(zhuǎn)軸角度代表噴嘴位置。具體的操作算法為當(dāng)汽車處于穩(wěn)態(tài)工況下電子增壓器控制系統(tǒng)采取閉環(huán)的數(shù)字式PID算法，當(dāng)汽車處于加速或者減速工況時，為了提高相應(yīng)的速度采取前饋控制作為PI的補充[2]。在判斷控制算法時主要是根據(jù)發(fā)動機(jī)的工況進(jìn)行判斷，例如當(dāng)冷怠速時，為了降低冒白煙等現(xiàn)象，需要將噴嘴葉片置于最小開度。

2.2 位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)

位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)工作原理見圖2所示。其主要是當(dāng)電子增壓器微處理器發(fā)出控制信號后，通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否執(zhí)行到位。

2.3 總線通訊及信息反饋

電子增壓器控制系統(tǒng)需要接受與反饋發(fā)動機(jī)指令信息，因此控制系統(tǒng)比需要設(shè)計總線通信系統(tǒng)。本文設(shè)計的電子增壓器采取CAN總線控制方式，其控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照我國相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。因此根據(jù)電子增壓器工作原理，發(fā)動機(jī)電子增壓控制系統(tǒng)設(shè)計為享有優(yōu)先權(quán)，與電子增壓器形成統(tǒng)一整體，具有獨立工作的功能。控制系統(tǒng)在接受到發(fā)動機(jī)指令后，對指令進(jìn)行解析，然后計算軸的轉(zhuǎn)動角度，并且將信息傳遞給驅(qū)動電路，以此達(dá)到控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的目的。

2.4 直流永磁電機(jī)控制

增壓控制的動力來源是增壓器控制系統(tǒng)所必須要解決的，直流無刷永磁電動機(jī)在現(xiàn)代汽車制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其具有運行效率高的優(yōu)點，但是其存在轉(zhuǎn)交控制難的缺陷。因此在KD-TCU控制系統(tǒng)中用開關(guān)型霍爾集成電路，這樣可以準(zhǔn)確的對位置信號進(jìn)行判斷，以此達(dá)到精準(zhǔn)控制電機(jī)的目的[3]。

另外基于對故障保護(hù)的處理，需要設(shè)計故障處理及補償算法。例如在增壓器控制系統(tǒng)通電以后，系統(tǒng)會自動檢測各器件的狀態(tài)，通過軟件系統(tǒng)的自檢實現(xiàn)對各個元器件性能的診斷。

3 ?執(zhí)行器的研制

通過研究分析，本次設(shè)計的KD-TCU電子執(zhí)行器主要包括兩種型號：一種是自控型，自動型包含了上述所有的控制策略，當(dāng)然自控型需要執(zhí)行器要對發(fā)動機(jī)的所有參數(shù)，例如溫度、大氣壓力溫度、負(fù)荷以及轉(zhuǎn)速等信息進(jìn)行全面的掌握，而這些信息參數(shù)可以通過CAN總線獲悉。當(dāng)然還可以通過傳感器測量或許;二是從控型。從控型就是電控單元只是接受發(fā)動機(jī)發(fā)出的指令信息，通過對指令信息解析后進(jìn)行操作。

3.1 執(zhí)行器基本技術(shù)參數(shù)

執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其外形結(jié)構(gòu)見圖3所示。執(zhí)行器的基本參數(shù)為：輸出扭矩大于8Nm;平均運動速度大于0.25m/s;平均電流消耗小于1.5A;重復(fù)位置精度±2%;響應(yīng)時間小于500ms;工作溫度為一40～+125℃，符合IS016750--2010《道路車輛安全及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗》標(biāo)準(zhǔn)要求。同時基于電子增壓器設(shè)計原理的指令，為了減少空間占用，執(zhí)行器采取電機(jī)驅(qū)動的方式，一級主動輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子采取一體結(jié)構(gòu)，這樣滿足位置控制算法的要求。具體的設(shè)計位置就是在輸出末端設(shè)轉(zhuǎn)角傳感器，這樣便于位置反饋[4]。

3.2 控制程序的設(shè)計

控制程序以控制策略和算法為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。執(zhí)行器配用的控制程序主要包括寄存器配置、硬件初始化、中斷調(diào)用、數(shù)據(jù)通信、故障診斷及處理、補償?shù)葞状竽K[5]。基本的控制軟件功能示意框圖如圖4所示。

為了檢驗電子增壓器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，對其進(jìn)行多次試驗，并且將其與SD493發(fā)動機(jī)進(jìn)行了匹配試驗，經(jīng)過試驗對比本文設(shè)計的電子增壓器控制系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)功率、油耗、煙度等指標(biāo)上都要高于普通的電子增壓器控制系統(tǒng)的性能，因此基于KD-TCU的電控系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性與實踐應(yīng)用性，能夠滿足多種工況的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝云臣，施永強.車用可變截面增壓器電控系統(tǒng)KD-TCU的開發(fā)[J].現(xiàn)代車用動力，2017（1）.

[2]劉青林，顏丙輝.電子增壓器對增壓小型化發(fā)動機(jī)性能改善研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2017（4）.

[3]馮浩，秦博，林思聰，孫云龍.電子增壓器對增壓米勒循環(huán)汽油機(jī)性能影響的試驗研究[J].汽車工程，2019（7）.

[4]江蘇凱迪航控系統(tǒng)股份有限公司.《雙葉片噴嘴系統(tǒng)的渦輪增壓器》項目鑒定資料[Z].北京：中高科鑒字[2014]第214號，2014.

[5]石偉.可變噴嘴渦輪增壓器控制算法的研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2016（4）.