怠速步進(jìn)電機(jī)失步糾錯(cuò)控制策略研究

祁克光（奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院，安徽 蕪湖 241009）

1 步進(jìn)電機(jī)介紹

節(jié)流閥體又叫節(jié)氣門體，可分為機(jī)械式節(jié)流閥體和電子式節(jié)流閥體。由于加速踏板和節(jié)流閥體之間通過機(jī)械拉線控制節(jié)氣門開度，所以稱之為機(jī)械式節(jié)流閥體。節(jié)氣門開度通過位置傳感器反饋給ECU，而怠速進(jìn)氣量的控制只能通過ECU來控制怠速步進(jìn)電機(jī)。機(jī)械式節(jié)流閥體控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電子式節(jié)流閥體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于加速踏板開度請求以電信號反饋給ECU，ECU也是通過電信號來控制節(jié)流閥體的開度（驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)），并且接收節(jié)流閥體位置傳感器反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制。

步進(jìn)電機(jī)是出現(xiàn)在機(jī)械式節(jié)流閥體總成上的一個(gè)重要部件。下面簡單介紹步進(jìn)電機(jī)的工作原理，圖3為步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。步進(jìn)電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，絲杠機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，使閥心作軸向移動(dòng)，改變閥心與閥座之間的間隙，安裝在節(jié)氣門上。步進(jìn)電機(jī)有4個(gè)針腳和ECU相連，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)決定了其失步必然不可避免（開環(huán)控制，沒有步數(shù)測量傳感器反饋給ECU），步進(jìn)電機(jī)沒有位置反饋，ECU控制到多少步，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行結(jié)果無法識(shí)別。另外，失步也與ECU控制策略和驅(qū)動(dòng)頻率、驅(qū)動(dòng)電壓有著重要的關(guān)系。從控制上來說，既希望步進(jìn)電機(jī)以最快的速度按照ECU的指令工作，又不能太快而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的失步。比如：當(dāng)前汽車怠速步數(shù)為40步，此時(shí)突然打開空調(diào)，空調(diào)是電器負(fù)載中功率最大的設(shè)備，為了保證怠速的穩(wěn)定性，需要快速地從40步走到80步。由于空調(diào)負(fù)載增加是突然且迅速的，進(jìn)氣量的補(bǔ)償如不能及時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致瞬間轉(zhuǎn)速下跌，甚至熄火，所以這要求怠速步進(jìn)電機(jī)的快速響應(yīng)。但如果太快，則會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步。一般每走一步7～10ms頻率為最佳，低于7ms則易失步。

2 步進(jìn)電機(jī)易失步工況

1）起動(dòng) 點(diǎn)火鑰匙上電后，步進(jìn)電機(jī)需要從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置，大約需要3 s左右。因此，點(diǎn)火鑰匙上電后不要急于起動(dòng)車輛，有利于避免步進(jìn)電機(jī)的失步。

2）停機(jī) 停機(jī)對于步進(jìn)電機(jī)來說是最重要的工況，因?yàn)閷τ谄渌娍卦骷碚f，如節(jié)氣門位置，都是在上電進(jìn)行自學(xué)習(xí)的，唯有步進(jìn)電機(jī)的自學(xué)習(xí)在下電。當(dāng)車輛點(diǎn)火鑰匙斷開，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，從當(dāng)前位置到達(dá)最大步數(shù)，然后由最大步數(shù)自學(xué)習(xí)到0位置，再回到目標(biāo)位置保存到ECU中，即完成怠速步進(jìn)電機(jī)的自學(xué)習(xí)，大約需要10 s左右。怠速步進(jìn)電機(jī)自學(xué)習(xí)流程圖如圖4所示。這個(gè)過程全部由ECU自動(dòng)完成，不需要駕駛者刻意等待。僅僅需要注意的是，車輛熄火后，不要立即拔掉車輛蓄電池的電源，否則容易把自學(xué)習(xí)值丟失。當(dāng)自學(xué)習(xí)完成，則會(huì)把自學(xué)習(xí)值保存在ECU中，無論斷電與否都會(huì)保存在ECU中。因此，當(dāng)自學(xué)習(xí)值丟失的時(shí)候，需要駕駛者把點(diǎn)火鑰匙打到ON，然后斷開點(diǎn)火鑰匙10s左右，再次把鑰匙打到ON3s左右，即可重新自學(xué)習(xí)，可避免車輛運(yùn)行中的失步。

3）駕駛中頻繁地加速和減速 由于步進(jìn)電機(jī)是控制進(jìn)氣量的，因此頻繁地加速和減速，步進(jìn)電機(jī)也會(huì)根據(jù)需求不停地正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，容易造成失步。

3 步進(jìn)電機(jī)失步如何確認(rèn)

步進(jìn)電機(jī)是為怠速進(jìn)氣量控制的，所以步進(jìn)電機(jī)失步的確認(rèn)也要在怠速工況下進(jìn)行。當(dāng)出現(xiàn)怠速高、怠速低的情況，就要考慮步進(jìn)電機(jī)失步的可能性。當(dāng)然，怠速偏高、偏低也與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)是否漏氣、節(jié)氣門0位置是否正常有關(guān)。如果我們排除這兩種情況，就可以基本判斷屬于步進(jìn)電機(jī)失步了。以下用流程圖（圖5）的形式來描述步進(jìn)電機(jī)失步是如何確認(rèn)的。

步進(jìn)電機(jī)失步確認(rèn)流程應(yīng)該由易到難去排查。

1）先檢查進(jìn)氣系統(tǒng)是否有漏氣的情況，尤其是節(jié)流閥體和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的進(jìn)氣系統(tǒng)。怠速工況節(jié)流閥體閥片全部關(guān)閉，只有怠速步進(jìn)電機(jī)給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣量，如果出現(xiàn)漏氣的情況，將有多余的空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，ECU怠速控制會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)和點(diǎn)火角，以維持目標(biāo)怠速。當(dāng)漏氣情況嚴(yán)重，超過ECU控制范圍，將出現(xiàn)怠速偏高、加速無力等情況。這個(gè)檢查很容易，只要順著節(jié)流閥體后的進(jìn)氣系統(tǒng)排查即可。

2）再檢查節(jié)氣門0位置是否異常。當(dāng)節(jié)氣門0位置異常，如閥片關(guān)閉不嚴(yán)、節(jié)氣門0位置電壓過高（線束短路導(dǎo)致的0位置電壓超出ECU識(shí)別怠速的門限值），需要借助工具分析。使用萬用表測量節(jié)氣門位置傳感器的針腳電壓，或者使用診斷儀觀察怠速控制標(biāo)志位是否復(fù)位，脫離怠速控制狀態(tài)。當(dāng)?shù)∷贅?biāo)志復(fù)位，ECU不再進(jìn)行怠速控制，點(diǎn)火角會(huì)比怠速點(diǎn)火角大很多，所以怠速會(huì)偏高。當(dāng)?shù)∷贅?biāo)志置位，表明ECU處于怠速控制狀態(tài)，可排除這方面的問題。

3）以上兩種情況排除后，基本就可以確定為步進(jìn)電機(jī)失步。步進(jìn)電機(jī)失步表征就是通過診斷儀讀取的怠速步進(jìn)電機(jī)步數(shù)和點(diǎn)火角都異常。這個(gè)時(shí)候，可以通過熄火讓步進(jìn)電機(jī)重新自學(xué)習(xí)，如再次起動(dòng)，怠速恢復(fù)正常，可以確定為步進(jìn)電機(jī)失步。

4 步進(jìn)電機(jī)失步糾錯(cuò)控制策略

雖然失步是很難避免的，但明白失步的確認(rèn)和步進(jìn)電機(jī)自學(xué)習(xí)方法，失步不再是嚴(yán)重問題。以下介紹一種由ECU自動(dòng)識(shí)別失步并進(jìn)行糾錯(cuò)的控制策略。

步進(jìn)電機(jī)失步糾錯(cuò)的控制策略主要由兩部分組成，一部分是失步糾錯(cuò)使能條件的判斷，另一部分就是計(jì)算實(shí)際步進(jìn)電機(jī)步數(shù)進(jìn)行糾正。

1）失步糾錯(cuò)使能條件的判斷 在怠速工況下，如果怠速轉(zhuǎn)速過高或者過低（偏離目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速），則對當(dāng)前的進(jìn)氣量（修正為通常狀態(tài)下：25℃&1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）與步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)的通常狀態(tài)下的進(jìn)氣量進(jìn)行比較，當(dāng)偏差超過限制值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)失步糾錯(cuò)使能。步進(jìn)電機(jī)失步糾錯(cuò)使能條件邏輯圖如圖6所示。

2）步數(shù)糾錯(cuò) 圖7為步進(jìn)電機(jī)失步糾錯(cuò)控制邏輯圖。當(dāng)前怠速的實(shí)際進(jìn)氣總量減去節(jié)流閥體的漏氣量，可獲得通過步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)氣量；由步進(jìn)電機(jī)流量特性曲線，可獲得步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前應(yīng)該處于的步數(shù)，即步進(jìn)電機(jī)修正值。一旦失步糾錯(cuò)使能條件成立，就把步進(jìn)電機(jī)修正值取代當(dāng)前的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)，賦給ECU來進(jìn)行步數(shù)糾錯(cuò)。

5 結(jié)束語

雖然電子節(jié)流閥體不存在步進(jìn)電機(jī)失步的問題（電子節(jié)流閥體沒有步進(jìn)電機(jī)，只有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門閥片，其怠速進(jìn)氣量控制也是通過ECU電信號直接驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥體，且具有節(jié)流閥位置反饋信號給ECU，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制），并且形成一種技術(shù)趨勢（奇瑞除QQ3、旗云及開瑞微車系列采用機(jī)械節(jié)流閥體外，瑞虎、A3等車型已采用電子節(jié)流閥體），但就目前中國市場而言，機(jī)械式的節(jié)流閥體仍舊占據(jù)較大的市場份額。認(rèn)識(shí)步進(jìn)電機(jī)失步的機(jī)理，可以讓我們簡單地應(yīng)付失步的問題。本文的步進(jìn)電機(jī)失步糾正控制策略，也能為我們解決失步故障提供一種簡單且自動(dòng)化的處理方案。