基于扭矩協調的GDI汽油機控制系統研究與開發

陳 杰 張 瀛 趙玉靜 趙曉飛 吳 鏑 李亞丹

（1.長城汽車股份有限公司技術中心；2.河北省汽車工程技術研究中心）

1 前言

隨著被控對象不斷增加與控制精度不斷提高，汽車電子控制系統變得越來越復雜，控制難度也越來越大。基于扭矩的發動機控制系統可克服傳統發動機控制系統的缺點，能有效協調整個車輛系統的內、外部扭矩需求，使發動機工作在最佳狀態[1]。

德國BOSCH公司的Gerhardt J等人提出了基于扭矩的車用發動機控制系統架構[2]，以物理系統為基礎，通過簡化提煉，得到了以車輛扭矩為核心的發動機控制策略模型，對發動機控制策略的開發具有重要的指導意義，但他們僅從理論上闡述了基于扭矩的控制系統，并沒有實際應用于發動機臺架測試和驗證中。英國Ricardo公司的Heintz N等人提出了一種協調所有扭矩需求的框架結構，該系統采用模塊化的設計思想，為未來功能的擴充提供了足夠空間[3]。張凡武在基于扭矩的思想上開發出了控制系統模型并將其運行于自主研發的ECU系統中[4]。本文介紹了自主研發的控制算法，包括進氣系統、噴油系統、點火系統、怠速控制等，并結合WoodWard公司的MotoTron快速原型進行臺架測試。

2 發動機控制系統

發動機電子控制系統中存在著多種內、外部的影響因素，如駕駛員需求、怠速控制、巡航控制、附件需求等，這些因素都直接影響發動機的運行工況。傳統的發動機電子控制系統由于沒有統一接口，各子系統的工作均會對發動機控制參數的輸出產生影響。即不論是內部功能需求還是外部功能需求，其優先級不得不在每個子系統中單獨定義，因此易導致同時出現相互矛盾的要求。各個扭矩需求缺乏中心協調會造成不同的扭矩需求之間產生相互影響，特別是在工況點切換的過程中，最終導致不同子系統的標定數據之間具有很強的相互依賴性。

在基于扭矩協調的發動機電子控制系統中，首先ECU采集所有的扭矩需求，然后確定不同的扭矩需求優先級并進行協調，最終優先實現最重要的扭矩需求。其中，加速踏板開度信號反映了駕駛員的駕駛意圖，ECU在協調完其它扭矩需求后，最終計算出目標節氣門開度。此外，還可以通過扭矩的測量，對指示扭矩進行閉環控制，或利用發動機平均值模型設計一套扭矩在線估算算法對扭矩進行估算，從而實現發動機扭矩閉環控制。

基于扭矩的控制系統主要包含兩個核心的協調功能，即扭矩需求管理和扭矩轉換實現，如圖1所示。

扭矩需求管理器的主要任務是優先級處理，通過某種對最小值/最大值的選擇來實現。輸入扭矩管理器的參數都是內部和外部的需求，其可以被定義為扭矩值或效率值。

在扭矩轉化實現的功能中，將目標扭矩需求轉化成有效的控制輸出，這些輸出主要包括節氣門開度、點火正時和噴油正時（包括各缸獨立斷油）等。此外，采用渦輪增壓的發動機還需要考慮對廢氣閥的控制。

3 基于扭矩的控制策略及模型

發動機內部需求扭矩主要來自最高轉速限制、怠速控制、爆震控制、部件保護等；而外部需求扭矩主要來自與整車相關的需求扭矩，如踏板扭矩、巡航控制扭矩、變速器、整車附件等。內部和外部的需求扭矩進行協調后，得到總的需求扭矩。需求扭矩經過協調后分為氣路扭矩和火路扭矩，氣路扭矩主要是通過改變氣缸內進氣充量來實現，由氣路扭矩計算得到期望進氣量，再由期望進氣量計算節氣門開度，同時計算各缸實際噴油量，從而實現對氣路的控制；火路扭矩通過曲軸正時控制器計算期望點火角，當扭矩干涉點火角的標志位置高時，期望點火角就會被設置為最終的點火角而輸出。

所搭建的基于扭矩的GDI汽油機控制模型以扭矩為中間協調模型，將汽油機各個變量參數如節氣門位置、空燃比、點火提前角、轉速等聯系起來，進行統一協調控制。本模型采用Matlab/Simulink軟件搭建。

3.1 扭矩需求

分別以怠速控制和踏板扭矩為例，闡述系統是如何實現內部和外部扭矩需求的。

3.1.1 怠速控制

對于發動機怠速控制，首先需要通過查表的方式由發動機當前溫度計算出發動機怠速目標轉速值，既把發動機怠速目標轉速轉換成怠速扭矩需求。當發動機處于跛行回家模式、空調開關打開、油門踏板出現錯誤及轉向助力系統開啟等情況時，需要考慮其對發動機怠速目標轉速值的影響，進而采取措施對其加以修正。當得到發動機怠速目標轉速值后，通過怠速PID控制器，得到最終的怠速扭矩需求。

怠速扭矩分為火路扭矩和氣路扭矩兩部分：

a. 火路扭矩是由油門踏板開度與發動機轉速決定的初始火路扭矩需求，經一系列扭矩協調后，將扭矩轉化為目標點火角，并最終輸出點火提前角的全過程扭矩。

b.氣路扭矩是由油門踏板開度與發動機轉速決定的初始氣路扭矩需求，經一系列扭矩協調后，將扭矩轉化為期望進氣量，并最終指導節氣門閥片動作過程的全部扭矩。

通過怠速PID控制器得到的積分扭矩 （I部扭矩）是相同的，而這兩路的差分扭矩（P部扭矩）則是不同的。I部扭矩主要由目標轉速和當前轉速的差值積分計算得到；P部扭矩主要由目標轉速和當前轉速的差值乘以標定系數計算得到。

I部怠速扭矩為：

式中，KI為I部分的比例系數；ntarget為發動機轉速目標值；nactual為發動機轉速當前值。

P部的火路扭矩為：

式中，Ksetp為P部分的比例系數。

由式（1）和式（2）計算得到怠速的火路扭矩：

P部的氣路扭矩：

式中，kleadp為P部分的比例系數。

由式（1）和式（4）計算得到怠速的氣路扭矩：

怠速的氣路扭矩和火路扭矩經扭矩協調管理器處理后影響最終的相對充氣量和點火角。

3.1.2 踏板扭矩

通過查表方式由發動機轉速及踏板開度計算得到踏板需求扭矩：

式中，Lookup2D為二維查表的計算方法；αpedal為踏板開度；γDT為主減速比；Torqueaccessories為附件補償扭矩。

3.2 扭矩協調

對于扭矩協調管理器，當接收到不同的扭矩需求時，首先要參考火路扭矩需求的大小以對氣路扭矩需求加以限制，從而保證氣路扭矩需求處于火路扭矩需求與最大扭矩之間，然后考慮怠速扭矩儲備的需求，最終按重要順序來協調各種扭矩需求。完整的氣路扭矩需求協調過程如圖2所示，其中MIN為計算輸入量的最小值，MAX為計算輸入量的最大值。

對于火路扭矩需求協調，其過程與氣路扭矩協調類似，因此不再贅述。

3.3 扭矩實現

經扭矩協調后的變量分為氣路和火路兩路，氣路扭矩用來計算氣路扭矩需求和扭矩預留值;火路扭矩需求按照標志位信息分為點火扭矩需求和斷油扭矩需求。

扭矩需求通過查表得到期望進氣量和期望點火角，其用于進氣系統和點火系統的計算，實現對發動機噴油、點火系統的干涉。

4 快速原型的測試

快速原型仿真是實時仿真的一種，其處于產品研發的算法設計階段與具體實現階段之間,是產品研制過程中的重要環節[5,6]。快速原型測試的基本原理是用快速原型控制器硬件替代產品控制器硬件，通過自動代碼生成技術將建模與仿真階段所形成的控制算法模型下載到快速原型控制器中，并連接實際被控對象而進行控制算法的實物驗證。

本文基于扭矩的控制算法都是利用Simulink軟件實現的，通過Simulink模型連接傳感器、控制器和執行器，將傳感器輸出的信號經過控制器的運算，實現對執行器的控制，進而實現對發動機的控制。圖3為傳感器、控制器和執行器3者的關系簡圖，其中不體現時間調度、繼電器控制以及CAN總線標定協議（CCP協議）等外圍控制條件等。

模型完成后，按照定制的配置要求使用RTW自動生成代碼[7]，由gcc編譯器將代碼轉化為可執行文件，其中包括3個文件即程序文件（SRZ格式）、數據文件（A2L格式）和庫文件（DLL格式）。將此3個文件下載到MotoTron快速原型中，然后將發動機的傳感器和執行器通過線束連接到快速原型上，即可到臺架上進行測試。利用數據采集工具記錄下發動機起動狀態、怠速狀態以及踏板開度為3%時的相關測試數據，主要監控噴油脈寬和點火起始角。

5 試驗設備及結果分析

5.1 試驗用發動機

將模型下載到ECU中后，就可以在臺架上對控制器進行驗證。試驗用發動機性能參數見表1。

表1 試驗發動機性能參數

5.2 試驗結果分析

在發動機起動階段、怠速階段和加速階段工況下，對比噴油脈寬和點火提前角在臺架試驗和模型仿真中的結果，從而驗證控制器中代碼運行的正確性。

5.2.1 噴油脈寬試驗結果

圖4為起動時噴油脈寬試驗值與仿真值對比。可以看出，在起動階段噴油量呈逐漸減少的趨勢，其中工況點1為起動開始瞬間，其值近似為8 ms。圖5為起動時噴油脈寬試驗值與仿真值差值百分比，該值計算公式（該公式也適于怠速時及踏板動作時噴油脈寬的偏差百分比計算）為：

式中，tiEXP為噴油脈寬試驗值；tiSIM為噴油脈寬仿真值。

從圖4和圖5可以看出，在起動初始階段，誤差較大，隨著發動機工況趨于穩定，誤差逐漸減小并趨于穩定。起動時，噴油脈寬是根據相對燃油量與轉換因子相乘得到，其中轉換因子是在標定的轉換系數基礎上進行軌壓和油溫修正得到，而相對燃油量是由發動機溫度、噴射次數查表先得到加濃因子，再與充氣效率計算得到。經過分析可知，產生誤差的主要原因是標定數據與實際情況存在一定偏差。

圖6和圖7分別為怠速時噴油脈寬的試驗值與仿真值對比及偏差百分比。可以看出，該系統能夠對發動機怠速時噴油脈寬進行較好的控制，其偏差百分比控制在11%左右。產生偏差的主要原因是怠速階段許多參數并不是通過計算得到，而是采用查MAP表的方式獲取，因此MAP表數據的準確性非常關鍵。在現階段開發過程中，由于發動機本體設計還不完備，因此通過臺架試驗獲取的許多數據都存在一定偏差，進而造成怠速時噴油脈寬存在一定偏差。

圖8和圖9分別為踏板動作時噴油脈寬的試驗值與仿真值對比及偏差百分比，此時模擬車輛加速踏板開度為3%時的情況。可以看出，噴油脈寬偏差呈逐步減小的趨勢并趨于穩定。這是由于試驗時加速踏板目標值由之前的5%設定為3%后，其變化存在一定的時滯。工況點1對應的實際加速踏板開度為3.5%，工況點3對應的為3.1%，其后的工況點對應的均穩定在3%，這與偏差百分比的變化趨勢一致，從這一方面也驗證了本控制系統邏輯的正確性。最終噴油脈寬偏差百分比控制在7%左右，取得較好的控制效果。

5.2.2 點火提前角試驗結果

圖10和圖11分別為起動時點火提前角的試驗值與仿真值對比及偏差百分比。從圖10中可以看出，在起動初始階段，點火提前角較小，其后點火提前角迅速增大并趨于穩定。其中工況點1為起動開始瞬間，其值近似為4°。這是由于在起動初始階段，催化器系統需要快速起燃，為達到正常工作所需的溫度需要采用較小的點火提前角。點火提前角的偏差百分比為：

式中，zwoutEXP為噴油脈寬試驗值；zwoutSIM為噴油脈寬仿真值。

從圖10、圖11中可以看出，在起動初始階段誤差較大，隨著發動機工況趨于穩定，誤差逐漸減小并趨于穩定。起動時，點火提前角根據轉速、發動機溫度查表計算得到。經過分析可知，產生誤差的主要原因是由于標定數據與實際情況存在一定偏差，通過后期的標定工作，可以將偏差進一步縮小。

圖12和圖13分別為怠速時點火提前角的試驗值與仿真值對比及偏差百分比。可以看出，該系統能夠對發動機怠速時噴油脈寬進行較好控制，其偏差百分比控制在1%左右，能夠滿足開發目標要求。

圖14和圖15分別為踏板動作時點火提前角的試驗值與仿真值對比及偏差百分比，此時模擬車輛加速踏板開度為3%時的情況。可以看出，點火提前角的波動被控制在4%左右，取得了較好的控制效果。

6 結束語

在發動機控制系統開發過程中，基于Simulink模型的算法完成后，用模型自動生成的可執行文件下載到快速原型控制器中，并連接實際被控對象，進行控制算法的實物驗證。臺架測試的結果表明，所研發的控制策略可以使發動機穩定起動，并在怠速和小負荷工況下穩定運轉。

1 Mencher B,Jessen H,Kaiser L,et al.Preparing for Cartronic interface and New Strategies for Torque Coordination and Conversion in a Spark Ignition Engine Management System.SAE Paper 2001-01-0268.

2 Gerhardt J,H?nninger H,Bischof H.A New Approach to Functional and Software Structure for Engine Management Systems-BOSCH ME7.SAE Paper 980801.

3 Heintz N,Mews M,Stier G,et al.An Approach to Torque-Based Engine Management Systems.SAE Paper 2001-01-0269.

4 張凡武.基于扭矩的汽油機控制模型開發及驗證.汽車科技，2010，（3）：16～21.

5 陳杰，李剛，仇玉林，等.基于Simulink模型的數據定標問題研究.汽車技術，2012,（11）:17～19.

6 雷葉紅，張記華，張春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平臺的實時仿真技術研究.系統仿真技術，2005,（10）:131～135.

7 李強，王民鋼，楊堯.快速原型中Simulink模型的代碼自動生成.電子測量技術，2009,（2）：28～31.