一種直流力矩電機egr位置閉環控制方法及裝置製造方法
2023-12-02 05:50:31
一種直流力矩電機egr位置閉環控制方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了直流力矩電機EGR位置閉環監控方法及裝置，其方法是環境溫度傳感器、電池電壓傳感器、EGR閥位置傳感器分別輸出環境溫度信號、電池電壓信號、EGR閥實測開度閥位置電壓信號至一處理器，處理器對所接受的環境溫度信號、電池電壓信號、EGR閥實測開度閥位置電壓信號進行處理輸出EGR閥控制佔空比信號至EGR閥的反饋輸入端對EGR閥中的直流力矩電機進行控制。本發明採用精確數學模型開環計算下一工況驅動需求，提高響應速度；採用抗積分飽和變結構PID根據閉環反饋解決負載變化和非線性擾動導致的差異，減小超調量的同時，提高穩態精度，降低標定工作量，提高產品競爭力。
【專利說明】一種直流力矩電機EGR位置閉環控制方法及裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電控柴油機直流力矩電機EGR系統位置閉環控制方法及裝置，特別涉 及一種直流力矩電機EGR位置閉環控制方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著政府法規的不斷升級，法規中要求的柴油機排放限值也在不斷降低。這使 得柴油機生產企業採用了很多新的排氣後處理技術以降低排放。EGR(廢氣再循環技術， Exhaust Gas Recirculation)就是一種廣泛應用的技術。該技術中，通過將一部分廢氣重 新引入燃燒室與新鮮空氣共同參與燃燒反應，利用廢氣中含有的大量惰性氣體具有較高的 比熱容這一特性來降低排放汙染物中NOx成分。由於NOx的生成條件是高溫富氧，而廢氣 的引入一方面使混合氣熱容量增大，造成相同量的混合氣升高同樣溫度所需熱量增多，從 而降低了最高燃燒溫度；另一方面，廢氣對新鮮空氣的稀釋也相應降低了氧濃度，從而有效 地抑制了 NOx的生成。
[0003] 隨著發動機廢氣排放法規的不斷升級，尤其是ETC (European Transient Cycle) 試驗，要求在1800s內每秒變換工況的瞬態排放試驗程序，更是對採用EGR作為降NOx (氮 氧化合物）方案提出了較高的動態響應要求。傳統氣閥式EGR，由於響應速度慢，滯回曲線 特性明顯已經不能滿足要求。採用直流力矩電機的EGR，由於執行速度較快，滯回曲線特性 小，具有很大優勢。
[0004] 申請人:目前採用的直流力矩電機EGR系統通過直流力矩電機的轉角變化驅動凸 輪板，凸輪板通過滾輪帶動閥杆和閥門，通過改變閥門開度來改變廢氣再循環流量。直流力 矩電機轉角偏離零位的方向決定閥門的行程方向。直流力矩電機轉角偏離零位的大小決定 閥門的移動距離。由於採用電機直接驅動閥門的結構形式，系統使用中積炭等導致的負載 變化和非線性擾動直接作用在電機軸端，對電機運行穩定性的影響更加強烈。根據應用特 點，電機驅動控制系統必須解決系統穩定性這個關鍵問題，同時保證系統具有較高的動態 響應特性。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題之一在於針對現有技術的不足而提供一種直流力矩 電機EGR位置閉環控制方法。該直流力矩電機EGR位置閉環控制方法提出了一種精確數學 模型和抗積分飽和變結構PID混合的控制算法，採用精確數學模型開環計算下一工況驅動 需求，提高響應速度；採用抗積分飽和變結構PID根據閉環反饋解決負載變化和非線性擾 動導致的差異，減小超調量的同時，提高穩態精度，降低標定工作量。
[0006] 本發明所要解決的技術問題之二在於提供實現上述方法的裝置。
[0007] 作為本發明第一方面的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，包括EGR閥，EGR閥 中的直流力矩電機通過其轉角變化來驅動凸輪板，凸輪板通過滾輪帶動閥杆和閥門，通過 改變閥門開度來改變廢氣再循環流量，所述EGR閥的反饋輸入端接受來自一處理器輸出的 EGR閥控制佔空比信號，其特徵在於，在發動機中配置環境溫度傳感器、電池電壓傳感器並 在所述EGR閥中配置EGR閥位置傳感器，所述環境溫度傳感器、電池電壓傳感器、EGR閥位 置傳感器分別輸出環境溫度信號、電池電壓信號、EGR閥實測開度閥位置電壓信號至一處理 器，所述處理器對所接受的環境溫度信號、電池電壓信號、EGR閥實測開度閥位置電壓信號 進行處理輸出EGR閥控制佔空比信號至所述EGR閥的反饋輸入端對EGR閥中的直流力矩電 機進行控制。
[0008] 在本發明的一個優選實施例中，所述處理器包括一負載模型模塊、電機模型模塊、 抗積分飽和變結構PID模塊和EGR閥位置監控模塊，其中：
[0009] 所述負載模型模塊以所述環境溫度傳感器送出的環境溫度信號、EGR閥位置監控 模塊送出的EGR閥實測開度閥位置電壓信號為輸入信號，計算處理後輸出驅動轉矩信號至 電機模型模塊；
[0010] 所述電機模型模塊以所述負載模型模塊送出的驅動轉矩信號和EGR閥位置監控 模塊送出的EGR閥位置信號為輸入信號，計算處理後輸出基本電樞電壓信號至EGR閥位置 監控模塊；
[0011] 所述抗積分飽和變結構PID模塊以所述環境溫度傳感器送出的環境溫度信號、 EGR閥位置監控模塊送出的EGR閥位置信號、EGR閥目標位置信號為輸入信號，計算處理後 輸出修正電樞電壓信號至所述EGR閥位置監控模塊；
[0012] 所述EGR閥位置監控模塊以所述電機模型模塊送出的基本電樞電壓信號、抗積分 飽和變結構PID模塊送出的修正電樞電壓信號、電池電壓信號和EGR閥位置傳感器送出的 EGR閥實測開度閥位置電壓信號為輸入信號，計算處理後輸出EGR閥位置信號、EGR閥控制 佔空比信號和EGR閥目標位置信號。
[0013] 在本發明的一個優選實施例中，所述負載模型模塊計算並輸出驅動扭矩信號的步 驟是：利用凸輪板扭簧轉矩方程計算凸輪板扭簧轉矩，再以凸輪板扭簧轉矩根據系統運動 方程計算電機驅動轉矩。
[0014] 在本發明的一個優選實施例中，所述凸輪板扭簧轉矩Tk的計算公式如式①所示，
[0015] Tk = K0+T0 ①
[0016] 其中，式①中：K為凸輪板扭簧轉矩係數，一般取值為2. 25N.mm/度，0為直流力矩 電機的電機軸的角位移，依據EGR閥實測開度閥位置電壓信號來獲得，Ttl為扭簧初始轉矩， 一般取值為103. 5N. mm。
[0017] 在本發明的一個優選實施例中，所述驅動轉矩T通過式②所示的系統運動方程計 算得到：
【權利要求】
1. 直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，包括EGR閥，EGR閥中的直流力矩電機通過其 轉角變化來驅動凸輪板，凸輪板通過滾輪帶動閥杆和閥門，通過改變閥門開度來改變廢氣 再循環流量，所述EGR閥的反饋輸入端接受來自一處理器輸出的EGR閥控制佔空比信號，其 特徵在於，在發動機中配置環境溫度傳感器、電池電壓傳感器並在所述EGR閥中配置EGR閥 位置傳感器，所述環境溫度傳感器、電池電壓傳感器、EGR閥位置傳感器分別輸出環境溫度 信號、電池電壓信號、EGR閥實測開度閥位置電壓信號至一處理器，所述處理器對所接受的 環境溫度信號、電池電壓信號、EGR閥實測開度閥位置電壓信號進行處理輸出EGR閥控制佔 空比信號至所述EGR閥的反饋輸入端對EGR閥中的直流力矩電機進行控制。
2. 如權利要求1所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述處理器 包括一負載模型模塊、電機模型模塊、抗積分飽和變結構PID模塊和EGR閥位置監控模塊， 其中： 所述負載模型模塊以所述環境溫度傳感器送出的環境溫度信號、EGR閥位置監控模塊 送出的EGR閥實測開度閥位置電壓信號為輸入信號，計算處理後輸出驅動轉矩信號至電機 模型模塊； 所述電機模型模塊以所述負載模型模塊送出的驅動轉矩信號和EGR閥位置監控模塊 送出的EGR閥位置信號為輸入信號，計算處理後輸出基本電樞電壓信號至EGR閥位置監控 模塊； 所述抗積分飽和變結構PID模塊以所述環境溫度傳感器送出的環境溫度信號、EGR閥 位置監控模塊送出的EGR閥位置信號、EGR閥目標位置信號為輸入信號，計算處理後輸出修 正電樞電壓信號至所述EGR閥位置監控模塊； 所述EGR閥位置監控模塊以所述電機模型模塊送出的基本電樞電壓信號、抗積分飽和 變結構PID模塊送出的修正電樞電壓信號、電池電壓信號和EGR閥位置傳感器送出的EGR 閥實測開度閥位置電壓信號為輸入信號，計算處理後輸出EGR閥位置信號、EGR閥控制佔空 比信號和EGR閥目標位置信號。
3. 如權利要求2所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述負載 模型模塊計算並輸出驅動扭矩信號的步驟是：利用凸輪板扭簧轉矩方程計算凸輪板扭簧轉 矩，再以凸輪板扭簧轉矩根據系統運動方程計算電機驅動轉矩。
4. 如權利要求3所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述凸輪板 扭簧轉矩Tk的計算公式如式①所示， Tk =K0 +T〇 ① 其中，式①中：K為凸輪板扭簧轉矩係數，一般取值為2. 25N.mm/度，0為直流力矩電機 的電機軸的角位移，依據EGR閥實測開度閥位置電壓信號來獲得，I；為扭簧初始轉矩，一般 取值為 103. 5N.mm。
5. 如權利要求4所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述驅動轉 矩T通過式②所示的系統運動方程計算得到：
其中式②中：J為直流力矩電機折合到其電機軸上的轉動慣量，一般取值為2N.mm/度 /s2 ;e為直流力矩電機的電機軸的角位移，依據EGR閥實測開度閥位置電壓信號來獲得；f為直流力矩電機折合到其電機軸上的粘性摩擦係數，為環境溫度的函數，f=小（T);匕為 作用在EGR閥閥門上的排氣壓力，一般取值為30?50N;S為偏心軸的偏心距，一般取值為 4. 69mm;F2為EGR閥閥杆滑動摩擦力，一般取值為L5N;T為直流力矩電機產生的驅動轉矩， 一般取值為200N.mm;Tf為直流力矩電機制動轉矩，一般取值為40N.mm;Tk為凸輪板扭簧轉 矩。
6. 如權利要求2所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述電機模 型模塊計算基本電樞電壓的步驟是：利用電動勢係數方程得到電動勢係數，再通過反電勢 係數方程得到反電勢係數，通過反電勢方程得到感應電壓，通過電磁轉矩方程得到電流，再 通過電樞電路的微分方程得到基本電樞電壓信號。
7. 如權利要求6所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述電動勢 係數Cb通過式③的電動勢係數方程得到：
式③中P為極對數，一般取值為2 ;N為電樞繞組總導體數，一般取值為4 ;a為並聯支路 數，一般取值為4。
8. 如權利要求7所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述反電勢 係數Kb通過式④反電勢係數方程式得到： Kb = 9. 55Cb ④
9. 如權利要求8所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述感應電 壓ub通過式⑤反電勢方程式得到：
式⑤中：ub為感應電壓；Kb為反電勢係數，一般取值為0. 318 ; 0為直流力矩電機的電 機軸的角位移。
10. 如權利要求9所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述電樞 繞組的電流13通過式⑥電磁轉矩方程式得到： T=Ktia ⑥； 式⑥中：T為電機產生的驅動轉矩；Kt為電機電磁轉矩係數；ia為電樞繞組的電流。
11. 如權利要求10所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述基本 電樞電壓113通過式⑦電樞電路的微分方程式得到：
式⑦中：ua為電樞電壓；ub為感應電壓；La為電樞繞組的電感；Ra為電樞繞組的電阻；ia 為電樞繞組的電流。
12. 如權利要求2所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，PID電壓 u(t)通過抗積分飽和變結構PID得到，具體計算公式如式⑧：
式⑧中：u(t)為控制器的輸出，e(t)為誤差，一般取值為-70? 為比例增益、積分主增益、積分變增益、微分增益參數； 其中，所述比例增益計算公式如式⑨所示： Kp (e) =ap+bp (1-exp(_cp |e|) ⑨ 式中：ap、bp、cp為正實常數，一般取值為0?1. 5,e為誤差，一般取值為-70?70。 所述積分主增益I計算公式如式?所示： & (e) =apxp(-q|e|) ? 式中：apq為正實常數，一般取值為0?2 ; 所述積分變增益Ki(l計算公式如式⑩所示：
式中：心、I、％為正實常數，一般取值為0?2,而且為了保證Ki(l是連續平滑變化的， "6(|必須滿足式@: ^exp^Koeg) = 1 ? 所述微分增益計算公式如式?： Kd(e) =ad-bd(l-exp(_cd|e|))? 式中：ad、bd、cd為正實常數，一般取值為0?2且ad>bd 在本發明的一個優選實施例中，電壓限幅具體計算公式如式?所示： Umax ⑴=f (ta，T)? 式0中：Umax(t)為某時刻電壓最大值，ta為當前環境溫度，T為持續時間。
13.如權利要求12所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，出現電 壓限幅時，系統由於長時間存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由於積分作用的不斷 累加使u(t)達到極限位置進入飽和區，一旦出現反向偏差，首先u(t)需要退出飽和區後， 才能使系統產生響應，導致系統動態響應性變差，採用抗積分飽和算法，當發生u (t-1)> umax(t)時，為了防止積分飽和，積分項只累計負偏差；當發生u(t-l) <-u_(t)時，為了防 止積分飽和，積分項只累計正偏差；抗積分飽和控制過程為式?所示： Us(t-1) =Max[umin(t)，Min[[u(t-l)+uJ，umax(t)]]? 式中：ua為模型估算電樞電壓，一般取值為24V，u(t-l)為上一次PID控制器未做電 壓限幅輸出，us(t-l)為上一次PID控制器電壓限幅後輸出，u_(t)為某時刻電壓最大值， umin(t) = -umax(t)； 根據前面的分析，抗積分飽和變結構PID控制器在時域中可表示為： 當U(t-l)=Us(t-1)時：
當U(t-l)尹Us(t-1)時：
式中：KS為抗積分飽和係數。
14. 如權利要求13所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法，其特徵在於，所述EGR 閥位置監控模塊根據EGR閥位置傳感器120送過來的EGR閥實測開度閥位置電壓信號通過 EGR閥位置脈譜查表得到EGR閥實測位置；基本電樞電壓與修正電樞電壓之和按式?進行 電壓限幅後，除以電池電壓得到EGR閥控制佔空比。
15. 實現權利要求1至14任一項權利要求所述的直流力矩電機EGR位置閉環控制方法 的裝置，其特徵在於，包括： 一EGR閥，EGR閥中的直流力矩電機通過其轉角變化來驅動凸輪板，凸輪板通過滾輪帶 動閥杆和閥門，通過改變閥門開度來改變廢氣再循環流量，所述EGR閥的反饋輸入端接受 來自一處理器輸出的EGR閥控制佔空比信號； 一配置在發動機中的環境溫度傳感器，所述環境溫度傳感器輸出所檢測的環境溫度信 號； 一電池電壓傳感器，所述電池電壓傳感器輸出所檢測的電池電壓信號； 一配置在所述EGR閥上的EGR閥位置傳感器，所述EGR閥位置傳感器輸出所檢測到的EGR閥實測開度閥位置電壓信號； 一處理器，所述處理器接收所述環境溫度傳感器、電池電壓傳感器、EGR閥位置傳感器 分別輸出的環境溫度信號、電池電壓信號、EGR閥實測開度閥位置電壓信號並進行處理輸出 EGR閥控制佔空比信號至所述EGR閥的反饋輸入端對EGR閥中的直流力矩電機進行控制。 在本發明的一個優選實施例中，所述處理器包括一負載模型模塊、電機模型模塊、抗積 分飽和變結構PID模塊和EGR閥位置監控模塊，其中： 所述負載模型模塊以所述環境溫度傳感器送出的環境溫度信號、EGR閥位置監控模塊 送出的EGR閥位置信號為輸入信號，計算處理後輸出驅動轉矩信號至電機模型模塊； 所述電機模型模塊以所述負載模型模塊送出的驅動轉矩信號和EGR閥位置監控模塊 送出的EGR閥位置信號為輸入信號，計算處理後輸出基本電樞電壓信號至EGR閥位置監控 模塊； 所述抗積分飽和變結構PID模塊以所述環境溫度傳感器送出的環境溫度信號、EGR閥 位置監控模塊送出的EGR閥位置信號、EGR閥目標位置信號為輸入信號，計算處理後輸出修 正電樞電壓信號至所述EGR閥位置監控模塊； 所述EGR閥位置監控模塊以所述電機模型模塊送出的基本電樞電壓信號、抗積分飽和 變結構PID模塊送出的修正電樞電壓信號、電池電壓信號和EGR閥位置傳感器送出的EGR 閥實測開度閥位置電壓信號為輸入信號，計算處理後輸出EGR閥位置輸出信號、EGR閥控制 佔空比信號和EGR閥目標位置信號。
【文檔編號】G05D3/12GK104407628SQ201410704682
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】龍美彪, 歐陽玲湘, 黃民備, 孟衛東, 謝龍, 鄭昌, 熊明富, 陳順利, 丁才雲, 鄧飛, 陳衛 申請人:南嶽電控(衡陽)工業技術有限公司