淺談步進電機在汽車上的應用

隨著電子技術、計算機技術和汽車工業的發展，步進電機在汽車上應用日益廣泛。

一、在怠速控制系統(ISC)中的應用

怠速電控閥采用步進電機，它接受電控發動機ECU的指令，對發動機怠速運轉的轉速進行控制，控制的實質是對發動機怠速時的進氣量進行控制。

1.旋轉滑閥式怠速電控閥

豐田車旋轉滑閥式怠速電控閥的結構如圖1所示，主要由旋轉滑閥和步進電機組成。旋轉滑閥固定在步進電機的轉子軸上，在步進電機的驅動下可以在90°范圍內轉動，通過改變旁通氣道截面大小控制怠速轉速。ECU使用占空比脈沖信號控制旋轉滑閥。

旋轉滑閥內部有兩個三極管，在三極管V1基極與占空比信號之間接有反相器，反相器使同一占空比信號輸入時三極管V1和三極管V2集電極的輸出正好反向。當線圈L1(逆轉線圈)占空比為80%時，線圈L2(順轉線圈)占空比為20%;當線圈L1占空比為40%時，線圈L2占空比為60%;當線圈L1占空比為50%時兩線圈的平均通電時間相等，產生的磁場強度相同，閥軸靜止不轉動;當線圈L1占空比超過50%時，線圈L1的磁場強度大于線圈L2的磁場強度，閥軸逆時針轉過一個角度，旁通空氣道截面變小，怠速轉速下降，線圈L1占空比越大閥軸逆時針轉過的角度越大;當線圈L1占空比小于50%時，線圈L1的磁場強度小于線圈L2的磁場強度，閥軸順時針轉過一個角度，旁通空氣道截面變大，怠速轉速升高，線圈L1占空比越小閥軸順時針轉過的角度越大。

圖1旋轉滑閥式怠速電控閥

2.步進電機式怠速電控閥

豐田和三菱公司的步進電機式怠速電控閥結構如圖2所示，螺桿端部裝有錐芯。步進電機轉動時，螺桿帶動錐芯向前或向后移動關小或開大旁通空氣道的流通截面，電控發動機ECU通過控制步進電機的轉動方向和轉動角度(步級)來控制螺桿的移動方向和移動距離，從而達到控制怠速進氣量的目的。

圖2步進電機式怠速電控閥

豐田轎車和Audi A6轎車的步進電機將轉子轉動一圈分為32步，每步轉動11.25°，閥芯沒移動一個螺距的距離ECU可分為32份進行控制，因此控制精度是非常高的。

步進電機控制電路實例如圖3所示。當ECU控制4個線圈按S1→S2→S3→S4的順序依次通電勵磁時步進電機順時針旋轉一步，閥芯伸出;當ECU控制4個線圈按S4→S3→S2→S1的順序依次通電勵磁時步進電機順時針旋轉一步，閥芯縮回。

圖3步進電機控制電路

二、在牽引力控制系統(TRC)中的應用

牽引力控制系統(TRC)的副節氣門執行器也采用了步進電機，它接受制動防抱死和牽引力控制ECU發出的指令控制副節氣門的開啟角度，控制進入發動機的進氣量，從而控制發動機的輸出扭矩。

LS400轎車帶TRC的發動機節氣門體上裝有兩個節氣門(如圖所示4):主節氣門和副節氣門。主節氣門由駕駛員通過油門踏板來控制;副節氣門由副節氣門執行器控制，該執行器就是一個步進電機。

副節氣門執行器的結構如圖5所示，由永久磁鐵、電磁線圈、旋轉軸及驅動小齒輪等組成。永久磁鐵、電磁線圈和轉子構成了一臺步進電機，驅動小齒輪在電機轉子軸的帶動下旋轉。副節氣門端部有一扇形齒與驅動小齒輪嚙合。

當TRC未接受到制動防抱死和牽引力控制ECU發出的工作指令時，副節氣門通過回位彈簧作用，處于全開狀態，發動機的進氣量由主節氣門的位置及發動機的轉速等確定;當TRC接受制動防抱死和牽引力控制ECU發出的工作指令時，副節氣門通過執行器被關小，使進入汽缸的空氣量減少，噴油器的噴油量隨之減小，從而使發動機的輸出功率和轉速下降，最終使驅動輪的驅動力下降，以防止驅動車輪打滑。

三、在巡航控制系統(CCS)中的應用

LS400轎車巡航控制系統(CCS)的節氣門執行器也采用了步進電機，它接受該系統ECU發出的指令調節節氣門的開度大小，改變進入發動機的進氣量，從而使發動機的輸出功率和轉速發生改變，最終使車速保持恒定。

如圖6所示，節氣門執行器由直流永磁式雙向步進電機、一套減速機構、電磁離合器、控制臂和電位計等組成。

當接通巡航控制開關時，電磁線圈通電，電磁離合器吸合，巡航控制系統在規定的車速范圍內開始起作用。汽車行駛速度大于或小于設定速度時，巡航控制系統ECU向步進電機發出控制指令，步進電機開始反轉或正傳，并帶動渦輪蝸桿和齒輪齒扇，使控制臂擺動。控制臂通過拉索改變節氣門開度大小，從而使發動機的輸出功率和轉速減小或增大，最終使車速保持恒定。當解除巡航控制功能時，電磁離合器脫開，節氣門只受駕駛員控制。

另外，在動力轉向、電控懸架和空調等系統的執行器也采用了步進電機。

(作者單位:河南省洛陽高級技工學校)