怠速步進電機失步糾錯控制策略研究

祁克光（奇瑞汽車股份有限公司發動機工程研究院，安徽 蕪湖 241009）

1 步進電機介紹

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

電子式節流閥體控制結構如圖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流閥體的開度（驅動直流電機），并且接收節流閥體位置傳感器反饋信號進行閉環控制。

步進電機是出現在機械式節流閥體總成上的一個重要部件。下面簡單介紹步進電機的工作原理，圖3為步進電機的結構圖。步進電機主要由轉子和定子組成，絲杠機構將步進電機的旋轉運動轉變為直線運動，使閥心作軸向移動，改變閥心與閥座之間的間隙，安裝在節氣門上。步進電機有4個針腳和ECU相連，控制步進電機的正反轉。

步進電機結構決定了其失步必然不可避免（開環控制，沒有步數測量傳感器反饋給ECU），步進電機沒有位置反饋，ECU控制到多少步，步進電機執行結果無法識別。另外，失步也與ECU控制策略和驅動頻率、驅動電壓有著重要的關系。從控制上來說，既希望步進電機以最快的速度按照ECU的指令工作，又不能太快而導致步進電機的失步。比如：當前汽車怠速步數為40步，此時突然打開空調，空調是電器負載中功率最大的設備，為了保證怠速的穩定性，需要快速地從40步走到80步。由于空調負載增加是突然且迅速的，進氣量的補償如不能及時，將會導致瞬間轉速下跌，甚至熄火，所以這要求怠速步進電機的快速響應。但如果太快，則會導致步進電機失步。一般每走一步7～10ms頻率為最佳，低于7ms則易失步。

2 步進電機易失步工況

1）起動 點火鑰匙上電后，步進電機需要從初始位置到達目標位置，大約需要3 s左右。因此，點火鑰匙上電后不要急于起動車輛，有利于避免步進電機的失步。

2）停機 停機對于步進電機來說是最重要的工況，因為對于其它電控元器件來說，如節氣門位置，都是在上電進行自學習的，唯有步進電機的自學習在下電。當車輛點火鑰匙斷開，步進電機進行自學習，從當前位置到達最大步數，然后由最大步數自學習到0位置，再回到目標位置保存到ECU中，即完成怠速步進電機的自學習，大約需要10 s左右。怠速步進電機自學習流程圖如圖4所示。這個過程全部由ECU自動完成，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，否則容易把自學習值丟失。當自學習完成，則會把自學習值保存在ECU中，無論斷電與否都會保存在ECU中。因此，當自學習值丟失的時候，需要駕駛者把點火鑰匙打到ON，然后斷開點火鑰匙10s左右，再次把鑰匙打到ON3s左右，即可重新自學習，可避免車輛運行中的失步。

3）駕駛中頻繁地加速和減速 由于步進電機是控制進氣量的，因此頻繁地加速和減速，步進電機也會根據需求不停地正轉、反轉，容易造成失步。

3 步進電機失步如何確認

步進電機是為怠速進氣量控制的，所以步進電機失步的確認也要在怠速工況下進行。當出現怠速高、怠速低的情況，就要考慮步進電機失步的可能性。當然，怠速偏高、偏低也與發動機的進排氣系統是否漏氣、節氣門0位置是否正常有關。如果我們排除這兩種情況，就可以基本判斷屬于步進電機失步了。以下用流程圖（圖5）的形式來描述步進電機失步是如何確認的。

步進電機失步確認流程應該由易到難去排查。

1）先檢查進氣系統是否有漏氣的情況，尤其是節流閥體和發動機之間的進氣系統。怠速工況節流閥體閥片全部關閉，只有怠速步進電機給發動機提供進氣量，如果出現漏氣的情況，將有多余的空氣進入發動機，ECU怠速控制會控制步進電機和點火角，以維持目標怠速。當漏氣情況嚴重，超過ECU控制范圍，將出現怠速偏高、加速無力等情況。這個檢查很容易，只要順著節流閥體后的進氣系統排查即可。

2）再檢查節氣門0位置是否異常。當節氣門0位置異常，如閥片關閉不嚴、節氣門0位置電壓過高（線束短路導致的0位置電壓超出ECU識別怠速的門限值），需要借助工具分析。使用萬用表測量節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志位是否復位，脫離怠速控制狀態。當怠速標志復位，ECU不再進行怠速控制，點火角會比怠速點火角大很多，所以怠速會偏高。當怠速標志置位，表明ECU處于怠速控制狀態，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電機失步。步進電機失步表征就是通過診斷儀讀取的怠速步進電機步數和點火角都異常。這個時候，可以通過熄火讓步進電機重新自學習，如再次起動，怠速恢復正常，可以確定為步進電機失步。

4 步進電機失步糾錯控制策略

雖然失步是很難避免的，但明白失步的確認和步進電機自學習方法，失步不再是嚴重問題。以下介紹一種由ECU自動識別失步并進行糾錯的控制策略。

步進電機失步糾錯的控制策略主要由兩部分組成，一部分是失步糾錯使能條件的判斷，另一部分就是計算實際步進電機步數進行糾正。

1）失步糾錯使能條件的判斷 在怠速工況下，如果怠速轉速過高或者過低（偏離目標怠速轉速），則對當前的進氣量（修正為通常狀態下：25℃&1個標準大氣壓）與步進電機對應的通常狀態下的進氣量進行比較，當偏差超過限制值時，步進電機失步糾錯使能。步進電機失步糾錯使能條件邏輯圖如圖6所示。

2）步數糾錯 圖7為步進電機失步糾錯控制邏輯圖。當前怠速的實際進氣總量減去節流閥體的漏氣量，可獲得通過步進電機的進氣量；由步進電機流量特性曲線，可獲得步進電機當前應該處于的步數，即步進電機修正值。一旦失步糾錯使能條件成立，就把步進電機修正值取代當前的步進電機步數，賦給ECU來進行步數糾錯。

5 結束語

雖然電子節流閥體不存在步進電機失步的問題（電子節流閥體沒有步進電機，只有直流電機驅動節氣門閥片，其怠速進氣量控制也是通過ECU電信號直接驅動節流閥體，且具有節流閥位置反饋信號給ECU，可實現閉環控制），并且形成一種技術趨勢（奇瑞除QQ3、旗云及開瑞微車系列采用機械節流閥體外，瑞虎、A3等車型已采用電子節流閥體），但就目前中國市場而言，機械式的節流閥體仍舊占據較大的市場份額。認識步進電機失步的機理，可以讓我們簡單地應付失步的問題。本文的步進電機失步糾正控制策略，也能為我們解決失步故障提供一種簡單且自動化的處理方案。