怠速步进电机失步纠错控制策略研究

祁克光（奇瑞汽车股份有限公司发动机工程研究院，安徽 芜湖 241009）

1 步进电机介绍

节流阀体又叫节气门体，可分为机械式节流阀体和电子式节流阀体。由于加速踏板和节流阀体之间通过机械拉线控制节气门开度，所以称之为机械式节流阀体。节气门开度通过位置传感器反馈给ECU，而怠速进气量的控制只能通过ECU来控制怠速步进电机。机械式节流阀体控制结构如图1所示。

电子式节流阀体控制结构如图2所示。由于加速踏板开度请求以电信号反馈给ECU，ECU也是通过电信号来控制节流阀体的开度（驱动直流电机），并且接收节流阀体位置传感器反馈信号进行闭环控制。

步进电机是出现在机械式节流阀体总成上的一个重要部件。下面简单介绍步进电机的工作原理，图3为步进电机的结构图。步进电机主要由转子和定子组成，丝杠机构将步进电机的旋转运动转变为直线运动，使阀心作轴向移动，改变阀心与阀座之间的间隙，安装在节气门上。步进电机有4个针脚和ECU相连，控制步进电机的正反转。

步进电机结构决定了其失步必然不可避免（开环控制，没有步数测量传感器反馈给ECU），步进电机没有位置反馈，ECU控制到多少步，步进电机执行结果无法识别。另外，失步也与ECU控制策略和驱动频率、驱动电压有着重要的关系。从控制上来说，既希望步进电机以最快的速度按照ECU的指令工作，又不能太快而导致步进电机的失步。比如：当前汽车怠速步数为40步，此时突然打开空调，空调是电器负载中功率最大的设备，为了保证怠速的稳定性，需要快速地从40步走到80步。由于空调负载增加是突然且迅速的，进气量的补偿如不能及时，将会导致瞬间转速下跌，甚至熄火，所以这要求怠速步进电机的快速响应。但如果太快，则会导致步进电机失步。一般每走一步7～10ms频率为最佳，低于7ms则易失步。

2 步进电机易失步工况

1）起动 点火钥匙上电后，步进电机需要从初始位置到达目标位置，大约需要3 s左右。因此，点火钥匙上电后不要急于起动车辆，有利于避免步进电机的失步。

2）停机 停机对于步进电机来说是最重要的工况，因为对于其它电控元器件来说，如节气门位置，都是在上电进行自学习的，唯有步进电机的自学习在下电。当车辆点火钥匙断开，步进电机进行自学习，从当前位置到达最大步数，然后由最大步数自学习到0位置，再回到目标位置保存到ECU中，即完成怠速步进电机的自学习，大约需要10 s左右。怠速步进电机自学习流程图如图4所示。这个过程全部由ECU自动完成，不需要驾驶者刻意等待。仅仅需要注意的是，车辆熄火后，不要立即拔掉车辆蓄电池的电源，否则容易把自学习值丢失。当自学习完成，则会把自学习值保存在ECU中，无论断电与否都会保存在ECU中。因此，当自学习值丢失的时候，需要驾驶者把点火钥匙打到ON，然后断开点火钥匙10s左右，再次把钥匙打到ON3s左右，即可重新自学习，可避免车辆运行中的失步。

3）驾驶中频繁地加速和减速 由于步进电机是控制进气量的，因此频繁地加速和减速，步进电机也会根据需求不停地正转、反转，容易造成失步。

3 步进电机失步如何确认

步进电机是为怠速进气量控制的，所以步进电机失步的确认也要在怠速工况下进行。当出现怠速高、怠速低的情况，就要考虑步进电机失步的可能性。当然，怠速偏高、偏低也与发动机的进排气系统是否漏气、节气门0位置是否正常有关。如果我们排除这两种情况，就可以基本判断属于步进电机失步了。以下用流程图（图5）的形式来描述步进电机失步是如何确认的。

步进电机失步确认流程应该由易到难去排查。

1）先检查进气系统是否有漏气的情况，尤其是节流阀体和发动机之间的进气系统。怠速工况节流阀体阀片全部关闭，只有怠速步进电机给发动机提供进气量，如果出现漏气的情况，将有多余的空气进入发动机，ECU怠速控制会控制步进电机和点火角，以维持目标怠速。当漏气情况严重，超过ECU控制范围，将出现怠速偏高、加速无力等情况。这个检查很容易，只要顺着节流阀体后的进气系统排查即可。

2）再检查节气门0位置是否异常。当节气门0位置异常，如阀片关闭不严、节气门0位置电压过高（线束短路导致的0位置电压超出ECU识别怠速的门限值），需要借助工具分析。使用万用表测量节气门位置传感器的针脚电压，或者使用诊断仪观察怠速控制标志位是否复位，脱离怠速控制状态。当怠速标志复位，ECU不再进行怠速控制，点火角会比怠速点火角大很多，所以怠速会偏高。当怠速标志置位，表明ECU处于怠速控制状态，可排除这方面的问题。

3）以上两种情况排除后，基本就可以确定为步进电机失步。步进电机失步表征就是通过诊断仪读取的怠速步进电机步数和点火角都异常。这个时候，可以通过熄火让步进电机重新自学习，如再次起动，怠速恢复正常，可以确定为步进电机失步。

4 步进电机失步纠错控制策略

虽然失步是很难避免的，但明白失步的确认和步进电机自学习方法，失步不再是严重问题。以下介绍一种由ECU自动识别失步并进行纠错的控制策略。

步进电机失步纠错的控制策略主要由两部分组成，一部分是失步纠错使能条件的判断，另一部分就是计算实际步进电机步数进行纠正。

1）失步纠错使能条件的判断 在怠速工况下，如果怠速转速过高或者过低（偏离目标怠速转速），则对当前的进气量（修正为通常状态下：25℃&1个标准大气压）与步进电机对应的通常状态下的进气量进行比较，当偏差超过限制值时，步进电机失步纠错使能。步进电机失步纠错使能条件逻辑图如图6所示。

2）步数纠错 图7为步进电机失步纠错控制逻辑图。当前怠速的实际进气总量减去节流阀体的漏气量，可获得通过步进电机的进气量；由步进电机流量特性曲线，可获得步进电机当前应该处于的步数，即步进电机修正值。一旦失步纠错使能条件成立，就把步进电机修正值取代当前的步进电机步数，赋给ECU来进行步数纠错。

5 结束语

虽然电子节流阀体不存在步进电机失步的问题（电子节流阀体没有步进电机，只有直流电机驱动节气门阀片，其怠速进气量控制也是通过ECU电信号直接驱动节流阀体，且具有节流阀位置反馈信号给ECU，可实现闭环控制），并且形成一种技术趋势（奇瑞除QQ3、旗云及开瑞微车系列采用机械节流阀体外，瑞虎、A3等车型已采用电子节流阀体），但就目前中国市场而言，机械式的节流阀体仍旧占据较大的市场份额。认识步进电机失步的机理，可以让我们简单地应付失步的问题。本文的步进电机失步纠正控制策略，也能为我们解决失步故障提供一种简单且自动化的处理方案。