执行器的结构与工作原理执行器的结构与工作原理执行器的结构与工作原理执行器的结构与工作原理 发动机微机控制系统的各种控制功能，发动机微机控制系统的各种控制功能，都是借助于各自的执行器来完成的，因此都是借助于各自的执行器来完成的，因此根据发动机微机控制系统功能强弱的不同，根据发动机微机控制系统功能强弱的不同，各种发动机上配置的执行器亦有多有少。各种发动机上配置的执行器亦有多有少。一般来讲，主要有：电动燃油泵、电磁喷一般来讲，主要有：电动燃油泵、电磁喷油器、怠速空气调整器、和点火装置。油器、怠速空气调整器、和点火装置。目录目录一，电动燃油泵一，电动燃油泵二，电磁喷油器二，电磁喷油器三，怠速空气调整器三，怠速空气调整器一，电动燃油泵一，电动燃油泵 电动燃油泵主要任务是供给燃油系统足够的具有规定压力的汽油。 电动燃油泵的安装形式有两种：装在供油管路中或燃油箱内。 A-进油；进油；B-出油出油图图1-1 电动燃油电动燃油泵泵图图1-2 1-2 电动燃油泵的结构电动燃油泵的结构1-1-单向阀；单向阀；2-2-平安阀；平安阀；3-3-电刷；电刷；4-4-电电枢；枢；5-5-磁极；磁极；6-6-泵论；泵论；7-7-滤网；滤网；8-8-泵泵体；体； 9- 9-外壳；外壳；10-10-轮齿轮齿 电动燃油泵由泵体、永磁电动机和外壳等局部组成，如图1-2所示。永磁电动机通电即带动泵体旋转，将燃油从进油口吸入，流经电动燃油泵内部，再从出油口压出，给燃油系统供油。1滚柱泵 滚柱泵是滚柱泵是目前燃油泵最目前燃油泵最常用的形式。常用的形式。如图如图1-31-3所示，所示，它由转子、滚它由转子、滚柱和泵体组成。柱和泵体组成。转子偏心的置转子偏心的置于泵套内，燃于泵套内，燃油泵的电动机油泵的电动机带动转子运转带动转子运转时，由时，由图1-3 滚柱泵于离心力的作用使滚柱向外侧移动与泵于离心力的作用使滚柱向外侧移动与泵套内壁接触，这样，由转子、滚柱和泵套内壁接触，这样，由转子、滚柱和泵套围成的腔室将随转子的运转而产生容套围成的腔室将随转子的运转而产生容积大小变化，在容积由小变大的一侧燃积大小变化，在容积由小变大的一侧燃油被吸入，在溶剂由大变小的一侧燃油油被吸入，在溶剂由大变小的一侧燃油被压出，其过程如被压出，其过程如1-41-4图所示。图所示。图图1-4 1-4 滚柱泵工作过程滚柱泵工作过程2齿轮泵图1-5 齿轮泵结构 齿轮泵的工作原理与滚柱泵相似。它由带外齿的主动齿轮、带内齿的从动齿轮和泵套组成，如图1-5所示，后两者与主动齿轮偏心主动齿轮被燃机泵电动机拖动旋转，由于齿轮啮合，那么带动从动齿轮一起旋转，在从动齿轮和主动齿轮啮合的过程中，由内外齿围合的腔室将发生容积大小的变化，这样，假设合理的设置进出油口的位置，即可利用这种容积的变化，将燃油一定的压力输出。电动燃油泵的性能主要包括运转噪声和热燃油输送性能两方面，一般采取如下改进措施：改进滚柱滚道的廓线、改进涡轮泵叶片设计、采用特殊的阻尼装置、采用双级泵的结构。其中双级泵的结构如图1-6所示。3电动燃油泵性能的改善电动燃油泵性能的改善 由于汽油极易挥发，而且油泵工作时温由于汽油极易挥发，而且油泵工作时温度升高和吸油时产生的局部真空，更加剧了度升高和吸油时产生的局部真空，更加剧了燃油的气化，特别是油泵吸油腔内存在的气燃油的气化，特别是油泵吸油腔内存在的气泡，将是泵油量明显减少，从而导致喷油压泡，将是泵油量明显减少，从而导致喷油压力的波动。力的波动。图1-6 双级电动燃油泵1-1-初级泵；初级泵；2-2-主输油泵；主输油泵；3-3-永磁电动机；永磁电动机；4-4-外壳外壳 初级泵能别离吸油端产生的蒸汽，并以较低的压力将燃油输送到主输油泵内。主输油泵用于提高泵油压力。他们相互独立并轴向串联，由同一根电枢轴驱动。如图2-1所示。二，电磁喷油器二，电磁喷油器 电磁喷油器是发动机电控喷射系统的电磁喷油器是发动机电控喷射系统的一个很关键的执行器。它接受电脑输送的一个很关键的执行器。它接受电脑输送的喷油脉冲信号，精确的计量燃油喷射量。喷油脉冲信号，精确的计量燃油喷射量。其要求有：动态流量范围大，抗堵塞污染其要求有：动态流量范围大，抗堵塞污染能力强以及雾化性能好。能力强以及雾化性能好。1 1轴针式电磁喷油器轴针式电磁喷油器 轴针式电磁喷油器主要由喷油器外壳、轴针式电磁喷油器主要由喷油器外壳、喷油嘴、针阀、套在针阀上的衔铁以及根喷油嘴、针阀、套在针阀上的衔铁以及根据喷油脉冲信号产生电磁吸力的电磁线圈据喷油脉冲信号产生电磁吸力的电磁线圈组成。电磁线圈无电流时，喷油器内的针组成。电磁线圈无电流时，喷油器内的针阀被螺旋弹簧压在喷油器出口处的密封锥阀被螺旋弹簧压在喷油器出口处的密封锥形阀座上。电磁线圈通电时，产生磁场吸形阀座上。电磁线圈通电时，产生磁场吸动引铁上移衔铁带动针阀从其座面上上升动引铁上移衔铁带动针阀从其座面上上升约，燃油从精密环形间隙中流出。约，燃油从精密环形间隙中流出。 喷油器用橡胶成型件作为支座。从而喷油器用橡胶成型件作为支座。从而 形成隔热作用防止喷油器中的燃油形成隔热作用防止喷油器中的燃油产生气泡，有助于发动机的高温启动性产生气泡，有助于发动机的高温启动性能，而且能起到减震的作用。能，而且能起到减震的作用。1-1-滤网；滤网；2-2-电接头；电接头；3-3-电磁线圈；电磁线圈；4-4-复位弹簧；复位弹簧；5-5-衔铁；衔铁；6-6-针阀针阀图2-1 轴针式电磁喷油器2 2球阀式电磁喷油器球阀式电磁喷油器 减轻阀针质量并提高弹簧预紧力，对获得宽减轻阀针质量并提高弹簧预紧力，对获得宽广的动态流量范围十分有效，而且用球阀能提高广的动态流量范围十分有效，而且用球阀能提高喷油量精度。喷油量精度。 如图如图2-22-2所示，它与轴针式电磁喷油器所示，它与轴针式电磁喷油器的主要区别在于阀针的结构。球阀式的阀针是由的主要区别在于阀针的结构。球阀式的阀针是由钢球、导杆和衔铁直接用激光束焊接成整体而制钢球、导杆和衔铁直接用激光束焊接成整体而制成的，其质量减轻到普通针阀式阀针的一半，而成的，其质量减轻到普通针阀式阀针的一半，而且是采用短的空心导杆实现的。为了保证燃油密且是采用短的空心导杆实现的。为了保证燃油密封，轴针式阀针必须有长的导向杆。球阀式阀针封，轴针式阀针必须有长的导向杆。球阀式阀针明显优于轴针式阀针明显优于轴针式阀针。图图2-2 2-2 同等级的球阀式与轴针式阀针的比同等级的球阀式与轴针式阀针的比较较3 3片阀式电磁喷油器片阀式电磁喷油器 片阀式电磁喷油器的内部结构的主要片阀式电磁喷油器的内部结构的主要特点是质量轻的阀片和孔式阀座，他们与特点是质量轻的阀片和孔式阀座，他们与磁性优化的喷油器总成结合起来，使喷油磁性优化的喷油器总成结合起来，使喷油器不仅具有较大的动态流量范围，而且抗器不仅具有较大的动态流量范围，而且抗堵塞能力较强，其结构如图堵塞能力较强，其结构如图2-32-3所示。所示。图图2-3 2-3 片阀式电磁喷油片阀式电磁喷油器器4 4喷油器的喷油量及工作特性喷油器的喷油量及工作特性1 1，电磁喷油器的喷油量，电磁喷油器的喷油量 电磁喷油器工作过程中，当电磁线圈通电磁喷油器工作过程中，当电磁线圈通电时，将衔铁与针阀吸起，燃油从针阀与电时，将衔铁与针阀吸起，燃油从针阀与阀座之间的空闲流出，电磁线圈不通电时，阀座之间的空闲流出，电磁线圈不通电时，磁力消失，回位弹簧将针阀压紧在阀座上，磁力消失，回位弹簧将针阀压紧在阀座上，停止喷油。喷油器针阀的升程很小，一般停止喷油。喷油器针阀的升程很小，一般为，开启的时间在为，开启的时间在2-10ms2-10ms范围内。开的时范围内。开的时间越长，喷油量越多。理想状态下有间越长，喷油量越多。理想状态下有 Q=Q=常数常数*T*Ti iT Ti-i-喷油器电脉冲宽度喷油器电脉冲宽度Q-Q-喷油器喷油量喷油器喷油量2 2，喷油器的根本特性。实际喷油的起点，喷油器的根本特性。实际喷油的起点比理想喷油的起点滞后一段时间，致使实比理想喷油的起点滞后一段时间，致使实际喷油量低于理论喷油量，出现偏差的原际喷油量低于理论喷油量，出现偏差的原因就是电磁线圈开始通电时，针阀有一个因就是电磁线圈开始通电时，针阀有一个上升过渡过程，另外，电磁线圈通电后，上升过渡过程，另外，电磁线圈通电后，由于电磁线圈的自感作用，磁场是逐步建由于电磁线圈的自感作用，磁场是逐步建立的，兑现铁的吸引力是逐步增大的，以立的，兑现铁的吸引力是逐步增大的，以上原因使得针阀不会立即响应，所以出现上原因使得针阀不会立即响应，所以出现滞后情况。滞后情况。3 3，喷油器针阀的工作特性，喷油器针阀的工作特性由于喷油器针阀的机械惯性由于喷油器针阀的机械惯性和磁滞性的影响，实际工作和磁滞性的影响，实际工作的喷油器，在触发电脉冲加的喷油器，在触发电脉冲加到电磁线圈后，针阀上升都到电磁线圈后，针阀上升都有一个过渡过程。由右图可有一个过渡过程。由右图可见，喷油器针阀的升起和落见，喷油器针阀的升起和落座都有一个滞后过程，它与座都有一个滞后过程，它与电脉冲信号不完全吻合。电脉冲信号不完全吻合。t t0 0-t-tc c是不喷油的，称为无效是不喷油的，称为无效喷油时间。喷油时间。喷油器开阀时间还受蓄电池电压影响比较喷油器开阀时间还受蓄电池电压影响比较大，电压高，开阀时间短，电压低，开阀大，电压高，开阀时间短，电压低，开阀时间长，而关阀时间受电压影响小，所以时间长，而关阀时间受电压影响小，所以随着电源电压的降低，实际喷油时间会缩随着电源电压的降低，实际喷油时间会缩短，所以短，所以ECUECU还会根据电源电压的变化，还会根据电源电压的变化，适时修正电脉冲信号的宽度。适时修正电脉冲信号的宽度。4 4，喷油器喷油量范围，喷油器喷油量范围喷油器是利用脉冲信号通过控制开阀的持续喷油器是利用脉冲信号通过控制开阀的持续时间来控制喷油量。时间来控制喷油量。在计算确定实际喷油量的过程中，一般将最在计算确定实际喷油量的过程中，一般将最小喷油量和最大喷油量设置为界限值。小喷油量和最大喷油量设置为界限值。5 5喷油器驱动方式喷油器驱动方式各车型装用的喷油各车型装用的喷油器，按其线圈的电器，按其线圈的电阻值可分为高阻阻值可分为高阻电阻为电阻为13131616和低阻电阻为和低阻电阻为2 233两种类型。两种类型。 高阻喷油器常采高阻喷油器常采用电压驱动方式。用电压驱动方式。 低阻喷油器电压、低阻喷油器电压、电流驱动方式都可电流驱动方式都可采用。采用。a电流驱动电流驱动b电压驱动低阻电压驱动低阻c电压驱动高阻电压驱动高阻电流驱动方式电流驱动方式只适用于低阻喷油器。在刚开始时，电流很大，只适用于低阻喷油器。在刚开始时，电流很大，达达8A8A，使喷油器针阀迅速翻开；然后，使喷油器针阀迅速翻开；然后，ECUECU控制控制喷油器的电流降低至喷油器的电流降低至2A2A，以保持并稳定喷油器，以保持并稳定喷油器针阀的翻开。特点：无附加电阻，回路阻抗小，针阀的翻开。特点：无附加电阻，回路阻抗小，针阀开启速度快，喷油器喷油迟滞时间缩短，针阀开启速度快，喷油器喷油迟滞时间缩短，响应性好。响应性好。电压驱动方式电压驱动方式既可用于高阻喷油器，又可用于低阻喷油器。既可用于高阻喷油器，又可用于低阻喷油器。低阻喷油器采用电压驱动方式时，须参加附加低阻喷油器采用电压驱动方式时，须参加附加电阻，以降低流过线圈的电流，防止线圈发热电阻，以降低流过线圈的电流，防止线圈发热而损坏。特点：喷油滞后时间较长。而损坏。特点：喷油滞后时间较长。三，怠速空气调整器三，怠速空气调整器怠速空气调整器的作用：怠速空气调整器的作用：1 1，稳定发动机的，稳定发动机的怠速转速，从而降低汽车怠速行驶时的燃怠速转速，从而降低汽车怠速行驶时的燃油消耗量；油消耗量；2 2，发动机在怠速行驶时，假设，发动机在怠速行驶时，假设负荷增大，如接通空调等，那么需要提高负荷增大，如接通空调等，那么需要提高怠速转速，以防止发动机熄火。它是通过怠速转速，以防止发动机熄火。它是通过控制节气门旁通道的方式来实现怠速调整控制节气门旁通道的方式来实现怠速调整的。根据其结构特点分为：双金属片式、的。根据其结构特点分为：双金属片式、石蜡式、电磁式、旋转滑阀式和步进电机石蜡式、电磁式、旋转滑阀式和步进电机式。式。1 1双金属片式怠速空气调整器双金属片式怠速空气调整器 双金属片式怠速空气调整器是发动机低双金属片式怠速空气调整器是发动机低温启动时，及启动暖车过程中，是使辅助温启动时，及启动暖车过程中，是使辅助空气阀翻开增加空气量的一种怠速机构。空气阀翻开增加空气量的一种怠速机构。它由绕有电热线的双金属片和空气旁通道它由绕有电热线的双金属片和空气旁通道遮门等组成，如图遮门等组成，如图2-42-4所示，辅助空气阀的所示，辅助空气阀的开口受截面受遮门动作的控制，遮门又受开口受截面受遮门动作的控制，遮门又受双金属片的控制，双金属片根据温度变化双金属片的控制，双金属片根据温度变化而变形。而变形。 发动机温度比较低的时候，遮门翻开，发动机温度比较低的时候，遮门翻开，此时节气门是关闭的，从空气调整器流入此时节气门是关闭的，从空气调整器流入的空气使吸入气缸的空气量增加。的空气使吸入气缸的空气量增加。 发动机启动后，电流由点火开关流入怠发动机启动后，电流由点火开关流入怠速空气调整器的电热线，使双金属片受热而速空气调整器的电热线，使双金属片受热而慢慢将遮门关闭，空气的流入量减少，发动慢慢将遮门关闭，空气的流入量减少，发动机转速下降。暖车后，遮门完全关闭空气旁机转速下降。暖车后，遮门完全关闭空气旁通道，发动机恢复正常运转。遮门的初期开通道，发动机恢复正常运转。遮门的初期开度是取决于周围温度的，之后随双金属片被度是取决于周围温度的，之后随双金属片被电热线加热弯曲而变小。电热线加热弯曲而变小。图2-4 双金属片式怠速空气调整器2 2石蜡式怠速空气调整器石蜡式怠速空气调整器 石蜡式怠速空气调整器根据发动机的冷石蜡式怠速空气调整器根据发动机的冷却水温度控制空气旁通道截面积。控制力却水温度控制空气旁通道截面积。控制力来自恒温石蜡的热胀冷缩，热胀冷缩随周来自恒温石蜡的热胀冷缩，热胀冷缩随周围温度变化。采用这种形式的空气调整器，围温度变化。采用这种形式的空气调整器，导入发动机冷却水是必要条件，为了结构导入发动机冷却水是必要条件，为了结构简化，一般采用与节气门体加热共用的冷简化，一般采用与节气门体加热共用的冷却水管路一体化结构，如图却水管路一体化结构，如图2-52-5所示。所示。 发动机冷却水温度较低的时候，恒温石发动机冷却水温度较低的时候，恒温石蜡收缩，提动阀在弹簧的作用下翻开，随蜡收缩，提动阀在弹簧的作用下翻开，随着温度的升高，恒温石蜡膨胀，推动连接着温度的升高，恒温石蜡膨胀，推动连接杆使提动阀慢慢关闭发动机转速下降。杆使提动阀慢慢关闭发动机转速下降。图图2-5 2-5 石蜡式怠速空气调整器石蜡式怠速空气调整器3 3电磁式怠速空气调整器电磁式怠速空气调整器电磁式怠速空气调整器由电磁线圈、阀轴电磁式怠速空气调整器由电磁线圈、阀轴及阀的主要部件组成，它是利用电磁线圈及阀的主要部件组成，它是利用电磁线圈产生的电磁吸力，使阀轴在轴向作线位移，产生的电磁吸力，使阀轴在轴向作线位移，从而控制阀门的位置。电磁吸力的大小取从而控制阀门的位置。电磁吸力的大小取决于微机控制装置送至电磁式怠速空气调决于微机控制装置送至电磁式怠速空气调整器电磁线圈的驱动电流的大小。波纹管整器电磁线圈的驱动电流的大小。波纹管的作用是为了消除阀门上下压差对阀门开的作用是为了消除阀门上下压差对阀门开启位置的影响。这种怠速空气调整器的优启位置的影响。这种怠速空气调整器的优点是响应速度非常快。如图点是响应速度非常快。如图2-62-6所示。所示。图图2-6 2-6 电磁式怠速空气调整器电磁式怠速空气调整器4 4旋转滑阀式怠速空气调整器旋转滑阀式怠速空气调整器 旋转滑阀式怠速空气调整器在工作时，电脑旋转滑阀式怠速空气调整器在工作时，电脑将检测到的怠速旋转实际值与贮存的设定目标值将检测到的怠速旋转实际值与贮存的设定目标值相比较，并随时校正送至怠速空气调整器的驱动相比较，并随时校正送至怠速空气调整器的驱动信号的占空比，以实现稳定的怠速运行。如图信号的占空比，以实现稳定的怠速运行。如图2-2-7 7所示，它由永久磁铁、电枢、旋转滑阀、螺旋所示，它由永久磁铁、电枢、旋转滑阀、螺旋回位弹簧和电刷及引线等组成。永久磁铁固装在回位弹簧和电刷及引线等组成。永久磁铁固装在外壳上，期间形成磁场。电枢位于永久磁铁的磁外壳上，期间形成磁场。电枢位于永久磁铁的磁场中。旋转滑阀固装在电枢轴上，与电枢轴一起场中。旋转滑阀固装在电枢轴上，与电枢轴一起转动，用以控制流过旁通道的空气量。电枢轴位转动，用以控制流过旁通道的空气量。电枢轴位于永久磁铁的磁场中，电枢铁芯上缠有两组绕于永久磁铁的磁场中，电枢铁芯上缠有两组绕向相反的电磁线圈向相反的电磁线圈L1L1和和L2L2，当线圈，当线圈L1L1通电时，通电时，电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通道电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通道截面积关小，线圈截面积关小，线圈L2L2通电时，电枢带动旋转通电时，电枢带动旋转滑阀逆时针偏转，空气旁通道截面积增大。滑阀逆时针偏转，空气旁通道截面积增大。其电路连接图如图其电路连接图如图2-82-8所示，所示，L1L1和和L2L2的两端与的两端与电刷滑环相连，经电刷引出与电刷滑环相连，经电刷引出与ECUECU相连，电枢相连，电枢轴上的电刷滑环由三段滑片围合而成，其上轴上的电刷滑环由三段滑片围合而成，其上各有一电刷与之接触，电枢绕组各有一电刷与之接触，电枢绕组L1L1和和L2L2两端两端分别焊接在相应的滑片上。当点火开关旋至分别焊接在相应的滑片上。当点火开关旋至“on“on时，空气调整器接线插头时，空气调整器接线插头2 2上即有蓄电上即有蓄电池电压，电枢绕组池电压，电枢绕组L1L1和和L2L2是否通电，那么由是否通电，那么由电脑中控制电脑中控制L1L1和和L2L2搭铁的三极管搭铁的三极管T2T2和和T1T1的通的通断状况决定，由于占空比控制信号和三极管断状况决定，由于占空比控制信号和三极管T1T1的基的基极之间接有反相器，故三极管极之间接有反相器，故三极管T1T1和和T2T2集电极输出相集电极输出相位相反。因此，旋转滑阀式怠速空气调整器上的两位相反。因此，旋转滑阀式怠速空气调整器上的两个电枢绕组总是交替的通过电流，又因两组线圈绕个电枢绕组总是交替的通过电流，又因两组线圈绕向相反，致使电枢上交替产生方向相反的电磁力矩。向相反，致使电枢上交替产生方向相反的电磁力矩。而电磁力矩交变的频率比极高，且电枢转动具有一而电磁力矩交变的频率比极高，且电枢转动具有一定的惯性，所以旋转滑阀将根据控制信号的占空比定的惯性，所以旋转滑阀将根据控制信号的占空比摆到一定的角度稳定。当占空比为摆到一定的角度稳定。当占空比为50%50%时，时，L1L1和和L2L2的的平均通电时间相等，二者产生的电磁力矩抵消，电平均通电时间相等，二者产生的电磁力矩抵消，电枢轴停止偏转，当占空比小于枢轴停止偏转，当占空比小于50%50%时，线圈时，线圈L1L1的通电的通电时间比较长，其合成的电磁力矩使电枢带动旋转滑时间比较长，其合成的电磁力矩使电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通截面积减小，怠速降低，阀顺时针偏转，空气旁通截面积减小，怠速降低，反之，同理。反之，同理。图图2-7 2-7 旋转滑阀式怠速空气调整器旋转滑阀式怠速空气调整器图图2-8 2-8 旋转滑阀式怠速空气调整器电路连旋转滑阀式怠速空气调整器电路连接图接图5 5步进电机式怠速空气调整器步进电机式怠速空气调整器步进电机式怠速空气调整器是由永久磁铁步进电机式怠速空气调整器是由永久磁铁构成的转子、激磁线圈构成的定子和进给构成的转子、激磁线圈构成的定子和进给丝杆及阀门等组成。它利用步进转换控制，丝杆及阀门等组成。它利用步进转换控制，使转子可正转也可反转，从而使阀芯上下使转子可正转也可反转，从而使阀芯上下移动以到达调节旁通空气道截面的目的。移动以到达调节旁通空气道截面的目的。步进电动机的结构与工作原理步进电动机的结构与工作原理步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。械位移的机电执行元件。角位移输入脉冲个数运行速度输入脉冲频率步步进进电电机机组组成成定子定子 由硅钢片叠成由硅钢片叠成, ,有一定数量有一定数量 的磁极和绕组的磁极和绕组用硅钢片叠成或用硅钢片叠成或 用软磁用软磁性材料做成凸极结构性材料做成凸极结构转子转子步进电动机的分类：步进电动机的分类：工作原理工作原理反响反响永磁永磁混合混合 步进电机是利用电磁铁的作用原步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。定角度，带动机械移动一小段距离。特点特点: : (1)(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。下面以反响式步进电机为例说明步进电机的下面以反响式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。结构和工作原理。 给A相绕组通电时，转子位置如图a，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。ab 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。BCIAIBICA转转子子定子定子 A A相绕组通电，相绕组通电，B B、C C 相不通电。由于相不通电。由于在磁场作用下，转子在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这最小的位置，故在这种情况下，转子必然种情况下，转子必然转到左图所示位置：转到左图所示位置：1 1、3 3齿与齿与A A、A A极对极对齐。齐。CABBCA3412 同理，同理，B B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过3030 角，角，2 2、4 4齿和齿和B B、B B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C C相通电时，相通电时，转子再转过转子再转过3030 角，角，1 1、3 3齿和齿和CC、C C 磁极轴磁极轴线对齐线对齐。CABBCA34121C342CABBA 这种工作方式下，三个绕组依次通电这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。 按按A AB B C C A A 的顺序给三相绕的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过拍转过30(30(步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3(3拍拍) )转过转过90(90(一个齿距角一个齿距角) )。 按按A AABAB B B BCBC C C CACA的的顺序给三相绕组轮流通电。顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可这种方式可以获得更精确的控制特性。以获得更精确的控制特性。A A 相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A A、A A 对齐。对齐。 A A、B B相同时通电，相同时通电，A A、A A 磁极拉住磁极拉住1 1、3 3齿，齿，B B、B B 磁极拉住磁极拉住2 2、4 4齿，齿，转子转过转子转过1515 ，到达左到达左图所示位置。图所示位置。CABBCA3412CABBCA3412B B 相通电，相通电，转子转子2 2、4 4齿与齿与B B、B B 对齐对齐, ,又转又转过过1515 。 B B、C C相同时通电相同时通电C C 、C C 磁极拉住磁极拉住1 1、3 3齿，齿，B B B B 磁极拉住磁极拉住2 2、4 4齿，齿，转子再转过转子再转过1515 。CABBCA34123412CABBCA 三相反响式步进电动机的一个通三相反响式步进电动机的一个通电循环周期如下：电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分为六拍。，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过每拍转子转过15步距角，一个步距角，一个通电循环周期通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿齿距角距角)。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。制系统中。三相双三拍三相双三拍按按ABAB BCBC CACA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过3030 ( (步距角步距角) )，一个通电循环周期一个通电循环周期(3(3拍拍) )转子转过转子转过9090 ( (齿距角齿距角) )。从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：得步距角计算公式： 步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数为了提高步进电机的控制精度，通常采用为了提高步进电机的控制精度，通常采用较小的步距角，如较小的步距角，如3 3，1.51.5，0.750.75。 由一个通电状态改变到下一个通电状态时，由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角电动机转子所转过的角度称为步距角 步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标1. 步距角步距角2. 最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动 机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。3. 最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。机能增加和减小的最大频率。4. 步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。5. 输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小。输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小。步进电动机的性能特点步进电动机的性能特点主要优点：主要优点：1、输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲、输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比，而转速或线速度与脉冲的频率数成正比，而转速或线速度与脉冲的频率成正比，在电机的负载能力范围内，这些成正比，在电机的负载能力范围内，这些关系不受电压的大小、负载的大小、环境关系不受电压的大小、负载的大小、环境条件等外界各种因素的干扰；条件等外界各种因素的干扰；2、每转一局部有固定的步数，所以步进电动、每转一局部有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步距误差不机在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累；会长期积累；3、控制性能好，它可以在很宽的范围内通过、控制性能好，它可以在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，并且能改变脉冲的频率来调节电机的转速，并且能够快速起动、制动和反转；够快速起动、制动和反转；4、有些形式的步进电机在停止供电的情况下、有些形式的步进电机在停止供电的情况下还有定位转矩，有些形式在停机后某些相绕还有定位转矩，有些形式在停机后某些相绕组仍保持通电状态，具有自锁能力，不需要组仍保持通电状态，具有自锁能力，不需要机械制动装置等。机械制动装置等。主要缺点：效率较低，需配试当的驱动电源，主要缺点：效率较低，需配试当的驱动电源，带惯性负载的能力不强。带惯性负载的能力不强。步进电动机与发动机的怠速控制步进电动机与发动机的怠速控制汽车发动机的怠速工况是指油门踏板完全汽车发动机的怠速工况是指油门踏板完全放开、对外无功率输出且能保持最低稳定放开、对外无功率输出且能保持最低稳定转速、维持发动机不熄火的稳定运转工况。转速、维持发动机不熄火的稳定运转工况。当汽车实施自动减速、临时停车及启动时，当汽车实施自动减速、临时停车及启动时，发动机均在怠速工况工作。怠速转速过高，发动机均在怠速工况工作。怠速转速过高，将使怠速工况燃料消耗增加，造成不必要将使怠速工况燃料消耗增加，造成不必要的浪费，尤其是长期在城市道路上行驶的的浪费，尤其是长期在城市道路上行驶的汽车，由于频繁的减速、停车、起步，约汽车，由于频繁的减速、停车、起步，约有有30%30%的燃料消耗在怠速阶段，因此应尽可的燃料消耗在怠速阶段，因此应尽可能降低怠速转速。而怠速转速能降低怠速转速。而怠速转速过低，负荷或阻力稍有变化将导致发动机运转过低，负荷或阻力稍有变化将导致发动机运转不稳甚至熄火。现代轿车空调系统、自动变速不稳甚至熄火。现代轿车空调系统、自动变速器、动力转向系统的使用及电器负荷的增加、器、动力转向系统的使用及电器负荷的增加、冷车启动运转等均是导致发动机怠速不稳定的冷车启动运转等均是导致发动机怠速不稳定的因素，且汽车排放污染物因素，且汽车排放污染物HCHC和和COCO主要是怠速阶主要是怠速阶段形成的，怠速越低，排放污染越严重。因此，段形成的，怠速越低，排放污染越严重。因此，必须严格并精确控制怠速转速，现代轿车一般必须严格并精确控制怠速转速，现代轿车一般均将发动机怠速运转控制在均将发动机怠速运转控制在800rpm800rpm左右。左右。怠速控制原理怠速控制原理怠速控制的目的是在保证发动机排放要求怠速控制的目的是在保证发动机排放要求及稳定运转的前提下，尽量使发动机保持及稳定运转的前提下，尽量使发动机保持最低稳定转速，以降低怠速时的燃油消耗。最低稳定转速，以降低怠速时的燃油消耗。现代轿车的怠速多采用反响控制方式，现代轿车的怠速多采用反响控制方式，ECUECU根据各种传感器的输入信号所决定的目标根据各种传感器的输入信号所决定的目标转速与发动机的实际转速进行比较，确定转速与发动机的实际转速进行比较，确定对应于目标转速的进气量，然后驱动控制对应于目标转速的进气量，然后驱动控制进气量的执行机构怠速控制阀进气量的执行机构怠速控制阀-ISCV-ISCV，其控制原理见图其控制原理见图2-8.2-8.当节气门完全关闭时，节气门位置传感器当节气门完全关闭时，节气门位置传感器内的怠速触点闭合并将信号输送给内的怠速触点闭合并将信号输送给ECUECU，ECUECU即感知为怠速工况。如果此时输送到即感知为怠速工况。如果此时输送到ECUECU的发动机的转速信号超出怠速转速范围，的发动机的转速信号超出怠速转速范围，ECUECU会发出调整信号给怠速控制阀，减小控制阀会发出调整信号给怠速控制阀，减小控制阀的开度，进气量减小，发动机转速降低；反的开度，进气量减小，发动机转速降低；反之，那么增加控制阀的开度，提高发动机的之，那么增加控制阀的开度，提高发动机的转速。这样，转速。这样，ECUECU通过转速传感器信号形成对通过转速传感器信号形成对怠速的反响控制，使发动机保持在正常的怠怠速的反响控制，使发动机保持在正常的怠速转速范围。速转速范围。 当发动机的温度或工况发生变化，由当发动机的温度或工况发生变化，由ECUECU控制的怠速系统将各种信号输送到控制的怠速系统将各种信号输送到ECUECU的逻辑的逻辑电路进行运算，由比较电路与基准信号比照，电路进行运算，由比较电路与基准信号比照，然后输出修正补偿信号，驱动怠速控制阀增加然后输出修正补偿信号，驱动怠速控制阀增加适当的开度，适当提高怠速，防止怠速不稳或适当的开度，适当提高怠速，防止怠速不稳或熄火。一般在空调开启、动力转向或自动变速熄火。一般在空调开启、动力转向或自动变速器工作时，怠速将自动提高器工作时，怠速将自动提高100rpm100rpm。 目前，现代轿车广泛采用的是节气门旁通目前，现代轿车广泛采用的是节气门旁通空气量步进电动机式怠速控制系统，如图，该空气量步进电动机式怠速控制系统，如图，该系统主要由步进电动机怠速控制阀、各传感器系统主要由步进电动机怠速控制阀、各传感器及及ECUECU组成，其中怠速控制的关键部件就是步进组成，其中怠速控制的关键部件就是步进电动机式怠速控制阀。电动机式怠速控制阀。图2-8 怠速控制系统步进电机式怠速控制阀的结构和控制原理步进电机式怠速控制阀的结构和控制原理步进电动机怠速控制阀是步进电动机与怠步进电动机怠速控制阀是步进电动机与怠速控制阀的统一体，安装在进气总管内。速控制阀的统一体，安装在进气总管内。步进电动机可顺时针或逆时针转动，带动步进电动机可顺时针或逆时针转动，带动怠速控制阀的阀芯做轴向移动，改变阀与怠速控制阀的阀芯做轴向移动，改变阀与阀座之间的间隙，调节流经节气门旁通气阀座之间的间隙，调节流经节气门旁通气道的空气量，怠速控制阀有道的空气量，怠速控制阀有125125种不同的开种不同的开启位置，可适应不同工况对怠速调整的需启位置，可适应不同工况对怠速调整的需要。要。别克和奥迪别克和奥迪A6A6应用的的步进电应用的的步进电机式怠速空气调整器机式怠速空气调整器 如图如图2-92-9所示，步进电所示，步进电动机怠速控制阀主要由步进电动机怠速控制阀主要由步进电动机和控制阀门组成，步进电动机和控制阀门组成，步进电动机由定子和转子组成，其转动机由定子和转子组成，其转子由永久磁铁构成，子由永久磁铁构成，N N极和极和S S极极在圆周上相间排列，均匀分布，在圆周上相间排列，均匀分布，共有共有8 8对永久磁极，定子由对永久磁极，定子由A A、B B两个定子组成，每一局部由两两个定子组成，每一局部由两个绕向相反的定子绕组个绕向相反的定子绕组1,31,3相相绕组和绕组和2,42,4相绕组，相绕组，和带有和带有8 8对交叉排列爪极的定子线圈组成，线对交叉排列爪极的定子线圈组成，线圈由导磁材料制成的爪极包围。每个定子有圈由导磁材料制成的爪极包围。每个定子有8 8对爪极，每对爪极之间的间距为一个爪的宽对爪极，每对爪极之间的间距为一个爪的宽度，度，A A、B B两定子爪极相差一个爪的差位，构两定子爪极相差一个爪的差位，构成一体并安装在外壳上，爪极的极性是变换成一体并安装在外壳上，爪极的极性是变换的，由微机控制装置的控制定子相线绕组的的，由微机控制装置的控制定子相线绕组的电压脉冲决定，晶体三极管控制各相线绕组电压脉冲决定，晶体三极管控制各相线绕组的搭铁，并通过控制的搭铁，并通过控制4 4个线圈绕组的通电相序个线圈绕组的通电相序改变步进电机的旋转方向，从而实现阀门开改变步进电机的旋转方向，从而实现阀门开启高度的控制。启高度的控制。图2-9 步进电机式怠速空气调整器图2-10 定子结构相线控制脉冲如图相线控制脉冲如图2-112-11所示，步进电机所示，步进电机正转时，相线控制脉冲按正转时，相线控制脉冲按1 2 3 1 2 3 4 4相顺序依次滞后相顺序依次滞后9090相位角，定子上相位角，定子上N N极向右方向移动，转子随之正转极向右方向移动，转子随之正转。转子的转动是为了使定子线圈电磁铁和转转子的转动是为了使定子线圈电磁铁和转子永久磁铁子永久磁铁N N极和极和S S极互相吸引到最近距离，极互相吸引到最近距离，定子的爪极极性随相线控制脉冲的变化而定子的爪极极性随相线控制脉冲的变化而改变，所以转子将随之转动，以保持转子改变，所以转子将随之转动，以保持转子的的S S极随时与定子的极随时与定子的S S极对齐，转子转动一极对齐，转子转动一圈分为圈分为3232个步极进行，每个步级转动一个个步极进行，每个步级转动一个爪的转角，即爪的转角，即。 图2-11 结构与脉冲信号怠速控制过程怠速控制过程 发动机在怠速时，发动机在怠速时，ECUECU首先根据节气门的怠速首先根据节气门的怠速触点信号、车速信号确认怠速状态，然后根据冷触点信号、车速信号确认怠速状态，然后根据冷却液温度传感器、空调、动力转向机构及自动变却液温度传感器、空调、动力转向机构及自动变速器等工作情况，根据速器等工作情况，根据CPUCPU存储器中的参考数据，存储器中的参考数据，确定相应的目标转速，并与实际怠速转速比较得确定相应的目标转速，并与实际怠速转速比较得出差值，同时计算出相应于目标转速的控制量出差值，同时计算出相应于目标转速的控制量步级步级) )来驱动步进电机，步进电机的控制电路如来驱动步进电机，步进电机的控制电路如图图2-122-12所示，所示，ECUECU按相序使按相序使VT1-VT4VT1-VT4依次导通，分依次导通，分别给步进电动机的别给步进电动机的4 4个定子线圈供电，驱动步进个定子线圈供电，驱动步进电动机的转子旋转，调节怠速控制阀的开启高度，电动机的转子旋转，调节怠速控制阀的开启高度，改变旁通空气量，使发动机怠速到达所要求的目改变旁通空气量，使发动机怠速到达所要求的目标转速。标转速。 图2-12 步进电动机怠速控制 步进电动机式怠速控制阀的控制内容主要包步进电动机式怠速控制阀的控制内容主要包括以下几个方面：括以下几个方面： 1 1，启动初始位置确实定。为了改善发动机的再启，启动初始位置确实定。为了改善发动机的再启动性能，点火开关动性能，点火开关“off“off后，后，ECUECU控制怠速控制控制怠速控制阀处于全开位置步进电动机，为下次启动做阀处于全开位置步进电动机，为下次启动做好准备，为了使怠速控制阀在发动机下次启动时好准备，为了使怠速控制阀在发动机下次启动时处于完全翻开状态，当点火开关断开后必须继续处于完全翻开状态，当点火开关断开后必须继续给给ECUECU和步进电动机供电一般供电和步进电动机供电一般供电2s2s，通过，通过ECUECU内部的主继电器控制电路对主继电器进行控制，内部的主继电器控制电路对主继电器进行控制，主继电器由主继电器由ECUECU的备用电源的备用电源M-RELM-REL端继续供电端继续供电2s2s，保持接通状态，直至步进电机进入启动初始位置保持接通状态，直至步进电机进入启动初始位置后再断电。后再断电。2 2，启动控制。发动机启动时，由于怠速控制，启动控制。发动机启动时，由于怠速控制阀预先设定在全开位置，在启动期间流经怠速阀预先设定在全开位置，在启动期间流经怠速控制阀的旁通空气量最大，发动机容易启动；控制阀的旁通空气量最大，发动机容易启动；假设启动后怠速控制阀仍保持在全开位置，将假设启动后怠速控制阀仍保持在全开位置，将使怠速转速过高，因而在发动机转速到达规定使怠速转速过高，因而在发动机转速到达规定值时，值时，ECUECU开始控制步进电机降低阀门开启高开始控制步进电机降低阀门开启高度，减小旁通空气量。如启动时冷却液温度为度，减小旁通空气量。如启动时冷却液温度为2020c c，发动机转速到达，发动机转速到达500r/min500r/min时，时，ECUECU将控制将控制步进电动机由全开步进电动机由全开125125步级时的步级时的A A点降到点降到B B点，点，如图如图2-132-13所示。所示。图2-13 启动和暖机控制特性 发动机的使用性能和技术状况在运转过发动机的使用性能和技术状况在运转过程中会发生变化，虽然步进电动机阀门位置程中会发生变化，虽然步进电动机阀门位置未变，但怠速转速可能会发生变化，此时未变，但怠速转速可能会发生变化，此时ECUECU通过反响控制方式使怠速转速与设定值保持通过反响控制方式使怠速转速与设定值保持一致，与此同时，一致，与此同时，ECUECU还将步进电动机转过的还将步进电动机转过的步数存储在存储器中，在以后的怠速控制过步数存储在存储器中，在以后的怠速控制过程中出现相同情况时可直接调用。程中出现相同情况时可直接调用。3 3，暖机控制。在暖机过程中，控制系统根据，暖机控制。在暖机过程中，控制系统根据冷却液温度来确定步进电动机的运动步级，冷却液温度来确定步进电动机的运动步级，怠速控制阀随温度上升逐渐关闭，当冷却液怠速控制阀随温度上升逐渐关闭，当冷却液温度高达温度高达7070c c时，暖机过程结束，如图时，暖机过程结束，如图2-132-13所示。所示。4 4，反响控制。在怠速运转过程中，如果发动，反响控制。在怠速运转过程中，如果发动机的实际转速与设定的目标转速差到达一定机的实际转速与设定的目标转速差到达一定值如值如20r/min20r/min时，时，ECUECU将通过步进电动机控制将通过步进电动机控制怠速控制阀相应增减旁通空气量，使实际转怠速控制阀相应增减旁通空气量，使实际转速与目标转速保持一致。速与目标转速保持一致。 5 5，发动机负荷变化的控制，当开启空调、，发动机负荷变化的控制，当开启空调、实施动力转向、自动变速器工作或电器负荷实施动力转向、自动变速器工作或电器负荷增大时，发动机负荷立即发生变化，为了防增大时，发动机负荷立即发生变化，为了防止发动机抖动、熄火，在发动机转速出现变止发动机抖动、熄火，在发动机转速出现变化之前，化之前，ECUECU控制步进电动机预先移动一定的控制步进电动机预先移动一定的步级，使怠速控制阀开大或关小一个固定开步级，使怠速控制阀开大或关小一个固定开度。度。6 6，学习控制。，学习控制。ECUECU通过控制步进电动机的正通过控制步进电动机的正反转步数来确定怠速控制阀的位置，到达调反转步数来确定怠速控制阀的位置，到达调整怠速转速的目的。整怠速转速的目的。