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具有直接前向预测和迭代后向状态估计的螺线管电流控制
    【技术领域】

    本发明涉及螺线管电流控制，更具体地涉及发动机系统中的螺线管电流控制。

    背景技术

    在此提供的背景说明是为了总体上介绍本发明的背景。在该背景技术部分描述的程度上，目前署名的发明人的作品以及在提交时可能不构成现有技术的该描述的各个方面既非明确地也非隐含地被认为是本发明的现有技术。

    柴油发动机燃烧空气/燃料混合物，以便为车辆产生驱动扭矩。空气通过进气歧管被吸入气缸。燃料系统将燃料直接喷入气缸。燃烧的副产物经由排气歧管从车辆排出。

    高压(HP)涡轮增压器和低压(LP)涡轮增压器由流过排气歧管的废气提供动力，并分别向进气歧管提供HP压缩空气增压和LP压缩空气增压。旁通阀组件可允许废气旁路通过HP涡轮增压器，从而减少HP压缩空气增压和HP涡轮增压器的膨胀率。旁通阀组件通常包括蝶形阀和磁螺线管致动器。磁螺线管致动器通常包括螺管线圈和磁芯。通过使电流选择性地供应通过螺管线圈来打开和关闭旁通阀。诸如发动机控制系统的控制系统可控制螺线管电流以调节旁通阀的开度。

    然而，传统的发动机控制系统无法根据需要精确或快速地控制螺线管电流。例如，发动机控制系统可能基于螺线管温度确定螺线管电流。然而，螺线管变化和/或系统老化可影响系统的精度。发动机控制系统可包括快速响应的比例积分微分(PID)控制方案(例如5毫秒)，以控制螺线管电流。然而，使反馈信号平滑可能需要慢速响应的滤波器(例如100毫秒)，以去除由于混叠(aliasing)而引起的短期振荡。

    【发明内容】

    发动机控制系统包括电流控制模块和螺线管致动器模块。电流控制模块基于通过发动机系统的螺线管的期望电流和螺线管的电阻来确定占空比(duty cycle)，并基于通过螺线管的实际电流校正电阻。螺线管致动器模块基于占空比驱动螺线管。

    一种操作发动机控制系统的方法，包括：基于通过发动机系统的螺线管的期望电流和螺线管的电阻确定占空比；基于通过螺线管的实际电流校正电阻；以及基于占空比驱动螺线管。

    本发明的进一步的应用领域将通过下面提供的详细说明而变得明显。应理解的是，该详细说明和具体示例仅用于说明目的，而并非用于限制本发明的范围。

    【附图说明】

    通过详细说明和附图将会更充分地理解本发明，附图中：

    图1是根据本发明原理的示例性柴油发动机系统的功能框图；

    图2是根据本发明原理的示例性发动机控制模块的功能框图；

    图3是根据本发明原理的示例性电流控制模块的功能框图；以及

    图4是示出根据本发明原理的发动机控制方法的示例性步骤的流程图。

    【具体实施方式】

    以下说明本质上仅是示例性的，并且决不用于限制本发明、其应用或用途。为清楚起见，附图中相同的附图标记用于标识相似的元件。如在此所使用的，短语“A、B、和C中的至少一个”应解释为表示利用非排它性的逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应理解的是，在不改变本发明的原理的情况下，可以不同的顺序执行方法中的步骤。

    如在此所使用的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的(共用、专用、或成组的)处理器和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其它合适的部件。

    为了精确且快速地控制柴油发动机系统中的螺线管电流，本发明的发动机控制系统预测通过螺线管的期望电流的占空比。基于对占空比与通过螺线管的实际电流之间的线性关系进行限定的慢变系统参数来预测占空比。发动机控制系统基于预测的占空比、期望电流、和/或所得到的实际电流来校正慢变系统参数。尽管将结合旁通阀来讨论发动机控制系统的运转，但本发明的原理也可应用于包括至少一个螺线管的任何装置。例如，所述装置可包括但不局限于涡轮增压器的可变喷嘴涡轮(VNT)和/或共轨直接燃料喷射系统(common‑raildirect fuel injection system)的计量阀。

    现在参考图1，其中示出了示例性柴油发动机系统100的功能框图。柴油发动机系统100包括柴油发动机102，柴油发动机102燃烧空气/燃料混合物以便为车辆产生驱动扭矩。柴油发动机102包括气缸104。为说明目的，示出了六个气缸。仅举例来说，柴油发动机102可包括但不局限于2、3、4、5、6、8、10、和/或12个气缸。

    柴油发动机系统100还包括空气管线106、进气歧管108、发动机控制模块110、燃料系统112、排气歧管114、和排气管线116。柴油发动机系统100还包括可变截面涡轮增压器(VGT)118、高压(HP)涡轮增压器120、低压(LP)涡轮增压器122、废气门124、进气温度(IAT)传感器126、和发动机冷却剂温度(ECT)传感器128。柴油发动机系统100还包括旁通阀130和旁通阀致动器模块132。

    空气通过空气管线106被吸入进气歧管108。来自进气歧管108的空气被吸入气缸104。发动机控制模块110控制由燃料系统112喷入的燃料的量。燃料系统112将燃料直接喷入气缸104中。

    喷入的燃料在气缸104中与空气混合并产生空气/燃料混合物。气缸104内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。压缩的空气/燃料混合物在靠近气缸104的上止点处被自动点火。

    空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，从而驱动曲轴(未示出)。然后活塞开始再次向上移动，并通过排气歧管114排出燃烧的副产物。燃烧的副产物经由排气管线116从车辆排出。

    高压(HP)涡轮增压器120和低压(LP)涡轮增压器122由流过排气管线116的废气提供动力，并分别向进气歧管108提供HP压缩空气增压和LP压缩空气增压。通过空气管线106向进气歧管108提供HP压缩空气增压和LP压缩空气增压。用于产生压缩空气增压的空气源自空气管线106。VGT118接收废气，并基于VGT118的位置(即纵横比)改变HP涡轮增压器120的输出(即升压)。废气门124允许废气旁路通过LP涡轮增压器112，以避免将过高的排气压力置于LP涡轮增压器122的涡轮上。

    可利用IAT传感器126测量被吸进柴油发动机系统100的空气的环境温度(即IAT)。可利用ECT传感器128测量发动机冷却剂的温度(即ECT)。ECT传感器128可位于柴油发动机102内或位于循环冷却剂的其它位置‑诸如散热器(未示出)中。发动机控制模块110将来自传感器126和128的信号用于对柴油发动机系统100作出控制决策。如在此所描述的，发动机控制模块110控制柴油发动机102、燃料系统112、VGT118(未示出)、涡轮增压器120和122(未示出)、废气门124、和旁通阀130，并与它们通信。

    旁通阀130可允许废气旁路通过HP涡轮增压器120，从而降低HP涡轮增压器120的升压和HP涡轮增压器120的膨胀率。旁通阀130包括电磁阀，电磁阀通过使穿过螺线管的电流流动或停止而被控制，从而打开或关闭该电磁阀。发动机控制模块110控制旁通阀致动器模块132以调节旁通阀130的开度，从而控制向HP涡轮增压器120释放的排气量。另外，旁通阀致动器模块132可测量旁通阀130的位置，并基于该位置向发动机控制模块110输出信号。如在此所描述的，发动机控制模块110确定发给旁通阀致动器模块132的指令。

    现在参考图2，其中示出了发动机控制模块110的功能框图。发动机控制模块110包括期望位置确定模块202、减法模块204、以及位置控制模块206。发动机控制模块110还包括位置‑电流转换模块208、求和模块210、滤波器模块212、和电流控制模块214。

    期望位置确定模块202从柴油发动机系统100的传感器接收关于发动机工作状态的数据。仅举例来说，发动机工作状态可包括但不局限于发动机转速、进气歧管108内的实际压力、和/或进气歧管108内通过涡轮增压器120和122要达到的期望压力。期望位置确定模块202基于使期望位置与发动机工作状态相关的模型来确定旁通阀130的期望位置。减法模块204接收期望位置并从旁通阀致动器模块132接收旁通阀130的实际位置。减法模块204从期望位置减去实际位置，以确定位置误差。

    位置控制模块206接收位置误差并基于该位置误差确定位置校正系数。位置控制模块206将比例积分微分(PID)控制模式用于确定位置校正系数。仅举例来说，位置校正系数可以百分数为单位，并且可包括从‑100％到100％的预定的数值范围。

    位置‑电流转换模块208接收位置校正系数。位置‑电流转换模块208基于使位置校正系数与电流校正系数相关的模型将位置校正系数转换成电流校正系数。仅举例来说，电流校正系数可以安培(A)为单位，并可包括从0A至1A的预定的数值范围。仅举例来说，当位置校正系数等于零时，电流校正系数可等于0.5A。

    求和模块210接收电流校正系数并从数据存储器(未示出)接收电流偏差。电流偏差为当旁通阀130处于零位置(即初始位置)时的电流量，并且基于发动机启动时的螺线管的类型来确定。求和模块210对电流校正系数和电流偏差求和以确定用于旁通阀130的螺线管的期望电流。

    滤波器模块212从产生用于螺线管的电流的电池(未示出)接收电池电压。滤波器模块212对电池电压滤波，以便由电流控制模块214使用。仅举例来说，滤波器模块212可包括使电池电压的信号平滑以去除短期振荡的低通滤波器。另外，滤波器模块212确定电池电压的平均值，并对该平均值滤波以确定平均电池电压(即电池电压_avg)。

    电流控制模块214接收电池电压、平均电池电压、和期望电流。电流控制模块214确定(即预测)期望电流的占空比的脉冲宽度调制(即PWM占空比)。电流控制模块214还基于电池电压与平均电池电压中的至少一个确定PWM占空比。旁通阀致动器模块132接收PWM占空比并基于该PWM占空比调节旁通阀130的开度。

    现在参考图3，其中示出了电流控制模块214的功能框图。电流控制模块214包括电流校正模块302、滤波器模块304、占空比确定模块306、和驱动器模块308。电流控制模块214还包括滤波器模块310、滤波器模块312、电流校正模块314、和电阻确定模块316。

    电流校正模块302接收期望电流。电流校正模块302基于使期望电流校正系数与期望电流相关的模型确定期望电流校正系数(即电流校正系数_des)。期望电流校正系数明确了期望电流与期望电流的占空比之间关系的非线性。

    在发动机启动时，滤波器模块304接收IAT和ECT，并基于使初始电阻与IAT和ECT相关的模型确定电阻。电阻为慢变系统参数，其限定期望电流的占空比与通过旁通阀130的螺线管的实际电流之间的线性关系。尽管将结合电阻讨论电流控制模块214的操作，但本发明的原理也可应用于限定占空比与实际电流之间的线性关系的任何慢变系统参数。例如，慢变系统参数可包括但不局限于基于螺线管中的温度确定的阻抗。

    另外，滤波器模块304确定电阻的平均值，并对该平均值滤波以确定平均电阻(即电阻_avg)。因为电阻为慢变系统参数而非瞬时系统参数，所以计算电阻的平均值。仅举例来说，滤波器模块304可包括使平均电阻的信号平滑以去除短期振荡的低通滤波器。仅举例来说，滤波器模块304可包括可变滤波时间常数，该可变滤波时间常数在发动机启动之后的时间段期间内从较小的值渐变至预定值。

    占空比确定模块306接收平均电阻、期望电流校正系数、期望电流、和电池电压。占空比确定模块306基于平均电阻、期望电流校正系数、期望电流、和电池电压来确定(即预测)期望电流的占空比。根据以下方程式确定占空比DC：$\left(1\right),\mathrm{DC}=K\left(I_{\mathrm{des}}\right)\frac{I_{\mathrm{des}}\×R_{\mathrm{avg}}}{V},$其中，K(I_des)为期望电流校正系数，I_des为期望电流，R_avg为平均电阻，而V为电池电压。立即(例如在5毫秒内)确定占空比。这是因为占空比确定模块306不会等待(例如100毫秒)以接收确定新的占空比的反馈(例如因先前的占空比而改变的实际电流)。

    驱动器模块308接收占空比并调节占空比以确定PWM占空比。滤波器模块310接收占空比、确定占空比的平均值、并对该平均值滤波以确定平均占空比(即占空比_avg)。因为电阻为慢变系统参数而非瞬时系统参数，所以计算占空比的平均值。仅举例来说，滤波器模块310可包括使平均占空比的信号平滑以去除短期振荡的低通滤波器。如所能意识到地，可对在此公开的任何信号进行诸如重整、滤波、放大或其它信号处理的其它信号调节。

    驱动器模块308包括分流器(未示出)，其用于确定通过旁通阀130的螺线管的实际电流。滤波器模块312接收实际电流、确定实际电流的平均值、并对该平均值滤波以确定平均实际电流(即实际电流_avg)。因为电阻为慢变系统参数而非瞬时系统参数，所以计算实际电流的平均值。仅举例来说，滤波器模块312可包括使平均实际电流的信号平滑以去除短期振荡的低通滤波器。

    电流校正模块314接收平均实际电流。电流校正模块314基于使实际电流校正系数与实际电流相关的模型来确定实际电流校正系数(即电流校正系数_avg)。实际电流校正系数明确了实际电流与期望电流的占空比之间关系的非线性。

    电阻确定模块316接收实际电流校正系数、平均电池电压、平均实际电流、和平均占空比。电阻确定模块316基于实际电流校正系数、平均电池电压、平均实际电流、和平均占空比来确定(即校正)电阻。根据以下方程式确定电阻R：$\left(2\right),R=\frac{V_{\mathrm{avg}}\×{\mathrm{DC}}_{\mathrm{avg}}}{K\left(I_{\mathrm{act}-\mathrm{avg}}\right)\×I_{\mathrm{act}-\mathrm{avg}}},$其中，V_avg为平均电池电压，DC_avg为平均占空比，K(I_act‑avg)为实际电流校正系数，而I_act‑avg为平均实际电流。

    当平均实际电流等于零时，电阻确定模块316可基于小的预定电流而非平均实际电流来确定电阻。该小电流不影响期望位置。在将校正的电阻用于确定用于占空比确定模块306的平均电阻的情况下，向滤波器模块304输出校正的电阻。该校正允许精确且即时地确定占空比，即使在更迟缓地(例如100毫秒)校正电阻的情况下。

    仅举例来说，可初始地确定电阻小于其实际值。结果，可确定占空比小于其期望值，并且可确定实际电流小于期望电流。然而，由于实际电流在校正电阻的方程式的分母中，所以未确定的实际电流可迭代地提高电阻，直到实际电流与期望电流相等为止。

    在另一种型式中，电阻确定模块316接收平均实际电流、期望电流(未示出)、和期望电流的滤波平均值(未示出)。电阻确定模块316基于平均实际电流、期望电流、和平均期望电流来确定(即校正)电阻。根据以下方程式确定电阻R_i：$\left(3\right),R_i=R_{i-1}[1+\mathrm{\α}\frac{I_{\mathrm{des}-\mathrm{avg}}-I_{\mathrm{act}-\mathrm{avg}}}{I_{\mathrm{des}}}],$其中，R_i‑1为前一控制循环期间的电阻，α为预定的平滑系数，而I_des‑avg为平均期望电流。迭代地校正电阻，直到实际电流等于期望电流为止。

    通过确定电阻，发动机控制模块110可基于电阻和电流偏差来确定占空比偏差(未示出)。当旁通阀130处于零位置时，占空比偏差为实际电流的占空比。可根据类似于方程式(1)的方程式确定占空比偏差。因此，可不需要基于发动机启动时的螺线管的类型来确定占空比偏差。

    现在参考图4，其中示出了图示发动机控制方法的示例性步骤的流程图。控制始于步骤402。在步骤404中，确定IAT。在步骤406中，确定ECT。在步骤408中，基于IAT和ECT确定电阻。

    在步骤410中，基于电阻确定平均电阻。在步骤412中，确定期望电流。在步骤414中，基于期望电流确定期望电流校正系数。在步骤416中，确定电池电压。

    在步骤418中，基于平均电阻、期望电流校正系数、期望电流、和电池电压确定占空比。在步骤420中，基于占空比确定PWM占空比。在步骤422中，基于PWM占空比命令螺线管致动器模块。

    在步骤424中，控制确定发动机是否仍在运行中。如果确定值为是，则控制在步骤426中继续。如果确定值为否，则控制在步骤428中继续。在步骤426中，基于占空比确定平均占空比。在步骤430中，确定实际电流。

    在步骤432中，基于实际电流确定平均实际电流。在步骤434中，基于平均实际电流确定实际电流校正系数。在步骤436中，确定电池电压。在步骤438中，基于电池电压确定平均电池电压。

    在步骤440中，基于实际电流校正系数、平均电池电压、平均实际电流、和平均占空比确定电阻。控制返回至步骤410。控制在步骤428中结束。

    现在本领域技术人员通过前述说明可意识到，能以多种形式实施本发明的广义教导。因此，尽管本发明包括特定示例，但本发明的真实范围不应局限于此，因为对本领域技术人员而言，通过研究附图、说明书和所附权利要求书，其它改型将变得显而易见。