汽车发动机步进电动机型撤退阀及其修复

1.步进电动机型怠速控制阀的结构与工作原理

步进电动机型怠速控制阀如图4-4所示。步进电动机由转子和定子构成，丝杠机构将步进电动机的旋转运动转变为阀杆的直线运动，控制阀与阀杆制成一体。步进电动机型怠速控制阀安装在节气门体上，控制阀伸入到设在怠速空气道内的阀座处，发动机怠速运转时，ECU根据各传感器的信号控制步进电动机的正、反转和转动量，以调节控制阀与阀座之间的间隙，从而改变怠速空气道的流通截面积，控制发动机怠速工况下的空气供给量。

步进电动机的结构如图4-5所示，主要由用永磁铁制成有16个（8对）磁极的转子和两个定子铁心组成。每个定子都由两个带16个爪极的铁心交错装配在一起，两个定子上分别绕有1、3相和2、4相两组线圈。每个定子上两线圈的绕制方向相反。ECU控制步进电动机工作时，给线圈输送脉冲电压，4个线圈的通电顺序（相位）不同，步进电动机的转动方向就不同；当按一定顺序输入一定量的脉冲时，步进电动机就向某一方向转过一定的角度，步进电动机的转动量取决于输入脉冲的数量。因此，ECU通过对定子线圈通电顺序和输入脉冲数量的控制，即可改变步进电动机型怠速控制阀的位置（即开度），从而控制怠速空气量。由于给步进电动机每输入一定量的脉冲只转过一定角度，其转动是不连续的，所以称为步进电动机。步进电动机的工作原理如图4-6所示。

图4-4 步进电动机型怠速控制阀

1—控制阀 2—前轴承 3—后轴承 4—密封圈 5—丝杠机构 6—线束插接器 7—定子 8—转子

图4-5 步进电动机的结构

1、2—线圈 3—爪极 4、6—定子 5—转子

图4-6 步进电动机的工作原理

a）输入脉冲 b）工作过程

当ECU控制使步进电动机的线圈按1—2—3—4顺序依次搭铁时，定子磁场顺时针转动（图4-6向右），由于与转子磁场间的相互作用（同性相斥，异性相吸），转子随定子磁场同步转动。同理，步进电动机的线圈按相反的顺序随定子磁场同步反转。转子每转一步与定子错开一个爪极的位置，由于定子有32个爪极（上、下两个铁心各16个），所以步进电动机每转一步为1/32圈（约11°转角），步进电动机的工作范围为0～125个步进级。(www.xing528.com)

日本丰田皇冠3.0轿车步进电动机型怠速控制阀电路如图4-7所示。主继电器触点闭合后，蓄电池电源经主继电器到达怠速控制阀的B1和B2端子、ECU的+B和+B1端子，B1端子向步进电动机的1、3相两个线圈供电，B2端子向2、4相两个线圈供电。4个线圈分别通过端子S1、S2、S3和S4与ECU端子ISC1、ISC2、ISC3和ISC4相连，ECU控制各线圈的搭铁回路，以控制怠速控制阀的工作。

图4-7 日本丰田皇冠3.0轿车步进电动机型怠速控制阀电路

2.控制阀的控制内容

步进电动机控制旁通空气式怠速控制系统的控制内容如下：

（1）起动初始位置的设定 为了改善发动机的起动性能，关闭点火开关使发动机熄火后，ECU的M-REL端子（见图4-7）向主继电器线圈供电延续2～3s。在这段时间内，蓄电池继续给ECU和步进电动机供电，ECU使怠速控制阀回到起动初始（全开）位置。待步进电动机回到起动初始位置后，主继电器线圈断电，蓄电池停止给ECU和步进电动机供电，怠速控制阀保持全开不变，为下次起动做好准备。

（2）起动控制 发动机起动时，由于怠速控制阀预先设定在全开位置，在起动期间经怠速空气道可供给最大的空气量，有利于发动机起动。但怠速控制阀如果始终保持在全开位置，发动机起动后的怠速转速就会过高，所以在起动期间，ECU根据冷却液温度的高低控制步进电动机，调节控制阀的开度，使之达到起动后暖机控制的最佳位置，此位置随冷却液温度的升高而减小，控制特性（步进电动机的步数与冷却液温度的关系曲线）存储在ECU内。

（3）暖机控制 暖机控制又称为快怠速控制。在暖机过程中，ECU根据冷却液温度信号按内存的控制特性控制怠速控制阀开度。随着温度上升，怠速控制阀开度逐渐减小。当冷却液温度达到70℃时，暖机控制过程结束。

（4）怠速稳定控制 在怠速运转时，ECU将接收到的转速信号与确定的目标转速进行比较，其差值超过一定值（一般为20r/min）时，ECU将通过步进电动机控制怠速控制阀，调节怠速空气供给量，使发动机的实际转速与目标转速相同。怠速稳定控制又称为反馈控制。

（5）怠速预测控制 发动机在怠速运转时，如变速器档位、动力转向、空调工作状态的变化都将使发动机的转速发生可以预见的变化。为了避免发动机怠速转速波动或熄火，在发动机负荷出现变化时，不待发动机转速变化，ECU就会根据各负荷设备开关信号（A/C开关等），通过步进电动机提前调节怠速控制阀的开度。

（6）电器负荷增多时的怠速控制 在怠速运转时，如果使用的电器负荷增大到一定程度，那么蓄电池电压就会降低。为了保证电控系统正常的供电电压，ECU根据蓄电池电压调节怠速控制阀的开度，提高发动机的怠速转速，以提高发电机的输出功率。

（7）学习控制 在发动机使用过程中，由于磨损等原因会导致怠速控制阀的性能发生改变，即使怠速控制阀的位置相同，实际的怠速转速也会与设定的目标转速略有不同。在此情况下，ECU在利用反馈控制使怠速转速回归到目标值的同时，还可以将步进电动机转过的步数存储在ROM中，以便在此后的怠速控制过程中使用。