步进电动机式怠速空气控制阀故障检修信息采集

1.步进电动机式怠速空气控制阀的结构与工作原理

图11-3所示为步进电动机式怠速空气控制阀的结构，它由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子、把旋转运动变成直线运动的进给杆及阀门等组成。

相当一部分电控发动机都采用步进电动机来控制发动机的怠速转速，如奥迪200、通用、奇瑞、切诺基及凌志LS400等。步进电动机式怠速空气控制阀安装在发动机进气总管内，发动机电子控制单元根据各种传感器的信号在怠速空气控制阀接头各端子上加电压（端子见图11-11），从而使电机转子顺转或反转，使阀芯作轴向移动，改变阀芯与阀座之间的间隙，就可调节流过旁通空气道的空气量。间隙小，进气量少，怠速低；间隙大，进气量多，怠速高。

图11-3 步进电动机式怠速空气控制阀的结构

步进电动机的转子是用永久磁铁制成的8对磁极。定子由A、B两个定子组成，每个定子由两个带有16个（8对）爪极的铁心按图11-4所示上下交错的1、3相绕组和2、4相绕组构成。相线脉冲由ECU控制。

转子的转动是通过改变4组线圈的通电顺序来实现。当相线控制脉冲1→2→3→4相顺序依次迟后90°相位角，定子上N极向右方向移动，如图11-5所示，转子随之正转；反之，相线控制脉冲按1→2→3→4相顺序依次超前90°相位角，定子上N极向左方向移动，转子反转。

图11-6表示线圈通电，定子被励磁，定子和转子磁极间同极性相斥，异极性相吸。在磁场力作用下，转子转动一圈分32个步级进行，每个步级转动一个爪，即11.25°。

2.步进电动机式怠速控制系统的组成

发动机电子控制单元对发动机怠速进行控制时，一般控制程序如图11-7所示。首先，发动机电子控制单元根据节气门位置传感器的信号和车速信号，来判断发动机是否处于怠速运行状态，然后根据发动机冷却液温度传感器、空调开关、动力转向开关以及空挡起动开关等信号，按照存储器内存储的参考数据，确定相应的目标转速。一般情况下，怠速控制常采用发动机转速信号作为反馈信号，实现怠速转速的闭环控制，即发动机的实际转速与目标转速进行比较，根据比较得出的差值，确定相应目标转速控制量，去驱动步进电动机，使实际转速趋近于目标转速。

图11-4 步进电动机的转子及定子结构

图11-5 定子线圈及励磁效应

图11-6 步进电动机的步进原理

步进电动机的控制电路如图11-8所示。发动机电子控制单元按一定顺序，使功率管VT_1-VT₂-VT₃-VT₄适时导通，分别给步进电动机定子线圈供电，驱动步进电动机转子旋转，使前端的阀门移动，改变阀门与阀座之间的距离，调节旁通空气道的空气流量，使发动机怠速转速趋近所要求的目标转速。

(www.xing528.com)

图11-7 步进电动机式怠速控制系统的组成

图11-8 步进电动机的控制电路

3.步进电动机式怠速控制系统的控制

（1）怠速空气控制阀起动初始位置控制 为了改善发动机的起动性能，在每次断开发动机点火开关（“OFF”）后，发动机电子控制单元都要控制M-REL（Main-Relay主继电器）端子，继续给EFI主继电器供电2s使其保持接通，以便步进电机完全打开（比如125步），进入起动初始位置，为下次起动作好准备。

（2）怠速空气控制阀的起动控制 发动机起动时，由于怠速空气控制阀预先设定在全开位置，使起动期间经过怠速空气控制阀的旁通空气量达到最大，发动机更容易起动。

在发动机起动后，当发动机转速达到预定值（此值由冷却液温度确定）后，发动机电子控制单元便控制步进电动机，将怠速空气控制阀关小到由冷却液温度所确定的位置。如起动时冷却液温度为20℃，当发动机转速达到500r/min时，发动机电子控制单元将控制怠速空气控制阀从全开位置（如125步）的A点到达B点位置，如图11-9所示。

（3）怠速空气控制阀的暖机控制 如图11-10所示，在发动机暖机过程中，随着发动机冷却液温度的上升，控制阀的开度逐渐变小。当冷却液温度达到70℃时，暖机控制结束。

（4）怠速空气控制阀的反馈控制 发动机电子控制单元内有一个预编程的目标转速，它根据空调开关、空挡起动开关等信号而变化。怠速控制的过程就是将目标转速和实际转速进行比较并使实际怠速转速趋近于目标转速的过程。在发动机怠速运转时，如果发动机的实际转速与发动机电子控制单元存储器存储的目标转速相差超过一定值（如20r/min），发动机电子控制单元将通过步进电动机控制怠速空气控制阀，增减旁通空气量，使发动机的实际转速与目标转速尽可能相同。

图11-9 起动控制特性

图11-10 暖机控制特性

（5）发动机负荷变化的预控制 发动机在怠速运转时，如果起动空调系统、转动方向盘或挂档，都将使发动机的负荷立刻发生变化。为了避免发动机怠速转速因为负荷的变化而产生波动甚至造成熄火，在发动机转速下降之前，发动机电子控制单元增加怠速空气控制阀的开度，增大进气量，提高发动机的怠速转速，保持发动机怠速运转的稳定性；而当这些载荷消除以后，发动机电子控制单元又会减小怠速空气控制阀的开度，使发动机恢复加载前的转速。

（6）电气负载增多时的怠速控制 在怠速运转时，如使用的电气负载增大（比如打开前照灯），蓄电池电压就会降低。为了保证发动机电子控制单元的+B端子和点火开关端子具有正常的供电电压，需要控制步进电动机，相应地增加旁通气道进气量，提高发动机怠速转速，提高发电机的输出功率，以维持蓄电池电压的稳定性。

（7）学习控制过程 由于发动机的性能在使用过程中会发生变化，所以虽然步进电动机式怠速空气控制阀门的位置未变，但实际的怠速转速和初设的数值却有可能不同。此时发动机电子控制单元可在反馈控制的基础上进行学习控制，使发动机转速达到目标值。与此同时，发动机电子控制单元将步进电动机转过的步数即怠速自适应值存储在存储器中，以便在下一个怠速控制中使用。

由于这种学习控制在发动机电子控制单元中形成自适应值的影响，在进行清洗或更换怠速空气控制阀、更换发动机电子控制单元等操作后，发动机的怠速转速可能会不稳定或不正常。如丰田轿车皇冠3.0在刚清洗怠速控制阀后，怠速会达到1000r/min以上（而其正常怠速应为750r/min左右），原因是积炭堵塞怠速空气控制阀时，为了保持发动机以正常的怠速转速运转，就必须增加进气量，所以发动机电子控制单元控制怠速空气控制阀打开比较大的开度，时间一长就会在发动机电子控制单元内部形成自适应值，将此怠速运转时怠速阀的开度存入发动机电子控制单元，作为怠速运转时的标准开度。而当清洗怠速阀后，积炭消除，进气孔已经完全畅通，但此时发动机电子控制单元仍然以清洗前的自适应值控制怠速阀开度，也就是怠速阀的开度还是比较大，所以怠速转速就比正常的怠速值高。此时，应按照维修手册的步骤进行重新设定。而为避免这种现象发生，应定期清洗怠速空气控制阀，而不要等控制阀太脏甚至已经发生堵塞时再去清洗它。