机械电子控制技术在动力机械中的运用探究

机械电子控制技术在动力机械中的运用探究

柳建飞

兰州工业学院机械电子工程专业在读大学生    甘肃兰州    730000

摘要：为发挥电子控制技术优势，提高动力机械运行的稳定性。本文对电子控制技术进行了研究，包括电控技术的概念、应用需求、关键技术和系统组成结构，充分论证电控技术在动力机械控制项目中的应用可行性。并阐述了电控技术在动力机械控制活动中的运用策略。旨在依托电控技术构建功能完善的动力机械自动化控制系统，为动力机械营造良好运行环境。

关键词：电子控制技术；动力机械；运用策略

引言：近年来，动力机械产品呈现出系统化、信息化与控制化发展趋势，电子控制技术是实现升级发展目标的关键，替代人工完成大量复杂控制任务与决策任务，这对改善动力机械运行质量、保障运行安全有重要作用。然而，由于电控技术应用推广时间有限，动力机械与电子控制技术当前仍处于初期融合阶段，技术功能效用发挥受限，控制效果存在改善空间。为此，应提高对电子控制技术的研究，提高动力机械产品质量，确保机械设备稳定运行。

1电子控制技术概述

1.1概念

电子控制技术是以机械设备作为载体，通过电子电路来实现信息采集、能量改变等多项使用功能的技术手段，也可将其作为机电一体化技术体系的关键技术，适用于燃气轮机、内燃机、汽轮机等各类型动力机械产品。简单来讲，在动力机械结构中加装控制器、末端传感装置与电子电路，通过传感装置实时感知动力机械运行工况与外部环境，把监测信号发送至控制器进行运算分析，根据程序执行结果来输出控制指令，指令通过电子电路传达给各处部件，进而改变动力机械运行状态或是调节单项运行参数[1]。

1.2应用需求

电子控制技术在动力机械产品中的应用需求体现在突破机械控制机构局限性、实时检测控制两方面。第一，突破机械控制机构局限性，早期动力机械采取调速器、喷油提前装置等机械式控制结构，可以实现主要参数控制功能，但无法完成更加复杂的调控任务，总体控制效果不理想。相比之下，得益于大规模集成电路等技术的突破，电子控制技术可以完成动力机械各处部件的控制任务，使用者仅需下达总体控制指令，极大简化了机械控制过程，取得显著控制效果。第二，实时检测控制，电子控制系统具备强大的环境感知与自适应能力，不会完全执行既定控制方案，而是持续采集现场监测信号，定期判断动力机械的运行工况、控制需求，再根据运算结果来掌握每一瞬时的最佳控制值、向外输出控制指令，确保动力机械在不同工况条件下始终保持平稳运行状态。

1.3关键技术

电子控制技术的关键技术包括传感器技术、雷达技术、GPS定位技术、CAN总线技术等，由多项技术手段共同组成功能完善的电子控制系统，缺少任意一项技术都会影响到实际控制效果。第一，传感器技术，以感知动力机械部件运行状态作为功能定位，在部件周边配备多种类传感器，根据控制需要来确定传感器数量、种类。正常情况下，配备温度传感器、压力传感器、电流传感器、转速传感器等装置，全面监测物理量参数与电气参数变化情况[2]。第二，雷达技术，此项技术与传感器技术较为相似，传感器负责检测动力机械运行工况，雷达负责检测动力机械所处环境情况，为决策分析提供更为全面的信息支持。第三，GPS定位技术，加装GPS定位器，定期获取动力机械三维空间坐标值，并把坐标信息导入数字地图内，持续更新地图内容，帮助使用者确定动力机械位置。第四，CAN总线技术，本质上属于一种控制器局域网络，通过总线保持控制器、执行机构、传感器和动力机械部件的通信状态，由现场层经由总线向控制中心反馈信息，控制中心经由总线向现场设备传达控制指令。

1.4系统组成

动力机械电控系统主要由传感器、电控单元、执行器三部分组成，根据动力机械产品类型与控制需求来做好硬件设备选型工作。第一，传感器，配备适用于检测动力机械运行参数的多种类传感器，包括加速踏板位置传感器、曲轴位置传感器、压力传感器、位移传感器、空气流量计等。同时，为简化系统结构、节省造价成本，可选择配备新推出的复合传感器，传感器本体由若干传感单元组成，可以同时段全面采集多项参数的现场监测信号。第二，电控单元，也被称为ECU单元，由内部存储软件程序、硬件装置组成，负责持续对传感器发送的现场监测信号进行处理，根据处理结果来掌握动力机械实时工况，根据程序执行结果来输出控制命令，把命令传达给现场执行器来调整动力机械运行参数，始终保持最佳运行状态。要求电控单元具备数据存储、输入信息处理、信息交换、输出功率放大等多项使用功能。第三，执行器，负责按照电控单元下达指令来驱动调节动力机械运行参数、改变总体运行状态，具体分为位置控制、时间控制和共轨控制形式。其中，位置控制执行器包括分配泵和直列泵，时间控制执行器包括分配泵、泵喷嘴与单体泵，共轨控制执行器包括电磁三通阀、喷油器[3]。以发动机电控系统为例，以PLC或微处理器作为电控单元，配备氧传感器、进气温度\冷却液温度传感器、空气流量传感器等装置作为传感模块，配备点火器、点火线圈与喷油器等装置作为执行器，系统结构如图1所示。

图1 发动机电子控制系统结构示意图

2电子控制技术在动力机械中的运用策略

2.1整体控制

整体控制是把动力机械整体结构作为控制对象，而不是以单处部件作为控制对象，安装整体控制器，保持整体控制器与全部传感器、执行器的连接状态，向整体控制器赋予最高等级的控制权限。在动力机械运行期间，把全部现场监测信号上传至整车控制器，根据信号处理结果来确定总体控制方案，再向碰撞安全控制、驱动防滑控制、低速蠕动控制等多套子系统输出控制指令。简单来讲，动力机械电子控制系统采取分级控制方式，由各套子系统负责完成指定部件的控制活动，由整体控制系统完成全部子系统的联动控制活动，以改善各处部件协作关系、把控动力机械总体运行工况为控制目标，并向关键部件科学分配动力工作。同时，整体控制系统以CAN总线作为核心技术，负责实时监控全部子系统的运行情况，对海量数据信息进行汇总整理、挖掘分析，判断是否出现异常状况，自动发送报警信号与调整既定控制方案。如果对整体控制系统的运行稳定性、可靠性提出严格要求，还需要增设故障诊断、故障智能处理等其他使用功能，确保系统可以在无人工干预情况下迅速处理绝大多数故障问题、恢复动力机械平稳运行状态。

2.2喷油控制

喷油控制系统以喷油量作为控制对象，提前根据已知信息来确定目标喷油量，计算供油时间等参数的最佳值，按照计算结果向喷油装置、驱动单元和供油装置下达控制指令，有序控制供油和喷油过程，从而在满足动力机械使用需要的前提下，节省燃油耗用量，降低动力机械实际使用成本。喷油控制系统具备喷油量控制、喷油时间控制、喷油压力控制、喷油率控制等多项使用功能，具体如下。第一，喷油量控制，采取发送机转速反馈控制方式，根据历史信息，绘制全程调速特性、两级调速特性与等速特性的曲线图，再把实时发送机转速值导入曲线图内，求解喷油量最佳值，把计算结果转换为控制指令。第二，喷油时间控制，把传感器监测信息反馈至ECU装置演算单元，通过推演喷油过程来确定目标喷油时间，向喷油装置电磁阀下达驱动信号，通过调节电磁阀启闭状态来控制实际喷油时间[4]。第三，喷油压力控制，提前在共轨部位配备压力传感器，根据已知信息来演算目标压力值，启动供油泵持续加压供油，同步对比供油压力的测量值与目标值，根据二者偏差情况来下达纠偏调控指令，进而改变供油泵工作压力。第四，喷油率控制，在喷油装置前端安装电磁阀，通过现场监测信号来确定最佳喷油参数，设定预喷油量和预喷油时间，最终按照既定控制方案向电磁阀下达启闭指令。

2.3可变气门驱动

可变气门驱动控制系统以气门启闭时间、升程、气门重叠角作为控制内容，根据发动机工况来同步调整气门运行参数，起到增强动力机械怠速稳定性、改善负荷燃油经济性的控制效果。控制系统以可变气门作为执行机构，既可以选择传统的凸轮轴式可变气门机构，也可选择新推出的无凸轮轴直接气门控制式驱动机构。第一，凸轮轴式可变气门机构由凸轮、传动元件以及凸轮轴等部件组成，虽然对部件结构进行优化改进，衍生出多维凸轮、可变凸轮相位、可变挺杆、双凸轮等全新部件，但总体控制效果并未得到明显改善，存在气门定时变化范围狭小的局限性，当前仅在汽车发动机等少数动力机械产品中仍旧保留传统可变气门机构。第二，直接气门控制式驱动机构，此类机构去除了凸轮轴和配套从动件，采取电磁驱动、电气驱动、电液驱动等全新方式，取代落后的机械驱动方式。根据实际应用情况来看，直接气门控制机构既可以显著改善燃油经济性、动力性与减少尾气排放量，还可以灵活控制进气门/排气门的开启延续时间，各处气门保持单独驱动状态，且简化了发动机结构。

2.4涡轮增压电控

涡轮增压电控是以维持发动机压力状态与保证低速运行期间维持较高转矩而建立的一套电子控制系统，可以有效预防动力机械因承受过大机械负荷而出现涡轮增压器超速故障，以涡轮增压器作为控制对象，始终保持涡轮增压器、发动机二者的匹配状态。为实现控制目标，需要在动力机械结构中加装固定截面增压器，配备转速传感器装置，持续采集发动机转速监测信号，如果发动机转速变化范围处在合理水准内，系统无需下达控制指令，仍旧可以保持发动机、增压器良好匹配状态。而在发动机转速变化范围超过正常水准，或是处于最高转速状态时，固定截面增压器很难凭借自身维持与发动机的匹配状态，因而需要电控单元根据实时监测信号来下达控制指令，调整涡轮增压器运行状态，避免出现严重超速现象，或是在发动机低速运行时因增压压力降幅超标而缺少足够转矩。

2.5电机驱动控制

在动力机械运行期间，所设置电机驱动装置虽然可以提高动能利用率，减少电能转换动能期间产生的能量损耗，但会对整体运行安全与稳定性造成直接影响，存在安全隐患。因此，需要依托电子控制技术来搭建电机驱动控制系统，加装数字控制器、电力电子交流器以及智能传感器，在机械运行过程中全面掌握行驶情况，获取阻力等数据，根据数据处理结果下达驱动控制指令。如此，可以最大程度消除电机驱动装置对动力机械运行安全造成的负面影响，为动力机械创造良好运行条件。

2.6废气再循环控制

在柴油机、汽油机等动力机械运行期间，由于燃料燃烧不够充分，难免会排放一定的混合废气，包括一氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物等，严重污染周边生态环境。为减少尾气排放量，需要搭建废气再循环控制系统，运行状态下持续会因部分废气，把少量废气和新鲜空气进行混合处理后，再参与燃烧反应，凭借废气所含惰性气体的比热容高特点，减少废气产生量，具体采取外部进气方式，经由管道把废气引入进气歧管，充分混合后进入气缸，并加装冷却器来控制燃烧温度。随后，搭建开环控制系统或是闭环控制系统，实现电子控制目标。开环控制系统采取MAP脉槽控制方式，通过仿真实验来确定当前工况条件下的最佳废气再循环率，有着易于实现、控制流程简单的优势，但对电控单元的运算能力有着严格要求，需要准确描述发动机转速、负荷条件、氧气浓度等因素对废气再循环率造成的具体影响，实际动态响应速度较慢[5]。闭环控制系统以排气背压或是排气氧气传感器作为控制依据，提前设定不同工况下的废气再循环率，通过传感器持续采集进气氧气浓度、排气氧气浓度等参数，根据过量空气系数，在现场监测信号基础上间接测量尾气排放量，把测量结果作为系统反馈信号，准确感知系统工况变化情况，同步调整废气再循环率。根据实际控制情况来看，闭环控制系统的控制效果最为显著，但结构较为复杂，造价成本高昂。

结语：综上所述，电子控制技术的应用推广，有利于加快动力机械产品升级步伐，也为动力机械营造更为安全、稳定的运行环境。理应提高对电子控制技术的应用力度，依托电控技术来实现整体控制、喷油控制、废气再循环控制等多项使用功能，由电子控制系统彻底取代落后的机械控制系统，改善动力机械产品使用体验。

参考文献：

[1]周莉萍,李召.电子控制技术在动力机械中的前沿应用[J].铸造,2022,71(04):512.

[2]朱彩霞.电子控制技术在车辆工程中的应用探究[J].电子测试,2021,465(12):137-138+128.

[3]姚固文.新能源汽车电子控制技术研究[J].时代汽车,2023,407(11):95-97.

[4]魏帮顶,田峰,苏玉来.电子控制技术在汽车上的应用方向分析[J].时代汽车,2022,384(12):25-26.

[5]廖利华.浅析电子控制技术在车辆工程中的有效运用[J].时代汽车,2021,362(14):18-19.