電子節氣門系統控制原理和發展現狀

www.mydingqi.com 來源：互聯網作者：panzhihao 類別：汽車構造維修時間：2007-09-04

電子節氣門系統控制原理和發展現狀

江禹陶（同濟大學中德學院車輛工程專業）

摘要：介紹電子節氣門系統的基本結構、工作原理、控制策略及其發展現狀。指出，電子節氣門的普及勢在必然。關鍵詞：電子節氣門；結構；原理；控制策略1 前言節氣門的作用是控制發動機的進氣流量，決定發動機的運行工況。駕駛員通過操作加速踏板來操縱節氣門開度。加速踏板和節氣門的連接方式有兩種：剛性連接和柔性連接。傳統油門采用剛性連接，即通過拉桿或拉索傳動連接加速踏板和節氣門的機械連接方式，因此節氣門開度完全取決于加速踏板的位置，即駕駛員的操作意圖，但從動力性和經濟性角度來看，發動機并不總是完全處于最佳運行工況，而且駕駛員的誤操作也給安全性帶來隱患。在混合動力車中，由于發動機和電池組成多能源動力系統，剛性連接方式不能實現各動力源之間的能量分配管理，因此，它必將被柔性連接方式所取代。柔性連接方式取消了傳統的機械連接，通過電控單元控制節氣門快速精確地定位，因此又稱為電子節氣門。它的優點在于能根據駕駛員的需求愿望以及整車各種行駛狀況確定節氣門的最佳開度，保證車輛最佳的動力性和燃油經濟性，并具有牽引力控制、巡航控制等控制功能，提高安全性和乘坐舒適性。本文通過闡述電子節氣門系統的基本結構、工作原理、控制策略和發展現狀，使讀者對電子節氣門有深入的理解。

2電子節氣門系統的基本結構和工作原理2.1 電子節氣門系統的基本結構電子節氣門系統的基本結構主要包括：l 加速踏板位置傳感器加速踏板位置傳感器由兩個無觸點線性電位器傳感器組成，在同一基準電壓下工作，基準電壓由ECU提供。隨著加速踏板位置的改變，電位器阻值也發生線性的變化，由此產生反應加速踏板下踏量大小和變化速率的電壓信號輸入ECU。l 節氣門位置傳感器和踏板位置傳感器類似，節氣門位置傳感器也是由兩個無觸點線性電位器傳感器組成，且由ECU提供相同的基準電壓。當節氣門位置發生變化時，電位器阻值也隨之線性地改變，由此產生相應的電壓信號輸入ECU，該電壓信號反映節氣門開度大小和變化速率。l 節氣門控制電機節氣門控制電機一般選用步進電機或直流電機，經過兩級齒輪減速來調節節氣門開度。早期以使用步進電機為主，步進電機精度較高、能耗低、位置保持特性較好，但其高速性能較差，不能滿足節氣門較高的動態響應性能的要求，所以現在比較多地采用直流電機，直流電機精度高、反應靈敏、便于伺服控制。l 控制單元（ECU）控制單元（ECU）是整個系統的核心，包括兩部分：信息處理模塊和電機驅動電路模塊。信息處理模塊接受來自加速踏板位置傳感器的電壓信號，經過處理后得到節氣門的最佳開度，并把相應的電壓信號發送到電機驅動電路模塊。電機驅動電路模塊接受來自信息處理模塊的信號，控制電機轉動相應的角度，使節氣門達到或保持相應的開度。電機驅動電路應保證電機能雙向轉動。 2.2 電子節氣門系統的工作原理電子節氣門系統的工作原理如下：駕駛員操縱加速踏板，加速踏板位置傳感器產生相應的電壓信號輸入節氣門控制單元，控制單元首先對輸入的信號進行濾波，以消除環境噪聲的影響，然后根據當前的工作模式、踏板移動量和變化率解析駕駛員意圖，計算出對發動機扭矩的基本需求，得到相應的節氣門轉角的基本期望值。然后再經過CAN總線和整車控制單元進行通訊，獲取其他工況信息以及各種傳感器信號如發動機轉速、檔位、節氣門位置、空調能耗等等，由此計算出整車所需求的全部扭矩，通過對節氣門轉角期望值進行補償，得到節氣門的最佳開度，并把相應的電壓信號發送到驅動電路模塊，驅動控制電機使節氣門達到最佳的開度位置。節氣門位置傳感器則把節氣門的開度信號反饋給節氣門控制單元，形成閉環的位置控制。節氣門驅動電機一般為步進電機或直流電機，兩者的控制方式也有所不同。驅動步進電機常采用H橋電路結構，控制單元通過發出的脈沖個數、頻率和方向控制電平對步進電機進行控制。電平的高低控制步進電機轉動的方向，脈沖個數控制電機轉動的角度，即發出一個脈沖信號，步進電機就轉動一個步進角，脈沖頻率控制電機轉速，轉速與脈沖頻率成正比。因此，通過對上述三個參數的調節可以實現電機精確定位與調速。控制直流電機采用脈沖寬度調制（PWM）技術，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。控制單元通過調節脈寬調制信號的占空比來控制直流電機轉角的大小，電機方向則是由和節氣門相連的復位彈簧控制的。電機輸出轉矩和脈寬調制信號的占空比成正比。當占空比一定，電機輸出轉矩與回位彈簧阻力矩保持平衡時，節氣門開度不變；當占空比增大時，電機驅動力矩克服回位彈簧阻力矩，節氣門開度增大；反之，當占空比減小時，電機輸出轉矩和節氣門開度也隨之減小[2]。ECU對系統的功能進行監控，如果發現故障，將點亮系統故障指示燈，提示駕駛員系統有故障。同時電磁離合器被分離，節氣門不再受電機控制。節氣門在回位彈簧的作用下返回到一個小開度的位置，使車輛慢速開到維修地點。

3 電子節氣門系統的控制策略3.1 基于發動機扭矩需求的節氣門控制[5]傳統油門的節氣門開度完全取決于駕駛員的操作意圖。電子節氣門系統的節氣門開度并不完全由加速踏板位置決定，而是控制單元根據當前行駛狀況下整車對發動機的全部扭矩需求，計算出節氣門的最佳開度，從而控制電機驅動節氣門到達相應的開度。因此，節氣門的實際開度并不完全與駕駛員的操作意圖一致。控制單元根據整車扭矩需求獲得所需的理論扭矩，而實際扭矩通過發動機轉速、點火提前角和發動機負荷信號求得。在發動機扭矩調節過程中，控制單元首先將實際扭矩與理論扭矩進行對比，如果兩者有偏差，發動機電控系統將通過適當的調節作用使實際扭矩值和理論扭矩值一致。3.2 傳感器冗余設計電子節氣門系統采用2個踏板位置傳感器和2個節氣門位置傳感器，如圖2所示，傳感器兩兩反接，實現阻值的反向變化，即兩個傳感器阻值變化量之和為零。對兩個傳感器施加相同的電壓，兩者輸出的電壓信號也相應反向變化，且其和始終等于供電電壓。傳感器輸出電壓與節氣門開度的對應關系如圖3所示。圖2 節氣門傳感器接線圖圖3 傳感器輸出電壓與節氣門開度對應關系從控制角度講，使用一個傳感器就可使系統正常運轉，但冗余設計可使兩個傳感器相互檢測，當一個傳感器發生故障時能及時被識別，在很大程度上增加了系統的可靠性，保證行車的安全性。3.3 可選的工作模式[1]駕駛員可根據不同的行車需要通過模式開關選擇不同的工作模式，通常有正常模式、動力模式和雪地模式三種，區別在于節氣門對加速踏板的響應速度不同，如圖4所示。在正常模式下，節氣門對加速踏板的響應速度適合于大多數行駛工況。在動力模式下，節氣門加快對加速踏板的響應速度，發動機能提供額外的動力。在附著較差的工況下（比如：雪地，雨天）駕駛員可選擇雪地模式駕駛車輛，此時節氣門對加速踏板的響應降低，發動機輸出的功率比正常情況下小，使車輪不易打滑，保持車輛穩定行駛。圖4 不同模式下節氣門開度和加速踏板位置的對應關系3.4 海拔高度補償[1]在海拔較高的地區，大氣壓下降，空氣稀薄，氧氣含量下降，導致發動機輸出動力下降。此時電子節氣門系統可按照大氣壓強和海拔高度的函數關系對節氣門開度進行補償，保證發動機輸出動力和加速踏板位置的關系保持穩定。圖5 海拔高度補償效果3.5控制功能擴展及其原理早期的電子節氣門功能比較簡單，在形式上采用一個機械式的主節氣門串聯一個電控的輔助節氣門，往往只能實現某一單一的功能。現代電子節氣門則獨立成一個系統，可實現多種控制功能，既提高行駛可靠性，又使結構簡化，成本降低。主要有如下控制功能：l 牽引力控制（ASR）牽引力控制系統又稱驅動防滑系統。它的作用是當汽車加速時將滑移率控制在一定的范圍內，從而防止驅動輪快速滑動。它的功能一是提高牽引力；二是保持汽車的行駛穩定。它通過減少節氣門開度來降低發動機功率從而達到控制目的。原理如下：控制單元采集加速踏板的位置、車輪速度和方向盤轉向角度等信號，通過計算求得滑移率，并產生相應的控制電壓信號，通過數據總線把信號傳送至控制單元，依據此信號，控制單元將減少節氣門開度來調整混合氣流量，以降低發動機功率。此時控制單元對節氣門發出的控制信號將不受駕駛員駕駛意圖的影響，這樣就可以避免駕車者的誤操作。l 巡航控制（CCS）巡航控制系統又稱為速度控制系統，它是一種減輕駕車者疲勞的裝置。當駕駛員開啟該系統時，車速將被固定下來，駕駛員不必長時間踩踏加速踏板。原理如下：車速傳感器將車速信號輸入控制單元，控制單元根據行駛阻力的變化輸出信號自動調節節氣門開度，當汽車阻力增大（上坡）和車速降低時，控制節氣門開度增大，反之減小，使行駛車速保持穩定。l 怠速控制（ISC）電子節氣門系統取消了怠速調節閥，而是直接由控制單元調節節氣門開度來實現車輛的怠速控制。l 減少換檔沖擊控制根據當前車速、節氣門開度以及發動機轉速等信號，控制單元選擇合適的傳動比，實現自動換檔。

4 電子節氣門系統的發展現狀電子節氣門的研究工作起源于20世紀70年代，80年代開始有產品問世，近10年來，國外對電子節氣門的研究取得了非常迅速的發展。發展趨勢可總結為：在控制策略上由線性控制發展為非線性控制，由輔助電子節氣門發展為獨立的電子節氣門系統，從單一的控制功能發展到集成多種控制功能，兼顧提高動力性、經濟性、操縱穩定性、排放性和乘坐舒適性。目前，國外多家公司已對電子節氣門系統作了深入的研發，比如德國Bosch，Pierburg，美國Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化產品應用于各種品牌的中高檔轎車。雖然國內某些轎車，如POLO，也配備了電子節氣門系統，但目前對ETC還沒有系統深入的研究，也沒有成熟的產品。

5 結束語電子節氣門系統的研發已有了很大的進步，但在技術上仍不成熟，因此應用也并不十分廣泛，但是電子節氣門系統對提高車輛動力性、經濟性、安全性、乘坐舒適性，降低排放有重大意義。在21世紀新能源開發和電控技術飛速發展的形勢下，隨著生產成本下降以及排放要求不斷提高，電子節氣門系統的普及使用將成為必然。

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