電子節(jié)氣門系統(tǒng)控制原理和發(fā)展現(xiàn)狀

 

摘要：介紹電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及其發(fā)展現(xiàn)狀。指出，電子節(jié)氣門的普及勢(shì)在必然。關(guān)鍵詞：電子節(jié)氣門；結(jié)構(gòu)；原理；控制策略1 前言節(jié)氣門的作用是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量，決定發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。駕駛員通過(guò)操作加速踏板來(lái)操縱節(jié)氣門開(kāi)度。加速踏板和節(jié)氣門的連接方式有兩種：剛性連接和柔性連接。傳統(tǒng)油門采用剛性連接，即通過(guò)拉桿或拉索傳動(dòng)連接加速踏板和節(jié)氣門的機(jī)械連接方式，因此節(jié)氣門開(kāi)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)并不總是完全處于最佳運(yùn)行工況，而且駕駛員的誤操作也給安全性帶來(lái)隱患。在混合動(dòng)力車中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組成多能源動(dòng)力系統(tǒng)，剛性連接方式不能實(shí)現(xiàn)各動(dòng)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(tǒng)的機(jī)械連接，通過(guò)電控單元控制節(jié)氣門快速精確地定位，因此又稱為電子節(jié)氣門。它的優(yōu)點(diǎn)在于能根據(jù)駕駛員的需求愿望以及整車各種行駛狀況確定節(jié)氣門的最佳開(kāi)度，保證車輛最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)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(guò)闡述電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略和發(fā)展現(xiàn)狀，使讀者對(duì)電子節(jié)氣門有深入的理解。

2電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理2.1 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(gè)無(wú)觸點(diǎn)線性電位器傳感器組成，在同一基準(zhǔn)電壓下工作，基準(zhǔn)電壓由ECU提供。隨著加速踏板位置的改變，電位器阻值也發(fā)生線性的變化，由此產(chǎn)生反應(yīng)加速踏板下踏量大小和變化速率的電壓信號(hào)輸入ECU。l 節(jié)氣門位置傳感器和踏板位置傳感器類似，節(jié)氣門位置傳感器也是由兩個(gè)無(wú)觸點(diǎn)線性電位器傳感器組成，且由ECU提供相同的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)節(jié)氣門位置發(fā)生變化時(shí)，電位器阻值也隨之線性地改變，由此產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)輸入ECU，該電壓信號(hào)反映節(jié)氣門開(kāi)度大小和變化速率。l 節(jié)氣門控制電機(jī)節(jié)氣門控制電機(jī)一般選用步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)齒輪減速來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開(kāi)度。早期以使用步進(jìn)電機(jī)為主，步進(jìn)電機(jī)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(jié)氣門較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求，所以現(xiàn)在比較多地采用直流電機(jī)，直流電機(jī)精度高、反應(yīng)靈敏、便于伺服控制。l 控制單元（ECU）控制單元（ECU）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括兩部分：信息處理模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊。信息處理模塊接受來(lái)自加速踏板位置傳感器的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后得到節(jié)氣門的最佳開(kāi)度，并把相應(yīng)的電壓信號(hào)發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊接受來(lái)自信息處理模塊的信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，使節(jié)氣門達(dá)到或保持相應(yīng)的開(kāi)度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)保證電機(jī)能雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。 2.2 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的工作原理電子節(jié)氣門系統(tǒng)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(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)輸入節(jié)氣門控制單元，控制單元首先對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，以消除環(huán)境噪聲的影響，然后根據(jù)當(dāng)前的工作模式、踏板移動(dòng)量和變化率解析駕駛員意圖，計(jì)算出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的基本需求，得到相應(yīng)的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角的基本期望值。然后再經(jīng)過(guò)CAN總線和整車控制單元進(jìn)行通訊，獲取其他工況信息以及各種傳感器信號(hào)如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位、節(jié)氣門位置、空調(diào)能耗等等，由此計(jì)算出整車所需求的全部扭矩，通過(guò)對(duì)節(jié)氣門轉(zhuǎn)角期望值進(jìn)行補(bǔ)償，得到節(jié)氣門的最佳開(kāi)度，并把相應(yīng)的電壓信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路模塊，驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)使節(jié)氣門達(dá)到最佳的開(kāi)度位置。節(jié)氣門位置傳感器則把節(jié)氣門的開(kāi)度信號(hào)反饋給節(jié)氣門控制單元，形成閉環(huán)的位置控制。節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般為步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，兩者的控制方式也有所不同。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)常采用H橋電路結(jié)構(gòu)，控制單元通過(guò)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)、頻率和方向控制電平對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。電平的高低控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，脈沖個(gè)數(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角，脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，通過(guò)對(duì)上述三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確定位與調(diào)速�？刂浦绷麟姍C(jī)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高�？刂茊卧�通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比來(lái)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)角的大小，電機(jī)方向則是由和節(jié)氣門相連的復(fù)位彈簧控制的。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比成正比。當(dāng)占空比一定，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與回位彈簧阻力矩保持平衡時(shí)，節(jié)氣門開(kāi)度不變；當(dāng)占空比增大時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩克服回位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開(kāi)度增大；反之，當(dāng)占空比減小時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門開(kāi)度也隨之減小[2]。ECU對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)故障，將點(diǎn)亮系統(tǒng)故障指示燈，提示駕駛員系統(tǒng)有故障。同時(shí)電磁離合器被分離，節(jié)氣門不再受電機(jī)控制。節(jié)氣門在回位彈簧的作用下返回到一個(gè)小開(kāi)度的位置，使車輛慢速開(kāi)到維修地點(diǎn)。

3 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制策略3.1 基于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求的節(jié)氣門控制[5]傳統(tǒng)油門的節(jié)氣門開(kāi)度完全取決于駕駛員的操作意圖。電子節(jié)氣門系統(tǒng)的節(jié)氣門開(kāi)度并不完全由加速踏板位置決定，而是控制單元根據(jù)當(dāng)前行駛狀況下整車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全部扭矩需求，計(jì)算出節(jié)氣門的最佳開(kāi)度，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門到達(dá)相應(yīng)的開(kāi)度。因此，節(jié)氣門的實(shí)際開(kāi)度并不完全與駕駛員的操作意圖一致�？刂茊卧�根據(jù)整車扭矩需求獲得所需的理論扭矩，而實(shí)際扭矩通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火提前角和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)求得。在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩調(diào)節(jié)過(guò)程中，控制單元首先將實(shí)際扭矩與理論扭矩進(jìn)行對(duì)比，如果兩者有偏差，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)將通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)作用使實(shí)際扭矩值和理論扭矩值一致。3.2 傳感器冗余設(shè)計(jì)電子節(jié)氣門系統(tǒng)采用2個(gè)踏板位置傳感器和2個(gè)節(jié)氣門位置傳感器，如圖2所示，傳感器兩兩反接，實(shí)現(xiàn)阻值的反向變化，即兩個(gè)傳感器阻值變化量之和為零。對(duì)兩個(gè)傳感器施加相同的電壓，兩者輸出的電壓信號(hào)也相應(yīng)反向變化，且其和始終等于供電電壓。傳感器輸出電壓與節(jié)氣門開(kāi)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。 圖2 節(jié)氣門傳感器接線圖 圖3 傳感器輸出電壓與節(jié)氣門開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系從控制角度講，使用一個(gè)傳感器就可使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但冗余設(shè)計(jì)可使兩個(gè)傳感器相互檢測(cè)，當(dāng)一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)被識(shí)別，在很大程度上增加了系統(tǒng)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(jù)不同的行車需要通過(guò)模式開(kāi)關(guān)選擇不同的工作模式，通常有正常模式、動(dòng)力模式和雪地模式三種，區(qū)別在于節(jié)氣門對(duì)加速踏板的響應(yīng)速度不同，如圖4所示。在正常模式下，節(jié)氣門對(duì)加速踏板的響應(yīng)速度適合于大多數(shù)行駛工況。在動(dòng)力模式下，節(jié)氣門加快對(duì)加速踏板的響應(yīng)速度，發(fā)動(dòng)機(jī)能提供額外的動(dòng)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(shí)節(jié)氣門對(duì)加速踏板的響應(yīng)降低，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率比正常情況下小，使車輪不易打滑，保持車輛穩(wěn)定行駛。 圖4 不同模式下節(jié)氣門開(kāi)度和加速踏板位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系3.4 海拔高度補(bǔ)償[1]在海拔較高的地區(qū)，大氣壓下降，空氣稀薄，氧氣含量下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力下降。此時(shí)電子節(jié)氣門系統(tǒng)可按照大氣壓強(qiáng)和海拔高度的函數(shù)關(guān)系對(duì)節(jié)氣門開(kāi)度進(jìn)行補(bǔ)償，保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力和加速踏板位置的關(guān)系保持穩(wěn)定。 圖5 海拔高度補(bǔ)償效果3.5控制功能擴(kuò)展及其原理早期的電子節(jié)氣門功能比較簡(jiǎn)單，在形式上采用一個(gè)機(jī)械式的主節(jié)氣門串聯(lián)一個(gè)電控的輔助節(jié)氣門，往往只能實(shí)現(xiàn)某一單一的功能。現(xiàn)代電子節(jié)氣門則獨(dú)立成一個(gè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多種控制功能，既提高行駛可靠性，又使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tǒng)又稱驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)。它的作用是當(dāng)汽車加速時(shí)將滑移率控制在一定的范圍內(nèi)，從而防止驅(qū)動(dòng)輪快速滑動(dòng)。它的功能一是提高牽引力；二是保持汽車的行駛穩(wěn)定。它通過(guò)減少節(jié)氣門開(kāi)度來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率從而達(dá)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(zhuǎn)向角度等信號(hào)，通過(guò)計(jì)算求得滑移率，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線把信號(hào)傳送至控制單元，依據(jù)此信號(hào)，控制單元將減少節(jié)氣門開(kāi)度來(lái)調(diào)整混合氣流量，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率。此時(shí)控制單元對(duì)節(jié)氣門發(fā)出的控制信號(hào)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(tǒng)又稱為速度控制系統(tǒng)，它是一種減輕駕車者疲勞的裝置。當(dāng)駕駛員開(kāi)啟該系統(tǒng)時(shí)，車速將被固定下來(lái)，駕駛員不必長(zhǎng)時(shí)間踩踏加速踏板。原理如下：車速傳感器將車速信號(hào)輸入控制單元，控制單元根據(jù)行駛阻力的變化輸出信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開(kāi)度，當(dāng)汽車阻力增大（上坡）和車速降低時(shí)，控制節(jié)氣門開(kāi)度增大，反之減小，使行駛車速保持穩(wěn)定。l 怠速控制（ISC）電子節(jié)氣門系統(tǒng)取消了怠速調(diào)節(jié)閥，而是直接由控制單元調(diào)節(jié)節(jié)氣門開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的怠速控制。l 減少換檔沖擊控制根據(jù)當(dāng)前車速、節(jié)氣門開(kāi)度以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)，控制單元選擇合適的傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。

4  電子節(jié)氣門系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀電子節(jié)氣門的研究工作起源于20世紀(jì)70年代，80年代開(kāi)始有產(chǎn)品問(wèn)世，近10年來(lái)，國(guó)外對(duì)電子節(jié)氣門的研究取得了非常迅速的發(fā)展。發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為：在控制策略上由線性控制發(fā)展為非線性控制，由輔助電子節(jié)氣門發(fā)展為獨(dú)立的電子節(jié)氣門系統(tǒng)，從單一的控制功能發(fā)展到集成多種控制功能，兼顧提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、排放性和乘坐舒適性。目前，國(guó)外多家公司已對(duì)電子節(jié)氣門系統(tǒng)作了深入的研發(fā)，比如德國(guó)Bosch，Pierburg，美國(guó)Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化產(chǎn)品應(yīng)用于各種品牌的中高檔轎車。雖然國(guó)內(nèi)某些轎車，如POLO，也配備了電子節(jié)氣門系統(tǒng)，但目前對(duì)ETC還沒(méi)有系統(tǒng)深入的研究，也沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。

5 結(jié)束語(yǔ)電子節(jié)氣門系統(tǒng)的研發(fā)已有了很大的進(jìn)步，但在技術(shù)上仍不成熟，因此應(yīng)用也并不十分廣泛，但是電子節(jié)氣門系統(tǒng)對(duì)提高車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、乘坐舒適性，降低排放有重大意義。在21世紀(jì)新能源開(kāi)發(fā)和電控技術(shù)飛速發(fā)展的形勢(shì)下，隨著生產(chǎn)成本下降以及排放要求不斷提高，電子節(jié)氣門系統(tǒng)的普及使用將成為必然。

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