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)的基本結構、工作原理、控制策略及其發(fā)展現(xiàn)狀。指出，電子節(jié)氣門的普及勢在必然。關鍵詞：電子節(jié)氣門；結構；原理；控制策略1 前言節(jié)氣門的作用是控制發(fā)動機的進氣流量，決定發(fā)動機的運行工況。駕駛員通過操作加速踏板來操縱節(jié)氣門開度。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，即通過拉桿或拉索傳動連接加速踏板和節(jié)氣門的機械連接方式，因此節(jié)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(jīng)濟性角度來看，發(fā)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(fā)動機和電池組成多能源動力系統(tǒng)，剛性連接方式不能實現(xiàn)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(tǒng)的機械連接，通過電控單元控制節(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)氣門的最佳開度，保證車輛最佳的動力性和燃油經(jīng)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(jié)氣門系統(tǒng)的基本結構、工作原理、控制策略和發(fā)展現(xiàn)狀，使讀者對電子節(jié)氣門有深入的理解。

2電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結構和工作原理2.1 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結構電子節(jié)氣門系統(tǒng)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(fā)生線性的變化，由此產(chǎn)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(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(jié)氣門位置發(fā)生變化時，電位器阻值也隨之線性地改變，由此產(chǎn)生相應的電壓信號輸入ECU，該電壓信號反映節(jié)氣門開度大小和變化速率。l 節(jié)氣門控制電機節(jié)氣門控制電機一般選用步進電機或直流電機，經(jīng)過兩級齒輪減速來調(diào)節(jié)節(jié)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(jié)氣門較高的動態(tài)響應性能的要求，所以現(xiàn)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(tǒng)的核心，包括兩部分：信息處理模塊和電機驅(qū)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(jīng)過處理后得到節(jié)氣門的最佳開度，并把相應的電壓信號發(fā)送到電機驅(qū)動電路模塊。電機驅(qū)動電路模塊接受來自信息處理模塊的信號，控制電機轉(zhuǎn)動相應的角度，使節(jié)氣門達到或保持相應的開度。電機驅(qū)動電路應保證電機能雙向轉(zhuǎn)動。 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)生相應的電壓信號輸入節(jié)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(huán)境噪聲的影響，然后根據(jù)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(fā)動機扭矩的基本需求，得到相應的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角的基本期望值。然后再經(jīng)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(fā)動機轉(zhuǎn)速、檔位、節(jié)氣門位置、空調(diào)能耗等等，由此計算出整車所需求的全部扭矩，通過對節(jié)氣門轉(zhuǎn)角期望值進行補償，得到節(jié)氣門的最佳開度，并把相應的電壓信號發(fā)送到驅(qū)動電路模塊，驅(qū)動控制電機使節(jié)氣門達到最佳的開度位置。節(jié)氣門位置傳感器則把節(jié)氣門的開度信號反饋給節(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(qū)動步進電機常采用H橋電路結構，控制單元通過發(fā)出的脈沖個數(shù)、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(zhuǎn)動的方向，脈沖個數(shù)控制電機轉(zhuǎn)動的角度，即發(fā)出一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個步進角，脈沖頻率控制電機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，通過對上述三個參數(shù)的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)電機精確定位與調(diào)速。控制直流電機采用脈沖寬度調(diào)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(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號的占空比來控制直流電機轉(zhuǎn)角的大小，電機方向則是由和節(jié)氣門相連的復位彈簧控制的。電機輸出轉(zhuǎn)矩和脈寬調(diào)制信號的占空比成正比。當占空比一定，電機輸出轉(zhuǎn)矩與回位彈簧阻力矩保持平衡時，節(jié)氣門開度不變；當占空比增大時，電機驅(qū)動力矩克服回位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度增大；反之，當占空比減小時，電機輸出轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門開度也隨之減小[2]。ECU對系統(tǒng)的功能進行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)故障，將點亮系統(tǒng)故障指示燈，提示駕駛員系統(tǒng)有故障。同時電磁離合器被分離，節(jié)氣門不再受電機控制。節(jié)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(jié)氣門系統(tǒng)的控制策略3.1 基于發(fā)動機扭矩需求的節(jié)氣門控制[5]傳統(tǒng)油門的節(jié)氣門開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)氣門開度并不完全由加速踏板位置決定，而是控制單元根據(jù)當前行駛狀況下整車對發(fā)動機的全部扭矩需求，計算出節(jié)氣門的最佳開度，從而控制電機驅(qū)動節(jié)氣門到達相應的開度。因此，節(jié)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(jù)整車扭矩需求獲得所需的理論扭矩，而實際扭矩通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速、點火提前角和發(fā)動機負荷信號求得。在發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)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(fā)動機電控系統(tǒng)將通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)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(jié)氣門系統(tǒng)采用2個踏板位置傳感器和2個節(jié)氣門位置傳感器，如圖2所示，傳感器兩兩反接，實現(xiàn)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(jié)氣門開度的對應關系如圖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)氣門開度對應關系從控制角度講，使用一個傳感器就可使系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，但冗余設計可使兩個傳感器相互檢測，當一個傳感器發(fā)生故障時能及時被識別，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(qū)別在于節(jié)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(jié)氣門對加速踏板的響應速度適合于大多數(shù)行駛工況。在動力模式下，節(jié)氣門加快對加速踏板的響應速度，發(fā)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(jié)氣門對加速踏板的響應降低，發(fā)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(wěn)定行駛。 圖4 不同模式下節(jié)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(qū)，大氣壓下降，空氣稀薄，氧氣含量下降，導致發(fā)動機輸出動力下降。此時電子節(jié)氣門系統(tǒng)可按照大氣壓強和海拔高度的函數(shù)關系對節(jié)氣門開度進行補償，保證發(fā)動機輸出動力和加速踏板位置的關系保持穩(wěn)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(jié)氣門功能比較簡單，在形式上采用一個機械式的主節(jié)氣門串聯(lián)一個電控的輔助節(jié)氣門，往往只能實現(xiàn)某一單一的功能。現(xiàn)代電子節(jié)氣門則獨立成一個系統(tǒng)，可實現(xiàn)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(tǒng)又稱驅(qū)動防滑系統(tǒng)。它的作用是當汽車加速時將滑移率控制在一定的范圍內(nèi)，從而防止驅(qū)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(wěn)定。它通過減少節(jié)氣門開度來降低發(fā)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(zhuǎn)向角度等信號，通過計算求得滑移率，并產(chǎn)生相應的控制電壓信號，通過數(shù)據(jù)總線把信號傳送至控制單元，依據(jù)此信號，控制單元將減少節(jié)氣門開度來調(diào)整混合氣流量，以降低發(fā)動機功率。此時控制單元對節(jié)氣門發(fā)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(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。當駕駛員開啟該系統(tǒng)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(jù)行駛阻力的變化輸出信號自動調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，當汽車阻力增大（上坡）和車速降低時，控制節(jié)氣門開度增大，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)氣門開度來實現(xiàn)車輛的怠速控制。l 減少換檔沖擊控制根據(jù)當前車速、節(jié)氣門開度以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信號，控制單元選擇合適的傳動比，實現(xiàn)自動換檔。

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70年代，80年代開始有產(chǎn)品問世，近10年來，國外對電子節(jié)氣門的研究取得了非常迅速的發(fā)展。發(fā)展趨勢可總結為：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，兼顧提高動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、排放性和乘坐舒適性。目前，國外多家公司已對電子節(jié)氣門系統(tǒng)作了深入的研發(fā)，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(chǎn)品應用于各種品牌的中高檔轎車。雖然國內(nèi)某些轎車，如POLO，也配備了電子節(jié)氣門系統(tǒng)，但目前對ETC還沒有系統(tǒng)深入的研究，也沒有成熟的產(chǎn)品。

5 結束語電子節(jié)氣門系統(tǒng)的研發(fā)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(jié)氣門系統(tǒng)對提高車輛動力性、經(jīng)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(fā)和電控技術飛速發(fā)展的形勢下，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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