徐晓鹏
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摘要：电子节气门是汽车发动机运行的核心部件，其工作性能的好坏直接影响车辆的性能，随着汽车智能化控制系统的逐步实现，对电子节气门的工作提出了更高的要求。因此文章重点就汽车电子节气门控制策略及发展展开分析。
关键词：汽车电子节气门；控制策略；发展趋势
汽车电子节气门（Electronic Throttle Control System，简称 ETCS）是现代汽车发动机控制技术之一，是一种柔性控制系统，在控制汽车怠速转速、精准控制汽车牵引力、控制汽车驱动力、定转速巡航等多个方面都有应用。电子节气门由驱动电机驱动开启，由回位弹簧控制关闭，中间夹杂着粘性摩擦力等，节气门在转动过程中，受到弹簧回位转矩、阻尼力矩等各种不平衡力矩的作用，非线性时变很强，也有一定的不确定性。本文对电子节气门的结构及特性进行深入研究，通过节气门体上的电动机驱动节气门，取消了位于加速踏板和节气门之间的直接机械连接，能够在整车各种行驶状况下确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并能够为防抱死制动系统、滑移率控制、牵引力控制、巡航控制等控制功能的实现奠定基础，从而提高安全性和乘坐舒适性，被广泛使用。这意味驾驶员的输入通过加速踏板传递到发动机控制单元，发动机然后将相应的指令发布到节气门定位器上。采用电子节气门后，即使在驾驶员没有踩下加速踏板的情况下，发动机控制单元也可以调节发动机的扭矩，结果是在发动机管理系统之间的协作更完美。
1电子节气门的结构原理
传统节气门主要采用机械式节气门拉索或连杆连接方式，电子节气门总成的出现是在节气门控制器内合理运用智能控制算法，其结构构成成分包括：节气门总成、加速踏板、节气门控制器等。在具体运行中，其工作原理为在加速踏板角度改变的过程中，踏板角度霍尔将所测得的角度值进行霍尔信号值转化。此时，节气门门体开度霍尔测取的实际位置将向电压信号转化，这种情况下，所取得的两组电压信号可向节气门控制器同一时间传送，节气门控制器并与发动机扭矩、车速等信号进行综合、汇总，并形成一个 PWM 信号，对直流输出扭矩进行有效控制，并经减速齿轮组对门体阀片进行控制，确保响应开度。
2电子节气门的控制策略
2.1控制策略
发动机管理系统根据内部和外部扭矩的需求产生一定的扭矩，实际的扭矩是根据以下因素计算得出的：发动机转速、负载信号和点火提前角。系统同时处理两条路径的信息，在第一条路径中，系统激活影响到增压控制变量，这些变量也被当做长期扭矩需求的控制变量，主要是节气门角度和增压压力；在第二条路径中，系统改变影响到独立于增压的短期扭矩的控制变量，主要是点火点、喷射时间和气缸压缩。发动机控制单元一开始比较实际扭矩和额定扭矩，如果这两个数值有差别，系统将确定必要的纠正方式以使这些数值匹配。
2.2 控制系统设计
电子节气门控制系统的设计如图1所示，其组成主要有：加速踏板模块（带加速踏板位置传感器）、发动机控制单元、节气门控制单元和电子节气门控制系统的故障指示灯。
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图1 电子节气门控制系统的设计组成
（1）加速踏板模块
主要作用是检测加速踏板的信息，并输入到发动机控制单元，加速踏板模块的组成主要有：加速踏板、加速踏板位置传感器 1、加速踏板位置传感器 2，使用两个传感器是为了最大程度地保证安全性。这种设计被称之为“冗余设计”，两个加速踏板位置传感器相互配合工作，保证系统的安全可靠性，发动机控制单元能够根据两个加速踏板位置传感器信息，识别出加速踏板的位置。
（2）发动机控制单元
发动机控制单元根据踏板位置信息，控制节气门驱动装置，并考虑满足其他的扭矩需求，确定启动或关闭节气门，除此之外，它还具有监控“电子节气门控制系统”的功能。
（3）节气门控制单元
负责提供所需要的空气质量，节气门驱动装置根据发动机控制发出的指令激活节气门，节气门角度传感器向发动机提供节气门位置的反馈数值。节气门驱动装置是一个电机，由发动机控制单元所控制、使节气门可以在怠速装置和节气门全开位置之间无级地定位。
（4）电子节气门控制系统的故障指示灯
打开点火开关，发动机控制系统进行自检，故障指示灯亮，如果系统没有存储故障信息或者系统检测正常，指示灯亮 3 秒后自动熄灭；如果在自检中系统存在故障，指示灯则不熄灭，故障指示灯的作用是向驾驶员提供电子节气门控制系统是否存在故障。
3 汽车电子节气门发展趋势
电子节气门能够精确控制节气门的开度，实现发动机全范围的最佳扭矩输出，在各种工况下实现对空燃比的精确控制，改善了发动机的排放性能，系统采用的“冗余设计”，很大程度上保证了系统的可靠性，保证行车的安全性，目前，国内的大部分轿车都配备了电子节气门控制系统，如奥迪、速腾、帕萨特、宝来等，从当前的发展来看，电子节气门未来的发展趋势是：（1）向集成化和综合控制方向发展，如将怠速控制、巡航控制、换挡冲击控制、车身稳定控制、牵引力控制及驱动防滑转系统等多种功能集成，从而简化控制系统结构，降低制造成本。（2）多种控制策略相结合，传统的PID 控制参数整定繁杂，性能欠佳，对运行工况的适应性很差，将神经网络控制应用到节气门控制系统中，与传统的 PID控制相结合，可有效提高电子节气门的自适应能力。（3）CAN总线技术的应用，随着电子控制系统在汽车的应用越来越广泛，各种传感器和电子控制元件急剧增多，造成了整车电路复杂，车辆上导线数量增加，CAN 总线技术的应用，能够大大降低布线的复杂性，提高汽车电子控制系统运行的可靠性，
因此，CAN 总线技术在汽车电子节气门控制系统上的应运将是未来发展的重要趋势。作为现场总线的一种重要实现方法，CAN 是 Controller Ar-ea Network 的简称，也被称为控制器局域网，是 20 世纪 70 年代由德国博士公司自主研发的一项技术产品，即高速串行数据通信总线，其功能为实现汽车内多个控制与仪器仪表之间数据的传输，因串行通信中，此通信总线选用了 ISO/OSI 模型结构内的物理层、链路层，可进一步增强 CAN 通信的灵活度、及时性及可靠性。其优点如下：1）在 CAN 总线通信接口内集中了多项功能，如 CAN 协议中的物理层、数据链路层等，可实现通信成帧处理，可达成优先级判定、位补填等。2）相比其他，CAN 协议的最大特征在于编码可采用通信信息块，从而代替站地址编码。此处理方法的优势在于理论上网络内节点个数无限制，可在不同节点上读取相同的信息，从而达到工业控制范围内数据需求。例如在总线时间上 8 个字节的数据量极短，可实现数据传输的实时性。此外，通过 CＲC校验，可及时送达错误处理机制，确保数据传递的准确性。3）采用多主多从的通信机制用于 CAN 总线设计，可在所有主、从机范围内达到通信自由的目的。
总之，伴随汽车工业与电子行业的快速发展，汽车电子控制系统逐步向智能化、模块化方向发展，尤其是在机械结构方面，汽车应用系统愈加完善。为进一步提升汽车运行的安全性、舒适性，在汽车发动机控制电子节气门控制系统得到了大量使用。通过电子控制系统，能够对节气门的开度进行合理、精确地控制，能够全面提升汽车的动力性能。为此，必须重视汽车电子节气门控制系统研究，增加研究力度，提升控制水平。
参考文献：
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[4]张国飞. 汽车电子节气门检测平台控制系统设计[D].东南大学，2018
论文作者:徐晓鹏
论文发表刊物:《防护工程》2019年19期
论文发表时间:2020/2/27
标签：节气门论文; 踏板论文; 控制系统论文; 发动机论文; 电子论文; 扭矩论文; 汽车电子论文; 《防护工程》2019年19期论文;