電子節(jié)氣門基本知識-20140303.docx

電子節(jié)氣門相關(guān)資料電子節(jié)氣門是汽車發(fā)動機的重要控制部件。電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)有以下幾個部分組成：1、發(fā)動機 2、轉(zhuǎn)速傳感器 3、節(jié)氣門位置傳感器4、節(jié)氣門執(zhí)行器 5、節(jié)氣門6、加速踏板位置傳感器 7、車速傳感器 8、變速器 9、加速踏板 10、節(jié)氣門電子控制單元（ECU）為了提高汽車行駛的安全性、動力性、平穩(wěn)性及經(jīng)濟性，并減少排放污染，世界各大汽車制造商推出了各種控制特性良好的電子節(jié)氣門及其相應(yīng)的電子控制系統(tǒng)，組成電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)（ETCS）。采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的作用：1、使節(jié)氣門開度得到精確控制，不但可以提高燃油經(jīng)濟性，減少排放，同時，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，可獲得滿意的操控性能；2、可實現(xiàn)怠速控制、巡航控制和車輛穩(wěn)定控制等的集成，簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)組成：1、帶加速踏板位置傳感器的加速踏板模塊用來確定踏板位置并將踏板位置信號傳遞給控制單元2、發(fā)動機控制單元（ECU) 接收踏板位置傳感器信號，根據(jù)輸入電壓信號計算得知所需動力。并根據(jù)其他如急加速，空調(diào)，自動變速器起步的扭矩信號，計算出實際的節(jié)氣門開度。同時還監(jiān)控節(jié)氣門系統(tǒng)3、節(jié)氣門控制單元控制所需進氣量，根據(jù)控制系統(tǒng)提供信號調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，反饋節(jié)氣門信號。4、節(jié)氣門 故障燈（大眾車型在儀表上為EPC燈）提供節(jié)氣門故障信息給駕駛員5、傳感器和執(zhí)行器傳感器：帶油門踏板傳感器G79，G185的加速踏板模塊，帶節(jié)氣門開度傳感器的G187，G188，節(jié)氣門控制器J338，離合器踏板開關(guān)F36，制動踏板開關(guān)F47，制動燈開關(guān)F6、執(zhí)行器：帶節(jié)氣門驅(qū)動裝置的G186和G338，節(jié)氣門故障燈K132c（劃片變組器，等同與油浮子）控制系統(tǒng)根據(jù)兩個信號來確定踏板位置。兩個信號值正好相反，形成對比。當一個傳感器壞，系統(tǒng)監(jiān)測到還有一個節(jié)氣門信號時，能進入怠速運行，但節(jié)氣門全開要很慢。系統(tǒng)還通過制動燈開關(guān)和制動踏板開關(guān)信號來判別怠速狀態(tài)，關(guān)閉巡航，點亮EPC，在故障存儲器存儲故障碼。節(jié)氣門角度傳感器G187，G188（滑動變阻器式）向系統(tǒng)反饋節(jié)氣門位置信號。裝兩個傳感器是為了精確和備用。當一個傳感器壞。系統(tǒng)使用另一個 傳感器信號，對加速踏板響應(yīng)不變，巡航關(guān)閉。EPC燈亮 存儲故障碼。當兩個信號中斷，發(fā)動機在1500轉(zhuǎn)左右運行，踩油門踏板無反應(yīng)。EPC燈亮，有故障存儲。離合器踏板開關(guān)F36：開關(guān)信號，反饋離合器踏板位置，踏板踩下，負載變化功能關(guān)閉。系統(tǒng)不對其進行監(jiān)控，故無故障碼存儲，也無替代值。制動踏板開關(guān)F47和制動燈開關(guān)F（開關(guān)信號）反饋制動踏板信號位置信號，控制單元收到踏板信號后，關(guān)閉巡航。如加速踏板傳感器壞，代為替代怠速信號。節(jié)氣門驅(qū)動裝置 J186：定位電機。接受系統(tǒng)命令，控制節(jié)氣門開度。出現(xiàn)故障后，進入緊急運行模式，由彈簧將節(jié)氣門打開到一定角度，系統(tǒng)運行高與怠速，踩油門沒反應(yīng)。EPC燈亮，存儲故障碼。故障燈EPC故障燈K132 ：提示信號。系統(tǒng)正常時打開點火開關(guān)3秒自檢后熄滅，有故障則常亮?；窘Y(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)速傳感器也可以用曲軸位置傳感器或者凸輪軸位置傳感器來代替；節(jié)氣門執(zhí)行器是一個步進電機，由它來推動節(jié)氣門以控制節(jié)氣門的開度；加速踏板位置傳感器的構(gòu)造及工作原理和節(jié)氣門位置傳感器的構(gòu)造及工作原理是一樣的；節(jié)氣門電子控制單元一般是和發(fā)動機電子控制單元做在一起的。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的工作原理如上圖所示。加速踏板位置傳感器 將司機需要加速或減速的信息傳遞給節(jié)氣門電子控制單元，ECU 根據(jù)得到的信息，計算出相應(yīng)的最佳節(jié)氣門位置，發(fā)出控制信號給節(jié)氣門執(zhí)行器，由節(jié)氣門執(zhí)行器將節(jié)氣門開到計算出的最佳節(jié)氣門的開度位置。ECU 通過與其它電子控制單元（如發(fā)動機電子控制單元，自動變速器電子控制單元等）進行通訊，ECU 根據(jù)得到的節(jié)氣門位置傳感器信息、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器信號、車速傳感器的信息對節(jié)氣門的最佳位置進行不斷的修正，使節(jié)氣門的開度達到司機所需要的理想位置。工作原理：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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)，控制單元通過發(fā)出的脈沖個數(shù)、頻率與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?？刂浦绷麟姍C采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，其特點有頻率高，效率高，功率密度高與可靠性高?？刂茊卧ㄟ^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(fù)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。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?？刂撇呗裕?基于發(fā)動機扭矩需求的節(jié)氣門控制傳統(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(yīng)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?？刂茊卧鶕?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。 傳感器冗余設(shè)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，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(yīng)反向變化，且其和始終等于供電電壓。從控制角度上講，使用一個傳感器就可以使系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，但冗余設(shè)計可以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。 可選的工作模式駕駛員可根據(jù)不同的行車，需要通過模式開關(guān)選擇不同的工作模式，一般有正常模式、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(yīng)速度不同。在正常模式下，節(jié)氣門對加速踏板的響應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。 海拔高度補償在海拔較高的地區(qū)，大氣壓下降，空氣稀薄，氧氣含量下降，會導(dǎo)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(guān)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(guān)系保持穩(wěn)定。 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?，F(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(jié)構(gòu)簡化，成本降低。主要有如下控制功能：a。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(yīng)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。b。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。c。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。d。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。系統(tǒng)分類：電液式節(jié)氣門電液式節(jié)氣門，大多數(shù)應(yīng)用在有液壓系統(tǒng)的工程機械中。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、驅(qū)動力大、功耗低等特點，其電液控制的轉(zhuǎn)換主要通過高速開關(guān)數(shù)字閥實現(xiàn)，控制精度高，對液壓油沒有太高的要求。但是由于液壓系統(tǒng)存在供油壓力波動，液壓執(zhí)行機構(gòu)之間的摩擦力以及閥所具有的啟閉特性等方面的影響，致使其位置響應(yīng)不精確，速度響應(yīng)慢。因此，電液式節(jié)氣門很少應(yīng)用在汽車上。線性電磁鐵式節(jié)氣門電磁鐵式節(jié)氣門用比例電磁鐵作為控制器。它用電磁力作為驅(qū)動力，其中控制信號為電流信號，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、控制方便、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度好，但它的最大作用力受到線圈匝數(shù)和最大工作電流的限制，而且在一定的工作負荷下所需的電功耗相對較大。因此，線性電磁式節(jié)氣門很少在汽車上應(yīng)用。步進電機式節(jié)氣門步進電機式節(jié)氣門通過步進電機直接驅(qū)動節(jié)氣門軸實現(xiàn)油門的開度控制。驅(qū)動步進電機通常采用橋式電路結(jié)構(gòu)，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。步進電機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的優(yōu)點，但它的控制精度不高。因此，步進電機式節(jié)氣門也較少在汽車上應(yīng)用。直流伺服電機式節(jié)氣門直流伺服電機采用脈沖寬度調(diào)制（PWM) 技術(shù)，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高?？刂茊卧ㄟ^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。此外，電機輸出轉(zhuǎn)矩和脈寬調(diào)制信號的占空比成正比。由于以上的優(yōu)點，直流伺服電機廣泛應(yīng)用于電子節(jié)氣門的控制。研究現(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，這些年來，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(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。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(yīng)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)，但當前對ETC還沒有系統(tǒng)深入的研究，也沒有成熟的產(chǎn)品。當前，雖然國內(nèi)部分高級轎車，如寶來、奧迪、帕薩特、POLO、紅旗等已經(jīng)配備了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，但都屬于國外引進的技術(shù)，對其核心技術(shù)了解得很少。可喜的是，這些年來，中國第一汽車集團公司開發(fā)了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，并把該項技術(shù)用于紅旗HQ3高級轎車上。此外，國內(nèi)部分高校對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)開展了研究，并取得了階段性成果。比如：吉林大學(xué)對汽車電子節(jié)氣門控制器的開發(fā)，實現(xiàn)了控制器的動態(tài)響應(yīng)滿足設(shè)計指標；湖南大學(xué)進行了基于OSEK/VDX的電子節(jié)氣門控制器的研究與開發(fā)，構(gòu)建了基于POW-EROSEK嵌入式操作系統(tǒng)的電子節(jié)氣門軟硬件架構(gòu)；北京理工大學(xué)進行了電子節(jié)氣門模糊控制器快速控制原型設(shè)計。發(fā)展趨勢： 向集成化和綜合控制方向發(fā)展。集成化和綜合控制不僅是電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是將來汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。它有助于簡化電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，降低制造成本，增強各系統(tǒng)間的信息交流。當前，ETC 已經(jīng)向集成化和集中控制方向發(fā)展，如將怠速控制、巡航控制、減小換檔沖擊控制、節(jié)氣門回位控制及車輛穩(wěn)定性控制等多種功能集成；或者是將制動防抱死控制系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)及驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)綜合在一起進行制動控制。 結(jié)合多種控制方法進行綜合控制。采取多種控制策略相結(jié)合，可以提高ETC 的控制精度及反應(yīng)速度。當前的發(fā)展方向是從線性控制發(fā)展到非線性控制，從單一模式控制發(fā)展到多模式控制以及從傳統(tǒng)的PID控制發(fā)展到采用PID 與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的控制。由于傳統(tǒng)PID 控制受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應(yīng)性很差。因此，多模態(tài)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及滑模變結(jié)構(gòu)控制等方法被引入到電子節(jié)氣門控制中?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制有良好的魯棒性和很強的非線性，該方法與系統(tǒng)的參數(shù)和擾動無關(guān)，也體現(xiàn)了今后電子節(jié)氣門控制方式的發(fā)展方向。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法與PID 控制相結(jié)合，可以提高電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。但這些理論自身還有待完善和進一步的發(fā)展，因此需要更深入的研究才能將這些綜合控制策略成熟的應(yīng)用到電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中。 車載網(wǎng)絡(luò)、總線技術(shù)在汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的應(yīng)用。隨著ETC 等電控系統(tǒng)在汽車上越來越多的應(yīng)用，各種傳感器和電子控制單元急劇增多，造成了整車控制電路復(fù)雜、車輛上導(dǎo)線的數(shù)量增加。此外，各個系統(tǒng)的信息資源要能夠共享。這些都對汽車的綜合布線和信息共享提出了更高要求。當前國際上普遍采用的。車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是CAN 總線控制器局域網(wǎng)，它能夠滿足汽車上電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、數(shù)據(jù)共享及系統(tǒng)集成等需要，并且大大降低了布線的復(fù)雜度，提高了汽車電子系統(tǒng)的運行可靠性。所以，CAN 總線技術(shù)在汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)上的應(yīng)用也將是一個重要趨勢。優(yōu)缺點：優(yōu)點： 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)發(fā)動機全范圍的最佳扭矩的輸出。 精確控制節(jié)氣門開度。首先由ECU 對各種工況信息和傳感器信號做出判斷并處理，接著計算出最佳的節(jié)氣門開度，再由驅(qū)動電機控制節(jié)氣門達到相應(yīng)的油門開啟角度。 改善了發(fā)動機的排放性能。ETC 系統(tǒng)在各種情況下對空燃比進行精確控制，使燃燒更加充分，同時也降低了廢氣的產(chǎn)生；在怠速狀態(tài)下，節(jié)氣門保持在一個極小開啟角度來穩(wěn)定燃燒，提高了燃油經(jīng)濟性，排放也得到進一步控制。 具有更高的車輛行駛可靠性。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)采用