汽車電子節氣門控制策略及發展分析

魏玉

汽車電子節氣門控制策略及發展分析

魏玉

（三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000）

電子節氣門是汽車發動機運行的核心部件，其工作性能的好壞直接影響車輛的性能，隨著汽車智能化控制系統的逐步實現，對電子節氣門的工作提出了更高的要求。文章簡要介紹了節氣門定位系統，通過對電子節氣門控制策略的深入分析，實現了其控制系統的設計，并進一步分析了其未來的發展趨勢。

電子節氣門；控制策略；發展趨勢

引言

汽車電子節氣門（Electronic Throttle Control System, 簡稱ETCS）是現代汽車發動機控制技術之一，是一種柔性控制系統，在控制汽車怠速轉速、精準控制汽車牽引力、控制汽車驅動力、定轉速巡航等多個方面都有應用。電子節氣門由驅動電機驅動開啟，由回位彈簧控制關閉，中間夾雜著粘性摩擦力等，節氣門在轉動過程中，受到彈簧回位轉矩、阻尼力矩等各種不平衡力矩的作用，非線性時變很強，也有一定的不確定性。本文對電子節氣門的結構及特性進行深入研究，通過節氣門體上的電動機驅動節氣門，取消了位于加速踏板和節氣門之間的直接機械連接，能夠在整車各種行駛狀況下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，并能夠為防抱死制動系統、滑移率控制、牽引力控制、巡航控制等控制功能的實現奠定基礎，從而提高安全性和乘坐舒適性，被廣泛使用。這意味駕駛員的輸入通過加速踏板傳遞到發動機控制單元，發動機然后將相應的指令發布到節氣門定位器上。采用電子節氣門后，即使在駕駛員沒有踩下加速踏板的情況下，發動機控制單元也可以調節發動機的扭矩，結果是在發動機管理系統之間的協作更完美。

1 節氣門定位系統介紹

節氣門作為空氣供給系統的重要組成部分，在汽車上占據著重要的作用，早期采用機械式節氣門定位系統，即帶有節氣門拉索，當駕駛員通過腳踩汽車加速踏板時，通過與節氣門聯動的鋼絲拉索帶動節氣門閥片的轉動，以此來控制發動機的進氣量。這種定位系統具有結構簡單、維修成本低的優點，但由于是機械結構控制，其節氣門的開度只能靠駕駛員的主觀操作意識進行控制，不能依據車輛的行駛工況適時調整。當車輛起步、負荷增加或者路況改變時，無法改變節氣門的開度，從而導致車輛的性能變差，燃料得不到充分的燃燒，有害氣體的排放增加，污染空氣。

隨著車輛向電子化、智能化的發展，以及汽車節能減排的迫切需求，為解決機械式節氣門定位系統所出現的問題，電子節氣門定位系統應運而生如圖1所示，它取消了節氣門拉索，增加驅動電機和齒輪傳動等組件。在電子節氣門控制系統中，節氣門在整個調節范圍內的開度由異步電機進行調節控制，駕駛員根據車輛的運行工況通過操縱加速踏板來控制發動機的輸出功率，加速踏板傳感器記錄踏板的位置信息并傳遞給發動機控制單元，發動機控制單元將踏板位置信息轉化為控制信號傳遞給節氣門定位器，由節氣門軸上的驅動電機驅動節氣門旋轉相應的角度。

但是，如果由于安全或燃油消耗因素的考慮，發動機控制單元基于發動機轉矩需求的節氣門控制，在電子節氣門系統中，加速踏板位置并不是影響節氣門開度的唯一因素，除此之外，發動機控制單元還要結合車輛當前的行駛狀況以及整車對發動機轉矩的需求，綜合計算出節氣門的最佳開度，通過控制節氣門電機的通電時間，驅動節氣門到達理想的開度。控制單元可以獨立于加速踏板的位置而調整節氣門的位置。這樣做的優點是發動機可以根據各種不同的需求（例如：駕駛員的輸入、廢氣排放、燃油消耗以及安全性）確定節氣門位置。

圖1 電子節氣門定位系統

2 電子節氣門的控制策略

2.1 控制策略

發動機管理系統根據內部和外部扭矩的需求產生一定的扭矩，實際的扭矩是根據以下因素計算得出的：發動機轉速、負載信號和點火提前角。系統同時處理兩條路徑的信息，在第一條路徑中，系統激活影響到增壓控制變量，這些變量也被當做長期扭矩需求的控制變量，主要是節氣門角度和增壓壓力；在第二條路徑中，系統改變影響到獨立于增壓的短期扭矩的控制變量，主要是點火點、噴射時間和氣缸壓縮。電子節氣門對發動機扭矩的控制過策略如圖2所示，發動機控制單元一開始比較實際扭矩和額定扭矩，如果這兩個數值有差別，系統將確定必要的糾正方式以使這些數值匹配。

圖2 電子節氣門扭矩控制策略

2.2 控制系統設計

電子節氣門控制系統的設計如圖3所示，其組成主要有：加速踏板模塊（帶加速踏板位置傳感器）、發動機控制單元、節氣門控制單元和電子節氣門控制系統的故障指示燈。

圖3 電子節氣門控制系統的設計組成

（1）加速踏板模塊

主要作用是檢測加速踏板的信息，并輸入到發動機控制單元，加速踏板模塊的組成主要有：加速踏板、加速踏板位置傳感器1、加速踏板位置傳感器2，使用兩個傳感器是為了最大程度地保證安全性。這種設計被稱之為“冗余設計”，兩個加速踏板位置傳感器相互配合工作，保證系統的安全可靠性，發動機控制單元能夠根據兩個加速踏板位置傳感器信息，識別出加速踏板的位置。

（2）發動機控制單元

發動機控制單元根據踏板位置信息，控制節氣門驅動裝置，并考慮滿足其他的扭矩需求，確定啟動或關閉節氣門，除此之外，它還具有監控“電子節氣門控制系統”的功能。

（3）節氣門控制單元

負責提供所需要的空氣質量，節氣門驅動裝置根據發動機控制發出的指令激活節氣門，節氣門角度傳感器向發動機提供節氣門位置的反饋數值。節氣門驅動裝置是一個電機，由發動機控制單元所控制、使節氣門可以在怠速裝置和節氣門全開位置之間無級地定位。

（4）電子節氣門控制系統的故障指示燈

打開點火開關，發動機控制系統進行自檢，故障指示燈亮，如果系統沒有存儲故障信息或者系統檢測正常，指示燈亮3秒后自動熄滅；如果在自檢中系統存在故障，指示燈則不熄滅，故障指示燈的作用是向駕駛員提供電子節氣門控制系統是否存在故障。

3 結論

電子節氣門能夠精確控制節氣門的開度，實現發動機全范圍的最佳扭矩輸出，在各種工況下實現對空燃比的精確控制，改善了發動機的排放性能，系統采用的“冗余設計”，很大程度上保證了系統的可靠性，保證行車的安全性，目前，國內的大部分轎車都配備了電子節氣門控制系統，如奧迪、速騰、帕薩特、寶來等，從當前的發展來看，電子節氣門未來的發展趨勢是：（1）向集成化和綜合控制方向發展，如將怠速控制、巡航控制、換擋沖擊控制、車身穩定控制、牽引力控制及驅動防滑轉系統等多種功能集成，從而簡化控制系統結構，降低制造成本。（2）多種控制策略相結合，傳統的PID控制參數整定繁雜，性能欠佳，對運行工況的適應性很差，將神經網絡控制應用到節氣門控制系統中，與傳統的PID控制相結合，可有效提高電子節氣門的自適應能力。（3）CAN總線技術的應用，隨著電子控制系統在汽車的應用越來越廣泛，各種傳感器和電子控制元件急劇增多，造成了整車電路復雜，車輛上導線數量增加，CAN總線技術的應用，能夠大大降低布線的復雜性，提高汽車電子控制系統運行的可靠性，因此，CAN總線技術在汽車電子節氣門控制系統上的應運將是未來發展的重要趨勢。

[1] 陶云飛.基于電子控制節氣門的怠速控制策略仿真研究[D].吉林大學. 2006.

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[5] Rainer Müller and Bernd Schneider. Approximation and Control of the Engine Torque Using Neural Networks. SAE Paper.

Control Strategy and Development Analysis of Automotive Electronic Throttle

Wei Yu

（Automobile College of Sanmenxia Polytechnic, Henan Sanmenxia 472000）

Electronic throttle is the core component of automotive engine operation. Its working performance directly affects the performance of vehicles. With the gradual realization of intelligent control system for automobiles, higher requirements are put forward for the work of electronic throttle. This paper briefly introduces the throttle positioning system, through the in-depth analysis of the electronic throttle control strategy, realizes the design of its control system, and further analyses its future development trend.

Electronic throttle; Control strategy; Development trend

U464.13

A

1671-7988(2019)24-169-03

U464.13

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1671-7988(2019)24-169-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.055

魏玉（1983-），女，講師，就職于三門峽職業技術學院，從事汽車新技術、智能制造研究工作。