電子節氣門傳感器標定與實驗研究*

孫建民， 張 帥， 崔子晗， 姚德臣

(1.北京建筑大學 機電與車輛工程學院，北京 100044；2.城市軌道交通車輛服役性能保障北京重點實驗室，北京 100044)

0 引 言

電子節氣門作為現代發動機管理系統中進氣系統的一個主要部件之一，它直接控制發動機的進氣量，進而控制發動機的轉速和輸出功率[1]。電子節氣門在原有傳統機械拉線式節氣門的組成部件基礎上，增加了驅動電機、齒輪驅動機構及機械傳動元件和功能性與可靠性更強的節氣門位置傳感器(throttle position sensor,TPS)[2]。目前，電子TPS大多數采用非接觸式，其輸出的節氣門位置信號也采用脈寬調制(pulse width modulation,PWM)占空比形式，具有較強的抗干擾能力[3]。為了使TPS更可靠地被系統應用，以及對節氣門的精確控制，需要對其進行標定。本文對電子不停車收費(ETC)控制原理進行介紹，設計重要環節傳感器的標定方法，并通過空氣流量特性實驗和節氣門響應時間驗證標定方法的準確性。

1 ETC控制系統

1.1 ETC控制原理與系統描述

電子節氣門開度大小由電控單元(electronic control unit,ECU)根據駕駛員腳踩踏板控制輸入信號，車輛行駛工況和路況等因素，預先分析駕駛員的操作意圖，再根據各種傳感器的輸入信號計算所需發動機的輸出功率，從而對節氣門的開度大小進行調整。同時TPS可以檢測出節氣門的實際開度，并將其反饋給ECU，ECU根據反饋信號對控制參數進一步優化，保證車輛一直處于最佳理想工作狀態。

ETC系統包括加速踏板和2只(或3只)踏板位置傳感器、節氣門閥體和節氣門閥片位置傳感器、直流電機、控制器、制動開關和指示燈等。如圖1所示。

圖1 ETC控制系統原理

ETC系統的控制算法是由一個閉環反饋控制器進行控制，由于比例—積分—微分(PID)算法簡單，實用性強，所以一般選擇PID控制器，通過PID環節對誤差項進行調節，達到精確控制節氣門開度的效果。

1.2 TPS信號處理

TPS信號處理過程:1)采集2只TPS傳感器原始信號 (TPS1RAW，TPS2RAW)；2)歸一化，使兩路TPS信號有相同的斜率(TPS1NRM,TPS2NRM)；3)最小值和默認位置學習(TPS1MIN,TPS2MIN,TPS1RFN,TPS2RFN)；4)歸一化后的數字減去最小值，得到位移(TPS1DSP,TPS2DSP)；5)TPS信號的量化和權重選取(TPSWGT)。TPS的歸一值是電壓讀數，要轉換成百分比形式的開度值，需要用比例因子進行處理；針對2只傳感器的故障診斷結果，如果2只傳感器的信號都好或都不好,取2個信號的加權平均值，如果一個信號好一個不好，取好的信號值；6)計算所顯示的節氣門位置(TPSIND)。建議當節氣門閥片達到最大停止位時，量化后的TPS值TPSIND為110 %。

2 傳感器的標定

2.1 標定傳感器

為了保證系統的安全性，電子節氣門設計有雙輸出TPS[4]，輸出信號在接地信號電壓和系統參考電壓之間變化，其中的一個TPS輸出電壓信號隨著節氣門開度的增加而增加；另一個TPS輸出電壓信號則隨著節氣門開度的增加而下降[5]。

本文選用德爾福八代電子節氣門為研究對象，TPS的測量(讀數)范圍：TPS1：最小機械位置為9 %±0.8 %，最大機械位置為89.46 %±5.3 %；TPS2：最小機械位置為91 %±0.8 %；最大機械位置為10.54 %±5.3 %；TPS的母端插件使用安普AMP6端子接插件[6]，端子引腳定義如圖2所示。

圖2 母端插件與端子引腳定義

接口電路如圖3所示。

圖3 接口電路

2.2 傳感器標定過程

2.2.1 兩路TPS歸一化與標定

當TPS1輸入信號斜率為正，即TPS1RAW隨開度增大而增大,則TPS1NRM=TPS1RAW；當TPS1輸入信號斜率為負，即TPS1RAW隨開度增大而減小，則TPS1NRM=100-TPS1RAW。

當TPS2輸入信號斜率為正，則TPS2NRM=ETC_TPS2_Scaler*(TPS2RAW+ETC_TPS2_Offset)；當TPS2輸入信號斜率為負，則TPS2NRM=ETC_TPS2_Scaler*(ETC_TPS2_Offset-TPS2RAW)。

標定過程：

1)初始狀態下，當TPS2斜率為負，標定：

ETC_TPS2_Scaler=1.0 ETC_TPS2_Offset=100.0

當TPS2斜率為正，標定：

ETC_TPS2_Scaler=1.0

ETC_TPS2_Offset=0

2)調整這兩個標定，使得TPS1NRM 和 TPS2NRM滿足以下三個條件：a.ABS(TPS1NRM-TPS2NRM)在踏板整個物理范圍內非常小，典型值小于2 %;b.TPS1NRM和TPS2NRM必須在傳感器供電電壓范圍的5 %～95 %;c.拔掉節氣門接插件后，TPS1NRM和TPS2NRM必須大于95 %。

2.2.2 TPS權重的選擇

當TPS輸出相關誤差大于TPS相關最小誤差時，即TPS1和TPS2采集的節氣門位置不同，這時就很難確認哪路節氣門位置是可靠的，該邏輯用進氣流量來確認哪路TPS讀取到的節氣門位置更準確[7]。為了獲知哪路TPS信號更準確，算法思路采用根據TPS信號、溫度和壓力計算出的進氣流量(TPSxFLW)，與在當前進氣歧管壓力和轉速下計算出的進氣流量(AGPSIGLM)進行比較。

邏輯描述：當TPS相關誤差大于標定最小誤差，則利用TPS1和TPS2采集的節氣門開度，分別計算各TPS開度下的流經節氣門的進氣流量。計算TPSxFLW和AGPSIGLM誤差率：

TPS1的流量比=|TPS1FLW-AGPSIGLM|/AGPSIGLM

TPS2的流量比=|TPS2FLW-AGPSIGLM|/AGPSIGLM

當TPS2的流量比與TPS1的流量比之差大于節氣門流量差值，并且TPS1的流量比小于節氣門流量差值時,則TPS1權重=1；

當TPS1的流量比與TPS2的流量比之差大于節氣門流量差值，并且TPS2的流量比小于節氣門流量差值時,則TPS1權重=0；

當流量不能判斷哪個TPS開度，則返回原來的權重，權重不做變動。

2.2.3 計算權重后的位移與標定

TPS權重的突然變化會引起實際節氣門位置和指示節氣門位置誤差加大，所以權重的變化會經過濾波函數過濾。該權重系數先經過濾波系數(ETC_TPS_WeightFilter)為0.05的過濾后，再計算TPS位移。

標定過程：

1)ETC_TPS_Scaler

用力將節氣門閥板全打開，ETC_TPS_Scaler的值要使ETPSIND達到110 %

2)ETC_TPS_Min

根據ETC最低機械停止位，新件在工作溫度范圍內和疲勞件在工作溫度范圍內原角度的基礎上，上下限值各放寬3.5°，確定ETC_TPS_Min

3)ETC_TPS_MinLoOffset

該標定代表低于ETC最小值或者ETC_TPS_MinLo的偏移值，這個標定目的是為了當ETC正在最小值學習時，減小正在使用的ETC最小值。

4)ETC_TPS_WeightFilter

為了防止權重快速變化時引起節氣門波動，利用濾波系數(ETC_TPS_WeightFilter)為0.05的濾波函數對權重進行濾波。

3 實驗分析

3.1 節氣門空氣流量實驗

為了驗證TPS標定的準確性和電子節氣門系統特性，對節氣門空氣流量特性進行試驗[8]，節氣門空氣流量實驗平臺如圖4所示。

圖4 空氣流量實驗臺

實驗臺右側是一個真空泵，用來降低真空室內的氣體壓力，使之達到要求的真空度[9]。圖4中4個罐狀部件為4個氣動閥開關，每個開關對應相應的刻度盤，4個刻度盤的量程和精度均不同。本文的實驗選取量程最小、精度最高的刻度盤，實驗臺在運行時只有一個開關打開，其余三個均關閉。

將節氣門體放在實驗工裝上，通電后開啟最小量程對應的氣動閥，測試電子節氣門空氣流量特性，如圖5所示。

圖5 空氣流量特性曲線

根據電子節氣門流量性能參數要求，節氣門全開時，最大空氣流量需要在100～120 g/s內；節氣門關閉時最小空氣流量應小于1.5 g/s(均為標準大氣壓與溫度條件下)。由圖5中實驗數據可知，本實驗最大空氣流量約為114 g/s，最小空氣流量約為0.86 g/s，均滿足要求。

電子節氣門系統為非線性系統，受跛行回家位置(系統默認位置)影響較大，因此要單獨測試該位置時的空氣流量，根據參數要求該位置時的空氣流量數值為11.5±3.45 g/s，本實驗在該位置進行了5次實驗，實驗結果如表1所示。

表1 跛行位置空氣流量

由表1中實驗數據可知，標定后的跛行位置空氣流量滿足電子節氣門系統性能要求。

3.2 節氣門響應整車實驗

通過對節氣門響應整車實驗來進一步驗證標定后的電子節氣門系統的響應特性[10]，本文選擇哈弗H6車型進行節氣門的響應實驗研究，將標定后的節氣門體裝于車上。

通過上位機與汽車試驗端口連接，改變節氣門的加載電壓從而控制節氣門的不同開度，以此驗證汽車行駛時不同工況下節氣門的響應時間。本次實驗分別模擬節氣門小開度、半開度和全開度時的響應，即分別給定6，8，12 V的電壓，同時記錄節氣門閥片由開到關和由關到開的時間，選取3組實驗數據，結果如表2所示。

由實驗結果可以看出，給定節氣門的加載電壓越高，節氣門開度的響應時間就越快，在12 V電壓條件下，節氣門響應時間小于100 ms,能滿足發動機對電子節氣門系統響應的要求。另外兩種條件也代表汽車在行駛時的不同工況，受電壓影響節氣門響應時間略有延長，但均滿足要求，從而驗證了標定后的TPS可靠性好，靈敏度高，能夠達到要求。

表2 節氣門響應實驗結果 ms

4 結 論

本文以TPS為研究對象，為了使TPS能夠準確反映節氣門閥片開度情況，滿足發動機在運行過程對電子節氣門系統的要求，對TPS進行了介紹。通過TPS信號處理，TPS權重系數選取對TPS進行標定；最后用空氣流量實驗和節氣門響應整車實驗對標定后的節氣門進行了驗證，結果表明均滿足要求。