【正文】 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)汽車發(fā)動機電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究 汽車發(fā)動機電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計研究前言節(jié)氣門是汽車發(fā)動機的重要控制部件。為了提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性、經(jīng)濟(jì)性并減少排 放污染,推出了各種控制良好的電子節(jié)氣門及其相應(yīng)電子控制系統(tǒng),組成電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(ETCS)。由于 ETCS 的優(yōu)越性, 世界上越來越多的大型汽車制造公司開始采用 ETCS。傳統(tǒng)機械式節(jié)氣門面臨著被電子節(jié)氣門所取代的趨勢。與傳統(tǒng)的機械式節(jié)氣門相比,電子節(jié)氣門取消了與油門踏板的剛性連接。它能夠結(jié)合駕駛員意圖和發(fā)動機當(dāng)前運行工況, 計算出最合適的節(jié)氣門開度,通過驅(qū)動無刷直流電機,帶動節(jié)氣門盤片到達(dá)目標(biāo)開度。采用電子節(jié)氣門能有效提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟(jì)性。節(jié)氣門中存在復(fù)位彈簧扭矩, 摩擦力矩等非線性因素,并且長期使用后節(jié)氣門參數(shù)會發(fā)生變化, 所以節(jié)氣門是一個變參數(shù)的非線性系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的 PID 控制方法,需要加入復(fù)雜的變參數(shù)算法以及補償算法,而且?guī)砹舜罅康膮?shù)標(biāo)定工作。因此, 尋找一種簡潔高效的控制算法是開發(fā)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵。1. 國外汽車發(fā)動機電子節(jié)氣門的研究現(xiàn)狀 電子節(jié)氣門在國外發(fā)展較早，已有 20 多年的歷史，產(chǎn)品已大規(guī)模投入市場。電子節(jié)氣門作為發(fā)動機進(jìn)氣控制系統(tǒng)的下一代產(chǎn)品，國外的研究試驗得到大力發(fā)展，并口趨成熟。電子節(jié)氣門在控制策略上由先前的線性控制到現(xiàn)在的非線性控制。驅(qū)動由步進(jìn)電機到直流電機。從先前為單一提高駕駛性能到現(xiàn)在為提高發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)性、排放性及乘駕舒適性等多項綜合性能，集成了多種控制功能。采用冗余設(shè)計(配備功能相同的兀件并相互檢測，防止信號及功能失誤產(chǎn)生故障)和系統(tǒng)故障檢測與失效保護(hù)等。Delphi 開發(fā)出第二代 ETC 控制系統(tǒng)，主要用十大排量汽車上。與第一代系統(tǒng)不同，第二代 ETC 的處理器集成十發(fā)動機 ECU 中，并采用一個單獨的微處理器監(jiān)測 ETC 主要輸入信號及主 ECU 是否正常工作。第二代電子節(jié)氣門集成了幾項獨特的駕駛性能，如改變車輛對加速踏板響應(yīng)的靈敏度。駕駛模式選擇(正常模式，動力模式，雪地模式)。對海拔高度地補償。發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速及車速控制等。Bosch 推出了新的發(fā)動機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了基十轉(zhuǎn)矩控制的控制策略。該系統(tǒng)集成了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，發(fā)動機 ECU 接收各個傳感器采集到的信號，同時接收加速踏板模塊的輸入信號，經(jīng)過微處理計算后輸出控制信號驅(qū)動電子節(jié)氣門。系統(tǒng)中有專用的檢測模塊對電子節(jié)氣門進(jìn)行檢測和 I 故障診斷，提高了安全性和可靠性。電子節(jié)氣門位置傳感器電位計隨著節(jié)氣門閥頻繁運動，處在高溫振動的工作環(huán)境中，其精度可能會因為機械磨損下降。英飛凌(Infineon)開發(fā)出了一種電子節(jié)氣門，采用非接觸型節(jié)氣門位置傳感器，并進(jìn)一步將節(jié)氣門驅(qū)動芯片華成干節(jié)氣門體內(nèi)。2. 國內(nèi)汽車發(fā)動機電子節(jié)氣門的研究現(xiàn)狀國內(nèi)近年來在捷達(dá)、寶來、波羅等轎車上廣泛采用了引進(jìn)的電子節(jié)氣門。但對十引進(jìn)的電子節(jié)氣門只是處十使用階段，對其核心技術(shù)知之甚少。國內(nèi)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后十國外，只有關(guān)十電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)探討、實現(xiàn)功能等綜述性報道。目前清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等幾家單位進(jìn)行過控制系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。清華大學(xué)李雅博等人設(shè)計出了一種電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)?？刂浦破饕阅ν辛_拉的單片機MC68HC912DG 128A 為核心，用 MC33186 作 H 橋驅(qū)動芯片。測試系統(tǒng)向節(jié)氣門控制器發(fā)送目標(biāo)開度值，控制節(jié)氣門完成動作，同時記錄并分析實際控制效果。在該控制系統(tǒng)硬件電路中，需要單片機產(chǎn)生兩路 PWM 分別控制 MC33186 的 IN1 和 IN2，以分別控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。因此，系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制算法保證兩路 PWM 信號的配合，以避免電機與電源短路，控制的靈活性降低，控制難度加大。節(jié)氣門控制單兀沒有與發(fā)動機管理系統(tǒng)有機結(jié)合起來，節(jié)氣門的目標(biāo)位置由測試系統(tǒng)給定，只能用于試驗研究，與國外控制系統(tǒng)相比顯然有明顯的差距。電子節(jié)氣門控制運用電驅(qū)理念，一方面它精確控制進(jìn)氣量，可以提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟(jì)性，減輕排放。另一方面，通過它對汽車動力系統(tǒng)的功率控制來提升駕駛性能，比如安全、平順性等。因此，電子節(jié)氣門己成為汽車發(fā)動機完全電控的一個非常重要的功能模塊。并與發(fā)動機管理系統(tǒng)有效的結(jié)合，發(fā)揮電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)在發(fā)動機管理系統(tǒng)中的作用，從而實現(xiàn)發(fā)動機性能的優(yōu)化，具有重要意義。：[1] Mike Dale , 韓建保 , 楊訓(xùn)敏. 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點及其優(yōu)勢[J]. 汽車維修與保養(yǎng), 2022,(04) [2] 杜開明 , 秦大同, 劉振軍, 姜鳳翔, 丁銳. 電子節(jié)氣門仿真控制[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) , 2022,(04) [3] 陳華, 王耀南, 孫煒, 楊輝前. 基于模糊高斯基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子節(jié)氣門控制 [J]. 計算技術(shù)與自動化, 2022,(02) [4] 王仁義. 奔馳 S500 冷車自動加速 [J]. 汽車維修技師, 2022,(04) [5] 張漢斌 , 張榮兵. 奔馳 S600 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)故障排除[J]. 汽車與配件, 1999,(45) [6] 陳華, 王耀南, 夏陽, 楊輝前. 基于自整定模糊 PID 的電子節(jié)氣門控制[J]. 儀器儀表用戶, 2022,(01) [7] 李雪飛, 凌永成. 基于 80C196KB 單片機汽車智能電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 微計算機應(yīng)用, 2022,(01) [8] 陶國良, 郭連. 電子節(jié)氣門技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 車用發(fā)動機, 2022,(04) [9] 陶國良, 郭連, 劉昊, 萬里軍. 電子節(jié)氣門變結(jié)構(gòu)滑?？刂萍胺抡媾c試驗 [J]. 內(nèi)燃機工程, 2022,(03) [10] 尹葉丹, 程昌銀, 全書海. 基于 DSP 的電子節(jié)氣門控制器的研制[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版), 2022,(05)摘 要社會需求、法規(guī)推動和電子技術(shù)的進(jìn)步，推動了現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展。電傳線驅(qū)技術(shù)則是其最主要的方向之一。電子節(jié)氣門控制是汽車動力控制系統(tǒng)中的一部分，它對于汽車的功率和駕駛控制有著非常重要的作用。本文首先對電子節(jié)氣門系統(tǒng)進(jìn)行了全面的介紹，然后進(jìn)行了電子節(jié)氣門系統(tǒng)的建模、控制器設(shè)計和基于模型的系統(tǒng)實時控制軟件生成，最后進(jìn)行了實時控制試驗。全文共分五部分:首先要回顧了汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展歷程，然后從發(fā)動機電噴系統(tǒng)中引出了電子節(jié)氣門的由來、發(fā)展及目前的產(chǎn)品，最后敘及了本課題的提出及主要內(nèi)容。其次在研究節(jié)氣門體結(jié)中得到其圖形模型，分析了節(jié)氣門體中各運動部分的特性，包括進(jìn)氣流量、傳感器模型、彈簧扭矩模型、摩擦力分析及其模型、齒隙沖擊分析、進(jìn)氣擾動對扭矩的影響，電機電樞電路模型。并由此建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,最后進(jìn)行了系統(tǒng)辨識，得出了系統(tǒng)部分參數(shù)。再次在機電控制系統(tǒng)中，最通用的控制器是 PID 控制器，在長期應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗，是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種控制器。PID 控制器分為模擬 PID控制器和數(shù)字 PID 控制器，由于系統(tǒng)采用單片機進(jìn)行控制，本文在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時采用數(shù)字 PID 控制算法。再次對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的功能分析，對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的硬件電路包括控制芯片模塊、輸入模塊、輸出模塊和通信模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并設(shè)計了基于磁阻傳感器的角位移測量系統(tǒng)。最后是對課題內(nèi)容的總結(jié)。關(guān)鍵詞 電子節(jié)氣門，電控系統(tǒng)，變結(jié)構(gòu)滑模，控制算法，硬件系統(tǒng)AbstractAuto electronic control has made rapid progress by more requirements of the society, pending tougher emission standards and the developments in electronics, and DrivebyWire is one of the most important technologies. ETCS (electronic throttle control system) is one part of the powertrain control system, it plays a very importantrole in powertxain control. This thesis firstly introduced the ETCS, then modeled and simulated its dynamics and electrics characters in Matlab/simulink/stateflow, and the model based embedded software code isgenerated, then test is curried out in the realtime workshop.The whole thesis consists of six sections.Riefly states the ETC technique developinghistory, features, the current application situation and products, and then points out the significance of the thesis and the main content of the research work.Analyzes the dynamics of each part of the throttle body, including pneumatics, spring torque, friction etc, and then deduces mathematical model of ETCS. And system identification is also done using the toolbox of Matlab.In the mechanical and electrical control system, the most universal controller is a PID controller, the parameters of PID controller is easy to set, in the longterm application has accumulated rich experience, is in continuous control system technology is mature, widely used as a controller. PID controller for analog PID controller and digital PID controller, the system uses a single chip control, the system used in the design of digital PID control algorithm.Again on the electronic throttle control system function analysis, the electronic throttle control system hardware circuit prises a control chip module, input module, output module and a munication module in detail, and the design of the magoresistive sensor based on the angular displacement measuring system.Finally on the subject content summary.Key Words: electronic throttle control。 ECU。 variable structure slidingmode control。 Control Strategy。 Hardware System目 錄1 緒論 ....................................................................................................................................................................1 汽車電子技術(shù) .............................................................................................................................................1 發(fā)動機電子控制 .........................................................................................................................................1 電子節(jié)氣門 .................................................................................................................................................2 節(jié)氣門特性 .........................................