【文章內(nèi)容簡介】 合技術(shù)，即將ASR、 CCS 及 VSC 系統(tǒng)所需要的各傳感器信號(hào)有機(jī)地融合起來，實(shí)現(xiàn)資源共享，協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)間的相互關(guān)系，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 (3) 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要充分考慮不同駕駛員的駕駛個(gè)性和車輛的 行駛環(huán)境。目前對(duì)汽車的減速、怠速、定速和加速控制還存在一定難度，這個(gè)問題的解決還需依靠駕駛行為學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論 （ 人工智能 ） 和汽車電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展來共同解決 [4]。 (1) 由單一功能向多種功能的集成發(fā)展不僅是 ETCS 的發(fā)展方向，也是各種汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。它有助于降低成本，增強(qiáng)各系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系，充分利用車輛各種信息，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 (2) 綜合多種控制策略。為提高節(jié)氣門的控制精度及反應(yīng)速度，采取多種控制方法進(jìn)行綜合控制。目前的發(fā) 展方向是從經(jīng)典的 PID 控制發(fā)展到采用 PID 與現(xiàn)代控制方法相結(jié)合以及采用一些魯棒性更強(qiáng)的控制算法，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 [5]。 (3) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)注重安全可靠性，具有自診斷和失效保護(hù)功能的電子節(jié)氣門系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)控制進(jìn)氣量的關(guān)鍵部件，因此在提高控制精度和進(jìn)行集中控制的同第 1章 引 言 4 時(shí) ,必須注重 ETCS 的安全可靠性，提高系統(tǒng)的故障自診斷和容錯(cuò)能力。 電子節(jié)氣門系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電控的重要組成部分，對(duì)提高汽車的動(dòng)力性、可靠性、舒適性以及燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)汽車的電控具有重要意義。目前，電子節(jié)氣 門系統(tǒng)由于自身成本等因素的制約，只裝配在高檔轎車上。 本設(shè)計(jì)主要研究工作 本文主要對(duì)電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開發(fā)，為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)工作打下基礎(chǔ)，主要研究工作有： (1) 完成了汽車電子的發(fā)展和電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀調(diào)研，并詳細(xì)分析了電子節(jié)氣門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及控制功能。 (2) 分析電子節(jié)氣門體存在的非線性因素，并建立了電子節(jié)氣門的數(shù)學(xué)模型，提出了電子節(jié)氣門系統(tǒng)的模糊 PID 復(fù)合控制策略。 (3) 基于 MC9S12DG128 為主控芯片設(shè)計(jì)了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，包括硬件電路的設(shè)計(jì)和支持軟 件的設(shè)計(jì)，對(duì)開發(fā)的電子節(jié)氣門控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 本章小結(jié) 本章簡單的介紹了電子節(jié)氣門發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。同時(shí)還對(duì)本文的研究工作做了一個(gè)總結(jié)。 第 2章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 5 第 2 章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理 電子節(jié)氣門系統(tǒng)如圖 所示，它采用一種柔性控制方式 (drive by wire)，電子節(jié)氣門系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成 [6]： (1) 加速踏板位置傳感器：加速踏板是反映駕駛員意圖的裝置，它的核心是兩個(gè)電位計(jì)式位置傳感器，其內(nèi)部主要是一個(gè)根據(jù)位移量變化的可 變電阻，電壓值變化范圍為 0V 到 5V 之間。 (2) 電子節(jié)氣門體總成：節(jié)氣門體主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、節(jié)氣門閥片、節(jié)氣門位置傳感器、減速齒輪機(jī)構(gòu)等組成。 (3) 電子節(jié)氣門控制單元 (ECU)： ECU 是整個(gè)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。駕駛員的意圖經(jīng)由 ECU 分析做出判斷，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出指令，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)其開度變化。 圖 電子節(jié)氣門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)，加速踏板位置傳感器將加速踏板位移量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳給 ECU， ECU 通過對(duì)當(dāng)前所處工況進(jìn)行分析和邏輯 處理后發(fā)出控制信號(hào)，控制節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)按照ECU 給定的角度驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門運(yùn)轉(zhuǎn)并達(dá)到所需的開度；同時(shí)節(jié)氣門體上的節(jié)氣門第 2章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 6 位置傳感器將測得的當(dāng)前節(jié)氣門位置信反饋給 ECU，通過反饋控制實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門的 最佳閉環(huán)控制。 電子節(jié)氣門體的結(jié)構(gòu)示意如圖 所示。一般由電機(jī)、減速齒輪、節(jié)氣門位置傳感器等組成。在節(jié)氣門體中，電機(jī)根據(jù) ECU 發(fā)出的控制信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)減速齒輪組，從而帶動(dòng)節(jié)氣門的轉(zhuǎn)動(dòng)（減速齒輪與節(jié)氣門同軸安裝），節(jié)氣門的角度變化引起進(jìn)氣通道截面積的變化，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的變化，從而最終 達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的 [7]。 圖 電子節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)示意圖 (1) 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置飼服控制最優(yōu)先的選擇。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，很高的效率等優(yōu)點(diǎn)；特別是中小功率系統(tǒng)中常采用永磁直流電動(dòng)機(jī)，只需要對(duì)電樞回路一個(gè)回路進(jìn)行控制，電子控制電路相對(duì)較簡單。所以節(jié)氣門控制電機(jī)多采用直流飼服電機(jī)。 (2) 節(jié)氣門片 因節(jié)氣門閥具有一定的厚度，為了避免節(jié)氣門閥在全關(guān)閉位置時(shí)卡在進(jìn)氣第 2章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 7 管道中，節(jié)氣門的全關(guān)閉角度 （ 節(jié)氣門 與進(jìn)氣流垂直方向的夾角 ） 并不是 0176。，而是有 2 的夾角，相應(yīng)地節(jié)氣門形狀設(shè)計(jì)成橢圓形 (圖 )，節(jié)氣門的開度范圍為 2176。 ~88176。靜態(tài)時(shí)節(jié)氣門并非完全關(guān)閉，靠復(fù)位彈簧保持在 9176。的開度 (圖)。節(jié)氣門開度為θ時(shí)，其有效面積為節(jié)氣門在垂直于空氣流動(dòng)方向的投影面積。 (a)節(jié)氣門全關(guān) (b)節(jié)氣門靜態(tài)位置 (c)節(jié)氣門部分開啟 圖 電子節(jié)氣門不同開度時(shí)位置 (3) 節(jié)氣門位置傳感器 節(jié)氣門體連接器有 6 個(gè)引腳：其中 2 個(gè)引腳是電機(jī)的電源線，另外 4 個(gè)引腳是節(jié)氣門位置傳感 器的電源線和信號(hào)線。圖 為電子節(jié)氣門內(nèi)部電路示意圖。 圖 電子節(jié)氣門內(nèi)部接線示意圖 第 2章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 8 節(jié)氣門位置傳感器是節(jié)氣門開度狀態(tài)的唯一檢測元件，電位計(jì)傳感器主要將角位移的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬的電壓量轉(zhuǎn)換成可讀的數(shù)字量。從控制的角度來講，只需要一個(gè)位置傳感器就可以了，但是采用冗余傳感器可以大大增加識(shí)別硬件故障的可靠性，保證車輛行駛的安全性。兩個(gè)傳感器均由同一電源供電，采用同一搭鐵點(diǎn)。設(shè)計(jì)成阻值反向變化，即一個(gè)電阻值增加則另一個(gè)電阻值減少，其輸出電壓成互補(bǔ)的關(guān)系， 同一位置的兩個(gè)傳感器輸出電壓信號(hào)的和始終等于供電電壓 5V，傳感器輸出電壓關(guān)系通過標(biāo)定如圖 所示。 (4) 減速齒輪 動(dòng)力傳動(dòng)采用閉式雙級(jí)減速齒輪傳動(dòng)，齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，保證良好的潤滑和較好的嚙合精度，主要優(yōu)點(diǎn)有：體積小，傳動(dòng)效率高，工作可靠，使用壽命長，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊 [8]。 圖 節(jié)氣門開度量與節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓關(guān)系 加速踏板 節(jié)氣門位置變化直接由加速踏板位置傳感器采集，通過 AD 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳到 ETCS 中，根據(jù)具體狀況控制節(jié)氣門開度。加速踏板模塊是將踏板功能和機(jī)械部件的所有功能統(tǒng)一起來的操作單元。加速踏板位置由加速踏板位置傳感第 2章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 9 器 (Pedal Position Sensor，簡稱 PPS)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入到電控單元，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)稱這種信號(hào)為“駕駛員需求” (Driver Demand)。同樣，出于安全性和可靠性考慮，加速踏板位置傳感器也采用了冗余設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)傳感器，但兩個(gè)傳感器依據(jù)各自相互獨(dú)立的電源運(yùn)行。 用與節(jié)氣門相似的標(biāo)定方法對(duì)踏板進(jìn)行了標(biāo)定，記錄踏板不同旋轉(zhuǎn)角度時(shí)PPS 輸出電壓，得到輸出電壓信號(hào)與踏板旋轉(zhuǎn)角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖。分析標(biāo)定所得數(shù)據(jù) 可知，加速踏板位于任一角度時(shí)，對(duì)應(yīng)的 PPS1 輸出電壓與 PPS2 輸出電壓的差值永遠(yuǎn)為 2V。 圖 踏板位置傳感器與輸出電壓曲線 節(jié)氣門的開度范圍為 2176。 ~88176。，加速踏板的開度范圍為 0176。 ~15176。系統(tǒng)開發(fā)時(shí)暫時(shí)只考慮了節(jié)氣門靜態(tài)位置以上的工作區(qū)域，即 9176。 ~88176。范圍的工作區(qū)域。為了提高控制精度和便于對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行分析比較，將踏板的開度范圍進(jìn)行放大，使得踏板開度為 0176。時(shí)，節(jié)氣門處于靜態(tài)位置；踏板開度為 15176。時(shí)，節(jié)氣門全開。圖 為加速踏板與節(jié)氣門角度的換算關(guān)系曲線。踏板信號(hào)輸入后，根據(jù)換算關(guān)系將其放大， 使得節(jié)氣門能到達(dá)同樣的開度。 ECU ECU 是整個(gè)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心，駕駛員的意圖、發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、汽車整車的運(yùn)行狀況、節(jié)氣門開度等信息都匯總到 ECU 中，經(jīng)過一系列運(yùn)算、第 2章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 10 優(yōu)化控制，最后 ECU 向電機(jī)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)。 圖 加速踏板角度換算曲線 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈沖調(diào)制方式 節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般為步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，兩者的控制方式也有所不同?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)常采用 H 橋電路結(jié)構(gòu)，控制單元通過發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)、頻率和方向控制電平對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。 控制直流電機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM)技 術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。目前，多數(shù)電子節(jié)氣門體的直流電機(jī)采用不可逆 PWM控制技術(shù)，電機(jī)所產(chǎn)生的扭矩和復(fù)位彈簧的扭矩永遠(yuǎn)相反。控制單元通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比來控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)角的大小，電機(jī)方向則是由和節(jié)氣門相連的復(fù)位彈簧控制。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比成正比。當(dāng)占空比一定，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與回位彈簧阻力矩保持平衡時(shí)，節(jié)氣門開度不變；當(dāng)占空比增大時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩克服回位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度增大；反之，當(dāng)占空比減小時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門開度也隨之減小。 電子節(jié)氣門系統(tǒng) 的控制功能 (1) 基于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求的節(jié)氣門控制功能 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，而是控制單第 2章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 11 元根據(jù)當(dāng)前行駛工況下整車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全部扭矩需求，計(jì)算出節(jié)氣門的最佳開度，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門到達(dá)相應(yīng)的開度。控制單元根據(jù)整車扭矩需求獲得所需的理論扭矩，而實(shí)際扭矩通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火提前角和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷等信號(hào)求得。 電子節(jié)氣門系統(tǒng)可改變車輛對(duì)加速踏板響應(yīng)的靈敏度，得到與行駛條件和駕駛員意愿相匹配的加速響應(yīng)特性 [9]。 (2) 海拔高度補(bǔ)償功能 在高海拔地區(qū)行駛時(shí)，由于大氣壓力的降低使車輛性 能下降，此時(shí)電子節(jié)氣門系統(tǒng)通過一個(gè)大氣壓力的函數(shù)作用到當(dāng)前海拔高度值上，進(jìn)行高度補(bǔ)償控制，可保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力與加速踏板位置關(guān)系不隨海拔高度的變化而變化。 (3) 電機(jī)斷電時(shí)的安全性功能 在節(jié)氣門體設(shè)計(jì)中應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電或控制系統(tǒng)出現(xiàn)不能驅(qū)動(dòng)的故障時(shí)，節(jié)氣門能在復(fù)位彈簧的作用下返回到一小開度位置，這一開度可使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較高怠速工況。 (4) 定速巡航控制功能 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。 (5) 怠速控制功能 電子節(jié)氣門系統(tǒng)取消了怠速空氣調(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(shí)現(xiàn)車輛的怠速控制 。 本章小結(jié) 本章首先介紹了機(jī)械式節(jié)氣門結(jié)構(gòu)、工作原理及缺點(diǎn)，重點(diǎn)敘述了電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)對(duì)節(jié)氣門位置傳感器和加速踏板位置傳感器進(jìn)行了標(biāo)定；最后又詳述了電子節(jié)氣門的控制功能。 第 3章 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 12 第 3 章 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析 在電子節(jié)氣門體中，存在的主要問題是非線性問題，它影響著電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制。本文以 SIMENS VDO 第 6 代 L06AG 型電子節(jié)氣門為例進(jìn)行分析，其有 4 類非線性因素，分別是 [10]： (1) 節(jié)氣門 閥片在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)同時(shí)受到庫倫 +粘滑摩擦的作用，在動(dòng)態(tài)過程中造成摩擦力變化不穩(wěn)定。 (2) 彈簧轉(zhuǎn)矩不連續(xù)。 (3) 齒隙非線性，齒輪減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞到節(jié)氣門閥片，齒輪間存在嚙合間隙 。 (4) 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)的空氣對(duì)節(jié)氣門沖擊力隨節(jié)氣門開度不同。 在 4 種非線性因素中，影響最大的是彈簧非線性，其次是氣流的沖擊特性，所以電子節(jié)氣門系統(tǒng)具有時(shí)變性、時(shí)滯性、不確定性等特點(diǎn)，是一個(gè)變參數(shù)的非線性系統(tǒng)。 靜態(tài)時(shí)，節(jié)氣門開度靠復(fù)位彈簧的扭矩保持在 9176。的位置，這個(gè)位置即是“ Limp Home”（跛行回家 ） 位置。當(dāng)運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)電機(jī)非正常斷電，節(jié)氣門在復(fù)位彈簧力的作用下返回到“跛行回家”位置，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)以固定的轉(zhuǎn)速 1500r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，使汽車能以較低的車速返回到修理廠。因而復(fù)位彈簧是電子節(jié)氣門引入的機(jī)械保護(hù)裝置，其扭矩特性示意圖如圖 所示，在靜態(tài)位置前后的開度范圍，復(fù)位彈簧的扭矩方向改變；且怠速時(shí)節(jié)氣門的開度小于節(jié)氣門的靜態(tài)開度。因此，在實(shí)際工作中，電子節(jié)氣門的開度范圍必然包含“跛行回家”位置。復(fù)位彈簧扭矩是電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要負(fù)載，這就要求電機(jī)扭矩能與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)節(jié)氣門需要從較 大開度位置返回到較小開度或節(jié)氣門關(guān)閉位置時(shí)，利用該彈簧較大的扭矩，可以保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。通過對(duì)該彈簧的調(diào)整，還可以調(diào)第 3章 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 13 節(jié)節(jié)氣門初始開度，使節(jié)氣門即使處于最低開度也能提供一定的空氣流量，實(shí)現(xiàn)怠速控制。復(fù)位彈簧的引入，是出于系統(tǒng)安全性考慮的，同時(shí)使節(jié)氣門的控制算法變得更加復(fù)雜 。 設(shè)節(jié)氣門靜態(tài)位置的轉(zhuǎn)角為 0? ，當(dāng)其轉(zhuǎn)角為 ? 時(shí)，需要克服的靜態(tài)位置