电子节气门的原理及设计.doc

湖南涉外经济学院电子节气门的原理设计（论文）专题名称 电子节气门的原理及设计系 别 汽车工程系 专 业 汽车运用技术 班 级 200701班（五年） 姓 名 白子健 学 号 12030701051 指导教师 蔡月萍 2011 年 3月 20日目录一 前言.3二 电子节气门系统分类与国内外的研究现状.4三 电子节气门的结构原理.（）电子节气门的系统组成和功能.6四 大众汽车节气门系统的工作原理与控制策略.五 总结.12参考文献.12电子节气门的原理及设计【内容摘要】：介绍电子节气门系统的结构系统与故障分析和排除，以及电子节气门基本结构、工作原理、及其控制策略，并且运用具体实例和多种车型来结合，通过指出传统的节气门的弊端指出电子节气门的优势和目前的不足之处。而在种种相比之下可以看出电子节气门的普及是势在必然的。【关键词】：电子节气门；结构；原理；控制策略【 abstract 】 : to introduce electronic throttle system structure system and fault analysis and exclusions, and electronic throttle basic structure, working principle, and the control strategy, and to use specific examples and range of vehicles to union, by pointing out the disadvantages of traditional throttle pointed out the advantage of electronic throttle and current deficiency. And in various compared can see the popularity of electronic throttle is ShiZaiBiRan.【 key words 】 : electronic throttle; Structure; Principle; Control strategy一、 前言 电子节气门在线传操控技术中是相对容易实现产品化同时具备发展前景的。传统发动机节气门操纵机构采用机械连接方式，应用范畴受到限制并且缺乏精确性。电子节气门通过传感器、微处理器和执行器对节气门进行控制，反应更灵敏，控制更精确，结构简单，非常可靠。电子节气门可以设置各种功能或与其它控制系统ECU通讯来改善驾驶的安全性和舒适性。电子节气门是多种新一代汽车电子控制系统的基础，常见的例如定速巡航控制系统(CCS)和驱动防滑系统(ASR)等，并为汽车上的集中控制提供了基础。二、电子节气门系统分类与国内外的研究现状(1)电液式节气门 电液式节气门，大多数应用在有液压系统的工程机械中。 它具有结构简单、成本低、驱动力大、功耗低等特点，其电液控制的转换主要通过高速开关数字阀实现，控制精度高，对液压油没有太高的要求。 但是由于液压系统存在供油压力波动，液压执行机构之间的摩擦力以及阀所具有的启闭特性等方面的影响，致使其位置响应不精确，速度响应慢。 因此，电液式节气门很少应用在汽车上。 (2)线性电磁铁式节气门 电磁铁式节气门用比例电磁铁作为控制器。 它用电磁力作为驱动力，其中控制信号为电流信号，具有结构简单、体积小、控制方便、响应速度快、稳态精度好，但它的最大作用力受到线圈匝数和最大工作电流的限制，而且在一定的工作负荷下所需的电功耗相对较大。 因此，线性电磁式节气门很少在汽车上应用。 (3)步进电机式节气门 步进电机式节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现油门的开度控制。 驱动步进电机通常采用桥式电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。 步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的优点，但它的控制精度不高。 因此，步进电机式节气门也较少在汽车上应用。 (4)直流伺服电机式节气门 直流伺服电机采用脉冲宽度调制(PWM) 技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。 控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小。 此外，电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。 由于以上的优点，直流伺服电机广泛应用于电子节气门的控制。电子节气门的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，近10年来，国外对电子节气门的研究取得了非常 迅速的发展。发展趋势可总结为：在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统，从单一的控制功能发展到集成多种控制功能，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。 国外多家公司已对电子节气门系统作了深入的研发，比如德国Bosch，Pierburg，美国Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。虽然国内某些轿车，如POLO，也配备了电子节气门系统，但目前对ETC还没有系统深入的研究，也没有成熟的产品。 目前，虽然国内部分高级轿车，如宝来、奥迪、帕萨特、POLO、红旗等已经配备了电子节气门控制系统，但都属于国外引进的技术，对其核心技术了解得很少。可喜的是，今年来，中国第一汽车集团公司开发了电子节气门控制系统，并把该项技术用于红旗HQ3高级轿车上。此外，国内部分高校对电子节气门控制系统开展了研究，并取得了阶段性成果。比如：吉林大学对汽车电子节气门控制器的开发，实现了控制器的动态响应满足设计指标；湖南大学进行了基于OSEK/VDX的电子节气门控制器的研究与开发，构建了基于POW-EROSEK嵌入式操作系统的电子节气门软硬件架构；北京理工大学进行了电子节气门模糊控制器快速控制原型设计。三、 电子节气门系统的基本结构电子节气门系统的基本结构有以下几个部分组成： 1、 发动机 2、 转速传感器 3、 节气门位置传感器 4、 节气门执行器 5、 节气门 6、 加速踏板位置传感器 7、 车速传感器 8、 变速器 9、 加速踏板 10、 节气门电子控制单元（ECU） 其中转速传感器也可以用曲轴位置传感器或者凸轮轴位置传感器来代替；节气门执行器是一个步进电机，由它来推动节气门以控制节气门的开度；加速踏板位置传感器的构造及工作原理和节气门位置传感器的构造及工作原理是一样的；节气门电子控制单元一般是和发动机电子控制单元做在一起的。 电子节气门控制系统的工作原理如上图所示。加速踏板位置传感器（）将司机需要加速或减速的信息传递给节气门电子控制单元（10），ECU 根据得到的信息，计算出相应的最佳节气门位置，发出控制信号给节气门执行器（4），由节气门执行器将节气门开到计算出的最佳节气门的开度位置。ECU 通过与其它电子控制单元（如发动机电子控制单元，自动变速器电子控制单元等）进行通讯，ECU 根据得到的节气门位置传感器（3）信息、发动机转速传感器（2）信号、车速传感器（7）的信息对节气门的最佳位置进行不断的修正，使节气门的开度达到司机所需要的理想位置。（1）电子节气门的系统组成和功能1、带加速踏板位置传感器的加速踏板模块用来确定踏板位置并将踏板位置信号传递给控制单元 2、发动机控制单元（ECU) 接收踏板位置传感器信号，根据输入电压信号计算得知所需动力。并根据其他如急加速，空调，自动变速器起步的扭矩信号，计算出实际的节气门开度。同时还监控节气门系统 3、节气门控制单元控制所需进气量，根据控制系统提供信号调节节气门开度，反馈节气门信号。 4、节气门 故障灯（大众车型在仪表上为EPC灯）提供节气门故障信息给驾驶员 5、传感器和执行器传感器：带油门踏板传感器G79,G185的加速踏板模块，带节气门开度传感器的G187,G188 ,节气门控制器J338,离合器踏板开关F36,制动踏板开关F47,制动灯开关F 6、执行器：带节气门驱动装置的G186和G338，节气门故障灯K132c(划片变组器，等同与油浮子）控制系统根据两个信号来确定踏板位置。2个信号值正好相反，形成对比。 2 当一个传感器坏。系统监测到还有一个节气门信号时，能进入怠速运行，但节气门全开要很慢。系统还通过制动灯开关和制动踏板开关信号来判别怠速状态，关闭巡航，点亮EPC,在故障存储器存储故障码。3 节气门角度传感器G187,.G188(滑动变阻器式）向系统反馈节气门位置信号。装两个传感器是为了精确和备用。当一个传感器坏。系统使用另一个 传感器信号，对加速踏板响应不变，巡航关闭。EPC灯亮 存储故障码。当2 个信号中断，发动机在1500转左右运行，踩油门踏板无反应。EPC灯亮，有故障存储。4离合器踏板开关F36:开关信号，反馈离合器踏板位置，踏板踩下，负载变化功能关闭。系统不对其进行监控，故无故障码存储，也无替代值。5制动踏板开关5制动踏板开关F47和制动灯开关F（开关信号） 反馈制动踏板信号位置信号，控制单元收到踏板信号后，关闭巡航。如加速踏板传感器坏，代为替代怠速信号。6 节气门驱动装置 J186：定位电机。接受系统命令，控制节气门开度。出现故障后，进入紧急运行模式，由弹簧将节气门打开到一定角度，系统运行高与怠速，踩油门没反应。EPC灯亮，存储故障码。7故障灯EPC故障灯K132 ：提示信号。系统正常时打开点火开关3秒自检后熄灭，有故障则常亮。四、大众汽车电子节气门系统的工作原理和控制策略41 电子节气门系统的工作原理 图4-1 电子节气门控制系统图在驾驶员操纵加速踏板时，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入发动机控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给发动机控制单元，形成闭环的位置控制。 节气门定位电机一般为直流电机，控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。 发动机控制单元对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。节气门在回位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点，让维修人员对其检查维修。 42 电子节气门控制系统电子节气门控制系统也称为电动线控驾驶系统，是将巧妙的设计应用于汽车工程的典型例子。大部分用来检验电子节气门控制系统应用于汽车的安全性方面的工作，人们都已经在军用和民用飞机上进行了。如果没有计算机的持续监测和对控制平面的不断调整，一些新型飞机根本就无法飞行。飞机这种对于超可靠性、远程计算机控制执行的需要，大大促进了电动线控驾驶系统相关技术的发展。采用电子节气门控制系统后，一般都是通过加速踏板总成（TPA）来实现驾驶员的意图的，并通过传感器将驾驶员的意图传递给控制电脑。加速踏板总成设置了3个相同的位置传感器，当其中的某个传感器出现故障时，加速踏板仍然可以将驾驶员的意图传递给控制电脑。另外，加速踏板总成还设置了1个怠速开关以及1个节气门全开开关。这2个开关分别对应于驾驶员的最小与最大输入意图。采用加速踏板总成的第2个目的就是让驾驶员仍然能够体验到被替换掉的机械式钢索和弹簧所产生的“脚感”。在节气门总成中，节气门阀片的位置由1个马达调节控制，该马达能够让节气门阀片在180的范围内转动，以得到期望的节气门开度。在典型的电子节气门控制系统中，马达根据控制电脑的指令调节节气门阀片的偏转角度，对于节气门阀片的大部分转动位置，其定位精度一般都在0.5的范围内。当发动机怠速空转时，阀片的转角精确度甚至能控制在0.1的范围内。此外，这种调节马达自身配备有多个位置传感器，能够将节气门的位置信息反馈给控制电脑，形成闭环控制。这样，当控制电脑把指令传给调节马达后，马达就能够根据传感器反馈的信息正确地让节气门阀片转动定位。节气门阀片调节马达本身是遵循电磁场相互作用原理工作的。马达内部有2个方向相反的磁场，并采用脉宽调制技术控制其中1个磁场相对于另1个磁场的大小。通过增大脉冲持续时间的百分比来增加调节马达的转动角度，也就是说，脉冲持续的时间越长，调节马达让节气门阀片转动的角度就越大。作为一种安全保险措施，节气门阀片采用弹簧装置支撑，这样，一旦电子节气门控制系统出现故障的时候，节气门阀片能够在弹簧的作用下回到怠速空转时的位置。43 图1为某产品化车型上采用的电子节气门控制系统的组成示意图，可以代表电子节气门的基本组成。该电子节气门由重新设计的节气门体、电控单元、驱动单元、加速踏板位置传感器和节气门位置传感器组成。图中，直流电机及其驱动器与电子节气门控 图1 电子节气门系统组成控制单元、节气门位置传感器一起构成了闭环的反馈控制系统。节气门体由驱动电机、减速机构、节气门以及节气门位置传感器组成。驱动电机一般采用步