汽车电子节气门的工作原理.docx

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1、汽车电子节气门的工作原理汽车电子节气门控制(EIeCtrOniC Throttle Control, ETC)系统 是伴随汽车电子驱动理念而诞生的.ETC系统由位于发动机进气 歧管内的电子节气门体(ETB)和专门的控制系统组成.它通过传 感器、控制器、节气门驱动装置实现与发动机管理系统(EMS)的 配合：根据驾驶员和发动机转矩需求、汽车行驶状态等相关信息 快速且精确地控制节气门开度，以此来精确调节进气量，使发动 机在最合适的状态下工作；使车辆具有良好的怠速、加速及减速 工况过渡性能，从而有效降低排放和燃油消耗，提高汽车的动力 性、平稳性、安全性和舒适性；同时ETC系统也能按照车辆其他 系统，如

2、驱动防滑控制(ASR)系统、巡航控制(CCS)系统、车辆稳 定性控制(VSC)系统等的要求，改变节气门开度和发动机扭矩输 出.ETC系统已成为高档轿车的标准配置。1 .电子节气门的结构组成及工作原理1.1 节气门的结构1.1.1 传统节气门油门踏板拉索或连杆节气门挡板图1传统节气门连接方式传统节气门的连接方式如图1所示.传统拉线式机械节气门采用的是刚性连接方式，其结构包括加速踏板、杠杆、拉绳、节 气门阀体等。踏板通过拉索或连杆与节气门挡板相连，驾驶员以 踩下或释放加速踏板的方式控制进入气缸的空气流量。这种刚性 连接方式的优点在于结构简单、可靠性较高、能快速反映驾驶员 意图，但节气门开度由驾驶员

3、主观控制，即将控制发动机进气量 的任务完全交给了驾驶员，未考虑车辆工况、道路、天气等条件。 此时节气门开度不一定是最佳开度，不能保证发动机的工作状态 与汽车的运行情况实现最佳匹配。随着EMS的出现，以及对汽 车经济性、舒适性和排放指标的要求越来越苛刻，电子节气门应 运而生。1.1.2 电子节气门电子节气门作为机电一体化产品，主要由位置传感器、控制系统 和执行机构组成，如图2所示。节气门体驱动电机72ZV减速齿轮组 节气门阀节气门位置传感器图2电子节气门的分解示意其中执行机构由ETB、驱动电机、减速齿轮组和复位弹簧等组成。(1)电子节气门阀体节气门阀体由节气门阀片和转轴构成.节气门阀片具有一定

4、厚度，阀门完全关闭会导致阀片卡在进气管，因此完全关闭角(节 气门阀片和空气流进入阀体的垂直方向的夹角)并不是0,而是2。a节气门全关 b节气门静态位置 c节气门部分开启 图3电子节气门不同开度时的位置将阀片设计成椭圆形(图3a),其节气门阀开度范围是0。88。 在静态时，阀门并不是完全关闭的，而是通过复位弹簧使节气门 开度保持在9。左右(图3b)。当节气门开启6时，有效区域是节气 门阀在垂直于气流方向上的投影区域(图3c)o(2)驱动电机驱动电机采用具有较高响应速度、精度和频率的12V直流伺 服电机为节气门阀片提供适当转矩。为了降低功耗和平滑电流峰 值，发动机电控单元(ECU)分别在2个脉宽调

5、制(PWM)通道上输 出信号，控制双向H桥电路对角线上的2组功率晶体管同时导通。具体为通过改变电流方向来控制驱动电机转动方向，通过改变脉 宽调制信号的占空比来调节驱动电流大小以控制电机的转矩，再 通过减速齿轮组向节气门阀传递相应的扭矩。(3)减速齿轮组由图2可以看出，节气门阀体上的减速齿轮组连接着驱动电 机和节气门阀.齿轮装置由主动齿轮(np)、中间齿轮(nm, ni)和 从动齿轮(nu)组成，如图4所示。驱动电机通过2级齿轮的减速来增大扭矩，从而减小电机转 动过程中的运动冲击.力矩的改善使得电机的尺寸减小，同时齿 轮组使电机与节气门轴平行放置，因此节气门尺寸减小，结构更 紧凑。(4)跛行复位

6、弹簧电子节气门体内有2个正反弹性系数不同的内置复位弹簧, 它们在各自方向独立起作用，并且都有一定的预紧力。如前所述， 当驱动电机输出扭矩为O即静态时，复位弹簧使节气门保持一个 约9。的开度，这个位置被称为故障安全位置的“跛行回 家”(LimP-Home, LH)位置，因而复位弹簧是电子节气门引入的 机械保护装置。为了实现这一点，主弹簧用于关闭节气门，而另一个位于阀 门的柱塞总成上的弹簧，使节气门阀以默认角度打开。当ETC系 统或驱动电机出现故障时，复位弹簧可以使节气门阀回到稍高于 完全关闭的L-H位置，以保证发动机怠速工作的进气量需求， 汽车能“跛行”至最近的车辆维修站。1.2 节气门位置传感

7、器节气门位置传感器(ThrOttle Position Sensor, TPS)是节气门 状态的唯一检测元件，通常有接触型和非接触型2种，用于将实 时采集的节气门开度转换为电压信号输出，以便对闭环控制进行 位置反馈。接触型TPS采用输出信号互补式变化的双冗余式传感器测 量节气门位置，2路传感器信号虽电压变化趋势相反，但其和值 应始终等于供电电源+5 V,这可作为硬件故障识别的依据。当某 一路传感器出现异常时，系统及时检测并切换到另一路传感器， 从而提高系统的安全性和稳定性。目前，在许多车辆上使用的节气门位置传感器由带有移动触 点的厚膜电阻电位器组成，提供与节气门轴位置成正比的输出信 号。非接触

8、型TPS在传感器技术中使用霍尔效应、磁阻或感应原 理.基于这些原理，节气门阀的旋转运动被转换成与传感器的旋 转角成正比的线性输出电压。与接触型TPS相比，非接触型具有 更高的可靠性和更长的使用寿命。1.3 控制系统1.3.1 电子加速踏板当驾驶员踩下电子加速踏板，加速踏板角度的变化及其改变 的速度，通过节气门位置传感器将信号转换为电信号并传递给控 制单元，控制单元由此获得驾驶员的驾驶意图.根据当前行驶状 态下发动机整体转矩需求和其他参数，如发动机负荷、发动机转 速、冷却液温度等，以及ECU预设的控制策略，控制单元计算 出所需进气量，进而计算出节气门最佳开度，控制驱动电机的输 出力矩，使电机克服

9、复位弹簧扭矩，节气门阀片轴旋转，达到相 应的开度。1.3.2 ECUECU是ETC系统的核心，一般集成在EMS中。EMS由大 量控制模块（控制回路）和电子节气门控制器组成，其主要任务是 根据驾驶员驱动意图控制发动机的输出功率和扭矩，计算所需的 进气量和与之对应的喷油量、最佳点火时间。1.3.3 ETC节气门开度估计策略节气门开度估计模块是ETC系统的重要组成部分。在ETC 节气门开度估计中，通常采用踏板跟随器和基于扭矩这2种方法。 弹簧扭矩是分段线性函数且弹簧刚度差异很大，因此弹簧扭矩取 决于节气门阀是否处于L-H位置附近。(1)踏板跟随器策略踏板跟随器策略通常用于早期的ETC系统，是一种非常

10、简单 的节气门开度估计方法.在该方法中，节气门开度角与驾驶员给 出的加速踏板位置成比例，但在发生发动机怠速或减速、节气门 突然关闭、自动变速器换挡和节气门消除传动间隙等情况时，加 速踏板位置与节气门开度不成比例。驾驶员对汽车动力性能的需求通过加速踏板位置传感器转换 为节气门阀的开启输入，此时节气门仅作为踏板位置的输入函数 来控制.只考虑驱动因素，其他系统要求(如巡航控制、牵引控制、 催化剂加热等)不在节气门的开度估计内，考虑这是踏板跟踪器策 略的主要缺点。(2)基于扭矩的开度估计策略基于扭矩的开度估计策略是将各种输入，诸如驱动需求、发 动机和车辆相关系统需求，转换成发动机扭矩变量，作为发动机

11、控制单元和车辆控制系统内的其他功能的输入。该策略主要由2 个查询表组成：一个是驱动一扭矩一踏板，另一个是空气流量。PmUI Mep 1a妥动扭跑班板b .WSS苔于扭矩的节气门开度估计策略如图5a所示，驾驶者的扭矩需求被转换为对应的加速器踏 板位置和发动机转速，然后，控制系统中的扭矩需求管理器通过 考虑其他系统和驱动器的要求来计算总转矩需求。如图5b所示，对于相应的扭矩值和发动机转速，空气流量 设定值由空气流量图计算。根据空气流量的设定值，通过控制系 统中的数学模型来计算节气门开度角。这2种节气门开度估计策略中，节气门开度角(req)必须通 过节气门阀的精确定位来实现。因此，ETC中的位置控制系统模 块通过TPS的反馈来估计节气门阀的实际位置以调节节气门角 度。然而，非线性使得节气门的实际位置与所需的节气门角输入 相比有出入。为了研究节气门位置的非线性效应，通过考虑电子 节气门体内存在的各种影响，提出综合数学模型。