电子节气门控制系统设计毕业设计.doc

电子节气门控制系统设计 摘 要 i 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研 究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学 历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集 体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索 与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存 论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内 容。 作者签名： 日 期： 摘 要 ii 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 iii 摘 要 电子节气门产品自 20 世纪 80 年代问世以来，已逐渐应用到各种中、高级 轿车中。相对于传统的机械式节气门，电子节气门系统(etcs)能根据驾驶员的 驾驶意图以及整车行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆具有最佳的动力 性和燃油经济性，并能够为怠速控制(idl)、驱动防滑控制(asr)和巡航控制 (ccs)等电子控制功能的实现奠定基础，从而提高安全性和乘坐舒适性。同时， 对于混合动力汽车，为了实现能量的管理和分配，电子节气门也成为了必然的 选择。本文对电子节气门系统进行了研究和开发，为电子节气门在混合动力轿 车上的应用奠定了基础。 本文分析了电子节气门系统的工作原理、基本结构以及机械结构中存在的 非线性因素和各自的特性，如复位弹簧、气流的冲击、库伦+粘滑摩擦等。测 定电子节气门的关键参数，建立了电子节气门系统的数学模型。 为了适应电子节气门控制系统的快速动态特性，抑制由于电子节气门体的 非线性因素对控制特性的影响，提出了一种新的模糊 pid 复合控制策略，通过 模糊控制提高电子节气门系统的动态性能，用智能积分 pid 控制保证系统的稳 态能，利用权重因子函数改善控制切换过程。 电子节气门控制器采用飞思卡尔公司的 mc9s12dg128 单片机作为主控芯 片,同时硬件系统还包括控制器的供电电源模块、直流电机的脉宽调制驱动模块、 串行通信模块和 can 总线通信模块等。采用 codewarrior 编译的程序软件，完 成了控制功能和调试功能。为了对系统状态实时显示和故障报警，以及在控制 过程中进行数据采集，本文开发出基于 labwindows/cvi 的串口通信系统。 试验结果表明:模糊 pid 复合控制相对于 pid 控制和智能积分 pid 控制能够 较精确地控制节气门开度，减小超调量，瞬态误差较小，滞后时间较短。所开 发的模糊 pid 复合控制器能够完成电子节气门系统的控制功能要求。 关键词关键词：电子节气门；非线性；模糊 pid 复合控制策略 abstract ii abstract since the electronic throttle product was developed in the eighties of the twentieth century, it has gradually been applied to high-grade automobile. relative to the traditional mechanical throttle, the electronic throttle control system can sense the drive intention from the driver and the current situation of the auto, and then decide the correct throttles position, so that the dynamic performance and fuel economy can be improved. furthermore, its helpful to realize some electronic control function, such as idl, asr and ccs, thereby the security and driving comfort can be improved. with the appearance of hybrid vehicle, electronic throttle becomes an inevitable choice for the power control and management for hybrid vehicle. in this paper,the electronic throttle control system was researched and developed, which laid the foundations of applying the etcs to vehicle. the principle and basic structure of the electornic throttle control system(etcs) was analyzed. the nonlinearity characteristics including nonlinear spring, aerodynamic impact, coulomb and viscous friction in the mechanical part of the throtle body was studied too. after the analysis of the etcs, the key parameters of the throttle was measured. the numerical model of the electronic throttle control was built up. in order to adapt the swift dynamic characteristics of etcs and restrain influence on control performance owing to nonlinearity factors of etcs, a new fuzzy-pid multiple compound control method is proposed. the robust dynamic characteristic of etcs is attained by fuzzy control and the static performance is ensured by intelligent integral pid control, while switching process between two control methods is improved by using weighting factor function. the main microchip of the electrionic throttle controller is mc9s12dg128 which is manufactured by freescale. in this paper, the power supply module, dc motors pwm drive module, serial communication module, can bus communication abstract iii module and so on, was designed. the software, which is programmed with codewarrior software for microcontroller accomplished control, function and serial communication function.in order to display the state of the system in real time and give an alarm when malfunction occurs, serial communication system based on labwindows/cvi was designed. the results of the experiments show that the fuzzy-pid multiple compound control method can exactly control the throttles position, the overshoot is reduced, the transient tracking error is small and the hysteresis is short, while the pid control method and intelligent integral pid control method dont work well. so the etcss controller which was developed based on fuzzy-pid control strategy can meet etcss function requirements. key words: electronic throttle, nonlinearity, fuzzy-pid multiple compound control strategy 目 录 iv 目 录 摘 要 .i abstract ii 目 录iv 第 1 章 引 言1 1.1 电子节气门产生的背景.1 1.2 电子节气门在国内外的发展状况 2 1.2.1 电子节气门在国外的发展状况2 1.2.2 电子节气门在国内的发展状况2 1.3 电子节气门存在的问题及未来的发展趋势3 1.3.1 电子节气门存在的问题.3 1.3.2 电子节气门系统发展的趋势3 1.4 本设计主要研究工作 4 1.5 本章小结 4 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理5 2.1 电子节气门系统的结构和工作原理.5 2.1.1 电子节气门体.6 2.1.2 加速踏板8 2.1.3 电控单元 ecu9 2.2 驱动电机的脉冲调制方式 .10 2.3 电子节气门系统的控制功能10 2.4 本章小结 11 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模.12 3.1 电子节气门系统非线性分析12 3.1.1 复位弹簧的非线性13 3.1.2 传动齿轮齿隙非线性.13 目 录 v 3.1.3 节气门阀片运动中的非线性15 3.1.4 节气门阀片气流冲击特性.15 3.2 电子节气门系统的数学模型17 3.2.1 直流电机的数学模型.17 3.2.2 节气门的数学模型18 3.2.3 节气门位置传感器数学模型18 3.3 电子节气门系统的物理参数标定 19 3.4 本章小结 20 第 4 章 控制系统硬件设计21 4.1 控制系统结构 .21 4.2 硬件电路设计 .21 4.2.1 控制单元 ecu 的设计 21 4.2.2 电源管理模块的设计.23 4.2.3 电机驱动电路的设计.24 4.3 本章小结 27 第 5 章 控制系统软件设计 28 5.1 控制系统软件设计28 5.1.1 软件的总体功能分析.28 5.1.2 软件子程序流程图29 5.2 串行通信系统的开发 32 5.2.1 串行通信协议设计32 5.2.2 单片机串行通信子程序流程图33 5.3 本章小结 34 结 论.35 参考文献 .36 致 谢.37 附 录.38 目 录 vi 系统原理图38 第 1 章 引 言 - 1 - 第 1 章 引 言 电子节气门是发动机管理系统中的重要部件，是实现发动机全电控的基础， 现在已经得到越来越广泛的应用。国内只是处于引进使用阶段，没有深入的系 统研究报道，可供借鉴的经验不多，对国外的核心技术知之甚少。因此，吸收、 借鉴国外先进的控制经验，深入研究电子节气门控制系统的工作原理以及控制 策略意义非常重大。 1.1 电子节气门产生的背景 随着汽车保有量的不断增多，石油能源消耗急剧增加，汽车排放的大量尾 气引起温室效应，空气污染也越来越多地为全世界所重视，因此美国、日本、 欧洲等相继制定了严厉的排放法规，并且交通事故日益增多。随着社会的不断 进步，人们对生活质量的要求不断提高，对汽车性能也随之提出更高的要求。 所以汽车采用电子控制技术成为必然的趋势。近年电子技术的迅猛发展，特别 是微型计算机技术的巨大进步，为汽车电子技术的发展提供了必要的条件，将 电子控制和传统的机械技术相结合，使得汽车在环保、节能、安全、舒适等方 面得到进一步的提高1。 影响汽车发动机性能（如动力性、经济性、排放净化性等）的两个主要因 素是：燃烧前的点火时刻和可燃混合气的空燃比。汽车电子控制技术始于发动 机点火控制，随后电控燃油喷射系(electronicfuel injection，简称 efi)以其精确 的空燃比控制逐渐取代化油器，电控燃油喷射系统相对于化油器的优点如下： (1) 混合气的各缸分配均匀性好。在多点喷射系统中，由于每一气缸都有一 个喷油器，其喷油量是电子控制单元(electronic control unit，ecu)根据发动机 的转速、负荷以及其他状态的变化进行精确控制2，故能使燃油均匀地分配给 各个气缸； (2) 动力性强。采用 efi 后，发动机的进气可不必预热，可吸入密度较大的 冷空气，同时进气歧管阻力减少，所以充气系数提高。 (3) 加速性能好。由于汽油是直接喷射到发动机进气门处，混合气经过的路 第 1 章 引 言 - 2 - 程短，反应灵敏，因此减少了滞后现象，从而加速性能得到改善。 (4) 耗油量低，经济性好。efi 系统最突出的优势就是能实现空燃比的高精 度控制，因为汽油是在一定的压力下喷射的，燃油雾化品质好，且喷油量是精 确控制的，混合气的空燃比为最佳值且各缸分配均匀，下坡时又可以完全不喷 油，发动机对空气进行压缩，所以可以降低燃油消耗量。 1.2 电子节气门在国内外的发展状况 1.2.1 电子节气门在国外的发展状况 20 世纪 70 年代后期，随着线控驱动(drive-by-wire)的理念就开始了 etcs 相关技术的研究工作。20 世纪 80 年代开始有产品问世，bosch（博世）公司的 etc 产品在某些赛车上就有应用。1988 年，在宝马(bwm750il)轿车上也开始 装置 etcs。但由于其价格昂贵，技术和市场条件也不成熟，因而发展缓慢。 直到 20 世纪 90 年代初，日本、美国、德国等国家一些汽车电子公司对其研究 相继加大了投入，etc 产品市场开始活跃。1995 年以后，德国 bosch（博世） ， pierburg（皮尔博格）等公司陆续推出第 1 代和第 2 代 etc 产品，它们的发展 趋势都是全电子化。近年来，etc 产品的发展更是如雨后春笋，各公司都不断 推陈出新。visteon 公司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起， 成为下一代空燃比控制集成的典范，而 bosch 和 delphi 公司的产品在综合控制 与监测性能上则为楷模。到 2000 年，etc 产品开始大规模进入市场。 目前，产品一般都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上，如 bosch 公司为奔驰和宝马等提供产品，丰田为凌志和苏帕拉配置产品，delphi 公司为一些运动车型及流行车型如 1.6 l 欧宝、雅特等推出第 2 代 etc 系统产 品。国外的宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中已经广泛 应用 etcs。 1.2.2 电子节气门在国内的发展状况 国内对 etcs 研究尚处于起步阶段。虽然一汽大众、上海大众、上海通用 及广州本田等公司生产的部分高级轿车上已经配置了电子节气门系统，但都属 第 1 章 引 言 - 3 - 国外引进的技术,其关键技术未能消化吸收，未能形成具有我国自主知识产权的 etcs 产品。可喜的是，奇瑞公司在 2004 年开发了电子节气门系统，用于旗云 cvt 轿车上3。另外，国内部分高校近年来也对 etcs 开展了研究与技术探索， 并取得了阶段性成果。如清华大学研制的发动机电控节气门控制器，实现了混 合动力电动汽车用发动机的扭矩控制，武汉理工大学进行了基于 dsp 的电子油 门控制的研制，重庆大学研究出由高速开关阀控制的电液式节气门执行器。 1.3 电子节气门存在的问题及未来的发展趋势 1.3.1 电子节气门存在的问题 (1) 控制系统复杂，精确控制困难。etc 系统与 asr、ccs 及 vsc 等多种 系统相连，需要控制的参数多，控制逻辑复杂。 (2) 在进行多种控制功能集成时，控制系统之间需采用信息融合技术，即将 asr、ccs 及 vsc 系统所需要的各传感器信号有机地融合起来，实现资源共 享，协调各个系统间的相互关系，提高控制系统的稳定性和可靠性。 (3) 电子节气门控制系统设计需要充分考虑不同驾驶员的驾驶个性和车辆的 行驶环境。目前对汽车的减速、怠速、定速和加速控制还存在一定难度，这个 问题的解决还需依靠驾驶行为学理论、神经网络控制理论（人工智能）和汽车 电子技术的进一步发展来共同解决4。 1.3.2 电子节气门系统发展的趋势 (1) 由单一功能向多种功能的集成发展不仅是 etcs 的发展方向，也是各种 汽车电子控制系统的发展方向。它有助于降低成本，增强各系统间的内在联系， 充分利用车辆各种信息，从而进一步提高系统的稳定性和可靠性。 (2) 综合多种控制策略。为提高节气门的控制精度及反应速度，采取多种控 制方法进行综合控制。目前的发展方向是从经典的 pid 控制发展到采用 pid 与 现代控制方法相结合以及采用一些鲁棒性更强的控制算法，从线性控制发展到 非线性控制，从单一模式控制发展到多模式控制5。 (3) 系统设计注重安全可靠性，具有自诊断和失效保护功能的电子节气门系 第 1 章 引 言 - 4 - 统是发动机控制进气量的关键部件，因此在提高控制精度和进行集中控制的同 时,必须注重 etcs 的安全可靠性，提高系统的故障自诊断和容错能力。 电子节气门系统是汽车发动机实现电控的重要组成部分，对提高汽车的动 力性、可靠性、舒适性以及燃油经济性，实现汽车的电控具有重要意义。目前， 电子节气门系统由于自身成本等因素的制约，只装配在高档轿车上。 1.4 本设计主要研究工作 本文主要对电子节气门的控制系统进行了研究与开发，为发动机台架试验 工作打下基础，主要研究工作有： (1) 完成了汽车电子的发展和电子节气门控制系统的研究现状调研，并详细 分析了电子节气门系统的结构、工作原理及控制功能。 (2) 分析电子节气门体存在的非线性因素，并建立了电子节气门的数学模型， 提出了电子节气门系统的模糊 pid 复合控制策略。 (3) 基于 mc9s12dg128 为主控芯片设计了电子节气门控制系统，包括硬件 电路的设计和支持软件的设计，对开发的电子节气门控制器进行了实验，并对 实验结果进行对比分析。 1.5 本章小结 本章简单的介绍了电子节气门发展现状以及发展前景。同时还对本文的研 究工作做了一个总结。 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 - 5 - 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 2.1 电子节气门系统的结构和工作原理 电子节气门系统如图 2.1 所示，它采用一种柔性控制方式(drive by wire)， 电子节气门系统由以下几个部分组成6： (1) 加速踏板位置传感器：加速踏板是反映驾驶员意图的装置，它的核心是 两个电位计式位置传感器，其内部主要是一个根据位移量变化的可变电阻，电 压值变化范围为 0v 到 5v 之间。 (2) 电子节气门体总成：节气门体主要由驱动电机、节气门阀片、节气门位 置传感器、减速齿轮机构等组成。 (3) 电子节气门控制单元(ecu)：ecu 是整个电子节气门控制系统的核心。 驾驶员的意图经由 ecu 分析做出判断，给驱动电机发出指令，由电机驱动节 气门阀片转动，调节其开度变化。 图 2.1 电子节气门系统结构图 电子节气门系统的工作原理是：当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置 传感器将加速踏板位移量信号转换为电压信号传给 ecu，ecu 通过对当前所 处工况进行分析和逻辑处理后发出控制信号，控制节气门驱动电机，使电机按 照 ecu 给定的角度驱动节气门运转并达到所需的开度；同时节气门体上的节 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 - 6 - 气门位置传感器将测得的当前节气门位置信反馈给 ecu，通过反馈控制实现对 节气门的最佳闭环控制。 2.1.1 电子节气门体 电子节气门体的结构示意如图 2.2 所示。一般由电机、减速齿轮、节气门 位置传感器等组成。在节气门体中，电机根据 ecu 发出的控制信号运转，并 驱动减速齿轮组，从而带动节气门的转动（减速齿轮与节气门同轴安装） ，节 气门的角度变化引起进气通道截面积的变化，进而引起发动机空燃比的变化， 从而最终达到调节发动机转速和转矩的目的7。 图 2.2 电子节气门体结构示意图 (1) 驱动电机 至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置饲服控制最优先的 选择。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，很高的效率等优点；特 别是中小功率系统中常采用永磁直流电动机，只需要对电枢回路一个回路进行 控制，电子控制电路相对较简单。所以节气门控制电机多采用直流饲服电机。 (2) 节气门片 因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在进气 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 - 7 - 管道中，节气门的全关闭角度（节气门与进气流垂直方向的夹角）并不是 0， 而是有 2 的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形(图 2.3a)，节气门的开度范 围为 288静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在 9的开度(图 2.3b)。节气门开度为 时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向的投 影面积。 (a)节气门全关 (b)节气门静态位置 (c)节气门部分开启 图 2.3 电子节气门不同开度时位置 (3) 节气门位置传感器 节气门体连接器有 6 个引脚：其中 2 个引脚是电机的电源线，另外 4 个引 脚是节气门位置传感器的电源线和信号线。图 2.4 为电子节气门内部电路示意 图。 图 2.4 电子节气门内部接线示意图 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 - 8 - 节气门位置传感器是节气门开度状态的唯一检测元件，电位计传感器主要 将角位移的变化转换成电压变化，通过模数转换器，将模拟的电压量转换成可 读的数字量。从控制的角度来讲，只需要一个位置传感器就可以了，但是采用 冗余传感器可以大大增加识别硬件故障的可靠性，保证车辆行驶的安全性。两 个传感器均由同一电源供电，采用同一搭铁点。设计成阻值反向变化，即一个 电阻值增加则另一个电阻值减少，其输出电压成互补的关系，同一位置的两个 传感器输出电压信号的和始终等于供电电压 5v，传感器输出电压关系通过标定 如图 2.6 所示。 (4) 减速齿轮 动力传动采用闭式双级减速齿轮传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，保 证良好的润滑和较好的啮合精度，主要优点有：体积小，传动效率高，工作可 靠，使用寿命长，传动比准确，结构紧凑8。 图 2.6 节气门开度量与节气门位置传感器输出电压关系 2.1.2 加速踏板 节气门位置变化直接由加速踏板位置传感器采集，通过 ad 转换成数字量 传到 etcs 中，根据具体状况控制节气门开度。加速踏板模块是将踏板功能和 机械部件的所有功能统一起来的操作单元。加速踏板位置由加速踏板位置传感 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 - 9 - 器(pedal position sensor，简称 pps)转化为电信号输入到电控单元，发动机管理 系统称这种信号为“驾驶员需求”(driver demand)。同样，出于安全性和可靠 性考虑，加速踏板位置传感器也采用了冗余设计，设计了两个传感器，但两个 传感器依据各自相互独立的电源运行。 用与节气门相似的标定方法对踏板进行了标定，记录踏板不同旋转角度时 pps 输出电压，得到输出电压信号与踏板旋转角度之间的对应关系曲线，如图 2.7。分析标定所得数据可知，加速踏板位于任一角度时，对应的 pps1 输出电 压与 pps2 输出电压的差值永远为 2v。 图 2.7 踏板位置传感器与输出电压曲线 节气门的开度范围为 288，加速踏板的开度范围为 015。系统开 发时暂时只考虑了节气门静态位置以上的工作区域，即 988范围的工作区 域。为了提高控制精度和便于对控制结果进行分析比较，将踏板的开度范围进 行放大，使得踏板开度为 0时，节气门处于静态位置；踏板开度为 15时， 节气门全开。图 2.8 为加速踏板与节气门角度的换算关系曲线。踏板信号输入 后，根据换算关系将其放大，使得节气门能到达同样的开度。 2.1.3 电控单元 ecu ecu 是整个电子节气门控制系统的核心，驾驶员的意图、发动机的工况、 汽车整车的运行状况、节气门开度等信息都汇总到 ecu 中，经过一系列运算、 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 - 10 - 优化控制，最后 ecu 向电机发出一个控制信号。 图 2.8 加速踏板角度换算曲线 2.2 驱动电机的脉冲调制方式 节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。 控制步进电机常采用 h 桥电路结构，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。 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。目前，多数电子节气门体的直流电机采用不可逆 pwm 控制技术，电机所产生的扭矩和复位弹簧的扭矩永远相反。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。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。 2.3 电子节气门系统的控制功能 (1) 基于发动机扭矩需求的节气门控制功能 电子节气门系统的节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是控制单 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 - 11 - 元根据当前行驶工况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开 度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。控制单元根据整车扭矩需求获 得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷等 信号求得。 电子节气门系统可改变车辆对加速踏板响应的灵敏度，得到与行驶条件和 驾驶员意愿相匹配的加速响应特性9。 (2) 海拔高度补偿功能 在高海拔地区行驶时，由于大气压力的降低使车辆性能下降，此时电子节 气门系统通过一个大气压力的函数作用到当前海拔高度值上，进行高度补偿控 制，可保证发动机输出动力与加速踏板位置关系不随海拔高度的变化而变化。 (3) 电机断电时的安全性功能 在节气门体设计中应保证驱动电机断电或控制系统出现不能驱动的故障时， 节气门能在复位弹簧的作用下返回到一小开度位置，这一开度可使发动机工作 在较高怠速工况。 (4) 定速巡航控制功能 巡航控制系统又称为速度控制系统，它是一种减轻驾车者疲劳的装置。 (5) 怠速控制功能 电子节气门系统取消了怠速空气调节阀，而是直接由控制单元调节节气门 开度来实现车辆的怠速控制。 2.4 本章小结 本章首先介绍了机械式节气门结构、工作原理及缺点，重点叙述了电子节 气门的结构组成、工作原理及优点；同时对节气门位置传感器和加速踏板位置 传感器进行了标定；最后又详述了电子节气门的控制功能。 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 12 - 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 3.1 电子节气门系统非线性分析 在电子节气门体中，存在的主要问题是非线性问题，它影响着电子节气门 系统的控制。本文以 simens vdo 第 6 代 l06ag 型电子节气门为例进行分析， 其有 4 类非线性因素，分别是10： (1) 节气门阀片在运动过程中会同时受到库伦+粘滑摩擦的作用，在动态过 程中造成摩擦力变化不稳定。 (2) 弹簧转矩不连续。 (3) 齿隙非线性，齿轮减速机构将电机驱动转矩传递到节气门阀片，齿轮间 存在啮合间隙。 (4) 发动机工作时进气道内的空气对节气门冲击力随节气门开度不同。 在 4 种非线性因素中，影响最大的是弹簧非线性，其次是气流的冲击特性， 所以电子节气门系统具有时变性、时滞性、不确定性等特点，是一个变参数的 非线性系统。 3.1.1 复位弹簧的非线性 静态时，节气门开度靠复位弹簧的扭矩保持在 9的位置，这个位置即是 “limp home”（跛行回家）位置。当运行中驱动电机非正常断电，节气门在复 位弹簧力的作用下返回到“跛行回家”位置，此时发动机以固定的转速 1500r/min 运转，使汽车能以较低的车速返回到修理厂。因而复位弹簧是电子节 气门引入的机械保护装置，其扭矩特性示意图如图 3.1 所示，在静态位置前后 的开度范围，复位弹簧的扭矩方向改变；且怠速时节气门的开度小于节气门的 静态开度。因此，在实际工作中，电子节气门的开度范围必然包含“跛行回家” 位置。复位弹簧扭矩是电子节气门驱动电机的主要负载，这就要求电机扭矩能 与之对应。当节气门需要从较大开度位置返回到较小开度或节气门关闭位置时， 利用该弹簧较大的扭矩，可以保证系统响应的快速性。通过对该弹簧的调整， 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 13 - 还可以调节节气门初始开度，使节气门即使处于最低开度也能提供一定的空气 流量，实现怠速控制。复位弹簧的引入，是出于系统安全性考虑的，同时使节 气门的控制算法变得更加复杂。 设节气门静态位置的转角为，当其转角为时，需要克服的静态位置力 0 矩为 (3-1) openclose dtt 总的弹簧力矩为： (3-2) 00 sgn spsp ttd 式(3-1)和式(3-2)中，为“跛行”功能角，为弹簧的复位弹力，为非线 0 sp td 性扭转弹簧的增益。 图 3-1 复位弹簧的扭矩示意图 3.1.2 传动齿轮齿隙非线性 由于节气门驱动电机转速较高而输出扭矩较小时，转速高达 40005000r/min，节气门阀片本身有一定的转动惯量并受到一定的摩擦力和复 位弹簧作用力，如果由直流电机直接驱动节气门阀片中心轴，则需要功率较大 的电机11，因此电子节气门总成上都设计有一套齿轮减速机构，包括主动齿轮、 中间齿轮和从动齿轮等，一级减速比为 5:1，二级减速比为 4:1，因此总减速比 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 14 - 为 20:1。齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度。 齿轮间隙的影响相当于一种滞后扰动，会造成调速系统电气性能的不稳定 性，这在机械方面是无法克服的，所以需要加强抗干扰措施，将影响减少到最 小，达到允许的范围之内。为采取措施减小影响，有必要仔细分析齿轮间隙造 成的滞后扰动。 定义 x 为主动轴的角位移，即非线性特性的输入量，y 为从动轴的角位移， 即非线性特性的输出量，两边的齿隙宽度分别为占，即为死区宽度。假设 主动轮齿的初始位置在两从动轮齿的中间位置，那么当主动齿轮转过以后， 从动轴才会跟着主动轴转动；反向时主动轴先要空转 2的距离，从动轴才会 跟着转动。因此，主从动齿轮间存在严重的非线性关系，齿隙特性如图 3.2 所 示12。 0 x y 图 3.2 传动齿轮齿隙特性图 电机输出转矩和节气门输入转矩之间的关系如下： x y (3-3),yf x 由于新的电子节气门体齿轮磨损非常小，所以本文建模时没有考虑。而对 于使用时间较长的电子节气门体，由于磨损较严重，导致齿轮齿隙较大，则必 须予以重视。 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 15 - 3.1.3 节气门阀片运动中的非线性 节气门阀片在运动过程中要受到摩擦阻力矩的作用。系统中受到的摩擦力 十分复杂，有干摩擦、边界摩擦、液体和气体的混合摩擦等。本文采用经典的 “静摩擦+库仑摩擦+粘滞摩擦”模型。在实际转动过程中忽略掉静摩擦，摩擦 力矩包括粘性摩擦力矩和库仑摩擦力矩。粘性摩擦力矩与节气门阀片的转速 d t 大小有关，方向与转动方向相反；库仑摩擦力矩则与节气门阀片运动方向有 f t 关，方向亦与其相反。 (3-4) fridf ttt (3-5) dd d tk dt (3-6)sgn ff d tk dt 式(3-6)中，为总摩擦力矩；为粘性摩擦力矩系数；为库伦摩擦力矩系 fri t d k f k 数。 3.1.4 节气门阀片气流冲击特性 进气气流作用在节气门上产生较小的力矩，节气门的开度不同，引起气流 挠动，其产生的力矩不同。其大小为 (3-7)cos airfowafa tr f 其中 2 cos , apatmmpp fpapppar 整理可得 (3-8) 22 cos airflowafatmmp trppr 式(3-7)和式(3-8)中，为节气门的半径()；为气流冲击力的焦点到节气 p rm af r 门中心的距离()；为进气歧管的压强()；为大气压强()。m m p 2 /n m atm p 2 /n m 考虑到电子节气门控制试验中，无法模拟进气气流冲击节气门片，则必须 找到一种替代方案。park 使用自由流线理论建立了节气门阀片所受水力扭矩 的数学模型，能够很好地说明节气门阀片随节气门开度变化所受的不同的气流 冲击力矩。本文决定采用此方案。假设作用在节气门阀片上的气体在流动条件 下近似不可压缩的，park 建立电子节气门动态扭矩如图 3-3 所示13。 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 16 - 针对电子节气门开度的变化量，park 提出了一种预先计算的扭矩系数 曲线，如图 3-4 所示。 c t 作用在电子节气门片上的气流所产生的动态扭矩可以表示为式(3-9)所示： (3-9) 22 airflowcj ttv 式(3-9)中为液体的密度()；为节气门片的厚度()；为管道的半径 3 /kg mm ()；为节气门后方的气流速度()。m j v/m s 将图(3-4)中的数据代入式(3-9)，通过简单的气流流动分析理论做一个的估 计，假如是四冲程发动机，气流充满缸体，令=1.2()，=0.05()， 3 /kg mm =0.045()，vj=20()，代入式(3-9)，可以计算气流随节气门开度不同所m/m s 产生的动态扭矩14。 图 3-3 电子节气门动态扭矩示意图 经过实验测定，式(3-9)可以用一个多项式描述：气流冲击所产生的扭矩只 跟节气门的开度有关，该多项式定义如下： (3-10) 5432 123456airflow tppppppn ma 式(3-10)中的系数如表 3.1 所示。 表 3.1 气流扭矩多项式系数 p1 p2 p3 p4 p5 p6 -0.0030775 0.007489 -0.0059587 0.0031219 -0.00049094 0.00001024 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 17 - 图 3-4 电子节气门开度扭矩系数曲线示意图 3.2 电子节气门系统的数学模型 节气门体数学模型主要由两部分组成：描述直流电机电器特性的微分方程 和描述节气门体机械特性的微分方程。 考虑到节气门系统的各部件的功能和特点，将其模型分为以下几个模块： 驱动电机、节气门体机械机构、传感器模块。这些部分综合起来构成完整的电 子节气门系统模型。 3.2.1 直流电机的数学模型 节气门的驱动元件是永磁直流电机，其定子是永久磁铁，转子是电枢线圈。 电枢线圈可等效为电阻 ra 和电感 la，如图 3-7 所示。 流过电机的电流和输入电压之间的关系，根据基尔霍夫定律，可建立如下 方程： (3-11) a aaa ab di etlr iet dt 式(3-11)中，为输入电压(v)；为电机反电动势(v)；为电机感抗(h)； a et b et a l 为电枢电阻()；为电枢电流(a)。 a r a it 根据电磁感应定律，有 (3-12) m bb dt etk dt 式(3-12)中, 为电机反电动势常数()；为电机旋转角度(rad)。 b k/n m s rad m t 根据磁场对载流线圈的作用定律，电机所产生的扭矩有 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 18 - (3-13) mta ttk it 式(3-13)中，为电机的转矩(nm)；为电机的扭矩系数()。 m tt t k/n m a 由式（3-11） 、式（3-12） 、式（3-13）得 (3-14) 1 am aba a a ditdt etkr it dtldt 3.2.2 节气门的数学模型 以电机轴作为参考点，根据牛顿第二定律，有 (3-15) 2 2 mm mmlm dd jbtt dtdt 式(3-15)中，为电机的转动惯量()；为电机的阻尼系数()； m j 2 kg m m b/n m s rad 为电机所承受的负载()。 l tn m 以节气门轴为参考点，根据牛顿第二定律，有 (3-16) 2 2 gspdfairflowg d jttttt dt 式(3-16)中，为节气门的转动惯量()；为节气门的转角(rad)；为双 g j 2 kg m g t 级减速齿轮传递到节气门轴上的驱动扭矩()；为弹簧产生的扭矩()；n m sp tn m 为进气流作用在节气门上产生的扭矩()。 airflow tn m 由减速齿轮的速比关系可得 (3-17)/ m gl ntt 由式(3-14） 、式(3-15)、式(3-16） 、式(3-17)可得 (3-18) 2 2 22 1 *sgn mdfmspairflow mg ddd n bkknttt dtn jjdtdt 3.2.3 节气门位置传感器数学模型 节气门位置传感器是电位计式，将角位移信号转换为电压信号输出。该电 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 19 - 压信号在 0.5v 与 4.8v 之间线性变化。基于冗余设计的考虑，两个位置传感器 的输出电压之和等于输入电压，这样可保证在一个传感器失效的情况下系统仍 能正常工作。节气门位置传感器的数学方程15： (3-19) 11 / 2 refref tpsref vv vtvtn t (3-20) 2212tpsreftps vtvvtn tnt 式(3-19)和式(3-20)中，和分别为节气门位置传感器 1 和节气门 1tps vt 2tps vt 位置传感器 2 的输出信号电压(v)；和分别为节气门位置传感器 1 和 1 n t 2 nt 节气门位置传感器 2 受到的干扰信号(v)；为节气门位置传感器的电源电压 ref v (v)；为节气门关闭时节气门位置传感器 1 相对的输出比值；为节 ref vv 气门全开时节气门位置传感器 2 相对的输出比值。对于干扰信号的处理 ref vv 一般把它们视为一组高斯静态随机信号，其期望值为 0，即： (3-21) 1( ) 0e n t (3-22) 2 0e nt 节气门转角的估计值： t (3-23) 12 2 tpstps vtvt te 其方差为： (3-24) 2 12 2 tpstps tps vtvt et 3.3 电子节气门系统的物理参数标定 建立了节气门的数学模型之后，节气门参数的确定十分重要。节气门的静 态参数，如电阻、电感等，比较容易获得，可用仪表直接测量。复位弹簧的扭 矩系数通过弹簧秤测得。节气门的动态参数，如滑动摩擦系数和电机的扭矩系 数，需要通过动态特性获得。而直流电机的转动惯量在现有情况下无法测量， 只能参考同类型的参数及通过试验试凑，表 3.2 为所确定的电子节气门参数。 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 - 20 -