（动力机械及工程专业论文）lpg发动机电子节气门控制策略设计与仿真研究.pdf

a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering design and simulation research of electronic throttle control on lpg engine candidate : zhang shuguang major : power and mechanical engineering supervisor: prof. jiang yankun huazhong university of science and technology wuhan, hubei 430074, p. r. china january, 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 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，即：学校有权 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。本人授权华中科技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。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 电子节气门技术是整车电子化的一个重要组成部分，在越来越多的汽车上得已 广泛应用。与传统节气门相比，电子节气门能够预估扭矩根据实际运行状况调节节 气门开度使之处于最佳位置，使整车在动力性、排放性和燃油经济性方面有较大改 善。由于国内电子节气门控制系统研究起步较晚，核心技术都被国外垄断，因此对 电子节气门控制系统的研究具有重要的理论和现实意义。本文以项目“lpg 发动机 电控系统研发”为依托，针对电子节气门控制系统的设计进行仿真研究。 在对电子节气门控制系统结构和工作原理分析，以及确定 pwm 脉宽调节驱动 方式来控制节气门开度基础之上，分析了影响电子节气门控制精度的非线性因素， 包括减速齿轮啮合间隙非线性、复位弹簧非线性、摩擦力非线性和进气流量改变带 来冲击力的非线性，并建立了非线性数学模型，包括直流电机数学模型、节气门阀 片数学模型、传感器数学模型。同时，对电子节气门控制策略进行了分析，针对电 子节气门系统的非线性问题，对传统递增式 pid 控制、模糊自适应 pid 控制、滑模 变结构控制以及基于模糊切换增益的全局滑模控制四种控制方式建立了数学模型； 进而， 基于 matlab/simulink/stateflow 工具分别对所建数学模型进行仿真， 分别用四 种控制器分析了电子节气门在阶跃信号下的跟随特性。根据控制效果，同时考虑成 本因素，最终建议将滑模变结构控制作为系统的控制算法。 关键词关键词： lpg 发动机 电子节气门 控制策略 仿真 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract electronic throttle control system is an important part of vehicle control technology, which is used in an increasing number of vehicles. compared with the traditional throttle, electronic throttle can estimate torque on the actual operating conditions, which makes the throttle opening be in the best position in order to improve the power, emissions and fuel economy of vehicles. as the research of domestic electronic throttle control system was started very late, the core technologies was monopolized by foreign, so the research about electronic throttle control system has important theoretical and practical significance. this paper which based on the project research on lpg engine control system mainly has finished the research of simulation for electronic throttle control system. based on analyzing the electronic throttle control system structure and working principle and selecting pulse width modulation to drive motor , nonlinear factors which affected accuracy of electronic throttle control system was analyzed, including the nonlinear of the reduction gear backlash, the nonlinear of return spring and friction and the nonlinear from changes of inlet gas flow. while , mathematical model of the non-linear was established including mathematical model of dc motor, mathematical model of the throttle valve, the mathematical model of the sensor. at the same time, control strategy of the electronic throttle was analyzed. against the nonlinear, mathematical model of four ways which included the traditional incremental pid control, fuzzy adaptive pid control, synovial variable structure control, the global fuzzy synovial switching gain control was established. and then, simulation model is built by using matlab / simulink / stateflow tools, the following characteristics under step was analyzed in four control strategy. according to control effectiveness, at the same time, taking into factors of account cost, ultimately variable structure control was suggested as system control algorithms. keywords: lpg engine electronic throttle control strategy simulation 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii 目目 录录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪论绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 课题研究的来源及目的与意义 . 3 1.3 电子节气门控制技术国内外研究现状 . 4 1.4 电子节气门控制系统的开发方法 . 6 1.5 电子节气门研究的技术难点 . 7 1.6 本文研究的内容. 8 2 电子节气门结构及驱动模块分析电子节气门结构及驱动模块分析 . 9 2.1 机械式节气门结构和工作原理 . 9 2.2 电子节气门结构和工作原理 . 9 2.3 电子节气门驱动电机控制模块选型 . 12 2.4 本章小结 . 15 3 电子节气门控制系统数学建模电子节气门控制系统数学建模 . 16 3.1 电子节气门系统结构非线性建模 . 16 3.2 电子节气门数学模型的建立 . 20 3.3 本章小结 . 28 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv 4 电子节气门控制策略设计电子节气门控制策略设计 . 29 4.1 电子节气门经典 pid 控制策略设计 . 29 4.2 模糊 pid 控制策略的设计 . 30 4.3 滑模变结构控制策略的设计 . 36 4.4 基于模糊切换增益的全局滑模控制策略设计 . 41 4.5 本章小结 . 46 5 电子节气门系统模型与仿真试验分析电子节气门系统模型与仿真试验分析 . 47 5.1 控制策略建模 . 47 5.2 电子节气门控制系统建模 . 50 5.3 仿真实验结果及分析 . 56 5.4 控制策略的对比分析 . 62 5.5 本章小结 . 63 6 总结与展望总结与展望 . 64 6.1 全文总结 . 64 6.2 工作展望 . 64 致致 谢谢 . 66 参考文献参考文献 . 67 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 概述概述 随着我国经济水平不断提高，全国范围内的汽车保有量在这五年中成倍的增 长，汽油柴油的供需矛盾不断攀升。同时，汽车尾气排放的有毒物质给人类造成极 大的威胁，这也促使各国相继提高排放标准。调查显示全国各大城市中，造成大气 污染的罪魁祸首就是汽车尾气中含有的有毒物质1。2010 年 11 月环境保护部首次 公布了我国机动车排放的尾气对环境污染的报告，报告显示，2009 年我国成为世界 汽车消费第一大国，全国机动车排放污染物 5143.3 万吨23；另有抽样调查表明， 城市大气中 88%的碳氢化合物和 56%的氮氧化物均来自于汽车尾气排放4。现在我 国对新进入市场的车辆排放要求越来越苛刻，至 2011 年环保部要求机动车辆至少 达到国标准。另外燃油价格节节攀升，各项数据都显示传统汽车需要改变思路。 为此，各大汽车厂商、发动机厂商积极寻找出路把目光聚集到开发新能源电动汽车 和新型替代燃料上面来5。电动汽车因技术问题限制在未来二十年内很难达到量产 并在世界范围内普及，但是新型替代燃料如液化石油气、天然气因其资源丰富，在 原有的发动机上改动较方便而得到广泛的重视67。 lpg 以及 cng 发动机相比传统的汽柴油发动机而言， 它最大亮点是燃料成本 低并且排放的有毒物质较少8。 以用 lpg 发动机的汽车为例， 与汽油车相比， nmhc （非甲烷碳氢）的生成量可减少百分之七十左右，氮氧化物生成量减少百分之四五 十，一氧化氮生成量减少百分之二十以上9。从理论上来讲 cng 比 lpg 的排放特 性、经济性要好10，但是 cng 的缺点就是全国各地分布不均，西部多，东部少。 拿武汉这样的城市为例， cng 是首先满足居民应用需求， 这样导致汽车应用用经常 会出现气荒现象。这时候 lpg 就凸显了他独有的优势：储量丰富，加气站多，加 气等待时间少等。lpg 主要由丙烷和丁烷组成，它的技术特点如下11： 1）汽化温度低。常温下，lpg 在 0.20.6mpa 的压力下便可变成液态，这个 压力范围随石油气的成分比例不同而不同。 因此， lpg 很容易汽化并且与汽油相比， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 lpg 与空气混合的均匀性远远好于汽油。这样带来的优势就是燃料燃烧完全，排放 低。图标 1-1 表示了 lpg（不同组分）和汽油在转鼓试验台上的试验结果12。 2）液化石油气的热值略微高于汽油，燃烧性能与汽油相差不大。 3）液化石油气的辛烷值高，一般高达 100110，比优质汽油高 8%16%， 不易发生爆振，可以用比汽油机高的压缩比来提高内燃机的热效率。 4）液化石油气燃烧所需的过量空气系数取值区间变化范围较广，大概为 0.581.8，这样就很方便的组织气体“稀薄燃烧” ，进而提高 lpg 发动机的热效率。 5）液化石油气价格便宜，经济性好，受到用户爱戴。 基于以上种种优点，武汉市政府大力扶植采用 lpg 发动机的公交车，2003 年 开始武汉民生石油公司即与我校联合成立了 lpg 发动机改装与电控系统开发研究 中心，现已完成相关系统的研发。 表 1-1 lpg（不同组分）和汽油在转鼓试验台上的试验结果比较12 试验项目 santan2000gsi santan2000gls santangls 汽 油 c3+c4 =70/30 丙 烷 气 汽 油 c3+c4 =70/30 丙 烷 气 汽油 c3+c4 =70/30 丙 烷 气 排放量 / 1 g km co 2.51 2.10 1.95 1.26 1.03 0.9 26.62 2.76 1.68 hc 0.14 0.15 0.10 0.05 0.06 0.03 0.77 0.41 0.43 nox 0.41 0.48 0.43 0.17 0.25 0.19 1.26 1.63 1.32 hc+nox 0.55 0.63 0.53 0.22 0.31 0.22 2.03 2.04 1.75 加速（转速） 性能/s 0120km/h 加 速时间 24.3 22.7 23.2 25.6 26.9 28.9 21.4 25.2 26.6 40120km/h 加速时间 37.9 37.1 37.1 39.7 39.9 44.0 27.7 25.5 36.1 爬坡性能 /s 通过30%坡上 200m 时间 15.4 14.9 15.8 16.7 15.9 16.4 15.1 16.3 16.3 燃料消耗量 /l(100km)-1 工况法 12.6 11.9 13.25 15.1 12.8 12.8 40km/h 等速 7.85 8.86 9.25 8.12 6.83 7.38 90km/h 10.44 11.8 11.7 11.8 8.54 7.61 液化石油气发动机实现电控化也是保证达到国家排放法规的最基本措施。但是 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 由于液化石油气燃料跟汽、柴油在性能品质上的差异使得液化石油气内燃机的控制 系统单元（ecu）与汽、柴油内燃机的控制要求也有较大的区别13。另外我国的电 控系统开发起步晚，燃气发动机电控系统方面所作的研究更是有限，导致电控系统 市场一直被国外几个大企业垄断着，这使得我国的电控发动机成本普遍很高，且多 数利润被外企获取。鉴于以上情况，本文以 lpg 发动机电子节气门控制系统为对 象进行研究。 1.2 课题研究的来源及目的与意义课题研究的来源及目的与意义 华中科技大学与武汉民生石油公司的联合动力研发中心成立至今，已开发完 全了国产化燃气发动机电控系统。本文便在这个背景下对发动机控制系统的组成部 分电子节气门进行研究，力求与已开发的电控系统匹配。 节气门主要用来控制发动机的进气量，进而控制发动机的负荷。发动机的节 气门根据控制方式的不同，可分为两大类：1，刚性控制节气门；2，柔性控制节气 门14。 刚性控制节气门就是机械式节气门，油门踏板的一个位置对应一个节气门的 开度，两者是刚性链接的关系。从它的工作原理可知他有自己的优点，同时也有难 以克服的缺点。优点是机械结构简单，有较高的可靠性能，动作迅速，能很好的反 应司机的行驶意图。缺点是它的操纵是由司机依靠主观感受来判断的，基本不可能 根据发动机工况对节气门开度做出相应的调整，所以这样会导致控制不精确，从而 影响整车的燃油经济性、排放性和动力性能等各项参数15。尤其是在一些特殊工况 下，比如怠速、冷启动、低负荷等，更是如此，使发动机性能变差有毒污染物排放 大大增加16。并且汽车在结构方面经过几十年的发展，许多技术基本成熟，如果再 仅仅依靠优化传统机械结构已很难有所改善17。因此汽车电子化势在必行，采用柔 性控制的电子节气门也就应运而生。 电子节气门取消了传统节气门的油门踏板与气门结构之间的杠杆拉线连接， 通过间接的方式来实现驾驶者的意图。首先司机的驾驶意图通过加速踏板位移传感 器送到发动机的电子控制单元（ecu） ，然后发动机控制单元发出命令，经过数模 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 转化把指令传给节气门执行器，最终实现对节气门开度的精确控制，从而保证内燃 机有最佳的空燃比，提高整车的经济性、排放性18。另一方面，现在的发动机管理 系统多是基于扭矩控制的，这个管理系统是以电子节气门为基础，当发动机的扭矩 达不到工况要求时电子节气门会自动加大气门开度，因此电子节气门已成为整车控 制系统中一个不可或缺的功能模块。另外，现代车辆的一些高级功能比如巡航控制 （ccs） 、怠速控制（isc） 、牵引控制（tcs）是传统节气门完成不了的工况，必须 由电子节气门才能实现19。 由此可见，电子节气门可以实现很多传统机械式节气门无法实现的功能。电 子节气门作为一项新技术，国内的研发实力还很不完善，大多依靠进口。另外很多 厂商都把它作为核心技术保密，参考资料较少。因此本文对电子节气门进行分析研 究，借鉴国外的控制算法经验，运用到现有的发动机电控系统中，从而实现整车的 性能优化，具有深远的意义。 1.3 电子节气门电子节气门控制技术控制技术国内外研究现状国内外研究现状 1.3.1 国外发展现状国外发展现状 二十世纪七、八十年代初，随着电子控制技术在汽车方面的不断应用，电线驱 动（drive_by_wire）理念深入人心，电子节气门的研究工作就被随机开展。 国外在这近三十年的研究中，前期由于技术水平有限、市场需求不大等因素的 制约，发展极其缓慢。直到近十五年来，大家对环保性、安全性、操纵性要求越来 越高才得到重新的重视。随后德国 bosch 公司、皮尔博格 pierburg 公司，美国德尔 福 delphi 公司、 伟世通 visteon 公司、 意大利的 magneti marelli 和日本日立 hitachi、 丰田 toyota 公司等和一些汽车零配件厂家纷纷投入大量的人力物力来探索研究， 自 此电子节气门（etc）的产品才乐于被大家接受20。1993 年，toyota 公司研发制作 了自己的第一代电子节气门系统，使用的是辅助节气门式，由步进电机进行驱动。 原来的机械式节气门保留作为突发状况使用，当 etcs-e 出现故障时此系统可以被 转换，但是因为其价格昂贵，占用空间多、机械结构复杂而没有普及21。1998 年 visteon 公司将燃油供给系统及进气管道与 etc 巧妙的结合起来，成为了现阶段采 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 用的电控系统中空燃比控制策略合成的典范。 2000 年以后博世公司与美国德尔福公 司 etc 产品在控制与性能方面成为行业内的典范，电子节气门产品也开始大量涌 入市场。随后两公司又推出新一代的 etc，其中德尔福公司开发的第二代 etc 系 统，主要用在高档、大排量、赛车上面22。 2003 年，博世 bosch 公司研发出了一种全新的内燃机控制管理系统，基于扭矩 的控制策略自此得以实现。与前期内燃机管理系统不同的地方在于，该系统可以根 据内燃机所需的转矩来控制节气门使节气门达到理想的开度，确保内燃机的动力 性、排放性、经济性最优，当然该内燃机管理系统集成了 etc 控制系统23。另外 为了整车的安全性和可靠性，该系统中配有专门的检测模块，当有故障发生时就会 报警并自行诊断。 在控制方法方面， 最初采用线性控制策略， 后逐渐优化采用非线性的控制策略， 控制精度大大提高，特别是滑模控制应用到电子节气门控制系统以来，车辆的操纵 性能得到改善24。目前国外的 etc 系统的技术特性可归结以下几个方面：1）可选 的工作模式，包括雪地模式、动力模式、正常模式。2）集成一些特有功能，汽车 行驶稳定控制、车辆稳定控制、系统协调控制、牵引控制、怠速控制、巡航控制、 减少换挡冲击控制。3）监视系统及失效保护。 1.3.2 国内发展现状国内发展现状 国内对电子节气门的研究起步较晚，虽然近年来在一些中端、高端车上已经普 及，但是对其核心技术知识掌握较少。 比如 2009 年长城汽车公司出的炫丽系列轿车采用了电子节气门技术，上汽完 全自主品牌荣威系列、长安汽车、马自达、华晨等也采用了电子节气门，但产 品都来自国外，基本没有具有自主产权的产品25。值得一提的是奇瑞公司国内 自主品牌的坚持者自主研发了一套电子节气门控制系统，现主要运用在自己的 轿车上26。另外，国内高校也纷纷在对电子节气门进行研究，较早的有上海交通大 学、清华大学。其中清华大学开发的系统主要应用在混合动力新能源汽车上，实现 了发动机基于扭矩的控制27。随之是吉林大学、浙江大学、重庆大学，他们大都基 于一些高级算法进行研究， 实现了模糊控制在节气门中的应用。 还有华中科技大学、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 武汉理工大学也开展了相应的工作， 其中武汉理工自己开发了基于 dsp 的电子节气 门控制系统28。 华中科技大学正在做基于不同的控制算法的研究工作。 从目前来看， 总体上国内与国外还有一定的差距，要真正产业化还需要一些时日。 1.4 电子节气门控制系统的开发方法电子节气门控制系统的开发方法 1.4.1 汽车控制系统开发方法汽车控制系统开发方法 现在的电控系统开发一般都采用计算机辅助技术，它可以使开发周期变短，将 开发的每个阶段都有效地织起来。这样，减少了开发人员的工作量，避免了很多手 工编程，在保证开发产品可靠性的同时降低了开发系统的风险和成本。 图 1-1 控制系统 v 型开发方法 现在的车辆控制单元开发部分采用如图 1-1 所示的 “v 型方法” ， 电子节气门作 为汽车控制系统的一部分也采用这种方法，该方法已得到国际汽车行业标准 （asam）的认可。 “v 型方法”包括以下阶段2930： （1）产品功能设计与离线仿真 根据产品的要求设计被控对象的模型，同时设计控制算法，并进行离线仿真， 然后修正不合适的地方，对模型进行完善，验证控制模型设计的可行性。 （2）建立快速控制原型 在此阶段，控制算法的设计人员只需要把精力放在控制算法的测试与设计方 面，实现被控对象对控制单元的实时反馈。 （3）代码自动生成 在现代的设计开发方法中，利用计算机工具可以直接把模型转化为代码，省去 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 传统方法中由软件设计师去手工写代码的环节。 （4）硬件在回路仿真 在电控系统实物试验前，采用控制单元的实物，控制对象或用实物或用数字模 拟进行仿真测试。 （5）系统参数标定与测试 该阶段对实物进行标定匹配，使其符合与之相对应的系统，这个是具体应用必 不可少的阶段。 1.4.2 matlab 软件开发平台软件开发平台 matlab 是一个多功能的综合软件， 它包含了信号处理， 数值分析， 图形显示， 控制系统仿真等各项功能，其中该平台内嵌的 simulink 模块是现在控制系统设计人 员必不可少的开发工具。运用该工具可以对被控对象进行建模、分析与仿真。同时 借助这些工具人们可以大大缩小开发时间，减少错误率，进而节约成本。matlab 还 包含 stateflow 模块， 他跟 simulink 一起可以实现复杂逻辑算法问题如动态监测和流 程图判断等功能。在“v 式”开发环节中，代码自动生成功能在 matlab 中也得以实 现， 并且 real-time workshop embedded coder 模块和 real-time workshop 模块都 具有很好的接口，使用户可以很随意的设计控制系统满足自己要求31。正因如此本 文采用 matlab/simulink/stateflow 对电子节气门控制系统进行仿真分析，分别建立电 子节气门的数学模型、控制策略模型，通过仿真快速修改方案，最终确定最佳控制 策略，减少开发时间，节约成本。 1.5 电子节气门研究的技术难点电子节气门研究的技术难点 （1）etc 控制系统的非线性问题 电子节气门结构复杂存在齿轮、弹簧等非线性元件，还有在运动过程中的各种 摩擦力矩等，这些都不可避免给控制增加了难度。 （2）可靠性问题 电子节气门取消了原来的机械结构，使用传感器执行机构进行控制，相对来说 可靠性较低。 任何一部分出现故障就可能使电子节气门失灵， 控制系统瘫痪。 另外， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 还有一些驾驶员对电子节气门存在偏见，认为电子产品的不可靠性；再就是成本较 高，也同样阻碍了 etc 的广泛应用，使得该系统现在只能较少的配置在高档车上。 （3）系统复杂，精确控制较难。 电子节气门控制系统与驱动防滑系统（asr） 、定速巡航系统（ccs） 、车身稳 定控制系统（vsc）相互配合作用，这样增加了整个系统的控制对象数量，使逻辑 算法更加复杂，并且 etc 系统也有自身的弱点（比如非线性问题、气流阻力不稳、 传感器的机械磨损等）使控制更加困难32。一些常规的 pid 控制已经不能满足对操 纵性要求高的消费者，因此，为了得到更好的控制效果，需要对系统进行研究，针 对非线性问题选择一些高级控制算法等。 1.6 本文研究的内容本文研究的内容 查阅国内外电子节气门系统现有的研究现状，并对 lpg 发动机管理系统进 行分析， 得出电子节气门系统应用的优势， 为发动机采用电子节气门建立理论基础。 分别分析电子节气门与机械式节气门的结构原理，并对执行电机进行分析选 型确定驱动方式。 对电子节气门的结构进行分析，建立因啮合间隙、复位弹簧、摩擦力等带来 的非线性因素的数学模型和推导电子节气门控制系统系统结构的数学模型，包括驱 动控制数学模型、 伺服电机模块数学模型、 机械结构的数学模型和传感器数学模型， 并针对节气门系统的非线性问题提出不同的控制算法。 分析了系统的控制策略，并设计了四种控制算法的数学模型，建立仿真模型 并进行大量调试。 利用 matlab 工具建立电子节气门的 simulink 仿真模型与控制策略的仿真 模型，并进行仿真，经过不断优化调试得出结果，并分析控制策略的优缺点，最终 确定最适合的控制算法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 电子节气门结构及电子节气门结构及驱动模块驱动模块分析分析 2.1 机械式节气门结构和工作原理机械式节气门结构和工作原理 机械式节气门的历史悠久，结构也很完善，如图 2-1 所示。它主要有四个部分 组成，包括加速油门踏板、复位弹簧、节气门体、拉线和杠杆。从结构图可以看出 加速踏板和节气门阀片是刚性连接，一个踏板位置对应一个开度大小。他们之间呈 线性关系33。 进气通道 节气门 复位弹簧 拉线 踏 板 图 2-1 机械式节气门结构原理图 2.2 电子节气门结构和工作原理电子节气门结构和工作原理 电子节气门控制系统结构简图如图 2-2 所示，采用电线驱动理念取消了刚性连 接，主要由加速踏板总成、节气门体总成、电子节气门控制单元三个部分组成34。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 图 2-2 电子节气门控制系统结构简图 2.2.1 电子节气门体电子节气门体 电子节气门体主要由驱动电机、节气门阀片、位置传感器、减速齿轮组成。 （1）驱动电机 虽然有时运用交流电机或者其他液压元件做执行器，但是市场上电子节气门驱 动模块用的最多的还是直流电机，因为直流电机具有快速响应能力强、控制结构电 路简单、堵转力矩大、空载转速低等优势。特别是采用小功率永磁直流力矩电机， 其功能与一般交流电机相类似但克服了像直流电机普遍都存在的“换向火花” 、 “电 刷磨损”等影响可靠性的缺点35。 （2）节气门阀片 节气门阀片是有厚度的， 因此其设计不能完全按圆形， 比较合理的可以是椭圆， 否则当使节气门的开度为零时，很容易被卡住。并且节气门的最小开度不能为零， 一般取值为二度。当节气门非工作状况时因有复位弹簧的作用，可以把节气门维持 在 14 度36。当节气门的开度为 时其流通面积如图 2-3 表示： 传感器 执行器 脚踏板 节气门控制 单元 节气门体 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 ）节气门部分开启）节气门全关节气门静态位置 图 2-3 电子节气门不同开度时位置 （3）节气门位置传感器 节气门位置传感器采用电位计式传感器，传感器阻值的变化与节气门的开度变 化呈线性关系。 为了保证车辆的安全性可靠性， 节气门设计时候一般采取冗余理念。 把它设计为由两个传感器组成，接于同一个电源上，阻值反向变化，总电压不变。 也就是说一个油门踏板位移量对应一个电压值，两传感器电压之和一直为 5v 保持 不变，起到相互检查的作用，保证可靠性36。节气门位置传感器两电位计电阻所受 电压的关系如图 2-4 所示。 00.511.522.533.544.55 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 tps1 tps2 节气门传感器的输入输出关系 图 2-4 节气门位置电位计关系 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 （4）减速齿轮 减速齿轮大都采用塑料材质，大大减轻了其质量，并且减速齿轮与节气门体密 封在一起，同时直流电机与节气门阀片平行安装，这些特性都减小了节气门所占的 空间使其结构比较紧凑。因有减速器的存在，便可使用功率更小的电机驱动，这样 就节约了成本。 2.2.2 加速踏板加速踏板 etc 系统的加速踏板不能直接控制节气门阀片的开度大小， 因为在这个系统中 取消了传统式节气门的机械机构。它是靠加速踏板传感器传递位置信号到电子节气 门控制系统，然后根据发动机当时的工况调节气门阀片开度的。为了行车的安全性 与可靠性，加速踏板传感器跟节气门位置传感器一样采用冗余设计36。 2.2.3 etc 的控制单元的控制单元 电子节气门控制单元（ecu）接收加速踏板传感器的电压信号（该信号反映了 驾驶者的意图） ，与得到的节气门阀片传感器的信号（实际节气门的位置信号）进 行对比得到偏差送入 ecu，然后通过 can 总线与整车控制系统通信获取所需的一 些控制参数信息，最后由 ecu 综合分析得到整车所需的扭矩，发出控制命令到执 行器完成目标控制，使之达到理想开度37。 2.3 电子节气门驱动电机控制模块电子节气门驱动电机控制模块选型选型 归根到底，控制 etc 实际也就是控制伺服电机的转动。而驱动电路模块的作 用也是根据 ecu 的指令提供伺服电机所需要的电压电流值，使节气门开度达到驾 驶者要求的大小位置。 一般对功率较小的伺服电机来说，其控制方法有两种。一种是根据欧姆定律原 理，调节可变电阻，进而调节作用在伺服电机上的电压大小来控制扭矩和转速。另 一种是采用 pwm 控制方式，通过改变一个周期内的脉宽大小，从而调节作用于伺 服电机的电压大小来控制扭矩和转速38。 2.3.1 直直流电源控制驱动方式流电源控制驱动方式 这种控制方法的理论比较简单，采用欧姆定律原理（在串联电路中，元件的电 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 压随阻值大小的改变而改变） 来实现对伺服电机扭矩的控制。 电路图如图 2-5 所示， 可列方程： rm ei rrr （2-1） 公式中： e电源电动势，i串联电路中的电流， r r 可变电阻阻值， m r 电机阻值，r电源内阻。 图 2-5 直流电源驱动模块 当 r r阻值大小改变时，因其他元件为定值，所以整个电路的电流随之改变。由 公式 t tki可知，电机的转矩大小与 i 成正比关系，当电流 i 发生改变时，相应 的伺服电机扭矩也改变，这便完成了对伺服电机的控制作用39。 从上面过程可以看出，此方案原理很简单，但是实际操作比较困难，对可变电 阻的控制难以实现，结果只会使控制变得更为繁琐。从能量利用的角度来说，也不 适合选用此种方案，因为可变电阻时刻都在消耗着电源的能量，这部分能量就会浪 费，并且还会转化为对系统不利的热量。如果散热不利，会对系统的可靠性造成较 大的影响。 另外该方案还无法实现电流方向的改变， 也就是说不能改变电机的转向， 显然这是不符合节气门控制要求的。 2.3.2 pwm 驱动功率模块方案驱动功率模块方案 pwm（pulse width modulation）脉冲宽度调制技术因其控制方便，不需数模转 换，而被广泛的应用在直流伺服电机的调速控制当中，特别是在逆变电路中用到的 最多。其控制理论较为简单，通过改变一周期内脉宽大小，便可轻松对伺服电机的 作用电压进行调整，以满足实际控制的需要。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 脉宽调制控制的电路原理如图 2-6 所示。由直流电源 us 供电，可控制开关 s 按照一定的规律（也即占空比的控制规律）接通与断开。当开关闭合时，三极管 t 导通，电源向伺服电机供应电能，电机工作发出功率。当开关断开时，电源 us 被 截止，电动机不能依靠 us 的电能，而只能靠开关接通时续流二极管储存的电能继 续对电机供电使伺服电机工作40。 图 2-6 pwm 电源驱动电路原理图 图 2-7pwm 输入输出电压电流波形图 如图 2-7 所示，令开关接通时间为 ton，关闭时间为 toff，则平均电压值 ua可推 得： on ass t uudu t （2-2） 式中 on t 开关每周期开通时间 t开关通断周期 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士