（车辆工程专业论文）汽车电子节气门控制仿真与试验研究.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 电子节气门技术自2 0 世纪8 0 年代中后期出现以来，已经逐渐应用到众多高中 级轿车的先进发动机上，由于能有效的改善汽车的燃油经济性和降低排放，实现车 辆的柔性控制( d r i v eb yw i r e ) ，其应用前景将越来越广泛。但由于电子节气门的机 械系统存在着较强的非线性因素，使得电子节气门的精确控制较为困难。本文主要 针对电子节气门的非线性控制问题进行研究，为电子节气门在a m t 机械自动变速 传动系统上的应用奠定基础。主要工作内容如下： 1 分析了电子节气门控制系统的原理、结构以及机械系统中的非线性因素及各 自的特性，测定了电子节气门的关键参数。 2 建立了电子节气门控制系统的数学模型，并采用三种控制方法：p i d 控制、 模糊控制和基于非线性控制理论的变结构滑动模态控制，设计了三种控制器，用于 电子节气门控制。 3 利用m a t l a b s i m u l i n k 及s t a t e f l o w 工具箱建立了电子节气门控制系统的仿真 模型，用所设计的三种控制器分别对三种目标开度信号( 正弦信号、阶跃信号和线 性信号) 进行了仿真比较，仿真结果表明，滑动模态控制方法具有令人满意的控制 效果。 4 利用d s p a c e 实时控制软件和a u t o b o x 汽车内置开发试验平台对电子节 气门进行了控制试验。试验结果表明，变结构滑动模态控制对电子节气门控制具有 良好的控制效果，从而验证了控制方法的可行性。 以上研究为电子节气门在a m t 机械自动变速传动系统上的应用打下了基础。 关键词：发动机，电子节气门控制，仿真，试验 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t s i n c et h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ew a sd e v e l o p e di nt h em i d d l eo ft h ee i g h t i e so ft h e t w e n t i e t hc e n t u r y , i th a sg r a d u a l l yb e e na p p l i e do nt h ea d v a n c e de n g i n e so f t h eh i g h - g r a d e a u t o m o b i l e s b e c a u s et h ee l e c t r o n i ct h r o t t l en o to n l y p e r f o r m sw e l l o nt h ef u e l c o n s u m p t i o na n de x h a u s to fm o t o r s ，b u ta l s oc a nr e a l i z et h ed r i v eb yw i r e ，f o re x a m p l e ， i d l es p e e dc o n t r o l ，t r a c t i o nc o n t r o l ，c r u i s ec o n t r o l ，e t c ，i tw i l lb ew i d e l yb ea p p l i e di nt h e f u t u r e b u tb e c a u s eo f t h en o n l i n e a r i t ye x i s t e di nt h em e c h a n i c a lp a r t so f t h et h r o t t l eb o d y , h o wt oc o n t r o lt h et h r o t t l eb e c o m ead i f f i c u l tq u e s t i o n t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h e n o n l i n e a r i t yo ft h et h r o t t l eb o d y , i no r d e rt og e tag o o dc o n t r o le f f e c tt om a k et h e e l e c t r o n i ct h r o t t l eb o d ya p p l i e do nt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ef o l l o w i n g r e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ： 1 t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f t h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o ls y s t e m ( e t c s ) h a sb e e n a n a l y z e d t h en o n l i n e a r i t yc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gn o n l i n e a rs p r i n g , b a c k l a s h ，c o u l o m b a n dv i s c o u sf r i c t i o ni nt h em e c h a n i c a lp a r to f t h et h r o t t l eb o d yh a sb e e ns t u d i e dt o o a f t e r t h ea n a l y s i so f t h ee t c s ，t h ek e yp a r a m e t e r so f t h et h r o t t l ew a sm e a s u r e d 2 t h en u m e r i c a lm o d e lo f t h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o lh a sb e e nb u i l tu p i no r d e rt o c o n t r o lt h et h r o t t l e ，t h r e ec o n t r o lm e t h o d s ( a st h ef o l l o w i n g ：p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l a n dt h ev a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d ec o n t r o lb a s e do nt h en o n l i n e a r i t yt h e o r y ) h a sb e e n p r e s e n t e d 3 b a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n ka n ds t a t e f l o wt o o l b o x ，t h ee t c ss i m u l a t i o nm o d e l h a sb e e nd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es l i d i n gm o d ec o n t r o lh a sa g o o dp e r f o r m a n c eo nt h ec o n t r o lo f t h et h r o t t l e , b u tt h eo t h e rt w ow o r k sn o tv e r yw e l l 4 w i t ht h ed s p a c er a p i dc o n t r o lp m t o t y p i n gs o f t w a r ea n dt h ea u t o b o xt e s tb o x ， t h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o le x p e r i m e n th a sb e e nd o n e t h ee x p e r i m e n tr e s u l tr e v e a l s t h a tt h es l i d i n gm o d ec o n t r o lh a sag o o de f f e c to nt h ec o n t r o lo f t h ee t c s k e y w o r d s ：e n g i n e ，e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l ，s i m u l a t i o n , e x p e r i m e n t i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及意义 本文是f o r d - - n s f c 中国研究与发展基金项目汽车自动变速系统 最佳动力性和经济性建模与试验研究( 批准号5 0 1 2 2 10 1 ) 研究内容的组 成部分。 我国汽车工业正处于发展和提高时期，目前在国内已经形成年产1 6 0 多万辆轿车的生产能力，轿车年产量己超过6 0 万辆。但中国的汽车工业 相对于世界发达国家来说是比较落后的，目前仅相当于发达国家8 0 年代 初的水平。世界汽车工业经过近3 0 多年的发展，大量的高科技成果在汽 车上得到了应用。现代汽车己经不仅仅是一台复杂的运输机器，而是集电 子技术、控制技术、机械技术、液压技术、通信技术于一身的高科技代表 产物。汽车电子化正逐渐成为现代汽车( 特别是轿车) 的基本特征，也是 将来汽车发展的主要方向之一。因此，要缩短中国汽车工业和世界汽车的 差距就必须提高我国的汽车电子技术水平。 电子节气门( 也称电控油门( e g a s ) 或线控驾驶( d r i v eb y w i r e ) ) 作为一 门现代发动机电子控制技术之一，可以通过电子控制系统精确控制节气门 开度，实现发动机最优空燃比控制，从而实现发动机最佳性能，提高车辆 动力性和经济性，减少有害物质的排放。电子节气门控制还可以实现车辆 的巡航控制、牵引控制、怠速控制等传统机械式节气门实现不了的工况 j _ 【1 1 在自动变速系统中，换档规律无论采用二参数( 油门开度和车速) 还 是三参数( 油门开度、车速和加速度) ，其换档控制参数都必须采用油门 开度“。因此，油门开度控制的性能是影响自动变速系统换档品质的重要 因素。 传统机械式节气门采用机械连接，驾驶员直接通过控制加速踏板控制 油门开度，即油门开度完全凭驾驶员主观感受确定，不能实现对油门开度 的最优控制，也不利于换档时刻发动机转速的控制。 而电子节气门则可以很好的解决这一问题。驾驶员通过加速踏板仅能 间接对油门开度进行控制，驾驶员的输入作为参考目标信号通过踏板位置 传感器发送给电子控制单元，最终的节气门开度由电子控制单元综合当前 发动机的运行工况和驾驶员意图进行分析作出判断之后，命令节气门驱动 电机工作，驱动节气门转动，节气门开度信号通过节气门位置传感器反馈 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 到电子控制单元，实现油门开度的精确闭环控制；同时，节气门电子控制 单元还能够按照传动系统控制单元的要求自动控制节气门开度来满足传 动系统换档的需要“耵吖“3 。 电子节气门作为一种新技术，世界各大汽车厂商都在进行研究和应 用，并将其作为核心的控制技术保密。国内研究起步较晚，处于探索阶段， 目前只有少数几个厂家在从事这方面的研究工作。本项目以b o s c h 公司 生产的d v - e 5 电子节气门总成为对象进行较为系统深入的研究，这将对电 子节气门在发动机控制以及自动变速系统中的应用具有一定的实际价值。 1 2 车用节气门的发展过程及其类型 节气门的作用是控制进入发动机的空气流量，汽车节气门按照控制方 式可分为刚性控制节气门和柔性控制节气门“”。”1 。 刚性控制式节气门就是从汽车出现以来一直到现在仍在普遍使用的 机械式节气门，加速踏板与节气门阀片通过拉线机械连杆连接在一起，通 过踏板直接控制节气门的开度，它不能实现对节气门开度的自动控制，而 是严格服从驾驶员意图及其操作。早期的机械式节气门结构比较简单，没 有传感器装置。随着电子技术和传感器技术的发展，为了实现对发动机的 综合控制，在机械式节气门上加装了节气门位置传感器，将节气门开度信 号传递给发动机控制单元，目前车辆上使用的机械式节气门基本上都装有 这种节气门位置传感器，老式的机械连接节气门已经逐步被淘汰。 柔性控制式节气门取消了传统加速踏板与节气门阀片之间的拉线连 接，采用电机或执行器驱动节气门。驾驶员的意图通过加速踏板位置传感 器传送给发动机或动力传动系统的e c u ，e c u 发出指令给节气门驱动执行 器，实现对节气门开度的控制，这种控制方式是间接的，即电子节气门。 柔性控制的电子节气门按照节气门驱动执行器可分为：电液式、线性 电磁铁式、真空膜片式、步进电机式、直流电机式。 电液式节气门“5 “”83 一般应用在有液压源的车辆中，采用电液式作动 器作为节气门执行器，具有结构简单、成本低廉、驱动力大、耐受环境温 度能力强等特点。但由于液压系统存在供油压力波动、油的粘度随油温度 而变化、控制阀的启闭特性、负载的惯性质量、液压执行机构的摩擦力等 因素的影响，因此系统的响应较之步进电机具有更为严重的时滞现象，尤 其节气门操纵系统是一个弹簧质量系统，无法避免振动等因素带来的干 扰。作为节气门执行器，必须保证既要具有精确的位置响应，又要有满足 需要的速度响应，电液式节气门在这方面存在缺陷，因此在车辆上应用极 重庆大学硕士学位论文1 绪论 少。 线性电磁铁式电子节气门“”采用有进气歧管真空度控制的气动活塞 式结构，执行器活塞连杆与油门拉杆相连，活塞连杆对油门拉杆无力作用 时，弹簧力使油门关闭。当有输入信号使执行器电磁线圈通电时，压力控 制阀芯克服弹簧力下移，执行器汽缸与进气歧管连通。由于进气歧管内为 真空，于是执行器汽缸压力迅速下降，执行器活塞带动油门拉杆带动节气 门平顺地打开。活塞上的作用力随汽缸中平均压力的变化而变化，而汽缸 中的平均压力则通过快速通断压力控制阀来控制。执行器的输入信号是一 脉冲电压信号，当输入信号电位为高时，电磁铁通电；当输入信号电位为 低时，电磁铁断电。因此汽缸中的平均压力亦即节气门开度与压力控制阀 控制信号的占空比成正比。 真空膜片式电子节气门 22 的真空系统由真空调节器、节气门驱动伺服 膜盒、车速控制开关和制动踏板上的真空解除开关等部分组成。根据电控 单元的输出信号，经电磁滑阀调节进入系统的新鲜空气量，从而控制作用 于伺服膜盒内的真空度。通过膜片的移动，使节气门的位置产生变化，从 而控制节气门开度。真空膜片式电子节气门主要依赖于机械部件和转动零 件，精度和灵活性较差，在车辆上也没有大规模的采用。 步进电机式电子节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现节气门 开度控制。步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件， 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和 脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过 一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无 累积误差等特点，使得它在定位控制方面具有较好的控制效果。但步进电 机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直 流伺服电动机乜”“1 。在精度需要不是特别高的场合，步进电机可以发挥 其结构简单、可靠性高和成本低的特点，电子节气门对控制精度要求较高， 而转速较低，步进电机不适合作为驱动执行器，因此步进电机式电子节气 门在车辆上应用也较少。 直流伺服电机具有响应速度快，控制精度高的特点，因而广泛用作电 子节气门的驱动执行器。目前生产的电子节气门基本上都采用了直流伺服 电机。“。 1 3 电子节气门控制系统( e t c s ，e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l s y s t e m ) 的发展现状 重庆人学硕士学位论文1 绪论 汽车从诞生到上世纪8 0 年代中期，一直使用的是传统的机械式节气 门；随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高，上世纪8 0 年代中后期，出现了第一台电子节气门，应用在德国宝马公司生产的b m w 7 5 0 i l 顶级轿车上。“。从电子节气门的诞生到现在，由于电子节气门控 制系统的技术和成本要求都比较高的原因，只应用在各大汽车公司生产的 高级轿车上，如奔驰、b m w 以及德国大众的奥迪系列等等。随着能源问 题的日益严重和环保要求的提高，以及控制技术的日益成熟，电子节气门 将越来越广泛地应用在各级别的汽车上，这将是大势所趋。 目前国外各大汽车生产厂商和零部件生产商都在从事电子节气门技 术的开发研究，其中德国b o s c h 公司和美国的d e l p h i 公司在该研究上处 于领先地位，其产品已经开始市场化、系列化阳l “”。 经过近二十年的发展，电子节气门可以实现的功能越来越强大，现在 已经能够实现对车辆的巡航控制、怠速控制、自适应巡航控制等不同工况 下发动机的控制要求。作为当代最先进发动机管理系统的代表的b o s c h 发 动机管理系统和d e l p h i 发动机管理系统，电子节气f 装置以成为它们不可 或缺的电子控制单元”“。 在电子节气门的 控制方面，最初的控制 方法相对简单，没有考 虑到节气门总成中的 机械部分存在的非线 性问题，这对节气门的 精确控制产生了一定 的影响。近几年来研究 人员已经关注到了这 个问题并提出了一些 基于非线性理论的解 决方法，节气门的控制 精度也得以提高 2 6 卜【3 0 o 电子节气门技术 的另一个发展趋势是 其电子控制单元e c u 由开始的独立模块向 图1第1 代d e l p h i 屯子节气门控制系统 f i g 】t h ef i r s tg e n e r a t i o ne t c so fd e l p h i 图2 第2 代d e l p h i 电予节气门控制系统 f i g2t h es e c o n dg e n e r a t i o ne t c so fd e l p h i 重庆火学硕士学位论文l 绪论 与发动机综合控制模块集成一体转变”。图1 和图2 分别为d e l p h i 公司生 产的第1 代和第2 代电子节气门控制系统。可以看出，第1 代电子节气门 的控制模块单独设计，与传动系统控制模块通过串口通信 第2 代已经取 消了单独的节气门控制模块，由发动机控制模块控制节气门，这样不仅提 高了系统的可靠性，也降低了硬件的成本。 1 4 电子节气门控制系统结构 1 。4 。1 机械式节气门结构、原理 传统的机械式节气门( 如图3 所示) 采用的是机械连接方式，它由 加速踏板、拉线和杠杆、复位弹簧和节气门体等部分组成。加速踏板与节 气门片通过拉线杠杆连接在一起，驾驶员通过直接控制加速踏板来实现驾 驶意图，加速踏板位移量，对应一个相应的节气门开度二者之间是一种 刚性连接”。 机械式节气门的优点是机构简单，反应快，可靠性较高，可以充分 地反映驾驶员的驾驶意图；缺点是由于驾驶员是根据主观感受来操纵加速 踏板，很难根据汽车的不同工况相应地作出精确调整，所以导致节气门的 开度控制不准确，比如在某些需要小油门开度的时候实际踏板踩得过大而 在需要大油门开度的时候踏板却踩得偏小等等，从而影响了汽车的燃油经 济性和动力性，有害物质排放量亦增加。 图3 传统节气门结构简圈 f i g3d i a g r a mo ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ll i n k a g et h r o t t l e 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 4 2 电子节气门结构、原理 电子节气门取消了机械式节气门的刚性连接，采用一种柔性控制方 式，如图1 和2 、4 所示，电子节气门控制系统由以下几部分组成： 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 核心是两个电位器式位置传感器，将踏板位移量转化成电信号传递给电子 控制单元( e c u ) 。不同于传统节气门，节气门开度不是由加速踏板直接 控制。 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、齿轮机构以及复位弹簧组成。 3 电子控制单元e c u ：e c u 是整个电子节气门控制系统的核心。驾 驶员的意图经由e c u 分析作出判断，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。d v e 5 采用m o t o r l am p c 5 5 5 微处理 器作为其控制单元。 图4 电子节气门系统 1 加速踏板2 节气门体 3e c u f i g4 e l e c t r o n i ct h r o t t l es y s t e m 1a c c e l e r a t i o np e d a l2t h r o t t l eb o d y3e c u 电子节气门的工作原理是：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e c u ，e c u 通过对当前 所处工况进行计算和逻辑处理后发出控制信号，再经过功率放大，控制节 气门驱动电机，使电机按照e c u 给定的角度驱动节气门运转到所需要的开 度；同时节气门体上的节气门位置传感器将测得的当前节气门位置信号转 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 化为模拟电压信号传给e c u ，通过反馈实现对节气门的最佳闭环控制。 电子节气门的缺点是使系统变得复杂，可靠性降低，而且成本较传 统的节气门要高出许多。 1 5 电子节气门研究的主要问题 电子节气门系统的主要问题是非线性问题”明吖”1 和可靠性问题”。3 ”。 1 非线性问题： 在电子节气门总成内，传动机构存在无法消除的非线性闯题，主要是： 节气门阀片运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、节气门复位弹簧的非线性 特性、减速齿轮装置中的轮齿间隙。 ( 1 ) 粘性摩擦和滑动摩擦：电子节气门在工作过程中节气门阀片的运动 会同时受到粘性摩擦和滑动摩擦的作用，在动态过程中造成摩擦力的变化 的非线性。 ( 2 ) 复位弹簧非线性：节气门复位弹簧采用扭转弹簧，随着节气门开度 的不同，其麓加在节气门阀片中心轴上的扭转力矩呈菲线性变化。 ( 3 ) 轮齿间隙：由于电机的转速较高而扭矩较小，因此在电机输出轴与 节气门阀片中心轴之问采用了一套齿轮减速机构。齿轮啮合间隙的存在对 节气门的工作产生了一定的非线性影响。 2 可靠性问题 由于取消了机械式节气门的机械连接方式，采用电子控制的方式，使 得电子节气门的可靠性相对降低，如果控制软件或者系统某一部分出现故 障，就不能保证整个系统工作的可靠性。 为了保证系统的可靠性，在节气门设计时采取冗余设计思想，节气门 位置传感器采用2 个传感器来保证系统一旦其中一个传感器失效的情况下 另一个传感器仍可以采集节气门信号。 另个保证系统可靠性的方法是通过调整节气门复位弹簧，使节气门 阀片在最小位置保持一定的开度，在控制系统失效的情况下可保证车辆以 一定的节气门丌度行驶到安全地点。 1 6 论文的主要研究内容 本文针对b o s c hd v e 5 电子节气门进行结构和理论分析、控制性能 仿真及试验，具体内容如下： 1 ) 分析电子节气门系统的结构特点及节气门机械结构中存在的非线 性因素，并进行节气门系统参数的测定。 7 重庆人学硕士学 ! ：) = 论文 1 绪论 2 ) 建立电子节气门系统的数学模型，在此基础上针对节气门体存在 的非线性问题提出满足控制要求的控制方法。 3 ) 在建立电予节气门及其控制器数学模型的基础上，利用 m a t l a b s i r n u l i n k 软件建立电子节气门控制系统仿真模型，并进行仿真比较。 4 ) 利用d s p a c e 控制软件和a u t o b o x 对d v - e 5 进行控制系统试验， 检验控制方法的正确性和可靠性，并改进控制方法。 重庆大学硕士学位论文2 电子节气f j 控制系统分析与设计 2 电子节气门控制系统分析与设计 完整的电子节气门控制系统包括驱动模块、节气门总成、加速踏板位 置传感器、驱动电机控制器等，本章将对电子节气门系统的各部件的结构 进行分析，并确定各部件的相关参数。 2 1 电子节气门驱动模块 电子节气门控制的关键是控制节气门驱动电机的运动。驱动模块用于 提供适当的控制电压驱动节气门伺服电机，使电机输出需求的转矩以驱动 节气门达到要求的开度位置。 对于小型直流电机调压调速系统，有两种常用方案：1 采用一个1 2 v 直流电源及一个可变电阻控制驱动电机电压；2 采用p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 脉宽调制直流可调电源和h 桥式品闸管电路控制电机电压 2 j 1 直流电源驱动模块方案 采用直流电源加变阻器的方案，控制原理比较简单，可变电阻和驱动 电机串联在电路中，通过改变电阻阻值实现对驱动电机电流的控制。根据 电路原理： e = i ( r r + r ，+ r ) ( 2 1 ) 式中 e 一电源电动势，f 一串联电路中的电流，足一可变电阻阻值， 兄。一电机阻值，r 一电源内阻。 当r 改变时，由于电动势e 、r 。、 ，均为定值，则电流i 会发生相应的变 化。 电机转矩输出特性为 e t = k t i( 2 2 ) 式中 石，电动机转矩系数 电机转矩与电流i 成正比，i 变化， 驱动电机输出转矩相应变化，从而实现 对电机的控制。 该方案虽然原理简单，但由于采用 了可变电阻，对可变电阻的控制又成为 图2 1 直流电源骊动模块 f i g 2 1a c t u a t e dm o d u l ew i t hd i r e c t c u r r e n tp o w e rs o u r c e 重庆人学硕+ 学位论文2 电子节气fj 控制系统分析与设计 问题，实际使问题更加复杂化。另外，从功率分配的角度考虑，在控制电 机的过程中，变阻器会消耗很大一部分功率，仅有部分的能量用于驱动电 机的工作，比如电机在半额定功率状态时仅有5 0 的功率分配给了电机， 而另外一部分功率基本上损耗在电阻上；而且电阻消耗的能量会转化成热 量，不利于系统的正常工作。更重要的一点是节气门根据不同的工况需要 实现节气门既能正转又能快速反转，即电机电流的方向需正反方向的变 化，该方案显然无法实现这一要求。 2 1 。2p w m 脉宽调制驱动功率模块方案 p w m 脉宽调制是近年来广泛应用于直流电动机转速调节系统中的一 种调整直流电源电压的方法。脉宽调制，其含义是将连续变化的控制电压 变换为脉冲幅值与频率固定、脉冲宽度与“瞬时值相关的脉冲电压。通 过对脉冲宽度的控制也即占空比的控制，实现对直流电机电枢电压的控 制，从而控制电机的转速”“。 p w m 控制的示意图如图2 2 所示，可控开关s 以一定的时间间隔重复 地接通和断开，当s 接通时，供电电源氓通过开关s 葳加到电机两端，向 电机提供能量，电机绕组储能；当开关s 断开时，中断了供电电源以向电 机提供能量，在开关s 接通期问电枢电感所储存的能量通过续流二极管v d 使电机电流继续流通。 图2 2p w m 控制示意图 f i g2 2s k e t c hm a po fp w mc o n t r o ls y s t e m 一毛l 缸 一r 一一 同f 二一 划 i h 一 图2 3p w m 控制电压波形图 f i g2 3 w a v em a po fp w mc o n t r o lv o l t a g e 电机绕组两端得到的电压波形如图2 3 所示，电压平均值，可用下 式表示： u 。，= 篮t 【，s = d u s ( 2 3 ) 也也 o 也也 。 重庆大学硕士学位论文 2 电子节气门控制系统分析与设计 式中 。一开关每周期接通的时间； ，一开关通断的工作周期 d 一占空比，d = 鱼 7 由式( 2 3 ) 可见，改变开关接通时问t 。和开关周期r 的比例亦即改 变脉冲的占空比，电机两端电压的平均值也随之改变，因而电机转速得到 控制。图2 4 为不同占空比的实际波形。 图2 4 为桥式p w m 驱动模块的控制原理框图。p w m 驱动装置的控制 结构可分为两大部分：功率转换电路和控制电路。 c o n s t a n t ； f r e q u e n c y 【哪 p o w e r c o n v e r t c i r c u i ti ； w a v c i1i t g e n e r a t o r 一磁0 v o l t a g e - t o * 只 p u l s e 叫：卜 w i d t h 产 c o n v f f t - f l e l - s f v w ) 图2 4p w m 驱动装置控制原理图 f i g2 4c o n t r o lp r i n c i p l em a po fp w md r i v i n gd e v i c e 功率转换电路是由四个大功率晶体管( g t r ) v 1 、v 2 、v 3 、v 4 组成的 h 桥式电路，控制直流电机所需的直流电压u s 施加在其两端。大功率晶体 管由控制电路给v 1 、v 4 和v 2 、v 3 提供相位差1 8 0 。的矩形波基极激励电 压，使v l 、v 4 和v 2 、v 3 交替导通，将直流电压阢调制成与给定频率相同 的方波脉冲电压，作用到电机电枢两端 控制电路由恒频率发生器、脉冲宽度调制电路、脉冲分配电路、基极 驱动电路组成。当控制信号电压“j 增加时，经与恒频率波形发生器比 较，产生一个宽度与“i 成比例的调制脉冲电压，经脉冲变换分配使基极驱 动电路激励主电路大功率晶体管的正向导通时间增加，则电机两端的平均 电压增加，电机转速上升至控制信号电压“i 所要求的数值。 2 2 电子节气门体总成结构及非线性因素分析 重庆大学硕士学位论文 2 电子节气门控制系统分析与设计 电子节气门体总成( 图2 5 、2 6 ) 主要包括节气门驱动电机、齿轮减 速机构、节气门空气流量阀片、2 个节气门位置传感器以及节气门复位弹 簧。 图2 5 b o s c h 电子节气门体 f i g2 5b o s c he l e c t r o n i ct h r o t t l eb o d y s e 琳o r 图2 6 节气门体结构简图 f i g2 ，6d i a g r a mo ft h r o t t l eb o d y 2 2 1 节气门驱动电机 电予节气门驱动电机的主要功能是为节气门阀片提供适当的转矩，以 驱动节气门阀片运转到适当的节气门开度位置。d v - e 5 电子节气门采用的 是小功率永磁直流力矩电机，其特性与普通小功率直流电动机相类似，但 是在性能上保持了普通直流电动机的优点而克服了其缺点，其特点是堵转 力矩大，空载转速低，调速范围宽，起动迅速，机械特性和调节特性线性 度好，长期堵转时能产生足够大的堵转力矩而不损坏，可靠性较高“。 2 2 2 齿轮减速机构及齿隙非线性 由于节气门驱动电机转速较高而输出扭矩较小，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。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。其 中主动齿轮安装于电机输出轴上，从动齿轮装于阀片中心轴端，通过固定 于节气门体的中间齿轮传递输出扭矩给阀片中心轴。 齿轮减速机构不仅增大了施加于中心轴上的扭矩，同时还降低了节气 门阀片的转速，减少了工作时的冲击，有利于节气门控制。 在齿轮减速机构中，由于齿轮啮合存在间隙，产生了齿间隙非线性 “”“”1 ，电机转矩和节气门输出之间成非线性关系： 2 重庆大学硕士学位论文2 电子节气门控制系统分析与设计 式中 z 一输入转矩 少一为输出转矩 占一为死区宽度 y = f k 占) ， 二，1 户7 l 7 ， 一k ，0s 产啊7 。7 广卜7 图2 7 齿间隙非线性特性 f i g2 7n o n l i n e a r i t yo fb a c k l a s h ( 2 4 ) 2 2 3 节气门复位弹簧及其非线性 在节气门工作时，当节气门需要从较大开度位置降到较小开度或回到 节气门关闭位置时，为了保证系统的可靠及响应的快速性，在节气门阀片 中心轴另一端设计有复位弹簧，该弹簧提供一个较大的扭转力矩，使节气 门阀片可以快速地回到要求位置( 图2 8 ) 。通过对该弹簧的调整，还可以 调节节气门初始丌度，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。 复位弹簧采用非线性扭转弹簧，该弹簧具有如下非线性特性”： 乙( 曰) = m l ( 口一o o ) + d s g n ( o o o ) ( 2 5 ) 式中 乙一一复位弹簧力 目一一节气门转角 吼一一弹簧平衡位置 n l 一一弹簧增益 d 一一弹簧偏移量 重庆大学硕士学位论文2 电子节气门控制系统分析与设计 r e j v d一一一7 o j ； u 0 0 e 一 d乡一 图2 8 非线性复位弹簧特性 f i g2 8n o n l i n e a r i t yo fr e p o s i t i o ns p r i n g 2 2 4 非线性摩擦力及其特眭 节气门阀片在运动过程中要受到摩擦阻力矩的作用。摩擦力矩包括粘 性摩擦力矩和库仑摩擦力矩，其中库仑摩擦属于静摩擦，而粘性摩擦属于 动摩擦。粘性摩擦力矩与节气门阀片的转速大小有关，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关，方向亦与其相反。 = 乃+ 0 ( 2 6 ) 乃= k d 珊 ( 2 7 ) 乃= k ss g n ( c o ) ( 2 8 ) 式中 一一总摩擦力矩 乃一一粘性摩擦力矩 只一一库仑摩擦力矩 2 3 加速踏板位置传感器及节气门开度传感器 节气门开度传感器是节气门状态的唯一检测元件，加速踏板位置传感 器是反映驾驶员操作意图的检测元件。从控制的角度讲，只需要一个位置 传感器就够了，但采用冗余传感器可大大增加识别硬件故障的可靠性，并 保证车辆行驶的安全性，因此e t c 系统至少采用2 个节气门开度传感器和 2 个加速踏板传感器。这些传感器都是线性电位器，每两个传感器由同一 电源供电，设计成阻值反向变化，即一个电阻值增加时另一个减小，其输 出电压成互补的方式，2 个传感器输出电压信号的和始终等于供电电压， 这样可保证当其中一个传感器出现故障或电源电压低于规定值时，能及时 识别1 。 1 4 重庆大学硕士学位论文2 电子节气门控制系统分析与设计 图2 9 加速踏板及其位置传感器 f i g2 9a c c e l e r a t i o np e d a la n dt h ep e d a lp o s i t i o ns e n s o r 图2 1 1 节气门开度传感器图2 1 2 节气门位置传感器输出关系 f i g2 1 1t h r o _ t t l ep o s i t i o ns e n s o rf i g2 1 2o u t p u tr e l a t i o nb e t w e e nt h et w ot p s 2 4 电子节气门系统相关参数测定 通过资料查阅及实验测试方法，对电子节气门进行参数了测取，获得 了电子总成的关键参数，取得了表2 1 所示数据。 2 5 本章小结 i 详细分析了电子节气门控制系统中p w m 脉宽调制电源、电子节气 门总成、加速踏板位置传感器及节气门位置传感器等重要部件的结构性 能，并分析了节气门系统存在非线性因素的原因及其特性，为电子节气门 控制的数学建模、仿真控制与试验控制打下了基础。 2 确定了电子节气门系统的关键参数，为电子节气门控制系统的仿真 和试验奠定了基础。 重庆大学硕十学位论文 2 电子节气门控制系统分析与设计 表2 1电子节气门系统关键参数 t a b l e2 1t h ek e yp a r a m e t e r so ft h ee t c s 参数测量值 齿轮减速机构传动比k 2 0 驱动电机电阻斤( q ) 1 8 驱动电机电感( h ) 0 0 0 1 5 电机反电动势常数k 。( v s ) o 0 1 2 驱动电机转矩常数肝( n m a ) 0 0 1 1 9 节气门总转动惯量j ( g e m 2 ) 5 0 0 复位弹簧扭矩常数瓜( n m r a d ) o 0 1 9 5 库仑摩擦力常数k ，( n m ) 0 0 0 7 粘性摩擦力常数k 。( n m r a d s ) 0 0 0 0 0 5 节气门平衡位置转角0 。( r a d ) 一0 2 5 节气门位置传感器电阻( 全开) 斤一( k q ) 1 2 5 电源电压。( v ) 1 2 0 电源内阻屁，( q ) 0 5 1 6 重庆大学硕士学位论文 3 电子节气门系统数学模型及控制方法研究 3 电子节气门系统数学模型及控制方法研究 3 1 电子节气门系统数学模型 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：控制电源、驱动电机、节气门机构、传感器。这些部分综合起来构 成完整的电子节气门系统模型。 3 1 1p w m 控制驱动模块数学模型 p w m 通过控制占空比实现对输出电压的控制。在e t e 系统中有两类不 同的p w m 控制方式，一种是静态占空比脉宽调制方式，另一种是非静态占 空比方式”。 在静态占空比脉宽调制方式中，定义p ( t ) 为p w m 脉宽调制输出，d 为 输入占空比，d ，为锁止占空比，丁为p w m 脉宽调制周期。其中， p ( t ) 0 , 1 ) d ( f ) ，d 【0 ，1 输出占空比规则如下： p ( o ) = 0 i f ( t = n t i n = o ，1 2 ) t h e nd l ( f ) = d ，a n dp ( f ) = 1 i f ( p = l a n df m o d t d ) t h e np = 0 在非静态占空比脉宽调制方式中，当输入值小于或者等于0 时，输出 p ( f ) = l 。 p ( t ) 0 , 1 ) e ( t 、r 此时输出占空比规则如下： p ( o ) = 0 i f ( t = n tj n = o ，l 2 。) t h e np ( t ) = 1 i f ( p = 1a n de 0 ( 3 3 8 ) 设状态反馈为 = 一佩( 3 3 9 ) 其中妒的值可取为甜或一口。当妒= 盯时，相当于负反馈，微分方程有一对 共轭复特征值，起实部为正数，相轨迹如图3 4 所示，相平面坐标原点是 不稳定的焦点。当妒= 一口时，相当于f 反馈，系统的特征值为实数且一正 一负，从而坐标原点是鞍点，相轨迹如图3 5 所示。 重庆人学硕士学位论文3 电子。1 气门系统数学模型及控制方法研究 乍 孓。 心乡。 图3 4 驴= 口时的相轨迹图 f i 9 3 4p h a s et r a c kw h e n = 口 | 、滴勿。 膨忒 图3 5驴= 哪时的相轨迹图 f i 9 3 5p h a s et r a c kw h e n 口= 一口 显然对于这两种结构，系统均不稳定，仅在伊= 一口时有收敛到原点的 相轨线，即沿着这一结构的稳定特征向量方向的相轨线。如果将这两种反 馈方法按照一定的规律有机结合起来，则会产生奇妙的相轨线变化。选取 系数p 按下列规律在稳定特征线及善= 0 上进行切换，即 口：口船 0( 3 4 0 ) 1 一口 0 其中 j = x 十c x c = ff f 2 盖+ 、j + 醪 则直线两侧的轨线都最终落在此直线并收敛到原点，因此相应的系统是逐 渐稳定的，如图3 6 所示。上述切换线直接由系统的参数孝和切换参数口决 定，因而当参数f 未知或存在扰动时，这种选择方法显得相当困难。因此， 考虑选取切换线为 e 再f x 。0 及s = y c + c x ，c ( o ，一专+ j ；埘) 可得到图3 7 所示的相轨迹。在图上可见，s = 0 两侧的相轨线都引向切换 线j = 0 。因此，状态轨线一旦到达此直线上，就沿此直线收敛到原点，这 种沿j = 0 滑动至原点的特殊运动称为滑动模。直线s = 0 称之为切换线或切 换流形，相应的函数称之为切换函数。 在滑动模下，系统的运动规律由简单的微分方程土+ “= 0 描述，其解 为 重庆大学硕士学位论文 3 电子节气门系统数学模型及控制方法研究 x ( t ) = 工( o ) e “ 显然，此时方程的阶数比原系统低，而且仅与参数c 有关，即不受系统参 数变化或干扰的影响，具有很强的鲁棒性。 淞 孓。 七巡。 0 图3 6 有切换时的相轨迹图 f i g3 6p h a s et r a c kw i t hs w i t c h 媳 j 又泰。 七 裂s o 图3 7 变结构系统的相轨迹图 f i g3 7p h a s et r a c ko fv a r i a b l es t r u c t u r e 在上述过程中，由于口与一t 2 - 给出了两种控制结构，在控制过程中， 结构在两者之间变化，故称之为变结构控制方法。起基本思想即首先将从 任一点出发的状态轨线通过控制作用拉到某一指定的直线，然后沿