不同踩踏角速度對汽車電子油門踏板輸出特性的影響

李建文，杜文博，梁家玉，張寶峰

(1.軍事交通學院軍用車輛系，天津300161;2.天津理工大學自動化學院，天津300384)

汽車電子油門控制系統(tǒng)由油門踏板位置傳感器、ECU和節(jié)氣門體3部分組成。油門踏板位置傳感器將駕駛員操作油門踏板角位移轉(zhuǎn)化成電壓輸出信號，送至發(fā)動機電控單元ECU，再由ECU通過驅(qū)動電路輸出相應的信號指令來控制節(jié)氣門的開度，這樣駕駛員就可以通過電控系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)油門拉線的操作，精確有效地控制進入氣缸內(nèi)的混合氣量。

在實際的駕車過程中，駕駛員操作踏板的速度多變，導致油門踏板輸出的電壓信號變化不穩(wěn)定，由于節(jié)氣門的開度完全取決于電壓信號的大小，因此節(jié)氣門的開度變化也會受到相應的影響。所以，以不規(guī)律的方式操作油門踏板時，對于行車速度的精確控制就無法界定了。

目前，國內(nèi)外對油門踏板質(zhì)量控制及其性能檢測進行了一定的研究。美國汽車工程師協(xié)會制定出標準文件SAE J1843-1993［1］，嚴格規(guī)定了應用于汽車電子油門踏板位置傳感器的測試參數(shù)及要求;國外大型跨國汽車電子公司，如德國Bosch、日本Toyota均擁有專用的測試試驗裝置。但由于機械加工和裝配精度的問題，目前國內(nèi)自主生產(chǎn)的電子油門踏板很難完全達到國外標準文件中的指標。但是，國內(nèi)一部分學者針對油門踏板的控制精度問題還是進行了一些研究，如:揚州大學的劉榮先等以開關信號電壓值的大小作為控制好壞標準，對油門踏板快踩快放、慢踩慢放、快踩慢放和慢踩快放4種操作工況進行了測量分析研究，結果顯示信號采樣的頻率和踏板位移速度都會影響開關信號的控制精度［2］;中國計量學院的柴珊珊等針對油門踏板的性能指標建立了一套完整的檢測系統(tǒng)，其中包括踏板力、力滯、線性度、同步度等多項性能指標，由于其機械下壓裝置的局限性，這套系統(tǒng)僅能在踏板位移變化速度為5(°)/s的時候，測試出油門踏板的性能，只能說明在工廠的成品件測試時，它可以直接淘汰在特定速度下對節(jié)氣門控制精度不高的油門踏板［3］。盡管如此，對于油門踏板的研究還是面臨很多問題，如系統(tǒng)檢測的方向較單一、檢測的參數(shù)不具有踏板性能的代表性，或者是未能結合駕駛員的實際操作情況，致使許多油門踏板出廠檢測為合格，而實際使用中則有缺陷。

鑒于此，本文以踏板輸出的電壓信號作為控制精度的標準，硬件上選用光電式增量編碼器，模擬駕駛員的操作，使編碼器和踏板同步進行轉(zhuǎn)動，并采用NI數(shù)據(jù)采集卡同時采集編碼器的脈沖信號和油門踏板的電壓信號，將其傳輸至上位機處理;軟件上選用圖形化編程軟件LabVIEW對脈沖信號脈沖數(shù)、實時踏板位移、踏板位移平均速度，以及電壓信號線性度、同步度、遲滯度進行分析研究，這樣可以直接觀察到油門踏板在不同的踩踏收放速度下，其性能參數(shù)的變化，最終確定踏板位移速度對節(jié)氣門開度的影響。

1 測試分析系統(tǒng)的構建

1.1 硬件部分

選用奇瑞A系列汽車的A21型電子油門踏板。這種懸掛式油門踏板為非接觸式，即踏板內(nèi)部配備霍爾位移傳感器，當供電電源接上踏板時，電流會通過其中的金屬導體，在垂直于金屬導體的兩側各放置一塊永磁鐵，這樣在導體兩側方向就會產(chǎn)生橫向電位差，當材質(zhì)不變、磁場強度不變的情況下，電位差的大小完全取決于導體通電電流的大?。?］。

為實現(xiàn)對油門踏板不同踩踏和收放速度的測試，需對踏板位移的大小進行測量，由于踏板位移是非線性的，試驗采用把編碼器嵌入油門踏板轉(zhuǎn)動軸的方法，實現(xiàn)踏板轉(zhuǎn)動角位移的測量。選用EKP3808系列光電編碼器(增量式)，通過踏板角位移—周期性電信號—計數(shù)脈沖逐次轉(zhuǎn)換，由已知編碼器旋轉(zhuǎn)360°可以輸出2 000個脈沖，通過采集編碼器實際輸出脈沖的個數(shù)，得出油門踏板的實時角位移［5］。

試驗中需采集兩路模擬信號和一路脈沖信號，采用可以滿足試驗需求的NI-PCI6221型數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡具有16路模擬輸入和兩個計數(shù)器信號輸入端。根據(jù)配套的CP-68LP型號端子板引腳圖可以看出，當數(shù)據(jù)采集卡直接連接到上位機后，其8號引腳和14號引腳可以直接提供5 V的供電，根據(jù)標準文件的要求，油門踏板所要求的額定供電電壓同樣是5 V，所以不需外接供電電源。硬件的整體連接如圖1所示。

圖1 硬件的整體連接

1.2 軟件部分

為了兼容NI-PCI6221型數(shù)據(jù)采集卡，上位機開發(fā)環(huán)境采用NI公司的LabVIEW軟件。與Lab-VIEW配套的NI MAX自帶驅(qū)動程序，可以實現(xiàn)內(nèi)部對數(shù)據(jù)卡進行自檢、校準、引腳圖查詢等功能。

采集脈沖信號，用整合的VI DAQ assistant實現(xiàn)脈沖計數(shù)，計數(shù)邊沿為上升沿，計數(shù)初始值為0，采樣頻率1 000 Hz。預測試階段，踏板滿量程下的踩踏或者收發(fā)計數(shù)值為90，相當于16.2°的滿量程位移。設置計數(shù)值為1時，內(nèi)置計時器開始計時，計數(shù)值為90時，停止計時，得到的時間值即為踏板操作時間，即等同于得到了踏板產(chǎn)生角位移的平均速度。

采集電壓信號，同樣用DAQassistant實現(xiàn)接收功能，接線端配置選用RSE，以接地電壓作為參考電壓，采樣頻率1 000 Hz，觸發(fā)方式為數(shù)字邊沿的上升沿觸發(fā)，即以脈沖計數(shù)端作為觸發(fā)源，當踏板發(fā)生角位移時，第1個計數(shù)脈沖則會直接觸發(fā)踏板電壓信號的采集。由于采集到的電壓信號為兩路，需要將混合信號拆分，對這兩路信號分別進行處理分析。由于踏板踩踏和收放兩種操作所產(chǎn)生的信號處理分析的方式不盡相同，再次進入測試程序前須對其進行判定，以數(shù)據(jù)中間部分采樣點的大小變化作為判定標準，可判定踏板的操作方式。由于數(shù)據(jù)起始點部分為油門踏板的怠速電壓，很有可能在踏板踩踏的初始過程中，其信號輸出的電壓值是不發(fā)生變化的，所以起始的采樣點不可以作為判定踏板操作方式的標準，踏板收放過程同理［6］。

采集上升電壓和下降電壓信號后，依據(jù)數(shù)值對其進行性能分析。油門踏板電氣性能最具代表性的3個參數(shù)是線性度、同步度和遲滯度，其對節(jié)氣門開度的控制精度影響也最大。這3項性能參數(shù)的定義和計算公式如下。

(1)線性度。定義為傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比。該值越小，表明踏板位置傳感器的線性特性越好，計算公式為

式中:ΔYmax為實際輸出信號的電壓特性曲線與擬合直線間的最大偏差值;Y為踏板滿量程時電壓輸出值，這里用傳統(tǒng)的最小二乘法來擬合最佳直線。

(2)同步度。也稱為特性曲線的重合度，具體定義為兩曲線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比。同樣，該值越小，表明踏板位置傳感器輸出的雙路信號的同步特性越好，計算公式為

式中:Y1為第1路輸出信號的電壓值;Y2為第2路輸出信號的電壓值;Y為踏板滿量程時電壓輸出值;α為兩路信號的同步運算系數(shù)，根據(jù)油門踏板的常規(guī)設定，一般在0.5左右。

(3)遲滯度。是一項特殊的性能指標，并非所有的傳感器都有，在踏板位置傳感器中，它的定義是踩踏正程電壓信號曲線和收放回程電壓信號曲線的最大偏差與滿量程輸出的百分比。該值越小，表明踏板正程與回程之間特性曲線重合度越高，遲滯特性也就越好，計算公式為

式中:YP為踩踏輸出信號的電壓值;YN為收放輸出信號的電壓值;Y為踏板滿量程時電壓輸出值。

由于3項性能參數(shù)所需要的數(shù)據(jù)源種類不同，所以測試方案也不盡相同。線性度需要測量4次，分為踏板踩踏的兩路輸出信號和踏板收放的兩路輸出信號;同步度需要測量2次，將踏板踩踏的兩路輸出信號比較計算1次，將踏板收放的兩路輸出信號再比較計算1次;遲滯度也只需測2次，將踏板踩踏的第1路信號和踏板收放的第1路信號比較計算1次，再將踏板踩踏的第2路信號和踏板收放的第2路信號比較計算1次。軟件部分的測量分析方案如圖2所示。

圖2 軟件部分的測量分析方案

2 測試過程與結果分析

測試分兩部分進行，第1部分為踩踏操作測試，第2部分為收放操作測試。由于遲滯度測量的需要，程序中含有數(shù)據(jù)暫存模塊，模塊設定為收放操作下讀取上一次測試的結果，所以踩踏操作和收放操作必須交替進行，即將程序運行開始后，油門踏板踩到底，程序運行停止，保持油門踏板滿量程狀態(tài)，再次開啟程序，此時進行踏板的收放操作直至踏板回歸零位移狀態(tài)后，關閉程序。

程序執(zhí)行過程中，踏板輸出的脈沖數(shù)、位移的變化會實時顯示出來，也就是說，這兩個參數(shù)會根據(jù)踏板的操作實時變化。在程序第1次執(zhí)行完畢后，兩路的踩踏線性度及同步度的結果才會在前面板中顯示，遲滯度依然為零;同理，在程序第2次執(zhí)行完畢后，兩路的收放線性度和同步度的結果才會在前面板中顯示，但這時遲滯度也會顯示出數(shù)值結果。圖3為第2次程序執(zhí)行完畢后的人機交互前面板。

圖3 第2次程序執(zhí)行完畢后的人機交互前面板

圖3 中，踏板操作的平均速度為143.069(°)/s時，兩次操作的兩路信號、線性度、同步度及遲滯度合格燈全部亮起。圖中底部的“文件路徑”和“文件路徑2”分別為第1路踩踏信號的數(shù)據(jù)儲存路徑和第2路踩踏信號的數(shù)據(jù)儲存路徑，為方便程序的測試和數(shù)據(jù)的分析，可以手動設定路徑［7］。

在不同的踏板操作速度下，除了脈沖數(shù)和角位移，其他的性能值會作為我們的參考標準，這里，使用人工操作踏板的方法，以便更接近駕駛員的實際操作。選用8次測試結果的數(shù)據(jù)來觀察踏板性能值的變化，踏板踩踏操作的測量結果見表1，踏板收放操作的測量結果見表2。

由測量結果可以觀察到，試驗用踏板的3種測量參數(shù)均符合標準文件的要求。隨著角位移速度的變化，兩路信號的同步度數(shù)值變化并不規(guī)律，變化范圍穩(wěn)定在0.33%至0.42%之間，遲滯度同樣如此，變化范圍穩(wěn)定在1.42%至1.78%之間，但是線性度的變化趨勢很明顯，第1路踩踏信號的線性度從3.43%上升至3.82%，第2路踩踏信號的線性度變化相對較小，從1.51%至1.70%，即使兩路線性度全部達標，但第2路線性度整體比第1路線性度更好，收放操作下，第1路信號的線性度很接近臨近標準值，從4.30%上升至4.49%，第2路信號的線性度依然整體好于第1路信號，線性度變化范圍在2.37% ～2.47%，呈上升趨勢。

表1 踏板踩踏操作的測量結果

表2 踏板收放操作的測量結果

由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著駕駛員踩踏和收放油門踏板的速度不同，踏板輸出信號的線性度也會不同，從試驗結果的趨勢來看，對于踏板的操作速度越快，線性度越差，對節(jié)氣門的控制品質(zhì)也就越低。所以，駕駛員平時在行車過程中，應該減少對踏板的劇烈操作，避免燃油因節(jié)氣門的控制品質(zhì)問題，帶來沒必要的損失;其次，油門踏板在出廠前的檢測系統(tǒng)應該優(yōu)化，將操作踏板的機械裝置重新設定，不管是下壓操作還是收放操作，都應該將操作速度盡量加快，如果油門踏板在高速操作下都可以保證對節(jié)氣門的控制質(zhì)量［8］，那么其線性度就可以完全達到標準要求，如果僅僅將操作裝置設定在2(°)/s或者5(°)/s左右的低速狀態(tài)，很難完全反映出踏板的性能，甚至踏板在低速操作下符合要求，但是高速操作下會出現(xiàn)線性度超標的情況。

3 結語

通過在不同踏板角位移速度條件下，對油門踏板的3項主要電氣性能進行分析，結果顯示，經(jīng)過研究人員對踏板進行劇烈的操作后，輸出電壓信號線性度變差，油門踏板的控制品質(zhì)降低，進而導致燃油的無功消耗和污染物的過量排放，所以，踏板的出廠質(zhì)量檢測系統(tǒng)還有待完善，可以適當增加同一踏板、多種操作速度下的測量，達到精確檢驗踏板性能的目的，最終降低不合格踏板的返修率。

［1］ Accelerator pedal position sensor for use with electronic controls in medium and heavy-duty vehicle application:SAE J1843-1993［S］.1993.

［2］ 劉榮先，馬明星，葉飛，等.汽車電子油門踏板開關信號的測量與性能分析［J］.交通工程學報，2010，10(2):64-68.

［3］ 柴珊珊，林敏，羅哉，等.電子油門踏板綜合測試系統(tǒng)的設計［J］.汽車技術，2013(1):48-53.

［4］ Misron Northisam，Shin Ng Wei，Shafie Suhaidi.A mobile ferromagnetic shape detection sensor using a Hall sensor array and magnetic imaging［J］.PubMed Journal，2012，11(11):74-89.

［5］ 尹傳卓.旋轉(zhuǎn)編碼器原理及應用研究［J］.科技與企業(yè)，2014(16):147-148.

［6］ 雷振山.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用［M］.北京:中國鐵道出版社，2009:82-203.

［7］ 王樹東，何明，王煥宇.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)［J］.電氣自動化，2015，37(1):99-101.

［8］ 張安偉，劉巨江，林思聰，等.基于節(jié)氣門開度的進氣模型研究［J］.小型內(nèi)燃機與摩托車，2012，41(5):41-44.