電子油門信號模擬器研究

臧運(yùn)剛

（哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 引言

由于近年來整車系統(tǒng)大量采用電子油門控制，發(fā)動機(jī)試驗臺架供應(yīng)商的新系統(tǒng)都具備了電子油門踏板信號接口，但對于一些已有的舊的發(fā)動機(jī)試驗臺架，不具備電子油門信號接口，往往需要請臺架供應(yīng)商對整個系統(tǒng)升級，費(fèi)用高昂，才能實現(xiàn)此功能，使得一些還在服役的舊臺架不能滿足電子油門控制的發(fā)動機(jī)試驗需要，因此就需要一種成本低、性能穩(wěn)定可靠的臺架電子油門信號轉(zhuǎn)換模擬器來對臺架進(jìn)行改造，實現(xiàn)此功能。

本模擬器適用于各種型號的發(fā)動機(jī)試驗臺架，如AVL公司PUMA1.1系統(tǒng)以及各種國產(chǎn)臺架。本模擬器能對臺架機(jī)械油門系統(tǒng)反饋的各種電壓信號進(jìn)行運(yùn)算轉(zhuǎn)換和調(diào)整，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電子油門踏板信號來驅(qū)動發(fā)動機(jī)，并具有良好的線性，優(yōu)良的共模信號抑制、信號隔離，完善的信號糾錯保護(hù)功能及良好的穩(wěn)定性。

2 可行性分析

2.1 各測試系統(tǒng)油門信號反饋電壓參數(shù)對比

涉及到AVL PUMA1.1、奕科EIM301、凱邁FST2.0三種測試系統(tǒng)，各系統(tǒng)油門反饋信號電壓參數(shù)見表1。

3種系統(tǒng)油門反饋信號電壓最終轉(zhuǎn)換成兩組標(biāo)準(zhǔn)電壓u1和u2輸出，其曲線關(guān)系如圖1所示。

2.2 可行性分析及設(shè)計要點

1）從各系統(tǒng)油門反饋信號電壓參數(shù)對比表中參數(shù)分析，3種系統(tǒng)油門反饋電壓值和幅值均不相同且差異較大，而且與目標(biāo)值差異也較大。

表1 各系統(tǒng)油門反饋信號電壓參數(shù)

圖1 電子油門的電子特性圖

2）凱邁FST2.0與奕科EIM301系統(tǒng)電壓幅值低于目標(biāo)值，需要放大并與一個設(shè)定的初始值做減法運(yùn)算才能達(dá)到目標(biāo)值要求。

3）AVL PUMA1.1系統(tǒng)電壓幅值高于目標(biāo)值，需要衰減并與一個設(shè)定的初始值做加法運(yùn)算才能達(dá)到目標(biāo)值要求。

4）綜合上述分析：采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大及加減法運(yùn)算，根據(jù)不同系統(tǒng)調(diào)整電路元件的參數(shù)是可以達(dá)到目標(biāo)值要求的。

3 基本運(yùn)算電路的設(shè)計與試驗驗證及失效原因分析

3.1 基本運(yùn)算電路及其電壓傳遞函數(shù)

針對凱邁FST2.0系統(tǒng)設(shè)計基本運(yùn)算電路及其電壓傳遞函數(shù)如圖2所示。

圖2 基本運(yùn)算電路圖

圖2 的基本設(shè)計理念是用可變電阻設(shè)定一個可調(diào)整的初始電壓值，將其輸入運(yùn)算放大器反相輸入端并與輸入同相輸入端的臺架機(jī)械油門反饋電壓信號進(jìn)行減法運(yùn)算，同時再加以一定倍數(shù)的放大，得到目標(biāo)值u1=0.8～4.1 V，然后u1再經(jīng)2個相同阻值電阻分壓得到u2=0.5u1。

3.2 臺架試驗發(fā)現(xiàn)問題

以上電路經(jīng)臺架試驗發(fā)現(xiàn)如下問題：在點火開關(guān)打開后操作臺架油門，試驗電路輸出兩路電壓幅值及相互關(guān)系符合要求，發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門體可按油門操作值來動作，但當(dāng)發(fā)動機(jī)起動后，油門操作失效，發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門體門板不動作。

3.3 試驗電路失效原因分析

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，起動過程中電子油門踏板信號模擬器輸出電壓信號在起動瞬間出現(xiàn)大幅下降，最低至0 V，導(dǎo)致ECU判斷為電子油門踏板電壓過低，ECU處于保護(hù)狀態(tài)，電子油門控制無效。經(jīng)分析導(dǎo)致起動瞬間電壓下降的原因是由于起動瞬間起動機(jī)電流很大，導(dǎo)致搭鐵電位升高，由于本試驗電路與發(fā)動機(jī)共搭鐵連接，搭鐵電位升高在電路輸入端產(chǎn)生共模輸入電壓，經(jīng)減法及放大運(yùn)算后出現(xiàn)以上現(xiàn)象。

4 電路改進(jìn)設(shè)計

4.1 為抑制共模信號干擾采取的措施

1）信號輸入端采用具有高共模抑制比的差分放大電路，抑制起動過程中搭鐵電位共模信號干擾，增加信號穩(wěn)定性。

2）使用電壓轉(zhuǎn)換隔離電路及電源隔離電路，將輸入信號搭鐵與輸出信號搭鐵隔離，切斷發(fā)動機(jī)、試驗臺架及電子油門模擬器三者之間的搭鐵環(huán)路，進(jìn)一步降低搭鐵電位波動的影響，使電子油門模擬器輸入、輸出信號更純凈和穩(wěn)定。

4.2 改進(jìn)后電路設(shè)計 （圖3）

1）如圖3所示：發(fā)動機(jī)試驗臺架機(jī)械式油門控制系統(tǒng)輸出信號經(jīng)JP1輸入，經(jīng)IC1B、IC1C、IC1D三個運(yùn)算放大器組成儀表放大器對輸入電壓、電流信號進(jìn)行高共模抑制比的轉(zhuǎn)換放大。

2）通過運(yùn)算放大器IC1A進(jìn)行信號的運(yùn)算調(diào)整，將輸入信號調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)的電子油門踏板輸出電壓范圍。

3）繼電器J1用于在臺架油門關(guān)閉情況下出現(xiàn)錯誤電壓時，將模擬器輸出適時切換為適宜的怠速電壓設(shè)定值從而避免ECU報錯，該設(shè)定值由VR2進(jìn)行調(diào)整。

4）穩(wěn)壓二極管D4用于對最高輸出電壓進(jìn)行箝位，可以避免臺架誤操作導(dǎo)致油門開度過大時，電壓超過極根值使ECU報錯而影響發(fā)動機(jī)正常工作。

5）IC3為電壓隔離模塊，對輸入信號與輸出信號進(jìn)行電氣隔離，避免共搭鐵干擾，輸出電壓非線性度在±0.01%以內(nèi)，隔離電壓達(dá)到1 500 Vrms。

6）IC4組成電壓跟隨器，用于緩沖輸出電子油門的第2組驅(qū)動電壓，幅值是第1組電壓的1／2。

7）系統(tǒng)為實現(xiàn)電源隔離，使用了2組DC-DC電源隔離模塊，電源輸入使用臺架系統(tǒng)的24 V電源，輸出為±15 V，隔離電壓達(dá)到1 500 Vrms。

8）改進(jìn)后電路可以兼容AVL PUMA1.1、奕科EIM301、凱邁FST2.0三種測試系統(tǒng)，當(dāng)接入電阻R15、R25、R26時電路適應(yīng)AVL PUMA1.1系統(tǒng)，不接此3個電阻時電路適應(yīng)奕科EIM301和凱邁FST2.0系統(tǒng)。

4.3 電路元件參數(shù)及電壓傳遞函數(shù)

對于AVL臺架，設(shè)計電壓傳遞函數(shù)如下：

圖3 改進(jìn)后電路原理圖

對于南峰和奕科臺架，設(shè)計電壓傳遞函數(shù)如下：

5 臺架加裝電子油門模擬器的改造工作

5.1 具體實施方式

1） 按臺架輸出信號幅值選擇IC1A的電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻的阻值，電阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定運(yùn)放的增益，按設(shè)定的電阻值選擇元件，制作相應(yīng)電子油門信號模擬器。

2）連接好臺架、電子油門信號模擬器及發(fā)動機(jī)。

3）打開電源開關(guān)，電源指示燈亮，初次使用需調(diào)整VR1、VR2，設(shè)定好怠速電壓。

4）起動發(fā)動機(jī)，進(jìn)行試驗，電子油門信號模擬器會按照設(shè)定的油門開度，輸出相應(yīng)的油門踏板信號給發(fā)動機(jī)ECU，驅(qū)動發(fā)動機(jī)工作。

5.2 臺架改造實施情況，以AVL PUMA1.1系統(tǒng)為例

1）將電子油門信號模擬器信號輸入端接入PUMA1.1系統(tǒng)THA100油門執(zhí)行器的油門開度實際值輸出端。

2）將電子油門信號模擬器裝入THA100機(jī)柜右上角前加以固定，電子油門信號輸出以四芯屏蔽線引至發(fā)動機(jī)附近，接至7針航空插頭，便于與發(fā)動機(jī)線束對接。

3）電子油門信號模擬器輸出至7針航空插頭各針腳定義，1腳：發(fā)動機(jī)+5 V輸出1；2腳：發(fā)動機(jī)+5 V輸出2；3腳：電子油門輸出電壓u1搭鐵；4腳：電子油門輸出電壓u1+；5腳：電子油門輸出電壓u2搭鐵；6腳：電子油門輸出電壓u2+；7腳：空。

6 電子油門信號模擬器輸出特性曲線測試及臺架考核

6.1 電子油門信號模擬器輸出特性曲線

以AVL臺架為例進(jìn)行測試，輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 電子油門信號模擬器輸出特性驗證圖

經(jīng)測試并與理論曲線對比，模擬器輸出兩組電壓曲線與理論曲線吻合較理想，各點電壓與理論值的誤差范圍完全符合圖1參數(shù)表中要求。電壓與油門開度間輸出特性滿足使用要求。

6.2 臺架考核

電子油門信號模擬器經(jīng)2～8#臺架連續(xù)運(yùn)行7個月的可靠性考核，性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障，可靠性滿足需要。

7 結(jié)束語

通過以上論述，通過自行設(shè)計研制的成本低、性能穩(wěn)定可靠的臺架電子油門信號轉(zhuǎn)換模擬器，使各發(fā)動機(jī)試驗臺架實現(xiàn)電子油門控制的功能，經(jīng)過實踐證明是可行的，該裝置具有良好的線性，優(yōu)良的共模信號抑制、信號隔離，完善的信號糾錯保護(hù)功能及良好的穩(wěn)定性，實用性強(qiáng)、成本低，為舊臺架的改造，滿足電子油門驅(qū)動的發(fā)動機(jī)試驗要求提供了技術(shù)保障，使原有臺架具備電子油門發(fā)動機(jī)試驗功能。