探究汽車電子節(jié)氣門控制策略

郭婭紅

摘要：本文簡單分析了汽車節(jié)氣門控制應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了ETC控制系統(tǒng)的工作原理以及應(yīng)用優(yōu)勢，介紹了電液式、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)三種常見的節(jié)氣門控制技術(shù)，對ETC控制系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：汽車;電子節(jié)氣門;控制策略

0 ?引言

從汽車的電子驅(qū)動原理出發(fā)，衍生出新型的電子產(chǎn)品，即汽車電子節(jié)氣門（下文簡稱“ETC”），控制過程利用傳感器、電控單元等，精準(zhǔn)控制ETC開度。當(dāng)前，在汽車的穩(wěn)定性、驅(qū)動防滑、變速控制等多個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)中都會使用ETC技術(shù)，調(diào)整節(jié)氣門為最佳的狀態(tài)，保證車輛的行駛安全。

1 ?汽車節(jié)氣門控制應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)上使用機(jī)械式的節(jié)氣門控制系統(tǒng)，駕駛員只需腳踏加速踏板，轉(zhuǎn)動節(jié)氣門拉鎖閥片，就能對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)控制。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，同時(shí)維修成本較低，但是機(jī)械控制方式，需要依賴駕駛?cè)藛T主觀意識展開操作，難以按照汽車實(shí)際的工況做出控制策略的調(diào)整。一旦汽車負(fù)荷增加、路況發(fā)生變化時(shí)，難以將節(jié)氣門開度進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)變，降低汽車使用性能，導(dǎo)致燃料不能充分燃燒，增加有害氣體向大氣中的排量。

2 ?汽車電子節(jié)氣門系統(tǒng)工作原理和應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 工作原理

ETC系統(tǒng)工作時(shí)，程序較為復(fù)雜，由加速踏板中的傳感器接收信號，將其傳遞到控制單元當(dāng)中展開分析和計(jì)算，輸出節(jié)氣門預(yù)期的開度值，將此值和節(jié)氣門位置處傳感器反饋結(jié)果展開對比，完成電機(jī)啟動，優(yōu)化節(jié)氣門的開度控制。從系統(tǒng)工作本質(zhì)角度講，ETC控制系統(tǒng)在整個(gè)控制流程主要通過閉環(huán)反饋方式進(jìn)行，即便車輛系統(tǒng)存在故障，仍然能夠保證系統(tǒng)監(jiān)視功能，保證車輛穩(wěn)定行駛。

2.2 應(yīng)用優(yōu)勢

應(yīng)用ETC控制系統(tǒng)時(shí)，其控制性能較強(qiáng)，主要有以下三方面優(yōu)勢：第一，利用“行車電腦”（或稱為ECU）識別傳感器信號、工況信息等，并展開處理，之后計(jì)算出節(jié)氣門的開度，最后利用驅(qū)動電機(jī)對節(jié)氣門展開控制，保持油門的開啟角度處于最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。第二，ETC系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性能較強(qiáng)，可在不同情況下控制“空燃比”，保證車輛能動性。使用該系統(tǒng)控制技術(shù)，可有效降低汽車行駛環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢氣，降低能源消耗，提升發(fā)動機(jī)性能。第三，ETC系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要使用傳感器冗余方式，從其控制性能角度考慮，只需使用傳感器，即可保證節(jié)氣門的正常運(yùn)行，但是該系統(tǒng)使用2個(gè)傳感器，進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)相互檢測，同時(shí)進(jìn)一步提升系統(tǒng)控制穩(wěn)定性[1]。

3 ?常見的電子節(jié)氣門控制技術(shù)

3.1 電液式控制

通常液壓式控制技術(shù)主要應(yīng)用在工程機(jī)械的控制當(dāng)中，此技術(shù)具有強(qiáng)大的驅(qū)動力，同時(shí)操作簡單，節(jié)能性良好，技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)顯著。在電子節(jié)氣門的控制方面，利用此技術(shù)的原理為使用數(shù)字閥，控制電液轉(zhuǎn)換，對于液壓油要求不高。但是在應(yīng)用過程可能出現(xiàn)供油壓力波動問題，受到各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的閥門啟閉、摩擦力等影響，出現(xiàn)節(jié)氣門的位置響應(yīng)精確度不高的問題，因此，現(xiàn)代化的汽車ETC控制系統(tǒng)，不使用此控制技術(shù)。

3.2 步進(jìn)電機(jī)控制

使用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對汽車的電子節(jié)氣門進(jìn)行控制，主要原理為使用電機(jī)實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門軸的驅(qū)動，控制油門開度。驅(qū)動電機(jī)使用橋式電路實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)單元的控制，之后按照脈沖數(shù)量、電機(jī)頻率和方向等控制電平，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，此技術(shù)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)組成較為簡單，應(yīng)用成本相對較低，但實(shí)際控制精準(zhǔn)度和標(biāo)準(zhǔn)還存在一定差距，因此，不適合應(yīng)用在ETC控制系統(tǒng)當(dāng)中。

3.3 伺服電機(jī)控制

在控制電子節(jié)氣門過程，使用直流式伺服電機(jī)需要依靠脈沖寬度的調(diào)制技術(shù)完成節(jié)氣門的驅(qū)動，對比于電液式、步進(jìn)電機(jī)兩種控制方式，此技術(shù)的應(yīng)用具有良好的控制精度，同時(shí)控制可靠性較高。因?yàn)?，使用伺服電機(jī)，在氣節(jié)門控制單元內(nèi)可按照脈寬信號的占空比，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)角的調(diào)控，因此，在ETC控制系統(tǒng)當(dāng)中，大多會選擇此控制技術(shù)。

4 ?汽車電子節(jié)氣門系統(tǒng)及控制策略

4.1 系統(tǒng)組成

ETC系統(tǒng)當(dāng)中還有多種組成模塊，常見的為傳感器、踏板、控制單元和執(zhí)行器等，其中節(jié)氣門的傳感器主要用于對其開度信號進(jìn)行檢測，最終變成控制系統(tǒng)反饋信號;踏板傳感器主要用于控制駕駛員的行車意圖;控制單元分為處理模塊、驅(qū)動電路兩個(gè)部分;執(zhí)行器主要分為執(zhí)行電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)兩部分。在ETC控制系統(tǒng)當(dāng)中，節(jié)氣門為保證空氣供給的重要部分，在汽車控制系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。

4.2 控制要求

在汽車逐漸向智能化和電子化等方向發(fā)展過程，為響應(yīng)汽車節(jié)能減排等需求，解決機(jī)械電子門控制系統(tǒng)存在的弊端。使用ETC控制系統(tǒng)，代替節(jié)氣門的拉鎖，在設(shè)置驅(qū)動電機(jī)、齒輪傳動各類組件。ETC系統(tǒng)當(dāng)中，使用異步電機(jī)控制節(jié)氣門開度范圍，駕駛員可按照汽車行駛工況，靈活操控加速探踏板，將信息向發(fā)動機(jī)的控制單元中傳遞出去，之后控制單元可將踏板信息轉(zhuǎn)化成控制信號，向節(jié)氣門的定位器當(dāng)中傳遞，最后由驅(qū)動電機(jī)對節(jié)氣門角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)動。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要從汽車燃油消耗以及行駛安全等角度出發(fā)，按照發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門的控制。在ETC控制系統(tǒng)當(dāng)中，對節(jié)氣門的開度產(chǎn)生影響的因素不只包括加速踏板的位置，還包括發(fā)動機(jī)的控制單元，其按照汽車實(shí)際行駛狀態(tài)對于轉(zhuǎn)矩需求，合理計(jì)算節(jié)氣門最優(yōu)開度，利用電機(jī)通電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動節(jié)氣門，達(dá)到理想開度狀態(tài)。系統(tǒng)中，控制單元能夠獨(dú)立在加速踏板位置，實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門位置的調(diào)整。如：發(fā)動機(jī)可按照汽車駕駛員輸入信息、車輛耗油情況、尾氣排放情況以及安全性能要求等，綜合確定節(jié)氣門的位置[2]。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制電子節(jié)氣門過程，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)需要按照內(nèi)外扭矩需求，如點(diǎn)火提前角、負(fù)載信號以及轉(zhuǎn)速等，展開計(jì)算獲得實(shí)際扭矩值。系統(tǒng)對信息的處理路徑有兩條。其一，在系統(tǒng)的激活過程，會對增加變量產(chǎn)生影響，以上變量可視為扭矩長期變量需求，主要為節(jié)氣門增加壓力、角度等;其二，系統(tǒng)改變會對短期的扭矩變量產(chǎn)生影響，這些變量包括氣缸壓縮、噴射時(shí)間以及點(diǎn)火點(diǎn)。系統(tǒng)控制過程主要通過發(fā)動機(jī)對比控制單元額定扭矩、實(shí)際扭矩之間的差異，并采取特定的糾正方法，保證以上重要參數(shù)的合理匹配，實(shí)現(xiàn)對電子節(jié)氣門的控制。該系統(tǒng)的組成單元分別為加速踏板、發(fā)動機(jī)、節(jié)氣門等控制單元，還包括ETC控制系統(tǒng)指示燈。

4.4 控制策略

使用加速踏板這一模塊，檢測踏板信息，同時(shí)將信息向發(fā)動機(jī)的控制單元當(dāng)中輸入。系統(tǒng)模塊為踏板、傳感器1、傳感器2，這種控制方式能夠使用2個(gè)傳感器，保證ETC系統(tǒng)控制的安全性，同時(shí)也符合上文中提到的“冗余設(shè)計(jì)”理念，利用踏板中的傳感器之間的互相配合，以便控制單元按照加速踏板傳感信息，識別出踏板具體位置。

在系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的控制單元可按照踏板實(shí)際的位置信息，靈活控制電子節(jié)氣門的驅(qū)動裝置，兼顧到系統(tǒng)扭矩需求，合理確認(rèn)節(jié)氣門的“關(guān)閉”、“啟動”，此外，控制單元還能對ETC控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

在系統(tǒng)節(jié)氣門的控制單元當(dāng)中，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作所需空氣量，由驅(qū)動裝置按照發(fā)動機(jī)指令進(jìn)行節(jié)氣門的激活，由節(jié)氣門角度位置傳感器為發(fā)動機(jī)提供反饋信息，確認(rèn)節(jié)氣門位置，驅(qū)動裝置存在電機(jī)，受到控制單元控制，保證節(jié)氣門能在全開位置、怠速裝置間進(jìn)行無級定位。

使用此系統(tǒng)控制電子節(jié)氣門過程，只需將點(diǎn)火開關(guān)打開，發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)就能展開自檢，此時(shí)故障指示燈為點(diǎn)亮狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測為正常狀態(tài)時(shí)，不存在存儲故障時(shí)，指示燈就會在3s之后自動熄滅。在自檢環(huán)節(jié)，如果系統(tǒng)內(nèi)存在故障時(shí)，指示燈不熄滅，該指示燈能夠?yàn)轳{駛員提供ETC控制系統(tǒng)故障信息。

5 ?汽車電子節(jié)氣門控制技術(shù)未來發(fā)展

ETC控制系統(tǒng)控制技術(shù)的應(yīng)用前景良好，未來該技術(shù)會逐漸向綜合控制以及集成化等方向發(fā)展。為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，此技術(shù)的集成化能夠優(yōu)化ETC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的信息實(shí)時(shí)共享與傳遞。如：當(dāng)前ETC系統(tǒng)控制的功能集成主要表現(xiàn)在巡航、怠速、緩解換擋沖擊等方面的控制，實(shí)現(xiàn)功能的高度集成，同時(shí)還能設(shè)計(jì)出防抱死制動系統(tǒng)，并將其和驅(qū)動防滑、牽引控制各個(gè)系統(tǒng)之間有機(jī)融合。

在科技的迅速發(fā)展和創(chuàng)新過程，逐漸完善ETC控制系統(tǒng)功能，多種控制策略之間的融合，不斷提升ETC系統(tǒng)響應(yīng)速度以及控制精度等，降低系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)受非線性因素制約。在融合多種控制策略的系統(tǒng)當(dāng)中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑模變結(jié)構(gòu)、多模態(tài)等控制方法，可控制非線性因素，保持系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)不變的前提下，使ETC系統(tǒng)適應(yīng)能力不斷增強(qiáng)。在科研人員逐漸探索過程中，電子氣節(jié)門相關(guān)控制策略也會相繼成熟，發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢[3]。

此外，隨著道路汽車數(shù)量逐漸增加，擴(kuò)大了ETC控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍，各類傳感器、電控單元也相繼投入使用，從此現(xiàn)象考慮，對于整車的控制電路逐漸趨向復(fù)雜化，汽車內(nèi)部的導(dǎo)線數(shù)量逐漸增加，造成各類問題頻發(fā)，為汽車控制系統(tǒng)的綜合布線、信息共享等提出嚴(yán)格要求。對此，按照國標(biāo)生產(chǎn)，不斷優(yōu)化總線技術(shù)，推廣車載網(wǎng)絡(luò)的使用，為ETC控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)提供安全保障，完成系統(tǒng)集成以及數(shù)據(jù)共享，不斷降低布線過程的復(fù)雜性，提升ETC系統(tǒng)應(yīng)用過程的控制精度。最大限度保證車輛安全運(yùn)行。

6 ?結(jié)束語

總之，隨著車輛電子節(jié)氣門控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對車輛行駛過程的安全性、環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性提出更高要求，在控制策略的選取過程中，應(yīng)結(jié)合ETC控制系統(tǒng)實(shí)際需求逐漸完善，為駕駛?cè)藛T提供安全的行車環(huán)境，保持電子節(jié)氣門處于最佳狀態(tài)。

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