汽车电子节气门的基础知识

汽车电子节气门控制(Electronic Throttle Control，ETC)系统是伴随汽车电子驱动理念而诞生的。ETC系统由位于发动机进气歧管内的电子节气门体(ETB)和专门的控制系统组成。它通过传感器、控制器、节气门驱动装置实现与发动机管理系统(EMS)的配合：根据驾驶员和发动机转矩需求、汽车行驶状态等相关信息快速且地控制节气门开度，以此来调节进气量，使发动机在合适的状态下工作；使车辆具有良好的怠速、加速及减速工况过渡性能，从而有效降低排放和燃油消耗，提高汽车的动力性、平稳性、安全性和舒适性；同时ETC系统也能按照车辆其他系统，如驱动防滑控制(ASR)系统、巡航控制(CCS)系统、车辆稳定性控制(VSC)系统等的要求，改变节气门开度和发动机扭矩输出。ETC系统已成为轿车的标准配置。

1. 电子节气门的结构组成及工作原理
1.1 节气门的结构
1.1.1 传统节气门

传统节气门的连接方式如图1所示。传统拉线式机械节气门采用的是刚性连接方式，其结构包括加速踏板、杠杆、拉绳、节气门阀体等。踏板通过拉索或连杆与节气门挡板相连，驾驶员以踩下或释放加速踏板的方式控制进入气缸的空气流量。这种刚性连接方式的优点在于结构简单、可靠性较高、能快速反映驾驶员意图，但节气门开度由驾驶员主观控制，即将控制发动机进气量的任务完全交给了驾驶员，未考虑车辆工况、道路、天气等条件。此时节气门开度不一定是开度，不能保证发动机的工作状态与汽车的运行情况实现匹配。随着EMS的出现，以及对汽车经济性、舒适性和排放指标的要求越来越苛刻，电子节气门应运而生。

1.1.2 电子节气门
电子节气门作为机电一体化产品，主要由位置传感器、控制系统和执行机构组成，如图2所示。

其中执行机构由ETB、驱动电机、减速齿轮组和复位弹簧等组成。
(1)电子节气门阀体
节气门阀体由节气门阀片和转轴构成．节气门阀片具有一定厚度，阀门完全关闭会导致阀片卡在进气管，因此完全关闭角(节气门阀片和空气流进入阀体的垂直方向的夹角)并不是0°，而是2°。

将阀片设计成椭圆形(图3a)，其节气门阀开度范围是0°～88°。在静态时，阀门并不是完全关闭的，而是通过复位弹簧使节气门开度保持在9°左右(图3b)。当节气门开启θ时，有效区域是节气门阀在垂直于气流方向上的投影区域(图3c)。
(2)驱动电机
驱动电机采用具有较高响应速度、精度和频率的12V直流伺服电机为节气门阀片提供适当转矩。为了降低功耗和平滑电流峰值，发动机电控单元(ECU)分别在2个脉宽调制(PWM)通道上输出信号，控制双向H桥电路对角线上的2组功率晶体管同时导通。具体为通过改变电流方向来控制驱动电机转动方向，通过改变脉宽调制信号的占空比来调节驱动电流大小以控制电机的转矩，再通过减速齿轮组向节气门阀传递相应的扭矩。
(3)减速齿轮组
由图2可以看出，节气门阀体上的减速齿轮组连接着驱动电机和节气门阀．齿轮装置由主动齿轮(np)、中间齿轮(nm，ni)和从动齿轮(nu)组成，如图4所示。

驱动电机通过2级齿轮的减速来增大扭矩，从而减小电机转动过程中的运动冲击。力矩的改善使得电机的尺寸减小，同时齿轮组使电机与节气门轴平行放置，因此节气门尺寸减小，结构更紧凑。

(4)跛行复位弹簧
电子节气门体内有2个正反弹性系数不同的内置复位弹簧，它们在各自方向独立起作用，并且都有一定的预紧力。如前所述，当驱动电机输出扭矩为0即静态时，复位弹簧使节气门保持一个约9°的开度，这个位置被称为故障安全位置的“跛行回家”(Limp-Home，L-H)位置，因而复位弹簧是电子节气门引入的机械保护装置。
为了实现这一点，主弹簧用于关闭节气门，而另一个位于阀门的柱塞总成上的弹簧，使节气门阀以默认角度打开。当ETC系统或驱动电机出现故障时，复位弹簧可以使节气门阀回到稍高于完全关闭的L—H位置，以保证发动机怠速工作的进气量需求，汽车能“跛行”至近的车辆维修站。
1.2 节气门位置传感器
节气门位置传感器(Throttle Position Sensor，TPS)是节气门状态的检测元件，通常有接触型和非接触型2种，用于将实时采集的节气门开度转换为电压信号输出，以便对闭环控制进行位置反馈。
接触型TPS采用输出信号互补式变化的双冗余式传感器测量节气门位置，2路传感器信号虽电压变化趋势相反，但其和值应始终等于供电电源+5 V，这可作为硬件故障识别的依据。当某一路传感器出现异常时，系统及时检测并切换到另一路传感器，从而提高系统的安全性和稳定性。
目前，在许多车辆上使用的节气门位置传感器由带有移动触点的厚膜电阻电位器组成，提供与节气门轴位置成正比的输出信号。非接触型TPS在传感器技术中使用霍尔效应、磁阻或感应原理。基于这些原理，节气门阀的旋转运动被转换成与传感器的旋转角成正比的线性输出电压。与接触型TPS相比，非接触型具有更高的可靠性和更长的使用寿命。
1.3 控制系统
1.3.1电子加速踏板
当驾驶员踩下电子加速踏板，加速踏板角度的变化及其改变的速度，通过节气门位置传感器将信号转换为电信号并传递给控制单元，控制单元由此获得驾驶员的驾驶意图．根据当前行驶状态下发动机整体转矩需求和其他参数，如发动机负荷、发动机转速、冷却液温度等，以及ECU预设的控制策略，控制单元计算出所需进气量，进而计算出节气门开度，控制驱动电机的输出力矩，使电机克服复位弹簧扭矩，节气门阀片轴旋转，达到相应的开度。
1.3.2 ECU
ECU是ETC系统的，一般集成在EMS中。EMS由大量控制模块(控制回路)和电子节气门控制器组成，其主要任务是根据驾驶员驱动意图控制发动机的输出功率和扭矩，计算所需的进气量和与之对应的喷油量、点火时间。
1.3.3 ETC节气门开度估计策略
节气门开度估计模块是ETC系统的重要组成部分。在ETC节气门开度估计中，通常采用踏板跟随器和基于扭矩这2种方法。弹簧扭矩是分段线性函数且弹簧刚度差异很大，因此弹簧扭矩取决于节气门阀是否处于L-H位置附近。
(1)踏板跟随器策略
踏板跟随器策略通常用于早期的ETC系统，是一种非常简单的节气门开度估计方法．在该方法中，节气门开度角与驾驶员给出的加速踏板位置成比例，但在发生发动机怠速或减速、节气门突然关闭、自动变速器换挡和节气门消除传动间隙等情况时，加速踏板位置与节气门开度不成比例。
驾驶员对汽车动力性能的需求通过加速踏板位置传感器转换为节气门阀的开启输入，此时节气门仅作为踏板位置的输入函数来控制。只考虑驱动因素，其他系统要求(如巡航控制、牵引控制、催化剂加热等)不在节气门的开度估计内，考虑这是踏板跟踪器策略的主要缺点。
(2)基于扭矩的开度估计策略
基于扭矩的开度估计策略是将各种输入，诸如驱动需求、发动机和车辆相关系统需求，转换成发动机扭矩变量，作为发动机控制单元和车辆控制系统内的其他功能的输入。该策略主要由2个查询表组成：一个是驱动一扭矩一踏板，另一个是空气流量。

如图5a所示，驾驶者的扭矩需求被转换为对应的加速器踏板位置和发动机转速，然后，控制系统中的扭矩需求管理器通过考虑其他系统和驱动器的要求来计算总转矩需求。
如图5b所示，对于相应的扭矩值和发动机转速，空气流量设定值由空气流量图计算。根据空气流量的设定值，通过控制系统中的数学模型来计算节气门开度角。
这2种节气门开度估计策略中，节气门开度角(θreq)必须通过节气门阀的定位来实现。因此，ETC中的位置控制系统模块通过TPS的反馈来估计节气门阀的实际位置以调节节气门角度。然而，非线性使得节气门的实际位置与所需的节气门角输入相比有出入。为了研究节气门位置的非线性效应，通过考虑电子节气门体内存在的各种影响，提出综合数学模型。