魏玉

汽车电子节气门控制策略及发展分析

魏玉

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

电子节气门是汽车发动机运行的核心部件，其工作性能的好坏直接影响车辆的性能，随着汽车智能化控制系统的逐步实现，对电子节气门的工作提出了更高的要求。文章简要介绍了节气门定位系统，通过对电子节气门控制策略的深入分析，实现了其控制系统的设计，并进一步分析了其未来的发展趋势。

电子节气门；控制策略；发展趋势

引言

汽车电子节气门（Electronic Throttle Control System, 简称ETCS）是现代汽车发动机控制技术之一，是一种柔性控制系统，在控制汽车怠速转速、精准控制汽车牵引力、控制汽车驱动力、定转速巡航等多个方面都有应用。电子节气门由驱动电机驱动开启，由回位弹簧控制关闭，中间夹杂着粘性摩擦力等，节气门在转动过程中，受到弹簧回位转矩、阻尼力矩等各种不平衡力矩的作用，非线性时变很强，也有一定的不确定性。本文对电子节气门的结构及特性进行深入研究，通过节气门体上的电动机驱动节气门，取消了位于加速踏板和节气门之间的直接机械连接，能够在整车各种行驶状况下确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并能够为防抱死制动系统、滑移率控制、牵引力控制、巡航控制等控制功能的实现奠定基础，从而提高安全性和乘坐舒适性，被广泛使用。这意味驾驶员的输入通过加速踏板传递到发动机控制单元，发动机然后将相应的指令发布到节气门定位器上。采用电子节气门后，即使在驾驶员没有踩下加速踏板的情况下，发动机控制单元也可以调节发动机的扭矩，结果是在发动机管理系统之间的协作更完美。

1 节气门定位系统介绍

节气门作为空气供给系统的重要组成部分，在汽车上占据着重要的作用，早期采用机械式节气门定位系统，即带有节气门拉索，当驾驶员通过脚踩汽车加速踏板时，通过与节气门联动的钢丝拉索带动节气门阀片的转动，以此来控制发动机的进气量。这种定位系统具有结构简单、维修成本低的优点，但由于是机械结构控制，其节气门的开度只能靠驾驶员的主观操作意识进行控制，不能依据车辆的行驶工况适时调整。当车辆起步、负荷增加或者路况改变时，无法改变节气门的开度，从而导致车辆的性能变差，燃料得不到充分的燃烧，有害气体的排放增加，污染空气。

随着车辆向电子化、智能化的发展，以及汽车节能减排的迫切需求，为解决机械式节气门定位系统所出现的问题，电子节气门定位系统应运而生如图1所示，它取消了节气门拉索，增加驱动电机和齿轮传动等组件。在电子节气门控制系统中，节气门在整个调节范围内的开度由异步电机进行调节控制，驾驶员根据车辆的运行工况通过操纵加速踏板来控制发动机的输出功率，加速踏板传感器记录踏板的位置信息并传递给发动机控制单元，发动机控制单元将踏板位置信息转化为控制信号传递给节气门定位器，由节气门轴上的驱动电机驱动节气门旋转相应的角度。

但是，如果由于安全或燃油消耗因素的考虑，发动机控制单元基于发动机转矩需求的节气门控制，在电子节气门系统中，加速踏板位置并不是影响节气门开度的唯一因素，除此之外，发动机控制单元还要结合车辆当前的行驶状况以及整车对发动机转矩的需求，综合计算出节气门的最佳开度，通过控制节气门电机的通电时间，驱动节气门到达理想的开度。控制单元可以独立于加速踏板的位置而调整节气门的位置。这样做的优点是发动机可以根据各种不同的需求（例如：驾驶员的输入、废气排放、燃油消耗以及安全性）确定节气门位置。

图1 电子节气门定位系统

2 电子节气门的控制策略

2.1 控制策略

发动机管理系统根据内部和外部扭矩的需求产生一定的扭矩，实际的扭矩是根据以下因素计算得出的：发动机转速、负载信号和点火提前角。系统同时处理两条路径的信息，在第一条路径中，系统激活影响到增压控制变量，这些变量也被当做长期扭矩需求的控制变量，主要是节气门角度和增压压力；在第二条路径中，系统改变影响到独立于增压的短期扭矩的控制变量，主要是点火点、喷射时间和气缸压缩。电子节气门对发动机扭矩的控制过策略如图2所示，发动机控制单元一开始比较实际扭矩和额定扭矩，如果这两个数值有差别，系统将确定必要的纠正方式以使这些数值匹配。

图2 电子节气门扭矩控制策略

2.2 控制系统设计

电子节气门控制系统的设计如图3所示，其组成主要有：加速踏板模块（带加速踏板位置传感器）、发动机控制单元、节气门控制单元和电子节气门控制系统的故障指示灯。

图3 电子节气门控制系统的设计组成

（1）加速踏板模块

主要作用是检测加速踏板的信息，并输入到发动机控制单元，加速踏板模块的组成主要有：加速踏板、加速踏板位置传感器1、加速踏板位置传感器2，使用两个传感器是为了最大程度地保证安全性。这种设计被称之为“冗余设计”，两个加速踏板位置传感器相互配合工作，保证系统的安全可靠性，发动机控制单元能够根据两个加速踏板位置传感器信息，识别出加速踏板的位置。

（2）发动机控制单元

发动机控制单元根据踏板位置信息，控制节气门驱动装置，并考虑满足其他的扭矩需求，确定启动或关闭节气门，除此之外，它还具有监控“电子节气门控制系统”的功能。

（3）节气门控制单元

负责提供所需要的空气质量，节气门驱动装置根据发动机控制发出的指令激活节气门，节气门角度传感器向发动机提供节气门位置的反馈数值。节气门驱动装置是一个电机，由发动机控制单元所控制、使节气门可以在怠速装置和节气门全开位置之间无级地定位。

（4）电子节气门控制系统的故障指示灯

打开点火开关，发动机控制系统进行自检，故障指示灯亮，如果系统没有存储故障信息或者系统检测正常，指示灯亮3秒后自动熄灭；如果在自检中系统存在故障，指示灯则不熄灭，故障指示灯的作用是向驾驶员提供电子节气门控制系统是否存在故障。

3 结论

电子节气门能够精确控制节气门的开度，实现发动机全范围的最佳扭矩输出，在各种工况下实现对空燃比的精确控制，改善了发动机的排放性能，系统采用的“冗余设计”，很大程度上保证了系统的可靠性，保证行车的安全性，目前，国内的大部分轿车都配备了电子节气门控制系统，如奥迪、速腾、帕萨特、宝来等，从当前的发展来看，电子节气门未来的发展趋势是：（1）向集成化和综合控制方向发展，如将怠速控制、巡航控制、换挡冲击控制、车身稳定控制、牵引力控制及驱动防滑转系统等多种功能集成，从而简化控制系统结构，降低制造成本。（2）多种控制策略相结合，传统的PID控制参数整定繁杂，性能欠佳，对运行工况的适应性很差，将神经网络控制应用到节气门控制系统中，与传统的PID控制相结合，可有效提高电子节气门的自适应能力。（3）CAN总线技术的应用，随着电子控制系统在汽车的应用越来越广泛，各种传感器和电子控制元件急剧增多，造成了整车电路复杂，车辆上导线数量增加，CAN总线技术的应用，能够大大降低布线的复杂性，提高汽车电子控制系统运行的可靠性，因此，CAN总线技术在汽车电子节气门控制系统上的应运将是未来发展的重要趋势。

[1] 陶云飞.基于电子控制节气门的怠速控制策略仿真研究[D].吉林大学. 2006.

[2] 杨振东.基于模糊 PID 电子节气门控制系统的研究与开发[D].湖南大学.2008.

[3] 周云山,于秀敏.汽车电控系统理论与设计.[J]北京理工大学出版社.1999.11.

[4] 于洪洋.基于位置反馈控制的节气门控制系统研究[D].吉林大学. 2006.

[5] Rainer Müller and Bernd Schneider. Approximation and Control of the Engine Torque Using Neural Networks. SAE Paper.

Control Strategy and Development Analysis of Automotive Electronic Throttle

Wei Yu

（Automobile College of Sanmenxia Polytechnic, Henan Sanmenxia 472000）

Electronic throttle is the core component of automotive engine operation. Its working performance directly affects the performance of vehicles. With the gradual realization of intelligent control system for automobiles, higher requirements are put forward for the work of electronic throttle. This paper briefly introduces the throttle positioning system, through the in-depth analysis of the electronic throttle control strategy, realizes the design of its control system, and further analyses its future development trend.

Electronic throttle; Control strategy; Development trend

U464.13

A

1671-7988(2019)24-169-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.055

魏玉（1983-），女，讲师，就职于三门峡职业技术学院，从事汽车新技术、智能制造研究工作。