芻議電機(jī)式汽車節(jié)氣門執(zhí)行器
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論文導(dǎo)讀：汽車電子節(jié)氣門技術(shù)(ElectronicThrottleControl。電機(jī)式節(jié)氣門執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)在于克服了原先在機(jī)械節(jié)氣門時(shí)。
關(guān)鍵詞：電子節(jié)氣門，執(zhí)行器
汽車電子節(jié)氣門技術(shù)(Electronic Throttle Control，ETC)是伴隨汽車電子驅(qū)動理念(Drive-by-Wire)而誕生的。論文格式。它摒棄了傳統(tǒng)節(jié)氣門踏板采用鋼絲繩或杠桿機(jī)構(gòu)與發(fā)動機(jī)節(jié)氣門間的直接的機(jī)械連接，通過增加相應(yīng)的傳感器和電控單元，實(shí)時(shí)精確控制節(jié)氣門開度。ETC可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)扭矩控制和精確空燃比控制，有助于提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性、經(jīng)濟(jì)性以及降低排放污染，備受業(yè)內(nèi)人士重視。目前，ETC被廣泛地運(yùn)用于汽車的驅(qū)動防滑控制(ASR)、巡航控制(CCS)、車輛穩(wěn)定性控制(VSC)及自動變速控制(AMT)等汽車動力控制系統(tǒng)中，并逐漸成為高檔轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置。
一、發(fā)展的制約因素
1)控制系統(tǒng)復(fù)雜，精確控制困難。ETC系統(tǒng)與ASR、CCS及VSC等多種系統(tǒng)相連，需要控制的參數(shù)多，控制邏輯復(fù)雜。論文格式。ETC系統(tǒng)本身存在非線性阻尼特性，進(jìn)氣擾流阻力矩不穩(wěn)定等因素，傳感器等工作部件在使用過程中存在機(jī)械磨損和可靠性變差等問題。
2)在進(jìn)行多種控制功能集成時(shí)，各控制系統(tǒng)之間需采用信息融合技術(shù)，即將ASR、CCS及VSC系統(tǒng)所需要的各傳感器信號有機(jī)地融合起來，實(shí)現(xiàn)資源共享，各個(gè)系統(tǒng)間的相互關(guān)系，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
3)ETC設(shè)計(jì)需要充分考慮不同駕駛員的駕駛個(gè)性和車輛的行駛環(huán)境。目前對汽車的減速、怠速、定速和加速控制還存在一定難度，這個(gè)問題的解決還需依靠駕駛行為學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論(人工智能)和汽車電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展來共同解決。
4)駕駛員主觀偏見與成本居高不下也是阻礙ETC廣泛應(yīng)用的瓶頸。駕駛員習(xí)慣于人工操縱節(jié)氣門，有的誤認(rèn)為機(jī)械連接操縱節(jié)氣門更為理想，安全可靠。ETC采用了傳感器、控制單元、驅(qū)動器以及冗余設(shè)計(jì)，使之成本較高，使得ETC目前只裝配在高檔轎車上。所以降低ETC產(chǎn)品的價(jià)格是當(dāng)前研究的重要任務(wù)之一。
二、發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)
1)由單一功能向多種功能的集成發(fā)展集成化不僅是ETC系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是各種汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。它有助于降低成本，增強(qiáng)各系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系，充分利用車輛各種信息，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。最初的ETC設(shè)計(jì)是為了發(fā)動機(jī)扭矩控制和空燃比控制，現(xiàn)代的ETC系統(tǒng)已經(jīng)向多功能集成化方向發(fā)展，如集成了怠速控制、牽引力控制、減少換檔沖擊控制、節(jié)氣門回位控制、巡航控制及車輛穩(wěn)定性控制等多種功能。
2)綜合多種控制策略，為提高節(jié)氣門的控制精度及反應(yīng)速度，采取多種控制方法進(jìn)行綜合控制。目前的發(fā)展方向是從經(jīng)典的PID控制發(fā)展到采用PID與現(xiàn)代控制方法相結(jié)合的控制算法，從線性控制發(fā)展到非線性控制，從單一模式控制發(fā)展到多模式控制。有些學(xué)者將多模態(tài)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及滑模變結(jié)構(gòu)控制等方法引入到ETC控制中，但是這些理論本身還有待完善和發(fā)展。
3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)注重安全可靠性，具有自診斷和失效保護(hù)功能節(jié)氣門是發(fā)動機(jī)控制的關(guān)鍵部件，因此在提高控制精度和進(jìn)行集中控制的同時(shí)，必須注重ETC系統(tǒng)的安全可靠性，提高系統(tǒng)的故障自診斷和容錯(cuò)能力。如采取冗余設(shè)計(jì)的軟／硬件控制器，能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動啟用故障安全保護(hù)模式，使汽車在安全模式下能正常工作。因此，采用冗余設(shè)計(jì)，提供及時(shí)的故障隔離及系統(tǒng)重構(gòu)功能，將是今后ETC系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。
4)控制器局域網(wǎng)CAN的應(yīng)用，隨著ETC等電控系統(tǒng)在汽車上的廣泛應(yīng)用，車載ECU與傳感器數(shù)量越來越多，導(dǎo)致整車電路繁瑣復(fù)雜、線束多、重量大及成本高。汽車局域網(wǎng)CAN總線，只用兩根信號線就可與其它帶有CAN的電子設(shè)備相連接，能以共享方式傳送多種控制信息，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)共享。論文格式。因此，將CAN總線應(yīng)用于ETC系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是今后的發(fā)展方向。
三、電機(jī)式汽車節(jié)氣門執(zhí)行器的工作原理
電子節(jié)氣門一方面執(zhí)行來自電控單元的指令調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度以控制進(jìn)氣量，同時(shí)還可以輸出反映節(jié)氣門位置的信號，供系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)氣門的實(shí)際開度。
電子節(jié)氣門有兩個(gè)電位器作為位置傳感器，其電阻值隨節(jié)氣門位置的改變而變化。當(dāng)加入+5V電壓后，轉(zhuǎn)化為與電阻值相應(yīng)變化的電壓輸出。這兩個(gè)電位器連同加速踏板上監(jiān)控踏板運(yùn)動行程的兩個(gè)電位器，構(gòu)成了整個(gè)電子節(jié)氣門監(jiān)控功能的一部分，能提供系統(tǒng)控制所期望的冗余度。
與拉線式節(jié)氣門總成相比較，電子節(jié)氣門開啟角度不再由節(jié)氣門踏板拉索控制。節(jié)氣門踏板通過拉索控制節(jié)氣門踏板位置傳感器，該傳感器只是以電壓信號反映車主的力矩指令，而不是節(jié)氣門的實(shí)際開度。電子節(jié)氣門軸上的雙軌道節(jié)氣門電位計(jì)用來檢測節(jié)氣門的準(zhǔn)確開度，此開度與車主的意圖（加速、減速）并不完全一致。此外，怠速調(diào)節(jié)閥也被取消，由電子節(jié)氣門直接進(jìn)行怠速調(diào)節(jié)。
計(jì)算機(jī)精確控制電子節(jié)氣門的開啟以便滿足空調(diào)、自動變速箱、平穩(wěn)性動態(tài)控制、車速調(diào)節(jié)、發(fā)動機(jī)冷卻等功能的需要。這是一種新的發(fā)動機(jī)負(fù)荷管理系統(tǒng)，可以最好地管理發(fā)動機(jī)的力矩。節(jié)氣門位置由發(fā)動機(jī)各項(xiàng)功能的需求來確定，當(dāng)各項(xiàng)功能需求同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)按照內(nèi)部的各種優(yōu)先級別決定，并由計(jì)算機(jī)來控制打開到某一開度，以滿足優(yōu)先級別最高的這項(xiàng)功能的需求。
四、電機(jī)式節(jié)氣門執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)
在傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)節(jié)氣門系統(tǒng)中，節(jié)氣門踏板和節(jié)氣門之間是剛性連接，操縱機(jī)構(gòu)是通過拉索(軟鋼絲)或者拉桿，一端連接加速踏板．另一端連接節(jié)氣門連動板而工作。這種傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)氣門開度完全受控于加速踏板開度，即取決于駕駛員的操作，所以并不總是在最佳運(yùn)行狀態(tài)，它的應(yīng)用也受到了很多限制，并且缺乏精確性。在汽車電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的情況下，電子節(jié)氣門應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)節(jié)氣門相比，電子節(jié)氣門明顯的優(yōu)點(diǎn)是可以用線束來代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門旁邊安裝一只微型直流電動機(jī)，用電動機(jī)來驅(qū)動節(jié)氣門開度，即所謂的“導(dǎo)線駕駛”．用導(dǎo)線代替了原來的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)加速踏板移動量及其變化率解析駕駛意圖，獲取節(jié)氣門轉(zhuǎn)角的基本期望值，并且通過采集各種傳感器信號，得到當(dāng)前發(fā)動機(jī)工況參數(shù)信息，經(jīng)過控制器的運(yùn)算和處理，發(fā)出指令，驅(qū)動電子節(jié)氣門，使節(jié)氣門開度在各種工況下處于最佳狀態(tài)．由此獲得優(yōu)良的發(fā)動機(jī)性能。
電機(jī)式節(jié)氣門執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)在于克服了原先在機(jī)械節(jié)氣門時(shí)，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)只能對怠速和定速巡航進(jìn)行控制的局限性，轉(zhuǎn)而成為對發(fā)動機(jī)全工況進(jìn)行控制，也就是說原先由于駕駛員踩住了節(jié)氣門踏板，控制系統(tǒng)無法按照所接收到的扭矩信號控制節(jié)氣門進(jìn)行動力匹配，在使用了電子節(jié)氣門后這種情況得到了改變，由于節(jié)氣門僅靠一電機(jī)帶動，駕駛員踩節(jié)氣門踏板只是為控制系統(tǒng)提供踏板位置的信息，控制系統(tǒng)參考這個(gè)信號，并根據(jù)各種工況的需求包括燃油經(jīng)濟(jì)性，排放等等進(jìn)行運(yùn)算后，來確定節(jié)氣門的開度位置。這樣使動力匹配得以精確。所以電子節(jié)氣門與原來的機(jī)械節(jié)氣門是完全不同兩個(gè)概念，在打開點(diǎn)火開關(guān)踩節(jié)氣門踏板和發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)踩節(jié)氣門踏板所看到的節(jié)氣門開度情況是不同的。在打開點(diǎn)火開關(guān)踩節(jié)氣門時(shí)，節(jié)氣門會隨著踏板的逐漸踩下而開大；在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門開度并不隨節(jié)氣門踏板的踩下而改變，而是受控制系統(tǒng)來控制，有可能你節(jié)氣門踏板踩得不大，但因?yàn)閯恿ζヅ湫枨蠊?jié)氣門是全開的，這和開頭所介紹的是一致的，所以不要以為是故障。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)主要是根據(jù)改變節(jié)氣門位置，噴油時(shí)間，點(diǎn)火提前角來匹配因三元催化預(yù)熱、怠速、排放控制，速度限制、動力限制、自動變速箱換擋點(diǎn)、制動系統(tǒng)（牽引力控制，發(fā)動機(jī)制動）、空調(diào)，巡航控制等帶來的扭矩的變化。
綜上所述，機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)逐步取代組合式結(jié)構(gòu)，智能化控制技術(shù)逐步取代純電子控制技術(shù)，帶通信技術(shù)功能的逐步取代不帶通信技術(shù)的，數(shù)字控制方式逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制方式，運(yùn)用紅外遙控的非接觸式調(diào)試技術(shù)逐步取代接觸式手動調(diào)試技術(shù)，等等。我國目前新一代符合現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行器產(chǎn)品，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)今后發(fā)展的必然趨勢，它的成功研究與應(yīng)用給電動執(zhí)行器的進(jìn)一步發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，并將給智能電動執(zhí)行器帶來廣闊的市場發(fā)展前景。
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