汽车电子油门控制系统毕业设计

第1章绪论

1.1本课题研究的目的和意义

自从1886年1月26日，德国人Banz(奔茨)发明的第一辆三轮汽车问世以来，汽车工业飞速发展。2003年世界汽车保有量6.6亿辆，美国平均达780辆/千人，我国平均16辆/千人。2004年世界汽车年产量6461.6万辆，我国年产量507.1万辆，居世界第四位。随着全国千人汽车保有量的大幅上升，人们对这种交通工具的依赖性越来越强，汽车也对人们的日常生活、社会的经济产生着直接而又重要的影响。汽车工业的发展己经被认为是一个国家工业化水平高低的重要标志。而且随着时代的进步，科学技术的发展，人类对汽车性能的要求在日益提高，除了满足人们的基本使用要求之外，人们对汽车的节能、环保、安全性和舒适性等方面提出了更高标准的要求。根据目前的发展情况，可以预测，安全性、舒适性、燃油的经济性、少公害将会成为汽车工业今后发展的主要着眼点。

目前，绝大多数汽车在长距离的高速公路行驶时，驾驶员的脚需要始终踏在油门踏板上，就是说，驾驶员的脚必须长时间保持一种几乎固定的、用力的姿势，这样他们的驾驶舒适性就无从谈起。由于长期保持一种姿势，非常容易产生疲劳。而且，在长时间驾驶后，如果突然产生紧急情况，驾驶员的脚可能由于麻木而不听使唤，难以及时完成相应的应急动作。在路面状况发生变化时，需要操纵车辆操作构件采取应急措施，如加速、减速、转向等，从而驾驶员在整个过程中必须保持清醒的头脑、集中精力。而人类在集中精力干一件事情的时间长短都有个极限，超过了这个极限就可能产生疲劳或有差错发生。从这一点来考虑，驾驶的安全性也不高.再加上驾驶员非职业化、车辆密集化和车辆高速化，则更对车辆的安全性能提出高要求，交通安全问题也随之日益突出。据统计，2006年上半年，全国共发生道路交通事故190,270起，造成41,933人死亡，221,838人受伤，直接财产损失7.1亿元。因此，提高汽车行驶的安全性、舒适性势在必行。车辆在雨雪天等特殊气候条件下运行，由于路面的附着系数减小，极大地影响了汽车的制动效能，致使制动距离延长，尤其是在紧急制动时，会发生侧滑，严重时会掉头旋转。如果是在有车辙的雪路上行驶，左右轮分别行驶在雪地上和露出的地面上，产生剧烈旋转的危险性更大。此时若紧急制动，车辆的方向就失去控制;而如果是弯道，车辆则可能沿切线从路边滑出或闯入对面的车道。另外，当车辆在高速行驶时，驾驶员对前面突然出现的障碍物恐怕也难以很快地做出制动的反应，

这也是酿成交通事故的重大隐患之一。因此，开发出实现自动减小节气门开度的电子控制系统，可有效地缩短制动距离，使驾驶员从人车环境的闭环系统中解放出来，保障交通和人身的安全起着极为重要的作用。

由于汽车电子控制系统具有投资较大、开发周期长、技术难度大等特点，虽然中国已有一些企业从事技术研发，但还没有形成产业化，所以大量的汽车电子控制模块都依赖进口，利润都被外国厂商赚走了。

因此，本研究适合当今汽车电子工业的发展，研究出一套低成本的能实现自动调节节气门开度的电子油门控制系统，对填补国内汽车电子控制系统的空白，具有+分重大的意义。

1.2电子油门系统

1.2.1电子油门的由来及发展过程

早期的机械式油门，加速踏板与节气门阀片是通过拉线机械连杆连接在一起的，通过踏板直接控制节气门的开度，它不能实现对节气门开度的自动控制，而是严格服从驾驶员意图及其操作，早期的机械式节气门结构比较简单，如图2.1，没有传感器装置.随着电子技术和传感器技术的发展，为了实现对发动机的综合控制，在机械式油门上加装了节气门位置传感器，将节气门开度信号传递给发动机控制单元。目前车辆上使用的机械式节气门基本上都装有这种节气门位置传感器，老式的机械连接节气门已经逐步被淘汰。

图2.1传统油门机构简图

电子油门取消了传统加速踏板与节气门阀片之间的拉线连接，采用电机或执行器驱动节气门。驾驶者的意图通过加速踏板位置传感器传送给发动机或动力系统的电控单元ECU。ECU发出指令给节气门驱动执行器，实现对节气门开度的控制.这种控制方式是间接的，即电子节气门。

汽车从诞生到上世纪80年代中期，一直使用的是传统的机械式节气门;随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高，上世纪80年代中后期，出现第一台电子节气门，应用在德国宝马公司生产的BMW750iL顶级轿车上。从电子节气门的诞生到现在，由于电子节气门控制系统的技术和成本要求都比较高，因此只应用在各大汽车公司生产的高级轿车上，如奔驰、BMW以及德国大众的奥迪系列等等。随着能源问题的日益严重和环保要求的提高，以及控制技术的日益成熟，电子节气门将越来越广泛地应用在各种级别的汽车上，这将是大势所趋。

目前国外各大汽车生产厂商和零部件生产商都在从事电子节气门技术的开发研究，其中德国Bosch公司和美国的珍址公司在该项研究上处于领先地位，其产品已经开始市场化、系列化。

经过近二十年的发展，电子节气门可以实现的功能越来越强大，现在已经能够实现对车辆的巡航控制、怠速控制、自适应巡航控制等不同工况下发动机的控制要求。作为当代最先进发动机管理系统的代表的BOSCH发动机管理系统和Delphi发动机管理系统，电子节气门装置己成为它们不可或缺的装置。

电子节气门产品最早用于重载卡车、赛车上，后转向轿车。其中在高档轿车中应用较多，如在宝马、奔驰、奥迪、丰田、沃尔沃、凌志等系列轿车中得到了广泛的应用;现在己逐步推广到中档轿车上，像上海大众的波罗、帕萨特就采用了电子节气门，上海通用别克也准备采用电子节气门。值得一提的是，国内第一辆柴油机轿车，一汽–大众捷达柴油车就采用了电子节气门系统，因此可以说电子节气门产品将会有一个非常广泛的市场。

1.2.2 油门类型

电子式节气门按节气门驱动执行器可分为：电液式，线性电磁铁式，真空膜片式，步进电机式，直流电机式。电液式节气门，一般应用在有液压源的车辆中，采用电液式驱动器作为节气门执行器，具有结构简单，成本低廉，驱动力大，耐受环境温度能力强等特点。但由于液压系统存在供油压力波动，油的粘度随油温度而变化，以及控制阀的启闭特性，负载的惯性质量，液压执行机构的摩擦力等因素的影响，因此系统的响应较之步进电机具有更严重的时滞现象，尤其节气操纵系统是一个弹簧质量系统，无法避免振动等因素带来的干扰.作为节气门执行器，必须保证既要具有精确的位置响

应，又要有满足需要的速度响应，而电液式节气门在这方面存在缺陷，因此在车辆上应用极少。

线性电磁铁式电子节气门采用有进气歧管真空度控制的气动活塞式结构，执行器活塞连杆与油门拉杆相连，活塞连杆对油门拉杆无力作用时，弹簧力使油门关闭。当有输入信号使执行器电磁线圈通电时，压力控制阀芯克服弹簧力下移，执行器汽缸与进气歧管连通.由于进气歧管内为真空，于是执行器汽缸压力迅速下降，执行器活塞带动油门拉杆带动节气门平顺地打开。活塞上的作用力随汽缸中平均压力的变化而变化，而汽缸中的平均压力则通过快速通断压力控制来控制。执行器的输入信号是一脉冲电信号，当输入信号电位为高时，电磁铁通电；当输入信号电位为低时，电磁铁断此汽缸中的平均压力亦即节气门开度与压力控制阀控制信号的占空比成正比。空膜片式电子节气门的真空系统由真空调节器、节气门驱动伺服膜盒、车速控制开头和制动踏板上的真空解除开关等部分组成。根据电控单元的输出信号，经电磁阀调节进入系统的新鲜空气量，从而控制作用于伺服膜盒内的真空度.通过膜片的移动，使节气门的位置产生变化，从而控制节气门开度。

真空膜片式电子节气门主要依赖于机械部件和转动零件，精度和灵活性较差，在车辆上也没有大规模的采用。步进电机式电子节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现节气门开度控制。步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得它在定位控制方面具有较好的控制效果。但步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度要求不是特别高的场合步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。电子节气门对控制精度要求较高，而转速较低，步进电机不适合作为驱动执行器，因此步进电机式电子节气门在车辆上应用也较少。

直流伺服电机具有响应速度快，控制精度高的特点，因而广泛用于电子油门的驱动执行器。目前生产的电子油门基本上都采用了直流伺服电机。本设计也是采用的直流伺服电机。

1.2.3 电子油门的优点

与此前相比，电子油门系统可以分析驾驶者的动作及解析其意图，来产生最佳的操控及稳定性，减少冷车时的废气排放。例如，一般情况下，我们要得到最快的加速动作，往往就是直接将油门踩到底，让节气门全开，可是这样的控制方式，对发动机

并非是最有效率的。采用电子节气门的发动机，在接受到驾驶者踩到底这样的指令时，并不会直接将节气门全开，而是根据发动机当时的负荷及转速增加的速度，渐进式地开启节气门，得到最有效率的进气控制，从而使得发动机的加减速更顺畅、更快速、更省油。如果其中一个位置传感器的信号发生错误，ECU会关掉节气门控制伺服电机并且由喷油及点火正时来调整动力。电子节气门控制的优点可以概括为1．节气门的精确控制。在普通节气门体上，节气门的开度由加速踏板的踏下量来控制，ETCS根据发动机ECU对应于驾驶状况来计算出最佳的节气门开度，并利用节气门控制电机来控制节气门的开度。

2．汽车整个控制系统结构简化。ETCS可同时控制怠速控制系统、巡航控制系统和车辆稳定控制系统，使车辆结构大大简化。

3．具有更高的可靠性.ETCS为确保车辆行驶的可靠性，节气门平衡位置处于一个微小开度，当ETCS出现异常或不能工作时，发动机仍可运行。有的ETCS则提供了一个双重操纵系统，在此情况下系统可被切断，仍由加速踏板缓慢操纵汽车行驶。1.2.4节气门特性

早期节气门是为了调节汽油机的充气量，在化油器腔体上设置的节流装置，通过杠杆、钢丝拉线与油门踏板相连。因其常见为蝶形阀门，故称节气门。从化油器到电喷系统，节气门的作用没有改变，其工作描述如下：

当节气门处于关闭状态时，进气腔道不通，发动机不进气，也不工作。随着节气门逐渐开大，进气通道面积增大，空气进入气缸的进气量逐渐增大。当节气门开启到垂直位置时，通道面积达到最大。可见，发动机的进气量，随着节气门开度的变化而得到调节，对汽油机而言，就调节了汽油机的输出功率(汽油机的进气量也与其转速有关，转速越高进气量越大)。在节气门开启的过程中，通道面积和节气门开启的角度之间为非线性关系，如图1.2所示

Fb

道

断

面

θ

图1.2 节气门流量特性

可以看出，如果我们对节气门开启角度采用线性控制，则当节气门开启角度达到一定大进气量时，再增大节气门开启角度，汽油机发出的功率将不再明显增大，只有当混合气被加浓时，汽油机功率才增大，如此则降低了燃油经济性。可见，对节气门必须采取非线性控制，而机械式控制是难以达到这个目的的。

试验证明，在节气门接近全开时，混合气流量越大，吸入的空气流脉动振动的振幅及气流反喷的现象也越大，因而会引起空气流量的减少，使用化油器的发动机的混合气变浓。节气门部分开启时，由于蝶形阀的阻抗特性，混合气有较大的偏流现象，这将造成多缸汽油机各缸混合气分配不均，工作程度不同，这是化油器供油系统被取代的一个重要原因。

与传统的油门系统相比，电子油门系统可以分析驾驶员的动作及解析其意图，来产生最佳的操控及稳定性，减少冷车使得废气排放。例如，一般情况下，我们要得到最快的加速动作，往往就是直接将油门踩到底，让节气门全开，可是这样的控制方式，对发动机并非是最有效的。采用电子节气门的发动机，在接收到驾驶员踩到底这样的指令时，并不会直接将节气门全开，而是根据发动机当时的负荷及转速增加的速度，渐进式地开启节气门，得到最有效率的进气控制，从而使发动机的加速更加顺畅、更省油。电子油门控制的优点有：

(1)没有机械磨损，便于驾驶员操作。

(2)节气门的开度可以得到精确控制。

(3)汽车的整个控制系统的结构较为简单。

(4)具有更高的安全性和舒适性。

1.3国内、外的研究现状

1.3.1国外油门系统发展现状

电子节气门在国外发展较早，已有加多年的历史，产品已大规模投入市场电子节气门作为发动机进气控制系统的下一代产品，国外的研究试验得到发展，并日趋成熟。电子节气门在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制；驱动由步进电机到直流电机；从先前单一提高驾驶性能到现在为提高发动机的经济性、排放性及乘驾舒适性等多项综合性能，集成了多种控制功能，采用冗余设计(配备功能相同的元件并相互检测，防止信号及功能失误而产生故障)和系统故障检测与失效保护等。

Delphi开发出第二代ETC控制系统，主要用于大排量汽车上。与第一代系统不同，第二代ETC的处理器集成于发动机ECU中，并采用一个单独的微处理器监测ETC主要输入信号及主ECU是否正常工作。第二代电子节气门集成了几项独特的驾驶性能，如改变车辆对加速踏板响应的灵敏度：驾驶模式选择(正常模式、动力模式、雪地模式)；

对海拔高度补偿，发动机最高转速及车速控制等。

Bosch推出了新的发动机管理系统ME-Motronic 7.1，实现了基于转矩控制的控制策略。该系统集成了电子节气门控制系统，发动机ECU接收各个传感器采集到的信号，同时接收加速踏板模块的输入信号，经过微处理器计算后输出控制信号驱动电子节气门。系统中有专用的检测模块对电子节气门进行检测和故障诊断，提高了安全性和可靠性。

1.3.2国内油门系统发展现状

国内近年来在捷达、宝来、波罗等轿车上广泛采用了引进的电子油门。但对于引进的电子油门只是处于使用阶段，对其核心技术知之甚少。国内的电子节气门控制系统的研究远远落后于国外，只有关于电子油门的结构探讨、实现功能等综述性报道。目前清华大学、北京理工大学等几家单位进行过控制系统设计方面的研究。

相对而言，国内企业中还没有能够进行产品生产的能力，在这方面的研究工作也尚属起步阶段，随着汽车工业的发展，对这项先进技术的深入研究将是必然的趋势。发展我国的汽车电子技术，既要借鉴国外的先进成果，同时我们也要根据国情，自主研究、开发具有创新意识和核心技术的产品。四川红光汽车机电有限公司及其他的一些厂商正在这方面进行初步的研究与试验，他们具有节气门体机械结构开发设计和加工的经验，而我们则可以做控制方面的工作，以便从多方面验证新产品的性能。

第2章 电子油门的结构原理和控制算法

2.1电子油门的结构原理

油门踏板位置改变,油门踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元,控制单元经过数据总线和整车控制单元进行通讯,获取其它工况信息以及各种传感器信号如车速、车距、节气门位置等,由此计算出整车是否满足控制函数,通过对节气门转角进行补偿,得到节气门的最佳开度,并把相应的电压信号发送到驱动电路模块,驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元,形成闭环的位置控制。基本原理[4]如图2.1所示：

图2.1 油门的基本原理

2.2电子油门的PID 控制算法

2.2.1 PID 控制器基本算法

在工业自动控制的发展历程中，自二十世纪三十年代末出现了按偏差的比例(proportional)、积分(integral)、微分(differential)组合对反馈闭环系统进行控制的方式。由于PID 控制器具有结构简单，参数易于调整，算法较灵活，实时性好，不依赖精确的数学模型等优点，因而得到了广泛的应用。这里也采用了它来对电子节气门进行了控制尝试。

PID 控制器的控制规律[2]为:

?++=10)()(1)(dt

t de T t e Tt t e K U d p (2.1)

其图示为图2.2。其中:p K 为比例系数，Tt 为积分时间常数，d T 为微分时间常数。u 为控制器输出信号，)(t e 为偏差信号。

(1)p K 直接决定控制作用的强弱，加大p K 可以减少系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但过大会使动态品质变坏，引起被控制量振荡甚至导致闭环系统不稳定。

(2)在比例调节的基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，因为只要存在偏差，它的积分所产生的控制量总是用来消除稳态误差的，直到积分的值为零，控制作用才停止。但它将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作用会使系统的超调量增大，从而使系统稳定性变坏。

(3)微分的控制作用跟偏差的变化速度有关。微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，它有助于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定，并能加快系统的动作度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。其不足之处是放大了噪声信号。

图2.2 PID 控制简化示意图

u(t)为控制信号，r(t)为控制量，c(t)为反馈量

2.2.2数字PID 控制器设计

为便于计算机控制的实现，必须将模拟PID 算式离散化。取T 为采样周期，设k 为采样序号，k=0,1,2···,j,···k,用一阶差分代替微分，累加代替积分，将模拟PID 调节器的输出算式离散化为差分方程，因采样周期T 相对于信号变化周期是很小的，可令：)()(k u t u ≈，)()(k e t e ≈,

?∑=≈t K

j j e T dt t e 00)()(，[]T k e t e dt t de /)1()(/)(--≈ (2.2)

于是，有：

[]?????

???????--++=∑=T k e k e T T j e T k e K k u D k j p )1()()()()(10 (2.3) 即 []∑=--++=k

j D t p k e k e K j e K t e K k u 0)1()()()()( (2.4)

采用应用广泛的增量式PID 算式。

将式(2.4)稍作演化：

[]∑-=---++-=-1

0)2()1()()1()1(k j D t p k e k e K j e K k e K k u (2.5)

将式(2.4)、式(2.5)相减并整理，可得增量形式：

△)1()()(--=k u k u k u

[][])2()1(2)()()1()(-+--++--=k e k e k e K k e K k e k e K D t p (2.6)

或写为：

△)1()1()()1()(21-+--+-=k e a k e a k e a k u k u o

其中：)//1(10T T T T K a D p ++=

)/21(1T T K a D p +=

T T K a D p /2=

设预期节气门位置角度为d θ，实际节气门位置角度为θ，则有偏差信号： )()()(k k k e d θθ-=，于是可得控制信号：)(k u ，

[][][])2()2()1()1()()()1()(210---+-----+-=k k e a k k e a k k a k u k u d d d θθθθθθ

2.3本章小结

对节气门结构和原理有了进一步理解，对节气门进行准确控制的PID 控制算法也有了更深入的了解，一些公式的含义还需要进一步的透彻理解。