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电子节气门的原理及设计

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电子节气门的原理及设计

湖南涉外经济学院电子节气门的原理设计(论文)专题名称 电子节气门的原理及设计系 别 汽车工程系 专 业 汽车运用技术 班 级 200701 班(五年) 姓 名 白子健 学 号 12030701051 指导教师 蔡月萍 22011 年 3 月 20 日目录一 前言.......................................... 子 节 气 门 系 统 分 类 与 国 内 外 的 研 究 现 状 ........子节气门的结构原理..........................)电 子 节 气 门 的 系 统 组 成 和 功 能 ..............众汽车节气门系统的工作原理与控制策略........结.................................................................................容摘要】介绍电子节气门系统的结构系统与故障分析和排除,以及电子节气门基本结构、工作原理、及其控制策略,并且运用具体实例和多种车型来结合,通过指出传统的节气门的弊端指出电子节气门的优势和目前的不足之处。而在种种相比之下可以看出电子节气门的普及是势在必然的。【关键词】电子节气门;结构;原理;控制策略【 to to of to by of of in of 前言 电子节气门在线传操控技术中是相对容易实现产品化同时具备发展前景的。传统发动机节气门操纵机构采用机械连接方式,应用范畴受到限制并且缺乏精确性。电子节气门通过传感器、微处理器和执行器对节气门进行控制,反应更灵敏,控制更精确,结构简单,4非常可靠。电子节气门可以设置各种功能或与其它控制系统子节气门是多种新一代汽车电子控制系统的基础,常见的例如定速巡航控制系统驱动防滑系统,并为汽车上的集中控制提供了基础。二、电 子 节 气 门 系 统 分 类 与 国 内 外 的 研 究 现 状1电 液 式 节 气 门 电 液 式 节 气 门 , 大 多 数 应 用 在 有 液 压 系 统 的 工 程 机 械 中 。 它 具 有 结 构 简 单 、 成 本 低 、 驱 动 力 大 、 功 耗 低 等 特 点 , 其 电 液 控制 的 转 换 主 要 通 过 高 速 开 关 数 字 阀 实 现 , 控 制 精 度 高 , 对 液 压 油没 有 太 高 的 要 求 。 但 是 由 于 液 压 系 统 存 在 供 油 压 力 波 动 , 液 压 执行 机 构 之 间 的 摩 擦 力 以 及 阀 所 具 有 的 启 闭 特 性 等 方 面 的 影 响 , 致使 其 位 置 响 应 不 精 确 , 速 度 响 应 慢 。 因 此 , 电 液 式 节 气 门 很 少应 用 在 汽 车 上 。 2线 性 电 磁 铁 式 节 气 门 电 磁 铁 式 节 气 门 用 比 例 电 磁 铁 作 为 控 制 器 。 它 用 电 磁 力 作为 驱 动 力 , 其 中 控 制 信 号 为 电 流 信 号 , 具 有 结 构 简 单 、 体 积 小 、控 制 方 便 、 响 应 速 度 快 、 稳 态 精 度 好 , 但 它 的 最 大 作 用 力 受 到 线圈 匝 数 和 最 大 工 作 电 流 的 限 制 , 而 且 在 一 定 的 工 作 负 荷 下 所 需 的电 功 耗 相 对 较 大 。 因 此 , 线 性 电 磁 式 节 气 门 很 少 在 汽 车 上 应 用 。 3步 进 电 机 式 节 气 门 5步 进 电 机 式 节 气 门 通 过 步 进 电 机 直 接 驱 动 节 气 门 轴 实 现 油 门的 开 度 控 制 。 驱 动 步 进 电 机 通 常 采 用 桥 式 电 路 结 构 , 控 制 单 元 通过 发 出 的 脉 冲 个 数 、 频 率 和 方 向 控 制 电 平 对 步 进 电 机 进 行 控 制 。 步 进 电 机 具 有 结 构 简 单 、 可 靠 性 高 和 成 本 低 的 优 点 , 但 它 的 控 制精 度 不 高 。 因 此 , 步 进 电 机 式 节 气 门 也 较 少 在 汽 车 上 应 用 。 4直 流 伺 服 电 机 式 节 气 门 直 流 伺 服 电 机 采 用 脉 冲 宽 度 调 制 技 术 , 其 特 点 是 频 率高 , 效 率 高 , 功 率 密 度 高 , 可 靠 性 高 。 控 制 单 元 通 过 调 节 脉 宽调 制 信 号 的 占 空 比 来 控 制 直 流 电 机 转 角 的 大 小 。 此 外 , 电 机 输出 转 矩 和 脉 宽 调 制 信 号 的 占 空 比 成 正 比 。 由 于 以 上 的 优 点 , 直流 伺 服 电 机 广 泛 应 用 于 电 子 节 气 门 的 控 制 。 电 子 节 气 门 的 研 究 工作 起 源 于 20世 纪 70年 代 , 80年 代 开 始 有 产 品 问 世 , 近 10年 来 ,国 外 对 电 子 节 气 门 的 研 究 取 得 了 非 常 迅 速 的 发 展 。 发 展 趋 势 可总 结 为 在 控 制 策 略 上 由 线 性 控 制 发 展 为 非 线 性 控 制 , 由 辅 助 电子 节 气 门 发 展 为 独 立 的 电 子 节 气 门 系 统 , 从 单 一 的 控 制 功 能 发 展到 集 成 多 种 控 制 功 能 , 兼 顾 提 高 动 力 性 、 经 济 性 、 操 纵 稳 定 性 、排 放 性 和 乘 坐 舒 适 性 。 国 外 多 家 公 司 已 对 电 子 节 气 门 系 统 作 了 深 入 的 研 发 , 比 如 德国 美 国 日 本 意 大 利 已 推 出 系 列 化 产 品 应 用 于 各 种 品牌 的 中 高 档 轿 车 。 虽 然 国 内 某 些 轿 车 , 如 也 配 备 了 电 子6节 气 门 系 统 , 但 目 前 对 没 有 系 统 深 入 的 研 究 , 也 没 有 成 熟的 产 品 。 目 前 , 虽 然 国 内 部 分 高 级 轿 车 , 如 宝 来 、 奥 迪 、 帕 萨 特 、红 旗 等 已 经 配 备 了 电 子 节 气 门 控 制 系 统 , 但 都 属 于 国 外 引进 的 技 术 , 对 其 核 心 技 术 了 解 得 很 少 。 可 喜 的 是 , 今 年 来 , 中 国第 一 汽 车 集 团 公 司 开 发 了 电 子 节 气 门 控 制 系 统 , 并 把 该 项 技 术 用于 红 旗 轿 车 上 。 此 外 , 国 内 部 分 高 校 对 电 子 节 气 门 控 制系 统 开 展 了 研 究 , 并 取 得 了 阶 段 性 成 果 。 比 如 吉 林 大 学 对 汽 车电 子 节 气 门 控 制 器 的 开 发 , 实 现 了 控 制 器 的 动 态 响 应 满 足 设 计 指标 ; 湖 南 大 学 进 行 了 基 于 子 节 气 门 控 制 器 的 研 究与 开 发 , 构 建 了 基 于 式 操 作 系 统 的 电 子 节 气门 软 硬 件 架 构 ; 北 京 理 工 大 学 进 行 了 电 子 节 气 门 模 糊 控 制 器 快 速控 制 原 型 设 计 。三 、 电子节气门系统的基 本 结 构7电 子 节 气 门 系 统 的 基 本 结 构 有 以 下 几 个 部 分 组 成 1、 发 动 机 2、 转 速 传 感 器 3、 节 气 门 位 置 传 感 器 4、 节 气 门 执行 器 5、 节 气 门 6、 加 速 踏 板 位 置 传 感 器 7、 车 速 传 感 器 8、 变 速 器 9、 加 速 踏 板 10、 节 气 门 电 子 控 制 单 元 ( 其 中 转 速 传 感 器 也 可 以 用 曲 轴 位 置 传 感 器 或 者 凸 轮 轴 位 置 传 感 器来 代 替 ; 节 气 门 执 行 器 是 一 个 步 进 电 机 , 由 它 来 推 动 节 气 门 以 控制 节 气 门 的 开 度 ; 加 速 踏 板 位 置 传 感 器 的 构 造 及 工 作 原 理 和 节 气门 位 置 传 感 器 的 构 造 及 工 作 原 理 是 一 样 的 ; 节 气 门 电 子 控 制 单 元一 般 是 和 发 动 机 电 子 控 制 单 元 做 在 一 起 的 。 电 子 节 气 门 控 制 系统 的 工 作 原 理 如 上 图 所 示 。 加 速 踏 板 位 置 传 感 器 ( ) 将 司 机 需要 加 速 或 减 速 的 信 息 传 递 给 节 气 门 电 子 控 制 单 元 ( 10) , 据 得 到 的 信 息 , 计 算 出 相 应 的 最 佳 节 气 门 位 置 , 发 出 控 制 信 号给 节 气 门 执 行 器 ( 4) , 由 节 气 门 执 行 器 将 节 气 门 开 到 计 算 出 的 最8佳 节 气 门 的 开 度 位 置 。 过 与 其 它 电 子 控 制 单 元 ( 如 发 动机 电 子 控 制 单 元 , 自 动 变 速 器 电 子 控 制 单 元 等 ) 进 行 通 讯 , 据 得 到 的 节 气 门 位 置 传 感 器 ( 3) 信 息 、 发 动 机 转 速 传 感器 ( 2) 信 号 、 车 速 传 感 器 ( 7) 的 信 息 对 节 气 门 的 最 佳 位 置 进 行不 断 的 修 正 , 使 节 气 门 的 开 度 达 到 司 机 所 需 要 的 理 想 位 置 。( 1) 电 子 节 气 门 的 系 统 组 成 和 功 能1、 带 加 速 踏 板 位 置 传 感 器 的 加 速 踏 板 模 块 用 来 确 定 踏板 位 置 并 将 踏 板 位 置 信 号 传 递 给 控 制 单 元 2、 发 动 机 控 制 单 元 ( 接 收 踏 板 位 置 传 感 器 信 号 ,根 据 输 入 电 压 信 号 计 算 得 知 所 需 动 力 。 并 根 据 其 他 如 急 加 速 ,空 调 , 自 动 变 速 器 起 步 的 扭 矩 信 号 , 计 算 出 实 际 的 节 气 门 开 度 。同 时 还 监 控 节 气 门 系 统 3、 节 气 门 控 制 单 元 控 制 所 需 进 气 量 , 根 据 控 制 系 统 提供 信 号 调 节 节 气 门 开 度 , 反 馈 节 气 门 信 号 。 4、 节 气 门 故 障 灯 ( 大 众 车 型 在 仪 表 上 为 ) 提供 节 气 门 故 障 信 息 给 驾 驶 员 5、 传 感 器 和 执 行 器 传 感 器 带 油 门 踏 板 传 感 器185 的 加 速 踏 板 模 块 , 带 节 气 门 开 度 传 感 器 的188 ,节 气 门 控 制 器 合 器 踏 板 开 关 动 踏板 开 关 动 灯 开 关 F 6、 执 行 器 带 节 气 门 驱 动 装 置 的 节 气门 故 障 灯 片 变 组 器 , 等 同 与 油 浮 子 ) 控 制 系 统 根 据9两 个 信 号 来 确 定 踏 板 位 置 。 2 个 信 号 值 正 好 相 反 , 形 成 对 比 。2 当 一 个 传 感 器 坏 。 系 统 监 测 到 还 有 一 个 节 气 门 信 号 时 ,能 进 入 怠 速 运 行 , 但 节 气 门 全 开 要 很 慢 。 系 统 还 通 过 制 动 灯开 关 和 制 动 踏 板 开 关 信 号 来 判 别 怠 速 状 态 , 关 闭 巡 航 , 点 亮 故 障 存 储 器 存 储 故 障 码 。 。 3 节 气 门 角 度 传 感 器 动 变 阻 器 式 ) 向 系 统 反 馈 节 气 门 位 置 信 号 。 装两 个 传 感 器 是 为 了 精 确 和 备 用 。 当 一 个 传 感 器 坏 。 系 统 使 用 另一 个 传 感 器 信 号 , 对 加 速 踏 板 响 应 不 变 , 巡 航 关 闭 。 存 储 故 障 码 。 当 2 个 信 号 中 断 , 发 动 机 在 1500 转 左右 运 行 , 踩 油 门 踏 板 无 反 应 。 亮 , 有 故 障 存 储 。 4离 合 器 踏 板 开 关 关 信 号 , 反 馈 离 合 器 踏 板 位 置 , 踏 板踩 下 , 负 载 变 化 功 能 关 闭 。 系 统 不 对 其 进 行 监 控 , 故 无 故 障 码存 储 , 也 无 替 代 值 。 5 制 动 踏 板 开 关 5 制 动 踏 板 开 关 制 动 灯 开 关 F( 开 关 信 号 ) 反 馈 制 动 踏 板 信 号 位 置 信号 , 控 制 单 元 收 到 踏 板 信 号 后 , 关 闭 巡 航 。 如 加 速 踏 板 传 感 器坏 , 代 为 替 代 怠 速 信 号 。 6 节 气 门 驱 动 装 置 定 位电 机 。 接 受 系 统 命 令 , 控 制 节 气 门 开 度 。 出 现 故 障 后 , 进 入 紧急 运 行 模 式 , 由 弹 簧 将 节 气 门 打 开 到 一 定 角 度 , 系 统 运 行 高 与怠 速 , 踩 油 门 没 反 应 。 亮 , 存 储 故 障 码 。 7 故 障 灯 障 灯 提 示 信 号 。 系 统 正 常 时 打 开 点 火 开 关3 秒 自 检 后 熄 灭 , 有 故 障 则 常 亮 。四、大众汽车电子节气门系统的工作原理和控制策略1041 电子节气门系统的工作原理 图 4子节气门控制系统图在驾驶员操纵加速踏板时,加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入发动机控制单元,控制单元首先对输入的信号进行滤波,以消除环境噪声的影响,然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图,计算出对发动机扭矩的基本需求,得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过 线和整车控制单11元进行通讯,获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等,由此计算出整车所需求的全部扭矩,通过对节气门转角期望值进行补偿,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发动机控制单元,形成闭环的位置控制。 节气门定位电机一般为直流电机,控制直流电机采用脉冲宽度调制(术,其特点是频率高,效率高,功率密度高,可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小,电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定,电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时,节气门开度不变;当占空比增大时,电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩,节气门开度增大;反之,当占空比减小时,电机输出转矩和节气门开度也随之减小。 发动机控制单元对系统的功能进行监控,如果发现故障,将点亮系统故障指示灯,提示驾驶员系统有故障。同时电磁离合器被分离,节气门不再受电机控制。节气门在回位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置,使车辆慢速开到维修地点,让维修人员对其检查维修。 42 电子节气门控制系统电子节气门控制系统也称为电动线控驾驶系统,是将巧妙的设计应用于汽车工程的典型例子。大部分用来检验电子节气门控制系12统应用于汽车的安全性方面的工作,人们都已经在军用和民用飞机上进行了。如果没有计算机的持续监测和对控制平面的不断调整,一些新型飞机根本就无法飞行。飞机这种对于超可靠性、远程计算机控制执行的需要,大大促进了电动线控驾驶系统相关技术的发展。采用电子节气门控制系统后,一般都是通过加速踏板总成(实现驾驶员的意图的,并通过传感器将驾驶员的意图传递给控制电脑。加速踏板总成设置了 3 个相同的位置传感器,当其中的某个传感器出现故障时,加速踏板仍然可以将驾驶员的意图传递给控制电脑。另外,加速踏板总成还设置了 1 个怠速开关以及 1 个节气门全开开关。这 2 个开关分别对应于驾驶员的最小与最大输入意图。采用加速踏板总成的第 2 个目的就是让驾驶员仍然能够体验到被替换掉的机械式钢索和弹簧所产生的“脚感” 。在节气门总成中,节气门阀片的位置由 1 个马达调节控制,该马达能够让节气门阀片在 180的范围内转动,以得到期望的节气门开度。在典型的电子节气门控制系统中,马达根据控制电脑的指令调节节气门阀片的偏转角度,对于节气门阀片的大部分转动位置,其定位精度一般都在范围内。当发动机怠速空转时,阀片的转角精确度甚至能控制在范围内。此外,这种调节马达自身配备有多个位置传感器,能够将节气门的位置信息反馈给控制电脑,形成闭环控制。这样,当控制电脑把指令传给调节马达后,马达就能够根据传感器反馈的信息正确地让节气门阀片转动定13位。节气门阀片调节马达本身是遵循电磁场相互作用原理工作的。马达内部有 2 个方向相反的磁场,并采用脉宽调制技术控制其中 1个磁场相对于另 1 个磁场的大小。通过增大脉冲持续时间的百分比来增加调节马达的转动角度,也就是说,脉冲持续的时间越长,调节马达让节气门阀片转动的角度就越大。作为一种安全保险措施,节气门阀片采用弹簧装置支撑,这样,一旦电子节气门控制系统出现故障的时候,节气门阀片能够在弹簧的作用下回到怠速空转时的位置。43 图1为某产品化车型上采用的电子节气门控制系统的组成示意图,可以代表电子节气门的基本组成。该电子节气门由重新设计的节气门体、电控单元、驱动单元、加速踏板位置传感器和节气门位置传感器组成。图中,直流电机及其驱动器与电子节气门控 图1 电子节气门系统组成控制单元、节气门位置传感器一起构成了闭环的反馈控制系统。节气门体由驱动电14机、减速机构、节气门以及节气门位置传感器组成。驱动电机一般采用步进电机或者无刷直流伺服电机,电机接受来自控制单元的指令,产生需要的动作,通过减速机构带动节气门转动,达到主控制器指定的开度。电机驱动统具有结构紧凑、控制精确、可靠性高、容易实现等特点,因此在车载系统上被广泛采用。电子节气门控制单元检测并处理加速踏板位置传感器的输入信号,同时检测并处理节气门位置传感器的输入信号,一般经过信号的调理、滤波后,经过A口。控制单元的电源可以采用车上。五、总结通过研究表明,所采用的电子节气门方案可行、结构合理、性能良好。试验结果也表明了电子节气门控制系统的正确性和合理性。在混合动力汽车的开发中,电子节气门不可或缺。电子节气门系统对提高车辆的控制性能,减小油耗及排放,实现基于扭矩需求的发动机精确控制具有非常重要的作用,据文献介绍,电子节气门将在2010年成为标准配置,全球市场预计在5亿美元,目前国内能满足各种工况下稳定运行的此类装置尚属空白,电子节气门在传统燃油车上取代原有装置是发展趋势。电子节气门是多种新一代电子控制系统的基础,常见的例如定速巡航系统和驱动防滑系统等。总之,电子节气门为改善发动机和车辆的性能以及实现车辆的自动操纵奠定了技术基础,也为 实现发动机电控系统的改造提供15了一种较为实用的方法。参考文献1冯能莲,等电子节气门控制系统研究J汽车技术,2004,12刘振军,等现代轿车电子节气门系统及其控制J汽车技术,2004,33王晓明,等电动机的单片机控制M北京航空航天大学出版社,2O02

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