沈永辉 - 图文

第二章 电子节气门结构及标定

电子节气门系统的基本结构

电机加速踏板位置传感器节气门控制单元节气门位置传感器发动机ECU传动系统TCU 节气门控制系统组成

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（ECU) —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EPC灯）—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G79,G185的加速踏板模块，带节气门开度传感器的G187,G188 ,节气门控制器J338,离合器踏板开关F36,制动踏板开关F47,制动灯开关F

6、执行器：带节气门驱动装置的G186和G338，节气门故障灯K132c(划片变组器，等同与油浮子）控制系统根据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

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号来判别怠速状态，关闭巡航，点亮EPC,在故障存储器存储故障码。。 3 节气门角度传感器G187,.G188(滑动变阻器式）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。EPC灯亮 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。EPC灯亮，有故障存储。 4离合器踏板开关F36:开关信号，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F47和制动灯开关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 J186：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。EPC灯亮，存储故障码。 7故障灯 EPC故障灯K132 ：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。 2.2 电子节气门结构

电子节气门结构及各组成部分功能和特性的研究，是控制系统软、硬件设计的基础。本课题所用电子节气门结构如图2-5所示，主要由节气门阀、驱动电机、减速齿轮组、复位弹簧和节气门位置传感器等组成。

节气门扇形齿轮驱动电机 大齿轮小齿减速节气门位节气门复位弹簧轮电机齿轮 齿轮组置传感器引脚

a) 电子节气门实物照片 b) 齿轮传动系统 c) 电子节气门结构简图 电子节

气门结构图

⑴ 节气门阀

因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在进气管道中，节气门的全关闭角度(节气门与进气流垂直方向的夹角)并不是0°，而是有2°的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形(图2-6a)[37]，节气门的开度范围为0°~ 88°。静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在9°的开度(图2-6b)。节气门开度为θ时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向的投影面积(图2-6c)。

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2°11° a)节气门全关 b)节气门静态位置 c)节气门部分开启

图 电子节气门不同开度时位置

⑵ 驱动电机

用于节气门驱动的电机通常有步进电机和直流电机2种型式。步进电机具有较高的位置保持特性，但高速性能较差，而节气门要求有较高的动态响应性能，所以国外产品大多选用直流电机驱动。本课题电子节气门的驱动电机是直流电机，因此硬件电路设计时，要考虑直流电机的驱动原理和控制方法，以设计出适用于直流电机的控制电路。 ⑶ 节气门位置传感器

节气门位置传感器(Throttle Position Sensor，缩写为TPS)用于实时采集节气门开度，对闭环控制进行位置反馈，是节气门状态的唯一检测元件。电子节气门要求具有高度的可靠性，位置传感器采用了冗余设计，系统采用2个节气门位置传感器。为了精确控制电子节气门的开度，必须研究其位置传感器输出电压特性，找到输出电压与节气门位置之间的对应关系。软件编程时，要设计出节气门位置传感器故障判断和报警的程序，以提高系统的可靠性。 ⑷ 复位弹簧

静态时，节气门开度靠复位弹簧的扭矩保持在9°的开度，这个位置即是“跛行回家”（Limp Home）位置。驱动电机断电，节气门在复位弹簧的作用下返回到“跛行回家”位置，使汽车能“跛行回家”。因而复位弹簧是电子节气门引入的机械保护装置，其扭矩特性示意图如图2-7所示[38]。由图可见，在静态位置前后的开度范围，复位弹簧的扭矩方向改变；且怠速时节气门的开度小于节气门的静态开度。因此，实际工作中，电子节气门的开度范围必然包含“跛行回家”位置。复位弹簧扭矩是电子节气门驱动电机的主要负载，这就要求电机扭矩能与之对应。系统开发时对所用的电子节气门复位弹簧进行了标定，得到了弹簧扭矩与节气门开度的关系曲线，如图2-8所示[39]：可见，电子节气门复位弹簧的扭矩方向在“跛行回家”位置附近改变，这使电子节气门的控制存在非线性(在4.2节中详细论述)。复位弹簧的引入，是出于系统安全性考虑的，同时使节气门的控制算法变得更加复杂[40]。

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806040弹簧扭矩/N·cm200-20-40-60-800102030405060708090

节气门转角/ °

图 复位弹簧扭矩特性示意图 图 复位弹簧扭矩特性曲线

⑸ 减速齿轮组

直流电机的扭矩通过减速齿轮组驱动节气门转轴，如图2-5b所示。减速齿轮组使电机可以与节气门的转轴平行放置，使节气门尺寸减小，结构更加紧凑。此外，与没有减速齿轮的系统相比可以采用功率较小的电机。测得直流电机驱动齿轮齿数为12，中间过渡轮大齿轮齿数为60，小齿轮齿数为16，节气门转轴扇形齿轮齿数为56。则节气门转轴到电机转轴的传动比为17.5：1。 2.3 电子节气门及踏板模块的标定

本文以踏板的输入信号作为电子节气门的目标开度，由电子节气门位置传感器反馈节气门的实际开度。踏板的输入信号和节气门的反馈信号都为电压值，并与位置对应。因此，系统开发前必须对其进行标定，找到输出电压与位置的对应关系。通过分析各个冗余传感器输出电压的特性，可以设计合理的诊断程序。此外，踏板的实际角度范围与节气门的实际角度范围并不相同，对其进行了变换，使两者开度相对应。

2.3.1 电子节气门的标定

节气门体连接器有6个引脚：其中2个引脚是电机的电源线，另外4个引脚是节气门位置传感器的电源线和信号线。引脚布置图如下：

6TPS -4TPS22TPS+引脚说明： 1. TPS1信号输出端； 2. TPS电源正极； 3. 电机电源正极； 4. TPS2信号输出端；

5. 电机电源负极； 6. TPS电源地； MOTOR -MOTOR +TPS1531图 电子节气门引脚布置图

图2-10为电子节气门内部电路示意图。节气门位置传感器是线性电位器，

两个传感器由同一电源供电，阻值反向变化，即一个电阻值增加时另一个减小。其输出电压成互补的方式，两个传感器输出电压信号之和始终等于供电电压，这