中国地质大学
汽车发动机电子节气门控制系统设计研究
汽车电子控制系统前言
节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性并减少排放污染，推出了各种控制良好的电子节气门及其相应电子控制系统，组成电子节气门控制系统(ETCS)。由于ETCS的优越性, 世界上越来越多的大型汽车制造公司开始采用ETCS。传统机械式节气门面临着被电子节气门所取代的趋势。与传统的机械式节气门相比，电子节气门取消了与油门踏板的刚性连接。它能够结合驾驶员意图和发动机当前运行工况, 计算出最合适的节气门开度，通过驱动无刷直流电机，带动节气门盘片到达目标开度。采用电子节气门能有效提高发动机的动力性和经济性。节气门中存在复位弹簧扭矩, 摩擦力矩等非线性因素，并且长期使用后节气门参数会发生变化, 所以节气门是一个变参数的非线性系统。采用传统的PID控制方法，需要加入复杂的变参数算法以及补偿算法，而且带来了大量的参数标定工作。因此, 寻一种简洁高效的控制算法是开发电子节气门控制系统的一个关键。
1.国外汽车发动机电子节气门的研究现状
电子节气门在国外发展较早，已有20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大力发展，并口趋成熟。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；从先前为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(配备功能相同的兀件并相互检测，防止信号及功能失误产生故障)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，主要用十大排量汽车上。与第一代系统不同，第二代ETC的处理器集成十发动机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)；对海拔高度地补偿；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，实现了基十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I故障诊断，提高了安全性和可靠性。
电子节气门位置传感器电位计随着节气门阀频繁运动，处在高温振动的工作环境中，其精度可能会因为机械磨损下降。英飞凌(Infineon)开发出了一种电子节气门，采用非接触型节气门位置传感器，并进一步将节气门驱动芯片华成干节气门体。
2.国汽车发动机电子节气门的研究现状
国近年来在捷达、宝来、波罗等轿车上广泛采用了引进的电子节气门。但对十引进的电子节气门只是处十使用阶段，对其核心技术知之甚少。国的电子节气门控制系统的研究远远落后十国外，只有关十电子节气门结构探讨、实现功能等综述性报道。目前清华大学、理工大学等几家单位进行过控制系统设计方面的研究。
清华大学雅博等人设计出了一种电子节气门控制系统。控制制器以摩托罗拉的单片机MC68HC912DG 128A为核心，用MC33186作H桥驱动芯片。测试系统向节气门控制器发送目标开度值，控制节气门完成动作，同时记录并分析实际控制效果。在该控制系统硬件电路中，需要单片机产生两路PWM分别控制MC33186的IN1和IN2，以分别控制电机的正转和反转。因此，系统需要复杂的控制算法保证两路PWM 信号的配合，以避免电机与电源短路，控制的灵活性降低，控制难度加大。节气门控制单兀没有与发动机管理系统有机结合起来，节气门的目标位置由测试系统给定，只能用于试验研究，与国外控制系统相比显然有明显的差距。
3.总结
电子节气门控制运用电驱理念，一方面它精确控制进气量，可以提高发动机动力性、经济性，减轻排放；另一方面，通过它对汽车动力系统的功率控制来提升驾驶性能，比如安全、平顺性等。因此，电子
节气门己成为汽车发动机完全电控的一个非常重要的功能模块。并与发动机管理系统有效的结合，发挥电子节气门控制系统在发动机管理系统中的作用，从而实现发动机性能的优化，具有重要意义。
4.参考文献：
[1] Mike Dale , 建保 , 训敏. 电子节气门控制系统结构特点及其优势[J]. 汽车维修与保养, 2005,(04)
[2] 杜开明, , 振军, 凤翔, 丁锐. 电子节气门仿真控制[J]. 大学学报(自然科学版), 2005,(04)
[3] 华, 王耀南, 炜, 辉前. 基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J]. 计算技术与自动化, 2005,(02)
[4] 王仁义. 奔驰S500冷车自动加速[J]. 汽车维修技师, 2005,(04)
[5] 汉斌 , 荣兵. 奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J]. 汽车与配件, 1999,(45)
[6] 华, 王耀南, 夏阳, 辉前. 基于自整定模糊PID的电子节气门控制[J]. 仪器仪表用户, 2005,(01)
[7] 雪飞, 凌永成. 基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计[J]. 微计算机应用, 2005,(01)
[8] 国良, 郭连. 电子节气门技术的发展现状及趋势[J]. 车用发动机, 2003,(04)
[9] 国良, 郭连, 昊, 万里军. 电子节气门变结构滑模控制及仿真与试验[J]. 燃机工程, 2005,(03)
[10] 叶丹, 程昌银, 全书海. 基于DSP的电子节气门控制器的研制[J]. 理工大学学报(信息与管理工程版), 2003,(05)
摘要
社会需求、法规推动和电子技术的进步，推动了现代汽车电子技术的飞速发展；电传线驱技术则是其最主要的方向之一。电子节气门控制是汽车动力控制系统中的一部分，它对于汽车的功率和驾驶控制有着非常重要的作用。本文首先对电子节气门系统进行了全面的介绍，然后进行了电子节气门系统的建模、控制器设计和基于模型的系统实时控制软件生成，最后进行了实时控制试验。
全文共分五部分:
首先要回顾了汽车电子控制技术的发展历程，然后从发动机电喷系统中引出了电子节气门的由来、发展及目前的产品，最后叙及了本课题的提出及主要容。
其次在研究节气门体结中得到其图形模型，分析了节气门体中各运动部分的特性，包括进气流量、传感
器模型、弹簧扭矩模型、摩擦力分析及其模型、齿隙冲击分析、进气扰动对扭矩的影响，电机电枢电路模型。并由此建立系统的数学模型，最后进行了系统辨识，得出了系统部分参数。
再次在机电控制系统中，最通用的控制器是PID控制器，在长期应用中积累了丰富的经验，是连续控制系统术成熟，应用广泛的一种控制器。PID控制器分为模拟PID控制器和数字PID控制器，由于系统采用单片机进行控制，本文在进行系统设计时采用数字PID 控制算法。
再次对电子节气门控制系统的功能分析，对电子节气门控制系统的硬件电路包括控制芯片模块、输入模块、输出模块和通信模块进行了详细的阐述，并设计了基于磁阻传感器的角位移测量系统。
最后是对课题容的总结。
关键词电子节气门，电控系统，变结构滑模，控制算法，硬件系统
Abstract
Auto electronic control has made rapid progress by more requirements of the society, pending tougher emission standards and the developments in electronics, and Drive-by-Wire is one of the most important technologies. ETCS (electronic throttle control system) is one part of the powertrain control system, it plays a very importantrole in powertxain control. This thesis firstly introduced the ETCS, then
modeled and simulated its dynamics and electrics characters in Matlab/simulink/stateflow, and the model based embedded software code isgenerated, then test is curried out in the real-time workshop.
The whole thesis consists of six sections.
Riefly states the ETC technique developing-history, features, the current application situation and products, and then points out the significance of the thesis and the main content of the research work.
Analyzes the dynamics of each part of the throttle body, including pneumatics, spring torque, friction etc, and then deduces mathematical model of ETCS. And system identification is also done using the toolbox of Matlab.
In the mechanical and electrical control system, the most universal controller is a PID controller, the parameters of PID controller is easy to set, in the long-term application has accumulated rich experience, is in continuous control system technology is mature, widely used as a controller. PID controller for analog PID controller and digital PID controller, the system uses a single chip control, the system used in the design of digital PID control algorithm.
Again on the electronic throttle control system function analysis, the electronic throttle control system h
ardware circuit comprises a control chip module, input module, output module and a communication module in detail, and the design of the magnetoresistive sensor based on the angular displacement measuring system.
Finally on the subject content summary.
Key Words: electronic throttle control; ECU; variable structure sliding-mode control; Control Strategy; Hardware System