電子油門信號模擬器研究

臧運剛

（哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 引言

由于近年來整車系統大量采用電子油門控制，發動機試驗臺架供應商的新系統都具備了電子油門踏板信號接口，但對于一些已有的舊的發動機試驗臺架，不具備電子油門信號接口，往往需要請臺架供應商對整個系統升級，費用高昂，才能實現此功能，使得一些還在服役的舊臺架不能滿足電子油門控制的發動機試驗需要，因此就需要一種成本低、性能穩定可靠的臺架電子油門信號轉換模擬器來對臺架進行改造，實現此功能。

本模擬器適用于各種型號的發動機試驗臺架，如AVL公司PUMA1.1系統以及各種國產臺架。本模擬器能對臺架機械油門系統反饋的各種電壓信號進行運算轉換和調整，輸出標準的電子油門踏板信號來驅動發動機，并具有良好的線性，優良的共模信號抑制、信號隔離，完善的信號糾錯保護功能及良好的穩定性。

2 可行性分析

2.1 各測試系統油門信號反饋電壓參數對比

涉及到AVL PUMA1.1、奕科EIM301、凱邁FST2.0三種測試系統，各系統油門反饋信號電壓參數見表1。

3種系統油門反饋信號電壓最終轉換成兩組標準電壓u1和u2輸出，其曲線關系如圖1所示。

2.2 可行性分析及設計要點

1）從各系統油門反饋信號電壓參數對比表中參數分析，3種系統油門反饋電壓值和幅值均不相同且差異較大，而且與目標值差異也較大。

表1 各系統油門反饋信號電壓參數

圖1 電子油門的電子特性圖

2）凱邁FST2.0與奕科EIM301系統電壓幅值低于目標值，需要放大并與一個設定的初始值做減法運算才能達到目標值要求。

3）AVL PUMA1.1系統電壓幅值高于目標值，需要衰減并與一個設定的初始值做加法運算才能達到目標值要求。

4）綜合上述分析：采用運算放大器進行放大及加減法運算，根據不同系統調整電路元件的參數是可以達到目標值要求的。

3 基本運算電路的設計與試驗驗證及失效原因分析

3.1 基本運算電路及其電壓傳遞函數

針對凱邁FST2.0系統設計基本運算電路及其電壓傳遞函數如圖2所示。

圖2 基本運算電路圖

圖2 的基本設計理念是用可變電阻設定一個可調整的初始電壓值，將其輸入運算放大器反相輸入端并與輸入同相輸入端的臺架機械油門反饋電壓信號進行減法運算，同時再加以一定倍數的放大，得到目標值u1=0.8～4.1 V，然后u1再經2個相同阻值電阻分壓得到u2=0.5u1。

3.2 臺架試驗發現問題

以上電路經臺架試驗發現如下問題：在點火開關打開后操作臺架油門，試驗電路輸出兩路電壓幅值及相互關系符合要求，發動機電子節氣門體可按油門操作值來動作，但當發動機起動后，油門操作失效，發動機電子節氣門體門板不動作。

3.3 試驗電路失效原因分析

經對比發現，起動過程中電子油門踏板信號模擬器輸出電壓信號在起動瞬間出現大幅下降，最低至0 V，導致ECU判斷為電子油門踏板電壓過低，ECU處于保護狀態，電子油門控制無效。經分析導致起動瞬間電壓下降的原因是由于起動瞬間起動機電流很大，導致搭鐵電位升高，由于本試驗電路與發動機共搭鐵連接，搭鐵電位升高在電路輸入端產生共模輸入電壓，經減法及放大運算后出現以上現象。

4 電路改進設計

4.1 為抑制共模信號干擾采取的措施

1）信號輸入端采用具有高共模抑制比的差分放大電路，抑制起動過程中搭鐵電位共模信號干擾，增加信號穩定性。

2）使用電壓轉換隔離電路及電源隔離電路，將輸入信號搭鐵與輸出信號搭鐵隔離，切斷發動機、試驗臺架及電子油門模擬器三者之間的搭鐵環路，進一步降低搭鐵電位波動的影響，使電子油門模擬器輸入、輸出信號更純凈和穩定。

4.2 改進后電路設計 （圖3）

1）如圖3所示：發動機試驗臺架機械式油門控制系統輸出信號經JP1輸入，經IC1B、IC1C、IC1D三個運算放大器組成儀表放大器對輸入電壓、電流信號進行高共模抑制比的轉換放大。

2）通過運算放大器IC1A進行信號的運算調整，將輸入信號調整到標準的電子油門踏板輸出電壓范圍。

3）繼電器J1用于在臺架油門關閉情況下出現錯誤電壓時，將模擬器輸出適時切換為適宜的怠速電壓設定值從而避免ECU報錯，該設定值由VR2進行調整。

4）穩壓二極管D4用于對最高輸出電壓進行箝位，可以避免臺架誤操作導致油門開度過大時，電壓超過極根值使ECU報錯而影響發動機正常工作。

5）IC3為電壓隔離模塊，對輸入信號與輸出信號進行電氣隔離，避免共搭鐵干擾，輸出電壓非線性度在±0.01%以內，隔離電壓達到1 500 Vrms。

6）IC4組成電壓跟隨器，用于緩沖輸出電子油門的第2組驅動電壓，幅值是第1組電壓的1／2。

7）系統為實現電源隔離，使用了2組DC-DC電源隔離模塊，電源輸入使用臺架系統的24 V電源，輸出為±15 V，隔離電壓達到1 500 Vrms。

8）改進后電路可以兼容AVL PUMA1.1、奕科EIM301、凱邁FST2.0三種測試系統，當接入電阻R15、R25、R26時電路適應AVL PUMA1.1系統，不接此3個電阻時電路適應奕科EIM301和凱邁FST2.0系統。

4.3 電路元件參數及電壓傳遞函數

對于AVL臺架，設計電壓傳遞函數如下：

圖3 改進后電路原理圖

對于南峰和奕科臺架，設計電壓傳遞函數如下：

5 臺架加裝電子油門模擬器的改造工作

5.1 具體實施方式

1） 按臺架輸出信號幅值選擇IC1A的電阻網絡各電阻的阻值，電阻網絡參數決定運放的增益，按設定的電阻值選擇元件，制作相應電子油門信號模擬器。

2）連接好臺架、電子油門信號模擬器及發動機。

3）打開電源開關，電源指示燈亮，初次使用需調整VR1、VR2，設定好怠速電壓。

4）起動發動機，進行試驗，電子油門信號模擬器會按照設定的油門開度，輸出相應的油門踏板信號給發動機ECU，驅動發動機工作。

5.2 臺架改造實施情況，以AVL PUMA1.1系統為例

1）將電子油門信號模擬器信號輸入端接入PUMA1.1系統THA100油門執行器的油門開度實際值輸出端。

2）將電子油門信號模擬器裝入THA100機柜右上角前加以固定，電子油門信號輸出以四芯屏蔽線引至發動機附近，接至7針航空插頭，便于與發動機線束對接。

3）電子油門信號模擬器輸出至7針航空插頭各針腳定義，1腳：發動機+5 V輸出1；2腳：發動機+5 V輸出2；3腳：電子油門輸出電壓u1搭鐵；4腳：電子油門輸出電壓u1+；5腳：電子油門輸出電壓u2搭鐵；6腳：電子油門輸出電壓u2+；7腳：空。

6 電子油門信號模擬器輸出特性曲線測試及臺架考核

6.1 電子油門信號模擬器輸出特性曲線

以AVL臺架為例進行測試，輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 電子油門信號模擬器輸出特性驗證圖

經測試并與理論曲線對比，模擬器輸出兩組電壓曲線與理論曲線吻合較理想，各點電壓與理論值的誤差范圍完全符合圖1參數表中要求。電壓與油門開度間輸出特性滿足使用要求。

6.2 臺架考核

電子油門信號模擬器經2～8#臺架連續運行7個月的可靠性考核，性能穩定，未出現故障，可靠性滿足需要。

7 結束語

通過以上論述，通過自行設計研制的成本低、性能穩定可靠的臺架電子油門信號轉換模擬器，使各發動機試驗臺架實現電子油門控制的功能，經過實踐證明是可行的，該裝置具有良好的線性，優良的共模信號抑制、信號隔離，完善的信號糾錯保護功能及良好的穩定性，實用性強、成本低，為舊臺架的改造，滿足電子油門驅動的發動機試驗要求提供了技術保障，使原有臺架具備電子油門發動機試驗功能。