汽車電子節氣門控制系統結構與控制策略分析

張春凱

（長城汽車技術中心，河北保定 071000）

0 引言

行業中簡稱汽車電子節氣門為ETCS，節氣門作為發動機空氣供給的唯一通道，其性能的優劣將直接決定汽車核心部件——發動機的優劣［1］。電子節氣門的種類眾多，可分為：（1）電液混合式，此類節氣門結構緊湊、簡單、性能穩定，但由于零件之間存在摩擦運動，會影響控制精度。（2）電磁式，此類節氣門結構簡單、響應時間短、精度高，但是所需功耗較大。（3）直流伺服式，此類節氣門偏柔性，具有精度高、效率高、能耗低、穩定性強等優點，應用較為廣泛。

1 汽車電子節氣門的系統結構

目前較為主流的汽車電子節氣門為直流伺服電機式，系統結構如圖1所示。駕駛員作為動力輸入端，其踩踏力度的大小將直接決定開合節氣門開合大小的指令。加速踏板的下方裝有位移傳感器，位移傳感器可直接檢測加速踏板的位置，并將其位置信息輸送至節氣門控制器。節氣門控制器經過底層算法計算后，對節氣門的驅動電機發出信號。電機控制器接收信號后，控制電機旋轉的速度及圈數，并帶動節氣門的傳動機構運動。傳動機構將直接決定節氣門的開合大小，而節氣門的開合大小又作為節氣門控制器的反饋值。

2 汽車電子節氣門零件分析

在上述電子節氣門的結構中，腳踏板作為信號的輸入裝置，其結構的精度、零件之間的間隙、復位裝置的靈敏度將直接決定加速踏板位移傳感器的檢測數值的精度及穩定性，因此一定要控制其加工精度及裝配精度以保證腳踏板具有穩定的位置變換；加速踏板位移傳感器的靈敏度、重復位移精度、穩定性等對整個節氣門的控制有著決定性的作用，因此，此傳感器質量的保證至關重要，原則上重復精度越高越有利；節氣門控制器作為整個電子節氣門的核心部件，其中的控制策略及底層算法將直接決定節氣門的控制方式與控制精度。目前較為常見的控制策略為模糊滑膜控制、魯棒控制等。電機控制器與驅動電機作為節氣門的動力執行機構，其重復精度、定位精度的高低對節氣門的開合精度有著至關重要的影響；傳動機構一定要是高精度加工的機構，并且要有較強的耐磨性，且要考慮到發生磨損時，如何對其進行補償［2］；檢測節氣門位置的位置傳感器作為輸出的檢測部件，它將檢測的數值反饋給節氣門控制器，檢測數值越接近實際值，越有利于節氣門的控制，因此它具有與加速踏板位移傳感器同等重要的作用。

圖1 電子節氣門結構

目前，市場上最為流行的電子節氣門是博世集團研發的直流伺服電機式節氣門，其所用位移傳感器、伺服電機、伺服電機控制器、節氣門控制器等核心元器件均為博世集團研發。如圖2所示的電子節氣門是較為經典的一款EX-6系列電子節氣門，被用在國產奇瑞汽車上，其性能極其穩定。

圖2 電子節氣門

3 電子節氣門控制策略

電子節氣門控制系統存在諸多非線性因素的影響，例如：滑動摩擦、黏性摩擦、傳動間隙以及在汽車行駛過程中氣流沖擊、人為干預等。因此，若想精確地控制電子節氣門的開合大小，控制策略的設計是一項難點。很多學者也對此進行了多種嘗試，對于較為復雜的電子節氣門控制系統難以精確地構建其數學模型，PID控制是較為合適的控制方式［3］，并以經典的PID控制為基礎，加上前饋控制、反饋控制及復合控制。此類控制雖然在控制精度、響應速度等方面，相比于PID控制有所提升，但是還不能滿足高標準需求以及智能化需求。隨著自適應控制的發展，很多學者將模糊控制與PID控制相結合，模糊控制與滑膜控制相結合，魯棒控制與模糊控制相結合等［4-5］，這些控制在響應速度、抗干擾能力、魯棒性、精確度等方面有了很大程度的提升，但是要以犧牲控制器的穩定性為代價，在測試與實際應用的過程中得到驗證［6］。

電子節氣門的控制性能好壞又將直接決定產品的質量優劣。隨著智能駕駛的不斷發展，電子節氣門的控制策略問題愈加突出。首先，要保證穩定性；其次，在精確度高、抗干擾能力強、響應速度快等要求的前提下，還要有推理、在線自學的能力。針對以上不同控制策略所遇見的問題，本文提出以下幾點控制策略建議：（1）由于汽車電子節氣門系統較為復雜且受外界因素的干擾，無法建立較為精確的數學模型，因此可以考慮以經典PID控制策略作為控制器設計的基礎。（2）隨著大數據、計算力的發展，考慮加入具有自學能力的神經元，雖然節氣門工況復雜、外界干擾較多，但是可通過對硬件（傳感器、處理器、電機控制器等）工作數據、不同駕駛員的操作數據、節氣門機械結構的數據等大數據的收集，使其具有自學的能力。（3）運用模糊控制使其具有自學能力的神經元PID算法中的各參數（比例效率、積分效率、微分效率、比例系數），且可在線完成自調整。模糊控制的增加：一方面能提升控制算法的效率；另一方面可以提升節氣門控制的穩定性、抗干擾能力、響應速度，具體控制策略如圖3所示。

4 結語

圖3 模糊神經元PID汽車電子節氣門控制策略

汽車電子節氣門的開合精度決定汽車發動機是否為最佳動力的輸出，目前柔性控制已逐步代替機械式控制方式。國內外比較常見的電子節氣門汽車品牌，如奧迪、吉利、大眾、比亞迪等，其復雜的控制策略也是在保證穩定性的前提下，盡量提升各方面的性能。隨著自動駕駛與人工智能的高速發展，汽車電子節氣門有以下發展趨勢：（1）向微型化、集成化、智能化發展。（2）幾種控制策略并行，即可相互切換單獨控制，也可進行多復合控制。（3）突出自學習能力，隨著計算力、算法、大數據的提升，更加人性化的控制策略呼之欲出。