电子节气门控制器的设计
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出Ｐ ＷＭ 进 行 使 能 ； 软 件 中 完 成 电机 转 向 判 断 后 只 在
２ 电子节气 门控 制器 的设 计
２ １ 电子 节气 门控 制 系统 结 构 ． 电子 节 气 门控 制 系 统 结构 如 图 ２所示 。发 动 机 工 作 时 ， 速 踏 板 位 置 传 感 器 将 反 映 加 速 踏 板 位 置 的 电 加
电子节气门控制器 的设计
胡明慧 ， 等
电子 节 气 门控 制 器 的设 计
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｅ ｔｏ ｉ ｈ ｏ ｔ ｓｇ ｆＥｌｃ ｒ ｎｃ Ｔ ｒ ｔｌ Ｃｏｎ ｒ ｌｒ ｅ ｔｏｌ ｅ
胡日 鐾 月
（ 东理 工大 学承压 系统安 全科 学教 育部 重点 实验 室 上海 华 ，
中。这种结构需要对原有控 制器作较 大改 动 ， 由于 但 其集成 度 高 、 靠 性 好 等 优 点 ， 到 了较 广 泛 的应 可 得 用 ’ 。本 文控制系统采取 了后 一种结构 ， 即节气门控 制系统集成到课题组 自行 开发 的发动机控制器中。
出功率急剧下降 ， 在使用 中造成危 险。本文 的控制 系 统最终采取 了双 Ｐ ＷＭ信号输入的结构 。 为防止 电机短路失去 动力 ， 在软 硬件设计 中都采 取了相应 的措施。硬件 电路上使用逻辑与门对芯片输
Ｔ Ｓ２Ｌ ４０ Ｍ ３０ Ｆ２７中央处 理器 和 Ｔ Ｆ２９驱动 芯片等 组成 。具体 给 出了电子 节 气 门系 统 在发 动 机控 制 系统 中的应 用 框架 ， 过 专家 自 Ｌ ６０ 通
整 定 ＰＤ控制 策略 ， 现对 节气 门系统 的位置 控制 。电子 节气 门开度 的 阶跃 响应 试 验 验证 了该 方 法 可 以对 电子 节 气 门实 现精 确 、 Ｉ 实 快
以是一路 Ｐ Ｍ 信号 ， Ｗ 也可以是两路 Ｐ ＷＭ信号。 由于控制 信号少 一路 ， 用单路 Ｐ 使 ＷＭ 信号算 法 相对 简单 。当占空 比大于 ５ ％ 时 ， ０ 电机正转 ； 当占空
比小 于 ５ ％ 时 ， ０ 电机 反转 。 占 空 比可 按 需 要 进 行 随 机
余 。在发动机运转时 ， 系统始终不 停地对影 响节气 子
门开 度 的传 感 器 和 计算 结 果 进 行 检 测 和 监视 。 电子控 制 器根 据 加 速 踏 板 位 置 传 感 器 及 其 他 相 关
传感器的信号进行最佳节气 门开度判断 ， 并通过输出控
制信号控制节气门驱动装置 ， 从而将节气门调整到适 当
开度 。电子节 气 门控 制 器 通 常 作 为 发 动 机 电子 控 制 器 的控 制模 块 ， 由相 应 的控 制程 序 和驱 动 电路 组成 。 它
０ 引 言
节气 门是 汽 车 发 动 机 的 重 要 控 制 部 件 ， 传 统 的 在
１ 电子节气 门 系统
电子节气门系统主要 由加速踏板位置传感器 、 电子
控制单元 Ｅ Ｕ和节气 门等组成 ， Ｃ 如图 １ 所示。
电子控制 器
发动机管理 系统 中， 驾驶 员通过加 速踏板 的机械 连接 直接控制节气 门开度 。２ ０世纪后 期 ， 随着 车辆 电子控 制技术 的迅速发展 ， 其是混合动力汽车 的出现 ， 尤 要求
此 时 电源 被 短 路 ， 气 门 电机 失 去 动力 ， 成 发 动 机 输 节 造
电子控制单元可以是单 独的控制 器 ， 也可 与车上 其他 Ｅ Ｕ通信协 同工作 。这种结 构可通 过原有 电控 Ｃ
系统 扩 充 得 到 ， 由于 组 件 较 多 ， 靠 性 得 不 到 保 证 。 但 可 电子 节 气 门 控 制 单 元 也 可 以 集 成 到 车 上 其 他 控 制 器
使能一路 Ｐ ＷＭ 信号 ， 止另一 路 Ｐ 禁 ＷＭ输 出， 由此 防 止短路故障。
器 。它 被 安 装 在 加 速 踏 板 总 成 内 部 ， 于 检 测 加 速 踏 用
板的位置变化状况。位置信号经处理后输入电子控制
单元 Ｅ Ｕ， Ｃ 由电控单 元计算 出与驾驶员要 求相对应 的
节气 门开度 ， 并作相应 的调整 ， 以适应 当前发动机的运 行工 况 ； 然后产生触 发信 号传送 到节气 门执行器 。双 电位计式加 速踏板位置传感器可 同时输 出两个大小同 向变化 ， 变化 斜率 不 同的 电压信 号 ， 但 以提 高测 量精 度， 使电子控制器对节气 门开度 的控制更加精准 。 节气 门总成 主要 由节 气 门 、 流 电机 、 直 减速 齿 轮
节 气 门能 实 时 可 控 。 因 此 ， ｏｃ Ｂｓｈ和 Ｄ ｌｈ 相 继 推 出 ｅ ｉ ｐ
ｈ
门
了电子节气 门产品ｕ 。 电子节气 门系统 （ Ｔ ） 一套传 感器 、 ＥＣ 用 执行 器 以 及 电子控制单元代替 了传统 的由加速踏板到节气门体 的机械传 动机构 。它通过位置传感 器测量加速踏板位
置信号 ， Ｅ Ｕ运算 处理后驱动节气 门体 上 的电动 机 经 Ｃ
转动 ， 而带动节气 门盘 片旋转 到指定开 度。电子节 从 气门控制系统可 以整 合在发 动机控制 器之 内 ， 现怠 实 速控制等 功能 ； 同时 ， 由于 减少 了原 有 电控 系统 的组 件， 系统整体可靠性得 到了提 高 。 加速踏板位 置传 感 器通 常采 用 双 电位计 式传 感
感器 ， 其安装在节气门总成 内， 用于将节气 门的位置信
息反馈给 电子控制器。节气 门位置传感器双电位计 的 两个 电压信号通常是相 向改变 的。当节气门开度改变 时， 节气 门位置传感器 的一个信号 电压增大 ， 另一信号
电压 则 减 小 。节气 门上 双 电位 计 的设 计是 依 靠 双 电位 计 的补 充 来 监 测 加速 踏 板 的行 程 的。 这种 布 置 成 为 整 个 Ｅ Ｃ控 制 功 能 的 一 部 分 ， 提 供 所 要 求 的 系 统 冗 Ｔ 以
《自动化仪表》 ３ 卷第 ２期 ２ １ ２月 第 ｌ ００年
电 子 节气 门控 制 器 的 设 计
胡明慧 ， 等
２ ２ 工作 原 理 ．
簧作用下 回到最小开度位 置 ， 从而使 发动机 能够正 常 运行 。节气 门位置传感器采用无触点的双电位计式传
现有大部分节气门体都使用直流电机作为执行器 ， 驱动 电路较多采用 Ｐ ＷＭ脉 宽调制驱动 Ｈ桥方式 的电 路。Ｐ ＷＭ脉 冲信 号通过 调节 占空 比控 制 电机 平均 电
其 他相 关传 感器 信号 节 气 门位 置 传感 器 直 流 电动机
图 １ 电子 节 气 门 系统 组 成 图
Ｆ ｇ １ Ｃ ｍｐ ｓｔ ｎ ｏ ｅ ｅｅ ｔ ｎｃ ｔｒ ｔ ｅ ｓ ｓ ｍ ｉ ． ｏ ｏ ｉ ｏ ｆｔ ｌ ｃｒ ｉ ｈ ｔ ｙ ｔ ｉ ｈ ｏ ｏ ｌ ｅ
ｍｅ ｔｄ ｔ ｏｕ ｈ ｅ ｐ ｔｓ ｌ－ｕ ｉｇ Ｐ Ｄ ｏ ｔ ｌｓｒｔｇ ． Ｔ ｅ ｔｓ ｆｓｅ ｅ ｐ ｎ ｅ ｏ ｈ ｐｅ ｉｇ ｏ ｌｃｒ ｎｃ ｔｒ ｔ ｅｉ ｅ ｈ ｔｔｅ ｐｒｃｓ ｎｅ ｈｒ ｇ ｘ ｅｒ ｅｆｔｎｎ Ｉ ｃ ｎｒ ｔａｅ ｙ ｏ ｈ ｅ ｔｏ ｔｐ ｒ ｓｏ ｓ ｆｔｅ ｏ ｎ ｎ ｆｅｅ ｔｏ ｉ ｈｏｔｅ ｖ ｒｆ ｓｔａ ｈ ｅ ｉｅ， ｌ ｉ ｆｓ ｐ ｅ ｌｓ ｄ ｌｏ ｏ ｔｏ ｔ ｍａｌｓｅ ｄ ｒｏ ａ＿ｂ ｍｐｅ ｎｅ ｙｔ ｉ ｍｅｈ ｄ． ａ ｔｓ ｅ ｄ ｃｏ ｅ ｏ ｐ ｃ ｎｒｌｗｉ ｓ ｌ ｔａ ｙｅｒ ｒｃ Ｄ ｅ ｉ ｌｍｅ ｔｄ ｂ ｈｓ ｈ ｔｏ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ： Ｅｌｃｒｎ ｃｔｒ ｔ ｏ ｒｌ Ｃｏ ｔ ｌｅ Ｅｘ ｒ ｅｆｔｎｉｇ Ｐ／ ｃ ｎｒ ｌ Ｓｅ ｓ ｏ ｓ ｅ ｔ ｉ ｏ ｄｅｃ ｎｔ ｏ ｈ ｏ ｎｒ ｌｒ ｏ ｐｅｔｓ ｌ－ｕ ｎ Ｄ ｏ ｔ ｔｐ ｒ ｐ ｎ ｅ ｏ ｅ
电子节气门具有时 变性 、 时滞 性 、 线性 、 确定 非 不 性等特点 ， 其数 学模 型难 以准确推导 一 。因此 ， ］ 本文
以 电子 节 气 门 为研 究 对象 ， 计 了 自整 定 ＰＤ控 制 器 ， 设 Ｉ 并 通 过 仿 真分 析 验证 了该 方 法 的可 行 性 。
修 改稿收 到 日期 ： ０ ０ ２ 。 ２ ９— ６— ５ ０
速 和稳 态误差小 的闭环 控制 。
关ຫໍສະໝຸດ Baidu键词 ：电子节气 门控 制
中图分类 号 ：Ｉ ６ ３ ３ ４
控 制器
专 家 自整定
Ｐ Ｄ控 制 Ｉ
阶跃 响应
文献标 志码 ：Ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ： Ａｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ｆｃ ｍｐ ｉａｅ ｔｕ ｔｒ ｆｅｅ ｔｏ ｉ ｈ ｏｔ ｙ ｔｍ 。ａｎ ｗ ｄｅｉｎ ｍｅｈｏ ｆｔｅｉｔｌｉｅ ｔｃ ｎｒｌ ｒｆｒｅｅ － ｓｒ ｃ ｍｉｇ ａ ｅｆａｕ ｅｏ ｏ ｌｃ ｔｄ ｓｒ ｃｕｅ ｏ ｌｃｒ ｎｃ ｔｒｔｌ ｓ ｓｅ ｔ ｅ ｅ ｓｇ ｔ ｄ ｏ ｈ ｎ ｅｌｇ ｎ ｏ ｔｏｌ ｏ ｌｃ ｅ ｔｏ ｉ ｈｒｔｌ ｏ ｉｉｎ ｎ ｅ ｓ ｒｉ ｐ ｐ ｓ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｎｔ ｌ ｒｉ ｏ ｏ ｅ ｆＴＭＳ ２ ＬＦ ２ ７ ａ ｈ ｅ ｔａ ｒ ｃ ｓｏ ｎ ｒ ｎｃ ｔ ｏｔ ｐ ｓｔ ｉ ｇｓ ｎ ｏ ｓ ｒ ｏ ｅ ． ｈ ｏ ｒ ｌ ｓｃ ｍｐ ｓ ｄ ｏ ｅ ｏ ｏ ｏｅ ３ ０ ４ ０ ｓ ｔｅ ｃ ｎｒ ｌｐ ｏ ｅ ｓ ｒａ ｄ ＴＬＦ ２ ９ ｄ ｉｅ ｃ ｉ ． ６ ０ ｒｖ ｈ ｐ Ｔ ｐ ｌ ａｉｎｆａ ｆｔｅ ｅｅ ｔｏ ｃ ｔｒ ｔ ｅｓ ｓｅ ｉ ｎ ｉ ｅｃ ｎ ｒｌｓ ｓｅ ｉ ｇｖ ｎ ｃ ｎ ｒｔｌ ｈｅａ ｐｉ ｔ ｒｍｅ ｏ ｈ ｌｃｒｎｉ ｈ ｏｔ ｙ ｔｍ ｎ ｅ ｇｎ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｓ ｉｅ ｏ ｃｅｅｙ，ａ ｄ ｔｅｐ ｓｔｏ ｏ ｔｏ ｆｔｒ ｔｅ ｉ ｍｐｅ ｃ ｏ ｌ ｎ ｈ ｏ ｉｉｎｃ ｎｒｌｏ ｏｔ ｓｉ ｌ— ｈ ｌ
流， 从而控制电机转矩 。改变 Ｐ ＷＭ信号占空比， 可使节
气 门盘 片停 留在 任 意 要 求 的 位 置 。这 种 驱 动 方 式 下 电 流连 续 、 速 特性 好 ， 外 ， 气 门停 在 某 位 置 时 ， 片 低 另 节 盘 高频 微 颤有 助 于 减 小 静 摩擦 。单 片 机 控 制 电路 输 出可
第 一作者 胡 明慧， ，９４年生 ，０８年 毕业 于上 海交通 大 学 自动化 女 １７ ２０
组、 复位弹簧和节 气 门位 置传感器 等组 成。当节气 门 出现故 障或 电机驱 动信号被 切断 时 ， 气 门在复位 弹 节
２ ５
系。 获博士 学位 ； 主要从 事 自动化 控制 方面 的研 究。
控制 ， 而且可保证不出现 Ｈ桥 上电源正负极短 路的情 况， 但试验证 明， 这样会造 成电机噪声 比较大 、 热严 发 重等现象 。其原因在于不论 是否需要 ， 电机在一个 占 空 比周期 内都 要进行换 向。而将驱动 改为两路 Ｐ ＷＭ 信号 就可 以避免上述 现象。当节气 门开度要增 大时 ， 使用 Ｐ ＷＭ１信号 ； 反之 ， 使用 Ｐ ２信号 。但是 如 则 ＷＭ 果设 计不 当， 出现有些时段 内两路 Ｐ 会 ＷＭ 信号重合 ，
来 ／ 每 佳
邵 枣鹌
２０４ ） ０２０
２ ０ ３ ； 海 交通 大 学电子信 息 与电 气工程 学院 上海 ０２７ 上 ，
摘
要 ：针对 电子 节 气 门 系 统 结 构 复 杂 的 特 点 ， 出 了 一 种 新 的 电 子 节 气 门位 置 传 感 器 智 能 控 制 的 设 计 方 法 。该 控 制 器 由 提
２ 电子节气 门控 制器 的设 计
２ １ 电子 节气 门控 制 系统 结 构 ． 电子 节 气 门控 制 系 统 结构 如 图 ２所示 。发 动 机 工 作 时 ， 速 踏 板 位 置 传 感 器 将 反 映 加 速 踏 板 位 置 的 电 加
电子节气门控制器 的设计
胡明慧 ， 等
电子 节 气 门控 制 器 的设 计
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｅ ｔｏ ｉ ｈ ｏ ｔ ｓｇ ｆＥｌｃ ｒ ｎｃ Ｔ ｒ ｔｌ Ｃｏｎ ｒ ｌｒ ｅ ｔｏｌ ｅ
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中。这种结构需要对原有控 制器作较 大改 动 ， 由于 但 其集成 度 高 、 靠 性 好 等 优 点 ， 到 了较 广 泛 的应 可 得 用 ’ 。本 文控制系统采取 了后 一种结构 ， 即节气门控 制系统集成到课题组 自行 开发 的发动机控制器中。
出功率急剧下降 ， 在使用 中造成危 险。本文 的控制 系 统最终采取 了双 Ｐ ＷＭ信号输入的结构 。 为防止 电机短路失去 动力 ， 在软 硬件设计 中都采 取了相应 的措施。硬件 电路上使用逻辑与门对芯片输
Ｔ Ｓ２Ｌ ４０ Ｍ ３０ Ｆ２７中央处 理器 和 Ｔ Ｆ２９驱动 芯片等 组成 。具体 给 出了电子 节 气 门系 统 在发 动 机控 制 系统 中的应 用 框架 ， 过 专家 自 Ｌ ６０ 通
整 定 ＰＤ控制 策略 ， 现对 节气 门系统 的位置 控制 。电子 节气 门开度 的 阶跃 响应 试 验 验证 了该 方 法 可 以对 电子 节 气 门实 现精 确 、 Ｉ 实 快
以是一路 Ｐ Ｍ 信号 ， Ｗ 也可以是两路 Ｐ ＷＭ信号。 由于控制 信号少 一路 ， 用单路 Ｐ 使 ＷＭ 信号算 法 相对 简单 。当占空 比大于 ５ ％ 时 ， ０ 电机正转 ； 当占空
比小 于 ５ ％ 时 ， ０ 电机 反转 。 占 空 比可 按 需 要 进 行 随 机
余 。在发动机运转时 ， 系统始终不 停地对影 响节气 子
门开 度 的传 感 器 和 计算 结 果 进 行 检 测 和 监视 。 电子控 制 器根 据 加 速 踏 板 位 置 传 感 器 及 其 他 相 关
传感器的信号进行最佳节气 门开度判断 ， 并通过输出控
制信号控制节气门驱动装置 ， 从而将节气门调整到适 当
开度 。电子节 气 门控 制 器 通 常 作 为 发 动 机 电子 控 制 器 的控 制模 块 ， 由相 应 的控 制程 序 和驱 动 电路 组成 。 它
０ 引 言
节气 门是 汽 车 发 动 机 的 重 要 控 制 部 件 ， 传 统 的 在
１ 电子节气 门 系统
电子节气门系统主要 由加速踏板位置传感器 、 电子
控制单元 Ｅ Ｕ和节气 门等组成 ， Ｃ 如图 １ 所示。
电子控制 器
发动机管理 系统 中， 驾驶 员通过加 速踏板 的机械 连接 直接控制节气 门开度 。２ ０世纪后 期 ， 随着 车辆 电子控 制技术 的迅速发展 ， 其是混合动力汽车 的出现 ， 尤 要求
此 时 电源 被 短 路 ， 气 门 电机 失 去 动力 ， 成 发 动 机 输 节 造
电子控制单元可以是单 独的控制 器 ， 也可 与车上 其他 Ｅ Ｕ通信协 同工作 。这种结 构可通 过原有 电控 Ｃ
系统 扩 充 得 到 ， 由于 组 件 较 多 ， 靠 性 得 不 到 保 证 。 但 可 电子 节 气 门 控 制 单 元 也 可 以 集 成 到 车 上 其 他 控 制 器
使能一路 Ｐ ＷＭ 信号 ， 止另一 路 Ｐ 禁 ＷＭ输 出， 由此 防 止短路故障。
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板的位置变化状况。位置信号经处理后输入电子控制
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节气 门开度 ， 并作相应 的调整 ， 以适应 当前发动机的运 行工 况 ； 然后产生触 发信 号传送 到节气 门执行器 。双 电位计式加 速踏板位置传感器可 同时输 出两个大小同 向变化 ， 变化 斜率 不 同的 电压信 号 ， 但 以提 高测 量精 度， 使电子控制器对节气 门开度 的控制更加精准 。 节气 门总成 主要 由节 气 门 、 流 电机 、 直 减速 齿 轮
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感器 ， 其安装在节气门总成 内， 用于将节气 门的位置信
息反馈给 电子控制器。节气 门位置传感器双电位计 的 两个 电压信号通常是相 向改变 的。当节气门开度改变 时， 节气 门位置传感器 的一个信号 电压增大 ， 另一信号
电压 则 减 小 。节气 门上 双 电位 计 的设 计是 依 靠 双 电位 计 的补 充 来 监 测 加速 踏 板 的行 程 的。 这种 布 置 成 为 整 个 Ｅ Ｃ控 制 功 能 的 一 部 分 ， 提 供 所 要 求 的 系 统 冗 Ｔ 以
《自动化仪表》 ３ 卷第 ２期 ２ １ ２月 第 ｌ ００年
电 子 节气 门控 制 器 的 设 计
胡明慧 ， 等
２ ２ 工作 原 理 ．
簧作用下 回到最小开度位 置 ， 从而使 发动机 能够正 常 运行 。节气 门位置传感器采用无触点的双电位计式传
现有大部分节气门体都使用直流电机作为执行器 ， 驱动 电路较多采用 Ｐ ＷＭ脉 宽调制驱动 Ｈ桥方式 的电 路。Ｐ ＷＭ脉 冲信 号通过 调节 占空 比控 制 电机 平均 电
其 他相 关传 感器 信号 节 气 门位 置 传感 器 直 流 电动机
图 １ 电子 节 气 门 系统 组 成 图
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修 改稿收 到 日期 ： ０ ０ ２ 。 ２ ９— ６— ５ ０
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流， 从而控制电机转矩 。改变 Ｐ ＷＭ信号占空比， 可使节
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第 一作者 胡 明慧， ，９４年生 ，０８年 毕业 于上 海交通 大 学 自动化 女 １７ ２０
组、 复位弹簧和节 气 门位 置传感器 等组 成。当节气 门 出现故 障或 电机驱 动信号被 切断 时 ， 气 门在复位 弹 节
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系。 获博士 学位 ； 主要从 事 自动化 控制 方面 的研 究。
控制 ， 而且可保证不出现 Ｈ桥 上电源正负极短 路的情 况， 但试验证 明， 这样会造 成电机噪声 比较大 、 热严 发 重等现象 。其原因在于不论 是否需要 ， 电机在一个 占 空 比周期 内都 要进行换 向。而将驱动 改为两路 Ｐ ＷＭ 信号 就可 以避免上述 现象。当节气 门开度要增 大时 ， 使用 Ｐ ＷＭ１信号 ； 反之 ， 使用 Ｐ ２信号 。但是 如 则 ＷＭ 果设 计不 当， 出现有些时段 内两路 Ｐ 会 ＷＭ 信号重合 ，
来 ／ 每 佳
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２０４ ） ０２０
２ ０ ３ ； 海 交通 大 学电子信 息 与电 气工程 学院 上海 ０２７ 上 ，
摘
要 ：针对 电子 节 气 门 系 统 结 构 复 杂 的 特 点 ， 出 了 一 种 新 的 电 子 节 气 门位 置 传 感 器 智 能 控 制 的 设 计 方 法 。该 控 制 器 由 提