基于PWM技术汽车电子节气门控制系统的研究

基于PWM技术汽车电子节气门控制系统的研究

郑锦汤

（广州华商职业学院广东广州）

摘要:本文主要介绍电子节气控制系统结构与工作原理，对实现电子节气门控制的关键在于控制节气门驱动电机的运动，驱动模块用于提供适当的控制电压驱动节气门伺服电机使节气门达到最佳的开度位置。应用PWM技术对节气门控制系统驱动模块方案进行分析。

关键词: 电子节气门 PWM技术伺服电机

0 引言

汽车电子节气门技术(Electronic Throttle Control,ETC)是伴随汽车线控驱动理念(Drive-by-Wire)而诞生的。电子节气门控制系统通过ECU采集加速踏板和汽车行驶状态信息，计算出整车的全部转矩需求，通过对节气门开度的期望值进行计算，得到节气门的最佳开度，并把相应的控制信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。ETC可实现发动机转矩控制和精确空燃比控制，有助于提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性以及降低排放污染。

1电子节气门系统结构

电子节气门控制系统如图1所示，取消了机械式节气门的刚性连接，采用一种柔性控制方式(drive- by- wire)，电子节气门控制系统由加速踏板、传感器、节气门、控制单元（ETCS）、数据总线及执行器等部分组成。

图1 节气门控制系统组成

2电子节气门控制系统工作原理

当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置传感器将油门踏板位移量信号转换为电压信号传给 ETCS，ETCS通过对当前所处工况进行分析和逻辑处理后发出控制信号，控制节气门驱动电机，使电机按照ETCS给定的角度驱动节气门运转并达到所需的开度；同时节气门体上的节气门位置传感器将测得的当前节气门位置信号反馈给ETCS，通过反馈控制实现对节气门的最佳闭环控制。

3电子节气门控制系统驱动模块

完整的电子节气门控制系统包括驱动模块、节气门总成、加速踏板位置传感器、驱

动电机控制器等。而电子节气门控制的关键是控制节气门驱动电机的运动。驱动模块用于提供适当的控制电压驱动节气门伺服电机，使电机输出需求的转矩，以驱动节气门达到要求的开度位置。

对于小型直流电机调压调速系统，有两种常用方案：1.采用一个12V 直流电源及一个可变电阻控制驱动电机电压；2.采用 PWM(Pulse-Width-Modulation)脉宽调制直流可调电源和H 桥式晶闸管电路控制电机电压。

3.1 直流电源驱动方式

此驱动方式的设计很简单,只需要与电机串连一个可变电阻即可，如图2所示。改

变可变电阻的阻值可以调节电机绕组电流，以控制电机的输出扭矩。

根据电路原理：

()m E I r R Rr =++ (3.1)

式中，E 为电源电动势，I 为串联电路中的电流，Rr 为可变电阻阻值，m R 为电机阻值,r 为电源内阻。这种方式通过控制滑动电阻的阻值，而改变流过电机的电流，从而达到控制电机扭矩的目的。由式(2.1)可得流过电机的电流I 表达式为：

()m I E r R Rr =++ (3.2)

电机输出扭矩为：

m T T I K =∙ (3.3)

式中T K 一电动机转矩系数

电机转矩与电流I 成正比，I 变化，驱动电机输出转矩相应变化，从而实现对电机的控制。

该方案虽然原理简单，但由于采用了可变电阻，对可变电阻的阻值控制成为问题，使问题更加复杂化。另外，从功率分配的角度考虑，在控制电机的过程中，变阻器会消耗很大一部分功率，仅有部分的能量用于驱动电机的工作：当电机电阻等于可变电阻时，只有一半的能量被电机利用，另一半能量被可变电阻消耗，大部分功率用于产生热量，效率和散热性问题严重。因此，这种控制方式只用于微小功率直流电动机的驱动。更重要的一点是节气门根据不同的工况需要实现节气门既能正转又能快速反转，即电机电流的方向需正反方向的变化，该方案显然无法实现这一要求。

3.2 PWM 电源驱动方式

PWM 脉宽调制是近年来广泛应用于直流电动机转速调节系统中的一种调整直流电源

图2 直流电源驱动电路原理

电压的方法。脉宽调制，其含义是将连续变化的控制电压u 变换为脉冲幅值与频率固定、脉冲宽度与u 瞬时值相关的脉冲电压。通过对脉冲宽度的控制，即：占空比的控制，实现对直流电机电枢电压的控制，从而控制电机的转速。

PwM 控制的示意图如图3所示,可控开关S 以一定的时间间隔重复地接通和断开,当S 接通时,供电电源Us 通过开关S 施加到电机两端,向电机提供能量,电机绕组储能;当开关S 断开时,中断了供电电源Us 向电机提供能量,在开关S 接通期间电枢电感所储存的能量通过续流二极管VD 使电机电流继续流通。

电机绕组两端得到的电压波形如图3式示,电压平均值av U 可用下式表示：

on av s s t U U dU T =

= (3.4) 式中 on T 一开关每周期接通的时间； T 一开关通断的工作周期； d 一占空比，d =on t T 由式(3.4)可见,改变开关接通时间on T 和开关周期T 的比例亦即改变脉冲的占空比，电机两端电压的平均值也随之改变，因而电机转速得到控制。图4为不同占空比的实际波形。

图5为桥式PWM 驱动模块的控制原理框图。PWM 驱动装置的控制结构可分为两大部分；功率转换电路和控制电路。

功率转换电路是由四个大功率晶体管（GTR)Vl 、V2、V3、V4组成的H 桥式电路，控制直流电机所需的直流电压Us 施加在其两端。大功率晶体管由控制电路给Vl 、V4和V2、

V3提供相位差1800的矩形波基极激励电压，使Vl 、V4和V2、V3交替导通，将直流电

压Us 调制成与给定频率相同的方波脉冲电压，作用到电机电枢两端。 控制电路由恒频率发生器、脉冲宽度调制电路、脉冲分配电路、基极驱动电路组成。

当控制信号电压ui 增加时,经与恒频率波形发生器U D 比较，产生一个宽度与ui 成比例的调制脉冲电压，经脉冲变换分配使基极驱动电路激励主电路大功率晶体管的正向导通时间增加，则电机两端的平均电压增加，电机转速上升至控制信号电压ui 所要求的数值。

4结束语

由于直流伺服电机具有响应速度快,控制精度高的特点,采PWM （脉宽调制控制）控制直流伺服电机是目前主要方案，电子节气门系统是汽车发动机完全电控的重要组成部分，对于提高汽车的动力性、可靠性、及燃油经济性，实现汽车的完全电控具有重要意 图3 PWM 控制示意图 图4 PWM 控制电压波形图

图5 PWM 驱动装置控制原理图