汽车电子节气门控制系统结构与控制策略分析

张春凯

（长城汽车技术中心，河北保定 071000）

0 引言

行业中简称汽车电子节气门为ETCS，节气门作为发动机空气供给的唯一通道，其性能的优劣将直接决定汽车核心部件——发动机的优劣［1］。电子节气门的种类众多，可分为：（1）电液混合式，此类节气门结构紧凑、简单、性能稳定，但由于零件之间存在摩擦运动，会影响控制精度。（2）电磁式，此类节气门结构简单、响应时间短、精度高，但是所需功耗较大。（3）直流伺服式，此类节气门偏柔性，具有精度高、效率高、能耗低、稳定性强等优点，应用较为广泛。

1 汽车电子节气门的系统结构

目前较为主流的汽车电子节气门为直流伺服电机式，系统结构如图1所示。驾驶员作为动力输入端，其踩踏力度的大小将直接决定开合节气门开合大小的指令。加速踏板的下方装有位移传感器，位移传感器可直接检测加速踏板的位置，并将其位置信息输送至节气门控制器。节气门控制器经过底层算法计算后，对节气门的驱动电机发出信号。电机控制器接收信号后，控制电机旋转的速度及圈数，并带动节气门的传动机构运动。传动机构将直接决定节气门的开合大小，而节气门的开合大小又作为节气门控制器的反馈值。

2 汽车电子节气门零件分析

在上述电子节气门的结构中，脚踏板作为信号的输入装置，其结构的精度、零件之间的间隙、复位装置的灵敏度将直接决定加速踏板位移传感器的检测数值的精度及稳定性，因此一定要控制其加工精度及装配精度以保证脚踏板具有稳定的位置变换；加速踏板位移传感器的灵敏度、重复位移精度、稳定性等对整个节气门的控制有着决定性的作用，因此，此传感器质量的保证至关重要，原则上重复精度越高越有利；节气门控制器作为整个电子节气门的核心部件，其中的控制策略及底层算法将直接决定节气门的控制方式与控制精度。目前较为常见的控制策略为模糊滑膜控制、鲁棒控制等。电机控制器与驱动电机作为节气门的动力执行机构，其重复精度、定位精度的高低对节气门的开合精度有着至关重要的影响；传动机构一定要是高精度加工的机构，并且要有较强的耐磨性，且要考虑到发生磨损时，如何对其进行补偿［2］；检测节气门位置的位置传感器作为输出的检测部件，它将检测的数值反馈给节气门控制器，检测数值越接近实际值，越有利于节气门的控制，因此它具有与加速踏板位移传感器同等重要的作用。

图1 电子节气门结构

目前，市场上最为流行的电子节气门是博世集团研发的直流伺服电机式节气门，其所用位移传感器、伺服电机、伺服电机控制器、节气门控制器等核心元器件均为博世集团研发。如图2所示的电子节气门是较为经典的一款EX-6系列电子节气门，被用在国产奇瑞汽车上，其性能极其稳定。

图2 电子节气门

3 电子节气门控制策略

电子节气门控制系统存在诸多非线性因素的影响，例如：滑动摩擦、黏性摩擦、传动间隙以及在汽车行驶过程中气流冲击、人为干预等。因此，若想精确地控制电子节气门的开合大小，控制策略的设计是一项难点。很多学者也对此进行了多种尝试，对于较为复杂的电子节气门控制系统难以精确地构建其数学模型，PID控制是较为合适的控制方式［3］，并以经典的PID控制为基础，加上前馈控制、反馈控制及复合控制。此类控制虽然在控制精度、响应速度等方面，相比于PID控制有所提升，但是还不能满足高标准需求以及智能化需求。随着自适应控制的发展，很多学者将模糊控制与PID控制相结合，模糊控制与滑膜控制相结合，鲁棒控制与模糊控制相结合等［4-5］，这些控制在响应速度、抗干扰能力、鲁棒性、精确度等方面有了很大程度的提升，但是要以牺牲控制器的稳定性为代价，在测试与实际应用的过程中得到验证［6］。

电子节气门的控制性能好坏又将直接决定产品的质量优劣。随着智能驾驶的不断发展，电子节气门的控制策略问题愈加突出。首先，要保证稳定性；其次，在精确度高、抗干扰能力强、响应速度快等要求的前提下，还要有推理、在线自学的能力。针对以上不同控制策略所遇见的问题，本文提出以下几点控制策略建议：（1）由于汽车电子节气门系统较为复杂且受外界因素的干扰，无法建立较为精确的数学模型，因此可以考虑以经典PID控制策略作为控制器设计的基础。（2）随着大数据、计算力的发展，考虑加入具有自学能力的神经元，虽然节气门工况复杂、外界干扰较多，但是可通过对硬件（传感器、处理器、电机控制器等）工作数据、不同驾驶员的操作数据、节气门机械结构的数据等大数据的收集，使其具有自学的能力。（3）运用模糊控制使其具有自学能力的神经元PID算法中的各参数（比例效率、积分效率、微分效率、比例系数），且可在线完成自调整。模糊控制的增加：一方面能提升控制算法的效率；另一方面可以提升节气门控制的稳定性、抗干扰能力、响应速度，具体控制策略如图3所示。

4 结语

图3 模糊神经元PID汽车电子节气门控制策略

汽车电子节气门的开合精度决定汽车发动机是否为最佳动力的输出，目前柔性控制已逐步代替机械式控制方式。国内外比较常见的电子节气门汽车品牌，如奥迪、吉利、大众、比亚迪等，其复杂的控制策略也是在保证稳定性的前提下，尽量提升各方面的性能。随着自动驾驶与人工智能的高速发展，汽车电子节气门有以下发展趋势：（1）向微型化、集成化、智能化发展。（2）几种控制策略并行，即可相互切换单独控制，也可进行多复合控制。（3）突出自学习能力，随着计算力、算法、大数据的提升，更加人性化的控制策略呼之欲出。