張春凱

（長(zhǎng)城汽車(chē)技術(shù)中心，河北保定 071000）

0 引言

行業(yè)中簡(jiǎn)稱(chēng)汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)為ETCS，節(jié)氣門(mén)作為發(fā)動(dòng)機(jī)空氣供給的唯一通道，其性能的優(yōu)劣將直接決定汽車(chē)核心部件——發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣［1］。電子節(jié)氣門(mén)的種類(lèi)眾多，可分為：（1）電液混合式，此類(lèi)節(jié)氣門(mén)結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但由于零件之間存在摩擦運(yùn)動(dòng)，會(huì)影響控制精度。（2）電磁式，此類(lèi)節(jié)氣門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間短、精度高，但是所需功耗較大。（3）直流伺服式，此類(lèi)節(jié)氣門(mén)偏柔性，具有精度高、效率高、能耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。

1 汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前較為主流的汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)為直流伺服電機(jī)式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。駕駛員作為動(dòng)力輸入端，其踩踏力度的大小將直接決定開(kāi)合節(jié)氣門(mén)開(kāi)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(cè)加速踏板的位置，并將其位置信息輸送至節(jié)氣門(mén)控制器。節(jié)氣門(mén)控制器經(jīng)過(guò)底層算法計(jì)算后，對(duì)節(jié)氣門(mén)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出信號(hào)。電機(jī)控制器接收信號(hào)后，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度及圈數(shù)，并帶動(dòng)節(jié)氣門(mén)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將直接決定節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合大小，而節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合大小又作為節(jié)氣門(mén)控制器的反饋值。

2 汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)零件分析

在上述電子節(jié)氣門(mén)的結(jié)構(gòu)中，腳踏板作為信號(hào)的輸入裝置，其結(jié)構(gòu)的精度、零件之間的間隙、復(fù)位裝置的靈敏度將直接決定加速踏板位移傳感器的檢測(cè)數(shù)值的精度及穩(wěn)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(wěn)定的位置變換；加速踏板位移傳感器的靈敏度、重復(fù)位移精度、穩(wěn)定性等對(duì)整個(gè)節(jié)氣門(mén)的控制有著決定性的作用，因此，此傳感器質(zhì)量的保證至關(guān)重要，原則上重復(fù)精度越高越有利；節(jié)氣門(mén)控制器作為整個(gè)電子節(jié)氣門(mén)的核心部件，其中的控制策略及底層算法將直接決定節(jié)氣門(mén)的控制方式與控制精度。目前較為常見(jiàn)的控制策略為模糊滑膜控制、魯棒控制等。電機(jī)控制器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為節(jié)氣門(mén)的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其重復(fù)精度、定位精度的高低對(duì)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合精度有著至關(guān)重要的影響；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一定要是高精度加工的機(jī)構(gòu)，并且要有較強(qiáng)的耐磨性，且要考慮到發(fā)生磨損時(shí)，如何對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償［2］；檢測(cè)節(jié)氣門(mén)位置的位置傳感器作為輸出的檢測(cè)部件，它將檢測(cè)的數(shù)值反饋給節(jié)氣門(mén)控制器，檢測(cè)數(shù)值越接近實(shí)際值，越有利于節(jié)氣門(mén)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(jié)氣門(mén)結(jié)構(gòu)

目前，市場(chǎng)上最為流行的電子節(jié)氣門(mén)是博世集團(tuán)研發(fā)的直流伺服電機(jī)式節(jié)氣門(mén)，其所用位移傳感器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)控制器、節(jié)氣門(mén)控制器等核心元器件均為博世集團(tuán)研發(fā)。如圖2所示的電子節(jié)氣門(mén)是較為經(jīng)典的一款EX-6系列電子節(jié)氣門(mén)，被用在國(guó)產(chǎn)奇瑞汽車(chē)上，其性能極其穩(wěn)定。

圖2 電子節(jié)氣門(mén)

3 電子節(jié)氣門(mén)控制策略

電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)存在諸多非線(xiàn)性因素的影響，例如：滑動(dòng)摩擦、黏性摩擦、傳動(dòng)間隙以及在汽車(chē)行駛過(guò)程中氣流沖擊、人為干預(yù)等。因此，若想精確地控制電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合大小，控制策略的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)難點(diǎn)。很多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了多種嘗試，對(duì)于較為復(fù)雜的電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)難以精確地構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型，PID控制是較為合適的控制方式［3］，并以經(jīng)典的PID控制為基礎(chǔ)，加上前饋控制、反饋控制及復(fù)合控制。此類(lèi)控制雖然在控制精度、響應(yīng)速度等方面，相比于PID控制有所提升，但是還不能滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)需求以及智能化需求。隨著自適應(yīng)控制的發(fā)展，很多學(xué)者將模糊控制與PID控制相結(jié)合，模糊控制與滑膜控制相結(jié)合，魯棒控制與模糊控制相結(jié)合等［4-5］，這些控制在響應(yīng)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(wěn)定性為代價(jià)，在測(cè)試與實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中得到驗(yàn)證［6］。

電子節(jié)氣門(mén)的控制性能好壞又將直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。隨著智能駕駛的不斷發(fā)展，電子節(jié)氣門(mén)的控制策略問(wèn)題愈加突出。首先，要保證穩(wěn)定性；其次，在精確度高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等要求的前提下，還要有推理、在線(xiàn)自學(xué)的能力。針對(duì)以上不同控制策略所遇見(jiàn)的問(wèn)題，本文提出以下幾點(diǎn)控制策略建議：（1）由于汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)較為復(fù)雜且受外界因素的干擾，無(wú)法建立較為精確的數(shù)學(xué)模型，因此可以考慮以經(jīng)典PID控制策略作為控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。（2）隨著大數(shù)據(jù)、計(jì)算力的發(fā)展，考慮加入具有自學(xué)能力的神經(jīng)元，雖然節(jié)氣門(mén)工況復(fù)雜、外界干擾較多，但是可通過(guò)對(duì)硬件（傳感器、處理器、電機(jī)控制器等）工作數(shù)據(jù)、不同駕駛員的操作數(shù)據(jù)、節(jié)氣門(mén)機(jī)械結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)的收集，使其具有自學(xué)的能力。（3）運(yùn)用模糊控制使其具有自學(xué)能力的神經(jīng)元PID算法中的各參數(shù)（比例效率、積分效率、微分效率、比例系數(shù)），且可在線(xiàn)完成自調(diào)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(jié)氣門(mén)控制的穩(wěn)定性、抗干擾能力、響應(yīng)速度，具體控制策略如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

圖3 模糊神經(jīng)元PID汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)控制策略

汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合精度決定汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是否為最佳動(dòng)力的輸出，目前柔性控制已逐步代替機(jī)械式控制方式。國(guó)內(nèi)外比較常見(jiàn)的電子節(jié)氣門(mén)汽車(chē)品牌，如奧迪、吉利、大眾、比亞迪等，其復(fù)雜的控制策略也是在保證穩(wěn)定性的前提下，盡量提升各方面的性能。隨著自動(dòng)駕駛與人工智能的高速發(fā)展，汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)有以下發(fā)展趨勢(shì)：（1）向微型化、集成化、智能化發(fā)展。（2）幾種控制策略并行，即可相互切換單獨(dú)控制，也可進(jìn)行多復(fù)合控制。（3）突出自學(xué)習(xí)能力，隨著計(jì)算力、算法、大數(shù)據(jù)的提升，更加人性化的控制策略呼之欲出。