張春凱

（長城汽車技術中心，河北保定 071000）

0 引言

行業(yè)中簡稱汽車電子節(jié)氣門為ETCS，節(jié)氣門作為發(fā)動機空氣供給的唯一通道，其性能的優(yōu)劣將直接決定汽車核心部件——發(fā)動機的優(yōu)劣［1］。電子節(jié)氣門的種類眾多，可分為：（1）電液混合式，此類節(jié)氣門結構緊湊、簡單、性能穩(wěn)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(jié)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(jié)氣門偏柔性，具有精度高、效率高、能耗低、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，應用較為廣泛。

1 汽車電子節(jié)氣門的系統(tǒng)結構

目前較為主流的汽車電子節(jié)氣門為直流伺服電機式，系統(tǒng)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(jié)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(jié)氣門控制器。節(jié)氣門控制器經(jīng)過底層算法計算后，對節(jié)氣門的驅(qū)動電機發(fā)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(shù)，并帶動節(jié)氣門的傳動機構運動。傳動機構將直接決定節(jié)氣門的開合大小，而節(jié)氣門的開合大小又作為節(jié)氣門控制器的反饋值。

2 汽車電子節(jié)氣門零件分析

在上述電子節(jié)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(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、重復位移精度、穩(wěn)定性等對整個節(jié)氣門的控制有著決定性的作用，因此，此傳感器質(zhì)量的保證至關重要，原則上重復精度越高越有利；節(jié)氣門控制器作為整個電子節(jié)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(jié)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(qū)動電機作為節(jié)氣門的動力執(zhí)行機構，其重復精度、定位精度的高低對節(jié)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(fā)生磨損時，如何對其進行補償［2］；檢測節(jié)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(shù)值反饋給節(jié)氣門控制器，檢測數(shù)值越接近實際值，越有利于節(jié)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(jié)氣門結構

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

圖2 電子節(jié)氣門

3 電子節(jié)氣門控制策略

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)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(jié)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(jié)氣門控制系統(tǒng)難以精確地構建其數(shù)學模型，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，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(fā)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(wěn)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(jié)氣門的控制性能好壞又將直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣。隨著智能駕駛的不斷發(fā)展，電子節(jié)氣門的控制策略問題愈加突出。首先，要保證穩(wěn)定性；其次，在精確度高、抗干擾能力強、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(jié)氣門系統(tǒng)較為復雜且受外界因素的干擾，無法建立較為精確的數(shù)學模型，因此可以考慮以經(jīng)典PID控制策略作為控制器設計的基礎。（2）隨著大數(shù)據(jù)、計算力的發(fā)展，考慮加入具有自學能力的神經(jīng)元，雖然節(jié)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(shù)據(jù)、不同駕駛員的操作數(shù)據(jù)、節(jié)氣門機械結構的數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)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(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)氣門控制的穩(wěn)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(jīng)元PID汽車電子節(jié)氣門控制策略

汽車電子節(jié)氣門的開合精度決定汽車發(fā)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(nèi)外比較常見的電子節(jié)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(wěn)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(fā)展，汽車電子節(jié)氣門有以下發(fā)展趨勢：（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(shù)據(jù)的提升，更加人性化的控制策略呼之欲出。