電子節(jié)氣門傳感器標定與實驗研究*

孫建民， 張 帥， 崔子晗， 姚德臣

(1.北京建筑大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，北京 100044；2.城市軌道交通車輛服役性能保障北京重點實驗室，北京 100044)

0 引 言

電子節(jié)氣門作為現(xiàn)代發(fā)動機管理系統(tǒng)中進氣系統(tǒng)的一個主要部件之一，它直接控制發(fā)動機的進氣量，進而控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和輸出功率[1]。電子節(jié)氣門在原有傳統(tǒng)機械拉線式節(jié)氣門的組成部件基礎(chǔ)上，增加了驅(qū)動電機、齒輪驅(qū)動機構(gòu)及機械傳動元件和功能性與可靠性更強的節(jié)氣門位置傳感器(throttle position sensor,TPS)[2]。目前，電子TPS大多數(shù)采用非接觸式，其輸出的節(jié)氣門位置信號也采用脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)占空比形式，具有較強的抗干擾能力[3]。為了使TPS更可靠地被系統(tǒng)應(yīng)用，以及對節(jié)氣門的精確控制，需要對其進行標定。本文對電子不停車收費(ETC)控制原理進行介紹，設(shè)計重要環(huán)節(jié)傳感器的標定方法，并通過空氣流量特性實驗和節(jié)氣門響應(yīng)時間驗證標定方法的準確性。

1 ETC控制系統(tǒng)

1.1 ETC控制原理與系統(tǒng)描述

電子節(jié)氣門開度大小由電控單元(electronic control unit,ECU)根據(jù)駕駛員腳踩踏板控制輸入信號，車輛行駛工況和路況等因素，預(yù)先分析駕駛員的操作意圖，再根據(jù)各種傳感器的輸入信號計算所需發(fā)動機的輸出功率，從而對節(jié)氣門的開度大小進行調(diào)整。同時TPS可以檢測出節(jié)氣門的實際開度，并將其反饋給ECU，ECU根據(jù)反饋信號對控制參數(shù)進一步優(yōu)化，保證車輛一直處于最佳理想工作狀態(tài)。

ETC系統(tǒng)包括加速踏板和2只(或3只)踏板位置傳感器、節(jié)氣門閥體和節(jié)氣門閥片位置傳感器、直流電機、控制器、制動開關(guān)和指示燈等。如圖1所示。

圖1 ETC控制系統(tǒng)原理

ETC系統(tǒng)的控制算法是由一個閉環(huán)反饋控制器進行控制，由于比例—積分—微分(PID)算法簡單，實用性強，所以一般選擇PID控制器，通過PID環(huán)節(jié)對誤差項進行調(diào)節(jié)，達到精確控制節(jié)氣門開度的效果。

1.2 TPS信號處理

TPS信號處理過程:1)采集2只TPS傳感器原始信號 (TPS1RAW，TPS2RAW)；2)歸一化，使兩路TPS信號有相同的斜率(TPS1NRM,TPS2NRM)；3)最小值和默認位置學(xué)習(xí)(TPS1MIN,TPS2MIN,TPS1RFN,TPS2RFN)；4)歸一化后的數(shù)字減去最小值，得到位移(TPS1DSP,TPS2DSP)；5)TPS信號的量化和權(quán)重選取(TPSWGT)。TPS的歸一值是電壓讀數(shù)，要轉(zhuǎn)換成百分比形式的開度值，需要用比例因子進行處理；針對2只傳感器的故障診斷結(jié)果，如果2只傳感器的信號都好或都不好,取2個信號的加權(quán)平均值，如果一個信號好一個不好，取好的信號值；6)計算所顯示的節(jié)氣門位置(TPSIND)。建議當節(jié)氣門閥片達到最大停止位時，量化后的TPS值TPSIND為110 %。

2 傳感器的標定

2.1 標定傳感器

為了保證系統(tǒng)的安全性，電子節(jié)氣門設(shè)計有雙輸出TPS[4]，輸出信號在接地信號電壓和系統(tǒng)參考電壓之間變化，其中的一個TPS輸出電壓信號隨著節(jié)氣門開度的增加而增加；另一個TPS輸出電壓信號則隨著節(jié)氣門開度的增加而下降[5]。

本文選用德爾福八代電子節(jié)氣門為研究對象，TPS的測量(讀數(shù))范圍：TPS1：最小機械位置為9 %±0.8 %，最大機械位置為89.46 %±5.3 %；TPS2：最小機械位置為91 %±0.8 %；最大機械位置為10.54 %±5.3 %；TPS的母端插件使用安普AMP6端子接插件[6]，端子引腳定義如圖2所示。

圖2 母端插件與端子引腳定義

接口電路如圖3所示。

圖3 接口電路

2.2 傳感器標定過程

2.2.1 兩路TPS歸一化與標定

當TPS1輸入信號斜率為正，即TPS1RAW隨開度增大而增大,則TPS1NRM=TPS1RAW；當TPS1輸入信號斜率為負，即TPS1RAW隨開度增大而減小，則TPS1NRM=100-TPS1RAW。

當TPS2輸入信號斜率為正，則TPS2NRM=ETC_TPS2_Scaler*(TPS2RAW+ETC_TPS2_Offset)；當TPS2輸入信號斜率為負，則TPS2NRM=ETC_TPS2_Scaler*(ETC_TPS2_Offset-TPS2RAW)。

標定過程：

1)初始狀態(tài)下，當TPS2斜率為負，標定：

ETC_TPS2_Scaler=1.0 ETC_TPS2_Offset=100.0

當TPS2斜率為正，標定：

ETC_TPS2_Scaler=1.0

ETC_TPS2_Offset=0

2)調(diào)整這兩個標定，使得TPS1NRM 和 TPS2NRM滿足以下三個條件：a.ABS(TPS1NRM-TPS2NRM)在踏板整個物理范圍內(nèi)非常小，典型值小于2 %;b.TPS1NRM和TPS2NRM必須在傳感器供電電壓范圍的5 %～95 %;c.拔掉節(jié)氣門接插件后，TPS1NRM和TPS2NRM必須大于95 %。

2.2.2 TPS權(quán)重的選擇

當TPS輸出相關(guān)誤差大于TPS相關(guān)最小誤差時，即TPS1和TPS2采集的節(jié)氣門位置不同，這時就很難確認哪路節(jié)氣門位置是可靠的，該邏輯用進氣流量來確認哪路TPS讀取到的節(jié)氣門位置更準確[7]。為了獲知哪路TPS信號更準確，算法思路采用根據(jù)TPS信號、溫度和壓力計算出的進氣流量(TPSxFLW)，與在當前進氣歧管壓力和轉(zhuǎn)速下計算出的進氣流量(AGPSIGLM)進行比較。

邏輯描述：當TPS相關(guān)誤差大于標定最小誤差，則利用TPS1和TPS2采集的節(jié)氣門開度，分別計算各TPS開度下的流經(jīng)節(jié)氣門的進氣流量。計算TPSxFLW和AGPSIGLM誤差率：

TPS1的流量比=|TPS1FLW-AGPSIGLM|/AGPSIGLM

TPS2的流量比=|TPS2FLW-AGPSIGLM|/AGPSIGLM

當TPS2的流量比與TPS1的流量比之差大于節(jié)氣門流量差值，并且TPS1的流量比小于節(jié)氣門流量差值時,則TPS1權(quán)重=1；

當TPS1的流量比與TPS2的流量比之差大于節(jié)氣門流量差值，并且TPS2的流量比小于節(jié)氣門流量差值時,則TPS1權(quán)重=0；

當流量不能判斷哪個TPS開度，則返回原來的權(quán)重，權(quán)重不做變動。

2.2.3 計算權(quán)重后的位移與標定

TPS權(quán)重的突然變化會引起實際節(jié)氣門位置和指示節(jié)氣門位置誤差加大，所以權(quán)重的變化會經(jīng)過濾波函數(shù)過濾。該權(quán)重系數(shù)先經(jīng)過濾波系數(shù)(ETC_TPS_WeightFilter)為0.05的過濾后，再計算TPS位移。

標定過程：

1)ETC_TPS_Scaler

用力將節(jié)氣門閥板全打開，ETC_TPS_Scaler的值要使ETPSIND達到110 %

2)ETC_TPS_Min

根據(jù)ETC最低機械停止位，新件在工作溫度范圍內(nèi)和疲勞件在工作溫度范圍內(nèi)原角度的基礎(chǔ)上，上下限值各放寬3.5°，確定ETC_TPS_Min

3)ETC_TPS_MinLoOffset

該標定代表低于ETC最小值或者ETC_TPS_MinLo的偏移值，這個標定目的是為了當ETC正在最小值學(xué)習(xí)時，減小正在使用的ETC最小值。

4)ETC_TPS_WeightFilter

為了防止權(quán)重快速變化時引起節(jié)氣門波動，利用濾波系數(shù)(ETC_TPS_WeightFilter)為0.05的濾波函數(shù)對權(quán)重進行濾波。

3 實驗分析

3.1 節(jié)氣門空氣流量實驗

為了驗證TPS標定的準確性和電子節(jié)氣門系統(tǒng)特性，對節(jié)氣門空氣流量特性進行試驗[8]，節(jié)氣門空氣流量實驗平臺如圖4所示。

圖4 空氣流量實驗臺

實驗臺右側(cè)是一個真空泵，用來降低真空室內(nèi)的氣體壓力，使之達到要求的真空度[9]。圖4中4個罐狀部件為4個氣動閥開關(guān)，每個開關(guān)對應(yīng)相應(yīng)的刻度盤，4個刻度盤的量程和精度均不同。本文的實驗選取量程最小、精度最高的刻度盤，實驗臺在運行時只有一個開關(guān)打開，其余三個均關(guān)閉。

將節(jié)氣門體放在實驗工裝上，通電后開啟最小量程對應(yīng)的氣動閥，測試電子節(jié)氣門空氣流量特性，如圖5所示。

圖5 空氣流量特性曲線

根據(jù)電子節(jié)氣門流量性能參數(shù)要求，節(jié)氣門全開時，最大空氣流量需要在100～120 g/s內(nèi)；節(jié)氣門關(guān)閉時最小空氣流量應(yīng)小于1.5 g/s(均為標準大氣壓與溫度條件下)。由圖5中實驗數(shù)據(jù)可知，本實驗最大空氣流量約為114 g/s，最小空氣流量約為0.86 g/s，均滿足要求。

電子節(jié)氣門系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，受跛行回家位置(系統(tǒng)默認位置)影響較大，因此要單獨測試該位置時的空氣流量，根據(jù)參數(shù)要求該位置時的空氣流量數(shù)值為11.5±3.45 g/s，本實驗在該位置進行了5次實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 跛行位置空氣流量

由表1中實驗數(shù)據(jù)可知，標定后的跛行位置空氣流量滿足電子節(jié)氣門系統(tǒng)性能要求。

3.2 節(jié)氣門響應(yīng)整車實驗

通過對節(jié)氣門響應(yīng)整車實驗來進一步驗證標定后的電子節(jié)氣門系統(tǒng)的響應(yīng)特性[10]，本文選擇哈弗H6車型進行節(jié)氣門的響應(yīng)實驗研究，將標定后的節(jié)氣門體裝于車上。

通過上位機與汽車試驗端口連接，改變節(jié)氣門的加載電壓從而控制節(jié)氣門的不同開度，以此驗證汽車行駛時不同工況下節(jié)氣門的響應(yīng)時間。本次實驗分別模擬節(jié)氣門小開度、半開度和全開度時的響應(yīng)，即分別給定6，8，12 V的電壓，同時記錄節(jié)氣門閥片由開到關(guān)和由關(guān)到開的時間，選取3組實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

由實驗結(jié)果可以看出，給定節(jié)氣門的加載電壓越高，節(jié)氣門開度的響應(yīng)時間就越快，在12 V電壓條件下，節(jié)氣門響應(yīng)時間小于100 ms,能滿足發(fā)動機對電子節(jié)氣門系統(tǒng)響應(yīng)的要求。另外兩種條件也代表汽車在行駛時的不同工況，受電壓影響節(jié)氣門響應(yīng)時間略有延長，但均滿足要求，從而驗證了標定后的TPS可靠性好，靈敏度高，能夠達到要求。

表2 節(jié)氣門響應(yīng)實驗結(jié)果 ms

4 結(jié) 論

本文以TPS為研究對象，為了使TPS能夠準確反映節(jié)氣門閥片開度情況，滿足發(fā)動機在運行過程對電子節(jié)氣門系統(tǒng)的要求，對TPS進行了介紹。通過TPS信號處理，TPS權(quán)重系數(shù)選取對TPS進行標定；最后用空氣流量實驗和節(jié)氣門響應(yīng)整車實驗對標定后的節(jié)氣門進行了驗證，結(jié)果表明均滿足要求。