汽车电子油门控制技术毕业论文

08-23

摘要
我们知道,操纵节气门开度就能控制可燃混合气的流量,改变发动机的转速和功率,以适应汽车行驶的需要。传统发动机节气门操纵机构是通过拉索(软钢丝)或者拉杆,一端联接油门踏板(加速踏板),另一端联接节气门连动板而工作。但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确性,在日新月异的汽车电子技术发展形势下,一种电子油门(EGAS)应运而生。在目前的电子燃油喷射发动机上,电子油门除了发挥上述功能外,它还可以进一步改善发动机的节油和排放性能,因为它控制着发动机动力调节的大门。

关键词:电子油门 控制系统 故障诊断

一、电子油门控制系统的含义
传统油门电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU(电控单元)、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部,随时监测油门踏板的位置。

二、电子油门控制系统的工作原理
当监测到油门踏板高度位置有变化,会瞬间将此信息送往ECU,ECU对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理,计算出一个控制信号,通过线路送到伺服电动机继电器,伺服电动机驱动节气门执行机构,数据总线则是负责系统ECU与其它ECU之间的通讯。由于电子油门系统是通过ECU来调整节气门的,因此电子油门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性,其中最常见的就是ASR(牵引力控制系统)和速度控制系统(巡航控制)。电子油门当ASR系统传感到车轮的旋转速度,ECU就根据油门踏板的位置、车轮速度和方向盘转向角度等之间的不同而求出滑动率,通过减少节气门开度来调整混合气流量,以降低发动机功率来达到控制目的。而在ASR系统中,电子油门起到十分关键的作用,它涉及整个ASR系统中对车速控制、怠速控制等功能,使系统能迅速准确地执行指令。即当电子油门系统接受到ASR系统指令时,它对节气门控制指令只来自于ASR,这样就可以避免驾车者的误操作。

当驾车者使用速度控制系统时,车速传感器将车速信号输入ECU,再由ECU输出指令伺服电动机控制节气门开度。在这样的系统中,根据行驶阻力的变化由控制系统自动调节发动机节气门开度,使行驶车速保持稳定。因此电子油门系统也可以兼容巡航控制功能。在目前的电子燃油喷射发动机上,电子油门除了发进一步改善发动机的节油和排放性能,因为它控制着发动机动力调节的大门。因此,电子油门可以发挥的作用是很多的。挥上述功能外,它还可以进一步改善发动机的节油和排放性能,因为它控制着发动机动力调节的大门。因此,电子油门可以发挥的作用是很多的。

油门作为汽车上不可缺少的重要部件,直接影响着汽车的安全性能。自21世纪以来,大部分汽车都使用电子油门替换了常规的拉线油门。与老式的拉线油门相比,电子油门通过油门踏板深浅来控制电子信号发出指令,使得引擎提供与之匹配的动力,它最大的特点就是能通过ECU控制节气阀开度。当油门踏板位置发生改变时,电子油门输出的信号可以作为衡量电子油门自动控制精确度的依据,电子油门检测系统就是依据这些实时信号,采用各种方案来评测电子油门的质量和可靠性,实现其性能检测。

三、系统检测项目及类型
电子油门的主要功能是把驾驶员踩下油门踏板的角度转换成与其成正比的电压信号,同时把油门踏板的各种特殊位置制成接触开关,把怠速、高负荷、加减速等发动机工况变成电脉冲信号输送给电控发动机的控制器ECU,以达到供油、喷油与变速等的优化自动控制。本检测系统按电子油门类型,主要采用5种检测方案:具体包括双信号检测、双信号加开关量检测、单信号检测、单信号加开关量检测、带KD装置的电子油门检测。

(一)、系统检测项目
大多数的电子油门都需要检测其同步度、线性度、踏板力等信息,这些检测项目的具体定义如下:

(1) 同步度:油门在某一行程角度输出两条信号值的相等程度。

(2) 线性度:油门在某一行程角度信号的理论电压值与实际电压值的差。

(3) 空行程角度:是指当踏板开始发生角度变化时,信号持续不变的踏板行程角度。

(4) 踏板力:包括压力和弹力,是踏板从怠速到满行程,再从满行程到怠速整个过程的受力曲线。

(5) 油门信号曲线:包括怠速信号和满行程信号,油门踏板从怠速到满行程的电压输出信号曲线。

(6) 滞后性:在给定角度上,测量两个不同旋转方向上的输出压力,滞后性效应就是这两个输出压力间的差异。可接受的最大差距为Ua的士1%。

(7) 重复性:在同样条件下,10个完整的来回行程后,对于给定温度为(23±5)℃的传感器以及在同一方向上的任何一个点,所记录的电压差都不能超过 O.5%。

(8) 倾斜误差:计算公式如下:

式中:VGR是关于坡度的变量;△X表示弯曲点之间的距离,单位为mm;△Us1是满荷载Vs1和慢速Vs1之间的区别;Us1n和Us1n-1表示在位置n处和n-1处的电压;Xn和Xn-1表示在位置n处和n-1处的行程。

(二)、系统检测类型
带KD装置的电子油门是检测项目中设计最复杂的一款油门。在以角度为横坐标的油门检测图形中有KD装置的油门需要转化成行程显示,行程可以根据公式 L="2"*R*sin(Θ/2)算得。式中:L为行程;R为旋转半径;Θ为旋转角度。其中R为设定值,Θ为角度传感器检测值。另外,对怠速位置、力、行程及电压值范围的具体判定条件可参考图1和图2。图1是带KD装置的油门理想力曲线图。由图可见,KD款油门的起始点(横坐标2 mm处)即F1点,感知点(横坐标50 mm处)即F2点,最大力点即F3点。

例如设定的50~56 mm行程内存在KD力最大值点,判断该点力的值是否符合设定要求,判断该点距离设定的50 mm的距离是否小于设定值(图2中为2 mm);从KD力最大值点对应行程加上0.7 mm后行程位置对应的输出电信号是否为4.1 V(设定值);从输出电信号4.1 V位置到机械限位位置(即最大行程位置56 mm点)行程是否大于3.3 mm等。

单信号检测功能主要是检测主信号电压SIG1的同步度,线性度等是否在设定范围之内。单信号加开关量检测是在单信号检测的基础上增加了开关量的检测。

双信号检测主要是检测两路电压信号SIG1和SIG2的同步度和线性度是否在设定的范围之内,保证实测信号曲线在理想信号曲线之间。另外,对空行程的怠速电压等也有具体的检测规定,这里依据油门类型的不同,分别进行其标准的设定。双信号加开关量检测主要是在上述双信号检测基础上增加了一个开关量检测,在设定电压范围内检测开关电压的高低变化,进而判断其正确性。

四、电子油门为什么加速不起原因分析
(一)、电子油门与拉线油门原理
由于出于环保、经济、可靠性等各种原因,现在较新的车型普遍采用电子油门,所谓电子油门是针对以前的拉线油门而言的,传统的拉线油门用细钢绳直接将油门踏板与节气们相连,油门踏板的踩下深浅直接与节气们的开合大小对应, 电子油门没有拉线,通过在踏板内装一个电位器(可变电阻),油门踩下的深浅即转化为电阻的阻值,汽车的电子系统通过采样该电阻值间接确定了油门踏板的深浅,最后,由ECU驱动步进电机控制节气门的开度,

通过原理比较不难发现,拉线油门的特点是系统简单,控制直接,油门踏板与节气们开度是1:1的;而电子油门的特点是油门踏板只表征驾驶者的操作意向,而最终的节气门控制权交给了ECU。

(二)、电子油门车型中ECU控制节气门的特点
在电子油门的车型中,ECU控制节气门时会将油门踩下的深浅与车况综合起来进行分析,最终计算出当前合适的节气门开度。当驾驶者起步时猛然加速(将踏板踩到底),ECU根据当前的车速、节气门大小等进行分析,从燃油经济性和排放合理的角度考虑,会适当限制节气门的打开幅度,同时控制喷油系统限制喷油嘴进行最大化的喷油。这样做使驾驶者感觉油门踩下后明显有一个延时车才开始发力,这就是所谓的油门迟滞。所以,油门迟滞其实就是ECU通过限制发动机瞬时功率输出形成的,当然这样做也带来了好处-节省燃油、保护环境。

然而电子油门也并不就是用来限制发动机功率输出的,当汽车跑起来以后,假如你快速踩下/松开油门踏板1/3深度,你可以感觉到汽车明显的加油/收油,其效果几乎相当于完全踩下/松开油门的情况,这是怎么回事呢?这正是ECU根据当前车况协助驾驶者快速提速/减速案例。所以,电子油门车型在行驶中ECU会根据车况帮助驾驶者达到期望的加/减速操作,使驾驶者操作油门踏板更轻松。

有的车主自行加装了电子油门加速器,能明显改善加速不良

(三)、电子油门加速器原理
简单说,电子油门加速器就是为了缓解油门迟滞而诞生的。根据电子油门的特性,电子油门加速器将具有如下优特点:

1、优点
(1)放大油门信号,提升静态响应

电子油门加速器所谓的“加速”主要是通过提高油门响应灵敏度实现的,sprint booster公司的BDD602会将输入的油门信号放大50%。这也就是说,在任何时候踏板最后面33%的油门信号已经没用了,在驾驶者踩下踏板66%的时候加速器输出已经是全油门了,这样就使得油门响应的敏感度提高了50%。但是,电子油门加速器并不像很多人说的那样减少了油门信号的分级,实际上油门信号仍然是无级调整的,只是由以前的1:1调整为1:1.X,X即为信号的放大系数。

(2)放大油门信号增速,提升动态响应

在油门踏板被踩下时,加速器会根据踩下幅度、时间计算油门信号的变化率,变化越快,说明加速要求越强烈,油门加速器会将此变化率加大,最终实现的效果是提速动态相应更好。

(3)提供虚假驾驶风格供ECU调整发动机参数

现代发动机的ECU普遍具有驾驶风格自适应能力,如果驾驶者经常快速深踩油门(俗称拉转速),ECU会逐渐认为驾驶者的风格趋向“激烈”,这样发动机会慢慢调整节气门、喷油系统等以得到这种风格下发动机的最佳调整参数。使用电子油门加速器后,即使按照以前“温和”的驾驶风格进行驾驶,发动机依然会得到“激烈”的驾驶体会,这相当于欺骗了ECU,久而久之,发动机会自动修改其各项参数以适应该风格。

2、缺点
(1)手动车型油离配合难度增加

手动档车型加入油门加速器后,油门踏板响应过于敏感,起步需要更精确的油离配合才能达到以前的效果。这点与离合器的深浅对是否顺利起步的影响非常类似,深的离合器容易控制,但操作行程大;浅的离合器操作行程短,但控制难度大,油门踏板对起步的影响也是如此。

(2)增加油耗

由于油门加速器提升了油门响应,相当于将驾驶风格更加趋于“激烈”的风格,这样无疑会增加油耗,不过油耗增加并不是很高,我们实测的油耗增加在5%-10%之间,这对于钟情于驾驶乐趣的人来说还是能够接受的。

(3)过于“傻瓜化”

目前市面上卖的油门加速器一旦安装,无论当前的路况、驾驶者意愿,都会忠实地执行“加速”的职责,这在很多时候会给驾驶者带来麻烦。首先,对于自动档车型,快速提升油门信号往往会造成自动降档,在车辆高速行驶时,频繁的降档会导致发动机转速过高,一方面增加油耗,另一方面也增加无谓的磨损。另外,很多时候驾驶者并不一定乐意激烈的操作汽车,比如晚间行车导致视线不良、雨雪天气导致路面湿滑时,过猛的加速增加了行车的危险。然而现在的加速器是无法随意关闭的(除非你将它拆下来),这就造成了使用者很大的不便。

五、汽车电子油门系统通信协议
此系统采用串口通信协议,波特率默认设置为9 600 b/s,此项可调节。设定字符格式为1个起始位,8个数据位和2个停止位,中间8位即为有效数据。

上位机发出指令格式:0xAA+指令+校验码(和为0校验)。指令内容为单次测试指令:0x91;循环测试指令:0x92;测试结束:0x94。

每个单次测试下位机发出数据格式为:6个0xBB字节作为数据的开始标志,中间为采集的实时数据(数据分组发送,一个循环一组数据,每组数据以角度递增 O.5度为一个值),最后为6个0xCC字节作为数据的结束标志。数据内容为10位A/D采集的原始值,基准电压5 V。中间具体采集的实时数据格式为数据类型(6个二进制位)+数据内容(10个二进制位)。系统软件的实现 主要功能模块的软件实现电子油门检测系统由上位机软件和下位机软硬件两部分组成。

下位机软件用C语言编写,具体的硬件设计电路和软件编程部分这里不再详细说明。上位机软件由三个主要功能模块构成,它们是油门通信模块、参数设置模块、信息管理模块,总体设计流程如图5所示。首先进行系统初始化,包括串口通信初始化、产品参数设置初始化(读取后台数据库中的第一条记录作为默认设置数据),等待上位机发送检测命令,下位机依据协议验证后传送实时信号检测数据,同时显示实时信号曲线,然后依据设置条件判断该产品合格否,并将结果进行存储等后期处理。在通信模块中,直接采用微软通信控件MSComm。考虑到串口收发数据的速度,这里的程序在处理实时数据时采用先接收、后处理的方法,防止串口通信实时数据的丢失。

本检测系统采用VC++作为上位机开发工具,采用图形化界面来完成和直观体现其检测过程和检测结果,同时,后台使用ACCESS管理并存储测试的大量数据,方便操作人员查看测试情况和演示在线测试过程,并且能随时更新数据库,从而可以测试多种类型的油门。

在菜单的命令选择区域内,当点击产品信息参数,则出现产品设置界面,对油门标准参数进行设置,配置后的当前信息会出现在显示设置信息界面中;当点击历史纪录,则出现以往设置并检验过的产品件号,任意点击其中一个,则显示设置信息界面会显示出该产品的各项参数;当点击打印保存,对当前产品的设置信息、检验结果及当前界面保存到Excel中。带KD装置的油门检测主界面如图7所示,中间显示区左侧为信号显示区,右侧为油门压力和弹力显示区;界面下面为检测结果显示区,点击“显示设置信息”按钮可查看当前产品的设置信息,点击“同步度曲线图”可查看该款油门同步度曲线。

结束语
基于VC++环境下PC机与单片机实时通信及数据处理的方法,设计了一个电子油门检测系统。充分利用VC++的强大数据分析能力,极大地提高了开发效率。按电子油门款式和类型的不同,主要采用5种检测方案检测油门电压信号的同步度、线性度、迟滞度怠速时的空行程角度等,最后通过实时数据的获取,得到了电子油门实时信号变化曲线图,直观反映了油门内部的电信号特征,保证了安全可靠的检测目的,具有一定实用性。目前,该电子油门检测系统已经投入使用。实践表明,该测试系统设计可靠,测试效果良好。

参考文献
[1] Jain A K, Duin R, Mao J. Statistical Pattern Recognition: A Review [J]. IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000,22( 1): 4-38.

[2] 江宗法,等。汽车电子油门的工作原理与维修技术要点。内蒙古公路与运输。

[3] 胡光辉。汽车电子油门的安全性初探。湖南交通科技。

[4] 黄宁军,等。汽车电子油门的新发展。汽车科技,

[5] 2001,3Casella G. and Berger R.L., Statistical Inference (M), 第二版,北京:机械工业出版社,

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来源:智能汽车网
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