摘 要：为满足混合动力汽车要随时根据整车的运行模式调整发动机输出扭矩的需要，采用传统节气门阀，加装 BOSCH公司DV-E5型节气门控制直流电机和传动装置，开发了一种新型的高可靠并具有故障诊断功能的驱动电路。针对系统不同开度区间运行特性的差异，应用改进的变结构PID对系统进行控制，并提出基于发动机最佳工作点的复合式混合动力汽车发动机目标节气门确定方法。台架联合调试结果表明，所开发的电控节气门系统具有较好响应速度和控制稳定性。

关键词：电子节气门控制；混合动力；PWM;变结构PID

中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：1004373X(2008)1915703

Development of Electrically Controlled Throttle System for Hybrid Electric Vehicle

HUANG Wei,ZHOU Yunshan,GONG Shuai

(State Key Laboratory of Automobile Body Advanced Design and Manufacture,Hunan Universigy,Changsha,410082,China)

Abstract：In order to satisfy the demand of hybrid electric vehicle,which needs regulate the engine output torque according to the running mode.The traditional mechanical throttle is modified into an electrically controlled throttle with DV-E5 of BOSCH.A new reliable drive circuit with fault diagnosis is designed,at the same time,the improved variable structure PID algorithm applied in the ETC system and optimization objective throttle degree of combined hybrid electric is put forward.Experiment results show that the electrically controlled throttle developed has high response speed and good control stability.

Keywords：electric throttle controller;hybrid electric vehicle;PWM;alterable structure PID

1 引 言

在混合动力系统中，内燃机的工作负荷已不再由驾驶员加速踏板直接控制，而是由混合动力系统主控器根据转矩策略来实时调整。因此，传统电喷汽油机用于混合动力系统，必须采用电控节气门。目前，由于国内大多发动机控制单元并非自主开发，因此通过原车的发动机控制单元很难解决上述问题，同时国内对电控节气门研究起步较晚，一般采用步进电机驱动且存在控制电路复杂，控制精度不够，可靠性不高等缺点^［1-3］。DV-E5是BOSCH公司直流电机型电子节气门体，与步进电机系统相比具有响应速度快，随动性能好的特点，作者针对CFA6470HEV混合动力汽车开发实际，将其加装在原汽油机节气门阀一侧，电机没有输出扭矩的情况下，节气门片在弹簧的作用下处于常闭状态，利用原车ECU进行怠速控制；当直流电机的输出扭矩克服了一部分弹簧扭矩时，节气门片就旋转到一定的开度并能保持稳定，通过PWM 占空比的调节，改变电机两端的电压，就可以达到控制输出扭矩的目的，由于利用了原机械节气门机械限位和回位弹簧，只需要一路PWM信号实现对电机的单方向的控制，并可有效避免双PWM控制过程中可能出现的电源短路问题^［4］。 同时针对直流电机时滞、时变、非线性特性，采用改进的变结构PID对系统进行控制^［5-6］，并设计一种高可靠并具有故障诊断功能的硬件控制电路，该驱动电路集成在整车控制器中，几乎不占用整车控制器的软硬资源。

2 CAF6470HEV混合动力系统

本项目采用的混合动力汽车是一款四轮驱动SUV汽车，整车系统结构如图1所示，其中前轮由前电机驱动，发动机与后电动机通过双齿行星齿轮机构耦合后通过CVT变速后驱动后桥，在能量回收的过程中，前后电机可分别给电池组充电，发动机也可以通过行星齿轮与后电机耦合后对电池组充电，发动机的启动与发电则通过皮带轮由ISG电机实现，取消了原车的发电机与启动电机。整车的电池系统采用春兰公司提供的NiMH电池(标称电压为288 V，16 Ah)发动机最大转矩180 N·m(3 000 rpm),最大功率91.9 kW；后驱动电机13 kW，最大扭矩110 N·m;前驱动电机18 kW，最大扭矩150 N·m。

其中气节门、离合器控制由能源总控器根据车速、SoC、档位、油门开度等信息进行运行模式判别后进行直接控制。而CVT控制、前后电机控制、ISG电机控制等是动力总成控制系统对其他子系统的协调控制,实际的控制参数通过CAN通信向各子系统发送,同时也通过CAN通信接收任务获取各系统的信息,从而实现整个动力系统的分布式控制。

3 电控节气门系统结构

3.1 电控节气门结构

电控节气门总成一般由执行器，节气门片，节气门位置传感器三部分组成，它们一般被封装为一体。DV-E5的执行器由一个直流电机、齿轮减速器、回位弹簧等机械传动部件组成。系统内部结构及引脚如图2所示。

电控节气门总成共有6个引脚，分别是：1、4脚为电机负极和正极，2脚接地；5脚为传感器2的信号输出IP2；3脚接+5 V电源；

6脚为传感器1信号输出IP1。由于节气门位置传感器的两个电位计是反相安装的，当节气门位置发生变化时，两路信号电压均线性变化，但传感器2的信号IP2增加，同时传感器1的信号IP1减小，从而可保证信号可靠性。

3.2 控制电路设计

传统电子节气门控制系统一般纳入至发动机ECU，而目前国内发动机控制单元非自主开发，因此该控制单元集成于整车能源管理系统中，本系统中采用DSPTMS2812作为系统主控制芯片，传统控制方法中采用H桥电路来实现电机正反转，在该系统中采用限位方式，电机实现单方向转动，通过控制电机驱动力矩和回位弹簧的平衡达到控制节气门开度的目的，利用直流电机电感性特征，采用脉冲宽度调制(PWM)斩波方式调节直流电机驱动力矩，同时电机系统在某位置的高频震动信号可在一定程度上减少静摩擦。控制电路如图3 所示，其中PWMControl端为控制信号输入端，采用ISP511芯片做PWM驱动^［7］，采用BCP56三级管进行保护控制，控制信号从DSP输出，经过CPLD进行一个反逻辑操作，输入到三级管控制端，只有当PWMPERMIT信号为高电平时三极管才导通，电机才能输出扭矩，从而可有效避免调试过程中PWMCONTROL复位时导致节气门全开的不可靠误动作。当系统工作正常时会通过STAFEEDBACK返回一组与输入控制信号相关的PWM信号，而当系统返回为某一固定电平时，通过对反馈信号与输入信号的综合分析，可有效检测开路、过电流、温度过高等系统故障，从而进一步提高系统的可靠性。

4 电控节气门控制软件

电子节气门的开度控制是一个位置伺服跟踪控制问题，如何精确、及时地控制电子节气门的开度，是调节发动机工作点，实现整车能源管理及扭矩分配的关键。同时节气门在运动过程中会受到弹簧回位转矩、阻尼力矩及进气扰流等产生的不平衡力矩的影响，在不同的开度区间具有不同的运行特性。在实际应用过程中，PID控制因不需要知道被控制系统的模型，控制方法简单有效，在现有ECT控制中应用最为广泛^［8］，在本项目中，我们根据节气门在实际应用过程中的特点，采用变结构PID控制分别在三个区间［0~15%］，［15%~75%］，［75%~100%］分别进行调试，并寻找到三组最优控制变量KP［3］，KI［3］，KD［3］，并将其存入到系统FLASH中，在程序实际运行中根据目标开度的不同选择不同的控制参数，同时对PID误差进行抗饱和处理、微分项加入一阶线性环节等措施进行改进。混合动力目标节气门开度可根据发动机效率MAP图、电池SoC、整车运行工况等，确定最佳目标节气门开度。图4为节气门控制流程图，在该项目整车系统中由于有CVT调节发动机速比、电机调节发动机扭矩，在满足电池SoC、CVT速比、电机扭矩变化范围前提下，优先考虑发动机工作在全局的最佳燃油经济点或最佳排放点附近(根据控制目标)，只有在不满足以上条件情况下才进行节气门调整并选择局部最优目标节气门开度。从而可大大提高整车能源效率并可有效减少发动机频繁动态变化过程中的燃油消耗和排放增加。

5 实验结果

为验证电子节气门的控制效果，在长丰CFA6470HEV型混联式混合动力SUV进行试验。分别给电控节气门输入一个随踏板变化的阶跃信号和一个跟随踏板信号缓慢变化的随动信号,如图5、图6所示。结果表明：电控制节气门从0~53%的阶跃过程中响应时间小于100 ms,稳定时间小于300 ms,超调量小于1%。对随动信号的跟踪中,控制器基本可使节气门及时地跟住目标开度的变化，但变化较剧烈的点存在一定超调和滞后。

6 结 语

(1) 将节气门控制系统集成到混合动力整车控制系统中，采用直流电机力矩单PWM斩波控制方式，大大简化了驱动控制电路，并采用变结构PID控制，以极少的软硬件代价，实现了电控节气门的有效控制。

(2) 混合动力系统台架联合调试结果表明，所开发的电控节气门控制系统具有较高的响应速度和控制稳定性和安全性，并能进行自我故障的诊断。

(3) 电子节气门在混合动力汽车中的应用，可有效控制发动机功率输出，根据运行工况将发动机调节运行在最佳燃油经济点或最佳排放点附近(根据控制目标)，同时，可降低发动机动态变化过程中的能量消耗。

参考文献

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作者简介 黄 伟 男，1979年出生，博士研究生。主要从事混合动力整车控制器软硬件系统设计研究。