电子节气门传感器标定与实验分析

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摘要:针对电子节气门传感器的输入输出特性及性能要求，对节气门位置传感器信号处理和权重系数选取，并进行标定。通过节气门空气流量实验和节气门响应整车实验，验证标定后电子节气门的性能是否满足要求，从而确定传感器标定的精度和可靠性。实验结果表明:标定后的传感器使电子节气门的最快响应时间为69．48ms，最大空气流量约为114g/s，最小空气流量约为0．86g/s，均满足特性要求。

关键词:电子节气门;位置传感器;标定方法;实验分析

电子节气门作为现代发动机管理系统中进气系统的一个主要部件之一，它直接控制发动机的进气量，进而控制发动机的转速和输出功率［1］。电子节气门在原有传统机械拉线式节气门的组成部件基础上，增加了驱动电机、齿轮驱动机构及机械传动元件和功能性与可靠性更强的节气门位置传感器(throttlepositionsensor，TPS)［2］。目前，电子TPS大多数采用非接触式，其输出的节气门位置信号也采用脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)占空比形式，具有较强的抗干扰能力［3］。为了使TPS更可靠地被系统应用，以及对节气门的精确控制，需要对其进行标定。本文对电子不停车收费(ETC)控制原理进行介绍，设计重要环节传感器的标定方法，并通过空气流量特性实验和节气门响应时间验证标定方法的准确性。

1ETC控制系统

1．1ETC控制原理与系统描述

电子节气门开度大小由电控单元(electroniccontrolunit，ECU)根据驾驶员脚踩踏板控制输入信号，车辆行驶工况和路况等因素，预先分析驾驶员的操作意图，再根据各种传感器的输入信号计算所需发动机的输出功率，从而对节气门的开度大小进行调整。同时TPS可以检测出节气门的实际开度，并将其反馈给ECU，ECU根据反馈信号对控制参数进一步优化，保证车辆一直处于最佳理想工作状态。ETC系统包括加速踏板和2只(或3只)踏板位置传感器、节气门阀体和节气门阀片位置传感器、直流电机、控制器、制动开关和指示灯等。如图1所示。ETC系统的控制算法是由一个闭环反馈控制器进行控制，由于比例—积分—微分(PID)算法简单，实用性强，所以一般选择PID控制器，通过PID环节对误差项进行调节，达到精确控制节气门开度的效果。

1．2TPS信号处理

TPS信号处理过程:1)采集2只TPS传感器原始信号(TPS1ＲAW，TPS2ＲAW);2)归一化，使两路TPS信号有相同的斜率(TPS1NＲM，TPS2NＲM);3)最小值和默认位置学习(TPS1MIN，TPS2MIN，TPS1ＲFN，TPS2ＲFN);4)归一化后的数字减去最小值，得到位移(TPS1DSP，TPS2DSP);5)TPS信号的量化和权重选取(TPSWGT)。TPS的归一值是电压读数，要转换成百分比形式的开度值，需要用比例因子进行处理;针对2只传感器的故障诊断结果，如果2只传感器的信号都好或都不好，取2个信号的加权平均值，如果一个信号好一个不好，取好的信号值;6)计算所显示的节气门位置(TPSIND)。建议当节气门阀片达到最大停止位时，量化后的TPS值TPSIND为110%。

2传感器的标定

2．1标定传感器

为了保证系统的安全性，电子节气门设计有双输出TPS［4］，输出信号在接地信号电压和系统参考电压之间变化，其中的一个TPS输出电压信号随着节气门开度的增加而增加;另一个TPS输出电压信号则随着节气门开度的增加而下降［5］。本文选用德尔福八代电子节气门为研究对象，TPS的测量(读数)范围:TPS1:最小机械位置为9%±0．8%，最大机械位置为89．46%±5．3%;TPS2:最小机械位置为91%±0．8%;最大机械位置为10．54%±5．3%;TPS的母端插件使用安普AMP6端子接插件［6］，端子引脚定义如图2所示。图2母端插件与端子引脚定义接口电路如图3所示。图3接口电路

2．2传感器标定过程

2．2．1两路TPS归一化与标定当TPS1输入信号斜率为正，即TPS1ＲAW随开度增大而增大，则TPS1NＲM=TPS1ＲAW;当TPS1输入信号斜率为负，即TPS1ＲAW随开度增大而减小，则TPS1NＲM=100－TPS1ＲAW。当TPS2输入信号斜率为正，则TPS2NＲM=ETC_TPS2_Scaler*(TPS2ＲAW+ETC_TPS2_Offset);当TPS2输入信号斜率为负，则TPS2NＲM=ETC_TPS2_Scaler*(ETC_TPS2_Offset-TPS2ＲAW)。标定过程:1)初始状态下，当TPS2斜率为负，标定:ETC_TPS2_Scaler=1．0ETC_TPS2_Offset=100．0当TPS2斜率为正，标定:ETC_TPS2_Scaler=1．0ETC_TPS2_Offset=02)调整这两个标定，使得TPS1NＲM和TPS2NＲM满足以下三个条件:a．ABS(TPS1NＲM－TPS2NＲM)在踏板整个物理范围内非常小，典型值小于2%;b．TPS1NＲM和TPS2NＲM必须在传感器供电电压范围的5%～95%;c．拔掉节气门接插件后，TPS1NＲM和TPS2NＲM必须大于95%。2．2．2TPS权重的选择当TPS输出相关误差大于TPS相关最小误差时，即TPS1和TPS2采集的节气门位置不同，这时就很难确认哪路节气门位置是可靠的，该逻辑用进气流量来确认哪路TPS读取到的节气门位置更准确［7］。为了获知哪路TPS信号更准确，算法思路采用根据TPS信号、温度和压力计算出的进气流量(TPSxFLW)，与在当前进气歧管压力和转速下计算出的进气流量(AGPSIGLM)进行比较。逻辑描述:当TPS相关误差大于标定最小误差，则利用TPS1和TPS2采集的节气门开度，分别计算各TPS开度下的流经节气门的进气流量。计算TPSxFLW和AGPSIGLM误差率:TPS1的流量比=|TPS1FLW－AGPSIGLM|/AGPSIGLMTPS2的流量比=|TPS2FLW－AGPSIGLM|/AGPSIGLM当TPS2的流量比与TPS1的流量比之差大于节气门流量差值，并且TPS1的流量比小于节气门流量差值时，则TPS1权重=1;当TPS1的流量比与TPS2的流量比之差大于节气门流量差值，并且TPS2的流量比小于节气门流量差值时，则TPS1权重=0;当流量不能判断哪个TPS开度，则返回原来的权重，权重不做变动。2．2．3计算权重后的位移与标定TPS权重的突然变化会引起实际节气门位置和指示节气门位置误差加大，所以权重的变化会经过滤波函数过滤。该权重系数先经过滤波系数(ETC_TPS_WeightFilter)为0．05的过滤后，再计算TPS位移。标定过程:1)ETC_TPS_Scaler用力将节气门阀板全打开，ETC_TPS_Scaler的值要使ETPSIND达到110%2)ETC_TPS_Min根据ETC最低机械停止位，新件在工作温度范围内和疲劳件在工作温度范围内原角度的基础上，上下限值各放宽3．5°，确定ETC_TPS_Min3)ETC_TPS_MinLoOffset该标定代表低于ETC最小值或者ETC_TPS_MinLo的偏移值，这个标定目的是为了当ETC正在最小值学习时，减小正在使用的ETC最小值。4)ETC_TPS_WeightFilter为了防止权重快速变化时引起节气门波动，利用滤波系数(ETC_TPS_WeightFilter)为0．05的滤波函数对权重进行滤波。

3实验分析

3．1节气门空气流量实验

为了验证TPS标定的准确性和电子节气门系统特性，对节气门空气流量特性进行试验［8］，节气门空气流量实验平台如图4所示。实验台右侧是一个真空泵，用来降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度［9］。图4中4个罐状部件为4个气动阀开关，每个开关对应相应的刻度盘，4个刻度盘的量程和精度均不同。本文的实验选取量程最小、精度最高的刻度盘，实验台在运行时只有一个开关打开，其余三个均关闭。将节气门体放在实验工装上，通电后开启最小量程对应的气动阀，测试电子节气门空气流量特性，如图5所示。根据电子节气门流量性能参数要求，节气门全开时，最大空气流量需要在100～120g/s内;节气门关闭时最小空气流量应小于1．5g/s(均为标准大气压与温度条件下)。由图5中实验数据可知，本实验最大空气流量约为114g/s，最小空气流量约为0．86g/s，均满足要求。电子节气门系统为非线性系统，受跛行回家位置(系统默认位置)影响较大，因此要单独测试该位置时的空气流量，根据参数要求该位置时的空气流量数值为11．5±3．45g/s，本实验在该位置进行了5次实验，实验结果如表1所示。由表1中实验数据可知，标定后的跛行位置空气流量满足电子节气门系统性能要求。

3．2节气门响应整车实验

通过对节气门响应整车实验来进一步验证标定后的电子节气门系统的响应特性［10］，本文选择哈弗H6车型进行节气门的响应实验研究，将标定后的节气门体装于车上。通过上位机与汽车试验端口连接，改变节气门的加载电压从而控制节气门的不同开度，以此验证汽车行驶时不同工况下节气门的响应时间。本次实验分别模拟节气门小开度、半开度和全开度时的响应，即分别给定6，8，12V的电压，同时记录节气门阀片由开到关和由关到开的时间，选取3组实验数据，结果如表2所示。由实验结果可以看出，给定节气门的加载电压越高，节气门开度的响应时间就越快，在12V电压条件下，节气门响应时间小于100ms，能满足发动机对电子节气门系统响应的要求。另外两种条件也代表汽车在行驶时的不同工况，受电压影响节气门响应时间略有延长，但均满足要求，从而验证了标定后的TPS可靠性好，灵敏度高，能够达到要求。

4结论

本文以TPS为研究对象，为了使TPS能够准确反映节气门阀片开度情况，满足发动机在运行过程对电子节气门系统的要求，对TPS进行了介绍。通过TPS信号处理，TPS权重系数选取对TPS进行标定;最后用空气流量实验和节气门响应整车实验对标定后的节气门进行了验证，结果表明均满足要求。

作者：孙建民 张帅 崔子晗 姚德臣 单位：北京建筑大学 机电与车辆工程学院 城市轨道交通车辆服役性能保障北京重点实验室