原创 汽车电子油门

汽车行驶过程中前进控制的主要操控是油门，当司机踩的重些，车子会加速；松开则会慢慢减速，通过右角的控制可以使车辆的速度保持在需要的数值上，所以发动机的工作与电子油门的关系紧密，那么电子油门又是如何实现控制的？现在的电子油门又与传统的油门有什么不同呢？本文就来说一说。

说到油门的工作，就离不开说发动机的工作，车速的高低其实与发动机的转速有着最为直接的关系，而发动机转速的高低与燃料的提供有关系。如果烧过煤球炉的人都有这样的经验，当煤球炉的进气门全开时，煤球炉的火就可以烧的旺些，因为提供的空气多，可以进行氧化燃烧就充分与剧烈，如果空气少，则因为没有充足的氧气，所以燃烧就会受到限制，甚至发生不完全的燃烧，造成有害气体的排放，引起一氧化碳中毒的问题。发动机也是类似的，如果进气门开的大，可以燃烧的就充分些，如果进气门开的小，燃烧活动就小些，对应的转速就会小些。相比煤球炉来看，发动机还是高级一些的，因为煤球炉里的煤球放几个就是几个，当进气少的时候不会跟着也减少煤球数量，而发动机里用的是燃油，当进气少时，带进到发动机燃烧室的液雾燃料也会少些，所以不完全燃烧的情况相对煤球炉还是好点。传统的油门是不需要电子电路的，采用的是机械钢丝拉动发动机的节气门来实现不同角度大小的开启，这样就可以控制发动机工作的转速了。当没有踩下油门时，钢丝没有受力，节气门在本身的弹簧作用下保持关闭的状态。当踩下油门带动钢丝时，节气门被拉动一定的角度，节气门转动打开相应的角度，空气就可进入了。

那为什么又会有电子油门出来呢？原来纯机械的油门控制并不能使发动机工作于最佳的状态，对于燃烧充分性及发动机的工作寿命都不能很好地匹配。当突然打开很大时，燃料会变稀薄偏离最佳的燃烧比导致尾气排放变差；当突然关闭，也会使进入的气压突然减少，燃烧不充分，缸体也会受到冲击。另外油门踩下的角度与发动机响应的功率输出并不是线性关系，感觉起来不太好操控车辆的速度。随着日益严格的排放要求，越来越多的车辆开始采用电子油门了。

电子油门则由一套电子系统来完成节气门的开度控制，计算机不但会考虑司机踩下的油门踏板角度，还会计算当前发动机的状态，使用最合适的节气门开度来保证发动机处于最佳的工作状态。电子节气门的主要由转角传感器，执行电机，机械齿轮组及控制电路和外壳来构成。传感器可以获得当前节气门的开度传递给控制处理单元，而控制电路负责与外部的通讯电路及传感器进行信号交互，计算出电机要变化的角度。由于节气门的开闭关系到发动机的工作，相当于影响到车辆是否前进，因而在电路设计时要考虑即使出现失效，也不应出现车辆失控加速的情况，一般会采用机械复位到较小的节气门开度上，使车速降下来但也不会造成发动机熄火。电路上考虑功能安全时会采用双电路的冗余设计，如双传感器，双处理单元及执行器的冗余线圈等措施来保证功能可靠达到D级水平。对外的通讯则一般会采用CAN的形式来数据交换，如果发现电路故障也会向司机报告故障提醒进行维修。

尽管电子节气门的主要构成并不复杂，但为了获得良好的发动机进气控制，在控制算法方面是电子油门系统的主要核心技术。由于发动机工作的工况差异较大，在运行过程中随着时间推移，发动机的工作状态与温度、空气影响及执行电机和机械装置的老化，都将影响节气门翻板的打开情况，从而使控制效果偏离最佳状态，因而电子节气门的算法中要有自动纠偏与抗扰考虑，确保在车辆的使用寿命中正常工作。

例如批产后产品的参数波动，可能使默认开度有些差别；弹簧的参数波动使电机需要的扭力有所不同；灰尘的夹入也会使扭力逐渐变化；发动机在不同转速时对空气的进气需求不同，翻板上的力也会有所差异；外界电机的波动可能会影响到电机的功率输出；长期使用后的污物也会影响扭力的需要；这些都是正常工作中无法避免的情况，因而需要在设计时进行考虑并采取有效的控制对策。其中主要的对策便是闭环控制与自适应。闭环控制即是通过传感器来识别节气门当前的实际开度是多少，相当于通过机械-电转换的方式来获得信号。常用的有电位器或霍尔效应传感器来识别转动角度。从安全角度考虑会采用两种方式同时监测节气门角度。适应即是根据闭环控制的结果来由处理单元完成对参数的纠偏，所以电子油门的系统可以通过车上的操作指令完成初始化过程，通过操作点火开关、空调、刹车及换档操作来通知整车的控制器启动电子油门系统的初始化参数配置，在车辆相关部件维修时往往会在4S店的技术人员操作下完成。

从图中可以看出节气门的开度最大为90度，而对应于车上发动机工作的转速将达到6000转以上，因而要控制节气门的转动分辨角度是很小的，1度就差不多要对应66转的变化，一般要控制到0.1度的分辨使发动机转速的控制更为稳定。想想看要识别0.1度的变化在设计上要如何实现，由于电路系统中会有噪声的存在，而噪声又往往不受控制，所以通过两个传感器进行对向设计的方法可以实现噪声的减弱处理，从而达到较好的角度识别效果。当节气门翻板从一个角度向另一个角度变化时，中间自然会有由静态向动态再到静态变化的过程， 这个过程是由电动机来驱动的，因而电动机要输出合适的力完成加速到匀速到减速的过程，驱动的信号由算法进行控制，因而控制算法上就有很多技术点。另外考虑到控制算法要适应机械结构的老化影响，因而算法中会学习当前的结构装置参数，使输出的力矩正合适，节气门的打开稳定。

电子油门的人机操作部分是踏板，不用钢丝后会使用传感器来完成踩下角度的控制。较为常见的有电位器的与磁传感器的。电位器使用的是覆碳的这种方式，同时使用多刷爪及双路的设计来保证油门信号的可靠，当其中的某一路故障时不会使汽车马上失控，处理器通过诊断可以识别并报告这个问题提醒司机进行检查维修。电位器依靠机械接触实现电信号变化功能，机械接触自然会引起磨损从而影响到产品的寿命，特别是当阻值发生变化后，会引起功能上的偏差，而油门又是开车经常要操作的部件，因而开发出非接触的霍尔效应的传感器来识别司机的踩下角度。当磁铁的角度发生变化时，作用在霍尔传感器上的磁场大小发生变化，传感器上的输出电压也会发生变化。这些电信号量传给发动机控制模块，由发动机控制模块提供指令给电子节气门完成发动机转速的控制，整个过程中以电信号控制为主，所以通俗称为电子油门。电子油门的出现也支撑了自动辅助驾驶的实现，目前常用的定速巡航具有的可松开油门踏板正是由电子油门系统来支撑的，发动机控制模块只要接到司机的启动定速巡航功能后，就可以保持住节气门的打开而不需要油门踏板一直踩着，从而使司机的脚部可以休息。