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电子油门踏板工作原理及性能指标分析

日期: 2018-01-08
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电子油门踏板工作原理及性能指标分析

电子油门踏板霍尔选型:可编程线性霍尔传感器 HAL815HAL880

1-电子油门控制系统工作原理

随着汽车电子技术的迅猛发展,基于电传线控驾驶(drive-by-wire)理念的电子油门踏板取代传统拉线式油门踏板已成为必然趋势。传统的油门控制系统原理如图 1 所示,油门踏板通过拉杆与节气门形成刚性连接,直接操纵节气门的开度,从而控制进入发动机燃烧室的汽油量。传统的油门控制系统结构简单,但机械结构易磨损,且对供油的控制不够精准,节气门开度仅取决于油门踏板的位置,因而无法确保汽车发动机管理系统处于最佳工作状态。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

在电子油门控制系统中,电子油门踏板通过踏板位置传感器将油门需求信号转化为电压信号发送至 ECU,ECU 综合当前车速、车距、节气门开度、发动机转速等信息,计算出节气门的最佳开度。ECU 控制直流电机输出扭矩,不断调节电子节气门开度,节气门位置传感器将节气门位置信号反馈给 ECU 形成闭环控制,最终使电子节气门稳定至最佳开度。电子油门控制系统的原理如图 2。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

与传统油门相比,电子油门控制系统的油门控制方式更加精确可靠且无机械磨损。根据汽车的各种行驶信息,精确调节进入气缸的燃油空气混合气,改善发动机的燃烧状况,很大程度上提高了汽车的动力性和燃油经济性。另外,电子油门控制系统通过数据总线与其他 ECU 通信,协调牵引力控制和定速巡航等电控系统来提升驾驶的舒适性和安全性。
 2-电子油门踏板的工作原理
1电子油门踏板的机械结构根据机械结构和安装方式,电子油门踏板可分为地板式和悬挂式两种,地板式电子油门踏板的结构如图 3

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

地板式电子油门踏板主要由踏板位置传感器、踏板、复位机构、底座等组成。其中复位机构是由踏板轴、内扭簧、外扭簧、弹簧中套组成,内、外组合扭簧由弹簧中套隔开并联穿过踏板轴,踏板轴跟随踏板一起转动。踏板底座加工有若干安装孔,可将其固定于驾驶室地板上。工作原理:在加载过程中,内、外扭簧同时被压缩,踏板带动滚轮铆合体和踏板轴转动,滚轮铆合体的滚轮在二折板上滚动,当滚轮铆合体的限位支架部分与踏板完全接触时,电子油门踏板处于满载状态。在卸载过程中,内、外扭簧被释放,直到踏板完全复位。在踏板运动过程中,踏板位置传感器实时检测踏板轴的转动角度,其输出电压信号通过接插件接ECU

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悬挂式电子油门踏板的结构如图 4。悬挂式电子油门踏板的复位弹簧采用两个圆柱螺旋弹簧,当踏板受力时,摇臂带动踏板轴转动,内、外复位弹簧被压缩,踏板位置传感器实时检测踏板轴的转动角度。悬挂式电子油门踏板和地板式电子油门踏板的工作原理相同,二者的区别主要体现在结构上。地板式踏板的设计更符合人体工程学,长途驾驶时能有效降低疲劳程度,但由于体积较大且成本较高,地板式踏板主要应用于卡车、客车以及部分高端轿车,其他车型多使用悬挂式电子油门踏板。
(2)电子油门踏板的电气原理按照踏板位置传感器的类型,电子油门踏板可分为接触式和非接触式两类。接触式电子油门踏板采用电位计作为踏板位置传感器,由于存在易磨损、寿命短等缺点几乎被淘汰。目前应用最广泛的是基于霍尔效应的非接触式可编程电子油门踏板,该类油门踏板的踏板位置传感器具有可编程特性,方便踏板位置传感器的输出特性的设置和调节,并且具有寿命长、精度高等优点。本文选取基于霍尔效应的非接触式可编程电子油门踏板作为测试对象。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

根据踏板位置传感器中霍尔芯片的个数,电子油门踏板又可分为双路式和单路式两类。双路式油门踏板的位置传感器采用冗余设计思想,两个霍尔元件同时检测磁场转角变化,霍尔电压经信号处理电路放大、滤波、平移以及限幅等处理后形成两路踏板位置电压信号 PPS1 和 PPS2,如图 5。当踏板运动时,固定于踏板轴端的磁铁随之转动形成旋转磁场,霍尔元件周围的磁场方向发生变化。由霍尔效应可知,当电流与外加磁场方向垂直时,霍尔元件在垂直于电流和磁场的侧面产生霍尔电压。
电子油门踏板工作原理及性能指标分析

式中:UH 为霍尔电压;KH 为霍尔灵敏度;B 为磁感应强度;I 为工作电流;d为半导体基片的厚度;φ 为电流方向与磁力线夹角,与踏板机械转角成正比。由上式可知,当磁场均匀且电流稳定时,霍尔电压仅与踏板转角有关,选取合适转角范围即可得到理想的线性关系。ECU 通过比较两路踏板位置电压信号的相关性可判断踏板位置传感器工作是否正常,双路式电子油门踏板多用于舒适性要求较高的乘用车。单路式油门踏板的位置传感器采用单个霍尔元件检测磁场,图 6 为单路式电子油门踏板电路原理图。电压检测电路通过检测踏板位置信号 PPS1,控制怠速电子开关 K1 和非怠速电子开关 K2 的状态。ECU 根据怠速开关信号 S1 和非怠速开关信号 S2 的状态对发动机的工况进行管理

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

德国 Miconas 公司的可编程线性霍尔传感器 HAL815 和 HAL880 被广泛应用于电子油门踏板位置传感器的设计中。图 7 为霍尔传感器 HAL880 的原理结构图。霍尔元件产生的霍尔电压经过 A/D 转换、数字滤波、放大等处理后,再由 D/A 转换器转化为模拟电压信号输出。该霍尔芯片提供一个用于储存标定参数的可编程存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM),通过编程软件可对存储器内的灵敏度、静态输出电压等寄存器进行编程,从而设置 A/D 转换、数字处理(Digital Signal Processing,DSP)等单元的参数,用户可根据需要对传感器的输出特性进行定义和调整。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

3-电子油门踏板的主要性能指标

电子油门踏板的性能主要从机械特性和电气特性两个方面进行分析和评价:
     (1)机械特性性能评价指标分析

电子油门踏板的机械结构是将驾驶员加载到油门踏板上的踩踏力转化为踏板转角的机构,该机构可以简化为由弹簧、阻尼和限位装置构成的模型。当踏板匀速转动时,根据力矩平衡可得:

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

式中:T 为踏板的负载力矩,N·m;Ts 为弹簧扭矩,N·m;Tf 为摩擦力矩,N·m。弹簧扭矩计算公式为:

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式中: K s 为内、外扭簧并联时的等效刚度,N·m/°;θ 为油门踏板的行程角;θ 0为油门踏板处于初始状态时内、外扭簧的初始压缩量。踏板在运动过程中,摩擦力矩主要包括粘滞摩擦力矩以及运动方向发生变化时的库伦摩擦力矩:

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

式中:fd 为粘滞摩擦力矩,N·m;fc 为库伦摩擦力矩,N·m;d为粘性摩擦系

数,N·m·s/°; K f 为库伦摩擦系数,N·m。

在初始行程角内,踏板的受力会受到限位装置的影响。限位装置对踏板作用力与限位装置的形状有关,该作用力与踏板行程之间的关系近似为线性关系:

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

式中:FN 为限位装置对踏板的支持力,N;θr 为限位装置作用范围的最大行程,即初始行程角;θmax 为电子油门踏板的最大行程角。

由牛顿第三定律可知:

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式中:F 为踏板输出力,N;为负载力矩的加载半径,m。
        联立以上方程可得,在加载过程中的踏板输出力与踏板行程角的关系:

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在卸载过程中的踏板输出力与踏板行程角的关系:

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根据式(2-9)和(2-10),在匀速加载和卸载的情况下,踏板输出力与踏板行程的理想特性曲线如图 8 所示。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

表 1 为电子油门踏板机械特性的评价指标。初始踩踏力 1是油门踏板在加载过程中初始行程角θ r 处的踩踏力。刚度是指踏板力在θ r ~θ max 行程内踩踏力和回弹力的斜率,该参数可以反映内、外弹簧的选取以及安装是否合适。最小回弹力 3是指在卸载过程中θ r 处的回弹力。《汽车电子油门踏板总成技术条件》中规定,最小回弹力不小于 5N,力滞不小于 20%,其中力滞的计算公式为:

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式中: Z(θ )  为踏板的正程输出力; H(θ 为踏板的回程输出力。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

(2)电气特性性能评价指标分析
         根据前面对电子油门踏板电气原理的分析可知,可编程电子油门踏板的电压输出信号可通过编程软件进行定义和调整,典型的电压输出特性曲线如图 9和10。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

图 9(a)为不带空行程的双路式电子油门踏板的电压输出特性曲线,图中P1和 P2 为踏板位置信号 PPS1 在怠速位置(行程角为 0 的位置)和全行程位置的输出电压占供电电压的百分比,P3和 P4为踏板位置信号 PPS2 在怠速位置和全行程位置的输出电压占供电电压的百分比,一般踏板位置信号 PPS1应为 PPS2的 2 倍。图 9(b)为带空行程的双路式电子油门踏板的电压输出特性曲线,图中θc 为空行程角,一般与θr 取值相同,在空行程角内发动机处于怠速状态。表 2为双路式电子油门电压输出特性的评价指标。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

表 2 中,迟滞是指同一路踏板位置信号的正程和回程输出的最大差值。正回程同步度是指第 1 路踏板位置信号 PPS1 与第 2 路踏板位置信号 PPS2 正程输出的相关性,表示为:

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

式中:T 为同步度;α 为同步系数,取 0.5;Vdd1 为第 1 路踏板位置信号的供电电压,V;Vdd2 为第 2 路踏板位置信号的供电电压,V。

当踏板位置传感器工作异常时,两路踏板位置信号的相关性会降低,同步度增大,所以 ECU 能够依据该参数的值判断油门需求信号是否可靠。同步度可反映出两个霍尔芯片的安装位置是否对称,同步度越小说明电子油门踏板的生产工艺越高。

电子油门踏板工作原理及性能指标分析

图 10 为单路式电子油门踏板的电压输出特性曲线,图中 VK1为怠速开关点输出,踏板位置信号 PPS1 大于怠速开关点输出 VK1时,怠速开关信号 S1 从低电平跳变为高电平;VK2为非怠速开关点输出,踏板位置信号 PPS2 输出大于非怠速开关点输出 VK2时,非怠速开关信号 S2 从高电平跳变为低电平。开关信号是发动机管理系统控制发动机处于怠速或非怠速状态的判断依据。单路式油门踏板的电压输出特性评价指标如表 2.3。

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另外,工作电流也是评价电子油门踏板电气特性的重要指标,《汽车电子油门踏板总成技术条件》规定,电子油门踏板的工作电流不应大于 20mA。





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