汽車電子節氣門控制（Electronic Throttle Control，ETC）系統是伴隨汽車電子驅動理念而誕生的。ETC系統由位于發動機進氣歧管內的電子節氣門體（ETB）和專門的控制系統組成。

它通過傳感器、控制器、節氣門驅動裝置實現與發動機管理系統（EMS）的配合：根據駕駛員和發動機轉矩需求、汽車行駛狀態等相關信息快速且精確地控制節氣門開度，以此來精確調節進氣量，使發動機在最合適的狀態下工作；使車輛具有良好的怠速、加速及減速工況過渡性能，從而有效降低排放和燃油消耗，提高汽車的動力性、平穩性、安全性和舒適性；同時ETC系統也能按照車輛其他系統，如驅動防滑控制（ASR）系統、巡航控制（CCS）系統、車輛穩定性控制（VSC）系統等的要求，改變節氣門開度和發動機扭矩輸出。ETC系統已成為高檔轎車的標準配置。

1. 電子節氣門的結構組成及工作原理

1.1 節氣門的結構1.1.1 傳統節氣門

傳統節氣門的連接方式如圖1所示。傳統拉線式機械節氣門采用的是剛性連接方式，其結構包括加速踏板、杠桿、拉繩、節氣門閥體等。踏板通過拉索或連桿與節氣門擋板相連，駕駛員以踩下或釋放加速踏板的方式控制進入氣缸的空氣流量。這種剛性連接方式的優點在于結構簡單、可靠性較高、能快速反映駕駛員意圖，但節氣門開度由駕駛員主觀控制，即將控制發動機進氣量的任務完全交給了駕駛員，未考慮車輛工況、道路、天氣等條件。此時節氣門開度不一定是最佳開度，不能保證發動機的工作狀態與汽車的運行情況實現最佳匹配。隨著EMS的出現，以及對汽車經濟性、舒適性和排放指標的要求越來越苛刻，電子節氣門應運而生。

1.1.2 電子節氣門

電子節氣門作為機電一體化產品，主要由位置傳感器、控制系統和執行機構組成，如圖2所示。

其中執行機構由ETB、驅動電機、減速齒輪組和復位彈簧等組成。（1）電子節氣門閥體節氣門閥體由節氣門閥片和轉軸構成．節氣門閥片具有一定厚度，閥門完全關閉會導致閥片卡在進氣管，因此完全關閉角（節氣門閥片和空氣流進入閥體的垂直方向的夾角）并不是0°，而是2°。

將閥片設計成橢圓形（圖3a），其節氣門閥開度范圍是0°～88°。在靜態時，閥門并不是完全關閉的，而是通過復位彈簧使節氣門開度保持在9°左右（圖3b）。當節氣門開啟θ時，有效區域是節氣門閥在垂直于氣流方向上的投影區域（圖3c）。（2）驅動電機驅動電機采用具有較高響應速度、精度和頻率的12V直流伺服電機為節氣門閥片提供適當轉矩。為了降低功耗和平滑電流峰值，發動機電控單元（ECU）分別在2個脈寬調制（PWM）通道上輸出信號，控制雙向H橋電路對角線上的2組功率晶體管同時導通。具體為通過改變電流方向來控制驅動電機轉動方向，通過改變脈寬調制信號的占空比來調節驅動電流大小以控制電機的轉矩，再通過減速齒輪組向節氣門閥傳遞相應的扭矩。（3）減速齒輪組由圖2可以看出，節氣門閥體上的減速齒輪組連接著驅動電機和節氣門閥．齒輪裝置由主動齒輪（np）、中間齒輪（nm，ni）和從動齒輪（nu）組成，如圖4所示。

驅動電機通過2級齒輪的減速來增大扭矩，從而減小電機轉動過程中的運動沖擊。力矩的改善使得電機的尺寸減小，同時齒輪組使電機與節氣門軸平行放置，因此節氣門尺寸減小，結構更緊湊。（4）跛行復位彈簧電子節氣門體內有2個正反彈性系數不同的內置復位彈簧，它們在各自方向獨立起作用，并且都有一定的預緊力。如前所述，當驅動電機輸出扭矩為0即靜態時，復位彈簧使節氣門保持一個約9°的開度，這個位置被稱為故障安全位置的“跛行回家”（Limp-Home，L-H）位置，因而復位彈簧是電子節氣門引入的機械保護裝置。為了實現這一點，主彈簧用于關閉節氣門，而另一個位于閥門的柱塞總成上的彈簧，使節氣門閥以默認角度打開。當ETC系統或驅動電機出現故障時，復位彈簧可以使節氣門閥回到稍高于完全關閉的L—H位置，以保證發動機怠速工作的進氣量需求，汽車能“跛行”至最近的車輛維修站。

1.2 節氣門位置傳感器

節氣門位置傳感器（Throttle Position Sensor，TPS）是節氣門狀態的唯一檢測元件，通常有接觸型和非接觸型2種，用于將實時采集的節氣門開度轉換為電壓信號輸出，以便對閉環控制進行位置反饋。接觸型TPS采用輸出信號互補式變化的雙冗余式傳感器測量節氣門位置，2路傳感器信號雖電壓變化趨勢相反，但其和值應始終等于供電電源+5 V，這可作為硬件故障識別的依據。當某一路傳感器出現異常時，系統及時檢測并切換到另一路傳感器，從而提高系統的安全性和穩定性。目前，在許多車輛上使用的節氣門位置傳感器由帶有移動觸點的厚膜電阻電位器組成，提供與節氣門軸位置成正比的輸出信號。非接觸型TPS在傳感器技術中使用霍爾效應、磁阻或感應原理。基于這些原理，節氣門閥的旋轉運動被轉換成與傳感器的旋轉角成正比的線性輸出電壓。與接觸型TPS相比，非接觸型具有更高的可靠性和更長的使用壽命。

1.3 控制系統1.3.1電子加速踏板

當駕駛員踩下電子加速踏板，加速踏板角度的變化及其改變的速度，通過節氣門位置傳感器將信號轉換為電信號并傳遞給控制單元，控制單元由此獲得駕駛員的駕駛意圖．根據當前行駛狀態下發動機整體轉矩需求和其他參數，如發動機負荷、發動機轉速、冷卻液溫度等，以及ECU預設的控制策略，控制單元計算出所需進氣量，進而計算出節氣門最佳開度，控制驅動電機的輸出力矩，使電機克服復位彈簧扭矩，節氣門閥片軸旋轉，達到相應的開度。

1.3.2 ECUECU是ETC系統的核心，一般集成在EMS中。EMS由大量控制模塊（控制回路）和電子節氣門控制器組成，其主要任務是根據駕駛員驅動意圖控制發動機的輸出功率和扭矩，計算所需的進氣量和與之對應的噴油量、最佳點火時間。

1.3.3 ETC節氣門開度估計策略

節氣門開度估計模塊是ETC系統的重要組成部分。在ETC節氣門開度估計中，通常采用踏板跟隨器和基于扭矩這2種方法。彈簧扭矩是分段線性函數且彈簧剛度差異很大，因此彈簧扭矩取決于節氣門閥是否處于L-H位置附近。（1）踏板跟隨器策略踏板跟隨器策略通常用于早期的ETC系統，是一種非常簡單的節氣門開度估計方法．在該方法中，節氣門開度角與駕駛員給出的加速踏板位置成比例，但在發生發動機怠速或減速、節氣門突然關閉、自動變速器換擋和節氣門消除傳動間隙等情況時，加速踏板位置與節氣門開度不成比例。駕駛員對汽車動力性能的需求通過加速踏板位置傳感器轉換為節氣門閥的開啟輸入，此時節氣門僅作為踏板位置的輸入函數來控制。只考慮驅動因素，其他系統要求（如巡航控制、牽引控制、催化劑加熱等）不在節氣門的開度估計內，考慮這是踏板跟蹤器策略的主要缺點。（2）基于扭矩的開度估計策略基于扭矩的開度估計策略是將各種輸入，諸如驅動需求、發動機和車輛相關系統需求，轉換成發動機扭矩變量，作為發動機控制單元和車輛控制系統內的其他功能的輸入。該策略主要由2個查詢表組成：一個是驅動一扭矩一踏板，另一個是空氣流量。

如圖5a所示，駕駛者的扭矩需求被轉換為對應的加速器踏板位置和發動機轉速，然后，控制系統中的扭矩需求管理器通過考慮其他系統和驅動器的要求來計算總轉矩需求。如圖5b所示，對于相應的扭矩值和發動機轉速，空氣流量設定值由空氣流量圖計算。根據空氣流量的設定值，通過控制系統中的數學模型來計算節氣門開度角。這2種節氣門開度估計策略中，節氣門開度角（θreq）必須通過節氣門閥的精確定位來實現。因此，ETC中的位置控制系統模塊通過TPS的反饋來估計節氣門閥的實際位置以調節節氣門角度。然而，非線性使得節氣門的實際位置與所需的節氣門角輸入相比有出入。為了研究節氣門位置的非線性效應，通過考慮電子節氣門體內存在的各種影響，提出綜合數學模型。