简述
节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性及经济性，并减少排放污染，世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气门及其相应的电子控制系统，组成电子节气门控制系统（ETCS）。采用电子节气门控制系统，使节气门开度得到精确控制，不但可以提高燃油经济性，减少排放，同时，系统响应迅速，可获得满意的操控性能；另一方面，可实现怠速控制、巡航控制和车辆稳定控制等的集成，简化了控制系统结构。
电子节气门的系统组成和功能
1带加速踏板位置传感器的加速踏板模块—用来确定踏板位置并将踏板位置信号传递给控制单元
2发动机控制单元（ECU) —接收踏板位置传感器信号，根据输入电压信号计算得知所需动力。并根据其他如急加速，空调，自动变速器起步的扭矩信号，计算出实际的节气门开度。同时还监控节气门系统
3节气门控制单元—控制所需进气量，根据控制系统提供信号调节节气门开度，反馈节气门信号。
4节气门 故障灯（大众车型在仪表上为EPC灯）—提供节气门故障信息给驾驶员
5传感器和执行器传感器：带油门踏板传感器G79,G185的加速踏板模块，带节气门开度传感器的G187,G188 ,节气门控制器J338,
离合器踏板开关F36,制动踏板开关F47,制动灯开关F
6执行器：带节气门驱动装置的G186和G338，节气门故障灯K132c(划片变组器，等同与油浮子）控制系统根据两个信号来确定踏板位置。2个信号值正好相反，形成对比。 2 当一个传感器坏。系统监测到还有一个节气门信号时，能进入怠速运行，但节气门全开要很慢。系统还通过制动灯开关和制动踏板开关信号来判别怠速状态，关闭巡航，点亮EPC,在故障存储器存储故障码。。 3 节气门角度传感器G187,.G188(滑动变阻器式）向系统反馈节气门位置信号。装两个传感器是为了精确和备用。当一个传感器坏。系统使用另一个 传感器信号，对加速踏板响应不变，巡航关闭。EPC灯亮 存储故障码。当2 个信号中断，发动机在1500转左右运行，踩油门踏板无反应。EPC灯亮，有故障存储。 4离合器踏板开关F36:开关信号，反馈离合器踏板位置，踏板踩下，负载变化功能关闭。系统不对其进行监控，故无故障码存储，也无替代值。 5制动踏板开关 5制动踏板开关F47和制动灯开关F（开关信号） 反馈制动踏板信号位置信号，控制单元收到踏板信号后，关闭巡航。如加速踏板传感器坏，代为替代怠速信号。 6 节气门驱动装置 J186：定位电机。接受系统命令，控制节气门开度。出现故障后，进入紧急运行模式，由弹簧将节气门打开到一定角度，系统运行高与怠速，踩油门没反应。EPC灯亮，存储故障码。 7故障灯 EPC故障灯K132 ：提示信号。系统正常时打开点火开关3秒自检后熄灭，有故障则常亮。
基本结构
电子节气门系统的基本结构有以下几个部分组成： 1、 发动机 2、 转速传感器 3、 节气门位置传感器 4、 节气门执行器 5、 节气门 6、 加速踏板位置传感器 7、 车速传感器 8、 变速器 9、 加速踏板 10、 节气门电子控制单元（ECU） 其中转速传感器也可以用曲轴位置传感器或者凸轮轴位置传感器来代替；节气门执行器是一个步进电机，由它来推动节气门以控制节气门的开度；加速踏板位置传感器的构造及工作原理和节气门位置传感器的构造及工作原理是一样的；节气门电子控制单元一般是和发动机电子控制单元做在一起的。 电子节气门控制系统的工作原理如上图所示。加速踏板位置传感器（６）将司机需要加速或减速的信息传递给节气门电子控制单元（10），ECU 根据得到的信息，计算出相应的最佳节气门位置，发出控制信号给节气门执行器（4），由节气门执行器将节气门开到计算出的最佳节气门的开度位置。ECU 通过与其它电子控制单元（如发动机电子控制单元，自动变速器电子控制单元等）进行通讯，ECU 根据得到的节气门位置传感器（3）信息、发动机转速传感器（2）信号、车速传感器（7）的信息对节气门的最佳位置进行不断的修正，使节气门的开度达到司机所需要的理想位置。
工作原理
驾驶员操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。
节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。电平的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，即发出一个脉冲信号，步进电机就转动一个步进角，脉冲频率控制电机转速，转速与脉冲频率成正比。因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。
控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。
ECU对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。节气门在回位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点。
控制策略
(1) 基于发动机扭矩需求的节气门控制
传统油门的节气门开度完全取决于驾驶员的操作意图。电子节气门系统的节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是控制单元根据当前行驶状况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作意图一致。
控制单元根据整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷信号求得。在发动机扭矩调节过程中，控制单元首先将实际扭矩与理论扭矩进行对比，如果两者有偏差，发动机电控系统将通过适当的调节作用使实际扭矩值和理论扭矩值一致。
(2) 传感器冗余设计
电子节气门系统采用2个踏板位置传感器和2个节气门位置传感器，传感器两两反接，实现阻值的反向变化，即两个传感器阻值变化量之和为零。对两个传感器施加相同的电压，两者输出的电压信号也相应反向变化，且其和始终等于供电电压。
从控制角度讲，使用一个传感器就可使系统正常运转，但冗余设计可使两个传感器相互检测，当一个传感器发生故障时能及时被识别，在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。
(3) 可选的工作模式
驾驶员可根据不同的行车需要通过模式开关选择不同的工作模式，通常有正常模式、动力模式和雪地模式三种，区别在于节气门对加速踏板的响应速度不同。在正常模式下，节气门对加速踏板的响应速度适合于大多数行驶工况。在动力模式下，节气门加快对加速踏板的响应速度，发动机能提供额外的动力。在附着较差的工况下（比如：雪地，雨天）驾驶员可选择雪地模式驾驶车辆，此时节气门对加速踏板的响应降低，发动机输出的功率比正常情况下小，使车轮不易打滑，保持车辆稳定行驶。
(4) 海拔高度补偿
在海拔较高的地区，大气压下降，空气稀薄，氧气含量下降，导致发动机输出动力下降。此时电子节气门系统可按照大气压强和海拔高度的函数关系对节气门开度进行补偿，保证发动机输出动力和加速踏板位置的关系保持稳定。
(5) 控制功能扩展及其原理
早期的电子节气门功能比较简单，在形式上采用一个机械式的主节气门串联一个电控的辅助节气门，往往只能实现某一单一的功能。现代电子节气门则独立成一个系统，可实现多种控制功能，既提高行驶可靠性，又使结构简化，成本降低。主要有如下控制功能：
a。 牵引力控制（ASR）
牵引力控制系统又称驱动防滑系统。它的作用是当汽车加速时将滑移率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。它的功能一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定。它通过减少节气门开度来降低发动机功率从而达到控制目的。原理如下：控制单元采集加速踏板的位置、车轮速度和方向盘转向角度等信号，通过计算求得滑移率，并产生相应的控制电压信号，通过数据总线把信号传送至控制单元，依据此信号，控制单元将减少节气门开度来调整混合气流量，以降低发动机功率。此时控制单元对节气门发出的控制信号将不受驾驶员驾驶意图的影响，这样就可以避免驾车者的误操作。
b。 巡航控制（CCS）
巡航控制系统又称为速度控制系统，它是一种减轻驾车者疲劳的装置。当驾驶员开启该系统时，车速将被固定下来，驾驶员不必长时间踩踏加速踏板。原理如下：车速传感器将车速信号输入控制单元，控制单元根据行驶阻力的变化输出信号自动调节节气门开度，当汽车阻力增大（上坡）和车速降低时，控制节气门开度增大，反之减小，使行驶车速保持稳定。
c。 怠速控制（ISC）
电子节气门系统取消了怠速调节阀，而是直接由控制单元调节节气门开度来实现车辆的怠速控制。
d。 减少换档冲击控制
根据当前车速、节气门开度以及发动机转速等信号，控制单元选择合适的传动比，实现自动换档。
电子节气门系统分类
(1)电液式节气门
电液式节气门，大多数应用在有液压系统的工程机械中。 它具有结构简单、成本低、驱动力大、功耗低等特点，其电液控制的转换主要通过高速开关数字阀实现，控制精度高，对液压油没有太高的要求。 但是由于液压系统存在供油压力波动，液压执行机构之间的摩擦力以及阀所具有的启闭特性等方面的影响，致使其位置响应不精确，速度响应慢。 因此，电液式节气门很少应用在汽车上。
(2)线性电磁铁式节气门
电磁铁式节气门用比例电磁铁作为控制器。 它用电磁力作为驱动力，其中控制信号为电流信号，具有结构简单、体积小、控制方便、响应速度快、稳态精度好，但它的最大作用力受到线圈匝数和最大工作电流的限制，而且在一定的工作负荷下所需的电功耗相对较大。 因此，线性电磁式节气门很少在汽车上应用。
(3)步进电机式节气门
步进电机式节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现油门的开度控制。 驱动步进电机通常采用桥式电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。 步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的优点，但它的控制精度不高。 因此，步进电机式节气门也较少在汽车上应用。
(4)直流伺服电机式节气门
直流伺服电机采用脉冲宽度调制(PWM) 技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。 控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小。 此外，电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。 由于以上的优点，直流伺服电机广泛应用于电子节气门的控制。
国内外的研究现状
电子节气门的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，近10年来，国外对电子节气门的研究取得了非常 迅速的发展。发展趋势可总结为：在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统，从单一的控制功能发展到集成多种控制功能，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。
国外多家公司已对电子节气门系统作了深入的研发，比如德国Bosch，Pierburg，美国Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。虽然国内某些轿车，如POLO，也配备了电子节气门系统，但目前对ETC还没有系统深入的研究，也没有成熟的产品。
目前，虽然国内部分高级轿车，如宝来、奥迪、帕萨特、POLO、红旗等已经配备了电子节气门控制系统，但都属于国外引进的技术，对其核心技术了解得很少。可喜的是，今年来，中国第一汽车集团公司开发了电子节气门控制系统，并把该项技术用于红旗HQ3高级轿车上。此外，国内部分高校对电子节气门控制系统开展了研究，并取得了阶段性成果。比如：吉林大学对汽车电子节气门控制器的开发，实现了控制器的动态响应满足设计指标；湖南大学进行了基于OSEK/VDX的电子节气门控制器的研究与开发，构建了基于POW-EROSEK嵌入式操作系统的电子节气门软硬件架构；北京理工大学进行了电子节气门模糊控制器快速控制原型设计。
发展趋势
(1) 向集成化和综合控制方向发展。
集成化和综合控制不仅是电子节气门控制系统的发展方向，也是将来汽车电子控制系统的发展方向。它有助于简化电子节气门控制系统，降低制造成本，增强各系统间的信息交流。 目前，ETC 已经向集成化和集中控制方向发展，如将怠速控制、巡航控制、减小换档冲击控制、节气门回位控制及车辆稳定性控制等多种功能集成;或者是将制动防抱死控制系统、牵引力控制系统及驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制。
(2) 结合多种控制方法进行综合控制。
采取多种控制策略相结合，可以提高ETC 的控制精度及反应速度。 目前的发展方向是从线性控制发展到非线性控制，从单一模式控制发展到多模式控制以及从传统的PID控制发展到采用PID 与现代控制理论相结合的控制。 由于传统PID 控制受到参数整定方法繁杂的困扰，参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 因此，多模态控制、神经网络控制及滑模变结构控制等方法被引入到电子节气门控制中。 滑模变结构控制有良好的鲁棒性和很强的非线性，该方法与系统的参数和扰动无关，也体现了今后电子节气门控制方式的发展方向。 神经网络控制方法与PID 控制相结合，可以提高电子节气门控制系统的自适应能力。 但这些理论自身还有待完善和进一步的发展，因此需要更深入的研究才能将这些综合控制策略成熟的应用到电子节气门控制系统中。
(3) 车载网络、总线技术在汽车电子节气门控制系统的应用。
随着ETC 等电控系统在汽车上越来越多的应用，各种传感器和电子控制单元急剧增多，造成了整车控制电路复杂、车辆上导线的数量增加。 此外，各个系统的信息资源要能够共享。 这些都对汽车的综合布线和信息共享提出了更高要求。 现在国际上普遍采用的
车载网络技术是CAN 总线控制器局域网，它能够满足汽车上电子系统数据传输安全可靠、数据共享及系统集成等需要，并且大大降低了布线的复杂度，提高了汽车电子系统的运行可靠性。 所以，CAN 总线技术在汽车电子节气门控制系统上的应用也将是一个重要趋势。
优点
(1) 电子节气门控制系统的最大优点是可以实现发动机全范围的最佳扭矩的输出。
(2) 精确控制节气门开度。 首先由ECU 对各种工况信息和传感器信号做出判断并处理，接着计算出最佳的节气门开度，再由驱动电机控制节气门达到相应的油门开启角度。
(3) 改善了发动机的排放性能。
ETC 系统在各种情况下对空燃比进行精确控制，使燃烧更加充分，同时也降低了废气的产生;在怠速状态下，节气门保持在一个极小开启角度来稳定燃烧，提高了燃油经济性，排放也得到进一步控制。
(4) 具有更高的车辆行驶可靠性。
电子节气门控制系统采用传感器冗余设计，从控制角度讲，使用一个传感器就可使系统正常运转，但冗余设计可使两个传感器相互检测，当一个传感器发生故障时能及时被识别，
在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。
(5) 可选择不同的工作模式。
驾驶员可根据不同的行车需要通过模式开关选择不同的工作模式，通常有正常模式、动力模式和雪地模式三种，区别在于节气门对加速踏板的响应速度不同。
(6) 可获得海拔高度补偿。
在海拔较高的地区，大气压下降，空气稀薄，氧气含量下降，导致发动机输出动力下降。 此时，电子节气门控制系统可按照大气压强和海拔高度的函数关系对节气门开度进行补偿，保证发动机输出动力和油门踏板位置的关系保持稳定。
缺点
(1) 汽车在起步时会产生油门迟滞。
汽车起步时需要提供浓混合气，而ECU 会根据当前的车速、节气门开度等进行分析，从燃油经济性和排放合理的角度考虑，会限制节气门的打开幅度，同时限制喷油系统进行浓混合气供油，其实就是ECU 通过限制发动机瞬时输出功率，这就限制了汽车起步时要求较浓混合气
的工况实现。 目前，大部分厂家通过电子油门加速器来缓解油门迟滞，但这种装置并不能提高发动机性能，改变动力输出及扭矩等，仅是一个信号的放大器，并且油耗也会随着加速器的加速而增加。
(2) 非线性影响
ETC 控制系统存在各种非线性影响，除了弹簧非线性、粘滑摩擦及齿隙非线性等影响外，同时受到进气流产生的非线性阻尼力以及进气气流的不稳定扰流阻矩的影响，导致常规PID 控制不能精确地设定反馈的增益，影响控制的精确性。
(3) 成本高。
ETC 系统采用了智能型传感器、快速响应的执行器、高性能控制单元及冗余设计，使成本大幅度上升，目前ETC 系统只装配在高档轿车上。
