电子油门信号模拟器研究

臧运刚

（哈尔滨东安汽车动力股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150060）

1 引言

由于近年来整车系统大量采用电子油门控制，发动机试验台架供应商的新系统都具备了电子油门踏板信号接口，但对于一些已有的旧的发动机试验台架，不具备电子油门信号接口，往往需要请台架供应商对整个系统升级，费用高昂，才能实现此功能，使得一些还在服役的旧台架不能满足电子油门控制的发动机试验需要，因此就需要一种成本低、性能稳定可靠的台架电子油门信号转换模拟器来对台架进行改造，实现此功能。

本模拟器适用于各种型号的发动机试验台架，如AVL公司PUMA1.1系统以及各种国产台架。本模拟器能对台架机械油门系统反馈的各种电压信号进行运算转换和调整，输出标准的电子油门踏板信号来驱动发动机，并具有良好的线性，优良的共模信号抑制、信号隔离，完善的信号纠错保护功能及良好的稳定性。

2 可行性分析

2.1 各测试系统油门信号反馈电压参数对比

涉及到AVL PUMA1.1、奕科EIM301、凯迈FST2.0三种测试系统，各系统油门反馈信号电压参数见表1。

3种系统油门反馈信号电压最终转换成两组标准电压u1和u2输出，其曲线关系如图1所示。

2.2 可行性分析及设计要点

1）从各系统油门反馈信号电压参数对比表中参数分析，3种系统油门反馈电压值和幅值均不相同且差异较大，而且与目标值差异也较大。

表1 各系统油门反馈信号电压参数

图1 电子油门的电子特性图

2）凯迈FST2.0与奕科EIM301系统电压幅值低于目标值，需要放大并与一个设定的初始值做减法运算才能达到目标值要求。

3）AVL PUMA1.1系统电压幅值高于目标值，需要衰减并与一个设定的初始值做加法运算才能达到目标值要求。

4）综合上述分析：采用运算放大器进行放大及加减法运算，根据不同系统调整电路元件的参数是可以达到目标值要求的。

3 基本运算电路的设计与试验验证及失效原因分析

3.1 基本运算电路及其电压传递函数

针对凯迈FST2.0系统设计基本运算电路及其电压传递函数如图2所示。

图2 基本运算电路图

图2 的基本设计理念是用可变电阻设定一个可调整的初始电压值，将其输入运算放大器反相输入端并与输入同相输入端的台架机械油门反馈电压信号进行减法运算，同时再加以一定倍数的放大，得到目标值u1=0.8～4.1 V，然后u1再经2个相同阻值电阻分压得到u2=0.5u1。

3.2 台架试验发现问题

以上电路经台架试验发现如下问题：在点火开关打开后操作台架油门，试验电路输出两路电压幅值及相互关系符合要求，发动机电子节气门体可按油门操作值来动作，但当发动机起动后，油门操作失效，发动机电子节气门体门板不动作。

3.3 试验电路失效原因分析

经对比发现，起动过程中电子油门踏板信号模拟器输出电压信号在起动瞬间出现大幅下降，最低至0 V，导致ECU判断为电子油门踏板电压过低，ECU处于保护状态，电子油门控制无效。经分析导致起动瞬间电压下降的原因是由于起动瞬间起动机电流很大，导致搭铁电位升高，由于本试验电路与发动机共搭铁连接，搭铁电位升高在电路输入端产生共模输入电压，经减法及放大运算后出现以上现象。

4 电路改进设计

4.1 为抑制共模信号干扰采取的措施

1）信号输入端采用具有高共模抑制比的差分放大电路，抑制起动过程中搭铁电位共模信号干扰，增加信号稳定性。

2）使用电压转换隔离电路及电源隔离电路，将输入信号搭铁与输出信号搭铁隔离，切断发动机、试验台架及电子油门模拟器三者之间的搭铁环路，进一步降低搭铁电位波动的影响，使电子油门模拟器输入、输出信号更纯净和稳定。

4.2 改进后电路设计 （图3）

1）如图3所示：发动机试验台架机械式油门控制系统输出信号经JP1输入，经IC1B、IC1C、IC1D三个运算放大器组成仪表放大器对输入电压、电流信号进行高共模抑制比的转换放大。

2）通过运算放大器IC1A进行信号的运算调整，将输入信号调整到标准的电子油门踏板输出电压范围。

3）继电器J1用于在台架油门关闭情况下出现错误电压时，将模拟器输出适时切换为适宜的怠速电压设定值从而避免ECU报错，该设定值由VR2进行调整。

4）稳压二极管D4用于对最高输出电压进行箝位，可以避免台架误操作导致油门开度过大时，电压超过极根值使ECU报错而影响发动机正常工作。

5）IC3为电压隔离模块，对输入信号与输出信号进行电气隔离，避免共搭铁干扰，输出电压非线性度在±0.01%以内，隔离电压达到1 500 Vrms。

6）IC4组成电压跟随器，用于缓冲输出电子油门的第2组驱动电压，幅值是第1组电压的1／2。

7）系统为实现电源隔离，使用了2组DC-DC电源隔离模块，电源输入使用台架系统的24 V电源，输出为±15 V，隔离电压达到1 500 Vrms。

8）改进后电路可以兼容AVL PUMA1.1、奕科EIM301、凯迈FST2.0三种测试系统，当接入电阻R15、R25、R26时电路适应AVL PUMA1.1系统，不接此3个电阻时电路适应奕科EIM301和凯迈FST2.0系统。

4.3 电路元件参数及电压传递函数

对于AVL台架，设计电压传递函数如下：

图3 改进后电路原理图

对于南峰和奕科台架，设计电压传递函数如下：

5 台架加装电子油门模拟器的改造工作

5.1 具体实施方式

1） 按台架输出信号幅值选择IC1A的电阻网络各电阻的阻值，电阻网络参数决定运放的增益，按设定的电阻值选择元件，制作相应电子油门信号模拟器。

2）连接好台架、电子油门信号模拟器及发动机。

3）打开电源开关，电源指示灯亮，初次使用需调整VR1、VR2，设定好怠速电压。

4）起动发动机，进行试验，电子油门信号模拟器会按照设定的油门开度，输出相应的油门踏板信号给发动机ECU，驱动发动机工作。

5.2 台架改造实施情况，以AVL PUMA1.1系统为例

1）将电子油门信号模拟器信号输入端接入PUMA1.1系统THA100油门执行器的油门开度实际值输出端。

2）将电子油门信号模拟器装入THA100机柜右上角前加以固定，电子油门信号输出以四芯屏蔽线引至发动机附近，接至7针航空插头，便于与发动机线束对接。

3）电子油门信号模拟器输出至7针航空插头各针脚定义，1脚：发动机+5 V输出1；2脚：发动机+5 V输出2；3脚：电子油门输出电压u1搭铁；4脚：电子油门输出电压u1+；5脚：电子油门输出电压u2搭铁；6脚：电子油门输出电压u2+；7脚：空。

6 电子油门信号模拟器输出特性曲线测试及台架考核

6.1 电子油门信号模拟器输出特性曲线

以AVL台架为例进行测试，输出特性曲线如图4所示。

图4 电子油门信号模拟器输出特性验证图

经测试并与理论曲线对比，模拟器输出两组电压曲线与理论曲线吻合较理想，各点电压与理论值的误差范围完全符合图1参数表中要求。电压与油门开度间输出特性满足使用要求。

6.2 台架考核

电子油门信号模拟器经2～8#台架连续运行7个月的可靠性考核，性能稳定，未出现故障，可靠性满足需要。

7 结束语

通过以上论述，通过自行设计研制的成本低、性能稳定可靠的台架电子油门信号转换模拟器，使各发动机试验台架实现电子油门控制的功能，经过实践证明是可行的，该装置具有良好的线性，优良的共模信号抑制、信号隔离，完善的信号纠错保护功能及良好的稳定性，实用性强、成本低，为旧台架的改造，满足电子油门驱动的发动机试验要求提供了技术保障，使原有台架具备电子油门发动机试验功能。