基于單片機的電子節(jié)氣門控制器的設(shè)計

中原工學院 王英杰

河南職業(yè)技術(shù)學院 張朝杰

基于單片機的電子節(jié)氣門控制器的設(shè)計

中原工學院 王英杰

河南職業(yè)技術(shù)學院 張朝杰

本文分析了電子節(jié)氣門的基本原理，提出了采用以MC9S12XSl28單片機為核心控制芯片，通過采集加速踏板位置信號和節(jié)氣門位置信號，經(jīng)過單片機算法處理，利用PWM控制節(jié)氣門驅(qū)動電機，實現(xiàn)了電子節(jié)氣門的閉環(huán)控制。

電子節(jié)氣門；控制器；MC9S12XSl28

1.引言

相對于傳統(tǒng)的機械拉線式節(jié)氣門，電子控制節(jié)氣門能根據(jù)駕駛員的駕駛意圖以及根據(jù)整車不同的行駛工況確定節(jié)氣門的最佳開度，保證車輛具有最佳的動力性和燃油經(jīng)濟性，并能夠為怠速控制(IDL)、驅(qū)動防滑控制(ASR)和巡航控制(CCS)等電子控制功能的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。本文以BOSCH電子節(jié)氣門為研究對象，進行相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計。

2.電子節(jié)氣門硬件系統(tǒng)

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，電子節(jié)氣門的電子控制單元對油門加速踏板位置信號、節(jié)氣門位置信號進行采樣處理，根據(jù)兩者的誤差值以確定節(jié)氣門閥的基本開度；控制系統(tǒng)在計算出基本開度后，通過CAN總線與整車ECU通信，獲得整車工況信息，綜合計算出對發(fā)動機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩的需求，對基本開度進行修正，通過輸出PWM控制驅(qū)動電機用以控制節(jié)氣門的實際開度。控制硬件框圖如圖1所示。

2.1 電子節(jié)氣門總成

(1)油門加速踏板位置傳感器

油門踏板是反映駕駛員意圖的裝置，電子節(jié)氣門替換了拉線式的油門踏板，它的核心是兩個根據(jù)位移量變化的可變電阻，兩個傳感器有各自獨立的電源，并向單片機發(fā)出兩路反映油門踏板位置的電壓信號。油門踏板總成兩個電位器式傳感器同相安裝，油門踏板位置發(fā)生變化時，其電壓信號同時線性增加或減小，根據(jù)油門踏板位移量轉(zhuǎn)化成不同的電壓信號并傳遞給電子控制單元(ECU)。

(2)節(jié)氣門位置傳感器

節(jié)氣門位置傳感器是節(jié)氣門開度狀態(tài)的唯一檢測元件，電位計傳感器主要將角位移的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，為了安全性和可靠性，節(jié)氣門位置傳感器也是有兩個傳感器組成，其由同一電源供電，采用同一搭鐵點，設(shè)計成阻值反向變化，同一位置的兩個傳感器輸出電壓信號和始終等于供電電壓5V。

(3)驅(qū)動電機、節(jié)氣門閥片、減速齒輪機構(gòu)等。

驅(qū)動節(jié)氣門電機是控制系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，電機帶動節(jié)氣門閥片克服回位彈簧力和空氣阻力轉(zhuǎn)到相應(yīng)的開度。電機通常采用永磁直流力矩電機，其特點是堵轉(zhuǎn)力矩大，動作迅速，長期堵轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損壞。另外，還包括節(jié)氣門閥片，保證節(jié)氣門閥片能夠安全復位的回轉(zhuǎn)彈簧。

2.2 控制系統(tǒng)硬件

(1)采用的單片機核心芯片

本文采用的單片機核心芯片是MC9S12XSl28微控制器。它具有強大的浮點計算處理能力并支持復雜的算法，能在-45°C-125°C的惡劣環(huán)境下工作，MC9S12系列是專為汽車電子、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)所設(shè)計的芯片，具有速度快、功能強、成本低、功耗低等特點。其總線速度高達40MHz，具有8通道PWM和片內(nèi)可編程的ADC轉(zhuǎn)化單元，易于實現(xiàn)信號采集和電機控制。

(2)電機驅(qū)動電路

本系統(tǒng)采用的智能功率芯片BTS7960是應(yīng)用于電機驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。集成驅(qū)動IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過流及短路保護功能。如圖2所示有兩個BTS7960構(gòu)成的全橋驅(qū)動電路。

3.控制系統(tǒng)軟件

電子節(jié)氣門系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng)。系統(tǒng)的非線性影響著電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制，彈簧轉(zhuǎn)矩不連續(xù)和發(fā)動機工作時進氣道內(nèi)的空氣對節(jié)氣門沖擊力隨節(jié)氣門開度不同這兩方面對系統(tǒng)的非線性影響最大；其次是節(jié)氣門閥片在動態(tài)過程中的摩擦和齒輪減速機構(gòu)中存在的間隙。電子節(jié)氣門被控對象隨著負荷變化和干擾因素的影響，其對象特性參數(shù)也將發(fā)生改變。

圖1 電子節(jié)氣門控制硬件框圖

圖2 電機驅(qū)動電路

3.1 控制原理

電子節(jié)氣門控制主要是通過電機對節(jié)氣門閥片的控制達到對進氣量的控制，因此驅(qū)動節(jié)氣門閥片的電機是控制的重點。可用于驅(qū)動節(jié)氣門閥片的電機主要有直流電機和步進電機，本文采用永磁直流力矩電機，對于直流電機控制驅(qū)動電路，由于利用PWM信號驅(qū)動電機，得到低速性能好，電流連續(xù)信號，因此目前多數(shù)采用PWM脈沖寬度驅(qū)動H橋電路，基于PWM控制的調(diào)速電路是把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來控制直流電機所需的平均電流，從而控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩，使電子節(jié)氣門的閥片處于所需的位置。

圖3 電子節(jié)氣門控制框圖

3.2 控制策略

針對電子節(jié)氣門存在時變性和非線性的特點，常規(guī)的PID控制不易達到理想的控制效果，本文采用參數(shù)自整定和常規(guī)的PID控制器進行結(jié)合，在不同的工況下可以實時改變PID的控制參數(shù)，實現(xiàn)對電子節(jié)氣門的最佳控制，其控制框圖如圖3所示。

該控制系統(tǒng)以油門加速踏板位置輸入量r(t)和節(jié)氣門位置傳感器y(t)的偏差e(t)=r(t)-y(t)和偏差的變化率ec(t)=e(t)-e(t-1)作為PID控制器的輸入，系統(tǒng)根據(jù)傳統(tǒng)節(jié)氣門不同工況下的工作特點，根據(jù)e(t)和ec(t)的值，在不同的階段讀取表格選擇相應(yīng)的比例、微分、積分系數(shù)，即可實現(xiàn)在不同工況下不同的PID控制，從而利用不同PWM實現(xiàn)對節(jié)氣門直流控制電機的控制。

本系統(tǒng)編程軟件采用支持該硬件的Code-Warrior IDE，軟件部分主要包括系統(tǒng)的初始化、輸入輸出處理子程序、循環(huán)檢測輸出中斷處理主程序等。

初始化程序包括系統(tǒng)時鐘、定時器、兩路可編程AD寄存器模式設(shè)置、PWM寄存器初始化，輸入輸出端口初始化等。

輸入輸出處理子程序主要有定時中斷，采用外部時鐘作為中端輸入，定時中斷設(shè)置周期為5ms；子程序的調(diào)用，以及必須的定時、輸入輸出等。PID初始化參數(shù)的給定，循環(huán)檢測輸出中斷處理主程序接受經(jīng)過處理的踏板位置給定信號，采集反饋的節(jié)氣門位置信號，控制算法，以及控制輸出的PWM信號?？刂扑惴ㄗ映绦蚋鶕?jù)參考信號和反饋信號，以及計算出來的值，選擇相應(yīng)的控制參數(shù)，根據(jù)控制算法得出控制輸出量。其中不同的控制參數(shù)與車輛的工況，復位彈簧的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等有關(guān)。

4.結(jié)束語

由于電子節(jié)氣門系統(tǒng)中非線性的存在影響了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)特性，本文設(shè)計了基于MC9S12XSl28為核心的電子節(jié)氣門系統(tǒng)，并采用參數(shù)自整定的PID控制算法，實現(xiàn)了對節(jié)氣門的精確控制，并為基于電子節(jié)氣門的其他車輛電子控制提供了平臺。

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