基于AVR單片機的電子節氣門實驗控制系統研制

周秀珍，楊家富，朱榮生，陳勇

(1. 南京林業大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037； 2. 華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 200237； 3. 南京康拜爾科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

節氣門是調節發動機進氣量的重要控制部件。在傳統的節氣門控制系統中，加速踏板與節氣門之間通過機械傳動機構相連接，駕駛員通過加速踏板的連接拉桿直接控制節氣門開度。這種控制方式只能使汽車發動機完全按照駕駛員的意圖工作，很難根據汽車不同工況的要求對節氣門開度做精確而及時的調整[1]。隨著汽車工業的發展和電子控制技術的進步，電子節氣門控制(electronic throttle control，ETC)系統應運而生[2]。它能夠精確控制進入發動機的空氣量，使其空燃比達到最佳，不僅提高了汽車的經濟性和動力性，而且有利于保護環境，減少廢氣排放[3]。因此ETC成為先進發動機管理系統中不可或缺的電子控制單元。

在汽車模塊化教學儀器中，電子節氣門控制系統占有重要地位。現有對汽車電子節氣門控制系統的了解一方面是通過教科書和視頻進行，另一方面是利用多媒體動畫展示[4]。無論哪種方式，學生都無法直觀地看到實際電子節氣門開度對加速踏板控制信號的具體響應。本文設計了電子節氣門實驗控制系統，實現節氣門開度對踏板控制信號響應的連續實時顯示，進而研制汽車發動機電子節氣門實驗控制系統的示教儀器。

1 系統構成及工作原理

電子節氣門實驗控制系統主要由加速踏板模塊、電子控制單元、驅動模塊、電子節氣門體總成以及電源5部分組成。工作原理為：駕駛員踩踏加速踏板使其角度發生改變，踏板位置傳感器將信號傳遞給控制單元，控制單元接收后，綜合駕駛員的駕駛要求和汽車其他獲得的工況信號(如發動機的負載、轉速等)，按照特定的算法得出最佳節氣門開度，通過驅動模塊使節氣門閥片達到期望位置。在整個控制過程中，節氣門位置傳感器不斷地將節氣門實際開度信號反饋給控制單元，用于對計算得出的節氣門開度進行修正，實現閉環控制。系統組成及控制過程示意圖如圖1所示。

圖1 系統組成及控制過程示意圖

2 控制要求

本文研制的電子節氣門實驗控制系統要求實現節氣門開度對踏板位置信號的連續實時響應，并能直觀地看到節氣門開度與踏板位置之間的關系。具體控制要求如下：電子控制單元能夠對踏板位置信號進行解析，通過計算得出相應的電子節氣門開度，并由驅動電路驅動直流電機使節氣門閥片到達指定位置。在控制過程中，節氣門開度可以自動跟蹤踏板位置信號，當踏板停在某一位置時節氣門能夠維持當前開度。

3 硬件設計

系統以ATmega128單片機為控制核心，由ATmega128主控電路、驅動電路以及傳感器信號輸入電路組成，結構框圖如圖2所示。

ATmega128內部集成的模數轉換器能將踏板位置傳感器和節氣門位置傳感器輸入的模擬信號轉換成數字信號，且其內部可以輸出占空比可調的PWM信號用于驅動直流電機，使節氣門達到目標開度，便于系統的控制[5]。

圖2 控制系統硬件框圖

驅動電路采用智能功率驅動芯片TLE6209R，它只需一路PWM信號和一個方向信號即可控制電機的轉動，具有很高的可靠性和保護功能[6]。

ATmega128的PF1(ADC1)、PF2(ADC2)引腳接節氣門位置傳感器的反饋信號；PF3(ADC3)、PF4(ADC4)引腳接踏板位置傳感器的輸入信號；PB6用于輸出占空比可調的PWM信號，與TLE6209R的PWM引腳相連；PA0與TLE6209R的INH引腳相連，用于控制驅動芯片正常工作；PE0、PE1、PB1、RESET引腳用于在ISP下載方式下對ATmega128單片機進行板上程序下載。主控芯片的CPU對A/D轉換后的兩組信號進行比較，確定電機轉向，并調用控制算法輸出占空比合適的PWM信號，通過驅動電路驅動直流電機使節氣門達到期望開度。圖3為ATmega128主控電路圖，圖4為驅動電路連接圖。

圖3 主控電路

圖4 驅動電路

4 軟件設計

圖5 PID控制

ATmega128單片機軟件系統使用Atmel Studio6.1環境編程，采用模塊化程序設計，主要程序有系統初始化程序、中斷程序、控制算法程序，其中系統初始化程序包括定時計數器初始化、模數轉換初始化和端口初始化，中斷程序包括定時計數器0溢出中斷、定時計數器1溢出中斷和定時計數器1比較輸出中斷。主程序框圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

5 試驗及分析

5.1 試驗設計

本文研制的電子節氣門實驗控制系統如圖7所示。該系統使用開關電源供電，分別將加速踏板位置傳感器和電子節氣門位置傳感器接入ATmega128主控電路。為檢測節氣門開度對踏板位置信號的跟蹤情況，建立了上位機通訊模塊。上位機采用ARM32控制的觸摸屏作為顯示界面，用于顯示節氣門對踏板位置信號的跟蹤曲線。

1—開關電源；2—電子節氣門；3—加速踏板；4—控制器圖7 電子節氣門實驗控制系統

5.2 試驗結果及分析

系統采用的加速踏板位置傳感器和電子節氣門位置傳感器均為線性電位計式傳感器。踏板位置傳感器同時輸出2個幅值為2倍關系的模擬信號，節氣門位置傳感器同時輸出2個變化方向相反的信號給控制單元。這種傳感器的冗余設計能夠保證輸出信號的可靠性，提高行車的安全性。

圖8為節氣門跟蹤曲線圖。其中節1、節2表示電子節氣門位置傳感器的兩路輸出信號，加1、加2表示加速踏板位置傳感器的兩路輸入信號；圖中橫坐標為時間(單位：S)，縱坐標為傳感器輸出信號的電壓值(單位：V)。

圖8 節氣門跟蹤測試曲線

由圖8可以看出控制系統具有良好的跟蹤性能，即節氣門開度可以自動跟蹤加速踏板的位置信號，且踏板維持某一位置時節氣門開度可以保持不變，能夠實現電子節氣門實驗控制系統的控制要求。

試驗表明，基于AVR單片機的電子節氣門實驗控制系統能夠完成電子節氣門開度對加速踏板位置信號的連續實時響應，直觀地展示了踏板位置和節氣門開度之間的關系。

6 結語

采用軟硬件結合的方式，研制并實現了以ATmega128為控制核心的電子節氣門實驗控制系統。現場試驗結果表明，系統能夠直觀地顯示踏板位置和節氣門開度的關系，滿足控制要求。研制的電子節氣門實驗控制系統已經被企業應用為汽車發動機教學儀器產品的核心部件。

[1] 胡明慧,朱冬生,邵惠鶴,等. 電子節氣門控制器的設計[J]. 自動化儀表,2010,31(2):25-27,30.

[2] McKay D,Nichols G and Schreurs B.Delphi Electronic Throttle Control Systems for Model Year 2000; Driver Features, System Security, and OEM Benefits. ETC for the Mass Market [J]. Sae Technical Paper Series, 2000(3):6-9.

[3] 曾曲洋. 基于ATMEG16電子節氣門控制系統的設計[J]. 電子世界,2013(11):135.

[4] 劉娟. 論多媒體技術在汽車教學中的應用實踐[J]. 科技展望,2015,25(8):201-203.

[5] 何躍軍. 基于單片機控制的電子節氣門的研究與實踐[J]. 現代電子技術,2010,33(5):203-205,208.

[6] 錢程,王德福,陳琛,等. 電子節氣門驅動電路設計及系統響應分析[J]. 內燃機與動力裝置,2011(2):21-24.