摘 要:闡明一種基于單片機控制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。它以ATmega 16單片機為控制核心，德國博世公司電子節(jié)氣門為研究對象，通過傳感器測量加速踏板位置信號，然后經(jīng)過單片機控制算法的處理，驅(qū)動直流伺服電動機，從而帶動節(jié)氣門盤片旋轉(zhuǎn)到指定開度，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，系統(tǒng)的上位機通過USB轉(zhuǎn)RS 232接口，實現(xiàn)與單片機的通信，便于系統(tǒng)的調(diào)試與運行。

關(guān)鍵詞:電動機;單片機;電子節(jié)氣門;閉環(huán)控制

中圖分類號:TM352文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-203-03

Research and Practice of ETC Based on Single Chip Microcomputer

HE Yuejun

(Shenzhen Polytechic College，Shenzhen，518055，China)

Abstract:ETC based on single chip microcomputer is introduced.The system adopts ATmega 16 as control core，Germany Bosch as research object.First，it tests the position signal of accelerator pedal by sensors，then，deals with the signal by control algorithm of single chip microcomputer.After that，it drives the DC motor，and makes the throttle plate rotate to appointed opening，so that realizes the closed-loop control.At the same time，the system adapts PC as upper monitor，and uses USB to RS 232 interface to realize the communication between the upper monitor and single chip microcomputer.This makes it easy for overall system debugging and running.

Keywords:motor;single chip microcomputer;ETC;closed-loop control

0 引 言

電子節(jié)氣門(ETC)是汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)中的一個重要的子系統(tǒng)[1]。本文以ATmega 16單片機為控制核心，德國博世Bosch公司電子節(jié)氣門為研究對象，通過傳感器測量加速踏板位置信號，然后經(jīng)過單片機控制算法的處理，驅(qū)動節(jié)氣門體上的直流伺服電動機，從而帶動節(jié)氣門盤片旋轉(zhuǎn)到指定開度，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，上位機通過USB轉(zhuǎn)RS 232接口，實現(xiàn)與單片機的通信，便于系統(tǒng)的調(diào)試與運行。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示，它包括單片機及其外圍電路、節(jié)氣門集成體、直流電機驅(qū)動電路、腳踏板位置信號檢測電路等。此外，單片機通過USB轉(zhuǎn)RS 232接口，與上位機進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)人機對話。下面分別闡明如下:

1.1 ATmega 16控制核心

本系統(tǒng)采用單片機為控制核心，型號為ATmega 16(16 MHz晶振)。它采用先進的RISC 結(jié)構(gòu)，具有高速度、低功耗、抗干擾能力強等特點[2]。由于其自帶三通道PWM 輸出和8路10位ADC 轉(zhuǎn)換[3]，因而十分便于本系統(tǒng)的控制。

圖1 節(jié)氣門控制系統(tǒng)硬件框圖

1.2 電機驅(qū)動電路

本系統(tǒng)驅(qū)動電路采用美國國家半導體公司推出的專用于運動控制的H橋組件LMD18200。該組件上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件、連續(xù)輸出電流達3 A、并且還具有溫度報警、過熱與短路保護等功能[4，5]，因而使整個控制系統(tǒng)得到了簡化。電機驅(qū)動與單片機接口電路如圖2所示。

1.3 電子節(jié)氣門集成體

本系統(tǒng)節(jié)氣門為德國博世公司出產(chǎn)，型號為06B13306，其結(jié)構(gòu)外型如圖3所示。主要包括:

(1) 加速踏板位置傳感器

此傳感器安裝在加速踏板上，將踏板移動量轉(zhuǎn)換成帶有不同輸出特性的兩類電信號(下踏量大小和變化速率)，傳送給單片機[6]。

(2) 節(jié)氣門位置傳感器

節(jié)氣門位置傳感器(兩個電位計)的滑片與節(jié)氣門同軸， 當節(jié)氣門轉(zhuǎn)動時， 電位計滑片同步轉(zhuǎn)動， 從而將相互監(jiān)測的節(jié)氣門開度信號轉(zhuǎn)換為電子信號輸出給單片機 。

(3) 直流伺服電機

通過對電機進行PWM控制，再經(jīng)過兩級齒輪的減速，即可調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，本節(jié)氣門的齒輪減速比為:

n=ωm/ωL=TL/Tm=20.68

式中:ωm和ωL分別為電機和負載的角速度;TL和Tm則分別是電機和負載的轉(zhuǎn)矩。

另外，節(jié)氣門內(nèi)還包括一個回轉(zhuǎn)彈簧，其作用是確保當沒有驅(qū)動力矩產(chǎn)生時，節(jié)氣門盤片能夠安全地復(fù)位。節(jié)氣門盤片開啟位置在無電壓作用時，默認值為5.5°。這個開啟角允許發(fā)動機怠速運行，以確保發(fā)動機出現(xiàn)故障時，駕駛員能把車輛開到安全地位置。

圖2 電機驅(qū)動與單片機接口電路圖

圖3 Bosch節(jié)氣門外型圖

2 系統(tǒng)控制策略

電子節(jié)氣門系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng)[6]。其復(fù)位彈簧的彈性系數(shù)、電機轉(zhuǎn)軸及其他部件摩擦系數(shù)、作用在節(jié)氣門盤片上的壓力等不確定因素使得系統(tǒng)的數(shù)學模型難以直接推導。由直接控制直流電機試驗可以看出，僅調(diào)整占空比不能精確控制節(jié)氣門的開度。節(jié)氣門的開度相對于占空比的調(diào)節(jié)總有滯后產(chǎn)生。節(jié)氣門從靜態(tài)到開始，開啟的轉(zhuǎn)矩比較大，而動態(tài)轉(zhuǎn)矩比較小，因而采用常規(guī)的PID控制器不容易達到一個理想的效果[7，8]。

另外，為了得到一個優(yōu)化控制，還應(yīng)根據(jù)不同的情況，采用不同的控制模式，以使節(jié)氣門的開度響應(yīng)滿足駕駛員不同的踏板感覺需要。為此本系統(tǒng)的控制采用三種控制模式，即常規(guī)模式，運動模式和經(jīng)濟模式。運動模式使駕駛員有加速踏板很靈敏的感覺。該控制模式節(jié)氣門的響應(yīng)以汽車的加速反應(yīng)迅速為目的。經(jīng)濟模式則使駕駛員有加速踏板比較“遲緩”的感覺， 該控制模式下，對節(jié)氣門的控制以經(jīng)濟性為目標。本文重點介紹常規(guī)模式。

本系統(tǒng)常規(guī)模式采用的控制策略是將常規(guī)的PID控制器與模糊控制器結(jié)合起來[9]，利用模糊推理判斷的思想，以形成自整定模糊PID控制器，其框圖如圖4所示。

該系統(tǒng)輸入量是踏板輸入量θR(t)，輸出量是節(jié)氣門開度θ(t)。模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器的輸入量是油門踏板的踏入量θR(t)和θ(t)節(jié)氣門開度之差E以及其變化率Ec。輸出量是PID調(diào)節(jié)器的3個控制參數(shù)為KP，KI，KD。系統(tǒng)根據(jù)傳統(tǒng)PID控制器得到專家經(jīng)驗形成的模糊控制規(guī)則進行推理判決，從而對PID調(diào)節(jié)器3個控制參數(shù)實現(xiàn)在線自調(diào)整，以形成不同的PWM輸出信號，從而完成對氣門直流電機的控制。

圖4 自整定模糊PID控制器框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機軟件設(shè)計

為了便于系統(tǒng)運行和檢查調(diào)節(jié)效果，采用上位機軟件進行輔助控制。之所以選擇Matlab 7.0做GUI控制，主要是因為Matlab強大的技術(shù)支持平臺，其信號處理功能和圖形效果的優(yōu)越性是VC#或VB 6.0等目前常用的上位機軟件無法替代的[10]。本系統(tǒng)GUI主要功能包括:模式選擇、系統(tǒng)運行、過流和握手應(yīng)答顯示等，上位機軟件界面如圖5所示。

圖5 ETC上位機軟件界面

介紹如下:

系統(tǒng)上位機和下位機采用串行異步方式，通信協(xié)議如下:波特率9 600 b/s，起始位1位，停止位1位，無校驗位。串口數(shù)據(jù)的讀取，采用查詢方式，讀取串口數(shù)據(jù)，采用連續(xù)接收數(shù)據(jù)(continuous)的缺省方式，因而下位機返回的數(shù)據(jù)自動地存入輸入緩沖區(qū)中。

軟件串口初始化設(shè)置如下:

Instrreset;%清除所有連接設(shè)備

s=serial(′COM3′，′BaudRate′，9600，′DataBits′，8，′Parity′，′none′，′StopBits′，1，′Terminator′，′CR′);%串口參數(shù)初始化設(shè)置，設(shè)置終止符為CR(回車符)

Set(s，′inputbuffersize′，4096);%設(shè)置輸入緩存

Fopen(handles.s);%開串口

Handles.comm=s;%加入句柄結(jié)構(gòu)

用戶可根據(jù)需要，選擇串口。設(shè)計上，采用彈出框形式，其回調(diào)函數(shù)為:

com=get(hObject，′String′);

handles.com=com{get(hObject，′Value′)};

set(handles.edit1，′String′，handles.com);

guidata(hObject，handles);

參數(shù)設(shè)置好后，用戶通過“參數(shù)傳遞”按鈕，向下位機傳遞運行模式等相關(guān)運行參數(shù)。得到響應(yīng)后，用戶再通過運行按鈕啟動系統(tǒng)。在設(shè)計中，為了實現(xiàn)交互式的輸入，在調(diào)用set 和get等回調(diào)函數(shù)時，還應(yīng)特別注意數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，否則，就無法實現(xiàn)交互式的操作。

3.2 下位機軟件設(shè)計

單片機軟件系統(tǒng)采用CodeVersionAVR環(huán)境編程，程序由前、后臺程序構(gòu)成。前臺程序包括系統(tǒng)初始化程序和循環(huán)檢測程序。后臺程序則包括軟件定時器中斷程序、串口中斷接收子程序與串口中斷發(fā)送程序，過流保護外中斷程序。

初始化程序主要包括單片機I/O口初始化、兩路A/D轉(zhuǎn)換的初始化(腳踏板傳感器A/D轉(zhuǎn)換初始化和節(jié)氣門開度傳感器A/D轉(zhuǎn)換A/D初始化)、串口通信初始化以及單片機PWM端口的初始化等。系統(tǒng)初始化完成后，就等待中斷，以完成中斷子程序的處理。

對于軟件定時器，采用的是8位T/C0的CTC模式，定時時間設(shè)置為20 ms。單片機需完成腳踏板和節(jié)氣門位置信號的讀取及A/D轉(zhuǎn)換、模糊控制算法的實現(xiàn)，以及單片機PWM信號的輸出等功能。軟件定時中斷程序的流程圖如圖6所示。

圖6 軟件定時中斷子程序流程圖

驅(qū)動電路的PWM的輸出，使用的是單片機引腳PD3的第二功能OC1，采用的是相位修正PWM模式。程序設(shè)計時，通過改變輸入捕捉寄存器ICR1中的值來改變PWM的頻率，改變OCR1A輸出比較寄存器的值，以改變PWM的占空比。我們發(fā)現(xiàn)，電機的脈寬調(diào)制頻率對電機有很大影響。頻率過低則電機顫振幅度偏大， 不符合電子節(jié)氣門的高精度控制要求;頻率過高則電機會產(chǎn)生刺耳的蜂鳴聲。通過不斷調(diào)試，發(fā)現(xiàn)，電機的脈寬調(diào)制頻率為1 200 Hz左右效果最好。

ETC系統(tǒng)試驗臺實物圖如圖7所示。

圖7 ETC系統(tǒng)實驗臺

4 結(jié) 語

電子節(jié)氣門系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，非線性因素的存在將影響系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)特性。本系統(tǒng)采用模糊參數(shù)自整定控制策略，實現(xiàn)了對電子節(jié)氣門的精確控制。節(jié)氣門控制過程中無抖動，中間位置時無振蕩，而且打開和關(guān)閉節(jié)氣門過程中，節(jié)氣門運動得十分平滑，從而達到了預(yù)期的目的。

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