基于TwinCAT的汽油機電控節(jié)氣門系統(tǒng)仿真

劉牮,韓益蒙

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093)

摘要介紹了一種汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng),以及節(jié)氣門各個部分的標定方法。選用Matlab/Simulink建立系統(tǒng)模型,利用Matlab的代碼自動生成功能,將模型轉(zhuǎn)化為PLC代碼,并在TwinCAT環(huán)境下運行并進行仿真,仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的執(zhí)行值與主控制器發(fā)出的指令值匹配良好。

關鍵詞汽油機;電控節(jié)氣門;TwinCAT

收稿日期:2015-01-04

作者簡介:劉牮(1961—),男,副教授。研究方向:電工電子學,電子技術。E-mail:liuliu2702@163.com。韓益蒙(1991—),男,碩士研究生。研究方向:電氣工程。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.042

中圖分類號TK41

Simulation of Electronic Throttle Control System of Gasoline Engines

LIU Jian,HAN Yimeng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper introduces the electronic throttle control system of gasoline engine and describes the electronic throttle control system in detail.A math model is built based on Matlab/Simulink to convert the model to PLC code using the automatic coding of Matlab.The processes and architectures of these models are simulated in the environment of TwinCAT.Simulation results and theoretical analysis results are basically identical,indicating a good agreement of the execution values with the instruction values sent by the main controller.

Keywordsgasoline engine;electronic throttle control;TwinCAT

電子節(jié)氣門控制[1](Electronic Throttle Control,ETC)是在電控燃油噴射系統(tǒng)的節(jié)氣門機構(gòu)中去掉一些附屬補償裝置,取消了油門加速踏板和節(jié)氣門之間的機械連接,增加了驅(qū)動電路、驅(qū)動電機以及齒輪傳動系統(tǒng)等,通過控制算法實現(xiàn)節(jié)氣門開度的精確控制,從而精確控制進氣量。電氣節(jié)氣門控制系統(tǒng)作為發(fā)動機控制的一個功能模塊,除了維持發(fā)動機正常運行所進行的加速、怠速控制外,還可以完成與進氣控制有關的巡航控制,防抱死控制等,通過電子節(jié)氣門中的驅(qū)動電機實現(xiàn)節(jié)氣門的開度來實現(xiàn)綜合控制[2]。

本文在Matlab/Simulink環(huán)境中建立了汽油機電控節(jié)氣門的系統(tǒng)模型,利用其自動代碼生成工具,將模型自動轉(zhuǎn)化為PLC代碼,并在TwinCAT環(huán)境下進行仿真,從而得出仿真結(jié)果。

1電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ETC的結(jié)構(gòu)

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)由加速踏板位置傳感器模塊、節(jié)氣門控制單元、發(fā)動機和傳動系統(tǒng)等組成。加速踏板位置傳感器反映駕駛員對發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩需求,將位置信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入到電控單元,電控單元根據(jù)加速踏板位置,改變速度、節(jié)氣門轉(zhuǎn)角、進氣量等一系列信號綜合計算出節(jié)氣門應有的開度,然后發(fā)出指令給電子節(jié)氣門的直流電機,控制電機的輸出力矩。電機的輸出力矩與復位彈簧的力矩平衡時,節(jié)氣門穩(wěn)定在目標開度。達到目標開度后,節(jié)氣門位置信息通過傳感器反饋給電控單元,實現(xiàn)完整閉環(huán)控制[3-4]。

目前的電子節(jié)氣門產(chǎn)品已經(jīng)將節(jié)氣門控制器與發(fā)動機電控單元集成為一體,從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步簡化,即圖1所示的ETC模塊。

圖1　電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ETC模塊結(jié)構(gòu)

2電子節(jié)氣門以及踏板模塊的標定

本文以踏板的輸入信號作為節(jié)氣門的目標開度,由節(jié)氣門位置傳感器反饋節(jié)氣門的實際開度,踏板的輸入信號與節(jié)氣門的反饋信號均為電壓信號,并且與位置相對應。

2.1　電子節(jié)氣門的標定

節(jié)氣門體連接器有6個引腳,其中兩個引腳是電機的電源線,其余為節(jié)氣門傳感器的電源線和信號線[5],引腳分布如圖2所示。

圖2　節(jié)氣門引腳分布

獲得精確控制的前提和基礎是對節(jié)氣門位置傳感器輸出特性進行研究,因此對其進行標定,得到節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓與其角度的關系曲線[6-8]。

為了將節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓信號轉(zhuǎn)化為節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)角度,在轉(zhuǎn)軸中心固定一枚剛性指針,端面處固定角度刻度盤,刻度盤中心位于轉(zhuǎn)軸軸線上。標定時,給節(jié)氣門位置傳感器提供5 V電壓。設定節(jié)氣門完全閉合位置為0°,完全打開為88°。從0°開始,每間隔5°旋轉(zhuǎn)節(jié)氣門轉(zhuǎn)軸,直到節(jié)氣門完全打開,記錄節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)角度α以及相應的輸出電壓。

圖3為標定后節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)角度α與輸出電壓之間的關系。由圖可知,節(jié)氣門位置傳感器與輸出電壓具有良好的線性關系,因此根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器提供的電壓信號可以準確地檢測出節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)角度。

圖3　節(jié)氣門位置傳感器輸出電壓曲線

2.2　油門踏板的標定

用與節(jié)氣門相似的方法對油門踏板進行標定,記錄踏板不同角度時的輸出電壓PPS,得到輸出電壓信號與踏板旋轉(zhuǎn)角度β之間的對應關系曲線,如圖4所示。

圖4　踏板位置傳感器輸出電壓曲線

3節(jié)氣門數(shù)學模型的建立

3.1　發(fā)動機模型

該模型主要從能量轉(zhuǎn)換和工質(zhì)流動的角度對發(fā)動機運行進行分析和模擬,主要功能是根據(jù)發(fā)動機的狀態(tài)參數(shù)(即發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和節(jié)氣門轉(zhuǎn)角α)來計算發(fā)動機的進氣量[9]。

(1)

(2)

(3)

(4)

β1(α)=1-cosα

(5)

(6)

pr=pman/pamb

(7)

圖5　發(fā)動機數(shù)學模型

3.2　節(jié)氣門控制模型

采用最基本的PID控制,由比例單元P,積分單元I和微分單元D構(gòu)成,經(jīng)過反復試驗確定各項參數(shù)如下:P為2;I為0.2;D為0.01。節(jié)氣門數(shù)學模型在Matlab中的圖形化結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　節(jié)氣門控制系統(tǒng)模型

為了對PID控制效果進行驗證,在Matlab環(huán)境下進行仿真,給定一個方波,仿真結(jié)果如圖7所示,其中黃線表示給定方波,紫線表示跟蹤效果?？梢钥闯?該參數(shù)下PID控制效果與真實情況接近,表示所選參數(shù)符合實際情況。

圖7　PID效果圖

4仿真結(jié)果及分析

對于大型相對復雜的控制系統(tǒng),手工編程不僅耗費人力而且準確率不高,Matlab2010a提供了一種從Simulink模型到PLC代碼的自動生成功能。本文采用該功能,將轉(zhuǎn)化后的PLC代碼植入TwinCAT,并在TwinCAT的環(huán)境下進行仿真。系統(tǒng)初始狀態(tài)如圖8所示。

圖8　初始狀態(tài)

圖8(a)表示油門踏板信號與節(jié)氣門開度,圖8(b)表示節(jié)氣門驅(qū)動電機輸出電壓信號。

踏下油門踏板至最大值時系統(tǒng)狀態(tài)如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)最大狀態(tài)

從圖9中可以看出,電控節(jié)氣門的執(zhí)行值與主控制器發(fā)出的節(jié)氣門指令值基本一致,當節(jié)氣門開度達到某個固定值時,輸出電壓基本保持穩(wěn)定[10]。

5結(jié)束語

本文建立了與實際汽車環(huán)境相對接近的數(shù)學模型,得出了比較符合實際的仿真結(jié)果,仿真結(jié)果與期望值基本一致。本文采用基于模型的V-cycle開發(fā)模式有效減少了調(diào)試的工作量,使得整個實驗過程效率大幅提高。

參考文獻

[1]McKay D,Nichols G,Schreurs B.DeIphi electronic throttle control systems for model year 2000;driver features system security and OEM benefits ETC for the mass market[C].Boston:SAE,2000.

[2]Robert Bosch Gmb H.Technical customer information—throttle body for ETC system[S].Germany:Bosch Corporation,2000.

[3]樊林.電控汽油機怠速控制策略的研究[D].北京:清華大學,2003.

[4]陶永華,尹怡欣,葛蘆生.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[5]董柯.基于車輛多控制器數(shù)據(jù)通訊技術的研究[D].北京:清華大學,2003.

[6]謝輝,宋小武,周能輝.輕度混合動力系統(tǒng)控制模式分層決策及能量管理策略的研究[J].內(nèi)燃機學報,2005,23(2):155-161.

[7]成庶,陳特放,余明揚.一種新型的有源次級鉗位全橋零電壓零電流軟開關PWM變換器[J].中國電機工程學報,2008,28(12):44-49.

[8]陳林,方康玲.基于Matlab的異步電機建模與仿真[J].武漢:中國自動化學會中南六省(區(qū))學術年會,2003.

[9]賈建強,韓如成,左龍.基于Matlab/Simulink的交流電機調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真[J].電機與控制學報,2000,4(2):91-93.

[10]楊貴杰,孫力,崔乃政,等.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究[J].中國電機工程學報,2001,21(5):79-83.