肖壽高

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，陜西 西安 710018）

基于單體電子節(jié)氣門(mén)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖壽高

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，陜西 西安 710018）

作者研究分析了單體電子節(jié)氣門(mén)總成的結(jié)構(gòu)及工作原理，實(shí)現(xiàn)了單體電子節(jié)氣門(mén)控制器的設(shè)計(jì)，并對(duì)單體電子節(jié)氣門(mén)進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明控制器硬件和軟件匹配良好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，具有一定的理論研究及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

電子節(jié)氣門(mén)；控制器；試驗(yàn)；軟件

引言

電子節(jié)氣門(mén)(ETC)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)全電控化的關(guān)鍵部件，它是在電驅(qū)動(dòng)理念的發(fā)展下產(chǎn)生的，因而在國(guó)外已有20多年的發(fā)展歷程，一些著名的汽車(chē)零部件生產(chǎn)廠商已開(kāi)始大規(guī)模的生產(chǎn)電子節(jié)氣門(mén)及與之配套的ETC控制器，如博世公司、德?tīng)柛９尽⑽鏖T(mén)子公司、電裝公司等甚至研發(fā)出了第二代電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)(ETCS)，并且大量配置于中高端汽車(chē)上。而在國(guó)內(nèi)，ETC的研究開(kāi)始于2000年，尚屬起步階段，目前只有少數(shù)企業(yè)進(jìn)行了電子節(jié)氣門(mén)方面的研究，如一汽集團(tuán)公司研發(fā)出的ETCS已應(yīng)用到旗下的高端產(chǎn)品紅旗汽車(chē)；四川紅光機(jī)車(chē)廠可生產(chǎn)配套的電子節(jié)氣門(mén)，然而只是在原有機(jī)械式節(jié)氣門(mén)上做適當(dāng)改進(jìn)而成的；此外，還有一些高校也在進(jìn)行這方面的研究，如清華大學(xué)研究的電子節(jié)氣門(mén)控制器已應(yīng)用到混合動(dòng)力車(chē)型，北京理工大學(xué)進(jìn)行了快速原型控制的ETC控制器研究。盡管電子節(jié)氣門(mén)的研究在國(guó)內(nèi)處于生機(jī)盎然的態(tài)勢(shì)，然而對(duì)ETC的核心技術(shù)還是沒(méi)有完全掌握，沒(méi)有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因而制約著電子節(jié)氣門(mén)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)中低端汽車(chē)上的推廣。本文以德?tīng)柛９旧a(chǎn)的電子節(jié)氣門(mén)為原型，設(shè)計(jì)了一種ETC控制器，完成對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及整車(chē)試驗(yàn)標(biāo)定做鋪墊。

1 電子節(jié)氣門(mén)總成結(jié)構(gòu)及工作原理

選用德?tīng)柛ｋ娮庸?jié)氣門(mén)作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、節(jié)氣門(mén)傳感系統(tǒng)和閥體、節(jié)氣門(mén)閥片及附件系統(tǒng)三部分組成，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪組和復(fù)位彈簧組成，見(jiàn)圖1為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[1]。

圖1 ETC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

基本工作原理：ETC的驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪Z1、減速齒輪Z2和Z3帶動(dòng)從動(dòng)齒輪Z4克服復(fù)位彈簧的扭轉(zhuǎn)作用力和系統(tǒng)摩擦力而使節(jié)氣門(mén)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)安裝在從動(dòng)齒輪端上的節(jié)氣門(mén)位置傳感器隨節(jié)氣門(mén)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將測(cè)得的開(kāi)度信號(hào)反饋給ETC控制器。

在此需要注意的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用永磁直流力矩電機(jī)，其作用是提供ETC扭矩驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)，具有優(yōu)良的線性性能、控制精度高等特點(diǎn)，還有響應(yīng)速度快、容易控制且控制電路簡(jiǎn)單，適合于中小功率系統(tǒng)的閉環(huán)位置伺服控制。

節(jié)氣門(mén)位置傳感器采用冗余設(shè)計(jì)，即采用兩個(gè)電位計(jì)（以TPS1和TPS2表示）同時(shí)檢測(cè)節(jié)氣門(mén)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)角度，且傳感器輸出信號(hào)的和為常數(shù)，以此完成相互檢測(cè)的功能，通過(guò)控制器的檢測(cè)和計(jì)算達(dá)到故障自診斷功能，提高汽車(chē)行駛安全性。其中節(jié)氣門(mén)位置傳感器的接線端子和原理圖如圖2所示。

圖2 TPS電路原理和接線端子圖

2 電子節(jié)氣門(mén)控制器設(shè)計(jì)

ETC控制器[2]由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要包括信號(hào)采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及MCU系統(tǒng)電路，軟件主要由系統(tǒng)主程序和子程序組成，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序。控制器結(jié)構(gòu)功能如圖3所示。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

由圖3可知，控制器需要采集油門(mén)踏板位置傳感器信號(hào)（PPS）和節(jié)氣門(mén)位置傳感器信號(hào)（TPS），其中PPS為給定目標(biāo)信號(hào)，TPS為跟蹤信號(hào)；然后根據(jù)控制算法程序輸出 PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到目標(biāo)開(kāi)度?？紤]到本設(shè)計(jì)只完成ETC的靜態(tài)試驗(yàn)，系統(tǒng)程序占用硬件資源并不大，因而采用8位MCU微處理器就足以完成任務(wù)，本控制器采用硬件資源較為豐富的 Atmega16L單片機(jī)[4]，片內(nèi)含有較大容量的非易失性 ROM和RAM，片內(nèi)集成8路ADC轉(zhuǎn)化器，可以輸出4路PWM信號(hào)以及支持增強(qiáng)型USART異步串口通信等功能，是一款性?xún)r(jià)比較高的單片機(jī)；采用L298型號(hào)的H橋芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)負(fù)載，最大輸出電流可達(dá)4A，并且含有電流過(guò)載保護(hù)功能，可以完全滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制要求。

根據(jù)L298芯片的特點(diǎn)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其中VSS端子接VCC為+5V電源；VS端子接VDD為5V-36V的驅(qū)動(dòng)電源，本系統(tǒng)VS接12V，與車(chē)輛12V電系保持一致；ENA接單片機(jī)PD7引腳，為電機(jī)的使能信號(hào)；IN1和IN2端子接單片機(jī)PD5和PD6引腳，以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；OUT1和OUT2端子接電機(jī)正負(fù)極，輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；SENA和 SENB端子為電流檢測(cè)引腳，在此接地取消過(guò)流檢測(cè)；由于電機(jī)為感性負(fù)載，因此采用續(xù)流二極管吸收感性電流，以保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

為了使單片機(jī)能夠正常運(yùn)行，需設(shè)計(jì)Atmega16L單片機(jī)[3]的最小系統(tǒng)電路，最小系統(tǒng)電路包括復(fù)位電路、晶振電路以及供電電源電路；同時(shí)為了完成ADC轉(zhuǎn)換器的功能還需要AD轉(zhuǎn)化濾波電路以增強(qiáng)AD轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性，提高轉(zhuǎn)化精度；由于傳感器在檢測(cè)過(guò)程中可能會(huì)受到電磁高頻干擾，因此應(yīng)設(shè)計(jì)傳感器濾波電路增加信號(hào)的質(zhì)量；若對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出傳感器故障報(bào)警功能，應(yīng)加上故障報(bào)警電路。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序[4]包括初始化部分和循環(huán)部分，而初始化主要有常量初始化、端口初始化、ADC初始化、控制參數(shù)初始化以及USART初始化等；而循環(huán)部分主要是調(diào)用一些子程序完成計(jì)算和控制功能，如控制算法子程序、中斷服務(wù)子程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序和故障診斷子程序等。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)如圖5所示的ETC控制系統(tǒng)主程序流程圖。

圖5 ETC控制系統(tǒng)主程序流程圖

上圖的濾波子程序采用普通的均值濾波算法，以增強(qiáng)信號(hào)的平滑性；PWM子程序由TC1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，發(fā)出比較匹配中斷時(shí)，OC1A引腳清零，發(fā)出溢出中斷時(shí)，OC1A置位，且將控制量賦值給 T1以產(chǎn)生變化的占空比，程序流程圖 6所示；數(shù)據(jù)采集子程序利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TC0比較匹配中斷作為ADC轉(zhuǎn)化觸發(fā)源，實(shí)現(xiàn)程序如流程圖7所示。

圖6 PWM子程序流程圖

圖7 數(shù)據(jù)采集子程序

而角度計(jì)算子程序是由將節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角與位置傳感器電壓關(guān)系特性曲線決定，只是簡(jiǎn)單的線性變換；故障診斷子程序主要是診斷節(jié)氣門(mén)位置傳感器的工作狀態(tài)，在對(duì)TPS的標(biāo)定曲線中，可以知道TPS1輸出電壓范圍為0.41V-4.48V，TPS2的輸出范圍為4.57V-0.51V，可以看出TPS1+TPS2約為5V，因此采取閾值界定的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)TPS1、TPS2故障診斷，若均無(wú)故障時(shí)，以TPS1計(jì)算節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，由這些特性設(shè)計(jì)如圖8所示的TPS故障診斷程序流程圖。

圖8 TPS故障診斷子程序流程圖

本設(shè)計(jì)選用的控制算法為增量式PID算法，其控制原理是根據(jù)系統(tǒng)的被控量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，然后按偏差的比例、積分和微分運(yùn)算計(jì)算出被控對(duì)象的控制量。在此以油門(mén)踏板位置傳感器檢測(cè)的油門(mén)開(kāi)度(PPS)為給定信號(hào)，以節(jié)氣門(mén)位置傳感器檢測(cè)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度(TPS)為實(shí)際信號(hào)，然后使偏差e(k)=PPS-TPS作為PID控制器的輸入，再對(duì)偏差進(jìn)行比例(Kp)、積分(Ki)和微分(Kd)運(yùn)算得到控制量u(k)，并對(duì)u(k)進(jìn)行閾值界定以保持節(jié)氣門(mén)的控制性能。因此，設(shè)計(jì)如圖9所示的程序流程圖。

圖9 增量式PID子程序流程圖

串口通訊子程序是為了方便數(shù)據(jù)的采集而提出的，可以直接用單片機(jī)的USART接口完成數(shù)據(jù)通訊功能，如為了分析控制器的控制性能可以利用此接口將PPS和TPS的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)，利用底層開(kāi)發(fā)軟件編寫(xiě)監(jiān)控軟件，可將上傳的數(shù)據(jù)繪制成隨時(shí)間變化的曲線，得到節(jié)氣門(mén)跟蹤油門(mén)踏板的響應(yīng)曲線。采用這種方法帶來(lái)的好處主要是能及時(shí)判斷控制器的響應(yīng)性能，若控制性能不理想，可以及時(shí)整定PID參數(shù)或改進(jìn)控制算法提高控制器的性能。此外還可以將占空比信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)以及傳感器故障信號(hào)通過(guò)串口通訊將信息上傳至上位機(jī)，利用開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件顯示數(shù)值和故障碼，以及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)過(guò)程。

3 電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)試驗(yàn)分析

通過(guò)大量的試驗(yàn)前期準(zhǔn)備，搭建電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置[5]，實(shí)現(xiàn)了ETC控制器硬件和軟件的基礎(chǔ)平臺(tái)。由于實(shí)際的電控汽油機(jī)對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的響應(yīng)時(shí)間在數(shù)百毫秒級(jí)以?xún)?nèi)，因此對(duì)電子節(jié)氣門(mén)做靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在數(shù)秒時(shí)間之內(nèi)的試驗(yàn)即可驗(yàn)證控制器的控制性能。本文對(duì)設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門(mén)控制器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 隨動(dòng)跟蹤響應(yīng)曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明TPS對(duì)PPS表現(xiàn)出良好的跟蹤性能，只有在0.8s-1s之間沒(méi)有跟蹤PPS,原因是在本次試驗(yàn)中，PPS是用電位器代替的，電位器的最大輸出電壓為5V，按角度轉(zhuǎn)換子程序來(lái)計(jì)算，那么換算成節(jié)氣門(mén)目標(biāo)開(kāi)度為90°，而TPS最高電壓為4.48V，換算成實(shí)際節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為85°，因此在這段時(shí)間沒(méi)有跟蹤 PPS。但是，在這段時(shí)間內(nèi)，可視為 TPS對(duì)PPS的階躍響應(yīng)階段，從這個(gè)角度也可以看到控制算法是否表現(xiàn)出優(yōu)良的控制性能。

4 結(jié)論及展望

本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了控制器的硬件結(jié)構(gòu)及軟件算法，利用該控制器對(duì)電子節(jié)氣門(mén)進(jìn)行了隨動(dòng)跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了控制器的控制功能，在控制性能上達(dá)到了靜態(tài)試驗(yàn)的控制要求，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該ETC控制器的設(shè)計(jì)有效性及合理性，為電子節(jié)氣門(mén)應(yīng)用于電控汽油機(jī)提供了一種有效的方法。

同時(shí)，也為以后更深入研究電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)應(yīng)用于整車(chē)打下了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上加大硬件和軟件的投入，便可以將電子節(jié)氣門(mén)控制器集成于發(fā)動(dòng)機(jī) ECU，以真正實(shí)現(xiàn)電子節(jié)氣門(mén)優(yōu)越的控制性能，如定速巡航控制、駕駛模式控制等。

[1] 吳克剛.ETC設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[R].西安:長(zhǎng)安大學(xué)電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)發(fā)與試制課題組,2010(2).

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Based on the Design and Implementation of the Single Electronic Throttle Controller

Xiao Shougao
（Department of Automobile, Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018 )

The structure and working principle of the single electronic throttle assembly have been analyzed, the design of the single electronic throttle controller has been realized, and the static test was carried out for the single electronic throttle,The test results show that the controller hardware and software match well, reasonable structure for system, tt has some theoretical research and practical application value.

electronic throttle; controller; test; software

U462.1

A

1671-7988(2017)22-48-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.017

肖壽高，汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師，就職于陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事汽車(chē)維修檢測(cè)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，汽車(chē)電控等相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究。

CLC NO.:U462.1

A

1671-7988(2017)22-48-04