張黎黎

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程系， 煙臺 265500)

0 引言

隨著人們對汽車功能及性能需求的逐漸提升，以及汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，對汽車發(fā)動機(jī)性能的要求也隨之提高，現(xiàn)代汽車控制技術(shù)以降低加減速響應(yīng)時間、及提升汽車舒適性等為目標(biāo)，然而在提高加減速快速響應(yīng)性能的同時會加劇整車加減速瞬時震蕩程度，如何有效解決這一矛盾問題具有較大的現(xiàn)實(shí)意義及研究價值。作為汽車發(fā)動機(jī)的核心組成部分，電子節(jié)氣門需對汽車發(fā)動機(jī)的空氣進(jìn)入做到精確控制，汽車發(fā)動的變速調(diào)節(jié)受到其控制性能優(yōu)劣的影響[1]。

1 汽車發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計

控制效果取決于控制程序的結(jié)構(gòu)及算法的設(shè)計，在控制過程需提高采樣頻率、加快運(yùn)算速度以提高響應(yīng)性；確保采樣信號的準(zhǔn)確可靠并降低干擾以提高穩(wěn)定性；通過閉環(huán)控制及控制結(jié)果的反饋以提高控制的精確性。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

節(jié)氣門開度信息由節(jié)氣門位置傳感器負(fù)責(zé)采集，智能控制器對采集到的信息進(jìn)行運(yùn)算處理，完成節(jié)氣門開度狀態(tài)的判斷并據(jù)此作出控制決策，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動則根據(jù)其發(fā)出控制指令完成。加速踏板的位置信號代表駕駛員對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求，需將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后輸入電控單元，以加速踏板位置及其改變速度為依據(jù)，同時結(jié)合底盤電子控制信號及其它傳感器信號(如進(jìn)氣量、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門轉(zhuǎn)角等)，ECU通過計算后確定節(jié)氣門的開度，并發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出力矩的控制，節(jié)氣門在電機(jī)輸出與復(fù)位彈簧二者間力矩平衡時穩(wěn)定在目標(biāo)開度，驅(qū)動信號占空比增大時，節(jié)氣門開度增加；當(dāng)占空比減小時，節(jié)氣門開度減小。位置傳感器將節(jié)氣門位置信息反饋給ECU從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[2]。

圖1 電子節(jié)氣門智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 控制單元的硬件設(shè)計

由直流電機(jī)控制電子節(jié)氣門，需精確控制直流電機(jī)以實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門閥片開度的精確控制，作為控制系統(tǒng)的核心單片機(jī)主要負(fù)責(zé)采集、轉(zhuǎn)換和處理信號，計算控制量并輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)的通信，電子節(jié)氣門閉環(huán)控制系統(tǒng)，由目標(biāo)開度通過加速踏板模塊輸入，實(shí)際開度則由節(jié)氣門位置傳感器做出反饋，這兩個過程輸入的是模擬量，為將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，本文電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)采用單片機(jī)PIC18F458(MICROCHIP公司生產(chǎn))作為控制單元處理器芯片，TLE6209R(Infineon公司生產(chǎn))作為直流電機(jī)驅(qū)動單元的 H 橋驅(qū)動芯片，將輸入的模擬信號通過PIC18F458轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，控制信號輸入由加速踏板位置傳感器完成，PIC18F458 將信息綜合處理后完成節(jié)氣門最佳開度的計算，并通過電機(jī)電子節(jié)氣門位置傳感器反饋節(jié)氣門位置信號，其硬件電路原理如圖2所示[3]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路原理圖

1.2 輸入信號處理電路設(shè)計

傳入單片機(jī)的節(jié)氣門位置信號為模擬信號，無法滿足單片機(jī)的數(shù)字信號的需要，本文通過A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，具體的A/D 轉(zhuǎn)換電路原理如圖3所示， 經(jīng)過轉(zhuǎn)換的節(jié)氣門位置信號可順利通過單片機(jī)的接收和處理[4]如圖3所示。

圖3 信號處理電路原理圖

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

點(diǎn)火開關(guān)在發(fā)動機(jī)起動前處于關(guān)閉狀態(tài)，起動發(fā)動機(jī)時則被置于開始位置，蓄電池的電壓加載到發(fā)動機(jī)和節(jié)氣門控制單元上，將起動標(biāo)志位置1(起動開始)，節(jié)氣門閥片將迅速做出往返動作(在0%到100%開度間)，從而重新對節(jié)氣門閥片的開度作一次標(biāo)定。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示[5]。

節(jié)氣門控制單元在節(jié)氣門位置初始化后，根據(jù)讀入冷卻液溫度信號完成對應(yīng)此溫度的最佳怠速轉(zhuǎn)速的判斷，轉(zhuǎn)速傳感器通過對曲軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測完成發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的判斷，節(jié)氣門控制單元通過驅(qū)動電機(jī)完成怠速控制(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于0)，或進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)(轉(zhuǎn)速等于0)，直到有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號被檢測到后等待循環(huán)中斷，進(jìn)入到怠速轉(zhuǎn)速控制程序，調(diào)整節(jié)氣門閥片至目標(biāo)怠速位置后，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速還需通過PID模塊完成閉環(huán)調(diào)節(jié)，以使發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速同節(jié)氣門控制單元的暖機(jī)過程怠速轉(zhuǎn)速脈譜一致；同時需對加速踏板位置進(jìn)行檢測，程序在加速踏板位置發(fā)生變化時進(jìn)入發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況的節(jié)氣門位置控制程序，以當(dāng)前車速信號和巡航請求的車速為依據(jù)，對節(jié)氣門閥片的開度位置進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，使當(dāng)前檔位下的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同目標(biāo)車速下的相等，此外系統(tǒng)在巡航模式下還會對檔位、離合器、制動踏板開關(guān)等信號進(jìn)行檢測，一旦檢測出空檔、離合器被切斷或制動踏板被踏下時，控制程序?qū)⑦M(jìn)入怠速控制模塊；若沒有開啟巡航模式，系統(tǒng)對駕駛員意圖進(jìn)行判斷時，需以當(dāng)前車速、發(fā)動機(jī)狀態(tài)和加速踏板位置變化率等信號為依據(jù)，選擇出控制節(jié)氣門的最佳傳遞函數(shù)，在此基礎(chǔ)上節(jié)氣門閥片被節(jié)氣門驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動完成位置的改變，節(jié)氣門位置傳感器對實(shí)際位置進(jìn)行檢測，判斷出節(jié)氣門實(shí)際同目標(biāo)位置的差別后，為保持節(jié)氣門在目標(biāo)開度將進(jìn)入PID模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，如此不斷循環(huán)反復(fù)進(jìn)行控制。

圖4 控制系統(tǒng)軟件流程圖

3 電子節(jié)氣門智能控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

電子式節(jié)氣門實(shí)際是一個機(jī)電傳動系統(tǒng)，主要由節(jié)氣門位置傳感器、直流電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪組、復(fù)位彈簧等構(gòu)成，具體如圖5所示。

圖5 電子節(jié)氣門示意圖

假設(shè)由θ表示氣節(jié)門開度，由N表示減速比，Tm表示輸入扭矩，Ts表示彈簧轉(zhuǎn)矩，Kd表示動摩擦系數(shù)。

直流電機(jī)通過齒輪及復(fù)位彈簧實(shí)現(xiàn)傳動，克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩從而帶動節(jié)氣門閥轉(zhuǎn)動，據(jù)此完成節(jié)氣門開度的精確控制，構(gòu)建電子節(jié)氣門的數(shù)學(xué)模型需完成驅(qū)動電機(jī)數(shù)學(xué)模型和傳動系統(tǒng)(由齒輪復(fù)位彈簧組成)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建[6]。

(1) 驅(qū)動電機(jī)數(shù)學(xué)模型

通常采用直流電機(jī)作為電子節(jié)氣門的驅(qū)動電機(jī)，直流電機(jī)等效電路圖如圖6 所示，電阻和電感等效為線圈，分別通過電樞電阻、電感進(jìn)行限流和緩沖，從而對電機(jī)動態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 直流電機(jī)等效電路圖

根據(jù)基爾霍夫定律對電路圖進(jìn)行簡化等效處理，電樞繞組由Ra表示，E表示電源電壓，i表示電流，電源內(nèi)阻由Rr表示，齒輪減速比由N表示，電樞電感由L表示，電機(jī)扭矩系數(shù)由Kt表示，電機(jī)角速度由ω表示，PWM占空比由u表示，建立直流電機(jī)微分方程如式(1)。

(1)

(2) 機(jī)械傳動部分

該部分同機(jī)械節(jié)氣門的傳動相同，電機(jī)輸出扭矩通過減速齒輪傳送至節(jié)氣門，考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，為對節(jié)氣門開度進(jìn)行有效控制，需將電機(jī)轉(zhuǎn)動角度按比例縮小，將此比例同樣定義為傳動比N，電機(jī)角速度由ω1表示，節(jié)氣門角速度由ω表示，節(jié)氣門開度由θ表示，具體表達(dá)式如式(2)—式(4)。

(2)

θ=Nω=Nω1t

(3)

摩擦扭矩方程及彈簧扭矩方程為：

Tf=kdω+krsgn(ω)

(4)

根據(jù)電機(jī)拖動運(yùn)動學(xué)定律完成電子節(jié)氣門運(yùn)動微分方程的建立，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量由J表示，電機(jī)扭矩由Ta表示，具體表達(dá)式如式(5)、式(6)。

JN2ω1=NTa-Ts-Tf

(5)

Ta=kti

(6)

將式(4)和式(6)代入(5)可得式(7)、式(8)。

JN2ω1=Nkti-kdω-kfsgn(ω)-ks(θ-θ0)-Dsgn(θ-θ0)

(7)

即：

(8)

由式(1)計算可得式(9)。

(9)

最終的電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型表達(dá)如式(10)。

(10)

4 控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗

電子節(jié)氣門主要構(gòu)成為直流電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)，顯著的線性特征會在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時表現(xiàn)出來，電機(jī)變速時則呈現(xiàn)出明顯的非線性，電子節(jié)氣門傳動部分表現(xiàn)出非線性特征，為實(shí)現(xiàn)對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的快速平穩(wěn)響應(yīng)效果，本文采用模糊自適應(yīng)PID 控制策略，同普通PID 控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行仿真實(shí)驗并對比，電子節(jié)氣門參數(shù)如表1所示，3種控制模式的控制效果如圖7所示[7]。

表1 電子節(jié)氣門參數(shù)

圖7 正弦響應(yīng)控制效果對比圖

仿真結(jié)果表明普通PID控制雖構(gòu)造簡單且易實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)，但表現(xiàn)出明顯的超調(diào)現(xiàn)象；相比普通 PID控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制超調(diào)量得以明顯改善，表現(xiàn)出較好的動態(tài)跟隨性，但變速時抖動厲害，動態(tài)響應(yīng)性及平穩(wěn)性較差，控制效果曲線表現(xiàn)出明顯的毛刺；模糊自適應(yīng)PID 比上述兩種控制方法表現(xiàn)出更好的動態(tài)跟隨性和變速平穩(wěn)性，可使汽車電子節(jié)氣門的變速平穩(wěn)性和響應(yīng)實(shí)效性需求得以有效滿足，使電子節(jié)氣門具備較好的控制效果，證明本文設(shè)計的汽車電子節(jié)氣門智能控制系統(tǒng)具有較大的實(shí)用性。

5 總結(jié)

本文從電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀出發(fā)，對電子節(jié)氣門的軟硬件總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使電子節(jié)氣門通過模糊自適應(yīng)PID 實(shí)現(xiàn)智能控制過程，在此基礎(chǔ)上完成了電子節(jié)氣門數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，對比三種電子節(jié)氣門控制模式的仿真實(shí)驗，結(jié)果表明采用模糊自適應(yīng)PID 控制的系統(tǒng)可使電子節(jié)氣門達(dá)到良好的控制效果，表現(xiàn)出較好的動態(tài)響應(yīng)和平穩(wěn)變速性能。