周潤東，魯植雄

（1.210031 江蘇市 南京市 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.210031 江蘇市 南京市 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院）

0 引言

電子節(jié)氣門是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中的重要部件，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全電控的基礎(chǔ)，現(xiàn)在已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。電子節(jié)氣門的特點(diǎn)是任何工況下節(jié)氣門開度都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，因此其控制系統(tǒng)可以與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)配合工作，使車輛具有良好的怠速、加速及減速工況過渡性能，有效降低排放和燃油消耗；同時(shí)，也能按照車輛其他系統(tǒng)，如驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)或巡航系統(tǒng)的要求改變節(jié)氣門開度，改變發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出，從而實(shí)現(xiàn)牽引力控制。電子節(jié)氣門與電子油門踏板的傳感器部分均采用了冗余設(shè)計(jì)，不僅可以提高控制精度，而且對提高控制安全性發(fā)揮了重要作用。因此，吸收、借鑒國外先進(jìn)的控制經(jīng)驗(yàn)，深入研究電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的工作原理以及控制策略意義非常重大[1-6]。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。與以往大都利用單片機(jī)C 語言編程對節(jié)氣門開度進(jìn)行控制不同，本文基于PID 的控制思想，利用LabVIEW軟件編寫了電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)程序，硬件部分采用了USB6353 數(shù)據(jù)采集卡與L298N雙H 橋直流

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了控制方案的可行性。

1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)與工作原理

電子節(jié)氣門取消了機(jī)械式節(jié)氣門的剛性連接，采用一種柔性控制方式，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)由加速踏板模塊、電子控制單元ECU、電子節(jié)氣門體總成組成[7-9]。加速踏板是反映駕駛員意圖的裝置，其中兩個(gè)電位器式位置傳感器將踏板位移量轉(zhuǎn)化成電信號傳遞給電子控制單元（ECU），駕駛員的意圖經(jīng)由ECU分析作出判斷，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出指令，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)其開度變化。

圖1 電子節(jié)氣門體總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of electronic throttle body

2 電子節(jié)氣門位置傳感器的標(biāo)定

2.1 位置傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的原理

如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)所用為BOSCH 公司生產(chǎn)的DV-E5 型節(jié)氣門閥體，中間齒輪齒數(shù)為47，節(jié)氣門轉(zhuǎn)角為1～89°。節(jié)氣門轉(zhuǎn)角從怠速開度到全開中間齒輪轉(zhuǎn)過的齒數(shù)為46 齒，因而每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒數(shù)，節(jié)氣門都對應(yīng)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，對應(yīng)一個(gè)反饋的電壓值。因而節(jié)氣門傳感器電壓值與轉(zhuǎn)角之間滿足一定的關(guān)系。

圖2 節(jié)氣門閥體Fig.2 Throttle body

2.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析

利用數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)LabVIEW 采集程序，節(jié)氣門傳感器標(biāo)定試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 節(jié)氣門傳感器標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Calibration test data of throttle sensor

由表1 可知，節(jié)氣門體中間齒輪轉(zhuǎn)過齒數(shù)為46 齒，節(jié)氣門轉(zhuǎn)角范圍為1～89°，相對應(yīng)的電壓信號為3.35～0.96 V。繪制如圖3 的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角與電壓關(guān)系曲線，采用最小二乘法擬合出相應(yīng)的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角與電壓的關(guān)系式為

圖3 節(jié)氣門轉(zhuǎn)角與電壓關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between throttle angle and voltage

3 電子節(jié)氣門控制實(shí)驗(yàn)方案

3.1 電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)硬件

如圖4 所示，上位機(jī)為PC，下位機(jī)采用了功率驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)采集卡、電子節(jié)氣門模擬板、恒壓電源等。

圖4 電子節(jié)氣門體控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of electronic throttle body control system

3.1.1 功率驅(qū)動(dòng)模塊

實(shí)驗(yàn)所采用的驅(qū)動(dòng)芯片是L298N 雙H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5 所示。該驅(qū)動(dòng)模塊可驅(qū)動(dòng)2 路直流電機(jī)，最大功率25 W，使能端ENA、ENB 為高電平時(shí)有效。若要對直流電機(jī)進(jìn)行PWM 調(diào)速，需設(shè)置IN1 和IN2，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后對使能端輸出PWM 脈沖，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速?？刂品绞郊爸绷麟姍C(jī)狀態(tài)表如表2 所示。

圖5 功率驅(qū)動(dòng)模塊電路原理Fig.5 Circuit principle of power drive module

表2 L298N 雙H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制方式Tab.2 L298N double H bridge DC motor drive chip control mode

3.1.2 數(shù)據(jù)采集卡

本次控制信號輸出硬件選擇由美國NI 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡USB6353（如圖4 所示）。它有32 路AI，(16 位，1.25 MS/s，4 路AO（2.86 MS/s）），48 路DIO，提供了模擬I/O、數(shù)字I/O 和4 個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，用于PWM、編碼器、頻率、事件計(jì)數(shù)等。板載NISTC3 定時(shí)和同步技術(shù)提供高級定時(shí)功能，包括獨(dú)立的模擬和數(shù)字定時(shí)引擎和可重新觸發(fā)的測量任務(wù)。同時(shí)適用于從基本數(shù)據(jù)記錄到控制和測試自動(dòng)化等廣泛的應(yīng)用。隨附的NI-DAQmax 驅(qū)動(dòng)程序和配置實(shí)用程序簡化了配置和測量。因而可以作為數(shù)據(jù)采集與控制信號輸出的理想硬件。

3.1.3 汽車電子節(jié)氣門模擬板

汽車電子節(jié)氣門模擬板選用了Bosch 公司生產(chǎn)的汽車電子節(jié)氣門模擬板作為實(shí)驗(yàn)載體（如圖4 所示）。模擬板上有完整的電子節(jié)氣門體、模擬踏板部件以及相應(yīng)的電源模塊。電子節(jié)氣門位置傳感器工作電壓為5 V，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，加速踏板運(yùn)行角度為0～45°，輸出的電壓為0～5 V。

3.2 電子節(jié)氣門控制軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 基于LabVIEW 控制程序編寫

?Jessop，B．，State Theory:Putting Capitalist States in Their Place，Cambridge Polity Press，1990．

整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的編寫分為3 部分，如圖6 所示。第1 部分為理想值（期望值）程序的編寫；第2 部分為采集程序，對實(shí)際控制過程中節(jié)氣門的電壓信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的開度信號；第3 部分為控制信號程序編寫。根據(jù)理想值與實(shí)際值偏差來輸出對應(yīng)不同的脈沖信號。在LabVIEW 軟件中調(diào)用PID 控制模塊，并連接到相應(yīng)的輸入與輸出端。

圖6 LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序Fig.6 LabVIEW driver

3.2.2 基于PID 的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)原理

PID 控制是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，就構(gòu)成了PID 控制器。本次基于PID 的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)原理如圖7 所示[13-16]。

圖7 電子節(jié)氣門PID 控制系統(tǒng)原理Fig.7 Principle of electronic throttle PID control system

3.2.3 PID 參數(shù)整定結(jié)果

根據(jù)相關(guān)參考資料，初定PID 參數(shù)為P=0，I=0，D=0，然后在保持兩個(gè)參數(shù)不變的情況下逐個(gè)修改，并進(jìn)行仿真比較結(jié)果[17-20]。經(jīng)過最終整定與調(diào)試結(jié)果，確定PID 三個(gè)參數(shù)為P=1.500，I=0.005，D=0.200。

4 電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 電子節(jié)氣門控制效果評價(jià)指標(biāo)

因?yàn)殡娮庸?jié)氣門在控制過程中，節(jié)氣門開度變化的響應(yīng)速度和控制精度只需與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對節(jié)氣門開度變化的響應(yīng)速度及對節(jié)氣門位置的靈敏度保持同階即可，所以電子節(jié)氣門控制效果評價(jià)指標(biāo)如下[1]：

上升時(shí)間：在階躍輸入情況下，電子節(jié)氣門從開始調(diào)節(jié)到目標(biāo)開度的90%，響應(yīng)時(shí)間不超過300 ms；

調(diào)整時(shí)間：節(jié)氣門調(diào)節(jié)范圍超過15%的情況下，穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)不超過300 ms；

穩(wěn)態(tài)誤差：穩(wěn)態(tài)誤差定義為節(jié)氣門目標(biāo)開度與最終開度之間的誤差。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)應(yīng)保證階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差不超過±2 °。

4.2 驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

將輸入信號設(shè)為單位脈沖信號，模擬汽車突然加速情況下，駕駛員控制油門踏板使節(jié)氣門開度迅速到某一個(gè)固定值，設(shè)定節(jié)氣門開度分別為20%，40%，60%，80%，100%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖8—圖12 所示。

圖8 20%節(jié)氣門開度響應(yīng)曲線Fig.8 20% throttle valve opening response curve

圖9 節(jié)氣門開度40%響應(yīng)曲線Fig.9 40% throttle valve opening response curve

圖10 節(jié)氣門開度60%響應(yīng)曲線Fig.10 60% throttle valve opening response curve

圖11 節(jié)氣門開度80%響應(yīng)曲線Fig.11 80% throttle valve opening response curve

圖12 節(jié)氣門開度100%響應(yīng)曲線Fig.12 100% throttle valve opening response curve

4.3 控制效果分析

如表3 所示，電子節(jié)氣門開度為20%，40%，60%，80%，100%時(shí)，電子節(jié)氣門穩(wěn)定時(shí)間分別為70，75，65，75，55 ms，均不超過300 ms，階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差均不超過±1°；從開始調(diào)節(jié)到目標(biāo)開度的90%，響應(yīng)時(shí)間不超過300 ms。因此驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果的各種指標(biāo)均符合節(jié)氣門控制系統(tǒng)的要求。

表3 控制結(jié)果參數(shù)Tab.3 Control result parameters

5 結(jié)語

（1）本文在節(jié)氣門傳感器標(biāo)定中，創(chuàng)新性地根據(jù)中間齒輪齒數(shù)的方法來計(jì)算節(jié)氣門的轉(zhuǎn)角，不僅準(zhǔn)確有效，而且可操作性極強(qiáng)，為獲得更真實(shí)的節(jié)氣門傳感器特性曲線提供了基礎(chǔ)；

（2）基于LabVIEW 設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門PID控制系統(tǒng)，可方便觀察和記錄試驗(yàn)中各參數(shù)的變化，便于后期的分析與應(yīng)用；

（3）驗(yàn)證了車輛突然加速情況下節(jié)氣門的控制效果，試驗(yàn)中以階躍信號模擬節(jié)氣門開度作為輸入。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同節(jié)氣門開度下，該控制系統(tǒng)均可獲得理想的電子節(jié)氣門控制效果。