工程机械发动机电子节气门控制器

宁艳梅，陈正龙

(湖南三一工业职业技术学院，湖南长沙410129)

0 引 言

节气门主要是用来控制发动机的进气量，从而控制油气比，达到改变发动机转速及扭矩的目的。目前国内大部分工程机械均采用传统的机械式节气门，即节气门操纵机构通过拉杆或拉索，一端连接加速踏板(油门踏板)，另一端连接节气门的连动板而工作［1］。因此节气门的开度完全取决于加速踏板的位置，即驾驶员的操作意图，但考虑工程机械发动机(ICE)的动力性和燃油经济性等因素，我们知道发动机并不总是处于最佳的运行工况，而且一旦驾驶员进行了误操作，将造成行驶安全隐患。因此，为精确控制进气量，以获得更佳的油气比，使发动机处于最佳运行工况，达到改善工程机械燃油经济性、排放性以及驾驶舒适性的目的［2］，在发动机上加装电子节气门控制系统(以下简称ETCS)是十分必要的。

1 ETCS基本结构和工作原理

1.1 ETCS基本结构

虽然各个厂家生产的ETCS在结构和外观上有一定的差异，但一般都包括节气门控制电机、加速踏板位置传感器、节气门位置传感器以及电控单元(以下简称ECU)四个基本的组成部分［3］。ETCS基本结构如图1所示。

图1 ETCS基本结构

其中油门踏板位置传感器用来反映驾驶员的需求，它将油门踏板的下踏量及其变化速率通过线性电位器转换成电信号输出至ECU;节气门位置传感器同样通过一个线性电位器将节气门阀的位置信号(即节气门的开度)转换成两路互补的电信号输出至ECU;控制电机一般由步进电动机或直流伺服电动机构成，它是电子节气门控制系统的执行机构;ECU则是整个ETCS的核心，包括信息处理模块和驱动电路模块，信息处理模块一般采用高性能的单片机或DSP;驱动电路则一般采用桥式驱动电路。

1.2 ETCS工作原理

每个单片机工作循环内，ECU首先对油门踏板位置信号以及节气门位置信号进行采样，并对两个信号进行比较，得到一个误差信号，ECU将根据这个误差信号确定节气门开度的一个基本期望值。同时ECU将对发动机转速、档位等汽车运行工况信息，以及来自发动机控制模块的信号(如ABS、TRC和VSC等信号)，进行综合分析计算，得到一个节气门开度的最优值［4］。这个最优值将确定控制电机的工作电流以及转动方向(是正转还是反转)，接着ECU就发出指令，通过桥式驱动电路控制电机的转动，从而带动节气门阀转到一个最优开度位置。此时发动机也就处于最优运行工况下。整个控制系统为一个闭环控制系统，所以能保证发动机始终在最优运行工况下工作，这也就为实现降低油耗、减少排放的目标奠定了理论基础。

2 电子节气门控制器硬件设计

为节约成本，提高可靠性与性能，国外对电子节气门的控制都是嵌入到了发动机的电控单元(ECU)中，也就是说整个发动机只有一个电控单元［5］。但由于受发动机技术水平的限制，目前国内大部分汽车采用的仍然是国外的发动机，这就导致发动机的电控单元变成了一个黑匣子，里面的信号及控制方式我们无从知道。针对这种情况，目前只能在发动机上加装电子节气门控制器。本文就是基于这样一种情况，设计了该独立的电子节气门控制器。整个控制器的硬件总体结构如图2所示。

图2 电子节气门控制器硬件总体结构图

如图2所示，整个控制器的硬件结构由信号处理模块(隔离放大)、CPU模块、驱动电路模块组成。如前面所说，ECU是电子节气门控制系统的核心，其处理器一般采用高性能的单片机或DSP，综合考虑处理器的性能及成本等因素，我们选用了Cygnal公司的C8051F041单片机作为ECU的CPU。

2.1 Cygnal单片机介绍

Cygnal单片机是美国Cygnal公司推出的一种混合信号SOC(系统级芯片)型8位单片机，具有与8051指令集完全兼容的CIP－51内核。其内核采用流水线结构，执行速度高，其片内资源丰富，具有模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器，并能产生用来控制电机的 PWM信号，而且片内的JTAG仿真接口和调试电路支持全速、非侵入式的在线调试［6］，可以极大地缩短开发周期和节约成本。

2.2 隔离电路设计

在本文所设计的电子节气门控制器硬件原理图中，隔离放大电路包含模拟信号(油门踏板位置信号以及两路反馈信号)与C8051F041之间的线性隔离放大电路以及数字信号与C8051F041之间的高速光电隔离电路。其作用是为了将模拟信号与数字信号互相隔开，从而降低两者之间的相互干扰，从硬件方面提高系统的可靠性。单路A/D转换线性隔离放大电路如图3所示。HCNR200为所采用的高性能线性光耦芯片。

图3 单路A/D转换线性隔离放大电路

2.3 H桥驱动电路设计

图4为本文所设计的H桥驱动电路的原理图。从C8051F041的PWM口输出的PWM信号以及电机转动的方向信号(D1、D2)经过光电隔离以后，通过逻辑门电路7408、7406，进入全桥驱动芯片IR2110，再经H桥，控制电机的转动方向以及转动位置。逻辑门电路部分主要用于产生IR2110的输入信号，并进行自锁保护，从而保证了H桥不会发生直通现象。IR2110是美国IR公司推出的一种双通道的高速单片式集成驱动器，用以驱动MOS管的栅极，达到控制H桥的某一侧桥臂两个MOS管的同时导通或关断。H桥则由四个MOS管(2SK1277)组成，2SK1277自带快速恢复二极管，具有很好的自保作用。

图4 H桥驱动电路原理图

3 软件调试及应用

整个电子节气门控制系统程序的开发基于Cygnal的集成开发环境IDE，主要由C语言编写。IDE通过单片机上的JTAG仿真口对程序进行调试［7］。

系统程序采用模块化设计，可以分为系统初始化模块、AD采样模块、PID算法模块、PWM输出模块，其主程序流程图如图5所示。由定时器定时产生的中断保证系统程序的循环运行。在采样模块中，我们对反馈信号(Fp、Fn)进行了采样，并在PID模块中通过判断两路反馈信号的和(Fp+Fn)是否正常，决定是否进行PID计算并输出新的PWM信号，设置两路互补的反馈信号其实是一种硬件冗余措施，这对提高系统的安全性能是很有必要的。

图5 控制系统主程序流程图

调试时，我们用一个可调的线性电位器来模拟驾驶员的需求，即油门踏板的下踏量，节气门的开度则通过在集成开发环境IDE中观测其开度输出值以及现场观测节气门阀的开度来验证。同时我们还进行了仿真，其结果如图6所示。

从图6中可以看出，节气门开度的实际值滞后节气门开度给定值的时间不超过1.55 ms，其实际值与给定值曲线基本吻合。这表明，电子节气门采用该PID算法能快速、有效地使节气门开度跟踪给定值，具有较好的实用性。

图6 调试仿真结果

4 结 语

本文采用Cygnal单片机，设计了一种工程机械发动机的电子节气门控制器，并对整个控制系统进行了调试仿真，结果表明所设计的电子节气门控制器能满足实际应用的要求，如果能得到发动机ECU的其它一些汽车工况信号，则该电子节气门的控制将更加精确，能更好地实现降低油耗，减少排放以及提高驾驶舒适性的目标。如果将信号稍稍改动一下，该系统还可用来控制其它的直流伺服驱动系统。