基于单片机的电子节气门控制器的设计

2012-01-29中原工学院王英杰

电子世界 2012年14期

关键词：门阀节气门踏板

中原工学院王英杰

河南职业技术学院张朝杰

基于单片机的电子节气门控制器的设计

中原工学院王英杰

河南职业技术学院张朝杰

本文分析了电子节气门的基本原理，提出了采用以MC9S12XSl28单片机为核心控制芯片，通过采集加速踏板位置信号和节气门位置信号，经过单片机算法处理，利用PWM控制节气门驱动电机，实现了电子节气门的闭环控制。

电子节气门；控制器；MC9S12XSl28

1.引言

相对于传统的机械拉线式节气门，电子控制节气门能根据驾驶员的驾驶意图以及根据整车不同的行驶工况确定节气门的最佳开度，保证车辆具有最佳的动力性和燃油经济性，并能够为怠速控制(IDL)、驱动防滑控制(ASR)和巡航控制(CCS)等电子控制功能的实现奠定基础。本文以BOSCH电子节气门为研究对象，进行相应的硬件和软件设计。

2.电子节气门硬件系统

电子节气门控制系统是闭环控制系统，电子节气门的电子控制单元对油门加速踏板位置信号、节气门位置信号进行采样处理，根据两者的误差值以确定节气门阀的基本开度；控制系统在计算出基本开度后，通过CAN总线与整车ECU通信，获得整车工况信息，综合计算出对发动机的输出功率和输出转矩的需求，对基本开度进行修正，通过输出PWM控制驱动电机用以控制节气门的实际开度。控制硬件框图如图1所示。

2.1 电子节气门总成

(1)油门加速踏板位置传感器

油门踏板是反映驾驶员意图的装置，电子节气门替换了拉线式的油门踏板，它的核心是两个根据位移量变化的可变电阻，两个传感器有各自独立的电源，并向单片机发出两路反映油门踏板位置的电压信号。油门踏板总成两个电位器式传感器同相安装，油门踏板位置发生变化时，其电压信号同时线性增加或减小，根据油门踏板位移量转化成不同的电压信号并传递给电子控制单元(ECU)。

(2)节气门位置传感器

节气门位置传感器是节气门开度状态的唯一检测元件，电位计传感器主要将角位移的变化转换成电压变化，为了安全性和可靠性，节气门位置传感器也是有两个传感器组成，其由同一电源供电，采用同一搭铁点，设计成阻值反向变化，同一位置的两个传感器输出电压信号和始终等于供电电压5V。

(3)驱动电机、节气门阀片、减速齿轮机构等。

驱动节气门电机是控制系统中重要的执行元件，电机带动节气门阀片克服回位弹簧力和空气阻力转到相应的开度。电机通常采用永磁直流力矩电机，其特点是堵转力矩大，动作迅速，长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。另外，还包括节气门阀片，保证节气门阀片能够安全复位的回转弹簧。

2.2 控制系统硬件

(1)采用的单片机核心芯片

本文采用的单片机核心芯片是MC9S12XSl28微控制器。它具有强大的浮点计算处理能力并支持复杂的算法，能在-45°C-125°C的恶劣环境下工作，MC9S12系列是专为汽车电子、智能系统等高端嵌入式控制系统所设计的芯片，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。其总线速度高达40MHz，具有8通道PWM和片内可编程的ADC转化单元，易于实现信号采集和电机控制。

(2)电机驱动电路

本系统采用的智能功率芯片BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。集成驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过流及短路保护功能。如图2所示有两个BTS7960构成的全桥驱动电路。

3.控制系统软件

电子节气门系统是一个非线性时变系统。系统的非线性影响着电子节气门系统的控制，弹簧转矩不连续和发动机工作时进气道内的空气对节气门冲击力随节气门开度不同这两方面对系统的非线性影响最大；其次是节气门阀片在动态过程中的摩擦和齿轮减速机构中存在的间隙。电子节气门被控对象随着负荷变化和干扰因素的影响，其对象特性参数也将发生改变。

图1 电子节气门控制硬件框图

图2 电机驱动电路

3.1 控制原理

电子节气门控制主要是通过电机对节气门阀片的控制达到对进气量的控制，因此驱动节气门阀片的电机是控制的重点。可用于驱动节气门阀片的电机主要有直流电机和步进电机，本文采用永磁直流力矩电机，对于直流电机控制驱动电路，由于利用PWM信号驱动电机，得到低速性能好，电流连续信号，因此目前多数采用PWM脉冲宽度驱动H桥电路，基于PWM控制的调速电路是把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来控制直流电机所需的平均电流，从而控制电机的输出转矩，使电子节气门的阀片处于所需的位置。

图3 电子节气门控制框图

3.2 控制策略

针对电子节气门存在时变性和非线性的特点，常规的PID控制不易达到理想的控制效果，本文采用参数自整定和常规的PID控制器进行结合，在不同的工况下可以实时改变PID的控制参数，实现对电子节气门的最佳控制，其控制框图如图3所示。

该控制系统以油门加速踏板位置输入量r(t)和节气门位置传感器y(t)的偏差e(t)=r(t)-y(t)和偏差的变化率ec(t)=e(t)-e(t-1)作为PID控制器的输入，系统根据传统节气门不同工况下的工作特点，根据e(t)和ec(t)的值，在不同的阶段读取表格选择相应的比例、微分、积分系数，即可实现在不同工况下不同的PID控制，从而利用不同PWM实现对节气门直流控制电机的控制。

本系统编程软件采用支持该硬件的Code-Warrior IDE，软件部分主要包括系统的初始化、输入输出处理子程序、循环检测输出中断处理主程序等。

初始化程序包括系统时钟、定时器、两路可编程AD寄存器模式设置、PWM寄存器初始化，输入输出端口初始化等。

输入输出处理子程序主要有定时中断，采用外部时钟作为中端输入，定时中断设置周期为5ms；子程序的调用，以及必须的定时、输入输出等。PID初始化参数的给定，循环检测输出中断处理主程序接受经过处理的踏板位置给定信号，采集反馈的节气门位置信号，控制算法，以及控制输出的PWM信号。控制算法子程序更根据参考信号和反馈信号，以及计算出来的值，选择相应的控制参数，根据控制算法得出控制输出量。其中不同的控制参数与车辆的工况，复位弹簧的正转和反转等有关。