基于PID的电子节气门实验平台的研究

，，，

(南京农业大学工学院，江苏 南京 210031)

基于PID的电子节气门实验平台的研究

钟文军，鲁植雄，刁秀永，黄相

(南京农业大学工学院，江苏 南京 210031)

为提高学生对车辆电子控制系统的深入了解，搭建了电子节气门教学实验平台。介绍了平台所选用的硬件，并利用C语言对平台进行了软件设计。利用普通增量式PID闭环控制，作为电子节气门系统的主控制器。

车辆电子控制；电子节气门；PID

0 引言

电子油门是汽车上最为经典的电子控制单元，而发动机节气门控制是车辆系统控制的重要组成部分。随着车辆电子控制技术的迅速发展，节气门控制结构中的机械连接部分被电子单元取代，从而使油门踏板和节气门的布置变得更加的灵活和方便，汽车空间利用效率得以增加[1-3]。

电子节气门系统主要由油门踏板、节气门体和控制器等组成[4]。系统通过模数转换芯片采集油门踏板和节气门位置传感器的信号，控制器处理所采集到的电信号和处理后输出脉冲宽度调制波，从而控制节气门体上的直流电机，以带动阀片转动到指定的角度。实验平台要求节气门阀体具有很快的响应时间，并且有很好的伴随性和鲁棒性。

1 实验平台硬件

实验平台采用的主要硬件有长城腾翼C30电子节气门、大众桑塔纳加速踏板模块、直流电源模块、89C52单片机、PCF8951AD芯片和L298直流电机驱动模块。

1.1 STC80C52单片机

89C52单片机是STC公司生产的驱动电压低、性能较高CMOS8位单片机，片内含有8 KB的可反复擦写的只读程序存储(PEROM)和256 B的随机存取数据储存器(RAM)[5]。在此平台中需要单片机处理A/D转换过来的数据，并需要由单片机发出脉宽调制脉冲波。

1.2 PCF8951AD芯片

PCF是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器，具有4个模拟输入、1个输出和1个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0，A1和A2用于编程硬件地址。在平台中，加速踏板和节气门体中总共有4个位置传感器，此硬件刚好能采集4路模拟电压，完全能满足实验平台的需要。

1.3 L298直流电机驱动模块

2 实验平台软件设计

因为C语言程序可读性更高，可继承性较好，而且修改和补充比较容易。所以实验采用的是C语言而不是汇编语言。

电子油门控制系统需要更快的响应时间，且必须具有良好的稳定性和准确性[7-8]。为提高实验平台的响应性，则应将采样频率提高，控制程序的结构和算法；为提高实验平台的控制精确性，则需要进行闭环控制，控制程序中就采用了PID控制算法。实验平台控制系统的结构如图1所示。

图1 控制系统结构

2.1 脉宽调制输出程序

电子节气门直流电机通过PWM控制，因此，PWM的效果对电机的控制很重要。通过51单片机，可产生周期和连续可调的连续方波。

脉宽调制方式是利用功率晶体管的开关特性来调制电压恒定的直流电源，通过改变占空比来改变电枢的平均电压，以此控制直流电机的扭矩，这是目前直流电动机的主要控制方式。其控制原理如图2a所示。

当开关阀V1的输入Ui为高电平时，开关阀导通，输入到电动机两端电源电压为Us，向电机提供电能量，能量储存于电动机中。t1秒后，输入变为低电平，开关阀截止，向电机提供能量的供电电源Us被中断，但此时电枢电感在导通时所储存的能量通过二极管D1使电流在电机中继续流通。t2秒后，输入端电压重新变为高电平，开关阀的动作将前面的过程进行重复。这样，对应输入电平的高低，直流电机的输入电压UO波形如图2b所示。电机输入两端的平均电压值Ua为：

图2 直流电机脉宽调制控制原理和电压波形

占空比a的变化范围为0≤a≤1。输入电压恒定的情况下，改变占空比就可以改变电机电枢的电压输入，从而改变电机的转速和转矩。控制程序流程如图3所示。

在志书中，大事记与各篇章节的内容是互为详略、互为补充的关系。互为详略，是指大事记记述简明扼要，各篇章记述详细；互为补充是指一些缺失详细内容，无法在条目中详细记述,但又有一定的重要性，不能不在志书中有所反映的内容,可收录在大事记中，避免了志书重要内容的缺漏。

图3 脉宽调控程序流程

2.2 信号采集子程序

系统有4个信号需要捕获，即踏板上具有冗余设计的2个输入位置信号，电子节气门上具有冗余设计的2个反馈位置信号。节气门位置传感器和踏板位置传感器的输入皆为电压信号，需要通过数模转换，把模拟量的电压信号转变为数字量信号。踏板位置传感器(PPS1和PPS2)和电子节气门位置传感器(TPS1和TPS2)皆有2个，因此应用4通道。程序流程如图4所示。

图4 信号采集流程

2.3 角度计算子程序

程序设计计算中，需要将加速踏板位置传感器(PPS)的设定角度和油门位置传感器(TPS)的反馈角度计算出来。根据PPS及TPS的输入信号，以及各自的电压角度关系，可以计算出输入角度和反馈角度。接着，将踏板输入的角度转换，以确保踏板的角度与油门的打开角度相对应。踏板角度和油门角度计算子程序流程如图5所示。

在编写角度计算程序之前，要对节气门打开角度和节气门传感器的输出电压进行标定。标定的结果如图6所示。

图5 踏板角度和油门角度计算子程序流程

图6 电子节气门的标定

2.4 控制器程序

平台采用PID控制算法，将节气门位置传感器和踏板位置传感器偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)，通过线性组合构成控制量，然后对驱动电机进行控制。控制程序如图7所示。

图7 控制器程序流程

3 试验平台的搭建与实验

完善所有的程序后，通过Keil uVision2编译后形成.hex文件，利用下载软件将.hex文件烧写到51单片机当中，连接所有的硬件，并通电。实验平台实物如所图8所示。

图8 节气门实验平台实物

3.1 小角度到大角度阶跃实验

实验表明，节气门开度为10%～90%时，节气门开度有明显的超调。产生的原因主要还是因为增量式PID控制超调量较大，可以采用其他控制方式，如变积分PID算法。

3.2 波动跟踪实验

实验表明，节气门打开角度增大时，具有明显的滞后性；当节气门角度迅速减小时，具有较好的跟踪性。主要原因是节气门开度增加和复位弹簧方向相反，滞后明显；节气门开度减小，电机反转与复位弹簧方向相同，跟踪性较好。

在实验中，发现节气门阀体随踏板位置变化反应较缓慢，有大概50 ms的延缓，这个主要与程序算法有直接的关系。

4 结束语

采用了比较常用的加速踏板、电子节气门模块，L298H桥直流电机模块，以及比较简单实用的C8051单片机作为主控制器，实现了实验平台的功能。实验平台采用的普通增量式PID控制算法，存在一定的超调量，节气门开度变化时，滞后时间较长。为解决此问题，可尝试使用变积分PID或者模糊控制等其他控制算法。平台的搭建不需要太多的花费，易于实现，可以较好进行推广。

[1] 杜开明，秦大同，刘振军，等.电子节气门仿真控制[J].重庆大学学报(自然科学版),2005，28(4):14-18.

[2] 胡明慧，朱冬生，邵慧鹏.电子节气门控制器的设计[J].自动化仪表,2010，31(2):25-29.

[3] 林学东,王 霆.车用发动机电子控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4] 李 华.MCS-51 系列单片机使用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003.

[5] 张 岩.基于FPGA的心电信号诊断技术研究[D].天津:河北工业大学,2011.

[6] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社,2002.

[7] 朱二欣.电子节气门控制系统的开发研究[D].长春:吉林大学,2004.

[8] 杨振东.基于模糊PID电子节气门控制系统的研究与开发[D].长沙:湖南大学,2008.

Study of Experimental Platform of Electronic Throttle Based on PID

ZHONGWenjun，LUZhixiong，DIAOXiuyong，HUANGXiang

(College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

In order to improve the students’ understanding of vehicle electronic control system,set up an electronic throttle teaching experiment platform. The paper mainly introduces the hardware of the platform,and use the C language design the software of platform. Use ordinary incremental PID closed-loop control as the main controller of electronic throttle system.

vehicle electronic control；electronic throttle control；PID

2014-04-08

U461.6

A

1001-2257(2014)07-0047-03

钟文军(1990-)，男，四川犍为人，硕士研究生，研究方向为车辆电子控制技术；鲁植雄(1962-)，男，湖北武穴人，教授，博士研究生导师，研究方向为车辆电子控制技术。