基于单片机和组态软件的电子节气门控制系统

曾曲洋（三峡电力职业学院，湖北宜昌，443000）



基于单片机和组态软件的电子节气门控制系统

曾曲洋
（三峡电力职业学院，湖北宜昌，443000）

［摘要］针对电子节气门的控制，以ATMEG16L单片机为核心，设计了电子节气门控制系统，并通过MCGS组态软件与单片机之间的通信，显示控制结果。实验表明利用单片机完成的控制系统可以满足控制要求。

［关键词］电子节气门；单片机；MCGS组态

1　前言

传统汽车的机械式节气门，采用钢丝绳和杠杆与驾驶室内的油门踏板相连，驾驶员通过踩油门踏板的行程来控制节气门的开度，亦即改变节气门进气通道的截面积，调节发动机的进气量，达到改变发动机输出功率的目的。

由于传统节气门只是单一的反映驾驶员的操纵意图，当驾驶员加速或者减速的时候，节气门开度随之变大或者减小，因此节气门的结构非常简单，并能够迅速准确反映驾驶员的意图，所以可靠性也很高。但这同时也造成了传统节气门的一些缺陷，因为汽车在道路上行驶时，发动机输出转矩不能仅仅根据驾驶员的意图来判断，它还要考虑道路状况，汽车工况，环境等，所以直接根据驾驶员的意图来控制节气门的开度会导致节气门的开度不能达到最佳，这样就影响了燃油的经济性和汽车的动力性，同时使汽车有害排放物质增加。

2　电子节气门的工作原理

电子节气门控制系统的结构框图如图1所示。

图1　电子节气门控制系统的结构图

它的工作原理是：驾驶员操纵油门踏板，油门踏板位置传感器产生相应的电压信号，即节气门开度的参考信号，控制单元对输入的模拟信号进行采样处理，然后经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其它工况信息以及各种传感器信号如车速、车距、节气门位置、路面附着系数等等，综合分析计算得出一个期望的节气门开度值，并输出对应的控制信号给驱动电机，在驱动电机作用下，节气门阀片达到期望位置。在整个控制过程中，节气门位置传感器将节气门开度信号不停的反馈给控制单元，控制单元将得到的开度信号与目标值不停比较并修正，直到实际的节气门开度值达到与期望的节气门开度值相对应的位置。

控制系统硬件电路框图如图2所示：

图2　控制系统硬件电路框图

3　单片机与组态软件通信

为了更好的观察实验结论，本次实验建立了上位机界面来显示结果，上位机采用的是MCGS组态软件，选用莫迪康- RTU为设备构件，它是遵从Modbus协议的，所以单片机的通信程序必须也符合Modbus协议才能和上位机通信。

在网络通信过程中，上位机按照Modbus协议规则给下位机发送命令，下位机接收到上位机的命令以后产生相应的动作，如果上位机需要下位机将结果返回那么下位机就要按Modbus协议规则进行应答。当上位机与多个下位机通信时，每个下位机都有其固定的地址，这个地址信息是包含在Modbus协议中的。

本次实验设计中使用的是Modbus的RTU协议，它有固定的协议格式，在数据通讯时，主机发出数据请求消息，从机在收到正确消息后发送数据到主机响应请求，下面对该协议做简单介绍。

上位机发送的命令格式依次是设备地址(一个上位机可以与多个下位机通信，设备地址决定和哪个下位机通信)、命令号(当上位机要读取下位机数据时命令号为01)、起始寄存器地址高8位、起始寄存器地址低8位(上位机打算读取的数字量的起始地址)、读取寄存器数高8位、读取寄存器数的低8位(从起始地址开始要读的数据的个数)、CRC校验码的低8位、CRC校验码的高8位(为了保证数据传递的准确性对传递数据进行校验)。

单片机响应的命令格式依次是设备地址(设备地址应与上位机发送设备地址一致)、命令号(命令号与上位机发送命令号一致)、返回的字节个数(返回了N个字节)、数据1、数据2…..数据N、CRC校验码的低8位、CRC校验码的高8位。

协议中提到了CRC校验，在这里具体介绍一下CRC校验过程，CRC校验是一种使用较多的校验方法，RTU模式采用的就是这样的一种校验方法，CRC校验码有两个字节，在通信的过程中，把它加到传输的消息后，当接受消息的设备收到消息后也进行CRC校验，比较两个CRC的校验值看是否一致，如果一致表示接受消息正确，如果不一致表示接受消息错误[35]。

CRC的校验码的产生过程具体如下：首先给定一16位寄存器，寄存器的值为0XFF，将第一个8位的字符与给定的16位寄存器值异或，然后将得到结果向右移动一位，左边用0补充，如果异或结果最低位为1，那么将异或结果在与预置的值（这里取的是0XA001）或一下，如果最低位为0，只向右移动一位，循环8次，然后取第二个8位字符和16位寄存器当前值异或，重复前面过程，最后当消息中的所有8位字符执行以后，得到的16位寄存器的值就是最终的CRC的值。当把CRC校验码加到消息中的时候，低8位放在前面，高8位放在后面。下面是它的C代码：

Unsigned int GetCheckCode (char * pSendBuf, int nEnd)//获得校验码

{

Unsigned int wCrc=0xFFFF;

for(int i=0;i

{

wCrc^=WORD(BYTE(pSendBuf[i]));

for(int j=0;j<8;j++)

{

if(wCrc&1)

{

wCrc>>=1;

wCrc^=0xA001;

}

else wCrc >>=1;

}

}

return wCrc;

}

4　控制系统实验结果

本试验采用的电子节气门体型号是BOSH- DVE5 图3为节气门由平衡位置到最大开度的响应曲线，由于节气门全开时电压信号约为4.44V，因此给定参考电压信号为4.35V，可以看出节气门响应时间约为250ms，稳态误差为2%，满足前面给定的性能指标。

图3　节气门最大开度响应曲线

图4为节气门半开度响应曲线，参考电压信号约为2.67V，节气门稳定时电压约为2.64V，在上升时间有少量超调现象，稳态误差为1.12%。

图4　节气门半开度响应

图5为1s方波快速跟随实验，通过曲线可以看出在跟随的过程中会有滞后的现象产生，无超调现象，在电子节气门的实际应用中基本能够满足控制要求。

图5　 0.8s方波跟随曲线图

图6为方波慢速跟随曲线，可以看出当给定信号变化越慢，跟随性能就越好，跟随过程中无超调，无滞后现象。

图6　 5s方波跟随曲线图

5　结语

本章通过试验台验证了系统响应的时间能够达到性能指标，当给定信号频率过快的时候会产生滞后现象，但在对节气门控制要求不太高的情况下可以满足基本的控制要求。

[参考文献]

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

[2]耿金芬,焦予野,刘钟阳.模糊控制电子节气门[J].仪器仪表学, 2006,27(6)847- 848.

[3]于洪洋.基于位置反馈控制的电子节气门控制系统研究[J].汽车技术，2007,(8).

[4]于宁,李文江.应用组态软件实现计算机与单片机的通串行通信[J].仪器仪表用户,2005,12(3):90- 91.

Electronic Throttle Control Systems Based on Microcontroller and Configuration Software

ZENGQuyang
（Sanxia Power Vocational College, Yichang443000, Hubei）

［Abstract］In view of the electronic throttle controller, the design of the electronic throttle control system is based on the ATMEGA16L microcontroller core, and display control results through the communication of MCGS and the microcontroller. Experiments showthat the control systemperformed bymicrocontraller can meet the control requirements.

［Key words］electronic throttle, microcontroller, configuration software MCGS

［作者简介］曾曲洋（1983-），女，湖北宜昌人，湖北三峡电力职业学院讲师、硕士，研究方向：非线性系统控制、信号处理。

［收稿日期］2015- 4- 9

［中图分类号］U464

［文献标识码］A

［文章编号］1671- 5004（2015）03-0020-03