基于TwinCAT的汽油机电控节气门系统仿真

基于TwinCAT的汽油机电控节气门系统仿真

刘牮,韩益蒙

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要介绍了一种汽车电子节气门控制系统,以及节气门各个部分的标定方法。选用Matlab/Simulink建立系统模型,利用Matlab的代码自动生成功能,将模型转化为PLC代码,并在TwinCAT环境下运行并进行仿真,仿真结果表明该系统的执行值与主控制器发出的指令值匹配良好。

关键词汽油机;电控节气门;TwinCAT

收稿日期:2015-01-04

作者简介:刘牮(1961—),男,副教授。研究方向:电工电子学,电子技术。E-mail:liuliu2702@163.com。韩益蒙(1991—),男,硕士研究生。研究方向:电气工程。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.042

中图分类号TK41

Simulation of Electronic Throttle Control System of Gasoline Engines

LIU Jian,HAN Yimeng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper introduces the electronic throttle control system of gasoline engine and describes the electronic throttle control system in detail.A math model is built based on Matlab/Simulink to convert the model to PLC code using the automatic coding of Matlab.The processes and architectures of these models are simulated in the environment of TwinCAT.Simulation results and theoretical analysis results are basically identical,indicating a good agreement of the execution values with the instruction values sent by the main controller.

Keywordsgasoline engine;electronic throttle control;TwinCAT

电子节气门控制[1](Electronic Throttle Control,ETC)是在电控燃油喷射系统的节气门机构中去掉一些附属补偿装置,取消了油门加速踏板和节气门之间的机械连接,增加了驱动电路、驱动电机以及齿轮传动系统等,通过控制算法实现节气门开度的精确控制,从而精确控制进气量。电气节气门控制系统作为发动机控制的一个功能模块,除了维持发动机正常运行所进行的加速、怠速控制外,还可以完成与进气控制有关的巡航控制,防抱死控制等,通过电子节气门中的驱动电机实现节气门的开度来实现综合控制[2]。

本文在Matlab/Simulink环境中建立了汽油机电控节气门的系统模型,利用其自动代码生成工具,将模型自动转化为PLC代码,并在TwinCAT环境下进行仿真,从而得出仿真结果。

1电子节气门控制系统ETC的结构

电子节气门控制系统结构如图1所示。整个系统由加速踏板位置传感器模块、节气门控制单元、发动机和传动系统等组成。加速踏板位置传感器反映驾驶员对发动机的转矩需求,将位置信号转化为电压信号输入到电控单元,电控单元根据加速踏板位置,改变速度、节气门转角、进气量等一系列信号综合计算出节气门应有的开度,然后发出指令给电子节气门的直流电机,控制电机的输出力矩。电机的输出力矩与复位弹簧的力矩平衡时,节气门稳定在目标开度。达到目标开度后,节气门位置信息通过传感器反馈给电控单元,实现完整闭环控制[3-4]。

目前的电子节气门产品已经将节气门控制器与发动机电控单元集成为一体,从而使系统结构进一步简化,即图1所示的ETC模块。

图1　电子节气门控制系统ETC模块结构

2电子节气门以及踏板模块的标定

本文以踏板的输入信号作为节气门的目标开度,由节气门位置传感器反馈节气门的实际开度,踏板的输入信号与节气门的反馈信号均为电压信号,并且与位置相对应。

2.1　电子节气门的标定

节气门体连接器有6个引脚,其中两个引脚是电机的电源线,其余为节气门传感器的电源线和信号线[5],引脚分布如图2所示。

图2　节气门引脚分布

获得精确控制的前提和基础是对节气门位置传感器输出特性进行研究,因此对其进行标定,得到节气门位置传感器输出电压与其角度的关系曲线[6-8]。

为了将节气门位置传感器的输出电压信号转化为节气门旋转角度,在转轴中心固定一枚刚性指针,端面处固定角度刻度盘,刻度盘中心位于转轴轴线上。标定时,给节气门位置传感器提供5 V电压。设定节气门完全闭合位置为0°,完全打开为88°。从0°开始,每间隔5°旋转节气门转轴,直到节气门完全打开,记录节气门旋转角度α以及相应的输出电压。

图3为标定后节气门旋转角度α与输出电压之间的关系。由图可知,节气门位置传感器与输出电压具有良好的线性关系,因此根据节气门位置传感器提供的电压信号可以准确地检测出节气门旋转角度。

图3　节气门位置传感器输出电压曲线

2.2　油门踏板的标定

用与节气门相似的方法对油门踏板进行标定,记录踏板不同角度时的输出电压PPS,得到输出电压信号与踏板旋转角度β之间的对应关系曲线,如图4所示。

图4　踏板位置传感器输出电压曲线

3节气门数学模型的建立

3.1　发动机模型

该模型主要从能量转换和工质流动的角度对发动机运行进行分析和模拟,主要功能是根据发动机的状态参数(即发动机转速n和节气门转角α)来计算发动机的进气量[9]。

(1)

(2)

(3)

(4)

β1(α)=1-cosα

(5)

(6)

pr=pman/pamb

(7)

图5　发动机数学模型

3.2　节气门控制模型

采用最基本的PID控制,由比例单元P,积分单元I和微分单元D构成,经过反复试验确定各项参数如下:P为2;I为0.2;D为0.01。节气门数学模型在Matlab中的图形化结构如图6所示。

图6　节气门控制系统模型

为了对PID控制效果进行验证,在Matlab环境下进行仿真,给定一个方波,仿真结果如图7所示,其中黄线表示给定方波,紫线表示跟踪效果。可以看出,该参数下PID控制效果与真实情况接近,表示所选参数符合实际情况。

图7　PID效果图

4仿真结果及分析

对于大型相对复杂的控制系统,手工编程不仅耗费人力而且准确率不高,Matlab2010a提供了一种从Simulink模型到PLC代码的自动生成功能。本文采用该功能,将转化后的PLC代码植入TwinCAT,并在TwinCAT的环境下进行仿真。系统初始状态如图8所示。

图8　初始状态

图8(a)表示油门踏板信号与节气门开度,图8(b)表示节气门驱动电机输出电压信号。

踏下油门踏板至最大值时系统状态如图9所示。

图9　系统最大状态

从图9中可以看出,电控节气门的执行值与主控制器发出的节气门指令值基本一致,当节气门开度达到某个固定值时,输出电压基本保持稳定[10]。

5结束语

本文建立了与实际汽车环境相对接近的数学模型,得出了比较符合实际的仿真结果,仿真结果与期望值基本一致。本文采用基于模型的V-cycle开发模式有效减少了调试的工作量,使得整个实验过程效率大幅提高。

参考文献

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