汽车电子节气门控制系统的设计

刘海锋

（增城区职业技术学校，广东广州511300）



汽车电子节气门控制系统的设计

刘海锋

（增城区职业技术学校，广东广州511300）

摘要：电子节气门控制系统主要包括硬件和软件两部分，硬件部分主要包括信号采集电路、电压显示电路和电机驱动电路。软件采用C语言编写，主要包括驱动程序和信号处理程序。设计者通过对设计好的电子节气门控制器进行了测试，测试结果表明，所设计的电子节气门控制系统的开度控制比较准确，节气门开度相对与油门踏板位置具有良好的跟随性。

关键词：电子节气门；控制系统；开度控制；跟随性

汽车电子节气门是发动机电子系统中的核心部件，电子节气门作为发动机实现电控的基础，目前已经得到越来越广泛的应用［1］。增城区职业技术学校作为增城地区唯一一间开设汽修专业的公办职业技术学校，承担着为增城区汽车产业的发展提供大量的专业技术人员的任务。汽车专业是学校的重点专业，教学设备齐全，然而在汽车电子节气门的教学上，缺乏独立的电子节气门教学系统。作为学校电子专业的教师，笔者主动申请为汽车实验室设计一个电子节气门教学系统，既能满足学校汽修专业的教学需求，又能通过实际项目锻炼电子专业学生的设计动手能力。

1 电子节气门系统的结构与工作原理

1.1 电子节气门系统的结构［2］

电子节气门系统（图1）采用一种柔性控制方式，主要组成有以下几部分：

（1）加速踏板位置传感器：加速踏板是反映驾驶员意图的装置，它的核心是两个电位计式位置传感器，其内部主要是一个反应位移量变化的可变电阻，电压值变化范围为0～5 V。

（2）电子节气门体总成：节气门体主要由驱动电机、节气门阀片、节气门位置传感器、减速齿轮机构等组成。

（3）电子节气门控制单元（ECU）：ECU是整个电子节气门控制系统的核心。驾驶员的意图经由ECU分析做出判断，给驱动电机发出指令，由电机驱动节气门阀片转动，调节其开度变化。

1.2 电子节气门系统的工作原理

当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置传感器将加速踏板位移量信号转换为电压信号传给ECU，ECU通过对当前所处工况进行分析和逻辑处理后发出控制信号，控制节气门驱动电机，使电机按照ECU给定的角度驱动节气门运转并达到所需的开度，同时节气门体上的节气门位置传感器将测得的当前节气门位置信反馈给ECU，通过反馈控制实现对节气门的最佳闭环控制。

图1　电子节气门系统的结构

图2　电子节气门控制系统信号流程

图3　电子节气门控制器电路

2 电子节气门控制系统的设计

文章设计的电子节气门系统（ETCS）控制单元采用了STC89C52RC单片机作为主控芯片，直流电机驱动电路的设计选用以芯片L298N为核心的电机驱动模块，AD模数转换模块采用性能非常稳定的ADC0832芯片，显示模块采用了LCD1602。电子节气门控制系统信号流程图以及电子节气门控制系统电路图分别如图2、图3所示。

2.1 信号采集电路设计

电子节气门中传感器电压信号的采集是整个控制系统首要的任务，采集到的信号的可靠性决定了整个系统的性能。信号采集电路的设计以ADC0832芯片为核心，配合STC89C52型单片机，辅以必要的外围电路，实现对油门踏板位置的电压信号和节气门位置传感器位置的电压信号的采集，然后传送到单片机中进行运算处理。在本设计中，油门踏板位置传感器信号（TPS1）和节气门开度位置传感器信号（TPS2）分别通过两个电位器来给定模拟。

2.2 信号显示电路设计

两个电压信号显示采用的是集成的LCD1602液晶显示模块，通过A/D采集回来的信号送到单片机之后，再利用LCD1602实时显示出来，这样有利于对油门位置信号和电子节气门开度位置信号有一个直观的把握。两个电压信号在LCD1602中分别在第一行和第二行显示，第一行显示的是油门电压信号，第二行显示的是节气门开度位置信号，显示的电压范围均是0～5 V。LCD1602的供电电压Vcc接5 V，其中20 K的电阻是高精度微调电阻，其作用是调节LCD的背光，以防止“鬼影”的出现。由LCD1602的介绍可知，引脚2的Vcc是对显示模块的芯片供电，而引脚15的BG Vcc仅仅是对显示模块的背光供电。常常把BG Vcc接到单片机上，再用程序开启背光。而在本设计中，为了电路的简化，直接把背光接到5 V的电压上，换句话说，这种设计使得LCD1602的背光是长亮的。

2.3 电机驱动电路设计

节气门驱动电机一般为直流电机，控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，控制单元通过调节脉冲宽度调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。本设计中采用L298N芯片驱动直流电机。电子节气门中只有一个直流电机，而驱动芯片L298N能够驱动两路的直流电机，所以只采用L298N的一路。电子节气门直流电机采用的是+12 V电压，故L298N模块的Vss接的是+12 V。电机驱动模块Vcc接的是+5 V的电压，这是对模块芯片的供电。为了保护主控芯片，在L298N与STC89C52之间装有光耦驱动芯片TLP521-4，这样能够防止主控芯片烧坏。

2.4 程序的设计

在程序的设计上［3］，为了使节气门响应速度足够快的同时保证超调量不至于太大，本设计根据两个信号的差值把PWM输出的占空比分成了6个挡，如表1所示。

程序控制的核心思想就是通过判断油门信号（电压1，TPS1）与电子节气门位置信号（电压2，TPS2）之差来控制脉冲宽度调制（PWM）中的占空比，如果电压1与电压2的差值较大，也就是突然加大油门，这时候我们希望电子节气门反应快一些，所以输出的占空比应该比较大；反之，输出的占空比应该比较小。这样，只需要保证在最小的电压差里，所输出的占空比能够刚好克服回位弹簧的力矩就可以了［4］。因此，本节气门控制器的主程序流程如图3所示。

表1　信号差与PWM占空比输出

3 电子节气门教学平台

3.1 电子节气门教学平台的介绍

电子节气门教学平台主要由电子节气门总成、电压显示表、控制系统、接线端子等组成，能够直观看到控制系统对节气门开度控制的响应效果。教学平台如图4所示，电子节气门教学平台中每一根线之间都有中断开关，主要是用于做实验的时候观察某一路接线出现问题，电子节气门会出现何种故障。文章所设计的控制系统（图5）连接到ECU位置处，实现电子节气门的基本功能。电子节气门向外引出六根线，具体功能如下：引脚1和引脚4都是信号线，引脚1出来的称之为信号1，引脚4出来的称之为信号2。信号1接到了教学平台上的电压显示屏上，节气门开度越大，则电压值越高，在节气门开度在0到 90°的范围内，电压的变化是从0.78到4.98 V之间变化。信号2要接到电子节气门的控制系统上，作为节气门开度位置反馈信号。信号1与信号2的关系是它们之和为5 V。引脚2接的是+5 V电压，是对电子节气门内部传感器工作提供的电源。引脚3和5是直流电机控制线。

图3　主程序流程

图4　电子节气门教学平台

图5　电子节气门控制系统

图6　占空比=0的PWM

图7　占空比=60%的PWM

图8　占空比=70%的PWM

3.2 电子节气门控制系统的测试

在接上电子节气门电机之前，先利用示波器观察电机驱动模块电机控制线PWM的输出波形。通过观察知道，PWM输出的波形符合设计要求，各挡位的PWM输出波形图如图6至图11所示。然后接上电子节气门电机，对控制系统进行调试发现，在油门踏板电压输入量在3到5 V之间的情况下，控制系统对节气门直流电机的角度控制效果比较理想。在油门踏板电压输入量在0到3 V之间的情况下，节气门直流电机在某一角度下略有波动，这是由于电子节气门的回位弹簧产生的回位力矩随着节气门开度的变化是非线性的，而控制程序中，只能保证占空比最小的那一挡满足某一节气门开度下的回位弹簧力矩。总之，电子节气门在演示台上的开度控制比较准确，节气门开度相对与油门位置具有良好的跟随性。

图9　占空比=80%的PWM

图10　占空比=90%的PWM

图11　占空比=100%的PWM

4 结束语

电子节气门控制系统的核心就是对直流电机角度控制。通过单片机来实现电机调整又有多种途径，用单片机直接产生PWM波形的方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。本设计通过对油门信号和反馈信号之差作比较，以差值的范围把占空比划分为六个挡位。他们之差越大，则控制输出的占空比越大，直流电机输出力矩越大，节气门响应越快。当反馈信号大于油门信号的时候，输出的占空比为0，节气门在回位弹簧的回位力矩作用下减小开度，从而实现对直流电机的角度闭环控制。

参考文献：

［1］李雪飞，凌永成.基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计［J］.微计算机应用，2005，（1）.

［2］黄费智.汽车发动机电控技术图解教程（第1版）［M］.北京：机械工业出版社，2013：1-8.

［3］陈忠平.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真（第3版）［M］.北京：电子工业出版社，2015.

［4］宛传平，梁 磊，刘纯利.基于Proteus的电子节气门控制系统仿真和实验［J］.安徽科技学院学报，2010，24，（1）：44-47.

研究方向：电子与通信

中图分类号：U464.134.3

文献标识码：A

文章编号：1671-8496-（2016）-02-0056-05

收稿日期：2015-12-23

作者简介：刘海锋（1980-），男，讲师，硕士

Design of the Automobile Electronic Throttle Control System

LIU Hai-feng
（Zengcheng Vocational Technical School，Guangzhou 511300，China）

Abstract:The electronic throttle control system mainly includes two parts，the hardware and the software.The hardware is composed of the signal collection circuit，voltage display circuit and motor drive circuit.While the Software，which is written by C Programming Language，includes the driver and signal processing program.A newly designed electronic throttle controller is tested，and the test results show that the design of the electronic throttle control system of the opening control is accurate，the throttle opening and the accelerator pedal position is relatively good to follow.

Key words:electronic throttle；control system；the opening control；following