基于单体电子节气门控制器的设计与实现

肖寿高

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院，陕西 西安 710018）

基于单体电子节气门控制器的设计与实现

肖寿高

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院，陕西 西安 710018）

作者研究分析了单体电子节气门总成的结构及工作原理，实现了单体电子节气门控制器的设计，并对单体电子节气门进行了静态试验测试，试验结果表明控制器硬件和软件匹配良好，系统结构合理，具有一定的理论研究及实际应用价值。

电子节气门；控制器；试验；软件

引言

电子节气门(ETC)是汽油发动机实现全电控化的关键部件，它是在电驱动理念的发展下产生的，因而在国外已有20多年的发展历程，一些著名的汽车零部件生产厂商已开始大规模的生产电子节气门及与之配套的ETC控制器，如博世公司、德尔福公司、西门子公司、电装公司等甚至研发出了第二代电子节气门控制系统(ETCS)，并且大量配置于中高端汽车上。而在国内，ETC的研究开始于2000年，尚属起步阶段，目前只有少数企业进行了电子节气门方面的研究，如一汽集团公司研发出的ETCS已应用到旗下的高端产品红旗汽车；四川红光机车厂可生产配套的电子节气门，然而只是在原有机械式节气门上做适当改进而成的；此外，还有一些高校也在进行这方面的研究，如清华大学研究的电子节气门控制器已应用到混合动力车型，北京理工大学进行了快速原型控制的ETC控制器研究。尽管电子节气门的研究在国内处于生机盎然的态势，然而对ETC的核心技术还是没有完全掌握，没有自己的知识产权，因而制约着电子节气门产品在国内中低端汽车上的推广。本文以德尔福公司生产的电子节气门为原型，设计了一种ETC控制器，完成对电子节气门的静态试验测试，为发动机台架试验及整车试验标定做铺垫。

1 电子节气门总成结构及工作原理

选用德尔福电子节气门作为研究对象，其结构由驱动系统、节气门传感系统和阀体、节气门阀片及附件系统三部分组成，其中驱动系统由驱动电机、减速齿轮组和复位弹簧组成，见图1为其结构简图[1]。

图1 ETC结构简图

基本工作原理：ETC的驱动电机产生的扭矩通过驱动齿轮Z1、减速齿轮Z2和Z3带动从动齿轮Z4克服复位弹簧的扭转作用力和系统摩擦力而使节气门轴转动，同时安装在从动齿轮端上的节气门位置传感器随节气门轴一起转动，将测得的开度信号反馈给ETC控制器。

在此需要注意的是驱动电机采用永磁直流力矩电机，其作用是提供ETC扭矩驱动节气门阀片转动，具有优良的线性性能、控制精度高等特点，还有响应速度快、容易控制且控制电路简单，适合于中小功率系统的闭环位置伺服控制。

节气门位置传感器采用冗余设计，即采用两个电位计（以TPS1和TPS2表示）同时检测节气门阀片转动角度，且传感器输出信号的和为常数，以此完成相互检测的功能，通过控制器的检测和计算达到故障自诊断功能，提高汽车行驶安全性。其中节气门位置传感器的接线端子和原理图如图2所示。

图2 TPS电路原理和接线端子图

2 电子节气门控制器设计

ETC控制器[2]由硬件部分和软件部分组成，硬件部分主要包括信号采集电路、电机驱动电路以及MCU系统电路，软件主要由系统主程序和子程序组成，采用C语言编写程序。控制器结构功能如图3所示。

图3 控制器结构图

2.1 硬件电路设计

由图3可知，控制器需要采集油门踏板位置传感器信号（PPS）和节气门位置传感器信号（TPS），其中PPS为给定目标信号，TPS为跟踪信号；然后根据控制算法程序输出 PWM信号以驱动电机达到目标开度。考虑到本设计只完成ETC的静态试验，系统程序占用硬件资源并不大，因而采用8位MCU微处理器就足以完成任务，本控制器采用硬件资源较为丰富的 Atmega16L单片机[4]，片内含有较大容量的非易失性 ROM和RAM，片内集成8路ADC转化器，可以输出4路PWM信号以及支持增强型USART异步串口通信等功能，是一款性价比较高的单片机；采用L298型号的H桥芯片驱动直流电机，可同时驱动两路电机负载，最大输出电流可达4A，并且含有电流过载保护功能，可以完全满足驱动电机的控制要求。

根据L298芯片的特点设计见图4所示的电机驱动电路，其中VSS端子接VCC为+5V电源；VS端子接VDD为5V-36V的驱动电源，本系统VS接12V，与车辆12V电系保持一致；ENA接单片机PD7引脚，为电机的使能信号；IN1和IN2端子接单片机PD5和PD6引脚，以控制电机正反转；OUT1和OUT2端子接电机正负极，输出电机驱动电机运转；SENA和 SENB端子为电流检测引脚，在此接地取消过流检测；由于电机为感性负载，因此采用续流二极管吸收感性电流，以保护驱动芯片。

图4 电机驱动电路

为了使单片机能够正常运行，需设计Atmega16L单片机[3]的最小系统电路，最小系统电路包括复位电路、晶振电路以及供电电源电路；同时为了完成ADC转换器的功能还需要AD转化滤波电路以增强AD转化的稳定性，提高转化精度；由于传感器在检测过程中可能会受到电磁高频干扰，因此应设计传感器滤波电路增加信号的质量；若对测试系统提出传感器故障报警功能，应加上故障报警电路。

2.2 软件程序设计

系统主程序[4]包括初始化部分和循环部分，而初始化主要有常量初始化、端口初始化、ADC初始化、控制参数初始化以及USART初始化等；而循环部分主要是调用一些子程序完成计算和控制功能，如控制算法子程序、中断服务子程序、数据采集处理子程序和故障诊断子程序等。根据实际情况设计如图5所示的ETC控制系统主程序流程图。

图5 ETC控制系统主程序流程图

上图的滤波子程序采用普通的均值滤波算法，以增强信号的平滑性；PWM子程序由TC1定时器/计数器产生，发出比较匹配中断时，OC1A引脚清零，发出溢出中断时，OC1A置位，且将控制量赋值给 T1以产生变化的占空比，程序流程图 6所示；数据采集子程序利用定时器/计数器TC0比较匹配中断作为ADC转化触发源，实现程序如流程图7所示。

图6 PWM子程序流程图

图7 数据采集子程序

而角度计算子程序是由将节气门转角与位置传感器电压关系特性曲线决定，只是简单的线性变换；故障诊断子程序主要是诊断节气门位置传感器的工作状态，在对TPS的标定曲线中，可以知道TPS1输出电压范围为0.41V-4.48V，TPS2的输出范围为4.57V-0.51V，可以看出TPS1+TPS2约为5V，因此采取阈值界定的方法实现对TPS1、TPS2故障诊断，若均无故障时，以TPS1计算节气门开度，由这些特性设计如图8所示的TPS故障诊断程序流程图。

图8 TPS故障诊断子程序流程图

本设计选用的控制算法为增量式PID算法，其控制原理是根据系统的被控量实测值与设定值之间的偏差，然后按偏差的比例、积分和微分运算计算出被控对象的控制量。在此以油门踏板位置传感器检测的油门开度(PPS)为给定信号，以节气门位置传感器检测的节气门开度(TPS)为实际信号，然后使偏差e(k)=PPS-TPS作为PID控制器的输入，再对偏差进行比例(Kp)、积分(Ki)和微分(Kd)运算得到控制量u(k)，并对u(k)进行阈值界定以保持节气门的控制性能。因此，设计如图9所示的程序流程图。

图9 增量式PID子程序流程图

串口通讯子程序是为了方便数据的采集而提出的，可以直接用单片机的USART接口完成数据通讯功能，如为了分析控制器的控制性能可以利用此接口将PPS和TPS的数据实时发送至上位机，利用底层开发软件编写监控软件，可将上传的数据绘制成随时间变化的曲线，得到节气门跟踪油门踏板的响应曲线。采用这种方法带来的好处主要是能及时判断控制器的响应性能，若控制性能不理想，可以及时整定PID参数或改进控制算法提高控制器的性能。此外还可以将占空比信号、电机电流信号以及传感器故障信号通过串口通讯将信息上传至上位机，利用开发的监控软件显示数值和故障码，以及时调整试验过程。

3 电子节气门控制系统试验分析

通过大量的试验前期准备，搭建电子节气门控制系统试验装置[5]，实现了ETC控制器硬件和软件的基础平台。由于实际的电控汽油机对电子节气门的响应时间在数百毫秒级以内，因此对电子节气门做静态试验时，在数秒时间之内的试验即可验证控制器的控制性能。本文对设计的电子节气门控制器进行了试验验证，试验结果如图10所示。

图10 随动跟踪响应曲线

试验结果表明TPS对PPS表现出良好的跟踪性能，只有在0.8s-1s之间没有跟踪PPS,原因是在本次试验中，PPS是用电位器代替的，电位器的最大输出电压为5V，按角度转换子程序来计算，那么换算成节气门目标开度为90°，而TPS最高电压为4.48V，换算成实际节气门开度为85°，因此在这段时间没有跟踪 PPS。但是，在这段时间内，可视为 TPS对PPS的阶跃响应阶段，从这个角度也可以看到控制算法是否表现出优良的控制性能。

4 结论及展望

本文详细设计了控制器的硬件结构及软件算法，利用该控制器对电子节气门进行了随动跟踪控制，实现了控制器的控制功能，在控制性能上达到了静态试验的控制要求，试验结果验证了该ETC控制器的设计有效性及合理性，为电子节气门应用于电控汽油机提供了一种有效的方法。

同时，也为以后更深入研究电子节气门控制系统应用于整车打下了基础，在此基础上加大硬件和软件的投入，便可以将电子节气门控制器集成于发动机 ECU，以真正实现电子节气门优越的控制性能，如定速巡航控制、驾驶模式控制等。

[1] 吴克刚.ETC设计说明书[R].西安:长安大学电子节气门开发与试制课题组,2010(2).

[2] 李雅博等.发动机电控节气门控制器的研发[J].公路交通科技,2004(3):106-109.

[3] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007(10):26-37.

[4] 尹叶丹,程昌银等.基于 DSP的电子节气门控制器的研制[J].武汉理工大学学报,2003(10):32-34.

[5] 肖寿高.电子节气门控制系统的研究与仿真[D].长安大学,2011（5）:50-67.

Based on the Design and Implementation of the Single Electronic Throttle Controller

Xiao Shougao
（Department of Automobile, Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018 )

The structure and working principle of the single electronic throttle assembly have been analyzed, the design of the single electronic throttle controller has been realized, and the static test was carried out for the single electronic throttle,The test results show that the controller hardware and software match well, reasonable structure for system, tt has some theoretical research and practical application value.

electronic throttle; controller; test; software

U462.1

A

1671-7988(2017)22-48-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.017

肖寿高，汽车设计工程师，就职于陕西交通职业技术学院，主要从事汽车维修检测教学与实训，汽车电控等相关专业研究。

CLC NO.:U462.1

A

1671-7988(2017)22-48-04