汽车发动机电子节气门总体结构及其智能控制系统设计

张黎黎

(烟台汽车工程职业学院 汽车工程系， 烟台 265500)

0 引言

随着人们对汽车功能及性能需求的逐渐提升，以及汽车电子技术的快速发展，对汽车发动机性能的要求也随之提高，现代汽车控制技术以降低加减速响应时间、及提升汽车舒适性等为目标，然而在提高加减速快速响应性能的同时会加剧整车加减速瞬时震荡程度，如何有效解决这一矛盾问题具有较大的现实意义及研究价值。作为汽车发动机的核心组成部分，电子节气门需对汽车发动机的空气进入做到精确控制，汽车发动的变速调节受到其控制性能优劣的影响[1]。

1 汽车发动机电子节气门控制系统设计

控制效果取决于控制程序的结构及算法的设计，在控制过程需提高采样频率、加快运算速度以提高响应性；确保采样信号的准确可靠并降低干扰以提高稳定性；通过闭环控制及控制结果的反馈以提高控制的精确性。系统总体结构如图1 所示。

节气门开度信息由节气门位置传感器负责采集，智能控制器对采集到的信息进行运算处理，完成节气门开度状态的判断并据此作出控制决策，执行机构的驱动则根据其发出控制指令完成。加速踏板的位置信号代表驾驶员对发动机的转矩需求，需将其转换为电压信号后输入电控单元，以加速踏板位置及其改变速度为依据，同时结合底盘电子控制信号及其它传感器信号(如进气量、转速、节气门转角等)，ECU通过计算后确定节气门的开度，并发出指令实现电机输出力矩的控制，节气门在电机输出与复位弹簧二者间力矩平衡时稳定在目标开度，驱动信号占空比增大时，节气门开度增加；当占空比减小时，节气门开度减小。位置传感器将节气门位置信息反馈给ECU从而实现闭环控制[2]。

图1 电子节气门智能控制系统结构

1.1 控制单元的硬件设计

由直流电机控制电子节气门，需精确控制直流电机以实现节气门阀片开度的精确控制，作为控制系统的核心单片机主要负责采集、转换和处理信号，计算控制量并输出控制信号，实现与计算机的通信，电子节气门闭环控制系统，由目标开度通过加速踏板模块输入，实际开度则由节气门位置传感器做出反馈，这两个过程输入的是模拟量，为将其转换为数字量，本文电子节气门控制系统采用单片机PIC18F458(MICROCHIP公司生产)作为控制单元处理器芯片，TLE6209R(Infineon公司生产)作为直流电机驱动单元的 H 桥驱动芯片，将输入的模拟信号通过PIC18F458转化成数字信号，控制信号输入由加速踏板位置传感器完成，PIC18F458 将信息综合处理后完成节气门最佳开度的计算，并通过电机电子节气门位置传感器反馈节气门位置信号，其硬件电路原理如图2所示[3]。

图2 控制系统硬件电路原理图

1.2 输入信号处理电路设计

传入单片机的节气门位置信号为模拟信号，无法满足单片机的数字信号的需要，本文通过A/D 转换电路的设计实现模拟信号到数字信号的转换，具体的A/D 转换电路原理如图3所示， 经过转换的节气门位置信号可顺利通过单片机的接收和处理[4]如图3所示。

图3 信号处理电路原理图

2 控制系统的软件设计

点火开关在发动机起动前处于关闭状态，起动发动机时则被置于开始位置，蓄电池的电压加载到发动机和节气门控制单元上，将起动标志位置1(起动开始)，节气门阀片将迅速做出往返动作(在0%到100%开度间)，从而重新对节气门阀片的开度作一次标定。系统软件流程图如图4所示[5]。

节气门控制单元在节气门位置初始化后，根据读入冷却液温度信号完成对应此温度的最佳怠速转速的判断，转速传感器通过对曲轴的转速进行检测完成发动机运转状态的判断，节气门控制单元通过驱动电机完成怠速控制(发动机转速大于0)，或进入循环等待状态(转速等于0)，直到有发动机转速信号被检测到后等待循环中断，进入到怠速转速控制程序，调整节气门阀片至目标怠速位置后，发动机转速还需通过PID模块完成闭环调节，以使发动机实际转速同节气门控制单元的暖机过程怠速转速脉谱一致；同时需对加速踏板位置进行检测，程序在加速踏板位置发生变化时进入发动机瞬态工况的节气门位置控制程序，以当前车速信号和巡航请求的车速为依据，对节气门阀片的开度位置进行实时调整，使当前档位下的发动机转速同目标车速下的相等，此外系统在巡航模式下还会对档位、离合器、制动踏板开关等信号进行检测，一旦检测出空档、离合器被切断或制动踏板被踏下时，控制程序将进入怠速控制模块；若没有开启巡航模式，系统对驾驶员意图进行判断时，需以当前车速、发动机状态和加速踏板位置变化率等信号为依据，选择出控制节气门的最佳传递函数，在此基础上节气门阀片被节气门驱动电机驱动完成位置的改变，节气门位置传感器对实际位置进行检测，判断出节气门实际同目标位置的差别后，为保持节气门在目标开度将进入PID模块进行调节，如此不断循环反复进行控制。

图4 控制系统软件流程图

3 电子节气门智能控制系统数学模型的构建

电子式节气门实际是一个机电传动系统，主要由节气门位置传感器、直流电机、驱动电机、减速齿轮组、复位弹簧等构成，具体如图5所示。

图5 电子节气门示意图

假设由θ表示气节门开度，由N表示减速比，Tm表示输入扭矩，Ts表示弹簧转矩，Kd表示动摩擦系数。

直流电机通过齿轮及复位弹簧实现传动，克服负载转矩从而带动节气门阀转动，据此完成节气门开度的精确控制，构建电子节气门的数学模型需完成驱动电机数学模型和传动系统(由齿轮复位弹簧组成)数学模型的构建[6]。

(1) 驱动电机数学模型

通常采用直流电机作为电子节气门的驱动电机，直流电机等效电路图如图6 所示，电阻和电感等效为线圈，分别通过电枢电阻、电感进行限流和缓冲，从而对电机动态性能进行调节。

图6 直流电机等效电路图

根据基尔霍夫定律对电路图进行简化等效处理，电枢绕组由Ra表示，E表示电源电压，i表示电流，电源内阻由Rr表示，齿轮减速比由N表示，电枢电感由L表示，电机扭矩系数由Kt表示，电机角速度由ω表示，PWM占空比由u表示，建立直流电机微分方程如式(1)。

(1)

(2) 机械传动部分

该部分同机械节气门的传动相同，电机输出扭矩通过减速齿轮传送至节气门，考虑到电机转速过快，为对节气门开度进行有效控制，需将电机转动角度按比例缩小，将此比例同样定义为传动比N，电机角速度由ω1表示，节气门角速度由ω表示，节气门开度由θ表示，具体表达式如式(2)—式(4)。

(2)

θ=Nω=Nω1t

(3)

摩擦扭矩方程及弹簧扭矩方程为：

Tf=kdω+krsgn(ω)

(4)

根据电机拖动运动学定律完成电子节气门运动微分方程的建立，电机转动惯量由J表示，电机扭矩由Ta表示，具体表达式如式(5)、式(6)。

JN2ω1=NTa-Ts-Tf

(5)

Ta=kti

(6)

将式(4)和式(6)代入(5)可得式(7)、式(8)。

JN2ω1=Nkti-kdω-kfsgn(ω)-ks(θ-θ0)-Dsgn(θ-θ0)

(7)

即：

(8)

由式(1)计算可得式(9)。

(9)

最终的电子节气门数学模型表达如式(10)。

(10)

4 控制系统仿真实验

电子节气门主要构成为直流电机和传动机构，显著的线性特征会在电机稳态运行时表现出来，电机变速时则呈现出明显的非线性，电子节气门传动部分表现出非线性特征，为实现对电子节气门控制系统的快速平稳响应效果，本文采用模糊自适应PID 控制策略，同普通PID 控制、滑模变结构控制进行仿真实验并对比，电子节气门参数如表1所示，3种控制模式的控制效果如图7所示[7]。

表1 电子节气门参数

图7 正弦响应控制效果对比图

仿真结果表明普通PID控制虽构造简单且易实现硬件结构，但表现出明显的超调现象；相比普通 PID控制，滑模变结构控制超调量得以明显改善，表现出较好的动态跟随性，但变速时抖动厉害，动态响应性及平稳性较差，控制效果曲线表现出明显的毛刺；模糊自适应PID 比上述两种控制方法表现出更好的动态跟随性和变速平稳性，可使汽车电子节气门的变速平稳性和响应实效性需求得以有效满足，使电子节气门具备较好的控制效果，证明本文设计的汽车电子节气门智能控制系统具有较大的实用性。

5 总结

本文从电子节气门控制系统的研究现状出发，对电子节气门的软硬件总体结构进行设计，使电子节气门通过模糊自适应PID 实现智能控制过程，在此基础上完成了电子节气门数学模型的构建，对比三种电子节气门控制模式的仿真实验，结果表明采用模糊自适应PID 控制的系统可使电子节气门达到良好的控制效果，表现出较好的动态响应和平稳变速性能。