基于LabVIEW 的电子节气门PID 控制系统设计

2021-11-26周润东鲁植雄

农业装备与车辆工程 2021年11期

周润东，鲁植雄

（1.210031 江苏市南京市南京铁道职业技术学院；2.210031 江苏市南京市南京农业大学工学院）

0 引言

电子节气门是发动机管理系统中的重要部件，是实现发动机全电控的基础，现在已经得到越来越广泛的应用。电子节气门的特点是任何工况下节气门开度都由电机驱动控制，因此其控制系统可以与发动机管理系统配合工作，使车辆具有良好的怠速、加速及减速工况过渡性能，有效降低排放和燃油消耗；同时，也能按照车辆其他系统，如驱动防滑系统或巡航系统的要求改变节气门开度，改变发动机扭矩输出，从而实现牵引力控制。电子节气门与电子油门踏板的传感器部分均采用了冗余设计，不仅可以提高控制精度，而且对提高控制安全性发挥了重要作用。因此，吸收、借鉴国外先进的控制经验，深入研究电子节气门控制系统的工作原理以及控制策略意义非常重大[1-6]。

电子节气门控制系统是一个复杂的非线性系统。与以往大都利用单片机C 语言编程对节气门开度进行控制不同，本文基于PID 的控制思想，利用LabVIEW软件编写了电子节气门驱动程序，硬件部分采用了USB6353 数据采集卡与L298N双H 桥直流

电机驱动芯片，最后通过试验验证了控制方案的可行性。

1 电子节气门结构与工作原理

电子节气门取消了机械式节气门的刚性连接，采用一种柔性控制方式，其结构如图1 所示。电子节气门控制系统由加速踏板模块、电子控制单元ECU、电子节气门体总成组成[7-9]。加速踏板是反映驾驶员意图的装置，其中两个电位器式位置传感器将踏板位移量转化成电信号传递给电子控制单元（ECU），驾驶员的意图经由ECU分析作出判断，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。

图1 电子节气门体总体结构Fig.1 Overall structure of electronic throttle body

2 电子节气门位置传感器的标定

2.1 位置传感器标定实验的原理

如图2 所示，实验所用为BOSCH 公司生产的DV-E5 型节气门阀体，中间齿轮齿数为47，节气门转角为1～89°。节气门转角从怠速开度到全开中间齿轮转过的齿数为46 齿，因而每转过一个齿数，节气门都对应转过一个角度，对应一个反馈的电压值。因而节气门传感器电压值与转角之间满足一定的关系。

图2 节气门阀体Fig.2 Throttle body

2.2 标定实验的结果与分析

利用数据采集卡与上位机LabVIEW 采集程序，节气门传感器标定试验的数据如表1 所示。

表1 节气门传感器标定试验数据表Tab.1 Calibration test data of throttle sensor

由表1 可知，节气门体中间齿轮转过齿数为46 齿，节气门转角范围为1～89°，相对应的电压信号为3.35～0.96 V。绘制如图3 的节气门转角与电压关系曲线，采用最小二乘法拟合出相应的节气门转角与电压的关系式为

图3 节气门转角与电压关系曲线Fig.3 Relation curve between throttle angle and voltage

3 电子节气门控制实验方案

3.1 电子节气门驱动实验硬件

如图4 所示，上位机为PC，下位机采用了功率驱动模块、数据采集卡、电子节气门模拟板、恒压电源等。

图4 电子节气门体控制系统实物图Fig.4 Physical diagram of electronic throttle body control system

3.1.1 功率驱动模块

实验所采用的驱动芯片是L298N 双H 桥直流电机驱动芯片，驱动电路原理如图5 所示。该驱动模块可驱动2 路直流电机，最大功率25 W，使能端ENA、ENB 为高电平时有效。若要对直流电机进行PWM 调速，需设置IN1 和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM 脉冲，即可实现调速。控制方式及直流电机状态表如表2 所示。

图5 功率驱动模块电路原理Fig.5 Circuit principle of power drive module

表2 L298N 双H 桥直流电机驱动芯片控制方式Tab.2 L298N double H bridge DC motor drive chip control mode

3.1.2 数据采集卡

本次控制信号输出硬件选择由美国NI 公司生产的数据采集卡USB6353（如图4 所示）。它有32 路AI，(16 位，1.25 MS/s，4 路AO（2.86 MS/s）），48 路DIO，提供了模拟I/O、数字I/O 和4 个32位计数器/定时器，用于PWM、编码器、频率、事件计数等。板载NISTC3 定时和同步技术提供高级定时功能，包括独立的模拟和数字定时引擎和可重新触发的测量任务。同时适用于从基本数据记录到控制和测试自动化等广泛的应用。随附的NI-DAQmax 驱动程序和配置实用程序简化了配置和测量。因而可以作为数据采集与控制信号输出的理想硬件。

3.1.3 汽车电子节气门模拟板

汽车电子节气门模拟板选用了Bosch 公司生产的汽车电子节气门模拟板作为实验载体（如图4 所示）。模拟板上有完整的电子节气门体、模拟踏板部件以及相应的电源模块。电子节气门位置传感器工作电压为5 V，直流电机的驱动电压为12 V，加速踏板运行角度为0～45°，输出的电压为0～5 V。

3.2 电子节气门控制软件设计

3.2.1 基于LabVIEW 控制程序编写

㉗Jessop，B．，State Theory:Putting Capitalist States in Their Place，Cambridge Polity Press，1990．

整个驱动程序的编写分为3 部分，如图6 所示。第1 部分为理想值（期望值）程序的编写；第2 部分为采集程序，对实际控制过程中节气门的电压信号进行实时的采集，转化为相应的开度信号；第3 部分为控制信号程序编写。根据理想值与实际值偏差来输出对应不同的脉冲信号。在LabVIEW 软件中调用PID 控制模块，并连接到相应的输入与输出端。

图6 LabVIEW 驱动程序Fig.6 LabVIEW driver

3.2.2 基于PID 的电子节气门控制系统原理

PID 控制是将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，就构成了PID 控制器。本次基于PID 的电子节气门控制系统原理如图7 所示[13-16]。

图7 电子节气门PID 控制系统原理Fig.7 Principle of electronic throttle PID control system

3.2.3 PID 参数整定结果

根据相关参考资料，初定PID 参数为P=0，I=0，D=0，然后在保持两个参数不变的情况下逐个修改，并进行仿真比较结果[17-20]。经过最终整定与调试结果，确定PID 三个参数为P=1.500，I=0.005，D=0.200。

4 电子节气门驱动控制仿真实验

4.1 电子节气门控制效果评价指标

因为电子节气门在控制过程中，节气门开度变化的响应速度和控制精度只需与发动机转速对节气门开度变化的响应速度及对节气门位置的灵敏度保持同阶即可，所以电子节气门控制效果评价指标如下[1]：

上升时间：在阶跃输入情况下，电子节气门从开始调节到目标开度的90%，响应时间不超过300 ms；

调整时间：节气门调节范围超过15%的情况下，稳定时间应不超过300 ms；

稳态误差：稳态误差定义为节气门目标开度与最终开度之间的误差。电子节气门控制系统应保证阶跃响应稳态跟踪误差不超过±2 °。

4.2 驱动试验结果分析

将输入信号设为单位脉冲信号，模拟汽车突然加速情况下，驾驶员控制油门踏板使节气门开度迅速到某一个固定值，设定节气门开度分别为20%，40%，60%，80%，100%时，试验结果分别如图8—图12 所示。

图8 20%节气门开度响应曲线Fig.8 20% throttle valve opening response curve

图9 节气门开度40%响应曲线Fig.9 40% throttle valve opening response curve

图10 节气门开度60%响应曲线Fig.10 60% throttle valve opening response curve

图11 节气门开度80%响应曲线Fig.11 80% throttle valve opening response curve

图12 节气门开度100%响应曲线Fig.12 100% throttle valve opening response curve

4.3 控制效果分析

如表3 所示，电子节气门开度为20%，40%，60%，80%，100%时，电子节气门稳定时间分别为70，75，65，75，55 ms，均不超过300 ms，阶跃响应稳态跟踪误差均不超过±1°；从开始调节到目标开度的90%，响应时间不超过300 ms。因此驱动试验的结果的各种指标均符合节气门控制系统的要求。