电子节气门控制系统的设计

SHANDONG毕业设计说明书电子节气门控制系统设计学 院：电气与电子工程学院专 业： 自动化 学生姓名： 于振红 学 号： 0812102057 指导教师： 边敦新 2012 年 6 月- 5 -摘 要摘 要随着汽车工业技术的日益发展，人们对汽车的安全性、操控性的要求不断提高。同时，科技环保又成为一个新的发展理念。电子节气门技术自20世纪80年代中后期出现以来，已经逐渐应用到众多高中级轿车的先进发动机上，自从电控喷射系统取代化油器后，节气门采用了电子控制系统，增设电子控制单元（ECU）、节气门位置传感器、空气流量计等监测工况，对节气门的开度进行实施精确控制。电子节气门由于能有效的改善汽车的燃油经济性和降低排放，实现车辆的柔性控制(drive by wire)，其应用前景将越来越广泛。本文分析了电子节气门的控制系统的原理、结构以及机械系统中的非线性因素及各自的特性，测定了电子节气门的关键参数。建立了电子节气门控制系统的数学模型，并且利用proteus绘制本文所设计的电子节气门控制系统的原理图。本文在分析燃气发动机节气门体的物理结构，工作原理及优点的基础上，分别对燃气发动机的节气门进行位置控制、系统包括控制电路、驱动电路、开关电路等硬件部分以及软件部分。通过对电子节气门控制系统的组成及其工作原理的分析，并根据其功能及性能的要求，确立了以飞利浦P87C51FA系列单片机为主控芯片，L298N H桥电机驱动芯片为硬件核心的系统构架；通过对多种电子节气门控制策略进行研究与设计，综合其优缺点，设计了前馈反馈控制的电子节气门控制策略。采用模块化思想分别设计了电子节气门控制单元中的微控制器、电机驱动电路、复位电路、开关电路、节气门阀片位置传感器位置采集、通信等功能模块硬件电路；采用主程序和中断程序相结合的方法，设计了电子节气门控制系统的软件。关键词：电子节气门控制系统，前馈，反馈。AbstractAbstractAlong with the development automobile industry technology, people want to continue improve the car safety and the handing requirements, and the Environmental Science and Technology has become a new development concept. The invention of the electronic throttle technology since the late nineteen eighties, It has been gradually applied to many high and mid-level sedan advanced engine，since the Electronic Controlled Injection System replaced the carburetor, the Electronic Control System being used in throttle, add An electronic unit (ECU), and State Detector like throttle position sensor and air flow meter. It also can precisely control the opening degree of the throttle. Because of the Electronic Throttle could effectively improve the vehicle fuel and reduced emissions, it also can drive by wire to vehicle, so its application prospect will be more and more widely. This article has analyzed the principle of the Electronic Throttle Control System, structure and mechanical system of nonlinear factors and their respective characteristics, determined the key parameters of Electronic Throttle. Establishing the mathematical model of the Electronic Throttle Control System, and use the Proteus to establish the simulation circuit diagram of the Electronic Throttle Control System.Based on the analysis of gas Electronic Throttle body physical structure, working principle and their merit, respectively, position control to the Electronic Throttle, the system comprises a control circuit, drive circuit, switch circuit and other hardware and software.Based on the analysis of the composition and work principle of the Electronic Throttle Control System, and according to its function and performance requirements, establish the system architecture contain a single chip microcomputer of eight bit as the main control chip, L298N H bridge motor drive chip as the core hardware. We design a control system that can be described as the feedforward and the feedback control mode based on research and design of a variety of the Electronic Throttle Control Strategy, also comprehensive their advantages and disadvantages.Using the idea of modularization designs the electronic throttle control unit in the microcontroller, motor drive circuit, reset circuit, switch circuit, the collection of throttle valve slice position sensors, the hardware circuit of communication function module; the main program and interrupt program combining method, We designed the electronic throttle control system software use the combining method of the main program and interrupt program. Key words: the Electronic Controlled Injection System feedforward feedback.目 录目 录 摘 要IAbstractII目录第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2 节气门控制系统简介21.2.1 传统节气门控制系统21.2.2 电子节气门控制系统21.3 电子节气门控制系统的研究现状及发展趋势31.3.1国内外研究现状31.3.2 发展趋势41.4 课题研究的意义及主要内容5第二章 电子节气门体简介及其数学建模62.1 电子节气门体的简介62.1.1 电子节气门的物理结构组成62.1.2工作原理72.1.3使用节气门的优点82.3电子节气门系统非线性分析82.3.1复位弹簧的非线性92.3.2 节气门阀片运动中的非线性92.4 电子节气门的数学模型102.4.1 直流电机的数学模型102.4.2 节气门的数学模型11第三章 电子节气门控制系统及总体方案的设计123.1 系统工作原理123.2 系统控制功能及其性能要求123.2.1 基本功能要求123.2.2 系统的基本性能要求133.3 电子节气门体模型参数确定133.4 系统通信方案143.5 系统控制方式选择153.5.1开环控制与闭环控制153.5.2控制方案的选择16第四章 系统硬件和接口电路设计174.1 控制系统设计174.1.1 硬件元器件的选择174.2 节气门电机驱动方案184.2.1节气门电机介绍184.2.2驱动电路设计194.3复位电路设计214.3.1复位电路的作用214.3.2基本复位方式214.4 电压比较电路234.4.1电压比较器的原理234.4.2 电压比较器的工作原理及应用244.5开关电路的设计254.5.1三极管开关电路的分析设计264.5.2 基本三极管开关之改进电路27第五章 控制系统的软件设计295.1系统软件总体设计295.2软件子程序设计305.2.1PWM输出子程序流程图305.2.2信号采集子程序流程图315.2.3角度计算子程序流程图32总结33参考文献34致谢35附录主电路图37第一章 绪 论第一章 绪论1.1课题研究的背景进入二十一世纪，我国国民经济、国民消费水平都得到了迅猛的提高，从而促使我国汽车产量和保有量得到快速增长。据不完全统计，目前全球汽车保有量已突破十亿辆，2012年年底我国汽车保有量有望逼近一亿辆1。汽车发展的迅猛增长必然引起环境问题，检测方面的数据显示汽车排放引起的污染已占空气污染物的一半，可见尾气排放引起的环境问题已不容忽视、已成为一个全球性的问题，势必会遏制我国汽车工业的发展2。众所周知，汽车内燃机的结构性能决定了尾气的排放以及燃油的消耗。自从内燃机的发明至今，经过人们不断的研究和探索，内燃机得到了充分的发展并且各方面功能也有了很大的改善。特别是在最近二十年内，随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术、智能控制技术等先进技术的飞跃发展，依赖于机械传动控制的传统内燃机逐渐被采用电控技术的内燃机取代。从上个世纪八十年代以来，许多先进控制技术在内燃机上的实践，使内燃机电子控制技术飞跃步入到了智能化控制与集中化控制阶段【3】，应运而生的的发动机管理系统（EMS）逐步应用于每辆汽车上。发动机管理系统的组成包括发动机电子控制单元（ECU）、油门踏板位置传感器以及执行器。节气门的功能主要用来限制流入汽车发动机的空气量，它作为发动机管理系统中重要的执行器之一，也是发动机实现完全电子控制的基础。电子节气门，与传统油门踏板最大的不同是增加了部分传感器及电子控单元，能够实时地精确地控制节气门的开度及反映节气门开度的变化。 对于传统节气门，其采用机械式连接，其油门开度由驾驶员通过控制加速踏板来控制，也就是油门开度仅仅凭驾驶员的主观感受来确定，因此很难实现最优控制。如果安装了电子节气门，则不会存在这一问题。1.2 节气门控制系统简介电子节气门其实就是现实生活中熟知的油门。按照节气门控制方式的不同，汽车电子节气门又可以分为柔性控制和刚性控制节气门【4】。基于以上两种节气门，我们又可以把节气门控制系统分为传统机械式节气门控制系统和电子节气门控制系统。1.2.1 传统机械式节气门控制系统 传统节气门的工作过程是驾驶员通过踩踏油门踏板带动踏板下与节气门连接的拉杆来开闭节气门。它主要由节气门体、钢丝（或拉杆）、油门踏板等部分构成。节气门开度的大小只能由驾驶员踩踏踏板的力度决定，这种直接的控制方式即是所谓的刚性控制。传统机械式节气门控制系统最突出的优点是反应迅速。当然相比较于电子节气门控制系统其结构要简单的多。其最主要的缺点是动态性能不理想。控制精度差也是其逐渐被电子节气门取代的一个重要原因。1.2.2 电子节气门控制系统电子节气门与传统机械式节气门相比较结构及工作原理上有本质上的区别。其油门踏板通过电子传感器与节气门传感器进行联系的这是一种柔性控制方式。通过将电子节气门位置传感器、节气门驱动执行器、节气门、加速踏板位置传感器、电子节气门控制单元集为一体来实时精确反映节气门阀片的开度并相应的控制阀片的开度。相对于传统节气门而言其控制精度更高、改善了油门迟滞现象。电子节气门控制系统主要由油门踏板传感器、ECU、电子节气门体组成。电子节气门体的结构组成主要包括节气门开度位置传感器和执行电机。节气门开度位置传感器反馈的信息是节气门阀片的当前开度，执行电机的功能是控制节气门阀片的运动5。图1-1 一种典型节气门控制系统方框图由图1.1可知，上图所示电子节气门控制系统有两个主要的功能：（1）计算最佳的电子节气门阀片的开度；（2）电子节气门阀片开度的实时跟踪控制。节气门开度的控制的优点主要是在加速和减速时能降低冲击和在变速时能降低变速冲击。（2）在车辆稳定控制系统（VSC）工作时保证车辆的稳定行驶并实现车辆的稳定控制系统和自动变速器（即雪地行驶模式）两者的协调控制。驾驶员的行车意图是由油门踏板位置传感器来进行检测的，电子节气门的实际开度由汽车所处不同工况主要包括燃油电喷系统（EFI）、车辆稳定控制系统（VSC）、自动变速器（ECT）等几种控制信号的综合决定的，再经过电控单元计算出最佳的节气门开度，并由节气门驱动执行器直流电机来控制节气门的开度的大小。1.3 电子节气门控制系统的研究现状及发展趋势1.3.1国内外研究现状上个世纪七八十年代，德国Bosch 公司研发出了针对赛车的具有很成熟技术的电子节气门控制系统的产品，不幸的是由于受到当时的技术和成本等非技术因素的限制，致使电子节气门控制系统步履维艰地发展。80年代末，美国、德国的一些跨国型具有雄厚资本的汽车零配件公司对电子节气门控制系统的研发投入了大量的物力财力，经过约十年的探索研发出相对较低成本的电子节气门控制系统，并逐步使电子节气门开始投放到市场【6】。（一）国外电子节气门控制系统发展概况国外对电子节气门的探索研究始于上世纪80年代初，目前国外产品占有大部分市场份额包括我国。尤其是最近十年国外电子节气门的研究取得了飞跃的发展。发展趋势可以概括为：（1）兼顾提高动力性、操纵稳定性、经济性、乘坐舒适性和排放性；（2）控制策略上由线性控制逐步发展到非线性控制；（3）结构上逐步向超大、集成、独立的方向发展；（4）功能上向多种功能的方向发展。（一）国内电子节气门控制系统发展概况目前，国内“电子节气门控制技术”还处于起步阶段。有些高性能的高档轿车上所按装的电子节气门控制系统几乎都属于从日本和德国进口产品。但国内也有些研究机构包括奇瑞集团开始研究出自己的电子节气门，他们研究的控制方法主要包括PID控制、模糊控制。1.3.2 发展趋势目前电子节气门的种类五花八门，有步进电机式节气门、直流伺服电机式节气门。1.节气门的分类（1） 步进电机式节气门：它的工作过程是电机直接驱动节气门轴来实现油门的开度控制。步进电机的驱动电路通常采用桥型，通过控制单元发出的脉冲的个数、方向和频率来控制电平进而对步进电机进行控制，使用步进电机的原因是因为它的结构简单、成本低、可靠性高的优点。但控制精度很差【8】。（2） 直流伺服电机式节气门：它的控制方式是采用脉冲宽度调制（PWM）技术来驱动直流电机。这种控制方式下电机的大小和方向通过控制单元改变PWM信号的占空比来完成的9。2.发展方向（1）向集成化和智能控制的方向发展。智能控制不仅是汽车控制的发展方向也是其他类控制各方面的发展趋势。（2）综合了多种控制方法的方向发展。1.4 课题研究的意义及主要内容本文所做的主要工作是对节气门控制系统的硬件电路的设计及控制方式的设计，主要内容有:(1)查阅与电子节气门有关的资料，并分析其优缺点及改进策略。(2)分析并比较机械式节气门和电子节气门的组成结构的异同及两者工作原理的区别。(3)建立节气门数学模型并选择相关元器件型号和绘制电路原理图。第二章 电子节气门体简介及其数学建模第二章 电子节气门体简介及其数学建模2.1 电子节气门的体简介2.1.1 电子节气门的物理结构组成图2-1电子节气门的物理结构图电子节气门体主要组成部件包括节气门阀片、节气门驱动直流电机、减速齿轮组、复位弹簧以及节气门位置传感器。1.控制电机电子节气门驱动电机主要有两种：一种是步进电机，另一种就是直流电机。由步进电机的结构可知步进电机的控制属于开环控制。步进电机接收到的脉冲信号的频率与脉冲数决定了电机的停止、转速的位置。如果给电机加一个一定频率的脉冲信号，则步进电机就会按频率所设定的方向转动一个一定大小的角度，这个角度称为“步距角”，步进电机的转动是以一步一个步距角运行的。步进电机的角位移量是通过脉冲的个数来控制，即给定脉冲数量则转过的角度就定了从而可以达到精确定位。步进电机的主要优点是稳定性好且采样用开环控制；主要缺点是响应时间较长。节气门直流电机的驱动则是采用H桥电路来控制的。控制PWM信号的占空比来完成加速、减速、变向等基本功能。节气门的转动由复位弹簧和直流电机两者来控制，当给定占空比信号时，直流电机的电枢输出转矩与复位弹簧的力矩大小相等而方向相反，此时节气门阀片位置恒定在一定的角度不变。当直流电机输出力矩小于复位弹簧的力矩时，节气门阀片就会向向反的方向转动。当直流电机输出的力矩大于复位弹簧的力矩时，节气门阀片将会向正方向转动。2.节气门位置传感器图2-2 电子节气门内部接线示意图电子节气门位置传感器(TPS，Throttle Position Sensor)的结构类似于滑动变阻器，它的主要功能是实时反馈节气门阀片的实际开度传送到电子控制单元。 2.1.2工作原理汽车启动时，油门位置传感器将油门的电信号传送给汽车电子控制单元，并依据此位置信号来判断汽车运行的工况。综合汽车各传感器的反馈信息计算得到当前最佳的节气门开度参数，并与当前的电子节气门开度进行比较。如果最佳开度参数与节气门的开度有差别时，便输出控制信号调节PWM信号的占空比，驱动直流电机朝相应的方向转动并把节气门开度调整到合适的角度。图2-3工作原理框图2.1.3节气门的优点节气门控制系统的优点：（1）能够精确地控制节气门的开度。（2）满足汽车发动机的排放性能要求。（3）满足更高的汽车行驶稳定性的要求。（4）可获得海拔高度补偿。 2.3电子节气门控制系统非线性分析电子节气门体结构中存在的非线性因素不仅影响着节气门控制的精度也影响着节气门控制系统的稳定性，因此我们有必要对它们剖析一下。本文以SIMENS VDO第6代L06AG型电子节气门为例进行分析，其主要存在有4类非线性因素，分别是5：(1) 不连续的弹簧转矩。(2)在节气门动态过程中节气门阀片同时受到粘滑摩擦力+库伦的作用，因此会引起摩擦力不稳定变化。(3) 随节气门的开度不同，进气道内空气对节气门的冲击力不同。(4)由于齿轮与齿轮之间存在着啮合间隙，故存在齿隙非线性。在介绍的上述几种非线性因素中由弹簧引起的非线性因素的影响最大。2.3.1复位弹簧的非线性分析电子节气门处于静态时，也就是节气门控制直流电机处于停止状态时由于复位弹簧的扭矩使节气门开度保持在9，这个位置即是“Limp Home”（跛行回家）位置。如果在运行过程中节气门驱动直流电机出现了非正常断电等因素，此时电子节气门不在受节气门驱动直流电机的控制，电子节气门阀片的开度会在回位弹簧力的拉动下回到“跛行回家”的角度。设当电子节气门处于静态位置时的转角为，当电子节气门的转角为时，要克服的力矩为： （2-1）弹簧总力矩为： (2-2)式(2-1)和式(2-2)中，为“跛行”功能角，是弹簧复位弹力，是非线性扭转弹簧的增益。图2-4 复位弹簧扭矩示意图2.3.2 节气门阀片运动中的非线性节气门的阀片在运行过程中主要受到摩擦力的作用，主要包括边界摩擦力、气体与液体的混合摩擦力等。在本设计中采用“静摩擦+粘滞摩擦+库仑摩擦”模型。库仑摩擦力矩和节气门阀片运动的方向有关，库伦摩擦力的方向亦与节气门阀片运动的相反；粘性摩擦力与节气门阀片的转速大小有关，方向与节气门阀片转动的方向相反。 (2-3) (2-4) (2-5)式(2-5)中，表示节气门受到的总的摩擦力矩；表示粘性摩擦力矩系数；表示库伦摩擦力矩系数。2.4 电子节气门的数学模型本文设计的电子节气门体的数学模型是基于查阅大量相关文献的基础上的得出的，包括两部分：描述节气门体机械特性的微分方程和描述直流电机电器特性的微分方程。2.4.1 直流电机的数学模型如图3-7所示，为电子节气门驱动直流电机的等效电路图，电机电枢线圈可等效为电阻Ra和电感La。 图2-5 节气门直流驱动电机的等效电路图根据基尔霍夫定律，流过电机的电流和输入电压之间的关系可用如下方程表示： (2-6)式(2-6)中，为输入电压(V)；为电机的反电动势(V)；为电机感抗(H)；为电枢电阻()；为电枢电流(A)。根据电磁感应定律，有 (2-7)式(2-7)中,电机的反电动势常数用 ()表示；用表示电机的转动角度(rad)。根据安培定律可知电机电枢线圈中产生的扭矩为 (2-8)式(2-8)中，其中表示电机的转矩(Nm)；表示电机的扭矩系数()。由式（2-11）、式（2-12）、式（2-13）得 (2-9)2.4.2 节气门的数学模型把节气门直流驱动电机的轴选参考点，由牛顿第二定律有 (2-10)式(2-10)中，表示电机的转动惯量()；表示电机的阻尼系数()；表示电机所承受的负载()。有： (2-11)式(2-11)中，为节气门阀片的转动惯量()；为节气门阀片的转角(rad)；表示驱动扭矩()；为弹簧产生的扭矩()；为进气流作用在节气门上产生的扭矩()。由减速齿轮的速比关系可得 (2-12)由式(2-9）、式(2-10)、式(2-11）、式(2-12)可得 (2-13)- 17 -第三章 电子节气门控制系统及总体方案的设计第三章 电子节气门控制系统及总体方案的设计3.1 系统工作原理系统电源节气门体节气门位置传感器电机驱动电路模拟信号处理电路P87C51FA数据通信电路PC机图3-1电子节气门控制系统组成结构图电子节气门体的结构主要由位置传感器、直流电机、机械装置等部分组成，他们被封装成一体【12】。本文设计的电子节气门控制单元主要由飞利浦P87C51FA系列8bit增强型单片机及其必要的复位电路、开关电路节气门驱动器电压比较电路等组成。另外还有模拟键盘、虚拟pc机通信端口等其他设备。系统工作原理：节气门阀片的目标开度是由pc机通过RS-232总线发送的，MCU根据期望的节气门开度的信息得到驱动电机的PWM信号并通过H桥型驱动电路驱动电机运转；再把反映节气门阀片的实际开度的模拟电压量送往电压比较电路。通过电压比较电路比较两路模拟电压量来确定节气门的控制信号，即是继续增大节气门还是减小节气门的转角。3.2 系统控制功能及其性能要求3.2.1 基本功能要求由于受制于本科所学知识的限制，本论文所设计的电子节气门控制系统只具备以下几个主要功能，这些功能都是一些基本的功能：（1）能够实时采集节气门位置传感器的模拟电压信号并换算成模拟电压信号且能够传递到电压比较电路与油门踏板位置的模拟电压信号进行比较。（2）根据节气门阀片的期望开度值，要能够精确、快速反映节气门的转动及调解节气门阀片的实际开度值。（3）能够识别节气门传感器是否准确地传输节气门开度的模拟电压信号以及节气门位置传感器是否发生故障。3.2.2 系统的基本性能要求电子节气门阀片的实际开度主要还是由脚踩油门踏板的位移量来决定。为了保证电子节气门控制系统能够保留传统节气门的优良的快速响应性能我们不仅要对电子节气门的稳态性能提出要求而且也要对其动态响应提出要求1314。基本性能要求：响应时间：响应时间与节气门阀片开度的调节方向有关，根据实际应用的要求，本论文要求其响应时间不超过100ms。稳态误差：节气门阀片的期望开度值与趋于稳定后的节气门阀片的开度的差值即为稳态误差。本论文设计要求是小于2%。超调量：动态过程中节气门阀片偏离的最大值与目标开度的差值再比上目标开度值所得百分数即为超调量。本论文设计要求超调量%12%。电子节气门阀片转动的最小分辨率：这一点本论文任务书上没有要求，但由于有位置精度的要求，且要求是2%，若节气门阀片要求在0%100%的开度范围内变化，则应取0.1%作为最小分辨率。3.3 电子节气门体模型参数确定电子节气门体的参数我们不能算出，大部分是厂家生产前设定好的，出厂时都已标注。通过查阅国内相关文献、网上搜索的资料选出DV-E8.3型号的电子节气门体模型参数如表2-1所示1516：名称/符号数值（单位）名称/符号数值（单位）蓄电池电压Vbat13505(V)“跛行回家”位置开度o29/360(rad)电枢回路中总电阻尺1.503()电机反向电动势常数0.151(s/rad)电机扭矩系数Kt7(Ncm/A)电机主轴转动惯量40(kgm2)电机阻尼系数Km0.03(Nms/rad)减速齿轮组传动比N20.68(无量纲)Return Spring的预紧力矩TprelO.1393(Nm)Opening Spring的预紧力矩Tpre20.0048(Nm)Return Spring弹性系数Ks13.89*10-4(Nm/rad)Opening Spring弹性系数Ks20.0033(Nm/rad)粘性摩擦系数Kd1.5e-2(Nm/rad)库仑摩擦系数Kf6e-3(Nm/rad) 6e。节气门阀片轴的转动惯量Jg4.0*10-6 (kgm2)3.4 系统通信方案本文所要设计的数据通信模块的主要功能是实现电子节气门控制系统与其他设备的通信。数据通信有很多通信方案本文选用RS-232通信接口。RS-232通信接口属于串行通信接口，其通信传输速率通常比并行通信接口慢很多，但其优点是所需要的数据线较少 17。3.5 系统控制方式选择根据自控原理可知，一般控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两种基本的控制方式。3.5.1开环控制与闭环控制1.开环控制开环控制的主要特点是控制系统的输出量直接受输入量的控制，而输入量不受输出量的控制。所以开环控制又可以称为前馈控制18。开环控制的结构图如图3.2所示：图3-2开环控制结构图对于开环控制系统而言，系统输出量直接受输入量的控制，而输入量不受输出量的控制，这导致其控制精度不高但其结构简单且快速性能很好。2.闭环控制系统的输出量反馈回到系统并影响系统的控制作用且有直接影响的控制方式。其原理是通过比较系统当前行为（输出）与目标行为之间的偏差来控制。在闭环控制系统中，既存在前向通路也包含反馈通路并且两条通路组成了一个闭环的回路，这个回路即是闭环得名的原因。图3.3是典型的闭环控制系统的结构框图：被控对象控制器 输入量 偏差量 控制量 输出量测量元件 反馈量图3-3 闭环控制的结构图闭环控制系统具有能够自动修正输出量并使其逐渐逼近期望值的功能。能抑制外来干扰所引起的误差，但是这个外来干扰必须处于闭环所包围的各环节中，比如一些电压冲击扰动、噪声扰动等，能够精确控系统，这也是其最大的优点，闭环控制的主要缺点是控制系统响应时间相对太慢。3.5.2控制方案的选择本论文设计采用开环控制加闭环控制的控制方式对电子节气门控制系统进行控制，其原理结构图如图3.5所示。在这种控制方式中，开环控制部分是充分利用开环控制的快速响应的特点，并要考虑到机械部分的非线性，目的是补偿电子节气门动态特性的延迟和惯性，加快电子节气门的响应速度，起到“粗调”的作用。闭环控制的功能是在 “粗调”的基础上进行 “精调”。被控对象反馈控制器前馈控制器 R(t) + y(t) _ -图3-5 前馈+反馈结构图实验验证，如果前馈+反馈的控制方式中各环节参数选择恰当，则不仅能满足控制系统的稳定性，也能满足控制系统的动态特性。而且参数选取合理还可以消除稳态误差。第四章 系统硬件和接口电路设计第四章 系统硬件和接口电路设计4.1 控制系统设计4.1.1 硬件元器件的选择限于本人的知识目前有限，控制器件我就选择了最普通的增强型8bit的P87C51FA单片机。该单片机属飞利浦公司生产的单片机系列。能很好地兼容8051单片机，外接引脚也与8051单片机很相像。其内部存储器等在此不再赘述。本文设计的的控制系统属于闭环控制的方式，油门踏板位置传感器反映的模拟电压量作为输入信号，并通过电压比较器（与节气门位置传感器反映的模拟电压信号进行比较）传送到单片机（简称信号1）。此外，节气门位置传感器反映的模拟电压量作为反馈信号通过A/D转换后传送到单片机（简称信号2）。信号1只有高低电平之分，故不需模数转换，直接接到单片机即可。信号1的高低决定着单片机发出怎样的的PWM信号，当信号1为高电平时，即单片机要控制电机正转，从而发出的PWM脉宽调制信号的占空比1/2；当信号1为低电平时，即此时节气门的实际开度大于期望开度，也可以简单理解为驾驶员在减速，这时我们期望单片机控制直流电机反转，既要求单片机发出的PWM脉宽调制信号的占空比UR时，运算放大器输出端将会输出低电平信号，此时反向稳压管DZ被导通，因此输出的模拟电压即是反向稳压管的电压UD, 即 实际工作中常用的电压比较器种类不是很多主要有有过零电压比较器、具有滞回特性的过零比较器、滞回电压比较器、窗口（双限）电压比较器。4.4.2 电压比较器的工作原理及应用本设计论文主要介绍介绍电压比较器的工作原理、工作过程及几种典型工作电路的应用。 图4-7 反向滞回比较器模拟电路图1.反向滞回比较器其电路结构比较简单，待比较电压接在反相端，参考电压接在同相端，而输出与输入之间通过定值的电阻构成正反馈电路。由于运算放大器的开环增益无穷大，所以比较实际上在和两点电平的比较。利用叠加原理，求得点的电位为 ，当时，上触发电平；当时，下触发电平；其中VTH和VTL是电压比较器输出端电平翻转的两个前提阈值电平条件。2. 同向滞回比较器其电路结构比较简单，待比较电压接在反相端，参考电压接在同相端，而输出与输入之间通过定值的电阻构成正反馈电路。图4-8 同向滞回比较器从其电压传输特性图容易看出，它有一个十分重要的特性：回差特性电路处于低电平位置翻转到高电平位置所需要的触发阈值电平VTH，和由高电平位置翻转到低电平位置所需要的触发阈值电平VTL不一致特性(该处指同相滞回比较器)。这两个触发电平之差称回差电压 (简称回差) 回差电压。回差特性是由滞回电压比较器的结构所决定的，回差的大小一般都可以通过改变有关电阻的阻值来调节。回差电压的差值越大，电路也就越不易误触发，即电路的抗干扰能力就越强。此外还有一些单限比较器，如窗口比较器和三态电压比较器等,在此不再赘述。4.5开关电路的设计开关在生活中很常见，实际生活中我们所认识的开关通常具有通、断电路和起到保护电路和仪器的作用 。我们所熟知的开关电路中有两大类的开关。 (1)机械式的开关。采用机械式的开关器件作为开关电路中的元器件，如机械式按钮开关、机械式温度开关等 。 (2)电子开关。采用电子元器件组成的开关，主要是利用电子元器件的导通和截止来完成。本论文设计中选择的开关电路是三极管开关电路。由图4-9可知，其结构图很简单工作过程可以简介为：VCC是一恒定的电压，三极管的导通与否完全受Vin的控制，三极管的导通与截止直接控制了电路的导通与截止，因此起到开关电路的作用。图4-9基本的