（车辆工程专业论文）汽车电子节气门系统仿真与试验验证.pdf

n 删,丫,t750289 西华大学学位论文独创性声明 作者毒量事暑号：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同z - 作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 菩等，琶孝警上崤幽普翥教竺妻石习弋砒 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者始 阏曲指捌雠：影阡 日期：j 泌l 口彩才舌 日期刀l o 汐石口多 广 西华大学硕士学位论文 摘要 随着汽车电子控制技术的迅速发展，人们对汽车性能的要求以及对能源与环境问题 的重视程度不断提高。电子节气门产品自2 0 世纪8 0 年代问世以来，已逐渐应用到各种 中、高级轿车中。相对于传统的机械式节气门，电子节气门控制系统是一种柔性控制系 统，通过节气门体上的电机驱动节气门，在电控单元的控制下，可实现节气门开度的快 速精确控制。 本文分析了电子节气门控制系统的工作原理、基本结构以及机械结构中存在的非线 性因素和各自的特性，如复位弹簧、气流冲击、库伦摩擦和粘滑摩擦等。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。 为了适应电子节气门控制系统的快速动态特性，抑制由于电子节气门体的非线性因 素对控制特性的影响，实现了一种模糊p i d 控制策略，以提高电子节气门控制系统的动 态响应性能。为此，在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立了电子节气门控制系统仿真模型。 电子节气门控制器采用飞思卡尔公司的m c 9 s 1 2 x s l 2 8 单片机为主控芯片，同时硬 件系统包括：控制器的供电电源模块、直流电机的脉宽调制驱动模块、串行通信模块等。 采用c o d e w a r r i o r 编译的程序软件，完成了基本控制功能。 仿真和试验结果表明：模糊p i d 控制相对于p i d 控制能够较精确地控制节气门开度， 减小超调量，瞬态误差较小，滞后时间较短。所开发的模糊p i d 控制器能够完成电子节 气门系统的控制功能要求。 ， 关键词：电子节气门；非线性因素；模糊p i d 控制；仿真；试验 汽变宅子孳气门系统仿真与试验验证 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p i n go fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yr a p i d l y , t h ev e h i c l e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s i s r a i s e d ，a n dp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt oe n e r g ya n d e n v i r o n m e n t a li s s u e s ，s oe l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o ls y s t e mi sw i d e l yu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n s t h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ep r o d u c tw a s d e v e l o p e di nt h ee i g h t i e so f t h et w e n t i e t hc e n t u r y ，a n di th a s g r a d u a l l yb e e na p p l i e dt oh i g h - g r a d ea u t o m o b i l e r e l a t i v et ot h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lt h r o t t l e ， e l e c t r o n i ct h r o t t l es y s t e mi saf l e x i b l ec o n t r o ls y s t e m b e c a u s et h et h r o t t l ei sd r i v e nb yt h e m o t o lt h ee l e c t r o n i ct h r o t t l e sm o v i n gi sf a s ta n dp r e c i s e l y t h ep r i n c i p l ea n db a s i cs t r u c t u r eo ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o ls y s t e m ( e t c s ) w a s a n a l y z e d n l en o n l i n e a r i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gn o n l i n e a rs p r i n g ，a e r o d y n a m i ci m p a c t c o u l o m ba n dv i s c o u sf r i c t i o ni n 也em e c h a n i c a lp a r to f 也et h r o t t l eb o d vw e r es t u d i e d a f t e r 也e a n a l y s i so ft h ee t c s ，t h ek e yp a r a m e t e r so ft h et h r o t t l ew e r em e a s u r e d t h en u m e r i c a lm o d e l o ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o lw a sb u i h u p i no r d e l t oa d a p tt h es w i f td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe t c sa n dr e s t r a i ni n f l u e n c eo n c o n t r o lp e r f o r m a n c er e s u l t i n gf r o mn o n l i n e a r i t yf a c t o r so fe t c s ，a f u z z y - p i dc o n t r o lm e t h o d i sp r o p o s e d t h er o b u s td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fe t c si sa t t a i n e db yf u z z yc o n t r 0 1 b a s e do n t h em a t l a b s i m u l i n k ，也ee t c ss i m u l a t i o nm o d e lw a s d e v e l o p e d i nt h i st h e s i s ，t h em a i nm i c r o c h i po ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l l e ri sm c 9 s12 x s12 8 w h i c hi sm a n u f a c t u r e db yf r e e s c a l e t h ep o w e rs u p p l yf o rm o t o r sp w md r i v em o d u l ew a s d e s i g n e d 1 1 1 es o f t w a r e w h i c hi sp r o g r a m m e db yc o d ew a r r i o rs o f t w a r ef o rm i c r o c o n t r o l l e r , i s a c c o m p l i s h e df o rc o n t r o lf u n c t i o n t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ef u z z y - p i dc o n t r 0 1m e t h o d c a ne x a c t l yc o n t r o lt h et h r o t t l e sp o s i t i o n ，t h eo v e r s h o o ti sr e d u c e d , t h et r a n s i e n tt r a c k i n ge r r o r i ss m a l la n dt h eh y s t e r e s i si ss h o r t , w h i l et h ep i dc o n t r 0 1m e t h o dd o n tw o r kw e l l s o 也e e t c s sc o n t r o l l e rw h i c hw a sd e v e l o p e db a s e do nf u z z y p 玎) c o n t r o ls t r a t e g yc a nm e e te t c s s f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct h r o t t l e ；n o n l i n e a r i t y ；f u z z y - p i dc o n t r o ls t r a t e g y ；s i m u l a t i o n ； e x p e r i m e n t i i 西华大学谚士学位论文 目录 i i i 1 绪论l 1 1 汽车电控技术概述l 1 2 节气门发展过程l 1 3节气门系统结构2 1 3 1 传统节气门系统结构2 1 3 2 电子节气门控制系统结构3 1 4国内外研究现状4 1 5 电子节气门研究的主要问题5 1 6 本文研究内容及意义5 2 电子节气门控制系统分析7 2 1电子节气门驱动模块7 2 1 1 直流电源驱动方式7 2 1 2 p w m 电源驱动方式8 2 2 电子节气门总成结构及非线性因素分析9 2 2 1节气门驱动电机。l0 2 2 2 齿轮减速机构及齿隙非线性因素1 0 2 2 3 节气门复位弹簧及其非线性。1 1 2 2 4 非线性摩擦1 2 2 2 5 进气气流的影响1 3 2 3 加速踏板位置传感器及节气门开度传感器1 4 2 4 电子节气门控制系统相关参数测定1 4 2 4 1加速踏板传感器参数测定1 4 2 4 2 电子节气门传感器参数测定1 6 2 4 3 电子节气门控制器系统其余参数测定一1 7 2 2 本章小结18 3 电子节气门数学模型及控制策略1 9 3 1 电子节气门数学模型1 9 3 1 1 p w m 控制驱动模块数学模型1 9 3 1 2 节气门驱动电机。2 0 i i i 汽车电子节气门系统仿真与试验验证 3 1 3 机械结构模型2 1 3 3电子节气门控制方法研究2 3 3 2 1电子节气门控制策略现状分析2 3 3 2 2 控制策略的选择：2 4 3 2 3 电子节气门普通p i d 控制策略2 5 3 2 a 电子节气门模糊控制器设计2 7 3 3电子节气门控制系统m a t l a b 仿真3 3 3 3 1p w m 脉宽调制驱动模型3 4 3 3 2 节气门驱动电机模型3 5 3 3 3节气门执行机构模型_ 3 6 3 3 4 驾驶员输入模型。3 7 3 3 5 传感器模型。3 7 3 3 6p i d 控制器模型一3 9 3 3 7 模糊p i d 控制器模型3 9 3 3 8电子节气门控制系统仿真模型一4 0 3 3 9 仿真结果及分析4 0 3 4 本章小结4 2 4 试验结果分析4 4 4 1 试验台设计4 4 4 2e t c 电路设计4 5 4 2 1主控制模块选型。4 5 4 2 2电源管理电路4 7 4 2 3电机驱动电路4 8 4 2 4 输入信号处理电路4 8 4 2 5m c 9 s 1 2 x s l 2 8 单片机i o 接口分配4 9 4 3e t c 控制系统软件设计4 9 4 3 1 控制系统软件总体分析4 9 4 3 2 控制软件流程5 0 4 3 3p w m 中断子程序5 1 4 3 4 定时器中断子程序流程图5 1 4 3 5 信号采集子程序5 2 西华大学硕士学位论文 4 3 6 角度计算子程序5 3 4 3 7 控制算法子程序5 3 5 试验结果分析5 5 5 1电子节气门控制效果评价指标的建立5 5 5 2p i d 控制试验结果5 6 5 2 1 电子节气门由小开度向大开度阶跃一5 6 5 2 2 电子节气门由大开度向小开度阶跃5 7 5 2 3 随动跟踪试验5 8 5 3 模糊p i d 控制试验结果5 9 5 3 1 电子节气门由小开度向大开度阶跃一5 9 5 3 2 电子节气门由大开度向小开度阶跃。6 0 5 3 - 3 随动跟踪试验6 l 6 1 本文总结6 3 6 2 本文展望6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 7 致谢6 8 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1汽车电控技术概述 随着汽车工业的不断发展，人们在努力追求汽车动力性、经济性的同时，对汽车的 操纵性、安全性、稳定性和驾乘舒适性的要求也不断提高【l l 。此外，随着汽车数量的急 剧增加，世界各国都面临着严重的能源危机、汽车排放污染以及汽车行驶安全性等问题。 面对这些问题，传统的汽车技术已经无法解决【2 】。与此同时，世晃各国针对上述问题出 台了一些相应的法规，迫使世界范围内的汽车工业进行技术革新。为解决汽车的节能、 环保、安全等问题，汽车上广泛采用了电子控制技术，如：电控燃油喷射系统、电控自 动变速系统、防抱死刹车系统( a b s ) 等。随着汽车工业与电子工业的不断发展，电子 技术在汽车上的应用越来越广泛，给汽车的控制装置带来了巨大的变革，为进一步提高 性能提供了新的途径。现代汽车上日益广泛地采用电子技术，汽车由单纯的机械产品向 机电一体化产品方向发展，成为所谓的“电子汽车 【3 】。 汽车工业发展至今，电子控制技术贯穿汽车的每一个部分。从每辆车所使用的电子 设备价格比来看，上世纪9 0 年代平均每辆汽车消耗电子产品的费用占整车价格的约 l o ，进入新世纪以来，这个比例很快就提高到了2 0 以上。随着汽车电子设备的不断 增多，汽车电控系统中的处理器、传感器和执行器的数量也随之增加。上世纪9 0 年代 在汽车上使用的处理器平均数量是1 4 个，而进入新世纪以后，这一数量增加到3 0 个以 上，并且随着微处理器和微型计算机的迅速发展，车用处理器也在不断更新换代，从早 期的8 位机发展到目前已成熟运用的1 6 位机，甚至有些厂商已经采用3 2 位机，这使得 汽车电子控制系统的控制功能更加强大t 4 l 。 ， 1 2 节气门发展过程 节气门就是俗称的油门，由油门踏板控制。节气门用于调节进入发动机的空气量。 9 0 年代以前的汽车燃油供给方式主要采用化油器。它采用汽油先进入汽车的化油器里， 然后和空气混合雾化后进入发动机的燃烧室进行工作。这种燃油供给方式普遍采用机械 式节气门。驾驶员通过控制油门踏板，带动踏板下与节气门连接的钢索控制节气门的开 度，进而控制进入发动机的空气流量。这种结构正逐步被淘汰。目前汽车上主要采用电 子节气门，油门踏板与节气门之间取消了传统的钢索连接，而是通过电子传感器进行控 制，控制精度更高、实现了各种工况下发动机进气量的精准控制。 不论是化油器车还是电喷车，节气门的基本作用都一样，即控制进入发动机的空气 量，空气由节气门进入后才与汽油混合形成油气混合物。化油器车型的喷油是通过进气 汽车电子节气门系统仿真与试验验证 管内空气流动形成的负压将化油器内的汽油吸出来，进行混合后进入气缸。这种方式比 较粗放，影响燃油经济性。而电喷燃油供给系统则是根据发动机工况，结合节气门附近 的空气流量传感器和空气压力传感器提供的电子信号，再根据各项参数控制进气歧管内 的喷油嘴喷射燃油。所以，由空气的进气量来决定进入发动机的燃油量，从这个角度来 看节气门的开度也决定了混合气的进入量 汽车电子节气门技术( e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l ，e t c ) 是伴随汽车线控驱动理念 ( d r i v e - b y - w i r e ) 而诞生的。电子节气门控制系统通过e c u 采集加速踏板和汽车行驶状 态信息，如：发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等信息，计算出整车的全部 转矩需求，通过对节气门开度的期望值进行计算，得到节气门的最佳开度，并把相应的 控制信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置岭】。目前， e t c 被广泛地运用于汽车的驱动防滑控制( a s r ) 、巡航控s u ( c c s ) 、车辆稳定性控制( v s c ) 及自动变速控蒂q ( a m t ) 等汽车动力控制系统中，并逐渐成为高、中档轿车的标准配置1 6 j 。 1 3 节气门系统结构 1 3 1 传统节气门系统结构 传统节气门采用机械连接方式，由油门踏板、拉线和杠杆、复位弹簧和节气门体等 组成，如图1 1 所示。油门踏板与节气门片通过拉线杠杆连接在一起，驾驶员通过直接 控制油门踏板来实现驾驶意图，油门踏板位移量，对应一个相应的节气门开度，二者之 间是一种刚性连接，呈线性关系川。 图1 1 机械式节气门结构简图 f i g 1 1 d i a g r a mo ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ll i n k a g et h r o t t l e 2 西华大学硕士学位论文 机械式节气门具有结构简单，可靠性高，响应速度快等优点，可以充分地反映驾驶 员的操作意图；缺点是由于驾驶员根据主观感受来操纵油门踏板，难以根据汽车的不同 工况相应地做出精准调整，从而导致节气门的开度控制不能符合发动机当前工况，例如 人为的引起汽车操作不当：在需要比较小的油门开度时，实际油门踏板踩得过大；而在 需要比较大的油门开度时，踏板却偏小，从而影响进入发动机的空气量，进而影响发动 机工作。这种机械式的节气门控制方式很难适应当前高经济性、高动力性以及低排放的 需要，对汽车在不同工况下运行无法进行精确而有效的控制，从而影响汽车的驾驶性能 和乘车舒适性，尤其在冷启动、低负荷、怠速等工况下更是如此，导致汽车燃油经济性、 动力性降低，有害物质排放量增加。为了适应传统汽车和混合电动汽车的发展，提高汽 车的动力性、经济性并减少排放污染，对汽车节气门的控制采用了多种技术和方法，因 此电子节气门应运而生。 1 3 2 电子节气门控制系统结构 电子节气门控制系统如图1 2 所示，它取消了机械式节气门的刚性连接，采用一种 柔性控制方式( d r i v e - b y - w i r e ) ，电子节气门控制系统由以下几个部分组成： ( 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，核心是两个电位计式 位置传感器，其内部主要是一个根据位移量变化的可变电阻，电压值变化范围为0 v 到 5 v 之间。根据踏板位移量的多少转化成不同的电压信号并传递给电子控制单元( e c u ) 。 与传统节气门不同的是，节气门开度不再由油门踏板直接控制。 ( 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。 节气门驱动电机通常有步进电机和直流电机2 种型式。步进电机具有较高的位置保 持特性，但高速性能较差，而节气门要求有较高的动态响应性能。本课题电子节气门的 驱动电机采用直流电机。 节气门位置传感器( t h r o t t l ep o s i t i o ns e n s o r ，t p s ) 是节气门状态的检测元件，用于 实时表征节气门开度，以便进行位置反馈，实现闭环控制。电子节气门要求具有高度的 可靠性，位置传感器采用了冗余设计，系统中有2 个节气门位置传感器。为精确控制电 子节气门的开度，必须研究其位置传感器输出电压特性，找到输出电压与节气门位置之 间的对应关系。 减速齿轮机构的作用是按照一定传动比，减小电机产生的转速，同时增大扭矩，以 驱动电子节气门阀片转动。 ( 3 ) 电子节气门控制单元( e c u ) ：e c u 是整个电子节气门控制系统的核心。驾驶员的 意图经由e c u 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。 3 汽车电子节气门系统仿真与试验验证 s 图1 2 电子节气门结构简图 f i g 1 2d i a g r a mo fe l e c t r o n i ct h r o t t l es y s t e m l ：油门踏板2 ：踏板位置传感器( p p s ) 3 ：e t c 控制单元4 ：其他控制单元 5 ：节气门执行机构6 ：节气门阀片7 ：节气门阀片位置传感器( t p s ) 8 ：反馈信 号 1 4 国内外研究现状 国外对e t c 的研究已有2 0 多年的历史，2 0 世纪7 0 年代后期，随着线控技术 ( x - b y - w i r e ) 的出现，开始了e t c 相关技术的研究工作。2 0 世纪8 0 年代开始有产品问世， 1 9 8 8 年宝马汽车开始将电子节气门控制系统应用在高档轿车上。但由于受价格、技术和 市场不成熟等因素制约，e t c 发展缓慢。直到2 0 世纪9 0 年代初，日本、美国和德国的 一些汽车电子公司相继加大了对其研究的投入，e t c 产品市场才开始活跃【8 】。 近些年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅速的发展。发展趋势可以总结为： 在控制策略上由线性控制发展为非线性控制；从单一的发动机进气量控制技术发展成为 先进车辆控制与安全系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o la n ds a f e t ys y s t e m ，a v c s s ) 的关键 技术，在提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性等方面发挥重要的作用【9 j 。 经过二十多年的发展，电子节气门控制系统己经广泛应用于大众化的汽车市场，电 子节气门控制系统己经成为许多中高档轿车的标准配置。德国奔驰、奥迪汽车公司，美 国通用、福特、克莱斯勒汽车公司和日本斯巴鲁汽车公司都采用了电子节气门控制技术， 其控制技术已经相当成熟，性价比在不断地提高。 国内对e t c 研究尚处于起步阶段，虽然一汽大众、上海大众、上海通用及广州本 田等公司生产的部分高级轿车上已经配置了e t c 系统，但都属国外引进的技术，其关 键技术未能消化吸收。引进的电子节气门只是处于使用阶段，对其核心技术知之较少， 大部分还没能形成具有我国自主知识产权的成熟的e t c 产品【l o 】。2 0 0 4 年，奇瑞公司开 4 西华大学硕士学位论文 发了电子节气门系统，并用于旗云c v t 轿车上，实现了电子巡航等功能。此外国内还 有清华大学、吉林大学和北京理工大学等几家单位对电子节气门控制系统进行过相关的 研究，但节气门控制单元没有与发动机管理系统有机结合起来，与国外控制系统相比还 有明显的差距。 1 5电子节气门研究的主要问题 电子节气门控制系统需要解决的主要问题是非线性问趔1 4 1 和可靠性问题【1 5 】。 ( 1 ) 非线性问题： 在电子节气门总成内，传动机构存在无法消除的非线性因素，主要包括：节气门阀 片运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、节气门复位弹簧的非线性特性、减速齿轮装置中 的齿轮间隙。 粘性摩擦和库仑摩擦：在电子节气门工作过程中，节气门阀片的运动会同时受到粘 性摩擦和库仑摩擦的作用，在动态过程中造成摩擦力的变化的非线性。 复位弹簧非线性：节气门复位弹簧采用扭转弹簧，随着节气门开度的不同，其施加 在节气门阀片中心轴上的扭转力矩呈非线性变化。 轮齿间隙：由于电机的转速较高而扭矩较小，因此在电机输出轴与节气门阀片中心 轴之间采用了一套齿轮减速机构。齿轮啮合间隙的存在对节气门的工作产生一定的非线 性影响。 ( 2 ) 可靠性问题： 由于取消了机械式节气门的机械连接方式，采用电子控制的方式，使得电子节气门 的可靠性相对降低，如果控制软件或者系统某一部分出现故障，就不能保证整个系统工 作的可靠性。 为了保证系统的可靠性，在节气门设计时采取冗余设计思想，节气门位置传感器采 用2 个传感器，保证一旦系统在一个传感器失效的情况下，另一个传感器仍可以采集节 气门信号。 另一个保证系统可靠性的方法是：通过调整节气门复位弹簧，使节气门阀片在最小 位置保持一定的开度，在控制系统失效的情况下，使车辆以一定的节气门开度行驶到安 全地点。 1 6 本文研究内容及意义 论文的主要研究内容 汽车电子节气门系统仿真与试验验证 本文针对b o s c hd v e 5 电子节气门进行结构和理论分析、控制性能仿真及试验， 具体志銮如下： 1 ) 分析电子节气门控制系统的结构特点及节气门机械结构中存在的非线性因素，并 进行节气门系统参数的测定。 2 ) 建立电子节气门控制系统的数学模型，在此基础上针对节气门体存在的非线性问 题，试验文中采取的控制方法。 3 ) 在建立电子节气门及其控制器数学模型的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立 电子节气门控制系统仿真模型，并进行仿真比较。 4 ) 对开发的电子节气门控制器进行了初步试验，并对结果进行对比分析。 6 西华大学硕士学位论文 2 电子节气门控制系统分析 完整的电子节气门控制系统包括加速踏板位置传感器、节气门总成、驱动模块、驱 动电机控制器等，本章将对电子节气门控制系统的各部件的结构进行分析，并确定各部 件的相关参数。 2 1 电子节气门驱动模块 电子节气门控制的关键是控制节气门驱动电机的运动。驱动模块用于提供适当的控 制电压驱动节气门伺服电机，使电机输出需求的转矩，以驱动节气门达到要求的开度位 置。 对于小型直流电机调压调速系统，有两种常用方案：1 采用一个1 2 v 直流电源及一 个可变电阻控制驱动电机电压；2 采用p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 脉宽调制直流可调 电源和h 桥式晶闸管电路控制电机电压【1 每17 1 。 2 1 1 直流电源驱动方式 此驱动方式的设计很简单，只需要与电机串连一个可变电阻即可，如图2 1 所示。 改变可变电阻的阻值可以调节电机绕组电流，以控制电机的输出扭矩。 图2 1 直流电源驱动电路原理图 f i g 2 1 a c t u a t e dm o d u l ed r i v e nb yd i r e c tc u n e n t p o w e r $ o u l c e 根据电路原理： e = i p + r m + r r )( 2 1 ) 汽车电子节气门系统仿真与试验验证 式中，e 为电源电动势，为串联电路中的电流，m 为可变电阻阻值，r a n 为电机 阻值，厂为电源内阻。这种方式通过控制滑动电阻的阻值，而改变流过电机的电流，从 而达到控制电机扭矩的目的。由式( 2 1 ) 可得流过电机的电流，表达式为： i = e ( r - t - r m + r ( 2 2 ) 电机输出扭矩为： t m = i k r ( 2 3 ) 该方案虽然原理简单，但由于采用了可变电阻，对可变电阻的阻值控制成为问题，使问 题更加复杂化。另外，从功率分配的角度考虑，在控制电机的过程中，变阻器会消耗很 大一部分功率，仅有部分的能量用于驱动电机的工作：当电机电阻等于可变电阻时，只 有一半的能量被电机利用，另一半能量被可变电阻消耗，大部分功率用于产生热量，效 率和散热性问题严重。因此，这种控制方式只用于微小功率直流电动机的驱动。 2 1 2p w m 电源驱动方式 p w m 脉宽调制是近年来广泛应用于直流电动机转速调节系统中的一种调整直流电 源电压的方法。脉宽调制，其含义是将连续变化的控制电压u 变换为脉冲幅值与频率固 定、脉冲宽度与u 瞬时值相关的脉冲电压。通过对脉冲宽度的控制，即：占空比的控制， 实现对直流电机电枢电压的控制，从而控制电机的转速l l 引。 p w m 控制的示意图如图2 2 所示，可控开关s 以一定的时间间隔重复接通和断开。 当s 接通时，三极管t 导通，供电电源u s 通过三极管t 施加到电机两端，向电机提供 能量，电机绕组储能；当开关s 断开时，三极管t 截止，中断了供电电源u s 向电机提 供能量，在开关s 接通期间电枢电感所储存的能量通过续流二极管v d 使电机电流继续 流通。 平 + ps i v i i z v d 6 弋7 图2 2p w m 电源驱动电路原理图 f i g 2 2 s k e t c ho fp w mc o n t r o ls y s t e m 8 西华大学硕士学位论文 假设开关导通时间为f j ，开关关闭时间为以电动机的电枢绕组两端的平均电压值 砚为： u a = 等= 等矾= p 弧(24t2 。) f j +i “7 式中p 为占空比，p 例= 等 占空比p 表示在一个周期内，输出方波高电平时间与周期的比值，占空比p 的 变化范围为0 p j 。电源电压不变的情况下，改变p 何值就可以改变电机电枢两端 电压的平均值，从而改变电机的输出扭矩。 电枢电流i 的波形如图2 3 所示，它在每个p w m 周期中是由两端指数曲线组成。 在p w m 周期的高电平期间，电枢绕组与电源接通，电流按指数规律上升，同时电枢绕 组电感蓄能；在p w m 周期的低电平期间，电源断开，电枢绕组电感通过二极管释放能 量，绕组中继续有电流按指数规律流动。因此，电机电枢电压波形为脉冲方式，电流波 形为连续的波浪方式，有一定的波动。提高p w m 频率可以减小电流波动。 u j 二匕二二三t 图2 3p w m 输入输出电压波形电流波形图 f i g 2 3 w a v eo fp w mc o n t r o lv o l t a g e 2 2 电子节气门总成结构及非线性因素分析 电子节气门结构及各组成部分功能和特性的研究，是控制系统的设计基础。本课题 所用电子节气门为b o s c h 生产的d v e 5 电子节气门，结构如图2 4 所示，主要由节气 门阀片、驱动电机、减速齿轮组、复位弹簧和节气门位置传感器等组成。 汽车电子节气门系统仿真与试验验证 a 、电子节气门齿轮传动机构b 、电子节气门结构示意图 图2 4 电子节气门结构图 a ，g e a rt r a n s m i s s i o no ft h r o t t l eb o d yb ，e l e c t r o n i ct h r o t t l es t r u c t u r ed i a g r a m f i g 2 4 e l e c t r o n i ct h r o t t l es t r u c t u r ed i a g r a m 2 2 1 节气门驱动电机 电子节气门驱动电机的主要功能是为节气门阀片提供适当的转矩，以驱动节气门阀 片运转到适当的节气门开度位置。d v e 5 电子节气门采用的是小功率永磁直流力矩电 机，其特性与普通小功率直流电动机相类似，但是在性能上保持了普通直流电动机的优 点而克服了其缺点。其特点是堵转力矩大，空载转速低，调速范围宽，起动迅速，机械 特性和调节特性线性度好，长期堵转时能产生足够大的堵转力矩而不损坏，可靠性较高 【1 9 】 o 2 2 2 齿轮减速机构及齿隙非线性因素 由于节气门驱动电机转速较高而输出扭矩较小，节气门阀片本身有一定的转动惯量 并受到一定的摩擦力和复位弹簧作用力。如果由直流电机直接驱动节气门阀片中心轴， 则需要功率较大的电机。因此电子节气门总成上都设计有一套齿轮减速机构，包括主动 齿轮、中间齿轮和从动齿轮。其中主动齿轮安装于电机输出轴上，从动齿轮装于阀片中 心轴端，通过固定于节气门体的中间齿轮传递输出扭矩给阀片中心轴。齿轮减速机构不 仅增大了施加于中心轴上的扭矩，同时还降低了节气门阀片的转速，减少了工作时的冲 击，有利于节气门控制。在齿轮减速机构中，由于齿轮啮合存在间隙，产生了齿间隙非 线性【2 0 之1 1 ，电机转矩和节气门输出之间成非线性关系： t o u t = f ( t m ，万) ( 2 5 ) 式中，t i n 为输入转矩；t o u t 为输出转矩；6 为死区宽度。 1 0 西华大学硕士学位论文 s 龟， 黾 诋 卢，一77 图2 5 节气门齿轮齿隙非线性特性图 f i g 2 5 n o n l i n e a r i t yo f b a c k l a s h 2 2 3 节气门复位弹簧及其非线性 发动机处于怠速状态时，为保证一定流量的空气进入发动机，使发动机保持正常状 态，节气门阀片需要有一个开度，此开度需要由节气门阀片中心轴另一端的复位弹簧来 提供；同时，在节气门工作时，当节气门需要从较大开度位置降到较小开度或回到节气 门关闭位置时，复位弹簧提供一个较大的扭转力矩，使节气门阀片可以快速地回到要求 位置，保证系统的可靠及响应的快速性。通过对该弹簧的调整，可调节节气门初始开度， 使节气门即使处于最低开度也能提供一定的空气流量，实现怠速控制。 节气门进行逆时针旋转，当转角口大于平衡位置所在转角口。时，节气门轴受到弹 叫 簧k 。的作用，k 。使节气门回复向平衡位置，而在转角回复到口= 0 。时节气门轴上一活块 叫 被平衡位置挡块挡住，此时节气门轴受到的扭矩为d = k 。；在p 时，节气门受 到的扭矩即为互= k ，p - 0 钾) + k 0 钾； 同理，当转角小于秒。时，节气门轴受到弹簧k 2 的作用而使节气门向平衡位置回复， 在回复到p = 时，被平衡块挡住，此时节气门轴受到的扭矩为d = 一k 2 ；在o d o t h e np = 0 在非静态占空比脉宽调制方式中，当输入值大于0 时，输出尸= 1 。 p ( t ) l o u e r 此时输出占空比规则如下： p ( o ) = 0 i f ( t = ，2 刁，z = 以j ，2 j t h e np - - 1 卯= 1 a n d e 缈t h e np = 0 当输入值小于或者等于0 时，p 似= 0 。 本文采用非静态占空比脉宽调制方式，则电路输出电压u 为 t l ( t ) = e l p ( t ) 1 c o u q 吣 1 9 汽车电子节气门系统仿真与试验验证 3 1 2 节气门驱动电机 节气门的驱动元件是永磁直流电机，其定子是永久磁铁，转子是电枢线圈。电枢线 圈可等效为电阻r a 和电感l a 。 流过电机的电流和输入电压之间的关系，根据基尔霍夫定律，可建立如下方程： u a ( t ) = l a _ d i a ( t ) 一b r a i a + p 6 ( 3 2 ) u a ( t ) 为输入电压；三口为电机感抗( h ) ：r 口为电枢电阻( q ) ；e b ( t ) 为电机反电动 势；f 口为电枢电流( a ) 。 当直流电机以( o m 的角速度旋转的时候，会产生反电动势e b ，根据电磁感应定律 有： 铴= k m m 例 ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中，k 肌为电机转矩常数( n m s r a d ) ，m ( t ) 为电机旋转角速度( r a d s ) ， 根据牛顿定律，理想情况下，电机产生的扭矩可用如下公式表示： t m = ，j 百a c o m ( 3 4 ) 式( 3 4 ) 中，t m 为电机的转矩f n m ) ；d 为电机转动惯量( k g m 2 ) 。 将式( 3 2 ) 变形可得 d l a ( t )u a ( t ) r n l a t ) e b ( t ) 1 厂= i 一1 一i ( 3 5 ) d f 三口上口上口 v “7 由3 1 式有p w m 模块输出电压为： u ( o = ec p ( t ) 】 0 1 1 3 6 故电机两端电压 【，口= v b 口t x u ( o ( 3 7 ) 其中尸 o j l ，g b a t 是直流电源电压 故( 3 5 ) 式又可化为： 掣= 譬删一掣一譬( o m 渺 ( 3 8 ) d f 上口三口三口 、“”7 设电路中一个周期平均电流为l b a r ，根据欧姆定律有： r 4 i b a r + e b + 尺6 m i b 口r = v b 口，u ( o( 3 9 ) 式中e b 为反向电动势，r b a t 为电源内阻。 由式( 3 8 ) ( 3 9 ) 可得： 西华大学硕士学位论文 砒户瓦瓦肛彻a t - e u2 瓦瓦以似一k m w m ( t ) ( 3 j 0 ) 3 1 3 机械结构模型 在电子节气门体中，除了驱动电机外，还有齿轮减速机构、节气门阀片、复位弹簧 等机械部件，这些结构具有非线性特征，以下将对机械部分进行详细的分析并对其建立 数