（动力机械及工程专业论文）摩托车上应用电子节气门控制系统的开发研究.pdf

中文摘要 电子节气门系统将节气门控制，巡航控制，以及怠速控制等集成在一个节气 门控制单元中，综合发动机的各种工况信息和驾驶员的驾驶愿望，以加速踏板位 置为基础，对节气门的开度进行优化控制，保证发动机运行于最佳工况，电子节 气门已经成为多种新一代汽车电子控制技术的基础，目前运动型车辆和中高档轿 车普遍使用电子节气门系统。 随着摩托车电子控制技术的进一步发展，摩托车排放法规不断严格，驾驶者 对车辆性能，驾驶舒适度的期望不断增加，摩托车产品需要不断开发新技术以提 高其整体性能。同时，电子节气门控制精确，结构简单，成本低廉，将电子节气 门系统用在摩托车产品上将是一个很好的选择。因此，本文将研究应用在摩托车 上的电子节气门控制系统。 本文首先介绍了应用在f a i 电喷摩托车上的电子节气门系统，详细描述了本 电子节气门系统的主要组成模块和各个模块的功能，对电子节气门系统的开发过 程，系统控制单元的硬件设计，以及执行机构步进电机的特性进行了详细的 解释。 随后，本文论述了本研究电子节气门实现的主要功能：冷起动控制，怠速控 制，油门突变空燃比控制，发动机转速限制控制，巡航控制以及油门手把灵敏度 控制。对这些控制过程的特点进行了分析，并提出了具体的控制方法，详细介绍 了从发动机起动到正常运转的节气门整体控制软件流程。 最后，通过实车试验对节气门电子控制系统的响应特性进行了测试，对整体 控制策略和实现功能进行了验证和完善，得到了针对摩托车节气门控制的方式和 策略，为电子节气门用在摩托车上做了探索性研究。 关键词：电子控制技术摩托车电子节气门控制系统实现功能 a b s t r a c t t h ee 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 ) s y s t e mi n t e g r a t e st h r o t t l ec o n t r o l ，c r u i s e c o n t r o la n di d l ec o n t r o li n t oas i n g l ea c t u a t o rd i r e c t e db yas i n g l ee n g i n ec o n t r o l l e r e t ci sa ne c t r o r d i n a r yt o o lf o re n h a n c i n ge n g i n ea n dv e h i c l ep e r f o r m a n c e a n i n t r i n s i cb e n e f i to ft h eu s eo fe t ci st h ea b i l i t yt om o d i 母t h et h r o t t l er e s p o n s et o a c c e l e r a t o ri n p u t st om o r ec l o s e l ym a t c ht h eo p t i m u mc h a r a c t e r i s t i c s e t ch a s b e c o m et h eb a s eo ft h en e wg e n e r a t i nm o t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma n d w i d e di m p l e m e n t e do np o p u l a rs u v sa n dp a s s e n g e rc a r s t h ee t cs y s t e mf e a t u r e so fp r e s i s ec o n t r o la b i l i t y , s i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t m a k ei tag o o do p t i o nt o i m p l e m e n tt h ee t co nm o t o r c y c l e t h e r e f o r e ，t h e a p p l i c a t i o no fe t cs y s t e mo nm o t o c y c l ei st h em a i nr e s e a r c hi s s u ei nt h i sp a p e r f i r s t , t h ee t cs y s t e ma p p l i e do nf a i se f im o t o r c y c l ei si n t r o d u c e da n dt h em a i n m o d u l e sa n dt h e i rf u n c t i o n s 孤d e s c r i b e di nd e t a i l i ta l s oe x p l a i n st h ed e v e l o p i n g p r o c e s so fe t cs y s t e m ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ee t cu n i t , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t e p m o t o r s e c o n d , t h ec o n t r o lf u n c t i o n sp r o v i d e db ye t cw a sd i s c u s s e d ：c o l d b o o t c o n t r o l ，a i r - f u e lr a t i oc o n t r o l ，i d l ec o n t r o l ，e n g i n es p e e dg o v e r n i n g ，c r u i s ec o n t r o l ，a n d t h ep e d a ls e n s i t i v i t ys e l e c t a b l ep e r f o r m a n c e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ec o n t r o l p r o c e s s e sa r ea n a l y z e d ，t h ee x a c tc o n t r o lm e t h o d sr a i s e d ，a n dt h eo v e r a l lt h r o t t l e c o n t r o ls o r w a r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t ，t h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e p m o t o ra n d e t cs y s t e ma r et e s t e d ，t h eo v e r a l lc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h er e a l i z e df u n c t i o n sa r e v a l i d a t e da n di m p r o v e d t h i ss t u d yh a sa b t a i n e dt h et h r o t t l ec o n t r o lm e t h o d sa i m e da t m o t o r c y c l ea n di a y e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fe t c o nm o t o r c y c l e k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c n o l o g y , m o t o r c y c l e ，e l e c t r o n i ct h r o t t l e c o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文【 i 不包含其他入已经发表 或撰。，；过的影f 究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或征 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 籼论文储貔么馥签字隅绷，7 年3 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留、使用学位沦文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 f j 小l 家有关 | j 或机 = ：j 送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学化沦文作者签名：缴 签乒i _ i 期：2 7 年g 月i 同 导师签名：稚勿 签字同期：御年岁月r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子节气门的由来及其发展 1 1 1 节气门从机械控制到电子控制 电子燃油喷射系统( e f i ) 以其优越性取代汽油机的化油器后，其油路自成 系统，由电控单元( e c u ) 控制燃油喷嘴进行压力喷射；但为了调节发动机负荷， 在进气系统方而，保留了传统的发动机进气量调节部件节气门，e c u 被动地 通过节气门位置传感器以及空气流量计等检测发动机工况和状态，再根据这些传 感器的信号参数( 包括空气流量、转速和温度等) ，调节喷油器的喷油量，获得最 佳控制性能。 在前期的e f i 系统中，由操作人( 汽车驾驶员) 直接驱动节气门，e c u 并不能 主动控制节气门的运动。对怠速等特殊工况采用另外的附加装置进行空气补偿。 操作人对节气门的直接机械控制方式由于发动机动态特性的限制，e c u ? 艮难根据 汽车的不同工况相应地做出精确而及时的调整；特别是在冷起动、突然加速等特 殊工况下的控制效果不尽理想，从而导致汽车发动机的性能下降，有害排放量增 加。在e f i 系统中虽然可以实现对稳态喷油量的精确控制，并采用附加装置对进 气充量进行补偿，但还是不能在所有工况下达到理想的要求。 为了精确控制发动机的工作，在精确控制喷油量的同时，还必须同时按照驾 驶员的意图和发动机的状态较为精确地控制进气量，而不仅仅被动地测量进气 量，这样才能获得更佳的车辆性能，于是出现了电子节气门系统( e t c ) 。 e t c 是在e f i 系统的节气门体机构中，增加一个由e c u 控制的节气门驱动系统， 其节气门开度在任何工况下都直接由电机驱动控制，而驾驶员的操作状态由一个 油门踏板传感器检测，e c u 根据包括油门踏板传感器信号的所有采样信号来确定 节气门开度、喷油量等，从而可随着发动机工况的变化配制一个最佳的混合气成 分( 同时按发动机的动力性、经济性、减少排放有害物等要求来确定) ，具有良好 的怠速、加速及减速等工况过渡性能。现在，电子节气门系统已成为发动机电控 管理系统中的一个非常重要的模块。 1 1 2 电子节气门的发展 2 0 世纪7 0 年代后期，随着电驱动( d r iv e b y w ir e ) 的理念就开始了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，b o s c h ( 博世) 公司的e t c 产品在某 第一章绪论 些赛车上就有应用；1 9 8 8 年，在宝马b e v l 7 5 0 i l 轿车上也开始装置e t c 2 7 。但由 于其价格昂贵，技术和市场条件也不成熟，因而发展缓慢。直到2 0 世纪9 0 年代初， 日本、美国和德国等的一些汽车电子公司对其研究相继加大了投入，e t c 产品市 场开始活跃。1 9 9 3 年，t o y o t a ( 丰田) 研制了e t c 系统e t c s 2 8 ，使用步进电机驱 动其增设的辅助节气门，保留了原来机械控制的主节气门系统作为备用；但其结 构复杂、体积庞大且价格也很高。1 9 9 5 年以后，德国b o s c h ，p i e r b u r g ( 皮尔博格) ， 美国d e l p h i ( 德尔福) 、v i s t e o n ( 伟世通) ，日本t o y o t a ，h i t a c h i ( 日立) 和d e n s o ( 电 装) ，意大利m a r e l l i ( 玛瑞利) 等公司陆续推出第1 代和第2 代e t c 产品，它们的发 展趋势都是全电子化。如p i e r b u r g 的半机械半电控的e t c - i 发展到全电控的e t c - e 系统 2 9 ；t o y o t a 的保留原机械控制的e t c s 系统发展到智能控制的e t c s - i 系统 3 0 。近年来，e t c 产品的发展更是如雨后春笋，各公司都不断推陈出新。v is t e o n 公司将节气门体与燃油喷射及迸气歧管有机地结合在一起 3 1 3 ；而b o s c h 和 d e l p h i 公司的产品在综合控制与监测性能上则为楷模。至u 2 0 0 0 年，e t c 产品开始 大规模进入市场。d e l p h i 和b o s c h 等国外公司已经大量将电控节气门系统配备于 发动机电控系统之内，供应给各大汽车厂商，如g m 的l s i 发动机和v o r t e c 6 0 0 0v 8 发动机、c h e v r o l e t 的n e w8 1 0 0 v 8 发动机、d a i m l ec h r y s l e r 的3 2ls o h cv 6 发 动机都采用了e t c 系统。在一些大排量的运动型多功能车( s u v ) 上，e t c 系统已经 成为基本配置 1 0 2 3 。 目前，产品一般都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上，如b o s c h 公司为奔驰和宝马等提供产品，d e n s o 为l e x u s 和s u b a r u 配置的产品，d e l p h i 公司 为一些运动车型及流行车型如1 6l 欧宝一雅特等推出第2 代e t c 系统产品 1 0 。国 外的宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及雷克萨斯等系列轿车中，以及长安福 特、天津丰田等生产的车也已有或者准备配置e t c s 系统。 在国内，电子节气门系统还处于研究和开发阶段，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，未能形成具有我国自主知识产权 的e t c 产品。2 0 0 4 年，奇瑞公司开发了电子节气门系统，用于旗云c v t 轿车 上。另外，国内部分高校和科研机构近年来也对e t c 开展了研究与技术探索， 并取得了阶段性成果。如清华大学研制的发动机电控节气门控制器，实现了混合 动力电动汽车用发动机的扭矩控制 3 7 ，武汉理工大学进行了基于d s p 的电子 油门控制的研制 3 8 ，重庆大学研究出由高速开关阀控制的电液式节气门执行 器 3 9 。中国汽车技术研究中心研究开发了用在混合动力车上的电子节气门机 构 2 4 。 第一章绪论 1 2 电子节气门典型结构及控制原理 早期的电子节气门功能较简单，往往是在机械控制的主节气门上串联一电 控的副节气门，实现某一单一功能( 如巡航控制) 。现代电子节气门则是由一个节 气门实现各种控制功能，图i - i 为典型电子节气门控制系统组成示意图 3 6 ，可 以代表电子节气门的基本组成。该电子节气门由重新设计的节气门体、电控单元、 驱动单元、加速踏板位置传感器和节气门位置传感器组成。图中，控制电机及其 驱动器与电子节气门控制单元、节气门位置传感器一起构成了闭环的反馈控制系 统。节气门体由驱动电机、减速机构、节气门以及节气门位置传感器组成。驱动 电机一般采用步进电机或者无刷直流伺服电机，电机接受来自控制单元的指令， 产生需要的动作，通过减速机构带动节气门转动，达到主控制器指定的开度。电 机驱动系统具有结构紧凑、控制精确、可靠性高、容易实现等特点，因此在车载 系统上被广泛采用。电子节气门控制单元检测并处理加速踏板位置传感器的输入 信号，同时检测并处理节气门位置传感器的输入信号，一般经过信号的调理、滤 波后，经过a d 转换输入到微处理器的i o l z l 。控制单元的电源可以采用车上的 1 2 v 蓄电池供电。经过程序处理后，输出信号通过驱动器放大后直接控制电机。 1 加速踏板2 加速踏板位置传感器3 e t c 控制单元4 传感器和其他控制单元5 电机及减 速机构6 节气门7 节气门位置传感器8 反馈信号 图i - ie t c 工作原理示意图 电子节气门控制单元可以集成在发动机电控单元e c u 中，也可以自成系统，独立 控制节气门控制电机运行，通过单片机之间通讯的方式与上位机( 主e c u ) 联系， 获得各种工况信息，两种方法各有优缺点，需要根据不同的装车情况加以设计。 两种方式的典型代表是德尔福的第一代和第二代电子节气门系统，德尔福第一代 电子节气门系统设计了一个小的电子节气门控制器，将其连接在电子节气门系统 第币绪论 中i u t - h 气门控制器与动力系统控制模块( p 酬) 通过串口连接的方式通情， 如图1 2 所示 1o ，这种方式对原有的动力系统控制模块( p c m ) 不会造成影响 这样a r 以方便地对原有车辆进行电了h i 的改装，并且使得成本人大降低。德 尔福第代l u 了节气系统将所有控制系统集成住发动机动力系统控制啦兀中 ( e c m p c m ) ，由e c m p c m 直接控制直流电机运动。如图1 3 所示 1 0 】此种玎式 的优点是结构紧凑，e c m 根据工况信息对l u 机进行直接控制，更具有拄制的实时 性。对于重新丌发电拄单元的车辆米i 兑，。般采用此种订式。 鼬l _ 2d e i p h i 第一代电了节7 t fj 采缆币意罔 阿卜3d e l p h i 筇代电，廿7l 门系统小意刚 1 3 电子节气门实现的主要功能 t n m m e b 。d v 传统的节气门与加速踏板之间通过拉索( 杆) 琏接节气门的丌度完全由驾驶 第一章绪论 员通过加速踏板来控制。这种机械控制方式只能使发动机电子控制系统完全按驾 驶员对加速踏板的操作意图控制发动机的工作，不能确保发动机的工作状态与汽 车的运行情况形成最佳的匹配。电子节气门控制系统使加速踏板与节气门之间无 机械连接，而是通过传感器、电子控制器及节气门驱动装置实现电子控制方式的 连接，可使发动机节气门的开度不完全取决于驾驶员对加速踏板的操纵，控制 系统可根据发动机的工况、汽车的行驶状态等对节气门的开度作出实时的调节， 使发动机在最适当的状态下工作，从而提高了汽车的动力性、安全性及舒适性。 目前汽车电子节气门主要实现的功能包括： a 加速踏板特性控制可使节气门的开度响应满足驾驶员不同的踏板感觉需要。 加速踏板特性大致可分为运动模式、标准模式和雪地模式。运动模式使驾驶员有 加速踏板很灵敏的感觉，该控制模式下使节气门的响应以汽车的加速反应迅速为 目的；雪地模式则使驾驶员有加速踏板比较“迟缓”的感觉，该控制模式下对 节气门的控制以安全性为日标。 b 以舒适性为目标的车速控制在加速踏板位置突然改变时，电子节气门控制系 统对节气门的响应进行适当的调整，以避免汽车突然的加速或减速，使车内乘员 无前冲或后仰的感觉。 c 发动机转速限制控制当发动机转速超过设定的限值时，电子节气门控制系统 可及时减小节气门开度，以避免发动机超速运转。 d 发动机起动控制在起动发动机时，电子节气门控制系统自动将节气门调整到 发动机最容易起动的位置。 e 三元催化器加热时的转矩补偿控制当发动机冷机起动后，三元催化器加热器 通电工作时，电子节气门控制系统将节气门开度作适当的修正，以确保发动机的 正常运转。 f 发动机怠速控制电子节气门装置响应发动机怠速控制系统的控制指令，进行 发动机怠速稳定控制、发动机高怠速控制和发动机快速暖机控制等。 g 发动机输出功率控制电子节气门装置响应驱动防滑控制系统的控制指令，通 过适当减小节气门开度，控制发动机的输出功率，以抑制驱动车轮的滑转。 h 汽车巡航控制电子节气门装置响应巡航控制系统的控制指令，及时地调整节 气门开度，以使汽车的行驶速度保持在设定的车速。 1 4 电子节气门技术在摩托车上的应用前景 随着我国城市污染问题的提出，交通工具的尾气排放污染越来越受到人们的 关注。我国是一个摩托车生产和使用的大国，其尾气的排放也日益受到重视，国 第一章绪论 家针对尾气排放也制定了相应的法规。至u 2 0 0 4 年，北京、上海等地区首先执行城 市摩托车尾气排放必须达到的欧i 标准，2 0 0 6 年全国摩托车尾气排放执行中国第 二阶段标准( 等价于欧i i 标准) ，2 0 0 8 年将很有可能执行中国第三阶段标准( 等 价于欧i l l 标准) ，而传统的化油器很难达到这个标准，因此摩托车技术升级势在 必行。目前，随着电子技术、自动控制理论和传感器技术的迅速发展，使发动机 的机电一体化成为一种必然的发展趋势。而电子控制燃油喷射系统能够满足发动 机的高经济性、低污染的要求，能够大大提高发动机的工作效率。电喷技术是摩 托车技术的制高点，是摩托车满足欧i i 和欧i i i 排放法规的主要技术措施之一。与 传统的化油器摩托车相比，电喷摩托车因为采用压力喷射，使得汽油雾化质量比 化油器大为改善，有利于燃油混合气的快速和完全燃烧，所以具有如下优点：能 提高发动机的最大功率；耗油量低，燃油经济性好；减少排气的污染；在低速时 可以输出较高的扭矩；加速性能得到改善；冷起动性能好。 但是，现有的摩托车电控燃油喷射系统在燃油与进气的精确控制方面仍然存 在不足之处。这就需要对电喷系统作出有效的改进，充分挖掘电喷技术在减少有 害排放和提高燃油经济性方面的潜力。比如，如果电喷系统e c u 采用定相位传感 器采样方式，在摩托车加减速的过程中，如果手把油门在进气量测量采样后运动， 那么发动机真正的循环进气量和e c u 采样值计算出来的循环进气量之间就会出现 偏差。当节气门快速打开时，实际进气量会大于e c u 计算的值，空燃比会产生稀 的偏差；节气门快速关闭时，空燃比会产生浓的偏差。这种由手把油门的快速运 动而带来的进气量测量偏差问题是现有摩托车电子控制技术所遇到的难点之一。 而此问题有望通过安装电子节气门来解决。 没有安装电子节气门的发动机中，进气量的控制是驾驶员通过操纵手把油门 调节节气门开度来实现的，最小进气量即怠速时的进气量则通过怠速螺钉位置来 设定，或安装有怠速调节装置的系统中，怠速时的进气量则由e c u 按照怠速转速 反馈调节。这种节气门系统有时不能适应发动机的要求，例如低温启动或低转速 时节气门开度过大往往造成进气管真空度过小而使燃油挥发性大为降低，进入缸 内的混合气很容易过稀，还容易使火化塞失效，而节气门开度过小又难以维持稳 定加速运转，等等。 发动机使用电子节气门后，任何时刻进气量完全由节气门控制电机来控制。 节气门控制单元以手把油门位置信号为基础，综合考虑发动机的各种工况信息， 根据这些信息对进气量进行快速、精确控制。其优点为：可以根据驾驶员愿望以 及发动机状态、排放、油耗和安全需求确定节气门的最佳开度；电子节气门可以 兼有发动机怠速控制系统、巡航控制系统、驱动防滑控制系统等电子控制系统执 行器的功能，因此，可以简化这些电子控制装置的结构。 第一章绪论 另外，随着社会的发展，电子控制技术的不断进步，摩托车驾驶员特别是广 大摩托车爱好者对车辆的性能和功能不断提出更高的要求。比如：德尔福的用户 调查表明，在驾驶员对车辆的整体满意程度数据中，车辆对油门的响应特性占了 很大比例 1 0 。使用电子节气门实现的自动控制等功能能可以改善驾驶的安全性 和舒适性，减轻驾驶疲劳，必将给驾驶员带来很大的方便。 1 5 本课题的主要工作和意义 1 5 1 本课题的主要工作 首先完成了试验用节气门控制单元e t c 的设计。该e t c 能够采集手把油门控 制信号，并与f i 电喷系统e c u ( 主e c u ) 通信，获得节气门位置、转速、温度 等信息，同时，当e c u 在排气冲程捕捉到曲轴凸块信号后，以外部中断的方式通 知e t c u ，作为进气量采样开始信号，e t c u 根据这些信息对步进电机进行控制以调 节节气门的位置。在任何情况下，节气门直接由步进电机控制，取消了传统节气 门与油门拉线之间的直接机械连接，在电控单元的控制下，可实现节气门开度的 快速精确控制。 对选用的混合式步进电机的特性进行了试验分析，标定出了本应用负载情况 下步进电机的最大响应频率和运行频率。在保证电机不丢步的情况下，制定出了 步进电动机的加减速控制策略。 最后进行摩托车实车试验，对启动过程步进电机控制的节气门开度和喷油量 的关系作了分析，根据分析得到的数据以温度和转速信号作为输入量，步进脉冲 信号为输出量，实现了冷启动，暖机和稳定怠速的控制。在稳态工况下通过设置 步进电机对手把油门位置的灵敏度实现了车辆运行的三种模式，即正常模式，动 力模式，雪地模式，对三种模式下的加减速性能进行了实验性研究。同时，本课 题针对道路状况良好，车辆少的情况制定了车速巡航模式，保持发动机运转在一 定的转速范围内。 1 5 2 本课题的意义 摩托车应用电子控制技术是摩托车技术的重要发展方向之一，电喷技术可以 实现燃油供应量的精确控制，空燃比闭环控制可以实现稳态工况的理论当量空燃 比燃烧控制。本课题进行的电子节气门控制系统的开发研究可以实现发动机进气 量的按需控制，可以实现迸气与曲轴相位同步，消除了节气门运动及开度大小与 发动机状态的不和谐，对进一步提高摩托车性能有重要意义。 第二章电子节气门系统 第二章电子节气门系统的设计研究 2 1f a 电喷摩托车空气供给系统 f a i 系统应用在摩托车上时，在结构上的主要变动是将原化油器换为尺寸、 质量等相近的喷油器节气门体组成，其他电喷部件，如e c u 和温度传感器等，可 以分散分布于适当的位置。由于f a i 系统的耗电量与磁电机的发电能力正好适 应，所以基本不用改变原车的发电、充电部件，只是点火触发相位需要改变。f a i 电喷摩托车空气供给系统主要由空气滤清器和节气门体组成，其中节气门体是该 系统的重要部件。目前，国内企业所进行的电喷项目，一般都是将化油器式摩托 车直接改进为电喷摩托车。基于产品的a f 一致性水平考虑，对发动机吸入的混 合气中的a f 有更严格的技术要求，一般控制在5 以内的水平，因此电喷系 统中节气门体部件的进气量调整控制如怠速进气量设定、零部件制造精度等都必 须提高。另外，因摩托车整体总体布置空间相对太小，进气管进气脉动大，摩托 车电喷系统对节气门体总成的设计开发的技术要求比轿车电喷系统的节气们体 相对复杂。 f a i 电喷摩托车进气系统相对比较简单，因为考虑到摩托车成本以及在摩托 车上安装空气流量计位置的布置难度，所以要尽可能地降低电喷系统的成本，在 满足摩托车动力性、排放性的前提下尽可能地减少电喷系统的传感器，因此f a i 电喷进气系统中就没有使用空气流量计。f a i 电喷系统的节气门体安装在空气滤 清器和节气门之间，如图2 - 1 所示，喷油器直接安装在节气门体上，节气门位置 传感器安装在节气门轴的一端，将节气门的开度转换成电信号输送给e c u ，作为 e c u 判断发动机运转工况的依据。 f a i 电喷摩托车系统的节气门体与汽车的电喷系统相比结构简单，没有专 门的怠速供气系统，它是靠怠速螺钉控制节气门的最小开度来控制怠速转速。怠 速螺钉的位置在节气门体出厂时通过测量节气门的漏气量进行标定，如果在摩托 车实际工作过程中，觉得怠速过高或过低的话，通过调节怠速螺钉的位置也可以 对怠速进行调整。f a i 电喷摩托车喷油器直接固定安装节气门体上，因考虑到发 动机工作时温度过高，所以在连接喷油器的节气门体处设计有散热片，节气门体 和发动机之间用一个特殊橡胶材料做成的隔热装置进行连接。 第二章电子节气门系统 2 2 实验用电子节气门组成 重新设计的电子节气门体对原有的f i 摩托车空气供给系统进行了改装，取 消了油门手把与节气门轴之间的钢索连接，步进电机与节气门轴同轴连接，因此 传动比为l ：1 由于在任何情况下都可以由步进电机控制节气门的打开角度，所 以去除了原节气门体上的怠速螺钉。图2 - 1 为本系统使用的电子节气门体实物 图。 整套系统由节气门体，节气门控制电机，油门拉线( 手把) 位置传感器，节 气门位置传感器和节气门控制单元e t c 组成。如图2 - 2 所示。 节气门控制电机 节气门控制电机为步进电机，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行 机构，具有反应灵敏和能耗低的特点。e t c 通过对步进电机的方向、步数以及运 行速度进行控制，从而调节节气门开度。 节气门控制单元e t c u 节气门控制单元采集节气门开度信号，将其转化成数字信号，同时与主e c u 通信，获得缸盖温度、发动机转速和节气门位置信号，经过运算和处理，得到该 工况下的最佳目标节气门角度，从而确定控制电机的调节脉冲数和方向。任何情 况下，步进电机都由e t c 直接控制。 节气门位置传感器 节气门位置传感器是安装在节气门轴上的用来检测节气门开度的传感器， f a i 电喷系统使用的是模拟式节气门位置传感器( t p s ) ，它是一个可变电阻( 电 位计) ，能够传输给e c u 节气门的位置信息，节气门位置传感器是一个三线传感 器。其中一线从e c u 的传感器电源引出来的5 v 电压对传感器电阻材料供电，另 一线连接电阻材料的另一端为传感器提供接地。第三根线连至传感器的可动触 点，提供信号输出至e c u ，电阻材料上每点的电压，由可动触点探测，并与节气 门角度成正比。这是一个重要的传感器，因为e c u 用它的信号来计算发动机负荷、 点火时闻、喷油量和怠速控制等参数。一个坏的节气们体位置传感器会引起加速 滞后和怠速问题，以及驾驶性能问题和排放问题等。 油门手把位置传感器 油门手把位置传感器也是无触点线性电位器传感器。随着手把位置的改变， 电位器阻值也发生线性的变化，产生的电压信号输入节气门控制单元e t c 中。 图2 - 1 电予节气门体安装实物图 博2 - 2 电了甘气门系统组成不意罔 2 3 电子节气门控制单元e t c u 2 3 ie t c u 硬件系统概述 e t c u 的硬件系统主要由输入回路，主控m c u a d 转换器输出回路和电源 模块四部分组成。其中输入回路需要处理的信号包括：油门拉线位置传感器信号； 由主e c u 传来的信号( 缸盖温度信号、转速信号、以及采样开始信号) ：p c 机传 第二章电子节气门系统 来的控制信号( 实验精确控制使用) 。输出回路用来控制步进电机的启动、脱机、 运行步数、方向和频率。图2 3 所示为本文e t c u 硬件系统的结构框图。 图2 - 3e t c u 硬件系统结构图 2 3 2e t c u 微处理器的设计 2 321 主控芯片选择 考虑到摩托车工作环境恶劣和对芯片稳定性和抗干扰性的要求，需要使用军 品级的芯片；考虑到节气门响应实时性的要求，需要芯片具有较高的时钟频率； 同时考虑到e t c 控制功能开发的方便，希望使用的控制芯片具有良好的开发性， 能很方便的编写程序。根据以上要求，本文选用s t c 8 9 c 5 2 r c 单片机作为系统的 主控芯片。s t c 8 9 c 系列单片机是新一代8 0 5 1 兼容芯片。与8 0 5 1 原有指令兼容， 但是其不同的显著特点是具有高的抗干扰能力，时钟频率更高，卜8 0 h z ，而且 有1 2 周期6 周期机器周期可以选择，适合高速场合。同时该芯片可以在线擦写 程序。 s t c 8 9 c 5 2 r c 的主要性能参数： 与i n t e l 8 0 5 1 系列单片机完全兼容 最大到8 0 m h z 的外部时钟频率 8 kb y t e 的f l a s h 程序存储器 l k 字节e e p r o m 第二章电子节气门系统 5 1 2 字节的r a m 4 组8b i ti o 端口( 对于4 4 引脚型) 三个1 6 位的记时器计数器 串行接口 8 个可设为四级的中断源 可编程看门狗记时器 具有i s p i a p 机制 支持双倍速( 6 t 模式) 与普通8 0 5 1 系列单片机相比，s t c 8 9 c 5 2 r c 的显著特点是： 超强抗干扰性 1 i o 口输入输出口经过特殊处理，很多干扰是从t l o 进去的，每个i o 口都有对v c c g n d 二极管钳位保护。 2 电源很多干扰是从电源进去的，单片机内部的电源供电系统经过特殊 处理。 3 时钟很多干扰是从时钟部分进去的，单片机内部的时钟电路经过特殊 处理。 4 看门狗 单片机内部的看门狗电路经过特殊处理，打开后不会关闭，可以 放心省去外部看门狗 5 复位电路很多干扰是从复位电路进去的，单片机内部的复位电路经过特殊 处理，s t c 8 9 c 5 2 r c 单片机是高电平复位，也可用r c 复位。 6 宽电压电压范围3 4 v 一6 v ，不怕电源抖动。 降低单片机对外部的电磁辐射 1 可以禁止a l e 时钟信号输出： 单片机具有禁止a l e 输出特殊功能寄存器，可软件设置禁止a l e 信号输出 ( 此功能本课题未用) 。 2 外部时钟频率降一半，6 t 模式： 传统的8 0 5 1 为每个机器周期1 2 时钟，如果将s t c 的增强型8 0 5 1 单片机在 i s p 烧录程序时设为双倍速( 即6 t 模式，每个及其周期6 时钟) ，则可将 单片机外部时钟频率降为一半，有效的降低单片机时钟对外界的辐射。 3 单片机内部时钟振荡器增益降低一半：在i s p 烧录时将o s c d n 设为1 2 9 a i n ， 可以有效的降低单片机时钟频率部分对外界的辐射。 2 3 2 2 芯片之间的电气连接关系 使用的芯片包括主控芯片s t c 8 9 c 5 2 ，模数转换芯片a d c 0 8 0 9 ，寄存器芯片 7 4 l s 5 7 3 ，内部集成4 个或非门的7 4 h c 0 2 ，以及内部集成d 触发器的7 4 l s 7 4 。 a d c 0 8 0 9 是8 位逐次逼近a d 转换器，芯片内带通道地址译码锁存器，输出 第二章电子节气门系统 带三态数据锁存器，启动信号为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约1 0 0 u s 。 a d 对采样到的模拟值进行数字量的转换，转换结束后以中断的方式通知 s t c 8 9 c 5 2 ，图2 4 为芯片之间的接口电路图。为了满足步进电机响应实时性的要 求，本文设定的主控芯片s t c 8 9 c 5 2 的晶振频率是2 4 m h z ，但是a d 转换器的可 允许最高时钟频率是1 0 2 4 k h z ，因此需要对从s t c 8 9 c 5 2 的a l e 引脚出来的频 率信号进行四分频，然后才能为a d c 0 8 0 9 提供时钟信号。 图2 - 4 芯片之间接口电路图 2 3 3e t c u 输入回路的设计 输入回路包括传感器信号和与上位机通讯获得的信号。从传感器传来的信 号，首先进入输入回路里进行输入信号的预处理。一般是在去除杂波和把正弦波 变成矩形波后，再变换成输入电平。本文的手把油门位置传感器的输出信号为连 续变化的模拟量，m c u 不能直接进行处理，必须使用滤波电路除去杂波以后使用 a d 转换将连续的模拟信号转变成离散的数字信号，这样才能被e t c 控制芯片所 识别分析。与上位机通讯包括与主e c u 的通讯和与p c 机的通讯。由于p c 机的 r s 2 3 2 宇行口不同于t t l 电平的异步串行通信接e l ，所以要对其电平进行转换。 以下将对各个输入信号及其处理进行一些介绍。 1 ) 油门手把位置信号的处理：手把油门位置传感器实际上是一只由油门拉线驱 第二章电子节气门系统 动的电位器，采用5 v 的参考电压，当手把拉动时，活动的触电端子在电阻 滑道上滑动，由其引出的电压即代表了手把的位置信号。输出的电压与手把 位置基本上是线性关系，如图2 - 5 所示，进入到e t c 那的手把位置信号只要 经过滤波就可以被a d 转换器采样，由所获得的采样值可直接推算出手把的 位置。油门拉线位置传感器与e t c 之间的输入回路如图2 - 6 所示，当手把拉 动时，油门拉线驱动电位器变化，使得输入a d 的电压信号在0 - - 5 v 变化， a d 将采集来的电压采样值转换成数字量后由e t c 算成和手把位置之间的关 系。 至 输 i - - 一一一。一一。_ 一。- - 一。一一一i il ：5 伏电源 ： i 滤波电路 a d 的 入信号 节 滤波电路 气 门 丐 图2 5 油门手把位置传感器输出图2 - 6 油门手把位置传感器输 回路电压与油门开度关系 2 ) 主e c u 采样中断信号的处理：为了瞬态工况的准确控制，无论油门手把何时 开始运动，希望节气门的运动总能够与发动机曲轴相位同步，为此，e t c u 必 须感知发动机的采样时刻，控制节气门在采样开始到进气门关闭这段时间内 停止运动。本文设计让e c u 每循环对节气门位置信号采样一次，采样点设在 e c u 捕捉到排气冲程曲轴位置传感器信号时刻。当曲轴位置传感器信号到来 时，e c u 置位其主控芯片输出引脚p 3 4 为低电平，p 36 4 与e t c u 主控芯片 s t c 8 9 c 5 2 的外中断引脚i n t 0 连接。将i n t 0 设置为下降沿触发方式。因此， 当e c u 对节气门采样时，会引发e t c u 主控芯片外部中断，以此信号作为步进 电机停止运动的起始点。 3 ) 与主e c u 通讯的处理：使用s t c 8 9 c 5 2 自带的串口通讯模块，可以方便地在两 台单片机之间进行点对点通信。因为s t c 与主e c u 之间的距离很短，可以通 过将两个单片机的串行接口直接相连的方法实现双机通信，连接时一方的t x d 与另一方的r x d 引脚相连。如图2 - 7 所示。 第二章电子节气门系统 下dt x d n 一 n l 口 o 盆 r x d 厶 r x d g n d 上 g n d n m 图2 - 7 双机通讯电路图 4 ) 与p c 机通讯的处理：单片机通过m a x 2 3 2 进行电平转换，与p c 机进行串口通 讯和传输数据，结构简单，工作可靠。 g n d 图2 8 与p c 机通讯电路图 2 3 4e t c u 输出回路的设计 1 步进脉冲信号c p 步进脉冲信号c p 用于控制步进电机的位置和速度，也就是说：驱动器每接 收一个c p 脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角，c p 脉冲的频率改变则会使步进 电机的转速改变，控制c p 脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。这样就可 以很方便地达到步进电机调速和定位的目的。 本文c p 脉冲的频率控制采用硬件自带定时器实现，直接对系统时钟脉冲进行 计数，计数值则由编程决定当计数到预定的脉冲数时，产生中断信号，得到所 需的延时时间或定时问隔由于计数的初始值由编程决定，因而在不改动硬件的 情况下，只需通过程序的变化即可满足不同的定时和计数要求，使用很方便，同 第二章电子节气门系统 时又避免了使用软件延时的办法c p u 一直被占用而利用率低的问题。 本文中c p 信号为低电平有效，要求c p 信号的驱动电流为8 - 1 5 m a ，对c p 的 脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于2 5 u s 。 2 方向电平信号d i r 方向电平信号d i r 用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个 转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。 3 电机开机和脱机信号s t 开机信号有效( 高电平) 时接通电机线圈电流， 脱机信号有效( 低电平) 时关断电机线圈电流，驱动器停止工作，电机处于自由 状态。 三个输出信号配合下让步进电机运行所对应的时序图如图2 - 9 所示。 c p 步进脉冲信号 d i r 方向控制信号 s t 电机启动信号 0 l u s 一， 卜 0 ： 图2 - 9 输出信号波形时序图 2 3 5e t c u 电源模块的设计 e t c u 使用摩托车上的蓄电池供电，由于车辆蓄电池电压在1 0 - 1 5 v 之间波动， 而e t c u 需要的电压是5 v ，因此需要设计合理的电源电路，为单片机及其外围芯 片提供合适的电流和电压。如图2 - 1 0 所示，蓄电池的输出电压送入l m 7 8 0 5 c t 的 输入端，就可以从三端电路的输出端得到稳定的+ 5 v 输出电压。c 1 和c 2 为滤波 电容，用来稳定电源电压，c 2 可以改善顺态响应。 二 第二章电子节气门系统 1 2 + 5 v 2 3 6e t c u 抗干扰性设计 图2 1 0 电源电路 选择一个抗干扰能力强的元件比之任何方法都有效，这一点在电路设计中是 最重要的，因为元件抗干扰能力先天不足是很难用外部方法去弥补的。但往往抗 干扰能力强的价格就高，抗干扰能力差的价格就便宜，在e c u 的电路设计中不 能只考虑成本，元件的其他性能，如抗干扰性也是必须考虑的。本文选用的 s t c 8 9 c 5 2 主控芯片不仅价格便宜，而且具有超强的抗干扰性，其为屏蔽干扰而 对i 0 口、电源、时钟、看门狗，以及复位电路进行了重新设计。另外，为了最 大限度地减少干扰，本课题还采取了以下措施： 抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的d u d t 、d