电子节气门控制系统设计

电子节气门控制系统设计电子节气门操纵系统设计摘要电子节气门产品自20世纪80年代问世以来，已逐步应用到各种中、高级轿车中。相关于传统的机械式节气门，电子节气门系统(ETCS)能依照驾驶员的驾驶意图以及整车行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆具有最佳的动力性和燃油经济性，并能够为怠速操纵(IDL)、驱动防滑操纵(ASR)和巡航操纵(CCS)等电子操纵功能的实现奠定基础，从而提高安全性和乘坐舒服性。同时，关于混合动力汽车，为了实现能量的治理和分配，电子节气门也成为了必定的选择。本文对电子节气门系统进行了研究和开发，为电子节气门在混合动力轿车内的应用奠定了基础。本文分析了电子节气门系统的工作原理、差不多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、气流的冲击、库伦+粘滑摩擦等。测定电子节气门的关键参数，建立了电子节气门系统的数学模型。为了适应电子节气门操纵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操纵特性的阻碍，提出了一种新的模糊PID复合操纵策略，通过模糊操纵提高电子节气门系统的动态性能，用智能积分PID操纵保证系统的稳态能，利用权重因子函数改善操纵切换过程。电子节气门操纵器采纳飞思卡尔公司的MC9S12DG128单片机作为主控芯片,同时硬件系统还包括操纵器的供电电源模块、直流电机的脉宽调制驱动模块、串行通信模块和CAN总线通信模块等。采纳CodeWarrior编译的程序软件，完成了操纵功能和调试功能。为了对系统状态实时显示和故障报警，以及在操纵过程中进行数据采集，本文开发出基于LabWindows/CVI的串口通信系统。试验结果说明:模糊PID复合操纵相关于PID操纵和智能积分PID操纵能够较精确地操纵节气门开度，减小超调量，瞬态误差较小，滞后时刻较短。所开发的模糊PID复合操纵器能够完成电子节气门系统的操纵功能要求。关键词：电子节气门；非线性；模糊PID复合操纵策略AbstractSincetheelectronicthrottleproductwasdevelopedintheeightiesofthetwentiethCentury,ithasgraduallybeenappliedtohigh-gradeautomobile.Relativetothetraditionalmechanicalthrottle,theelectronicthrottlecontrolsystemcansensethedriveintentionfromthedriverandthecurrentsituationoftheauto,andthendecidethecorrectthrottle’sposition,sothatthedynamicperformanceandfueleconomycanbeimproved.Furthermore,it'shelpfultorealizesomeelectroniccontrolfunction,suchasIDL,ASRandCCS,therebythesecurityanddrivingcomfortcanbeimproved.Withtheappearanceofhybridvehicle,electronicthrottlebecomesaninevitablechoiceforthepowercontrolandmanagementforhybridvehicle.Inthispaper,theelectronicthrottlecontrolsystemwasresearchedanddeveloped,whichlaidthefoundationsofapplyingtheETCStovehicle.Theprincipleandbasicstructureoftheelectornicthrottlecontrolsystem(ETCS)wasanalyzed.Thenonlinearitycharacteristicsincludingnonlinearspring,aerodynamicimpact,coulombandviscousfrictioninthemechanicalpartofthethrotlebodywasstudiedtoo.AftertheanalysisoftheETCS,thekeyparametersofthethrottlewasmeasured.Thenumericalmodeloftheelectronicthrottlecontrolwasbuiltup.InordertoadapttheswiftdynamiccharacteristicsofETCSandrestraininfluenceoncontrolperformanceowingtononlinearityfactorsofETCS,anewFuzzy-PIDmultiplecompoundcontrolmethodisproposed.TherobustdynamiccharacteristicofETCSisattainedbyfuzzycontrolandthestaticperformanceisensuredbyintelligentintegralPIDcontrol,whileswitchingprocessbetweentwocontrolmethodsisimprovedbyusingweightingfactorfunction.ThemainmicrochipoftheelectrionicthrottlecontrollerisMC9S12DG128whichismanufacturedbyFreescale.Inthispaper,thepowersupplymodule,DCmotor’sPWMdrivemodule,serialcommunicationmodule,CANbuscommunicationmoduleandsoon,wasdesigned.Thesoftware,whichisprogrammedwithCodeWarriorsoftwareformicrocontrolleraccomplishedcontrol,functionandserialcommunicationfunction.Inordertodisplaythestateofthesysteminrealtimeandgiveanalarmwhenmalfunctionoccurs,serialcommunicationsystembasedonLabWindows/CVIwasdesigned.TheresultsoftheexperimentsshowthattheFuzzy-PIDmultiplecompoundcontrolmethodcanexactlycontrolthethrottle’sposition,theovershootisreduced,thetransienttrackingerrorissmallandthehysteresisisshort,whilethePIDcontrolmethodandintelligentintegralPIDcontrolmethoddon’tworkwell.SotheETCS’scontrollerwhichwasdevelopedbasedonFuzzy-PIDcontrolstrategycanmeetETCS’sfunctionrequirements.KeyWords:ElectronicThrottle,Nonlinearity,Fuzzy-PIDMultipleCompoundControlStrategy目录摘要 IAbstract II目录 IV第1章引言 11.1电子节气门产生的背景 11.2电子节气门在国内外的进展状况 21.2.1电子节气门在国外的进展状况 21.2.2电子节气门在国内的进展状况 21.3电子节气门存在的问题及以后的进展趋势 31.3.1电子节气门存在的问题 31.3.2电子节气门系统进展的趋势 31.4本设计要紧研究工作 41.5本章小结 4第2章电子节气门的结构分析及工作原理 52.1电子节气门系统的结构和工作原理 52.1.1电子节气门体 62.1.2加速踏板 82.1.3电控单元ECU 92.2驱动电机的脉冲调制方式 102.3电子节气门系统的操纵功能 102.4本章小结 11第3章电子节气门系统非线性分析及数学建模 123.1电子节气门系统非线性分析 123.1.1复位弹簧的非线性 133.1.2传动齿轮齿隙非线性 133.1.3节气门阀片运动中的非线性 153.1.4节气门阀片气流冲击特性 153.2电子节气门系统的数学模型 173.2.1直流电机的数学模型 173.2.2节气门的数学模型 183.2.3节气门位置传感器数学模型 183.3电子节气门系统的物理参数标定 193.4本章小结 20第4章操纵系统硬件设计 214.1操纵系统结构 214.2硬件电路设计 214.2.1操纵单元ECU的设计 214.2.2电源治理模块的设计 234.2.3电机驱动电路的设计 244.3本章小结 27第5章操纵系统软件设计 285.1操纵系统软件设计 285.1.1软件的总体功能分析 285.1.2软件子程序流程图 295.2串行通信系统的开发 325.2.1串行通信协议设计 325.2.2单片机串行通信子程序流程图 335.3本章小结 34结论 35参考文献 36致谢 37附录 38系统原理图 38第1章引言电子节气门是发动机治理系统中的重要部件，是实现发动机全电控的基础，现在差不多得到越来越广泛的应用。国内只是处于引进使用时期，没有深入的系统研究报道，可供借鉴的体会不多，对国外的核心技术知之甚少。因此，吸取、借鉴国外先进的操纵体会，深入研究电子节气门操纵系统的工作原理以及操纵策略意义专门重大。1.1电子节气门产生的背景随着汽车保有量的不断增多，石油能源消耗急剧增加，汽车排放的大量尾气引起温室效应，空气污染也越来越多地为全世界所重视，因此美国、日本、欧洲等相继制定了严格的排放法规，同时交通事故日益增多。随着社会的不断进步，人们对生活质量的要求不断提高，对汽车性能也随之提出更高的要求。因此汽车采纳电子操纵技术成为必定的趋势。近年电子技术的迅猛进展，专门是微型运算机技术的庞大进步，为汽车电子技术的进展提供了必要的条件，将电子操纵和传统的机械技术相结合，使得汽车在环保、节能、安全、舒服等方面得到进一步的提高[1]。阻碍汽车发动机性能（如动力性、经济性、排放净化性等）的两个要紧因素是：燃烧前的点火时刻和可燃混合气的空燃比。汽车电子操纵技术始于发动机点火操纵，随后电控燃油喷射系(ElectronicFuelInjection，简称EFI)以其精确的空燃比操纵逐步取代化油器，电控燃油喷射系统相关于化油器的优点如下：(1)混合气的各缸分配平均性好。在多点喷射系统中，由于每一气缸都有一个喷油器，其喷油量是电子操纵单元(ElectronicControlUnit，ECU)依照发动机的转速、负荷以及其他状态的变化进行精确操纵[2]，故能使燃油平均地分配给各个气缸；(2)动力性强。采纳EFI后，发动机的进气可不必预热，可吸入密度较大的冷空气，同时进气歧管阻力减少，因此充气系数提高。(3)加速性能好。由于汽油是直截了当喷射到发动机进气门处，混合气通过的路程短，反应灵敏，因此减少了滞后现象，从而加速性能得到改善。(4)耗油量低，经济性好。EFI系统最突出的优势确实是能实现空燃比的高精度操纵，因为汽油是在一定的压力下喷射的，燃油雾化品质好，且喷油量是精确操纵的，混合气的空燃比为最佳值且各缸分配平均，下坡时又能够完全不喷油，发动机对空气进行压缩，因此能够降低燃油消耗量。1.2电子节气门在国内外的进展状况1.2.1电子节气门在国外的进展状况20世纪70年代后期，随着线控驱动(drive-by-wire)的理念就开始了ETCS相关技术的研究工作。20世纪80年代开始有产品问世，Bosch（博世）公司的ETC产品在某些赛车内就有应用。1988年，在宝马(BWM750iL)轿车内也开始装置ETCS。但由于其价格昂贵，技术和市场条件也不成熟，因而进展缓慢。直到20世纪90年代初，日本、美国、德国等国家一些汽车电子公司对其研究相继加大了投入，ETC产品市场开始活跃。1995年以后，德国Bosch（博世），Pierburg（皮尔博格）等公司连续推出第1代和第2代ETC产品，它们的进展趋势差不多上全电子化。近年来，ETC产品的进展更是如雨后春笋，各公司都不断推陈出新。Visteon公司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起，成为下一代空燃比操纵集成的典范，而Bosch和Delphi公司的产品在综合操纵与监测性能上则为榜样。到2000年，ETC产品开始大规模进入市场。目前，产品一样都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上，如Bosch公司为奔腾和宝马等提供产品，丰田为凌志和苏帕拉配置产品，Delphi公司为一些运动车型及流行车型如1.6L欧宝、雅特等推出第2代ETC系统产品。国外的宝马、奔腾、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中差不多广泛应用ETCS。1.2.2电子节气门在国内的进展状况国内对ETCS研究尚处于起步时期。尽管一汽大众、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内差不多配置了电子节气门系统，但都属国外引进的技术,其关键技术未能消化吸取，未能形成具有我国自主知识产权的ETCS产品。可喜的是，奇瑞公司在2004年开发了电子节气门系统，用于旗云CVT轿车内[3]。另外，国内部分高校近年来也对ETCS开展了研究与技术探究，并取得了时期性成果。如清华大学研制的发动机电控节气门操纵器，实现了混合动力电动汽车用发动机的扭矩操纵，武汉理工大学进行了基于DSP的电子油门操纵的研制，重庆大学研究出由高速开关阀操纵的电液式节气门执行器。1.3电子节气门存在的问题及以后的进展趋势1.3.1电子节气门存在的问题(1)操纵系统复杂，精确操纵困难。ETC系统与ASR、CCS及VSC等多种系统相连，需要操纵的参数多，操纵逻辑复杂。(2)在进行多种操纵功能集成时，操纵系统之间需采纳信息融合技术，立即ASR、CCS及VSC系统所需要的各传感器信号有机地融合起来，实现资源共享，和谐各个系统间的相互关系，提高操纵系统的稳固性和可靠性。(3)电子节气门操纵系统设计需要充分考虑不同驾驶员的驾驶个性和车辆的行驶环境。目前对汽车的减速、怠速、定速和加速操纵还存在一定难度，那个问题的解决还需依靠驾驶行为学理论、神经网络操纵理论（人工智能）和汽车电子技术的进一步进展来共同解决[4]。1.3.2电子节气门系统进展的趋势(1)由单一功能向多种功能的集成进展不仅是ETCS的进展方向，也是各种汽车电子操纵系统的进展方向。它有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用车辆各种信息，从而进一步提高系统的稳固性和可靠性。(2)综合多种操纵策略。为提高节气门的操纵精度及反应速度，采取多种操纵方法进行综合操纵。目前的进展方向是从经典的PID操纵进展到采纳PID与现代操纵方法相结合以及采纳一些鲁棒性更强的操纵算法，从线性操纵进展到非线性操纵，从单一模式操纵进展到多模式操纵[5]。(3)系统设计注重安全可靠性，具有自诊断和失效爱护功能的电子节气门系统是发动机操纵进气量的关键部件，因此在提高操纵精度和进行集中操纵的同时,必须注重ETCS的安全可靠性，提高系统的故障自诊断和容错能力。电子节气门系统是汽车发动机实现电控的重要组成部分，对提高汽车的动力性、可靠性、舒服性以及燃油经济性，实现汽车的电控具有重要意义。目前，电子节气门系统由于自身成本等因素的制约，只装配在高档轿车内。1.4本设计要紧研究工作本文要紧对电子节气门的操纵系统进行了研究与开发，为发动机台架试验工作打下基础，要紧研究工作有：(1)完成了汽车电子的进展和电子节气门操纵系统的研究现状调研，并详细分析了电子节气门系统的结构、工作原理及操纵功能。(2)分析电子节气门体存在的非线性因素，并建立了电子节气门的数学模型，提出了电子节气门系统的模糊PID复合操纵策略。(3)基于MC9S12DG128为主控芯片设计了电子节气门操纵系统，包括硬件电路的设计和支持软件的设计，对开发的电子节气门操纵器进行了实验，并对实验结果进行对比分析。1.5本章小结 本章简单的介绍了电子节气门进展现状以及进展前景。同时还对本文的研究工作做了一个总结。第2章电子节气门的结构分析及工作原理2.1电子节气门系统的结构和工作原理电子节气门系统如图2.1所示，它采纳一种柔性操纵方式(drivebywire)，电子节气门系统由以下几个部分组成[6]：(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，它的核心是两个电位计式位置传感器，其内部要紧是一个依照位移量变化的可变电阻，电压值变化范畴为0V到5V之间。(2)电子节气门体总成：节气门体要紧由驱动电机、节气门阀片、节气门位置传感器、减速齿轮机构等组成。(3)电子节气门操纵单元(ECU)：ECU是整个电子节气门操纵系统的核心。驾驶员的意图经由ECU分析做出判定，给驱动电机发出指令，由电机驱动节气门阀片转动，调剂其开度变化。图2.1电子节气门系统结构图电子节气门系统的工作原理是：当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置传感器将加速踏板位移量信号转换为电压信号传给ECU，ECU通过对当前所处工况进行分析和逻辑处理后发出操纵信号，操纵节气门驱动电机，使电机按照ECU给定的角度驱动节气门运转并达到所需的开度；同时节气门体上的节气门位置传感器将测得的当前节气门位置信反馈给ECU，通过反馈操纵实现对节气门的最佳闭环操纵。2.1.1电子节气门体电子节气门体的结构示意如图2.2所示。一样由电机、减速齿轮、节气门位置传感器等组成。在节气门体中，电机依照ECU发出的操纵信号运转，并驱动减速齿轮组，从而带动节气门的转动（减速齿轮与节气门同轴安装），节气门的角度变化引起进气通道截面积的变化，进而引起发动机空燃比的变化，从而最终达到调剂发动机转速和转矩的目的[7]。图2.2电子节气门体结构示意图(1)驱动电机至今直流电动机仍旧是大多数变速运动操纵和闭环位置饲服操纵最优先的选择。因为它具有良好的线性特性，优异的操纵性能，专门高的效率等优点；专门是中小功率系统中常采纳永磁直流电动机，只需要对电枢回路一个回路进行操纵，电子操纵电路相对较简单。因此节气门操纵电机多采纳直流饲服电机。(2)节气门片因节气门阀具有一定的厚度，为了幸免节气门阀在全关闭位置时卡在进气管道中，节气门的全关闭角度（节气门与进气流垂直方向的夹角）并不是0°，而是有2的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形(图2.3a)，节气门的开度范畴为2°~88°静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在9°的开度(图2.3b)。节气门开度为θ时，其有效面积为节气门在垂直于空气流淌方向的投影面积。(a)节气门全关(b)节气门静态位置(c)节气门部分开启图2.3电子节气门不同开度时位置(3)节气门位置传感器节气门体连接器有6个引脚：其中2个引脚是电机的电源线，另外4个引脚是节气门位置传感器的电源线和信号线。图2.4为电子节气门内部电路示意图。图2.4电子节气门内部接线示意图节气门位置传感器是节气门开度状态的唯独检测元件，电位计传感器要紧将角位移的变化转换成电压变化，通过模数转换器，将模拟的电压量转换成可读的数字量。从操纵的角度来讲，只需要一个位置传感器就能够了，然而采纳冗余传感器能够大大增加识别硬件故障的可靠性，保证车辆行驶的安全性。两个传感器均由同一电源供电，采纳同一搭铁点。设计成阻值反向变化，即一个电阻值增加则另一个电阻值减少，其输出电压成互补的关系，同一位置的两个传感器输出电压信号的和始终等于供电电压5V，传感器输出电压关系通过标定如图2.6所示。(4)减速齿轮动力传动采纳闭式双级减速齿轮传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，保证良好的润滑和较好的啮合精度，要紧优点有：体积小，传动效率高，工作可靠，使用寿命长，传动比准确，结构紧凑[8]。图2.6节气门开度量与节气门位置传感器输出电压关系2.1.2加速踏板节气门位置变化直截了当由加速踏板位置传感器采集，通过AD转换成数字量传到ETCS中，依照具体状况操纵节气门开度。加速踏板模块是将踏板功能和机械部件的所有功能统一起来的操作单元。加速踏板位置由加速踏板位置传感器(PedalPositionSensor，简称PPS)转化为电信号输入到电控单元，发动机治理系统称这种信号为“驾驶员需求”(DriverDemand)。同样，出于安全性和可靠性考虑，加速踏板位置传感器也采纳了冗余设计，设计了两个传感器，但两个传感器依据各自相互独立的电源运行。用与节气门相似的标定方法对踏板进行了标定，记录踏板不同旋转角度时PPS输出电压，得到输出电压信号与踏板旋转角度之间的对应关系曲线，如图2.7。分析标定所得数据可知，加速踏板位于任一角度时，对应的PPS1输出电压与PPS2输出电压的差值永久为2V。图2.7踏板位置传感器与输出电压曲线节气门的开度范畴为2°~88°，加速踏板的开度范畴为0°~15°。系统开发时临时只考虑了节气门静态位置以上的工作区域，即9°~88°范畴的工作区域。为了提高操纵精度和便于对操纵结果进行分析比较，将踏板的开度范畴进行放大，使得踏板开度为0°时，节气门处于静态位置；踏板开度为15°时，节气门全开。图2.8为加速踏板与节气门角度的换算关系曲线。踏板信号输入后，依照换算关系将其放大，使得节气门能到达同样的开度。2.1.3电控单元ECUECU是整个电子节气门操纵系统的核心，驾驶员的意图、发动机的工况、汽车整车的运行状况、节气门开度等信息都汇总到ECU中，通过一系列运算、优化操纵，最后ECU向电机发出一个操纵信号。图2.8加速踏板角度换算曲线2.2驱动电机的脉冲调制方式节气门驱动电机一样为步进电机或直流电机，两者的操纵方式也有所不同。操纵步进电机常采纳H桥电路结构，操纵单元通过发出的脉冲个数、频率和方向操纵电平对步进电机进行操纵。操纵直流电机采纳脉冲宽度调制(PWM)技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。目前，多数电子节气门体的直流电机采纳不可逆PWM操纵技术，电机所产生的扭矩和复位弹簧的扭矩永久相反。操纵单元通过调剂脉宽调制信号的占空比来操纵直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧操纵。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平稳时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。2.3电子节气门系统的操纵功能(1)基于发动机扭矩需求的节气门操纵功能电子节气门系统的节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是操纵单元依照当前行驶工况下整车对发动机的全部扭矩需求，运算出节气门的最佳开度，从而操纵电机驱动节气门到达相应的开度。操纵单元依照整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提早角和发动机负荷等信号求得。电子节气门系统可改变车辆对加速踏板响应的灵敏度，得到与行驶条件和驾驶员意愿相匹配的加速响应特性[9]。(2)海拔高度补偿功能在高海拔地区行驶时，由于大气压力的降低使车辆性能下降，现在电子节气门系统通过一个大气压力的函数作用到当前海拔高度值上，进行高度补偿操纵，可保证发动机输出动力与加速踏板位置关系不随海拔高度的变化而变化。(3)电机断电时的安全性功能在节气门体设计中应保证驱动电机断电或操纵系统显现不能驱动的故障时，节气门能在复位弹簧的作用下返回到一小开度位置，这一开度可使发动机工作在较高怠速工况。(4)定速巡航操纵功能巡航操纵系统又称为速度操纵系统，它是一种减轻驾车者疲劳的装置。(5)怠速操纵功能电子节气门系统取消了怠速空气调剂阀，而是直截了当由操纵单元调剂节气门开度来实现车辆的怠速操纵。2.4本章小结 本章第一介绍了机械式节气门结构、工作原理及缺点，重点叙述了电子节气门的结构组成、工作原理及优点；同时对节气门位置传感器和加速踏板位置传感器进行了标定；最后又详述了电子节气门的操纵功能。第3章电子节气门系统非线性分析及数学建模3.1电子节气门系统非线性分析在电子节气门体中，存在的要紧问题是非线性问题，它阻碍着电子节气门系统的操纵。本文以SIMENSVDO第6代L06AG型电子节气门为例进行分析，其有4类非线性因素，分别是[10]：(1)节气门阀片在运动过程中会同时受到库伦+粘滑摩擦的作用，在动态过程中造成摩擦力变化不稳固。(2)弹簧转矩不连续。(3)齿隙非线性，齿轮减速机构将电机驱动转矩传递到节气门阀片，齿轮间存在啮合间隙。(4)发动机工作时进气道内的空气对节气门冲击力随节气门开度不同。在4种非线性因素中，阻碍最大的是弹簧非线性，其次是气流的冲击特性，因此电子节气门系统具有时变性、时滞性、不确定性等特点，是一个变参数的非线性系统。3.1.1复位弹簧的非线性静态时，节气门开度靠复位弹簧的扭矩保持在9°的位置，那个位置即是“LimpHome”（跛行回家）位置。当运行中驱动电机非正常断电，节气门在复位弹簧力的作用下返回到“跛行回家”位置，现在发动机以固定的转速1500r/min运转，使汽车能以较低的车速返回到修理厂。因而复位弹簧是电子节气门引入的机械爱护装置，其扭矩特性示意图如图3.1所示，在静态位置前后的开度范畴，复位弹簧的扭矩方向改变；且怠速时节气门的开度小于节气门的静态开度。因此，在实际工作中，电子节气门的开度范畴必定包含“跛行回家”位置。复位弹簧扭矩是电子节气门驱动电机的要紧负载，这就要求电机扭矩能与之对应。当节气门需要从较大开度位置返回到较小开度或节气门关闭位置时，利用该弹簧较大的扭矩，能够保证系统响应的快速性。通过对该弹簧的调整，还能够调剂节气门初始开度，使节气门即使处于最低开度也能提供一定的空气流量，实现怠速操纵。复位弹簧的引入，是出于系统安全性考虑的，同时使节气门的操纵算法变得更加复杂。设节气门静态位置的转角为，当其转角为时，需要克服的静态位置力矩为(3-1)总的弹簧力矩为：(3-2)式(3-1)和式(3-2)中，为“跛行”功能角，为弹簧的复位弹力，为非线性扭转弹簧的增益。图3-1复位弹簧的扭矩示意图3.1.2传动齿轮齿隙非线性由于节气门驱动电机转速较高而输出扭矩较小时，转速高达4000~5000r/min，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，假如由直流电机直截了当驱动节气门阀片中心轴，则需要功率较大的电机[11]，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等，一级减速比为5:1，二级减速比为4:1，因此总减速比为20:1。齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度。 齿轮间隙的阻碍相当于一种滞后扰动，会造成调速系统电气性能的不稳固性，这在机械方面是无法克服的，因此需要加强抗干扰措施，将阻碍减少到最小，达到承诺的范畴之内。为采取措施减小阻碍，有必要认真分析齿轮间隙造成的滞后扰动。定义x为主动轴的角位移，即非线性特性的输入量，y为从动轴的角位移，即非线性特性的输出量，两边的齿隙宽度分别为占，即为死区宽度。假设主动轮齿的初始位置在两从动轮齿的中间位置，那么当主动齿轮转过以后，从动轴才会跟着主动轴转动；反向时主动轴先要空转2的距离，从动轴才会跟着转动。因此，主从动齿轮间存在严峻的非线性关系，齿隙特性如图3.2所示[12]。00xy图3.2传动齿轮齿隙特性图电机输出转矩和节气门输入转矩之间的关系如下：(3-3)由于新的电子节气门体齿轮磨损专门小，因此本文建模时没有考虑。而关于使用时刻较长的电子节气门体，由于磨损较严峻，导致齿轮齿隙较大，则必须予以重视。3.1.3节气门阀片运动中的非线性节气门阀片在运动过程中要受到摩擦阻力矩的作用。系统中受到的摩擦力十分复杂，有干摩擦、边界摩擦、液体和气体的混合摩擦等。本文采纳经典的“静摩擦+库仑摩擦+粘滞摩擦”模型。在实际转动过程中忽略掉静摩擦，摩擦力矩包括粘性摩擦力矩和库仑摩擦力矩。粘性摩擦力矩与节气门阀片的转速大小有关，方向与转动方向相反；库仑摩擦力矩则与节气门阀片运动方向有关，方向亦与其相反。(3-4)(3-5)(3-6)式(3-6)中，为总摩擦力矩；为粘性摩擦力矩系数；为库伦摩擦力矩系数。3.1.4节气门阀片气流冲击特性进气气流作用在节气门上产生较小的力矩，节气门的开度不同，引起气流挠动，其产生的力矩不同。其大小为(3-7)其中整理可得(3-8)式(3-7)和式(3-8)中，为节气门的半径()；为气流冲击力的焦点到节气门中心的距离()；为进气歧管的压强()；为大气压强()。考虑到电子节气门操纵试验中，无法模拟进气气流冲击节气门片，则必须找到一种替代方案。PARK使用自由流线理论建立了节气门阀片所受水力扭矩的数学模型，能够专门好地说明节气门阀片随节气门开度变化所受的不同的气流冲击力矩。本文决定采纳此方案。假设作用在节气门阀片上的气体在流淌条件下近似不可压缩的，PARK建立电子节气门动态扭矩如图3-3所示[13]。针对电子节气门开度的变化量，PARK提出了一种预先运算的扭矩系数曲线，如图3-4所示。作用在电子节气门片上的气流所产生的动态扭矩能够表示为式(3-9)所示：(3-9)式(3-9)中为液体的密度()；为节气门片的厚度()；为管道的半径()；为节气门后方的气流速度()。将图(3-4)中的数据代入式(3-9)，通过简单的气流流淌分析理论做一个的估量，假如是四冲程发动机，气流充满缸体，令=1.2()，=0.05()，=0.045()，Vj=20()，代入式(3-9)，能够运算气流随节气门开度不同所产生的动态扭矩[14]。图3-3电子节气门动态扭矩示意图通过实验测定，式(3-9)能够用一个多项式描述：气流冲击所产生的扭矩只跟节气门的开度有关，该多项式定义如下：(3-10)式(3-10)中的系数如表3.1所示。表3.1气流扭矩多项式系数p1p2p3p4p5p6-0.00307750.007489-0.00595870.0031219-0.000490940.00001024图3-4电子节气门开度—扭矩系数曲线示意图3.2电子节气门系统的数学模型节气门体数学模型要紧由两部分组成：描述直流电机电器特性的微分方程和描述节气门体机械特性的微分方程。考虑到节气门系统的各部件的功能和特点，将其模型分为以下几个模块：驱动电机、节气门体机械机构、传感器模块。这些部分综合起来构成完整的电子节气门系统模型。3.2.1直流电机的数学模型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Ra和电感La，如图3-7所示。流过电机的电流和输入电压之间的关系，依照基尔霍夫定律，可建立如下方程：(3-11)式(3-11)中，为输入电压(V)；为电机反电动势(V)；为电机感抗(H)；为电枢电阻(Ω)；为电枢电流(A)。依照电磁感应定律，有(3-12)式(3-12)中,为电机反电动势常数()；为电机旋转角度(rad)。依照磁场对载流线圈的作用定律，电机所产生的扭矩有(3-13)式(3-13)中，为电机的转矩(N·m)；为电机的扭矩系数()。由式（3-11）、式（3-12）、式（3-13）得(3-14)3.2.2节气门的数学模型以电机轴作为参考点，依照牛顿第二定律，有(3-15)式(3-15)中，为电机的转动惯量()；为电机的阻尼系数()；为电机所承担的负载()。以节气门轴为参考点，依照牛顿第二定律，有(3-16)式(3-16)中，为节气门的转动惯量()；为节气门的转角(rad)；为双级减速齿轮传递到节气门轴上的驱动扭矩()；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(3-17)由式(3-14）、式(3-15)、式(3-16）、式(3-17)可得(3-18)3.2.3节气门位置传感器数学模型节气门位置传感器是电位计式，将角位移信号转换为电压信号输出。该电压信号在0.5V与4.8V之间线性变化。基于冗余设计的考虑，两个位置传感器的输出电压之和等于输入电压，如此可保证在一个传感器失效的情形下系统仍能正常工作。节气门位置传感器的数学方程[15]：(3-19)(3-20)式(3-19)和式(3-20)中，和分别为节气门位置传感器1和节气门位置传感器2的输出信号电压(V)；和分别为节气门位置传感器1和节气门位置传感器2受到的干扰信号(V)；为节气门位置传感器的电源电压(V)；为节气门关闭时节气门位置传感器1相对的输出比值；为节气门全开时节气门位置传感器2相对的输出比值。关于干扰信号的处理一样把它们视为一组高斯静态随机信号，其期望值为0，即：(3-21)(3-22)节气门转角的估量值：(3-23)其方差为：(3-24)3.3电子节气门系统的物理参数标定建立了节气门的数学模型之后，节气门参数的确定十分重要。节气门的静态参数，如电阻、电感等，比较容易获得，可用外表直截了当测量。复位弹簧的扭矩系数通过弹簧秤测得。节气门的动态参数，如滑动摩擦系数和电机的扭矩系数，需要通过动态特性获得。而直流电机的转动惯量在现有情形下无法测量，只能参考同类型的参数及通过试验试凑，表3.2为所确定的电子节气门参数。表3.2电子节气门体参数参数(单位)数值参数(单位)数值电机扭矩系数7电机电感0.003电机反电动势常数0.1051齿轮减速比20电机转动惯量0.005电机阻尼0.03节气门片转动惯量0.001电机电阻4.6复位弹簧扭矩系数0.4316跛行功能角粘性摩擦系数库仑摩擦系数3.4本章小结本章在对SIMENSVDO电子节气门体进行非线性分析的基础上，充分考虑了复位弹簧的非线性和气流的冲击特性，建立了电子节气门系统的数学模型，标定了电子节气门体的物理参数。第4章操纵系统硬件设计4.1操纵系统结构ETC操纵单元采纳了飞思卡尔公司MC9S12DG128单片机作为主控芯片。电源治理模块采纳MC33989芯片，能够通过软件开启该芯片的双电源大功率供电功能，同时给单片机和传感器提供不同的电压。H桥驱动电路选用Freescale公司推出的专门用于电机操纵的集成芯片MC33886。整个操纵系统构成如图4.1所示。MC33989MC33989MC33886电源节气门位置传感器加速踏板位置传感器直流电机PCBDMMC9S12DG128图4-1电子节气门操纵系统的构成4.2硬件电路设计4.2.1操纵单元ECU的设计(1)主操纵模块选型本设计选择了Freescale公司16位操纵器MC9S12DG128。它具有强大的浮点运算处理能力并支持复杂的算法，能在-45°C～125°C的恶劣环境下工作，MC9S12系列是专为汽车电子、航空航天、智能系统等高端嵌入式操纵系统所设计的芯片。MC9S12DG128是MC9S12体系中的一员，它的要紧功能模块如下：1)增强型16位HCS12CPU，片内总线时钟最高可达25MHz；2)片内资源：8KRAM、125KFlash、2KEEPROM；3)串行接口模块：SCI、SPI、PWM；4)脉宽调制模块可设置成4路8位或2路16位，逻辑时钟选择频率宽；5)两个8位10路精度A/D转换器；6)增强型捕捉定时器；7)CAN2.0B操纵器模块；8)背景调试模块（BDM）；9)具有模糊推理机，专门适合本文提出的模糊PID复合操纵策略。(2)BDM接口及复位电路的设计BDM接口是接BDM调试工具的，接口电路具体如图4.2所示。其中BDMIN接口是接BDM调试工具，向MC9S12DG128单片机下载程序后能够有BDM调试功能，BDMOUT是当应用程序为BDM调试程序时，用作BDM调试器输出。复位电路中使用了低电压芯片MC34064。使用专门的上电复位电路使系统上电复位更加可靠，也可用一只0.1uF的电容代替电路中的MC34064。手动复位按钮在系统调试时专门有用[16]。图4-2调试接口及复位电路(3)串行口通信模块的设计通过串口驱动电路中的RS232电平转换芯片，单片机能够利用异步串行通信协议同PC通信。RS232电平转换芯片能够实现TTL电平与RS232电平之间的转换，然后再通过9芯串行口J3和PC进行串口通信。MC9S12DG128单片机有两个串口通信模块，那个地点只引出了一个。在电路设计中，使用了符合RS232通信标准的驱动电路MAX233AEWP芯片进行串行通信。MAX233AEWP芯片功耗低、集成度高，采纳单一+5V电源，具有两个接收和发送通道，可直截了当与MC9S12DG128的串行通信接口引脚相连，如图4.3所示。图4-3串口通信模块电路4.2.2电源治理模块的设计在电路中，除了蓄电池的12V电压直截了当为驱动芯片MC33886供电外，还使用了MC33989电源芯片为传感器和单片机供电。MC33989的VDD1电流在200~350mA之间，典型值为280mA。它包括一个带复位功能的电压监视电路，适合为单片机供电，如图4.4所示。VPWR输出电压为5V，输出电流由PNP型三极管TIP32C-1决定，具有自可调功能，其电流连续值为3A，峰值为5A，而单片机及传感器工作电流远小于3A。图4-4MC33989供电示意图通过MC9S12DG128的SPI模块启动MC33989，该芯片的启动使用了MC33989将单片机和传感器电源的分离，使系统的稳固性得到了增强，也使硬件电路变得简单。4.2.3电机驱动电路的设计直流电机PWM操纵系统有不可逆和可逆系统之分。本文应用H桥驱动芯片MC33886设计了电机的不可逆PWM操纵系统和可逆PWM操纵系统。第一要了解H桥驱动芯片MC33886的结构和特点。(1)H桥驱动芯片MC33886电子节气门操纵系统中，直流电动机不可幸免会以正、反转的状态工作，这时需要使用H型PWM驱动系统。其工作原理如图4.5所示：4个开关管Q1、Q4为一组，Q2、Q3为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。当Q1、Q4同时导通时，电流方向如A所示，电机产生正向扭矩；Q2、Q3导通时，电流方向如B所示，电机产生反相扭矩。因此采纳H桥驱动电路能够操纵直流电机的正反转。试验中采纳的H桥驱动芯片为MC33886，图4.6为其内部结构示意图，左侧为逻辑操纵部分，右侧为功率驱动部分。MC33886连续驱动电流可达到5A，驱动的最高频率能够达到30KHz。该芯片具有监测低压、短路、温度过高等功能。其工作环境温度变化范畴在-40°C到＋125°C之间，工作电压在5V到28V之间，完全能够胜任汽车环境中的工作。图4-5直流电机H桥操纵原理表4.1MC33886逻辑真值表IN1IN2OUT1OUT2电机工作状态HLHL电机正转LHLH电机反转LLLH电机惯性滑行（低速）HHHH电机惯性滑行（高速）图4-6MC33886内部结构图在图4.6中，D1、D2是MC33886的使能端，IN1、IN2为输入端，OUT1、OUT2为其输出端。将MC33886的输入端接到DG128的PWM输出口，在其输出端能够得到与单片机PWM输出口相应的并能够驱动直流电机的PWM信号。通过MC33886的两个输出端口，就能实现电机的转速操纵、方向操纵及制动等。其逻辑真值表如表4.1所示[17]：(2)直流电机不可逆PWM操纵电路本文第一设计了不可逆PWM驱动电路对电子节气门进行了操纵，如图4.7所示。ECU产生的PWM5通过IN1引脚输入，以调剂MC33886的OUT1口的输出电压，同时在IN2接地使OUT2输出为0，如此OUT1和OUT2之间就有了一个电压差，ECU通过改变PWM5的占空比就能够调剂电机转速的快慢。电机电枢平均电压与占空比成正比，从而实现电机的操纵。(3)直流电机的可逆PWM操纵电路MC33886芯片可靠性和爱护功能都比较强，但使用时H桥驱动信号需要两路PWM信号操纵电机的转动，方向位操纵也比较苦恼。该操纵系统硬件电路中，需要单片机产生两路PWM分别操纵MC33886的IN1和IN2，以分别操纵电机的正转和反转。因此，系统需要复杂的操纵算法保证两路PWM信号的配合，以幸免电机与电源短路，操纵的灵活性降低，操纵难度加大。为了解决两路PWM输入和方向操纵问题，采纳与门CD4049UB和三极管设计了专门电路，如图4.8所示。其中左半部分为操纵电机正反转的逻辑电路原理图，原先两路IN1、IN2输入的PWM信号经由逻辑电路转换为一路方向操纵位和一路PWM输入，如此我们就解决了MC33886芯片需要两路PWM信号操纵电机的转动、方向位操纵比较苦恼的问题。MOTOROLA33886芯片IN1、IN2引脚分别与操纵电机正反转的逻辑电路相连，由其改变两路PWM为一路PWM与一路方向位，以上两电路分别由电源治理芯片提供12V和5V电源。图4-7直流电机不可逆PWM操纵电路图图4-8直流电机可逆PWM操纵电路图4.3本章小结本章设计了电子节气门操纵器的硬件电路要紧结论有：选取MC9S12DG128作为主控芯片，实现操纵算法中的模糊推理部分。并设计电源治理电路、串行通信电路、功率驱动电路等，并分析了PWM方式操纵直流电机的原理。应用H桥驱动芯片设计了不可逆PWM和可逆PWM操纵电路。采纳不可逆PWM驱动电路，电机只能单向驱动。而采纳可逆PWM操纵，电机能双向驱动。第5章操纵系统软件设计5.1操纵系统软件设计5.1.1软件的总体功能分析电子节气门操纵系统中要求节气门阀具有较快的响应性、良好的稳固性和良好的位置跟随性。系统软件要紧包括操纵功能和通信功能。系统程序的软件功能结构如图5-1所示。TPS输入信号TPS输入信号PPS输入信号运算机实时监控电子节气门驱动信号PWM输出通信协议操纵算法A/D转换A/D转换图5-1系统程序的软件功能结构图开始开始常量变量初始化定时器初始化串行口初始化PWM初始化承诺T2和PWM中断PWM中断子程序T2中断子程序TPS故障诊断子程序PPS故障诊断子程序角度运算子程序操纵算法子程序串行通信子程序图5-2操纵软件整体流程操纵软件总体上分为初始化部分和工作循环部分。其整体流程如图5-2所示。初始化部分要紧用于完成常量和变量的初始化；定时器T2中断的初始化；MC9S12DG128输出PWM初始化和串行口收、发数据初始化。操纵软件的工作循环部分包括信号的采集、传感器的故障判定、电子节气门角度和踏板角度运算，依照操纵算法运算操纵量以及串行通信等[18]。5.1.2软件子程序流程图(1)PWM输出子程序流程图电子节气门直流电机通过PWM操纵，MC9S12DG128单片机内部的PWM模块通过中断方式能够产生周期和脉宽可调的连续方波。系统采纳的PWM周期为1ms，脉宽由操纵量确定。图5-3是PWM输出子程序流程图。当PWM中断时第一要关闭中断，以幸免其他中断的阻碍。然后判定当前输出电平的高低，若为高电平，则下次中断时应输出低电平，同时要装入高电平的连续时刻。若当前输出为低电平则相反。返回之前要打开中断。关中断关中断当前输出为1？下次中断输出为0装入高电平常开中断返回下次中断输出为1装入低电平常YN开始开始关中断开中断调用A/D转换子程序定时器T2赋值返回图5-3PWM输出子程序流程图5-4定时器中断子程序流程(2)定时器中断子程序流程图系统信号采集的频率通过定时器T2中断确定，定时器T2每10ms中断一次，调用A/D转换子程序进行信号采样。同时要重新给定时器赋值以确定下次中断时刻。图5-4为定时器中断子程序流程图[19]。(3)信号采集子程序流程图 信号采集子程序流程如图5-5所示。操纵系统共需采集四个信号，踏板的输入位置信号和电子节气门的反馈位置信号。踏板位置传感器和节气门位置传感器输入的皆为电压信号，需要通过A/D转换，把模拟量的电压信号转变为数字量。踏板位置传感器和电子节气门位置传感器皆有两个，因此应用4通道。开始哦开始哦Channel=0采集第Channel通道启动A/D转换A转换完毕？暂存替换结果Channel++<4返回NYYN图5-5信号采集子程序流程图(4)角度运算子程序流程图程序运行中，需要运算踏板的给定角度和节气门的反馈角度。依照TPS和PPS的输入信号，和各自的电压角度关系，能够运算出输入角度和反馈角度。此外，需要将踏板输入的角度进行换算，以保证踏板的开度与节气门的开度相对应。图5-6为踏板角度运算子程序流程图，图5-7为节气门角度运算子程序开始开始由AD值运算PPS输入值由电压角度关系运算踏板角度由电压角度关系运算踏板角度开始运算踏板相对角度返回返回有AD值运算出TPS值图5-6踏板角度运算子程序流程图图5-7节气门角度运算子程序流程图流程图。5.2串行通信系统的开发5.2.1串行通信协议设计为使运算机与单片机之间的数据无差错地传送，必须采纳通信协议来规定数据的传输方式。运算机和单片机之间的通信过程如图5-8所示。通信时，运算机第一向单片机发送一个连接命令，单片机接到该连接命令后回送一个相同的连接命令给运算机，运算机收到单片机回送的连接命令则表示连接成功。运算机接收数据时，先向单片机发送数据要求命令，单片机响应该命令，将测量数据封装成数据帧的形式依次发往运算机，数据帧的第一个字节为节气门角度，第二个字节为踏板角度，第三个字节为占空比，第四个字节为传感器故障码，最后一个字节为校验码，以确保数据帧在传输过程中没有错误。运算机接收到一个数据帧时会对该数据帧进行校验，假如校验失败，运算机发出警告，说明图5-8运算机和单片机之间的通信过程发送数据错误，同时断开连接。假如校验成功，则连续发送数据要求命令，单片机接收到命令则发送下一个数据帧[20]。5.2.2单片机串行通信子程序流程图单片机串行通信程序要紧功能包括：把操纵系统当前的状态以数据帧的形式发送至运算机，同时接收运算机发送的命令并响应命令。单片机串口通信采纳查询工作方式，程序流程如图5-9所示。在单片机通信程序中