基于單體電子節氣門控制器的設計與實現

肖壽高

（陜西交通職業技術學院汽車工程學院，陜西 西安 710018）

基于單體電子節氣門控制器的設計與實現

肖壽高

（陜西交通職業技術學院汽車工程學院，陜西 西安 710018）

作者研究分析了單體電子節氣門總成的結構及工作原理，實現了單體電子節氣門控制器的設計，并對單體電子節氣門進行了靜態試驗測試，試驗結果表明控制器硬件和軟件匹配良好，系統結構合理，具有一定的理論研究及實際應用價值。

電子節氣門；控制器；試驗；軟件

引言

電子節氣門(ETC)是汽油發動機實現全電控化的關鍵部件，它是在電驅動理念的發展下產生的，因而在國外已有20多年的發展歷程，一些著名的汽車零部件生產廠商已開始大規模的生產電子節氣門及與之配套的ETC控制器，如博世公司、德爾福公司、西門子公司、電裝公司等甚至研發出了第二代電子節氣門控制系統(ETCS)，并且大量配置于中高端汽車上。而在國內，ETC的研究開始于2000年，尚屬起步階段，目前只有少數企業進行了電子節氣門方面的研究，如一汽集團公司研發出的ETCS已應用到旗下的高端產品紅旗汽車；四川紅光機車廠可生產配套的電子節氣門，然而只是在原有機械式節氣門上做適當改進而成的；此外，還有一些高校也在進行這方面的研究，如清華大學研究的電子節氣門控制器已應用到混合動力車型，北京理工大學進行了快速原型控制的ETC控制器研究。盡管電子節氣門的研究在國內處于生機盎然的態勢，然而對ETC的核心技術還是沒有完全掌握，沒有自己的知識產權，因而制約著電子節氣門產品在國內中低端汽車上的推廣。本文以德爾福公司生產的電子節氣門為原型，設計了一種ETC控制器，完成對電子節氣門的靜態試驗測試，為發動機臺架試驗及整車試驗標定做鋪墊。

1 電子節氣門總成結構及工作原理

選用德爾福電子節氣門作為研究對象，其結構由驅動系統、節氣門傳感系統和閥體、節氣門閥片及附件系統三部分組成，其中驅動系統由驅動電機、減速齒輪組和復位彈簧組成，見圖1為其結構簡圖[1]。

圖1 ETC結構簡圖

基本工作原理：ETC的驅動電機產生的扭矩通過驅動齒輪Z1、減速齒輪Z2和Z3帶動從動齒輪Z4克服復位彈簧的扭轉作用力和系統摩擦力而使節氣門軸轉動，同時安裝在從動齒輪端上的節氣門位置傳感器隨節氣門軸一起轉動，將測得的開度信號反饋給ETC控制器。

在此需要注意的是驅動電機采用永磁直流力矩電機，其作用是提供ETC扭矩驅動節氣門閥片轉動，具有優良的線性性能、控制精度高等特點，還有響應速度快、容易控制且控制電路簡單，適合于中小功率系統的閉環位置伺服控制。

節氣門位置傳感器采用冗余設計，即采用兩個電位計（以TPS1和TPS2表示）同時檢測節氣門閥片轉動角度，且傳感器輸出信號的和為常數，以此完成相互檢測的功能，通過控制器的檢測和計算達到故障自診斷功能，提高汽車行駛安全性。其中節氣門位置傳感器的接線端子和原理圖如圖2所示。

圖2 TPS電路原理和接線端子圖

2 電子節氣門控制器設計

ETC控制器[2]由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要包括信號采集電路、電機驅動電路以及MCU系統電路，軟件主要由系統主程序和子程序組成，采用C語言編寫程序?？刂破鹘Y構功能如圖3所示。

圖3 控制器結構圖

2.1 硬件電路設計

由圖3可知，控制器需要采集油門踏板位置傳感器信號（PPS）和節氣門位置傳感器信號（TPS），其中PPS為給定目標信號，TPS為跟蹤信號；然后根據控制算法程序輸出 PWM信號以驅動電機達到目標開度?？紤]到本設計只完成ETC的靜態試驗，系統程序占用硬件資源并不大，因而采用8位MCU微處理器就足以完成任務，本控制器采用硬件資源較為豐富的 Atmega16L單片機[4]，片內含有較大容量的非易失性 ROM和RAM，片內集成8路ADC轉化器，可以輸出4路PWM信號以及支持增強型USART異步串口通信等功能，是一款性價比較高的單片機；采用L298型號的H橋芯片驅動直流電機，可同時驅動兩路電機負載，最大輸出電流可達4A，并且含有電流過載保護功能，可以完全滿足驅動電機的控制要求。

根據L298芯片的特點設計見圖4所示的電機驅動電路，其中VSS端子接VCC為+5V電源；VS端子接VDD為5V-36V的驅動電源，本系統VS接12V，與車輛12V電系保持一致；ENA接單片機PD7引腳，為電機的使能信號；IN1和IN2端子接單片機PD5和PD6引腳，以控制電機正反轉；OUT1和OUT2端子接電機正負極，輸出電機驅動電機運轉；SENA和 SENB端子為電流檢測引腳，在此接地取消過流檢測；由于電機為感性負載，因此采用續流二極管吸收感性電流，以保護驅動芯片。

圖4 電機驅動電路

為了使單片機能夠正常運行，需設計Atmega16L單片機[3]的最小系統電路，最小系統電路包括復位電路、晶振電路以及供電電源電路；同時為了完成ADC轉換器的功能還需要AD轉化濾波電路以增強AD轉化的穩定性，提高轉化精度；由于傳感器在檢測過程中可能會受到電磁高頻干擾，因此應設計傳感器濾波電路增加信號的質量；若對測試系統提出傳感器故障報警功能，應加上故障報警電路。

2.2 軟件程序設計

系統主程序[4]包括初始化部分和循環部分，而初始化主要有常量初始化、端口初始化、ADC初始化、控制參數初始化以及USART初始化等；而循環部分主要是調用一些子程序完成計算和控制功能，如控制算法子程序、中斷服務子程序、數據采集處理子程序和故障診斷子程序等。根據實際情況設計如圖5所示的ETC控制系統主程序流程圖。

圖5 ETC控制系統主程序流程圖

上圖的濾波子程序采用普通的均值濾波算法，以增強信號的平滑性；PWM子程序由TC1定時器/計數器產生，發出比較匹配中斷時，OC1A引腳清零，發出溢出中斷時，OC1A置位，且將控制量賦值給 T1以產生變化的占空比，程序流程圖 6所示；數據采集子程序利用定時器/計數器TC0比較匹配中斷作為ADC轉化觸發源，實現程序如流程圖7所示。

圖6 PWM子程序流程圖

圖7 數據采集子程序

而角度計算子程序是由將節氣門轉角與位置傳感器電壓關系特性曲線決定，只是簡單的線性變換；故障診斷子程序主要是診斷節氣門位置傳感器的工作狀態，在對TPS的標定曲線中，可以知道TPS1輸出電壓范圍為0.41V-4.48V，TPS2的輸出范圍為4.57V-0.51V，可以看出TPS1+TPS2約為5V，因此采取閾值界定的方法實現對TPS1、TPS2故障診斷，若均無故障時，以TPS1計算節氣門開度，由這些特性設計如圖8所示的TPS故障診斷程序流程圖。

圖8 TPS故障診斷子程序流程圖

本設計選用的控制算法為增量式PID算法，其控制原理是根據系統的被控量實測值與設定值之間的偏差，然后按偏差的比例、積分和微分運算計算出被控對象的控制量。在此以油門踏板位置傳感器檢測的油門開度(PPS)為給定信號，以節氣門位置傳感器檢測的節氣門開度(TPS)為實際信號，然后使偏差e(k)=PPS-TPS作為PID控制器的輸入，再對偏差進行比例(Kp)、積分(Ki)和微分(Kd)運算得到控制量u(k)，并對u(k)進行閾值界定以保持節氣門的控制性能。因此，設計如圖9所示的程序流程圖。

圖9 增量式PID子程序流程圖

串口通訊子程序是為了方便數據的采集而提出的，可以直接用單片機的USART接口完成數據通訊功能，如為了分析控制器的控制性能可以利用此接口將PPS和TPS的數據實時發送至上位機，利用底層開發軟件編寫監控軟件，可將上傳的數據繪制成隨時間變化的曲線，得到節氣門跟蹤油門踏板的響應曲線。采用這種方法帶來的好處主要是能及時判斷控制器的響應性能，若控制性能不理想，可以及時整定PID參數或改進控制算法提高控制器的性能。此外還可以將占空比信號、電機電流信號以及傳感器故障信號通過串口通訊將信息上傳至上位機，利用開發的監控軟件顯示數值和故障碼，以及時調整試驗過程。

3 電子節氣門控制系統試驗分析

通過大量的試驗前期準備，搭建電子節氣門控制系統試驗裝置[5]，實現了ETC控制器硬件和軟件的基礎平臺。由于實際的電控汽油機對電子節氣門的響應時間在數百毫秒級以內，因此對電子節氣門做靜態試驗時，在數秒時間之內的試驗即可驗證控制器的控制性能。本文對設計的電子節氣門控制器進行了試驗驗證，試驗結果如圖10所示。

圖10 隨動跟蹤響應曲線

試驗結果表明TPS對PPS表現出良好的跟蹤性能，只有在0.8s-1s之間沒有跟蹤PPS,原因是在本次試驗中，PPS是用電位器代替的，電位器的最大輸出電壓為5V，按角度轉換子程序來計算，那么換算成節氣門目標開度為90°，而TPS最高電壓為4.48V，換算成實際節氣門開度為85°，因此在這段時間沒有跟蹤 PPS。但是，在這段時間內，可視為 TPS對PPS的階躍響應階段，從這個角度也可以看到控制算法是否表現出優良的控制性能。

4 結論及展望

本文詳細設計了控制器的硬件結構及軟件算法，利用該控制器對電子節氣門進行了隨動跟蹤控制，實現了控制器的控制功能，在控制性能上達到了靜態試驗的控制要求，試驗結果驗證了該ETC控制器的設計有效性及合理性，為電子節氣門應用于電控汽油機提供了一種有效的方法。

同時，也為以后更深入研究電子節氣門控制系統應用于整車打下了基礎，在此基礎上加大硬件和軟件的投入，便可以將電子節氣門控制器集成于發動機 ECU，以真正實現電子節氣門優越的控制性能，如定速巡航控制、駕駛模式控制等。

[1] 吳克剛.ETC設計說明書[R].西安:長安大學電子節氣門開發與試制課題組,2010(2).

[2] 李雅博等.發動機電控節氣門控制器的研發[J].公路交通科技,2004(3):106-109.

[3] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007(10):26-37.

[4] 尹葉丹,程昌銀等.基于 DSP的電子節氣門控制器的研制[J].武漢理工大學學報,2003(10):32-34.

[5] 肖壽高.電子節氣門控制系統的研究與仿真[D].長安大學,2011（5）:50-67.

Based on the Design and Implementation of the Single Electronic Throttle Controller

Xiao Shougao
（Department of Automobile, Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018 )

The structure and working principle of the single electronic throttle assembly have been analyzed, the design of the single electronic throttle controller has been realized, and the static test was carried out for the single electronic throttle,The test results show that the controller hardware and software match well, reasonable structure for system, tt has some theoretical research and practical application value.

electronic throttle; controller; test; software

U462.1

A

1671-7988(2017)22-48-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.017

肖壽高，汽車設計工程師，就職于陜西交通職業技術學院，主要從事汽車維修檢測教學與實訓，汽車電控等相關專業研究。

CLC NO.:U462.1

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1671-7988(2017)22-48-04