基于LabVIEW 的電子節氣門PID 控制系統設計

周潤東，魯植雄

（1.210031 江蘇市 南京市 南京鐵道職業技術學院；2.210031 江蘇市 南京市 南京農業大學工學院）

0 引言

電子節氣門是發動機管理系統中的重要部件，是實現發動機全電控的基礎，現在已經得到越來越廣泛的應用。電子節氣門的特點是任何工況下節氣門開度都由電機驅動控制，因此其控制系統可以與發動機管理系統配合工作，使車輛具有良好的怠速、加速及減速工況過渡性能，有效降低排放和燃油消耗；同時，也能按照車輛其他系統，如驅動防滑系統或巡航系統的要求改變節氣門開度，改變發動機扭矩輸出，從而實現牽引力控制。電子節氣門與電子油門踏板的傳感器部分均采用了冗余設計，不僅可以提高控制精度，而且對提高控制安全性發揮了重要作用。因此，吸收、借鑒國外先進的控制經驗，深入研究電子節氣門控制系統的工作原理以及控制策略意義非常重大[1-6]。

電子節氣門控制系統是一個復雜的非線性系統。與以往大都利用單片機C 語言編程對節氣門開度進行控制不同，本文基于PID 的控制思想，利用LabVIEW軟件編寫了電子節氣門驅動程序，硬件部分采用了USB6353 數據采集卡與L298N雙H 橋直流

電機驅動芯片，最后通過試驗驗證了控制方案的可行性。

1 電子節氣門結構與工作原理

電子節氣門取消了機械式節氣門的剛性連接，采用一種柔性控制方式，其結構如圖1 所示。電子節氣門控制系統由加速踏板模塊、電子控制單元ECU、電子節氣門體總成組成[7-9]。加速踏板是反映駕駛員意圖的裝置，其中兩個電位器式位置傳感器將踏板位移量轉化成電信號傳遞給電子控制單元（ECU），駕駛員的意圖經由ECU分析作出判斷，給驅動電機發出指令，由電機驅動節氣門閥片轉動，調節其開度變化。

圖1 電子節氣門體總體結構Fig.1 Overall structure of electronic throttle body

2 電子節氣門位置傳感器的標定

2.1 位置傳感器標定實驗的原理

如圖2 所示，實驗所用為BOSCH 公司生產的DV-E5 型節氣門閥體，中間齒輪齒數為47，節氣門轉角為1～89°。節氣門轉角從怠速開度到全開中間齒輪轉過的齒數為46 齒，因而每轉過一個齒數，節氣門都對應轉過一個角度，對應一個反饋的電壓值。因而節氣門傳感器電壓值與轉角之間滿足一定的關系。

圖2 節氣門閥體Fig.2 Throttle body

2.2 標定實驗的結果與分析

利用數據采集卡與上位機LabVIEW 采集程序，節氣門傳感器標定試驗的數據如表1 所示。

表1 節氣門傳感器標定試驗數據表Tab.1 Calibration test data of throttle sensor

由表1 可知，節氣門體中間齒輪轉過齒數為46 齒，節氣門轉角范圍為1～89°，相對應的電壓信號為3.35～0.96 V。繪制如圖3 的節氣門轉角與電壓關系曲線，采用最小二乘法擬合出相應的節氣門轉角與電壓的關系式為

圖3 節氣門轉角與電壓關系曲線Fig.3 Relation curve between throttle angle and voltage

3 電子節氣門控制實驗方案

3.1 電子節氣門驅動實驗硬件

如圖4 所示，上位機為PC，下位機采用了功率驅動模塊、數據采集卡、電子節氣門模擬板、恒壓電源等。

圖4 電子節氣門體控制系統實物圖Fig.4 Physical diagram of electronic throttle body control system

3.1.1 功率驅動模塊

實驗所采用的驅動芯片是L298N 雙H 橋直流電機驅動芯片，驅動電路原理如圖5 所示。該驅動模塊可驅動2 路直流電機，最大功率25 W，使能端ENA、ENB 為高電平時有效。若要對直流電機進行PWM 調速，需設置IN1 和IN2，確定電機的轉動方向，然后對使能端輸出PWM 脈沖，即可實現調速。控制方式及直流電機狀態表如表2 所示。

圖5 功率驅動模塊電路原理Fig.5 Circuit principle of power drive module

表2 L298N 雙H 橋直流電機驅動芯片控制方式Tab.2 L298N double H bridge DC motor drive chip control mode

3.1.2 數據采集卡

本次控制信號輸出硬件選擇由美國NI 公司生產的數據采集卡USB6353（如圖4 所示）。它有32 路AI，(16 位，1.25 MS/s，4 路AO（2.86 MS/s）），48 路DIO，提供了模擬I/O、數字I/O 和4 個32位計數器/定時器，用于PWM、編碼器、頻率、事件計數等。板載NISTC3 定時和同步技術提供高級定時功能，包括獨立的模擬和數字定時引擎和可重新觸發的測量任務。同時適用于從基本數據記錄到控制和測試自動化等廣泛的應用。隨附的NI-DAQmax 驅動程序和配置實用程序簡化了配置和測量。因而可以作為數據采集與控制信號輸出的理想硬件。

3.1.3 汽車電子節氣門模擬板

汽車電子節氣門模擬板選用了Bosch 公司生產的汽車電子節氣門模擬板作為實驗載體（如圖4 所示）。模擬板上有完整的電子節氣門體、模擬踏板部件以及相應的電源模塊。電子節氣門位置傳感器工作電壓為5 V，直流電機的驅動電壓為12 V，加速踏板運行角度為0～45°，輸出的電壓為0～5 V。

3.2 電子節氣門控制軟件設計

3.2.1 基于LabVIEW 控制程序編寫

?Jessop，B．，State Theory:Putting Capitalist States in Their Place，Cambridge Polity Press，1990．

整個驅動程序的編寫分為3 部分，如圖6 所示。第1 部分為理想值（期望值）程序的編寫；第2 部分為采集程序，對實際控制過程中節氣門的電壓信號進行實時的采集，轉化為相應的開度信號；第3 部分為控制信號程序編寫。根據理想值與實際值偏差來輸出對應不同的脈沖信號。在LabVIEW 軟件中調用PID 控制模塊，并連接到相應的輸入與輸出端。

圖6 LabVIEW 驅動程序Fig.6 LabVIEW driver

3.2.2 基于PID 的電子節氣門控制系統原理

PID 控制是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，就構成了PID 控制器。本次基于PID 的電子節氣門控制系統原理如圖7 所示[13-16]。

圖7 電子節氣門PID 控制系統原理Fig.7 Principle of electronic throttle PID control system

3.2.3 PID 參數整定結果

根據相關參考資料，初定PID 參數為P=0，I=0，D=0，然后在保持兩個參數不變的情況下逐個修改，并進行仿真比較結果[17-20]。經過最終整定與調試結果，確定PID 三個參數為P=1.500，I=0.005，D=0.200。

4 電子節氣門驅動控制仿真實驗

4.1 電子節氣門控制效果評價指標

因為電子節氣門在控制過程中，節氣門開度變化的響應速度和控制精度只需與發動機轉速對節氣門開度變化的響應速度及對節氣門位置的靈敏度保持同階即可，所以電子節氣門控制效果評價指標如下[1]：

上升時間：在階躍輸入情況下，電子節氣門從開始調節到目標開度的90%，響應時間不超過300 ms；

調整時間：節氣門調節范圍超過15%的情況下，穩定時間應不超過300 ms；

穩態誤差：穩態誤差定義為節氣門目標開度與最終開度之間的誤差。電子節氣門控制系統應保證階躍響應穩態跟蹤誤差不超過±2 °。

4.2 驅動試驗結果分析

將輸入信號設為單位脈沖信號，模擬汽車突然加速情況下，駕駛員控制油門踏板使節氣門開度迅速到某一個固定值，設定節氣門開度分別為20%，40%，60%，80%，100%時，試驗結果分別如圖8—圖12 所示。

圖8 20%節氣門開度響應曲線Fig.8 20% throttle valve opening response curve

圖9 節氣門開度40%響應曲線Fig.9 40% throttle valve opening response curve

圖10 節氣門開度60%響應曲線Fig.10 60% throttle valve opening response curve

圖11 節氣門開度80%響應曲線Fig.11 80% throttle valve opening response curve

圖12 節氣門開度100%響應曲線Fig.12 100% throttle valve opening response curve

4.3 控制效果分析

如表3 所示，電子節氣門開度為20%，40%，60%，80%，100%時，電子節氣門穩定時間分別為70，75，65，75，55 ms，均不超過300 ms，階躍響應穩態跟蹤誤差均不超過±1°；從開始調節到目標開度的90%，響應時間不超過300 ms。因此驅動試驗的結果的各種指標均符合節氣門控制系統的要求。

表3 控制結果參數Tab.3 Control result parameters

5 結語

（1）本文在節氣門傳感器標定中，創新性地根據中間齒輪齒數的方法來計算節氣門的轉角，不僅準確有效，而且可操作性極強，為獲得更真實的節氣門傳感器特性曲線提供了基礎；

（2）基于LabVIEW 設計的電子節氣門PID控制系統，可方便觀察和記錄試驗中各參數的變化，便于后期的分析與應用；

（3）驗證了車輛突然加速情況下節氣門的控制效果，試驗中以階躍信號模擬節氣門開度作為輸入。試驗結果表明，在不同節氣門開度下，該控制系統均可獲得理想的電子節氣門控制效果。