电子节气门控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

电子节气门控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

合技术，即将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，协调各个系统间的相互关系，提高控制系统的稳定性和可靠性。 (3) 电子节气门控制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、定速和加速控制还存在一定难度，这个问题的解决还需依靠驾驶行为学理论、神经网络控制理论 （ 人工智能 ） 和汽车电子技术的进一步发展来共同解决 [4]。 (1) 由单一功能向多种功能的集成发展不仅是 ETCS 的发展方向，也是各种汽车电子控制系统的发展方向。 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定性和可靠性。 (2) 综合多种控制策略。 为提高节气门的控制精度及反应速度，采取多种控制方法进行综合控制。 目前的发 展方向是从经典的 PID 控制发展到采用 PID 与现代控制方法相结合以及采用一些鲁棒性更强的控制算法，从线性控制发展到非线性控制，从单一模式控制发展到多模式控制 [5]。 (3) 系统设计注重安全可靠性，具有自诊断和失效保护功能的电子节气门系统是发动机控制进气量的关键部件，因此在提高控制精度和进行集中控制的同第 1章 引 言 4 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、舒适性以及燃油经济性，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，只装配在高档轿车上。 本设计主要研究工作 本文主要对电子节气门的控制系统进行了研究与开发，为发动机台架试验工作打下基础，主要研究工作有： (1) 完成了汽车电子的发展和电子节气门控制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、工作原理及控制功能。 (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 复合控制策略。 (3) 基于 MC9S12DG128 为主控芯片设计了电子节气门控制系统，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控制器进行了实验，并对实验结果进行对比分析。 本章小结 本章简单的介绍了电子节气门发展现状以及发展前景。 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 5 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理 电子节气门系统的结构和工作原理 电子节气门系统如图 所示，它采用一种柔性控制方式 (drive by wire)，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 0V 到 5V 之间。 (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。 (3) 电子节气门控制单元 (ECU)： ECU 是整个电子节气门控制系统的核心。 驾驶员的意图经由 ECU 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。 图 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 处理后发出控制信号，控制节气门驱动电机，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第 2章 电子节气门的结构分析及工作原理 6 位置传感器将测得的当前节气门位置信反馈给 ECU，通过反馈控制实现对节气门的 最佳闭环控制。 电子节气门体的结构示意如图 所示。 一般由电机、减速齿轮、节气门位置传感器等组成。 在节气门体中，电机根据 ECU 发出的控制信号运转，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 达到调节发动机转速和转矩的目的 [7]。 图 电子节气门体结构示意图 (1) 驱动电机 至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置饲服控制最优先的选择。 因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，很高的效率等优点；特别是中小功率系统中常采用永磁直流电动机，只需要对电枢回路一个回路进行控制，电子控制电路相对较简单。 所以节气门控制电机多采用直流饲服电机。 (2) 节气门片 因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在进气第 2章 电子节气门的结构分析及工作原理 7 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 0176。 ，而是有 2 的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形 (图 )，节气门的开度范围为 2176。 ~88176。 静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在 9176。 的开度 (图)。 节气门开度为θ时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向的投影面积。 (a)节气门全关 (b)节气门静态位置 (c)节气门部分开启 图 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 为电子节气门内部电路示意图。 图 电子节气门内部接线示意图 第 2章 电子节气门的结构分析及工作原理 8 节气门位置传感器是节气门开度状态的唯一检测元件，电位计传感器主要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。 从控制的角度来讲，只需要一个位置传感器就可以了，但是采用冗余传感器可以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，采用同一搭铁点。 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 所示。 (4) 减速齿轮 动力传动采用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，主要优点有：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 节气门开度量与节气门位置传感器输出电压关系 加速踏板 节气门位置变化直接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，根据具体状况控制节气门开度。 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第 2章 电子节气门的结构分析及工作原理 9 器 (Pedal Position Sensor，简称 PPS)转化为电信号输入到电控单元，发动机管理系统称这种信号为“驾驶员需求” (Driver Demand)。 同样，出于安全性和可靠性考虑，加速踏板位置传感器也采用了冗余设计，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。 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 输出电压的差值永远为 2V。 图 踏板位置传感器与输出电压曲线 节气门的开度范围为 2176。 ~88176。 ，加速踏板的开度范围为 0176。 ~15176。 系统开发时暂时只考虑了节气门静态位置以上的工作区域，即 9176。 ~88176。 范围的工作区域。 为了提高控制精度和便于对控制结果进行分析比较，将踏板的开度范围进行放大，使得踏板开度为 0176。 时，节气门处于静态位置；踏板开度为 15176。 时，节气门全开。 图 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，根据换算关系将其放大， 使得节气门能到达同样的开度。 ECU ECU 是整个电子节气门控制系统的核心，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，经过一系列运算、第 2章 电子节气门的结构分析及工作原理 10 优化控制，最后 ECU 向电机发出一个控制信号。 图 加速踏板角度换算曲线 驱动电机的脉冲调制方式 节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。 控制步进电机常采用 H 桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。 控制直流电机采用脉冲宽度调制 (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用不可逆 PWM控制技术，电机所产生的扭矩和复位弹簧的扭矩永远相反。 控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制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控制。 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衡时，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。 电子节气门系统 的控制功能 (1) 基于发动机扭矩需求的节气门控制功能 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，而是控制单第 2章 电子节气门的结构分析及工作原理 11 元根据当前行驶工况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。 控制单元根据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、点火提前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，此时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，进行高度补偿控制，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控制系统出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) 定速巡航控制功能 巡航控制系统又称为速度控制系统，它是一种减轻驾车者疲劳的装置。 (5) 怠速控制功能 电子节气门系统取消了怠速空气调节阀，而是直接由控制单元调节节 气门开度来实现车辆的怠速控制。 本章小结 本章首先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控制功能。 第 3章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 12 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 电子节气门系统非线性分析 在电子节气门体中，存在的主要问题是非线性问题，它影响着电子节气门系统的控制。 本文以 SIMENS VDO 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定。 (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，影响最大的是弹簧非线性，其次是气流的冲击特性，所以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。 静态时，节气门开度靠复位弹簧的扭矩保持在 9176。 的位置，这个位置即是“ Limp Home”（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，此时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保护装置，其扭矩特性示意图如图 所示，在静态位置前后的开度范围，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围必然包含“跛行回家”位置。 复位弹簧扭矩是电子节气门驱动电机的主要负载，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，可以保证系统响应的快速性。 通过对该弹簧的调整，还可以调第 3章 电子节气门系统非线性分析及数学建模 13 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。 复位弹簧的引入，是出于系统安全性考虑的，同时使节气门的控制算法变得更加复杂。 设节气门静态位置的转角为 0 ，当其转角为  时，需要克服的静态位置。