汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制系統(tǒng)的開發(fā)

1、電子控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制系統(tǒng)的開發(fā)陳培紅1,田 穎2,聶圣芳1,盧青春1(1.清華大學(xué)汽車工程系,北京 100084; 2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京 100044 摘要:開發(fā)了基于摩托羅拉16位單片機(jī)M C9S12DP256B 的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制系統(tǒng),介紹了單片機(jī)核心控制電路、力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及控制算法設(shè)計(jì),該系統(tǒng)已應(yīng)用到電渦流測(cè)功機(jī)控制器中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置的控制。試驗(yàn)證明,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,控制效果良好。 關(guān)鍵詞:汽車發(fā)動(dòng)機(jī);油門控制;控制電路;單片機(jī)中圖分類號(hào):T K421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-2222(200605-0045-03油門執(zhí)行器

2、主要由直流力矩電機(jī)和拉線機(jī)構(gòu)構(gòu)成,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架油門執(zhí)行器內(nèi)部安裝與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的拉力彈簧,控制系統(tǒng)通過功率驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)線圈中電流大小來調(diào)節(jié)其輸出力矩,不同的輸出力矩可以通過與其內(nèi)部拉力彈簧反力矩相平衡而穩(wěn)定在任意恒定位置。油門執(zhí)行器與發(fā)動(dòng)機(jī)油門相連來控制其油門位置,發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的油門位置時(shí)發(fā)出的功率不同,直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速輸出,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié),油門執(zhí)行器恒定位置控制需要有很好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。1 油門控制系統(tǒng)直流力矩電機(jī)的基本工作原理和普通直流電機(jī)相同,只是在結(jié)構(gòu)和外形尺寸比例上有所不同。從直流電機(jī)基本工作原理可知,設(shè)直流電機(jī)每個(gè)磁極下磁感應(yīng)強(qiáng)度平

3、均值為B ,電樞繞組導(dǎo)體上的電流為I a ,導(dǎo)體的有效長度(即電樞鐵心的厚度為L ,則每根導(dǎo)體所受的電磁力為F =B I a L ,則電磁轉(zhuǎn)矩為 T =N FD 2=(B N L DI a2,(1式中,N 為電樞繞組總匝數(shù);D 為電樞鐵心直徑。由式(1可知,一臺(tái)成品力矩電機(jī)的B,N,L ,D 都是固定不變的。由于電磁轉(zhuǎn)矩和I a 成正比,而I a 又和加在電樞繞組導(dǎo)體上的電壓有效值成正比,所以,電磁轉(zhuǎn)矩和加在電樞繞組導(dǎo)體上的電壓有效值也成正比1。本研究所述的閉環(huán)控制,主要是控制電樞繞組導(dǎo)體上的電壓有效值。圖1示出油門閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。主要由功率MOSFIT 主回路、MOSFIT 控制電路、單片

4、機(jī)核心電路、濾波電路、油門給定電路、位置檢測(cè)及調(diào)理電路組 成。圖1 油門閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖2 硬件及控制算法設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)核心控制電路單片機(jī)核心控制電路主要由16位單片機(jī)MC9S12DP256及12位A/D 轉(zhuǎn)換芯片MAX180組成。M C9S12DP256的主頻高達(dá)25MH z,片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊,片內(nèi)擁有12kB 的RAM,4kB收稿日期:2006-04-29;修回日期:2006-08-16作者簡介:陳培紅(1965 ,女,山西省定襄縣人,工程師,主要從事汽車電子產(chǎn)品的研發(fā)工作.第5期(總第165期2006年10月 車 用 發(fā) 動(dòng) 機(jī)VEHICL E ENGIN E的EEPROM,

5、256kB 的FlashEEPROM 。采用外擴(kuò)12位A/D 芯片MAX180電路來提高系統(tǒng)模擬信號(hào)的測(cè)量精度。單片機(jī)核心控制電路見圖2 。圖2 單片機(jī)核心控制電路油門位置反饋信號(hào)從MAX180的AN0引腳輸入,經(jīng)MAX180轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由單片機(jī)讀取。單片機(jī)與MAX180采用數(shù)字I/O 口直接擴(kuò)展的方式連接;其中,單片機(jī)A 口低4位和B 口與MAX180數(shù)據(jù)線相連;K 口分別對(duì)MAX180讀/寫/片選線及通道選擇控制線進(jìn)行操作;MAX180的Busy引腳與單片機(jī)PJ1相連;J 口具有外部中斷功能,可以用中斷方式進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。為了防止驅(qū)動(dòng)電路對(duì)單片機(jī)的干擾,PWM0輸出采用光耦隔離后輸送到E

6、XB841的輸入端口用來控制油門開度的大小。2.2 力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路功率M OSFET 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要包括柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路兩部分。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)好壞直接決定了系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)品質(zhì),同時(shí)由于電流比較大,需要保護(hù)可靠,應(yīng)盡量減少對(duì)控制部分弱電電路的干擾。力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路功率器件采用IRFP460功率MOSFET 芯片,驅(qū)動(dòng)電路以IGBT 及功率MOSFET 驅(qū)動(dòng)保護(hù)集成模塊EXB841為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。EXB841模塊輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部光電隔離,有過流保護(hù)電路和過流保護(hù)輸出端,可單電源供電,內(nèi)部提供柵源電壓自舉電路,最大延時(shí)為1.5 s;其主要缺點(diǎn)是過流保護(hù)盲區(qū)較大,且無過流保護(hù)自鎖功能,

7、在發(fā)生過流保護(hù)時(shí),自身只是在當(dāng)前脈沖軟關(guān)斷,而不是關(guān)閉。力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路見圖3。EXB841可直接驅(qū)動(dòng)高位開關(guān),負(fù)載與功率MOSFET 之間采用高位開關(guān)方式連接。漏源過電壓保護(hù)系統(tǒng)采用負(fù)載鉗位和R C 吸收電路相結(jié)合的方式。圖3中DZ 為圖3 力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路快速恢復(fù)二極管,在IRFP460關(guān)斷時(shí)給感性負(fù)載提供放電回路;電阻RZ 1和電容C Z 共同組成RC 吸收電路,可以吸收IRFP460漏源兩極間的瞬時(shí)電壓尖峰;這兩個(gè)電路的結(jié)合應(yīng)用,基本消除了漏源電壓尖峰,很好地保護(hù)了功率MOSFET 器件?？紤]到EXB841存在保護(hù)盲區(qū),將EXB841的6腳接導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管,并串聯(lián)

8、一個(gè)穩(wěn)壓二極管,這樣可使實(shí)際過載電流小于MOS -FET 的極限過載電流;EXB841的6腳通過DWK 和DK 接到IRFP460的漏極,以檢測(cè)V ds 的高低來判斷是否發(fā)生短路;若發(fā)生短路,通過內(nèi)部電路使EXB841的3腳電壓逐步下降,關(guān)斷IRFP460;當(dāng)14腳和15腳輸入為開通信號(hào)時(shí),兩腳有10mA46 車 用 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 2006年第5期電流流過,其內(nèi)部光耦導(dǎo)通,從而使3腳輸出為+15V 的驅(qū)動(dòng)電壓;通過電阻RZ 2對(duì)IRFP460的柵極和源極等效電容進(jìn)行充電,保證開通信號(hào)具有較好的前沿陡度2。為了防止柵源兩極瞬態(tài)電壓過大,影響驅(qū)動(dòng)效果,在柵源兩極之間加入了阻尼電阻RZ 2。對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)

9、電阻進(jìn)行改造,在線路電阻的基礎(chǔ)上加入電阻RK 2,此電阻數(shù)值需要在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下通過試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試,在開關(guān)速度與柵極驅(qū)動(dòng)效果間折衷。由于EXB841無過流保護(hù)自鎖功能,設(shè)計(jì)中添加了過流信號(hào)鎖定電路,通過鎖定信號(hào)對(duì)繼電器進(jìn)行控制,在過流發(fā)生時(shí)直接斷開主回路供電。2.3 油門位置PID 控制油門位置反饋閉環(huán)為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié),傳遞環(huán)節(jié)較少,響應(yīng)時(shí)間較短,采用增量式PID 控制,算法見式(2u =u(k-u(k -1=K p e(k-e(k -1+K i e(k+K d e(k- 2e(k -1+e(k -2,(2式中,K p ,K i ,K d 分別為比例、積分和微分放大系數(shù),u(k表示第k 個(gè)

10、采樣時(shí)刻的控制量,e(k表示第k 個(gè)采樣時(shí)刻的航向輸入偏差。首先通過電磁時(shí)間常數(shù)確定系統(tǒng)控制輸出時(shí)間,然后進(jìn)行PID 參數(shù)的整定。整定時(shí)采用臨界比例法,即先令積分系數(shù)K i 為0,調(diào)整比例系數(shù)K p ,K p 逐漸增大,直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩后再稍微減小K p 值,然后再適當(dāng)調(diào)節(jié)K i ,使系統(tǒng)無靜差。之后再根據(jù)位置設(shè)定值與實(shí)際值的偏差e(k進(jìn)行分段控制,分段策略為e(k較大時(shí)采用正常PI 參數(shù),e(k很小時(shí)盡量增大K p 與K i 的數(shù)值,只要保證大階躍調(diào)整時(shí)不發(fā)生振蕩即可3。3 閉環(huán)系統(tǒng)控制效果本系統(tǒng)對(duì)北汽福田492汽油機(jī)、南峰CW-160電渦流測(cè)功機(jī)及油門執(zhí)行器組成的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)速28

11、00r/min,扭矩120N m,油門開度由0階躍到70%的控制階躍曲線見圖4,該條件下的油門位置控制數(shù)據(jù)見表1。通過大量試驗(yàn)表明,油門位置調(diào)節(jié)時(shí)間小于1s ,穩(wěn)態(tài)控制精度優(yōu)于 0.3%FS 。圖4 油門位置控制階躍曲線表1 油門位置控制效果4 結(jié)束語基于16位單片機(jī)M C9S12DP256B 的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油門閉環(huán)控制系統(tǒng),不僅驅(qū)動(dòng)與保護(hù)效果良好,而且控制精度高,更主要的是實(shí)用性強(qiáng)。只改變主回路供電電源的電壓和功率,該系統(tǒng)就可以應(yīng)用到需要較大功率的控制系統(tǒng)中。參考文獻(xiàn):1 程 明,林明耀,張潤和,等.微特電機(jī)及系統(tǒng)M .北京:中國電力出版社,20042 田 穎,陳培紅,聶圣芳,等.功率M OS

12、FET 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電研究J.內(nèi)燃機(jī)工程,2005(6:58-60Development of Throttle Control System for Automobile EngineCH EN Pe-i ho ng 1,TIAN Ying 2,NIE Sheng -fang 1,LU Qing -chun 1(1.Depar tment o f A uto motive Eng ineering ,T sing hua U niv ersity ,Beijing 100084,China;2.Scho ol of M echanical and Electr ical Contr ol Eng

13、 ineer ing,Beijing Jiao tong U niversit y,Beijing 100044,ChinaAbstract:T his paper dev elo ped the t hr ottle contro l system fo r automobile eng ine based on M oto ro la 16bit sing le chip micr o -com puter,the desig n of micr ocomputer contro l circuit,t orque moto r w ere intro duced and co nt ro l alg or ithm,this sy stem has a-lr eady been used for the Eddy Cur rent Dynamometer to r ealize the co nt rol of engine thr ottle po sitio n.It sho ws that the system