【正文】 州本田等公司生產(chǎn)的部分高級(jí)轎車上已經(jīng)配置了電子節(jié)氣門系統(tǒng)，但都屬第 1 章 引 言 3 國(guó)外引進(jìn)的技術(shù),其關(guān)鍵技術(shù)未能消化吸收，未能形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ETCS 產(chǎn)品。 電子節(jié)氣門存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 電子節(jié)氣門存在的問(wèn)題(1) 控制系統(tǒng)復(fù)雜，精確控制困難。目前對(duì)汽車的減速、怠速、定速和加速控制還存在一定難度，這個(gè)問(wèn)題的解決還需依靠駕駛行為學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論（人工智能）和汽車電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展來(lái)共同解決 [4]。為提高節(jié)氣門的控制精度及反應(yīng)速度，采取多種控制方法進(jìn)行綜合控制。目前，電子節(jié)氣門系統(tǒng)由于自身成本等因素的制約，只裝配在高檔轎車上。 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單的介紹了電子節(jié)氣門發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。(3) 電子節(jié)氣門控制單元(ECU) ：ECU 是整個(gè)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。一般由電機(jī)、減速齒輪、節(jié)氣門位置傳感器等組成。所以節(jié)氣門控制電機(jī)多采用直流飼服電機(jī)。靜態(tài)時(shí)節(jié)氣門并非完全關(guān)閉，靠復(fù)位彈簧保持在 9176。圖 為電子節(jié)氣門內(nèi)部電路示意圖。設(shè)計(jì)成阻值反向變化，即一個(gè)電阻值增加則另一個(gè)電阻值減少，其輸出電壓成互補(bǔ)的關(guān)系，同一位置的兩個(gè)傳感器輸出電壓信號(hào)的和始終等于供電電壓 5V，傳感器輸出電壓關(guān)系通過(guò)標(biāo)定如圖 所示。加速踏板位置由加速踏板位置傳感第 2 章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 9 器(Pedal Position Sensor，簡(jiǎn)稱 PPS)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入到電控單元，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)稱這種信號(hào)為“駕駛員需求”(Driver Demand)。圖 踏板位置傳感器與輸出電壓曲線節(jié)氣門的開(kāi)度范圍為 2176。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)暫時(shí)只考慮了節(jié)氣門靜態(tài)位置以上的工作區(qū)域，即 9176。時(shí)，節(jié)氣門處于靜態(tài)位置；踏板開(kāi)度為 15176。 電控單元 ECUECU 是整個(gè)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心，駕駛員的意圖、發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、汽車整車的運(yùn)行狀況、節(jié)氣門開(kāi)度等信息都匯總到 ECU 中，經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算、第 2 章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 10 優(yōu)化控制，最后 ECU 向電機(jī)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)。目前，多數(shù)電子節(jié)氣門體的直流電機(jī)采用不可逆PWM 控制技術(shù)，電機(jī)所產(chǎn)生的扭矩和復(fù)位彈簧的扭矩永遠(yuǎn)相反。 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制功能(1) 基于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求的節(jié)氣門控制功能電子節(jié)氣門系統(tǒng)的節(jié)氣門開(kāi)度并不完全由加速踏板位置決定，而是控制單第 2 章 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)分析及工作原理 11 元根據(jù)當(dāng)前行駛工況下整車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全部扭矩需求，計(jì)算出節(jié)氣門的最佳開(kāi)度，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門到達(dá)相應(yīng)的開(kāi)度。(3) 電機(jī)斷電時(shí)的安全性功能在節(jié)氣門體設(shè)計(jì)中應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電或控制系統(tǒng)出現(xiàn)不能驅(qū)動(dòng)的故障時(shí)，節(jié)氣門能在復(fù)位彈簧的作用下返回到一小開(kāi)度位置，這一開(kāi)度可使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較高怠速工況。第 3 章 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 12 第 3 章 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析在電子節(jié)氣門體中，存在的主要問(wèn)題是非線性問(wèn)題，它影響著電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制。(4) 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)的空氣對(duì)節(jié)氣門沖擊力隨節(jié)氣門開(kāi)度不同。當(dāng)運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)電機(jī)非正常斷電，節(jié)氣門在復(fù)位彈簧力的作用下返回到“跛行回家”位置，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)以固定的轉(zhuǎn)速1500r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)，使汽車能以較低的車速返回到修理廠。當(dāng)節(jié)氣門需要從較大開(kāi)度位置返回到較小開(kāi)度或節(jié)氣門關(guān)閉位置時(shí)，利用該彈簧較大的扭矩，可以保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。圖 31 復(fù)位彈簧的扭矩示意圖 傳動(dòng)齒輪齒隙非線性由于節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高而輸出扭矩較小時(shí)，轉(zhuǎn)速高達(dá)4000~5000r/min，節(jié)氣門閥片本身有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并受到一定的摩擦力和復(fù)位彈簧作用力，如果由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門閥片中心軸，則需要功率較大的電機(jī) [11]，因此電子節(jié)氣門總成上都設(shè)計(jì)有一套齒輪減速機(jī)構(gòu)，包括主動(dòng)齒輪、中間齒輪和從動(dòng)齒輪等，一級(jí)減速比為 5:1，二級(jí)減速比為 4:1，因此總減速比第 3 章 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 14 為 20:1。定義 x 為主動(dòng)軸的角位移，即非線性特性的輸入量，y 為從動(dòng)軸的角位移，即非線性特性的輸出量，兩邊的齒隙寬度分別為占 ， 即為死區(qū)寬度。而對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)的電子節(jié)氣門體，由于磨損較嚴(yán)重，導(dǎo)致齒輪齒隙較大，則必須予以重視。在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中忽略掉靜摩擦，摩擦力矩包括粘性摩擦力矩和庫(kù)侖摩擦力矩。其大小為 (37)cosairfowafTRF??其中 2cos,apatmpFAPA??????整理可得 (38)??2csirflowaftmpP式(37)和式(38)中， 為節(jié)氣門的半徑( )； 為氣流沖擊力的焦點(diǎn)到節(jié)氣pRafR門中心的距離( )； 為進(jìn)氣歧管的壓強(qiáng)( )； 為大氣壓強(qiáng)( )。假設(shè)作用在節(jié)氣門閥片上的氣體在流動(dòng)條件下近似不可壓縮的，PARK 建立電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)扭矩如圖 33 所示 [13]。圖 33 電子節(jié)氣門動(dòng)態(tài)扭矩示意圖經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，式(39)可以用一個(gè)多項(xiàng)式描述：氣流沖擊所產(chǎn)生的扭矩只跟節(jié)氣門的開(kāi)度有關(guān)，該多項(xiàng)式定義如下： (310)543212456airflowTppp????????NmA式(310)中的系數(shù)如表 所示。 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型節(jié)氣門的驅(qū)動(dòng)元件是永磁直流電機(jī)，其定子是永久磁鐵，轉(zhuǎn)子是電樞線圈。bk/Nsra?t根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用定律，電機(jī)所產(chǎn)生的扭矩有第 3 章 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 18 (313)??mtaTki??式(313)中， 為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(N airflowT ?由減速齒輪的速比關(guān)系可得 (317)/mgLT??由式(314） 、式 (315)、式 (316） 、式(317)可得 (318)??2 221*snmDf mspairflowmgddNbkNTtJtdt? ???? ?????????????? ????? ??? 節(jié)氣門位置傳感器數(shù)學(xué)模型節(jié)氣門位置傳感器是電位計(jì)式，將角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。對(duì)于干擾信號(hào)的處理??ref一般把它們視為一組高斯靜態(tài)隨機(jī)信號(hào)，其期望值為 0，即： (321)??1()Ent? (322)??2????節(jié)氣門轉(zhuǎn)角 的估計(jì)值：??t? (323)????12TPSTPSVtttE?????????其方差為： (324)??21TSTSTPStVtt?????????? 電子節(jié)氣門系統(tǒng)的物理參數(shù)標(biāo)定建立了節(jié)氣門的數(shù)學(xué)模型之后，節(jié)氣門參數(shù)的確定十分重要。而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在現(xiàn)有情況下無(wú)法測(cè)量，只能參考同類型的參數(shù)及通過(guò)試驗(yàn)試湊，表 為所確定的電子節(jié)氣門參數(shù)。H 橋驅(qū)動(dòng)電路選用Freescale 公司推出的專門用于電機(jī)控制的集成芯片 MC33886。C～125176。其中BDMIN 接口是接 BDM 調(diào)試工具，向 MC9S12DG128 單片機(jī)下載程序后可以有BDM 調(diào)試功能，BDMOUT 是當(dāng)應(yīng)用程序?yàn)?BDM 調(diào)試程序時(shí)，用作 BDM 調(diào)試器輸出。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:321U1MC34064531642BKGDBDMNHEADER 3X2642135PT7BDMOUTHEADER 3X2VCCVCCVCCR44K7R5100KVCCRESETnPT6D11N4148S1SWPB圖 42 調(diào)試接口及復(fù)位電路第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 (3) 串行口通信模塊的設(shè)計(jì)通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)電路中的 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)可以利用異步串行通信協(xié)議同 PC 通信。MAX233AEWP 芯片功耗低、集成度高，采用單一 +5V 電源，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道，可直接與 MC9S12DG128 的串行通信接口引腳相連，如圖 所示。VPWR 輸出電壓為 5V，輸出電流由 PNP型三極管 TIP32C1 決定，具有自可調(diào)功能，其電流連續(xù)值為 3A，峰值為 5A，而單片機(jī)及傳感器工作電流遠(yuǎn)小于 3A。首先要了解 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。當(dāng) 4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電流方向如 A 所示，電機(jī)產(chǎn)生正向扭矩；3 導(dǎo)通時(shí)，電流方向如 B 所示，電機(jī)產(chǎn)生反相扭矩。該芯片具有監(jiān)測(cè)低壓、短路、溫度過(guò)高等功能。圖 45 直流電機(jī) H 橋控制原理表 MC33886 邏輯真值表 IN1 IN2 OUT1 OUT2 電機(jī)工作狀態(tài) H L H L 電機(jī)正轉(zhuǎn) L H L H 電機(jī)反轉(zhuǎn) L L L H 電機(jī)慣性滑行（低速） H H H H 電機(jī)慣性滑行（高速）圖 46 MC33886 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖在圖 中，DD2 是 MC33886 的使能端，ININ2 為輸入端，OUT OUT2 為其輸出端。ECU 產(chǎn)生的 PWM5 通過(guò) IN1 引腳輸入，以調(diào)節(jié) MC33886 的 OUT1 口的輸出電壓，并且在 IN2 接地使 OUT2 輸出為 0，這樣 OUT1 和 OUT2 之間就有了一個(gè)電壓差，ECU 通過(guò)改變 PWM5 的占空比就可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。因此，系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制算法保證兩路 PWM 信號(hào)的配合，以避免電機(jī)與電源短路，控制的靈活性降低，控制難度加大。第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 27 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:AGND1 FS2IN13 V+4V+5 OUT16OUT17 DNC8PGND9 PGND10DNC 20IN2 19D1 18V+ 16Ccp17OUT2 15OUT2 14D2 13PGND 12PGND 111 2VCCPWM5 VCC 33nFC647uFVCCJMOTOR33886MC33886_CON+圖 47 直流電機(jī)不可逆 PWM 控制電路圖1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:IN1IN2FSD1D2OUT2V+Ccp PGNDOUT1AGND338862 1C133uF+C247uF+VCCMOTORQ2Q1Q3Q4R?10K23454049U2B4049U1AR210KPort2Port1PWM圖 48 直流電機(jī)可逆 PWM 控制電路圖 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了電子節(jié)氣門控制器的硬件電路主要結(jié)論有：選取 MC9S12DG128 作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)控制算法中的模糊推理部分。而采用可逆 PWM 控制，電機(jī)能雙向驅(qū)動(dòng)。TPS 輸入信號(hào)PPS 輸入信號(hào)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM 輸出通信協(xié)議控制算法A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換圖 51 系統(tǒng)程序的軟件功能結(jié)構(gòu)圖第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 29 開(kāi)始常量變量初始化定時(shí)器初始化串行口初始化PWM 初始化允許 T2 和 PWM 中斷PWM 中斷子程序T2 中斷子程序TPS 故障診斷子程序PPS 故障診斷子程序角度計(jì)算子程序控制算法子程序串行通信子程序圖 52 控制軟件整體流程控制軟件總體上分為初始化部分和工作循環(huán)部分。 軟件子程序流程圖(1) PWM 輸出子程序流程圖電子節(jié)氣門直流電機(jī)通過(guò) PWM 控制，MC9S12DG128 單片機(jī)內(nèi)部的 PWM模塊通過(guò)中斷方式可以產(chǎn)生周期和脈寬可調(diào)的連續(xù)方波。然后判斷當(dāng)前輸出電平的高低，若為高電平，則下次中斷時(shí)應(yīng)輸出低電平，同時(shí)要裝入高電平的持續(xù)時(shí)間