【正文】 [J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) (信息與管理工程版 ), 2020,(05) 摘 要 社會(huì)需求、法規(guī)推動(dòng)和電子技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展 。 PID 控制器分為模擬 PID 控制器和數(shù)字 PID控制器，由于系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，本文在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用數(shù)字PID 控制算法。汽車排放的大量尾氣造成環(huán)境污染問題等問題。電控燃油噴射系統(tǒng) (EFI)以其精確空燃比控制逐漸取代化油器，電控燃油噴射系怠速電機(jī) 空 氣 流 量 計(jì) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器 霍爾式凸輪位置傳感器 節(jié) 氣門位置傳感器 水 溫 傳 感 器 怠速節(jié)氣門電位計(jì) 怠 速 開 關(guān) 進(jìn)氣溫度傳感器 氧化器應(yīng)加熱器 活性碳繼電磁閥 點(diǎn)火線及電子點(diǎn)火器 噴 灑 器 汽油泵 汽油泵繼電器 爆 震 傳 感 器 氧 傳 感 器 ECU 傳感器 控制單元 執(zhí)行元件 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 2 統(tǒng)相對(duì)于化油器優(yōu)點(diǎn)如下： (1)易于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)且起動(dòng)時(shí)間短。 EFI 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)空燃比高精度控制。常見為蝶形閥門，又稱節(jié)氣門。 試驗(yàn)證明，在節(jié)氣門接近全開時(shí)，混合氣流量越大，吸入空氣流脈動(dòng)振動(dòng)振幅及氣流反噴現(xiàn)象也越是增大，因而引起空氣流 量減少，使用化油器發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣變濃。 ETCS為確保車輛行駛的可靠性，節(jié)氣門平衡位置處于一個(gè)微小開度，當(dāng) ETCS出現(xiàn)異?；虿荒芄ぷ鲿r(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍可運(yùn)行。 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) (Electronic Throttle Control System)正是采用電驅(qū)控制，稱為電驅(qū)油門(ThrottlebyWire )。在所找到的對(duì)節(jié)氣門的資料中，多是對(duì)電子節(jié)氣門運(yùn)動(dòng)的控制策略研究上 。 對(duì)于給定電子節(jié)氣門體中，節(jié)氣門在電 機(jī)驅(qū)動(dòng)力、彈簧回復(fù)力及摩擦力 (粘性摩擦力和庫侖摩擦力 )作用下轉(zhuǎn)動(dòng) (其中減速齒輪傳動(dòng)系對(duì)系統(tǒng)的影響不大 )。傳感器數(shù)學(xué)模型如下 : ? ? ? ?ttVVVT PS 121 ?????? ???????????????? 公式（ 25） ?? ??twtwTP SVTP S 2112 ???? 公式（ 26） 電 位計(jì)輸出信號(hào) TPS 的電壓在 伏之間變化，而節(jié)氣門位置相應(yīng)在 0 90 度之間化。 圖 28 靜摩擦和庫倫摩擦 圖 29 靜摩擦、庫倫摩擦和粘滯摩擦 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 8 盡管本系統(tǒng)中受到的摩擦力也十分復(fù)雜，為混合摩擦，根據(jù)其對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì) Stribeck 摩擦及摩擦力的時(shí)間依賴性不用作深入探討，在此加以 忽略。Ф (θ )為與節(jié)氣門角度、節(jié)氣門形狀、當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)等有關(guān)的函數(shù)。0 wKiRiR tra ????? 公式（ 217） 其中： ratRR wKui ?? 39。進(jìn)而可以計(jì)算出粘滯摩擦系數(shù) Kd。系統(tǒng)周期地采集油門踏板角位移傳感器信號(hào)和節(jié)氣門角位移信號(hào)，二者之間存在一個(gè)偏差 e(t)，系統(tǒng)根據(jù)偏差 e(t)，通過 PID 控制算法調(diào)節(jié)占空比驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確程制。直至系統(tǒng)有 良好的動(dòng)態(tài)性能，且靜差得到消除為止。 模糊 PID 控制仿真分析 傳統(tǒng) PID 控制和模糊 PID 控制效果進(jìn)行 仿真對(duì)比。首先置 Td 為 0 逐步增大 Td，同時(shí)也反復(fù)改變 Kp 和 Ti三個(gè)參數(shù)反復(fù)調(diào)整，最后得到一組滿意的參數(shù)。為了減小單片機(jī)運(yùn)算量提高運(yùn)算速度，通常放大 2n整數(shù)倍的方法確定這些參數(shù)，在運(yùn)算中再除以 2n的整數(shù)倍。上式中參數(shù) U。它與這些部分的密度，幾何形狀及傳動(dòng)比有關(guān) 。由于本論文中進(jìn)行的是硬件仿 真試驗(yàn)，節(jié)氣門并沒有受到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氣流的沖擊，所以在設(shè)計(jì)中和試驗(yàn)中都忽略了其影響。它的的主要優(yōu)點(diǎn)有 :體積小，傳動(dòng)效率高，工作可靠，壽命長，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊。 彈簧扭矩分析 彈簧作用示意見圖 24 所示，節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)分別受到兩個(gè)扭矩彈簧單獨(dú)作用。 圖 24 節(jié)氣門體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意 進(jìn)氣流量分析 據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程，得進(jìn)氣流量 : ?? /ACM? 公式（ 21） 假定比熱為定值，流動(dòng)過程可逆，根據(jù)能量守恒，又因?yàn)闅怏w流動(dòng)視可以為絕熱過程，由 C/2=△h=Cp△ T,則有 : kx VPVP 1100 ? 公式（ 22） 所以可以得出： 當(dāng)101 12 ??????? ?? KKKPP 時(shí)，為亞臨界流動(dòng)： ? ?? ?? ? 112co s141210110100212 1???????????????????????????????????????????????KPPKPPRTpDKMKKKKK???公式 (23) 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 6 當(dāng)101 12 ??????? ?? KKKPP 為超臨界流動(dòng)： ??? ? ? ?12 1002 12cos14 ????????? ????????? KKkkRTpDM ??? 公式 (24) 實(shí)際流量與理論流量的差異，可以由流量系數(shù)來補(bǔ)償。 本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù) PID 控制 算法，設(shè)立了數(shù)字 PID控制器 。隨電子技術(shù)的快速進(jìn)步，傳統(tǒng)機(jī)械控制、液壓控制技術(shù)相對(duì)來說，都比不上電子控制快速與精準(zhǔn)，在配合上就會(huì)有些滯后，造成反應(yīng)不夠迅速與直接 。 課題的提出及主要內(nèi)容 汽車工業(yè)作為我國重點(diǎn)發(fā)展支柱產(chǎn)業(yè)之一，掌握先進(jìn)汽車電子控制技術(shù)，提高汽車性能勢(shì)在必行。 f 通 道 斷 面 θ 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 3 電子節(jié)氣門的優(yōu)點(diǎn) 電子節(jié)氣門控制的優(yōu)點(diǎn)可以概括為： (1)節(jié)氣門開度的精確控制。隨著節(jié)氣門逐漸開大，進(jìn)氣通道面積增大，空氣進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣量逐漸增大。下坡時(shí)可以完全不噴油，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣壓縮，所以降低燃油消耗量了。 (2)動(dòng)力性強(qiáng)。由于機(jī)械控制系統(tǒng)特性限制，使用傳統(tǒng)辦法已經(jīng)不能使汽車性能得到明顯的改善和提高。 最后是對(duì)課題內(nèi)容的總結(jié)。 電子節(jié)氣門控制是汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)中的一部分，它對(duì)于汽車的功率和駕駛控制有著非常重要的作用。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。 2. 國內(nèi)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)近年來在捷達(dá)、寶來、波羅等轎車上廣泛采用了引進(jìn)的電子節(jié)氣門。駕駛模式選擇 (正常模式，動(dòng)力模式，雪地模式 )。電子節(jié)氣門作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制系統(tǒng)的下一代產(chǎn)品，國外的研究試驗(yàn)得到大力發(fā)展，并口趨成熟。傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)氣門面臨著被電子節(jié)氣門所取代的趨勢(shì)。 2020 年 3 月 2 日 — 3 月 31 日，完成畢業(yè)論文雛形，并定期向指導(dǎo)教師匯報(bào)進(jìn)度，聽取指導(dǎo)教師的意見和指導(dǎo)。使之研究進(jìn)一步完善和理化。與第一代系統(tǒng)不同，第二代 ETC 的處理器集成十發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 中，并采用一個(gè)單獨(dú)的微處理器監(jiān)測(cè) ETC 主要輸入信號(hào)及主 ECU 是否正常工作。 二、汽車電子節(jié)氣門的研究現(xiàn)狀： 電子節(jié)氣門的研究工作起源于 20 世紀(jì) 70 年代， 80 年代開始有產(chǎn)品問世，近 10 年來，國外對(duì)電子節(jié)氣門的研究取得了非常 迅速的發(fā)展。 研究意義：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門具有更高的可靠性，電子節(jié)氣門可以更好的控制進(jìn)氣，達(dá)到減少排放減少能源消耗等作用，在相同的能源下達(dá)到最佳的動(dòng)力效果，并且電子節(jié)氣門系統(tǒng)可以分析駕駛者的動(dòng)作及解析其意圖，來產(chǎn)生最佳的操控及穩(wěn)定性，減少冷車市的廢氣排放，給你更舒適的駕駛感覺。比如德國 Bosch， Pierburg，美國 Delphi， Visteon，日本 Toyota， Hitachi， Denso，意大利 Marelli等已推出系列化產(chǎn)品應(yīng)用于各種品牌的中高檔轎車。深入的研究電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)，利用 Protel設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路原理圖和印制電路板 PCB 圖。 2020 年 1 月 21 日 — 3 月 1 日，對(duì)電子節(jié)氣門的研究，在假期內(nèi)利用電子郵件等方式與指導(dǎo)教師溝通，修改計(jì)劃和論文方案。由于ETCS的優(yōu)越性 , 世界上越來越多的大型汽車制造公司開始采用 ETCS。 1. 國外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門的研究現(xiàn)狀 電子節(jié)氣門在國外發(fā)展較早，已有 20多年的歷史，產(chǎn)品已大規(guī)模投入市場。第二代電子節(jié)氣門集成了幾項(xiàng)獨(dú)特 的駕駛性能，如改變車輛對(duì)加速踏板響應(yīng)的靈敏度 。英飛凌 (Infineon)開發(fā)出了一種電子節(jié)氣門，采用非接觸型節(jié)氣門位置傳感器，并進(jìn)一步將節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)芯片華成干節(jié)氣門體內(nèi)。在該控制系統(tǒng)硬件電路中，需要單片機(jī)產(chǎn)生兩路 PWM 分別控制 MC33186 的 IN1 和 IN2，以分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。電傳線驅(qū)技術(shù)則是其最主要的方向之一。 再次對(duì)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的功能分析，對(duì)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的硬件電路包括控制芯片模塊、輸入模塊、輸出模塊和通信模塊進(jìn)行了詳細(xì) 的闡述，并設(shè)計(jì)了基于磁阻傳感器的角位移測(cè)量系統(tǒng)。汽車制造商不得不改進(jìn)制造技術(shù)，開發(fā)新材料等，來減緩這些問題。系統(tǒng)設(shè)有冷起動(dòng)噴油器，故可改善低溫起動(dòng)性能。因?yàn)槠褪窃谝欢▔毫ο聡姵?，燃油霧化品質(zhì)好，且噴油量是精確控制的，混合氣空燃比為最佳值且各缸分配均勻 。從化油器到電噴系統(tǒng)得描述如下 : 當(dāng)節(jié)氣門在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，進(jìn)氣腔道不通，發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)氣，也不工作。節(jié)氣門部分開啟時(shí) (以節(jié)流狀態(tài)工作 )，由于蝶形閥阻抗特性，混合氣有較大的偏流現(xiàn)象，這將造成多缸汽油機(jī)各缸混合氣分配不均，工作程度不同，這是化油器供油系統(tǒng)被取代的重要原因。有的 ETCS則提供了一個(gè)雙重操縱系統(tǒng)，在此情況下系統(tǒng)可被切斷，仍由加速踏板緩慢操縱汽車行駛。老式汽車節(jié)氣門控制，是在踏下加速踏板之后，經(jīng)由連桿拉動(dòng)鋼纜而控制節(jié)流閥，腳踩得愈深，鋼纜拉動(dòng)的幅度愈大，節(jié)氣門開 啟的角度也就愈大，進(jìn)氣愈多、噴油量也就跟著增多，加速就會(huì)增快。根據(jù)不同的控制理論及算法，得到了不同的控制方法。為便于分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將系統(tǒng)各部分簡化，可得如圖 24 所示模型 : 節(jié)氣門在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，受到彈簧回位轉(zhuǎn)矩、阻尼力矩、粘性摩擦力矩、電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩及進(jìn)氣擾流產(chǎn)生的不平衡力矩的作用，存在不確定非線性因素的影響。其中一傳感器信號(hào) TPS，電壓隨角度增大而從 到 伏，而另一傳感器信號(hào) TPS2 電壓則相反， 從 到中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 7 伏變化，但任何時(shí)候，兩者之和總等于傳感器加載電壓 5 伏，這就便于兩傳感器信號(hào)之間的相互監(jiān)測(cè)。 采用經(jīng)典的“靜摩擦 +庫侖摩擦 +粘滯摩擦”模型，可得 : ? ?0,0,sin0,sin?????????wFFFFwFFFFFwwKwKFseeKxeeSKfdK 公式 (210) 齒輪傳動(dòng)及齒隙影響 節(jié)氣門體中的動(dòng)力傳動(dòng)采用閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤滑和較好的嚙合精度?？刹捎煤瘮?shù)擬合方法得到。 公式（ 218） 故得：wKw g? 由式 221，忽略進(jìn)氣流動(dòng)的影響，有 : ? ? ? ? ??? ?JwKwKKKiKw fdst /si nsi n00 ???????? ???? 公式（ 219） 故：? ? ? ?00 sinsin ?? ????? fd KwKw 上式中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 包括節(jié)氣門，齒輪傳動(dòng)部分，和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 結(jié)合資料可知有以下數(shù)據(jù)： 表 22 系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)表 系統(tǒng)參數(shù) 計(jì)算值 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 2m? 彈簧系數(shù) *m/rad 彈簧扭矩補(bǔ)償系數(shù) *m 庫倫抹茶系數(shù) *m 粘性抹茶系數(shù) *m*s/rad 電極常 數(shù) *m/A 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 11 3 ETC 系統(tǒng)控制策略的研究與實(shí)現(xiàn) 數(shù)字 PID 控制算法介紹 PID 控制系統(tǒng)原理如圖 31 所示 圖 31 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 在采樣時(shí)刻 t=iT，可得數(shù)字 PID 控制算法如下 : ? ? 0111ueeTTdeTTeKu iiioj jii ??????? ??? ??? 公式（ 31） 數(shù)字 PID 控制算法按數(shù)值逼近原理近似計(jì)算，只要采樣周期 T 足夠小，就可以計(jì)算得相當(dāng)精確，使被控過程與連續(xù)過程十分地接近。 PID的三個(gè)基本參數(shù) Kp, Ti, Td在工程上一般通過湊試法或通過實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式來確定。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)論文 12 (3)若經(jīng)反復(fù)調(diào)整，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程仍不滿意，可加入微分環(huán)節(jié)。節(jié)氣門體直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型選取具有兩個(gè)