【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論。文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式節(jié)氣門，電子節(jié)氣門系統(tǒng)能根據(jù)駕駛員的。等電子控制功能的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，從而提高安全性和乘坐舒適性。本文對電子節(jié)氣門系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開發(fā)，為電子節(jié)氣門在混合動力轎。車上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。電子節(jié)氣門的關(guān)鍵參數(shù)，建立了電子節(jié)氣門系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。為了對系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和故障報(bào)警，以及在控。發(fā)的模糊PID復(fù)合控制器能夠完成電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制功能要求。

　　

【正文】 節(jié)氣門片轉(zhuǎn)動慣量 ? ?2mgJ K m? 電機(jī)電阻 ? ?aR? 復(fù)位彈簧扭矩系數(shù) ? ?/spK N m rad? 跛行功能角 ? ?0 rad? /20? 粘性摩擦系數(shù) ? ?/dK N m s rad?? ? 庫侖摩擦系數(shù) ? ?fK N m? 36e? 本章小結(jié) 本章在對 SIMENS VDO 電子節(jié)氣門體進(jìn)行非線性分析的基礎(chǔ)上，充分考慮了復(fù)位彈簧的非線性和氣流的沖擊特性，建立了電子節(jié)氣門系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，標(biāo)定了電子節(jié)氣門體的物理參數(shù)。 第 4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ETC 控制單元采用了飛思卡爾公司 MC9S12DG128 單片機(jī)作為主控芯片。電源管理模塊采用 MC33989 芯片，可以通過軟件開啟該芯片的雙電源大功率供電功能，同時(shí)給單片機(jī)和傳感器提供不同的電壓。 H 橋驅(qū)動電 路選用 Freescale公司推出的專門用于電機(jī)控制的集成芯片 MC33886。整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖 所示。 圖 41 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構(gòu)成 硬件電路設(shè)計(jì) ECU 的設(shè)計(jì) (1) 主控制模塊選型 本 設(shè)計(jì) 選擇了 Freescale 公司 16 位控制器 MC9S12DG128。它具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算處理能力并支持復(fù)雜的算法，能在 45176。 C～ 125176。 C 的惡劣環(huán)境下工作，MC9S12 系列是專為汽車電子、航空航天、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì) 的芯片。 MC9S12DG128 是 MC9S12 體系中的一員，它的主要功能模塊如下： MC33989 MC33886 電源 節(jié)氣門位置 傳感器 加速踏板位置傳感器 直流電機(jī) PC BDM MC9S12DG128 第 4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 22 1) 增強(qiáng)型 16 位 HCS12CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá) 25MHz； 2) 片內(nèi)資源： 8K RAM、 125K Flash、 2K EEPROM； 3) 串行接口模塊： SCI、 SPI、 PWM； 4) 脈寬調(diào)制模塊可設(shè)置成 4 路 8 位或 2 路 16 位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬 ； 5) 兩個(gè) 8 位 10 路精度 A/D 轉(zhuǎn)換器； 6) 增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器； 7) 控制器模塊； 8) 背景調(diào)試模塊 （ BDM）； 9) 具有模糊推理機(jī)，很適合本文提出 的模糊 PID 復(fù)合控制策略。 (2) BDM 接口及復(fù)位電路的設(shè)計(jì) BDM 接口是接 BDM調(diào)試工具的，接口電路具體如圖 所示。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。復(fù)位電路中使用了低電壓芯片 MC34064。使用專門的上電復(fù)位電路使系統(tǒng)上電復(fù)位更加可靠，也可用一只 的電容代替電路中的 MC34064。手動復(fù)位按鈕在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)非常有用 [16]。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 27 M a y 20 11 S he e t of F i l e : E : \下載 \ E x a m pl e s \ X i l i nx X A C T \ M yD e s i gn .dd b D r a w n B y :321U1M C 34 06 4531642B K G DB D M NH E A D E R 3X 2642135P T 7B D M O U TH E A D E R 3X 2V C CV C CV C CR44K 7R510 0 KV C CR E S E T nP T 6D11N 41 4 8S1S W P B 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) 通過串口驅(qū)動電路中的 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。 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn) TTL 電平與 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過 9 芯串行口 J3 和 PC 進(jìn)行串口通信。 MC9S12DG128 單片機(jī)有兩個(gè)串口通信模塊，這里只引出了一個(gè)。在電路設(shè)計(jì)中，使用了符合 RS232通信標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動電路 MAX233AEWP 芯片進(jìn)行串行通信。 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。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 27 M a y 20 11 S he e t of F i l e : E : \下載 \ E x a m pl e s \ X i l i nx X A C T \ M yD e s i gn .dd b D r a w n B y :R 1 O U T12R 2 O U T 9T 1 O U T 14T 2 O U T7C 2+4C 25R 1 I N13R 2 I N8T 1 I N11T 2 I N10C 13C 1+1V+2V6VCC16GND15V C CC 17 uFC 18 uFV C CC O M R xT X D 0R X D 0C O M T xC 19 uFC7 uFU5M A X 23 2C P E ( 16 )C 20 uF162738495J9D B 9J?C O M T xC O M T x 圖 43 串口通信模塊電路 在電路中，除了蓄電池的 12V 電壓直接為驅(qū)動芯片 MC33886 供電外，還使用了 MC33989 電源芯片為傳感器和單片機(jī)供電。 MC33989 的 VDD1 電流在200~350mA 之間，典型值為 280mA。它包括一個(gè)帶復(fù)位功能的電壓監(jiān)視電路，適合為單片機(jī)供電，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。 第 4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 27 M a y 20 11 S he e t of F i l e : E : \下載 \ E x a m pl e s \ X i l i nx X A C T \ M yD e s i gn .dd b D r a w n B y :V dd 13W D 0 G B28I N T B5C S B27M O S I26M I S O25S C L K24RX1TX2GND6GND7GND8V s u p12H S 113GND23GND22GND21GND20GND9L115L014L216C A N L18C A N L19L317V210V2ctrl11R E S E T4M C 33 98 9V210V2ctrl11R20GNDR E S E T( 12 ) I O C 3/ P T 3( 10 ) I O C 1/ P T 1( 94 ) P S 5/ M O S I( 93 ) P S 4/ M I S O( 96 ) P S 6/ S C L K 0GNDC247 u FC6106C3 uFC447 u FT1TIP32C_1R32K 2++ 圖 44 MC33989 供電示意圖 通過 MC9S12DG128 的 SPI 模塊啟動 MC33989，該芯片的啟動使用了MC33989 將單片機(jī)和傳感器電源的分離，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，也使硬件電路變得簡單。 直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)有不可逆和可逆系統(tǒng)之分。本文應(yīng)用 H 橋驅(qū)動芯片 MC33886 設(shè)計(jì)了電機(jī)的不可逆 PWM 控制系統(tǒng)和可逆 PWM 控制系統(tǒng)。首先要了解 H 橋驅(qū)動芯片 MC33886 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。 (1) H 橋驅(qū)動芯片 MC33886 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，直流電動機(jī)不可避免會以正、反轉(zhuǎn)的狀態(tài) 工作，這時(shí)需要使用 H 型 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)。其工作原理如圖 所示： 4 個(gè)開關(guān)管 QQ4 為一組， Q Q3 為另一組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。當(dāng) Q Q4 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； Q Q3 導(dǎo)通時(shí)，電流方向如 B 所示，電機(jī)產(chǎn)生反相扭矩。因此采用 H 橋驅(qū)動電路可以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 試驗(yàn)中采用的 H 橋驅(qū)動芯片為 MC33886，圖 為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，左側(cè)為邏輯控制部分，右側(cè)為功率驅(qū)動部分。 MC33886 持續(xù)驅(qū)動電流可達(dá)到 5A，第 4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 驅(qū)動的最高頻率可以達(dá)到 30KHz。該芯片具有監(jiān)測低壓、短路、溫度過高等功能。其工作環(huán)境溫度變化范圍在 40176。C 到＋ 125176。C 之間，工作電壓在 5V 到 28V之間，完全能夠勝任汽車環(huán)境中的工作。 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， D D2 是 MC33886 的使能端， IN IN2 為輸入端， OUTOUT2 為其輸出端。將 MC33886 的輸入端接到 DG128 的 PWM 輸出口，在其第 4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 輸出端可以得到與單片機(jī) PWM 輸出口相應(yīng)的并可以驅(qū)動直流電機(jī)的 PWM 信號。通過 MC33886 的兩個(gè)輸出端口，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、方向控制及制動等。其邏輯真值表如表 所示 [17]： (2) 直流電機(jī)不可逆 PWM 控制電路 本文首先設(shè)計(jì)了不可逆 PWM 驅(qū)動電路對電子節(jié)氣門進(jìn)行了控制，如圖 所示。 ECU 產(chǎn)生的 PWM5 通過 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 通過改變 PWM5 的占空比就可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。電機(jī)電樞平均電壓與占空比成正比，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。 (3) 直流電機(jī)的可逆 PWM 控制電路 MC33886 芯片可靠性和保護(hù)功能都比較強(qiáng)，但使用時(shí) H 橋驅(qū)動信號需要兩路 PWM 信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，方向位控制也比較麻煩。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 MC33886 的 IN1 和 IN2，以分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。因此，系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制算法保證兩路 PWM 信號的配合，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。為了解決兩路 PWM 輸入和方向控制問題，采用與門 CD4049UB 和三極管設(shè)計(jì)了專門電路，如圖 所示。其中左半部分為控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的邏輯電路原理圖，原先兩路IN IN2 輸入的 PWM 信號經(jīng)由邏輯電路轉(zhuǎn)換為一路方向控制位和一路 PWM輸入，這樣我們就解決了 MC33886 芯片需要兩路 PWM 信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動、方向位控制比較麻煩的問題。 MOTOROLA33886 芯