【正文】 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 30 關(guān)中斷當(dāng)前輸出為 1？下次中斷輸出為 0裝入高電平時(shí)開(kāi)中斷返回下次中斷輸出為 1裝入低電平時(shí)YN開(kāi)始 開(kāi)始關(guān)中斷開(kāi)中斷調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序
。若當(dāng)前輸出為低電平則相反。當(dāng) PWM中斷時(shí)首先要關(guān)閉中斷，以避免其他中斷的影響。系統(tǒng)采用的 PWM 周期為 1ms，脈寬由控制量確定?？刂栖浖墓ぷ餮h(huán)部分包括信號(hào)的采集、傳感器的故障判斷、電子節(jié)氣門(mén)角度和踏板角度計(jì)算，根據(jù)控制算法計(jì)算控制量以及串行通信等 [18]。其整體流程如圖 52 所示。系統(tǒng)程序的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件的總體功能分析電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)中要求節(jié)氣門(mén)閥具有較快的響應(yīng)性、良好的穩(wěn)定性和良好的位置跟隨性。采用不可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)只能單向驅(qū)動(dòng)。并設(shè)計(jì)電源管理電路、串行通信電路、功率驅(qū)動(dòng)電路等，并分析了 PWM 方式控制直流電機(jī)的原理。MOTOROLA33886 芯片 ININ2 引腳分別與控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的邏輯電路相連，由其改變兩路 PWM 為一路 PWM 與一路方向位，以上兩電路分別由電源管理芯片提供 12V 和 5V 電源。為了解決兩路 PWM 輸入和方向控制問(wèn)題，采用與門(mén) CD4049UB 和三極管設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)電路，如圖 所示。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)。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。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(dòng)電路對(duì)電子節(jié)氣門(mén)進(jìn)行了控制，如圖 所示。將 MC33886 的輸入端接到 DG128 的 PWM 輸出口，第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 在其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(dòng)直流電機(jī)的PWM 信號(hào)。C 之間，工作電壓在 5V 到28V 之間，完全能夠勝任汽車(chē)環(huán)境中的工作。其工作環(huán)境溫度變化范圍在40176。MC33886 持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)到第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 5A，驅(qū)動(dòng)的最高頻率可以達(dá)到 30KHz。因此采用 H 橋驅(qū)動(dòng)電路可以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。同一組的開(kāi)關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。(1) H 橋驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)不可避免會(huì)以正、反轉(zhuǎn)的狀態(tài)工作，這時(shí)需要使用 H 型 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文應(yīng)用 H 橋驅(qū)動(dòng)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)。第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:Vdd13WD0GB28 INTB5CSB27 MOSI26MISO25 SCLK24RX1 TX2GND6 GND7GND8Vsup 12HS1 13GND 23GND 22GND 21GND 20GND 9L1 15L0 14L2 16CANL 18CANL 19L3 17V210V2ctrl11RESET4MC33989R20GNDRESET(12)IOC3/PT3(10)IOC1/PT1(94)PS5/MOSI(93)PS4/MISO(96)PS6/SCLK0GNDC247uFC6106 C447uF T1 TIP32C_1R32K2++圖 44 MC33989 供電示意圖通過(guò) MC9S12DG128 的 SPI 模塊啟動(dòng) MC33989，該芯片的啟動(dòng)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(jiǎn)單。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。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:R1 OUT 12R2 OUT 9T1 OUT 14T2 OUT 7C2+ 4C2 5R1 IN13 R2 IN8T1 IN11 T2 IN10C13 C1+1V+2V6VCC16GND15VCCC17C18VCCCOMRxTXD0RXD0COM TxC19C7U5MAX232CPE(16) 162738495J9DB9?COM TxCOM Tx圖 43 串口通信模塊電路 電源管理模塊的設(shè)計(jì)在電路中，除了蓄電池的 12V 電壓直接為驅(qū)動(dòng)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。在電路設(shè)計(jì)中，使用了符合RS232 通信標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)電路 MAX233AEWP 芯片進(jìn)行串行通信。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(guò) 9 芯串行口 J3 和 PC 進(jìn)行串口通信。手動(dòng)復(fù)位按鈕在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)非常有用 [16]。復(fù)位電路中使用了低電壓芯片 MC34064。(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。C 的惡劣環(huán)境下工作，MC9S12 系列是專(zhuān)為汽車(chē)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。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。整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖 所示。電源管理模塊采用 MC33989 芯片，可以通過(guò)軟件開(kāi)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。第 3 章 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 20 表 電子節(jié)氣門(mén)體參數(shù)參數(shù)(單位) 數(shù)值 參數(shù)(單位) 數(shù)值電機(jī)扭矩系數(shù) 7 電機(jī)電感 ??/tKNcmA? ??aLH電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 齒輪減速比 20bVsrad12N?電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)阻尼 ? ??/mBsrd節(jié)氣門(mén)片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)電阻 ??mgKaR?復(fù)位彈簧扭矩系數(shù) 跛行功能角 /spNrad? ??0r?/20?粘性摩擦系數(shù) 庫(kù)侖摩擦系數(shù) ??d ?fKN?36e? 本章小結(jié)本章在對(duì) SIMENS VDO 電子節(jié)氣門(mén)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(mén)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，標(biāo)定了電子節(jié)氣門(mén)體的物理參數(shù)。節(jié)氣門(mén)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如滑動(dòng)摩擦系數(shù)和電機(jī)的扭矩系數(shù)，需要通過(guò)動(dòng)態(tài)特性獲得。節(jié)氣門(mén)的靜態(tài)參數(shù)，如電阻、電感等，比較容易獲得，可用儀表直接測(cè)量。節(jié)氣門(mén)位置傳感器的數(shù)學(xué)方程 [15]： (319)????1 1/2refrefTPSrefVVt tn?????????????? (320)??212SrefTPSttt式(319)和式(320)中， 和 分別為節(jié)氣門(mén)位置傳感器 1 和節(jié)氣門(mén)??1TP2V位置傳感器 2 的輸出信號(hào)電壓(V)； 和 分別為節(jié)氣門(mén)位置傳感器 1 和1nt??2t節(jié)氣門(mén)位置傳感器 2 受到的干擾信號(hào)(V)； 為節(jié)氣門(mén)位置傳感器的電源電壓ref(V)； 為節(jié)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)節(jié)氣門(mén)位置傳感器 1 相對(duì) 的輸出比值； 為節(jié)?refV?氣門(mén)全開(kāi)時(shí)節(jié)氣門(mén)位置傳感器 2 相對(duì) 的輸出比值。該電第 3 章 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 19 壓信號(hào)在 與 之間線性變化。LTN?以節(jié)氣門(mén)軸為參考點(diǎn)，根據(jù)牛頓第二定律，有 (316)2gspDfairflowgdJTTt???式(316)中， 為節(jié)氣門(mén)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量( )； 為節(jié)氣門(mén)的轉(zhuǎn)角 (rad)； 為雙gJ2kgm??gT級(jí)減速齒輪傳遞到節(jié)氣門(mén)軸上的驅(qū)動(dòng)扭矩( )； 為彈簧產(chǎn)生的扭矩( )；NspNm?為進(jìn)氣流作用在節(jié)氣門(mén)上產(chǎn)生的扭矩( )。m)； 為電機(jī)的扭矩系數(shù) ( )。aRit根據(jù)電磁感應(yīng)定律，有 (312)????mbdtetk??式(312)中, 為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)( )； 為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度(rad)。電樞線圈可等效為電阻 Ra 和電感 La，如圖 37 所示。這些部分綜合起來(lái)構(gòu)成完整的電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)模型。表 氣流扭矩多項(xiàng)式系數(shù) p1 p2 p3 p4 p5 p6 第 3 章 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 17 圖 34 電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度—扭矩系數(shù)曲線示意圖 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型節(jié)氣門(mén)體數(shù)學(xué)模型主要由兩部分組成：描述直流電機(jī)電器特性的微分方程和描述節(jié)氣門(mén)體機(jī)械特性的微分方程。mJV/s將圖(34)中的數(shù)據(jù)代入式(39) ，通過(guò)簡(jiǎn)單的氣流流動(dòng)分析理論做一個(gè)的估計(jì)，假如是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，氣流充滿(mǎn)缸體，令 =( )， =( )，?3/kg=( )，Vj=20( )，代入式(39) ，可以計(jì)算氣流隨節(jié)氣門(mén)開(kāi)度不同所?/s產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)扭矩 [14]。第 3 章 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 16 針對(duì)電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的變化量，PARK 提出了一種預(yù)先計(jì)算的扭矩系數(shù)曲線，如圖 34 所示。本文決定采用此方案。m2/Ntm2/N考慮到電子節(jié)氣門(mén)控制試驗(yàn)中，無(wú)法模擬進(jìn)氣氣流沖擊節(jié)氣門(mén)片，則必須找到一種替代方案。 節(jié)氣門(mén)閥片氣流沖擊特性進(jìn)氣氣流作用在節(jié)氣門(mén)上產(chǎn)生較小的力矩，節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度不同，引起氣流撓動(dòng)，其產(chǎn)生的力矩不同。粘性摩擦力矩 與節(jié)氣門(mén)閥片的轉(zhuǎn)速dT大小有關(guān)，方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；庫(kù)侖摩擦力矩 則與節(jié)氣門(mén)閥片運(yùn)動(dòng)方向有f關(guān)，方向亦與其相反。本文采用經(jīng)典的“靜摩擦+庫(kù)侖摩擦 +粘滯摩擦 ”模型。第 3 章 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 15 節(jié)氣門(mén)閥片運(yùn)動(dòng)中的非線性節(jié)氣門(mén)閥片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要受到摩擦阻力矩的作用。 ??0 xy圖 傳動(dòng)齒輪齒隙特性圖電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 和節(jié)氣門(mén)輸入轉(zhuǎn)矩 之間的關(guān)系如下：xy (33)??,fx??由于新的電子節(jié)氣門(mén)體齒輪磨損非常小，所以本文建模時(shí)沒(méi)有考慮。假設(shè)?主動(dòng)輪齒的初始位置在兩從動(dòng)輪齒的中間位置，那么當(dāng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)過(guò) 以后，?從動(dòng)軸才會(huì)跟著主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；反向時(shí)主動(dòng)軸先要空轉(zhuǎn) 2 的距離，從動(dòng)軸才會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。為采取措施減小影響，有必要仔細(xì)分析齒輪間隙造成的滯后擾動(dòng)。齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤(rùn)滑和較好的嚙合精度。設(shè)節(jié)氣門(mén)靜態(tài)位置的轉(zhuǎn)角為 ，當(dāng)其轉(zhuǎn)角為 時(shí)，需要克服的靜態(tài)位置力0??矩為 (31)opencloseDT?總的彈簧力矩為： (32)????00gsp?????式(31)和式(32)中， 為“跛行”功能角， 為彈簧的復(fù)位彈力， 為非線0?spTD性扭轉(zhuǎn)彈簧的增益。通過(guò)對(duì)該彈簧的調(diào)整，第 3 章 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)非線性分析及數(shù)學(xué)建模 13 還可以調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)初始開(kāi)度，使節(jié)氣門(mén)即使處于最低開(kāi)度也能提供一定的空氣流量，實(shí)現(xiàn)怠速控制。復(fù)位彈簧扭矩是電子節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要負(fù)載，這就要求電機(jī)扭矩能與之對(duì)應(yīng)。因而復(fù)位彈簧是電子節(jié)氣門(mén)引入的機(jī)械保護(hù)裝置，其扭矩特性示意圖如圖 所示，在靜態(tài)位置前后的開(kāi)度范圍，復(fù)位彈簧的扭矩方向改變；且怠速時(shí)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度小于節(jié)氣門(mén)的靜態(tài)開(kāi)度。的位置，這個(gè)位置即是“Limp Home”（跛行回家）位置。在 4 種非線性因素中，影響最大的是彈簧非線性，其次是氣流的沖擊特性，所以電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)具有時(shí)變性、時(shí)滯性、不確定性等特點(diǎn)，是一個(gè)變參數(shù)的非線性系統(tǒng)。(3) 齒隙非線性，齒輪減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞到節(jié)氣門(mén)閥片，齒輪間存在嚙合間隙。本文以 SIMENS VDO 第 6 代 L06AG 型電子節(jié)氣門(mén)為例進(jìn)行分析，其有 4 類(lèi)非線性因素，分別是 [10]：(1) 節(jié)氣門(mén)閥片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)同時(shí)受到庫(kù)倫+ 粘滑摩擦的作用，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中造成摩擦力變化不穩(wěn)定。 本章小結(jié)本章首先介紹了機(jī)械式節(jié)氣門(mén)結(jié)構(gòu)、工作原理及缺點(diǎn)，重點(diǎn)敘述了電子節(jié)氣門(mén)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)對(duì)節(jié)氣門(mén)位置傳感器和加速踏板位置傳感器進(jìn)行了標(biāo)定；最后又詳述了電子節(jié)氣門(mén)的控制功能。(4) 定速巡航控制功能巡航控制系統(tǒng)又稱(chēng)為速度控制