汽车发动机油门控制系统的开发

电子控制

汽车发动机油门控制系统的开发

陈培红1,田 颖2,聂圣芳1,卢青春1

(1.清华大学汽车工程系,北京 100084; 2.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044) 摘要:开发了基于摩托罗拉16位单片机M C9S12DP256B 的汽车发动机油门控制系统,介绍了单片机核心控制电路、力矩电机驱动电路及控制算法设计,该系统已应用到电涡流测功机控制器中,实现了对发动机油门位置的控制。试验证明,该系统运行稳定、可靠,控制效果良好。 关键词:汽车发动机;油门控制;控制电路;单片机

中图分类号:T K421 文献标志码:B 文章编号:1001-2222(2006)05-0045-03

油门执行器主要由直流力矩电机和拉线机构构成,汽车发动机台架油门执行器内部安装与电机旋转方向相反的拉力弹簧,控制系统通过功率驱动电路调节电机线圈中电流大小来调节其输出力矩,不同的输出力矩可以通过与其内部拉力弹簧反力矩相平衡而稳定在任意恒定位置。油门执行器与发动机油门相连来控制其油门位置,发动机在不同的油门位置时发出的功率不同,直接影响着发动机扭矩和转速输出,对于发动机转速调节是一个相当重要的环节,油门执行器恒定位置控制需要有很好的稳态和动态调节特性。

1 油门控制系统

直流力矩电机的基本工作原理和普通直流电机相同,只是在结构和外形尺寸比例上有所不同。从直流电机基本工作原理可知,设直流电机每个磁极下磁感应强度平均值为B ,电枢绕组导体上的电流为I a ,导体的有效长度(即电枢铁心的厚度)为L ,则每根导体所受的电磁力为F =B I a L ,则电磁转矩为 T =N F

D 2=(B N L D)I a

2

,(1)

式中,N 为电枢绕组总匝数;D 为电枢铁心直径。

由式(1)可知,一台成品力矩电机的B,N,L ,D 都是固定不变的。由于电磁转矩和I a 成正比,而I a 又和加在电枢绕组导体上的电压有效值成正比,所以,电磁转矩和加在电枢绕组导体上的电压有效值也成正比[1]。本研究所述的闭环控制,主要是控制电枢绕组导体上的电压有效值。

图1示出油门闭环控制系统框图。主要由功率MOSFIT 主回路、MOSFIT 控制电路、单片机核心电路、滤波电路、油门给定电路、位置检测及调理电路组

成。

图1 油门闭环控制系统框图

2 硬件及控制算法设计

2.1 单片机核心控制电路

单片机核心控制电路主要由16位单片机MC9S12DP256及12位A/D 转换芯片MAX180组成。M C9S12DP256的主频高达25MH z,片上还集成了许多标准模块,片内拥有12kB 的RAM,4kB

收稿日期:2006-04-29;修回日期:2006-08-16

作者简介:陈培红(1965 ),女,山西省定襄县人,工程师,主要从事汽车电子产品的研发工作.

第5期(总第165期)2006年10月 车 用 发 动 机VEHICL E ENGIN E

N o.5(Serial N o.165)

Oct.2006

的EEPROM,256kB 的FlashEEPROM 。采用外扩12位A/D 芯片MAX180电路来提高系统模拟信号的测

量精度。单片机核心控制电路见图2

。

图2 单片机核心控制电路

油门位置反馈信号从MAX180的AN0引脚输入,经MAX180转换成数字量由单片机读取。单片机与MAX180采用数字I/O 口直接扩展的方式连接;其中,单片机A 口低4位和B 口与MAX180数据线相连;K 口分别对MAX180读/写/片选线及通道选择控制线进行操作;MAX180的Busy

引脚与单片机PJ1相连;J 口具有外部中断功能,可以用中断方式进行A/D 转换。为了防止驱动电路对单片机的干扰,PWM0输出采用光耦隔离后输送到EXB841的输入端口用来控制油门开度的大小。2.2 力矩电机驱动电路

功率M OSFET 驱动电路的设计主要包括栅极驱动电路和保护电路两部分。驱动电路的设计好坏直接决定了系统对执行机构的驱动品质,同时由于电流比较大,需要保护可靠,应尽量减少对控制部分弱电电路的干扰。

力矩电机驱动电路功率器件采用IRFP460功率MOSFET 芯片,驱动电路以IGBT 及功率MOSFET 驱动保护集成模块EXB841为核心进行设计。EXB841模块输入信号经内部光电隔离,有过流保护电路和过流保护输出端,可单电源供电,内部提供栅源电压自举电路,最大延时为1.5 s;其主要缺点是过流保护盲区较大,且无过流保护自锁功能,在发生过流保护时,自身只是在当前脉冲软关断,而不是关闭。

力矩电机驱动保护电路见图3。EXB841可直接驱动高位开关,负载与功率MOSFET 之间采用高位开关方式连接。漏源过电压保护系统采用负载钳位和R C 吸收电路相结合的方式。图3中DZ

为

图3 力矩电机驱动电路

快速恢复二极管,在IRFP460关断时给感性负载提供放电回路;电阻RZ 1和电容C Z 共同组成RC 吸收电路,可以吸收IRFP460漏源两极间的瞬时电压尖峰;这两个电路的结合应用,基本消除了漏源电压尖峰,

很好地保护了功率MOSFET 器件。

考虑到EXB841存在保护盲区,将EXB841的6脚接导通压降大一点的超快速恢复二极管,并串联一个稳压二极管,这样可使实际过载电流小于MOS -FET 的极限过载电流;EXB841的6脚通过DWK 和DK 接到IRFP460的漏极,以检测V ds 的高低来判断是否发生短路;若发生短路,通过内部电路使EXB841的3脚电压逐步下降,关断IRFP460;当14脚和15脚输入为开通信号时,两脚有10mA

46 车 用 发 动 机 2006年第5期

电流流过,其内部光耦导通,从而使3脚输出为+15V 的驱动电压;通过电阻RZ 2对IRFP460的栅极和源极等效电容进行充电,保证开通信号具有较好的前沿陡度[2]。

为了防止栅源两极瞬态电压过大,影响驱动效果,在栅源两极之间加入了阻尼电阻RZ 2。对栅极驱动电阻进行改造,在线路电阻的基础上加入电阻RK 2,此电阻数值需要在系统运行状态下通过试验进行调试,在开关速度与栅极驱动效果间折衷。由于EXB841无过流保护自锁功能,设计中添加了过流信号锁定电路,通过锁定信号对继电器进行控制,在过流发生时直接断开主回路供电。

2.3 油门位置PID 控制

油门位置反馈闭环为一阶惯性加纯滞后环节,传递环节较少,响应时间较短,采用增量式PID 控制,算法见式(2)

u =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 分别为比例、积分和微分放大系数,u(k)表示第k 个采样时刻的控制量,e(k)表示第k 个采样时刻的航向输入偏差。

首先通过电磁时间常数确定系统控制输出时间,然后进行PID 参数的整定。整定时采用临界比

例法,即先令积分系数K i 为0,调整比例系数K p ,K p 逐渐增大,直到系统发生振荡后再稍微减小K p 值,然后再适当调节K i ,使系统无静差。之后再根据位置设定值与实际值的偏差e(k)进行分段控制,分段策略为e(k)较大时采用正常PI 参数,e(k)很小时尽量增大K p 与K i 的数值,只要保证大阶跃调整时不发生振荡即可[3]

。

3 闭环系统控制效果

本系统对北汽福田492汽油机、南峰CW-160电涡流测功机及油门执行器组成的试验系统进行控制。转速2800r/min,扭矩120N m,油门开度由0阶跃到70%的控制阶跃曲线见图4,该条件下的油门位置控制数据见表1。通过大量试验表明,油门位置调节时间小于1s ,稳态控制精度优于 0.3%FS

。

图4 油门位置控制阶跃曲线

表1 油门位置控制效果

对比值油门开度/%设定值10.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0实际值

10.1

20.1

30.0

39.8

50.0

60.2

69.9

79.8

90.1

99.8

4 结束语

基于16位单片机M C9S12DP256B 的汽车发动机油门闭环控制系统,不仅驱动与保护效果良好,而且控制精度高,更主要的是实用性强。只改变主回路供电电源的电压和功率,该系统就可以应用到需要较大功率的控制系统中。

参考文献:

[1] 程 明,林明耀,张润和,等.微特电机及系统[M ].北

京:中国电力出版社,2004

[2] 田 颖,陈培红,聂圣芳,等.功率M OSFET 驱动保护电

路设计与应用[J].电力电子技术,2005(1):73-74,80 [3] 田颖,曾贤波,卢青春.电涡流测功机控制器控制算法

研究[J].内燃机工程,2005(6):58-60

Development of Throttle Control System for Automobile Engine

CH 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 ineer ing,Beijing Jiao tong U niversit y,Beijing 100044,China)

Abstract: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-l

r 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 operatio n is steady and cr edible,the contro l effect has been pr oved actually.

Key words:auto mobile eng ine;thro ttle contr ol;contro l cir cuit;sing le chip m icroco mputer

[编辑:张玉花]

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