电子节气门控制系统硬件电路的设计

电子节气门控制系统硬件电路的设计

【摘要】介绍了电子节气门控制系统的基本原理，对控制系统涉及的电源模块、角传感器信号处理、A/D转换、执行控制模块和H桥电动机驱动等部分的电路进行了分析和设计，为电子节气门控制系统总成的设计提供了硬件支持。

【关键词】缸内直喷;电控系统;硬件模块

一、引言

电子节气门控制系统是发动机电子控制系统的重要组成部分，能够显著改善汽车的动力性能、经济性能和安全性能等指标，是汽车电子控制技术发展的重要方向。鉴于当前国内电子节气门控制系统研究和应用的现状，开展电子节气门控制系统的研究与开发具有重要现实意义和应用价值。

电子节气门控制系统根据油门踏板位置传感器和节气门体角位移信号等综合判断发动机实时工况的需求，通过电控单元控制节气门阀的开度，改变进入发动机气缸内的可燃混合气量，使发动机输出整车所需求的功率和转矩。

图1 源稳压电路图

二、电源模块电路设计

电源模块主要为电控单元、传感器和直流电动机提供电源。其中由于传感器电路精度比较高，节气门位置传感器和踏板位置传感器输入的模拟信号供电电压必须非常稳定，否则对踏板位置传感器和节气门位置传感器信号会有很大的扰动，本设计中给传感器单独供电，电控单元5V供电电源与传感器SV供电电源分开。本设计共需两个5V和一个12V直流电源。其中5V电源由两个电压转换器件7805从12V直流电源直接转化得到。

直流电机所需12V直流电源直接从12V蓄电池得到。图1所示为系统采用电源稳压电路图，主要由电源稳压芯片7805组成。

三、角位移信号调理电路

角位移信号调理电路是电控系统的重要组成部分，主要完成信号的跟随和滤波。信号调理可以防止各种干扰信号进入系统，是整个系统抗干扰的重点部分。

电子节气门控制系统信号输入部分包含两路模拟量输入，油门踏板角位移信号和节气门角位移信号。两路传感器信号均为电压信号，其范围为O-5V，数模转换芯片AD7705输入模拟电压范围为0-2.5V，故设计分压电路对传感器信号进

行分压;且由于车辆的工作环境比较恶劣，输入的模拟信号存在干扰，故需对模拟信号进行滤波。油门踏板位置信号调理电路与节气门位置信号调理电路原理相同，其原理图如图2所示。

图2 油门踏板与节气门位置信号调理电路

四、A/D转换电路的设计

本设计采用一片AD780转换器，通过三线制与单片机连接，同时为了保证A/D转换器正常工作和复位，将A/D转换器的复位端子和片选信号端子也接到单片机。在三线制连接方式时，通过采用硬件监控DRDY端子的状态来判断寄存器是否被更新，D即Y端子的输出与通信寄存器的DRDY 位同步，DRDY端子一旦变成低电平，表明数据寄存器的数据已经更新，可以读取。通过将DRDY 输出端子接至单片机的外部中断端子INTI就可以通过硬件监控数据寄存器的更新，通过中断服务函数就可以读取寄存器的数值，也可以通过软件查询的方式来读取数据。若DRDY端子为高电平，则不能读取数据，以免读到不可靠的数据。A/D转换电路的电路图如图3所示。

图3 A/D转换电路

图4 PWM调速控制原理和电源波形图

五、执行控制模块

近年来，随着单片机在控制领域的应用，采用脉宽调制控制直流电机逐渐成为主要的直流电机控制方式。脉宽调试的原理为：将冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果是相同的。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，通过高速PWM信号对半导体开关器件进行不断的导通和关断的控制，同时控制PWM信号的占空比来获得输出大小变化的电压值。图4所示是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理和电压波形。

图5 H桥电动机驱动电路

在图4中，当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端电压为Us。tl秒后栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。（T-tl）秒后，栅极输入电压重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

六、H桥电动机驱动电路

H桥电路中的四个功率MOS管采用N沟道MOS管，N沟道的MOS管具有以下两方面的优点：一方面，N沟道的MOS管载流子的迁移率较高，频率响应较好，跨导较大;另一方面，N沟道MOS管的导通电流大和导通电阻小。其电路如图5所示。

图中VI、VZ、V3、V4四个MOSFET的型号为IRF840，是H桥的核心元件，其主要的电特性参数如表4.3所示。Dl、DZ、D3、D4为续流二极管，其主要作用是提供电路续流回路，消除电动机所产生的反向电动势，避免该反向电动势击穿MOSFET。电源电压为+12V，由汽车蓄电池提供。

电动机正转时，Vl与V4受同一路PWM控制信号控制，VZ与V3输入低电平，使反转电路截止;电动机反转时，VZ与V3受另外一路PWM控制信号控制，Vl与V4输入低电平，使正转电路截止。

节气门体电机电枢电阻取3.3Ω，正常电流1.2A，峰值电流5-7.8A，工作电压12伏。

七、结论

电子节气门控制系统与传统机械式节气门控制系统相比，具有节能环保、结构紧凑，重量轻，装配方便，成本低，效益高，易与汽车其它电子控制系统集成，保养方便等特点。介绍了电子节气门控制系统的基本原理，对控制系统涉及的电源模块、角传感器信号处理、A/D转换、执行控制模块和H桥电动机驱动等部分的电路进行了分析和设计，为电子节气门控制系统总成的设计提供了硬件支持。

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