汽车电子节气门控制器开发

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1 陶国良 , 郭



Hale Waihona Puke Baidu
连 . 电子节气门技术的发展现状及趋势 . 车用发动 5
机 , 2003 , ( 4 ): 1
2 王晓明 , 等 . 电动机的单 片机控 制 . 北京 : 北 京航空 航天 大学出 版社, 2002 3 刘和平 , 等 . TM S320LF240x DSP C 语言开发应用 . 北京 : 北京航 空航天大学出版社 , 2003 4 刘金琨 . 先进 PID 控制及其 M ATLA B 仿真 . 北京 : 电子工业出版 社 , 2003 5 G riff ithsous P G . Emb edded Softw are Con trol D esign for an E lectron ic Thrott le Body. th es is of master # s degree, U n iversity of C aliforn ia , Berkeley, 2000 6 吴礼民 . 系统辨识与应用 . 长沙 : 中南工业大学出版社 , 1986
-3
在确定了被辨识系统类型之后, 接着就要获得 系统的输入–输出数据。对于用于系 统辨识的输 入–输出数据, 要求其能在最大程度上体现系统的 特性。在系统输入的各种信号中, 有几种专门用于 系统辨识的典型 信号: 随机 高斯信号、 随机二进制 信号、 伪随 机二进制信号和 正弦叠加信号。其中 , 用伪随机二进制序列 ( 又称 M 序列 ) 进行系统辨识 所需数据量较小 , 而且所取数据也较容易满足平稳 性的条件, 所以本文构造了一个伪随机二进制序列 作为系统的输入 , 在试验台上测得电子节气门控制 系统的输出 , 如图 8所示。 考虑到系统建模的方便性, 选择系统表达式为 线性差分方程: A ( q )y(k) = B (q )u(k)
图 2 电子节气门直流电机驱动电路
图 3 电子节气门控制器电路原理图
448







8卷
间为 80 m s, 稳定时间为 110 m s ; 节气门关闭的响应 时间为 95 m s , 稳定时间为 130 m s 。 试验结果的各 种指标均符合节气门控制效果的要求。
图 4 控制器软件流程图
3 试验结果与评价
[ 1]
1 电子节气门的结构和驱动原理
1 . 1 电子节气门结构 电子节气门 主要由执行电 机、 齿轮 传动机构、 复位弹簧和节气 门开度传感器组 成。执行电 机形 式有步进电机或 直流电机。复 位弹簧可以保 证在 电子节气门出现故障的情况下 , 使节气门保持一微 小开度, 使汽车能够跛行到安全的地方。节气门开 度传感器是与节气门轴相连的滑片式线性电位器 , 将节气门开度转 换成标准电压信 号输出。为 了增 加系统的稳定性和故障诊断能力 , 节气门传感器采 用冗余设计。
图 6 任意连续输入试验结果 图 5 阶跃输入试验结果
为了验证电子节气门控制系统的跟随性能 , 输 入一个连续随意变化的节气门目标开度, 试验结果 ( 图 6)显示电子节气门控制系统可以使节气门及时 跟住目标开度的变化, 且跟随误差较小。
2! 。
2期
郭孔辉 , 等 : 汽车电子节气门控制器开发
449
2007年 9月 19 日收到 第一作者简介 : 郭孔辉 ( 1935 ), 男 , 吉林大 学汽车动 态模拟
国家重点实验室博士研究生导师、 中国工程院院士。
*
通信作者简介 : 付
皓 , ( 1980
) , 男 , 吉林大学汽车动态模
拟国家重点实验室博士。 E m ai:l fuhao_cn@ yahoo . com. cn 。
。 H 桥驱动芯片选用英飞凌 ( In fin eon ) 推出的
TLF6209 , 该芯片内部设计对直 流电机驱动进 行了 优化 , 集成了保护电路 , 还具有 SP I 故障诊断功能 , 十分适合汽车应用。中央处理器 LF4207 内部集成 了 SP I通信单元、 P WM 控制单元以及高速 ADC 模 块。因此 , 整个控制器硬件大大简化, 节省了空间。 具体硬件电路如图 3 所示。 2 . 2 控制器软件设计
图 7 电子节气门控制系统
-1 -2 -4 -1
图 8 电 子节气门控制系统输入输出数据
+ 0 . 2748q
-2
+ 0 . 388q
-3
- 0 .
01377q ) u ( k ) 。 利用辨识结 果建立了电子 节气门控制系 统的 模型 , 对模型仿真结果进行了试验验证。试验结果 ( 图 9)显示二者具有良好的一致性 , 模型的精度达 到 85 % , 说明该模型能正确得体现设计的电子节气 门控制系统的特性 , 为系统分析提供了良好基础。
[ 4]
PI D 控制是经典的控制方法之一 , 其 参数意义 明确、 实现简单以及 鲁棒性好, 在工程实际中 得到 广泛的应用。本文选择了位置式 P I D 控制方法 , 以 节气门目标开度和实际开度之间的误差作为 P I D控 制器的输入, 控制器输出为控制 电机的 PWM 信号 的占空比 , 以节气 门传感器信号 作为控制反馈量。 为了加快控制响应速度 , 同时避 免引起系统振荡 , 在 PI D 控制过程中加入了积分分离环节; 为了消除 控制过程中的高频干扰, 加入不完全微分环节进行 改进。整个控制流程如图 4 所示。经过反复试验 , 控制周期确定为 5 m s 。
3 . 1 控制效果评价
[ 5]
对于电子节气门控制, 只要求其对目标开度变化 的响应速度及开度控制的精确度与发动机对节气门 开度变化的响应速度和对节气门开度的敏感度同阶 即可。因此, 对控制的动态响应要求如下
[ 2]
:
上升时间: 在 阶跃输入情况 下, 节气 门开度从 最终稳态值的 10 % 上升到 90 % 所需要的时间。电 子节气门从全闭到全开的上升时间不超过 100 m s 。 稳定时间: 在 阶跃输入情况 下, 节气 门响应达 到并保持在最终稳态值的 5% 内所需要的最短时 间。稳定时间应不超过 140 m s 。 超调量 : 超调量定义为阶跃响应最大偏离值与 最终稳态值之差的百分 比。电子节气 门控制系统 应使节气门响应不出现超调 (零超调 ) 。 稳态误差: 稳态误差定义为节气门目标开度与 最终开度之间的误差。电子节气门控 制系统应保 证阶跃响应稳态跟踪误差不超过 3 . 2 试验结果 为了分析电子节气门控制器的控制效果 , 在电 子节气门试验台上进行 了试验。试验 工况为阶跃 输入 (图 5) , 分别进行了正反两个方向的试验, 从试 验结果可以看出两种情况下节气门响应匀无超调 , 稳态跟踪误差不超过 1! 。节气门打开的响应时
第 8 卷 第 1 期 2008 年 1 月 1671 1819( 2008) 1 0446 05







Science T echno logy and Eng ineering
Vo. l 8 No . 2 Jan. 2008 2008 Sc.i T ech. Engng.
交通运输
汽车电子节气门控制器开发
图 1 电子节气门结构
2期
郭孔辉 , 等 : 汽车电子节气门控制器开发
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1 . 2 驱动原理 本文的研究对象选用了 SIEMENS 公司生产的 L06AG 型电子节气门 , 该节气门的执行电机为直流 电机。直流电机 由于体积小、 成本低、 动态响应性 能好等优点成为节气门驱动电机的首选。目前 , 直 流电机的驱动方式多采用开关驱动方式
郭孔辉 付 皓
*
丁海涛
(吉林大学汽车动态模拟国家重点试验室 , 长春 130025)


介绍了电子节气门的 结构和驱动原理 , 设计了电子节气门控制器 的软硬件 。 在 电子节气 门试验台上 进行了试验 , 试
验结果证明控制器的 动态响应满足设计指标 。 利用系统辨识 的方法 获得了 电子节 气门控制 系统的 数学模 型 , 分析了 电子节 气门控制系统的动态 特性 , 证明设计的控制器满足控制要求 。 关键词 电子节气门 控制器 U 461. 6 ; P ID 系统 辨识 B 中图法分类号 文献标志码
q y ( k ) = y ( k - 1) 。
-1
4
系统特性分析
电子节气门控制 系统实质上是一 种跟随控制
系统, 为了更全面了解该系 统的动态特性 , 本文采 用系统分析的方法对电子节气门控制 系统作进一 步研究。 4 . 1 系统模型建立 系统分析的 方法 要求 建立 目标 系统 的模 型。 针对本文的具体问题, 利 用系统辨识来 建立模型。 系统辨识就是利用系统的输入–输出 数据建立系 统模型的理论和方法
5 结

( 1)设计开发了电子节气门控制器。硬件电路 充分发挥了集成芯片的优势, 保证功能的同时简化 了电路, 提高了系统稳定性; 采用 P ID 控制方法设计 了控制器软件 , 整定了控制参数和控制周期。 ( 2)电子节气门试验台的试验结果证明了控制 器的动态响应指标达到要求; 采用系统辨识的理论 方法得到了电子节气门控制系统的模型, 利用该模 型分析系统的动态特性, 结果证明了电子节气门控 制器符合发动机控制的要求。

电子节气门的特 点是任何工况下 节气门开度 都由电机驱动控 制, 因此 , 电子节气门 控制系统可 以与发动机管理系统配合工作, 使车辆具有良好的 怠速、 加速及减速工况过渡 性能, 有效 降低排放和 燃油消耗; 同时也能按照车 辆其他系统 , 如驱动防 滑系统或巡航系统的要求改变节气门开度 , 改变发 动机扭矩输出 , 从而实现牵 引力控制 ; 混合动力汽 车的节气门开度是由能量分配策略实时决定的 , 因 此必须采用电子节气门。随着车辆主 动控制的发 展 , 电子节气门取代传统节气门已是必然趋势。因 此 , 对电子节气门控制的研究十分必要。
[ 2]
2 控制器设计
2 . 1 控制器硬件设计 电子节气门 控制器的中央 处理器选择德 州仪 器 ( T I) 的高性能数字信号处理器 TM S320LF4207 芯 片
[ 3]
, 由四个
功率场效应管构成 一个 H 桥驱动电 路, 如图 2 所 示。该电路由两路隔离的 PWM 输入信号控制。当 输入 P WM 1为高、 PWM 2 为低时 , 功率器件 1 和 4导 通、 2 和 3 关断 , 电机正向转动 ; 当输入 PWM 1 为低、 PWM 2 为高时 , 功率器件 2 和 3 导通、 1 和 4 关断, 电 机反向转动。使用 H 桥 驱动电 路时要 注意 , 两路 PWM 信号不能同时为高, 否则会发生短路。因此 , 要在两路 PWM 控制信号中加 入死区单元, 保证同 一桥臂上下两个功率器件不会同时导通。
[ 6]

将电子节气门控 制器与节气门看 作一个整体 系统 (图 7) , 其输入为节气门目标开度, 输出为节气 门实际开度 , 这样 , 根据系统辨识理论, 该系统就是 一个单输入单输出的定常线性离散动态系统。 y ( k ) 为系统输出, u ( k ) 为系统输入。系统辨识 问题就是要确定方程 ( 1) 的系数。利用最小二乘法 进行系统辨识 , 最后得到辨识结果为: (1- 1 . 515q 1124q ) y ( k ) = (- 0 . 001664 + 0 . 004904q + 0 . 01784q + 0 .
节气门是汽车发动机一个简单却 非常重要的 控制部件。早期的节 气门是通过机械 传动机构与 加速踏板相连接 , 节气门开度只受驾驶员控制。 20 世纪后期, 随着车辆电子控 制技术的迅速 发展, 尤 其是混合动力汽车的出现 , 要求节气门 实时可控 , 因 此 Bosch 和 De lph i 相 继 推 出 了 电 子 节 气 门 产品
-1 -1 -2 -1 -1 -2 -1 -1
( 1)
-n -n
( 1)式中: A ( q ) = 1 + a1 q + a 2 q +∀∀∀ + a n q , B ( q ) = b0 + b1 q + b2 q +∀∀∀ + b n q ,
图 9 辨识结果试验验证
450







8卷
4 . 2 系统动态特性分析 频率分析法是应 用频率特性研究 线性控制系 统的一种方法。利用 前面得到的电子 节气门控制 系统模型得到的频率特 性如下图所示。分析频率 特性曲线可知: 当电子节气门控制系统的输入信号 频率小于 3 H z时, 电子节气门控制系统的控制精度 达到 90 % 以上 , 滞后时间不超过 50 m s。分析结果 说明设计的电子节气门控制器符合发 动机控制的 要求。
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