汽车电子节气门控制器设计

关的传动部件组成。通过 Ｍｏｔｏｒ＋（ ＋） 和 Ｍｏｔｏｒ－（ － ） 驱动直流 电机，ＴＰＳ１ 和 ＴＰＳ２ 分别是正向和反向的节气门开 度 反 馈 信 号， 它通过节气门体内部的一对高精度电位器获取当前开度 下相应的电压反馈值， 该反馈值与节气门打开角度成线性变 化。直流电机比步进电机移动快， 随动性能好， 符合 ＥＴＣ 的 性能要求， 所以， 目前大多电子节气门都采用直流电机做其 执行机构。但直流电机的控制要比步进电机的控制难度大， 需利用两路反馈信号， 构建闭环控制系统。
（Ｉ
ｓ） ＝ （
１（ Ｌｓ＋Ｒ）
ｖ（
ｓ） － ＫｖΩｍ（
ｓ） ）
（ ４）
Ｔ（ ｓ） ＝ Ｋｔ（Ｉ ｓ）
（ ５）
Ωｍ（
ｓ） ＝ （
１（ Ｊｅｐｓ＋ Ｂｅｐ）
Ｔ（
ｓ） － Ｔｆｒｉ（ｃ
ｓ） － Ｔｓｐ（ｒ
ｓ） ）
（ ６）
假定 Ｋｓ＝（
１８０／ π） ｎ２
Ｋｓｐｒ 为折算到电机上的弹簧比率。单位
为 Ｎｍ／ ｒａｄ， 忽略摩擦项， 电机电压与节气 门 角 度 的 传 递 函 数
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｅｃｏｎｏｍｙ ｉｎ Ａｒｅａｓ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ ＴＥＡＣ）
交通科技与经济
２００６ 年 第 ３ 期 （ 总 第 ３５ 期 ）
汽车电子节气门控制器设计
张金柱 ●
（ 黑龙江工程学院 汽车工程系， 哈尔滨 １５００５０）
【摘要】分析了汽车电子节气门控制器的结 构 原 理 ， 建 立 了 节 气 门 控 制器的数学模型， 选用 Ｉｎｔｅｌ 公司的 １６ 位单片机与 Ｈ 桥 ＴＬＥ６２０９ 芯 片为控制器的主要硬件， 分析了控制器的响应特性。 【关键词】节气门控制器； 数学模型； 响应特性 【中图分类号】Ｕ４６４．１３４＋．３ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】１００８－ ５６９６－ （ ２００６） ０３－ ００７３－ ０２
４ 控制系统的响应特性
图 ３ 为电子节气门对输入信号的跟踪响应特性。可见节 气门开度的实际值与期望值的重合度很好， 表明该电子控制 单元能够较好地实现节气门实际开度值对期望值的跟踪控 制。
５ 结论
构合理， 性能良好。试验结果也表明了电子节气门控制系统 的正确性和合理性， 从而为改善发动机和车辆的性能以及实 现 车 辆 的 自 动 操 纵 奠 定 了 技 术 基 础 。也 为 实 现 发 动 机 电 控 系 统的改造提供了一种较为实用的方法。
控制软件在实时中断中 执 行 控 制 流 程，采 用 增 量 ＰＩＤ 算 法。由于复位弹簧的作用， 节气门片向不同方向转动时其受 力不同， 模型也就不同。于是引入滑模控制的思想， 设计正转 和反转两组 ＰＩＤ 控制， 其控制参数和流程均不同。程序根据 控制输出量值的正负， 判断进入正转控制流程还是反转控制 流程， 并完成控制流程的非线性切换。这样的策略执行起来 非常简单， 避免了对电机转向进行复杂的判断， 同时完成了 两 路 控 制 输 出 信 号 的 配 合 控 制 。该 方 法 不 足 之 处 是 两 组 控 制 流程之间存在耦合， 体现在某些特别的动态情况下， 为了减 小这种耦合的影响， 控制程序又采用了棒棒控制的思想， 在 误差小于某一阈值时， 认为误差为 ０， 即不进行 ＰＩＤ 控制。具 体控制流程如图 ２。
（ ７）
３ 节气门控制器的设计
本 文 选 用 Ｉｎｔｅｌ 公 司 的 １６ 位 单 片 机 ８０Ｃ１９６ＫＣ 为 主 芯 片， 扩展了片外存储器和 Ｉ／ Ｏ 口， 增加通信电路， 设计直流电 机不同的驱动电路， 开发电子节气门控制系统的硬件电路。 单片机采集目标和实际节气门开度信息， 并输出控制信号至 驱动电路， 驱动电机使节气门到达目标开度。采用 Ｈ 桥 ＴＬＥ６２０９ 芯片实现了电机的可逆控制。
为总的转动惯量（ 包括电机、节气门板和轴， 折算 至 电 机 上） ，
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Ｂｅｐ 总的粘性摩擦。
对方程（ １） ，（ ２） 进行 Ｌａｐｌａｃｅ 变换：
Ｊｍ＋
１ ｎ２
Ｊｔｈ）
ｄ ｄｔ
ωｍ（
ｔ） ＋（
Ｂｍ＋
１ ｎ２
Ｂｔｈ）
ωｍ（
ｔ） ＋Ｔｆｒｉｃ＋ Ｔｓｐｒ
＝Ｊｅｐ
ｄ ｄｔ
ωｍ（
Ｔ） ＋ Ｂｅｐωｍ（
ｔ） ＋ Ｔｆｒｉｃ＋ Ｔｓｐ（ｒ
３）
并且 ｄ ｄｔ
θ（ ｔ） ＝ ω（ ｔ） ＝
１ ｎ
ωｍ（
ｔ）
其中： θ为阀板转角， ω为阀板转速， Ｊｍ 为电机转动惯量 ， Ｊｔｈ 节气门轴与阀的转动惯量 ， ｎ 传 动 比 ， Ｂｍ 和 Ｂｔｈ 分 别 为 电 机 和 节 气 门 的 粘 性 摩 擦 ， Ｔｓｐｒ 为 作 用 在 节 气 门 上 的 弹 簧 力 矩 ， Ｊｅｐ
为：
（ １８０／ π） Ｋｔ／ ｎ
Ｐ（ ｓ） ＝
（ Ｌｓ＋Ｒ）（ Ｊｅｐｓ＋ Ｂｅｐ） ｓ
１＋
ｋ＋ｋｖ
＋ｋ
（ Ｌｓ＋Ｒ）（ Ｊｅｐｓ＋ Ｂｅｐ） （ Ｊｅｐｓ＋ Ｂｅｐ）
＝ ＬＪｅｐｓ３＋（
（ １８０／ π） Ｋｔ／ ｎ ＲＪｅｐ＋ＬＢｅｐ） ｓ２＋（ ＲＢｅｐ＋ Ｌｋｓ＋ ｋｔ＋ ｋｖ） ｓ＋Ｒｋｓ
导 线 、开 关 、二 级 管 、Ｈ 桥 等 的 电 阻） ； Ｌ 为 电 枢 电 感 ； Ｋｖ 为 反 电动势系数； Ｋｔ 为扭矩系数。
据牛顿运动定律， Hale Waihona Puke Baidu气门机械系统运动方程为：
Ｔ（
ｔ）
＝
Ｊｍ
ｄ ｄｔ
ωｍ（
ｔ） ＋ Ｂｍωｍ（
ｔ） ＋
１（ ｎ
Ｊｍ
ｄ ｄｔ
ωｍ（
ｔ） ＋Ｂｍωｍ（
ｔ） ）
＋Ｔｆｒｉｃ＋ Ｔｓｐｒ＝（
报（自然科学版）， ２００５， （４）． ［３］ 陈华， 王耀南， 孙炜， 等． 基于模糊高斯基函数神经网络的电子节
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制系统的设计［Ｊ］． 微计算机应用， ２００５， （１）． ［５］ 陶国良， 郭连， 刘昊， 等． 电子节气门变结构滑模控制及仿真与试
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｌｐｈｉ ＭＴ２０ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｉｔｓ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＥＦＩ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ； ＥＣＭ； ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ； ｆａｕｌｔ ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ
参考文献： ［１］ 曹树清． 新编汽车维修技术手册［Ｍ］． 上海： 上海科学技术出版社， ２００２． ［２］ 张全成． 汽车制造与维修实用标准汇编［Ｍ］． 北京： 中国音文出版社， ２００２．
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Ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｌｐｈｉ ＭＴ２０ ｓｙｓｔｅｍ
ＸＵＥ Ｄａ－ ｗｅｉ１， ＬＩＵ Ｔｉａｎ－ ｌａｎｇ２， ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ ｑｉａｎｇ３
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２００４， （１）． （ 下转第 ７８ 页）
通过上述分析可知， 所采用的电子节气门方案可行， 结
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２．１０ 故障 １０ 燃油消耗异常 表 １０ ＭＴ２０ 系统燃油消耗异常故障诊断与排除
图 ２ 控制程序流程图
图 ３ 电子节气门对输入信号的响应特性 参考文献： ［１］ Ｍｉｋｅ Ｄａｌｅ， 韩 建 保， 杨 训 敏． 电 子 节 气 门 控 制 系 统 结 构 特 点 及 其
优势［Ｊ］． 汽车维修与保养， ２００５， （４）． ［２］ 杜开明， 秦大同， 刘振军， 等． 电子节气门仿真控制［Ｊ］． 重庆大学学
２ 节气门系统传递函数模型
根据基尔霍夫定律，节气门系统电路方程：
ｖ（
ｔ） ＝ Ｒ（ｉ
ｔ） ＋ Ｌ ｄ ｄｔ
（ｉ
ｔ）
＋
Ｋｖ
ｄ ｄｔ
ωｍ（
ｔ）
（ １）
Ｔ（ ｔ） ＝ Ｋｔ（ｉ ｔ）
（ ２）
其 中 ： ｖ（ ｔ） 为 控 制 电 机 电 压 ； （ｉ ｔ） 为 电 机 电 流 ； Ｔ（ ｔ） 为 电
机驱动力矩； ωｍ（ ｔ） 为电机转速； Ｒ 为总电阻（ 包括电枢、电池、
由于复位弹簧和各环节的摩擦， 导致了控制对象为一严 重非线性系统，控制难度 较 高 。ＰＩＤ（ 比 例 、积 分 和 微 分） 控 制 容 易 实 现 ， 所 以 首 先 选 择 了 使 用 ＰＩＤ 控 制 策 略 ， 节 气 门 位 置 信号为反馈量， 脉宽调制信号为控制输出量； 同时， 针对该控 制对象的特点， 结合非线性控制方法完成控制。
由于电子节气门的结构导致电子节气 门 具 有 时 变 性 、时 滞 性 、非 线 性 、不 确 定 性 等 特 点 ， 其 数 学 模 型 难 以 准 确 推 导 ， 我们提出辅以前馈控制的 ＰＩＤ 参数控制算法。
１ 电子节气门体结构与原理
文中设计的电子节气门体， 是 ＢＯＳＣＨ 公 司 生 产 的 电 子 节气门系统中的一个部件。图 １ 为节气门体电器连接图。
图 １ 节气门体电器连接图 该 节 气 门 体 分 三 部 分 ： 执 行 器 、节 气 门 阀 和 节 气 门 位 置 传感器， 它们被封装为一体。其执行器由一个直流电机和相
投稿日期： ２００５－ １２－ ２６ 基金项目： 黑龙江省自然基金项目（ Ｅ２００４－ ０４） 作者简介： 张金柱（ １９６３－ ） ， 男， 山东文登人， 副教授， 硕士。
电 子 节 气 门 控 制 技 术 最 早 出 现 于 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 初 期， 起 初 仅 应 用 于 高 档 轿 车 上 。随 着 电 子 技 术 的 日 益 发 展 ，能 源 问 题和环境问题的日益突出以及对汽车性能要求的提高， 电子 节气门成为全电控发动机上最重要的控制装置并已开始广 泛 应 用 到 各 种 车 辆 上，其 优 点 在 于 可 根 据 驾 驶 员 愿 望 、排 放 、 油耗和安全需求，使节气门快速精确地控制在最佳开度，并可 设 置 多 种 控 制 功 能 来 改 善 驾 驶 安 全 性 和 舒 适 性 。目 前 ，对 这 一 技术进行研究的有 ＢＭＷ、ＢＯＳＣＨ、丰田等公司，而且 ＢＭＷ、 通用、丰田、ＡＵＤＩ 等厂商在其部分车型上已经成功应用。
电子节气门在车上是一个重要部件， 一旦出现故障将非 常危险， 所以节气门体上设计了一套复位弹簧， 它能够保证 当电子节气门控制出现故障， 直流电机无法工作的时候， 节 气门阀回到关闭位置， 使发动机能够工作在高待速的状态 下。这样的设计， 可以避免发动机飞车， 出现危险。为保证车 上的助力装置正常工作， 使司机有充分的余地将出现故障的 汽车停在一个安全的地方， 节气门应保持一定开度。本控制 装 置 采 用 一 柱 塞 弹 簧 ， 使 节 气 门 在 初 始 状 态 保 持 ７．５ｏ 的 开 度， 这时的节气门开度称为初始开度。由于节气门体上安装 有复位弹簧和柱塞弹簧， 而这两个弹簧刚度不同， 故节气门 阀角度大于或小于初始开度时动态特性不一样。