畢業(yè)設計 （論文） 題目 電子油門控制 系統(tǒng)設計 學生姓名 學號 專業(yè) 電子信息工程 班級 指導教師 評閱教師 完成日期 2012 年 5 月 18 日 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 張力 2012 年 5 月 18 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省 級優(yōu)秀學士學位論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1、保密 ，在 _年解密后適用本授權書。 2、不保密 。 （請在以上相應方框內打“”） 作者簽名： 張力 2012 年 5 月 18 日 導師簽名： 年 月 日 目 錄 摘要 1 前言 2 1 緒論 2 子節(jié)氣門研究的目的和意義 2 子節(jié)氣門的優(yōu)點及不足 3 子節(jié)氣門的優(yōu)點 3 子節(jié)氣門的不足 4 子節(jié)氣門國內外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4 內外對電子節(jié)氣門的研究現(xiàn)狀 4 子節(jié)氣門的發(fā)展趨勢 5 課題的主要研究內容 6 章小結 6 2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構成及工作原理 7 統(tǒng)的節(jié)氣門結構 7 子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構成 7 子節(jié)氣門的工作原理 8 章小結 9 3 電子節(jié)氣門的總 體設計方案 9 子節(jié)氣門系統(tǒng)總體框圖及簡介 9 子節(jié)氣門體 9 控單元單片機的選擇 11 流電機驅動芯片的選擇 11 章小結 12 4 電子節(jié)氣門硬件電路的設計 13 片機控制電路的設計 13 流電機驅動電路的設計 14 子節(jié)氣門體接口電路的設計 15 章小結 15 5 電 子節(jié)氣門軟件的設計 15 制系統(tǒng)總體程序流程 16 數(shù)轉換程序流程 17 制算法子程序流程 18 產生程序流程 23 晶顯示程序流程 24 章小結 25 6 實驗結果及分析 25 驗系統(tǒng) 25 子油門控制系統(tǒng)構成 25 驗測試工具 26 驗結果 及分析 26 蹤響應結果及分析 26 氣門開度響應結果及分析 30 子節(jié)氣門控制系統(tǒng)功耗分析 30 晶顯示精度 31 章小結 31 7 總結與展望 31 文工作總結 31 想與展望 32 致謝 34 參考文獻 35 附錄 37 42 1 電子油門控制系統(tǒng)設計 學 生：張力 指導老師：萬鈞力 （三峽大學 電氣與新能源學院） 摘 要 ： 隨著汽車產業(yè)的發(fā)展和電子控制技術的進步，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)不斷地發(fā)展，現(xiàn)今已成為先進的發(fā)動機管理系統(tǒng)中不可或缺的電子控制單元。節(jié)氣門是汽車發(fā)動機的重要控制部分，為了提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性、經濟性并減少排放污染，對這項先進技術的深入研究將是必然的趨勢。 本論文分析了電子 節(jié)氣 門的構造、工作原理及其工作中的非線性因素，并且設計了制器，實現(xiàn)了對節(jié)氣門的位置控制。 設計的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) 以 為主控單元、 以 司生產的 氣門為控制對象，選用 司生產的片驅動直流電機， 同時輔以 晶顯示目標值與跟蹤值，實現(xiàn)良好的人機交互界面。系統(tǒng) 軟件部分主要 包括 A/D 轉換程序 、 產生程序 、 制程序、定時器中斷程序 以及 示驅動程序 等 。 該系統(tǒng) 完成了基于 制的油門開度響應實驗，實現(xiàn)了基本的控制功能 。控制系統(tǒng)較為穩(wěn)定，節(jié)氣門無明顯抖動， 制的跟隨效果較為理想，在進行方波跟蹤時， 滯后和超 調不明顯， 響應時間在 100右。所設計的實驗裝置對開發(fā)電子節(jié)氣門 具有一定的 參考 價值。 關鍵詞： 電子節(jié)氣門 ； 開度響應 ； 位置傳感器 ； 單片機控制系統(tǒng) of of is it a in is an of in to of be an of to a is as by as by is to C At CD is 2 2 of of , of ID of of CD so of ID is is ID is of is is 0is 言 傳統(tǒng)的節(jié)氣門與加速踏板之間通過拉索 （桿） 連接 ， 節(jié)氣門的開度完全由駕駛員通過加速踏板來控制 。 這種機械控制方式只能使發(fā)動機電子控制系統(tǒng)完全按駕駛員加速踏板的操作控制發(fā)動機的工作 ， 不能確保發(fā)動機的工作狀態(tài)與汽車的運行情況形成最佳的匹配。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)使加速踏板與節(jié)氣門之間無機械連接 ， 而是通過傳感器 、 電子控制器及節(jié)氣門驅動裝置實現(xiàn)電子控 制方式的連接 ， 可使發(fā)動機節(jié)氣門的開度不完全取決于駕駛員對加速踏板的操縱 ， 控制系統(tǒng)可根據發(fā)動機的工況 、 汽車的行駛狀態(tài)等對節(jié)氣門的開度做出實時的調節(jié) ， 使發(fā)動機在最適當?shù)臓顟B(tài)下工作 ， 從而提高了汽車的動力性 、 安全性及舒適性。 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)主要涉及到發(fā)動機的控制，而發(fā)動機是一個非常復雜的非線性系統(tǒng)，發(fā)動機的控制因涉及到空燃比控制 、 點火周期控制 、 爆震控制 、 排氣再循環(huán)控制和燃油噴射控制等而變得非常復雜，所以電子節(jié)氣門的控制也變得異常復雜 ， 為了簡化問 題， 降低難度，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)主要從踏板控制柔性輸入，根據發(fā)動機的 運行狀況，調整節(jié)氣門開度的角度出發(fā)，局部優(yōu)化發(fā)動機的控制，提高發(fā)動機經濟性 、 動力性以及降低汽車的尾氣排 放 。 隨著生產的發(fā)展，控制技術也在不斷的發(fā)展，尤其是計算機的更新?lián)Q代，更加推動了控制理論不斷的向前發(fā)展 。 由于 電子節(jié)氣門 本身固有的非線性、時變性、時滯性及不確定性等特點 ， 尋求一種適用的控制算法是開發(fā)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的一個關鍵。 本論文以電子節(jié)氣門為研究對象，設計了簡易 制器，并通過實際測試證明了其可行性。 1 緒論 子節(jié)氣門研究的目的和意義 42 3 隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，電子技術在現(xiàn)代汽 車上的應用越來越廣泛，使 現(xiàn)今 的汽車己經逐步進入了電腦控制的時代。隨著對汽車性能要求的提高， 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) 成為 先進的發(fā)動機管理系統(tǒng)中不可或缺的電子控制單元 。 電子節(jié)氣門技術不僅可以實現(xiàn)發(fā)動機轉矩控制和精確空燃比控制，以提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性、經濟性及減少排放污染；集成于發(fā)動機控制系統(tǒng)中時，還有助于更好地完成與進氣控制相關的汽車驅動防滑控制、巡航控制、車輛穩(wěn)定性控制及自動變速等汽車動力控制 功 能。在混合電動汽車中，電子節(jié)氣門是實現(xiàn)動力切換、能量優(yōu)化分配、改善汽車排放、提高燃油經濟性和車輛動力性方面不可缺 少的部件。 從九十年代開始，電控燃油噴射（ 統(tǒng)以其精確的空燃比控制逐漸取代化油器，其油路自成系統(tǒng)，進行壓力噴射；在進氣系統(tǒng)方面，保留了化油器進氣喉管下方的一個簡單卻非常重要的部件 節(jié)氣門，并增設電控單元（ 節(jié)氣門位置傳感器以及空氣流量計等檢測工況。 據這些傳感器的信號參數(shù)（包括空氣流量、轉速和溫度等），調節(jié)噴油器的噴油量，獲得最佳空燃比。在前期的 統(tǒng)中，節(jié)氣門的控制采用機械控制方式，對特殊工況采用附加裝置進行空氣燃油補償。節(jié)氣門的機械控制方式由于其動態(tài)特性的限制，很難根據汽車的 不同工況相應地做出精確而及時的調整，特別是在冷啟動、低負荷等特殊工況下，控制效果很差，從而導致汽車發(fā)動機的經濟性下降，有害排放物增加。在 統(tǒng)中，雖然可以實現(xiàn)對噴油量的精確控制，并對進氣量進行補償，但還是不能在所有工況下達到理想的要求。 為了精確控制進氣量，以獲得更佳的空燃比， 統(tǒng)應運而生。 在 統(tǒng)的節(jié)氣門體結構中，去掉一些附屬補償裝置，而增加驅動電路、驅動電機以及齒輪傳動等，其節(jié)氣門開度在任何工況下都直接由電機驅動控制。 隨著發(fā)動機工況的變化而配置一個最佳的混合氣成分（同時按 發(fā)動機的動力性、經濟性、減少排放有害物等要求來確定），具有良好的怠速、加速及減速等工況過度性能。現(xiàn)在，電子節(jié)氣門系統(tǒng)已成為發(fā)動機電控管理系統(tǒng)中的一個非常重要的模塊。 子節(jié)氣門 的 優(yōu) 點 及不足 子節(jié)氣門的優(yōu)點 節(jié)氣門開度的精確控制 ：由電控單元 對應于駕駛狀況來計算出最佳的節(jié)氣門開度 ，由控制電機驅動節(jié)氣門來實現(xiàn)。 控制系統(tǒng)結構緊湊 ,節(jié)約成本 ：電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) 集成了加速控制、怠速控制及巡行控制等 ， 實現(xiàn)信息共享 ， 并用同一執(zhí)行器控制節(jié)氣門 ， 使車輛結構大大簡化。 車輛行駛可靠性優(yōu)良 ：電子節(jié)氣門控制系 統(tǒng) 提供了雙重操縱系統(tǒng)或容錯處理的能力。 42 4 最佳的操控及穩(wěn)定性 ： 在接到駕駛員踩油門到底指令時 ， 并不會直接將節(jié)氣門全開 ，而是根據發(fā)動機當時的負荷及轉速增加的速度 ， 節(jié)氣門先打開一個基本角度 ， 然后緩慢地往第 2個角度前進 ， 這種漸進式的開啟方式可以減輕因發(fā)動機轉速突變所帶來的振動 ，并得到最有效率的進氣控制 ， 從而使發(fā)動機的加速更柔順 ， 更快速 ， 也更省油。 排放降低 ： 由于在各種情況下對 空燃比 的精確控制 ， 使得燃燒更加完全 ； 在怠速時又只允許極小的開度來增進穩(wěn)定燃燒 ， 提高了燃油經濟性 ， 排放也得到進一步控制。 海拔高度補償 ：由于在高海 拔時吸入 發(fā)動機的空氣更加稀薄 ， 降低了發(fā)動機的有效扭矩和節(jié)氣門反應靈敏度。為抵消這種性能損失 ， 可以根據壓力傳感器信號來增加節(jié)氣門的開度 ， 從而獲得與平地一樣的行車性能。 子節(jié)氣門的 不足 為了安全可靠而采用冗余設計所用的電機和傳感器要求有極高的精確性和響應速度 ， 使得成本很高 ， 成為其廣泛應用的瓶頸 ； 為了保證系統(tǒng)失效后發(fā)動機仍能運轉 ， 需要回位彈簧使節(jié)氣門保持一微小開度 ， 就存在一個非線性彈簧 ， 再加上非線性阻尼和進氣擾流阻矩的不穩(wěn)定 性 ， 使得系統(tǒng)難于達到高精度的控制 ； 由于空氣流經節(jié)氣門到進氣管進入氣缸的時間非 常短 ， 即使 電控單元 處理得非常快 ， 節(jié)氣門對信號的響應也存在 10個毫秒級的延遲 ， 這對發(fā)動機形成均勻混合氣造成不利影響 ； 電子節(jié)氣門系統(tǒng)非常敏感 ，在節(jié)氣門積碳變臟超過極限后 ， 由于信號不準確使系統(tǒng)控制失誤 ， 發(fā)動機控制性能變差 ；控制系統(tǒng)復雜 ， 不便于維修。當然 ， 隨著技術的發(fā)展 ， 應用的日益廣泛 ， 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) 的這些缺點會不斷得到克服 1。 子節(jié)氣門 國內外 的 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 內外對電子節(jié)氣門的研究現(xiàn)狀 國外的控制理論發(fā)展早而且完善，但由于電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的技術和成本都比較高 ， 展緩慢。 近 10 年來，德國 國 本大利 汽車公司及零部件廠商投入大量的資金和人力進行研究，使電子節(jié)氣門技術得到了迅速的發(fā)展。目前，國外多家公司已對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)作了深入的研發(fā)，比如豐田 鑒高科技航空技術，采用了 一代雅閣 車發(fā)動機采用了全電子的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。此外， 汽車公司在高級轎車上均安 裝了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。 目前，雖然國內部分高級轎車，如寶來、奧迪、帕薩特、 旗等已經配備了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，但都屬于國外引進的技術，對其核心技術了解得很少?？上驳氖牵陙恚袊谝黄嚰瘓F公司開發(fā)了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，并把該項技術應用于紅旗42 5 級轎車上。此外，國內部分高校對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)開展了研究，并取得了階段性成果。比如吉林大學進行了基于 電子節(jié)氣門控制器的研究與開發(fā)，構建了基于 入式操作系統(tǒng)的電子節(jié)氣門軟硬件架構；北京理工大學進行了電子節(jié)氣門模 糊控制器快速控制原型設計 2。 各種 然在控制策略和設計方法上千差萬別，但都在著眼提高控制精度和進行集中控制的注重系統(tǒng)的安全可靠性。目前一般都采用了冗余設計（配備功能相同的元件并相互檢測，防止信號及功能失誤而產生故障）和系統(tǒng)故障檢測與失效保護。 目前 技術特點： （ 1）可選工作模式 正常模式 大多數(shù)駕駛條件下； 動力模式 需要強大功率時； 雪地模式 維持最大操控性，減小輪胎滑差。 （ 2）集成多種控制功能 對 體實現(xiàn)非線性伺服控制，主要的控制功能如下： 牽引控制 發(fā)動機正常進氣控制； 怠速控制 由節(jié)氣門控制電機控制節(jié)氣門開度來完成； 減少換擋沖擊控制 自動變速器模擬節(jié)氣門開度選擇傳動比，實現(xiàn)自動換擋； 節(jié)氣門回位控制 在驅動輪產生過大打滑量的情況下， 據駕駛情況發(fā)出指令信號控制電機關閉節(jié)氣門，以利于保證汽車的穩(wěn)定性和驅動力； 巡航控制 車速由節(jié)氣門控制電機控制節(jié)氣門來實現(xiàn)車速控制。 （ 3）監(jiān)視系統(tǒng)及失效保護 為了行車安全，增強系統(tǒng)可靠性， 制需要有強大的故障檢測功能。 持續(xù)地監(jiān)視各種信號及工作狀況，并及時做出適當?shù)姆磻?在第 2 代 ，其特色之 一是使用雙重油門踏板位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器及剎車開關等，兩者可相互監(jiān)測，即使其中有一個傳感器出錯，系統(tǒng)也能正常工作。系統(tǒng)診斷包括檢查 內的所有部件，若有故障，則進行備份并進入安全運行模式（如性能限制模式、強制怠速模式以及發(fā)動機關閉模式等） 1。 子節(jié)氣門的發(fā)展趨勢 （ 1）向集成化和綜合控制方向發(fā)展。集成化和綜合控制不僅是電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是將來汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。它有助于簡化電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，降低制造成本，增強各系統(tǒng)間的信息交流。目前， 經向集成化和 集中控制方向發(fā)展，如將怠速控制、巡航控制、減小換擋沖擊控制、節(jié)氣門回位控制及車輛穩(wěn)定性42 6 控制等多種功能集成；或者是將制動防抱死控制系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)及驅動防滑控制系統(tǒng)綜合在一起進行制動控制。 （ 2）結合多種控制方法進行綜合控制。采取多種控制策略相結合，可以提高 控制精度及反應速度。目前的發(fā)展方向是從線性控制發(fā)展到非線性控制，從單一模式發(fā)展到多模式控制以及從傳統(tǒng)的 制發(fā)展到采用 現(xiàn)代控制理論相結合的控制。由于傳統(tǒng) 制受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適 應性很差。因此，多模態(tài)控制、神經網絡控制及滑模變結構控制等方法被引入到電子節(jié)氣門控制中?；Ｗ兘Y構控制有良好的魯棒性和很強的非線性，該方法與系統(tǒng)的參數(shù)和擾動無關，也體現(xiàn)了今后電子節(jié)氣門控制方式的發(fā)展方向。神經網絡控制方法與 制相結合，可以提高電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的自適應能力。但這些理論自身還有待完善和進一步的發(fā)展，因此需要更深入的研究才能將這些綜合控制策略成熟的應用到電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中。 （ 3）車載網絡、總線技術在汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的應用。隨著 電控系統(tǒng)在汽車上越來越多的應用，各種傳感器和電 子控制單元急劇增多，造成了整車控制電路復雜、車輛上導線的數(shù)量增加。此外，各個系統(tǒng)的信息資源要能夠共享。這些都對汽車的綜合布線和信息共享提出了更高的要求?，F(xiàn)在國際上普遍采用的車載網絡技術是 能夠滿足汽車上電子系統(tǒng)數(shù)據傳輸安全可靠、數(shù)據共享及系統(tǒng)集成等需要，并且大大降低了布線的復雜度，提高了汽車電子系統(tǒng)的運行可靠性。所以，線技術在汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)上的應用也將是一個重要趨勢 2。 課題 的主要 研究內容 （ 1） 分析 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) 的構成及工作原理 比較傳統(tǒng)節(jié)氣門與電 子節(jié)氣門 ， 分析電子節(jié)氣門的構成及優(yōu)缺點，探索其發(fā)展空間，并 從理論 和實驗結果 上分析 電子 節(jié)氣門中的非線性因素， 為電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎。 （ 2）電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā) 以 司生產的 氣門為控制對象 ，研究分析其工作特性，并測試出相關的特性參數(shù)。 以單片機控制系統(tǒng)為核心設計出電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，完成其硬件與軟件的設計 ，完成 基于 制的 節(jié)氣門 開度響應實驗。 章小結 本章 主要闡述了研究電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的目的與意義，分析了 電子節(jié)氣門 國內外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，同時指出 了本課題的主要研究內容。 42 7 2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) 的構成及工作原理 統(tǒng)的節(jié)氣門結構 傳統(tǒng)汽車的機械式節(jié)氣門，采用鋼絲繩和杠桿與駕駛室內的油門踏板相連，如圖 2示 。駕駛員通過踩油門踏板的行程來控制節(jié)氣門的開度，亦即改變節(jié)氣門進氣通道的截面積，調節(jié)發(fā)動機的進氣量，達到改變發(fā)動機輸出功率的目的。 由于傳統(tǒng)節(jié)氣門只是單一的反映駕駛員的操縱意圖，當駕駛員加速或者減速的時候，節(jié)氣門開度隨之變大或者減小，因此節(jié)氣門的結構非常簡單，并能夠迅速準確反映駕駛員的意圖，所以可靠性也很高。但這同時也造成了傳統(tǒng)節(jié)氣門的 一些缺陷，因為汽車在道路上行駛時，發(fā)動機輸出轉矩不能僅僅根據駕駛員的意圖來判斷，它還要考慮道路狀況，汽車工況，環(huán)境等，所以直接根據駕駛員的意圖來控制節(jié)氣門的開度會導致節(jié)氣門的開度不能達到最佳，這樣就影響了燃油的經濟性和汽車的動力性， 同時 使汽車有害排放物質增加。 圖 2統(tǒng)節(jié)氣門結構圖 子節(jié)氣門 控制 系統(tǒng)的構成 該實驗采用 電子節(jié)氣門 ， 該節(jié)氣門主要包括 ： （ 1） 加速踏板位置傳感器 ： 此類傳感器將踏板移動量轉換成帶有不同輸出特性的兩類 （ 下踏量大小和變化速率 ） 電子信號輸入 （ 2） 節(jié)氣門位置傳感器 ： 兩個節(jié)氣門位置傳感器將相互監(jiān)測的節(jié)氣門開度信號轉換為電子信號輸入 輸出特性與加速踏板傳感器的相同。 （ 3） 節(jié)氣門控制電機 ： 節(jié)氣門控制電機為步進電機或伺服直流電機 ， 具有反應靈敏和能耗低的特點 （ 早期多為步進電機 ， 由于控制精度及便于伺服控制的需要 ， 現(xiàn)在則是直流電機為主 ） 。 過對節(jié)氣門控制電機的電流方向和強度進行占空比控制 ， 經過兩級齒輪減速來調節(jié)節(jié)氣門開度。 42 8 三者集成在節(jié)氣門體上 ， 結構如圖 2示 ， 其中復位彈簧可使節(jié)氣門回轉到一個微小的開度 ， 以保證在系統(tǒng)失去作用后發(fā)動機仍有一 個較高的轉速 ， 達到行車安全的目的 。 當占空比在一定范圍時 ， 電機處于堵轉狀態(tài) ， 節(jié)氣門保持在中間某個位置不變 。 圖 2子節(jié)氣門 體 結構示意圖 電子節(jié)氣門系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng) ， 其特性的主要來源有 ： （ 1） 復位彈簧。節(jié)氣門體內有兩個復位彈簧在不同工況分別作用 ， 長期使用后彈簧彈性系數(shù)發(fā)生變化 ， 造成回位力分析困難。 （ 2） 電機轉軸及其他部件摩擦。轉軸采用自潤滑方式 ， 由于污損以及節(jié)氣門體受熱導致配合變化等原因 ， 摩擦系數(shù)難于確定。 （ 3） 氣道氣流。作用在節(jié)氣門盤片上的壓力難于確定。 （ 4） 電機電源電壓。在使用過 程中會有變化 ， 如蓄電池虧電或者電路拋負載效應等 3。 子節(jié)氣門 的工作原理 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的結構框圖如圖 2示 圖 2子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的結構圖 42 9 它的工作原理是： 駕駛員操縱 油門 踏板 ， 油門踏板位置傳感器產生相應的電壓信號 ，即 節(jié)氣門開度的參考信號 ， 控制單元對輸入的模擬信號進行采樣處理 ， 然后經過 取其它工況信息以及各種傳感器信號如車速、車距、節(jié)氣門位置、路面附著系數(shù)等等， 綜合分析計算 得 出一個期望的節(jié)氣門開度值 ，并 輸出對應的控制信號給驅動電機，在驅動電機作 用下 ， 節(jié)氣門 閥片 達到期望位置 。 在整個控制過程中，節(jié)氣門 位置 傳感器將節(jié)氣門開度信號不停的反饋給控制單元，控制單元 將 得到的開度信號與目標值不停比較并修正，直到 實際的 節(jié)氣門開度 值達到 與期望的節(jié)氣門開度值相對應的位置 。 章小結 本章首先講述了傳統(tǒng)節(jié)氣門的結構，然后介紹了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構成，并闡述了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的工作原理。 3 電子節(jié)氣門的總體設計方案 子節(jié)氣門系統(tǒng)總體框圖及簡介 圖 3示為 電子節(jié)氣門系統(tǒng) 框圖，控制系統(tǒng)主要由油門踏板位置傳感器、主控單元 制電機、節(jié)氣門位置 傳感器四部分組成。本實驗中 用一個手柄電位器模擬腳踏油門 踏板 的動作 ， 使節(jié)氣門與手柄電位器形成一個隨動系統(tǒng) ,要求在實際調節(jié)過程中無超調 、 滯后 ， 并且運動得很平滑。當踏板轉動得快時 ， 要求節(jié)氣門響應速度也快 ， 當踏板轉動得慢時 ， 節(jié)氣門轉動也慢 ， 并且轉動過程中要平滑 ， 無抖動 ， 停在中間位置時要無振蕩 。 本課題所設計的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng) 以 為主控單元、以 司生產的 用 片驅動直流電機，以 晶顯示目標值與跟蹤值等，以 此構建電子油門控制系統(tǒng)的硬件部分；系統(tǒng)軟件部分主要涉及到 換程序、 產生程序、 制程序、定時器中斷程序以及 示驅動程序等。 圖 3子節(jié)氣門系統(tǒng)框圖 子節(jié)氣門體 油門踏板 油門踏板位置 傳感器 制電機 節(jié)氣門 節(jié)氣門位置 傳感器 42 10 電子節(jié)氣門體總成 有節(jié)氣門閥片、節(jié)氣門驅動執(zhí)行器（直流電機和傳動結構）以及節(jié)氣門位置傳感器等組成。 本 實 驗采用的電子節(jié)氣門體型號是 如圖 3示，驅動執(zhí)行器直流電機在控制 信號的作用下轉動 ，通過傳動機構改變節(jié)氣門的開度。 圖 3子節(jié)氣門體實物圖 氣門體上設計了一套復位彈簧， 復位彈簧可使節(jié)氣門回轉到一個微小的開度 ， 以保證在系統(tǒng)失去作用后發(fā)動機仍有一個較高的轉速 ， 達到行車安全的目的 。 電子節(jié)氣門的驅動電機為有刷直流電機，采 制，電子節(jié)氣門的控制器通過輸出占空比可調的脈寬調制信號來控制直流電機兩端的電壓，直流電機通過兩級齒輪減速，從而帶動節(jié)氣門閥片的轉動，最后使節(jié)氣門閥片轉動到期望的位置。 節(jié)氣門位置傳感器（ 寫為 當前節(jié)氣門開度轉換為相應電信號。它由兩個無觸點線性電 位器傳感器組成，節(jié)氣門 位置傳感器的滑片與節(jié)氣門同軸，當節(jié)氣門轉動時，電位計滑片同步轉動，使電位計的輸出電壓隨節(jié)氣門的位置變化而改變，兩電位器的電壓信號線性變化，其中一路節(jié)氣門位置信號線形增加，另一路節(jié)氣門位置信號線形減小。 電子節(jié)氣門體連接端口示意圖如圖 3示： 1 4 2 6( + ) ( - ) ( T P S - ) ( T P S 1 ) ( T P S + ) ( T P S 2 )T P 1 T P 2圖 3子節(jié)氣門體連接端口示意圖 42 11 控單元單片機的選擇 在本課題中，要求控制器有 A/D 轉換模塊、 出模塊以及定時器中斷處理模塊等，因此采用 為主控單 元。 部結構圖如圖 3示： C P 1 6 K 程 序F L A S 計 數(shù) 器狀 態(tài) 及 測 試中 斷 單 元S P I 單 元串 行 U S A R C 含 有 P W 轉 換W D 比 較 器1 K * 8 數(shù) 據 S R A 2 B * 8 E E P R O 部結構圖 基于增強的 構的低功耗 8 位 控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， 數(shù)據吞吐率高達 1而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 有非易失性的程序存儲器和數(shù)據存儲器， 16K 字節(jié) 512 字節(jié) 1K 字節(jié) 此之外， 它還包 括 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 （ 裝 ） 的 三個具有比較模式的靈活的定時器 /計數(shù)器 （ T/C） ， 四通道的 片內 /外中斷 ， 串行接口 片內模擬比較器 等。 流電機驅動芯片的選擇 由于本課題中節(jié)氣門驅動執(zhí)行器采用的是直流電機，驅動節(jié)氣門閥片轉動需要較大電流，因此采用 司生產的 片驅動直流電機 。 內部結構電路圖如圖 3示 ： 42 12 圖 3部結構電路圖 以提供高達 6A 的連續(xù)電流和 7A 的峰 值電流 ； 工作電壓可以高達 40V；具有標準的 口， 控制單元通過 口 與 行通信，當單片機向入控制命令時， 單片機發(fā)出故障診斷信息，以此來檢測否在正常工作狀態(tài)； 在安全性方面，具有瞬時承受高達 45V 電壓的過壓保護和輸出短路保護 ；該芯片具有 個 使能端，芯片在正常工作時 置為高電平， 置為低電平，電機工作由 路信號控制， 號控制輸出電流的 方向， 號控制輸出電流 的大小 ， 制方式有兩種， 其對應的 邏輯真值表如 表 3示： 表 3作邏輯真值表 式 釋 0 1 0（慢衰減） H L 電機順轉 0 0 H H 依慣性慢衰減 1 1 L H 電機逆轉 1 0 H H 依慣性慢衰減 0 1（快衰減） H L 電機順轉 0 0 L H 快衰減 1 1 L H 電機逆轉 1 0 H L 快衰減 章小結 42 13 本章 論述了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的總體設計方案，介紹了控制系統(tǒng)所涉及到的主要功能模塊，并對電子節(jié)氣門體 、單片機以及驅動芯片作出了選型解釋與詳細介紹。 4 電子節(jié)氣門硬件電路的設計 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，節(jié)氣門由直流電機驅動達到目標開度，因此對直流電機的控制直接影響節(jié)氣門開度的精度 以及響應速度 ，通常直流電機都是由 號控制，另外，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，油門踏板給出目標開度，節(jié)氣門位置傳感器反饋出實際開度，它們給出的信號都是模擬電壓信號，因此控制器必須能夠將模擬信號轉換為數(shù)字信號。 片機控制電路 的 設計 本課題中所設計的 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)以 為主控單元，其外圍電路如圖 4示。 圖 4片機外圍電路圖 控制系統(tǒng)硬件電路的設計基于 小系統(tǒng)，即主要包括振蕩電路、復位電路及供電電路三部分。實驗系統(tǒng)用到了單片機的兩路 10 位 個定時器 /計數(shù)器，16 位的定時器 /計數(shù)器 1 產生 ， 8 位定時器 0 實現(xiàn)中斷處理。實驗中單片機供電電壓為 5V， 腳單獨提供電源 ， 本 課題 采用的是外加參考電壓42 14 腳外加濾波電容，外加電容的目的是為了抑制噪聲。 其 I/O 口的使用為： 目標控制信號 處 經油門踏板位置傳感 器處理的油門位置信號，本實驗中用手柄電位器模擬代替踏板位置傳感器； 節(jié)氣門位置傳感器反饋的信號 于輸出占空比可調的 驅動芯片 口相連； 驅動芯片 口相連，用于發(fā)出方向控制信號，控制節(jié)氣門閥片的正反轉； 次接 E 端口，此 11 個控制端口共同控制液晶的顯示。 于顯示 值，以便于直觀的觀測反饋值對目標值的跟蹤情況。 流電機 驅動電路的設計 驅動直流電機通常采用線性驅動 方式和脈寬調制方式（ 寫為