汽车发动机电子节气门控制系统研究_论文

中国地质大学 汽车发动机电子节气门控制系统研究 系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 2012年4月20日 中国地质大学长城学院毕业设计（ 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ）任务书 学生姓名 学号 班 级 指导教师 职称 单 位 毕业设计（论文）题目 汽车发动机电子节气门控制系统研究 毕业设计（论文）主要内容和要求： 1、 汽车发动机电子节气门控制系统设计 2、 利用Protel设计系统电路原理图和印制电路板PCB图 3、 论文一份 毕业设计（论文）主要参考资料： [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,(04) [2] 杜开明, 秦大同, 刘振军, 姜凤翔, 丁锐. 电子节气门仿真控制[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2005,(04) [3] 陈华, 王耀南, 孙炜, 杨辉前. 基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J]. 计算技术与自动化, 2005,(02) [4] 王仁义. 奔驰S500冷车自动加速[J]. 汽车维修技师, 2005,(04) [5] 张汉斌 , 张荣兵. 奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J]. 汽车与配件, 1999,(45) [6] 陈华, 王耀南, 夏阳, 杨辉前. 基于自整定模糊PID的电子节气门控制[J]. 仪器仪表用户, 2005,(01) [7] 李雪飞, 凌永成. 基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计[J]. 微计算机应用, 2005,(01) [8] 陶国良, 郭连. 电子节气门技术的发展现状及趋势[J]. 车用发动机, 2003,(04) [9] 陶国良, 郭连, 刘昊, 万里军. 电子节气门变结构滑模控制及仿真与试验[J]. 内燃机工程, 2005,(03) [10] 尹叶丹, 程昌银, 全书海. 基于DSP的电子节气门控制器的研制[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版), 2003,(05) 毕业设计（论文）应完成的主要工作： 阅读中英文文献资料，熟练掌握Protel制图软件，绘制控制系统电路原理图及PCB图，用C51编程。 毕业设计（论文）进度安排： 序号 毕业设计（论文）各阶段内容 时间安排 备注 1 资料的查阅、收集、整理，并撰写文献综述、开题报告、外文资料翻译 12月5日—1月20日 确定基本设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 2 系统硬件设计 1月21日—2月10日 3 系统软件设计及整体调试 2月11日—3月15日 4 撰写设计说明书，整理相关表格资料 3月16日—4月20日 5 准备答辩 课题信息： 课题性质： 设计□ 论文■ 课题来源： 教学□ 科研■ 生产□ 其它□ 发出任务书日期： 2011.12.6 指导教师签名： 2011年 12月 6 日 教研室意见： 教研室主任签名： 年 月 日 学生签名： 开题报告 系 别： 工程技术系 专 　业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 　 2011年　　12月　　6日 中国地质大学长城学院毕业论文开题报告 学生姓名 学号 专业班级 指导教师 职称 单 位 课题性质 设计□ 论文√ 课题来源 科研□ 教学□ 生产□ 其它√ 毕业设计（论文）题目 汽车发动机电子节气门控制系统研究 一、课题研究的目的和意义： 研究目的：了解汽车发动机电子节气门在非线性控制下，调节节气门开度来适应加速踏板移动量和发动机转速等行驶条件，从而在不同行驶条件下实现不同节气门开度的优化控制，获得满意的发动机性能。并改进电子节气门，来产生最佳的操作以及稳定性，减少冷车时废气排放量。 研究意义：汽车发动机电子节气门具有更高的可靠性，电子节气门可以更好的控制进气，达到减少排放减少能源消耗等作用，在相同的能源下达到最佳的动力效果，并且电子节气门系统可以分析驾驶者的动作及解析其意图，来产生最佳的操控及稳定性，减少冷车市的废气排放，给你更舒适的驾驶感觉。 二、汽车电子节气门的研究现状： 电子节气门的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，近10年来，国外对电子节气门的研究取得了非常 迅速的发展。发展趋势可总结为：在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统，电子节气门在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制;驱动由步进电机到直流电机;从单一的控制功能发展到集成多种控制功能，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。集成了多种控制功能;采用冗余设计(配备功能相同的兀件并相互检测，防止信号及功能失误产生故障)和系统故障检测与失效保护等。 国外多家公司已对电子节气门系统作了深入的研发，并口趋成熟。比如德国Bosch，Pierburg，美国Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。与第一代系统不同，第二代ETC的处理器集成十发动机ECU中，并采用一个单独的微处理器监测ETC主要输入信号及主ECU是否正常工作。第二代电子节气门集成了几项独特的驾驶性能，如改变车辆对加速踏板响应的灵敏度;驾驶模式选择(正常模式，动力模式，雪地模式);对海拔高度地补偿;发动机最高转速及车速控制等。虽然国内某些轿车，如POLO，也配备了电子节气门系统，但目前对ETC还没有系统深入的研究，也没有成熟的产品。 三、研究内容： 汽车发动机电子节气门的研究主要内容是：明确汽车发动机电子节气门的工作原理和工作方式，并剖析电子节气门的优缺点进一步的完善电子节气门。深入的研究电子节气门的控制系统，利用Protel设计系统电路原理图和印制电路板PCB图。使之研究进一步完善和理化。 四、研究方案： 1）利用中国知网、维普、万方等数据库完成与毕业论文题目相关内容的论文检索；利用图书馆的图书资源查阅相关的理论内容；充分的利用互联网进行资料的检索收集； 2）查阅中英文资料，了解国内外电子节气门系统的研究与应用概况、技术核心及应用发展情况； 3）查阅资料，掌握电子节气门的机理和在实际使用过程中的利与弊； 4）确定基本方案； 5）可行性分析：对方案进行可行性分析，并收集资料初步确定论文实施方案的种类； 6）论文初稿：根据所查询的资料和确定的方案，撰写论文； 7）初稿审定：在指导老师的帮助下仔细研究初稿，针对其中出现的问题进行探讨研究，完善充实论文内容。 8）论文终稿：完成终稿的撰写。 五、进度安排： 2011年12月初，进行论文的准备工作，在老师的指导下加深对论文所设计课题内容的了解。 2012年12月5日—2012年1月20日，资料的查阅、收集、整理，并撰写文献综述、开题报告、外文资料翻译。向指导老师汇报论文进展情况，将开题报告、文献综述交给指导老师审阅。经审阅合格后着手毕业论文的初稿撰写。 2012年1月21日—3月1日，对电子节气门的研究，在假期内利用电子邮件等方式与指导教师沟通，修改 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 和论文方案。 2012年3月2日—3月31日，完成毕业论文雏形，并定期向指导教师汇报进度，听取指导教师的意见和指导。 2012年4月1日—4月20日，根据《中国地质大学长城学院毕业设计（论文）撰写规范》，完成论文终稿撰写，整理相关表格资料。 六、预期结果： 通过对汽车发动机电子节气门的研究与应用的讨论，在全面掌握电子节气门的基本原理、性能特点的同时，深入研究汽车发动机电子节气在环保与节能方面的实际应用。预计本论文课题在12000字左右，给大家阐述汽车发动机电子节气门系统的介绍和对系统较全面的分析与建模。达到我们与其想要的结果。 七、参考资料： [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,(04) [2] 杜开明, 秦大同, 刘振军, 姜凤翔, 丁锐. 电子节气门仿真控制[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2005,(04) [3] 陈华, 王耀南, 孙炜, 杨辉前. 基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J]. 计算技术与自动化, 2005,(02) [4] 王仁义. 奔驰S500冷车自动加速[J]. 汽车维修技师, 2005,(04) [5] 张汉斌 , 张荣兵. 奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J]. 汽车与配件, 1999,(45) [6] 陈华, 王耀南, 夏阳, 杨辉前. 基于自整定模糊PID的电子节气门控制[J]. 仪器仪表用户, 2005,(01) [7] 李雪飞, 凌永成. 基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计[J]. 微计算机应用, 2005,(01) [8] 陶国良, 郭连. 电子节气门技术的发展现状及趋势[J]. 车用发动机, 2003,(04) [9] 陶国良, 郭连, 刘昊, 万里军. 电子节气门变结构滑模控制及仿真与试验[J]. 内燃机工程, 2005,(03) [10] 尹叶丹, 程昌银, 全书海. 基于DSP的电子节气门控制器的研制[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版), 2003,(05) 指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见： 审查结果： 同 意□ 不 同 意□ 教研室主任签名： 年 月 日 文献综述 系 别： 工程技术系 专 　业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 2012年2月10日 汽车发动机电子节气门控制系统设计研究 前言 节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性并减少排 放污染,推出了各种控制良好的电子节气门及其相应电子控制系统,组成电子节气门控制系统(ETCS)。由于ETCS的优越性, 世界上越来越多的大型汽车制造公司开始采用ETCS。传统机械式节气门面临着被电子节气门所取代的趋势。与传统的机械式节气门相比,电子节气门取消了与油门踏板的刚性连接。它能够结合驾驶员意图和发动机当前运行工况, 计算出最合适的节气门开度,通过驱动无刷直流电机,带动节气门盘片到达目标开度。采用电子节气门能有效提高发动机的动力性和经济性。节气门中存在复位弹簧扭矩, 摩擦力矩等非线性因素,并且长期使用后节气门参数会发生变化, 所以节气门是一个变参数的非线性系统。采用传统的PID控制方法,需要加入复杂的变参数算法以及补偿算法,而且带来了大量的参数标定工作。因此, 寻找一种简洁高效的控制算法是开发电子节气门控制系统的一个关键。 1. 国外汽车发动机电子节气门的研究现状 电子节气门在国外发展较早，已有20多年的历史，产品已大规模投入市场。电子节气门作为发动机进气控制系统的下一代产品，国外的研究试验得到大力发展，并口趋成熟。电子节气门在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制;驱动由步进电机到直流电机;从先前为单一提高驾驶性能到现在为提高发动机的经济性、排放性及乘驾舒适性等多项综合性能，集成了多种控制功能;采用冗余设计(配备功能相同的兀件并相互检测，防止信号及功能失误产生故障)和系统故障检测与失效保护等。 Delphi开发出第二代ETC控制系统，主要用十大排量汽车上。与第一代系统不同，第二代ETC的处理器集成十发动机ECU中，并采用一个单独的微处理器监测ETC主要输入信号及主ECU是否正常工作。第二代电子节气门集成了几项独特的驾驶性能，如改变车辆对加速踏板响应的灵敏度;驾驶模式选择(正常模式，动力模式，雪地模式);对海拔高度地补偿;发动机最高转速及车速控制等。 Bosch推出了新的发动机管理系统，实现了基十转矩控制的控制策略。该系统集成了电子节气门控制系统，发动机ECU接收各个传感器采集到的信号，同时接收加速踏板模块的输入信号，经过微处理计算后输出控制信号驱动电子节气门。系统中有专用的检测模块对电子节气门进行检测和I故障诊断，提高了安全性和可靠性。 电子节气门位置传感器电位计随着节气门阀频繁运动，处在高温振动的工作环境中，其精度可能会因为机械磨损下降。英飞凌(Infineon)开发出了一种电子节气门，采用非接触型节气门位置传感器，并进一步将节气门驱动芯片华成干节气门体内。 2. 国内汽车发动机电子节气门的研究现状 国内近年来在捷达、宝来、波罗等轿车上广泛采用了引进的电子节气门。但对十引进的电子节气门只是处十使用阶段，对其核心技术知之甚少。国内的电子节气门控制系统的研究远远落后十国外，只有关十电子节气门结构探讨、实现功能等综述性报道。目前清华大学、北京理工大学等几家单位进行过控制系统设计方面的研究。 清华大学李雅博等人设计出了一种电子节气门控制系统。控制制器以摩托罗拉的单片机MC68HC912DG 128A为核心，用MC33186作H桥驱动芯片。测试系统向节气门控制器发送目标开度值，控制节气门完成动作，同时记录并分析实际控制效果。在该控制系统硬件电路中，需要单片机产生两路PWM分别控制MC33186的IN1和IN2，以分别控制电机的正转和反转。因此，系统需要复杂的控制算法保证两路PWM信号的配合，以避免电机与电源短路，控制的灵活性降低，控制难度加大。节气门控制单兀没有与发动机管理系统有机结合起来，节气门的目标位置由测试系统给定，只能用于试验研究，与国外控制系统相比显然有明显的差距。 3.总结 电子节气门控制运用电驱理念，一方面它精确控制进气量，可以提高发动机动力性、经济性，减轻排放;另一方面，通过它对汽车动力系统的功率控制来提升驾驶性能，比如安全、平顺性等。因此，电子节气门己成为汽车发动机完全电控的一个非常重要的功能模块。并与发动机管理系统有效的结合，发挥电子节气门控制系统在发动机管理系统中的作用，从而实现发动机性能的优化，具有重要意义。 4.参考文献： [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,(04) [2] 杜开明, 秦大同, 刘振军, 姜凤翔, 丁锐. 电子节气门仿真控制[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2005,(04) [3] 陈华, 王耀南, 孙炜, 杨辉前. 基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J]. 计算技术与自动化, 2005,(02) [4] 王仁义. 奔驰S500冷车自动加速[J]. 汽车维修技师, 2005,(04) [5] 张汉斌 , 张荣兵. 奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J]. 汽车与配件, 1999,(45) [6] 陈华, 王耀南, 夏阳, 杨辉前. 基于自整定模糊PID的电子节气门控制[J]. 仪器仪表用户, 2005,(01) [7] 李雪飞, 凌永成. 基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计[J]. 微计算机应用, 2005,(01) [8] 陶国良, 郭连. 电子节气门技术的发展现状及趋势[J]. 车用发动机, 2003,(04) [9] 陶国良, 郭连, 刘昊, 万里军. 电子节气门变结构滑模控制及仿真与试验[J]. 内燃机工程, 2005,(03) [10] 尹叶丹, 程昌银, 全书海. 基于DSP的电子节气门控制器的研制[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版), 2003,(05) 摘 要 社会需求、法规推动和电子技术的进步，推动了现代汽车电子技术的飞速发展;电传线驱技术则是其最主要的方向之一。电子节气门控制是汽车动力控制系统中的一部分，它对于汽车的功率和驾驶控制有着非常重要的作用。本文首先对电子节气门系统进行了全面的介绍，然后进行了电子节气门系统的建模、控制器设计和基于模型的系统实时控制软件生成，最后进行了实时控制试验。 全文 企业安全文化建设方案企业安全文化建设导则安全文明施工及保证措施创建安全文明校园实施方案创建安全文明工地监理工作情况 共分五部分: 首先要回顾了汽车电子控制技术的发展历程，然后从发动机电喷系统中引出了电子节气门的由来、发展及目前的产品，最后叙及了本课题的提出及主要内容。 其次在研究节气门体结中得到其图形模型，分析了节气门体中各运动部分的特性，包括进气流量、传感器模型、弹簧扭矩模型、摩擦力分析及其模型、齿隙冲击分析、进气扰动对扭矩的影响，电机电枢电路模型。并由此建立系统的数学模型,最后进行了系统辨识，得出了系统部分参数。 再次在机电控制系统中，最通用的控制器是PID控制器，在长期应用中积累了丰富的经验，是连续控制系统中技术成熟，应用广泛的一种控制器。PID控制器分为模拟PID控制器和数字PID控制器，由于系统采用单片机进行控制，本文在进行系统设计时采用数字PID控制算法。 再次对电子节气门控制系统的功能分析，对电子节气门控制系统的硬件电路包括控制芯片模块、输入模块、输出模块和通信模块进行了详细的阐述，并设计了基于磁阻传感器的角位移测量系统。 最后是对课题内容的总结。 关键词 电子节气门，电控系统，变结构滑模，控制算法，硬件系统 Abstract Auto electronic control has made rapid progress by more requirements of the society, pending tougher emission standards and the developments in electronics, and Drive-by-Wire is one of the most important technologies. ETCS (electronic throttle control system) is one part of the powertrain control system, it plays a very importantrole in powertxain control. This thesis firstly introduced the ETCS, then modeled and simulated its dynamics and electrics characters in Matlab/simulink/stateflow, and the model based embedded software code isgenerated, then test is curried out in the real-time workshop. The whole thesis consists of six sections. Riefly states the ETC technique developing-history, features, the current application situation and products, and then points out the significance of the thesis and the main content of the research work. Analyzes the dynamics of each part of the throttle body, including pneumatics, spring torque, friction etc, and then deduces mathematical model of ETCS. And system identification is also done using the toolbox of Matlab. In the mechanical and electrical control system, the most universal controller is a PID controller, the parameters of PID controller is easy to set, in the long-term application has accumulated rich experience, is in continuous control system technology is mature, widely used as a controller. PID controller for analog PID controller and digital PID controller, the system uses a single chip control, the system used in the design of digital PID control algorithm. Again on the electronic throttle control system function analysis, the electronic throttle control system hardware circuit comprises a control chip module, input module, output module and a communication module in detail, and the design of the magnetoresistive sensor based on the angular displacement measuring system. Finally on the subject content summary. Key Words: electronic throttle control; ECU; variable structure sliding-mode control; Control Strategy; Hardware System 目 录 11绪论 11.1汽车电子技术 11.2发动机电子控制 21.3电子节气门 21.3.1节气门特性 31.3.2电子节气门的优点 31.4课题的提出及主要内容 42系统建模 42.1系统组成原理 42.1.1系统硬件 42.1.2系统原理 42.2系统数学建模 42.2.1节气门体机构 52.2.2进气流量分析 62.2.3传感器建模 72.2.4弹簧扭矩分析 72.2.5摩擦力分析 82.2.6齿轮传动及齿隙影响 82.2.7进气气流的影响 82.2.8电机电路方程 92.2.9模型建立 92.3系统参数 113 ETC系统控制策略的研究与实现 113.1数字PID控制算法介绍 113.2数字PID控制参数的确定 123.3数字PID控制器设计 133.4模糊PID控制算法仿真与实现方法研究 133.4.1 PID控制与模糊控制的比较 133.4.2模糊PID控制仿真分析 133.4.3模糊PID控制实现方法研究 153.5直流电机控制的实现 153.5.1直流电机等效电路分析 163.5.2直流电机PWM驱动原理分析 173.6本章小结 184 ETC硬件系统设计 184.1 ETC硬件设计与方案设计 184.1.1硬件单元设计要求 184.1.2硬件单元总体设计 194.1.3硬件控制芯片选型 194.2电源模块电路设计 204.3角位移信号采集功能设计 204.3.1模拟信号调理电路设计 214.3.2 A/D转换芯片介绍 214.3.3 A/D转换电路的设计 224.3.4 A/D转换器电路板设计注意事项 224.4执行控制模块 234.4.1逻辑控制电路 244.4.2 MOSFET驱动电路 254.4.3 H桥电动机驱动电路 264.5通信模块设计 264.5.1 CAN总线通信电路 274.5.2 RS232串口通信电路 274.6非接触式角位移测量方法的研究 274.6.1磁阻式角位移传感器原理 284.6.2磁阻式角位移传感器测量系统结构 284.7本章小结 295总结 295.1总结 30参考文献 31致 谢 32附 图 1绪论 1.1汽车电子技术 随着汽车保有量的不断增多，导致石油能源消耗的急剧增加，引起能源枯竭，油价上扬;汽车排放的大量尾气造成环境污染问题等问题。汽车制造商不得不改进制造技术，开发新材料等，来减缓这些问题。由于机械控制系统特性限制，使用传统办法已经不能使汽车性能得到明显的改善和提高。至此，要使汽车的性能跟上时代的脚步，采用电子控制技术成为必然趋势。将电子控制和传统的机械技术相结合，使得各方面问题均能得到很好解决。 1.2发动机电子控制 发动机控制主要包括:空燃比控制、点火正时控制、废气再循环控制、怠速控制、爆震控制、冷起动和加速加浓控制、自诊断功能等。其系统构成如图1-1所示 SHAPE \* MERGEFORMAT 图1一1发动机电子控制系统构成框图 影响汽车发动机性能两个主要因素是:燃烧前点火时刻和可燃混合气的空燃比。汽车电子控制技术开始于发动机点火控制;电控燃油喷射系统(EFI)以其精确空燃比控制逐渐取代化油器，电控燃油喷射系统相对于化油器优点如下： (1)易于起动发动机且起动时间短。系统设有冷起动喷油器，故可改善低温起动性能。 (2)动力性强。采用EFI后，发动机进气可不必预热，可吸入密度较大冷空气，同时进气歧管阻力减小，所以充气系数升高。热效率和充气系数提高，使发动机输出功率提高。 (3)加速性能好。由于汽油是直接喷射到发动机进气阀处，混合气经过的路程短，因此反应灵敏，减少了滞后现象，从而加速性能得到改善。 (4)耗油量低，经济性好。EFI系统能实现空燃比高精度控制。因为汽油是在一定压力下喷出，燃油雾化品质好，且喷油量是精确控制的，混合气空燃比为最佳值且各缸分配均匀;下坡时可以完全不喷油，发动机对空气压缩，所以降低燃油消耗量了。 (5)减少污染。EFI系统分别控制汽油量与空气量，精度很高，能保持所需最佳空燃比。 (6)整个系统体积小，安装灵活方便。可得最大功率和净化排气且节约能源、降低排污。 1.3电子节气门 1.3.1节气门特性 早期节气门为了调节汽油机的充气量，在化油器腔体上设置节流装置，由杠杆、钢丝拉线与油门踏板相连。常见为蝶形阀门，又称节气门。从化油器到电喷系统得描述如下: 当节气门在关闭状态时，进气腔道不通，发动机不进气，也不工作。随着节气门逐渐开大，进气通道面积增大，空气进入气缸的进气量逐渐增大。当节气门开启到垂直位置时，通道面积到最大。可见，发动机的进气量，随着节气门开度的变化而得到调节，对汽油机而言，就调节了汽油机的输出功率(汽油机的进气量也与其转速有关，转速越高进气量越大)。在节气门开启的过程中，通道面积和节气门开启的角度之间为非线性关系，如图1-3所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图1-3节气门流量特性 如果对节气门开启角采用线性控制，当节气门开启角度到一定大进气量时，再增大节气门开启角度，汽油机发出功率将不再明显增大，只有混合气被加浓时，汽油机功率才增大，如此损失了燃油经济性。可见气门必须采取非线性控制。 试验证明，在节气门接近全开时，混合气流量越大，吸入空气流脉动振动振幅及气流反喷现象也越是增大，因而引起空气流量减少，使用化油器发动机混合气变浓。节气门部分开启时(以节流状态工作)，由于蝶形阀阻抗特性，混合气有较大的偏流现象，这将造成多缸汽油机各缸混合气分配不均，工作程度不同，这是化油器供油系统被取代的重要原因。 1.3.2电子节气门的优点 电子节气门控制的优点可以概括为： (1)节气门开度的精确控制。在普通节气门体上、节气门的开度由加速踏板的踏下量来控制;而ETCS根据发动机ECU对应于驾驶状况来计算出最佳的节气门开度，并利用气门控制电机来控制节气门的开度。 (2)汽车整个控制系统结构简化。ETCS可同时控制怠速控制系统、巡航控制系统和车辆稳定控制系统，使车辆结构大大简化。 (3)具有更高的可靠性。ETCS为确保车辆行驶的可靠性，节气门平衡位置处于一个微小开度，当ETCS出现异常或不能工作时，发动机仍可运行。有的ETCS则提供了一个双重操纵系统，在此情况下系统可被切断，仍由加速踏板缓慢操纵汽车行驶。 1.4课题的提出及主要内容 汽车工业作为我国重点发展支柱产业之一，掌握先进汽车电子控制技术，提高汽车性能势在必行。电传线驱( Drive-by-Wire)理念己得到广泛的重视、研发与应用。所谓电传线驱，是把钢缆、杠杆等机构机械动作改为通过电线(Electrical Wire)传输的电子信号驱动电机动作。采用电驱控制，信号传输精准，电机动作迅速，可进行反馈控制和补偿;没有机械磨耗问题。汽车上现有配备皆可简化，重量可减轻，对汽车设计、油耗表现都有正面功效。 电子节气门控制系统(Electronic Throttle Control System)正是采用电驱控制，称为电驱油门(Throttle-by-Wire )。老式汽车节气门控制，是在踏下加速踏板之后，经由连杆拉动钢缆而控制节流阀，脚踩得愈深，钢缆拉动的幅度愈大，节气门开启的角度也就愈大，进气愈多、喷油量也就跟着增多，加速就会增快。随电子技术的快速进步，传统机械控制、液压控制技术相对来说，都比不上电子控制快速与精准，在配合上就会有些滞后，造成反应不够迅速与直接;且钢缆式控制机构有机械磨耗问题，使用时间越久，控制就会越不精准。节气门控制改成电驱后，当脚掌踩下加速踏板时，其实是在传送一个信号，传送一个油门踩踏深浅与快慢的信号，这个信号会被发动机管理系统接收和解读，然后根据信号进行相应调整，再发出控制指令要节气门快速或缓和开启它应当张开的角度。 国外对电子节气门控制系统(ETCS)研究已有二十来年历史，制造商产品己开始大规模投入市场，已经推出了新一代的电子节气门产品。国内企业中还没有能够进行产品生产的能力，在这方面的研究工作也尚属起步阶段， 由于节气门开启角度的大小决定了进入发动机进气歧管的进气量，从而决定了发动机的输出功率;对进气量的精确控制即空燃比控制也决定了燃烧的好坏，即决定燃油经济性与排放性，因而节气门的控制策略最为关键。在所找到的对节气门的资料中，多是对电子节气门运动的控制策略研究上;根据不同的控制理论及算法，得到了不同的控制方法。 本文在前人研究的基础上，根据PID控制算法，设立了数字PID控制器;根据变结构理论及滑模控制理论，设计了变结构滑模控制器。 2系统建模 2.1系统组成原理 2.1.1系统硬件 通常电子节气门系统主要硬件如图2-1所示，包括踏板、节气门体和控制器。 图2-1电子节气门控制系统硬件 1一加速踏板2一节气门体3一控制器(接口及控制芯片) 2.1.2系统原理 电子节气门控制系统ETCS (Electronic Throttle Control System)是发动机管理系统(Engine Management System)中的一部分，负责进气控制。图2-2给出了第二代ETCS控制示意:加速踏板给出一个基本的节气门转角信号，节气门体中反馈回节气门位置信号及电机电流信号，其他传感器送来各种工况信号，它们输入发动机电控单元(ECU)，经过调整、补偿后，输入节气门控制处理器， 图2-2电子节气门控制系统 2.2系统数学建模 2.2.1节气门体机构 系统建模部分主要是针对电子节气门体建立相应数学模型 图2-3节气门体示意 电子节气门体的结构示意如图2-3。其组成为:直流电机、减速齿轮、节气门位置传感器、回位弹簧。 对于给定电子节气门体中，节气门在电机驱动力、弹簧回复力及摩擦力(粘性摩擦力和库仑摩擦力)作用下转动(其中减速齿轮传动系对系统的影响不大)。为便于分析运动机构，将系统各部分简化，可得如图2-4所示模型: 节气门在转动过程中，受到弹簧回位转矩、阻尼力矩、粘性摩擦力矩、电机驱动力矩及进气扰流产生的不平衡力矩的作用，存在不确定非线性因素的影响。 图2-4节气门体运动结构示意 2.2.2进气流量分析 据稳定流动的连续性方程，得进气流量: 公式（2-1） 假定比热为定值，流动过程可逆，根据能量守恒，又因为气体流动视可以为绝热过程，由C/2=△h=Cp△T,则有: 公式（2-2） 所以可以得出： 当 时，为亚临界流动： 公式(2-3) 当 为超临界流动： 公式(2-4) 实际流量与理论流量的差异，可以由流量系数来补偿。但因为不稳定流动的动态模拟比较困难，刀一般是用稳定流动实验确定，并且产值变化范围较大，从0.5到1.25左右，所以测得值也并不很准确，本森的研究表明，动态流量系数比静态流量系数要小一些。 有资料做了有效流通面积方面研究，涉及抽象复杂数学模型，本文不进行深入探讨了。 2.2.3传感器建模 踏板和节气门位置传感器都是两个电位计，如图2-5，图2-6所示，采用两个是出于安全可靠性而进行的冗余设计。电位计输出信号与其相应的位置成线性关系。 图2-5 踏板机构 图2-6 节气门位置传感器示意图 以节气门位置传感器为例，进行传感器模型设计。传感器数学模型如下: 公式（2-5） 公式（2-6） 电位计输出信号TPS的电压在0.5-4.5伏之间变化，而节气门位置相应在0- 90度之间化。其中一传感器信号TPS，电压随角度增大而从0.5到4.5伏，而另一传感器信号TPS2电压则相反，从4.5到0.5伏变化，但任何时候，两者之和总等于传感器加载电压5伏，这就便于两传感器信号之间的相互监测。 2.2.4弹簧扭矩分析 弹簧作用示意见图2-4所示，节气门转动分别受到两个扭矩弹簧单独作用。 节气门进行逆针旋转，当转角θ大于平衡位置所在转角90度时，节气门轴受到弹簧K的作用，K使节气门回复向平衡位置，而在转角回复到θ=θo时节气门轴上一活块被平衡位置挡块挡住，此时节气门轴受到的扭矩为K = K1θo。在θ>θ0时，节气门受到扭矩即为： 公式(2-7) 同理，当转角小于θ时，节气门轴受到弹簧K2的作用而使节气门回复向平衡位置，在回复到θ=θo时亦被平衡挡块挡住，此时节气门轴受到的扭矩为K=-K2θo;在θ<θo时，节气门受到的扭矩为: 公式(2-8) 令Ks=K1=K2，则总的弹簧扭矩可以为： 公式(2-9) 弹簧扭矩用曲线表示，如图2-7在越过平衡位置时，弹簧扭矩具有突变性，如图所示。 图2-7节气门弹簧扭矩 2.2.5摩擦力分析 1866年，Reynolds在静摩擦、库仑摩擦模型的基础上引入粘滞摩擦的概念，从而形成了广泛使用的“静摩擦+Coulomb摩擦+粘滞摩擦”的模型。如图2-9所示。 图2-8静摩擦和库伦摩擦 图2-9静摩擦、库伦摩擦和粘滞摩擦 尽管本系统中受到的摩擦力也十分复杂，为混合摩擦，根据其对系统的影响，对Stribeck摩擦及摩擦力的时间依赖性不用作深入探讨，在此加以忽略。 采用经典的“静摩擦+库仑摩擦+粘滞摩擦”模型，可得: 公式(2-10) 2.2.6齿轮传动及齿隙影响 节气门体中的动力传动采用闭式齿轮传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度。它的的主要优点有:体积小，传动效率高，工作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧凑。所用的齿轮为塑料齿轮，具有重量轻，摩擦小等特点。 其中驱动电机转速为4000-5000转/秒，传动的减速比为20:1。 2.2.7进气气流的影响 空气流经节气门时，由于其结构的不对称，使得节气门叶片两边的压力分布不同，从而产生不平衡力矩，其大小与节气门形状、开启角度及压差有关。 空气阻力矩主要是节气门转角、内外压强比的函数。节气门开度越大，压差越大，则产生的阻力矩也越大，可表示为: 公式(2-11) 其中，△P为节气门内外压力差。Ф(θ)为与节气门角度、节气门形状、当地雷诺数等有关的函数。可采用函数拟合方法得到。由于本论文中进行的是硬件仿真试验，节气门并没有受到发动机进气气流的冲击，所以在设计中和试验中都忽略了其影响。 2.2.8电机电路方程 图2-10直流电机示意图 节气门驱动电机为永磁直流电机，其等效电路见图2-10，据基尔霍夫定律，建立方程: 公式(2-12) 其中 2.2.9模型建立 分析研究可知：节气门轴上的总惯量为J，总阻尼为B，则: 公式(2-13) 公式(2-14) 其中有: 据牛顿第二运动定律，在节气门轴上建立方程为: 公式(2-15) 因此系统总的数学模型为 公式(2-16) 2.3系统参数 系统数学模型中的参数值和变量值的获得，一些可以测量，一些则需要试验和辨识计算。系统中的一些重要参数，如节气门直径，节气门平衡位置角度，电源电压，电机电阻和电感等，其静态值可以直接测量，测量值如下: 表2-1静态值测量数据 参数 测量值 节气门直径 60mm 平衡位置角度 14° 电源电压 14v 电源内阻 0.5Ω 电机内阻 2.0Ω 电机电感 1.0mh 传感器电压 5V 传动比 20 对于其他的一些动态参数，如节气门转角，直流电机电流可以通过传感器测得，而像粘性摩擦系数，节气门角速度等则可以通过PID控制试验，并据己知的参数大致计算出来。 根据式2-16，并忽略电感的影响，即令L=0，则有: 公式（2-17） 其中： 公式（2-18） 故得： 由式2-21，忽略进气流动的影响，有: 公式（2-19） 故： 上式中运动系统总的转动惯量J包括节气门，齿轮传动部分，和电机的转动惯量;它与这些部分的密度，几何形状及传动比有关;电机常数Kt可通过策略电机的电流与其产生的扭矩之间的关系来确定，也可以通过测量电机的感受电动势来确定。Ks, K即弹簧扭矩系统通过节气门转角与其产生的扭矩即可确定。库仑摩擦系数Kf和粘滞摩擦系数Kd。的比较难于获得。我们可以根据已经得到的参数，在节气门运动的线性区域，进行相同速度的恒速逆时针和正时针运动试验，根据库仑摩擦力大小只与速度方向有关的特性，可以计算出库仑摩擦系数Kd。进而可以计算出粘滞摩擦系数Kd。 结合资料可知有以下数据： 表2-2系统参数数据表 系统参数 计算值 转动惯量J 5.0e-5kg 弹簧系数 19.5e-3N*m/rad 弹簧扭矩补偿系数 0.05N*m 库伦抹茶系数 7.0e-.N*m 粘性抹茶系数 5.0e-6N*m*s/rad 电极常数 11.9e-3N*m/A 3 ETC系统控制策略的研究与实现 3.1数字PID控制算法介绍 PID控制系统原理如图3-1所示 图3-1 PID控制系统原理框图 在采样时刻t=iT，可得数字PID控制算法如下: 公式（3-1） 数字PID控制算法按数值逼近原理近似计算，只要采样周期T足够小，就可以计算得相当精确，使被控过程与连续过程十分地接近。上式中参数U;为执行机构的位置，因此又称为位置式PID控制算法。 3.2数字PID控制参数的确定 在PID控制器设计中，三个基本参数的确定非常关键，这三个参数的作用是: (1)比例控制:是按比例反映系统实际值与目标值的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差; (2)积分调节:是使系统消除稳态误差，提高无误差度; (3)微分调节:微分调节具有预见性，能预见其趋势，因此能在偏差还没有形成之前，将其消除。 在系统设计中，PID的控制对象是节气门阀的开度。系统周期地采集油门踏板角位移传感器信号和节气门角位移信号，二者之间存在一个偏差e(t)，系统根据偏差e(t)，通过PID控制算法调节占空比驱动直流电机，从而实现系统的精确程制。 PID的三个基本参数Kp, Ti, Td在工程上一般通过凑试法或通过实验及经验公式来确定。为了减小单片机运算量提高运算速度，通常放大2n整数倍的方法确定这些参数，在运算中再除以2n的整数倍。 (1)首先只加入比例部分。将比例系数Kp由小变大，并观察相应的系统响应，直至系统性能指标满足要求为止。 (2)若静差不能满足要求，需要加入积分环节。首先取较大的Ti值，略降低Kp(如为原值的0.8倍)。然后反复调整Ti和助，逐步减小Ti;直至系统有良好的动态性能，且静差得到消除为止。 (3)若经反复调整，系统动态过程仍不满意，可加入微分环节。首先置Td为0逐步增大Td，同时也反复改变Kp和Ti三个参数反复调整，最后得到一组满意的参数。 3.3数字PID控制器设计 为便于计算机控制的实现，将模拟PID算式离散化。 取T为采样周期，设k为采样序号，k=0, 1, 2,...j...k，用一阶差分代替微分，累加代替积分，将模拟PID调节器的输出算式离散化为差分方程。因采样周期T相对于信号变化周期是很小的，可令:u(t)≈u(k) , e(t)≈e(k) , 固有： ， ，于是，有： 公式（3-2） 即： 公式（3-3） 采用应用广泛的增量PID算式，将公式（3-3）转化可得： 公式（3-4） 将公式3-3和公式3-4相减并整理可得增量形式： 公式（3-5） 变形形式可为： 公式（3-6） 或写成： 公式（3-7） 其中： ， 设预期节气门位置角度为 ，实际节气门位置角度为θ，则有偏差信号： ，于是可得控制信号： ， 公式（3-8） 3.4模糊PID控制算法仿真与实现方法研究 3.4.1 PID控制与模糊控制的比较 由于电子节气门控制系统的电机驱动传动机构和节气门阀回位弹簧导致的系统非线性，使得PID控制算法不能完全满足电子节气门控制系统的控制需求。由系统小开度到大开度阶跃响应试验可以看出，PID控制所确定的参数在节气门开度大时控制效果较好，在节气门开度小时控制效果稍差。 模糊控制同PID控制算法相比，模糊控制在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，对被控对象特性参数的变化具有很强的适应性，适合对难以建立被控对象数学模型的复杂系统进行控制。 3.4.2模糊PID控制仿真分析 传统PID控制和模糊PID控制效果进行仿真对比。节气门体直流电机数学模型选取具有两个惯性环节的实用直流电机模型，电压与转速的传递函数为: 公式(3-9) 其中，Ce为反电动势系数;Tm为机电时间常数;Td为电枢回路电磁时间常数。 首先建立PID控制器仿真模型和模糊PID控制器仿真模型。建立PID控制器模型、模糊控制器模型和模糊PID控制器仿真模型。由于仿真系统采用的传递函数与实际控制系统之间存在差异，故不能使用实际控制系统所调PID参数作为仿真系统参数;仿真参数和结果只能对PID控制和模糊PID控制的比较作理论说明。 由以上研究可知道，理论上模糊PID比传统PID上升时间、调节时间和超调量都要小，使用参数自整定模糊PID控制节气门性能有所改善。在仿真的基础上本课题对模糊PID实现方法进行了研究。 （其传统PID控制与模糊PID控制仿真框图和传统PID与模糊PID控制阶跃响应曲线比较图见附图3-6和3-7） 3.4.3模糊PID控制实现方法研究 模糊PID控制系统原理如图3-2所示。 图3-2模糊PID控制系统框图 在模糊PID控制算法中，模糊推理部分根据误差、误差变化率模糊化后的模糊量E, EC，由模糊控制规则推理得到PID三个控制参数的增量△Kp, △Ki, △Kd，再根据逆模糊化的方法得到△Kp, △Ki, △Kd的精确量，修改PID控制器的参数，进而控制被控对象。 根据修改参数方式的不同，PID参数自组织模糊控制器分为两种。 (1)模糊PID控制器输入输出量的选取 根据节气门体总成的组成结构可知，节气门阀的开度和转动的速度反映了节气门执行器运动的全部特征信息，因此选取节气门开度的给定值(油门踏板角位移)与实际转角的测量值(节气门角位移)的偏差e及其变化率ec作为模糊控制器的输入变量，其输出变量分别为PID控制器的三个参数的增量值△kp, △Ki, △Kd。 对于PID部分来说，可以将节气门开度的给定值(油门踏板角位移)与实际转角的测量值(节气门角位移)的偏差e, PID控制器的三个参数的增量值△kp, △Ki, △Kd作为输入量，将PWM占空比作为输出量。 (2)隶属函数及隶属函数赋值表的确定 最常用的隶属函数通常为三角形函数、梯形函数或正态分布函数，故隶属函数采用正态分布，正态分布函数公式为: 公式（3-10） 正态分布函数μ(x)在参数a确定的情况下，λ的大小影响着隶属函数曲线的形状，同时对控制效果影响较大。λ大，隶属函数的宽度宽，则模糊集合的分辨率低，控制灵敏度低，控制特性较缓慢; λ大，隶属函数的宽度小时，模糊集合分辨率越高，控制灵敏度也越高。 设计中选取语言变量E和EC的模糊集合论域为[-6，+6]，则E和EC的量化档数分M=13,N=13;经计算洗取误莽e、误筹夺律率ec隶属函数可知，误差e、误差变化率ec隶属函数赋值表如表3-1所示。 表3-1误差e、误差变化率ec隶属函数赋值表 U e、ec -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 E EC PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.4 0.8 1.0 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2 PS 0 0 0 0 0 0 0 0.9 1.0 0.7 0.2 0 0 ZO 0 0 0 0 0 0.5 1.0 0.5 0 0 0 0 0 NS 0 0 0.2 0.7 1.0 0.9 0 0 0 0 0 0 0 NM 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 1.0 0.8 0.4 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 选取△kp, △Ki, △Kd的模糊集合论域为[-7,+7]，则△冲、△Ki, △Kd的量化档数分别为up=15, ui=15, ud=15。 经过计算PID部分三个参数增量△kp, △ Ki, △Kd的隶属函数，我们可知△kp, △Ki, △Kd隶属函数赋值表如表3-2所示 表3-2 △kp, △Ki, △Kd隶属函数赋值表 u △kp, △Ki, △Kd -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 △kp, △Ki, △Kd PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.4 0.8 1.0 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2 0 PS 0 0 0 0 0 0 0 0.4 1.0 0.8 0.4 0.1 0 0 0 ZO 0 0 0 0 0 0 0.5 1.0 0.5 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 0 0.1 0.4 0.8 1.0 0.4 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 1.0 0.8 0.4 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (3)控制规则的建立 系统在不同误差和误差变化率时，PID参数整定规律如下: 当误差绝对值e较大时，为加快系统的响应速度，应取较大KP;为了避免系统在初始时，由于误差的瞬时增大可能出现微分饱和使控制作用超出允许范围，此时取较小KD。 当误差绝对值e适中时，使系统具有较小的超调，应取稍小KP;此KD取值对系统影响较大，所以KD取值要大小适中，以保系统响应速度。增加积分对控制作用，KI取值要适当。 当误差绝对值e较小时，为系统有良好稳态性能，应取较大KP, KI;同时避免系统在设定值附近产生振荡，一般KD为:当绝对值e较小时KD取大些，当绝对值e变大时KD取小些。 3.5直流电机控制的实现 3.5.1直流电机等效电路分析 直流电机等效电路如图3-3所示。 图3-3电机等效电路 等效电路中电流与电压的关系根据基尔霍夫定律可表示为: 公式(3-11) 其中，Ua为直流电机端电压;L为电枢电感;Ra为电枢电阻;Ke为感应电压系数;N为齿轮齿数比;ia为电枢电流;θ为节气门开度。 由上式可知，在电枢电感L和电枢电阻凡固定不变的情况下，电机两端电压与节气门开度变化率成正比关系，通过控制电机两端电压的变化可以间接控制节气门开度变化率。 3.5.2直流电机PWM驱动原理分析 (1)直流电机PWM驱动方式选取 直流电机PWM控制系统分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电机只能单向旋转;可逆系统是指电机可正反两个方向旋转。 ETC控制系统中直流电机在节气门阀打开时必须提供力矩;在节气门阀关闭时分为两种，一种为缓慢关闭，此时复位弹簧提供的回正力矩来实现，另一种为节气门阀迅速关闭，此时电机提供力矩，其方向与复位弹簧提供力矩方向一致，本课题采用可逆PWM控制方法。 (2)受限单极性可逆PWM控制原理 图3-4为受限单极性可逆PWM控制原理示意图。直流电机正转情况下，开关管V1受PWM控制信号控制，向开关管V4施加高电平，使其常开;开关管V2, V3施加低电平，使其均处于截止状态;直流电机反转情况下，开关管V2受PWM控制信号控制，向开关管V3施加高电平使其常开;开关管V1, V4施加低电平，使其截止。 图3-4受限单极性可逆PWM控制原理 现以直流电机正转为例，介绍受限单极性驱动PWM控制系统的特点。直流电机正转情况下，在每个PWM周期的0-tl区间，V1导通，电流沿图3.2所示的虚线1流经电枢绕组，方向为从A到B，直流电机工作在电动状态。在t1 -t2区间，V1截止，电流在自感电动势的作用下经V4和D3形成续流回路，沿图3.2中虚线2，直流电动机继续工作在电动状态。直流电动机正转情况下的输入电压与输出电流波形如图3-5所示。 a输入电压 b输出电流 图3-5电动机正转输出电流波形图 在直流电动机制动情况下，PWM控制信号的占空比减小，使电枢两端的平均电压小于反向电动势。克服;但是由于能够避免开关管同臂直通，可大幅提高系统的可靠性，因此，适用于在大功率、大转动惯量、可靠性要求较高的直流电动机控制。这也是本课题选用受限单极性可逆PWM控制方式驱动直流电机的主要原因。在反向电动势的作用下，电流的线路从A到B，但由于V2处于截止状态，使耗能制动电流通路受到限制，所谓“受限”即由此而来。 受限单极性驱动方式在轻载情况下会出现断流现象，可以通过提高开关频率的方法或改进电路设计 3.6本章小结 本章首先分析了数字PID控制算法、参数的作用及参数确定方法;接着对PID控制和模糊PID控制进行了仿真对比和分析;然后对模糊PID算法及其实现方法进行了详细阐述;最后介绍了直流电机的等效电路和PWM驱动原理，为直流电机控制软件开发奠定了理论基础。 4 ETC硬件系统设计 4.1 ETC硬件设计与方案设计 4.1.1硬件单元设计要求 电子控制单元是电子节气门控制系统的核心部分，为一个多输入单输出的非线性系统，电路结构较为复杂，而且它的工作环境比较复杂，所以其硬件单元应具有以下特点: (1)功能性 满足运算量大、实时性高的系统程序运行需求，使系统具有较快的响应速度;具有足够的接口资源，可以处理从传感器接收的各种信号，并能向执行器输出各种类型的驱动控制信号;具有CAN或其它类型的总线接口，以实现与不同电子控制单元间的信息交互。 (2)工程性 电子控制单元要具有高度的灵活性和可靠性，可以在苛刻的车辆运行环境下工作;具有较强的抗干扰能力，电磁兼容性满足国家及行业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ;控制器温度范围和尺寸满足车用要求;具有调试接口，预留重要信号的测试点及升级和修改的接口。 (3)性价比 在保证ETC能达到各种功能性和工程性要求的前提下，尽量降低系统成本，使系统具有较高的性价比。 4.1.2硬件单元总体设计 电子节气门控制器硬件系统总体结构如图4-1所示，ETC控制器硬件作为ETC控制策略实现的基础，其性能直接影响到ETC系统的综合控制性能。综合考虑电子节气门控制系统的功能要求，ETC控制器硬件系统的设计主要包括以下几个主要内容: (1)控制芯片模块:控制芯片模块主要为单片机最小系统，包括单片机及其工作所必须的电源电路、复位和晶振电路。 (2)输入模块:输入模块主要包括油门踏板位置信号传感器电路、节气门位置信号传感器电路。 (3)输出模块:输出模块主要包括H桥电机驱动电路、LED显示电路。 (4)通信模块:通信模块主要为串口通信电路和CAN总线通信电路。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-1电子节气门控制器总体结构 4.1.3硬件控制芯片选型 控制芯片选型是ETC控制器开发中一个非常关键的部分，ETC控制芯片不仅需要较快的处理速度，而且还要实现高精度的实时控制，故需要具有高速实时计算、高速实时输入和输出、高精度A/D转换、多中断响应等特性。 4.2电源模块电路设计 此次设计的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5V供电电源分开。故本课题中共需两个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4-2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。 a电控单元稳压电路 b传感器稳压电路 图4-2电源稳压电路图 4.3角位移信号采集功能设计 4.3.1模拟信号调理电路设计 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0-5V，而数模转换芯片AD7705输入模拟电压范围为0-2.5 V，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，如图4-3所示。 图4-3油门踏板与节气门位置信号调理电路 （l）传感器信号分压电路的设计 一般分压电路如图4-4所示，为了减小对传感器电源的影响，通常R2, R3的值较大。设位置传感器电阻总的长度为s，电阻为R，任一时刻分压电阻为Rx，长度为x}负载电阻为RL，则有Rx=R x对s。当传感器工作电压为U时，其输出电压为: 公式 (4-1) 由上式可知，当传感器接上负载后，其输出电压Ux与位移x呈非线性关系，只有当RL趋近于无穷时，其输出电压才与位移成正比。为消除非线性误差的影响，在实际使用时，应使RL 远远大于20R，经测量位置传感器总电阻为R=650欧姆，故分压电路电阻选择200千欧。 由分压电路向后传递电压信号时，由于A/D的输入阻抗Ri的值并非无穷大，所以实际输入到A/D转换器的电压为: 公式 (4-2) 其中，R3·为R3与A/D内阻并联电阻值，若A/D的输入阻抗和R3接近，将给测量带来较大误差，故在分压电阻与A/D之间加了一个由运算放大器LM324组成的射极跟随器，由于射极跟随器的输入阻抗近似无穷，对R3影响不大，可有效解决问题。 （2）模拟信号滤波的设计 电子节气门控制系统在工作时对测试数据的精度要求很高，而模拟信号的抗干扰性差，在车辆恶劣的使用环境中经过较长的数据线传输很容易混入各种干扰信号，尤其是一些高频干扰信号，因此A/D转换器在对模拟信号进行处理之前和单片机处理A/D转换结果时，必须进行滤波处理。本课题采用硬件滤波和软件滤波相结合的方一法。 模拟信号硬件滤波设计:硬件滤波采用电容滤波，在分压电路与射极跟随器之间并联一个0.1 uf的小电容。由于电容对高频信号来说相当于开路，当系统存在高频干扰信号时，高频干扰信号通过电容电路连接到地，信号采集电路只允许低频和连续电压信号通过。经过电容滤波电路，基本可以滤除系统中的高频干扰。 模拟信号软件滤波设计:软件滤波设计主要是在应用程序中采用去极值求平均值的方法，即每次取N个A/D值，去除其中的最大值和最小值而取剩余的N-2个A/D转换值的平均值，为了计算方便及减少A/D转换等待时间，一般N值取4。采用去极值平均滤波法对随机干扰信号和周期干扰信号抑制效果较好，适合系统的实际需要。 4.3.2 A/D转换芯片介绍 AD7705是16位△型2路A。转换器，具有分辨率高、动态范围广、自校准、低功耗及优良的抗噪声性能等特点，非常适合用于工业控制领域。它包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路及可编程数字滤波等，能直接对来自传感器的微弱信号进行A/D转换。放大器的增益倍数和输出数据更新速率可编程选择，输入通道为差分模拟输入通道，在车辆比较恶劣的环境下能够大大提高输入信号的抗干扰能力，适合在嵌入式控制系统中应用。 AD7705共有8个片内寄存器，分别为通信寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据寄存器以及几个测试和校准寄存器。这些寄存器的任何操作都必须先写通信寄存器，然后才能对其它寄存器进行操作。 第一个寄存器是通信寄存器，通信寄存器是一个8位读/写寄存器，AD7705上电复位后，通信寄存器处于等待状态，通过对通信寄存器进行写操作，决定下一次读/写操作在哪一个寄存器上进行，也即在对除数据寄存器外其它的寄存器(包括通信寄存器本身) 进行读或写操作前，必须首先写通信寄存器，完成对所选寄存器的读/写操作后，该端口等待下一次写操作，这也是通信寄存器的缺省状态。数据寄存器只能进行读操作，不能进行写操作。 时钟寄存器中CLK位在不同的主时钟频率下置“0”或“1"，本设计中数模转换芯片时钟晶振采用标准的2.4576MHz晶振。 设置寄存器是一个8位读/写寄存器，通过对设置寄存器进行写操作，可以设置芯片工作在正常模式、自校准模式、零标度系统校准模式还是满标度系统校准模式。同时可以选择1,2,4,8,16,32,64,128八种增益模式。 数据寄存器是一个16位只读寄存器，用来存放最新的转换结果。 这是必须用到的四个寄存器，测试寄存器、零标度寄存器和满标度寄存器用户一般不用。 AD7705器件在数模转换时，可以通过软件设置进行通道1和通道2的选择，在实际应用中需要对不同通道采取不同的增益时，可以通过软件对设置寄存器进行写操作来动态的对通道和增益进行设置。 4.3.3 A/D转换电路的设计 课题设计采用一片AD7705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转换器的复位引脚和片选信号引脚也接到单片机。在三线制连接方式时，通过采用硬件监控DRDY(转换完成)引脚的状态来判断寄存器是否被更新，DRDY引脚的输出与通信寄存器的DRDY(寄存器第一位)位同步，DRDY引脚一旦变成低电平，表明数据寄存器的数据已经更新，可以读取。通过将DRDY输出引脚接至单片机的外部中断引脚INT 1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引脚为高电平，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4-4所示。 图4-4 A/D转换电路图 由于P89C668单片机没有SPI总线，故SCLK, DIN, DOUT引脚接单片机上的普通输入输出口，通过软件模拟SPI的工作方式来对A/D转换芯片的寄存器进行操作。RESET, DREDY分别为AD7705的复位脚和转换完成标志脚，分别接单片机，并采用软件查询的方式读取转换结果;IN2+, IN2-, IN1+, IN1一分别接油门踏板和节气门角位移传感器的分压滤波电路。 AD7705的转换基准电压由AD780提供，基准电压为2.5V。 4.3.4 A/D转换器电路板设计注意事项 AD7705转换器是高精度模拟转换器，对抗干扰的要求较高。设计时须注意: (1)模拟部分和数字部分分别采用单独电源供电，并且在电路板上模拟部分和数字部分须分开，各自限制在一定区域内，避免出现接地环路。 (2)避免在A/D转换器下走数字信号线，这样会造成片内噪声成倍增加，导致A/D转换器不正常工作。AD7705电源线应足够粗，以降低线路阻抗，并减少电源供电尖峰信号影响。时钟信号不能在模拟输入信号附近通过，模拟信号和数字信号之间应避免相互交叉。 (3)参考电压需精确，课题中采用外部高精度参考电压芯片AD780提供2.5V参考电压。 (4)对于AD7705的可编程增益放大器，增益系数越小噪声越低，本课题模拟信号输入增益为0:如果有偏置，需要进行自校。 4.4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(即一个导通关断周期内导通时间所占的比例)来获得输出大小变化的电压值。图4-5就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4-5 PWM调速控制原理和电源波形图 在左图中，当开关管栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端电压为Us。t1秒后栅极输入变成低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。T-t1秒后，栅极输入电压再次变成高电平，开关管重复前过程。对应着输入电平高低，直流电动机电枢绕组两端电压波形如图4-5右图所示。一周期内电动机电枢绕组两端平均电压为: 公式（4-3） 式中:a--占空比， 。 课题进行设计时就利用PWM控制原理，通过控制占空比大小和PWM脉冲方向来控制电压大小和方向，进而改变电动机转速和转向，使节气门阀转轴有不同角位移和角速度输出。 由于节气门需要正反两个方向转动，故本课题采用直流电动机的可逆PWM控制，基本电路主要包括逻辑控制电路、MOSFET(场效应管)驱动电路和H桥电机驱动电路。 4.4.1逻辑控制电路 逻辑控制电路主要完成H桥电动机驱动电路控制信号的选择与分配。逻辑控制电路输出两组逻辑信号，通过MOSFET驱动电路，分别控制驱动电机正、反转的两对MOSFET。 设计逻辑控制电路时应注意以下几点: （1）必须保证输出两信号互斥，即在控制电机运动时，MOSFET只可一对导通，一对截止; （2）不可使H桥的同臂两个MOSFET同时导通; （3）采用尽可能少的电子器件，提高可靠性，节约PCB板面积。 PWM信号与转向信号由MCU的vo口输出，并由此电路逻辑运算。其真值表如表4-1所示: 表4-1逻辑控制电路真值表 PWM信号 转向信号 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 由真值表看出，当PWM信号低电平时，Out1，Out2均为0，即此PWM信号与电源连接两个MOSFET截止，电源不对电动机供电，电动机靠自感电动势提供能量;当PWM高电平时，Out1，Out2根据转向信号导通或截止，其对应OUT4或Out3相应导通，电动机靠电源提供能量。 4.4.2 MOSFET驱动电路 在H桥电路中，对于N沟道MOS管，要保证其栅极(G)和源极(s)之间电压高于+10V，即VGS>+10V, MOS管才能正常导通。由于H桥两个低端管源极接地，故直接加10V以上电压即可使其导通;而对于上面两个高端MOS管，由于直流电机缘故，其输出引脚电压在电源电压和地之间切换，故栅极电压VGS>VDD+10V，即驱动电路中必须有升压电路，能提供驱动高压侧MOS管大于电源电压栅极电压。故设计中采用专门桥式驱动集成电路芯片IR2110。 IR2110兼有光藕隔离和电磁隔离优点，具有良好电绝缘能力、抗干扰能力和共模抑制能力;最重要是IR2110具有独立的低端和高端输入通道，对应输出驱动H桥低电压和高电压。 IR2110驱动悬浮电源VCC采用自举电路，其高端工作电压可达500V，满足了高端MOS管对栅极驱动电压的要求。当逻辑工作电压为5V时，其逻辑输入与标准的CMOS或TTL输出兼容;CMOS施密特触发输入，两路滞后欠压锁定，其主要参数如表4-2所示: 表4-2 IR2110技术参数 高端工作电压VOFFSET 500V 静态功耗PD 1.6mW(at15V) 输出栅极驱动电压VOUT 10-20v 逻辑电源电压范围VCC 5-15V 峰值电流Iout 2A 开关时间Tf 25ns 导通延时Ton 120ns 关断延时Toff 94ns IR2110引脚排列如图4-6所示，各引脚的名称、功能和用法如下: 引脚9(VDD)、引脚10(HII}与引脚12(LIN)分别为脉冲信号工作电压输入端、H桥同桥臂上下两个MOS管的驱动脉冲信号输入端。 当脉冲信号工作电压引脚VDD接+5V电源时，输入脉冲信号可以直接与单片机输出的+5V脉冲信号兼容，当输入电压为+12V时，输入脉冲信号的高电平一般大于+8V;引脚HO接H桥高压MOS管，引脚LO接低压MOS管，且HIN与LIN不能同时接脉冲信号。 引脚7(H0)与引脚1(L0)分别对应脉冲信号输入引脚HIN与LIN，接到H桥相应MOS管。 引脚I l(SD)为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的高低输出电压引脚全被锁死，输出电压恒为低电平;当该引脚接低电平或悬浮时，IR2110的输出跟随引脚HIN与LIN变化。该引脚在设计中接单片机的I/O口，在系统出现故障(过电流、过电压)后输出高电平锁死驱动电压输出引脚，以保护电路。 引脚6(VB)与引脚3(Vcc)分别为上下通道互锁输出级电源输入端。应用中引脚Vcc接系统提供的12V直流电源，通过一个较高品质的电容接公共引脚COM脚;而引脚VB通过一个二极管与系统提供的输出级电源相连，在电路中起自举作用。 自举二极管的选取原则:自举二极管需能够阻断此特殊电路中所承受的全部电压;当上侧器件处于导通，漏极电压近似等于电源干线电压值时，则二极管的电流额定值是栅电荷乘以开关频率之积。电路选用自举二极管为整流二极管IN5819。 图4-6 IR2110引脚图 引脚5(vS)与引脚6(VB)之间接有一个自举电容，自举电容选择与PWM频率、占空比和功率MOSFET相关，设计中选取自举电容为4.7uF担电容。 由于桥式电路存在寄生电感，本电路桥式电路负载为感性负载，在功率管开关瞬间、电源短路以及过电流关断时，di/dt较大，功率管产生过冲电压，使VS端电压低于COM端，如果电压低于-4V，就引起高端通道工作不稳。在PCB设计中，应采取下面方法减小电压: (1)将功率管紧密放置，并在焊接功率器件时使引脚最短，减少PCB布线长度和引脚间寄生电感影响。 (2)功率驱动集成芯片靠近功率管放置;连接两功率管走线用宽线连接，避免环路。 4.4.3 H桥电动机驱动电路 H桥电路中四个功率MOS管采用N沟道MOS管，N沟道MOS管具有以下两方面优点:一方面，N沟道MOS管载流子迁移率较高，频率响应较好，跨导较大;另一方面，N沟道MOS管导通电流大和导通电阻小。其电路如图4-7所示。 图4-7 H桥电动机驱动电路 图中V1, V2, V3, V4四个MOSFET型号为IRF840，是H桥核心元件，其主要电特性参数如表4-3所示。D1, D2, D3, D4为续流二极管，主要作用提供电路续流回路，消除电动机所产生反向电动势，避免反向电动势击穿MOSFET。电源电压+12V，由汽车蓄电池提供。 表4-3IRF840关键电特性表 最大漏极 电压VDS 最大栅极 电压VGS 最大漏极 电流ID 最大功耗 PD 导通电阻 RDS(ON) 500V +30V或-30V 8A 134W 0.8欧 电动机正转，V1，V4受同一PWM控制信号控制，V2，V3输入低电平，使反转电路截止;电动机反转，V2，V3受另外一PWM控制信号控制，V1，V4输入低电平，使正转电路截止。 节气门体电机参数如表4-4所示。 表4-4电机参数表 参数 参数值 点数电阻 3.3欧 正常电流 1.2A 峰值电流 5-7.6A 工作电压 12V 4.5通信模块设计 4.5.1 CAN总线通信电路 CAN总线可以将整个汽车控制系统联系起来，实现数据共享和相互之间协同工作。 电子节气门控制系统作为汽车CAN的一个节点，与整车控制系统的通信是通过P89C668单片机、独立CAN总线控制器SJA1000和CAN收发器TJA1050来完成的。 电路主要由四部分组成:控制芯片P89C668、独立CAN通信控制器SJA1000, CAN总线收发器PCA82C250和高速光电祸合器6N137。其中单片机P89C668负责对SJA1000进行初始化，通过控制SJA1000实现数据的发送与接收等通信任务。 SJA1000的AD0-AD7连接到P89C668的P0口：CS始终接地，SJA1000的RD,WR, ALE分别与P89C668的对应管脚连接，SJA1000的INT脚连接到P89C668的INTO。这样，P89C668可以通过中断方式访问SJA1000。 SJA1000的模式选择引脚MODE接高电平时选择Intel模式;为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的接收和发送端通过高速光藕与PCA82C250连接，可以很好的与总线上其它CAN节点进行电气隔离，提高了节点的安全性和稳定性。 4.5.2 RS232串口通信电路 在课题设计中RS232串口通信电路主要有两个用途:与上位机通信和实现ISP功能，由于控制芯片与计算机信号电平不同，在此采用MAX232芯片进行电平转换。 P89C668具有在系统编程(ISP)的特性，即系统调试时不需要将微控制器从系统中取出，通过结合系统中一系列内部的硬件资源就可实现通过串口对控制芯片的编程;这一特性使得控制系统的调试变得非常容易。 带有ISP功能的单片机，在出厂时芯片中就有一个ISP服务程序，一般位于BOOTROM中。此外，单片机中还含有两个特殊的FLASH寄存器:引导向量(Boot Vector)和状态向量(Status Byte )。系统复位时，单片机检查状态向量中的内容，如果状态向量不为0，则将引导向量的值作为程序计数器的高8位，低8位固定为OOH。若引导向量为FCH，则程序计数器内容为FC00H，即程序转到ISP的服务程序首地址FC00H处开始执行，芯片进入ISP状态;如果状态向量为0，则程序从0000H处开始执行，即用户程序首地址。一般在应用ISP功能时将引导向量设为FCH，将状态字设为00H，通过硬件触发进入系统的ISP功能。 ISP硬件触发电路主要为:计算机串口、MAX232电平转换电路和单片机最小系统，在应用处理器的ISP功能时，除了单片机的最小系统外，单片机的P2-7引脚可以选择接5V电源或悬空，VPP引脚接5V电压，同时PSEN引脚必须接地，这样在单片机上电复位或者复位引脚复位时，单片机系统可以强制进入ISP功能，此时通过计算机串口就可以下载程序到单片机中;系统下载完成后，PSEN引脚接地断开，这样在系统复位后就可以执行用户程序了。 4.6非接触式角位移测量方法的研究 4.6.1磁阻式角位移传感器原理 磁阻式传感器是根据磁性材料的磁阻效应制作而成的测量用传感器，它广泛用于对角度、磁性齿轮的转数或转速、旋转方向等物理量进行测量。磁性材料一般选用玻莫合金，磁性材料的磁阻效应原理如图4-8所示。 图4-8磁阻传感器磁阻效应原理图 设无外磁场作用时，坡莫合金有一个平行于电流流向的内磁场分量M(a=0)，若此时在平行于合金平面但垂直于电流的方向施加一个外磁场H，则会使得合金的内磁场分量旋转一个角度。，进而使得合金的电阻R发生变化，其函数关系为: 公式（4-4） 式中，R。为玻莫合金在未施加外磁场时具有的电阻值S2; △R。为玻莫合金材料的阻值绝对值变化量。由此可见，电阻与磁场间是非线性关系，磁阻效应是一个角度效应，非常适合于角度参数的测量。 将具有磁阻特性的材料制成带状磁阻元件，然后组成惠斯顿电桥传感器。给惠斯顿电桥通电和外加磁场的情况下，惠斯顿电桥可以输出一个变化的电压值来反映磁阻传感器和磁铁之间的位置变换关系。 4.6.2磁阻式角位移传感器测量系统结构 SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-9非接触式角位移测量系统框图 非接触角位移测量系统结构如图4-9所示，它由磁阻传感器HMC1512、信号预处理模块、A/D转换模块和单片机系统组成。其中磁阻传感器和信号预处理模块安装在一起，预处理模块将测得的信号放大后经信号线送到.A/D转换模块，然后A/D转换器将转化后的电压信号输送给单片机应用系统。 4.7本章小结 通过对电子节气门控制系统的功能分析，本章对电子节气门控制系统的硬件电路包括控制芯片模块、输入模块、输出模块和通信模块进行了详细的阐述，并设计了基于磁阻传感器的角位移测量系统。 5总结 5.1总结 本文对电子节气门控制系统的模型和控制实现进行了分析和研究。内容主要包括电子节气门的技术、产品发展及现状调研;节气门运动系统建模及控制器设计;直流电机驱动芯片的选择及其外围电路的设计制作等方面。在经过理论分析和实验研究以后，对节气门运动系统和控制系统有了一定的理解和掌握。在经过动力学分析后，利用PID算法进行了PID控制器设计;利用变结构控制理论进行了变结构滑模控制器设计。 归纳起来本论文的主要研究工作内容和成果叙述如下: (1)通过对汽车电子、发动机电控和电子节气门技术、产品的发展现状调研，弄清楚了电子节气门的发展过程，目前的控制策略，产品特点，这便于本文研究工作的展开，研讨新的发展方向，提出新的控制策略，综合成新的控制系统。 (2)介绍了电子节气门控制系统的主要硬件。包括加速踏板、电子节气门体、电子控制单元、数据采集卡及驱动芯片。加速踏板没有购得，其内部的踏板位置传感器与节气门位置传感器相似，故就省略了其建模。在仿真时的踏板位置信号用正弦信号代替。展示了节气门体中的电机、减速齿轮、扭矩弹簧及传感器等。介绍了数据采集卡及驱动芯片的特点及性能;同时也介绍了直流电机驱动方式的选择。 (3)首先分析了数字PID控制算法、参数的作用及参数确定方法;接着对PID控制和模糊PID控制进行了仿真对比和分析;然后对模糊PID算法及其实现方法进行了详细阐述;最后介绍了直流电机的等效电路和PWM驱动原理，为直流电机控制软件开发奠定了理论基础。 (4) 通过对电子节气门控制系统的功能分析，本章对电子节气门控制系统的硬件电路包括控制芯片模块、输入模块、输出模块和通信模块进行了详细的阐述，并设计了基于磁阻传感器的角位移测量系统。 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,(04) [2] 杜开明,秦大同,刘振军,姜凤翔,丁锐. 电子节气门仿真控制[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2005,(04) [3] 陈华,王耀南,孙炜,杨辉前. 基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J]. 计算技术与自动化, 2005,(02) [4] 王仁义. 奔驰S500冷车自动加速[J]. 汽车维修技师, 2005,(04) [5] 张汉斌,张荣兵. 奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J]. 汽车与配件, 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机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 2012年 2月 10日 外文资料翻译译文 电子节气门控制系统结构特点及其优势 ●文 /Mike Dale 在生产了S-10s汽车已达20年之久的时候，通用汽车公司在2004年的秋季推出了他们的雪佛兰Colorado和GMC Canyon两款中级皮卡。 在这两款车上， 所采用的所有新的和改进的标准技术就是“ETC”这3个字母，即“电子节气门控制系统”。 自1988年宝马轿车开始应用电子节气门控制系统以来，该控制系统只是应用在一小部分高级轿车上。在过去的3年中，电子节气门控制系统在美国已经被应用于更多本国生产的汽车上。从最新的报道可以看到，在大众化的汽车市场上，电子节气门控制系统已经成为许多售价仅为一万四千美元的汽车的标准配置了。 通用汽车公司并不是唯一一家在汽车上采用电子节气门控制系统的汽车制造商，因为斯巴鲁公司已经宣布，他们将在2005年生产的所有车型上应用电子节气门控制系统。 另外， 福特汽车公司的旗舰产品福特F－150也将采用电子节气门控制系统。 电子节气门控制系统的技术已经相当成熟，其价格已经降了下来，性价比也在不断地得到提高。在上应用电子节气门控制系统已经成为1个发展趋势。 我们一般都是通过控制进入发动机的空气流量来调节发动机的转速。在传统的发动机设计方案中，节气门的位置主要是通过1个机械连杆机构（鲍顿拉索） 来控制的，其中还包括弹簧、皮带轮以及其它的一些零件。 鲍顿拉索总成长时间以来都很好地发挥了它的作用，但是它也表现出了一些不足。首先， 从汽车NVH （噪声、振动和不平顺性）和装配的角度来看，由于安装鲍顿拉索机构需要在驾驶室的前壁上开1个孔， 以便将发动机节气门和驾驶室内的加速踏板连接在一起，而这个孔同时也就成为发动机噪声向驾驶室传播的1个通道。 其次， 鲍顿拉索机构包含有多根钢丝， 钢丝的2个末端分别与加速踏板和节气门阀片相连接。在这种情况下就必须设法将许多零部件布置在1个非常狭小的空间内。采用鲍顿拉索机构控制节气门所要面临的第3个问题是： 由于整个操作过程都是通过机械连杆机构来完成，因此从驾驶员通过踩下加速踏板发出操作指令到执行机构做出响应就会出现1个时间滞后，这样就会导致驾驶员所期望的最好燃油经济性能和排放性能与发动机实际实现的往往并不一样。而采用电子节气门控制系统则可避免这种在时间上滞后现象的发生。根据发动机调试仪表测得的数据可以知道，替代机械连杆机构的电子节气门控制系统大大缩短了执行元件的响应时间，通过在驾驶员的操作和发动机的运转之间设置一些软件程序，还能够实现对发动机节气门开度更精确的控制，而节气门开度控制精度的提高将会改善发动机的燃油经济性能及排放性能。 电子节气门控制系统也称为电动线控驾驶系统，是将巧妙的设计应用于汽车工程的典型例子。大部分用来检验电子节气门控制系统应用于汽车的安全性方面的工作，人们都已经在军用和民用飞机上进行了。如果没有计算机的持续监测和对控制平面的不断调整，一些新型飞机根本就无法飞行。 飞机这种对于超可靠性、 远程计算机控制执行的需要，大大促进了电动线控驾驶系统相关技术的发展。 采用电子节气门控制系统后，一般都是通过加速踏板总成（TPA）来实现驾驶员的意图的，并通过传感器将驾驶员的意图传递给控制电脑。 加速踏板总成设置了3个相同的位置传感器，当其中的某个传感器出现故障时，加速踏板仍然可以将驾驶员的意图传递给控制电脑。 另外， 加速踏板总成还设置了1个怠速开关以及1个节气门全开开关。 这2个开关分别对应于驾驶员的最小与最大输入意图。采用加速踏板总成的第2个目的就是让驾驶员仍然能够体验到被替换掉的机械式钢索和弹簧所产生的“脚感”。 在节气门总成中，节气门阀片的位置由1个马达调节控制， 该马达能够让节气门阀片在1～80°的范围内转动， 以得到期望的节气门开度。在典型的电子节气门控制系统中，马达根据控制电脑的指令调节节气门阀片的偏转角度，对于节气门阀片的大部分转动位置， 其定位精度一般都在±0.5°的范围内。当发动机怠速空转时，阀片的转角精确度甚至能控制在±0.1°的范围内。 此外， 这种调节马达自身配备有多个位置传感器，能够将节气门的位置信息反馈给控制电脑， 形成闭环控制。 这样， 当控制电脑把指令传给调节马达后，马达就能够根据传感器反馈的信息正确地让节气门阀片转动定位。 节气门阀片调节马达本身是遵循电磁场相互作用原理工作的。 马达内部有2个方向相反的磁场，并采用脉宽调制技术控制其中1个磁场相对于另1个磁场的大小。 通过增大脉冲持续时间的百分比来增加调节马达的转动角度， 也就是说， 脉冲持续的时间越长，调节马达让节气门阀片转动的角度就越大。 作为一种安全保险措施， 节气门阀片采用弹簧装置支撑， 这样， 一旦电子节气门控制系统出现故障的时候，节气门阀片能够在弹簧的作用下回到怠速空转时的位置。 汽车整车制造商们积极采用电子节气门控制系统的主要原因，是为了享用电子节气门控制系统的一系列优点， 这其中的1个优点便是它能改善发动机的排放性能。例如， 在汽车减速的时候， 驾驶员的脚脱离油门踏板而去踩制动踏板的时候，同时也就关掉了节气门阀片，此时发动机继续转动则会造成很高的进气歧管真空度，这种高的真空度将会导致供油方面的故障。通过加速踏板总成和步进马达之间设置1个控制软件，通用汽车公司期望实现发动机的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的排放量能够减少15％左右。采用这种方法之后，通用汽车公司在其一款车型中取消了往排气系统注入空气的空气泵。汽车整车制造商采用电子节气门控制系统后，将会使更多的汽车成为低排放的汽车（LEV）。 美国汽车工程师协会（SAE）发表的一篇论文里，Delphi公司报告了他们研制的电子节气门控制系统还具有的其他一些优点。该公司生产的电子节气门控制系统集成了驾驶员的一些独特的操纵行为特征。例如，驾驶员可选择的踏板响应，以满足汽车的动力性能需求或冬季特殊的操纵控制需求等。当汽车行驶在海拔较高的山路上时，可通过对踏板响应的调节来补偿海拔高度对发动机进气量的影响；车速和发动机转速调节器可以防止踏板处于不恰当的位置，汽车租赁公司就对车速和发动机转速调节器很感兴趣。此外，Delphi公司设计的电子节气门控制系统还具有2 个与汽车操纵性能有关的优点：一是消除了手动变速器换挡时的碰撞冲击现象；二是发动机的正时延迟特性，这个特性能够改善三元催化转化器指示灯在汽车启动时熄灭的故障现象。 汽车采用电子节气门控制系统和采用鲍顿拉索机构哪个价格更低廉呢？这个问题的答案似乎并不明确，不过若把汽车当作1个整体来看的话，就会发现采用电子节气门控制系统要比采用鲍顿拉索机构要便宜些。Delphi 公司和其他的原厂设备制造商（OEMs）所做的事情，就是把电子节气门控制系统的特性融合到汽车的巡航速度控制、怠速空转控制以及牵引和行驶稳定性控制等系统中去。一旦电子节气门控制系统的执行机构步进马达对节气门的开度实施了控制，在动力控制模块（PCM）的控制下，步进马达能够为发动机提供怠速控制和加速控制等功能，这样就可以省去怠速控制（IAC）马达和巡航控制伺服系统。同时，利用汽车防抱死制动系统（ABS）的车轮转速传感器得到的数据来监测汽车的牵引力问题，这样做的目的是，当汽车牵引力方面出现问题时，无论驾驶员此时的意图怎样，动力控制模块都会减小节气门的开度。 如果采用电子节气门控制系统，则只需很少的一些开关和软件就能实现汽车的各项功能。 采用电子节气门控制系统后， 便可省去巡航控制装置和牵引力控制装置，这样节省下的费用足够弥补由于使用电子节气门控制系统而增加的支出。 在汽车上能够广泛地采用电子节气门控制系统的另外1个原因是电子节气门控制系统自身价格的下降。最早的电子节气门控制装置，当时称作节气门开度控制执行器（TAC），其所有传感器和执行元件的信息处理都是通过1个单独的节气门开度控制执行器控制模块实现的， 然后， 节气门开度控制执行器控制模块再把这些信息反馈给动力控制模块。而最新的动力控制模块允许传感器的信息直接输入，经过处理之后再把正确的指令信息传递给节气门阀片转动控制执行元件。 电子节气门控制系统的上述功能的作用之一就是能够改善汽车的可靠性。由于只需要1个节气门位置控制器， 所以需要的零部件总数会大大减少，零部件数量越少则意味着电子连接部件越少，机械部件之间发生干涉的几率也越小。可靠性研究表明这是一件非常值得提倡的事情。从电子学的角度看， 电路的连接件 （或接头） 越少，电路的可靠性就越高。 这个事实要比它听起来重要许多。如今的微处理芯片很便宜，通常80美分左右就可以买到1个普通的微处理芯片， 不过那些用来支持微处理芯片的零件的价格却非常昂贵。采用单独的节气门开度控制执行器控制模块需要1个额外的封装壳体以及放置封装壳体的空间，需要更多的电缆和连接器，同时还需要一些其他的零部件，例如， 电路板、 时钟振荡器、 射频干扰抑制器等。 同时， 将价格不到1美元的微处理器与其它元器件封装形成1个系统， 其成本加起来比10倍的微处理器价格还要多。如今的电子节气门控制系统把所有的微处理控制器都集成到1个电子控制模块中， 这是1个重大的技术进步。 最新的资料表明，大约25%的2004款的汽车都采用了不同形式的电子节气门控制系统（在美国）。德国Hella公司是一家节气门阀片位置控制器总成的生产商，该公司确信在未来的10年内，整个汽车工业将会发生巨大的变化。电子节气门控制系统对于汽车遇到的各种问题来说是1个能够提供更多功能、 成本更低廉的解决方案， 而且在不久的将来它可能还会为汽车发挥更多的作用。 外文原文 Electronic throttle control system structure characteristics and its advantages ●Paper /Mike Dale In the production of S-10s car already amounted to 20 years is long time, GM in the autumn of 2004 launched the Chevrolet Colorado and GMC Canyon two mid-size pickup. In the two car, with all the new and improved the standard technology is the" ETC" these 3 letters, i.e." the electronic throttle control system". Since 1988 the BMW car began to use the electronic throttle control system, the control system is applied in a small portion of high class car. In the past 3 years, electronic throttle control system in the United States has been applied to more domestic production car. From the latest reports can be seen, the popularization of cars on the market, the electronic throttle control system has become in many a $fourteen thousand car standard configuration. General Motors is not the only one in the car on the use of electronic throttle control system for automobile manufacturers, the company has announced that Subaru, they will be in 2005 the production of all models on the application of electronic throttle control system. In addition, the Ford Motor Company's flagship product, Ford F150 will also use the electronic throttle control system. Electronic throttle control system technology is already quite mature, their prices have dropped, the price is continuously improved. On the application of electronic throttle control system has become a development trend of the 1. It is generally through the control of the air entering the engine flow to regulate the speed of the engine. In the traditional engine design, solar term door position is mainly through 1 mechanical linkage ( Bowden cable ) to control, which also includes springs, pulleys and other parts. Bowden cable total development time is very good to play its role, but it also showed some deficiencies. First of all, from the car NVH ( noise, vibration and harshness ) and assembly point of view, due to the installation of the Bowden cable mechanism needs to be in the cab on the front wall of the opening 1 holes, so that the engine cab solar term door and the accelerator pedal are connected together, and the hole at the same time has become the engine noise cab transmission of 1 channels. Secondly, the Bowden cable mechanism comprises a plurality of steel wire, steel wire 2 ends respectively and the accelerator pedal and the valve piece connected solar term. In this case you must try to be many parts arranged in 1 very narrow space. The Bowden cable mechanism control solar term door to face third problems: because the whole operation process is through mechanical linkage mechanism to complete, so from the driver depressed the accelerator pedal issue operating instructions to the actuator response will appear 1 time lag, which would lead to the driver desired the best fuel economy performance and emission and engine performance practice are often not the same. While using electronic throttle control system can avoid the time lag phenomenon. Based on the engine testing instrument measured data can know, to replace the mechanical linkage mechanism of electronic throttle control system greatly reduced the actuator response time, through the driver's operation and the operation of the engine is arranged between a number of software programs, but also can realize the engine solar term door opening more precise control, and solar term door opening degree the control will improve the engine's fuel economy performance and emission performance. Electronic throttle control system also known as electric steer-by-wire system, is a clever design applied in automobile engineering examples. Most used to test the electronic throttle control system applied to vehicle safety aspects of the work, the people already in the military and civil aircraft were. If there is no computer continuous monitoring and the control plane of continuous adjustment, a number of new aircraft could not fly. The aircraft for ultra-high reliability, remote computer control execution needs, greatly promote the electric control driving system technology development. The electronic throttle control system, generally through the accelerator pedal assembly ( TPA ) to realize the intention of the driver, and the driver's intention through the sensor will be passed to the control computer. Accelerator pedal assembly is provided with 3 identical position sensor, when one of the sensor failure, the accelerator pedal can still be the intention of the driver passes to the control computer. In addition, the accelerator pedal assembly is also provided with 1 idle switch and 1 solar term door open switch. The 2 switch are respectively corresponding to the minimum and maximum input intention. The acceleration pedal assembly second the purpose is to let the driver still can experience to be replaced by a mechanical cable and spring the " foot". In the solar term door assembly, solar term valve slice position from 1 motor control, the motor can make the solar term valve slice in 1 ~ 80 degrees within the range of rotation, so as to obtain the expected solar term door opening degree. In a typical electronic throttle control system, motor according to the control computer instruction regulating valve piece of solar term of the deflection angle, the valve piece of solar term most of the rotational position, the positioning precision is generally in the range of - 0.5 deg. When the engine is idling, the valve angle accuracy even can be controlled in the range of - 0.1 deg. In addition, the adjustment of the motor itself is equipped with a plurality of position sensors, solar term door position information can be fed back to the control computer, to form a closed loop control. Thus, when the control computer instructions to the regulation of motor, the motor according to the sensor feedback information correctly make solar term valve slice rotating positioning. Solar term valve slice adjustment of the motor itself is guided by electromagnetic interaction principle. The inner part of the motor with a 2 direction opposite to the magnetic field, and the use of pulse width modulation control one of the 1 magnetic field relative to the other 1 the size of magnetic field. By increasing the pulse duration percentage to increase regulation of motor rotation angle, that is to say, the pulse duration is longer, adjustment of the motor to the rotation angle of solar term valve piece of the greater. As a safety measure, solar term valve piece adopts a spring device support, so that, once the electronic throttle control system failure of the time, solar term valve sheet under the action of a spring to return to the position of idling. Automobile manufacturers are adopting electronic throttle control system of the main reasons, is to take the electronic throttle control system for a series of advantages, of which 1 advantages is that it can improve the discharge performance of the engine. For example, in the automobile slow down, the driver's foot from the accelerator pedal to the brake pedal when, at the same time also turn off the solar term valve slice, the engine continues to rotate, can cause very high intake manifold vacuum, the high vacuum will lead to the failure of oil. Through the acceleration pedal assembly and the stepping motor are arranged between 1 control software, GM expects to achieve engine hydrocarbon ( HC ) and nitrogen oxide ( NOX ) emissions can be reduced by about 15%. Using this method, general motors at one of its models in the cancelled to the exhaust system air injection air pump. Automobile manufacturers adopting electronic throttle control system, will enable more cars into the low emission vehicle ( LEV ). American Society of Automotive Engineers ( SAE ) published a paper, Delphi reported on their development of the electronic throttle control system also has some other advantages. The company production of electronic throttle control system integrated driver some unique manipulation behavior characteristics. For example, the driver can choose the pedal response, in order to meet the power performance of automobile demand or winter special control requirements. When a vehicle runs in high mountain passes, the pedal response regulator to compensate for height above sea level on the engine air inlet; speed and engine speed regulator can prevent the pedal is inappropriate location, car rental company on the vehicle speed and the engine speed regulator is interested in. In addition, Delphi design of the electronic throttle control system also has a 2 and vehicle handling performance related advantages: one is to eliminate the manual transmission shift when the impact phenomenon; two is the engine timing delay, this characteristic can improve the three way catalytic converter light when the car starts out the fault phenomenon. The car uses the electronic throttle control system and using the Bowden cable mechanism which is cheaper? The answer to this question does not seem to be clear, but if the car as a 1 whole words, you will find the electronic throttle control system than the Bowden cable mechanism should be cheaper. Delphi company and other original equipment manufacturer ( OEMs ) are doing, is the electronic throttle control system integration characteristics to the automotive cruise control speed, idling control and traction and running stability control system to. Once the electronic throttle control system of stepping motor for actuating mechanism of solar term door opening control, the power control module ( PCM ) under the control of stepper motor, can for the engine idle speed control and speed control functions, which will save the idle speed control ( IAC ) motor and cruise control servo system. At the same time, use of automobile anti-lock braking system ( ABS ) of the wheel speed sensor data to monitor vehicle traction problems, the purpose of this is, when the vehicle traction when problems arise, both driver and intentions, power control module can reduce the throttle opening degree. If the electronic throttle control system, only a few switches and software can realize the function of automobile. The electronic throttle control system, can save the cruise control device and a traction control device, thus saving the costs enough to offset due to the use of electronic throttle control system and increased spending. Can be widely used in automobile electronic throttle control system for 1 other reasons is the electronic throttle control system of the price drop. The earliest electronic throttle control device, then known as the solar term door opening control actuator ( TAC ), all of its sensor and actuator information processing is through 1 separate solar term door opening control actuator control module, and then, solar term door opening control actuator control module and the the information back to the power control module. A new power control module allows the sensor information input directly, after treatment and then put the correct instruction information to the solar term valve slice rotation control actuator. Electronic throttle control system is one of the function can improve the reliability of the automobile. Because only 1 solar term door position controller, so the necessary spare parts will significantly reduce the number of parts of the total number, the less it means less electronic connection parts, mechanical parts of the interference between the probability is smaller. Reliability study shows that it is a very worthy of promotion. Look from the angle of electronics, circuit connection ( or joint ) is less, the reliability of the circuit is higher. The facts than it sounds more important. The microprocessor chip is very cheap, usually about 80 cents can be purchased for 1 common microprocessor chip, but those used to support the micro processing chip parts prices are very expensive. The use of separate solar term door opening control actuator control module needs 1 additional package case and placed package housing space, need more cables and connectors, but also need some other parts, for example, a circuit board, a clock oscillator, RF interference suppressor etc.. At the same time, the price will be $1 less than the microprocessor and other components package is formed of 1 systems, the cost added up to more than 10 times the price of the microprocessor is more. The electronic throttle control system all the micro-processing controller are integrated into the 1 electronic control module, which is the 1 major technical progress. The latest data show that, about 25% of the 2004 cars are used by the different forms of electronic throttle control system ( in the United States of America ). The German Hella company is a solar term valve slice position controller assembly manufacturers, the company that in the next 10 years, the whole car industry will produce tremendous change. Electronic throttle control system for automobile of the various problems encountered are 1 can provide more functions, low cost solution, but in the near future it may also play an additional role for automobile. 被测件 （磁铁） 磁阻式 传感器 单片机 系统 新号预 处理 A/D 转换器 车速负载空调等工况 计算机 油门踏板位置传感器 车载12V电源 电源DC/DC转换电路 电机 节气门位置传感器 油门踏板信号处理器 节气门位置传信号处理电路 CAN总线通信电路 控制芯片P89C668 RS-232 LED显示 故障诊断 PWM H桥驱动电路 H桥电机控制电路 f 通 道 断 面 θ 怠速电机 空 气 流 量 计 发动机转速传感器 霍尔式凸轮位置传感器 节气门位置传感器 水 温 传 感 器 怠速节气门电位计 怠 速 开 关 进气温度传感器 氧化器应加热器 活性碳继电磁阀 点火线及电子点火器 喷 洒 器 汽油泵 汽油泵继电器 爆 震 传 感 器 氧 传 感 器 ECU 传感器 控制单元 执行元件 HO VDD VB HIN VS SD LIN VCC VSS COM LO 7 6 5 4 3 1 8 14 13 12 11 10 9 _268435472.unknown _268435488.unknown _268435496.unknown _268435500.unknown _268435504.unknown _268435506.unknown _268435508.unknown _268435509.unknown _268435510.unknown _268435507.unknown _268435505.unknown _268435502.unknown _268435503.unknown _268435501.unknown _268435498.unknown _268435499.unknown _268435497.unknown _268435492.unknown _268435494.unknown _268435495.unknown _268435493.unknown _268435490.unknown _268435491.unknown _268435489.unknown _268435480.unknown _268435484.unknown _268435486.unknown _268435487.unknown _268435485.unknown _268435482.unknown _268435483.unknown _268435481.unknown _268435476.unknown _268435478.unknown _268435479.unknown _268435477.unknown _268435474.unknown _268435475.unknown _268435473.unknown _268435464.unknown _268435468.unknown _268435470.unknown _268435471.unknown _268435469.unknown _268435466.unknown _268435467.unknown _268435465.unknown _268435460.unknown _268435462.unknown _268435463.unknown _268435461.unknown _268435458.unknown _268435459.unknown _268435457.unknown