电子节气门控制系统的组成、原理与电路设计

1.引言

传统的节气门与加速踏板之间通过拉杆连接，节气门的开度完全由驾驶员通过加速踏板来控制。这种机械控制方式只能使发动机完全按驾驶员的操作意图工作，不能确保发动机的工作状态与汽车的运行情况形成最佳的匹配。电子节气门控制系统可以根据加速踏板位移，路面情况以及车况等信息发出指令使节气门开度得到最佳控制，使发动机空燃比达到最佳从而提高车辆动力性和经济性，而且对减少废气排放、保护环境也有着重要意义。

2.电子节气门控制系统的构成及工作原理

电子节气门控制系统主要由MCU、油门踏板位置传感器、电子节气门体、驱动电路以及电源五部分构成。它的工作原理是：驾驶员操纵油门踏板，油门踏板位置传感器产生相应的电压信号，即节气门开度的参考信号，控制单元对输入的模拟信号进行采样处理，然后控制单元根据车辆行驶工况进行综合分析计算得出一个期望的节气门开度值，并输出对应的控制信号给驱动电机，在驱动电机作用下，节气门阀片达到期望位置。在整个控制过程中，节气门位置传感器将节气门开度信号不停的反馈给控制单元，控制单元将得到的开度信号与目标值不停比较并修正，直到实际的节气门开度值达到与期望的节气门开度值相对应的位置。

3.控制电路硬件设计

电子节气门控制系统中，节气门由直流电机驱动达到目标开度，因此对直流电机的控制直接影响节气门开度的精度，通常直流电机都是由PWM信号控制，另外，电子节气门控制系统采用闭环控制，油门踏板给出目标开度，节气门位置传感器反馈出实际开度，它们给出的信号都是模拟电压信号，因此控制器必须能够将模拟信号转换为数字信号。基于控制器要具备这些功能，本文选用AVR单片机ATMEG16作为主控芯片，并且使用英飞凌公司的TLE6209R芯片作为电机驱动芯片，开发电子节气门控制系统硬件电路。控制电路部分包括：信号采集处理，稳压，直流电机驱动，串行通信等。油门踏板传感器和节气门位置传感器分别给出油门踏板位置和节气门开度信号，通过单片机中的模数转换器将模拟信号转换为数字信号，对两信号比较，给出控制电机转向的信号并调用控制算法计算输出合适占空比的PWM信号，再通过直流电机驱动电路驱动电机使节气门达到目标开度。本实验中用手柄电位器模拟代替踏板位置传感器；PA1即ADC1接节气门位置传感器反馈的信号TPS1;PD5用于输出占空比可调的PWM,与驱动芯片TLE6209R的PWM端口相连；PB0与驱动芯片TLE6209R的DIR端口相连，用于发出方向控制信号，控制节气门阀片的正反转。图1为单片机最小电路图，图2为驱动电机电路连接图。

本次实验建立了上位机界面来显示结果，上位机采用的是MCGS组态软件，选用莫迪康-RTU为设备构件，它是遵从Modbus协议的，所以单片机的通信程序必须也符合Modbus协议才能和上位机通信，串口通信连接电路图如图3所示。

4.软件设计

由于电子节气门具有非线性，时变性等特点，本文采用非线性PID控制策略，根据系统阶跃响应曲线自动调节非线性PID参数。

比例参数：

由于非线性PID控制器参数可以随着误差变化而变化，只要取合适的参数，就能够使控制系统达到响应快，超调小的目的。软件框图如图4所示。

5.实验结果及分析

图5为0.8s方波快速跟随实验，通过曲线可以看出在跟随的过程中会有滞后的现象产生，无超调现象，在电子节气门的实际应用中基本能够满足控制要求。

图6为方波慢速跟随曲线，可以看出当给定信号变化越慢，跟随性能就越好，跟随过程中无超调，无滞后现象。

6.结论

本文针对电子节气门的非线性采用非线性PID控制的方法进行控制器的设计，同时采用ATMEG16为主控芯片，通过上位机显示出控制结果，实验结果表明这种设计能够基本达到控制要求。