（控制理论与控制工程专业论文）电子节气门控制系统研究与开发.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽鱼g 电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名。李务j 辉 签字日期：为哆年占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆查5 电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重麽邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：存钿i 粹 导师签名：乌娠 签字日期： 夕年月f 1 日签字日期：工口口孑年月f 日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着汽车工业的不断发展，人们在努力追求汽车动力性、经济性的同 时，对汽车行驶的安全性、稳定性和驾乘舒适性也提出了更高的要求。传 统的机械调节和控制方法很难实现汽车的最佳控制，因此汽车的各种操纵 系统向电子控制方向发展。电子节气门控制系统能根据发动机的转矩需求 实现最佳的进气控制，被认为是传统节气门的理想替代品。 本文首先对电子节气门系统进行了全面的介绍，对电子节气门的结构 原理进行控制策略的分析，由于电子节气门的机械系统存在着较强的非线 性因素，其驱动电机存在着磁滞性，因而在改变其转动方向时有滞后性使 得电子节气门的精确控制较为困难。针对电子节气门的非线性控制进行研 究，提出滑模控制算法，实现对电子节气门的准确控制。 设计了2 种控制器( p i d 控制器、滑动模态控制器) 并进行了仿真。对仿 真结果进行分析表明，p i d 控制器的控制精度较差，而且超调严重；滑模 控制器具有较好地跟踪性，而且滞后得到了较好的改善，可以较好地满足 控制要求。 本文选用菲斯卡尔公司的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 g c 6 4 为主芯片，扩展 了片外存储器和i o 口，增加了通信电路。单片机采集目标和实际开度， 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 m c 3 3 8 8 7 芯片实现了电机的可逆控制。 系统软件采用单片机c 语言编写，主要完成底层驱动模块、控制功能 和串行通信功能。控制功能实现了节气门位置的闭环控制，可分为初始化 部分和工作循环部分。主要功能模块包括节气门位置和踏板位置的采集、 节气门位置传感器和踏板位置传感器的故障诊断、节气门角度、控制量的 计算和输出等。 论文最后对整个系统进行了试验，得出几组电子节气门的运行曲线， 将节气门的位置反馈信号与控制信号进行比较，并作简要的分析。试验证 明本控制系统的各项性能基本满足设计要求，且运行精度高，可靠性好， 具有很好的应用前景。 关键字：电子节气门，非线性，滑模控制，p i d 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t wl t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t 0 i n d u s t r y ， m e a s u r e sh a v eb e e nt a k e nt 0 i m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yo fa u t o m o b i l e ，n o wm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h es e c u r i t y ，s t a b i l i t ya n dd r i v ea b i l i t yo f p a s s e n g e rc a r c o n v e n t i o n a lm e c h a n i s mm o d u l a t i o na n dc o n t r o lm e t h o da r e d i m c u l tt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l e ，s oe l e c t r o n i cc o n t r o li s t h et r e n do fs t e e r i n gd e v i c e e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc o u l d c o n t r o lt h ei n l e ta i r n o wb a s e do nt h er e q u i r e dt o r q u eo fe n g i n e ，i sc o n s i d e r e d a sav i a b l ea l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a la i rm a n a g e m e n ts y s t e m s t w oc o n t r o l i e r s ( p i dc o n t r o1 le r ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r ) w e r ed e s i g n e d a n ds i m u l a t e di nt h em a t l a bs i m u l i n ka n da l s ow i t hm l a n g u a g e t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ep i dc o n t r o l l e rh a sa no v e r s h o o t ， b u tt h es l i d i n gm o d e c o n t r o l l e rc a ns e t t l et h en o n l i n e a r i t yp r o b l e mb e t t e r t h i si n t r o d u c e st h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o ls y s t e m ( e t c s ) n r s t ，t h e p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h ee l e c t r o n i ct h r o t t l eh a sb e e na n a l y z e dt h e n b e c a u s eo ft h en o n l i n e a r i t ye x i s t e di nt h em e c h a n i c a lp a r t so ft h et h r o t t l e b o d y ， h o wt oc o n t r o lt h et h r o t t l eb e c o m ead i 饿c u l tq u e s t i o n t h i si sf o c u s e d o nt h en o n l i n e a r i t yo ft h et h r o t t l eb o d y ，a n dp r e s e n t ss l i d i n gm o d ec o n t r o li n o r d e rt og e tag o o dc o n t r o le f f e c tt om a k et h ee l e c t r o n i ct h r o t t l eb o d ya p p l i e d o nt h ea u t o m o b i l e s i nt h i s p a p e r ，a l6b i tm i c r o - c o n t r o l l e rm c 9 s12 g c 6 4p r o d u c e d b y f r e e s c a li ss e l e c t e da sm a i np r o c e s s o r ，e x t e r n a le p r o m ，r a ma n di oa r e e x t e n d e d m i c r o - c o n t r o l l e rs a m p l e st h r o t t l ep o s i t i o na n dp e d a lp o s i t i o na n d t h ee t ct r a c k i n gc o n t r o lr u n n i n go nt h em i c r o - c o n t r o l l e rw i l lg e n e r a t et h e p r o p e rp w md u t yc y c l e t h ep w ms i g n a lw i l lb ea m p l i 行e dt h r o u g he l e c t r i c a l c i r c u i t st od r i v et h em o t o rt or o t a t es ot h a tt h et h r o t t l ep l a t ec a nb ec o n t r o l l e d t ot h ed e s i r e dp o s i t i o n i nt h i sp a p e r ，as e m i c o n d u c t o rh - b r i d g em c 3 3 8 8 7 e n a b l e st h em o t o rt or o t a t eb i - d i r e c t i o n a l l y t h e s o f t w a r e ， w h i c hi s p r o g r a m m e d w i t hc l a n g u a g e f o r m i c r o c o n t r o l l e r ，a c c o m p l i s h e sh a r d w a r ed r i v e rp r o c e d u r e ，c o n t r o lf u n c t i o na n d s e r i a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n t h ec o n t r o lf u n c t i o na c h i e v e sc l o s e dl o o p i i c o n t r o lo ft h r o t t l ep l a t ep o s i t i o n ，a n di s c o m p o s e do fp r e - t r e a t m e n tp a r ta n d m a i n 。c i r c u l a t i o np a r t t h ec h i e fm o d u l e si n c l u d e s a m p l i n go ft h et h r o t t l e p o s i t i o na n dp e d a lp o s i t i o n ，d i a g n o s i so ft p s ，c a l c u l a t i o no fc o n t r o lv a l u e a n ds 00 n t h ew h o l es y s t e mi st e s t e da tt h ee n do ft h i sp a p e r t h er u n n i n gc u r v e so f t h ep o s i t i o ns i g n a la n dt h ec o n t r o l s i g n a l a r eg a i n e da n dc o n l p a r e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a t ，t h ep r o p o s e ds l i d i n gm o d ec o n t r o lc a nn tt h e a p p l i c a t i o no ft h ee t c s t h ee x p e r i m e n to b t a i n sg o o dp e r f o r m a n c eo fh i g h p r e c i s i o n ，s t r o n gr e l i a b i l i t y ，a n df h s tr e s p o n s e ，w h i c hh a sag o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e y w o r d s ：e i e c t r o n i ct h r o t t l e ，n o n l i n e a r ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，p i d h i 重庆邮电大学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 汽车电控技术概况1 1 2 发动机管理系统2 1 3 电子节气门2 1 3 1 电子节气门简介2 1 3 2 国外电子节气门系统发展概况3 1 3 3 国内电子节气门系统发展概况5 1 4e t c 现存问题、难点及未来发展趋势5 1 5 本课题的研究意义及内容6 第二章电子节气门结构及控制策略8 2 1 节气门控制系统8 2 1 1 车用节气门的发展过程及其类型8 2 1 2 传统的节气门控制系统9 2 1 3 电子节气门控制系统1 1 2 2 电子节气门总成的结构1 2 2 3 节气门的控制策略1 3 2 3 1 经典控制( p i d ) 1 4 2 3 2 滑模变结构控制15 2 3 3 控制方案选择1 7 2 4 本章小结1 7 第三章电子节气门数学模型及控制算法设计与仿真1 8 3 1 电子节气门的数学模型1 8 3 1 1 直流电机的微分方程1 8 3 1 2 执行机构的微分方程1 9 3 1 3 节气门参数的识别2 0 3 2 电子节气门非线性分析2 0 3 3p i d 控制器设计2 3 3 3 1p i d 控制器基本算法2 3 i v 重庆邮电大学硕士论文目录 3 3 2 数字p i d 控制器设计2 4 3 4p i d 控制器模型与仿真2 5 3 4 1p i d 控制器模型2 5 3 4 2p i d 控制系统模型2 6 3 4 3p i d 控制仿真结果2 6 3 5 滑模变结构控制器设计2 7 3 5 1 滑模变结构控制的发展2 7 3 5 2 滑模变结构控制原理2 8 3 5 3 滑模变结构控制器设计3 0 3 6 滑模控制器模型与仿真3 1 3 6 1 滑模控制器模型3 1 3 6 2 滑模控制器仿真结果3 3 3 6 3 两种控制器的仿真结果分析3 4 3 7 本章小结3 4 第四章电子节气门控制系统的软件设计3 5 4 1 软件系统总体分析3 5 4 2 底层驱动模块程序编写3 5 4 2 1a d c 模块的功能与实现3 6 4 2 2s c i 模块的功能与实现3 8 4 3 控制功能软件设计4 1 4 3 1 控制软件整体结构4 1 4 3 2 功能子程序设计4 2 4 3 3 电子节气门标定软件开发4 6 4 4 本章小结4 7 第五章控制结果分析4 8 5 1p i d 控制试验结果4 8 5 1 1 原始位置以上节气门1 2 阶跃到8 5 上升控制4 9 5 1 2 原始位置以上节气门8 5 阶跃到2 4 下降控制4 9 5 1 3 原始位置以上小幅阶梯上升控制5 0 5 1 4 原始位置以上8 5 向4 8 下降控制5 0 5 1 5 随动跟踪控制试验5 1 5 2 滑模控制试验结果5 1 5 2 1 原始位置以上12 阶跃到7 2 上升控制5 2 5 2 2 原始位置以上8 5 阶跃到2 4 下降控制5 2 v 重庆邮电大学硕士论文目录 5 2 3 原始位置以上小幅度阶梯上升控制5 3 5 2 4 原始位置以上8 5 阶跃到4 8 下降控制5 3 5 2 5 随动跟踪控制试验5 4 5 3 原始位置以下电子节气门控制5 4 第六章全文总结及展望5 5 6 1 全文总结5 5 6 2 工作展望5 6 致谢5 7 参考文献5 8 附录：攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果6 0 攻硕期间参加的课题：6 0 攻硕期间发表的论文：6 0 v 1 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 汽车电控技术概况 第一章绪论 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志之一。每辆汽车采用电子装备 的情况已经成为衡量汽车档次高低的主要标准。从汽车市场的竞争来看， 未来汽车市场的竞争是汽车电子化的竞争。自上世纪八十年代以来，国外 应用计算机技术和微电子技术推出了具有多种检测和控制功能的汽车电 子系统，使汽车的性能和质量得到了很大的提高，同时降低了污染，解决 了汽车环保生态问题。使用这些电子控制装置后，明显地改善了汽车的动 力性、便利性、舒适性、可靠性、安定性和经济燃油性u 1 。 l9 4 8 年发明了晶体管收音机，到了19 5 5 年，安装在汽车上使用的晶 体管收音机数量迅速增加。收音机成为在汽车上最早应用的汽车电子装 置。2 0 世纪6 0 年代初期，由于交流发电机采用硅二极管整流，开始替代 原来车上使用的直流发电机。此外，自2 0 世纪7 0 年代以来，面对能源 短缺和环境污染等一系列问题，各国相继制定、颁布了严格的油耗法规和 排放法规。19 6 6 年美国加利福尼亚州首先颁布了世界上第一个汽车排放法 规，19 7 1 年美国清洁空气法规要求必需大幅度降低汽车废气中有害污染物 的限制，为此汽车的设计、生产必须很好地满足安全、节能和环保等方面 的性能要求。2 0 世纪8 0 年代，微处理器控制系统和精密的机械系统相 结合制造汽车，使汽车的动力性、经济性、操纵性、平顺性、舒适性和安 全性能等得到了进一步的提高和改善。动力传动系统的优越性能得到了认 可。9 0 年代，消费者的要求变得更加精益求精。为了增加汽车的舒适性、 方便性和安全性，人们熟悉的一些家用电器，像录音机、c d 唱机、d v d 、 卫星电视机、移动电话接收机和个人计算机逐渐地都移上了汽车，a b s 和 安全气囊都变成了豪华车型地标准配置。在这lo 年时间内，汽车电子装 置产品地开发周期不断缩短，每年新的电子系统的性能都在改进，它们的 外形、重量、价格和功耗都在减少。汽车电子装置应用的范围进一步扩大， 已逐渐取代了汽车各主要传统的机械操作系统。进入2l 世纪，汽车设计 的主要问题仍将是环保节能和安全。电子技术的快速发展，为汽车向电子 化、智能化、网络化多媒体的方向发展创造了条件。汽车已不再仅仅是一 个代步工具，它同时具备了交通、娱乐、办公和通信的多种功能。汽车电 子化使汽车工业步入了数字化时代心 。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 发动机管理系统 新一代的电控汽车发动机是把汽油喷射和点火系统等控制结合在一 起，实现对汽油机供给混合气成分与点火定时的优化控制。随着控制项目 的扩展、电子技术的不断发展和控制要求的不断提高，汽车发动机电控系 统的功能随之扩增，控制精度继续提高，除了能够控制汽油喷射、点火定 时之外，还能控制怠速、转速、爆震、排放、进气、进行故障自诊断等， 发展成为发动机管理系统川1 。 发动机管理系统( e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e m s ) 的主要任 务是根据驾驶员的要求控制发动机的输出功率和扭矩，这就需要计算所需 的进气量和与之对应的喷油量、最佳点火正时。控制点火的传感器信息和 信号与控制燃油的有非常多的相同之处。当对发动机燃油经济性、排放性 能一起考虑时，点火时刻和喷油量是相互影响的，这就是为什么现在大多 数发动机管理系统是综合点火和喷油控制，以确保发动机在所有工况下都 能处于最佳工作状态心 。 在以汽油机为动力的现代汽车上，e m s 以其低排放、低油耗、高功 率等优点而获得迅速发展，且日益普及。e m s 采用各种传感器，把发动机 吸入空气量、冷却水温度、发动机转速与加减速等状况转换成电信号，送 入控制器。控制器将这些信息与储存信息比较，精确计算后输出控制信号 n 0 1 。e m s 不仅可以精确控制燃油供给量，以取代传统的化油器，而且可以 控制点火提前角和怠速空气流量等，极大地提高了发动机性能。通过喷油 和点火的精确控制，可以降低污染物排放5 0 ：如果采用氧传感器和三元 催化转化器，在九= l 的一个狭小范围内，可以降低有毒排放物9 0 以上。 在怠速调节范围内，由于采用了怠速调节器，怠速转速降低约10 0 一l5 0 r p m ， 并使油耗得到进一步下降3 4 。如果采用爆震控制，在满负荷范围内可 提高发动机功率3 5 ，并可适应不同品质的燃油。 1 3 电子节气门 1 3 1 电子节气门简介 传统的节气门与加速踏板之间通过拉索( 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电子控制 2 系统完全按驾驶员对加速踏板的操作控制发动机的工作，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。汽车电子节气门技术 ( e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l ，e t c ) 是伴随汽车电子驱动理念 ( d r i v e b y w i r e ) 而诞生的。它摒弃了传统油门踏板采用钢丝绳或杠杆机 构与发动机节气门间的直接的机械连接，通过增加相应的传感器和电控单 元，实时精确控制节气门开度。可使发动机节气门的开度不完全取决于驾 驶员对加速踏板的操纵，控制系统可根据发动机的工况、汽车的行驶状 态等对节气门的开度做出实时的调节，使发动机在最适当的状态下工作， 从而提高了汽车的动力性、安全性及舒适性。e t c 可实现发动机扭矩控制 和精确空燃比控制，有助于提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性以及 降低排放污染，备受业内人士重视。目前，e t c 被广泛地运用于汽车的驱 动防滑控制( a s r ) 、巡航控制( c c s ) 、车辆稳定性控制( v s c ) 及自动变速控 制( a m t ) 等汽车动力控制系统中，并逐渐成为高档轿车的标准配置哺1 。 同时近年来为了满足汽车日益严格的尾气排放标准以及日渐多样化 的用户需求，发展新型能源和开发新型电子控制系统成为汽车研发的主要 技术路线。在汽车电子控制系统的发展过程中，不仅成功应用了自动控制 理论的诸多控制算法，而且还结合系统工程的概念，构建起了一套成熟的 汽车电控系统开发模式v 字型开发模式。v 字型开发模式包含了控制系 统模型离线设计和仿真技术，控制系统快速原型和硬件在环仿真技术等 等，这些技术在近几年来成为汽车电子控制系统研究和应用的主流技术， 使得整个汽车电控系统的研发过程有序而高效。 1 3 2 国外电子节气门系统发展概况 国外对e t c 的研究已有近3 0 年的历史，但由于受价格、技术和市场不 成熟等因素的制约，e t c 发展缓慢。直到近年来，e t c 作为先进车辆控制 与安全系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o la n ds a f e t ys y s t e m ，a v c s s ) 的关键 技术之一，才重新备受重视。美国d e l p h i 、v i s t e o n ，德国的b o s c h 、p i e r b u r g 和日本h i t a c h i 等汽车公司和零部件厂商均投人大量人力和财力进行研究， 促进了电子节气门技术的迅速发展【1 】1 4 1 。其中，d e l p h i 和b o s c h 公司的产品 在综合控制和监测性能上堪称楷模，并批量投入市场。目前b m w 、 d a i m l e r c h r y s l e r 、f o r d 及t o y o t a 等汽车公司在一些高档车型上均安装了 e t c 。 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 d e l p h i 开发出第二代e t c 控制系统m ，主要用于大排量汽车上。 与第一代系统不同的是，第二代e t c 的处理器集成于发动机e c u 中， 并采用一个单独的微处理器监测e t c 主要输入信号及主e c u 是否正常 工作，其控制系统如图1 1 所示。 接后皇翼 广 电控 瑚 单元 付罟u ：p u 检测 图1 1d e l p h i 电子节气门控制系统 b o s c h 推出了新的发动机管理系统m e m o t r o n i c 7 1 ，实现了基于转矩 控制的控制策略。与其他发动机管理系统不同，m e m o t r o n i c 系统能测定 任何给定条件下发动机的转矩需求，并能使节气门达到相应开度以获得所 需转矩。该系统集成了电子节气门控制系统( 如图1 2 所示) ，发动机e c u 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故障诊断，提高了安全性和可靠性。 24 l 。加速踏板模块：2 各种传感器；3 发动机e c u ；4 各种执行器；5 节气门体6 监控模块； 7 微处理器：8 存储器 图1 2b o s c h 电子节气门控制系统 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而下降。英飞凌( i n n n e o n ) 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( g m r c 6 ) ， 并进一步将节气门驱动芯片集成于节气门体内。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 3 国内电子节气门系统发展概况 国内对e t c 研究尚处于起步阶段。虽然一些公司生产的部分高级轿车 上已经配置了e t c 系统，但都属国外引进的技术，未能形成具有我国自主 知识产权的e t c 产品拍引。可喜的是，2 0 0 4 年，奇瑞公司开发了电子节气 门系统，用于旗云c v t 轿车上。另外，国内部分高校近年来也对e t c 开 展了研究与技术探索，并取得了阶段性成果。如清华大学研制的发动机电 控节气门控制器，实现了混合动力电动汽车用发动机的扭矩控制，武汉理 工大学进行了基于d s p 的电子油门控制的研制，重庆大学研究出由高速开 关阀控制的电液式节气门执行器。 清华大学李雅博等人设计出了一种电子节气门控制系统。其单片机试 验系统如图1 3 所示。 。r p s l ( 实际开度) 图1 3电子节气门单片机试验系统 控制器以摩托罗拉的单片机m c 6 8 h c 9 1 2 d gl2 8 a 为核心，用 m c 3 318 6 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p w m 分别控制m c 3 3 1 8 6 的i n l 和i n 2 ， 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 p w m 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。节气门控制单元没有与发动机管理系统有机结合起来，且节气门 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。 1 4e t c 现存问题、难点及未来发展趋势 控制系统复杂，精确控制困难。e t c 系统本身存在非线性阻尼特性， 进气绕流阻力矩不稳定等因素，传感器等工作部件在使用过程中存在机械 磨损和可靠性变差等问题。常规的p i d 控制不能精确地设定反馈的增益， 导致了跟随目标节气门开度稳定性能的逐渐恶化。 在进行多种控制功能集成时，各控制系统之间需采用信息融合技 术，即将a s r 、c c s 及v s c 系统所需要的各传感器信号有机地融合起来， 实现资源共享，协调各个系统间的相互关系，提高控制系统的稳定性和可 靠性。因此，完善协调各个系统间的相互关系，以共享方式传送多种控制 信息，提高控制系统的实时性、稳定性和可靠性，也是e t c 研究的难点问 题。 e t c 设计需要充分考虑不同驾驶员的驾驶个性和车辆的行驶环境。 目前对汽车的减速、怠速、定速和加速控制还存在一定难度，这个问题的 解决还需依靠驾驶行为学理论、神经网络控制理论( 人工智能) 和汽车电 子技术的进一步发展来共同解决。 成本居高不下也是阻碍e t c 广泛应用的瓶颈。e t c 采用了传感器、 控制单元、驱动器以及冗余设计，使之成本较高，使得e t c 目前只装配在 高档轿车上，所以降低e t c 产品的价格是当前研究的重要任务之一。 1 5 本课题的研究意义及内容 我国汽车工业正处于发展和提高时期，目前在国内轿车年产量已超过 2 0 0 万辆。但中国的汽车工业相对于世界发达国家来说是比较落后的，目 前仅相当于发达国家8 0 年代初的水平。世界汽车工业经过近3 0 多年的发 展，大量的高科技成果在汽车上得到了应用。现代汽车已经不仅仅是一台 复杂的运输机器，而是集电子技术、控制技术、机械技术、液压技术、通 信技术于一身的高科技代表产物。汽车电子化正逐渐成为现代汽车( 特别 是轿车) 的基本特征，也是将来汽车发展的主要方向之一。 电子节气门是发动机管理系统中的重要部件，是实现发动机全电控的 基础，现在已经得到越来越广泛的应用。国内处于引进使用阶段，没有深 入系统的研究，可供借鉴的经验不多，对国外的核心技术知之甚少。因此， 吸收、借鉴国外先进的控制经验，深入研究电子节气门控制系统的工作原 理以及控制电路和控制算法，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。本课题的研究内容如下： 针对b o s c h 生产的电子节气门，研究其结构、各组成部分特点和功 能，并对其电器特性进行标定，设计控制方案。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 建立了电子节气门数学模型，并分析电子节气门非线性因素的成 因，设计了电子节气门的控制策略和算法。 设计2 种控制器( p i d 控制器、滑动模态控制器) 并进行了仿真控制， 并对仿真结果进行分析说明。 用单片机c 语言编写了基于u c o s 操作系统的底层驱动程序、软 件控制程序、串口通信程序和传感器诊断程序等。 对两种控制结果进行系统的分析对比，选出合适的控制策略。 第二章电子节气门结构及控制策略 2 1 节气门控制系统 2 1 1 车用节气门的发展过程及其类型 节气门的作用是控制进入发动机的空气流量，汽车节气门按照控制方 式可分为刚性控制节气门和柔性控制节气门h 1 。 刚性控制式节气门就是从汽车出现以来一直到现在仍在普遍使用的 机械式节气门，加速踏板与节气门阀片通过拉线机械连杆连接在一起，通 过踏板直接控制节气门的开度，它不能实现对节气门开度的自动控制，而 是严格服从驾驶员意图及其操作。早期的机械式节气门结构比较简单，没 有传感器装置。随着电子技术和传感器技术的发展，为了实现对发动机的 综合控制，在机械式节气门上加装了节气门位置传感器，将节气门开度信 号传递给发动机控制单元，目前车辆上使用的机械式节气门基本上都装有 这种节气门位置传感器，老式的机械连接节气门己经逐步被淘汰。 柔性控制式节气门取消了传统加速踏板与节气门阀片之间的拉线连 接，采用电机或执行器驱动节气门。驾驶员的意图通过加速踏板位置传感 器传送给发动机或动力传动系统的e c u ，e c u 发出指令给节气门驱动执行 器，实现对节气门开度的控制，这种控制方式是间接的，即电子节气门。 柔性控制的电子节气门按照节气门驱动执行器可分为：电液式、线性 电磁铁式、真空膜片式、步进电机式、直流伺服电机式。 电液式节气门一般应用在有液压源的车辆中，采用电液式作动器作为 节气门执行器，具有结构简单、成本低廉、驱动力大、耐受环境温度能力 强等特点。但由于液压系统存在供油压力波动、油的粘度随油的温度而变 化、控制阀的启闭特性、负载的惯性质量、液压执行机构的摩擦力等因素 的影响，因此系统的响应较之步进电机具有更为严重的时滞现象。 线性电磁铁式电子节气门采用有进气歧管真空度控制的气动活塞式 结构，执行器活塞连杆与油门拉杆相连，活塞连杆对油门拉杆无力作用时， 弹簧力使油门关闭。当有输入信号使执行器电磁线圈通电时，压力控制阀 8 重庆邮电大学硕士论文第二章电子节气门结构及控制策略 芯克服弹簧力下移，执行器汽缸与进气歧管连通。由于进气歧管内为真空， 于是执行器汽缸压力迅速下降，执行器活塞带动油门拉杆带动节气门平顺 地打开。 真空膜片式电子节气门的真空系统由真空调节器、节气门驱动伺服膜 盒、车速控制开关和制动踏板上的真空解除开关等部分组成。根据电控单 元的输出信号，经电磁滑阀调节进入系统的新鲜空气量，从而控制作用于 伺服膜盒内的真空度。 步进电机式电子节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现节气门 开度控制。步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件， 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和 脉冲数，而不受负载变化的影响。这一线性关系的存在，加上步进电机只 有周期性的误差而无累积误差等特点，使得它在定位控制方面具有较好的 控制效果。但步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如 传统的闭环控制的直流伺服电动机。 直流电机具有响应速度快，控制精度高的特点，结构比较简单，价格 便宜，因而广泛用作电子节气门的驱动执行器。目前生产的电子节气门基 本上都采用了直流电机。 2 1 2 传统的节气门控制系统 传统的节气门靠机械连接进行控制，用拉线或连杆把加速踏板的位移 传递给节气门从而控制开度，如图2 1 所示。它由加速踏板、拉线和杠杆、 复位弹簧和节气门体等部分组成吲7 m 。加速踏板与节气门片通过拉线杠 杆连接在一起，驾驶员通过直接控制加速踏板来实现驾驶意图，加速踏板 位移量，对应一个相应的节气门开度，二者之间是一种刚性连接。 图2 1 传统节气门结构简图 图2 2 旁通空气阀控制原理 9 重庆邮电大学硕士论文第二章电子节气门结构及控制策略 下面是传统节气门的两种典型结构： 旁通空气阀控制式心盯 此种控制方式由怠速控制阀控制旁通空气道进行调节( 如图2 2 所 示) ，使发动机实现对起动、怠速、暖机及附件负荷调节等工况的适应。 冷态时发动机有较高的内部摩擦，需要较大的空气量和喷射更多的燃油。 当附属设备，如空调压缩机开启时，为了避免驱动功率下降需要增加进气 量。附加的进气量可由旁通空气阀提供，它提供额外的空气绕过节气门进 入发动机。 怠速自流电机控制式 此种控制方式设计了一个节气门驱动器( 直流电机) 来调整节气门的 怠速开度，以响应变化的要求。节气门怠速位置传感器向e c u 输入怠速 节气门开度信号和怠速直流电机位置信号。e c u 根据发动机的工况需要控 制怠速直流电机的旋转方向和转动角度，以控制节气门怠速开度，改变发 动机怠速转速。当怠速触点断开时则靠油门拉线控制节气门的开度，此时 节气门位置传感器向e c u 输入节气门开度信号。其结构如图2 3 所示。 】 ( a ) 节气门体( b ) 怠速开关( c ) 怠速直流电机 1 怠速节气门电位计；2 应急弹簧；3 怠速电机；4 节气门电位计；5 整体式怠速调节；6 怠速开关 图2 3 具有怠速直流电机的节气门体 机械式节气门的优点是机构简单，反应快，可靠性较高，可以充分地 反映驾驶员的驾驶意图；缺点是传统的节气门与加速踏板之间通过拉索 ( 杆) 连接，节气门的开度完全由驾驶员通过加速踏板来控制阳们。 传统节气门对空气流量的控制只限于怠速控制，因而控制功能单一。 发动机处于其它工况时，驾驶员通过油门拉线控制节气门的开度，因而对 进气量的控制不精确。这种机械控制方式由于其动态特性的限制，很难根 据汽车的不同工况相应地做出精确而及时的调整，特别是在冷起动、低负 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章 电子节气门结构及控制策略 荷等特殊工况下的控制效果很差，从而导致汽车发动机的经济性下降，有 害排放量增加43 8 1 引。 2 1 3 电子节气门控制系统 电子节气门取消了机械式节气门的刚性连接，采用一种柔性控制方 式，它由加速踏板模块、节气门控制单元、节气门体等组成，其系统结构 如图2 4 所示。 图2 4 电子节气门控制系统 加速踏板位置传感器通常采用双电位计式传感器，安装在加速踏板总 成内部，用于检测加速踏板的位置变化。双电位计式加速踏板位置传感 器同时输出两个大小同向变化，但变化斜率不同的电压信号。可提高测 量精度，使电子控制器对节气门开度的控制更加精准。加速踏板位置传感 器安装在发动机舱内时，加速踏板与传感器之间通过一根拉索连接。 节气门位置传感器采用无触点的双电位计式传感器，安装在节气门总 成内，用于将节气门的位置信息反馈给电子控制器。节气门位置传感器双 电位计的两个电压信号通常是相向改变，当节气门开度改变时，节气门位 置传感器的一个信号电压增大，另一信号电压则减小。节气门位置传感器 设双电位计的目的也是为了提高电子控制器对节气门位置的控制准确度。 电子控制器根据加速踏板位置传感器及其它相关传感器的信号进行最佳 节气门开度判断，并输出控制信号，控制节气门驱动装置，将节气门调整 到适当开度。电子节气门控制器通常是发动机电子控制器中的一个控制模 块，由相应的控制程序和驱动电路组成。 电子节气门的工作原理是：当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置 传感器将加速踏板位移量信号转换为电压信号传给e c u ，e c u 通过对驾驶 员操作意图和当前所处工况进行综合处理，根据得到的节气门开度数值发 出控制信号，经过功率放大，控制节气门驱动电机，使电机按照e c u 给定 重庆邮电大学硕士论文第二章电子节气门结构及控制策略 的角度驱动节气门运转到所需要的开度；同时节气门体上的节气门位置传 感器将测得的当前节气门位置信号转化为模拟电压信号传给e c u ，通过反 馈实现对节气门的最佳闭环控制8 。 2 2 电子节气门总成的结构 电子节气门结构及各组成部分功能和特性的研究，是控制系统软、硬 件设计的基础。本课题所用电子节气门结构实图如图2 5 所示。 电子节气门总成用来执行来自电子控制器的指令，迅速调节节气门 开度，以控制发动机的进气量：与此同时，输出反映节气门当前位置 的电信号，以使电子控制器能实时监控节气门的开度。电子节气门总成 由节气门、节气门驱动执行器和节气门位置传感器等构成阳1 0 2 引。采用直 流电动机和齿轮传动机构的电子节气门总成如图2 6 所示。 图2 5电子节气门实物图图2 6电子节气门总成 节气门阀 因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在 进气管道中，节气门的全关闭角度( 节气门与进气流垂直方向的夹角) 并不 是o o ，而是有2 0 左右的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形，节气门的 开度范围为o o 一8 8 0 。静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在9 0 的开度。节气门开度为0 0 时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向 的投影面积。 驱动电机 用于节气门驱动的电机通常有步进电机和直流电机2 种型式。步进电 机具有较高的位置保持特性，但高速性能较差，而节气门要求有较高的动 态响应性能，所以国外产品大多选用直流电机驱动。本课题电子节气门的 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章电子节气门结构及控制策略 驱动电机是直流电机，因此硬件电路设计时，要考虑自流