汽車(chē)電子節氣門(mén)控制系統ECU設計及其在A(yíng)SR控制中的應用

0 引 言
早期節氣門(mén)是為了調節汽油機的充氣量，在化油器腔體上設置的節流裝置，通過(guò)杠桿、鋼絲拉線(xiàn)與油門(mén)踏板相連。因其常見(jiàn)為蝶形閥門(mén)，故稱(chēng)節氣門(mén)。電控噴射系統取代化油器后，油路自成系統，進(jìn)行壓力噴射；在進(jìn)氣系統方面，保留了化油器進(jìn)氣道喉管下方的一個(gè)簡(jiǎn)單卻非常重要的部件――節氣門(mén)，并增設電子控制單元(ECU)、節氣門(mén)位置傳感器、空氣流量計等監測工況。電子控制節氣門(mén)系統(Electronic Throttle ControlSystem，ETC)是在電噴系統的節氣門(mén)機構中，去掉了一些附屬補償裝置，增加了新的電控單元、直流電機、減速齒輪、驅動(dòng)電路等。與傳統的節氣門(mén)控制方法不同，電子節氣門(mén)系統中節氣門(mén)在任何工況下都直接由電機驅動(dòng)；而且ECU可綜合車(chē)輛管理信息和發(fā)動(dòng)機工況的變化而隨時(shí)配制一個(gè)最佳的混合氣成分。這種最佳的混合氣成分，同時(shí)按發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性，特別是按減少排放有害物的要求來(lái)確定，具有良好的怠速、加速、減速等的過(guò)渡性能。
電子節氣門(mén)相當于用一種柔性連接取代了傳統的機械連接方式(即剛性連接)。在剛性連接中，發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)開(kāi)度完全受控于油門(mén)踏板開(kāi)度，發(fā)動(dòng)機工作狀況取決于駕駛員對油門(mén)踏板的操作。在柔性連接方式中，油門(mén)踏板僅相當于一個(gè)反映駕駛員操縱意圖的傳感器，節氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)度由其控制器根據當時(shí)的汽車(chē)行駛狀況、其他車(chē)載電控系統的需求并考慮發(fā)動(dòng)機特性之后確定。
汽車(chē)驅動(dòng)防滑控制系統(ASR)是重要的主動(dòng)安全系統，其控制需要調節發(fā)動(dòng)機輸出轉矩。由于目前我國裝車(chē)的轎車(chē)發(fā)動(dòng)機大都不具備自主知識產(chǎn)權，無(wú)法完成對發(fā)動(dòng)機控制系統的干預，所以本文采用了安裝電子節氣門(mén)來(lái)調節轉矩的ASR系統方案。為了實(shí)現驅動(dòng)防滑控制(ASR)的需要，設計并開(kāi)發(fā)了ETC系統ECU軟硬件，在安裝電子節氣門(mén)體的試驗臺架上進(jìn)行了功能測試，并將之應用于A(yíng)SR控制中，進(jìn)行了硬件在環(huán)測試。

1 ECU硬件電路設計
ECU硬件主要實(shí)現油門(mén)踏板信號采集與處理、存儲與運行控制軟件、驅動(dòng)直流電機以及和其他ECU或者計算機進(jìn)行通信等功能。硬件設計框架如圖1所示。

ECU的設計還需綜合考慮幾個(gè)因素：
(1)控制程序實(shí)時(shí)性要求，要求控制器能夠快速運行程序并具備較高的計算速度；
(2)控制器可靠性要求，確保在汽車(chē)級惡劣電磁環(huán)境中具備較強的抗干擾性能，控制程序能夠運行可靠、穩定；
(3)控制器體積及成本考慮，具備一定的市場(chǎng)競爭能力。
1．1 MCU選型及單片機最小系統設計
單片機是電子控制系統ECU的核心，它負責數據采集與處理以及所有的邏輯運算，并直接影響到控制器電路運行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。
綜合考慮各種因素，本文所采用的芯片型號為MC68HC908AZ32A，這是Freescale公司生產(chǎn)的專(zhuān)為汽車(chē)設計的功能強大的8位單片機。具有豐富的功能模塊，包括1路SPI接口模塊、1路SCI接口模塊、15路A／D轉換模塊、1路CAN通信接口模塊等。此外，芯片獨立的數字I／O接口數也滿(mǎn)足設計要求，并且還留有功能擴展的余地。
選定單片機后，設計了電源電路、時(shí)鐘電路和復位電路等，構成單片機工作的最小系統。
1．2 信號采集電路設計
ETC系統需要將油門(mén)踏板位置信號和節氣門(mén)位置信號等模擬信號采集輸入單片機中。因為模擬信號可能會(huì )出現較多的毛刺或因干擾、突發(fā)故障等產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，為了更好地采集信號，并保護MCU，設計模擬信號輸入電路，如圖2所示。該電路是一個(gè)有源濾波電路，可以大幅減少毛刺和減小波動(dòng)。

有源低通濾波電路，一方面可以濾除傳輸線(xiàn)上的干擾信號，另一方面可以提高A／D的輸入阻抗。其中LM124是高效的集成運放。電容C701對傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行濾波，去除毛刺。跟隨器起的作用是將輸出阻抗降低到最小水平，因為MCU的A／D模塊在處理快速變化的模擬信號時(shí)要求盡可能小的輸出阻抗和較小的采樣周期來(lái)滿(mǎn)足快速性和精度的要求。另外，ECU還要輸入開(kāi)關(guān)量形式的制動(dòng)信號，通過(guò)單片機特定端口的中斷功能實(shí)現。
1．3 直流電機驅動(dòng)電路設計
由于控制節氣門(mén)開(kāi)度的直流電機用單片機輸出的PWM信號驅動(dòng)，中間需要功率驅動(dòng)芯片。本文選用TLE6209，內部集成了H橋電路。該芯片是英飛凌公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)控制電子節氣門(mén)的智能功率驅動(dòng)芯片。與其他功率驅動(dòng)芯片相比，TLE6209具有很高的可靠性和保護功能，通過(guò)SPI接口可與控制單元進(jìn)行通信，發(fā)送故障信息和控制命令，可為以后控制單元診斷功能的擴展提供條件；一般的H橋驅動(dòng)信號需要兩路PWM信號控制電機的轉動(dòng)，TLE6209只需要一路PWM信號和一個(gè)方向信號，因此節省了硬件資源，且控制更靈活、可靠。其主要特點(diǎn)如下：
(1)連續輸出電流最大為6 A；最高工作電壓為40 V；最大輸出頻率為30 kHz。
(2)邏輯電壓與驅動(dòng)電壓?jiǎn)为毠╇?；內部集成續流二極管；輸出短路保護。
(3)IHN為低電平時(shí)，芯片停止工作；DIS為高電平時(shí)，輸出端為高阻狀態(tài)。
(4)可與單片機進(jìn)行雙向通信，通過(guò)SPI單片機可向TLE6209寫(xiě)入可編程控制字，TLE6209可以向單片機發(fā)送故障診斷信息。
(5)工作時(shí)僅需兩路信號：DIR控制輸出電流方向；PWM控制輸出電流大小。
TLE6209電路設計如圖3所示。

1．4 CAN總線(xiàn)接口電路設計
控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)為串行通信協(xié)議，能有效支持具有很高安全級的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò )到底價(jià)位的多路配線(xiàn)都可以使用CAN。在汽車(chē)電子行業(yè)里，使用CAN連接發(fā)動(dòng)機控制單元、傳感器、防滑系統等，其傳輸速度可達1 Mb／s。