基于A(yíng)TMEG16電子節氣門(mén)控制系統的設計

1.引言

傳統的節氣門(mén)與加速踏板之間通過(guò)拉桿連接，節氣門(mén)的開(kāi)度完全由駕駛員通過(guò)加速踏板來(lái)控制。這種機械控制方式只能使發(fā)動(dòng)機完全按駕駛員的操作意圖工作，不能確保發(fā)動(dòng)機的工作狀態(tài)與汽車(chē)的運行情況形成最佳的匹配。電子節氣門(mén)控制系統可以根據加速踏板位移，路面情況以及車(chē)況等信息發(fā)出指令使節氣門(mén)開(kāi)度得到最佳控制，使發(fā)動(dòng)機空燃比達到最佳從而提高車(chē)輛動(dòng)力性和經(jīng)濟性，而且對減少廢氣排放、保護環(huán)境也有著(zhù)重要意義。

2.電子節氣門(mén)控制系統的構成及工作原理

電子節氣門(mén)控制系統主要由MCU、油門(mén)踏板位置傳感器、電子節氣門(mén)體、驅動(dòng)電路以及電源五部分構成。它的工作原理是：駕駛員操縱油門(mén)踏板，油門(mén)踏板位置傳感器產(chǎn)生相應的電壓信號，即節氣門(mén)開(kāi)度的參考信號，控制單元對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣處理，然后控制單元根據車(chē)輛行駛工況進(jìn)行綜合分析計算得出一個(gè)期望的節氣門(mén)開(kāi)度值，并輸出對應的控制信號給驅動(dòng)電機，在驅動(dòng)電機作用下，節氣門(mén)閥片達到期望位置。在整個(gè)控制過(guò)程中，節氣門(mén)位置傳感器將節氣門(mén)開(kāi)度信號不停的反饋給控制單元，控制單元將得到的開(kāi)度信號與目標值不停比較并修正，直到實(shí)際的節氣門(mén)開(kāi)度值達到與期望的節氣門(mén)開(kāi)度值相對應的位置。

3.控制電路硬件設計

電子節氣門(mén)控制系統中，節氣門(mén)由直流電機驅動(dòng)達到目標開(kāi)度，因此對直流電機的控制直接影響節氣門(mén)開(kāi)度的精度，通常直流電機都是由PWM信號控制，另外，電子節氣門(mén)控制系統采用閉環(huán)控制，油門(mén)踏板給出目標開(kāi)度，節氣門(mén)位置傳感器反饋出實(shí)際開(kāi)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字信號?；诳刂破饕邆溥@些功能，本文選用AVR單片機ATMEG16作為主控芯片，并且使用英飛凌公司的TLE6209R芯片作為電機驅動(dòng)芯片，開(kāi)發(fā)電子節氣門(mén)控制系統硬件電路?？刂齐娐凡糠职ǎ盒盘柌杉幚?，穩壓，直流電機驅動(dòng)，串行通信等。油門(mén)踏板傳感器和節氣門(mén)位置傳感器分別給出油門(mén)踏板位置和節氣門(mén)開(kāi)度信號，通過(guò)單片機中的模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，對兩信號比較，給出控制電機轉向的信號并調用控制算法計算輸出合適占空比的PWM信號，再通過(guò)直流電機驅動(dòng)電路驅動(dòng)電機使節氣門(mén)達到目標開(kāi)度。本實(shí)驗中用手柄電位器模擬代替踏板位置傳感器;PA1即ADC1接節氣門(mén)位置傳感器反饋的信號TPS1;PD5用于輸出占空比可調的PWM,與驅動(dòng)芯片TLE6209R的PWM端口相連;PB0與驅動(dòng)芯片TLE6209R的DIR端口相連，用于發(fā)出方向控制信號，控制節氣門(mén)閥片的正反轉。圖1為單片機最小電路圖，圖2為驅動(dòng)電機電路連接圖。

本次實(shí)驗建立了上位機界面來(lái)顯示結果，上位機采用的是MCGS組態(tài)軟件，選用莫迪康-RTU為設備構件，它是遵從Modbus協(xié)議的，所以單片機的通信程序必須也符合Modbus協(xié)議才能和上位機通信，串口通信連接電路圖如圖3所示。

4.軟件設計

由于電子節氣門(mén)具有非線(xiàn)性，時(shí)變性等特點(diǎn)，本文采用非線(xiàn)性PID控制策略，根據系統階躍響應曲線(xiàn)自動(dòng)調節非線(xiàn)性PID參數。

比例參數：

由于非線(xiàn)性PID控制器參數可以隨著(zhù)誤差變化而變化，只要取合適的參數，就能夠使控制系統達到響應快，超調小的目的。軟件框圖如圖4所示。

5.實(shí)驗結果及分析

圖5為0.8s方波快速跟隨實(shí)驗，通過(guò)曲線(xiàn)可以看出在跟隨的過(guò)程中會(huì )有滯后的現象產(chǎn)生，無(wú)超調現象，在電子節氣門(mén)的實(shí)際應用中基本能夠滿(mǎn)足控制要求。

圖6為方波慢速跟隨曲線(xiàn)，可以看出當給定信號變化越慢，跟隨性能就越好，跟隨過(guò)程中無(wú)超調，無(wú)滯后現象。

6.結論

本文針對電子節氣門(mén)的非線(xiàn)性采用非線(xiàn)性PID控制的方法進(jìn)行控制器的設計，同時(shí)采用ATMEG16為主控芯片，通過(guò)上位機顯示出控制結果，實(shí)驗結果表明這種設計能夠基本達到控制要求。