基于DSP的電子節氣門(mén)PID控制

　　一、引言

　　隨著(zhù)現代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微機技術(shù)在汽車(chē)上的廣泛應用，使得汽車(chē)的內涵和功能不斷拓展和延伸，汽車(chē)電子化正逐漸成為現代汽車(chē)的基本特征。節氣門(mén)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的重要控制部件。為了提高汽車(chē)行駛的動(dòng)力性、平穩性及經(jīng)濟性，并減少排放污染，世界各大汽車(chē)制造商推出了各種控制特性良好的電子節氣門(mén)及其相應的電子控制系統，組成電子節氣門(mén)控制系統(ETCS)。采用電子節氣門(mén)控制系統，使節氣門(mén)開(kāi)度得到精確控制，不但可以提高燃油經(jīng)濟性，減少排放，同時(shí)，系統響應迅速，可獲得滿(mǎn)意的操控性能;另一方面，可實(shí)現怠速控制、巡航控制和車(chē)輛穩定控制等的集成，簡(jiǎn)化了控制系統結構?，F在，電子節氣門(mén)控制系統已成為發(fā)動(dòng)機完全電控管理系統的一個(gè)重要模塊。由于ETCS的優(yōu)越性，目前，世界上越來(lái)越多的大型汽車(chē)制造公司開(kāi)始采用ETCS，傳統機械式節氣門(mén)面臨著(zhù)被電子節氣門(mén)所取代的趨勢。

　　在電子節氣門(mén)這種柔性連接方式中，油門(mén)踏板與節氣門(mén)之間不再有機械連接。節氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)度由車(chē)載電控系統根據當時(shí)的汽車(chē)行駛狀況并考慮發(fā)動(dòng)機特性確定，從而保證發(fā)動(dòng)機運行于最佳工況。本設計進(jìn)行了電子節氣門(mén)控制系統的電控單元開(kāi)發(fā)、傳感器信號處理電路及執行器功率驅動(dòng)電路的硬件電路設計，并進(jìn)行了PID控制試驗。

　　二、系統組成

　　電子節氣門(mén)控制系統如圖1所示，包括：節氣門(mén)體、加速踏板位置傳感器、DSP(Digital Signal Processor)開(kāi)發(fā)板、信號處理電路、功率驅動(dòng)電路及微機監控系統幾個(gè)部分。節氣門(mén)體包括：直流電機、節氣門(mén)開(kāi)度傳感器及機械裝置，它們被封裝為一體。通過(guò)ECU驅動(dòng)直流電機，完成節氣門(mén)開(kāi)度調整;節氣門(mén)開(kāi)度信號通過(guò)節氣門(mén)體內部的一對高精度節氣門(mén)開(kāi)度傳感器獲取當前開(kāi)度下相應的電壓反饋值，該反饋值與節氣門(mén)打開(kāi)角度成線(xiàn)性變化。利用這兩路反饋信號，構建閉環(huán)控制系統。加速踏板帶動(dòng)一個(gè)位置傳感器，將加速踏板位置信號轉變?yōu)殡妷盒盘杺鞯紼CU，其作用相當于一個(gè)反映駕駛員操縱意圖的傳感器，提供節氣門(mén)開(kāi)度的參考信號。

　　當駕駛員踩下加速踏板時(shí)，加速踏板位置信號經(jīng)過(guò)模擬信號采樣處理電路，由DSP進(jìn)行采集、處理及判斷駕駛員的駕車(chē)意圖;同時(shí)參考發(fā)動(dòng)機的轉速傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器及其它與車(chē)輛行駛工況相關(guān)的傳感器信號進(jìn)行綜合分析計算，確定一個(gè)期望的節氣門(mén)開(kāi)度值;并將期望值與當前反饋回來(lái)的節氣門(mén)開(kāi)度值進(jìn)行比較，確定控制信號，發(fā)出脈寬調制信號，經(jīng)過(guò)功率放大電路驅動(dòng)執行器，實(shí)時(shí)調整占空比，實(shí)現各項控制功能。最后驅動(dòng)電機使節氣門(mén)移動(dòng)到一個(gè)與期望的節氣門(mén)開(kāi)度值相對應的位置。

　　(一)電子節氣門(mén)控制系統的核心DSP56F807

　　控制單元DSP處理輸入信號，計算和輸出控制信號是整個(gè)電子節氣門(mén)控制系統的核心。電子節氣門(mén)控制系統要求電控單元抗干擾能力強、可靠性好、功能強和運算速度高。針對本系統，選擇了Freescale公司DSP56F807進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)。16位DSP56F807 在硬件設計上采取了一些獨特的設計，以求最快的運算速度。DSP56800系列數字信號處理器具有很豐富的I/O口和多種外圍配置。在單一的 DSP56F807芯片上集成了14個(gè)專(zhuān)用的和18個(gè)復用的通用輸入/輸出通道GPIO、2個(gè)異步串行通信模塊SCI、1個(gè)同步串行外設模塊SPI、1個(gè)控制系統局域網(wǎng)模塊CAN2.0、4個(gè)4通道的12-bitADC，共16路模擬量輸入通道、2個(gè)6通道用于各類(lèi)電機控制的脈沖寬度調制PWM模塊、4個(gè) 16位四定時(shí)/計數器Timer、外部存儲器接口、片內電源監視器及看門(mén)狗(watchdog)、JTAG/OnCE實(shí)時(shí)調試接口等多路外設模塊。實(shí)現了完全的單片化，可以滿(mǎn)足電子節氣門(mén)控制系統需要。

　　(二)驅動(dòng)電路設計

　　在電路設計中加入了大量的濾波和抗干擾元件，采用RC濾波、光耦隔離、電壓跟隨器和比較器等優(yōu)化組合來(lái)提高電路的可靠性和抗干擾性。執行器功率驅動(dòng)電路的功用就是將DSP輸出的數字信號轉換成可以驅動(dòng)執行元件的輸出信號。該模塊是電控系統執行機構正常工作的保證，驅動(dòng)模塊的好壞與系統的穩定性和可靠性有密切的聯(lián)系。

　　要控制節氣門(mén)的開(kāi)度，就需要控制其直流電機的輸出扭矩，該扭矩與電機線(xiàn)圈中的電流成正比。如圖2所示，直流電機PWM功率驅動(dòng)電路：DSP產(chǎn)生PWM信號通過(guò)光電耦合器控制功率MOS管來(lái)完成對直流電機電源的高頻開(kāi)閉，最終控制節氣門(mén)的開(kāi)度。由于節氣門(mén)片需要正反兩個(gè)方向轉動(dòng)，所以需要搭建一個(gè)H橋電路來(lái)滿(mǎn)足對直流電機雙向控制的需求。光電耦合器實(shí)現上、下級之間的電器隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，干擾DSP的正常工作。4個(gè)二極管具有消除電壓尖峰的作用。

　　三、PID控制原理

　　由于節氣門(mén)體中存在非線(xiàn)性彈簧、粘性摩擦和滑動(dòng)摩擦、進(jìn)氣擾動(dòng)及齒隙沖擊等，導致了控制對象為一嚴重非線(xiàn)性系統，控制難度較高。PID控制不需要測量系統的模型，容易實(shí)現，所以本文選擇了使用PID控制策略進(jìn)行控制。PID控制將偏差的比例P、積分I和微分D通過(guò)線(xiàn)性組合構成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱(chēng)PID控制。

　　PID控制系統是一種線(xiàn)性控制系統，如圖3所示，控制偏差e(t)為目標值與實(shí)際輸出值之差：

　　e(t)=r(t)-y(t)(1)

　　PID控制規律為：

　　式中：KP——比例系數;

　　TI——積分時(shí)間常數;

　　TD——微分時(shí)間常數。

　　KP成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制系統立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

　　TI主要用于消除靜差，提高系統的無(wú)差度，積分作用的強弱取決于積分時(shí)間常數TI，TI越大積分作用越弱，反之則越強。

　　TD反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統的動(dòng)作速度，減少調節周期。

　　在計算機PID控制中，需使用數字PID控制，本文使用增量式PID控制算法，公式如下：

　　△u(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+K

　　D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](3)

　　u(k)=u(k-1)+△u(k)(4)

　　式中：△u(k)——k時(shí)刻輸出增量;

　　KI——積分系數;

　　KD——微分系數。

　　數字PID控制是連續系統中技術(shù)最成熟應用最廣泛的一種控制，不需了解被控對象的數學(xué)模型，只要根據經(jīng)驗進(jìn)行調整參數的在線(xiàn)整定，即可獲得滿(mǎn)意的效果，特別適用于軟件編程的方法實(shí)現PID控制，參數變化十分靈活。具有控制原理簡(jiǎn)單、實(shí)現容易及穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　由于節氣門(mén)體中復位彈簧的作用，使節氣門(mén)片的受力變得復雜，增加了控制的難度。節氣門(mén)片向不同方向轉動(dòng)時(shí)其受力不同，轉動(dòng)范圍大小也不同，因此，正、反轉模型也就不同。于是需要設計正轉和反轉兩組PID控制，其控制參數和流程均不同。程序需根據控制輸出量值的正負，判斷進(jìn)入正轉控制流程還是反轉控制流程，并完成控制流程的非線(xiàn)性切換。

　　四、節氣門(mén)控制實(shí)驗

　　節氣門(mén)開(kāi)度控制實(shí)驗中，節氣門(mén)位置傳感器的電壓為反饋量，PWM的占空比信號為控制輸出量。實(shí)驗中由PC機監控系統向DSP發(fā)送目標開(kāi)度值和PID控制參數，DSP根據控制參數和節氣門(mén)位置信號計算并輸出PWM信號，電機執行命令，控制電子節氣門(mén)完成動(dòng)作;同時(shí)DSP向PC機監控系統傳送控制過(guò)程，PC機記錄并顯示實(shí)際控制效果，根據控制效果不斷調整PID控制參數，最終達到最佳控制。圖4記載了試驗中進(jìn)行的階躍響應測試，參數KP=65，KI=125， KD="10"，電子節氣門(mén)從初始值1200mV到目標值2000mV的階躍變化情況。從系統的階躍響應曲線(xiàn)可知節氣門(mén)上升時(shí)間短且穩態(tài)跟蹤誤差小，滿(mǎn)足系統響應和控制精度要求。

　　五、結論

　　試驗表明，該控制系統具有性能穩定、抗干擾能力強和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，取得了十分滿(mǎn)意的控制效果，故該節氣門(mén)控制系統具有很高的應用價(jià)值。

　　下一步將電子節氣門(mén)控制系統裝車(chē)，與發(fā)動(dòng)機ECU整合，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機實(shí)車(chē)試驗，需要對電子節氣門(mén)的控制特性進(jìn)行深入研究，結合更有針對性的非線(xiàn)性智能控制方法，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機控制效果。