基于ATMEG16電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.引言

傳統(tǒng)的節(jié)氣門(mén)與加速踏板之間通過(guò)拉桿連接，節(jié)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(jī)械控制方式只能使發(fā)動(dòng)機(jī)完全按駕駛員的操作意圖工作，不能確保發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與汽車(chē)的運(yùn)行情況形成最佳的匹配。電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)可以根據(jù)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(jié)氣門(mén)開(kāi)度得到最佳控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比達(dá)到最佳從而提高車(chē)輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，而且對(duì)減少?gòu)U氣排放、保護(hù)環(huán)境也有著重要意義。

2.電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)主要由MCU、油門(mén)踏板位置傳感器、電子節(jié)氣門(mén)體、驅(qū)動(dòng)電路以及電源五部分構(gòu)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(yīng)的電壓信號(hào)，即節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的參考信號(hào)，控制單元對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣處理，然后控制單元根據(jù)車(chē)輛行駛工況進(jìn)行綜合分析計(jì)算得出一個(gè)期望的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值，并輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下，節(jié)氣門(mén)閥片達(dá)到期望位置。在整個(gè)控制過(guò)程中，節(jié)氣門(mén)位置傳感器將節(jié)氣門(mén)開(kāi)度信號(hào)不停的反饋給控制單元，控制單元將得到的開(kāi)度信號(hào)與目標(biāo)值不停比較并修正，直到實(shí)際的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值達(dá)到與期望的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度值相對(duì)應(yīng)的位置。

3.控制電路硬件設(shè)計(jì)

電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)中，節(jié)氣門(mén)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)達(dá)到目標(biāo)開(kāi)度，因此對(duì)直流電機(jī)的控制直接影響節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的精度，通常直流電機(jī)都是由PWM信號(hào)控制，另外，電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，油門(mén)踏板給出目標(biāo)開(kāi)度，節(jié)氣門(mén)位置傳感器反饋出實(shí)際開(kāi)度，它們給出的信號(hào)都是模擬電壓信號(hào)，因此控制器必須能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)?；诳刂破饕邆溥@些功能，本文選用AVR單片機(jī)ATMEG16作為主控芯片，并且使用英飛凌公司的TLE6209R芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，開(kāi)發(fā)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)硬件電路。控制電路部分包括：信號(hào)采集處理，穩(wěn)壓，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，串行通信等。油門(mén)踏板傳感器和節(jié)氣門(mén)位置傳感器分別給出油門(mén)踏板位置和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)兩信號(hào)比較，給出控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的信號(hào)并調(diào)用控制算法計(jì)算輸出合適占空比的PWM信號(hào)，再通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)使節(jié)氣門(mén)達(dá)到目標(biāo)開(kāi)度。本實(shí)驗(yàn)中用手柄電位器模擬代替踏板位置傳感器;PA1即ADC1接節(jié)氣門(mén)位置傳感器反饋的信號(hào)TPS1;PD5用于輸出占空比可調(diào)的PWM,與驅(qū)動(dòng)芯片TLE6209R的PWM端口相連;PB0與驅(qū)動(dòng)芯片TLE6209R的DIR端口相連，用于發(fā)出方向控制信號(hào)，控制節(jié)氣門(mén)閥片的正反轉(zhuǎn)。圖1為單片機(jī)最小電路圖，圖2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路連接圖。

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

4.軟件設(shè)計(jì)

由于電子節(jié)氣門(mén)具有非線性，時(shí)變性等特點(diǎn)，本文采用非線性PID控制策略，根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)非線性PID參數(shù)。

比例參數(shù)：

由于非線性PID控制器參數(shù)可以隨著誤差變化而變化，只要取合適的參數(shù)，就能夠使控制系統(tǒng)達(dá)到響應(yīng)快，超調(diào)小的目的。軟件框圖如圖4所示。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

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

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

6.結(jié)論

本文針對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的非線性采用非線性PID控制的方法進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用ATMEG16為主控芯片，通過(guò)上位機(jī)顯示出控制結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種設(shè)計(jì)能夠基本達(dá)到控制要求。