CN201137525Y - 汽车发动机电子节气门控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种位置精度高、输出力线性好、可靠性高、响应速度快的汽车发动机电子节气门控制系统，包括电源和依次与油门踏板连接的位置传感器和单片机，单片机中内嵌A/D转换器、PWM输出模块和CAN通讯控制模块；CAN通讯控制模块通过CAN通讯接口将处理后的数字化信号传递给监测装置；PWM输出模块与电机驱动电路连接，并经过节气门体将两组节气门开度反馈信号分别传递给A/D转换器；节气门体包括被封为一体的直流电机、节气门阀、两个节气门开度传感器、复位弹簧装置和反馈信号输出接口；直流电机通过直流电机控制接口与节气门阀连接，节气门阀的开度信号通过节气门阀开度传感器传递和反馈信息输出接口反馈给A/D转换器；复位弹簧的弹簧力的方向总是朝节气门阀关闭的方向。

Description

汽车发动机电子节气门控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于汽车油门控制系统，尤其是涉及一种汽车电子节气门的控制系统。

背景技术

现有技术发动机油门调节机构主要包括非电动控制和电动控制两种结构。

发动机非电动油门调节机构是由带有固定轴的油门踏板和拉线构成，拉线的一端与油门踏板相连，其另一端与发动机油门拉杆相连。操作时，用脚踩踏油门踏板，通过油门拉线牵动油门拉杆。驾驶人员用力大小不同，油门拉杆的位移量也相应不同，因此，由回位弹簧配合使发动机油门开启程度也不同，从而控制发动机的加油量。上述现有技术的油门调节机构，虽然其结构简单，但由于是人为控制，传递误差较大，其控制过程由机械传动完成，因此机械阻力大，驾驶人员控制时需要付出较大的力量。尤其是当发动机后置时，传递距离可达几米，要克服油门拉线的自重、摩擦阻力、拉索回位弹簧的拉力，需要驾驶人员脚踏油门的力会很大，当交通工具长途运行时，更易加重驾驶人员的疲劳。另外，具有一定长度的油门拉线所需要的安装空间较大，其布现和安装均受到了限制。发动机电动油门调节机构是主要由油门踏板传感器、控制器和执行器组成。

目前，有一些电子节气门在电动油门调节机构中取消了上述的拉线结构，但油门执行器的主要驱动部件采用步进电机，油门控制器根据油门踏板传感器传递过来的位置驱动步进电机，从而使油门转到相应的位置，该结构的执行器相比油门拉线结构具有一定的优越性，但由于油门是由步进电机驱动，即：油门的位置由步进电机的行程决定，因此，一旦电路出现故障，油门就不能自动关闭，非常容易出现不良事故。

也有一些电子节气门控制装置中对节气门阀的驱动采用了直流电机，但对节气门体的正向和反向输出控制都采用相同的控制方法，由于节气门阀中复位弹簧的作用以及磨擦等因素，使节气门阀的受力变得复杂，增加了控制方面的难度，节气门阀向不同方向转动的过程中，主要的非线性弹簧产生的拉力不同，转动范围大小也不同，导致正反转模型不同，正向和反向采用相同的控制方法，必然导致某个方向上控制虽然能及时将节气门阀的开度控制在期望的开度，但另一方向上控制虽然也能将节气门阀的开度控制在期望的开度，所用时间将要延长，导致响应速度慢。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中所存在的弊端，本实用新型提供一种位置精度高、输出力线性好、可靠性高、响应速度快的汽车电子节气门控制系统，不但省去了现有技术中的油门拉线，使油门调节机构传递误差变小，而且安装和使用都非常方便，同时也降低了驾驶人员的劳动强度。

为了解决上述技术问题，本实用新型汽车发动机电子节气门控制系统予以实现的技术方案是：包括电源和依次与油门踏板连接的位置传感器和单片机，所述单片机中内嵌A/D转换器、PWM输出模块和CAN通讯控制模块；所述CAN通讯控制模块通过CAN通讯接口将处理后的数字化信号传递给监测装置；所述PWM输出模块与电机驱动电路连接，并经过节气门体将两组节气门开度反馈信号分别传递给A/D转换器；所述节气门体包括被封为一体的直流电机、节气门阀、第一、第二节气门开度传感器、复位弹簧装置和反馈信号输出接口；所述直流电机通过直流电机控制接口与节气门阀连接，所述节气门阀的开度信号分别通过第一、第二节气门阀开度传感器传递，并经过反馈信息输出接口反馈给A/D转换器；所述节气门体共有6个引脚，其中：1、2脚分别为电机负极和正极，3脚接地；4脚为第一节气门开度传感器的信号输出接口，5脚接+5V电源，6脚为第二节气门开度传感器的信号输出接口；所述复位弹簧的弹簧力的方向总是朝节气门阀关闭的方向。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

(1)本实用新型控制系统中采用位置传感器2输入油门踏板1的位置信号，并采用数字控制器来控制油门的大小，响应速度快，且位置精度高；其次在整个控制系统中采用了闭环控制，输出线性好，增加了发动机运行的精度。

(2)本实用新型控制系统中的电源电路采用MAX738开关式电压调整器将车载蓄电池的+12V直流电源转换成+5V电源。从而给本实用新型控制系统带来的优点是：电流模式的脉宽调制器，切换频率高；输入电压范围宽6V-16V，输出电压精度高5％；85％-96％的转换效率；1.7MA的静止电流，关断状态仅为6uA；过流、过压保护，且带有软启动功能。其功能是用一个电流模式的脉宽调制控制系统连接一个简单的降压调整器来转换输入的6V-16V的不可调整的电压，这个电流模式的脉宽调制结构提供了循环的电流限制，改良了负载的瞬态响应，同时简化了输出环路的设计。

(3)采用了位置传感器的本实用新型控制系统同现有技术相比具有响应速度快、位置精度高、输出力线性好、可靠性高的优点。

附图说明

图1是本实用新型汽车发动机电子节气门控制系统的结构框图；

图2是本实用新型控制系统中油门踏板位置与转换后数字信号的比例关系图；

图3是本实用新型控制系统中节气门阀位置与转换后数字信号的比例关系图；

图4是本实用新型控制系统中电源所采用的MAX738芯片电路图；

图5是本实用新型控制系统中CAN通讯控制模块所采用的PC82C250芯片电路图；

图6是本实用新型控制系统中电机驱动MC33886芯片电路图；

图7是本实用新型控制系统中单片机MC9S12DP256芯片管脚图；

图8是本实用新型控制系统的主程序控制流程图。

下面是本实用新型说明书附图中主要附图标记的说明：

1——油门踏板               2——位置传感器           3——单片机

31——CAN通讯控制模块       32——PWM输出模块         33——A/D转换器

4——CAN通讯接口            5——电机驱动电路         6——节气门体

61——直流电机控制接口      62——节气门阀            63——第一节气门开度传感器

64——第二节气门开度传感器  65——反馈信号输出接口    7——监测装置

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型汽车发动机电子节气门控制系统的结构是：单片机3中的CAN通讯控制模块31通过CAN通讯接口4将处理后的数字化信号传递给监测装置7；单片机3中的PWM输出模块32与电机驱动电路5连接，并依次经过节气门体6中的直流电机控制接口61、节气门阀62和两个节气门开度传感器63、64，反馈信号输出接口65，最终将两组节气门开度数据反馈信号分别传递给A/D转换器33，即：单片机3中内嵌的A/D转换器与可接收油门踏板模拟信号和节气门位置反馈信号之信号处理电路和线性隔离电路相连。经过电机高速隔离驱动电路驱动电机转动，从而控制节气门阀62转动到与当前加速油门踏板位置相对应的开度。

本实用新型汽车发动机电子节气门控制系统的工作过程是：设置在油门踏板1内的位置传感器2，该位置传感器2采集油门踏板1的位置信号，与位置传感器2连接的有一单片机3，即：以油门踏板1的位置传感器2输出信号和节气门阀6内置的传感器的反馈信号作为单片机3的输入信号，所述单片机3中内嵌A/D转换器33、CAN通讯控制模块31和PWM输出模块32，该位置传感器2将接收到的信号通过信号转换电路传递给单片机3。另外，单片机3中的A/D转换器33对接收到的反应油门踏板位置的模拟信号进行A/D转换，转换成数字信号；单片机3根据输入的信号进行处理、判断，输出PWM信号对节气门阀6内的直流电机进行控制，直流电机的旋转将节气门体6内节气门阀62转到与油门踏板1相对应的位置；同时，A/D转换器33对节气门体6中的两路节气门阀62的位置反馈信号进行A/D转换，转换成数字信号，图2示出了油门踏板1的位置与转换后数字信号成正比关系，图3示出了节气门阀62的开度位置与转换后的数字信号成正比关系。单片机3根据油门踏板位置转换后的数字信号，计算出油门踏板当前位置的百分比A，并将此百分比做为节气门阀将要转到的位置百分比B，再将该位置百分比B换算成角度C；与此同时，根据当前节气门阀位置的转换后数字信号，计算出节气门阀当前位置的角度C1，将节气门阀当前位置的角度C1与将要转到位置的角度C进行比较，如果当前位置的角度C1比将要转到位置的角度C大，说明节气门阀将要反向转动，如果当前位置的角度百分比比将要转到的位置角度百分比B小，说明节气门阀将要正向转动，根据分析的结果进入到正向或反向输出控制程序，并经过PWM输出模块32输出PWM信号。同时，单片机3发送包含油门踏板1位置数据和节气门阀位置数据的CAN数据包到CAN总线上。

下面是构成本实用新型控制系统的相关硬件的具体型号及特点。

电源电路采用MAX738芯片，其电路图如图4所示，整个系统的供电电源由汽车上直流蓄电池供电，由于蓄电池为+12V直流输出，而单片机控制系统为5V系统，所以需采用直流稳压器。集成稳压器也称集成电压调节器，它的功能是将非稳定直流电压变换成稳定的直流电压。集成稳压器按工作方式可分为串联型稳压器、并联型稳压器和开关型稳压器三种，其中开关型稳压器的效率最高，可达70％以上，但其输出波纹最大。将车载蓄电池的+12V直流电源转换成+5V电源的电路由MAX738开关式电压调整器及其外围器件构成，图4中的VCC12是电源的输入端(+12V)，VCC是电源输出端(+5)。本实用新型采用如图4所示的MAX738开关式电压调整器具有以下特点：(1)电流模式的脉宽调制器，切换频率高；(2)输入电压范围宽6V-16V，输出电压精度高5％；(3)85％-96％的转换效率；(5)1.7MA的静止电流，关断状态仅为6uA；(5)过流、过压保护，且带有软启动功能。MAX738的主要功能是：用一个电流模式的脉宽调制控制系统连接一个简单的降压调整器来转换输入的6V-16V的不可调整的电压，这个电流模式的脉宽调制结构提供了循环的电流限制，改良了负载的瞬态响应，同时简化了输出环路的设计。

本实用新型控制系统中采用位置传感器2输入油门踏板1的位置信号，并采用数字控制器来控制油门的大小，响应速度快，且位置精度高；其次在整个控制系统中采用了闭环控制，输出线性好，增加了发动机运行的精度。由于节气门体内的第一节气门开度传感器63与第二节气门开度传感器64的电位计是反相安装的，当节气门阀62的位置发生变化时，两路信号电压均线性变化，其中一个增加的同时另一个减小。两路节气门位置反馈信号输出，用于判断节气门开度。节气门体6内置的节气门阀62在转动时，节气门体6内置的两个节气门开度传感器的反馈信号与节气门阀62的位置关系如图2所示。由图2中可看出两路反馈信号与节气门阀62的位置成线性关系，其中一路信号随着节气门阀62的开度增加而相应减少，另一路信号随着节气门阀62的开度增加而相应增加，两路反馈信号在节气门阀的任一开度上的和是固定的，这样可以根据两路反馈信号的和来判断当前节气门阀开度的反馈是否正常，如果不正常，可以做出相应的反应。因此，本实用新型控制系统同现有技术相比具有响应速度快、位置精度高、输出力线性好、可靠性高的优点。

本实用新型控制系统中的节气门体6采用现有技术中通常所使用的电子节气门体结构，包括直流电机、第一、第二节气门开度传感器和复位弹簧装置，并被封为一体，其接口共有6个引脚，分别是：1、2脚为电机负极和正极，即直流电机控制接口61，3脚接地；4脚为第一节气门开度传感器63的信号输出接口63；5脚接+5V电源；6脚为第二节气门开度传感器64信号输出。内置的复位弹簧其弹簧力的方向总是朝节气门阀关闭的方向，从而保证在内置的直流电机出现故障时或其它故障导致节气门阀内置的直流电机没有控制输入时，能自动关闭节气门阀62，保证汽车安全。本实用新型控制系统中采集节气门阀62内置的反馈信号，能根据位置反馈信号判断节气门阀62是否出现故障；能自动进行反馈信号的取舍，选取当前最精确的反馈信号，或者运用所有反馈信号平均值。节气门体6的反馈信号与单片机3的输出控制信号形成闭环控制。节气门阀62在转动过程中，由于受到弹簧复位扭矩、阻尼力矩、粘性摩擦扭矩、电机驱动力矩及进气扰流产生的不平衡力矩的作用，存在不确定因素的影响。由于节气门体6中存在非线性弹簧、粘性摩擦和滑动摩擦、进气扰动等因素的影响，导致了控制对象为一严重非线性系统，控制难度较高，由于节气门体6内的复位弹簧的存在，易产生阻尼振荡，如果输入控制不恰当的话，节气门阀62将在控制点附近来回转动，严重影响节气门阀62控制的精确度。

CAN通讯电路部分主要芯片为PC82C250，其电路图如图5所示。

电机驱动电路采用MC33886芯片，其电路图如图6所示，电机驱动芯片MC33886是单片集成的H桥元件，它适用于驱动小马力直流电机，并且有单桥和双桥两种控制方式。D1、D2为使能端，IN1、IN2为PWM信号控制输入端，OUT1、OUT2为输出端。

单片机采用MC9S12DP256C芯片，其单片机MC9S12DP256C的管脚图如图7所示。本实用新型控制系统中的MC9S12DP256C单片机采用PID控制方式，不需要测量系统的模型，即：将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其中：比例控制(P)：就是对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。但单纯的比例控制存在静差不能消除的缺点。这里就需要积分控制。积分控制：(I)实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总帐。微分控制(D)：它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。

由于节气门阀中复位弹簧的作用以及磨擦等因素，使节气门阀的受力变得复杂，增加了控制方面的难度，节气门阀向不同方向转动的过程中，主要的非线性弹簧产生的拉力不同，转动范围大小也不同，导致正反转模型不同，针对节气门阀的正转和反转，需要设计不同的PID控制。程序需根据当前的节气门阀的位置，油门踏板的位置，判断出当前节气门阀转动的方向，判断进入正转控制流程还是进入反转控制流程，并完成控制流程的非线性切换。

PID控制方式的控制规律表达式为：

$\mathrm{\μ}=K_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{T_t}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中：

Kp——比例系数；

Tt——积分时间常数；

Td——微分时间常数；

u——控制器输出信号；

e(t)——偏差信号。

通过公式(1)可见PID控制方式的规律是：

(1)Kp直接决定控制作用的强弱，加大Kp可以减少系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但过大会使动态品质变坏，引起被控制量振荡甚至导致闭环系统不稳定；

(2)在比例调节的基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，因为只要存在偏差，它的积分所产生的控制量总是用来消除稳态误差的，直到积分的值为零，控制作用才停止。但它将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作用会使系统的超调量增大，从而使系统稳定性变坏；

(3)微分的控制作用跟偏差的变化速度有关，微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，它有助于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定，并能加快系统的动作度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。其不足之处是放大了噪声信号。

为便于单片机计算、控制的实现，最好将模拟PID算式离散化。即：

取T为采样周期，设k为采样序号，k＝0，1，2…j……k，用一阶差分代替微分，累加代替积分，将模拟PID调节器的输出算式离散化为差分方程。

因采样周期T相对于信号变化周期是很小的，可令：

μ(t)≈μ(k)

e(t)≈e(k)

${\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\≈T\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(t\right)$

$\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\≈[e\left(k\right)-e(k-1)]/T$

则有 $\mathrm{\μ}\left(k\right)=\mathrm{Kp}[e\left(k\right)+\frac{T\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)}{\mathrm{Tt}}+\frac{\mathrm{Td}[e\left(k\right)-e(k-1)]}{T}]$

即 $\mathrm{\μ}\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_D[e\left(k\right)-e(k-1)]$

将上式演化

$\mathrm{\μ}(k-1)=K_{p}e(k-1)+K_I\underset{j=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_D[e(k-1)-e(k-2)]$

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)

＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

Δu(k)＝K_p(e_k-e_k-1)+K_Ie_k+K_D(e_k-2e_k-1+e_k-2)

或写为：

u(k)＝u(k-1)+a₀e(k)-a₁e(k-1)+a₂e(k-2)

其中a₀＝kp(1+T/T_I+T_D/T)

a₁＝kp(1+2T_D/T)

a₂＝kpT_D/T

设预期节气门阀位置角度为θd，实际节气门阀位置角度为θ，则有偏差信号：

e(k)＝θ_d(k)-θ(k)

于是可得控制信号u(k)

u(k)＝u(k-1)+a₀[θ_d(k)-θ(k)]-a₁[θ_d(k-1)-θ(k-1)]+a₂[θ_d(k-2)-θ(k-2)](2)

为了使系统性能能够达到最佳，上述公式(2)中的a₀、a₁、a₂三个参数最好是在线调整。例如：在本实用新型的设计中，公式(2)中：正向a₀＝0.12；a₁＝0.01；a₂＝0.001；反向a₀＝0.1；a₁＝0.01；a₂＝0.006。

如前所述，本实用新型控制系统中的单片机3为MC9S12DP256C，其内嵌A/D转换器33、PWM输出模块32和CAN通讯控制模块31。其工作流程如图8所示，启动系统801，系统初始化802后，A/D转换器33对油门踏板1的输出信号以及节气门阀62的两路反馈信号进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号803和804，PWM输出模块用于对节气门体6内的直流电机进行输出控制。单片机3通过对油门踏板1输出的模拟信号进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，对转换完的数字信号进行乘法运算，即可算出模拟信号的电平，单位为mV，将该电平减去200mV，然后除以4600，就可算出当前油门踏板位置的百分比，根据处理后的结果，同时对当前节气门的节气门阀62的位置的两路反馈模拟信号进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，对转换完的数字信号进行乘法运算，即可算出模拟信号的电平，单位为mV，将两路转换完的电平相加805；判断当前的反馈信号是否正常806，如果正常，即结果等于5V，则表明节气门阀的两路反馈信号均正常，如果结果不等于5V，则表明节气门阀62的两路反馈信号中有错误存在，则关闭节气门阀807，此时应报警808，报警后重新对油门踏板1输出信号进行A/D转换803。当反馈信号正常时，进行节气门阀当前位置计算809，将反馈信号1转换的电平减去500mV，然后除以4000，就可算出当前节气门阀的位置的角度百分比，对先前的油门踏板换算出的油门踏板1位置，得出节气门阀62应该转到的角度，对该角度与当前的节气门阀的位置角度进行比较810，如果当前角度大于将要转到的角度，说明节气门阀将要反向转动，如果当前角度小于将要转到的角度，说明节气门阀62将要正向转动，根据判断出的转动方向，进入计算流程，若节气门阀正向转动，则根据上述公式(2)，并将a₀＝0.12、a₁＝0.01和a₂＝0.001带入公式(2)中，计算出正向输出的控制电压812；若节气门阀反向转动，则根据根据上述公式(2)，并将反向a₀＝0.1、a₁＝0.01和a₂＝0.006带入公式(2)中，计算出反向输出的控制电压811；然后根据结果，输出PWM813，转动节气门阀。同时将油门踏板1的位置、节气门阀62的位置通过CAN通讯接口4发送到监测装置7上。

尽管结合附图对本实用新型进行了上述描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之列。

Claims (5)

1.一种汽车发动机电子节气门控制系统，其特征在于，包括电源和依次与油门踏板连接的位置传感器和单片机，所述单片机中内嵌A/D转换器、PWM输出模块和CAN通讯控制模块；

所述CAN通讯控制模块通过CAN通讯接口将处理后的数字化信号传递给监测装置；

所述PWM输出模块与电机驱动电路连接，并经过节气门体将两组节气门开度反馈信号分别传递给A/D转换器；

所述节气门体包括被封为一体的直流电机、节气门阀、第一、第二节气门开度传感器、复位弹簧装置和反馈信号输出接口；所述直流电机通过直流电机控制接口与节气门阀连接，所述节气门阀的开度信号分别通过第一、第二节气门阀开度传感器传递，并经过反馈信息输出接口反馈给A/D转换器；所述节气门体共有6个引脚，其中：1、2脚分别为电机负极和正极，3脚接地；4脚为第一节气门开度传感器的信号输出接口，5脚接+5V电源，6脚为第二节气门开度传感器的信号输出接口；所述复位弹簧的弹簧力的方向总是朝节气门阀关闭的方向。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机电子节气门控制系统，其中，电源电路采用MAX738芯片，将车载蓄电池的+12V直流电源转换成+5V电源。

3.根据权利要求1所述的汽车发动机电子节气门控制系统，其中，所述单片机采用MC9S12DP256C芯片。

4.根据权利要求1所述的汽车发动机电子节气门控制系统，其中，所述电机驱动电路采用MC33886芯片，该MC33886芯片是单片集成的H桥元件，D1和D2为使能端，IN1和IN2为PWM信号控制输入端，OUT1和OUT2为输出端。

5.根据权利要求1所述的汽车发动机电子节气门控制系统，其中，所述位置传感器和节气门开度传感器的电位计是反相安装的，当节气门位置发生变化时，两路信号电压均线性变化，其中一个增加，同时另一个减小。

Images