电子节气门控制系统设计毕业设计

电子节气门控制系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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摘要

电子节气门产品自20世纪80年代问世以来，已逐渐应用到各种中、高级轿车中。相对于传统的机械式节气门，电子节气门系统(ETCS)能根据驾驶员的驾驶意图以及整车行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆具有最佳的动力性和燃油经济性，并能够为怠速控制(IDL)、驱动防滑控制(ASR)和巡航控制(CCS)等电子控制功能的实现奠定基础，从而提高安全性和乘坐舒适性。同时，对于混合动力汽车，为了实现能量的管理和分配，电子节气门也成为了必然的选择。本文对电子节气门系统进行了研究和开发，为电子节气门在混合动力轿车上的应用奠定了基础。

本文分析了电子节气门系统的工作原理、基本结构以及机械结构中存在的非线性因素和各自的特性，如复位弹簧、气流的冲击、库伦+粘滑摩擦等。测定电子节气门的关键参数，建立了电子节气门系统的数学模型。

为了适应电子节气门控制系统的快速动态特性，抑制由于电子节气门体的非线性因素对控制特性的影响，提出了一种新的模糊PID复合控制策略，通过模糊控制提高电子节气门系统的动态性能，用智能积分PID控制保证系统的稳态能，利用权重因子函数改善控制切换过程。

电子节气门控制器采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128单片机作为主控芯片,同时硬件系统还包括控制器的供电电源模块、直流电机的脉宽调制驱动模块、串行通信模块和CAN总线通信模块等。采用CodeWarrior编译的程序软件，完成了控制功能和调试功能。为了对系统状态实时显示和故障报警，以及在控制过程中进行数据采集，本文开发出基于LabWindows/CVI的串口通信系统。

试验结果表明:模糊PID复合控制相对于PID控制和智能积分PID控制能够较精确地控制节气门开度，减小超调量，瞬态误差较小，滞后时间较短。所开发的模糊PID复合控制器能够完成电子节气门系统的控制功能要求。

关键词：电子节气门；非线性；模糊PID复合控制策略

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Abstract

Since the electronic throttle product was developed in the eighties of the twentieth Century, it has gradually been applied to high-grade automobile. Relative to the traditional mechanical throttle, the electronic throttle control system can sense the drive intention from the driver and the current situation of the auto, and then decide the correct throttle’s position, so that the dynamic performance and fuel economy can be improved. Furthermore, it's helpful to realize some electronic control function, such as IDL, ASR and CCS, thereby the security and driving comfort can be improved. With the appearance of hybrid vehicle, electronic throttle becomes an inevitable choice for the power control and management for hybrid vehicle. In this paper,the electronic throttle control system was researched and developed, which laid the foundations of applying the ETCS to vehicle.

The principle and basic structure of the electornic throttle control system(ETCS) was analyzed. The nonlinearity characteristics including nonlinear spring, aerodynamic impact, coulomb and viscous friction in the mechanical part of the throtle body was studied too. After the analysis of the ETCS, the key parameters of the throttle was measured. The numerical model of the electronic throttle control was built up.

In order to adapt the swift dynamic characteristics of ETCS and restrain influence on control performance owing to nonlinearity factors of ETCS, a new Fuzzy-PID multiple compound control method is proposed. The robust dynamic characteristic of ETCS is attained by fuzzy control and the static performance is ensured by intelligent integral PID control, while switching process between two control methods is improved by using weighting factor function.

The main microchip of the electrionic throttle controller is MC9S12DG128 which is manufactured by Freescale. In this paper, the power supply module, DC motor’s PWM drive module, serial communication module, CAN bus

II

communication module and so on, was designed. The software, which is programmed with CodeWarrior software for microcontroller accomplished control, function and serial communication function.In order to display the state of the system in real time and give an alarm when malfunction occurs, serial communication system based on LabWindows/CVI was designed.

The results of the experiments show that the Fuzzy-PID multiple compound control method can exactly control the throttle’s position, the overshoot is reduced, the transient tracking error is small and the hysteresis is short, while the PID control method and intelligent integral PID control method don’t w ork well. So the ETCS’s controller which was developed based on Fuzzy-PID control strategy can meet ETCS’s function requirements.

Key Words: Electronic Throttle, Nonlinearity, Fuzzy-PID Multiple Compound Control Strategy

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目录

摘要.............................................................................................................. I ABSTRACT..................................................................................................... II 目录............................................................................................................ IV 第1章引言 (1)

1.1电子节气门产生的背景 (1)

1.2电子节气门在国内外的发展状况 (2)

1.2.1电子节气门在国外的发展状况 (2)

1.2.2电子节气门在国内的发展状况 (2)

1.3电子节气门存在的问题及未来的发展趋势 (3)

1.3.1电子节气门存在的问题 (3)

1.3.2电子节气门系统发展的趋势 (3)

1.4本设计主要研究工作 (4)

1.5本章小结 (4)

第2章电子节气门的结构分析及工作原理 (5)

2.1电子节气门系统的结构和工作原理 (5)

2.1.1电子节气门体 (6)

2.1.2加速踏板 (8)

2.1.3电控单元ECU (9)

2.2驱动电机的脉冲调制方式 (10)

2.3电子节气门系统的控制功能 (10)

2.4本章小结 (11)

第3章电子节气门系统非线性分析及数学建模 (12)

3.1电子节气门系统非线性分析 (12)

3.1.1复位弹簧的非线性 (13)

3.1.2传动齿轮齿隙非线性 (13)

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3.1.3节气门阀片运动中的非线性 (15)

3.1.4节气门阀片气流冲击特性 (15)

3.2电子节气门系统的数学模型 (17)

3.2.1直流电机的数学模型 (17)

3.2.2节气门的数学模型 (18)

3.2.3节气门位置传感器数学模型 (18)

3.3电子节气门系统的物理参数标定 (19)

3.4本章小结 (20)

第4章控制系统硬件设计 (21)

4.1控制系统结构 (21)

4.2硬件电路设计 (21)

4.2.1控制单元ECU的设计 (21)

4.2.2电源管理模块的设计 (23)

4.2.3电机驱动电路的设计 (24)

4.3本章小结 (27)

第5章控制系统软件设计 (28)

5.1控制系统软件设计 (28)

5.1.1软件的总体功能分析 (28)

5.1.2软件子程序流程图 (29)

5.2串行通信系统的开发 (32)

5.2.1串行通信协议设计 (32)

5.2.2单片机串行通信子程序流程图 (33)

5.3本章小结 (34)

结论 (35)

参考文献 (36)

致谢 (37)

附录 (38)

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系统原理图 (38)

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第1章引言

电子节气门是发动机管理系统中的重要部件，是实现发动机全电控的基础，现在已经得到越来越广泛的应用。国内只是处于引进使用阶段，没有深入的系统研究报道，可供借鉴的经验不多，对国外的核心技术知之甚少。因此，吸收、借鉴国外先进的控制经验，深入研究电子节气门控制系统的工作原理以及控制策略意义非常重大。

1.1电子节气门产生的背景

随着汽车保有量的不断增多，石油能源消耗急剧增加，汽车排放的大量尾气引起温室效应，空气污染也越来越多地为全世界所重视，因此美国、日本、欧洲等相继制定了严厉的排放法规，并且交通事故日益增多。随着社会的不断进步，人们对生活质量的要求不断提高，对汽车性能也随之提出更高的要求。所以汽车采用电子控制技术成为必然的趋势。近年电子技术的迅猛发展，特别是微型计算机技术的巨大进步，为汽车电子技术的发展提供了必要的条件，将电子控制和传统的机械技术相结合，使得汽车在环保、节能、安全、舒适等方面得到进一步的提高[1]。

影响汽车发动机性能（如动力性、经济性、排放净化性等）的两个主要因素是：燃烧前的点火时刻和可燃混合气的空燃比。汽车电子控制技术始于发动机点火控制，随后电控燃油喷射系(ElectronicFuel Injection，简称EFI)以其精确的空燃比控制逐渐取代化油器，电控燃油喷射系统相对于化油器的优点如下：

(1) 混合气的各缸分配均匀性好。在多点喷射系统中，由于每一气缸都有一个喷油器，其喷油量是电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)根据发动机的转速、负荷以及其他状态的变化进行精确控制[2]，故能使燃油均匀地分配给各个气缸；

(2) 动力性强。采用EFI后，发动机的进气可不必预热，可吸入密度较大的冷空气，同时进气歧管阻力减少，所以充气系数提高。

(3) 加速性能好。由于汽油是直接喷射到发动机进气门处，混合气经过的路

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程短，反应灵敏，因此减少了滞后现象，从而加速性能得到改善。

(4) 耗油量低，经济性好。EFI系统最突出的优势就是能实现空燃比的高精度控制，因为汽油是在一定的压力下喷射的，燃油雾化品质好，且喷油量是精确控制的，混合气的空燃比为最佳值且各缸分配均匀，下坡时又可以完全不喷油，发动机对空气进行压缩，所以可以降低燃油消耗量。

1.2电子节气门在国内外的发展状况

1.2.1电子节气门在国外的发展状况

20世纪70年代后期，随着线控驱动(drive-by-wire)的理念就开始了ETCS 相关技术的研究工作。20世纪80年代开始有产品问世，Bosch（博世）公司的ETC产品在某些赛车上就有应用。1988年，在宝马(BWM750iL)轿车上也开始装置ETCS。但由于其价格昂贵，技术和市场条件也不成熟，因而发展缓慢。直到20世纪90年代初，日本、美国、德国等国家一些汽车电子公司对其研究相继加大了投入，ETC产品市场开始活跃。1995年以后，德国Bosch（博世），Pierburg（皮尔博格）等公司陆续推出第1代和第2代ETC产品，它们的发展趋势都是全电子化。近年来，ETC产品的发展更是如雨后春笋，各公司都不断推陈出新。Visteon公司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起，成为下一代空燃比控制集成的典范，而Bosch和Delphi公司的产品在综合控制与监测性能上则为楷模。到2000年，ETC产品开始大规模进入市场。

目前，产品一般都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上，如Bosch 公司为奔驰和宝马等提供产品，丰田为凌志和苏帕拉配置产品，Delphi公司为一些运动车型及流行车型如1.6 L欧宝、雅特等推出第2代ETC系统产品。国外的宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中已经广泛应用ETCS。

1.2.2电子节气门在国内的发展状况

国内对ETCS研究尚处于起步阶段。虽然一汽大众、上海大众、上海通用及广州本田等公司生产的部分高级轿车上已经配置了电子节气门系统，但都属国外引进的技术,其关键技术未能消化吸收，未能形成具有我国自主知识产权的

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ETCS产品。可喜的是，奇瑞公司在2004年开发了电子节气门系统，用于旗云CVT轿车上[3]。另外，国内部分高校近年来也对ETCS开展了研究与技术探索，并取得了阶段性成果。如清华大学研制的发动机电控节气门控制器，实现了混合动力电动汽车用发动机的扭矩控制，武汉理工大学进行了基于DSP的电子油门控制的研制，重庆大学研究出由高速开关阀控制的电液式节气门执行器。

1.3电子节气门存在的问题及未来的发展趋势

1.3.1电子节气门存在的问题

(1) 控制系统复杂，精确控制困难。ETC系统与ASR、CCS及VSC等多种系统相连，需要控制的参数多，控制逻辑复杂。

(2) 在进行多种控制功能集成时，控制系统之间需采用信息融合技术，即将ASR、CCS及VSC系统所需要的各传感器信号有机地融合起来，实现资源共享，协调各个系统间的相互关系，提高控制系统的稳定性和可靠性。

(3) 电子节气门控制系统设计需要充分考虑不同驾驶员的驾驶个性和车辆的行驶环境。目前对汽车的减速、怠速、定速和加速控制还存在一定难度，这个问题的解决还需依靠驾驶行为学理论、神经网络控制理论（人工智能）和汽车电子技术的进一步发展来共同解决[4]。

1.3.2电子节气门系统发展的趋势

(1) 由单一功能向多种功能的集成发展不仅是ETCS的发展方向，也是各种汽车电子控制系统的发展方向。它有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用车辆各种信息，从而进一步提高系统的稳定性和可靠性。

(2) 综合多种控制策略。为提高节气门的控制精度及反应速度，采取多种控制方法进行综合控制。目前的发展方向是从经典的PID控制发展到采用PID与现代控制方法相结合以及采用一些鲁棒性更强的控制算法，从线性控制发展到非线性控制，从单一模式控制发展到多模式控制[5]。

(3) 系统设计注重安全可靠性，具有自诊断和失效保护功能的电子节气门系统是发动机控制进气量的关键部件，因此在提高控制精度和进行集中控制的同

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时,必须注重ETCS的安全可靠性，提高系统的故障自诊断和容错能力。

电子节气门系统是汽车发动机实现电控的重要组成部分，对提高汽车的动力性、可靠性、舒适性以及燃油经济性，实现汽车的电控具有重要意义。目前，电子节气门系统由于自身成本等因素的制约，只装配在高档轿车上。

1.4本设计主要研究工作

本文主要对电子节气门的控制系统进行了研究与开发，为发动机台架试验工作打下基础，主要研究工作有：

(1) 完成了汽车电子的发展和电子节气门控制系统的研究现状调研，并详细分析了电子节气门系统的结构、工作原理及控制功能。

(2) 分析电子节气门体存在的非线性因素，并建立了电子节气门的数学模型，提出了电子节气门系统的模糊PID复合控制策略。

(3) 基于MC9S12DG128为主控芯片设计了电子节气门控制系统，包括硬件电路的设计和支持软件的设计，对开发的电子节气门控制器进行了实验，并对实验结果进行对比分析。

1.5本章小结

本章简单的介绍了电子节气门发展现状以及发展前景。同时还对本文的研究工作做了一个总结。

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第2章电子节气门的结构分析及工作原理

2.1电子节气门系统的结构和工作原理

电子节气门系统如图2.1所示，它采用一种柔性控制方式(drive by wire)，电子节气门系统由以下几个部分组成[6]：

(1) 加速踏板位置传感器：加速踏板是反映驾驶员意图的装置，它的核心是两个电位计式位置传感器，其内部主要是一个根据位移量变化的可变电阻，电压值变化范围为0V到5V之间。

(2) 电子节气门体总成：节气门体主要由驱动电机、节气门阀片、节气门位置传感器、减速齿轮机构等组成。

(3) 电子节气门控制单元(ECU)：ECU是整个电子节气门控制系统的核心。驾驶员的意图经由ECU分析做出判断，给驱动电机发出指令，由电机驱动节气门阀片转动，调节其开度变化。

图2.1 电子节气门系统结构图

电子节气门系统的工作原理是：当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置传感器将加速踏板位移量信号转换为电压信号传给ECU，ECU通过对当前所处工况进行分析和逻辑处理后发出控制信号，控制节气门驱动电机，使电机按照ECU给定的角度驱动节气门运转并达到所需的开度；同时节气门体上的节气门

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位置传感器将测得的当前节气门位置信反馈给ECU，通过反馈控制实现对节气门的最佳闭环控制。

2.1.1电子节气门体

电子节气门体的结构示意如图2.2所示。一般由电机、减速齿轮、节气门位置传感器等组成。在节气门体中，电机根据ECU发出的控制信号运转，并驱动减速齿轮组，从而带动节气门的转动（减速齿轮与节气门同轴安装），节气门的角度变化引起进气通道截面积的变化，进而引起发动机空燃比的变化，从而最终达到调节发动机转速和转矩的目的[7]。

图2.2 电子节气门体结构示意图

(1) 驱动电机

至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置饲服控制最优先的选择。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，很高的效率等优点；特别是中小功率系统中常采用永磁直流电动机，只需要对电枢回路一个回路进行控制，电子控制电路相对较简单。所以节气门控制电机多采用直流饲服电机。

(2) 节气门片

因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在进气

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管道中，节气门的全关闭角度（节气门与进气流垂直方向的夹角）并不是0°，而是有2的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形(图2.3a)，节气门的开度范围为2°~88°静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在9°的开度(图2.3b)。节气门开度为θ时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向的投影面积。

(a)节气门全关(b)节气门静态位置(c)节气门部分开启

图2.3 电子节气门不同开度时位置

(3) 节气门位置传感器

节气门体连接器有6个引脚：其中2个引脚是电机的电源线，另外4个引脚是节气门位置传感器的电源线和信号线。图2.4为电子节气门内部电路示意图。

图2.4 电子节气门内部接线示意图

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节气门位置传感器是节气门开度状态的唯一检测元件，电位计传感器主要将角位移的变化转换成电压变化，通过模数转换器，将模拟的电压量转换成可读的数字量。从控制的角度来讲，只需要一个位置传感器就可以了，但是采用冗余传感器可以大大增加识别硬件故障的可靠性，保证车辆行驶的安全性。两个传感器均由同一电源供电，采用同一搭铁点。设计成阻值反向变化，即一个电阻值增加则另一个电阻值减少，其输出电压成互补的关系，同一位置的两个传感器输出电压信号的和始终等于供电电压5V，传感器输出电压关系通过标定如图2.6所示。

(4) 减速齿轮

动力传动采用闭式双级减速齿轮传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，保证良好的润滑和较好的啮合精度，主要优点有：体积小，传动效率高，工作可靠，使用寿命长，传动比准确，结构紧凑[8]。

图2.6 节气门开度量与节气门位置传感器输出电压关系

2.1.2 加速踏板

节气门位置变化直接由加速踏板位置传感器采集，通过AD转换成数字量传到ETCS中，根据具体状况控制节气门开度。加速踏板模块是将踏板功能和机械部件的所有功能统一起来的操作单元。加速踏板位置由加速踏板位置传感

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器(Pedal Position Sensor，简称PPS)转化为电信号输入到电控单元，发动机管理系统称这种信号为“驾驶员需求”(Driver Demand)。同样，出于安全性和可靠性考虑，加速踏板位置传感器也采用了冗余设计，设计了两个传感器，但两个传感器依据各自相互独立的电源运行。

用与节气门相似的标定方法对踏板进行了标定，记录踏板不同旋转角度时PPS输出电压，得到输出电压信号与踏板旋转角度之间的对应关系曲线，如图2.7。分析标定所得数据可知，加速踏板位于任一角度时，对应的PPS1输出电压与PPS2输出电压的差值永远为2V。

图2.7 踏板位置传感器与输出电压曲线

节气门的开度范围为2°~88°，加速踏板的开度范围为0°~15°。系统开发时暂时只考虑了节气门静态位置以上的工作区域，即9°~88°范围的工作区域。为了提高控制精度和便于对控制结果进行分析比较，将踏板的开度范围进行放大，使得踏板开度为0°时，节气门处于静态位置；踏板开度为15°时，节气门全开。图2.8为加速踏板与节气门角度的换算关系曲线。踏板信号输入后，根据换算关系将其放大，使得节气门能到达同样的开度。

2.1.3电控单元ECU

ECU是整个电子节气门控制系统的核心，驾驶员的意图、发动机的工况、汽车整车的运行状况、节气门开度等信息都汇总到ECU中，经过一系列运算、

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优化控制，最后ECU向电机发出一个控制信号。

图2.8 加速踏板角度换算曲线

2.2 驱动电机的脉冲调制方式

节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。控制步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。

控制直流电机采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。目前，多数电子节气门体的直流电机采用不可逆PWM 控制技术，电机所产生的扭矩和复位弹簧的扭矩永远相反。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。

2.3 电子节气门系统的控制功能

(1) 基于发动机扭矩需求的节气门控制功能

电子节气门系统的节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是控制单

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元根据当前行驶工况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。控制单元根据整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷等信号求得。

电子节气门系统可改变车辆对加速踏板响应的灵敏度，得到与行驶条件和驾驶员意愿相匹配的加速响应特性[9]。

(2) 海拔高度补偿功能

在高海拔地区行驶时，由于大气压力的降低使车辆性能下降，此时电子节气门系统通过一个大气压力的函数作用到当前海拔高度值上，进行高度补偿控制，可保证发动机输出动力与加速踏板位置关系不随海拔高度的变化而变化。

(3) 电机断电时的安全性功能

在节气门体设计中应保证驱动电机断电或控制系统出现不能驱动的故障时，节气门能在复位弹簧的作用下返回到一小开度位置，这一开度可使发动机工作在较高怠速工况。

(4) 定速巡航控制功能

巡航控制系统又称为速度控制系统，它是一种减轻驾车者疲劳的装置。

(5) 怠速控制功能

电子节气门系统取消了怠速空气调节阀，而是直接由控制单元调节节气门开度来实现车辆的怠速控制。

2.4 本章小结

本章首先介绍了机械式节气门结构、工作原理及缺点，重点叙述了电子节气门的结构组成、工作原理及优点；同时对节气门位置传感器和加速踏板位置传感器进行了标定；最后又详述了电子节气门的控制功能。

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