汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計(jì)及其在ASR控制中的應(yīng)用

0 引 言
早期節(jié)氣門是為了調(diào)節(jié)汽油機(jī)的充氣量，在化油器腔體上設(shè)置的節(jié)流裝置，通過杠桿、鋼絲拉線與油門踏板相連。因其常見為蝶形閥門，故稱節(jié)氣門。電控噴射系統(tǒng)取代化油器后，油路自成系統(tǒng)，進(jìn)行壓力噴射；在進(jìn)氣系統(tǒng)方面，保留了化油器進(jìn)氣道喉管下方的一個(gè)簡單卻非常重要的部件――節(jié)氣門，并增設(shè)電子控制單元(ECU)、節(jié)氣門位置傳感器、空氣流量計(jì)等監(jiān)測工況。電子控制節(jié)氣門系統(tǒng)(Electronic Throttle ControlSystem，ETC)是在電噴系統(tǒng)的節(jié)氣門機(jī)構(gòu)中，去掉了一些附屬補(bǔ)償裝置，增加了新的電控單元、直流電機(jī)、減速齒輪、驅(qū)動(dòng)電路等。與傳統(tǒng)的節(jié)氣門控制方法不同，電子節(jié)氣門系統(tǒng)中節(jié)氣門在任何工況下都直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；而且ECU可綜合車輛管理信息和發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而隨時(shí)配制一個(gè)最佳的混合氣成分。這種最佳的混合氣成分，同時(shí)按發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，特別是按減少排放有害物的要求來確定，具有良好的怠速、加速、減速等的過渡性能。
電子節(jié)氣門相當(dāng)于用一種柔性連接取代了傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式(即剛性連接)。在剛性連接中，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度完全受控于油門踏板開度，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況取決于駕駛員對油門踏板的操作。在柔性連接方式中，油門踏板僅相當(dāng)于一個(gè)反映駕駛員操縱意圖的傳感器，節(jié)氣門的實(shí)際開度由其控制器根據(jù)當(dāng)時(shí)的汽車行駛狀況、其他車載電控系統(tǒng)的需求并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)特性之后確定。
汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)是重要的主動(dòng)安全系統(tǒng)，其控制需要調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。由于目前我國裝車的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)大都不具備自主知識產(chǎn)權(quán)，無法完成對發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的干預(yù)，所以本文采用了安裝電子節(jié)氣門來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的ASR系統(tǒng)方案。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)防滑控制(ASR)的需要，設(shè)計(jì)并開發(fā)了ETC系統(tǒng)ECU軟硬件，在安裝電子節(jié)氣門體的試驗(yàn)臺架上進(jìn)行了功能測試，并將之應(yīng)用于ASR控制中，進(jìn)行了硬件在環(huán)測試。

1 ECU硬件電路設(shè)計(jì)
ECU硬件主要實(shí)現(xiàn)油門踏板信號采集與處理、存儲與運(yùn)行控制軟件、驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)以及和其他ECU或者計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。硬件設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

ECU的設(shè)計(jì)還需綜合考慮幾個(gè)因素：
(1)控制程序?qū)崟r(shí)性要求，要求控制器能夠快速運(yùn)行程序并具備較高的計(jì)算速度；
(2)控制器可靠性要求，確保在汽車級惡劣電磁環(huán)境中具備較強(qiáng)的抗干擾性能，控制程序能夠運(yùn)行可靠、穩(wěn)定；
(3)控制器體積及成本考慮，具備一定的市場競爭能力。
1．1 MCU選型及單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)
單片機(jī)是電子控制系統(tǒng)ECU的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理以及所有的邏輯運(yùn)算，并直接影響到控制器電路運(yùn)行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。
綜合考慮各種因素，本文所采用的芯片型號為MC68HC908AZ32A，這是Freescale公司生產(chǎn)的專為汽車設(shè)計(jì)的功能強(qiáng)大的8位單片機(jī)。具有豐富的功能模塊，包括1路SPI接口模塊、1路SCI接口模塊、15路A／D轉(zhuǎn)換模塊、1路CAN通信接口模塊等。此外，芯片獨(dú)立的數(shù)字I／O接口數(shù)也滿足設(shè)計(jì)要求，并且還留有功能擴(kuò)展的余地。
選定單片機(jī)后，設(shè)計(jì)了電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等，構(gòu)成單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)。
1．2 信號采集電路設(shè)計(jì)
ETC系統(tǒng)需要將油門踏板位置信號和節(jié)氣門位置信號等模擬信號采集輸入單片機(jī)中。因?yàn)槟M信號可能會出現(xiàn)較多的毛刺或因干擾、突發(fā)故障等產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，為了更好地采集信號，并保護(hù)MCU，設(shè)計(jì)模擬信號輸入電路，如圖2所示。該電路是一個(gè)有源濾波電路，可以大幅減少毛刺和減小波動(dòng)。

有源低通濾波電路，一方面可以濾除傳輸線上的干擾信號，另一方面可以提高A／D的輸入阻抗。其中LM124是高效的集成運(yùn)放。電容C701對傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行濾波，去除毛刺。跟隨器起的作用是將輸出阻抗降低到最小水平，因?yàn)镸CU的A／D模塊在處理快速變化的模擬信號時(shí)要求盡可能小的輸出阻抗和較小的采樣周期來滿足快速性和精度的要求。另外，ECU還要輸入開關(guān)量形式的制動(dòng)信號，通過單片機(jī)特定端口的中斷功能實(shí)現(xiàn)。
1．3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
由于控制節(jié)氣門開度的直流電機(jī)用單片機(jī)輸出的PWM信號驅(qū)動(dòng)，中間需要功率驅(qū)動(dòng)芯片。本文選用TLE6209，內(nèi)部集成了H橋電路。該芯片是英飛凌公司開發(fā)的專門控制電子節(jié)氣門的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片。與其他功率驅(qū)動(dòng)芯片相比，TLE6209具有很高的可靠性和保護(hù)功能，通過SPI接口可與控制單元進(jìn)行通信，發(fā)送故障信息和控制命令，可為以后控制單元診斷功能的擴(kuò)展提供條件；一般的H橋驅(qū)動(dòng)信號需要兩路PWM信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，TLE6209只需要一路PWM信號和一個(gè)方向信號，因此節(jié)省了硬件資源，且控制更靈活、可靠。其主要特點(diǎn)如下：
(1)連續(xù)輸出電流最大為6 A；最高工作電壓為40 V；最大輸出頻率為30 kHz。
(2)邏輯電壓與驅(qū)動(dòng)電壓單獨(dú)供電；內(nèi)部集成續(xù)流二極管；輸出短路保護(hù)。
(3)IHN為低電平時(shí)，芯片停止工作；DIS為高電平時(shí)，輸出端為高阻狀態(tài)。
(4)可與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信，通過SPI單片機(jī)可向TLE6209寫入可編程控制字，TLE6209可以向單片機(jī)發(fā)送故障診斷信息。
(5)工作時(shí)僅需兩路信號：DIR控制輸出電流方向；PWM控制輸出電流大小。
TLE6209電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

1．4 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)
控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)為串行通信協(xié)議，能有效支持具有很高安全級的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到底價(jià)位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業(yè)里，使用CAN連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防滑系統(tǒng)等，其傳輸速度可達(dá)1 Mb／s。