基于ATMEG16電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.引言

傳統(tǒng)的節(jié)氣門與加速踏板之間通過拉桿連接，節(jié)氣門的開度完全由駕駛員通過加速踏板來控制。這種機械控制方式只能使發(fā)動機完全按駕駛員的操作意圖工作，不能確保發(fā)動機的工作狀態(tài)與汽車的運行情況形成最佳的匹配。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)可以根據(jù)加速踏板位移，路面情況以及車況等信息發(fā)出指令使節(jié)氣門開度得到最佳控制，使發(fā)動機空燃比達到最佳從而提高車輛動力性和經(jīng)濟性，而且對減少廢氣排放、保護環(huán)境也有著重要意義。

2.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)主要由MCU、油門踏板位置傳感器、電子節(jié)氣門體、驅(qū)動電路以及電源五部分構(gòu)成。它的工作原理是：駕駛員操縱油門踏板，油門踏板位置傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，即節(jié)氣門開度的參考信號，控制單元對輸入的模擬信號進行采樣處理，然后控制單元根據(jù)車輛行駛工況進行綜合分析計算得出一個期望的節(jié)氣門開度值，并輸出對應(yīng)的控制信號給驅(qū)動電機，在驅(qū)動電機作用下，節(jié)氣門閥片達到期望位置。在整個控制過程中，節(jié)氣門位置傳感器將節(jié)氣門開度信號不停的反饋給控制單元，控制單元將得到的開度信號與目標(biāo)值不停比較并修正，直到實際的節(jié)氣門開度值達到與期望的節(jié)氣門開度值相對應(yīng)的位置。

3.控制電路硬件設(shè)計

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，節(jié)氣門由直流電機驅(qū)動達到目標(biāo)開度，因此對直流電機的控制直接影響節(jié)氣門開度的精度，通常直流電機都是由PWM信號控制，另外，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，油門踏板給出目標(biāo)開度，節(jié)氣門位置傳感器反饋出實際開度，它們給出的信號都是模擬電壓信號，因此控制器必須能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?；诳刂破饕邆溥@些功能，本文選用AVR單片機ATMEG16作為主控芯片，并且使用英飛凌公司的TLE6209R芯片作為電機驅(qū)動芯片，開發(fā)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)硬件電路。控制電路部分包括：信號采集處理，穩(wěn)壓，直流電機驅(qū)動，串行通信等。油門踏板傳感器和節(jié)氣門位置傳感器分別給出油門踏板位置和節(jié)氣門開度信號，通過單片機中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對兩信號比較，給出控制電機轉(zhuǎn)向的信號并調(diào)用控制算法計算輸出合適占空比的PWM信號，再通過直流電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機使節(jié)氣門達到目標(biāo)開度。本實驗中用手柄電位器模擬代替踏板位置傳感器;PA1即ADC1接節(jié)氣門位置傳感器反饋的信號TPS1;PD5用于輸出占空比可調(diào)的PWM,與驅(qū)動芯片TLE6209R的PWM端口相連;PB0與驅(qū)動芯片TLE6209R的DIR端口相連，用于發(fā)出方向控制信號，控制節(jié)氣門閥片的正反轉(zhuǎn)。圖1為單片機最小電路圖，圖2為驅(qū)動電機電路連接圖。

本次實驗建立了上位機界面來顯示結(jié)果，上位機采用的是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，所以單片機的通信程序必須也符合Modbus協(xié)議才能和上位機通信，串口通信連接電路圖如圖3所示。

4.軟件設(shè)計

由于電子節(jié)氣門具有非線性，時變性等特點，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)達到響應(yīng)快，超調(diào)小的目的。軟件框圖如圖4所示。

5.實驗結(jié)果及分析

圖5為0.8s方波快速跟隨實驗，通過曲線可以看出在跟隨的過程中會有滯后的現(xiàn)象產(chǎn)生，無超調(diào)現(xiàn)象，在電子節(jié)氣門的實際應(yīng)用中基本能夠滿足控制要求。

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

6.結(jié)論

本文針對電子節(jié)氣門的非線性采用非線性PID控制的方法進行控制器的設(shè)計，同時采用ATMEG16為主控芯片，通過上位機顯示出控制結(jié)果，實驗結(jié)果表明這種設(shè)計能夠基本達到控制要求。