基于DSP的電子節(jié)氣門PID控制

　　一、引言

　　隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微機(jī)技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，使得汽車的內(nèi)涵和功能不斷拓展和延伸，汽車電子化正逐漸成為現(xiàn)代汽車的基本特征。節(jié)氣門是汽車發(fā)動機(jī)的重要控制部件。為了提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性及經(jīng)濟(jì)性，并減少排放污染，世界各大汽車制造商推出了各種控制特性良好的電子節(jié)氣門及其相應(yīng)的電子控制系統(tǒng)，組成電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(ETCS)。采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，使節(jié)氣門開度得到精確控制，不但可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放，同時，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，可獲得滿意的操控性能;另一方面，可實現(xiàn)怠速控制、巡航控制和車輛穩(wěn)定控制等的集成，簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)已成為發(fā)動機(jī)完全電控管理系統(tǒng)的一個重要模塊。由于ETCS的優(yōu)越性，目前，世界上越來越多的大型汽車制造公司開始采用ETCS，傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)氣門面臨著被電子節(jié)氣門所取代的趨勢。

　　在電子節(jié)氣門這種柔性連接方式中，油門踏板與節(jié)氣門之間不再有機(jī)械連接。節(jié)氣門的實際開度由車載電控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時的汽車行駛狀況并考慮發(fā)動機(jī)特性確定，從而保證發(fā)動機(jī)運行于最佳工況。本設(shè)計進(jìn)行了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的電控單元開發(fā)、傳感器信號處理電路及執(zhí)行器功率驅(qū)動電路的硬件電路設(shè)計，并進(jìn)行了PID控制試驗。

　　二、系統(tǒng)組成

　　電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)如圖1所示，包括：節(jié)氣門體、加速踏板位置傳感器、DSP(Digital Signal Processor)開發(fā)板、信號處理電路、功率驅(qū)動電路及微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)幾個部分。節(jié)氣門體包括：直流電機(jī)、節(jié)氣門開度傳感器及機(jī)械裝置，它們被封裝為一體。通過ECU驅(qū)動直流電機(jī)，完成節(jié)氣門開度調(diào)整;節(jié)氣門開度信號通過節(jié)氣門體內(nèi)部的一對高精度節(jié)氣門開度傳感器獲取當(dāng)前開度下相應(yīng)的電壓反饋值，該反饋值與節(jié)氣門打開角度成線性變化。利用這兩路反饋信號，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。加速踏板帶動一個位置傳感器，將加速踏板位置信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘杺鞯紼CU，其作用相當(dāng)于一個反映駕駛員操縱意圖的傳感器，提供節(jié)氣門開度的參考信號。

　　當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時，加速踏板位置信號經(jīng)過模擬信號采樣處理電路，由DSP進(jìn)行采集、處理及判斷駕駛員的駕車意圖;同時參考發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器及其它與車輛行駛工況相關(guān)的傳感器信號進(jìn)行綜合分析計算，確定一個期望的節(jié)氣門開度值;并將期望值與當(dāng)前反饋回來的節(jié)氣門開度值進(jìn)行比較，確定控制信號，發(fā)出脈寬調(diào)制信號，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動執(zhí)行器，實時調(diào)整占空比，實現(xiàn)各項控制功能。最后驅(qū)動電機(jī)使節(jié)氣門移動到一個與期望的節(jié)氣門開度值相對應(yīng)的位置。

　　(一)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心DSP56F807

　　控制單元DSP處理輸入信號，計算和輸出控制信號是整個電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)要求電控單元抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、功能強(qiáng)和運算速度高。針對本系統(tǒng)，選擇了Freescale公司DSP56F807進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。16位DSP56F807 在硬件設(shè)計上采取了一些獨特的設(shè)計，以求最快的運算速度。DSP56800系列數(shù)字信號處理器具有很豐富的I/O口和多種外圍配置。在單一的 DSP56F807芯片上集成了14個專用的和18個復(fù)用的通用輸入/輸出通道GPIO、2個異步串行通信模塊SCI、1個同步串行外設(shè)模塊SPI、1個控制系統(tǒng)局域網(wǎng)模塊CAN2.0、4個4通道的12-bitADC，共16路模擬量輸入通道、2個6通道用于各類電機(jī)控制的脈沖寬度調(diào)制PWM模塊、4個 16位四定時/計數(shù)器Timer、外部存儲器接口、片內(nèi)電源監(jiān)視器及看門狗(watchdog)、JTAG/OnCE實時調(diào)試接口等多路外設(shè)模塊。實現(xiàn)了完全的單片化，可以滿足電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)需要。

　　(二)驅(qū)動電路設(shè)計

　　在電路設(shè)計中加入了大量的濾波和抗干擾元件，采用RC濾波、光耦隔離、電壓跟隨器和比較器等優(yōu)化組合來提高電路的可靠性和抗干擾性。執(zhí)行器功率驅(qū)動電路的功用就是將DSP輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動執(zhí)行元件的輸出信號。該模塊是電控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作的保證，驅(qū)動模塊的好壞與系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有密切的聯(lián)系。

　　要控制節(jié)氣門的開度，就需要控制其直流電機(jī)的輸出扭矩，該扭矩與電機(jī)線圈中的電流成正比。如圖2所示，直流電機(jī)PWM功率驅(qū)動電路：DSP產(chǎn)生PWM信號通過光電耦合器控制功率MOS管來完成對直流電機(jī)電源的高頻開閉，最終控制節(jié)氣門的開度。由于節(jié)氣門片需要正反兩個方向轉(zhuǎn)動，所以需要搭建一個H橋電路來滿足對直流電機(jī)雙向控制的需求。光電耦合器實現(xiàn)上、下級之間的電器隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，干擾DSP的正常工作。4個二極管具有消除電壓尖峰的作用。

　　三、PID控制原理

　　由于節(jié)氣門體中存在非線性彈簧、粘性摩擦和滑動摩擦、進(jìn)氣擾動及齒隙沖擊等，導(dǎo)致了控制對象為一嚴(yán)重非線性系統(tǒng)，控制難度較高。PID控制不需要測量系統(tǒng)的模型，容易實現(xiàn)，所以本文選擇了使用PID控制策略進(jìn)行控制。PID控制將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制。

　　PID控制系統(tǒng)是一種線性控制系統(tǒng)，如圖3所示，控制偏差e(t)為目標(biāo)值與實際輸出值之差：

　　e(t)=r(t)-y(t)(1)

　　PID控制規(guī)律為：

　　式中：KP——比例系數(shù);

　　TI——積分時間常數(shù);

　　TD——微分時間常數(shù)。

　　KP成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制系統(tǒng)立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

　　TI主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

　　TD反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)周期。

　　在計算機(jī)PID控制中，需使用數(shù)字PID控制，本文使用增量式PID控制算法，公式如下：

　　△u(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+K

　　D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](3)

　　u(k)=u(k-1)+△u(k)(4)

　　式中：△u(k)——k時刻輸出增量;

　　KI——積分系數(shù);

　　KD——微分系數(shù)。

　　數(shù)字PID控制是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟應(yīng)用最廣泛的一種控制，不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整參數(shù)的在線整定，即可獲得滿意的效果，特別適用于軟件編程的方法實現(xiàn)PID控制，參數(shù)變化十分靈活。具有控制原理簡單、實現(xiàn)容易及穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

　　由于節(jié)氣門體中復(fù)位彈簧的作用，使節(jié)氣門片的受力變得復(fù)雜，增加了控制的難度。節(jié)氣門片向不同方向轉(zhuǎn)動時其受力不同，轉(zhuǎn)動范圍大小也不同，因此，正、反轉(zhuǎn)模型也就不同。于是需要設(shè)計正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩組PID控制，其控制參數(shù)和流程均不同。程序需根據(jù)控制輸出量值的正負(fù)，判斷進(jìn)入正轉(zhuǎn)控制流程還是反轉(zhuǎn)控制流程，并完成控制流程的非線性切換。

　　四、節(jié)氣門控制實驗

　　節(jié)氣門開度控制實驗中，節(jié)氣門位置傳感器的電壓為反饋量，PWM的占空比信號為控制輸出量。實驗中由PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向DSP發(fā)送目標(biāo)開度值和PID控制參數(shù)，DSP根據(jù)控制參數(shù)和節(jié)氣門位置信號計算并輸出PWM信號，電機(jī)執(zhí)行命令，控制電子節(jié)氣門完成動作;同時DSP向PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)傳送控制過程，PC機(jī)記錄并顯示實際控制效果，根據(jù)控制效果不斷調(diào)整PID控制參數(shù)，最終達(dá)到最佳控制。圖4記載了試驗中進(jìn)行的階躍響應(yīng)測試，參數(shù)KP=65，KI=125， KD="10"，電子節(jié)氣門從初始值1200mV到目標(biāo)值2000mV的階躍變化情況。從系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線可知節(jié)氣門上升時間短且穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差小，滿足系統(tǒng)響應(yīng)和控制精度要求。

　　五、結(jié)論

　　試驗表明，該控制系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點，取得了十分滿意的控制效果，故該節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價值。

　　下一步將電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)裝車，與發(fā)動機(jī)ECU整合，進(jìn)行發(fā)動機(jī)實車試驗，需要對電子節(jié)氣門的控制特性進(jìn)行深入研究，結(jié)合更有針對性的非線性智能控制方法，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)控制效果。