基于PID的電子節(jié)氣門實驗平臺的研究

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(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

基于PID的電子節(jié)氣門實驗平臺的研究

鐘文軍，魯植雄，刁秀永，黃相

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

為提高學(xué)生對車輛電子控制系統(tǒng)的深入了解，搭建了電子節(jié)氣門教學(xué)實驗平臺。介紹了平臺所選用的硬件，并利用C語言對平臺進行了軟件設(shè)計。利用普通增量式PID閉環(huán)控制，作為電子節(jié)氣門系統(tǒng)的主控制器。

車輛電子控制；電子節(jié)氣門；PID

0 引言

電子油門是汽車上最為經(jīng)典的電子控制單元，而發(fā)動機節(jié)氣門控制是車輛系統(tǒng)控制的重要組成部分。隨著車輛電子控制技術(shù)的迅速發(fā)展，節(jié)氣門控制結(jié)構(gòu)中的機械連接部分被電子單元取代，從而使油門踏板和節(jié)氣門的布置變得更加的靈活和方便，汽車空間利用效率得以增加[1-3]。

電子節(jié)氣門系統(tǒng)主要由油門踏板、節(jié)氣門體和控制器等組成[4]。系統(tǒng)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集油門踏板和節(jié)氣門位置傳感器的信號，控制器處理所采集到的電信號和處理后輸出脈沖寬度調(diào)制波，從而控制節(jié)氣門體上的直流電機，以帶動閥片轉(zhuǎn)動到指定的角度。實驗平臺要求節(jié)氣門閥體具有很快的響應(yīng)時間，并且有很好的伴隨性和魯棒性。

1 實驗平臺硬件

實驗平臺采用的主要硬件有長城騰翼C30電子節(jié)氣門、大眾桑塔納加速踏板模塊、直流電源模塊、89C52單片機、PCF8951AD芯片和L298直流電機驅(qū)動模塊。

1.1 STC80C52單片機

89C52單片機是STC公司生產(chǎn)的驅(qū)動電壓低、性能較高CMOS8位單片機，片內(nèi)含有8 KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(PEROM)和256 B的隨機存取數(shù)據(jù)儲存器(RAM)[5]。在此平臺中需要單片機處理A/D轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)，并需要由單片機發(fā)出脈寬調(diào)制脈沖波。

1.2 PCF8951AD芯片

PCF是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器，具有4個模擬輸入、1個輸出和1個串行I2C總線接口。3個地址引腳A0，A1和A2用于編程硬件地址。在平臺中，加速踏板和節(jié)氣門體中總共有4個位置傳感器，此硬件剛好能采集4路模擬電壓，完全能滿足實驗平臺的需要。

1.3 L298直流電機驅(qū)動模塊

2 實驗平臺軟件設(shè)計

因為C語言程序可讀性更高，可繼承性較好，而且修改和補充比較容易。所以實驗采用的是C語言而不是匯編語言。

電子油門控制系統(tǒng)需要更快的響應(yīng)時間，且必須具有良好的穩(wěn)定性和準確性[7-8]。為提高實驗平臺的響應(yīng)性，則應(yīng)將采樣頻率提高，控制程序的結(jié)構(gòu)和算法；為提高實驗平臺的控制精確性，則需要進行閉環(huán)控制，控制程序中就采用了PID控制算法。實驗平臺控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 脈寬調(diào)制輸出程序

電子節(jié)氣門直流電機通過PWM控制，因此，PWM的效果對電機的控制很重要。通過51單片機，可產(chǎn)生周期和連續(xù)可調(diào)的連續(xù)方波。

脈寬調(diào)制方式是利用功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制電壓恒定的直流電源，通過改變占空比來改變電樞的平均電壓，以此控制直流電機的扭矩，這是目前直流電動機的主要控制方式。其控制原理如圖2a所示。

當(dāng)開關(guān)閥V1的輸入Ui為高電平時，開關(guān)閥導(dǎo)通，輸入到電動機兩端電源電壓為Us，向電機提供電能量，能量儲存于電動機中。t1秒后，輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)閥截止，向電機提供能量的供電電源Us被中斷，但此時電樞電感在導(dǎo)通時所儲存的能量通過二極管D1使電流在電機中繼續(xù)流通。t2秒后，輸入端電壓重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)閥的動作將前面的過程進行重復(fù)。這樣，對應(yīng)輸入電平的高低，直流電機的輸入電壓UO波形如圖2b所示。電機輸入兩端的平均電壓值Ua為：

圖2 直流電機脈寬調(diào)制控制原理和電壓波形

占空比a的變化范圍為0≤a≤1。輸入電壓恒定的情況下，改變占空比就可以改變電機電樞的電壓輸入，從而改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D3所示。

在志書中，大事記與各篇章節(jié)的內(nèi)容是互為詳略、互為補充的關(guān)系。互為詳略，是指大事記記述簡明扼要，各篇章記述詳細；互為補充是指一些缺失詳細內(nèi)容，無法在條目中詳細記述,但又有一定的重要性，不能不在志書中有所反映的內(nèi)容,可收錄在大事記中，避免了志書重要內(nèi)容的缺漏。

圖3 脈寬調(diào)控程序流程

2.2 信號采集子程序

系統(tǒng)有4個信號需要捕獲，即踏板上具有冗余設(shè)計的2個輸入位置信號，電子節(jié)氣門上具有冗余設(shè)計的2個反饋位置信號。節(jié)氣門位置傳感器和踏板位置傳感器的輸入皆為電壓信號，需要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，把模擬量的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號。踏板位置傳感器(PPS1和PPS2)和電子節(jié)氣門位置傳感器(TPS1和TPS2)皆有2個，因此應(yīng)用4通道。程序流程如圖4所示。

圖4 信號采集流程

2.3 角度計算子程序

程序設(shè)計計算中，需要將加速踏板位置傳感器(PPS)的設(shè)定角度和油門位置傳感器(TPS)的反饋角度計算出來。根據(jù)PPS及TPS的輸入信號，以及各自的電壓角度關(guān)系，可以計算出輸入角度和反饋角度。接著，將踏板輸入的角度轉(zhuǎn)換，以確保踏板的角度與油門的打開角度相對應(yīng)。踏板角度和油門角度計算子程序流程如圖5所示。

在編寫角度計算程序之前，要對節(jié)氣門打開角度和節(jié)氣門傳感器的輸出電壓進行標定。標定的結(jié)果如圖6所示。

圖5 踏板角度和油門角度計算子程序流程

圖6 電子節(jié)氣門的標定

2.4 控制器程序

平臺采用PID控制算法，將節(jié)氣門位置傳感器和踏板位置傳感器偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)，通過線性組合構(gòu)成控制量，然后對驅(qū)動電機進行控制。控制程序如圖7所示。

圖7 控制器程序流程

3 試驗平臺的搭建與實驗

完善所有的程序后，通過Keil uVision2編譯后形成.hex文件，利用下載軟件將.hex文件燒寫到51單片機當(dāng)中，連接所有的硬件，并通電。實驗平臺實物如所圖8所示。

圖8 節(jié)氣門實驗平臺實物

3.1 小角度到大角度階躍實驗

實驗表明，節(jié)氣門開度為10%～90%時，節(jié)氣門開度有明顯的超調(diào)。產(chǎn)生的原因主要還是因為增量式PID控制超調(diào)量較大，可以采用其他控制方式，如變積分PID算法。

3.2 波動跟蹤實驗

實驗表明，節(jié)氣門打開角度增大時，具有明顯的滯后性；當(dāng)節(jié)氣門角度迅速減小時，具有較好的跟蹤性。主要原因是節(jié)氣門開度增加和復(fù)位彈簧方向相反，滯后明顯；節(jié)氣門開度減小，電機反轉(zhuǎn)與復(fù)位彈簧方向相同，跟蹤性較好。

在實驗中，發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門閥體隨踏板位置變化反應(yīng)較緩慢，有大概50 ms的延緩，這個主要與程序算法有直接的關(guān)系。

4 結(jié)束語

采用了比較常用的加速踏板、電子節(jié)氣門模塊，L298H橋直流電機模塊，以及比較簡單實用的C8051單片機作為主控制器，實現(xiàn)了實驗平臺的功能。實驗平臺采用的普通增量式PID控制算法，存在一定的超調(diào)量，節(jié)氣門開度變化時，滯后時間較長。為解決此問題，可嘗試使用變積分PID或者模糊控制等其他控制算法。平臺的搭建不需要太多的花費，易于實現(xiàn)，可以較好進行推廣。

[1] 杜開明，秦大同，劉振軍，等.電子節(jié)氣門仿真控制[J].重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005，28(4):14-18.

[2] 胡明慧，朱冬生，邵慧鵬.電子節(jié)氣門控制器的設(shè)計[J].自動化儀表,2010，31(2):25-29.

[3] 林學(xué)東,王 霆.車用發(fā)動機電子控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[4] 李 華.MCS-51 系列單片機使用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[5] 張 巖.基于FPGA的心電信號診斷技術(shù)研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2011.

[6] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[7] 朱二欣.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].長春:吉林大學(xué),2004.

[8] 楊振東.基于模糊PID電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].長沙:湖南大學(xué),2008.

Study of Experimental Platform of Electronic Throttle Based on PID

ZHONGWenjun，LUZhixiong，DIAOXiuyong，HUANGXiang

(College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

In order to improve the students’ understanding of vehicle electronic control system,set up an electronic throttle teaching experiment platform. The paper mainly introduces the hardware of the platform,and use the C language design the software of platform. Use ordinary incremental PID closed-loop control as the main controller of electronic throttle system.

vehicle electronic control；electronic throttle control；PID

2014-04-08

U461.6

A

1001-2257(2014)07-0047-03

鐘文軍(1990-)，男，四川犍為人，碩士研究生，研究方向為車輛電子控制技術(shù)；魯植雄(1962-)，男，湖北武穴人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為車輛電子控制技術(shù)。