電子節(jié)氣門驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡雄

摘 要：為推廣電子節(jié)氣門控制技術(shù)在農(nóng)用拖拉機(jī)上的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門嵌入式控制系統(tǒng)。文章首先介紹了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的組成；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了節(jié)氣門驅(qū)動控制單元的軟硬件系統(tǒng)；最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明，所開發(fā)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)能較好地滿足各種應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：電子節(jié)氣門 控制系統(tǒng) C8051F020 農(nóng)用拖拉機(jī)

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

傳統(tǒng)的節(jié)氣門采用機(jī)械控制方式，加速踏板與節(jié)氣門之間采用拉索或拉桿連接，駕駛員通過加速踏板控制節(jié)氣門的開度。這種方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)按駕駛員的駕駛意圖控制發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，但是發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與拖拉機(jī)的實(shí)際情況之間很難得到最佳匹配。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)通過微處理器、傳感器以及各類驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門與加速踏板之間的無機(jī)械連接，這種連接方式兼顧駕駛員的加速意圖、發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、拖拉機(jī)的工作情況，對節(jié)氣門的開度進(jìn)行智能控制，保證發(fā)動機(jī)工作在最佳的狀態(tài)，能提高拖拉機(jī)的安全性、動力性和舒適性。

盡管電子節(jié)氣門有諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前還只是用在家用轎車上，在農(nóng)用拖拉機(jī)上的應(yīng)用還比較少見。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，對農(nóng)用拖拉機(jī)的駕駛舒適度、性能的要求會越來越高，將先進(jìn)的電子節(jié)氣門控制技術(shù)引入拖拉機(jī)產(chǎn)品成為必然。本文設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)組成

1.1 電子節(jié)氣門體

電子節(jié)氣門主要包括驅(qū)動電機(jī)、閥片、節(jié)氣門位置傳感器復(fù)位彈簧以及齒輪機(jī)構(gòu)等。通常用于電子節(jié)氣門的是永磁有刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與節(jié)氣門轉(zhuǎn)軸之間的傳動比為2∶1。圖1和圖2顯示了電子節(jié)氣門的實(shí)物圖和機(jī)構(gòu)示意圖。

由圖可知，在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門和駕駛踏板之間不再使用機(jī)械部件進(jìn)行連接，駕駛踏板只是用來檢測駕駛員的駕駛意圖，節(jié)氣門的控制過程則完全由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)首先根據(jù)加速踏板的信號對駕駛員的駕駛意圖進(jìn)行分析，從而得出合適的控制策略，對節(jié)氣門的開度進(jìn)行調(diào)整。

1.2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

由上述分析可知，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的作用就是根據(jù)駕駛踏板的角度對節(jié)氣門的開度進(jìn)行控制，屬于一類單輸入單輸出的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)駕駛員操作加速踏板時，加速踏板位置傳感器輸出節(jié)氣門開度信號，以此信號作為控制系統(tǒng)的參考信號?？刂葡到y(tǒng)將此參考信號通過CAN總線送給整車控制單元，由整車控制單元綜合分析駕駛員的駕駛意圖、發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況、汽車的運(yùn)行情況，采用一定的控制策略，計(jì)算出合理的節(jié)氣門開度，再通過CAN總線返回給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。最后又控制單元將期望值與當(dāng)前實(shí)際的開度反饋值進(jìn)行對比分析，根據(jù)預(yù)定的控制策略對電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門開度的跟隨。

1.3 驅(qū)動控制單元組成及工作原理

在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門的期望開度除了與加速踏板的位置有關(guān)，還與車輛行駛工況等有關(guān)，因此期望開度的計(jì)算一般由整車控制單元綜合考慮各種信息后通過一定的控制策略給出，并通過CAN總線送給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。本文主要研究驅(qū)動控制單元的電路設(shè)計(jì)以及控制策略的實(shí)現(xiàn)。

圖4所示是驅(qū)動控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。直流電機(jī)的電流方向發(fā)生變化，便可對節(jié)氣門開度增加、減小進(jìn)行切換；直流電機(jī)通電時間不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角也會有變化，通過這種方法便可控制節(jié)氣門開度的大小。節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓隨節(jié)氣門的位置變化而改變，可以用作驅(qū)動控制單元的反饋信號。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)氣門位置測量電路設(shè)計(jì)

圖5分別顯示了電子節(jié)氣門的電路原理圖以及引腳位置圖，共有6個引腳，其中4個是節(jié)氣門位置傳感器的信號線和電源線，2個是電機(jī)的電源線。

設(shè)計(jì)的電路如圖6所示。由于系統(tǒng)所用電源為+5V，C8051F020自帶AD的輸入電壓范圍為0～2.5V，因此先設(shè)計(jì)一電壓跟隨電路，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換，再利用0.1%高精度電阻實(shí)現(xiàn)分壓，將0～5V信號電壓衰減為0～2.5V。

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在拖拉機(jī)行駛過程中，不可避免的需要增加、減小節(jié)氣門的開度，因此電子節(jié)氣門中的直流電機(jī)需要有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要采用H橋電路實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動，圖7顯示了H橋的工作原理。

圖7中，Q1和Q4構(gòu)成一對開關(guān)，Q2和Q3構(gòu)成一對開關(guān)。同一對開關(guān)必須同時導(dǎo)通、同時切斷，不同對的開關(guān)不能同時導(dǎo)通。當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時，電流沿著圖7中的A方向流過電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時，電流沿著圖7中B方向流過電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

本研究采用MC33886專用芯片設(shè)計(jì)H橋驅(qū)動電路，具體電路如圖8所示。OUT1引腳上的輸出電壓有IN1引腳上輸入端PWM信號決定，由于IN2接地，輸出引腳OUT2上的電壓始終為0。OUT1和OUT2之間的壓差受IN1控制，控制器只需要改變IN1引腳上PWM信號的占空比就可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 節(jié)氣門驅(qū)動控制單元軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

實(shí)時控制軟件由3部分組成：節(jié)氣門電機(jī)驅(qū)動子程序、節(jié)氣門位置信號采集子程序以及PID控制子程序。程序流程圖如圖9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法實(shí)現(xiàn)電子節(jié)氣門的控制，設(shè)為抽樣序號，為抽樣周期，離散化PID算法的控制輸出為：

（1）

式（1）中，為時刻的控制器輸出，是時刻設(shè)定值與反饋值之間的誤差，、、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。PID控制中，、、三個系數(shù)非常重要，較大的可以增加系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是如果取值過大，系統(tǒng)容易出現(xiàn)較大超調(diào)，甚至出現(xiàn)震蕩等現(xiàn)象。越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的速度會降低。增加會加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但抗干擾能力會受到影響。

4 實(shí)驗(yàn)測試

進(jìn)行了兩組波形信號跟隨實(shí)驗(yàn)和兩組階躍信號跟隨實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的性能。

圖10和圖11先是了階躍信號跟隨實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電子節(jié)氣門的開度從5%增加到95%，需要8個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要160 ms。當(dāng)目標(biāo)開度設(shè)定在95%，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門實(shí)際開度在94.5%～95.5%之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1%。電子節(jié)氣門的開度從95%降低到5%時，需要10個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要200 ms，從圖11中可以看出，穩(wěn)態(tài)誤差也較?。?1%）。

圖12和圖13分別顯示了正弦波和三角波的跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門實(shí)際輸出與設(shè)定的期望曲線之間有較好的重合度，誤差較小，說明實(shí)際的節(jié)氣門開度輸出能較好第跟隨設(shè)定的開度曲線。

5 結(jié)論

針對農(nóng)用拖拉機(jī)的具體應(yīng)用，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有較快的相應(yīng)速度、較低的系統(tǒng)誤差，能滿足農(nóng)用拖拉機(jī)的實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 麻友良，尹華敏，劉國棟.電控發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)[J].汽車電器，2006（9）：36-37，40.

[2] 馬樂，王紹銚，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構(gòu)建[J]，內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26（4）：20-23.

[3] 馮能蓮，董春波，賓洋，等.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù)，2004（1）：1-4.

[4] 錢程，王德福，陳琛.電子節(jié)氣門驅(qū)動電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)響應(yīng)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2011（2）：21-24.

[5] 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].湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文.

[6] 孫艷寰.摩托車上應(yīng)用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.endprint

摘 要：為推廣電子節(jié)氣門控制技術(shù)在農(nóng)用拖拉機(jī)上的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門嵌入式控制系統(tǒng)。文章首先介紹了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的組成；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了節(jié)氣門驅(qū)動控制單元的軟硬件系統(tǒng)；最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明，所開發(fā)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)能較好地滿足各種應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：電子節(jié)氣門 控制系統(tǒng) C8051F020 農(nóng)用拖拉機(jī)

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

傳統(tǒng)的節(jié)氣門采用機(jī)械控制方式，加速踏板與節(jié)氣門之間采用拉索或拉桿連接，駕駛員通過加速踏板控制節(jié)氣門的開度。這種方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)按駕駛員的駕駛意圖控制發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，但是發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與拖拉機(jī)的實(shí)際情況之間很難得到最佳匹配。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)通過微處理器、傳感器以及各類驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門與加速踏板之間的無機(jī)械連接，這種連接方式兼顧駕駛員的加速意圖、發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、拖拉機(jī)的工作情況，對節(jié)氣門的開度進(jìn)行智能控制，保證發(fā)動機(jī)工作在最佳的狀態(tài)，能提高拖拉機(jī)的安全性、動力性和舒適性。

盡管電子節(jié)氣門有諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前還只是用在家用轎車上，在農(nóng)用拖拉機(jī)上的應(yīng)用還比較少見。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，對農(nóng)用拖拉機(jī)的駕駛舒適度、性能的要求會越來越高，將先進(jìn)的電子節(jié)氣門控制技術(shù)引入拖拉機(jī)產(chǎn)品成為必然。本文設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)組成

1.1 電子節(jié)氣門體

電子節(jié)氣門主要包括驅(qū)動電機(jī)、閥片、節(jié)氣門位置傳感器復(fù)位彈簧以及齒輪機(jī)構(gòu)等。通常用于電子節(jié)氣門的是永磁有刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與節(jié)氣門轉(zhuǎn)軸之間的傳動比為2∶1。圖1和圖2顯示了電子節(jié)氣門的實(shí)物圖和機(jī)構(gòu)示意圖。

由圖可知，在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門和駕駛踏板之間不再使用機(jī)械部件進(jìn)行連接，駕駛踏板只是用來檢測駕駛員的駕駛意圖，節(jié)氣門的控制過程則完全由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)首先根據(jù)加速踏板的信號對駕駛員的駕駛意圖進(jìn)行分析，從而得出合適的控制策略，對節(jié)氣門的開度進(jìn)行調(diào)整。

1.2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

由上述分析可知，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的作用就是根據(jù)駕駛踏板的角度對節(jié)氣門的開度進(jìn)行控制，屬于一類單輸入單輸出的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)駕駛員操作加速踏板時，加速踏板位置傳感器輸出節(jié)氣門開度信號，以此信號作為控制系統(tǒng)的參考信號?？刂葡到y(tǒng)將此參考信號通過CAN總線送給整車控制單元，由整車控制單元綜合分析駕駛員的駕駛意圖、發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況、汽車的運(yùn)行情況，采用一定的控制策略，計(jì)算出合理的節(jié)氣門開度，再通過CAN總線返回給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。最后又控制單元將期望值與當(dāng)前實(shí)際的開度反饋值進(jìn)行對比分析，根據(jù)預(yù)定的控制策略對電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門開度的跟隨。

1.3 驅(qū)動控制單元組成及工作原理

在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門的期望開度除了與加速踏板的位置有關(guān)，還與車輛行駛工況等有關(guān)，因此期望開度的計(jì)算一般由整車控制單元綜合考慮各種信息后通過一定的控制策略給出，并通過CAN總線送給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。本文主要研究驅(qū)動控制單元的電路設(shè)計(jì)以及控制策略的實(shí)現(xiàn)。

圖4所示是驅(qū)動控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。直流電機(jī)的電流方向發(fā)生變化，便可對節(jié)氣門開度增加、減小進(jìn)行切換；直流電機(jī)通電時間不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角也會有變化，通過這種方法便可控制節(jié)氣門開度的大小。節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓隨節(jié)氣門的位置變化而改變，可以用作驅(qū)動控制單元的反饋信號。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)氣門位置測量電路設(shè)計(jì)

圖5分別顯示了電子節(jié)氣門的電路原理圖以及引腳位置圖，共有6個引腳，其中4個是節(jié)氣門位置傳感器的信號線和電源線，2個是電機(jī)的電源線。

設(shè)計(jì)的電路如圖6所示。由于系統(tǒng)所用電源為+5V，C8051F020自帶AD的輸入電壓范圍為0～2.5V，因此先設(shè)計(jì)一電壓跟隨電路，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換，再利用0.1%高精度電阻實(shí)現(xiàn)分壓，將0～5V信號電壓衰減為0～2.5V。

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在拖拉機(jī)行駛過程中，不可避免的需要增加、減小節(jié)氣門的開度，因此電子節(jié)氣門中的直流電機(jī)需要有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要采用H橋電路實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動，圖7顯示了H橋的工作原理。

圖7中，Q1和Q4構(gòu)成一對開關(guān)，Q2和Q3構(gòu)成一對開關(guān)。同一對開關(guān)必須同時導(dǎo)通、同時切斷，不同對的開關(guān)不能同時導(dǎo)通。當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時，電流沿著圖7中的A方向流過電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時，電流沿著圖7中B方向流過電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

本研究采用MC33886專用芯片設(shè)計(jì)H橋驅(qū)動電路，具體電路如圖8所示。OUT1引腳上的輸出電壓有IN1引腳上輸入端PWM信號決定，由于IN2接地，輸出引腳OUT2上的電壓始終為0。OUT1和OUT2之間的壓差受IN1控制，控制器只需要改變IN1引腳上PWM信號的占空比就可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 節(jié)氣門驅(qū)動控制單元軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

實(shí)時控制軟件由3部分組成：節(jié)氣門電機(jī)驅(qū)動子程序、節(jié)氣門位置信號采集子程序以及PID控制子程序。程序流程圖如圖9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法實(shí)現(xiàn)電子節(jié)氣門的控制，設(shè)為抽樣序號，為抽樣周期，離散化PID算法的控制輸出為：

（1）

式（1）中，為時刻的控制器輸出，是時刻設(shè)定值與反饋值之間的誤差，、、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。PID控制中，、、三個系數(shù)非常重要，較大的可以增加系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是如果取值過大，系統(tǒng)容易出現(xiàn)較大超調(diào)，甚至出現(xiàn)震蕩等現(xiàn)象。越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的速度會降低。增加會加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但抗干擾能力會受到影響。

4 實(shí)驗(yàn)測試

進(jìn)行了兩組波形信號跟隨實(shí)驗(yàn)和兩組階躍信號跟隨實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的性能。

圖10和圖11先是了階躍信號跟隨實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電子節(jié)氣門的開度從5%增加到95%，需要8個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要160 ms。當(dāng)目標(biāo)開度設(shè)定在95%，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門實(shí)際開度在94.5%～95.5%之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1%。電子節(jié)氣門的開度從95%降低到5%時，需要10個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要200 ms，從圖11中可以看出，穩(wěn)態(tài)誤差也較?。?1%）。

圖12和圖13分別顯示了正弦波和三角波的跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門實(shí)際輸出與設(shè)定的期望曲線之間有較好的重合度，誤差較小，說明實(shí)際的節(jié)氣門開度輸出能較好第跟隨設(shè)定的開度曲線。

5 結(jié)論

針對農(nóng)用拖拉機(jī)的具體應(yīng)用，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有較快的相應(yīng)速度、較低的系統(tǒng)誤差，能滿足農(nóng)用拖拉機(jī)的實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 麻友良，尹華敏，劉國棟.電控發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)[J].汽車電器，2006（9）：36-37，40.

[2] 馬樂，王紹銚，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構(gòu)建[J]，內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26（4）：20-23.

[3] 馮能蓮，董春波，賓洋，等.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù)，2004（1）：1-4.

[4] 錢程，王德福，陳琛.電子節(jié)氣門驅(qū)動電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)響應(yīng)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2011（2）：21-24.

[5] 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].湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文.

[6] 孫艷寰.摩托車上應(yīng)用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.endprint

摘 要：為推廣電子節(jié)氣門控制技術(shù)在農(nóng)用拖拉機(jī)上的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門嵌入式控制系統(tǒng)。文章首先介紹了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的組成；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了節(jié)氣門驅(qū)動控制單元的軟硬件系統(tǒng)；最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明，所開發(fā)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)能較好地滿足各種應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：電子節(jié)氣門 控制系統(tǒng) C8051F020 農(nóng)用拖拉機(jī)

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

傳統(tǒng)的節(jié)氣門采用機(jī)械控制方式，加速踏板與節(jié)氣門之間采用拉索或拉桿連接，駕駛員通過加速踏板控制節(jié)氣門的開度。這種方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)按駕駛員的駕駛意圖控制發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，但是發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與拖拉機(jī)的實(shí)際情況之間很難得到最佳匹配。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)通過微處理器、傳感器以及各類驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門與加速踏板之間的無機(jī)械連接，這種連接方式兼顧駕駛員的加速意圖、發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、拖拉機(jī)的工作情況，對節(jié)氣門的開度進(jìn)行智能控制，保證發(fā)動機(jī)工作在最佳的狀態(tài)，能提高拖拉機(jī)的安全性、動力性和舒適性。

盡管電子節(jié)氣門有諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前還只是用在家用轎車上，在農(nóng)用拖拉機(jī)上的應(yīng)用還比較少見。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，對農(nóng)用拖拉機(jī)的駕駛舒適度、性能的要求會越來越高，將先進(jìn)的電子節(jié)氣門控制技術(shù)引入拖拉機(jī)產(chǎn)品成為必然。本文設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)組成

1.1 電子節(jié)氣門體

電子節(jié)氣門主要包括驅(qū)動電機(jī)、閥片、節(jié)氣門位置傳感器復(fù)位彈簧以及齒輪機(jī)構(gòu)等。通常用于電子節(jié)氣門的是永磁有刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與節(jié)氣門轉(zhuǎn)軸之間的傳動比為2∶1。圖1和圖2顯示了電子節(jié)氣門的實(shí)物圖和機(jī)構(gòu)示意圖。

由圖可知，在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門和駕駛踏板之間不再使用機(jī)械部件進(jìn)行連接，駕駛踏板只是用來檢測駕駛員的駕駛意圖，節(jié)氣門的控制過程則完全由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)首先根據(jù)加速踏板的信號對駕駛員的駕駛意圖進(jìn)行分析，從而得出合適的控制策略，對節(jié)氣門的開度進(jìn)行調(diào)整。

1.2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

由上述分析可知，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的作用就是根據(jù)駕駛踏板的角度對節(jié)氣門的開度進(jìn)行控制，屬于一類單輸入單輸出的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)駕駛員操作加速踏板時，加速踏板位置傳感器輸出節(jié)氣門開度信號，以此信號作為控制系統(tǒng)的參考信號。控制系統(tǒng)將此參考信號通過CAN總線送給整車控制單元，由整車控制單元綜合分析駕駛員的駕駛意圖、發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況、汽車的運(yùn)行情況，采用一定的控制策略，計(jì)算出合理的節(jié)氣門開度，再通過CAN總線返回給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。最后又控制單元將期望值與當(dāng)前實(shí)際的開度反饋值進(jìn)行對比分析，根據(jù)預(yù)定的控制策略對電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門開度的跟隨。

1.3 驅(qū)動控制單元組成及工作原理

在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門的期望開度除了與加速踏板的位置有關(guān)，還與車輛行駛工況等有關(guān)，因此期望開度的計(jì)算一般由整車控制單元綜合考慮各種信息后通過一定的控制策略給出，并通過CAN總線送給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。本文主要研究驅(qū)動控制單元的電路設(shè)計(jì)以及控制策略的實(shí)現(xiàn)。

圖4所示是驅(qū)動控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。直流電機(jī)的電流方向發(fā)生變化，便可對節(jié)氣門開度增加、減小進(jìn)行切換；直流電機(jī)通電時間不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角也會有變化，通過這種方法便可控制節(jié)氣門開度的大小。節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓隨節(jié)氣門的位置變化而改變，可以用作驅(qū)動控制單元的反饋信號。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)氣門位置測量電路設(shè)計(jì)

圖5分別顯示了電子節(jié)氣門的電路原理圖以及引腳位置圖，共有6個引腳，其中4個是節(jié)氣門位置傳感器的信號線和電源線，2個是電機(jī)的電源線。

設(shè)計(jì)的電路如圖6所示。由于系統(tǒng)所用電源為+5V，C8051F020自帶AD的輸入電壓范圍為0～2.5V，因此先設(shè)計(jì)一電壓跟隨電路，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換，再利用0.1%高精度電阻實(shí)現(xiàn)分壓，將0～5V信號電壓衰減為0～2.5V。

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在拖拉機(jī)行駛過程中，不可避免的需要增加、減小節(jié)氣門的開度，因此電子節(jié)氣門中的直流電機(jī)需要有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要采用H橋電路實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動，圖7顯示了H橋的工作原理。

圖7中，Q1和Q4構(gòu)成一對開關(guān)，Q2和Q3構(gòu)成一對開關(guān)。同一對開關(guān)必須同時導(dǎo)通、同時切斷，不同對的開關(guān)不能同時導(dǎo)通。當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時，電流沿著圖7中的A方向流過電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時，電流沿著圖7中B方向流過電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

本研究采用MC33886專用芯片設(shè)計(jì)H橋驅(qū)動電路，具體電路如圖8所示。OUT1引腳上的輸出電壓有IN1引腳上輸入端PWM信號決定，由于IN2接地，輸出引腳OUT2上的電壓始終為0。OUT1和OUT2之間的壓差受IN1控制，控制器只需要改變IN1引腳上PWM信號的占空比就可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 節(jié)氣門驅(qū)動控制單元軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

實(shí)時控制軟件由3部分組成：節(jié)氣門電機(jī)驅(qū)動子程序、節(jié)氣門位置信號采集子程序以及PID控制子程序。程序流程圖如圖9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法實(shí)現(xiàn)電子節(jié)氣門的控制，設(shè)為抽樣序號，為抽樣周期，離散化PID算法的控制輸出為：

（1）

式（1）中，為時刻的控制器輸出，是時刻設(shè)定值與反饋值之間的誤差，、、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。PID控制中，、、三個系數(shù)非常重要，較大的可以增加系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是如果取值過大，系統(tǒng)容易出現(xiàn)較大超調(diào)，甚至出現(xiàn)震蕩等現(xiàn)象。越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的速度會降低。增加會加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但抗干擾能力會受到影響。

4 實(shí)驗(yàn)測試

進(jìn)行了兩組波形信號跟隨實(shí)驗(yàn)和兩組階躍信號跟隨實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的性能。

圖10和圖11先是了階躍信號跟隨實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電子節(jié)氣門的開度從5%增加到95%，需要8個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要160 ms。當(dāng)目標(biāo)開度設(shè)定在95%，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門實(shí)際開度在94.5%～95.5%之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1%。電子節(jié)氣門的開度從95%降低到5%時，需要10個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要200 ms，從圖11中可以看出，穩(wěn)態(tài)誤差也較?。?1%）。

圖12和圖13分別顯示了正弦波和三角波的跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門實(shí)際輸出與設(shè)定的期望曲線之間有較好的重合度，誤差較小，說明實(shí)際的節(jié)氣門開度輸出能較好第跟隨設(shè)定的開度曲線。

5 結(jié)論

針對農(nóng)用拖拉機(jī)的具體應(yīng)用，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有較快的相應(yīng)速度、較低的系統(tǒng)誤差，能滿足農(nóng)用拖拉機(jī)的實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 麻友良，尹華敏，劉國棟.電控發(fā)動機(jī)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)[J].汽車電器，2006（9）：36-37，40.

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