一、引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微機技術(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)。現(xiàn)在，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)已成為發(fā)動機完全電控管理系統(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)動機特性確定，從而保證發(fā)動機運行于最佳工況。本設(shè)計進行了電子節(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)動電路及微機監(jiān)控系統(tǒng)幾個部分。節(jié)氣門體包括：直流電機、節(jié)氣門開度傳感器及機械裝置，它們被封裝為一體。通過ECU驅(qū)動直流電機，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進行采集、處理及判斷駕駛員的駕車意圖；同時參考發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器、進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、可靠性好、功能強和運算速度高。針對本系統(tǒng)，選擇了Freescale公司DSP56F807進行系統(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的輸出扭矩，該扭矩與電機線圈中的電流成正比。如圖2所示，直流電機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。

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）+KD[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。