工程機械發(fā)動機電子節(jié)氣門控制器

寧艷梅，陳正龍

(湖南三一工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410129)

0 引 言

節(jié)氣門主要是用來控制發(fā)動機的進氣量，從而控制油氣比，達到改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速及扭矩的目的。目前國內(nèi)大部分工程機械均采用傳統(tǒng)的機械式節(jié)氣門，即節(jié)氣門操縱機構(gòu)通過拉桿或拉索，一端連接加速踏板(油門踏板)，另一端連接節(jié)氣門的連動板而工作［1］。因此節(jié)氣門的開度完全取決于加速踏板的位置，即駕駛員的操作意圖，但考慮工程機械發(fā)動機(ICE)的動力性和燃油經(jīng)濟性等因素，我們知道發(fā)動機并不總是處于最佳的運行工況，而且一旦駕駛員進行了誤操作，將造成行駛安全隱患。因此，為精確控制進氣量，以獲得更佳的油氣比，使發(fā)動機處于最佳運行工況，達到改善工程機械燃油經(jīng)濟性、排放性以及駕駛舒適性的目的［2］，在發(fā)動機上加裝電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(以下簡稱ETCS)是十分必要的。

1 ETCS基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 ETCS基本結(jié)構(gòu)

雖然各個廠家生產(chǎn)的ETCS在結(jié)構(gòu)和外觀上有一定的差異，但一般都包括節(jié)氣門控制電機、加速踏板位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器以及電控單元(以下簡稱ECU)四個基本的組成部分［3］。ETCS基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ETCS基本結(jié)構(gòu)

其中油門踏板位置傳感器用來反映駕駛員的需求，它將油門踏板的下踏量及其變化速率通過線性電位器轉(zhuǎn)換成電信號輸出至ECU;節(jié)氣門位置傳感器同樣通過一個線性電位器將節(jié)氣門閥的位置信號(即節(jié)氣門的開度)轉(zhuǎn)換成兩路互補的電信號輸出至ECU;控制電機一般由步進電動機或直流伺服電動機構(gòu)成，它是電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu);ECU則是整個ETCS的核心，包括信息處理模塊和驅(qū)動電路模塊，信息處理模塊一般采用高性能的單片機或DSP;驅(qū)動電路則一般采用橋式驅(qū)動電路。

1.2 ETCS工作原理

每個單片機工作循環(huán)內(nèi)，ECU首先對油門踏板位置信號以及節(jié)氣門位置信號進行采樣，并對兩個信號進行比較，得到一個誤差信號，ECU將根據(jù)這個誤差信號確定節(jié)氣門開度的一個基本期望值。同時ECU將對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、檔位等汽車運行工況信息，以及來自發(fā)動機控制模塊的信號(如ABS、TRC和VSC等信號)，進行綜合分析計算，得到一個節(jié)氣門開度的最優(yōu)值［4］。這個最優(yōu)值將確定控制電機的工作電流以及轉(zhuǎn)動方向(是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn))，接著ECU就發(fā)出指令，通過橋式驅(qū)動電路控制電機的轉(zhuǎn)動，從而帶動節(jié)氣門閥轉(zhuǎn)到一個最優(yōu)開度位置。此時發(fā)動機也就處于最優(yōu)運行工況下。整個控制系統(tǒng)為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以能保證發(fā)動機始終在最優(yōu)運行工況下工作，這也就為實現(xiàn)降低油耗、減少排放的目標(biāo)奠定了理論基礎(chǔ)。

2 電子節(jié)氣門控制器硬件設(shè)計

為節(jié)約成本，提高可靠性與性能，國外對電子節(jié)氣門的控制都是嵌入到了發(fā)動機的電控單元(ECU)中，也就是說整個發(fā)動機只有一個電控單元［5］。但由于受發(fā)動機技術(shù)水平的限制，目前國內(nèi)大部分汽車采用的仍然是國外的發(fā)動機，這就導(dǎo)致發(fā)動機的電控單元變成了一個黑匣子，里面的信號及控制方式我們無從知道。針對這種情況，目前只能在發(fā)動機上加裝電子節(jié)氣門控制器。本文就是基于這樣一種情況，設(shè)計了該獨立的電子節(jié)氣門控制器。整個控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電子節(jié)氣門控制器硬件總體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，整個控制器的硬件結(jié)構(gòu)由信號處理模塊(隔離放大)、CPU模塊、驅(qū)動電路模塊組成。如前面所說，ECU是電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心，其處理器一般采用高性能的單片機或DSP，綜合考慮處理器的性能及成本等因素，我們選用了Cygnal公司的C8051F041單片機作為ECU的CPU。

2.1 Cygnal單片機介紹

Cygnal單片機是美國Cygnal公司推出的一種混合信號SOC(系統(tǒng)級芯片)型8位單片機，具有與8051指令集完全兼容的CIP－51內(nèi)核。其內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速度高，其片內(nèi)資源豐富，具有模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器，并能產(chǎn)生用來控制電機的 PWM信號，而且片內(nèi)的JTAG仿真接口和調(diào)試電路支持全速、非侵入式的在線調(diào)試［6］，可以極大地縮短開發(fā)周期和節(jié)約成本。

2.2 隔離電路設(shè)計

在本文所設(shè)計的電子節(jié)氣門控制器硬件原理圖中，隔離放大電路包含模擬信號(油門踏板位置信號以及兩路反饋信號)與C8051F041之間的線性隔離放大電路以及數(shù)字信號與C8051F041之間的高速光電隔離電路。其作用是為了將模擬信號與數(shù)字信號互相隔開，從而降低兩者之間的相互干擾，從硬件方面提高系統(tǒng)的可靠性。單路A/D轉(zhuǎn)換線性隔離放大電路如圖3所示。HCNR200為所采用的高性能線性光耦芯片。

圖3 單路A/D轉(zhuǎn)換線性隔離放大電路

2.3 H橋驅(qū)動電路設(shè)計

圖4為本文所設(shè)計的H橋驅(qū)動電路的原理圖。從C8051F041的PWM口輸出的PWM信號以及電機轉(zhuǎn)動的方向信號(D1、D2)經(jīng)過光電隔離以后，通過邏輯門電路7408、7406，進入全橋驅(qū)動芯片IR2110，再經(jīng)H橋，控制電機的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)動位置。邏輯門電路部分主要用于產(chǎn)生IR2110的輸入信號，并進行自鎖保護，從而保證了H橋不會發(fā)生直通現(xiàn)象。IR2110是美國IR公司推出的一種雙通道的高速單片式集成驅(qū)動器，用以驅(qū)動MOS管的柵極，達到控制H橋的某一側(cè)橋臂兩個MOS管的同時導(dǎo)通或關(guān)斷。H橋則由四個MOS管(2SK1277)組成，2SK1277自帶快速恢復(fù)二極管，具有很好的自保作用。

圖4 H橋驅(qū)動電路原理圖

3 軟件調(diào)試及應(yīng)用

整個電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)程序的開發(fā)基于Cygnal的集成開發(fā)環(huán)境IDE，主要由C語言編寫。IDE通過單片機上的JTAG仿真口對程序進行調(diào)試［7］。

系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計，可以分為系統(tǒng)初始化模塊、AD采樣模塊、PID算法模塊、PWM輸出模塊，其主程序流程圖如圖5所示。由定時器定時產(chǎn)生的中斷保證系統(tǒng)程序的循環(huán)運行。在采樣模塊中，我們對反饋信號(Fp、Fn)進行了采樣，并在PID模塊中通過判斷兩路反饋信號的和(Fp+Fn)是否正常，決定是否進行PID計算并輸出新的PWM信號，設(shè)置兩路互補的反饋信號其實是一種硬件冗余措施，這對提高系統(tǒng)的安全性能是很有必要的。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

調(diào)試時，我們用一個可調(diào)的線性電位器來模擬駕駛員的需求，即油門踏板的下踏量，節(jié)氣門的開度則通過在集成開發(fā)環(huán)境IDE中觀測其開度輸出值以及現(xiàn)場觀測節(jié)氣門閥的開度來驗證。同時我們還進行了仿真，其結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，節(jié)氣門開度的實際值滯后節(jié)氣門開度給定值的時間不超過1.55 ms，其實際值與給定值曲線基本吻合。這表明，電子節(jié)氣門采用該PID算法能快速、有效地使節(jié)氣門開度跟蹤給定值，具有較好的實用性。

圖6 調(diào)試仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文采用Cygnal單片機，設(shè)計了一種工程機械發(fā)動機的電子節(jié)氣門控制器，并對整個控制系統(tǒng)進行了調(diào)試仿真，結(jié)果表明所設(shè)計的電子節(jié)氣門控制器能滿足實際應(yīng)用的要求，如果能得到發(fā)動機ECU的其它一些汽車工況信號，則該電子節(jié)氣門的控制將更加精確，能更好地實現(xiàn)降低油耗，減少排放以及提高駕駛舒適性的目標(biāo)。如果將信號稍稍改動一下，該系統(tǒng)還可用來控制其它的直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。