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DSP电子节气门PID控制解析
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2017-11-04
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一、引言
随着现代电子技术的飞速发展，特别是微机技术在汽车上的广泛应用，使得汽车的内涵和功能不断拓展和延伸，汽车电子化正逐渐成为现代汽车的基本特征。节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性及经济性，并减少排放污染，世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气门及其相应的电子控制系统，组成电子节气门控制系统（ETCS）。采用电子节气门控制系统，使节气门开度得到精确控制，不但可以提高燃油经济性，减少排放，同时，系统响应迅速，可获得满意的操控性能；另一方面，可实现怠速控制、巡航控制和车辆稳定控制等的集成，简化了控制系统结构。现在，电子节气门控制系统已成为发动机完全电控管理系统的一个重要模块。由于ETCS的优越性，目前，世界上越来越多的大型汽车制造公司开始采用ETCS，传统机械式节气门面临着被电子节气门所取代的趋势。
在电子节气门这种柔性连接方式中，油门踏板与节气门之间不再有机械连接。节气门的实际开度由车载电控系统根据当时的汽车行驶状况并考虑发动机特性确定，从而保证发动机运行于最佳工况。本设计进行了电子节气门控制系统的电控单元开发、传感器信号处理电路及执行器功率驱动电路的硬件电路设计，并进行了PID控制试验。
二、系统组成
电子节气门控制系统如图1所示，包括：节气门体、加速踏板位置传感器、DSP（DIGITAL Signal Processor）开发板、信号处理电路、功率驱动电路及微机监控系统几个部分。节气门体包括：直流电机、节气门开度传感器及机械装置，它们被封装为一体。通过ECU驱动直流电机，完成节气门开度调整；节气门开度信号通过节气门体内部的一对高精度节气门开度传感器获取当前开度下相应的电压反馈值，该反馈值与节气门打开角度成线性变化。利用这两路反馈信号，构建闭环控制系统。加速踏板带动一个位置传感器，将加速踏板位置信号转变为电压信号传到ECU，其作用相当于一个反映驾驶员操纵意图的传感器，提供节气门开度的参考信号。
当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置信号经过模拟信号采样处理电路，由DSP进行采集、处理及判断驾驶员的驾车意图；同时参考发动机的转速传感器、进气压力传感器及其它与车辆行驶工况相关的传感器信号进行综合分析计算，确定一个期望的节气门开度值；并将期望值与当前反馈回来的节气门开度值进行比较，确定控制信号，发出脉宽调制信号，经过功率放大电路驱动执行器，实时调整占空比，实现各项控制功能。最后驱动电机使节气门移动到一个与期望的节气门开度值相对应的位置。
随着现代电子技术的飞速发展，特别是微机技术在汽车上的广泛应用，使得汽车的内涵和功能不断拓展和延伸，汽车电子化正逐渐成为现代汽车的基本特征。节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性及经济性，并减少排放污染，世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气门及其相应的电子控制系统，组成电子节气门控制系统（ETCS）。采用电子节气门控制系统，使节气门开度得到精确控制，不但可以提高燃油经济性，减少排放，同时，系统响应迅速，可获得满意的操控性能；另一方面，可实现怠速控制、巡航控制和车辆稳定控制等的集成，简化了控制系统结构。现在，电子节气门控制系统已成为发动机完全电控管理系统的一个重要模块。由于ETCS的优越性，目前，世界上越来越多的大型汽车制造公司开始采用ETCS，传统机械式节气门面临着被电子节气门所取代的趋势。
在电子节气门这种柔性连接方式中，油门踏板与节气门之间不再有机械连接。节气门的实际开度由车载电控系统根据当时的汽车行驶状况并考虑发动机特性确定，从而保证发动机运行于最佳工况。本设计进行了电子节气门控制系统的电控单元开发、传感器信号处理电路及执行器功率驱动电路的硬件电路设计，并进行了PID控制试验。
二、系统组成
电子节气门控制系统如图1所示，包括：节气门体、加速踏板位置传感器、DSP（DIGITAL Signal Processor）开发板、信号处理电路、功率驱动电路及微机监控系统几个部分。节气门体包括：直流电机、节气门开度传感器及机械装置，它们被封装为一体。通过ECU驱动直流电机，完成节气门开度调整；节气门开度信号通过节气门体内部的一对高精度节气门开度传感器获取当前开度下相应的电压反馈值，该反馈值与节气门打开角度成线性变化。利用这两路反馈信号，构建闭环控制系统。加速踏板带动一个位置传感器，将加速踏板位置信号转变为电压信号传到ECU，其作用相当于一个反映驾驶员操纵意图的传感器，提供节气门开度的参考信号。
当驾驶员踩下加速踏板时，加速踏板位置信号经过模拟信号采样处理电路，由DSP进行采集、处理及判断驾驶员的驾车意图；同时参考发动机的转速传感器、进气压力传感器及其它与车辆行驶工况相关的传感器信号进行综合分析计算，确定一个期望的节气门开度值；并将期望值与当前反馈回来的节气门开度值进行比较，确定控制信号，发出脉宽调制信号，经过功率放大电路驱动执行器，实时调整占空比，实现各项控制功能。最后驱动电机使节气门移动到一个与期望的节气门开度值相对应的位置。
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