1.引言

傳統(tǒng)的節(jié)氣門與加速踏板之間通過拉桿連接，節(jié)氣門的開度完全由駕駛員通過加速踏板來控制。這種機械控制方式只能使發(fā)動機完全按駕駛員的操作意圖工作，不能確保發(fā)動機的工作狀態(tài)與汽車的運行情況形成最佳的匹配。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)可以根據加速踏板位移，路面情況以及車況等信息發(fā)出指令使節(jié)氣門開度得到最佳控制，使發(fā)動機空燃比達到最佳從而提高車輛動力性和經濟性，而且對減少廢氣排放、保護環(huán)境也有著重要意義。

2.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構成及工作原理

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)主要由MCU、油門踏板位置傳感器、電子節(jié)氣門體、驅動電路以及電源五部分構成。它的工作原理是：駕駛員操縱油門踏板，油門踏板位置傳感器產生相應的電壓信號，即節(jié)氣門開度的參考信號，控制單元對輸入的模擬信號進行采樣處理，然后控制單元根據車輛行駛工況進行綜合分析計算得出一個期望的節(jié)氣門開度值，并輸出對應的控制信號給驅動電機，在驅動電機作用下，節(jié)氣門閥片達到期望位置。在整個控制過程中，節(jié)氣門位置傳感器將節(jié)氣門開度信號不停的反饋給控制單元，控制單元將得到的開度信號與目標值不停比較并修正，直到實際的節(jié)氣門開度值達到與期望的節(jié)氣門開度值相對應的位置。

3.控制電路硬件設計

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，節(jié)氣門由直流電機驅動達到目標開度，因此對直流電機的控制直接影響節(jié)氣門開度的精度，通常直流電機都是由PWM信號控制，另外，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，油門踏板給出目標開度，節(jié)氣門位置傳感器反饋出實際開度，它們給出的信號都是模擬電壓信號，因此控制器必須能夠將模擬信號轉換為數字信號?；诳刂破饕邆溥@些功能，本文選用AVR單片機ATMEG16作為主控芯片，并且使用英飛凌公司的TLE6209R芯片作為電機驅動芯片，開發(fā)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)硬件電路?？刂齐娐凡糠职ǎ盒盘柌杉幚?，穩(wěn)壓，直流電機驅動，串行通信等。油門踏板傳感器和節(jié)氣門位置傳感器分別給出油門踏板位置和節(jié)氣門開度信號，通過單片機中的模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，對兩信號比較，給出控制電機轉向的信號并調用控制算法計算輸出合適占空比的PWM信號，再通過直流電機驅動電路驅動電機使節(jié)氣門達到目標開度。本實驗中用手柄電位器模擬代替踏板位置傳感器；PA1即ADC1接節(jié)氣門位置傳感器反饋的信號TPS1;PD5用于輸出占空比可調的PWM,與驅動芯片TLE6209R的PWM端口相連；PB0與驅動芯片TLE6209R的DIR端口相連，用于發(fā)出方向控制信號，控制節(jié)氣門閥片的正反轉。圖1為單片機最小電路圖，圖2為驅動電機電路連接圖。

本次實驗建立了上位機界面來顯示結果，上位機采用的是MCGS組態(tài)軟件，選用莫迪康-RTU為設備構件，它是遵從Modbus協(xié)議的，所以單片機的通信程序必須也符合Modbus協(xié)議才能和上位機通信，串口通信連接電路圖如圖3所示。

4.軟件設計

由于電子節(jié)氣門具有非線性，時變性等特點，本文采用非線性PID控制策略，根據系統(tǒng)階躍響應曲線自動調節(jié)非線性PID參數。

比例參數：

由于非線性PID控制器參數可以隨著誤差變化而變化，只要取合適的參數，就能夠使控制系統(tǒng)達到響應快，超調小的目的。軟件框圖如圖4所示。

5.實驗結果及分析

圖5為0.8s方波快速跟隨實驗，通過曲線可以看出在跟隨的過程中會有滯后的現象產生，無超調現象，在電子節(jié)氣門的實際應用中基本能夠滿足控制要求。

圖6為方波慢速跟隨曲線，可以看出當給定信號變化越慢，跟隨性能就越好，跟隨過程中無超調，無滯后現象。

6.結論

本文針對電子節(jié)氣門的非線性采用非線性PID控制的方法進行控制器的設計，同時采用ATMEG16為主控芯片，通過上位機顯示出控制結果，實驗結果表明這種設計能夠基本達到控制要求。