基于AVR單片機的電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)研制

周秀珍，楊家富，朱榮生，陳勇

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2. 華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237； 3. 南京康拜爾科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

節(jié)氣門是調(diào)節(jié)發(fā)動機進氣量的重要控制部件。在傳統(tǒng)的節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，加速踏板與節(jié)氣門之間通過機械傳動機構(gòu)相連接，駕駛員通過加速踏板的連接拉桿直接控制節(jié)氣門開度。這種控制方式只能使汽車發(fā)動機完全按照駕駛員的意圖工作，很難根據(jù)汽車不同工況的要求對節(jié)氣門開度做精確而及時的調(diào)整[1]。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和電子控制技術(shù)的進步，電子節(jié)氣門控制(electronic throttle control，ETC)系統(tǒng)應(yīng)運而生[2]。它能夠精確控制進入發(fā)動機的空氣量，使其空燃比達到最佳，不僅提高了汽車的經(jīng)濟性和動力性，而且有利于保護環(huán)境，減少廢氣排放[3]。因此ETC成為先進發(fā)動機管理系統(tǒng)中不可或缺的電子控制單元。

在汽車模塊化教學(xué)儀器中，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)占有重要地位?，F(xiàn)有對汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的了解一方面是通過教科書和視頻進行，另一方面是利用多媒體動畫展示[4]。無論哪種方式，學(xué)生都無法直觀地看到實際電子節(jié)氣門開度對加速踏板控制信號的具體響應(yīng)。本文設(shè)計了電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)氣門開度對踏板控制信號響應(yīng)的連續(xù)實時顯示，進而研制汽車發(fā)動機電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)的示教儀器。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)主要由加速踏板模塊、電子控制單元、驅(qū)動模塊、電子節(jié)氣門體總成以及電源5部分組成。工作原理為：駕駛員踩踏加速踏板使其角度發(fā)生改變，踏板位置傳感器將信號傳遞給控制單元，控制單元接收后，綜合駕駛員的駕駛要求和汽車其他獲得的工況信號(如發(fā)動機的負載、轉(zhuǎn)速等)，按照特定的算法得出最佳節(jié)氣門開度，通過驅(qū)動模塊使節(jié)氣門閥片達到期望位置。在整個控制過程中，節(jié)氣門位置傳感器不斷地將節(jié)氣門實際開度信號反饋給控制單元，用于對計算得出的節(jié)氣門開度進行修正，實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)組成及控制過程示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成及控制過程示意圖

2 控制要求

本文研制的電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)節(jié)氣門開度對踏板位置信號的連續(xù)實時響應(yīng)，并能直觀地看到節(jié)氣門開度與踏板位置之間的關(guān)系。具體控制要求如下：電子控制單元能夠?qū)μぐ逦恢眯盘栠M行解析，通過計算得出相應(yīng)的電子節(jié)氣門開度，并由驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機使節(jié)氣門閥片到達指定位置。在控制過程中，節(jié)氣門開度可以自動跟蹤踏板位置信號，當(dāng)踏板停在某一位置時節(jié)氣門能夠維持當(dāng)前開度。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)以ATmega128單片機為控制核心，由ATmega128主控電路、驅(qū)動電路以及傳感器信號輸入電路組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

ATmega128內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能將踏板位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，且其內(nèi)部可以輸出占空比可調(diào)的PWM信號用于驅(qū)動直流電機，使節(jié)氣門達到目標(biāo)開度，便于系統(tǒng)的控制[5]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖

驅(qū)動電路采用智能功率驅(qū)動芯片TLE6209R，它只需一路PWM信號和一個方向信號即可控制電機的轉(zhuǎn)動，具有很高的可靠性和保護功能[6]。

ATmega128的PF1(ADC1)、PF2(ADC2)引腳接節(jié)氣門位置傳感器的反饋信號；PF3(ADC3)、PF4(ADC4)引腳接踏板位置傳感器的輸入信號；PB6用于輸出占空比可調(diào)的PWM信號，與TLE6209R的PWM引腳相連；PA0與TLE6209R的INH引腳相連，用于控制驅(qū)動芯片正常工作；PE0、PE1、PB1、RESET引腳用于在ISP下載方式下對ATmega128單片機進行板上程序下載。主控芯片的CPU對A/D轉(zhuǎn)換后的兩組信號進行比較，確定電機轉(zhuǎn)向，并調(diào)用控制算法輸出占空比合適的PWM信號，通過驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機使節(jié)氣門達到期望開度。圖3為ATmega128主控電路圖，圖4為驅(qū)動電路連接圖。

圖3 主控電路

圖4 驅(qū)動電路

4 軟件設(shè)計

圖5 PID控制

ATmega128單片機軟件系統(tǒng)使用Atmel Studio6.1環(huán)境編程，采用模塊化程序設(shè)計，主要程序有系統(tǒng)初始化程序、中斷程序、控制算法程序，其中系統(tǒng)初始化程序包括定時計數(shù)器初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換初始化和端口初始化，中斷程序包括定時計數(shù)器0溢出中斷、定時計數(shù)器1溢出中斷和定時計數(shù)器1比較輸出中斷。主程序框圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

5 試驗及分析

5.1 試驗設(shè)計

本文研制的電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)如圖7所示。該系統(tǒng)使用開關(guān)電源供電，分別將加速踏板位置傳感器和電子節(jié)氣門位置傳感器接入ATmega128主控電路。為檢測節(jié)氣門開度對踏板位置信號的跟蹤情況，建立了上位機通訊模塊。上位機采用ARM32控制的觸摸屏作為顯示界面，用于顯示節(jié)氣門對踏板位置信號的跟蹤曲線。

1—開關(guān)電源；2—電子節(jié)氣門；3—加速踏板；4—控制器圖7 電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)

5.2 試驗結(jié)果及分析

系統(tǒng)采用的加速踏板位置傳感器和電子節(jié)氣門位置傳感器均為線性電位計式傳感器。踏板位置傳感器同時輸出2個幅值為2倍關(guān)系的模擬信號，節(jié)氣門位置傳感器同時輸出2個變化方向相反的信號給控制單元。這種傳感器的冗余設(shè)計能夠保證輸出信號的可靠性，提高行車的安全性。

圖8為節(jié)氣門跟蹤曲線圖。其中節(jié)1、節(jié)2表示電子節(jié)氣門位置傳感器的兩路輸出信號，加1、加2表示加速踏板位置傳感器的兩路輸入信號；圖中橫坐標(biāo)為時間(單位：S)，縱坐標(biāo)為傳感器輸出信號的電壓值(單位：V)。

圖8 節(jié)氣門跟蹤測試曲線

由圖8可以看出控制系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，即節(jié)氣門開度可以自動跟蹤加速踏板的位置信號，且踏板維持某一位置時節(jié)氣門開度可以保持不變，能夠?qū)崿F(xiàn)電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)的控制要求。

試驗表明，基于AVR單片機的電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)能夠完成電子節(jié)氣門開度對加速踏板位置信號的連續(xù)實時響應(yīng)，直觀地展示了踏板位置和節(jié)氣門開度之間的關(guān)系。

6 結(jié)語

采用軟硬件結(jié)合的方式，研制并實現(xiàn)了以ATmega128為控制核心的電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠直觀地顯示踏板位置和節(jié)氣門開度的關(guān)系，滿足控制要求。研制的電子節(jié)氣門實驗控制系統(tǒng)已經(jīng)被企業(yè)應(yīng)用為汽車發(fā)動機教學(xué)儀器產(chǎn)品的核心部件。

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[4] 劉娟. 論多媒體技術(shù)在汽車教學(xué)中的應(yīng)用實踐[J]. 科技展望,2015,25(8):201-203.

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