基于单片机控制的电子节气门的研究与实践

摘要：阐明一种基于单片机控制的电子节气门控制系统。它以ATmega 16单片机为控制核心，德国博世公司电子节气门为研究对象，通过传感器测量加速踏板位置信号，然后经过单片机控制算法的处理，驱动直流伺服电动机，从而带动节气门盘片旋转到指定开度，以实现闭环控制。同时，系统的上位机通过USB转RS 232接口，实现与单片机的通信，便于系统的调试与运行。
关键词：电动机；单片机；电子节气门；闭环控制

0 引言
    电子节气门(ETC)是汽车发动机控制系统中的一个重要的子系统。本文以ATmega 16单片机为控制核心，德国博世Bosch公司电子节气门为研究对象，通过传感器测量加速踏板位置信号，然后经过单片机控制算法的处理，驱动节气门体上的直流伺服电动机，从而带动节气门盘片旋转到指定开度，以实现闭环控制。同时，上位机通过USB转RS 232接口，实现与单片机的通信，便于系统的调试与运行。

1 硬件系统设计
    本系统硬件设计框图如图1所示，它包括单片机及其外围电路、节气门集成体、直流电机驱动电路、脚踏板位置信号检测电路等。此外，单片机通过USB转。RS232接口，与上位机进行数据交换，实现人机对话。下面分别阐明如下：

1．1 ATmega 16控制核心
    本系统采用单片机为控制核心，型号为ATmega 16(16 MHz晶振)。它采用先进的RISC结构，具有高速度、低功耗、抗干扰能力强等特点。由于其自带三通道PWM输出和8路10位ADC转换，因而十分便于本系统的控制。
1．2 电机驱动电路
    本系统驱动电路采用美国国家半导体公司推出的专用于运动控制的H桥组件LMD18200。该组件上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件、连续输出电流达3 A、并且还具有温度报警、过热与短路保护等功能，因而使整个控制系统得到了简化。电机驱动与单片机接口电路如图2所示。

1．3 电子节气门集成体
    本系统节气门为德国博世公司出产，型号为06813306，其结构外型如图3所示。主要包括：

    (1)加速踏板位置传感器
    此传感器安装在加速踏板上，将踏板移动量转换成带有不同输出特性的两类电信号(下踏量大小和变化速率)，传送给单片机。
    (2)节气门位置传感器
    节气门位置传感器(两个电位计)的滑片与节气门同轴，当节气门转动时，电位计滑片同步转动，从而将相互监测的节气门开度信号转换为电子信号输出给单片机。
    (3)直流伺服电机
    通过对电机进行PWM控制，再经过两级齿轮的减速，即可调节节气门开度，本节气门的齿轮减速比为：

    该系统输入量是踏板输入量θR(t)，输出量是节气门开度θ(t)。模糊参数调节器的输入量是油门踏板的踏入量θR(t)和θ(t)节气门开度之差E以及其变化率Ec。输出量是PID调节器的3个控制参数为KP，KI，KD。系统根据传统PID控制器得到专家经验形成的模糊控制规则进行推理判决，从而对PID调节器3个控制参数实现在线自调整，以形成不同的PWM输出信号，从而完成对气门直流电机的控制。

3 控制系统软件设计
3．1上位机软件设计
    为了便于系统运行和检查调节效果，采用上位机软件进行辅助控制。之所以选择Matlab 7．0做GUI控制，主要是因为Matlab强大的技术支持平台，其信号处理功能和图形效果的优越性是VC#或VB 6．O等目前常用的上位机软件无法替代的。本系统GUI主要功能包括：模式选择、系统运行、过流和握手应答显示等，上位机软件界面如图5所示。

    介绍如下：
    系统上位机和下位机采用串行异步方式，通信协议如下：波特率9 600 b／s，起始位1位，停止位1位，无校验位。串口数据的读取，采用查询方式，读取串口数据，柔用连续接收数据(continuous)的缺省方式，因而下位机返回的数据自动地存入输入缓冲区中。
    软件串口初始化设置如下：

    用户可根据需要，选择串口。设计上，采用弹出框形式，其回调函数为：
   
    参数设置好后，用户通过“参数传递”按钮，向下位机传递运行模式等相关运行参数。得到响应后，用户再通过运行按钮启动系统。在设计中，为了实现交互式的输入，在调用set和get等回调函数时，还应特别注意数据类型的转换，否则，就无法实现交互式的操作。
3．2 下位机软件设计
    单片机软件系统采用CodeVersionAVR环境编程，程序由前、后台程序构成。前台程序包括系统初始化程序和循环检测程序。后台程序则包括软件定时器中断程序、串口中断接收子程序与串口中断发送程序，过流保护外中断程序。
    初始化程序主要包括单片机I／O口初始化、两路A／D转换的初始化(脚踏板传感器A／D转换初始化和节气门开度传感器A／D转换A／D初始化)、串口通信初始化以及单片机PWM端口的初始化等。系统初始化完成后，就等待中断，以完成中断子程序的处理。
    对于软件定时器，采用的是8位T／CO的CTC模式，定时时间设置为20 ms。单片机需完成脚踏板和节气门位置信号的读取及A／D转换、模糊控制算法的实现，以及单片机PWM信号的输出等功能。软件定时中断程序的流程图如图6所示。

    驱动电路的PWM的输出，使用的是单片机引脚PD3的第二功能OCl，采用的是相位修正PWM模式。程序设计时，通过改变输入捕捉寄存器ICRl中的值来改变PWM的频率，改变OCRlA输出比较寄存器的值，以改变PWM的占空比。我们发现，电机的脉宽调制频率对电机有很大影响。频率过低则电机颤振幅度偏大，不符合电子节气门的高精度控制要求；频率过高则电机会产生刺耳的蜂鸣声。通过不断调试，发现，电机的脉宽调制频率为1 200 Hz左右效果最好。
    ETC系统试验台实物图如图7所示。

4 结语
    电子节气门系统是一个复杂的非线性系统，非线性因素的存在将影响系统的控制精度和响应特性。本系统采用模糊参数自整定控制策略，实现了对电子节气门的精确控制。节气门控制过程中无抖动，中间位置时无振荡，而且打开和关闭节气门过程中，节气门运动得十分平滑，从而达到了预期的目的。