电子节气门驱动系统设计与实现

摘 要：为推广电子节气门控制技术在农用拖拉机上的应用，本文设计了一种基于C8051F020的电子节气门嵌入式控制系统。文章首先介绍了电子节气门控制系统的组成；在此基础上，设计了节气门驱动控制单元的软硬件系统；最后进行了实验测试。结果表明，所开发的电子节气门控制系统能较好地满足各种应用需求。

关键词：电子节气门 控制系统 C8051F020 农用拖拉机

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

传统的节气门采用机械控制方式，加速踏板与节气门之间采用拉索或拉杆连接，驾驶员通过加速踏板控制节气门的开度。这种方式能够较好地实现按驾驶员的驾驶意图控制发动机的工作状态，但是发动机的运行状态与拖拉机的实际情况之间很难得到最佳匹配。

电子节气门控制系统通过微处理器、传感器以及各类驱动装置实现节气门与加速踏板之间的无机械连接，这种连接方式兼顾驾驶员的加速意图、发动机的运行状态、拖拉机的工作情况，对节气门的开度进行智能控制，保证发动机工作在最佳的状态，能提高拖拉机的安全性、动力性和舒适性。

尽管电子节气门有诸多优点，但目前还只是用在家用轿车上，在农用拖拉机上的应用还比较少见。随着农业现代化的不断推进，对农用拖拉机的驾驶舒适度、性能的要求会越来越高，将先进的电子节气门控制技术引入拖拉机产品成为必然。本文设计了一种基于C8051F020的电子节气门控制系统。

1 电子节气门控制系统组成

1.1 电子节气门体

电子节气门主要包括驱动电机、阀片、节气门位置传感器复位弹簧以及齿轮机构等。通常用于电子节气门的是永磁有刷直流电机，电机转轴与节气门转轴之间的传动比为2∶1。图1和图2显示了电子节气门的实物图和机构示意图。

由图可知，在电子节气门中，节气门和驾驶踏板之间不再使用机械部件进行连接，驾驶踏板只是用来检测驾驶员的驾驶意图，节气门的控制过程则完全由控制系统实现。控制系统首先根据加速踏板的信号对驾驶员的驾驶意图进行分析，从而得出合适的控制策略，对节气门的开度进行调整。

1.2 电子节气门控制系统

由上述分析可知，电子节气门控制系统的作用就是根据驾驶踏板的角度对节气门的开度进行控制，属于一类单输入单输出的控制系统，其结构如图3所示。

当驾驶员操作加速踏板时，加速踏板位置传感器输出节气门开度信号，以此信号作为控制系统的参考信号。控制系统将此参考信号通过CAN总线送给整车控制单元，由整车控制单元综合分析驾驶员的驾驶意图、发动机运行情况、汽车的运行情况，采用一定的控制策略，计算出合理的节气门开度，再通过CAN总线返回给电子节气门控制系统。最后又控制单元将期望值与当前实际的开度反馈值进行对比分析，根据预定的控制策略对电机的转动角度进行调整，实现节气门开度的跟随。

1.3 驱动控制单元组成及工作原理

在电子节气门中，节气门的期望开度除了与加速踏板的位置有关，还与车辆行驶工况等有关，因此期望开度的计算一般由整车控制单元综合考虑各种信息后通过一定的控制策略给出，并通过CAN总线送给电子节气门控制系统。本文主要研究驱动控制单元的电路设计以及控制策略的实现。

图4所示是驱动控制单元的结构框图。直流电机的电流方向发生变化，便可对节气门开度增加、减小进行切换；直流电机通电时间不同，电机转动的转角也会有变化，通过这种方法便可控制节气门开度的大小。节气门位置传感器的输出电压随节气门的位置变化而改变，可以用作驱动控制单元的反馈信号。

2 硬件系统设计

2.1 节气门位置测量电路设计

图5分别显示了电子节气门的电路原理图以及引脚位置图，共有6个引脚，其中4个是节气门位置传感器的信号线和电源线，2个是电机的电源线。

设计的电路如图6所示。由于系统所用电源为+5V，C8051F020自带AD的输入电压范围为0～2.5V，因此先设计一电压跟随电路，实现阻抗转换，再利用0.1%高精度电阻实现分压，将0～5V信号电压衰减为0～2.5V。

2.2 电机驱动电路设计

在拖拉机行驶过程中，不可避免的需要增加、减小节气门的开度，因此电子节气门中的直流电机需要有正转和反转两种工作状态。为了实现这一功能，需要采用H桥电路实现PWM驱动，图7显示了H桥的工作原理。

图7中，Q1和Q4构成一对开关，Q2和Q3构成一对开关。同一对开关必须同时导通、同时切断，不同对的开关不能同时导通。当Q1和Q4导通时，电流沿着图7中的A方向流过电机，电机正转，当Q2和Q3导通时，电流沿着图7中B方向流过电机，电机反转。

本研究采用MC33886专用芯片设计H桥驱动电路，具体电路如图8所示。OUT1引脚上的输出电压有IN1引脚上输入端PWM信号决定，由于IN2接地，输出引脚OUT2上的电压始终为0。OUT1和OUT2之间的压差受IN1控制，控制器只需要改变IN1引脚上PWM信号的占空比就可以调整电机转速。

3 节气门驱动控制单元软件设计

3.1 系统主程序流程图

实时控制软件由3部分组成：节气门电机驱动子程序、节气门位置信号采集子程序以及PID控制子程序。程序流程图如图9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法实现电子节气门的控制，设为抽样序号，为抽样周期，离散化PID算法的控制输出为：

（1）

式（1）中，为时刻的控制器输出，是时刻设定值与反馈值之间的误差，、、分别为控制器的比例、积分、微分系数。PID控制中，、、三个系数非常重要，较大的可以增加系统的相应速度，减少系统静态误差，但是如果取值过大，系统容易出现较大超调，甚至出现震荡等现象。越大，系统的超调量越小，系统更加稳定，但是消除系统静态误差的速度会降低。增加会加快系统响应速度，但抗干扰能力会受到影响。

4 实验测试

进行了两组波形信号跟随实验和两组阶跃信号跟随实验，以验证设计的拖拉机电子节气门控制系统的性能。

图10和图11先是了阶跃信号跟随实验的实验结果。电子节气门的开度从5%增加到95%，需要8个控制周期，系统的稳定时间需要160 ms。当目标开度设定在95%，设计的电子节气门实际开度在94.5%～95.5%之间波动，稳态误差大约为1%。电子节气门的开度从95%降低到5%时，需要10个控制周期，系统的稳定时间需要200 ms，从图11中可以看出，稳态误差也较小（

图12和图13分别显示了正弦波和三角波的跟踪实验结果。从图中可以看出，设计的电子节气门实际输出与设定的期望曲线之间有较好的重合度，误差较小，说明实际的节气门开度输出能较好第跟随设定的开度曲线。

5 结论

针对农用拖拉机的具体应用，采用单片机设计了一种电子节气门的控制系统，给出了详细的软硬件设计方案，并进行了4组实验。实验结果表明，设计的电子节气门控制系统具有较快的相应速度、较低的系统误差，能满足农用拖拉机的实际需求。

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