胡雄

摘 要：為推廣電子節(jié)氣門控制技術在農(nóng)用拖拉機上的應用，本文設計了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門嵌入式控制系統(tǒng)。文章首先介紹了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的組成；在此基礎上，設計了節(jié)氣門驅動控制單元的軟硬件系統(tǒng)；最后進行了實驗測試。結果表明，所開發(fā)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)能較好地滿足各種應用需求。

關鍵詞：電子節(jié)氣門 控制系統(tǒng) C8051F020 農(nóng)用拖拉機

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

傳統(tǒng)的節(jié)氣門采用機械控制方式，加速踏板與節(jié)氣門之間采用拉索或拉桿連接，駕駛員通過加速踏板控制節(jié)氣門的開度。這種方式能夠較好地實現(xiàn)按駕駛員的駕駛意圖控制發(fā)動機的工作狀態(tài)，但是發(fā)動機的運行狀態(tài)與拖拉機的實際情況之間很難得到最佳匹配。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)通過微處理器、傳感器以及各類驅動裝置實現(xiàn)節(jié)氣門與加速踏板之間的無機械連接，這種連接方式兼顧駕駛員的加速意圖、發(fā)動機的運行狀態(tài)、拖拉機的工作情況，對節(jié)氣門的開度進行智能控制，保證發(fā)動機工作在最佳的狀態(tài)，能提高拖拉機的安全性、動力性和舒適性。

盡管電子節(jié)氣門有諸多優(yōu)點，但目前還只是用在家用轎車上，在農(nóng)用拖拉機上的應用還比較少見。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，對農(nóng)用拖拉機的駕駛舒適度、性能的要求會越來越高，將先進的電子節(jié)氣門控制技術引入拖拉機產(chǎn)品成為必然。本文設計了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)組成

1.1 電子節(jié)氣門體

電子節(jié)氣門主要包括驅動電機、閥片、節(jié)氣門位置傳感器復位彈簧以及齒輪機構等。通常用于電子節(jié)氣門的是永磁有刷直流電機，電機轉軸與節(jié)氣門轉軸之間的傳動比為2∶1。圖1和圖2顯示了電子節(jié)氣門的實物圖和機構示意圖。

由圖可知，在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門和駕駛踏板之間不再使用機械部件進行連接，駕駛踏板只是用來檢測駕駛員的駕駛意圖，節(jié)氣門的控制過程則完全由控制系統(tǒng)實現(xiàn)。控制系統(tǒng)首先根據(jù)加速踏板的信號對駕駛員的駕駛意圖進行分析，從而得出合適的控制策略，對節(jié)氣門的開度進行調(diào)整。

1.2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

由上述分析可知，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的作用就是根據(jù)駕駛踏板的角度對節(jié)氣門的開度進行控制，屬于一類單輸入單輸出的控制系統(tǒng)，其結構如圖3所示。

當駕駛員操作加速踏板時，加速踏板位置傳感器輸出節(jié)氣門開度信號，以此信號作為控制系統(tǒng)的參考信號?？刂葡到y(tǒng)將此參考信號通過CAN總線送給整車控制單元，由整車控制單元綜合分析駕駛員的駕駛意圖、發(fā)動機運行情況、汽車的運行情況，采用一定的控制策略，計算出合理的節(jié)氣門開度，再通過CAN總線返回給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。最后又控制單元將期望值與當前實際的開度反饋值進行對比分析，根據(jù)預定的控制策略對電機的轉動角度進行調(diào)整，實現(xiàn)節(jié)氣門開度的跟隨。

1.3 驅動控制單元組成及工作原理

在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門的期望開度除了與加速踏板的位置有關，還與車輛行駛工況等有關，因此期望開度的計算一般由整車控制單元綜合考慮各種信息后通過一定的控制策略給出，并通過CAN總線送給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。本文主要研究驅動控制單元的電路設計以及控制策略的實現(xiàn)。

圖4所示是驅動控制單元的結構框圖。直流電機的電流方向發(fā)生變化，便可對節(jié)氣門開度增加、減小進行切換；直流電機通電時間不同，電機轉動的轉角也會有變化，通過這種方法便可控制節(jié)氣門開度的大小。節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓隨節(jié)氣門的位置變化而改變，可以用作驅動控制單元的反饋信號。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 節(jié)氣門位置測量電路設計

圖5分別顯示了電子節(jié)氣門的電路原理圖以及引腳位置圖，共有6個引腳，其中4個是節(jié)氣門位置傳感器的信號線和電源線，2個是電機的電源線。

設計的電路如圖6所示。由于系統(tǒng)所用電源為+5V，C8051F020自帶AD的輸入電壓范圍為0～2.5V，因此先設計一電壓跟隨電路，實現(xiàn)阻抗轉換，再利用0.1%高精度電阻實現(xiàn)分壓，將0～5V信號電壓衰減為0～2.5V。

2.2 電機驅動電路設計

在拖拉機行駛過程中，不可避免的需要增加、減小節(jié)氣門的開度，因此電子節(jié)氣門中的直流電機需要有正轉和反轉兩種工作狀態(tài)。為了實現(xiàn)這一功能，需要采用H橋電路實現(xiàn)PWM驅動，圖7顯示了H橋的工作原理。

圖7中，Q1和Q4構成一對開關，Q2和Q3構成一對開關。同一對開關必須同時導通、同時切斷，不同對的開關不能同時導通。當Q1和Q4導通時，電流沿著圖7中的A方向流過電機，電機正轉，當Q2和Q3導通時，電流沿著圖7中B方向流過電機，電機反轉。

本研究采用MC33886專用芯片設計H橋驅動電路，具體電路如圖8所示。OUT1引腳上的輸出電壓有IN1引腳上輸入端PWM信號決定，由于IN2接地，輸出引腳OUT2上的電壓始終為0。OUT1和OUT2之間的壓差受IN1控制，控制器只需要改變IN1引腳上PWM信號的占空比就可以調(diào)整電機轉速。

3 節(jié)氣門驅動控制單元軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

實時控制軟件由3部分組成：節(jié)氣門電機驅動子程序、節(jié)氣門位置信號采集子程序以及PID控制子程序。程序流程圖如圖9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法實現(xiàn)電子節(jié)氣門的控制，設為抽樣序號，為抽樣周期，離散化PID算法的控制輸出為：

（1）

式（1）中，為時刻的控制器輸出，是時刻設定值與反饋值之間的誤差，、、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。PID控制中，、、三個系數(shù)非常重要，較大的可以增加系統(tǒng)的相應速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是如果取值過大，系統(tǒng)容易出現(xiàn)較大超調(diào)，甚至出現(xiàn)震蕩等現(xiàn)象。越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的速度會降低。增加會加快系統(tǒng)響應速度，但抗干擾能力會受到影響。

4 實驗測試

進行了兩組波形信號跟隨實驗和兩組階躍信號跟隨實驗，以驗證設計的拖拉機電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的性能。

圖10和圖11先是了階躍信號跟隨實驗的實驗結果。電子節(jié)氣門的開度從5%增加到95%，需要8個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要160 ms。當目標開度設定在95%，設計的電子節(jié)氣門實際開度在94.5%～95.5%之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1%。電子節(jié)氣門的開度從95%降低到5%時，需要10個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要200 ms，從圖11中可以看出，穩(wěn)態(tài)誤差也較小（<1%）。

圖12和圖13分別顯示了正弦波和三角波的跟蹤實驗結果。從圖中可以看出，設計的電子節(jié)氣門實際輸出與設定的期望曲線之間有較好的重合度，誤差較小，說明實際的節(jié)氣門開度輸出能較好第跟隨設定的開度曲線。

5 結論

針對農(nóng)用拖拉機的具體應用，采用單片機設計了一種電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)，給出了詳細的軟硬件設計方案，并進行了4組實驗。實驗結果表明，設計的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有較快的相應速度、較低的系統(tǒng)誤差，能滿足農(nóng)用拖拉機的實際需求。

參考文獻

[1] 麻友良，尹華敏，劉國棟.電控發(fā)動機電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)[J].汽車電器，2006（9）：36-37，40.

[2] 馬樂，王紹銚，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構建[J]，內(nèi)燃機工程，2005，26（4）：20-23.

[3] 馮能蓮，董春波，賓洋，等.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[J].汽車技術，2004（1）：1-4.

[4] 錢程，王德福，陳琛.電子節(jié)氣門驅動電路設計及系統(tǒng)響應分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2011（2）：21-24.

[5] 楊振東.基于模糊PID電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].湖南大學碩士學位論文.

[6] 孫艷寰.摩托車上應用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].天津大學碩士學位論文.endprint

摘 要：為推廣電子節(jié)氣門控制技術在農(nóng)用拖拉機上的應用，本文設計了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門嵌入式控制系統(tǒng)。文章首先介紹了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的組成；在此基礎上，設計了節(jié)氣門驅動控制單元的軟硬件系統(tǒng)；最后進行了實驗測試。結果表明，所開發(fā)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)能較好地滿足各種應用需求。

關鍵詞：電子節(jié)氣門 控制系統(tǒng) C8051F020 農(nóng)用拖拉機

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

傳統(tǒng)的節(jié)氣門采用機械控制方式，加速踏板與節(jié)氣門之間采用拉索或拉桿連接，駕駛員通過加速踏板控制節(jié)氣門的開度。這種方式能夠較好地實現(xiàn)按駕駛員的駕駛意圖控制發(fā)動機的工作狀態(tài)，但是發(fā)動機的運行狀態(tài)與拖拉機的實際情況之間很難得到最佳匹配。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)通過微處理器、傳感器以及各類驅動裝置實現(xiàn)節(jié)氣門與加速踏板之間的無機械連接，這種連接方式兼顧駕駛員的加速意圖、發(fā)動機的運行狀態(tài)、拖拉機的工作情況，對節(jié)氣門的開度進行智能控制，保證發(fā)動機工作在最佳的狀態(tài)，能提高拖拉機的安全性、動力性和舒適性。

盡管電子節(jié)氣門有諸多優(yōu)點，但目前還只是用在家用轎車上，在農(nóng)用拖拉機上的應用還比較少見。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，對農(nóng)用拖拉機的駕駛舒適度、性能的要求會越來越高，將先進的電子節(jié)氣門控制技術引入拖拉機產(chǎn)品成為必然。本文設計了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)組成

1.1 電子節(jié)氣門體

電子節(jié)氣門主要包括驅動電機、閥片、節(jié)氣門位置傳感器復位彈簧以及齒輪機構等。通常用于電子節(jié)氣門的是永磁有刷直流電機，電機轉軸與節(jié)氣門轉軸之間的傳動比為2∶1。圖1和圖2顯示了電子節(jié)氣門的實物圖和機構示意圖。

由圖可知，在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門和駕駛踏板之間不再使用機械部件進行連接，駕駛踏板只是用來檢測駕駛員的駕駛意圖，節(jié)氣門的控制過程則完全由控制系統(tǒng)實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)首先根據(jù)加速踏板的信號對駕駛員的駕駛意圖進行分析，從而得出合適的控制策略，對節(jié)氣門的開度進行調(diào)整。

1.2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

由上述分析可知，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的作用就是根據(jù)駕駛踏板的角度對節(jié)氣門的開度進行控制，屬于一類單輸入單輸出的控制系統(tǒng)，其結構如圖3所示。

當駕駛員操作加速踏板時，加速踏板位置傳感器輸出節(jié)氣門開度信號，以此信號作為控制系統(tǒng)的參考信號?？刂葡到y(tǒng)將此參考信號通過CAN總線送給整車控制單元，由整車控制單元綜合分析駕駛員的駕駛意圖、發(fā)動機運行情況、汽車的運行情況，采用一定的控制策略，計算出合理的節(jié)氣門開度，再通過CAN總線返回給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。最后又控制單元將期望值與當前實際的開度反饋值進行對比分析，根據(jù)預定的控制策略對電機的轉動角度進行調(diào)整，實現(xiàn)節(jié)氣門開度的跟隨。

1.3 驅動控制單元組成及工作原理

在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門的期望開度除了與加速踏板的位置有關，還與車輛行駛工況等有關，因此期望開度的計算一般由整車控制單元綜合考慮各種信息后通過一定的控制策略給出，并通過CAN總線送給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。本文主要研究驅動控制單元的電路設計以及控制策略的實現(xiàn)。

圖4所示是驅動控制單元的結構框圖。直流電機的電流方向發(fā)生變化，便可對節(jié)氣門開度增加、減小進行切換；直流電機通電時間不同，電機轉動的轉角也會有變化，通過這種方法便可控制節(jié)氣門開度的大小。節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓隨節(jié)氣門的位置變化而改變，可以用作驅動控制單元的反饋信號。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 節(jié)氣門位置測量電路設計

圖5分別顯示了電子節(jié)氣門的電路原理圖以及引腳位置圖，共有6個引腳，其中4個是節(jié)氣門位置傳感器的信號線和電源線，2個是電機的電源線。

設計的電路如圖6所示。由于系統(tǒng)所用電源為+5V，C8051F020自帶AD的輸入電壓范圍為0～2.5V，因此先設計一電壓跟隨電路，實現(xiàn)阻抗轉換，再利用0.1%高精度電阻實現(xiàn)分壓，將0～5V信號電壓衰減為0～2.5V。

2.2 電機驅動電路設計

在拖拉機行駛過程中，不可避免的需要增加、減小節(jié)氣門的開度，因此電子節(jié)氣門中的直流電機需要有正轉和反轉兩種工作狀態(tài)。為了實現(xiàn)這一功能，需要采用H橋電路實現(xiàn)PWM驅動，圖7顯示了H橋的工作原理。

圖7中，Q1和Q4構成一對開關，Q2和Q3構成一對開關。同一對開關必須同時導通、同時切斷，不同對的開關不能同時導通。當Q1和Q4導通時，電流沿著圖7中的A方向流過電機，電機正轉，當Q2和Q3導通時，電流沿著圖7中B方向流過電機，電機反轉。

本研究采用MC33886專用芯片設計H橋驅動電路，具體電路如圖8所示。OUT1引腳上的輸出電壓有IN1引腳上輸入端PWM信號決定，由于IN2接地，輸出引腳OUT2上的電壓始終為0。OUT1和OUT2之間的壓差受IN1控制，控制器只需要改變IN1引腳上PWM信號的占空比就可以調(diào)整電機轉速。

3 節(jié)氣門驅動控制單元軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

實時控制軟件由3部分組成：節(jié)氣門電機驅動子程序、節(jié)氣門位置信號采集子程序以及PID控制子程序。程序流程圖如圖9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法實現(xiàn)電子節(jié)氣門的控制，設為抽樣序號，為抽樣周期，離散化PID算法的控制輸出為：

（1）

式（1）中，為時刻的控制器輸出，是時刻設定值與反饋值之間的誤差，、、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。PID控制中，、、三個系數(shù)非常重要，較大的可以增加系統(tǒng)的相應速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是如果取值過大，系統(tǒng)容易出現(xiàn)較大超調(diào)，甚至出現(xiàn)震蕩等現(xiàn)象。越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的速度會降低。增加會加快系統(tǒng)響應速度，但抗干擾能力會受到影響。

4 實驗測試

進行了兩組波形信號跟隨實驗和兩組階躍信號跟隨實驗，以驗證設計的拖拉機電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的性能。

圖10和圖11先是了階躍信號跟隨實驗的實驗結果。電子節(jié)氣門的開度從5%增加到95%，需要8個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要160 ms。當目標開度設定在95%，設計的電子節(jié)氣門實際開度在94.5%～95.5%之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1%。電子節(jié)氣門的開度從95%降低到5%時，需要10個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要200 ms，從圖11中可以看出，穩(wěn)態(tài)誤差也較?。?1%）。

圖12和圖13分別顯示了正弦波和三角波的跟蹤實驗結果。從圖中可以看出，設計的電子節(jié)氣門實際輸出與設定的期望曲線之間有較好的重合度，誤差較小，說明實際的節(jié)氣門開度輸出能較好第跟隨設定的開度曲線。

5 結論

針對農(nóng)用拖拉機的具體應用，采用單片機設計了一種電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)，給出了詳細的軟硬件設計方案，并進行了4組實驗。實驗結果表明，設計的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有較快的相應速度、較低的系統(tǒng)誤差，能滿足農(nóng)用拖拉機的實際需求。

參考文獻

[1] 麻友良，尹華敏，劉國棟.電控發(fā)動機電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)[J].汽車電器，2006（9）：36-37，40.

[2] 馬樂，王紹銚，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的構建[J]，內(nèi)燃機工程，2005，26（4）：20-23.

[3] 馮能蓮，董春波，賓洋，等.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[J].汽車技術，2004（1）：1-4.

[4] 錢程，王德福，陳琛.電子節(jié)氣門驅動電路設計及系統(tǒng)響應分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2011（2）：21-24.

[5] 楊振東.基于模糊PID電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].湖南大學碩士學位論文.

[6] 孫艷寰.摩托車上應用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].天津大學碩士學位論文.endprint

摘 要：為推廣電子節(jié)氣門控制技術在農(nóng)用拖拉機上的應用，本文設計了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門嵌入式控制系統(tǒng)。文章首先介紹了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的組成；在此基礎上，設計了節(jié)氣門驅動控制單元的軟硬件系統(tǒng)；最后進行了實驗測試。結果表明，所開發(fā)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)能較好地滿足各種應用需求。

關鍵詞：電子節(jié)氣門 控制系統(tǒng) C8051F020 農(nóng)用拖拉機

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

傳統(tǒng)的節(jié)氣門采用機械控制方式，加速踏板與節(jié)氣門之間采用拉索或拉桿連接，駕駛員通過加速踏板控制節(jié)氣門的開度。這種方式能夠較好地實現(xiàn)按駕駛員的駕駛意圖控制發(fā)動機的工作狀態(tài)，但是發(fā)動機的運行狀態(tài)與拖拉機的實際情況之間很難得到最佳匹配。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)通過微處理器、傳感器以及各類驅動裝置實現(xiàn)節(jié)氣門與加速踏板之間的無機械連接，這種連接方式兼顧駕駛員的加速意圖、發(fā)動機的運行狀態(tài)、拖拉機的工作情況，對節(jié)氣門的開度進行智能控制，保證發(fā)動機工作在最佳的狀態(tài)，能提高拖拉機的安全性、動力性和舒適性。

盡管電子節(jié)氣門有諸多優(yōu)點，但目前還只是用在家用轎車上，在農(nóng)用拖拉機上的應用還比較少見。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，對農(nóng)用拖拉機的駕駛舒適度、性能的要求會越來越高，將先進的電子節(jié)氣門控制技術引入拖拉機產(chǎn)品成為必然。本文設計了一種基于C8051F020的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)組成

1.1 電子節(jié)氣門體

電子節(jié)氣門主要包括驅動電機、閥片、節(jié)氣門位置傳感器復位彈簧以及齒輪機構等。通常用于電子節(jié)氣門的是永磁有刷直流電機，電機轉軸與節(jié)氣門轉軸之間的傳動比為2∶1。圖1和圖2顯示了電子節(jié)氣門的實物圖和機構示意圖。

由圖可知，在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門和駕駛踏板之間不再使用機械部件進行連接，駕駛踏板只是用來檢測駕駛員的駕駛意圖，節(jié)氣門的控制過程則完全由控制系統(tǒng)實現(xiàn)。控制系統(tǒng)首先根據(jù)加速踏板的信號對駕駛員的駕駛意圖進行分析，從而得出合適的控制策略，對節(jié)氣門的開度進行調(diào)整。

1.2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

由上述分析可知，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的作用就是根據(jù)駕駛踏板的角度對節(jié)氣門的開度進行控制，屬于一類單輸入單輸出的控制系統(tǒng)，其結構如圖3所示。

當駕駛員操作加速踏板時，加速踏板位置傳感器輸出節(jié)氣門開度信號，以此信號作為控制系統(tǒng)的參考信號?？刂葡到y(tǒng)將此參考信號通過CAN總線送給整車控制單元，由整車控制單元綜合分析駕駛員的駕駛意圖、發(fā)動機運行情況、汽車的運行情況，采用一定的控制策略，計算出合理的節(jié)氣門開度，再通過CAN總線返回給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。最后又控制單元將期望值與當前實際的開度反饋值進行對比分析，根據(jù)預定的控制策略對電機的轉動角度進行調(diào)整，實現(xiàn)節(jié)氣門開度的跟隨。

1.3 驅動控制單元組成及工作原理

在電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門的期望開度除了與加速踏板的位置有關，還與車輛行駛工況等有關，因此期望開度的計算一般由整車控制單元綜合考慮各種信息后通過一定的控制策略給出，并通過CAN總線送給電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。本文主要研究驅動控制單元的電路設計以及控制策略的實現(xiàn)。

圖4所示是驅動控制單元的結構框圖。直流電機的電流方向發(fā)生變化，便可對節(jié)氣門開度增加、減小進行切換；直流電機通電時間不同，電機轉動的轉角也會有變化，通過這種方法便可控制節(jié)氣門開度的大小。節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓隨節(jié)氣門的位置變化而改變，可以用作驅動控制單元的反饋信號。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 節(jié)氣門位置測量電路設計

圖5分別顯示了電子節(jié)氣門的電路原理圖以及引腳位置圖，共有6個引腳，其中4個是節(jié)氣門位置傳感器的信號線和電源線，2個是電機的電源線。

設計的電路如圖6所示。由于系統(tǒng)所用電源為+5V，C8051F020自帶AD的輸入電壓范圍為0～2.5V，因此先設計一電壓跟隨電路，實現(xiàn)阻抗轉換，再利用0.1%高精度電阻實現(xiàn)分壓，將0～5V信號電壓衰減為0～2.5V。

2.2 電機驅動電路設計

在拖拉機行駛過程中，不可避免的需要增加、減小節(jié)氣門的開度，因此電子節(jié)氣門中的直流電機需要有正轉和反轉兩種工作狀態(tài)。為了實現(xiàn)這一功能，需要采用H橋電路實現(xiàn)PWM驅動，圖7顯示了H橋的工作原理。

圖7中，Q1和Q4構成一對開關，Q2和Q3構成一對開關。同一對開關必須同時導通、同時切斷，不同對的開關不能同時導通。當Q1和Q4導通時，電流沿著圖7中的A方向流過電機，電機正轉，當Q2和Q3導通時，電流沿著圖7中B方向流過電機，電機反轉。

本研究采用MC33886專用芯片設計H橋驅動電路，具體電路如圖8所示。OUT1引腳上的輸出電壓有IN1引腳上輸入端PWM信號決定，由于IN2接地，輸出引腳OUT2上的電壓始終為0。OUT1和OUT2之間的壓差受IN1控制，控制器只需要改變IN1引腳上PWM信號的占空比就可以調(diào)整電機轉速。

3 節(jié)氣門驅動控制單元軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

實時控制軟件由3部分組成：節(jié)氣門電機驅動子程序、節(jié)氣門位置信號采集子程序以及PID控制子程序。程序流程圖如圖9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法實現(xiàn)電子節(jié)氣門的控制，設為抽樣序號，為抽樣周期，離散化PID算法的控制輸出為：

（1）

式（1）中，為時刻的控制器輸出，是時刻設定值與反饋值之間的誤差，、、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。PID控制中，、、三個系數(shù)非常重要，較大的可以增加系統(tǒng)的相應速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是如果取值過大，系統(tǒng)容易出現(xiàn)較大超調(diào)，甚至出現(xiàn)震蕩等現(xiàn)象。越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的速度會降低。增加會加快系統(tǒng)響應速度，但抗干擾能力會受到影響。

4 實驗測試

進行了兩組波形信號跟隨實驗和兩組階躍信號跟隨實驗，以驗證設計的拖拉機電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的性能。

圖10和圖11先是了階躍信號跟隨實驗的實驗結果。電子節(jié)氣門的開度從5%增加到95%，需要8個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要160 ms。當目標開度設定在95%，設計的電子節(jié)氣門實際開度在94.5%～95.5%之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1%。電子節(jié)氣門的開度從95%降低到5%時，需要10個控制周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間需要200 ms，從圖11中可以看出，穩(wěn)態(tài)誤差也較?。?1%）。

圖12和圖13分別顯示了正弦波和三角波的跟蹤實驗結果。從圖中可以看出，設計的電子節(jié)氣門實際輸出與設定的期望曲線之間有較好的重合度，誤差較小，說明實際的節(jié)氣門開度輸出能較好第跟隨設定的開度曲線。

5 結論

針對農(nóng)用拖拉機的具體應用，采用單片機設計了一種電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)，給出了詳細的軟硬件設計方案，并進行了4組實驗。實驗結果表明，設計的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有較快的相應速度、較低的系統(tǒng)誤差，能滿足農(nóng)用拖拉機的實際需求。

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