俞涵青

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

電子節(jié)氣門(mén)是機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，將其與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信連接后，能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制功能，從而提升機(jī)械運(yùn)行性能，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式，電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，便于操作，而且能夠?qū)刂葡到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制器是核心，主要負(fù)責(zé)采集和處理輸入信號(hào)，并采用特定的算法，在微處理器的分析計(jì)算后得到最終的控制量，再將控制量傳輸至執(zhí)行器，從而完成控制任務(wù)及操作。為實(shí)現(xiàn)電子節(jié)氣門(mén)的控制功能，需要對(duì)裝置的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 電子節(jié)氣門(mén)控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器硬件設(shè)計(jì)要求具體為：控制器采集機(jī)械拉桿位置→通過(guò)傳感器輸入信號(hào)→節(jié)氣門(mén)位置傳感器反饋信號(hào)→分析輸入信號(hào)及反饋信號(hào)→快速調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)電機(jī)轉(zhuǎn)速→減速機(jī)構(gòu)將扭矩傳到節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)軸→配合復(fù)位彈簧的作用→控制節(jié)氣門(mén)閥片的轉(zhuǎn)角。為了提升機(jī)械控制系統(tǒng)性能，控制器的硬件需設(shè)計(jì)4 路信號(hào)采集電路、電機(jī)控制電路、故障報(bào)警電路和電源電路，并且配合1 臺(tái)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，微型計(jì)算機(jī)是控制器的核心，主要進(jìn)行信號(hào)采集，并發(fā)出電機(jī)控制信號(hào)及故障報(bào)警信號(hào)。

1.1.1 信號(hào)采集電路

1）結(jié)合節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)應(yīng)用要求，本文的設(shè)計(jì)中選用了BOSCH（F011200Y015）型號(hào)的電子節(jié)氣門(mén)。

2）傳感器部分應(yīng)用冗余設(shè)計(jì)，在標(biāo)定后確定為線性電位計(jì)，因此兩路信號(hào)的和是一個(gè)常數(shù)。

3）機(jī)械拉桿開(kāi)關(guān)也應(yīng)用以上設(shè)計(jì)方法。

4）4 路信號(hào)均為模擬信號(hào)（電壓信號(hào)），在操作中需提升信號(hào)獲取的準(zhǔn)確度，因此對(duì)信號(hào)采集電路中的4 路信號(hào)需進(jìn)行濾波處理，采用RC 濾波電路對(duì)4 路信號(hào)進(jìn)行高頻干擾成分的過(guò)濾，再將4 路信號(hào)分別接入到Atmegal16L 上的PA0、PA1、PA2 和PA3 引腳上。

5）對(duì)濾波后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整形、去耦處理。

6）安裝A/D 轉(zhuǎn)化器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)一步傳輸至微控制單元（MCU）處，進(jìn)行下一步處理[1]。

1.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用L298 芯片，封裝形式設(shè)計(jì)為直插式，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)電機(jī)。

2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝完成后進(jìn)行正反轉(zhuǎn)及調(diào)速測(cè)試，將工作電壓設(shè)置為36 V，輸出電流設(shè)置為3.5 A。

3）在驅(qū)動(dòng)電機(jī)處安裝4 個(gè)單片機(jī)IO 口，為驅(qū)動(dòng)指令提供信號(hào)。

4）將使能信號(hào)ENA 及ENB 接入控制使能端，從而控制電機(jī)的停止及轉(zhuǎn)動(dòng)。

5）運(yùn)用驅(qū)動(dòng)電路中的5、7、10 和12 腳來(lái)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，將使能信號(hào)ENA 接入Atmegal16L 的PD7 引腳上，并將IN1 及IN2 分別接入到PD4 及PD5引腳上，如圖1 所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.1.3 串口通信電路設(shè)計(jì)

機(jī)械控制器的控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信采用的是RS232 串口通信標(biāo)準(zhǔn)，并采用MAX232 進(jìn)行上機(jī)位與下機(jī)位之間的電平轉(zhuǎn)化，這種通信協(xié)議設(shè)計(jì)安裝及操作環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，應(yīng)用價(jià)值較高。

1.1.4 MCU 設(shè)計(jì)

微控制單元（MCU）為控制器的核心元件，配合機(jī)械使用性能，本文選擇了8 位的AVR 單片機(jī)，型號(hào)為Atmegal16L，具有較高的性價(jià)比；模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）為8 路10 位，脈沖寬度調(diào)制（PWM）為4 通道，工作額定電壓設(shè)計(jì)為2.7～5.5 V，配合安裝2 個(gè)8 位定時(shí)計(jì)數(shù)器及1 個(gè)16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器；硬件系統(tǒng)中一般指令執(zhí)行時(shí)間設(shè)定為1 個(gè)時(shí)鐘的周期，系統(tǒng)能夠運(yùn)用ISP 進(jìn)行軟件編程及下載操作，能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、程序非易失性等要求；單片機(jī)的設(shè)計(jì)需滿足最小系統(tǒng)要求，即能夠包含復(fù)位電路、晶振電路、電源電路及A/D 轉(zhuǎn)換濾波電路[2]。

1.2 電子節(jié)氣門(mén)控制器軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械電子節(jié)氣門(mén)軟件控制系統(tǒng)中的AVR 單片機(jī)采用C 語(yǔ)言編程，并采用ICCAVR 編譯環(huán)境開(kāi)發(fā)軟件。在設(shè)計(jì)中需注意提升節(jié)氣門(mén)閥片的響應(yīng)能力，要能夠根據(jù)系統(tǒng)指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且具備一定的外界抗干擾能力，采用控制算法及濾波算法，對(duì)閉環(huán)反饋控制及程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)主程序與各個(gè)子程序之間的快速通信，從而分析及評(píng)估控制效果，提升軟件系統(tǒng)的操作性能。

1.2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

結(jié)合硬件系統(tǒng)功能要求及電路結(jié)構(gòu)來(lái)編寫(xiě)系統(tǒng)軟件程序，軟件系統(tǒng)包含主程序及應(yīng)用子程序，其中主程序包括初始化部分及循環(huán)部分，而初始化部分主要包含常量初始化、I/O 端口初始化、定時(shí)器0 和定時(shí)器2初始化、ADC 初始化、串口初始化及控制參數(shù)初始化；循環(huán)部分主要包括中斷服務(wù)子程序、PWM 子程序、故障診斷子程序、控制算法子程序、串行通信子程序及角度計(jì)算子程序。

1.2.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

1）PWM 子程序。該子程序是利用脈沖寬度調(diào)制來(lái)指揮電子節(jié)氣門(mén)，從而控制電機(jī)的調(diào)速，在設(shè)計(jì)時(shí)需將電機(jī)電樞上的脈沖電壓頻率設(shè)定為固定值，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。結(jié)合Atmegal16L 型號(hào)單片機(jī)+定時(shí)器+計(jì)數(shù)器的硬件組合，需在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)TC2 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)而得出頻率及占空比任意的PWM 波。PWM 頻率可以通過(guò)電機(jī)調(diào)速來(lái)控制，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將頻率固定為1 kHz，在改變控制量后，可以相應(yīng)地改變占空比，因此用PWM 表示占空比。

2）數(shù)據(jù)采集子程序。結(jié)合信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總共需要采集4 路模擬信號(hào)，由于Atmegal16L 單片機(jī)內(nèi)配備有8 路A/D 轉(zhuǎn)換電路，因此可在單片機(jī)PA 口處直接接入節(jié)氣門(mén)處傳感器信號(hào)（TPS）及操作桿處傳感器信號(hào)（PPS）。單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇單端電壓輸入方式，其轉(zhuǎn)換精度有10 位，能夠滿足機(jī)械控制需求，此環(huán)節(jié)需注意單端輸入方式能夠同時(shí)采集4 路模擬信號(hào)，因此需配置多路選擇器（ADMUX），再對(duì)各路信息進(jìn)行輪流采集；模擬信號(hào)采集完畢后通過(guò)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TC0 來(lái)對(duì)比配比中斷，將合適的信號(hào)源通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為觸發(fā)源。

3）PID 控制子程序設(shè)計(jì)。該子程序在運(yùn)行時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的被控量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，得出數(shù)值后對(duì)比設(shè)定量，如果存在偏差，進(jìn)一步通過(guò)偏差的比例、積分、微分計(jì)算得出被控對(duì)象的控制量，其中控制器輸出與輸入關(guān)系公式為

式中：Kp表示比例系數(shù)；Ti表示積分時(shí)間常數(shù)；Td表示微分時(shí)間常數(shù)；e（t）表示將節(jié)氣門(mén)實(shí)際開(kāi)度與期望開(kāi)度做差值得到的角度偏差，p、i、d 表示控制器規(guī)律選項(xiàng)，其中p 為比例控制規(guī)律，i 為比例積分控制規(guī)律，d為比例微分控制規(guī)律。單片機(jī)控制前需進(jìn)行采樣，通過(guò)對(duì)公式（1）的離散化處理，得出離散化PID 公式為

對(duì)公式（2）進(jìn)行增量推導(dǎo)得出增量式的PID 公式為

PID 控制子程序設(shè)計(jì)需對(duì)比例、積分、微分3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定，3 個(gè)參數(shù)之間相互制約并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此需要在不斷調(diào)節(jié)的過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，具體參數(shù)調(diào)節(jié)方式見(jiàn)表1。

表1 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)表

4）滑模變結(jié)構(gòu)控制子程序。該控制程序需要結(jié)合機(jī)械設(shè)備狀態(tài)方程、切換函數(shù)及指數(shù)趨近率進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采集系統(tǒng)程序中的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度參數(shù)，并計(jì)算出開(kāi)度偏差、節(jié)氣門(mén)角速度、拉桿角速度、開(kāi)度偏差變化率、控制器加速度、摩擦力和彈簧力，在此基礎(chǔ)上求出切換函數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算控制量，得出控制電壓，如符合設(shè)定參數(shù)，則滑模變結(jié)構(gòu)控制子程序設(shè)計(jì)合理。

5）傳感器故障診斷子程序。傳感器采用電位計(jì)式冗余設(shè)計(jì)模式，其中2 個(gè)節(jié)氣門(mén)處的傳感器輸出電壓之和為常數(shù)5 V，2 個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)控制桿處的傳感器輸出電壓比值為常數(shù)2，由此可知傳感器輸出電壓不為0，而且供電電壓為5 V，2 處傳感器實(shí)現(xiàn)了互相監(jiān)測(cè)的目的，能夠進(jìn)行傳感器故障診斷，提高軟件系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[3]。

2 電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的仿真分析

2.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)環(huán)節(jié)采用Matlab/Simulink 進(jìn)行電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)建模，先建立ETC（電控系統(tǒng)）總體仿真模型，對(duì)其響應(yīng)速度及控制精度進(jìn)行測(cè)定，并結(jié)合機(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)如下。

2.1.1 最大超調(diào)量

當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度在96%時(shí)，動(dòng)態(tài)曲線最大值處的減穩(wěn)態(tài)值存在的誤差要小于6%。

2.1.2 上升時(shí)間對(duì)動(dòng)態(tài)曲線的初始值到穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行計(jì)時(shí)，占90%比例的運(yùn)行時(shí)間要在100 ms 以內(nèi)。

2.1.3 調(diào)整時(shí)間

整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)曲線的誤差需控制在300 ms以內(nèi)。

2.1.4 穩(wěn)態(tài)誤差

當(dāng)動(dòng)態(tài)曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用（實(shí)際轉(zhuǎn)角－目標(biāo)轉(zhuǎn)角/期望開(kāi)度值）公式得出最終百分比值，需控制在2%以內(nèi)[4]。

設(shè)定好動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)后，通過(guò)仿真系統(tǒng)進(jìn)行電子節(jié)氣門(mén)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試，主要包括以下幾個(gè)方面：占空比（PWM）與節(jié)氣門(mén)處的傳感器輸出電壓、控制電機(jī)的平均電流、控制電機(jī)平均電壓U 的關(guān)系曲線和根據(jù)TPS及PPS 處信號(hào)繪制出階躍響應(yīng)曲線，從而判斷電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能。

仿真測(cè)試開(kāi)始前需要搭建試驗(yàn)裝置，其中電位器給機(jī)械操作桿傳輸信號(hào)，單片機(jī)對(duì)電路采集電位器及節(jié)氣門(mén)處傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，應(yīng)用控制算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出控制量，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再帶動(dòng)節(jié)氣門(mén)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)，直至符合設(shè)定的開(kāi)度，再同步至操作桿轉(zhuǎn)角；單片機(jī)電路同時(shí)采集電位器及節(jié)氣門(mén)處傳感器信號(hào)，傳輸至串口通信電路后，最終達(dá)到PC 機(jī)，獲取給定信號(hào)及跟蹤信號(hào)后，處理分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)控制[5]。

2.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)Matlab/Simulink 處理數(shù)據(jù)并繪制關(guān)系特征曲線及響應(yīng)曲線，分別包括了占空比與節(jié)氣門(mén)處傳感器輸出電壓、與控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓、與控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線，以及階躍響應(yīng)曲線，如圖2—圖5 所示。

圖2 占空比與節(jié)氣門(mén)處傳感器輸出電壓關(guān)系曲線圖

結(jié)合圖2 分析可知，占空比與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度之間關(guān)系曲線變化不存在線性關(guān)系，輸出占空比在-40%～40%之間時(shí)，其輸出電壓維持在0.94 V，此時(shí)閥片角度在10°左右，當(dāng)占空比達(dá)到40%以上時(shí)，閥片逐漸開(kāi)啟，當(dāng)數(shù)值達(dá)到70%時(shí)，輸出電壓接近最大額定值，為4.48 V，此時(shí)閥片開(kāi)啟達(dá)到85°轉(zhuǎn)角，占空比在-100%～-60%之間時(shí)，表示節(jié)氣門(mén)完全關(guān)閉。

分析圖3，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓輸出與占空比呈正相關(guān)性，但是在原點(diǎn)處，增加占空比后電壓發(fā)生突變，這與OCR2 初始值設(shè)定有關(guān)，因此占空比為0，驅(qū)動(dòng)電壓并不為0，但是不會(huì)影響控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)性能。

圖3 占空比與控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線圖

結(jié)合圖4 可知，占空比與控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流不存在線性關(guān)系，當(dāng)占空比最大時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到2.9 A，這是由于驅(qū)動(dòng)芯片滿負(fù)荷工作導(dǎo)致電流產(chǎn)生較大變化，因此需在機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中做好散熱措施。

圖4 占空比與控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流關(guān)系曲線圖

圖5 是通過(guò)PID 控制算法得出的階躍響應(yīng)曲線，當(dāng)轉(zhuǎn)角超調(diào)量在8%左右時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為1.4%，上升時(shí)間用時(shí)90 ms，調(diào)整時(shí)間用時(shí)200 ms，符合最初設(shè)定的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，因此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能良好，可以投入使用。

圖5 階躍響應(yīng)曲線圖

3 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的硬件及軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上搭建起仿真試驗(yàn)裝置，取得系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果后繪制相應(yīng)的曲線關(guān)系圖，再對(duì)數(shù)據(jù)及曲線關(guān)系進(jìn)行分析后可知，本文設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)能夠滿足機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行要求。