汽车电子节气门控制器设计

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1、万方数据Technology＆EconomyinAreasofCommunications(TEAC)6翘熙孽急爨熏汽车电蚤节龟门攘制暴设辞●张金柱(黑龙江工程学院汽车工程系，哈尔滨150050)【摘要】分析了汽车电子节气门控制器的结构原理，建立了节气门控制器的数学模型．选用Intel公司的16位单片机与H桥TLE6209芯片为控制器的主要硬件．分析了控制器的响应特性。【关键词】节气门控制器：数学模型；响应特性【中图分类号】u464．134+．3【文献标识码】A【文章编号】1008—5696一(2006)03—0073—02电子节气门控制技术最早出现于20世纪80年

2、代初期，起初仅应用于高档轿车上。随着电子技术的日益发展，能源问题和环境问题的曰益突出以及对汽车性能要求的提高，电子节气门成为全电控发动机上最重要的控制装置并已开始广泛应用到各种车辆上，其优点在于可根据驾驶员愿望、排放、油耗和安全需求，使节气门快速精确地控制在最佳开度，并可设置多种控制功能来改善驾驶安全性和舒适性。目前对这～技术进行研究的有BMW、BOSCH、丰田等公司，而且BMW、通用、丰田、AUDI等厂商在其部分车型上已经成功应用。由于电子节气门的结构导致电子节气门具有时变性、时滞性、非线性、不确定性等特点，其数学模型难以准确推导，我们提出辅以前馈控制的PID参数

3、控制算法。1电子节气门体结构与原理文中设计的电子节气门体，是BOSCH公司生产的电子节气门系统中的～个部件。图1为节气门体电器连接图。图1节气门体电器连接图该节气门体分三部分：执行器、节气门阀和节气门位置传感器，它们被封装为一体。其执行器由一个直流电机和相投稿日期：2005—12—26基金项目：黑龙江省自然基金项目(E2004—04)作者简介：张金柱(1963一)，男，山东文登人，副教授，硕士。关的传动部件组成。通过Motor+(+)和Motor-(一)驱动直流电机，TPSl和TPS2分别是正向和反向的节气门开度反馈信号，它通过节气门体内部的一对高精度电位器获取当前

4、开度下相应的电压反馈值，该反馈值与节气门打开角度成线性变化。直流电机比步进电机移动快，随动性能好，符合ETC的性能要求，所以，目前大多电子节气门都采用直流电机做其执行机构。但直流电机的控制要比步进电机的控制难度大，需利用两路反馈信号，构建闭环控制系统。电子节气门在车上是一个重要部件，一旦出现故障将非常危险，所以节气门体上设计了一套复位弹簧，它能够保证当电子节气门控制出现故障，直流电机无法工作的时候，节气门阀回到关闭位置，使发动机能够工作在高待速的状态下。这样的设计，可以避免发动机飞车，出现危险。为保证车上的助力装置正常工作，使司机有充分的余地将出现故障的汽车停在一个

5、安全的地方，节气门应保持一定开度。本控制装置采用一柱塞弹簧，使节气门在初始状态保持7．5。的开度，这时的节气门开度称为初始开度。由于节气门体上安装有复位弹簧和柱塞弹簧，而这两个弹簧刚度不同，故节气门阀角度大于或小于初始开度时动态特性不一样。2节气门系统传递函数模型根据基尔霍夫定律，节气门系统电路方程："(￡)=Ri(t)+￡—ai～iQ)+配—}山。Q)(1)orat，0)=K／(￡)(2)其中：口0)为控制电机电压；i(t)为电机电流；r(￡)为电机驱动力矩；∞。(t)为电机转速；R为总电阻(包括电枢、电池、导线、开关、二级管、H桥等的电阻)；L为电枢电感；K。为

6、反电动势系数；匠为扭矩系数。据牛顿运动定律，节气门机械系统运动方程为：r(￡)=厶睾∞。(￡)+B．to。(f)+上饥孚∞。(t)+B．to。(t))atnoE+‰+％。瓴+砉D暑∞m(t)+(曰m+砉风)oJm(￡)+％+％=上P考}∞。(D+B十∞。(￡)+乃‰+咒，(3)并且—}疗0)=∞(‘)=—L∞。“)atn其中：0为阀板转角，∞为阀板转速，L为电机转动惯量，厶节气门轴与阀的转动惯量，n传动比，曰。和阮分别为电机和节气门的粘性摩擦，％为作用在节气门上的弹簧力矩，厶为总的转动惯量(包括电机、节气门板和轴，折算至电机上)，73—N∞‘I一一6-)；。一一∽‘

7、IH一4Ⅳ，(+2【万方数据6洒骢臻煮曼熏Technology＆EconomyinAreasofCommunications(TEAC)曰。。总的粘性摩擦。对方程(1)，(2)进行Laplace变换：，G)2丽10G)一碱b))(4)rG)=K』(s)(5)亿G)2弧而1(r(s)一‰6)一ob))(6)假定K=旦掣k为折算到电机上的弹簧比率。单位为Nm／rad，忽略摩擦项，电机电压与节气门角度的传递函数为：!!!Q!12整!翌P(s)：——j粤型旦世盟}—一1．R+kvJc～①+R)(．如+％)。(．如+Bep)：!!墨Q!型墨；也(7)￡．如3+(RJ；+￡