汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計(jì)及其在ASR控制中的應(yīng)用

0 引 言
    早期節(jié)氣門是為了調(diào)節(jié)汽油機(jī)的充氣量，在化油器腔體上設(shè)置的節(jié)流裝置，通過(guò)杠桿、鋼絲拉線與油門踏板相連。因其常見為蝶形閥門，故稱節(jié)氣門。電控噴射系統(tǒng)取代化油器后，油路自成系統(tǒng)，進(jìn)行壓力噴射；在進(jìn)氣系統(tǒng)方面，保留了化油器進(jìn)氣道喉管下方的一個(gè)簡(jiǎn)單卻非常重要的部件——節(jié)氣門，并增設(shè)電子控制單元(ECU)、節(jié)氣門位置傳感器、空氣流量計(jì)等監(jiān)測(cè)工況。電子控制節(jié)氣門系統(tǒng)(Electronic Throttle ControlSystem，ETC)是在電噴系統(tǒng)的節(jié)氣門機(jī)構(gòu)中，去掉了一些附屬補(bǔ)償裝置，增加了新的電控單元、直流電機(jī)、減速齒輪、驅(qū)動(dòng)電路等。與傳統(tǒng)的節(jié)氣門控制方法不同，電子節(jié)氣門系統(tǒng)中節(jié)氣門在任何工況下都直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；而且ECU可綜合車輛管理信息和發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而隨時(shí)配制一個(gè)最佳的混合氣成分。這種最佳的混合氣成分，同時(shí)按發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，特別是按減少排放有害物的要求來(lái)確定，具有良好的怠速、加速、減速等的過(guò)渡性能。
    電子節(jié)氣門相當(dāng)于用一種柔性連接取代了傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式(即剛性連接)。在剛性連接中，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度完全受控于油門踏板開度，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況取決于駕駛員對(duì)油門踏板的操作。在柔性連接方式中，油門踏板僅相當(dāng)于一個(gè)反映駕駛員操縱意圖的傳感器，節(jié)氣門的實(shí)際開度由其控制器根據(jù)當(dāng)時(shí)的汽車行駛狀況、其他車載電控系統(tǒng)的需求并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)特性之后確定。
    汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)是重要的主動(dòng)安全系統(tǒng)，其控制需要調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。由于目前我國(guó)裝車的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)大都不具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，無(wú)法完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的干預(yù)，所以本文采用了安裝電子節(jié)氣門來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的ASR系統(tǒng)方案。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)防滑控制(ASR)的需要，設(shè)計(jì)并開發(fā)了ETC系統(tǒng)ECU軟硬件，在安裝電子節(jié)氣門體的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了功能測(cè)試，并將之應(yīng)用于ASR控制中，進(jìn)行了硬件在環(huán)測(cè)試。

1 ECU硬件電路設(shè)計(jì)
    ECU硬件主要實(shí)現(xiàn)油門踏板信號(hào)采集與處理、存儲(chǔ)與運(yùn)行控制軟件、驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)以及和其他ECU或者計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。硬件設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

    ECU的設(shè)計(jì)還需綜合考慮幾個(gè)因素：
    (1)控制程序?qū)崟r(shí)性要求，要求控制器能夠快速運(yùn)行程序并具備較高的計(jì)算速度；
    (2)控制器可靠性要求，確保在汽車級(jí)惡劣電磁環(huán)境中具備較強(qiáng)的抗干擾性能，控制程序能夠運(yùn)行可靠、穩(wěn)定；
    (3)控制器體積及成本考慮，具備一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
1．1 MCU選型及單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    單片機(jī)是電子控制系統(tǒng)ECU的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理以及所有的邏輯運(yùn)算，并直接影響到控制器電路運(yùn)行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。
    綜合考慮各種因素，本文所采用的芯片型號(hào)為MC68HC908AZ32A，這是Freescale公司生產(chǎn)的專為汽車設(shè)計(jì)的功能強(qiáng)大的8位單片機(jī)。具有豐富的功能模塊，包括1路SPI接口模塊、1路SCI接口模塊、15路A／D轉(zhuǎn)換模塊、1路CAN通信接口模塊等。此外，芯片獨(dú)立的數(shù)字I／O接口數(shù)也滿足設(shè)計(jì)要求，并且還留有功能擴(kuò)展的余地。
    選定單片機(jī)后，設(shè)計(jì)了電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等，構(gòu)成單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)。
1．2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)
    ETC系統(tǒng)需要將油門踏板位置信號(hào)和節(jié)氣門位置信號(hào)等模擬信號(hào)采集輸入單片機(jī)中。因?yàn)槟M信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)較多的毛刺或因干擾、突發(fā)故障等產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，為了更好地采集信號(hào)，并保護(hù)MCU，設(shè)計(jì)模擬信號(hào)輸入電路，如圖2所示。該電路是一個(gè)有源濾波電路，可以大幅減少毛刺和減小波動(dòng)。

    有源低通濾波電路，一方面可以濾除傳輸線上的干擾信號(hào)，另一方面可以提高A／D的輸入阻抗。其中LM124是高效的集成運(yùn)放。電容C701對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，去除毛刺。跟隨器起的作用是將輸出阻抗降低到最小水平，因?yàn)镸CU的A／D模塊在處理快速變化的模擬信號(hào)時(shí)要求盡可能小的輸出阻抗和較小的采樣周期來(lái)滿足快速性和精度的要求。另外，ECU還要輸入開關(guān)量形式的制動(dòng)信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)特定端口的中斷功能實(shí)現(xiàn)。
1．3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    由于控制節(jié)氣門開度的直流電機(jī)用單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，中間需要功率驅(qū)動(dòng)芯片。本文選用TLE6209，內(nèi)部集成了H橋電路。該芯片是英飛凌公司開發(fā)的專門控制電子節(jié)氣門的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片。與其他功率驅(qū)動(dòng)芯片相比，TLE6209具有很高的可靠性和保護(hù)功能，通過(guò)SPI接口可與控制單元進(jìn)行通信，發(fā)送故障信息和控制命令，可為以后控制單元診斷功能的擴(kuò)展提供條件；一般的H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要兩路PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，TLE6209只需要一路PWM信號(hào)和一個(gè)方向信號(hào)，因此節(jié)省了硬件資源，且控制更靈活、可靠。其主要特點(diǎn)如下：
    (1)連續(xù)輸出電流最大為6 A；最高工作電壓為40 V；最大輸出頻率為30 kHz。
    (2)邏輯電壓與驅(qū)動(dòng)電壓?jiǎn)为?dú)供電；內(nèi)部集成續(xù)流二極管；輸出短路保護(hù)。
    (3)IHN為低電平時(shí)，芯片停止工作；DIS為高電平時(shí)，輸出端為高阻狀態(tài)。
    (4)可與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信，通過(guò)SPI單片機(jī)可向TLE6209寫入可編程控制字，TLE6209可以向單片機(jī)發(fā)送故障診斷信息。
    (5)工作時(shí)僅需兩路信號(hào)：DIR控制輸出電流方向；PWM控制輸出電流大小。
    TLE6209電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

1．4 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)
    控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)為串行通信協(xié)議，能有效支持具有很高安全級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到底價(jià)位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業(yè)里，使用CAN連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防滑系統(tǒng)等，其傳輸速度可達(dá)1 Mb／s。

    ETC系統(tǒng)需要通過(guò)CAN總線來(lái)接收其他車載電控系統(tǒng)的開度需求信號(hào)。
    MC68HC908AZ32A片內(nèi)集成了CAN控制器，本文選擇Philips公司的，TJA1040作為CAN收發(fā)器，具體的CAN總線接口電路如圖4所示。

1．5 SCI通信電路設(shè)計(jì)
    為了對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，以及在某些情況下替換CAN實(shí)現(xiàn)ECU間通信功能，ECU預(yù)留了SCI通信接口，為此設(shè)計(jì)了SCI通信電路，如圖5所示。串行通信有使用簡(jiǎn)單，傳輸距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，雖然其傳輸速率不高，但是可以滿足系統(tǒng)的要求。

    此外，ECU硬件還包括BDM接口電路以及故障診斷電路等，本文不再一一贅述。

2 ECU軟件設(shè)計(jì)
    ECU軟件主要包括：系統(tǒng)初始化模塊，模擬信號(hào)采集與處理模塊，數(shù)據(jù)通信模塊，節(jié)氣門開度控制決策模塊，PWM信號(hào)生成模塊等。程序總體流程如圖6所示。

    系統(tǒng)初始化內(nèi)容主要包括MCU內(nèi)部的時(shí)鐘、輪速輸入通道端口設(shè)置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出通道端口設(shè)置、看門狗定時(shí)器設(shè)置、通信端口初始化、系統(tǒng)變量等，以保證MCU正常運(yùn)行。
    信號(hào)采集與處理模塊采集油門踏板位置信號(hào)和節(jié)氣門位置信號(hào)兩個(gè)模擬量和制動(dòng)信號(hào)開關(guān)量。數(shù)據(jù)通信模塊接收其他車載電控系統(tǒng)發(fā)出的開度需求信號(hào)，并用于開度控制決策。
    控制決策模塊根據(jù)當(dāng)時(shí)的汽車行駛狀況、其他車載電控系統(tǒng)的需求并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)特性之后，按照一定的控制算法決定目標(biāo)節(jié)氣門開度。PWM信號(hào)生成模塊將節(jié)氣門開度需求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制直流電機(jī)的PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使節(jié)氣門開度到達(dá)目標(biāo)位置。

3 ETC系統(tǒng)功能測(cè)試
    ETC系統(tǒng)由電子控制單元、節(jié)氣門體、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、油門踏板模塊(包括踏板位置傳感器)、節(jié)氣門位置傳感器等組成。
    節(jié)氣門位置傳感器用于實(shí)時(shí)采集節(jié)氣門開度，對(duì)閉環(huán)控制進(jìn)行位置反饋，是節(jié)氣門狀態(tài)惟一的檢測(cè)元件。電子節(jié)氣門要求具有高度的可靠性，位置傳感器采用了冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用2個(gè)節(jié)氣門位置傳感器。為了精確控制電子節(jié)氣門的開度，必須研究其位置傳感器輸出電壓特性，找到輸出電壓與節(jié)氣門位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。節(jié)氣門的開度范圍為0°～88°。由于有怠速開度，節(jié)氣門靜態(tài)位置以上的工作區(qū)域?qū)嶋H為9°～88v°。節(jié)氣門位置傳感器具有良好的線性關(guān)系。因此，根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器提供的電壓信號(hào)，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出節(jié)氣門連續(xù)的旋轉(zhuǎn)角度。通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)，輸出電壓與節(jié)氣門位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

    電機(jī)輸出力矩與驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比成正比。占空比增大時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩大于復(fù)位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度增加；當(dāng)占空比減小時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩小于復(fù)位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度減小。本文采用單片機(jī)輸出的頻率為10 kHz、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)，節(jié)氣門開度和PWM信號(hào)占空比關(guān)系如圖8所示。由于回位彈簧滯后等非線性因素影響，節(jié)氣門開度和PWM控制信號(hào)占空比成近似的線性關(guān)系。

4 ETC應(yīng)用于ASR控制的硬件在環(huán)測(cè)試
    在開發(fā)的ASR系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度實(shí)現(xiàn)。ASR控制器需要將其節(jié)氣門開度需求發(fā)送給ETC控制器，通過(guò)ETC系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)。將開發(fā)的電子節(jié)氣門系統(tǒng)用于ASR控制，搭建了以先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)dSPACE為核心的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

    其中，液壓控制單元為ASR控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；車輛系統(tǒng)包括運(yùn)行于dSPACE系統(tǒng)的車輛模型和油門踏板及其位置傳感器、制動(dòng)踏板等實(shí)際部件。ETC控制器和ASR控制器的節(jié)氣門開度通過(guò)通信接口(CAN或SCI)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
    利用此試驗(yàn)臺(tái)即可進(jìn)行基于通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到ASR控制目的的硬件在環(huán)測(cè)試。測(cè)試ASR控制的一種典型工況為低附著路面起步，控制結(jié)果如圖10和圖11所示。進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試時(shí)，假定初始節(jié)氣門開度為100％，兩個(gè)前輪為驅(qū)動(dòng)輪。

    ASR控制的目的是抑制驅(qū)動(dòng)車輪過(guò)度滑轉(zhuǎn)，使車輪滑動(dòng)率保持和合理的范圍內(nèi)。從圖11可以看出，ETC系統(tǒng)根據(jù)ASR控制需求，迅速將節(jié)氣門開度由初始的100％降低，直到驅(qū)動(dòng)車輪不再過(guò)度滑轉(zhuǎn)，然后在適當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度是車輪滑轉(zhuǎn)率趨向合理。開發(fā)的ETC系統(tǒng)很好地響應(yīng)了ASR的控制需求。從圖10可以看出，ASR取得了良好的控制效果。

5 結(jié) 語(yǔ)
    (1)測(cè)試結(jié)果表明：本文研究的ETC系統(tǒng)ECU能夠完成設(shè)計(jì)要求的信號(hào)采集與處理、數(shù)據(jù)通信和驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度等功能。
    (2)將開發(fā)的節(jié)氣門控制系統(tǒng)應(yīng)用于ASR控制，實(shí)現(xiàn)了ASR要求的開度調(diào)節(jié)，達(dá)到了ASR的控制目的。
    (3)基于dSPACE的硬件在環(huán)測(cè)試方法可以在更為接近實(shí)際工況的情況下在臺(tái)架上測(cè)試開發(fā)的ECU，而且能夠在實(shí)驗(yàn)室里快速、方便地設(shè)定各種試驗(yàn)工況。