基于DSP的電子節(jié)氣門PID控制
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是微機技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用,使得汽車的內(nèi)涵和功能不斷拓展和延伸,汽車電子化正逐漸成為現(xiàn)代汽車的基本特征。節(jié)氣門是汽車發(fā)動機的重要控制部件。為了提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性及經(jīng)濟性,并減少排放污染,世界各大汽車制造商推出了各種控制特性良好的電子節(jié)氣門及其相應(yīng)的電子控制系統(tǒng),組成電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(ETCS)。采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng),使節(jié)氣門開度得到精確控制,不但可以提高燃油經(jīng)濟性,減少排放,同時,系統(tǒng)響應(yīng)迅速,可獲得滿意的操控性能;另一方面,可實現(xiàn)怠速控制、巡航控制和車輛穩(wěn)定控制等的集成,簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)在,電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)已成為發(fā)動機完全電控管理系統(tǒng)的一個重要模塊。由于ETCS的優(yōu)越性,目前,世界上越來越多的大型汽車制造公司開始采用ETCS,傳統(tǒng)機械式節(jié)氣門面臨著被電子節(jié)氣門所取代的趨勢。
在電子節(jié)氣門這種柔性連接方式中,油門踏板與節(jié)氣門之間不再有機械連接。節(jié)氣門的實際開度由車載電控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時的汽車行駛狀況并考慮發(fā)動機特性確定,從而保證發(fā)動機運行于最佳工況。本設(shè)計進行了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的電控單元開發(fā)、傳感器信號處
二、系統(tǒng)組成
電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)如圖1所示,包括:節(jié)氣門體、加速踏板位置傳感器、DSP(Digital Signal Processor)開發(fā)板、信號處理電路、功率驅(qū)動電路及微機監(jiān)控系統(tǒng)幾個部分。節(jié)氣門體包括:直流電機、節(jié)氣門開度傳感器及機械裝置,它們被封裝為一體。通過ECU驅(qū)動直流電機,完成節(jié)氣門開度調(diào)整;節(jié)氣門開度信號通過節(jié)氣門體內(nèi)部的一對高精度節(jié)氣門開度傳感器獲取當(dāng)前開度下相應(yīng)的電壓反饋值,該反饋值與節(jié)氣門打開角度成線性變化。利用這兩路反饋信號,構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。加速踏板帶動一個位置傳感器,將加速踏板位置信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘杺鞯紼CU,其作用相當(dāng)于一個反映駕駛員操縱意圖的傳感器,提供節(jié)氣門開度的參考信號。
當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時,加速踏板位置信號經(jīng)過模擬信號采樣處理電路,由DSP進行采集、處理及判斷駕駛員的駕車意圖;同時參考發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器、進氣壓力傳感器及其它與車輛行駛工況相關(guān)的傳感器信號進行綜合分析計算,確定一個期望的節(jié)氣門開度值;并將期望值與當(dāng)前反饋回來的節(jié)氣門開度值進行比較,確定控制信號,發(fā)出脈寬調(diào)制信號,經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動執(zhí)行器,實時調(diào)整占空比,實現(xiàn)各項控制功能。最后驅(qū)動電機使節(jié)氣門移動到一個與期望的節(jié)氣門開度值相對應(yīng)的位置。
?。ㄒ唬╇娮庸?jié)氣門控制系統(tǒng)的核心DSP56F807
控制單元DSP處理輸入信號,計算和輸出控制信號是整個電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)要求電控單元抗干擾能力強、可靠性好、功能強和運算速度高。針對本系統(tǒng),選擇了Freescale公司DSP56F807進行系統(tǒng)開發(fā)。16位DSP56F807 在硬件設(shè)計上采取了一些獨特的設(shè)計,以求最快的運算速度。DSP56800系列數(shù)字信號處理器具有很豐富的I/O口和多種外圍配置。在單一的 DSP56F807芯片上集成了14個專用的和18個復(fù)用的通用輸入/輸出通道GPIO、2個異步串行通信模塊SCI、1個同步串行外設(shè)模塊SPI、1個控制系統(tǒng)局域網(wǎng)模塊CAN2.0、4個4通道的12-bitADC,共16路模擬量輸入通道、2個6通道用于各類電機控制的脈沖寬度調(diào)制PWM模塊、4個 16位四定時/計數(shù)器Timer、外部存儲器接口、片內(nèi)電源監(jiān)視器及看門狗(watchdog)、JTAG/OnCE實時調(diào)試接口等多路外設(shè)模塊。實現(xiàn)了完全的單片化,可以滿足電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)需要。
?。ǘ?qū)動電路設(shè)計
在電路設(shè)計中加入了大量的濾波和抗干擾元件,采用RC濾波、光耦隔離、電壓跟隨器和比較器等優(yōu)化組合來提高電路的可靠性和抗干擾性。執(zhí)行器功率驅(qū)動電路的功用就是將DSP輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動執(zhí)行元件的輸出信號。該模塊是電控系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)正常工作的保證,驅(qū)動模塊的好壞與系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有密切的聯(lián)系。
要控制節(jié)氣門的開度,就需要控制其直流電機的輸出扭矩,該扭矩與電機線圈中的電流成正比。如圖2所示,直流電機PWM功率驅(qū)動電路:DSP產(chǎn)生PWM信號通過光電耦合器控制功率MOS管來完成對直流電機電源的高頻開閉,最終控制節(jié)氣門的開度。由于節(jié)氣門片需要正反兩個方向轉(zhuǎn)動,所以需要搭建一個H橋電路來滿足對直流電機雙向控制的需求。光電耦合器實現(xiàn)上、下級之間的電器隔離,防止有高電壓大電流進入主控電路,干擾DSP的正常工作。4個二極管具有消除電壓尖峰的作用。
三、PID控制原理
由于節(jié)氣門體中存在非線性彈簧、粘性摩擦和滑動摩擦、進氣擾動及齒隙沖擊等,導(dǎo)致了控制對象為一嚴重非線性系統(tǒng),控制難度較高。PID控制不需要測量系統(tǒng)的模型,容易實現(xiàn),所以本文選擇了使用PID控制策略進行控制。PID控制將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制,故稱PID控制。
PID控制系統(tǒng)是一種線性控制系統(tǒng),如圖3所示,控制偏差e(t)為目標(biāo)值與實際輸出值之差:
e(t)=r(t)-y(t)(1)
PID控制規(guī)律為:
式中:KP——比例系數(shù);
TI——積分時間常數(shù);
TD——微分時間常數(shù)。
KP成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產(chǎn)生,控制系統(tǒng)立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。
TI主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度,積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI,TI越大積分作用越弱,反之則越強。
TD反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)周期。
在計算機PID控制中,需使用數(shù)字PID控制,本文使用增量式PID控制算法,公式如下:
△u(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[
u(k)=u(k-1)+△u(k)(4)
式中:△u(k)——k時刻輸出增量;
KI——積分系數(shù);
KD——微分系數(shù)。
數(shù)字PID控制是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟應(yīng)用最廣泛的一種控制,不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型,只要根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)整參數(shù)的在線整定,即可獲得滿意的效果,特別適用于軟件編程的方法實現(xiàn)PID控制,參數(shù)變化十分靈活。具有控制原理簡單、實現(xiàn)容易及穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
由于節(jié)氣門體中復(fù)位彈簧的作用,使節(jié)氣門片的受力變得復(fù)雜,增加了控制的難度。節(jié)氣門片向不同方向轉(zhuǎn)動時其受力不同,轉(zhuǎn)動范圍大小也不同,因此,正、反轉(zhuǎn)模型也就不同。于是需要設(shè)計正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩組PID控制,其控制參數(shù)和流程均不同。程序需根據(jù)控制輸出量值的正負,判斷進入正轉(zhuǎn)控制流程還是反轉(zhuǎn)控制流程,并完成控制流程的非線性切換。
四、節(jié)氣門控制實驗
節(jié)氣門開度控制實驗中,節(jié)氣門位置傳感器的電壓為反饋量,PWM的占空比信號為控制輸出量。實驗中由PC機監(jiān)控系統(tǒng)向DSP發(fā)送目標(biāo)開度值和PID控制參數(shù),DSP根據(jù)控制參數(shù)和節(jié)氣門位置信號計算并輸出PWM信號,電機執(zhí)行命令,控制電子節(jié)氣門完成動作;同時DSP向PC機監(jiān)控系統(tǒng)傳送控制過程,PC機記錄并顯示實際控制效果,根據(jù)控制效果不斷調(diào)整PID控制參數(shù),最終達到最佳控制。圖4記載了試驗中進行的階躍響應(yīng)測試,參數(shù)KP=65,KI=125, KD="10",電子節(jié)氣門從初始值1200mV到目標(biāo)值2000mV的階躍變化情況。從系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線可知節(jié)氣門上升時間短且穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差小,滿足系統(tǒng)響應(yīng)和控制精度要求。
五、結(jié)論
試驗表明,該控制系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強和可靠性高等優(yōu)點,取得了十分滿意的控制效果,故該節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價值。
下一步將電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)裝車,與發(fā)動機ECU整合,進行發(fā)動機實車試驗,需要對電子節(jié)氣門的控制特性進行深入研究,結(jié)合更有針對性的非線性智能控制方法,進一步提高發(fā)動機控制效果。