汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設計及其在ASR控制中的應用

0 引 言
    早期節(jié)氣門是為了調(diào)節(jié)汽油機的充氣量，在化油器腔體上設置的節(jié)流裝置，通過杠桿、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)，進行壓力噴射；在進氣系統(tǒng)方面，保留了化油器進氣道喉管下方的一個簡單卻非常重要的部件——節(jié)氣門，并增設電子控制單元(ECU)、節(jié)氣門位置傳感器、空氣流量計等監(jiān)測工況。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)氣門機構(gòu)中，去掉了一些附屬補償裝置，增加了新的電控單元、直流電機、減速齒輪、驅(qū)動電路等。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驅(qū)動；而且ECU可綜合車輛管理信息和發(fā)動機工況的變化而隨時配制一個最佳的混合氣成分。這種最佳的混合氣成分，同時按發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性，特別是按減少排放有害物的要求來確定，具有良好的怠速、加速、減速等的過渡性能。
    電子節(jié)氣門相當于用一種柔性連接取代了傳統(tǒng)的機械連接方式(即剛性連接)。在剛性連接中，發(fā)動機節(jié)氣門開度完全受控于油門踏板開度，發(fā)動機工作狀況取決于駕駛員對油門踏板的操作。在柔性連接方式中，油門踏板僅相當于一個反映駕駛員操縱意圖的傳感器，節(jié)氣門的實際開度由其控制器根據(jù)當時的汽車行駛狀況、其他車載電控系統(tǒng)的需求并考慮發(fā)動機特性之后確定。
    汽車驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(ASR)是重要的主動安全系統(tǒng)，其控制需要調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩。由于目前我國裝車的轎車發(fā)動機大都不具備自主知識產(chǎn)權(quán)，無法完成對發(fā)動機控制系統(tǒng)的干預，所以本文采用了安裝電子節(jié)氣門來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的ASR系統(tǒng)方案。為了實現(xiàn)驅(qū)動防滑控制(ASR)的需要，設計并開發(fā)了ETC系統(tǒng)ECU軟硬件，在安裝電子節(jié)氣門體的試驗臺架上進行了功能測試，并將之應用于ASR控制中，進行了硬件在環(huán)測試。

1 ECU硬件電路設計
    ECU硬件主要實現(xiàn)油門踏板信號采集與處理、存儲與運行控制軟件、驅(qū)動直流電機以及和其他ECU或者計算機進行通信等功能。硬件設計框架如圖1所示。

    ECU的設計還需綜合考慮幾個因素：
    (1)控制程序?qū)崟r性要求，要求控制器能夠快速運行程序并具備較高的計算速度；
    (2)控制器可靠性要求，確保在汽車級惡劣電磁環(huán)境中具備較強的抗干擾性能，控制程序能夠運行可靠、穩(wěn)定；
    (3)控制器體積及成本考慮，具備一定的市場競爭能力。
1．1 MCU選型及單片機最小系統(tǒng)設計
    單片機是電子控制系統(tǒng)ECU的核心，它負責數(shù)據(jù)采集與處理以及所有的邏輯運算，并直接影響到控制器電路運行的可靠性、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為MC68HC908AZ32A，這是Freescale公司生產(chǎn)的專為汽車設計的功能強大的8位單片機。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，芯片獨立的數(shù)字I／O接口數(shù)也滿足設計要求，并且還留有功能擴展的余地。
    選定單片機后，設計了電源電路、時鐘電路和復位電路等，構(gòu)成單片機工作的最小系統(tǒng)。
1．2 信號采集電路設計
    ETC系統(tǒng)需要將油門踏板位置信號和節(jié)氣門位置信號等模擬信號采集輸入單片機中。因為模擬信號可能會出現(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，為了更好地采集信號，并保護MCU，設計模擬信號輸入電路，如圖2所示。該電路是一個有源濾波電路，可以大幅減少毛刺和減小波動。

    有源低通濾波電路，一方面可以濾除傳輸線上的干擾信號，另一方面可以提高A／D的輸入阻抗。其中LM124是高效的集成運放。電容C701對傳感器輸出的模擬信號進行濾波，去除毛刺。跟隨器起的作用是將輸出阻抗降低到最小水平，因為MCU的A／D模塊在處理快速變化的模擬信號時要求盡可能小的輸出阻抗和較小的采樣周期來滿足快速性和精度的要求。另外，ECU還要輸入開關(guān)量形式的制動信號，通過單片機特定端口的中斷功能實現(xiàn)。
1．3 直流電機驅(qū)動電路設計
    由于控制節(jié)氣門開度的直流電機用單片機輸出的PWM信號驅(qū)動，中間需要功率驅(qū)動芯片。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)動芯片。與其他功率驅(qū)動芯片相比，TLE6209具有很高的可靠性和保護功能，通過SPI接口可與控制單元進行通信，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展提供條件；一般的H橋驅(qū)動信號需要兩路PWM信號控制電機的轉(zhuǎn)動，TLE6209只需要一路PWM信號和一個方向信號，因此節(jié)省了硬件資源，且控制更靈活、可靠。其主要特點如下：
    (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)動電壓單獨供電；內(nèi)部集成續(xù)流二極管；輸出短路保護。
    (3)IHN為低電平時，芯片停止工作；DIS為高電平時，輸出端為高阻狀態(tài)。
    (4)可與單片機進行雙向通信，通過SPI單片機可向TLE6209寫入可編程控制字，TLE6209可以向單片機發(fā)送故障診斷信息。
    (5)工作時僅需兩路信號：DIR控制輸出電流方向；PWM控制輸出電流大小。
    TLE6209電路設計如圖3所示。

1．4 CAN總線接口電路設計
    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的分布實時控制。CAN的應用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡到底價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)動機控制單元、傳感器、防滑系統(tǒng)等，其傳輸速度可達1 Mb／s。[!--empirenews.page--]

    ETC系統(tǒng)需要通過CAN總線來接收其他車載電控系統(tǒng)的開度需求信號。
    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通信電路設計
    為了對控制過程進行監(jiān)控、實時顯示，進行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，以及在某些情況下替換CAN實現(xiàn)ECU間通信功能，ECU預留了SCI通信接口，為此設計了SCI通信電路，如圖5所示。串行通信有使用簡單，傳輸距離長的優(yōu)點，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軟件設計
    ECU軟件主要包括：系統(tǒng)初始化模塊，模擬信號采集與處理模塊，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)部的時鐘、輪速輸入通道端口設置、執(zhí)行機構(gòu)輸出通道端口設置、看門狗定時器設置、通信端口初始化、系統(tǒng)變量等，以保證MCU正常運行。
    信號采集與處理模塊采集油門踏板位置信號和節(jié)氣門位置信號兩個模擬量和制動信號開關(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，并用于開度控制決策。
    控制決策模塊根據(jù)當時的汽車行駛狀況、其他車載電控系統(tǒng)的需求并考慮發(fā)動機特性之后，按照一定的控制算法決定目標節(jié)氣門開度。PWM信號生成模塊將節(jié)氣門開度需求轉(zhuǎn)化為相應的控制直流電機的PWM信號，通過驅(qū)動芯片驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動使節(jié)氣門開度到達目標位置。

3 ETC系統(tǒng)功能測試
    ETC系統(tǒng)由電子控制單元、節(jié)氣門體、直流驅(qū)動電機、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時采集節(jié)氣門開度，對閉環(huán)控制進行位置反饋，是節(jié)氣門狀態(tài)惟一的檢測元件。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計，系統(tǒng)采用2個節(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)氣門位置之間的對應關(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，可以準確地檢測出節(jié)氣門連續(xù)的旋轉(zhuǎn)角度。通過標定試驗，輸出電壓與節(jié)氣門位置的對應關(guān)系如圖7所示。

    電機輸出力矩與驅(qū)動信號占空比成正比。占空比增大時，電機驅(qū)動力矩大于復位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度增加；當占空比減小時，電機驅(qū)動力矩小于復位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度減小。本文采用單片機輸出的頻率為10 kHz、占空比可調(diào)的PWM信號，經(jīng)過功率放大后對直流電機進行驅(qū)動。通過標定試驗，節(jié)氣門開度和PWM信號占空比關(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控制信號占空比成近似的線性關(guān)系。

4 ETC應用于ASR控制的硬件在環(huán)測試
    在開發(fā)的ASR系統(tǒng)進行控制時，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度實現(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ETC系統(tǒng)進行節(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，搭建了以先進的實時仿真系統(tǒng)dSPACE為核心的硬件在環(huán)測試平臺，總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。[!--empirenews.page--]

    其中，液壓控制單元為ASR控制器的執(zhí)行機構(gòu)；車輛系統(tǒng)包括運行于dSPACE系統(tǒng)的車輛模型和油門踏板及其位置傳感器、制動踏板等實際部件。ETC控制器和ASR控制器的節(jié)氣門開度通過通信接口(CAN或SCI)進行數(shù)據(jù)交換。
    利用此試驗臺即可進行基于通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩達到ASR控制目的的硬件在環(huán)測試。測試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。進行硬件在環(huán)測試時，假定初始節(jié)氣門開度為100％，兩個前輪為驅(qū)動輪。

    ASR控制的目的是抑制驅(qū)動車輪過度滑轉(zhuǎn)，使車輪滑動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)動車輪不再過度滑轉(zhuǎn)，然后在適當調(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
    (1)測試結(jié)果表明：本文研究的ETC系統(tǒng)ECU能夠完成設計要求的信號采集與處理、數(shù)據(jù)通信和驅(qū)動直流電機調(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)應用于ASR控制，實現(xiàn)了ASR要求的開度調(diào)節(jié)，達到了ASR的控制目的。
    (3)基于dSPACE的硬件在環(huán)測試方法可以在更為接近實際工況的情況下在臺架上測試開發(fā)的ECU，而且能夠在實驗室里快速、方便地設定各種試驗工況。