对汽车V型电子节气门体系的研发探究－汽车设计与制造资讯-造车网

　　随着汽车电子控制技术的迅速发展，人们对汽车性能的要求以及对能源与环境问题的重视不断提高，使得电子节气门控制系统的应用日益广泛。电子节气门控制系统将加速踏板位置信号传送至控制单元，控制单元综合当前发动机、传动系工况以及驾驶员意图，根据控制策略分析最优的节气门目标开度，并通过电机和执行机构驱动节气门转动，使节气门快速精确地控制在目标开度，可有效提高汽车发动机的动力性和经济性。与此同时，基于模型的V模式控制器开发以其缩短开发周期、降低开发成本等优点已被较多国内外著名厂商使用（如Aud，iFord，AVL等）。本文电子节气门控制系统的开发先利用MATLAB/Simulink仿真建模分析，然后用dSPACE公司开发的自动代码生成工具Targetlink软件自动生成代码，最后再下载到硬件控制器中运行。
　　
　　1仿真模型的建立
　　
　　本文采用MATLAB7.1/Simulink进行仿真建模，在模型中将电子节气门控制系统主要分为控制器、PWM驱动器和执行机构3个部分所示。其中，执行机构为电子节气门体，它包含了电子节气门的电特性和机械特性；控制器在接收到加速踏板信号和节气门位置信号后，调用控制算法计算出用于控制的目标电流；PWM驱动器根据目标电流决定PWM信号的占空比和电流方向；执行机构将电流转化为电机转矩，带动节气门盘片运动，并将节气门位置信号传给控制器。
　　
　　1.1电子节气门体建模
　　
　　由基尔霍夫定律，直流电机的电枢电路方程为didt=VbatLu-Ra RbatLi-KtNL（1）T=Kti（2）式中，Vbat为直流电机的电源电压；L为直流电机的电感；u为占空比；Ra为直流电机的电阻；Rbat为电源内阻；为节气门转速；N为减速比；T为电机驱动力矩；Kt为电机的转矩常数；i为电机电流。
　　
　　根据牛顿运动定律，在节气门轴上建立的方程为Jddt=NT（t）-Ks（-eq）-DSign（-eq）-Kd（t）-KfSign（t）（3）ddt=（4）式中，J为节气门轴上总的转动惯量；Ks为弹簧转矩系数；为节气门开度；eq为节气门静态平衡开度；D复位弹簧预紧力矩；Kd为滑动摩擦系数；Kf为库仑摩擦系数。
　　
　　本文使用BOSCH公司的DV-E5型号电子节气门，经过试验、辨识与测量，并结合产品手册提供的资料，确定电子节气门系统的图中输入为驱动电机的转矩，输出为节气门开启角度和电机感应电动势。
　　
　　1.2积分分离PID控制器设计
　　
　　由于对节气门参数的识别不够精确等限制，使得一些先进的控制算法在实际应用中效果并不理想。在设计电子节气门控制算法时本着在保证系统控制精度和实时性的前提下，尽量采用比较简单的控制算法。传统的PID控制算法，其最大的优点在于算法简单，参数易于整定，具有较强的鲁棒性，而且适应性强，可靠性高。其离散PID控制规律为u（k）=KPe（k） KI？ki=1e（i） KD[e（k）-e（k-1）]（5）式中：u（k）为k时刻控制器的输出量；KP，KI，KD分别为比例系数、积分系数和微分系数；e（k）为当前时刻的节气门目标开度与实际开度之差；e（k-1）为上次采样时刻的节气门目标开度与实际开度之差。
　　
　　为了避免系统在快速且大幅度地改变节气门目标开度时，短时间内使系统输出有较大的偏差，造成PID运算的积分积累，并引起系统较大的超调，所以本系统采用积分分离PID控制算法，不仅能避免产生较大的超调，而且又使系统具有较快的响应，尽而保证了系统的精度。积分分离PID控制算法的基本思想是当输入有较大变化，且目标开度与实际开度的偏差值大于一定值时，不进行积分；而当偏差值小于一定值时，恢复积分调节以消除系统的静态误差。积分分离PID控制算法的流程图。
　　
　　在Simulink中依次建立PWM驱动器和电子节气门电特性等仿真模块，完成整个仿真系统的建立，为Simulink中的电子节气门控制系统仿真框图。本文设计的电子节气门控制系统具有故障诊断、工况识别、伺服控制这3大功能。
　　
　　2自动代码生成
　　
　　2.1Targetlink介绍
　　
　　dSPACE公司开发的自动代码生成工具Targetlink软件，它能迅速完成从MATLAB/Simulink/Stateflow控制模型到产品代码的生成，代码可读性好，精度高。它不仅满足汽车电子控制器对高效可靠的产品代码的需求，而且解决了控制系统开发的瓶颈问题，实现了汽车电子控制系统的V型开发模式。
　　
　　2.2模型转化
　　
　　将仿真系统中的控制器模型转化成Targetlink模型，原Simulink模型中的模块被Targetlink模块库中的对应模块所替代，同时保留生成代码所需的模块参数。由于这个过程是完全可逆的，所以随时可以根据Targetlink的要求和提示信息对Simulink中的原控制模型进行修改转化成Targetlink模型的控制器模型。
　　
　　2.3添加定标参数
　　
　　为了能让控制器进行定点运算，就必须对控制模型中所有的变量进行大小和精度范围的设置，也就是定标。定标工作不仅要使变量具有足够的计算精度，而且还要保证计算过程中没有溢出，且每个变量都必须根据其可能的大小来分配它的取值范围和数据长度。
　　
　　2.4仿真结果分析
　　
　　在转换完成后进行ModeInLoop仿真，并执行有效性检测、溢出检测等工作。它的主要目的是确认Simulink转化为Targetlink模型过程中控制策略和算法是否发生变异以及Targetlink模型是否符合生成C代码的规范要求。
　　
　　最后将控制器的Targetlink模型生成代码，进行SoftwareInLoop仿真，测试自动生成的C代码，检验变量定标是否合理。分别为采用阶跃信号和正弦信号作为加速踏板的输入时的SoftwareInLoop仿真结果。
　　
　　3系统标定与测试
　　
　　当上述工作全部完成后，将代码整合下载到控制器中运行，并用标定软件进行在线标定。本文中电子节气门控制器芯片采用Freescale半导体公司的高性能16位微控制器S12XDP512芯片。控制器芯片内部集成了PWM控制单元、高速ADC模块和CAN等功能模块，使控制器硬件得到了简化，节省了空间。H桥驱动芯片选用Freescale半导体公司的MC33887.
　　
　　参数标定完成后在电子节气门试验台上进行了试验，试验工况的输入信号为水温70　、空调开关关闭。先用测试系统输出正反阶跃信号进行测试，然后模拟驾驶员操作情况，手动输入随机信号作为加速踏板输入进行测试。分别为正反阶跃信号和手动输入随机信号的测试结果。阶跃信号试验结果与BOSCH产品信息手册上的控制要求对照所示，试验结果的各项指标均符合节气门控制要求。可看出手动输入随机信号测试时跟随效果理想，误差均小于1，只有当加速踏板输入开度小于发动机怠速转矩需求开度时系统进入了怠速工况，才不对加速踏板进行跟随。当前测试工况下的怠速目标开度为4.
　　
　　4结论
　　
　　从测试结果分析表明，所开发的电子节气门控制系统各项指标符合设计要求。和传统的手工编写代码方式相比，Targetlink自动代码生成工具大大缩短了电子节气门控制系统的开发周期，可以有效地控制算法中变量的定标精度以及验证控制算法的准确性。

我要反馈

—— 造车工艺 ——

—— 数字化制造 ——

—— 智能驾驶 ——

—— 新能源技术 ——

—— 机器人技术 ——