CN101318471A - 线控节气门控制器模块及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线控节气门控制器模块及其控制方法，线控节气门控制器模块设于电子油门踏板及线控节气门体之间，具有主处理器，用于运行各种控制算法，通过模拟量输入接口分别与酒敏传感器及踏板位置传感器相连；通过PWM接口及电机驱动器控制步进电机的动作。本发明硬件结构运行线控节气门控制算法，通过采集来自踏板位置传感器及酒敏传感器的信号，根据线控节气门控制算法驱动步进电机动作，以完成对节气门开启角度的控制。本发明融合了“可调驾驶性能”功能，尤其是“酒后驾驶监控与报警”功能，有效地降低了酒后驾车的危险，能够满足不同类型驾驶员的驾驶需求；通过其上集成的CAN总线接口可与其它车载电脑通信。

Description

线控节气门控制器模块及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，具体说是一种用于控制汽车发动机进气量的线控节气门控制器模块及其控制方法。

背景技术

线控技术最初源于航空工业，引入到汽车工业后被认为可以有效地提高车辆安全性、性能和燃料效率，同时又可以减少设计和制造费用。在传统的机械节气门控制系统中，加速踏板和节气门之间存在一个机械连接(通过一个拉锁或是连杆实现)，驾驶员通过踩踏加速踏板直接完成对发动机进气歧管进气量的控制。随着计算机技术，电子技术的快速发展，这种传统的机械油门控制机制的缺点也日益显露出来：

1.这种控制完全是由人脑完成的，因此对驾驶员的操作技能要求较高。对于那些驾驶技能不高的人来说，汽车的油耗与排放都会增加很多；

2.拉杆式的控制机构存在机械磨耗的问题，使用时间愈久，控制就会愈不精准，反应也就愈慢，最后也导致汽车驾驶性能下降，油耗与排放增加。

在能源危机，国际油价持续走高，人们的环保意识日益加强的今天，上述缺点日益突出。在这种情况下，产生了线控节气门(俗称，电子油门，Electronic Throttle Control，ETC)控制方式。ETC系统取消了上述系统中的机械连接，通过增加相应的传感器、电机以及电控单元，实时精确地控制节气门开度。最初的ETC设计是为了发动机扭矩控制和空燃比控制，有助于提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性以及降低排放污染。现代ETC系统通常与其他控制系统如发动机管理系统、主动安全控制系统等结合，共同完成对节气门开启角度的控制，以更好地改善驾驶的安全性和舒适性。

节气门控制改成电子控制后，当驾驶员踩下油门踏板时，其实他只是在传送一个讯号(即，一个油门踩踏深浅与快慢的讯号)，这个讯号会被引擎监理系统接收和解读，然后再发出控制指令要节气门阀片依指令快速或缓和开启它应当张开的角度。由于线控节气门系统是通过车载电脑——ECU(电子控制单元)来调整节气门的，因此线控节气门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性。例如，世界卫生组织的事故调查显示，大约50％～60％的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。目前，融入“酒后驾驶监控与报警”扩展算法的线控节气门系统还未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种使用电子装置(传感器、电机、ECU等)取代传统机械节气门控制系统中踏板和节气门之间的机械连接，实现对节气门的电子控制，同时在线控节气门控制器模块内融入各种线控节气门扩展算法，以充分发挥电子控制方式的优势的线控节气门控制器模块及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明线控节气门控制器模块，设于电子油门踏板及线控节气门体之间，具有主处理器，用于运行各种控制算法，通过模拟量输入接口分别与酒敏传感器及踏板位置传感器相连；通过PWM接口及电机驱动器控制步进电机的动作。

本发明线控节气门控制器模块还具有FLASH，用于存放操作系统的系统程序以及控制算法程序；SDRAM，用于运行控制算法程序，存储现场数据；E²PROM，用于存放通讯波特率、ID地址、组态信息；上述各部件通过系统总线与主处理器相连；所述主处理器通过CAN总线接口与车载电脑相连。

本发明线控节气门控制器模块的控制方法包括以下步骤：

系统初始化，并将当前步进电机给定步数值和前次循环中步进电机给定步数值置0；采集踏板位置传感器的数据值及酒敏传感器的数据值；根据酒敏传感器的数据值判断酒精浓度是否超过临界值；如上述判断结果超过临界值，则进入限位模式，并计算该模式下步进电机给定步数值，同时发出报警提示；将步进电机给定步数值赋值给当前控制循环中步进电机给定步数值；计算抖动参数值，判断其是否超出抖动临界值；若超出抖动临界值，则计算步进电机所需调整的步数值，并将当前控制循环中步进电机给定步数值赋给前次控制循环中步进电机给定步数值；判断步进电机所需调整的步数值的符号，若为正，则步进电机正转adjustnum步；返回数据采集阶段，进行新一轮的采集和控制。

上述步骤中，如果判断步进电机所需调整的步数值的符号为负，则步进电机反转|adjustnum|步；如果判断抖动参数值(Diff)是否超出抖动临界值的结果为没有超出抖动临界值，则步进电机所不需调整步数值，返回数据采集阶段，进行新一轮的采集和控制；如果根据酒敏传感器数据值判断酒精浓度是否超过临界值的判断结果超过临界值，则进入选择模式，不论选择哪一种模式，经该模式算法计算后均进入将步进电机给定步数值赋值给当前控制循环中步进电机给定步数值阶段；所述选择模式包括普通模式、动力模式和雪地模式，其中普通模式下步进电机给定步数值的具体算法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{d}{(c-f)}\mathrm{ppsposvalue}-f\frac{d}{(c-f)};$ 所述动力模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=d\sqrt{\frac{\mathrm{ppsposvalue}-f}{c-f}};$ 所述雪地模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{d}{{(c-f)}^2}{(\mathrm{ppsposvalue}-f)}^2;$

所述限位模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{e}{{(c-f)}^2}{(\mathrm{ppsposvalue}-f)}^2.$

上述各式中ppsposvalue为踏板位置传感器的数据值，c、d、f为实验标定数据，且满足c＞f＞0，d＞0。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.具有可调驾驶性能。本发明设计了线控节气门控制器模块的硬件结构，具有模拟量输入/输出接口、PWM接口以及CAN总线接口，运行线控节气门控制算法，它通过采集来自踏板位置传感器及酒敏传感器的信号，根据线控节气门控制算法驱动步进电机动作，以完成对节气门开启角度的调节、控制；

2.具有酒后驾驶监控与报警功能。本发明采用酒敏传感器对驾驶室内的酒精浓度进行检测，设计了在酒精浓度超标的情况下的限位模式的算法及其他选择模式的各种算法，有效地降低了酒后驾车的危险，能够满足不同类型驾驶员的驾驶需求；

3.应用广泛。线控节气门系统正在迅速成为汽车上用于控制发动机进气量的标准设备，现已被几乎所有的高端车型和越来越多的经济车型所采用，因本发明具有可调驾驶性能及酒后驾驶监控与报警功能，能够适应更多用户的需要；

4.具有良好的功能可扩展性。本发明采用CAN总线协议，为将来本发明模块与车辆上的其它系统(如混合动力汽车能源管理系统、主动安全系统等)进行功能集成打下了良好的基础；

5.由于本发明具有以上各项特点，使得系统从设备安装到正常运行及其检修维护，都体现出优越性，例如使用可以快速反应的电子元件来替代原有的机械元件，缩减了系统中运动部件的数量及其之间的磨损，大大简化了系统的调整与维护工作；准确的操作数据提高了车辆的操作性能，随之带来了更好的响应性和经济性。

附图说明

图1为本发明结构及工作原理示意图；

图2为本发明模块的硬件结构框图；

图3为本发明控制方法程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是用来完成对汽车发动机节气门进行电子控制的线控节气门控制器模块。如图1所示，是整个线控节气门控制系统的体系结构示意图，该系统由电子油门踏板、线控节气门控制器模块和线控节气门三大部分组成，其中本发明线控节气门控制器模块设于电子油门踏板及线控节气门体之间，具有主处理器，用于运行各种控制算法，通过模拟量输入接口分别与酒敏传感器AS及踏板位置传感器PPS相连，接收驾驶室内的酒精浓度测试数据及电子油门踏板高度位置的变化数据；通过PWM接口及电机驱动器控制步进电机的动作。

电子油门踏板采用应用于某产品化车型的电子油门踏板，其上集成有踏板位置传感器PPS(Pedal Position Sensor)，用于检测踏板高度位置的变化；线控节气门由节气门体、步进电机、步进电机驱动器、机械连接机构等几部分构成。节气门体采用应用于某产品化车型上的节气门体；按照节气门体所需的扭距，选购了步进电机及相应的步进电机驱动器，本实施例中步进电机的步矩角为1.8°，最大可1/64细分；机械连接机构设于步进电机和节气门体之间，使节气门在步进电机的驱动下进行开启或关门动作；酒敏传感器AS(Alcohol Sensor)安装于驾驶室内，用于检测驾驶室内的酒精浓度。线控节气门控制器模块是整个控制系统的核心，它采集来自踏板位置传感器PPS、酒敏传感器AS的信息，根据节气门控制算法计算出节气门的期望开启角度值，进而驱动步进电机动作，最终完成对节气门的控制。

如图2所示，本实施例中，线控节气门控制器模块由以下组件组成：

主处理器，采用ARM7TDMI内核，为32位高性能处理器，提供丰富外围接口；FLASH(1M)，用于存放操作系统的系统程序以及控制算法程序；SDRAM(1M)，用于运行运行控制算法程序，存储现场数据；E²PROM(256K)，用于存放通讯波特率、ID地址、组态信息等；复位电路，负责CPU芯片上电复位；上述各部件通过系统总线与主处理器相连；调试接口，支持通用的JTAG仿真调试，提供系统调试、下载功能；RS232接口，支持应用程序下载或与其它RS232串口设备相连接；CAN接口，用于连接系统总线(本实施例为J1939总线)，主处理器通过CAN总线接口与车载电脑相连，可实现与其他车辆的通信；第一模拟量输入接口，用于连接踏板位置传感器；第二模拟量输入接口，用于连接酒敏传感器AS；PWM接口，用于连接步进电机的步进电机驱动器。

如图3所示，本发明线控节气门控制器模块通过以下方法实现其功能：系统初始化，并将当前步进电机给定步数值NCpondstep1和前次循环中步进电机给定步数值NCpondstep2置0；采集踏板位置传感器的数据值ppsposvalue及酒敏传感器的数据值ASvalue；根据酒敏传感器的数据值ASvalue判断酒精浓度是否超过临界值；如上述判断结果超过临界值，则进入限位模式，并计算步进电机给定步数值Cpondstep，同时发出报警提示；将步进电机给定步数值Cpondstep赋值给当前控制循环中步进电机给定步数值NCpondstep1；计算抖动参数值Diff(即计算NCpondstep1和NCpondstep2的差值)，判断其是否超出抖动临界值(本实施例中设为3，即判断|Diff|＞3吗？)；若超出抖动临界值，则计算步进电机所需调整的步数值adjustnum，并将当前控制循环中步进电机给定步数值NCpondstep1赋给前次控制循环中步进电机给定步数值NCpondstep2；判断步进电机所需调整的步数值adjustnum的符号，若为正，则步进电机正转adjustnum步；返回数据采集阶段，进行新一轮的采集和控制。

如果判断进电机所需调整的步数值adjustnum的符号为负，则步进电机反转|adjustnum|步；

如果判断抖动参数值Diff是否超出抖动临界值的结果为没有超出抖动临界值，则步进电机所不需调整步数值(即adjustnum＝0)，返回数据采集阶段，进行新一轮的采集和控制；

如果根据酒敏传感器的数据值ASvalue判断酒精浓度是否超过临界值的判断结果超过临界值，则进入选择模式，不论选择哪一种模式，经该模式算法计算后均进入将步进电机给定步数值Cpondstep赋值给当前控制循环中步进电机给定步数值NCpondstep1阶段，然后计算NCpondstep1和NCpondstep2的差值Diff，判断|Diff|＞3，若是，则将NCpondstep1和NCpondstep2的差值赋给adjustnum，并将NCpondstep 1值赋给NCpondstep2；反之，adjustnum＝0。最后，判断adjustnum的符号，若为正，步进电机正转adjustnum步；若为负，步进电机反转|adjustnum|步。而后返回数据采集阶段，进行新一轮的采集和控制。上述过程将无限次地重复下去。

上述选择模式包括普通模式、动力模式和雪地模式，其中普通模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的具体算法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{d}{(c-f)}\mathrm{ppsposvalue}-f\frac{d}{(c-f)};$

所述动力模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=d\sqrt{\frac{\mathrm{ppsposvalue}-f}{c-f}};$

所述雪地模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{d}{{(c-f)}^2}{(\mathrm{ppsposvalue}-f)}^2;$

上述各式中ppsposvalue为踏板位置传感器的数据值，c、d、f为实验标定数据，具体数据随不同的传感器变化，且满足c＞f＞0，d＞0。

所述限位模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{e}{{(c-f)}^2}{(\mathrm{ppsposvalue}-f)}^2.$ 其中ppsposvalue为踏板位置传感器的数据值，e、c、d、f均为常量，且满足c＞f＞0，d＞0。

上述四种模式下的数学公式分别对应了四条“踏板行程-节气门期望开启角度”关系曲线，其中除限位模式外，其它三条曲线的起点和终点分别为(f，0)和(c，d)，而限位模式的曲线的起点和终点则分别为(f，0)和(c，e)。具体含义为：每条曲线的横坐标代表pps值，纵坐标代表步进电机给定步数值。曲线的起点和终点坐标值分别代表电子油门踏板处于初始位置以及踏板踩到底时这两种情况下各变量的取值情况。因此，f表示电子油门踏板处于初始位置时的pps值，c表示将电子油门踏板踩到底时的pps值，d表示除限位模式外的三种模式下将电子油门踏板踩到底时的步进电机给定步数值，e表示限位模式下将电子油门踏板踩到底时的步进电机给定步数值。随着所选择的pps物理特性和步进电机参数以及细分度的不同，上述参数会有所变化。在本实施例中，各参数的具体数值为：f＝540；c＝770；d＝100；e＝50。

本发明设计了线控节气门控制器模块的硬件结构，具有模拟量输入/输出接口、PWM接口以及CAN总线接口，运行线控节气门控制算法，它通过采集来自踏板位置传感器及酒敏传感器的信号，根据线控节气门控制算法驱动步进电机动作，以完成对节气门开启角度的控制。本发明融合了“可调驾驶性能”功能，尤其是“酒后驾驶监控与报警”功能，有效地降低了酒后驾车的危险，能够满足不同类型驾驶员的驾驶需求；同时本发明线控节气门控制器模块运行SAEJ1939通信协议，通过其上集成的CAN总线接口可与其它符合该协议标准的车载电脑实现通信，可以广泛应用于各种小型汽车上，能够有效的降低排放、同时提高车辆行驶的安全性。

Claims (9)

1.一种线控节气门控制器模块，设于电子油门踏板及线控节气门体之间，其特征在于：具有主处理器，用于运行各种控制算法，通过模拟量输入接口接有酒敏传感器(AS)及踏板位置传感器(PPS)；通过PWM接口及电机驱动器控制步进电机的动作。

2.按照权利要求1所述的线控节气门控制器模块，其特征在于：还具有FLASH，用于存放操作系统的系统程序以及控制算法程序；SDRAM，用于运行控制算法程序，存储现场数据；E²PROM，用于存放通讯波特率、ID地址、组态信息；上述各部件通过系统总线与主处理器相连。

3.按照权利要求1所述的线控节气门控制器模块，其特征在于：所述主处理器通过CAN总线接口与车载电脑相连。

4.按照权利要求1所述线控节气门控制器模块的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

系统初始化，并将当前步进电机给定步数值(NCpondstep1)和前次循环中步进电机给定步数值(NCpondstep2)置0；

采集踏板位置传感器的数据值(ppsposvalue)及酒敏传感器的数据值(Asvalue)；

根据酒敏传感器的数据值(Asvalue)判断酒精浓度是否超过临界值；

如上述判断结果超过临界值，则进入限位模式，并计算该模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)，同时发出报警提示；

将步进电机给定步数值(Cpondstep)赋值给当前控制循环中步进电机给定步数值(NCpondstep1)；

计算抖动参数值(Diff)，判断其是否超出抖动临界值；

若超出抖动临界值，则计算步进电机所需调整的步数值(adjustnum)，并将当前控制循环中步进电机给定步数值(NCpondstep1)赋给前次控制循环中步进电机给定步数值(NCpondstep2)；

判断步进电机所需调整的步数值(adjustnum)的符号，若为正，则步进电机正转adjustnum步；

返回数据采集阶段，进行新一轮的采集和控制。

5.按权利要求4所述线控节气门控制器模块的控制方法，其特征在于：如果判断步进电机所需调整的步数值(adjustnum)的符号为负，则步进电机反转|adjustnum|步。

6.按权利要求4所述线控节气门控制器模块的控制方法，其特征在于：如果判断抖动参数值(Diff)是否超出抖动临界值的结果为没有超出抖动临界值，则步进电机所不需调整步数值，返回数据采集阶段，进行新一轮的采集和控制。

7.按权利要求4所述线控节气门控制器模块的控制方法，其特征在于：如果根据酒敏传感器数据值判断酒精浓度是否超过临界值的判断结果超过临界值，则进入选择模式，不论选择哪一种模式，经该模式算法计算后均进入将步进电机给定步数值(Cpondstep)赋值给当前控制循环中步进电机给定步数值(NCpondstep1)阶段。

8.按权利要求7所述线控节气门控制器模块的控制方法，其特征在于：所述选择模式包括普通模式、动力模式和雪地模式，其中普通模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的具体算法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{d}{(c-f)}\mathrm{ppsposvalue}-f\frac{d}{(c-f)};$

所述动力模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=d\sqrt{\frac{\mathrm{ppsposvalue}-f}{c-f}};$

所述雪地模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{d}{{(c-f)}^2}{(\mathrm{ppsposvalue}-f)}^2;$

上述各式中ppsposvalue为踏板位置传感器的数据值，c、d、f为实验标定数据，且满足c＞f＞0，d＞0。

9.按权利要求4所述线控节气门控制器模块的控制方法，其特征在于：所述限位模式下步进电机给定步数值(Cpondstep)的计算方法为： $\mathrm{Cpondstep}=\frac{e}{{(c-f)}^2}{(\mathrm{ppsposvalue}-f)}^2,$ 其中ppsposvalue为踏板位置传感器的数据值，c、d、f均为常量，且满足c＞f＞0，d＞0。

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