CN101493049A - 一种发动机电子油门控制器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种发动机电子油门控制器，它是由中央处理器，控制局域网(CAN)总线通信电路，脉冲宽度调制(PWM)信号增强电路，金属氧化物半导体型场效应管(MOS)管驱动电路，频率信号检测电路，A/D转换电路，掉电保护电路，油门阀选择电路组成。它的特点是兼容摆杆式和位置式两种不同用途油门阀的控制，可以实现在线修改ID、波特率、油门怠速位置和油门最大位置，同时，它还具有掉电保护、通信检测处理、AD断线检测处理、堵转检测处理等功能。它取代了ECU电子控制器在工程机械方面的应用，多方面的满足了工程机械设备的特殊要求，具有显著的经济效益和良好的应用前景。

Description

一种发动机电子油门控制器

(一)技术领域

本发明涉及一种控制器，特别涉及一种发动机电子油门控制器，属动力机械油门控制技术领域。

(二)背景技术

工程机械长期处于恶劣的工作环境并且反复大负荷作业，其工程作业部分一般采用液压驱动，即发动机拖动电控液压泵站，负载由电控的各种阀门或手动阀门来控制，驱动马达或液压缸等执行机构作旋转或直线运动。驱动马达或液压缸的运动速度，受两个方面的控制，一是用阀门开口大小来决定运动速度，控制范围小，主要作为位置控制，控制精度为主要指标；二是由泵的排量大小决定各个驱动马达或液压缸的运动速度，以达到控制整个系统速度的目的。因此，工程机械行业一般在操作时，操作者往往希望采用操纵一只手柄通过自动控制系统完全实现，即通过电动油门控制器自动控制实现。由于工程机械设备的工作时间长、变化频繁、变化范围小，因此对电动油门的要求严，既要精度高，又要使用寿命长。这种油门控制器与其它油门控制器相比具有发动机速度反馈、自动调节供油量、运行平稳、效率高、结构紧读、操作方便等优点。

目前，国际上一些知名柴油发动机厂家采用ECU电子控制技术来控制发动机的喷油量和转速，它的优点是燃油量可根据负载的大小自动调节，发动机的转速升降加速度得到最佳匹配控制、转速的控制取消了传统的软轴而使得机械结构简化。缺点是价格昂贵，特别是对于工程机械来说，由于他们的电子控制单元(ECU)软件保密，控制方式和参数无法修改来适应工程机械的特殊需要，因此在国内仅有少量使用。

因此，研究采用柴油发动机电动控制油门取代ECU电子控制技术来控制发动机，以完成对发动机喷油量的自动控制变得尤为重要。本发明就是针对柴油发动机而设计的一款油门控制器，该控制器可以同时满足位置和排量两方面的控制要求。同时，控制器还增加了故障检测处理等功能，提高了设备的可靠性和安全性。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种发动机电子油门控制器，它克服了现有技术的不足，取代了ECU电子控制器在工程机械方面的应用，多方面的满足了工程机械设备的特殊要求。

2、技术方案：本发明为一种发动机电子油门控制器，它是由中央处理器，控制局域网(CAN)总线通信电路，脉冲宽度调制(PWM)信号增强电路，金属氧化物半导体型场效应管(MOS)管驱动电路，频率信号检测电路，A/D转换电路，掉电保护电路，油门阀选择电路组成。

所述中央处理器，是自带PWM功能的飞利浦单片机P89V51RD2FN。

所述CAN总线通信电路，包括CAN总线控制器、CAN总线隔离电路以及CAN总线收发器；该CAN总线控制器是AN82527，它通过CAN总线隔离电路与CAN收发器相连，实现CAN总线通信，提高总线的抗干扰能力；该CAN总线隔离电路是由两片光耦隔离芯片6N137组成，其中一片的输入信号引脚与CAN总线控制器输出信号引脚相连，输出信号引脚与CAN收发器的输入信号引脚相连，另外一片的输入信号引脚与CAN收发器输出信号引脚相连，输出信号引脚与CAN总线控制器的输入信号引脚相连；该CAN总线收发器是PCA82C250，通过芯片的CANH和CANL两个引脚，直接与CAN总线连接；本控制器既可以通过CAN总线在线修改油门怠速值、油门最大值以及控制精度等数值，也可以通过控制器上的油门怠速和最大位置电阻来设置油门的位置门限。本控制器可以在线修改ID号及波特率，以满足不同节点及不同通信波特率的要求，可以实现多个油门阀的同步控制。

所述PWM信号增强电路，是由反相器74HC04和驱动器MC1413组成；反相器74HC04输入引脚与中央处理器的PWM波信号输出引脚相连，其输出引脚与驱动器MC1413的输入引脚相连；驱动器MC1413输出引脚与MOS管驱动器的输入引脚相连；该电路用于放大PWM波信号的电流，以便驱动MOS管驱动器。

所述MOS管驱动电路，主要由MOS管专门驱动芯片MC34152组成；其信号输入引脚与驱动器MC1413的输出引脚相连，信号输出引脚直接与MOS管相连，用于控制MOS管的通断。

所述频率信号检测处理电路，包括频率信号调理电路和频率信号检测电路。频率信号调理电路由运算放大器LF412和比较器LM311组成；运算放大器LF412的输入引脚与外部接线端子的频率信号输入引脚相连，其输出引脚与比较器LM311的输入引脚相连；比较器LM311的输出引脚与检测电路的输入引脚相连；该电路用于将频率信号调整为便于检测的信号，并保证前后电路出现故障时不相互影响。频率信号检测电路由分频器CD4040和拨码开关组成，分频器CD4040的输入引脚与比较器LM311的输出引脚相连，其输出引脚与拨码开关输入引脚相连；拨码开关的输出引脚与中央处理器P89V51RD2FN的信号检测引脚相连；该比较电路用于降低频率信号的频率以满足高频信号检测的需要。

所述A/D转换电路，是由MAX197组成；该A/D转换电路的输入分别与脚踏板、怠速油门位置控制电阻、最大油门位置控制电阻及位置传感器的输出相连，通过信号调理后输入A/D转换，获取电压值。

所述掉电保护电路，采用一个掉电数据不丢失的芯片X5045实现，用于存储控制器的ID号、波特率、控制精度、怠速位置、最大位置等。控制器上电时，自动读取内容，并发送上电信息，油门阀回复怠速位置。修改控制器基本信息，自动更新并存储新信息。控制器掉电时，信息不丢失。同时在程序中含有一个X5045工作是否正常的检测程序，当数据不正常或X5045损坏时，系统自动配置成默认状态。

所述油门阀选择电路，由二选一的开关和控制方向的继电器组成；该开关的一路输出信号与摆杆式油门阀相连，另一路与继电器相连，用于选择油门阀的类型和实现油门阀控制方式的选择。

本发明通过设计一个兼容摆杆式和位置式两种不同用途油门阀控制的控制器，以达到满足工程机械中位置控制和流量控制的目的。摆杆式控制时，通过接收脚踏板的信号或CAN总线上的控制命令，控制PWM波的输出，即MOS管的导通状态，然后根据检测到的发动机的转速与目标转速的差值调整PWM波的占空比，实现油门的精确控制；位置式油门阀控制时，控制器通过检测脚踏板的信号或接收CAN总线上的控制命令后，获取所需油门的大小，然后，通过检测当前油门阀所处的位置，并比较两者的差异，通过继电器控制油门阀电机的转向，PWM波控制油门阀电机的转速，从而达到油门的精确控制。本发明两种控制方式可选，既可以由其他控制器通过CAN总线向油门控制器发送控制命令实现油门大小控制，也可以将脚踏板直接接在油门控制器上，由控制器根据踏板的位置，控制油门的大小。油门的控制算法为比例-积分-微控制器(PID)与棒棒控制相结合的控制算法。在位置式油门阀的控制中，根据接收的命令，控制油门的大小，建立油门目标值与PWM占空比的关系，通过PID算法和棒棒算法，实现油门的精确控制；在摆杆式油门控制中，根据接收的命令，控制电机的转速，建立电机转速反馈与PWM占空比的指令关系，通过PID算法，调节占空比的大小，控制电机转速，从而达到控制油门大小的目的。

本发明具有通信中断检测处理，A/D断线检测处理，电机堵转处理等故障处理功能。通信中断检测采用心跳检测实现，正常情况下，上位控制器每10ms向油门阀控制器发一次命令，油门控制器接收命令后，回复一个应答信号。如果超过200ms双方都没有收到数据，则代表通信出现问题，模块转为直接采集控制板上的脚踏板信号，对油门阀进行控制，并发出通信中断警报。A/D断线检测为检测位置传感器的输入是否正常，由于工程机械所处环境恶劣，控制器通常都处于振动环境中，因此，对A/D线进行检测是必要的。实现的方法是在其输入端并接一个非常大的电阻，如果AD线出现断线，则AD转换值就一直保持零状态。油门阀上电，自动回复到怠速状态，因此，正常情况下，AD在零点的时间很短。如果AD转换值超过一定时间仍处于零的状态，则说明AD断线，控制器发出警报。在实际应用中，油门阀由于标定等的问题，在伸出或缩回过程中，会出现堵转现象，此时，电机的电流会急速增大，因此在对电机进行保护的基础上，还要进行堵转处理。本发明为检测流过电机的电流值，当电流超过一定值时，电机反转，并发出堵转警报。

本发明的软件实现如图2所示。

3、优点及效果：

本发明为一种发动机电子油门控制器，它的优点是兼容摆杆式和位置式两种不同用途油门阀的控制；具有CAN总线通信功能，可以实现多个油门阀的同步控制；可以实现在线修改ID、波特率、油门怠速位置和油门最大位置；两种控制方式可选，既可以由其他控制器通过CAN总线向油门控制器发送控制命令实现油门大小控制，也可以将脚踏板直接接在油门控制器上，由控制器根据脚踏板的位置，控制油门的大小，并具有掉电保护、通信检测处理、AD断线检测处理、堵转检测处理等功能。

本发明的一种发动机电子油门控制器，可以满足大部分工程机械的发动机油门控制需求。目前，该电子油门控制器已经应用于一些工程机械中，运行稳定，并已取得了良好的经济效益。

(四)附图说明

图1发动机电动油门控制器原理示意图

图2程序流程示意图

图中符号说明如下：

1中央处理器；2CAN总线通信电路；3PWM信号增强电路；4MOS管驱动电路；5频率信号检测电路；6A/D转换电路；7掉电保护电路；8油门阀选择电路；

(五)具体实施方式

本发明是一种发动机电子油门控制器，它主要用于工程机械车辆上。如图1所示，本发明主要由以下几个部分组成：中央处理器1，CAN总线通信电路2，PWM信号增强电路3，MOS管驱动电路4，频率信号检测电路5，A/D转换电路6，掉电保护电路7，油门阀选择电路8。

所述中央处理器1，是自带PWM功能的飞利浦单片机P89V51RD2FN。

所述CAN总线通信电路2，包括CAN总线控制器，CAN总线隔离电路以及CAN总线收发器；该CAN总线控制器是AN82527，它通过CAN总线隔离电路与CAN收发器相连，实现CAN总线通信，提高总线的抗干扰能力；该CAN总线隔离电路是由两片光耦隔离芯片6N137组成，其中一片的输入信号引脚与CAN总线控制器输出信号引脚相连，输出信号引脚与CAN收发器的输入信号引脚相连，另外一片的输入信号引脚与CAN收发器输出信号引脚相连，输出信号引脚与CAN总线控制器的输入信号引脚相连；该CAN总线收发器是PCA82C250，通过芯片的CANH和CANL两个引脚，直接与CAN总线连接；本控制器既可以通过CAN总线在线修改油门怠速值、油门最大值以及控制精度等数值，也可以通过控制器上的油门怠速和最大位置电阻来设置油门的位置门限。本控制器可以在线修改ID号及波特率，以满足不同节点及不同通信波特率的要求，可以实现多个油门阀的同步控制。

所述PWM信号增强电路3，是由反相器74HC04和驱动器MC1413组成；反相器74HC04输入引脚与中央处理器的PWM波信号输出引脚相连，其输出引脚与驱动器MC1413的输入引脚相连；驱动器MC1413输出引脚与MOS管驱动器的输入引脚相连；该电路用于放大PWM波信号的电流，以便驱动MOS管驱动器。

所述MOS管驱动电路4，主要由MOS管专门驱动芯片MC34152组成；其信号输入引脚与驱动器MC1413的输出引脚相连，信号输出引脚直接与MOS管相连，用于控制MOS管的通断。

所述频率信号检测处理电路5，包括频率信号调理电路和频率信号检测电路。频率信号调理电路由运算放大器LF412和比较器LM311组成；运算放大器LF412的输入引脚与外部接线端子的频率信号输入引脚相连，其输出引脚与比较器LM311的输入引脚相连；比较器LM311的输出引脚与检测电路的输入引脚相连；该电路用于将频率信号调整为便于检测的信号，并保证前后电路出现故障时不相互影响。频率信号检测电路由分频器CD4040和拨码开关组成，分频器CD4040的输入引脚与比较器LM311的输出引脚相连，其输出引脚与拨码开关输入引脚相连；拨码开关的输出引脚与中央处理器P89V51RD2FN的信号检测引脚相连；该比较电路用于降低频率信号的频率以满足高频信号检测的需要。

所述A/D转换电路6，是由MAX197组成；该A/D转换电路的输入分别与脚踏板、怠速油门位置控制电阻、最大油门位置控制电阻及位置传感器的输出相连，通过信号调理后输入A/D转换，获取电压值。

所述掉电保护电路7，采用一个掉电数据不丢失的芯片X5045实现，用于存储控制器的ID号、波特率、控制精度、怠速位置、最大位置等。控制器上电时，自动读取内容，并发送上电信息，油门阀回复怠速位置。修改控制器基本信息，自动更新并存储新信息。控制器掉电时，信息不丢失。同时在程序中含有一个X5045工作是否正常的检测程序，当数据不正常或X5045损坏时，系统自动配置成默认状态。

所述油门阀选择电路8，由二选一的开关和控制方向的继电器组成；该开关的一路输出信号与摆杆式油门阀相连，另一路与继电器相连，用于选择油门阀的类型和实现油门阀控制方式的选择。

油门阀控制器有10个输入输出信号：24V电源输入，24V地输入，即整个系统的电源输入；AD输入，即位置式油门位置输入；频率输入，接摆杆式油门阀所控制的电机转速测量传感，用于测量电机的转速；电机正负端接口，即位置式油门阀的电源线，用于与油门阀8b相连；CANH和CANL，即CAN总线的高低信号线；5V电源输出，5V地输出，该信号为位置式油门阀传感器提供电源。

油门阀控制器有5个电源转换模块：模块一，24V转±12V，用于给频率检测所用的放大器供电；模块二，24V转15V，用于给MOS管驱动芯片供电；模块三，24V转不隔离5V，用于给中央处理器、AD芯片、比较器及CAN控制器供电；模块四，24V转隔离普通5V，用于给光耦隔离电路及CAN收发器供电，提高通信的抗干扰能力；模块五，24V转隔离精密5V电源，用于给脚踏板、位置式油门阀传感器、怠速电阻和最大位置电阻供电，以提高精度。

本发明的软件实现如图2，具体实施过程：上电初始化CAN总线ID号，波特率，怠速位置，高速位置，控制精度等，并将油门打开至怠速位置。然后进入控制方式检测阶段，如果处于关闭油门状态，则油门关闭；如果油门处于通信控制状态，则根据CAN总线上接收到的数据进行控制；如果自控控制，则进入自动各类数据，并进入自动控制过程状态。通信控制状态下，当采用摆杆式油门阀时，通过CAN总线或脚踏板获取电机应有的转速，脉冲信号传感器采集电机转动时产生的脉冲反馈信号，反馈频率分三挡，可根据电机的齿轮齿数选择，信号经过调理、比较、分频之后送中央处理器。信号频率检测出来后，根据电机齿轮的齿数及分配情况还原实际的电机转速。建立指令与反馈转速之间的比例关系，控制PWM的占空比，从而实现油门的大小控制，即电机的转速控制；当采用位置式油门阀时，通过CAN总线或脚踏板获取油门的位置信号，通过油门阀的位置传感器获取油门的位置，建立指令与位置之间的对应关系，控制电磁继电器实现电机的正反向转动控制，控制PWM占空比实现伸缩的快慢控制，从而是油门大小的精确控制。在自动控制状态下，首先检测脚踏板位置，然后获取油门阀的位置或电机转速，计算后，获取命令信号与现有信号的差值，若脚踏板命令信号比反馈值大，则控制油门阀伸出或增大PWM的占空比；若脚踏板命令信号小于反馈值，则控制油门阀缩回或减小PWM的站空比；若脚踏板命令信号与反馈信号在误差范围内，则停止位置式油门阀的伸缩或保持摆杆式油门阀PWM占空比不变。

本发明采用PID与BangBang相结合的控制算法。在位置式油门阀的控制中，根据接收的命令，控制油门的大小，建立油门目标值与PWM占空比的关系，通过PID算法和BANGBANG算法，实现油门的精确控制；在摆杆式油门控制中，根据接收的命令，控制电机的转速，建立电机转速反馈与PWM占空比的指令关系，通过PID算法，调节占空比的大小，控制电机转速，从而控制油门的大小。

本发明具有通信中断检测处理，正常时，每10ms油门阀控制器会收一次命令，并回复应答信号。如果超过200ms双方都没有收到数据，则代表通信出现问题，模块转为直接采集控制板上的脚踏板信号，对油门阀进行控制，并发出通信中断警报。

本发明包含AD断线检测，目的为检测位置传感器的输入是否正常。其输入端并接一个非常大的电阻，如果AD线出现断线，则AD转换值就一直保持零状态。油门阀上电，即回复到怠速状态，因此，正常情况下，AD在零点的时间很短。如果AD转换值超过一定时间仍处于零的状态，则说明AD断线，控制器发出警报。

本发明具有堵转处理功能，由于标定等的问题，位置式油门在伸出或缩回过程中，会出现堵转现象，此时，电机的电流会急速增大，因此在对电机进行保护的基础上，还要进行堵转处理。本发明为检测流过电机的电流值，当电流超过一定值时，电机反转，并发出堵转警报。

Claims (1)

1.一种发动机电子油门控制器，其特征包括：该控制器是由中央处理器，控制局域网总线通信电路，脉冲宽度调制信号增强电路，金属氧化物半导体型场效应管管驱动电路，频率信号检测电路，A/D转换电路，掉电保护电路，油门阀选择电路组成；

所述中央处理器，是自带PWM功能的飞利浦单片机P89V51RD2FN；

所述CAN总线通信电路，包括CAN总线控制器、CAN总线隔离电路以及CAN总线收发器；该CAN总线控制器是AN82527，它通过CAN总线隔离电路与CAN收发器相连，实现CAN总线通信，提高总线的抗干扰能力；该CAN总线隔离电路是由两片光耦隔离芯片6N137组成，其中一片的输入信号引脚与CAN总线控制器输出信号引脚相连，输出信号引脚与CAN收发器的输入信号引脚相连，另外一片的输入信号引脚与CAN收发器输出信号引脚相连，输出信号引脚与CAN总线控制器的输入信号引脚相连；该CAN总线收发器是PCA82C250，通过芯片的CANH和CANL两个引脚，直接与CAN总线连接；

所述PWM信号增强电路，是由反相器74HC04和驱动器MC1413组成；反相器74HC04输入引脚与中央处理器的PWM波信号输出引脚相连，其输出引脚与驱动器MC1413的输入引脚相连；驱动器MC1413输出引脚与MOS管驱动器的输入引脚相连；

所述MOS管驱动电路，主要由MOS管专门驱动芯片MC34152组成；其信号输入引脚与驱动器MC1413的输出引脚相连，信号输出引脚直接与MOS管相连；

所述频率信号检测处理电路，包括频率信号调理电路和频率信号检测电路；频率信号调理电路由运算放大器LF412和比较器LM311组成；运算放大器LF412的输入引脚与外部接线端子的频率信号输入引脚相连，其输出引脚与比较器LM311的输入引脚相连；比较器LM311的输出引脚与检测电路的输入引脚相连；频率信号检测电路由分频器CD4040和拨码开关组成，分频器CD4040的输入引脚与比较器LM311的输出引脚相连，其输出引脚与拨码开关输入引脚相连；拨码开关的输出引脚与中央处理器P89V51RD2FN的信号检测引脚相连；

所述A/D转换电路，是由MAX197组成；该A/D转换电路的输入分别与脚踏板、怠速油门位置控制电阻、最大油门位置控制电阻及位置传感器的输出相连，通过信号调理后输入A/D转换；

所述掉电保护电路，采用一个掉电数据不丢失的芯片X5045实现；

所述油门阀选择电路，由二选一的开关和控制方向的继电器组成；该开关的一路输出信号与摆杆式油门阀相连，另一路与继电器相连。

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