CN1412426A - 一种电子节气门控制器 - Google Patents

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CN1412426A
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CN 02147799
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全书海
杜传进
尹叶丹
程昌银
李波
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Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明涉及一种电子节气门控制器，它具有与上位机通信的CAN总线网络接口、向电子节气门的直流伺服电机输出控制信号的信号输出端、接收电子节气门的直流伺服电机的位置反馈信号的信号输入端；它包括嵌入式微处理器和脉冲宽度调制功率输出模块；嵌入式微处理器包括软件实现的脉冲宽度调制信号输出，脉冲宽度调制功率输出模块的信号输出端为直流伺服电机的控制信号端。本发明电子节气门控制器通过CAN总线网络接口与上位机通信，且CAN总线的通讯简单，方便，抗干扰性强，使控制器与汽车的各系统之间既相互联系又相对独立，从而克服了目前电子节气门的控制形式的缺陷，使汽车和汽车发动机的性能大大改善。

Description

一种电子节气门控制器
技术领域
本发明涉及汽车发动机，特别是汽车发动机节气门的控制器。
背景技术
节气门是汽车发动机的重要部件，传统的汽车发动机上，基本上都采用的是传统的机械方式的节气门。随着技术的发展，一种电子节气门被开发出来，它用电机来控制节气门工作，与传统机械方式的节气门相比，能大大改善汽车行驶的动力性、平稳性、经济性，并能减少排放污染，因此，电子节气门必将逐步取代传统机械方式的节气门。
目前，对电子节气门的控制，即对电子节气门驱动电机的控制，一般采用两种形式：一种是通过一独立的控制器来控制节气门驱动电机，这种控制形式的缺点为：汽车的各系统之间相互独立，各系统之间无法进行数据交换，不能统一管理和控制，因此，使具有电子节气门的发动机无法发挥出应有的效果。
对电子节气门驱动电机控制的另一种是：通过汽车中央控制器直接控制节气门驱动电机，这种控制形式，虽能实现汽车的各系统之间的数据交换和统一管理，但汽车的各系统之间的相互干扰严重，影响了汽车的稳定性。
由于目前对电子节气门的控制具有上述缺陷，因此会对汽车动力输出和稳定性造成不利影响，特别是对对控制系统要求极高的电动车辆和混合动力电动车辆的影响更大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电子节气门控制器，它与汽车的各系统之间相互联系但又相对独立，从而克服了目前电子节气门的控制形式的上述缺陷。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：它具有与上位机通信的CAN总线网络接口、向电子节气门的直流伺服电机输出控制信号的信号输出端、接收电子节气门的直流伺服电机的位置反馈信号的信号输入端；它包括嵌入式微处理器和PWM(脉冲宽度调制)功率输出模块；嵌入式微处理器通过CAN总线网络接口与上位机通信；嵌入式微处理器包括软件实现的PWM(脉冲宽度调制)信号输出，嵌入式微处理器的PWM信号输出端与PWM功率输出模块的信号输入端连接；PWM功率输出模块的信号输出端为直流伺服电机的控制信号端；直流伺服电机的位置反馈信号的信号输出端直接接至嵌入式微处理器的A/D转换信号输入端。
本发明电子节气门控制器通过CAN总线网络接口与上位机通信，且CAN总线的通讯简单，方便，抗干扰性强，使控制器与汽车的各系统之间既相互联系又相对独立，从而克服了目前电子节气门的控制形式的缺陷，使汽车和汽车发动机的性能大大改善。
附图说明
图1为本发明实施例结构框图
图2为CAN总线网络接口通信的结构框图
图3为DSP(数字信号处理器)控制单元的电路原理图
图4为死区控制电路的电路原理图
图5为死区控制电路产生的PWM1、PWM2的波形图
图6为自举驱动电路的电路原理图
图7为H桥功率输出电路的电路原理图
图8为本发明实施例的软件流程图
具体实施方案
如图1所示的本发明实施例，它具有与上位机通信的CAN总线网络接口、向电子节气门的直流伺服电机输出控制信号的信号输出端、接收电子节气门的直流伺服电机的位置反馈信号的信号输入端。它包括嵌入式微处理器和PWM功率输出模块，其中嵌入式微处理器为DSP(数字信号处理器)；PWM功率输出模块由死区控制电路、自举式驱动电路、4个MOS(金属膜场效应)管组成的H桥功率输出电路组成，自举式驱动电路向各个MOS管提供驱动。DSP控制单元通过CAN总线网络接口与上位机通信。DSP控制单元的软件包括对反馈信号A/D转换的实现，智能PID调节器程序和PWM脉宽调制信号的产生，DSP的PWM信号输出端与PWM功率输出模块的死区控制电路信号输入端连接；PWM功率输出模块中4个MOS管组成的H桥功率输出电路的信号输出端，作为直流伺服电机控制信号的信号输入端；直流伺服电机的位置反馈信号的信号输出端直接接至嵌入式微处理器的A/D转换信号输入端。
如图2所示，CAN总线采用的双绞线，两根线分别为CAN高和CAN低。PCA82C250芯片就是DSP中的CAN控制器与物理总线间的接口，它是专用的CAN驱动芯片，提供对总线的差分发送和接收功能。它完成CANH，CANL和CAN发送，CAN接收之间的转换。为了增强CAN通信的抗干扰能力，DSP控制单元的缓冲器与CAN总线网络接口之间设有光电隔离电路；光电隔离电路可采用的高速光隔芯片6N137。另外，为了避免电源引起的干扰，CAN通信部分采用单独的DC-DC(直流变直流)电源模块供电。
如图3所示，本发明实施例的DSP控制单元为TMS320LF2407 DSP，它内部硬件集成了CAN控制器和A/D模数转换模块，节气门开度给定信号是通过CAN总线由上位机传出，被DSP中的CAN控制器接收。节气门位置反馈是一个模拟的电压信号，可以直接接到DSP的一路A/D引脚，当然需给DSP的A/D模块供电，并为转换提供参考电压。给定与反馈在DSP中经过一定的算法最终转化为占空比变化的PWM脉宽调制信号输出。为了调试方便，我们需为DSP扩展一个外部程序RAM(随机存储器)。另外由于DSP的驱动能力有限，并且其工作电压为3.3V，所以其引脚输出或接收的一些信号包括CAN发送，CAN接收和IO口输出的信号都需经过缓冲和电平转换。在本发明实施例中，缓冲和电平转换可由74HC245芯片一并完成，该芯片采用3.3V供电。
如图4所示，PWM信号首先经过死区控制器。在死区控制器中，PWM信号首先被反向分成高低电平正好相反的两路，然后对每一路信号由低变高的时间延迟。通过电容的充电，使PWM信号中由低电平到高电平的的时间被延迟。而因为有反向二极管的快速放电使PWM信号由高电平到低电平的时间不被延迟，死区的时间由一阶电路的零状态响应公式计算。在本电路中，需要死区时间为2us-8us，我们选取电阻R为500-2k欧姆，电容C大小为0.01uf，于是产生的信号PWM1与PWM2的波形(如图5所示)。即一路信号为高电平的时间建立在另一路信号保证是低电平的前提下。
本发明实施例采用4个MOS管组成的H桥功率输出电路，为对各个MOS管提供驱动，本发明实施例采用自举式MOS管专用驱动芯片IR2110(如图6所示)，通过自举产生所需的多个地端，从而解决MOS管不共地的问题。该芯片的采用，大大简化了驱动电路。在经过IR2110以后，PWM1，PWM2被分成四组(并对应地端)分别去驱动后面的四个MOS管。这四组分别为(OUT1，GND1)、(OUT2，GND0)、(OUT3，GND3)、(OUT4，GND0)，其中OUT1，OUT3由自举产生。C21，C22为自举电容，在本发明实施例中，PWM开关频率为5kHZ-20kHZ，占空比变化范围较大，自举电容C21，C22选取0.1u，工作良好。
如图7所示的H桥功率输出电路的电路原理图，该电路的工作原理为：当PWM信号占空比大于50％时，即OUT1，OUT4信号已高电平时间＞50％，OUT3，OUT2信号的高电平时间＜50％，所以，Q1，Q4管的导通时间长一些。故平均电流为从节气门电机的1端流向2端，对应电机正转。同理，PWM信号占空比小于50％时，电流流向从1到2，对应电机反转。当占空比等于50％时，节气门稳定在某个角度不动。
如图8所示的本发明实施例的软件流程图，该软件程序流程中，存在两个中断，一个是主控ECU(CAN上位机)每隔20ms发出的数据引起本系统节气门ECU的中断，通过中断，取出本发明实施例中所需的数据并计算所要求的开度给定电压，更新该给定变量；另一个是本系统定时器周期到而引起的中断，在该中断程序中，进行控制算法，包括采样节气门位置反馈电压，智能PID(比例-积分-微分)调节器控制算法，然后更新PWM比较寄存器，通过调节PWM占空比调节节气门开度。
智能PID控制算法：
为了加快系统的的响应速度，我们采用了经过改进的的智能PID控制算法。
C(k)为反馈量，VIN(k)为给定量，VE(k)为偏差。
F(k)＝C(k)+Kd*[C(k)-C(k-1)]；          微分先行。
VE(k)＝VIN(k)-F(k)；
If VE＞0.5V，then控制量PWM比较值＝173(最大值90％的占空比)
If VE＜-0.5V，then控制量PWM比较值＝19(最小值10％的占空比)
Else控制量U＝U_last+x0*(VE-VE_last)1+x1*VE；比例-积分算法
     If U＞5V，then U＝5V
     If U＜-5V，then U＝-5V
     PWM比较值＝U*15.4+96
最后通过控制算法得出的PWM比较值去改变DSP输出的PWM信号的占空比，由此来调节节气门的开度。
测试效果：
经实际测试，本发明实施例控制器与上位机通信良好，能很好的实现对电子节气门的控制，响应速度快，工作稳定可靠。
本发明控制器中的嵌入式微处理器也可为单片机。
本发明控制器中的脉冲宽度调制功率输出模块也可以直接接收外部的脉冲宽度调制信号。

Claims (5)

1、一种电子节气门控制器，其特征在于：它具有与上位机通信的CAN总线网络接口、向电子节气门的直流伺服电机输出控制信号的信号输出端、接收电子节气门的直流伺服电机的位置反馈信号的信号输入端；它包括嵌入式微处理器和脉冲宽度调制功率输出模块；嵌入式微处理器通过控制总线网络接口与上位机通信；嵌入式微处理器包括软件实现的脉冲宽度调制信号输出，嵌入式微处理器的脉冲宽度调制信号输出端与脉冲宽度调制功率输出模块的信号输入端连接；脉冲宽度调制功率输出模块的信号输出端为直流伺服电机的控制信号端；直流伺服电机的位置反馈信号的信号输出端直接接至嵌入式微处理器的A/D转换信号输入端。
2、如权利要求1所述的控制器，其特征在于：嵌入式微处理器为数字信号处理器，数字信号处理器的软件中含有智能比例-积分-微分调节器。
3、如权利要求1或2所述的控制器，其特征在于：脉冲宽度调制功率输出模块由死区控制电路、自举式驱动电路、4个金属膜场效应管组成的H桥功率输出电路组成，自举式驱动电路向各个金属膜场效应管提供驱动。
4、如权利要求3所述的控制器，其特征在于：死区控制电路中，死区的产生方法为：通过电容的充电，使脉冲宽度调制信号中由低电平到高电平的的时间被延迟；通过反向二极管的快速放电，使脉冲宽度调制信号由高电平到低电平的时间不被延迟，死区的时间由一阶路的零状态响应公式计算。
5、如权利要求1或2所述的控制器，其特征在于：脉冲宽度调制功率输出模块能直接接收外部的脉冲宽度调制信号。
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