CN202144763U - 一种发动机电子节气门控制的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发动机电子节气门控制装置，其特征在于：节气门位置传感器、踏板位置传感器、加速传感器以及其它反应发动机工作状态的信息采集模块连接到单片机的AD转换模块，单片机根据AD采集到的油门踏板值、及节气门位置值标定PWM信号，PWM信号作用于驱动电路控制直流电机来调节节气阀门的开度。本装置具有控制精度高、调节时间短和超调小的特点；本装置可以对初始位置学习，能适应不同类型的电子节气门和不同磨损程度的电子节气门，既可用于燃油汽车，也可用于燃气汽车和混合动力汽车，安装方便。

Description

一种发动机电子节气门控制的装置

技术领域

本实用新型涉及一种汽车控制系统，具体涉及一种发动机电子节气门控制装置。

背景技术

目前对于油门系统存在机械式油门系统和电子控制式油门系统两种。

传统的汽车节气门，采用钢丝绳和拉杆与驾驶室内的油门踏板相连，通过回复弹簧回复节气门体。通过驾驶员脚踩油门踏板的行程来控制节气门开度，从而改变进气通道的开度，调节发动机的进气量，达到改变发动机输出功率的目的。这种节气门控制方式很难根据汽车的不同工况相应地做出精确调整，特别是在冷起动、低负荷和怠速工况下更是如此，因而导致汽车的经济性下降和排放的降低。对于后置发动机，当车身过长时，油门拉线也随宜之增长，这造成了油门回位问题，给行车带来了很大的安全隐患。另外，该系统在怠速控制中还需要步进电机控制阀，组成元件的过多不仅增加了成本还增加了故障的机率。该系统由节气门位置传感器、步进电机以及控制器、节气门体和拉线组成。

随着技术的发展，目前直流电机控制式油门控制系统也有一定发展，该控制系统通过直流电机驱动节气门运动，回复弹簧起回位作用，减速齿轮组起减小电机转速增大扭矩的作用，并通过位置传感器反馈节气门位置。该控制系统大多集成在国外ECU控制系统中，价格高昂且无法用于自主产品的开发。目前国内类似控制系统，有的采用PID控制算法，但由于电子节气门的严重非线性，该算法需要多组PID参数，这就导致严重的参数整定困难，一旦参数不合适，就会存在超调量大、抖动大、调节时间长和静态偏差大等性能问题。也有采用模糊控制算法的，但模糊控制需要大量的专家经验，如隶属度函数的选择，控制规则的选取等，这往往需要大量实验和长时间调试的经验积累，这就加长了开发周期，且一旦选取不合适，同样会造成控制性能差的问题。另外，节气门的制造存在差异，即使同一型号也会存在初始位置不同、弹簧力不同等差异。还有随着电子节气门的使用，磨损增加，会发生减速齿轮间隙变大，摩擦力改变，回复弹簧力减小和初始位置变化等结构性的变化，目前的这些控制系统无法适应这种情况且对初始位置的变化不能进行自学习，适应能力较差。

发明内容

本实用新型实施例提供一种电子节气门的控制装置，它能克服目前存在的节气门控制系统的弊端，是一种适应能力强、精度高、超调小、调节时间短以及具有初始位置学习功能和电压补偿功能的新型电子节气门控制系统。同时还增加了故障诊断功能，使其使用更加安全、高效。

为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案具体是这样实现的：

本实用新型一方面涉及一种发动机电子节气门控制装置，包括：电子节气门、单片机和驱动电路，单片机的PWM控制信号输出端相连接直流电机驱动电路，驱动电路的功率输出线与电子节气门内的直流电机连接。其特征在于：节气门位置传感器、踏板位置传感器、加速传感器以及其它反应发动机工作状态的信息采集模块与单片机的AD采集模块相连接，单片机中央处理器根据AD信号标定PWM信号并发送给驱动电路，驱动电路将按照PWM信号输出功率信号给电子节气门的直流电机以控制节气阀门的开度。

在本实用新型的一个优选实施方式中，所述的其它反应发动机工作状态的信息采集模块包括转速信号采集模块、进气压力采集模块、冷却水温度采集模块、进气温度采集模块和氧传感器信号采集模块，为发动机和电子节气门的反馈控制提供依据，同时也为诊断功能的实现提供必要的信息。

在本实用新型的一个优选实施方式中，其特征在于节气门位置传感器、踏板位置传感器、加速传感器以及其它反应发动机工作状态的信息采集模块与与单片机的故障诊断模块相连接，能够及时发现发动机及外围附属设备的故障，及时指导发动做出相应的动作，并以报警的方式指示司乘人员做出恰当的处理措施。

在本实用新型的一个优选实施方式中，其特征在于故障诊断模块与单片机中央处理器相连接，将故障诊断信号传送给单片机中央处理器。

在本实用新型的一个优选实施方式中，其特征在于故障诊断模块与ECU通信。

在本实用新型的一个优选实施方式中，其特征在于单片机与用来与PC通信的串口通信模块相连接，所述的串口通信模块，可以代替烧写器的功能，可以实现与PC机的通信，实现程序的在线修改，便于维护。

在本实用新型的一个优选实施方式中，其特征在于单片机与用来与整车控制系统通信的CAN通信模块相连接，所述的CAN通信模块为实现整车通信提供了接口，可以接收车身其他控制ECU的信号，并传给发动机微控制器，指导发动机做出相应反应。

在本实用新型的一个优选实施方式中，其特征在于直流电机通过减速齿轮控制节气阀门的开度。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电子节气门控制系统总体结构示意图。

图2为本实用新型实施例的电子节气门结构示意图。

图3为本实用新型实施例的电子节气门开度与位置传感器关系图。

图4为本实用新型实施例的电子节气门驱动电路硬件连接图。

图5为本实用新型实施例中通信模块示意图。

图6为本实用新型实施例的电子节气门控制算法流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型实施例进一步详细说明。

电子节气门控制系统总体结构如图1所示。

模块110为其它信息采集模块，主要是包括转速信号采集、进气压力采集、冷却水温度采集、进气温度采集、氧传感器信号采集等反映发动机工作状态的相关信号采集；

模块120为踏板位置和加速传感器，用来反映踏板位置和变化速度，并通过ECU模块130的AD转换输入到单片机中央处理器133中，同时也输入到诊断模块132中，进行故障诊断；

模块130为单片机，包括AD转换模块131、用于故障诊断的诊断模块132、单片机进行电子节气门控制器计算的学习判定诊断模块即单片机中央处理器133和用于生成驱动电路控制信号PWM输出模块134；

直流电机驱动模块140，用于将单片机输出的PWM控制信号转换为直流电机的电流信号，实现信号与执行器件连接；

模块150为电子节气门模块，包括直流电机模块151、减速齿轮组模块152、节气门阀模块153和位置传感器模块154；

模块160为CAN通信模块，用来接收整车中其它控制ECU的信号，从而根据整车状况对发动机和电子节气门做出相应调整；

模块170为串口通信模块，可实现PC机和单片机的通信，可以实现程序在线修改和在线监控功能。

以上模块是有机结合在一起的，其具体工作过程如下：其它传感器模块110将发动机的各个状态信息包括转速信号、进气压力信信号等经过相应的转换处理，通过AD转换器转换为单片机能够进行处理的数字信号，用于进行相应的计算和判断；踏板位置和加速传感器120则将司乘人员要求加速、减速和恒速的意愿，并通过AD转换器转换为数字信号交由单片机处理；电子节气门位置传感器由冗余的两个位置传感器组成，这个位置传感器成互为增减，通过AD转换器转为数字信号；单片机130将采集到的各个状态信息，包括发动机状态、踏板状态和电子节气门位置等进行综合评价和判断，给出发动机在现在工作状况下实际需要的节气门开度，与现在的节气门位置进行比较，通过所设计的数字控制器进行计算，得出现在的控制信号即PWM占空比，将该信号通过集成在微控制器中的PWM信号输出模块输出。驱动电路140将接收到PWM信号转换为直流电机的电流信号，并驱动直流电机151带动减速齿轮组152以及节气门阀运动153，从而达到控制节气门开度的目的。需要说明的是，此处的PWM信号是分正负的，正PWM信号反映直流电机扭矩为节气门开大的方向，负PWM信号反映直流电机扭矩为节气门关闭的方向。

本实用新型实施例中的电子节气门机械结构如图2所示：电子节气门由节气门阀1、位置传感器2、位置传感器3、减速齿轮组4、直流电机5、回复弹簧6、限位块7组成。所述回复弹簧分为两个区，A区和B区，其弹簧力都指向初始位置8，以使节气门在静态时停在初始位置，即跛行位置。回复弹簧的作用是增加安全性，当出现故障时，使节气门阀回到跛行位置；减速齿轮组对直流电机减速并增加扭矩，增加可控性并使结构紧凑；位置传感器为反馈控制提供依据；由于受回复弹簧、摩擦阻力、齿轮间隙、气流冲击，造成电子节气门非线性严重，控制难度增加，这就需要具有较高适应能力和控制能力的控制器。

图3为本实用新型实施例中电子节气门开度与位置传感器的关系图。电子节气门有两个位置传感器，传感器1和传感2，从图3可以看出，这个位置传感器互为增减关系，当传感器1的电压值增大时，传感器2的电压值减小，且这两个传感器的电压和为恒5V。这是一种冗余设计，在实际控制中，同时采集这两个AD传感器的值，并根据他们的和为恒值的关系做出判断，以保证安全性。

图4为本实用新型实施例中电子节气门驱动电路硬件连接图，TLE6209R是特别适合直流电机驱动的H桥智能集成芯片，可以通过SPI功能对调制电流进行设定，也可进行故障诊断。管脚CSN为片选功能，管脚INH为禁止工作功能，管脚PWM为PWM信号输入，管脚DIR用来控制电流方向从而控制电机扭矩方向，OUT1和OUT2为输出管脚即为直流电机电流入出端。

图5为本实用新型实施例中通信模块示意图，其中串口通信模块是将串口转换为可以单线通信，且具有KWP2000协议的K线通信，包括：

模块510为PC机，作为程序在线修改和在线临控的上位机。

模块520为K线和串口转换模块，将PC机的串口信号转换为K线信号。

模块530为K线信号的通信线，K线的逻辑1为12V，逻辑0为0V。

模块540为K线和串口转换模块，将传过来的K线信号转为SCI可以接受的串口通信信号。

模块550为MCU单元，包括SCI模块551、数据处理单元模552、CAN接口模块553。

所述模块551为微控制器所具有的SCI模块，用来进行串口通信。

所述模块552为微控制器的数据处理单元，处理传传输数据。

所述模块553为CAN接口模块，即为整车与ECU通信接口。

模块560为CAN驱动模块，即为实现CAN通信的驱动电路。

模块570为微控制器内的CAN通信模块，处理CAN信号的接收和发送。

需要说明的是，本实用新型实施例的通信模块中的CAN通信模块与现有技术相同，不再赘述。

本实用新型实施例的控制算法流程图如图6所示，包括：

步骤601：程序开始，ECU上电。

步骤602：ECU中的中央控制器初始化以及外围各驱动芯片初始化。

步骤603：上电后的节气门初始位置学习，这可以让该控制算法适应不同的电子节气门，且能不断适应电子节气门的磨损后的结构。

步骤604：节气门位置、踏板位置和发动机工作状态判定和计算，信息来源于节气门位置传感器154、踏板位置和加速传感器120和发动机其他状态信息110。

步骤605：发动机其他状态信息采集，主要由转速信号、进气压力信号、冷却水温度等信号组成。

步骤606：CAN通信模块，用于传输其他整车信息。

步骤607：整车信息采集。

步骤608：根据以上步骤采集到的信息，判断各个模块是否工作正常。

步骤609：当工作不正常时，电子节气门所采集的动作是关闭节气门阀。

步骤610：在关闭节气阀的同时，故障灯亮，提示故障。

步骤611：当一切工作正常时，根据以上步骤采集到的信息进行综合判断和计算得出所需要的节气门目标位置。

步骤612：判断目标位置和实际位置是否相等，若相等，则转到步骤604；若不相等，则进入步骤613。

步骤613：根据规则控制计算PWM值和电流方向，这是通过控制器中的软件进行计算的，并加上电压补偿等补偿值。

步骤614：将步骤613所得到的PWM值和输出方向值通过驱动电路控制直流电机运动，并通过减速齿轮组带动节气门阀运动。

由上述可见，本实用新型实施例提供了一种电子节气门控制装置：该装置具有CAN通信模块，可以与整车进行数据交换；具有串口通信模块，能在线修改程序和在线程序监控；具有诊断功能，可以判断出故障，并进入故障模式；控制器具有自学习功能，能适应不同种类电子节气门和不同磨损程序的电子节气门；具有电压补偿，在电压低时可以正常工作；响应性能具有调节时间短、无超调、控制稳定等优点。可以看出，本实用新型具有许多其他发明所没有的技术优势，是一个更适应汽车特殊情况和实际使用的新的创新。

容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用于限定本实用新型的精神和保护范围，任何熟悉本领域的技术人员所做出的等同变化或替换，都应视为涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种发动机电子节气门控制装置，包括，电子节气门、单片机，驱动电路，单片机的PWM信号连接到电子节气门驱动控制电路系统，驱动电路的输出连接到电子节气门内部直流电机驱动模块，其特征在于：节气门位置传感器、踏板位置传感器、加速传感器以及其它反应发动机工作状态的信息采集模块通过单片机的AD采集模块将信号传送到单片机内核，单片机根据AD信号将标定的节气门开度转化为PWM信号作用于驱动电路，驱动电路将按照PWM信号输出功率信号给电子节气门的直流电机以控制节气阀门的开度。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述的其它反应发动机工作状态的信息采集模块包括转速信号采集模块、进气压力采集模块、冷却水温度采集模块、进气温度采集模块和/或氧传感器信号采集模块。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于节气门位置传感器、踏板位置传感器、加速传感器以及其它反应发动机工作状态的信息采集模块与单片机的故障诊断模块相连接。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于单片机的故障诊断模块将信息传递到单片机中央处理器，诊断及指导发动机做出相应的动作。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于单片机与用来与PC通信的串口通信模块相连接。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于单片机与用来与整车控制系统通信的CAN通信模块相连接。

7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于单片机控制驱动电路作用于电子节气门内部直流电机，直流电机通过减速齿轮控制节气阀门的开度。 

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