CN205677726U - 一种汽车电子节气门的控制试验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽车电子节气门的控制试验平台，包括：电源；油门踏板，其上设置有油门开度传感器；节气门，其包括节气门电机，以调节进气量；电机驱动器，其与节气门电机连接，控制节气门电机工作；节气门传感器，其设置在节气门上，以检测节气门开度；控制器，其分别与油门开度传感器、电机驱动器、节气门传感器连接，通过采集油门开度和节气门开度，给电机驱动器发送控制指令，调节节气门的进气量；PC机，其与所述控制器连接，以监视、查看试验过程中的数据。本实用新型具有结构简单、功能完善的优点，能够实时对试验参数进行查看，便于了解节气门的工作原理，为优化节气门进气量提供了依据。

Description

一种汽车电子节气门的控制试验平台

技术领域

本实用新型涉及汽车节气门技术领域，特别涉及一种汽车电子节气门的控制试验平台。

背景技术

自上世界七十年代末，国外的汽车厂商和研究机构就开始了对汽车电子节气门的研发工作。八十年代初期，Bosch公司就开始了电子节气门研发测试工作，直到1988年，宝马才开始在高端轿车上配备电子节气门。但是，由于成本和技术条件限制，在此期间，电子节气门的发展迟缓。直到90年代初期，因现代汽车电子控制系统对汽车安全性和稳定性的需求，各大汽车厂商和科研机构才开始加大对汽车电子节气门的研发投入。丰田研制出亚洲最早的电子节气门，但是只是用作原有机械控制装置的辅助部件，并不是真正意义上的电子节气门系统。随后，Bosch、西门子，Denso，Delphi、Visteon，Marcella等众多厂商相继推出了自己的汽车电子节气门产品,虽然这些产品技术不够成熟，但是其表现出的潜力得到各大汽车厂商的重视。近些年来，国外汽车厂商汽车电子技术日趋成熟，推出的产品也更加完善，并且由于技术的提高，电子节气门成本降低，目前国外各大厂商，如通用、福特、大众、丰田、本田、雪铁龙等的汽车产品上大多都安装了电子节气门。可以说，在国外，电子节气门已经逐步取代原有老式节气门，成为汽车的标配。

国内汽车厂商对于电子节气门的应用较晚，其现有的技术也多由国外引进。近几年随着国家经济的飞速发展，汽车工业也迅猛发展，但是由于技术成本的限制，国内厂商大多只在中高端汽车上采用电子节气门，只有少数知名厂商，如一汽、上汽、广汽等尝试在低端汽车上采用电子节气门。虽然国内众多汽车厂商采用了电子节气门，但是基本属于与国外汽车厂商合作，引进的国外技术，并没有本国完全独立知识产权的专利产品。为了打破这种技术壁垒，国内厂商和各大科研机构进行了不懈的努力。2004年，奇瑞汽车公司独立研发出具有完全独立知识产权的电子节气门，应用于旗云系列轿车上。中国一汽集团也进行了自主研发，并将其应用于红旗系列轿车上。国内高校也进行了深入的研究，例如清华大学开发的电子节气门，实现了汽车发动机的扭矩控制；吉林大学利用观测器反馈算法开发的电子节气门，成功的达到了对节气门的精确控制；北京理工大学利用模糊控制进行的快速控制原型设计；大连理工大学采用模糊算法，以单片机为核心设计了汽车电子节气门系统。这些研究都取得了一定的成果，但是国内的汽车电子节气门控制技术和国外汽车厂商相比，仍有较大差距。

实用新型内容

本实用新型设的目的是设计一种汽车电子节气门的控制试验平台，克服了现有试验平台结构复杂，部件连接不便的缺陷，具有结构合理，功能完善的优点。

本实用新型提供的技术方案为：

一种汽车电子节气门的控制试验平台，包括：

电源；

油门踏板，其上设置有油门开度传感器；

节气门，其包括节气门电机，以调节进气量；

电机驱动器，其与节气门电机连接，控制节气门电机工作；

节气门传感器，其设置在节气门上，以检测节气门开度；

控制器，其分别与油门开度传感器、电机驱动器、节气门传感器连接，通过采集油门开度和节气门开度，给电机驱动器发送控制指令，调节节气门的进气量；

PC机，其与所述控制器连接，以监视、查看试验过程中的数据。

优选的是，所述控制器采用单片机。

优选的是，所述单片机为ATmega16A。

优选的是，所述控制器还包括复位电路、时钟电路和下载电路。

优选的是，所述控制其与PC机通过串口或USB进行通信。

优选的是，所述电源为直流电源，并且包括稳压电路。

优选的是，所述电机驱动器采用PWM方式控制节气门电机。

优选的是，所述PC机上显示有可视化友好参数设定显示界面。

优选的是，所述第一阈值为20°，第二阈值为10°。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种汽车电子节气门的控制试验平台，具有结构简单、功能完善的优点，能够实时对试验参数进行查看，便于了解节气门的工作原理，为优化节气门进气量提供了依据。

附图说明

图1为本实用新型所述的汽车电子节气门的控制试验平台总体结构示意图。

图2为稳压电路示意图。

图3为单片机最小系统示意图。

图4为串口通信电路示意图。

图5为USB通信电路示意图。

图6为直流电机驱动电路示意图。

图7为控制流程图。

图8为PC机监控界面示意图。

图9为前面板界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本实用新型提供了一种汽车电子节气门的控制试验平台，包括电源110、油门踏板120、电机驱动器130、节气门140、节气门传感器150以及控制器160和PC机170。

电源110为直流电源，是整个汽车电子节气门实验平台的动力源。电源110为油门踏板120上的传感器、控制器160、电机驱动器130及节气门140进行供电。电源110能够为整个汽车电子节气门实验平台提供稳定的+5V和+12V的直流电源。油门踏板是由驾驶员控制的，其上面的传感器接收到驾驶员的“意图”之后，将驾驶员的“意图”以电信号的方式反映给控制器160。所述控制器160采用单片机控制器。单片机是该系统的核心，各个模块的工作都是由该控制器协调完成。单片机通过A/D转换将采集到的油门踏板120传感器数据读入，然后根据汽车发动机ECU传输的其他相关数据信息计算出节气门140的最佳开度。确定节气门140最佳开度后，单片机根据节气门传感器反馈信号，通过一定的控制算法确定控制输出值，该值经过换算后用于电机驱动器130的占空比的设定。电机驱动器130是单片机输出信号的放大器，其根据单片机输出的PWM信号，输出对应的直流电压以驱动节气门电机。PC机170是实验平台的监控器，实验过程中的数据、现象均能够在PC机170上进行查看。

如图2所示，为了使汽车电子节气门实验平台能够安全稳定的运行，直流电源的输出必须具有稳定性。因此，所述电源110包括稳压电路。汽车电子节气门实验平台中直流电机所需电流最大可达6A，超过几种芯片最大电流要求，所以本设计采用LM318芯片，其输出值为1.2V-32V，最大为7A。

如图3所示，所述控制器160采用ATmega16A单片机，还包括复位电路、时钟电路、下载电路3部分。

ATmega16A与一般51系列单片机采用的复位电路不相同，它是低电平信号复位。当开关按钮K1按下时，RESET引脚与地相连通，其电平被拉低实现单片机的复位。当K1断开，RESET电平重新变高，控制器从复位模式转为正常工作模式。电容C3的存在可以消除杂波、干扰使得复位电路更加可靠，不会因为外界干扰使单片机频繁复位。二极管D1的作用有两个：一是将复位信号的电压值限制在VCC+0.5V附近，二是外部供电中断后使电阻R1短路，使电容C3迅速放电，以使下次上电时能及时产生有作用的复位电压。

控制器程序下载电路设计时，采用ISP下载方式。ISP是在线系统编程的缩写，其优点是，即使器件焊接在电路板上，仍可对其进行编程在系统可编程是FLASH存储器的固有特性，FLASH几乎都采用这种编程方式，本设计也不例外。另外，ISP编程硬件设计简单，下载方便可靠，有效提高工作效率。

该系列单片机可通过两种方式提供时钟。一种是使用内置RC振荡器，另一种是外接晶振。虽然ATmega16A已经内置了RC震荡器，可以产生1MHz、2MHz、4MHz、8MHz的振荡频率，但是其容易受到外部环境的影响，所以在一些要求较高的场合，如RS232通信、定时器计数、产生PWM输出时，就需要外接晶振电路，以减少外部干扰及芯片温度对时钟频率的影响，提高芯片精度。本实验平台采用常见的12Mhz的晶振。

本实验平台设计要求单片机能够与PC机170进行相互通讯，以便在PC机上通过监控软件对实验结果进行实时显示及分析。

如图4所示，串口通讯以RS232通讯协议作为标准。其对逻辑电平的规定是：高电平(逻辑1)为-3～-15V，低电平为+3～+15v，介于-3～+3以及低于-15v或者高于+15v的电平都被认为是无意义的。而单片机一般采用TTL电平，对于AVR系列，+5V为逻辑高，0V为逻辑低，其通讯接口电平值与RS232通讯协议并不相同，因此需要在单片机端接RS232电平转换电路。本设计采用专用芯片MAX232将单片机TTL转换为RS232。

串口通讯只需一根9针线将电脑和控制器上的9针接口连接，即可实现其与电脑的相互通讯。这种方式的优点是硬件连接简单，缺点是不适合单片机与笔记本电脑连接，因为目前笔记本大多已经取消了串口接口的设计。

USB接口是目前所有电脑的标配，本设计中单片机与PC机通讯采用USB方式成功解决笔记本无串口接口的难题。USB是一种串口线，是一种外部总线标准，用来规定PC和外设之间的接线和通讯。单片机也可通过专用芯片达到与电脑进行USB通讯的目的。标准USB共有4根线组成，除了VCC和GND之外，还有D-和D+两根数据线。在USB主机上，D-和D+与地之间都串接一15K的电阻，因此在没有设备接入的时候，D-和D+都是低电平。而在USB设备中，分为低速设备和高速设备。高速设备的D+会与VCC之间串联一个1.5K的电阻，低速设备的D-与VCC之间串联一1.5K的电阻。上电时，主设备就可以检测是否有设备接入，并判断设备是高速设备还是低速设备。本实验平台采用CH340系列芯片，其设计原理图如图5所示。

其中USB器件是与计算机连接的端口，RXD、TXD则是与控制器RXD及TXD相连接。使用手机数据线将其与电脑连接即可实现单片机与电脑之间的相互通讯。这种方式通讯方式具有连接简单、可靠性高、易实现等优点。本实验平台采用此种通讯方式实现单片机与电脑互联。

本实验平台所使用电机为永磁有刷直流电机。其驱动方式采用脉宽调制驱动。脉宽调制与线性驱动不同，是一种利用电子器件来调制电压的方式，它通过调整占空比的方式调整电机电压，进而调节电机扭矩大小。PWM周期不变，通过调节高低电平所占时间调节电压大小。ATMEGA16可产生周期一定，占空比可进行调节的PWM波形。但是因为其驱动能力受限，无法直接驱动直流电机。为此本实验平台设计时使用ST制造的L298N作为驱动器。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动2个直流电机，并且可以实现电机的正反转。

在实际工况中，汽车电子节气门受到外界温度、噪声的影响，因此需要将弱电和强电隔离开。本设计中在单片机引脚和L298N之间采用了光电隔离，这将单片机与强电隔离开来，提高了系统的抗干扰能力。驱动芯片与单片机及节气门电机连接图如图6所示。其中ENA为PWM输入端，IN1和IN2根据不同输入改变电机正反转状态。

本实用新型还包括控制系统软件，控制系统软件设计主要是在单片机上进行的控制程序的编写和PC机上进行的监控程序的编写。单片机程序实现从踏板上获得驾驶员“意图”，并对其进行干扰判定后与节气门实际角度反馈数据综合后进行控制使其输出相应PWM以控制节气门直流电机的功能，此外其也应具有与电脑进行通讯的功能。PC机上监控程序主要实现对单片机发送的踏板及节气门转动角度实时数据的显示功能。

单片机程序的编写采用C语言。单片机控制程序整体流程图如图7所示，控制软件总体上分为初始化部分和工作循环两部分。初始化部分主要用于完成常量变量、I/O口、A/D转化、控制算法、串口和PWM的初始化工作。循环部分包含A/D转化及传感器故障判断、控制算法、PWM输出、串口通讯等程序。

根据流程图顺序，本设计将对控制系统的软件部分划分成以下几个模块进行分析设计：

A/D转化子程序设计：主要完成对油门踏板和节气门体的传感器的电压采集。踏板和节气门传感器输出为电压信号，需进行模拟数字转换变为数字信号后才能被单片机识别。由于ATmega16A单片机内部自带A/D转换模块所以节省了A/D模块的硬件设计部分，软件部分的设计也较外接A/D模块简单。

传感器故障判断程序：对踏板和节气门上互补的传感器分别进行A/D转换后，根据其互补的原理判定其是否正常工作。

控制算法的设计：完成各种控制程序。

PWM输出程序：其主要功能是将控制算法得到的控制量通过PWM的形式进行输出，通过控制直流电机驱动器L298N对直流电机进行控制。

串口程序：实现与上位机的相互通讯，将使踏板和节气门运行状态发送到PC机并在PC机上实时显示，同时接收PC机发送指令，以便对直流电机进行相应的控制。

本平台监控界面在LABVIEW环境下编写，其主要功能是显示节气门的运行状态，方便对控制效果的分析。图8为汽车电子节气门监控界面的后台编程程序图，其中VISA配置节点设置波特率为9600，数据位为8位，1位停止位，无校验位。

LABVIEW首先接收单片机发送的所有数据，然后根据所接收的数据及其校验码进行数据的解析。然后将数据分为两组，一组数据来自节气门传感器，另一组数据来自踏板，并将两组数据按顺序进行捆绑。最后，将捆绑后的数据传输到波形图标进行显示。波形图标中所显示曲线的形状、颜色等均可在前面板中进行设置。

在前面板中，有与后台程序对应的相关控件，在前面板中可以实现对串口波特率、停止位、校验位和数据位的设定。本设计在实时显示踏板及节气门实时状态的同时还能通过前面板的设定值控件对单片机进行控制，使其对节气门开度进行设定。右侧为曲线的显示区域，曲线的显示形状、颜色等都可根据需要进行调整。前面板设计图如图9所示。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种汽车电子节气门的控制试验平台，其特征在于，包括：

电源；

油门踏板，其上设置有油门开度传感器；

节气门，其包括节气门电机，以调节进气量；

电机驱动器，其与节气门电机连接，控制节气门电机工作；

节气门传感器，其设置在节气门上，以检测节气门当前开度；

控制器，其分别与油门开度传感器、电机驱动器、节气门传感器连接；所述控制器还包括复位电路、时钟电路和下载电路；

PC机，其与所述控制器连接，以监视、查看试验过程中的数据。

2.根据权利要求1所述的汽车电子节气门的控制试验平台，其特征在于，所述控制器采用单片机。

3.根据权利要求2所述的汽车电子节气门的控制试验平台，其特征在于，所述单片机为ATmega16A。

4.根据权利要求3所述的汽车电子节气门的控制试验平台，其特征在于，所述控制器与PC机通过串口或USB进行通信。

5.根据权利要求1所述的汽车电子节气门的控制试验平台，其特征在于，所述电源为直流电源，并且包括稳压电路。