基于DSP的電子節(jié)氣門PID控制

作者：時間：2008-01-24 來源：

英飛凌汽車電子生態(tài)圈
- 掃碼關注
  獲取最新最全汽車電子
  技術方案與實用技巧

　　一、引言

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/78029.htm

　　隨著現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展，特別是微機技術在汽車上的廣泛應用，使得汽車的內(nèi)涵和功能不斷拓展和延伸，汽車電子化正逐漸成為現(xiàn)代汽車的基本特征。節(jié)氣門是汽車發(fā)動機的重要控制部件。為了提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性及經(jīng)濟性，并減少排放污染，世界各大汽車制造商推出了各種控制特性良好的電子節(jié)氣門及其相應的電子控制系統(tǒng)，組成電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(ETCS)。采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，使節(jié)氣門開度得到精確控制，不但可以提高燃油經(jīng)濟性，減少排放，同時，系統(tǒng)響應迅速，可獲得滿意的操控性能;另一方面，可實現(xiàn)怠速控制、巡航控制和車輛穩(wěn)定控制等的集成，簡化了控制系統(tǒng)結構?，F(xiàn)在，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)已成為發(fā)動機完全電控管理系統(tǒng)的一個重要模塊。由于ETCS的優(yōu)越性，目前，世界上越來越多的大型汽車制造公司開始采用ETCS，傳統(tǒng)機械式節(jié)氣門面臨著被電子節(jié)氣門所取代的趨勢。

　　在電子節(jié)氣門這種柔性連接方式中，油門踏板與節(jié)氣門之間不再有機械連接。節(jié)氣門的實際開度由車載電控系統(tǒng)根據(jù)當時的汽車行駛狀況并考慮發(fā)動機特性確定，從而保證發(fā)動機運行于最佳工況。本設計進行了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的電控單元開發(fā)、傳感器信號處理電路及執(zhí)行器功率驅(qū)動電路的硬件電路設計，并進行了PID控制試驗。

　　二、系統(tǒng)組成

　　電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)如圖1所示，包括：節(jié)氣門體、加速踏板位置傳感器、DSP(Digital Signal Processor)開發(fā)板、信號處理電路、功率驅(qū)動電路及微機監(jiān)控系統(tǒng)幾個部分。節(jié)氣門體包括：直流電機、節(jié)氣門開度傳感器及機械裝置，它們被封裝為一體。通過ECU驅(qū)動直流電機，完成節(jié)氣門開度調(diào)整;節(jié)氣門開度信號通過節(jié)氣門體內(nèi)部的一對高精度節(jié)氣門開度傳感器獲取當前開度下相應的電壓反饋值，該反饋值與節(jié)氣門打開角度成線性變化。利用這兩路反饋信號，構建閉環(huán)控制系統(tǒng)。加速踏板帶動一個位置傳感器，將加速踏板位置信號轉變?yōu)殡妷盒盘杺鞯紼CU，其作用相當于一個反映駕駛員操縱意圖的傳感器，提供節(jié)氣門開度的參考信號。

　　當駕駛員踩下加速踏板時，加速踏板位置信號經(jīng)過模擬信號采樣處理電路，由DSP進行采集、處理及判斷駕駛員的駕車意圖;同時參考發(fā)動機的轉速傳感器、進氣壓力傳感器及其它與車輛行駛工況相關的傳感器信號進行綜合分析計算，確定一個期望的節(jié)氣門開度值;并將期望值與當前反饋回來的節(jié)氣門開度值進行比較，確定控制信號，發(fā)出脈寬調(diào)制信號，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動執(zhí)行器，實時調(diào)整占空比，實現(xiàn)各項控制功能。最后驅(qū)動電機使節(jié)氣門移動到一個與期望的節(jié)氣門開度值相對應的位置。

　　(一)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心DSP56F807

　　控制單元DSP處理輸入信號，計算和輸出控制信號是整個電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)要求電控單元抗干擾能力強、可靠性好、功能強和運算速度高。針對本系統(tǒng)，選擇了Freescale公司DSP56F807進行系統(tǒng)開發(fā)。16位DSP56F807 在硬件設計上采取了一些獨特的設計，以求最快的運算速度。DSP56800系列數(shù)字信號處理器具有很豐富的I/O口和多種外圍配置。在單一的 DSP56F807芯片上集成了14個專用的和18個復用的通用輸入/輸出通道GPIO、2個異步串行通信模塊SCI、1個同步串行外設模塊SPI、1個控制系統(tǒng)局域網(wǎng)模塊CAN2.0、4個4通道的12-bitADC，共16路模擬量輸入通道、2個6通道用于各類電機控制的脈沖寬度調(diào)制PWM模塊、4個 16位四定時/計數(shù)器Timer、外部存儲器接口、片內(nèi)電源監(jiān)視器及看門狗(watchdog)、JTAG/OnCE實時調(diào)試接口等多路外設模塊。實現(xiàn)了完全的單片化，可以滿足電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)需要。

　　(二)驅(qū)動電路設計

　　在電路設計中加入了大量的濾波和抗干擾元件，采用RC濾波、光耦隔離、電壓跟隨器和比較器等優(yōu)化組合來提高電路的可靠性和抗干擾性。執(zhí)行器功率驅(qū)動電路的功用就是將DSP輸出的數(shù)字信號轉換成可以驅(qū)動執(zhí)行元件的輸出信號。該模塊是電控系統(tǒng)執(zhí)行機構正常工作的保證，驅(qū)動模塊的好壞與系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有密切的聯(lián)系。

　　要控制節(jié)氣門的開度，就需要控制其直流電機的輸出扭矩，該扭矩與電機線圈中的電流成正比。如圖2所示，直流電機PWM功率驅(qū)動電路：DSP產(chǎn)生PWM信號通過光電耦合器控制功率MOS管來完成對直流電機電源的高頻開閉，最終控制節(jié)氣門的開度。由于節(jié)氣門片需要正反兩個方向轉動，所以需要搭建一個H橋電路來滿足對直流電機雙向控制的需求。光電耦合器實現(xiàn)上、下級之間的電器隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，干擾DSP的正常工作。4個二極管具有消除電壓尖峰的作用。

　　三、PID控制原理

　　由于節(jié)氣門體中存在非線性彈簧、粘性摩擦和滑動摩擦、進氣擾動及齒隙沖擊等，導致了控制對象為一嚴重非線性系統(tǒng)，控制難度較高。PID控制不需要測量系統(tǒng)的模型，容易實現(xiàn)，所以本文選擇了使用PID控制策略進行控制。PID控制將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制。

　　PID控制系統(tǒng)是一種線性控制系統(tǒng)，如圖3所示，控制偏差e(t)為目標值與實際輸出值之差：

　　e(t)=r(t)-y(t)(1)

　　PID控制規(guī)律為：

　　式中：KP——比例系數(shù);

　　TI——積分時間常數(shù);

　　TD——微分時間常數(shù)。

　　KP成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制系統(tǒng)立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

　　TI主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大積分作用越弱，反之則越強。

　　TD反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)周期。

　　在計算機PID控制中，需使用數(shù)字PID控制，本文使用增量式PID控制算法，公式如下：

　　△u(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+K

　　D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](3)

　　u(k)=u(k-1)+△u(k)(4)

　　式中：△u(k)——k時刻輸出增量;

　　KI——積分系數(shù);

　　KD——微分系數(shù)。

　　數(shù)字PID控制是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟應用最廣泛的一種控制，不需了解被控對象的數(shù)學模型，只要根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)整參數(shù)的在線整定，即可獲得滿意的效果，特別適用于軟件編程的方法實現(xiàn)PID控制，參數(shù)變化十分靈活。具有控制原理簡單、實現(xiàn)容易及穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

　　由于節(jié)氣門體中復位彈簧的作用，使節(jié)氣門片的受力變得復雜，增加了控制的難度。節(jié)氣門片向不同方向轉動時其受力不同，轉動范圍大小也不同，因此，正、反轉模型也就不同。于是需要設計正轉和反轉兩組PID控制，其控制參數(shù)和流程均不同。程序需根據(jù)控制輸出量值的正負，判斷進入正轉控制流程還是反轉控制流程，并完成控制流程的非線性切換。

　　四、節(jié)氣門控制實驗

　　節(jié)氣門開度控制實驗中，節(jié)氣門位置傳感器的電壓為反饋量，PWM的占空比信號為控制輸出量。實驗中由PC機監(jiān)控系統(tǒng)向DSP發(fā)送目標開度值和PID控制參數(shù)，DSP根據(jù)控制參數(shù)和節(jié)氣門位置信號計算并輸出PWM信號，電機執(zhí)行命令，控制電子節(jié)氣門完成動作;同時DSP向PC機監(jiān)控系統(tǒng)傳送控制過程，PC機記錄并顯示實際控制效果，根據(jù)控制效果不斷調(diào)整PID控制參數(shù)，最終達到最佳控制。圖4記載了試驗中進行的階躍響應測試，參數(shù)KP=65，KI=125， KD="10"，電子節(jié)氣門從初始值1200mV到目標值2000mV的階躍變化情況。從系統(tǒng)的階躍響應曲線可知節(jié)氣門上升時間短且穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差小，滿足系統(tǒng)響應和控制精度要求。