基于单片机的电子节气门控制器的设计

基于单片机的电子节气门控制器的设计

作者：王英杰张朝杰

来源：《电子世界》2012年第14期

【摘要】本文分析了电子节气门的基本原理，提出了采用以MC9S12XSl28单片机为核心控制芯片，通过采集加速踏板位置信号和节气门位置信号，经过单片机算法处理，利用PWM 控制节气门驱动电机，实现了电子节气门的闭环控制。

【关键词】电子节气门；控制器；MC9S12XSl28

1.引言

相对于传统的机械拉线式节气门，电子控制节气门能根据驾驶员的驾驶意图以及根据整车不同的行驶工况确定节气门的最佳开度，保证车辆具有最佳的动力性和燃油经济性，并能够为怠速控制(IDL)、驱动防滑控制(ASR)和巡航控制(CCS)等电子控制功能的实现奠定基础。本文以BOSCH电子节气门为研究对象，进行相应的硬件和软件设计。

2.电子节气门硬件系统

电子节气门控制系统是闭环控制系统，电子节气门的电子控制单元对油门加速踏板位置信号、节气门位置信号进行采样处理，根据两者的误差值以确定节气门阀的基本开度；控制系统在计算出基本开度后，通过CAN总线与整车ECU通信，获得整车工况信息，综合计算出对发动机的输出功率和输出转矩的需求，对基本开度进行修正，通过输出PWM控制驱动电机用以控制节气门的实际开度。控制硬件框图如图1所示。

2.1 电子节气门总成

(1)油门加速踏板位置传感器

油门踏板是反映驾驶员意图的装置，电子节气门替换了拉线式的油门踏板，它的核心是两个根据位移量变化的可变电阻，两个传感器有各自独立的电源，并向单片机发出两路反映油门踏板位置的电压信号。油门踏板总成两个电位器式传感器同相安装，油门踏板位置发生变化时，其电压信号同时线性增加或减小，根据油门踏板位移量转化成不同的电压信号并传递给电子控制单元(ECU)。

(2)节气门位置传感器

节气门位置传感器是节气门开度状态的唯一检测元件，电位计传感器主要将角位移的变化转换成电压变化，为了安全性和可靠性，节气门位置传感器也是有两个传感器组成，其由同一

电源供电，采用同一搭铁点，设计成阻值反向变化，同一位置的两个传感器输出电压信号和始终等于供电电压5V。

(3)驱动电机、节气门阀片、减速齿轮机构等。

驱动节气门电机是控制系统中重要的执行元件，电机带动节气门阀片克服回位弹簧力和空气阻力转到相应的开度。电机通常采用永磁直流力矩电机，其特点是堵转力矩大，动作迅速，长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。另外，还包括节气门阀片，保证节气门阀片能够安全复位的回转弹簧。

2.2 控制系统硬件

(1)采用的单片机核心芯片

本文采用的单片机核心芯片是MC9S12XSl28微控制器。它具有强大的浮点计算处理能力并支持复杂的算法，能在-45°C-125°C的恶劣环境下工作，MC9S12系列是专为汽车电子、智能系统等高端嵌入式控制系统所设计的芯片，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。其总线速度高达40MHz，具有8通道PWM和片内可编程的ADC转化单元，易于实现信号采集和电机控制。

(2)电机驱动电路

本系统采用的智能功率芯片BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。集成驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过流及短路保护功能。如图2所示有两个BTS7960构成的全桥驱动电路。

3.控制系统软件

电子节气门系统是一个非线性时变系统。系统的非线性影响着电子节气门系统的控制，弹簧转矩不连续和发动机工作时进气道内的空气对节气门冲击力随节气门开度不同这两方面对系统的非线性影响最大；其次是节气门阀片在动态过程中的摩擦和齿轮减速机构中存在的间隙。电子节气门被控对象随着负荷变化和干扰因素的影响，其对象特性参数也将发生改变。

3.1 控制原理

电子节气门控制主要是通过电机对节气门阀片的控制达到对进气量的控制，因此驱动节气门阀片的电机是控制的重点。可用于驱动节气门阀片的电机主要有直流电机和步进电机，本文采用永磁直流力矩电机，对于直流电机控制驱动电路，由于利用PWM信号驱动电机，得到低速性能好，电流连续信号，因此目前多数采用PWM脉冲宽度驱动H桥电路，基于PWM控制