基于单片机的汽车电子油门控制器的设计与实现
2009-07-07
作者：李国峰1, 王 云2
摘 要: 通过对油门控制器技术的分析，结合其发展应用现状，设计了针对汽车油门开度调节，以及油门与刹车自动切换的电子油门控制器，并对汽车的智能控制进行了设计研究。通过对汽车发动机建立数学模型，分析了以单片机为核心的硬件设计原理和软件控制算法如何采用达林算法解决其时变滞后的问题。
关键词: 油门控制器； 达林算法； 执行器
随着经济的高速发展，目前汽车已经开始进入普通百姓家庭，给人们的出行带来了方便。但是有时因驾驶员错误地将油门当刹车，从而产生了许多悲惨的交通事故。面对这样的安全问题，科研人员开始着手研究解决这一问题的方法。经实际调查，目前市场上一些机械结构方案。有的不符合人体工程学原理，有的结构复杂可靠性差，有的甚至会带来一些新的问题。基于这些问题，在2006年6月，申请了关于汽车电子油门的河北省科技厅科研项目。提出利用单片机控制汽车的油门，以此来解决所存在的实际问题。
本控制器在普通油门上，安装了速度和位移传感器，利用单片机检测与控制，实现汽车油门开度控制和油门与刹车自动切换的目的。
1 系统的组成原理及控制过程
油门控制器主要由油门踏板、踏板位移传感器、油门电控单元（ECU）、数据总线和执行器组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时检测油门踏板的位置。一旦检测到油门踏板位置有变化，会瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息和其他传感器送来的数据信息，进行综合运算处理，然后输出一个控制信号，该控制信号通过总线送到电磁执行器，执行器驱动节气门执行机构，从而实现控制油量输出大小，进而调节车速。其组成框图如图1所示。
本油门控制器在传统油门的机械结构基础上，安装了速度和位移传感器，在制动踏板和节气门上，分别装有1个微型电动机和1个执行器，如果驾驶员误动作，把油门踏板当成了制动踏板，瞬间将使油门踏板大角度地压到了最低端，这时单片机将立刻启动制动踏板下的电动机快速旋转，带动制动踏板迅速压到最下，进行强行“刹车”动作，立刻使汽车减速停车；同时节气门中的执行器立刻将节气门关闭，使发动机停止旋转。这样使电机和执行器在单片机的控制下，瞬间完成油门的关闭，停止发动机旋转，自动拉下制动踏板，强行刹车制动。
2 发动机数学模型的建立和达林算法应用分析
为了更好地实现油门控制器对发动机喷油及输出转矩的控制，达到对发动机转速及功率的最佳控制，所建立的发动机数学模型如下。
(1)发动机的运动方程。将发动机简化为一回转机构，在其上作用有发动机驱动力矩Md(n,x)和负载力矩Mf，其运动方程为：
在工业过程中，大多数被控对象因具有较大的纯滞后时间而降低了系统的稳定性，过渡过程特性也会变坏，采用常规的PID控制，很难获得良好的控制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，其中比较有代表性的一种方法是达林(Dahlin)算法。
达林算法在应用的过程中需要知道系统的精确的数学模型。通过上面的分析已经获得了发动机在工作过程中不断变化的模型参数，这为应用达林算法提供了必要的前提条件。
达林算法的设计目标是：设计合适的数字调节器D(Z)，使整个闭环系统的传递函数成为带纯滞后时间的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间，即闭环传递函数为：
一般滞后控制系统的结构框图如图2所示。图中，Gc(s)为被控对象，H0(s)是认为与被控对象相串连的零阶保持器，D(z)是数字控制器。
用零阶保持器离散化的方法，τ(s)相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数为：
式中,U(K)为数字控制器的输出，E(K)为偏差信号。
(12)式即为所设计的达林算法的数字控制器的数学模型，有了这个模型很容易用单片机进行编程控制。
3 单片机控制的具体实现
油门位置控制器所要处理的输入信号为AMT主控制器送过来的PWM控制信号，该PWM信号是周期固定为10 ms、占空比变化的脉宽信号，并与PIC16F877单片机的RC2/CCP1引脚相连。该引脚为复合引脚，可以作为通用的I/O口使用，也可以作为捕获/比较/脉宽调制(CCP1)输入输出口使用。在这里使用其第2个功能，即让该引脚工作在CCP模块方式的捕获功能上,用以捕获输入过来的PWM信号高电平的时间长度。
在使用捕获功能时，要先设定好Timer1的动作，因为CCP1模块是用Timer1来作为计时时基的，Timer1的工作方式要设定为定时器工作方式，同时该引脚要设置成输入引脚。在启动捕获功能后，定时器将根据设置自动递增累计，而CCP模块会一直侦测该引脚的状态。当该引脚的状态变化符合所设定的事件时， 16位的TMR1值(即累计值)会被捕获到CCPR1寄存器(CCPR1H:CCPR1L)中。
CCP1模块可以选择的捕获事件主要是引脚上信号的4种状况:信号中每个下降沿发生时；信号中每个上升沿发生时；信号中每4个上升沿发生时；信号中每16个上升沿发生时。
在该系统中，要捕获AMT主控制器发送过来的PWM信号高电平所持续的时间，其原理如图3所示。在t1时刻以前，把CCP1设置成捕获脉冲的上升沿(上述状况2)，当上升沿来到时发生CCP中断，在中断服务程序中捕获记下此时TMR1寄存器中16 bit的值TMR11，并把CCP1设置成捕获脉冲的下降沿(上述状况1)；当该PWM信号的下降沿到来时，又发生CCP中断，又在中断服务程序中记下此时TMR1寄存器中的16bit的值TMR12。此时可知道该PWM脉宽信号的宽度为Tp=(TMR12－TMR11)，经过处理后作为对发动机数学模型进行控制的输入信号。
4 反馈信号的处理
在该油门控制器闭环控制系统中，反馈信号由执行器在工作过程中产生，信号的类型为电压信号。为了削弱该电压反馈信号中的干扰，用1个运放TLV2211构成1个电压跟随器电路，用电压跟随器输入阻抗高、输出阻抗低的特点来进行阻抗匹配，达到削弱干扰的目的。该部分电路的具体连接如图4所示。电路中的三极管的作用是进行电流放大，MC7805T的作用是进行稳压。执行器的反馈输出有三端，其中反馈电源端经过MC7805T后作为三极管和运放的供电电压，反馈地端作为参考0电位点，反馈信号端的电压，取自执行器内部10 kΩ电阻上的电压，该电压直接与运放的同相输入端相连，作为其电压的输入。
经过处理后的电压信号，送到PIC16F877的模拟通道输入端AN0，进行A/D转换。转换后的结果参与控制算法的计算，用以求得系统的输入误差。PIC16F877具有10位分辨率的A/D转换模块，在进行A/D转换时要对ADCON0和ADCON1寄存器进行设置，以进行通道的选择、转换时钟的选择、参考电压的选择及转换的启动等。通过设定ADCON0寄存器的CHS2:CHS0 3位为000来选择转换通道为AN0；在使用20 MHz晶振的情况下，把ADCON0寄存器的ADCS1：ADCS0 2位设定为10，这样A/D转换的时钟便选择了Fosc/32，则A/D转换模块转换1个位的时间TAD=1.6 μs；通过设定ADCON1的PCFG3:PCFG0 4位为0101，来设定A/D转换的参考电压输入端为VREF+。A/D转换的结果可以通过访问ADRESH和ADRESL而得到。
5 输出信号的处理
油门控制器的输出信号为PWM信号，该信号传送给执行器，以驱动执行器进行水平位移运动，通过机械连杆改变万向节的角度以达到改变节气门的开度，进而达到对发动机喷油、输出转矩控制的目的。PIC16F877具有输出PWM脉宽信号的功能，但是它输出的PWM信号频率调节比较困难，所以设计中选择了一种能够输出PWM信号，且能很方便调节其工作频率的芯片SG3524。控制算法根据输入量和反馈量所计算出的数值要经过D/A转换后送到SG3524的2引脚上。由于PIC16F877不具有D/A转换的功能，因此，在该部分电路中选择具有独立高速缓冲输入、双通道输出12位转换精度的D/A转换芯片TLC5618来完成数模转换的功能。该D/A转换芯片在工作时需要给定一个参考电压，在该电路中选择一个能够输出稳定2.5 V电压且输入电压范围较宽(4.5 V～40 V)的MC1403电压转换芯片来完成此功能，让其作为D/A转换参考电压的基准。D/A转换芯片输出电压的最大值为其参考电压的2倍。具体电路设计如图5(非虚线部分)所示。
在该部分电路中,PIC16F877单片机与D/A转换芯片TLC5618通过SPI方式进行通信，单片机作为主机，D/A转换芯片作为从机。单片机的SDI引脚、串行输出引脚SDO和串行时钟引脚SCK分别与转换芯片的片选引脚CS、串行输入引脚DIN和串行时钟引脚SCLK相连接。在进行SPI工作方式设定时，要对单片机的SSPCON和SSPSTAT 2个寄存器进行正确的设置，以达到正常通信的目的。当要把数据从单片机发送到转换芯片时,只要将数据写入SSPBUF缓冲器即可。
PWM输出驱动信号由SG3524芯片来完成,该芯片的振荡频率focs由外接元件RT和CT决定，即focs＝1/RT/CT。可以通过改变RT的值来改变PWM信号的频率。当PWM信号的频率与执行器的工作的频点接近时，此时执行器的工作性能达到最佳，可以起到最好的输出控制效果。SG3524的引脚9为补偿端，在此引脚可以连接R-C补偿网络，进而消除电路的寄生振荡。SG3524的引脚1(反相输入端)和引脚2(同相输入端)分别与其引脚9和D/A转换的输出端OUTA相连，作为其内部误差放大器EA两端的输入。
该电子油门控制器的设计与实现有着广泛的实际应用价值，控制器在调试中实现了上述的基本功能。
参考文献
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