引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微機(jī)技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)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(dòng)機(jī)的重要控制部件。為了提高汽車行駛的動(dòng)力性、平穩(wěn)性及經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(jì)性，減少排放，同時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，可獲得滿意的操控性能；另一方面，可實(shí)現(xiàn)怠速控制、巡航控制和車輛穩(wěn)定控制等的集成，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1>。現(xiàn)在，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)已成為發(fā)動(dòng)機(jī)完全電控管理系統(tǒng)的一個(gè)重要模塊。由于ETCS的優(yōu)越性，目前，世界上越來(lái)越多的大型汽車制造公司開始采用ETCS，傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)氣門面臨著被電子節(jié)氣門所取代的趨勢(shì)。

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(jī)械連接。節(jié)氣門的實(shí)際開度由車載電控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的汽車行駛狀況并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)特性確定，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于最佳工況。本設(shè)計(jì)進(jìn)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(hào)處理電路及執(zhí)行器功率驅(qū)動(dòng)電路的硬件電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了PID控制試驗(yàn)。

1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（DigitalSignalProcessor）開發(fā)板、信號(hào)處理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路及微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)幾個(gè)部分。節(jié)氣門體包括：直流電機(jī)、節(jié)氣門開度傳感器及機(jī)械裝置，它們被封裝為一體。通過ECU驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，完成節(jié)氣門開度調(diào)整；節(jié)氣門開度信號(hào)通過節(jié)氣門體內(nèi)部的一對(duì)高精度節(jié)氣門開度傳感器獲取當(dāng)前開度下相應(yīng)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(hào)，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。加速踏板帶動(dòng)一個(gè)位置傳感器，將加速踏板位置信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)傳到ECU，其作用相當(dāng)于一個(gè)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(hào)。

當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)，加速踏板位置信號(hào)經(jīng)過模擬信號(hào)采樣處理電路，由DSP進(jìn)行采集、處理及判斷駕駛員的駕車意圖；同時(shí)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器及其它與車輛行駛工況相關(guān)的傳感器信號(hào)進(jìn)行綜合分析計(jì)算，確定一個(gè)期望的節(jié)氣門開度值；并將期望值與當(dāng)前反饋回來(lái)的節(jié)氣門開度值進(jìn)行比較，確定控制信號(hào)，發(fā)出脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)時(shí)調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能。最后驅(qū)動(dòng)電機(jī)使節(jié)氣門移動(dòng)到一個(gè)與期望的節(jié)氣門開度值相對(duì)應(yīng)的位置。

1.1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(hào)，計(jì)算和輸出控制信號(hào)是整個(gè)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(qiáng)、可靠性好、功能強(qiáng)和運(yùn)算速度高。針對(duì)本系統(tǒng)，選擇了Freescale公司DSP56F807進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。16位DSP56F807在硬件設(shè)計(jì)上采取了一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)[2>，以求最快的運(yùn)算速度。DSP56800系列數(shù)字信號(hào)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(gè)專用的和18個(gè)復(fù)用的通用輸入/輸出通道GPIO、2個(gè)異步串行通信模塊SCI、1個(gè)同步串行外設(shè)模塊SPI、1個(gè)控制系統(tǒng)局域網(wǎng)模塊CAN2.0、4個(gè)4通道的12-bitADC，共16路模擬量輸入通道、2個(gè)6通道用于各類電機(jī)控制的脈沖寬度調(diào)制PWM模塊、4個(gè)16位四定時(shí)/計(jì)數(shù)器Timer、外部存儲(chǔ)器接口、片內(nèi)電源監(jiān)視器及看門狗（watchdog）、JTAG/OnCE實(shí)時(shí)調(diào)試接口等多路外設(shè)模塊。實(shí)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。

1.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)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(lái)提高電路的可靠性和抗干擾性。執(zhí)行器功率驅(qū)動(dòng)電路的功用就是將DSP輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的輸出信號(hào)。該模塊是電控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作的保證，驅(qū)動(dòng)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(jī)的輸出扭矩，該扭矩與電機(jī)線圈中的電流成正比。如圖2所示，直流電機(jī)PWM功率驅(qū)動(dòng)電路：DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)通過光電耦合器控制功率MOS管來(lái)完成對(duì)直流電機(jī)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(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要搭建一個(gè)H橋電路來(lái)滿足對(duì)直流電機(jī)雙向控制的需求。光電耦合器實(shí)現(xiàn)上、下級(jí)之間的電器隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，干擾DSP的正常工作。