电子节气门控制系统设计设计.doc
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1、电子节气门控制系统设计 摘 要 I 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以 标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研 究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学 历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集 体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业
2、设计(论文) 的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本; 学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索 与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存 论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内 容。 作者签名: 日 期: 摘 要 II 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本
3、声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 摘 要 III 摘 要 电子节气门产品自 20 世纪 80 年代问世以来,已逐渐应用到各种中、高级 轿车中。相对于传统的机械式节气门
4、,电子节气门系统(ETCS)能根据驾驶员的 驾驶意图以及整车行驶状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,从而提高安全性和乘坐舒适性。同时, 对于混合动力汽车,为了实现能量的管理和分配,电子节气门也成为了必然的 选择。本文对电子节气门系统进行了研究和开发,为电子节气门在混合动力轿 车上的应用奠定了基础。 本文分析了电子节气门系统的工作原理、基本结构以及机械结构中存在的 非线性因素和各自的特性,如复位弹簧、气流的冲击、库伦+粘滑摩擦等。测 定电子节气门的关键参数,建立了电
5、子节气门系统的数学模型。 为了适应电子节气门控制系统的快速动态特性,抑制由于电子节气门体的 非线性因素对控制特性的影响,提出了一种新的模糊 PID 复合控制策略,通过 模糊控制提高电子节气门系统的动态性能,用智能积分 PID 控制保证系统的稳 态能,利用权重因子函数改善控制切换过程。 电子节气门控制器采用飞思卡尔公司的 MC9S12DG128 单片机作为主控芯 片,同时硬件系统还包括控制器的供电电源模块、直流电机的脉宽调制驱动模块、 串行通信模块和 CAN 总线通信模块等。采用 CodeWarrior 编译的程序软件,完 成了控制功能和调试功能。为了对系统状态实时显示和故障报警,以及在控制 过
6、程中进行数据采集,本文开发出基于 LabWindows/CVI 的串口通信系统。 试验结果表明:模糊 PID 复合控制相对于 PID 控制和智能积分 PID 控制能够 较精确地控制节气门开度,减小超调量,瞬态误差较小,滞后时间较短。所开 发的模糊 PID 复合控制器能够完成电子节气门系统的控制功能要求。 关键词关键词:电子节气门;非线性;模糊 PID 复合控制策略 Abstract II Abstract Since the electronic throttle product was developed in the eighties of the twentieth Century, i
7、t has gradually been applied to high-grade automobile. Relative to the traditional mechanical throttle, the electronic throttle control system can sense the drive intention from the driver and the current situation of the auto, and then decide the correct throttles position, so that the dynamic perf
8、ormance and fuel economy can be improved. Furthermore, its helpful to realize some electronic control function, such as IDL, ASR and CCS, thereby the security and driving comfort can be improved. With the appearance of hybrid vehicle, electronic throttle becomes an inevitable choice for the power co
9、ntrol and management for hybrid vehicle. In this paper,the electronic throttle control system was researched and developed, which laid the foundations of applying the ETCS to vehicle. The principle and basic structure of the electornic throttle control system(ETCS) was analyzed. The nonlinearity cha
10、racteristics including nonlinear spring, aerodynamic impact, coulomb and viscous friction in the mechanical part of the throtle body was studied too. After the analysis of the ETCS, the key parameters of the throttle was measured. The numerical model of the electronic throttle control was built up.
11、In order to adapt the swift dynamic characteristics of ETCS and restrain influence on control performance owing to nonlinearity factors of ETCS, a new Fuzzy-PID multiple compound control method is proposed. The robust dynamic characteristic of ETCS is attained by fuzzy control and the static perform
12、ance is ensured by intelligent integral PID control, while switching process between two control methods is improved by using weighting factor function. The main microchip of the electrionic throttle controller is MC9S12DG128 which is manufactured by Freescale. In this paper, the power supply module
13、, DC motors PWM drive module, serial communication module, CAN bus communication Abstract III module and so on, was designed. The software, which is programmed with CodeWarrior software for microcontroller accomplished control, function and serial communication function.In order to display the state
14、 of the system in real time and give an alarm when malfunction occurs, serial communication system based on LabWindows/CVI was designed. The results of the experiments show that the Fuzzy-PID multiple compound control method can exactly control the throttles position, the overshoot is reduced, the t
15、ransient tracking error is small and the hysteresis is short, while the PID control method and intelligent integral PID control method dont work well. So the ETCSs controller which was developed based on Fuzzy-PID control strategy can meet ETCSs function requirements. Key Words: Electronic Throttle,
16、 Nonlinearity, Fuzzy-PID Multiple Compound Control Strategy 目 录 IV 目 录 摘 要 .I ABSTRACT II 目 录IV 第 1 章 引 言1 1.1 电子节气门产生的背景.1 1.2 电子节气门在国内外的发展状况 2 1.2.1 电子节气门在国外的发展状况2 1.2.2 电子节气门在国内的发展状况2 1.3 电子节气门存在的问题及未来的发展趋势3 1.3.1 电子节气门存在的问题.3 1.3.2 电子节气门系统发展的趋势3 1.4 本设计主要研究工作 4 1.5 本章小结 4 第 2 章 电子节气门的结构分析及工作原理5
17、2.1 电子节气门系统的结构和工作原理.5 2.1.1 电子节气门体.6 2.1.2 加速踏板8 2.1.3 电控单元 ECU9 2.2 驱动电机的脉冲调制方式 .10 2.3 电子节气门系统的控制功能10 2.4 本章小结 11 第 3 章 电子节气门系统非线性分析及数学建模.12 3.1 电子节气门系统非线性分析12 3.1.1 复位弹簧的非线性13 3.1.2 传动齿轮齿隙非线性.13 目 录 V 3.1.3 节气门阀片运动中的非线性15 3.1.4 节气门阀片气流冲击特性.15 3.2 电子节气门系统的数学模型17 3.2.1 直流电机的数学模型.17 3.2.2 节气门的数学模型18
18、 3.2.3 节气门位置传感器数学模型18 3.3 电子节气门系统的物理参数标定 19 3.4 本章小结 20 第 4 章 控制系统硬件设计21 4.1 控制系统结构 .21 4.2 硬件电路设计 .21 4.2.1 控制单元 ECU 的设计 21 4.2.2 电源管理模块的设计.23 4.2.3 电机驱动电路的设计.24 4.3 本章小结 27 第 5 章 控制系统软件设计 28 5.1 控制系统软件设计28 5.1.1 软件的总体功能分析.28 5.1.2 软件子程序流程图29 5.2 串行通信系统的开发 32 5.2.1 串行通信协议设计32 5.2.2 单片机串行通信子程序流程图33
19、5.3 本章小结 34 结 论.35 参考文献 .36 致 谢.37 附 录.38 目 录 VI 系统原理图38 第 1 章 引 言 - 1 - 第 1 章 引 言 电子节气门是发动机管理系统中的重要部件,是实现发动机全电控的基础, 现在已经得到越来越广泛的应用。国内只是处于引进使用阶段,没有深入的系 统研究报道,可供借鉴的经验不多,对国外的核心技术知之甚少。因此,吸收、 借鉴国外先进的控制经验,深入研究电子节气门控制系统的工作原理以及控制 策略意义非常重大。 1.1 电子节气门产生的背景 随着汽车保有量的不断增多,石油能源消耗急剧增加,汽车排放的大量尾 气引起温室效应,空气污染也越来越多地为
20、全世界所重视,因此美国、日本、 欧洲等相继制定了严厉的排放法规,并且交通事故日益增多。随着社会的不断 进步,人们对生活质量的要求不断提高,对汽车性能也随之提出更高的要求。 所以汽车采用电子控制技术成为必然的趋势。近年电子技术的迅猛发展,特别 是微型计算机技术的巨大进步,为汽车电子技术的发展提供了必要的条件,将 电子控制和传统的机械技术相结合,使得汽车在环保、节能、安全、舒适等方 面得到进一步的提高1。 影响汽车发动机性能(如动力性、经济性、排放净化性等)的两个主要因 素是:燃烧前的点火时刻和可燃混合气的空燃比。汽车电子控制技术始于发动 机点火控制,随后电控燃油喷射系(ElectronicFue
21、l Injection,简称 EFI)以其精确 的空燃比控制逐渐取代化油器,电控燃油喷射系统相对于化油器的优点如下: (1) 混合气的各缸分配均匀性好。在多点喷射系统中,由于每一气缸都有一 个喷油器,其喷油量是电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)根据发动机 的转速、负荷以及其他状态的变化进行精确控制2,故能使燃油均匀地分配给 各个气缸; (2) 动力性强。采用 EFI 后,发动机的进气可不必预热,可吸入密度较大的 冷空气,同时进气歧管阻力减少,所以充气系数提高。 (3) 加速性能好。由于汽油是直接喷射到发动机进气门处,混合气经过的路 第 1 章 引 言 - 2
22、 - 程短,反应灵敏,因此减少了滞后现象,从而加速性能得到改善。 (4) 耗油量低,经济性好。EFI 系统最突出的优势就是能实现空燃比的高精 度控制,因为汽油是在一定的压力下喷射的,燃油雾化品质好,且喷油量是精 确控制的,混合气的空燃比为最佳值且各缸分配均匀,下坡时又可以完全不喷 油,发动机对空气进行压缩,所以可以降低燃油消耗量。 1.2 电子节气门在国内外的发展状况 1.2.1 电子节气门在国外的发展状况 20 世纪 70 年代后期,随着线控驱动(drive-by-wire)的理念就开始了 ETCS 相关技术的研究工作。20 世纪 80 年代开始有产品问世,Bosch(博世)公司的 ETC
23、产品在某些赛车上就有应用。1988 年,在宝马(BWM750iL)轿车上也开始 装置 ETCS。但由于其价格昂贵,技术和市场条件也不成熟,因而发展缓慢。 直到 20 世纪 90 年代初,日本、美国、德国等国家一些汽车电子公司对其研究 相继加大了投入,ETC 产品市场开始活跃。1995 年以后,德国 Bosch(博世) , Pierburg(皮尔博格)等公司陆续推出第 1 代和第 2 代 ETC 产品,它们的发展 趋势都是全电子化。近年来,ETC 产品的发展更是如雨后春笋,各公司都不断 推陈出新。Visteon 公司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起, 成为下一代空燃比控制集成的典范
24、,而 Bosch 和 Delphi 公司的产品在综合控制 与监测性能上则为楷模。到 2000 年,ETC 产品开始大规模进入市场。 目前,产品一般都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上,如 Bosch 公司为奔驰和宝马等提供产品,丰田为凌志和苏帕拉配置产品,Delphi 公司为一些运动车型及流行车型如 1.6 L 欧宝、雅特等推出第 2 代 ETC 系统产 品。国外的宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中已经广泛 应用 ETCS。 1.2.2 电子节气门在国内的发展状况 国内对 ETCS 研究尚处于起步阶段。虽然一汽大众、上海大众、上海通用 及广州本田等公司生产的部分高级轿车
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