汽车电子节气门模糊控制器设计_李志远

� 2011年 � 第 1期 仪 技 术 与 传 感 器 Instrum ent� Techn ique� and� Sensor 2011� No�1� 基金项目:河北省教育厅资助科研项目 ( Z2010227) ;河北大学自然科学 研究基金 ( 2009170) 收稿日期: 2010- 04- 12� 收修改稿日期: 2010- 09- 12 汽车电子节气门模糊控制器 李志远 1,侯顺艳 1,张 � 彪 2 ( 1.河北大学,河北保定 � 071002; 2. 清华大学汽车工程系,北京 � 100084) � � 摘要: 针对汽车电子节气门控制的非线性特点, 基于模糊控制理论设计了汽车电子节气门模糊控制器, 详细阐述了模 糊控制算法设计、硬件电路和软件设计。试验结果表明, 设计的电子节气门模糊控制系统具有较好的跟随电子加速踏板 动作特性, 能够满足实际汽车电子节气门控制的要求。 关键词: 电子节气门;控制器;模糊控制 中图分类号: TP273� � � 文献标识码: A � � � 文章编号: 1002- 1841( 2011) 01- 0074- 04 Design of E lectronic Throttle Fuzzy Controller of Vehicle L I Zh-i yuan1, HOU Shun-yan1, ZHANG B iao2 ( 1. Hebei Un iversity, Baod ing 071002, Ch ina; 2. Departm ent ofAutom otive Engineer ing, T singhua Un iversity, Be ijing 100084, Ch ina) Abstract: In o rder to reso lve the nonlinear contro l o f electron ic thro ttle, an e lectron ic throttle contro ller ( ETC) based on fuzzy contro l theory was designed and experim ented. The fuzzy a lgo rithm, hardw are c ircuits and so ftw are of contro ller w ere described in deta i.l The experim enta l results indicate that the deve loped electronic throttle contro l sy stem ( ETCS) has good fo llow ing character is- tic, and can m eet practica l con tro l requirem ent. K ey words: e lectron ic thro ttle; contro ller; fuzzy control 0� 引言 电子节气门是电控发动机上非常重要的控制装置,其特点 是在电机驱动控制下能够使节气门快速精确地控制在最佳目 标开度。汽车电子节气门控制系统 ( e lec tron ic throttle contro l system,简称 ETCS)是新一代汽车电子控制系统的基础, 广泛地 应用于汽车的怠速控制、驱动防滑控制、巡航控制、自动变速控 制以及混合动力汽车等汽车动力学控制系统中, 能够提高汽车 行驶的动力性、平稳性和经济性并减少排放污染 [ 1- 2]。由于 ETCS的优越性,目前世界上越来越多的大型汽车制造公司开 始采用 ETCS,并应用于高级轿车。随着汽车主动控制的发展, 电子节气门取代传统的机械拉索式节气门操作系统是汽车发 展的必然趋势。目前国外对该项技术的研究已经比较深入, 国 内研究尚处于起步阶段 [ 3]。节气门在工作过程中, 受到弹簧复 位扭矩、阻尼力矩、进气扰流和粘性摩擦扭矩以及电动机驱动 力矩的作用, 具有强非线性和时变性, 因此对电子节气门控制 技术的研究十分必要。 1� 控制系统组成及工作原理 如图 1所示, 电子节气门控制系统 ( ETCS)由位置传感器、 控制器、驱动电路以及执行机构等部分组成。首先 ETCS根据 电子加速踏板位置传感器或其它控制单元确定的节气门目标 开度, 然后微控制器进行计算处理, 输出控制信号, 通过对直流 力矩电机进行脉宽调制 ( PWM )输出控制实现对电机输出力矩 的精细控制。电机输出力矩与占空比成正比。当电机的输出 力矩与阻力矩平衡时, 节气门稳定在目标开度; 占空比增大时 , 电机驱动力矩大于阻力矩, 节气门开度增加; 反之节气门开度 减小。节气门位置传感器将位置信号反馈给控制器, 构成一个 闭环反馈控制系统。 1� 电子加速踏板; 2� 加速踏板位置传感器; 3� 微控制器; 4� PWM 驱 动电路; 5� 直流力矩电机及减速机构; 6� 节气门阀片; 7� 节气门体; 8� 复位弹簧; 9� 节气门位置传感器; 10� 其他电控单元 图 1� ETCS结构简图 2� 模糊控制器设计 2. 1� 控制器模糊控制算法 模糊控制是一种智能控制方法,具有不依赖于对象的数学 模型、便于利用人的经验知识、鲁棒性好和简单实用等优点, 特 别适合于电子节气门这类具有非线性、时变和难以精确建模的 复杂控制过程。与常规的 P ID控制器相比, 它的响应速度快、 超调小。 文中的电子节气门模糊控制器采用双输入单输出的二维 模糊控制器 [ 4- 5] ,输入为节气门目标开度与实际开度的误差 e 和节气门目标开度与实际开度误差 e的变化率 ec,输出为 PWM 占空比 u,控制器的结构如图 2所示。设 k时刻的误差 e ( k ) = � � � � � 第 1期 李志远等:汽车电子节气门模糊控制器设计 75��� � apeda l - a throt tle, 取误差变化范围为 - 90�~ 90�, 则将其转换为 [ - 6, + 6]区间范围, 误差输入的量化因子为 k e = 6 /90= 1 /15, 模糊控制器的输入偏差变量为 e ( k ) � k e。同理,输入偏差变化 率为 ec( k ) = e( k ) - e( k- 1), 取 ec ( k )的变化范围为 - 180�~ + 180�,则量化因子为 k ec = 6 /180= 1 /30。输出控制量 ( PWM占 空比 u)的基本论域为 [ - 1, 1],因此取输出量化因子为 ku= 1/6。 图 2� 电子节气门模糊控制器结构 输入、输出语言变量的模糊子集均分为 7级: {NB(负大 ) , NM (负中 ), NS(负小 ), ZO (零 ) , PS(正小 ), PM (正中 ), PB (正 大 ) }。为了更好地适应 ETCS控制的非线性特点, 提高稳态点 控制精度, 采用了非对称结构的三角形隶属函数, 如图 3所示, 其中模糊推理采用 M am dan i推理法。 图 3� 电子节气门模糊控制器输入、输出隶属度函数 � � 双输入单输出二维模糊控制器的模糊控制规则形式采用 形如 � if e and ec then u�的模糊条件语句。根据经验归纳以及 多次实时仿真和试验对模糊控制规则进行了修改和优化, 最终 制定了 49条模糊规则,模糊控制规则如表 1所示。 表 1� 电子节气门跟随控制模糊规则表 u ec NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NB NB NM NS ZO NM NB NB NB NM NS ZO PS NS NB NB NM NS ZO PS PM ZO NB NM NS ZO PS PM PB PS NM NS NS PS PS PB PB PM NS NS ZO PM PB PB PB PB ZO PS PS PM PB PB PB 2. 2� 硬件电路设计 2. 2. 1� 微控制器 ( MCU ) MCU是控制系统的核心, 它负责数据的采集、处理和逻辑 运算实现最终控制。文中控制器选用新一代 16位 HSC12系列 单片机 M C9S12DP256。该微处理器运算能力强,核心运算能力 可以达到 50M, 总线速度可以达到 25M; 存储空间充足, 片内 集成了 256 K FLASH, 12 K RAM和 4 K EEPROM; 丰富的 I /O 接口, 包括 2个异步串行通讯接口 ( SC I), 3个同步串行通讯接 口 ( SP I), 8路输入捕捉 /输出比较 ( IC /OC) , 16路 10位 AD接 口, 8路 8位 PWM, 29路独立的数字 I /O接口, 20路带中断和 唤醒功能的数字 I /O接口, 5路 CAN总线接口 [ 6]。 2. 2. 2� 信号处理电路 信号处理电路主要完成对电子加速踏板以及节气门位置 信号的滤波处理。图 4为传感器信号处理电路, 其中 OPA2340 完成采集信号的跟随, 二极管对电压限幅, 电阻 R和电容 C 组 成了滤波电路。为了防止信号处理电路受到干扰, 采用了 DC - DC电源隔离模块单独供电。传感器信号经信号处理电路处 理后直接与微处理器的 ADC模块连接。 图 4� AD信号调理电路 2. 2. 3� 驱动电路 目前, 采用全控型的开关功率元件对直流电机进行脉宽调 制 ( PWM )的控制方式已经成为主流。该方式利用功率晶体管 的开关特性来调节电压恒定的直流电源, 通过改变占空比来改 变力矩电机电枢的平均电压, 以此控制电机的扭矩 [ 7]。考虑到 节气门复位弹簧的作用,节气门在关闭时, 可由复位弹簧直接 拉动节气门关闭。因此, 采用无制动的不可逆 PWM 控制方式 , 如图 5所示, 微控制器的 PWM 信号功率不足以直接驱动电子 节气门的驱动电机, 因此采用开关功率器件对直流电机进行驱 动。 � � � � � 76��� Instrum ent Techn ique and Sensor Jan�2011� 图 5� PWM驱动电路 2. 3� 软件设计 ETCS的控制软件主要由初始化模块、启动自检模块、主控 制模块等几部分组成。其中主控制模块是控制软件的主体, 系 统经过初始化和启动自检后,在 RT I定时中断服务程序的控制 下, 定周期循环运行,连续调用数据采集、处理模块和控制执行 模块, 实现电子节气门开度跟随目标开度控制。电子节气门随 动控制程序如图 6所示。模拟信号采集利用 M CU 的 ATD0模块,在中断处理程序中完成数据的读取, AD转换程序 框图如图 7所示。 由于模糊控制算法计算量大, 控制器采用了查表法, 即对 输入量的论域 E、EC中全部元素所有组合计算出相应的以论域 U元素表示的控制量, 写成矩阵形式, 并由该矩阵构成相应的 模糊控制查询表, 然后将该表存放到单片机的存储器中, 并编 制一个查找查询表的子程序 (一般程序中采用数组查询方式 )。 根据上述规则和隶属函数确定的节气门跟随模糊控制算法的 模糊控制查询表如表 2所示。在实际控制过程中, 控制器首先 在每一个控制周期采集节气门开度和电子踏板开度, 取得相应 论域元素表征的查找查询表所需的 ei和 ecj, 然后通过查找表 中相应的行和列即可输出所需的控制量 u ij, 再乘以比例因子 ku, 便可得到控制过程中实际控制量,实现节气门跟随电子加 速踏板动作。 3� 试验结果及分析 为了考核电子节气门控制器的控制效果, 在电子节气门试 验台上进行了电子加速踏板信号的跟随控制试验。其中电子 踏板采用了 03C型电子踏板总成, 节气门采用了 1� 6 L轿车电 子节气门。试验时,系统的采样周期为采用 10 m s, PWM频率 为采用 350 H z(此频率为试验测得的最佳频率 )。图 8为电子 加速踏板阶跃输入和连续随意变化输入的电子节气门跟踪响 应特性, 其中实线部分为电子踏板开度 (节气门目标开度 ), 虚 线部分为电子节气门实际开度。从试验结果可以看出, 2种工 况下节气门响应基本上没有超调,电子节气门控制系统可以使 电子节气门及时跟住目标开度 (电子加速踏板开度 )的变化, 且 跟随误差较小。图中起始阶段节气门目标开度和实际开度存 在误差是由于节气门在完全复位状态时有一个很小的开度 ( 4� 左右 )用于发动机怠速控制。 表 2� 节气门跟随模糊控制输出 u查询表 e ec - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5 6 - 6 - 4�48 - 4�48 - 4�31 - 4�4 - 4�38 - 4�38 - 4�48 - 2�02 - 1�51 - 0�75 - 0�59 0 0 - 5 - 4�48 - 4�48 - 4�31 - 4�4 - 4�38 - 4�38 - 4�48 - 2�02 - 1�51 - 0�75 - 0�59 0 0 - 4 - 4�34 - 4�34 - 4�31 - 4�34 - 4�34 - 4�34 - 3�74 - 1�79 - 1�33 - 0�30 0 0�57 0�57 - 3 - 4�4 - 4�4 - 4�31 - 4�4 - 4�38 - 4�38 - 3�04 - 1�47 - 1�31 - 0�13 0�15 0�7 0�7 - 2 - 4�38 - 4�38 - 4�31 - 4�38 - 4�38 - 4�38 - 2�18 - 0�73 - 0�48 0�43 0�68 0�85 0�85 - 1 - 4�48 - 4�48 - 4�31 - 4�4 - 3�86 - 2�52 - 1�47 0 0�28 1�28 1�77 2�02 2�02 0 - 4�48 - 4�48 - 3�68 - 2�76 - 2�02 - 1�51 0 1�51 2�02 2�76 3�68 4�48 4�48 1 - 2�02 - 2�02 - 1�91 - 1�42 - 0�73 - 0�73 1�47 2�52 3�86 4�4 4�31 4�48 4�48 2 - 0�85 - 0�85 - 0�88 - 0�85 - 0�73 - 0�48 2�18 4�38 4�38 4�38 4�31 4�38 4�38 3 - 0�7 - 0�7 - 0�15 - 0�2 - 0�19 0�08 2�17 3�88 3�98 4�4 4�31 4�4 4�4 4 - 0�57 - 0�57 0 0�12 0�12 0�24 2�18 3�2 3�92 4�34 4�31 4�34 4�34 5 0 0 0�59 0�75 0�85 0�85 2�17 2�88 3�98 4�4 4�31 4�48 4�48 6 0 0 0�59 0�75 0�85 0�85 2�17 2�88 3�98 4�4 4�31 4�48 4�48 � � � � � 第 1期 李志远等:汽车电子节气门模糊控制器设计 77��� � 图 8� 电子加速踏板阶跃输入和连续变化输入的电正节气门跟 踪响应特性 4� 结束语 针对汽车电子节气门控制的非线性特点设计开发了电子 节气门模糊控制器。采用了模糊控制方法设计了控制器软件 ; 硬件电路充分发挥了集成芯片的优势, 保证功能的同时简化了 电路, 提高了系统稳定性。从试验结果可以看出, 设计的模糊 控制器能很好地解决电子节气门控制中的非线性问题,控制器 具有较强的鲁棒性, 对阶跃信号和变频正弦信号都能有很好的 跟踪性能, 能够应用于实车的电子节气门控制。 参考文献: [ 1 ] � 王斌,刘昭度,何玮, 等.汽车电子节气门技术研究现状及发展趋 势.小型内燃机与摩托车, 2005, 34( 6) : 32- 34. [ 2 ] � 谢辉,郝明德,周能辉.混合动力车用汽油机电控节气门系统的开 发研究.汽车工程, 2006, 28( 1) : 17- 19, 37. [ 3 ] � DAN IEL M. Delph i electron ic th rottle con trol system for model year 2000: driver featu res, system security, and OEM ben ef its. ETC for the m ass m arket. SAE Paper 2000- 01- 0556. [ 4 ] � 曾光奇,胡均安,王东,等.模糊控制理论与工程应用.武汉: 华中 科技大学出版社, 2006. [ 5 ] � 牛强,刘学平,向东, 等.基于模糊控制的自动进料微控制器设计 与实现.仪表技术与传感器, 2008( 11) : 93- 95, 98. [ 6 ] � Motorola Inc. MC9S12DP256B DeviceU ser Gu ide V02. 11, 2002. [ 7 ] � 王晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社, 2002. 作者简介:李志远 ( 1975� ) ,讲师,博士,主要研究方向为汽车主动安全 控制技术。E-m ai:l l izhiyuanbd@ sohu. com (上接第 60页 ) � � 在代码的编制过程中, 极值存储的数据结构, 采用了结构 体, 每一个极值的时间坐标和重量;重量平均值累加器的 设计, 通过一个使能位进行工作; 40个采样周期的保护计数器 的设计, 通过一个标志位向主程序反馈目前是否处于保护范围 内等等 [ 5]。这些程序部件与主程序配合工作, 才能达到完善的 程序功能。 4� 系统测试 根据上述的程序进行代码编制后, 将其在 PC端进 行数据仿真。方法是将现场采集的传感器数据发送进入 PC机 内, 调用上述程序进行处理,检查其是否能够进行正确的识别。 仿真结果如图 7所示, 提供的数据为一个 5轴卡车的数 据, 程序可以正确的识别轴数与各段重量数据。如同图 3中所 示, 3轴车共有 4段重量数据: A- B、C - D、E - F和 G - H. 5轴 车又增加了 2个连轴, 因此又增加了 3段重量数据, 因此共有 7 段重量数据。 将该算法改写为子程序, 加入 LPC2368的 �C /OS- �操作 系统平台中, 能够正常识别车辆重量信息。 5� 结束语 基于 ARM微处理器和 �C /OS- �实时操作系统的高速公 路车辆动态称重系统与传统的实现方法相比,能够快速正确测 量按照一定速度通过的车辆重量, 而且系统稳定性好, 可极大 提高了高速公路称重的效率,对高速公路的称重收费和交通安 图 7� 程序仿真示意图 全均具有重要意义。 参考文献: [ 1 ] � 贺曙新. 车辆动态称重技术的历史、现态和展望.中外公回路, 2004, 24 ( 6) , 106- 108. [ 2 ] � NXP Sem iconductors. LPC 23xx S eriesMCU sDatasheet. [ 3 ] � 邵贝贝.嵌入式实时操作系统.北京:北京航空航天大学出版社, 2003, 255- 270. [ 4 ] � Zh ongren Gu, Tom U rban ik, L ee D. H an. 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