� 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
。
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
动控制程序流程如图 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:
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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
根据上述的程序流程图进行代码编制后, 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:
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统,工业仪表与自动化装置, 2009, ( 3) : 66- 68.
作者简介:陈晓莉 ( 1965� ) ,高级工程师,研究方向为嵌入式系统及应
用。E-m ai:l Chenx iaol@i sus t. edu. cn