專利名稱：一種電子節(jié)氣門控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的控制器。
目前，對(duì)電子節(jié)氣門的控制，即對(duì)電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，一般采用兩種形式一種是通過一獨(dú)立的控制器來控制節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種控制形式的缺點(diǎn)為汽車的各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，各系統(tǒng)之間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不能統(tǒng)一管理和控制，因此，使具有電子節(jié)氣門的發(fā)動(dòng)機(jī)無法發(fā)揮出應(yīng)有的效果。
對(duì)電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的另一種是通過汽車中央控制器直接控制節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種控制形式，雖能實(shí)現(xiàn)汽車的各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和統(tǒng)一管理，但汽車的各系統(tǒng)之間的相互干擾嚴(yán)重，影響了汽車的穩(wěn)定性。
由于目前對(duì)電子節(jié)氣門的控制具有上述缺陷，因此會(huì)對(duì)汽車動(dòng)力輸出和穩(wěn)定性造成不利影響，特別是對(duì)對(duì)控制系統(tǒng)要求極高的電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車輛的影響更大。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是它具有與上位機(jī)通信的CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口、向電子節(jié)氣門的直流伺服電機(jī)輸出控制信號(hào)的信號(hào)輸出端、接收電子節(jié)氣門的直流伺服電機(jī)的位置反饋信號(hào)的信號(hào)輸入端；它包括嵌入式微處理器和PWM(脈沖寬度調(diào)制)功率輸出模塊；嵌入式微處理器通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)通信；嵌入式微處理器包括軟件實(shí)現(xiàn)的PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)輸出，嵌入式微處理器的PWM信號(hào)輸出端與PWM功率輸出模塊的信號(hào)輸入端連接；PWM功率輸出模塊的信號(hào)輸出端為直流伺服電機(jī)的控制信號(hào)端；直流伺服電機(jī)的位置反饋信號(hào)的信號(hào)輸出端直接接至嵌入式微處理器的A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。
本發(fā)明電子節(jié)氣門控制器通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)通信，且CAN總線的通訊簡(jiǎn)單，方便，抗干擾性強(qiáng)，使控制器與汽車的各系統(tǒng)之間既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，從而克服了目前電子節(jié)氣門的控制形式的缺陷，使汽車和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能大大改善。
如圖2所示，CAN總線采用的雙絞線，兩根線分別為CAN高和CAN低。PCA82C250芯片就是DSP中的CAN控制器與物理總線間的接口，它是專用的CAN驅(qū)動(dòng)芯片，提供對(duì)總線的差分發(fā)送和接收功能。它完成CANH，CANL和CAN發(fā)送，CAN接收之間的轉(zhuǎn)換。為了增強(qiáng)CAN通信的抗干擾能力，DSP控制單元的緩沖器與CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口之間設(shè)有光電隔離電路；光電隔離電路可采用的高速光隔芯片6N137。另外，為了避免電源引起的干擾，CAN通信部分采用單獨(dú)的DC-DC(直流變直流)電源模塊供電。
如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例的DSP控制單元為TMS320LF2407 DSP，它內(nèi)部硬件集成了CAN控制器和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，節(jié)氣門開度給定信號(hào)是通過CAN總線由上位機(jī)傳出，被DSP中的CAN控制器接收。節(jié)氣門位置反饋是一個(gè)模擬的電壓信號(hào)，可以直接接到DSP的一路A/D引腳，當(dāng)然需給DSP的A/D模塊供電，并為轉(zhuǎn)換提供參考電壓。給定與反饋在DSP中經(jīng)過一定的算法最終轉(zhuǎn)化為占空比變化的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)輸出。為了調(diào)試方便，我們需為DSP擴(kuò)展一個(gè)外部程序RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器)。另外由于DSP的驅(qū)動(dòng)能力有限，并且其工作電壓為3.3V，所以其引腳輸出或接收的一些信號(hào)包括CAN發(fā)送，CAN接收和IO口輸出的信號(hào)都需經(jīng)過緩沖和電平轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明實(shí)施例中，緩沖和電平轉(zhuǎn)換可由74HC245芯片一并完成，該芯片采用3.3V供電。
如圖4所示，PWM信號(hào)首先經(jīng)過死區(qū)控制器。在死區(qū)控制器中，PWM信號(hào)首先被反向分成高低電平正好相反的兩路，然后對(duì)每一路信號(hào)由低變高的時(shí)間延遲。通過電容的充電，使PWM信號(hào)中由低電平到高電平的的時(shí)間被延遲。而因?yàn)橛蟹聪蚨O管的快速放電使PWM信號(hào)由高電平到低電平的時(shí)間不被延遲，死區(qū)的時(shí)間由一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)公式計(jì)算。在本電路中，需要死區(qū)時(shí)間為2us-8us，我們選取電阻R為500-2k歐姆，電容C大小為0.01uf，于是產(chǎn)生的信號(hào)PWM1與PWM2的波形(如圖5所示)。即一路信號(hào)為高電平的時(shí)間建立在另一路信號(hào)保證是低電平的前提下。
本發(fā)明實(shí)施例采用4個(gè)MOS管組成的H橋功率輸出電路，為對(duì)各個(gè)MOS管提供驅(qū)動(dòng)，本發(fā)明實(shí)施例采用自舉式MOS管專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110(如圖6所示)，通過自舉產(chǎn)生所需的多個(gè)地端，從而解決MOS管不共地的問題。該芯片的采用，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路。在經(jīng)過IR2110以后，PWM1，PWM2被分成四組(并對(duì)應(yīng)地端)分別去驅(qū)動(dòng)后面的四個(gè)MOS管。這四組分別為(OUT1，GND1)、(OUT2，GND0)、(OUT3，GND3)、(OUT4，GND0)，其中OUT1，OUT3由自舉產(chǎn)生。C21，C22為自舉電容，在本發(fā)明實(shí)施例中，PWM開關(guān)頻率為5kHZ-20kHZ，占空比變化范圍較大，自舉電容C21，C22選取0.1u，工作良好。
如圖7所示的H橋功率輸出電路的電路原理圖，該電路的工作原理為當(dāng)PWM信號(hào)占空比大于50％時(shí)，即OUT1，OUT4信號(hào)已高電平時(shí)間＞50％，OUT3，OUT2信號(hào)的高電平時(shí)間＜50％，所以，Q1，Q4管的導(dǎo)通時(shí)間長一些。故平均電流為從節(jié)氣門電機(jī)的1端流向2端，對(duì)應(yīng)電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，PWM信號(hào)占空比小于50％時(shí)，電流流向從1到2，對(duì)應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)占空比等于50％時(shí)，節(jié)氣門穩(wěn)定在某個(gè)角度不動(dòng)。
如圖8所示的本發(fā)明實(shí)施例的軟件流程圖，該軟件程序流程中，存在兩個(gè)中斷，一個(gè)是主控ECU(CAN上位機(jī))每隔20ms發(fā)出的數(shù)據(jù)引起本系統(tǒng)節(jié)氣門ECU的中斷，通過中斷，取出本發(fā)明實(shí)施例中所需的數(shù)據(jù)并計(jì)算所要求的開度給定電壓，更新該給定變量；另一個(gè)是本系統(tǒng)定時(shí)器周期到而引起的中斷，在該中斷程序中，進(jìn)行控制算法，包括采樣節(jié)氣門位置反饋電壓，智能PID(比例-積分-微分)調(diào)節(jié)器控制算法，然后更新PWM比較寄存器，通過調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度。
智能PID控制算法為了加快系統(tǒng)的的響應(yīng)速度，我們采用了經(jīng)過改進(jìn)的的智能PID控制算法。
C(k)為反饋量，VIN(k)為給定量，VE(k)為偏差。
F(k)＝C(k)+Kd*[C(k)-C(k-1)]； 微分先行。
VE(k)＝VIN(k)-F(k)；If VE＞0.5V，then控制量PWM比較值＝173(最大值90％的占空比)If VE＜-0.5V，then控制量PWM比較值＝19(最小值10％的占空比)Else控制量U＝U_last+x0*(VE-VE_last)1+x1*VE；比例-積分算法If U＞5V，then U＝5VIf U＜-5V，then U＝-5VPWM比較值＝U*15.4+96最后通過控制算法得出的PWM比較值去改變DSP輸出的PWM信號(hào)的占空比，由此來調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度。
測(cè)試效果經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本發(fā)明實(shí)施例控制器與上位機(jī)通信良好，能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)電子節(jié)氣門的控制，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明控制器中的嵌入式微處理器也可為單片機(jī)。
本發(fā)明控制器中的脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊也可以直接接收外部的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種電子節(jié)氣門控制器，其特征在于它具有與上位機(jī)通信的CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口、向電子節(jié)氣門的直流伺服電機(jī)輸出控制信號(hào)的信號(hào)輸出端、接收電子節(jié)氣門的直流伺服電機(jī)的位置反饋信號(hào)的信號(hào)輸入端；它包括嵌入式微處理器和脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊；嵌入式微處理器通過控制總線網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)通信；嵌入式微處理器包括軟件實(shí)現(xiàn)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出，嵌入式微處理器的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出端與脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊的信號(hào)輸入端連接；脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊的信號(hào)輸出端為直流伺服電機(jī)的控制信號(hào)端；直流伺服電機(jī)的位置反饋信號(hào)的信號(hào)輸出端直接接至嵌入式微處理器的A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于嵌入式微處理器為數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器的軟件中含有智能比例-積分-微分調(diào)節(jié)器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制器，其特征在于脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊由死區(qū)控制電路、自舉式驅(qū)動(dòng)電路、4個(gè)金屬膜場(chǎng)效應(yīng)管組成的H橋功率輸出電路組成，自舉式驅(qū)動(dòng)電路向各個(gè)金屬膜場(chǎng)效應(yīng)管提供驅(qū)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的控制器，其特征在于死區(qū)控制電路中，死區(qū)的產(chǎn)生方法為通過電容的充電，使脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中由低電平到高電平的的時(shí)間被延遲；通過反向二極管的快速放電，使脈沖寬度調(diào)制信號(hào)由高電平到低電平的時(shí)間不被延遲，死區(qū)的時(shí)間由一階路的零狀態(tài)響應(yīng)公式計(jì)算。
5.如權(quán)利要求1或2所述的控制器，其特征在于脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊能直接接收外部的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電子節(jié)氣門控制器，它具有與上位機(jī)通信的CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口、向電子節(jié)氣門的直流伺服電機(jī)輸出控制信號(hào)的信號(hào)輸出端、接收電子節(jié)氣門的直流伺服電機(jī)的位置反饋信號(hào)的信號(hào)輸入端；它包括嵌入式微處理器和脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊；嵌入式微處理器包括軟件實(shí)現(xiàn)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出，脈沖寬度調(diào)制功率輸出模塊的信號(hào)輸出端為直流伺服電機(jī)的控制信號(hào)端。本發(fā)明電子節(jié)氣門控制器通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)通信，且CAN總線的通訊簡(jiǎn)單，方便，抗干擾性強(qiáng)，使控制器與汽車的各系統(tǒng)之間既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，從而克服了目前電子節(jié)氣門的控制形式的缺陷，使汽車和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能大大改善。
文檔編號(hào)F02D41/26GK1412426SQ02147799
公開日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月9日
發(fā)明者全書海, 杜傳進(jìn), 尹葉丹, 程昌銀, 李波 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)