1、摘 要I本科毕业论文（20 届）电子节气门控制系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要随着汽车工业技术的日益发展，人们对汽车的安全性、操控性的要求不断提高。同时，科技环保又成为一个新的发展理念。电子节气门技术自 20 世纪80 年代中后期出现以来，已经逐渐应用到众多高中级轿车的先进发动机上，自从电控喷射系统取代化油器后，节气门采用了电子控制系统，增设电子控制单元（ECU） 、节气门位置传感器、空气流量计等监测工况，对节气门的开度进行实施精确控制。电子节气门由于能有效的改善汽车的燃油经济性和降低排放，实现车辆的柔性控制(drive b
2、y wire)，其应用前景将越来越广泛。本文分析了电子节气门的控制系统的原理、结构以及机械系统中的非线性因素及各自的特性，测定了电子节气门的关键参数。建立了电子节气门控制系统的数学模型，并且利用 proteus 绘制本文所设计的电子节气门控制系统的原理图。本文在分析燃气发动机节气门体的物理结构，工作原理及优点的基础上，分别对燃气发动机的节气门进行位置控制、系统包括控制电路、驱动电路、开关电路等硬件部分以及软件部分。通过对电子节气门控制系统的组成及其工作原理的分析，并根据其功能及性能的要求，确立了以飞利浦 P87C51FA 系列单片机为主控芯片，L298N H 桥电机驱动芯片为硬件核心的系统构架
3、；通过对多种电子节气门控制策略进行研究与设计，综合其优缺点，设计了前馈反馈控制的电子节气门控制策略。采用模块化思想分别设计了电子节气门控制单元中的微控制器、电机驱动电路、复位电路、开关电路、节气门阀片位置传感器位置采集、通信等功能模块硬件电路；采用主程序和中断程序相结合的方法，设计了电子节气门控制系统的软件。关键词：电子节气门控制系统，前馈，反馈。AbstractIIIAbstractAlong with the development automobile industry technology, people want to continue improve the car safety
4、and the handing requirements, and the Environmental Science and Technology has become a new development concept. The invention of the electronic throttle technology since the late nineteen eighties, It has been gradually applied to many high and mid-level sedan advanced engine，since the Electronic C
5、ontrolled Injection System replaced the carburetor, the Electronic Control System being used in throttle, add An electronic unit (ECU), and State Detector like throttle position sensor and air flow meter. It also can precisely control the opening degree of the throttle. Because of the Electronic Thr
6、ottle could effectively improve the vehicle fuel and reduced emissions, it also can drive by wire to vehicle, so its application prospect will be more and more widely. This article has analyzed the principle of the Electronic Throttle Control System, structure and mechanical system of nonlinear fact
7、ors and their respective characteristics, determined the key parameters of Electronic Throttle. Establishing the mathematical model of the Electronic Throttle Control System, and use the Proteus to establish the simulation circuit diagram of the Electronic Throttle Control System.Based on the analys
8、is of gas Electronic Throttle body physical structure, working principle and their merit, respectively, position control to the Electronic Throttle, the system comprises a control circuit, drive circuit, switch circuit and other hardware and software.Based on the analysis of the composition and work
9、 principle of the Electronic Throttle Control System, and according to its function and performance requirements, establish the system architecture contain a single chip microcomputer of eight bit as the main control chip, L298N H bridge motor drive chip as the core hardware. We design a control sys
10、tem that can be described as the feedforward and the feedback control mode based on research and design of a variety of the Electronic Throttle Control Strategy, also comprehensive their advantages and disadvantages.AbstractIVUsing the idea of modularization designs the electronic throttle control u
11、nit in the microcontroller, motor drive circuit, reset circuit, switch circuit, the collection of throttle valve slice position sensors, the hardware circuit of communication function module; the main program and interrupt program combining method, We designed the electronic throttle control system
12、software use the combining method of the main program and interrupt program. Key words: the Electronic Controlled Injection System feedforward feedback.目 录V目 录 摘 要 .IAbstract.II目录 .第一章 绪论 .11.1 课题研究的背景 .11.2 节气门控制系统简介 .21.2.1 传统节气门控制系统 .21.2.2 电子节气门控制系统 .21.3 电子节气门控制系统的研究现状及发展趋势 .31.3.1 国内外研究现状 .31.
13、3.2 发展趋势 .41.4 课题研究的意义及主要内容 .5第二章 电子节气门体简介及其数学建模 .62.1 电子节气门体的简介 .62.1.1 电子节气门的物理结构组成 .62.1.2 工作原理 .72.1.3 使用节气门的优点 .82.3 电子节气门系统非线性分析 .82.3.1 复位弹簧的非线性 .92.3.2 节气门阀片运动中的非线性 .92.4 电子节气门的数学模型 .102.4.1 直流电机的数学模型 .102.4.2 节气门的数学模型 .11第三章 电子节气门控制系统及总体方案的设计 .123.1 系统工作 原理 .123.2 系统控制功能及其性能要求 .12目 录VI3.2.1
14、 基本功能要求 .123.2.2 系统的基本性能要求 .133.3 电子节气门体模型参数确定 .133.4 系统通信方案 .143.5 系统控制方式选择 .153.5.1 开环控制与闭环控制 .153.5.2 控制方案的选择 .16第四章 系统硬件和接口电路设计 .174.1 控制系统设计 .174.1.1 硬件元器件的选择 .174.2 节气门电机驱动方案 .184.2.1 节气门电机介绍 .184.2.2 驱动电路设计 .194.3 复位电路设计 .214.3.1 复位电路的作用 .214.3.2 基本复位方式 .214.4 电压比较电路 .234.4.1 电压比较器的原理 .234.4.
15、2 电压比较器的工作原理及应用 .244.5 开关电路的设计 .254.5.1 三极管开关电路的分析设计 .264.5.2 基本三极管开关之改进电路 .27第五章 控制系统的软件设计 .295.1 系统软件总体设计 .295.2 软件子程序设计 .305.2.1PWM 输出子程序流程图 .305.2.2 信号采集子程序流程图 .315.2.3 角度计算子程序流程图 .32总结 .33目 录VII参考文献 .34致 谢 .35附录 主电路图 .37第一章 绪 论- 1 -第一章 绪论1.1 课题研究的背景进入二十一世纪，我国国民经济、国民消费水平都得到了迅猛的提高，从而促使我国汽车产量和保有量得
16、到快速增长。据不完全统计，目前全球汽车保有量已突破十亿辆，2012 年年底我国汽车保有量有望逼近一亿辆 1。汽车发展的迅猛增长必然引起环境问题，检测方面的数据显示汽车排放引起的污染已占空气污染物的一半，可见尾气排放引起的环境问题已不容忽视、已成为一个全球性的问题，势必会遏制我国汽车工业的发展 2。众所周知，汽车内燃机的结构性能决定了尾气的排放以及燃油的消耗。自从内燃机的发明至今，经过人们不断的研究和探索，内燃机得到了充分的发展并且各方面功能也有了很大的改善。特别是在最近二十年内，随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术、智能控制技术等先进技术的飞跃发展，依赖于机械传动控制的传统内燃机逐渐被采用
17、电控技术的内燃机取代。从上个世纪八十年代以来，许多先进控制技术在内燃机上的实践，使内燃机电子控制技术飞跃步入到了智能化控制与集中化控制阶段 【3】 ，应运而生的的发动机管理系统（EMS）逐步应用于每辆汽车上。发动机管理系统的组成包括发动机电子控制单元（ECU） 、油门踏板位置传感器以及执行器。节气门的功能主要用来限制流入汽车发动机的空气量，它作为发动机管理系统中重要的执行器之一，也是发动机实现完全电子控制的基础。电子节气门，与传统油门踏板最大的不同是增加了部分传感器及电子控单元，能够实时地精确地控制节气门的开度及反映节气门开度的变化。对于传统节气门，其采用机械式连接，其油门开度由驾驶员通过控制
18、加速踏板来控制，也就是油门开度仅仅凭驾驶员的主观感受来确定，因此很难实现最优控制。如果安装了电子节气门，则不会存在这一问题。第一章 绪 论- 2 -1.2 节气门控制系统简介电子节气门其实就是现实生活中熟知的油门。按照节气门控制方式的不同，汽车电子节气门又可以分为柔性控制和刚性控制节气门 【4】 。基于以上两种节气门，我们又可以把节气门控制系统分为传统机械式节气门控制系统和电子节气门控制系统。1.2.1 传统机械式节气门控制系统 传统节气门的工作过程是驾驶员通过踩踏油门踏板带动踏板下与节气门连接的拉杆来开闭节气门。它主要由节气门体、钢丝（或拉杆）、油门踏板等部分构成。节气门开度的大小只能由驾驶
19、员踩踏踏板的力度决定，这种直接的控制方式即是所谓的刚性控制。传统机械式节气门控制系统最突出的优点是反应迅速。当然相比较于电子节气门控制系统其结构要简单的多。其最主要的缺点是动态性能不理想。控制精度差也是其逐渐被电子节气门取代的一个重要原因。1.2.2 电子节气门控制系统电子节气门与传统机械式节气门相比较结构及工作原理上有本质上的区别。其油门踏板通过电子传感器与节气门传感器进行联系的这是一种柔性控制方式。通过将电子节气门位置传感器、节气门驱动执行器、节气门、加速踏板位置传感器、电子节气门控制单元集为一体来实时精确反映节气门阀片的开度并相应的控制阀片的开度。相对于传统节气门而言其控制精度更高、改善
20、了油门迟滞现象。电子节气门控制系统主要由油门踏板传感器、ECU、电子节气门体组成。电子节气门体的结构组成主要包括节气门开度位置传感器和执行电机。节气门开度位置传感器反馈的信息是节气门阀片的当前开度，执行电机的功能是控制节气门阀片的运动 5。第一章 绪 论- 3 -加速踏板位置传感器电子控制单元 （ E C U ）直流电机及驱动电路节气门体及节气门位置传感器图 1-1 一种典型节气门控制系统方框图由图 1.1 可知，上图所示电子节气门控制系统有两个主要的功能：（1 ）计算最佳的电子节气门阀片的开度；（2）电子节气门阀片开度的实时跟踪控制。节气门开度的控制的优点主要是在加速和减速时能降低冲击和在变
21、速时能降低变速冲击。（2 ）在车辆稳定控制系统（ VSC）工作时保证车辆的稳定行驶并实现车辆的稳定控制系统和自动变速器（即雪地行驶模式）两者的协调控制。驾驶员的行车意图是由油门踏板位置传感器来进行检测的，电子节气门的实际开度由汽车所处不同工况主要包括燃油电喷系统（EFI）、车辆稳定控制系统（VSC）、自动变速器（ECT）等几种控制信号的综合决定的，再经过电控单元计算出最佳的节气门开度，并由节气门驱动执行器直流电机来控制节气门的开度的大小。1.3 电子节气门控制系统的研究现状及发展趋势1.3.1 国内外研究现状上个世纪七八十年代，德国 Bosch 公司研发出了针对赛车的具有很成熟技术的电子节气门控制系统的产品，不幸的是由于受到当时的技术和成本等非技术因素的限制，致使电子节气门控制系统步履维艰地发展。80 年代末，美国、德国的一些跨国型具有雄厚资本的汽车零配件公司对电子节气门控制系统的研发投入了大量的物力财力，经过约十年的探索研发出相对较低成本的电子节气门控制系统，并逐步使电子节气门开始投放到市场 【6】 。（一）国外电子节气门控制系统发展概况
