摘 要: 通過對油門控制器技術的分析，結合其發(fā)展應用現(xiàn)狀，設計了針對汽車油門開度調節(jié)，以及油門與剎車自動切換的電子油門控制器，并對汽車的智能控制進行了設計研究。通過對汽車發(fā)動機建立數學模型，分析了以單片機為核心的硬件設計原理和軟件控制算法如何采用達林算法解決其時變滯后的問題。
關鍵詞: 油門控制器； 達林算法； 執(zhí)行器
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隨著經濟的高速發(fā)展，目前汽車已經開始進入普通百姓家庭，給人們的出行帶來了方便。但是有時因駕駛員錯誤地將油門當剎車，從而產生了許多悲慘的交通事故。面對這樣的安全問題，科研人員開始著手研究解決這一問題的方法。經實際調查，目前市場上一些機械結構方案。有的不符合人體工程學原理，有的結構復雜可靠性差，有的甚至會帶來一些新的問題。基于這些問題，在2006年6月，申請了關于汽車電子油門的河北省科技廳科研項目。提出利用單片機控制汽車的油門，以此來解決所存在的實際問題。
本控制器在普通油門上，安裝了速度和位移傳感器，利用單片機檢測與控制，實現(xiàn)汽車油門開度控制和油門與剎車自動切換的目的。
1 系統(tǒng)的組成原理及控制過程
油門控制器主要由油門踏板、踏板位移傳感器、油門電控單元（ECU）、數據總線和執(zhí)行器組成。位移傳感器安裝在油門踏板內部，隨時檢測油門踏板的位置。一旦檢測到油門踏板位置有變化，會瞬間將此信息送往ECU，ECU對該信息和其他傳感器送來的數據信息，進行綜合運算處理，然后輸出一個控制信號，該控制信號通過總線送到電磁執(zhí)行器，執(zhí)行器驅動節(jié)氣門執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)控制油量輸出大小，進而調節(jié)車速。其組成框圖如圖1所示。
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本油門控制器在傳統(tǒng)油門的機械結構基礎上，安裝了速度和位移傳感器，在制動踏板和節(jié)氣門上，分別裝有1個微型電動機和1個執(zhí)行器，如果駕駛員誤動作，把油門踏板當成了制動踏板，瞬間將使油門踏板大角度地壓到了最低端，這時單片機將立刻啟動制動踏板下的電動機快速旋轉，帶動制動踏板迅速壓到最下，進行強行“剎車”動作，立刻使汽車減速停車；同時節(jié)氣門中的執(zhí)行器立刻將節(jié)氣門關閉，使發(fā)動機停止旋轉。這樣使電機和執(zhí)行器在單片機的控制下，瞬間完成油門的關閉，停止發(fā)動機旋轉，自動拉下制動踏板，強行剎車制動。
2 發(fā)動機數學模型的建立和達林算法應用分析
為了更好地實現(xiàn)油門控制器對發(fā)動機噴油及輸出轉矩的控制，達到對發(fā)動機轉速及功率的最佳控制，所建立的發(fā)動機數學模型如下。
(1)發(fā)動機的運動方程。將發(fā)動機簡化為一回轉機構，在其上作用有發(fā)動機驅動力矩Md(n,x)和負載力矩Mf，其運動方程為：
在工業(yè)過程中，大多數被控對象因具有較大的純滯后時間而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，過渡過程特性也會變壞，采用常規(guī)的PID控制，很難獲得良好的控制性能。長期以來，人們對純滯后對象的控制作了大量的研究，其中比較有代表性的一種方法是達林(Dahlin)算法。
達林算法在應用的過程中需要知道系統(tǒng)的精確的數學模型。通過上面的分析已經獲得了發(fā)動機在工作過程中不斷變化的模型參數，這為應用達林算法提供了必要的前提條件。
達林算法的設計目標是：設計合適的數字調節(jié)器D(Z)，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數成為帶純滯后時間的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間等于被控對象的純滯后時間，即閉環(huán)傳遞函數為：
一般滯后控制系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。圖中，Gc(s)為被控對象，H0(s)是認為與被控對象相串連的零階保持器，D(z)是數字控制器。
用零階保持器離散化的方法，τ(s)相對應的整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數為：
式中,U(K)為數字控制器的輸出，E(K)為偏差信號。
(12)式即為所設計的達林算法的數字控制器的數學模型，有了這個模型很容易用單片機進行編程控制。
3 單片機控制的具體實現(xiàn)
油門位置控制器所要處理的輸入信號為AMT主控制器送過來的PWM控制信號，該PWM信號是周期固定為10 ms、占空比變化的脈寬信號，并與PIC16F877單片機的RC2/CCP1引腳相連。該引腳為復合引腳，可以作為通用的I/O口使用，也可以作為捕獲/比較/脈寬調制(CCP1)輸入輸出口使用。在這里使用其第2個功能，即讓該引腳工作在CCP模塊方式的捕獲功能上,用以捕獲輸入過來的PWM信號高電平的時間長度。
??? 在使用捕獲功能時，要先設定好Timer1的動作，因為CCP1模塊是用Timer1來作為計時時基的，Timer1的工作方式要設定為定時器工作方式，同時該引腳要設置成輸入引腳。在啟動捕獲功能后，定時器將根據設置自動遞增累計，而CCP模塊會一直偵測該引腳的狀態(tài)。當該引腳的狀態(tài)變化符合所設定的事件時， 16位的TMR1值(即累計值)會被捕獲到CCPR1寄存器(CCPR1H:CCPR1L)中。
CCP1模塊可以選擇的捕獲事件主要是引腳上信號的4種狀況:信號中每個下降沿發(fā)生時；信號中每個上升沿發(fā)生時；信號中每4個上升沿發(fā)生時；信號中每16個上升沿發(fā)生時。
在該系統(tǒng)中，要捕獲AMT主控制器發(fā)送過來的PWM信號高電平所持續(xù)的時間，其原理如圖3所示。在t1時刻以前，把CCP1設置成捕獲脈沖的上升沿(上述狀況2)，當上升沿來到時發(fā)生CCP中斷，在中斷服務程序中捕獲記下此時TMR1寄存器中16 bit的值TMR11，并把CCP1設置成捕獲脈沖的下降沿(上述狀況1)；當該PWM信號的下降沿到來時，又發(fā)生CCP中斷，又在中斷服務程序中記下此時TMR1寄存器中的16bit的值TMR12。此時可知道該PWM脈寬信號的寬度為Tp=(TMR12－TMR11)，經過處理后作為對發(fā)動機數學模型進行控制的輸入信號。
4 反饋信號的處理
在該油門控制器閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋信號由執(zhí)行器在工作過程中產生，信號的類型為電壓信號。為了削弱該電壓反饋信號中的干擾，用1個運放TLV2211構成1個電壓跟隨器電路，用電壓跟隨器輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點來進行阻抗匹配，達到削弱干擾的目的。該部分電路的具體連接如圖4所示。電路中的三極管的作用是進行電流放大，MC7805T的作用是進行穩(wěn)壓。執(zhí)行器的反饋輸出有三端，其中反饋電源端經過MC7805T后作為三極管和運放的供電電壓，反饋地端作為參考0電位點，反饋信號端的電壓，取自執(zhí)行器內部10 kΩ電阻上的電壓，該電壓直接與運放的同相輸入端相連，作為其電壓的輸入。
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經過處理后的電壓信號，送到PIC16F877的模擬通道輸入端AN0，進行A/D轉換。轉換后的結果參與控制算法的計算，用以求得系統(tǒng)的輸入誤差。PIC16F877具有10位分辨率的A/D轉換模塊，在進行A/D轉換時要對ADCON0和ADCON1寄存器進行設置，以進行通道的選擇、轉換時鐘的選擇、參考電壓的選擇及轉換的啟動等。通過設定ADCON0寄存器的CHS2:CHS0 3位為000來選擇轉換通道為AN0；在使用20 MHz晶振的情況下，把ADCON0寄存器的ADCS1：ADCS0 2位設定為10，這樣A/D轉換的時鐘便選擇了Fosc/32，則A/D轉換模塊轉換1個位的時間TAD=1.6 μs；通過設定ADCON1的PCFG3:PCFG0 4位為0101，來設定A/D轉換的參考電壓輸入端為VREF+。A/D轉換的結果可以通過訪問ADRESH和ADRESL而得到。
5 輸出信號的處理
油門控制器的輸出信號為PWM信號，該信號傳送給執(zhí)行器，以驅動執(zhí)行器進行水平位移運動，通過機械連桿改變萬向節(jié)的角度以達到改變節(jié)氣門的開度，進而達到對發(fā)動機噴油、輸出轉矩控制的目的。PIC16F877具有輸出PWM脈寬信號的功能，但是它輸出的PWM信號頻率調節(jié)比較困難，所以設計中選擇了一種能夠輸出PWM信號，且能很方便調節(jié)其工作頻率的芯片SG3524?？刂扑惴ǜ鶕斎肓亢头答伭克嬎愠龅臄抵狄涍^D/A轉換后送到SG3524的2引腳上。由于PIC16F877不具有D/A轉換的功能，因此，在該部分電路中選擇具有獨立高速緩沖輸入、雙通道輸出12位轉換精度的D/A轉換芯片TLC5618來完成數模轉換的功能。該D/A轉換芯片在工作時需要給定一個參考電壓，在該電路中選擇一個能夠輸出穩(wěn)定2.5 V電壓且輸入電壓范圍較寬(4.5 V～40 V)的MC1403電壓轉換芯片來完成此功能，讓其作為D/A轉換參考電壓的基準。D/A轉換芯片輸出電壓的最大值為其參考電壓的2倍。具體電路設計如圖5(非虛線部分)所示。
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在該部分電路中,PIC16F877單片機與D/A轉換芯片TLC5618通過SPI方式進行通信，單片機作為主機，D/A轉換芯片作為從機。單片機的SDI引腳、串行輸出引腳SDO和串行時鐘引腳SCK分別與轉換芯片的片選引腳CS、串行輸入引腳DIN和串行時鐘引腳SCLK相連接。在進行SPI工作方式設定時，要對單片機的SSPCON和SSPSTAT 2個寄存器進行正確的設置，以達到正常通信的目的。當要把數據從單片機發(fā)送到轉換芯片時,只要將數據寫入SSPBUF緩沖器即可。
PWM輸出驅動信號由SG3524芯片來完成,該芯片的振蕩頻率focs由外接元件RT和CT決定，即focs＝1/RT/CT。可以通過改變RT的值來改變PWM信號的頻率。當PWM信號的頻率與執(zhí)行器的工作的頻點接近時，此時執(zhí)行器的工作性能達到最佳，可以起到最好的輸出控制效果。SG3524的引腳9為補償端，在此引腳可以連接R-C補償網絡，進而消除電路的寄生振蕩。SG3524的引腳1(反相輸入端)和引腳2(同相輸入端)分別與其引腳9和D/A轉換的輸出端OUTA相連，作為其內部誤差放大器EA兩端的輸入。
該電子油門控制器的設計與實現(xiàn)有著廣泛的實際應用價值，控制器在調試中實現(xiàn)了上述的基本功能。
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參考文獻
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