摘 要: 通過對(duì)油門控制器技術(shù)的分析，結(jié)合其發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了針對(duì)汽車油門開度調(diào)節(jié)，以及油門與剎車自動(dòng)切換的電子油門控制器，并對(duì)汽車的智能控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。通過對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，分析了以單片機(jī)為核心的硬件設(shè)計(jì)原理和軟件控制算法如何采用達(dá)林算法解決其時(shí)變滯后的問題。
關(guān)鍵詞: 油門控制器； 達(dá)林算法； 執(zhí)行器
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隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，目前汽車已經(jīng)開始進(jìn)入普通百姓家庭，給人們的出行帶來了方便。但是有時(shí)因駕駛員錯(cuò)誤地將油門當(dāng)剎車，從而產(chǎn)生了許多悲慘的交通事故。面對(duì)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(jīng)實(shí)際調(diào)查，目前市場(chǎng)上一些機(jī)械結(jié)構(gòu)方案。有的不符合人體工程學(xué)原理，有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜可靠性差，有的甚至?xí)硪恍┬碌膯栴}?；谶@些問題，在2006年6月，申請(qǐng)了關(guān)于汽車電子油門的河北省科技廳科研項(xiàng)目。提出利用單片機(jī)控制汽車的油門，以此來解決所存在的實(shí)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(jī)檢測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)汽車油門開度控制和油門與剎車自動(dòng)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(shù)據(jù)總線和執(zhí)行器組成。位移傳感器安裝在油門踏板內(nèi)部，隨時(shí)檢測(cè)油門踏板的位置。一旦檢測(cè)到油門踏板位置有變化，會(huì)瞬間將此信息送往ECU，ECU對(duì)該信息和其他傳感器送來的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行綜合運(yùn)算處理，然后輸出一個(gè)控制信號(hào)，該控制信號(hào)通過總線送到電磁執(zhí)行器，執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)控制油量輸出大小，進(jìn)而調(diào)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(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，安裝了速度和位移傳感器，在制動(dòng)踏板和節(jié)氣門上，分別裝有1個(gè)微型電動(dòng)機(jī)和1個(gè)執(zhí)行器，如果駕駛員誤動(dòng)作，把油門踏板當(dāng)成了制動(dòng)踏板，瞬間將使油門踏板大角度地壓到了最低端，這時(shí)單片機(jī)將立刻啟動(dòng)制動(dòng)踏板下的電動(dòng)機(jī)快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)制動(dòng)踏板迅速壓到最下，進(jìn)行強(qiáng)行“剎車”動(dòng)作，立刻使汽車減速停車；同時(shí)節(jié)氣門中的執(zhí)行器立刻將節(jié)氣門關(guān)閉，使發(fā)動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。這樣使電機(jī)和執(zhí)行器在單片機(jī)的控制下，瞬間完成油門的關(guān)閉，停止發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)拉下制動(dòng)踏板，強(qiáng)行剎車制動(dòng)。
2 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立和達(dá)林算法應(yīng)用分析
為了更好地實(shí)現(xiàn)油門控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油及輸出轉(zhuǎn)矩的控制，達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及功率的最佳控制，所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型如下。
(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。將發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為一回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在其上作用有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩Md(n,x)和負(fù)載力矩Mf，其運(yùn)動(dòng)方程為：
在工業(yè)過程中，大多數(shù)被控對(duì)象因具有較大的純滯后時(shí)間而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，過渡過程特性也會(huì)變壞，采用常規(guī)的PID控制，很難獲得良好的控制性能。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)純滯后對(duì)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(dá)林(Dahlin)算法。
達(dá)林算法在應(yīng)用的過程中需要知道系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型。通過上面的分析已經(jīng)獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中不斷變化的模型參數(shù)，這為應(yīng)用達(dá)林算法提供了必要的前提條件。
達(dá)林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：設(shè)計(jì)合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)成為帶純滯后時(shí)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(shí)間等于被控對(duì)象的純滯后時(shí)間，即閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
一般滯后控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，Gc(s)為被控對(duì)象，H0(s)是認(rèn)為與被控對(duì)象相串連的零階保持器，D(z)是數(shù)字控制器。
用零階保持器離散化的方法，τ(s)相對(duì)應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為：
式中,U(K)為數(shù)字控制器的輸出，E(K)為偏差信號(hào)。
(12)式即為所設(shè)計(jì)的達(dá)林算法的數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型，有了這個(gè)模型很容易用單片機(jī)進(jìn)行編程控制。
3 單片機(jī)控制的具體實(shí)現(xiàn)
油門位置控制器所要處理的輸入信號(hào)為AMT主控制器送過來的PWM控制信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)是周期固定為10 ms、占空比變化的脈寬信號(hào)，并與PIC16F877單片機(jī)的RC2/CCP1引腳相連。該引腳為復(fù)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(diào)制(CCP1)輸入輸出口使用。在這里使用其第2個(gè)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(hào)高電平的時(shí)間長(zhǎng)度。
??? 在使用捕獲功能時(shí)，要先設(shè)定好Timer1的動(dòng)作，因?yàn)镃CP1模塊是用Timer1來作為計(jì)時(shí)時(shí)基的，Timer1的工作方式要設(shè)定為定時(shí)器工作方式，同時(shí)該引腳要設(shè)置成輸入引腳。在啟動(dòng)捕獲功能后，定時(shí)器將根據(jù)設(shè)置自動(dòng)遞增累計(jì)，而CCP模塊會(huì)一直偵測(cè)該引腳的狀態(tài)。當(dāng)該引腳的狀態(tài)變化符合所設(shè)定的事件時(shí)， 16位的TMR1值(即累計(jì)值)會(huì)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(hào)的4種狀況:信號(hào)中每個(gè)下降沿發(fā)生時(shí)；信號(hào)中每個(gè)上升沿發(fā)生時(shí)；信號(hào)中每4個(gè)上升沿發(fā)生時(shí)；信號(hào)中每16個(gè)上升沿發(fā)生時(shí)。
在該系統(tǒng)中，要捕獲AMT主控制器發(fā)送過來的PWM信號(hào)高電平所持續(xù)的時(shí)間，其原理如圖3所示。在t1時(shí)刻以前，把CCP1設(shè)置成捕獲脈沖的上升沿(上述狀況2)，當(dāng)上升沿來到時(shí)發(fā)生CCP中斷，在中斷服務(wù)程序中捕獲記下此時(shí)TMR1寄存器中16 bit的值TMR11，并把CCP1設(shè)置成捕獲脈沖的下降沿(上述狀況1)；當(dāng)該P(yáng)WM信號(hào)的下降沿到來時(shí)，又發(fā)生CCP中斷，又在中斷服務(wù)程序中記下此時(shí)TMR1寄存器中的16bit的值TMR12。此時(shí)可知道該P(yáng)WM脈寬信號(hào)的寬度為Tp=(TMR12－TMR11)，經(jīng)過處理后作為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制的輸入信號(hào)。
4 反饋信號(hào)的處理
在該油門控制器閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)由執(zhí)行器在工作過程中產(chǎn)生，信號(hào)的類型為電壓信號(hào)。為了削弱該電壓反饋信號(hào)中的干擾，用1個(gè)運(yùn)放TLV2211構(gòu)成1個(gè)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(diǎn)來進(jìn)行阻抗匹配，達(dá)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(jìn)行電流放大，MC7805T的作用是進(jìn)行穩(wěn)壓。執(zhí)行器的反饋輸出有三端，其中反饋電源端經(jīng)過MC7805T后作為三極管和運(yùn)放的供電電壓，反饋地端作為參考0電位點(diǎn)，反饋信號(hào)端的電壓，取自執(zhí)行器內(nèi)部10 kΩ電阻上的電壓，該電壓直接與運(yùn)放的同相輸入端相連，作為其電壓的輸入。
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經(jīng)過處理后的電壓信號(hào)，送到PIC16F877的模擬通道輸入端AN0，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的結(jié)果參與控制算法的計(jì)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(zhuǎn)換模塊，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)要對(duì)ADCON0和ADCON1寄存器進(jìn)行設(shè)置，以進(jìn)行通道的選擇、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的選擇、參考電壓的選擇及轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)等。通過設(shè)定ADCON0寄存器的CHS2:CHS0 3位為000來選擇轉(zhuǎn)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(shè)定為10，這樣A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘便選擇了Fosc/32，則A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換1個(gè)位的時(shí)間TAD=1.6 μs；通過設(shè)定ADCON1的PCFG3:PCFG0 4位為0101，來設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓輸入端為VREF+。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以通過訪問ADRESH和ADRESL而得到。
5 輸出信號(hào)的處理
油門控制器的輸出信號(hào)為PWM信號(hào)，該信號(hào)傳送給執(zhí)行器，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行水平位移運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)械連桿改變?nèi)f向節(jié)的角度以達(dá)到改變節(jié)氣門的開度，進(jìn)而達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、輸出轉(zhuǎn)矩控制的目的。PIC16F877具有輸出PWM脈寬信號(hào)的功能，但是它輸出的PWM信號(hào)頻率調(diào)節(jié)比較困難，所以設(shè)計(jì)中選擇了一種能夠輸出PWM信號(hào)，且能很方便調(diào)節(jié)其工作頻率的芯片SG3524?？刂扑惴ǜ鶕?jù)輸入量和反饋量所計(jì)算出的數(shù)值要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后送到SG3524的2引腳上。由于PIC16F877不具有D/A轉(zhuǎn)換的功能，因此，在該部分電路中選擇具有獨(dú)立高速緩沖輸入、雙通道輸出12位轉(zhuǎn)換精度的D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5618來完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能。該D/A轉(zhuǎn)換芯片在工作時(shí)需要給定一個(gè)參考電壓，在該電路中選擇一個(gè)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(zhuǎn)換芯片來完成此功能，讓其作為D/A轉(zhuǎn)換參考電壓的基準(zhǔn)。D/A轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(jī)與D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5618通過SPI方式進(jìn)行通信，單片機(jī)作為主機(jī)，D/A轉(zhuǎn)換芯片作為從機(jī)。單片機(jī)的SDI引腳、串行輸出引腳SDO和串行時(shí)鐘引腳SCK分別與轉(zhuǎn)換芯片的片選引腳CS、串行輸入引腳DIN和串行時(shí)鐘引腳SCLK相連接。在進(jìn)行SPI工作方式設(shè)定時(shí)，要對(duì)單片機(jī)的SSPCON和SSPSTAT 2個(gè)寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置，以達(dá)到正常通信的目的。當(dāng)要把數(shù)據(jù)從單片機(jī)發(fā)送到轉(zhuǎn)換芯片時(shí),只要將數(shù)據(jù)寫入SSPBUF緩沖器即可。
PWM輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)的頻率。當(dāng)PWM信號(hào)的頻率與執(zhí)行器的工作的頻點(diǎn)接近時(shí)，此時(shí)執(zhí)行器的工作性能達(dá)到最佳，可以起到最好的輸出控制效果。SG3524的引腳9為補(bǔ)償端，在此引腳可以連接R-C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)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(zhuǎn)換的輸出端OUTA相連，作為其內(nèi)部誤差放大器EA兩端的輸入。
該電子油門控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，控制器在調(diào)試中實(shí)現(xiàn)了上述的基本功能。
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