电子节气门控制系统设计与仿真分析.pdf
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1、2023 年 26 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application电子节气门控制系统设计与仿真分析俞涵青(福建船政交通职业学院,福州 350007)电子节气门是机械发动机的核心部件,将其与控制系统实现通信连接后,能够实现多种控制功能,从而提升机械运行性能,相较于传统的机械连接方式,电子节气门系统更加简单,便于操作,而且能够对控制系统运行状态进行监控,具有较好的应用价值。1电子节气门控制系统设计针对电子节气门控制系统的设计,控制器是核心,主要负责采集和处理输入信号,并采用特定的算法,在微处理器的分析计算后得到最终的控制量,再将控制量传输至执行器
2、,从而完成控制任务及操作。为实现电子节气门的控制功能,需要对装置的硬件系统及软件系统进行设计。1.1电子节气门控制器硬件设计控制器硬件设计要求具体为:控制器采集机械拉杆位置寅通过传感器输入信号寅节气门位置传感器反馈信号寅分析输入信号及反馈信号寅快速调节节气门电机转速寅减速机构将扭矩传到节气门转轴寅配合复位弹簧的作用寅控制节气门阀片的转角。为了提升机械控制系统性能,控制器的硬件需设计 4 路信号采集电路、电机控制电路、故障报警电路和电源电路,并且配合 1 台微型计算机进行数据的计算分析,微型计算机是控制器的核心,主要进行信号采集,并发出电机控制信号及故障报警信号。1.1.1信号采集电路1)结合节
3、气门控制系统应用要求,本文的设计中选用了 BOSCH(F011200Y015)型号的电子节气门。2)传感器部分应用冗余设计,在标定后确定为线性电位计,因此两路信号的和是一个常数。3)机械拉杆开关也应用以上设计方法。4)4 路信号均为模拟信号(电压信号),在操作中需提升信号获取的准确度,因此对信号采集电路中的4 路信号需进行滤波处理,采用 RC 滤波电路对 4 路信号进行高频干扰成分的过滤,再将 4 路信号分别接入到 Atmegal16L 上的 PA0、PA1、PA2 和 PA3 引脚上。5)对滤波后的数字信号进行整形、去耦处理。6)安装 A/D 转化器,将模拟信号转换成数字信号,摘要:机械设备
4、的广泛应用,大大增加能源消耗,为达到节能降耗的目标,需要对电子节气门控制系统进行优化设计,从而提升机械运行的稳定性及节能性。该文首先对电子节气门控制系统的硬件及软件进行设计分析,并结合实际经验进行系统的仿真试验设计,通过仿真结果对系统参数进行调整,并对性能进行优化,以期实现高效环保的机械设计要求。关键词:电子节气门;控制系统;软硬件设计;仿真试验;节能降耗中图分类号院U463文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤26-0124-04Abstract:The wide application of mechanical equipment has greatly increase
5、d energy consumption.In order to achieve thegoal of saving energy and reducing consumption,it is necessary to optimize the electronic throttle control system,so as to improvethe stability and energy saving of mechanical operation.First of all,this paper designs and analyzes the hardware and software
6、 ofthe electronic throttle control system,and carries on the simulation test design of the system combined with practical experience,adjusts the system parameters through the simulation results,and optimizes the performance.In order to achieve efficient andenvironmentally friendly mechanical design
7、requirements.Keywords:electronic throttle;control system;software and hardware design;simulation test;energy saving and consumptionreduction作者简介:俞涵青(1990-),男,助理实验师。研究方向为电子科学与技术。DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.26.028124-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期进一步传输至微控制单元(MCU)处,进行下
8、一步处理1。1.1.2电机驱动电路1)驱动电机采用 L298 芯片,封装形式设计为直插式,能够同时驱动 2 台电机。2)驱动电机安装完成后进行正反转及调速测试,将工作电压设置为 36 V,输出电流设置为 3.5 A。3)在驱动电机处安装 4 个单片机 IO 口,为驱动指令提供信号。4)将使能信号 ENA 及 ENB 接入控制使能端,从而控制电机的停止及转动。5)运用驱动电路中的 5、7、10 和 12 脚来控制电机正转及反转,将使能信号 ENA 接入 Atmegal16L 的PD7 引脚上,并将 IN1 及 IN2 分别接入到 PD4 及 PD5引脚上,如图 1 所示。图 1电机驱动电路图1.
9、1.3串口通信电路设计机械控制器的控制系统中数据通信采用的是RS232 串口通信标准,并采用 MAX232 进行上机位与下机位之间的电平转化,这种通信协议设计安装及操作环节简单可靠,应用价值较高。1.1.4MCU 设计微控制单元(MCU)为控制器的核心元件,配合机械使用性能,本文选择了 8 位的 AVR 单片机,型号为Atmegal16L,具有较高的性价比;模数转换器(ADC)为8 路 10 位,脉冲宽度调制(PWM)为 4 通道,工作额定电压设计为 2.7耀5.5 V,配合安装 2 个 8 位定时计数器及 1 个 16 位定时计数器;硬件系统中一般指令执行时间设定为 1 个时钟的周期,系统能
10、够运用 ISP 进行软件编程及下载操作,能够满足数据存储容量大、程序非易失性等要求;单片机的设计需满足最小系统要求,即能够包含复位电路、晶振电路、电源电路及 A/D 转换滤波电路2。1.2电子节气门控制器软件设计本文设计的机械电子节气门软件控制系统中的AVR 单片机采用 C 语言编程,并采用 ICCAVR 编译环境开发软件。在设计中需注意提升节气门阀片的响应能力,要能够根据系统指令进行调节,并且具备一定的外界抗干扰能力,采用控制算法及滤波算法,对闭环反馈控制及程序结构进行优化,实现主程序与各个子程序之间的快速通信,从而分析及评估控制效果,提升软件系统的操作性能。1.2.1系统主程序设计结合硬件
11、系统功能要求及电路结构来编写系统软件程序,软件系统包含主程序及应用子程序,其中主程序包括初始化部分及循环部分,而初始化部分主要包含常量初始化、I/O 端口初始化、定时器 0 和定时器 2初始化、ADC 初始化、串口初始化及控制参数初始化;循环部分主要包括中断服务子程序、PWM 子程序、故障诊断子程序、控制算法子程序、串行通信子程序及角度计算子程序。1.2.2系统子程序设计1)PWM 子程序。该子程序是利用脉冲宽度调制来指挥电子节气门,从而控制电机的调速,在设计时需将电机电枢上的脉冲电压频率设定为固定值,通过不断调节脉冲宽度来控制电机转速。结合 Atmegal16L 型号单片机+定时器+计数器的
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