汽车电子节气门系统仿真与试验验证

论文摘要

随着汽车电子控制技术的迅速发展,人们对汽车性能的要求以及对能源与环境问题的重视程度不断提高。电子节气门产品自20世纪80年代问世以来,已逐渐应用到各种中、高级轿车中。相对于传统的机械式节气门,电子节气门控制系统是一种柔性控制系统,通过节气门体上的电机驱动节气门,在电控单元的控制下,可实现节气门开度的快速精确控制。本文分析了电子节气门控制系统的工作原理、基本结构以及机械结构中存在的非线性因素和各自的特性,如复位弹簧、气流冲击、库伦摩擦和粘滑摩擦等。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。为了适应电子节气门控制系统的快速动态特性,抑制由于电子节气门体的非线性因素对控制特性的影响,实现了一种模糊PID控制策略,以提高电子节气门控制系统的动态响应性能。为此,在MATLAB/Simulink环境中建立了电子节气门控制系统仿真模型。电子节气门控制器采用飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机为主控芯片,同时硬件系统包括:控制器的供电电源模块、直流电机的脉宽调制驱动模块、串行通信模块等。采用CodeWarrior编译的程序软件,完成了基本控制功能。仿真和试验结果表明:模糊PID控制相对于PID控制能够较精确地控制节气门开度,减小超调量,瞬态误差较小,滞后时间较短。所开发的模糊PID控制器能够完成电子节气门系统的控制功能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 汽车电控技术概述
• 1.2 节气门发展过程
• 1.3 节气门系统结构
• 1.3.1 传统节气门系统结构
• 1.3.2 电子节气门控制系统结构
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 电子节气门研究的主要问题
• 1.6 本文研究内容及意义
• 2 电子节气门控制系统分析
• 2.1 电子节气门驱动模块
• 2.1.1 直流电源驱动方式
• 2.1.2 PWM 电源驱动方式
• 2.2 电子节气门总成结构及非线性因素分析
• 2.2.1 节气门驱动电机
• 2.2.2 齿轮减速机构及齿隙非线性因素
• 2.2.3 节气门复位弹簧及其非线性
• 2.2.4 非线性摩擦
• 2.2.5 进气气流的影响
• 2.3 加速踏板位置传感器及节气门开度传感器
• 2.4 电子节气门控制系统相关参数测定
• 2.4.1 加速踏板传感器参数测定
• 2.4.2 电子节气门传感器参数测定
• 2.4.3 电子节气门控制器系统其余参数测定
• 2.5 本章小结
• 3 电子节气门数学模型及控制策略
• 3.1 电子节气门数学模型
• 3.1.1 PWM 控制驱动模块数学模型
• 3.1.2 节气门驱动电机
• 3.1.3 机械结构模型
• 3.2 电子节气门控制方法研究
• 3.2.1 电子节气门控制策略现状分析
• 3.2.2 控制策略的选择
• 3.2.3 电子节气门普通 PID 控制策略
• 3.2.4 电子节气门模糊控制器设计
• 3.3 电子节气门控制系统 Matlab 仿真
• 3.3.1 PWM 脉宽调制驱动模型
• 3.3.2 节气门驱动电机模型
• 3.3.3 节气门执行机构模型
• 3.3.4 驾驶员输入模型
• 3.3.5 传感器模型
• 3.3.6 PID 控制器模型
• 3.3.7 模糊 PID 控制器模型
• 3.3.8 电子节气门控制系统仿真模型
• 3.3.9 仿真结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 试验结果分析
• 4.1 试验台设计
• 4.2 ETC 电路设计
• 4.2.1 主控制模块选型
• 4.2.2 电源管理电路
• 4.2.3 电机驱动电路
• 4.2.4 输入信号处理电路
• 4.2.5 MC9S12XS128 单片机 I/O 接口分配
• 4.3 ETC 控制系统软件设计
• 4.3.1 控制系统软件总体分析
• 4.3.2 控制软件流程
• 4.3.3 PWM 中断子程序
• 4.3.4 定时器中断子程序流程图
• 4.3.5 信号采集子程序
• 4.3.6 角度计算子程序
• 4.3.7 控制算法子程序
• 5 试验结果分析
• 5.1 电子节气门控制效果评价指标的建立
• 5.2 PID 控制试验结果
• 5.2.1 电子节气门由小开度向大开度阶跃
• 5.2.2 电子节气门由大开度向小开度阶跃
• 5.2.3 电子节气门随动跟踪试验
• 5.3 模糊 PID 控制试验结果
• 5.3.1 电子节气门由小开度向大开度阶跃
• 5.3.2 电子节气门由大开度向小开度阶跃
• 5.3.3 随动跟踪试验
• 6 全文总结及展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 本文展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢