汽车电子节气门控制系统ECU设计及其在ASR控制中的应用

0 引 言
    早期节气门是为了调节汽油机的充气量，在化油器腔体上设置的节流装置，通过杠杆、钢丝拉线与油门踏板相连。因其常见为蝶形阀门，故称节气门。电控喷射系统取代化油器后，油路自成系统，进行压力喷射；在进气系统方面，保留了化油器进气道喉管下方的一个简单却非常重要的部件——节气门，并增设电子控制单元(ECU)、节气门位置传感器、空气流量计等监测工况。电子控制节气门系统(Electronic Throttle ControlSystem，ETC)是在电喷系统的节气门机构中，去掉了一些附属补偿装置，增加了新的电控单元、直流电机、减速齿轮、驱动电路等。与传统的节气门控制方法不同，电子节气门系统中节气门在任何工况下都直接由电机驱动；而且ECU可综合车辆管理信息和发动机工况的变化而随时配制一个最佳的混合气成分。这种最佳的混合气成分，同时按发动机的动力性、经济性，特别是按减少排放有害物的要求来确定，具有良好的怠速、加速、减速等的过渡性能。
    电子节气门相当于用一种柔性连接取代了传统的机械连接方式(即刚性连接)。在刚性连接中，发动机节气门开度完全受控于油门踏板开度，发动机工作状况取决于驾驶员对油门踏板的操作。在柔性连接方式中，油门踏板仅相当于一个反映驾驶员操纵意图的传感器，节气门的实际开度由其控制器根据当时的汽车行驶状况、其他车载电控系统的需求并考虑发动机特性之后确定。
    汽车驱动防滑控制系统(ASR)是重要的主动安全系统，其控制需要调节发动机输出转矩。由于目前我国装车的轿车发动机大都不具备自主知识产权，无法完成对发动机控制系统的干预，所以本文采用了安装电子节气门来调节转矩的ASR系统方案。为了实现驱动防滑控制(ASR)的需要，设计并开发了ETC系统ECU软硬件，在安装电子节气门体的试验台架上进行了功能测试，并将之应用于ASR控制中，进行了硬件在环测试。

1 ECU硬件电路设计
    ECU硬件主要实现油门踏板信号采集与处理、存储与运行控制软件、驱动直流电机以及和其他ECU或者计算机进行通信等功能。硬件设计框架如图1所示。

    ECU的设计还需综合考虑几个因素：
    (1)控制程序实时性要求，要求控制器能够快速运行程序并具备较高的计算速度；
    (2)控制器可靠性要求，确保在汽车级恶劣电磁环境中具备较强的抗干扰性能，控制程序能够运行可靠、稳定；
    (3)控制器体积及成本考虑，具备一定的市场竞争能力。
1．1 MCU选型及单片机最小系统设计
    单片机是电子控制系统ECU的核心，它负责数据采集与处理以及所有的逻辑运算，并直接影响到控制器电路运行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。
    综合考虑各种因素，本文所采用的芯片型号为MC68HC908AZ32A，这是Freescale公司生产的专为汽车设计的功能强大的8位单片机。具有丰富的功能模块，包括1路SPI接口模块、1路SCI接口模块、15路A／D转换模块、1路CAN通信接口模块等。此外，芯片独立的数字I／O接口数也满足设计要求，并且还留有功能扩展的余地。
    选定单片机后，设计了电源电路、时钟电路和复位电路等，构成单片机工作的最小系统。
1．2 信号采集电路设计
    ETC系统需要将油门踏板位置信号和节气门位置信号等模拟信号采集输入单片机中。因为模拟信号可能会出现较多的毛刺或因干扰、突发故障等产生较大的电压波动，为了更好地采集信号，并保护MCU，设计模拟信号输入电路，如图2所示。该电路是一个有源滤波电路，可以大幅减少毛刺和减小波动。

    有源低通滤波电路，一方面可以滤除传输线上的干扰信号，另一方面可以提高A／D的输入阻抗。其中LM124是高效的集成运放。电容C701对传感器输出的模拟信号进行滤波，去除毛刺。跟随器起的作用是将输出阻抗降低到最小水平，因为MCU的A／D模块在处理快速变化的模拟信号时要求尽可能小的输出阻抗和较小的采样周期来满足快速性和精度的要求。另外，ECU还要输入开关量形式的制动信号，通过单片机特定端口的中断功能实现。
1．3 直流电机驱动电路设计
    由于控制节气门开度的直流电机用单片机输出的PWM信号驱动，中间需要功率驱动芯片。本文选用TLE6209，内部集成了H桥电路。该芯片是英飞凌公司开发的专门控制电子节气门的智能功率驱动芯片。与其他功率驱动芯片相比，TLE6209具有很高的可靠性和保护功能，通过SPI接口可与控制单元进行通信，发送故障信息和控制命令，可为以后控制单元诊断功能的扩展提供条件；一般的H桥驱动信号需要两路PWM信号控制电机的转动，TLE6209只需要一路PWM信号和一个方向信号，因此节省了硬件资源，且控制更灵活、可靠。其主要特点如下：
    (1)连续输出电流最大为6 A；最高工作电压为40 V；最大输出频率为30 kHz。
    (2)逻辑电压与驱动电压单独供电；内部集成续流二极管；输出短路保护。
    (3)IHN为低电平时，芯片停止工作；DIS为高电平时，输出端为高阻状态。
    (4)可与单片机进行双向通信，通过SPI单片机可向TLE6209写入可编程控制字，TLE6209可以向单片机发送故障诊断信息。
    (5)工作时仅需两路信号：DIR控制输出电流方向；PWM控制输出电流大小。
    TLE6209电路设计如图3所示。

1．4 CAN总线接口电路设计
    控制器局域网(Controller Area Network，CAN)为串行通信协议，能有效支持具有很高安全级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到底价位的多路配线都可以使用CAN。在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度可达1 Mb／s。

    ETC系统需要通过CAN总线来接收其他车载电控系统的开度需求信号。
    MC68HC908AZ32A片内集成了CAN控制器，本文选择Philips公司的，TJA1040作为CAN收发器，具体的CAN总线接口电路如图4所示。

1．5 SCI通信电路设计
    为了对控制过程进行监控、实时显示，进行数据采集、分析和处理，以及在某些情况下替换CAN实现ECU间通信功能，ECU预留了SCI通信接口，为此设计了SCI通信电路，如图5所示。串行通信有使用简单，传输距离长的优点，虽然其传输速率不高，但是可以满足系统的要求。

    此外，ECU硬件还包括BDM接口电路以及故障诊断电路等，本文不再一一赘述。

2 ECU软件设计
    ECU软件主要包括：系统初始化模块，模拟信号采集与处理模块，数据通信模块，节气门开度控制决策模块，PWM信号生成模块等。程序总体流程如图6所示。

    系统初始化内容主要包括MCU内部的时钟、轮速输入通道端口设置、执行机构输出通道端口设置、看门狗定时器设置、通信端口初始化、系统变量等，以保证MCU正常运行。
    信号采集与处理模块采集油门踏板位置信号和节气门位置信号两个模拟量和制动信号开关量。数据通信模块接收其他车载电控系统发出的开度需求信号，并用于开度控制决策。
    控制决策模块根据当时的汽车行驶状况、其他车载电控系统的需求并考虑发动机特性之后，按照一定的控制算法决定目标节气门开度。PWM信号生成模块将节气门开度需求转化为相应的控制直流电机的PWM信号，通过驱动芯片驱动电机转动使节气门开度到达目标位置。

3 ETC系统功能测试
    ETC系统由电子控制单元、节气门体、直流驱动电机、油门踏板模块(包括踏板位置传感器)、节气门位置传感器等组成。
    节气门位置传感器用于实时采集节气门开度，对闭环控制进行位置反馈，是节气门状态惟一的检测元件。电子节气门要求具有高度的可靠性，位置传感器采用了冗余设计，系统采用2个节气门位置传感器。为了精确控制电子节气门的开度，必须研究其位置传感器输出电压特性，找到输出电压与节气门位置之间的对应关系。节气门的开度范围为0°～88°。由于有怠速开度，节气门静态位置以上的工作区域实际为9°～88v°。节气门位置传感器具有良好的线性关系。因此，根据节气门位置传感器提供的电压信号，可以准确地检测出节气门连续的旋转角度。通过标定试验，输出电压与节气门位置的对应关系如图7所示。

    电机输出力矩与驱动信号占空比成正比。占空比增大时，电机驱动力矩大于复位弹簧阻力矩，节气门开度增加；当占空比减小时，电机驱动力矩小于复位弹簧阻力矩，节气门开度减小。本文采用单片机输出的频率为10 kHz、占空比可调的PWM信号，经过功率放大后对直流电机进行驱动。通过标定试验，节气门开度和PWM信号占空比关系如图8所示。由于回位弹簧滞后等非线性因素影响，节气门开度和PWM控制信号占空比成近似的线性关系。

4 ETC应用于ASR控制的硬件在环测试
    在开发的ASR系统进行控制时，控制发动机转矩通过调节节气门开度实现。ASR控制器需要将其节气门开度需求发送给ETC控制器，通过ETC系统进行节气门开度调节。将开发的电子节气门系统用于ASR控制，搭建了以先进的实时仿真系统dSPACE为核心的硬件在环测试平台，总体结构如图9所示。

    其中，液压控制单元为ASR控制器的执行机构；车辆系统包括运行于dSPACE系统的车辆模型和油门踏板及其位置传感器、制动踏板等实际部件。ETC控制器和ASR控制器的节气门开度通过通信接口(CAN或SCI)进行数据交换。
    利用此试验台即可进行基于通过调节节气门开度来调节发动机输出转矩达到ASR控制目的的硬件在环测试。测试ASR控制的一种典型工况为低附着路面起步，控制结果如图10和图11所示。进行硬件在环测试时，假定初始节气门开度为100％，两个前轮为驱动轮。

    ASR控制的目的是抑制驱动车轮过度滑转，使车轮滑动率保持和合理的范围内。从图11可以看出，ETC系统根据ASR控制需求，迅速将节气门开度由初始的100％降低，直到驱动车轮不再过度滑转，然后在适当调节节气门开度是车轮滑转率趋向合理。开发的ETC系统很好地响应了ASR的控制需求。从图10可以看出，ASR取得了良好的控制效果。

5 结 语
    (1)测试结果表明：本文研究的ETC系统ECU能够完成设计要求的信号采集与处理、数据通信和驱动直流电机调节节气门开度等功能。
    (2)将开发的节气门控制系统应用于ASR控制，实现了ASR要求的开度调节，达到了ASR的控制目的。
    (3)基于dSPACE的硬件在环测试方法可以在更为接近实际工况的情况下在台架上测试开发的ECU，而且能够在实验室里快速、方便地设定各种试验工况。