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AMT系统中电子节气门的控制策略和实现

AMT系统中电子节气门的控制策略和实现 2011年12月03日 来源： AMT系统是在传统手动的固定轴式变速器和干式离合器的基础上.应用自动变速理论，由电控单元控制执行机构实现车辆起步、换挡自动操纵。随着电机技术的不断改进，电动式AMT成为自动变速器的一个开发热点。而对节气门的精确控制是保证整个系统换挡品质的重要前提。在电子节气门执行机构中普遍使用的是步进电机和直流无刷电机。而本AMT系统中的节气门电机和离合器电机、选换挡电机均采用的是成本较低，但具有良好响应和低能耗的直流电机。本文尝试用类似经验算法的增量型PID控制算法对节气门电机进行控制。1 本系统电子节气门的结构设计电子节气门控制系统主要由节气门电子控制单元、节气门位置传感器、加速踏板位置传感器、节气门执行机构和电磁离合器等组成，如图1所示。

1.1 节气门位置传感器节气门开度传感器我们采用的是线性可变电阻型节气门位置传感器.安装在节气门体上与节气门连接，它是一种线性电位计.由节气门轴带动电位计的滑动触点，见图2。在不同节气门开度下，电位计的电阻也不同，从而将节气门开度转变为电压信号输出给ECU，ECU通过节气门位置传感器可以获得节气门由全闭到全开的所有开启角度的连续变化的模拟信号，该信号反映了节气门的实际开度和发动机的负荷状况，是控制不同条件下的挡位变换的主要依据。

1.2加速踏板位置传感器加速踏板位置传感器位于油门踏板与固定板间的连接处。加速踏板位置传感器将加速踏板的开度转换成表示加速踏板的下踏量大小及变化速率两种电信号，一起输入发动机ECU。油门踏板位移传感器我们采用的和节气门开度传感器的一样.驾驶员通过油门踏板传感器反映他对汽车的控制意图。油门踏板传感器与节气门的开度有间接的关系.传感器将油门踏板的角度信号输人给ECU来控制节气门开度。1.3节气门执行机构节气门执行机构由直流电机、减速机构和限位机构组成。由ECU发出指令，节气门电机经减速齿轮来驱动节气门，控制节气门的开度。1.4电磁离合器正常情况下，电磁离合器处于常接合状态，使节气门电机开启或关闭节气门。如果电子节气门控制系统发生故障，该离合器将自动分离，以防止节气门控制电动机错误地开启或关闭节气门。 2 本系统电子节气门的驱动单元设计本系统节气门、选挡、换挡所选用的电机都是 LINIX公司的直流电机。因为节气门电机所要驱动的负载很小，采用小功率电机就可以满足要求，选用功率为10W，电压为12V，额定转速为3200 r/min的LINIX电机，如图3所示。

本系统的处理器采用的是16位的80C196KC单片机。节气门电机的驱动芯片采用的是摩托罗拉公司的汽车专用驱动芯片MC33186，其负载电流为5A，可以满足节气门电机电流驱动要求。80C196KC和MC33186的连接如图4所示。

MC33186的INl和IN2既控制电机的转速又控制电机的方向。如果想要电机正向旋转.就向 INl施加一个PWM信号，而将IN2置为低电平。如果想使其反向旋转，就将INl置为低电平.而向 IN2施加一个PWM信号。PWM信号的占空比决定了电机的速度，实现起来很方便。把D11置为低电平，把D12置为高电平，电机正常工作：把D11置高或者把D12置低都可以使电机停止转动.也就是使电机刹车。表l给出了INl、IN2、D11和D12是如何影响电机工作的。

3 节气门开度控制方法和程序模块的设计节气门的控制按工况分主要包括三个过程的控制。车辆正常运行，没有动力中断。这时节气门控制是受踏板输入量大小的控制，属实时跟踪控制.实现驾驶员的操纵意图；发生传动系动力中断过渡过程的节气门控制包括起步和换挡两种情况。起步、换挡过程中发动机的油门主要受ECU控制，保证发动机不熄火条件下实现发动机与离合器接合过程的协调控制。节气门控制的水平直接影响着车辆起步与换挡过程的平顺性。车辆正常行驶时节气门开度大小只取决于油门踏板输入量的大小，在该种工况下节气门开度控制的实现方式是：电控单元采样获取油门踏板的位置.以当前踏板位置形成油门控制的目标位置量.根据该目标位置与当前节气门开度的偏差计算直流电机运行的方向和转速，完成对油门的自动控制。其控制流程如图5所示。

我们采用的是类似经验算法的增量型PID控制算法。根据误差值的不同划分控制域，输出节气门电机控制电压的增量△uθ，其表达式为：式中，KP、KP1、KP2为比例常数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数；T为采样周期；e为油门踏板开度与节气门开度的差值。根据实际情况.为了提高控制精度，我们选取了三个阈值ξ1、ξ2、ξ3，如式（2）所示。当|e|>ξ3时，采用尸控制，使系统有较快的响应，减小稳态误差；当ξ2<|e|≤岛时，采用PD的方法控制；当ξ1<|e|≤ξ2时.采用PI的方法控制，以保证系统的控制精度；当|e|≤ξ1时，设置e=O，即△uθ=0。4 节气门控制台架试验各执行机构以及台架由重庆青山责任有限公司设计制造。本系统选用的是直流电机作为执行机构，由于系统对节气门执行器的位置控制精度和响应速度的要求较高。这就要求直流电机可以维持在很小的步长下转动.笔者对电机转动子程序的循环次数进行了设置，但发现单—地改变循环次数并不能达到目的。最终找出了通过协调PWM值和循环次数这两个量的大小可以使直流电机维持在很小步长下转动这一控制规律。节气门ECU对油门踏板开度和节气门开度分别采集了最大值和最小值，计算出各自的相对值，这样在一定程度上就保证了跟踪控制的精确性。根据图5和式（2）我们采用汇编语言编制程序并进行调试。在试验中发现，第一阶段使用开关量控制.即设置一定的足够大的PWM占空比，效果也很理想。在第一阶段，通过设定较大的占空比定值来完成；在第二阶段，通过调试选取KP1为30，TD为15，T为10；在第三阶段，选取KP2为45，T1为25， T为lO。确定完PID参数值后.出现节气门开度达不到90°的现象，通过试验发现减小ξ1、ξ2、ξ3的值，可以增加开度，最终确定ξ1=2、ξ2=5、ξ3=8，此时油门踏板踩到底的时候节气门可以完全打开。 此外，在小油门时，节气门出现摆动现象，说明电机到达目标位后长时间不能稳定下来。最初在第一阶段设置的占空比为FFH（即100%），发现减小此占空比后，小油门时不再出现摆动现象，而且反应灵敏，可以稳定在很小的开度。把试验中实时记录的油门踏板开度和节气门开度的数据.利用MATLAB编程得到一组图形，其中横坐标为记录的数据个数，即采样点的个数，与时间成正比.纵坐标为开度值。图6为节气门的阶跃曲线.即油门踏板开度在100%的情况下。节气门开度的变化情况。图7为节气门实时跟踪油门踏板的曲线。

图8、图9分别为踏入油门踏板和回收油门踏板时节气门的跟踪曲线。从图8看出踏入油门的跟踪过程中.同一时刻节气门开度值比油门踏板开度值小一些、节气门要滞后油门踏板一些，属于正常跟踪。从图9看出回收油门的跟踪过程中，当油门踏板开度较大时节气门开度值比油门踏板开度值大，节气门要滞后油门踏板，是在允许的滞后，范围内，属于正常跟踪。从台架的节气门的动作效果来看，跟踪效果很理想。

5 结束语本系统中节气门电机选用的是功耗低、力矩大、控制方便的普通直流电机，并用类似经验算法的增量型PID控制算法对节气门电机进行控制，根据误差值的不同划分成四个控制域。通过台架调试，可以对节气门实现精确的控制，对节气门直流电机的控制有一定的借鉴性。(end)

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