基于AVR单片机的电子节气门实验控制系统研制

周秀珍，杨家富，朱荣生，陈勇

(1. 南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037； 2. 华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 200237； 3. 南京康拜尔科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

节气门是调节发动机进气量的重要控制部件。在传统的节气门控制系统中，加速踏板与节气门之间通过机械传动机构相连接，驾驶员通过加速踏板的连接拉杆直接控制节气门开度。这种控制方式只能使汽车发动机完全按照驾驶员的意图工作，很难根据汽车不同工况的要求对节气门开度做精确而及时的调整[1]。随着汽车工业的发展和电子控制技术的进步，电子节气门控制(electronic throttle control，ETC)系统应运而生[2]。它能够精确控制进入发动机的空气量，使其空燃比达到最佳，不仅提高了汽车的经济性和动力性，而且有利于保护环境，减少废气排放[3]。因此ETC成为先进发动机管理系统中不可或缺的电子控制单元。

在汽车模块化教学仪器中，电子节气门控制系统占有重要地位。现有对汽车电子节气门控制系统的了解一方面是通过教科书和视频进行，另一方面是利用多媒体动画展示[4]。无论哪种方式，学生都无法直观地看到实际电子节气门开度对加速踏板控制信号的具体响应。本文设计了电子节气门实验控制系统，实现节气门开度对踏板控制信号响应的连续实时显示，进而研制汽车发动机电子节气门实验控制系统的示教仪器。

1 系统构成及工作原理

电子节气门实验控制系统主要由加速踏板模块、电子控制单元、驱动模块、电子节气门体总成以及电源5部分组成。工作原理为：驾驶员踩踏加速踏板使其角度发生改变，踏板位置传感器将信号传递给控制单元，控制单元接收后，综合驾驶员的驾驶要求和汽车其他获得的工况信号(如发动机的负载、转速等)，按照特定的算法得出最佳节气门开度，通过驱动模块使节气门阀片达到期望位置。在整个控制过程中，节气门位置传感器不断地将节气门实际开度信号反馈给控制单元，用于对计算得出的节气门开度进行修正，实现闭环控制。系统组成及控制过程示意图如图1所示。

图1 系统组成及控制过程示意图

2 控制要求

本文研制的电子节气门实验控制系统要求实现节气门开度对踏板位置信号的连续实时响应，并能直观地看到节气门开度与踏板位置之间的关系。具体控制要求如下：电子控制单元能够对踏板位置信号进行解析，通过计算得出相应的电子节气门开度，并由驱动电路驱动直流电机使节气门阀片到达指定位置。在控制过程中，节气门开度可以自动跟踪踏板位置信号，当踏板停在某一位置时节气门能够维持当前开度。

3 硬件设计

系统以ATmega128单片机为控制核心，由ATmega128主控电路、驱动电路以及传感器信号输入电路组成，结构框图如图2所示。

ATmega128内部集成的模数转换器能将踏板位置传感器和节气门位置传感器输入的模拟信号转换成数字信号，且其内部可以输出占空比可调的PWM信号用于驱动直流电机，使节气门达到目标开度，便于系统的控制[5]。

图2 控制系统硬件框图

驱动电路采用智能功率驱动芯片TLE6209R，它只需一路PWM信号和一个方向信号即可控制电机的转动，具有很高的可靠性和保护功能[6]。

ATmega128的PF1(ADC1)、PF2(ADC2)引脚接节气门位置传感器的反馈信号；PF3(ADC3)、PF4(ADC4)引脚接踏板位置传感器的输入信号；PB6用于输出占空比可调的PWM信号，与TLE6209R的PWM引脚相连；PA0与TLE6209R的INH引脚相连，用于控制驱动芯片正常工作；PE0、PE1、PB1、RESET引脚用于在ISP下载方式下对ATmega128单片机进行板上程序下载。主控芯片的CPU对A/D转换后的两组信号进行比较，确定电机转向，并调用控制算法输出占空比合适的PWM信号，通过驱动电路驱动直流电机使节气门达到期望开度。图3为ATmega128主控电路图，图4为驱动电路连接图。

图3 主控电路

图4 驱动电路

4 软件设计

图5 PID控制

ATmega128单片机软件系统使用Atmel Studio6.1环境编程，采用模块化程序设计，主要程序有系统初始化程序、中断程序、控制算法程序，其中系统初始化程序包括定时计数器初始化、模数转换初始化和端口初始化，中断程序包括定时计数器0溢出中断、定时计数器1溢出中断和定时计数器1比较输出中断。主程序框图如图6所示。

图6 程序流程图

5 试验及分析

5.1 试验设计

本文研制的电子节气门实验控制系统如图7所示。该系统使用开关电源供电，分别将加速踏板位置传感器和电子节气门位置传感器接入ATmega128主控电路。为检测节气门开度对踏板位置信号的跟踪情况，建立了上位机通讯模块。上位机采用ARM32控制的触摸屏作为显示界面，用于显示节气门对踏板位置信号的跟踪曲线。

1—开关电源；2—电子节气门；3—加速踏板；4—控制器图7 电子节气门实验控制系统

5.2 试验结果及分析

系统采用的加速踏板位置传感器和电子节气门位置传感器均为线性电位计式传感器。踏板位置传感器同时输出2个幅值为2倍关系的模拟信号，节气门位置传感器同时输出2个变化方向相反的信号给控制单元。这种传感器的冗余设计能够保证输出信号的可靠性，提高行车的安全性。

图8为节气门跟踪曲线图。其中节1、节2表示电子节气门位置传感器的两路输出信号，加1、加2表示加速踏板位置传感器的两路输入信号；图中横坐标为时间(单位：S)，纵坐标为传感器输出信号的电压值(单位：V)。

图8 节气门跟踪测试曲线

由图8可以看出控制系统具有良好的跟踪性能，即节气门开度可以自动跟踪加速踏板的位置信号，且踏板维持某一位置时节气门开度可以保持不变，能够实现电子节气门实验控制系统的控制要求。

试验表明，基于AVR单片机的电子节气门实验控制系统能够完成电子节气门开度对加速踏板位置信号的连续实时响应，直观地展示了踏板位置和节气门开度之间的关系。

6 结语

采用软硬件结合的方式，研制并实现了以ATmega128为控制核心的电子节气门实验控制系统。现场试验结果表明，系统能够直观地显示踏板位置和节气门开度的关系，满足控制要求。研制的电子节气门实验控制系统已经被企业应用为汽车发动机教学仪器产品的核心部件。

[1] 胡明慧,朱冬生,邵惠鹤,等. 电子节气门控制器的设计[J]. 自动化仪表,2010,31(2):25-27,30.

[2] McKay D,Nichols G and Schreurs B.Delphi Electronic Throttle Control Systems for Model Year 2000; Driver Features, System Security, and OEM Benefits. ETC for the Mass Market [J]. Sae Technical Paper Series, 2000(3):6-9.

[3] 曾曲洋. 基于ATMEG16电子节气门控制系统的设计[J]. 电子世界,2013(11):135.

[4] 刘娟. 论多媒体技术在汽车教学中的应用实践[J]. 科技展望,2015,25(8):201-203.

[5] 何跃军. 基于单片机控制的电子节气门的研究与实践[J]. 现代电子技术,2010,33(5):203-205,208.

[6] 钱程,王德福,陈琛,等. 电子节气门驱动电路设计及系统响应分析[J]. 内燃机与动力装置,2011(2):21-24.