摘要：闡明一種基于單片機(jī)控制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。它以ATmega 16單片機(jī)為控制核心，德國(guó)博世公司電子節(jié)氣門為研究對(duì)象，通過傳感器測(cè)量加速踏板位置信號(hào)，然后經(jīng)過單片機(jī)控制算法的處理，驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)，從而帶動(dòng)節(jié)氣門盤片旋轉(zhuǎn)到指定開度，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。同時(shí)，系統(tǒng)的上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)RS 232接口，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，便于系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；單片機(jī)；電子節(jié)氣門；閉環(huán)控制

0 引言
    電子節(jié)氣門(ETC)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的子系統(tǒng)。本文以ATmega 16單片機(jī)為控制核心，德國(guó)博世Bosch公司電子節(jié)氣門為研究對(duì)象，通過傳感器測(cè)量加速踏板位置信號(hào)，然后經(jīng)過單片機(jī)控制算法的處理，驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門體上的直流伺服電動(dòng)機(jī)，從而帶動(dòng)節(jié)氣門盤片旋轉(zhuǎn)到指定開度，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。同時(shí)，上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)RS 232接口，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，便于系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，它包括單片機(jī)及其外圍電路、節(jié)氣門集成體、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、腳踏板位置信號(hào)檢測(cè)電路等。此外，單片機(jī)通過USB轉(zhuǎn)。RS232接口，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。下面分別闡明如下：

1．1 ATmega 16控制核心
    本系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心，型號(hào)為ATmega 16(16 MHz晶振)。它采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有高速度、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于其自帶三通道PWM輸出和8路10位ADC轉(zhuǎn)換，因而十分便于本系統(tǒng)的控制。
1．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的專用于運(yùn)動(dòng)控制的H橋組件LMD18200。該組件上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件、連續(xù)輸出電流達(dá)3 A、并且還具有溫度報(bào)警、過熱與短路保護(hù)等功能，因而使整個(gè)控制系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化。電機(jī)驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)接口電路如圖2所示。

1．3 電子節(jié)氣門集成體
    本系統(tǒng)節(jié)氣門為德國(guó)博世公司出產(chǎn)，型號(hào)為06813306，其結(jié)構(gòu)外型如圖3所示。主要包括：

    (1)加速踏板位置傳感器
    此傳感器安裝在加速踏板上，將踏板移動(dòng)量轉(zhuǎn)換成帶有不同輸出特性的兩類電信號(hào)(下踏量大小和變化速率)，傳送給單片機(jī)。
    (2)節(jié)氣門位置傳感器
    節(jié)氣門位置傳感器(兩個(gè)電位計(jì))的滑片與節(jié)氣門同軸，當(dāng)節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位計(jì)滑片同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將相互監(jiān)測(cè)的節(jié)氣門開度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)輸出給單片機(jī)。
    (3)直流伺服電機(jī)
    通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM控制，再經(jīng)過兩級(jí)齒輪的減速，即可調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，本節(jié)氣門的齒輪減速比為：

    該系統(tǒng)輸入量是踏板輸入量θR(t)，輸出量是節(jié)氣門開度θ(t)。模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器的輸入量是油門踏板的踏入量θR(t)和θ(t)節(jié)氣門開度之差E以及其變化率Ec。輸出量是PID調(diào)節(jié)器的3個(gè)控制參數(shù)為KP，KI，KD。系統(tǒng)根據(jù)傳統(tǒng)PID控制器得到專家經(jīng)驗(yàn)形成的模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理判決，從而對(duì)PID調(diào)節(jié)器3個(gè)控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線自調(diào)整，以形成不同的PWM輸出信號(hào)，從而完成對(duì)氣門直流電機(jī)的控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    為了便于系統(tǒng)運(yùn)行和檢查調(diào)節(jié)效果，采用上位機(jī)軟件進(jìn)行輔助控制。之所以選擇Matlab 7．0做GUI控制，主要是因?yàn)镸atlab強(qiáng)大的技術(shù)支持平臺(tái)，其信號(hào)處理功能和圖形效果的優(yōu)越性是VC#或VB 6．O等目前常用的上位機(jī)軟件無(wú)法替代的。本系統(tǒng)GUI主要功能包括：模式選擇、系統(tǒng)運(yùn)行、過流和握手應(yīng)答顯示等，上位機(jī)軟件界面如圖5所示。

    介紹如下：
    系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)采用串行異步方式，通信協(xié)議如下：波特率9 600 b／s，起始位1位，停止位1位，無(wú)校驗(yàn)位。串口數(shù)據(jù)的讀取，采用查詢方式，讀取串口數(shù)據(jù)，柔用連續(xù)接收數(shù)據(jù)(continuous)的缺省方式，因而下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)自動(dòng)地存入輸入緩沖區(qū)中。
    軟件串口初始化設(shè)置如下：

    用戶可根據(jù)需要，選擇串口。設(shè)計(jì)上，采用彈出框形式，其回調(diào)函數(shù)為：
   
    參數(shù)設(shè)置好后，用戶通過“參數(shù)傳遞”按鈕，向下位機(jī)傳遞運(yùn)行模式等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。得到響應(yīng)后，用戶再通過運(yùn)行按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)交互式的輸入，在調(diào)用set和get等回調(diào)函數(shù)時(shí)，還應(yīng)特別注意數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，否則，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)交互式的操作。
3．2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)軟件系統(tǒng)采用CodeVersionAVR環(huán)境編程，程序由前、后臺(tái)程序構(gòu)成。前臺(tái)程序包括系統(tǒng)初始化程序和循環(huán)檢測(cè)程序。后臺(tái)程序則包括軟件定時(shí)器中斷程序、串口中斷接收子程序與串口中斷發(fā)送程序，過流保護(hù)外中斷程序。
    初始化程序主要包括單片機(jī)I／O口初始化、兩路A／D轉(zhuǎn)換的初始化(腳踏板傳感器A／D轉(zhuǎn)換初始化和節(jié)氣門開度傳感器A／D轉(zhuǎn)換A／D初始化)、串口通信初始化以及單片機(jī)PWM端口的初始化等。系統(tǒng)初始化完成后，就等待中斷，以完成中斷子程序的處理。
    對(duì)于軟件定時(shí)器，采用的是8位T／CO的CTC模式，定時(shí)時(shí)間設(shè)置為20 ms。單片機(jī)需完成腳踏板和節(jié)氣門位置信號(hào)的讀取及A／D轉(zhuǎn)換、模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)，以及單片機(jī)PWM信號(hào)的輸出等功能。軟件定時(shí)中斷程序的流程圖如圖6所示。

    驅(qū)動(dòng)電路的PWM的輸出，使用的是單片機(jī)引腳PD3的第二功能OCl，采用的是相位修正PWM模式。程序設(shè)計(jì)時(shí)，通過改變輸入捕捉寄存器ICRl中的值來(lái)改變PWM的頻率，改變OCRlA輸出比較寄存器的值，以改變PWM的占空比。我們發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的脈寬調(diào)制頻率對(duì)電機(jī)有很大影響。頻率過低則電機(jī)顫振幅度偏大，不符合電子節(jié)氣門的高精度控制要求；頻率過高則電機(jī)會(huì)產(chǎn)生刺耳的蜂鳴聲。通過不斷調(diào)試，發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的脈寬調(diào)制頻率為1 200 Hz左右效果最好。
    ETC系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    電子節(jié)氣門系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，非線性因素的存在將影響系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)特性。本系統(tǒng)采用模糊參數(shù)自整定控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子節(jié)氣門的精確控制。節(jié)氣門控制過程中無(wú)抖動(dòng)，中間位置時(shí)無(wú)振蕩，而且打開和關(guān)閉節(jié)氣門過程中，節(jié)氣門運(yùn)動(dòng)得十分平滑，從而達(dá)到了預(yù)期的目的。