摘要：闡明一種基于單片機控制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。它以ATmega 16單片機為控制核心，德國博世公司電子節(jié)氣門為研究對象，通過傳感器測量加速踏板位置信號，然后經(jīng)過單片機控制算法的處理，驅(qū)動直流伺服電動機，從而帶動節(jié)氣門盤片旋轉(zhuǎn)到指定開度，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，系統(tǒng)的上位機通過USB轉(zhuǎn)RS 232接口，實現(xiàn)與單片機的通信，便于系統(tǒng)的調(diào)試與運行。
關鍵詞：電動機；單片機；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)動機控制系統(tǒng)中的一個重要的子系統(tǒng)。本文以ATmega 16單片機為控制核心，德國博世Bosch公司電子節(jié)氣門為研究對象，通過傳感器測量加速踏板位置信號，然后經(jīng)過單片機控制算法的處理，驅(qū)動節(jié)氣門體上的直流伺服電動機，從而帶動節(jié)氣門盤片旋轉(zhuǎn)到指定開度，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，上位機通過USB轉(zhuǎn)RS 232接口，實現(xiàn)與單片機的通信，便于系統(tǒng)的調(diào)試與運行。

1 硬件系統(tǒng)設計
    本系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示，它包括單片機及其外圍電路、節(jié)氣門集成體、直流電機驅(qū)動電路、腳踏板位置信號檢測電路等。此外，單片機通過USB轉(zhuǎn)。RS232接口，與上位機進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)人機對話。下面分別闡明如下：

1．1 ATmega 16控制核心
    本系統(tǒng)采用單片機為控制核心，型號為ATmega 16(16 MHz晶振)。它采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，具有高速度、低功耗、抗干擾能力強等特點。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 電機驅(qū)動電路
    本系統(tǒng)驅(qū)動電路采用美國國家半導體公司推出的專用于運動控制的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3 A、并且還具有溫度報警、過熱與短路保護等功能，因而使整個控制系統(tǒng)得到了簡化。電機驅(qū)動與單片機接口電路如圖2所示。

1．3 電子節(jié)氣門集成體
    本系統(tǒng)節(jié)氣門為德國博世公司出產(chǎn)，型號為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，將踏板移動量轉(zhuǎn)換成帶有不同輸出特性的兩類電信號(下踏量大小和變化速率)，傳送給單片機。
    (2)節(jié)氣門位置傳感器
    節(jié)氣門位置傳感器(兩個電位計)的滑片與節(jié)氣門同軸，當節(jié)氣門轉(zhuǎn)動時，電位計滑片同步轉(zhuǎn)動，從而將相互監(jiān)測的節(jié)氣門開度信號轉(zhuǎn)換為電子信號輸出給單片機。
    (3)直流伺服電機
    通過對電機進行PWM控制，再經(jīng)過兩級齒輪的減速，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)驗形成的模糊控制規(guī)則進行推理判決，從而對PID調(diào)節(jié)器3個控制參數(shù)實現(xiàn)在線自調(diào)整，以形成不同的PWM輸出信號，從而完成對氣門直流電機的控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設計
3．1上位機軟件設計
    為了便于系統(tǒng)運行和檢查調(diào)節(jié)效果，采用上位機軟件進行輔助控制。之所以選擇Matlab 7．0做GUI控制，主要是因為Matlab強大的技術支持平臺，其信號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軟件無法替代的。本系統(tǒng)GUI主要功能包括：模式選擇、系統(tǒng)運行、過流和握手應答顯示等，上位機軟件界面如圖5所示。

    介紹如下：
    系統(tǒng)上位機和下位機采用串行異步方式，通信協(xié)議如下：波特率9 600 b／s，起始位1位，停止位1位，無校驗位。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，因而下位機返回的數(shù)據(jù)自動地存入輸入緩沖區(qū)中。
    軟件串口初始化設置如下：

    用戶可根據(jù)需要，選擇串口。設計上，采用彈出框形式，其回調(diào)函數(shù)為：
   
    參數(shù)設置好后，用戶通過“參數(shù)傳遞”按鈕，向下位機傳遞運行模式等相關運行參數(shù)。得到響應后，用戶再通過運行按鈕啟動系統(tǒng)。在設計中，為了實現(xiàn)交互式的輸入，在調(diào)用set和get等回調(diào)函數(shù)時，還應特別注意數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，否則，就無法實現(xiàn)交互式的操作。
3．2 下位機軟件設計
    單片機軟件系統(tǒng)采用CodeVersionAVR環(huán)境編程，程序由前、后臺程序構(gòu)成。前臺程序包括系統(tǒng)初始化程序和循環(huán)檢測程序。后臺程序則包括軟件定時器中斷程序、串口中斷接收子程序與串口中斷發(fā)送程序，過流保護外中斷程序。
    初始化程序主要包括單片機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。
    對于軟件定時器，采用的是8位T／CO的CTC模式，定時時間設置為20 ms。單片機需完成腳踏板和節(jié)氣門位置信號的讀取及A／D轉(zhuǎn)換、模糊控制算法的實現(xiàn)，以及單片機PWM信號的輸出等功能。軟件定時中斷程序的流程圖如圖6所示。

    驅(qū)動電路的PWM的輸出，使用的是單片機引腳PD3的第二功能OCl，采用的是相位修正PWM模式。程序設計時，通過改變輸入捕捉寄存器ICRl中的值來改變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)，電機的脈寬調(diào)制頻率對電機有很大影響。頻率過低則電機顫振幅度偏大，不符合電子節(jié)氣門的高精度控制要求；頻率過高則電機會產(chǎn)生刺耳的蜂鳴聲。通過不斷調(diào)試，發(fā)現(xiàn)，電機的脈寬調(diào)制頻率為1 200 Hz左右效果最好。
    ETC系統(tǒng)試驗臺實物圖如圖7所示。

4 結(jié)語
    電子節(jié)氣門系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)，非線性因素的存在將影響系統(tǒng)的控制精度和響應特性。本系統(tǒng)采用模糊參數(shù)自整定控制策略，實現(xiàn)了對電子節(jié)氣門的精確控制。節(jié)氣門控制過程中無抖動，中間位置時無振蕩，而且打開和關閉節(jié)氣門過程中，節(jié)氣門運動得十分平滑，從而達到了預期的目的。