摘要：本文介绍了单片机核心控制电路、力矩电机驱动电路及控制算法设计，该系统已应用到电涡流测功机控制器中，实现了对发动机油门位置的控制。试验证明，该系统运行稳定、可靠，控制效果良好。
关键词：汽车发动机；油门控制；开发
引言
油门执行器主要由直流力矩电机和拉线机构构成，汽车发动机台架油门执行器内部安装与电机旋转方向相反的拉力弹簧，控制系统通过功率驱动电路调节电机线圈中电流大小来调节其输出力矩，不同的输出力矩可以通过与其内部拉力弹簧反力矩相平衡而稳定在任意恒定位置。油门执行器与发动机油门相连来控制其油门位置，发动机在不同的油门位置时发出的功率不同，直接影响着发动机扭矩和转速输出，对于发动机转速调节是一个相当重要的环节，油门执行器恒定位置控制需要有很好的稳态和动态调节特性。
1、发动机内部工作过程
在电控发动机当中，除了基本的机械系统之外，还增加了很多电子自动化控制装置，其中包含了传感器、处理器以及电脑控制系统等。各种不同类型的传感器，可以对发动机工作过程当中的状态进行收集，同时将模拟信号转化成为数字信号，也就是转化成为电信号的形式，传输到发动机控制系统当中。发动机控制系统不仅给传感器的执行器提供工作电压，同时也收取了传感器当中各种不同类型的开关信号。通过与电脑内部程序的分析和总结，对各种信号的收集和重要的数据信息进行计算和处理，并且向执行器当中发出重要的工作指令。执行器通过发动机电脑来实施控制，并且来具体的执行相应的功能，如图1所示。
图1电控发动机的基本组成
2、硬件及控制算法设计
2.1、单片机核心控制电路
单片机核心控制电路主要由16位单片机MC9S12DP256及12位A/D转换芯片MAX180组成。MC9S12DP256的主频高达25MHz，片上还集成了许多标准模块，片内拥有12kB的RAM，4kB的EEPROM，256kB的FlashEEPROM。采用外扩12位A/D芯片MAX180电路来提高系统模拟信号的测量精度。单片机核心控制电路见图2。
图2 单片机核心控制电路
油门位置反馈信号从MAX180的AN0引脚输入，经MAX180转换成数字量由单片机读取。单片机与MAX180采用数字I/O口直接扩展的方式连接；其中，单片机A口低4位和B口与MAX180数据线相连；K口分别对MAX180读/写/片选线及通道选择控制线进行操作；MAX180的Busy————引脚与单片机PJ1相连；J口具有外部中断功能，可以用中断方式进行A/D转换。为了防止驱动电路对单片机的干扰，PWM0输出采用光耦隔离后输送到EXB841的输入端口用来控制油门开度的大小。
2.3、力矩电机驱动电路
功率MOSFET驱动电路的设计主要包括栅极驱动电路和保护电路两部分。驱动电路的设计好坏直接决定了系统对执行机构的驱动品质，同时由于电流比较大，需要保护可靠，应尽量减少对控制部分弱电电路的干扰。力矩电机驱动电路功率器件采用IRFP460功率MOSFET芯片，驱动电路以IGBT及功率MOSFET驱动保护集成模块EXB841为核心进行设计。EXB841模块输入信号经内部光电隔离，有过流保护电路和过流保护输出端，可单电源供电，内部提供栅源电压自举电路，最大延时为1.5μs；其主要缺点是过流保护盲区较大，且无过流保护自锁功能，在发生过流保护时，自身只是在当前脉冲软关断，而不是关闭。力矩电机驱动保护电路见图3。EXB841可直接驱动高位开关，负载与功率MOSFET之间采用高位开关方式连接。漏源过电压保护系统采用负载钳位和RC吸收电路相结合的方式。图3中DZ为图3 力矩电机驱动电路快速恢复二极管，在IRFP460关断时给感性负载提供放电回路；电阻RZ1和电容CZ共同组成RC吸收电路，可以吸收IRFP460漏源两极间的瞬时电压尖峰；这两个电路的结合应用，基本消除了漏源电压尖峰，很好地保护了功率MOSFET器件。考虑到EXB841存在保护盲区，将EXB841的6脚接导通压降大一点的超快速恢复二极管，并串联一个稳压二极管，这样可使实际过载电流小于MOS-FET的极限过载电流；EXB841的6脚通过DWK和DK接到IRFP460的漏极，以检测Vds的高低来判断是否发生短路；若发生短路，通过内部电路使EXB841的3脚电压逐步下降，关断IRFP460；当14脚和15脚输入为开通信号时，两脚有10mA电流流过，其内部光耦导通，从而使3脚输出为+15V的驱动电压；通过电阻RZ2对IRFP460的栅极和源极等效电容进行充电，保证开通信号具有较好的前沿陡度。为了防止栅源两极瞬态电压过大，影响驱动效果，在栅源两极之间加入了阻尼电阻RZ2。对栅极驱动电阻进行改造，在线路电阻的基础上加入电阻RK2，此电阻数值需要在系统运行状态下通过试验进行调试，在开关速度与栅极驱动效果间折衷。由于EXB841无过流保护自锁功能，设计中添加了过流信号锁定电路，通过锁定信号对继电器进行控制，在过流发生时直接断开主回路供电。
图3 力矩电机驱动电路
电流流过，其内部光耦导通，从而使3脚输出为+15V的驱动电压；通过电阻RZ2对IRFP460的栅极和源极等效电容进行充电，保证开通信号具有较好的前沿陡度[2]。为了防止栅源两极瞬态电压过大，影响驱动效果，在栅源两极之间加入了阻尼电阻RZ2。对栅极驱动电阻进行改造，在线路电阻的基础上加入电阻RK2，此电阻数值需要在系统运行状态下通过试验进行调试，在开关速度与栅极驱动效果间折衷。由于EXB841无过流保护自锁功能，设计中添加了过流信号锁定电路，通过锁定信号对继电器进行控制，在过流发生时直接断开主回路供电。
2.4、油门控制系统方案
发动机油门控制机体收到启动信号后，起动机发动机体，油泵启动实现喷油；在此过程中，位置传感器获得油门的位置信号，传递到控制单元ECU，实现计算、比较、判断、操控；操控系统操作油门执行器的直流电机发出信号，实现油门位置变动系统。
2.5、油门控制算法设计
位置式PID控制算法当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对控制器的输入进行累加，运算量大；而且控制器的输出对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，实际位置的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。而增量式PID算法算式中不需要累加；控制增量的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；手动—自动切换时冲击小；当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。因此针对油门控制更适合选用增量式PID控制算法。
结束语
基于16位单片机MC9S12DP256B的汽车发动机油门闭环控制系统，不仅驱动与保护效果良好，而且控制精度高，更主要的是实用性强。只改变主回路供电电源的电压和功率，该系统就可以应用到需要较大功率的控制系统中。
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论文作者:夏义恩,孟东晓
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/13
标签：油门论文; 电路论文; 电阻论文; 信号论文; 单片机论文; 发动机论文; 栅极论文; 《电力设备》2018年第27期论文;