汽车电子节气门特性试验研究

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3.0 高德中 2024-11-19 7 4 1.87MB 58 页 15积分

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摘要

作为汽车发动机的重要控制部件之一的电子节气门，其作用是根据发动机的

负载来控制进入气缸的气体的多少。电子节气门性能的好坏对于提高车辆动力性、

经济性、安全性、乘坐舒适性，尾气污染排放量都有着非常重要的作用。基于此，

本文提出了对电子节气门性能进行研究的课题，搭建了测试电子节气门特性的实

验平台。

本文设计的汽车电子节气门特性试验平台包括：电子节气阀门的闭环控制系

统、弹簧扭矩试验、电机特性试验三部分内容。文中首先介绍课题来源的背景以

及试验平台搭建的意义，叙述了试验平台的基本原理以及特性平台的技术要求。

接着着重介绍了电子节气门的闭环控制系统设计，此系统采用32位的ARM

Cortex-M3处理器STM32F103VBT6作为主控芯片，用内部集成的12位A/D转换器采

集设定角度值和当前角度值，输出两路PWM控制信号以驱动直流电机，使节气门

碟阀达到目标开度。采用Keil集成开发环境编写C语言程序代码实现对节气门碟阀

开度的闭环控制，主要由A/D转换，PID算法补偿、PWM信号生成、串口通信等模

块组成。上位机界面设计程序基于Visual Basic 6.0语言，实现了瞬态响应和动态响

应的曲线描绘、曲线存储、PID参数设置、角度设定等功能。最后给出了闭环控制

系统的控制效果图和弹簧扭矩测试的结果。

目前从闭环控制系统上位机界面可看出，节气门碟阀从全闭到全开位置响应

时间小于110ms，从全开到全闭位置响应时间小于85ms，且小角度跟踪控制效果良

好，基本满足设计要求。运行精度高，操作简单，可靠性好，具有很好的应用前

景。

关键词：电子节气门 PID 控制 Visual Basic 6.0

ABSTRACT

The electronic throttle is one of the important control parts of automotive engine.

Its function is based on the engine load to control how much gas into the cylinder.

Electronic throttle performance plays an important role in improving vehicle dynamic

characteristics, economy, safety, comfort, and reducing pollution discharge. Based on

this, the research on the subject of the electronic throttle performance is presented, and

then builds the platform for testing electronic throttle characteristics.

In this paper, test platform design of automotive electronic throttle characteristics

includes three sections: closed-loop control system of the electronic throttle valve，

spring torque test and motor characteristics test. Firstly，this paper introduces the

background of project, basic principles and requirements of test platform and test

platform significance. Secondly，paper focuses on closed-loop control system of the

electronic throttle valve, this system chooses 32-bit ARM Cortex-M3 processor

STM32F103VBT6 as the master chip which collects setting angle value and the actual

angle value with integrated 12-bit AD converter, output two PWM signals to drive the

DC motor which can open throttle butterfly valve to achieve the objective. System uses

Keil integrated development environment to write C programming code, which can

realize closed-loop control of the throttle butterfly valve, main models include: AD

conversion model, PID algorithm of compensation model, PWM signal generating

model, serial communication and so on. Interface design of host computer program is

based on the Visual Basic language, it can depict transient response curve and dynamic

response curve, and store curve image, sets PID parameter and expected angle and so on.

Finally, paper lists the effect picture of closed-loop control system of the electronic

throttle valve and result of spring torque test.

Currently, the response curve depicted from the host computer interface shows that

the response time of throttle butterfly valve which is from fully close to fully open

position is less than 110ms, from fully open to fully close position is less than 85ms,

and the small-angle tracking has good effect. Experiments prove that the control system

of various performance indicators meet the design requirements, and has high operation

precision, simple operation, high reliability and good prospect for application.

Key Words: Electronic Throttle, PID Control, Visual Basic 6.0

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ............................................................................................................... 1

§1.1 电子节气门特性试验平台的研究背景及意义 ............................................... 1

§1.2 国内外电子节气门发展水平 ........................................................................... 2

§1.3 电子节气门的发展趋势 ................................................................................ 3

§1.4 本课题研究目标和内容 ................................................................................... 4

§1.4.1 研究目标 .................................................................................................... 4

§1.4.2 研究内容 .................................................................................................... 4

§1.4.3 关键问题 .................................................................................................... 4

第二章电子节气门特性试验平台的基本原理 ......................................................... 6

§2.1 电子节气门特性试验平台组成 ....................................................................... 6

§2.2 电子节气门闭环控制系统的基本原理 ........................................................... 6

§2.2.1 节气门体的机械结构 ................................................................................ 7

§2.2.2 执行电机 .................................................................................................... 7

§2.2.3 角度传感器 ................................................................................................ 8

§2.2.4 复位机构 .................................................................................................. 10

§2.2.5 节气门控制器 .......................................................................................... 10

§2.2.6 PID 控制器 ................................................................................................. 11

§2.3 弹簧扭矩试验的基本原理 ............................................................................. 13

§2.4 电机特性试验的基本原理 ............................................................................. 15

§2.5 系统中其它影响因素 ..................................................................................... 15

§2.6 特性试验平台的技术要求 ............................................................................. 17

第三章电子节气门特性试验平台下位机的设计实现 ........................................... 20

§3.1 闭环控制系统硬件组成 ................................................................................. 20

§3.1.1 主控芯片 .................................................................................................. 20

§3.1.2 直流电机 .................................................................................................. 21

§3.1.3 电机驱动 .................................................................................................. 22

§3.1.4 角度传感器 .............................................................................................. 24

§3.1.5 电源管理 .................................................................................................. 26

§3.2 基于 ARM 处理器的闭环控制系统的设计实现 .......................................... 27

§3.2.1 A/D 转换器 .............................................................................................. 27

§3.2.2 PID 控制算法 ........................................................................................... 28

§3.2.3 PWM 信号生成 ........................................................................................ 31

§3.2.4 RS-232C 串口通讯 .................................................................................. 32

第四章电子节气门特性试验平台上位机的设计实现 ........................................... 35

§4.1 闭环控制系统上位机界面概述 ..................................................................... 35

§4.1.1 软件开发设计任务 .................................................................................. 35

§4.1.2 上位机界面介绍 ....................................................................................... 35

§4.2 闭环控制系统上位机软件设计实现 ............................................................. 37

§4.2.1 RS-232C 串口设置程序 ........................................................................... 37

§4.2.2 上位机发送数据程序 .............................................................................. 38

§4.2.3 上位机接收数据程序 .............................................................................. 40

§4.2.4 瞬态和动态响应曲线描绘 ...................................................................... 42

§4.2.5 文件保存和查看程序 .............................................................................. 43

§4.3 弹簧扭矩测试平台上位机界面设计 ............................................................. 45

第五章电子节气门特性试验平台结果分析 ............................................................ 46

§5.1 闭环控制系统实时控制结果 ......................................................................... 46

§5.2 弹簧扭矩测试结果 ......................................................................................... 48

§5.3 电机特性测试结果 ......................................................................................... 49

第六章总结 .............................................................................................................. 51

参考文献 ........................................................................................................................ 53

第一章绪论

§1.1 电子节气门特性试验平台的研究背景及意义

目前全球汽车技术发展的主要方向是节能环保，是否对驾驶员的生命构成威

胁，是否存在安全隐患。这几年能源危机愈演愈烈，汽车节能将成为汽车工业的

一项核心问题，而且汽车集成控制、远程控制、智能控制也与电子节气门技术息

息相关。

随着现代电子技术的不断推陈出新，电子信息技术已完全渗透到汽车电子领

域，并成为新一代汽车发展方向的主导因素。汽车的动力性能、操控性能、安全

性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构、电子产

品和信息技术间的完美结合。但是，目前除了涉及到一些音响和视频、车用通信、

网络、导航系统等车内电子设备的发展趋于成熟外，现代汽车电子从所应用的电

子元器件到车内电子系统的架构还有待进入一个有本质性提高的新阶段。为此，

中华人民共和国科学技术部 2006 年10 月1日发布的“十一五”国家 863 计划现

代交通技术领域重点项目“汽车开发先进技术”课题申请指南中明确指出：依据

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的任务要求，总体目标是开发出满足“十

一五”末期国家汽车相关标准、法规的轿车以及重型商用车整车产品、适应于轿

车的直喷汽油机和双离合器自动变速器，以及适应于重型商用车的柴油机和机械

自动变速器等关键零部件和总成。项目将加强以企业为主体的自主创新，产学研

结合，以轿车开发技术和重型商用车开发技术为主线，以关键零部件开发技术和

基础共性技术为支撑，产业链协同发展。通过自主创新，突破汽车设计、开发的

关键核心技术，提升我国汽车自主开发能力，推动我国汽车工业技术的进步，提

高我国汽车工业的核心竞争能力[1]。

作为汽车动力控制的关键部件之一的电子节气门系统（Electronic Throttle

Control System，简称 ETCS）的研发虽然已有了较大的进步，不使用传统的加速

踏板到节气门体的机械传动机构，而是由角度位置传感器、执行器以及电子控制

单元来代替[2]。节气门盘片的实际位置经传感器反馈至控制器构成稳定的闭环系

统，如图 1-1 所示。

电子节气门（简称 ETC）的电控单元可随发动机工况的变化，同时考虑发动

机的经济性、动力性以及减少有害物质的排放，配制一个最佳的混和气体的比例，

灵活地管理发动机的进气量的多少，使发动机获得令人比较满意的动力性、降低

油耗，减少汽车尾气的污染排放，环保节能[3]。

汽车电子节气门特性试验研究

图1-1 节气门系统描述图

国内通过引进技术在部分轿车上配置了电子节气门，但尚未出现具有我国自

主知识产权的电子节气门产品，我国从九十年代初也开始组织高校、汽车企业和

科研单位合作研究汽油机电子控制技术，但是就目前的水平离大批量生产还有一

定距离。且目前的研究主要是集中在控制系统设计方面，关于电子节气门性能的

测试系统研究却相对较少[4]。因此，开展电子节气门控制技术研究，搭建检测节气

门性能的实验平台具有重大的现实意义。

§1.2 国内外电子节气门发展水平

近年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅速的发展。国外，Visteon 公

司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起，成为下一代空燃比控制

集成的典范；Siemens 的ETC 系统能在发动机任何工况下有效提高效率，节约燃

料，降低排放；Pierburg 自主开发生产了专用于其 ETC 的直流电机，使其能更好

地适应汽车上的恶劣环境；Denso 的产品能精确控制空气流量，寿命高，体积小，

功耗低。而 Bosch 和Delphi 公司的产品在综合控制与监测性能上则成为楷模。

目前，虽然国内部分高级轿车已经配备了电子节气门控制系统，但都是属于

国外引进的技术，我国自主生产的产品很少。在这样的市场背景下，国内一些科

研单位和部分高校对电子节气门控制系统开展了研究，探索其工作原理和硬件选

型，并且取得了比较好的阶段性试验结果。比如：北京理工大学对电子节气门模

糊控制器设计了控制原型；吉林大学设计的汽车电子节气门控制器的动态响应满

足设计指标等[5]。九十年代中期在上海建立与德国 Bosch 公司的合资企业即上海联

合电子公司，虽然目前已形成生产能力，硬件产品基本能满足国内要求，但是仍

然没有打上中国标签。

其实各种电子节气门控制系统虽然在控制策略和设计方法上千差万别，但都

在着眼于提高控制精度和进行集中控制的同时，注重系统的安全可靠性。目前

ETCS 中一般都采用了冗余设计和系统故障检测与失效保护。在第二代 Delphi 公司

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摘要：

摘要作为汽车发动机的重要控制部件之一的电子节气门，其作用是根据发动机的负载来控制进入气缸的气体的多少。电子节气门性能的好坏对于提高车辆动力性、经济性、安全性、乘坐舒适性，尾气污染排放量都有着非常重要的作用。基于此，本文提出了对电子节气门性能进行研究的课题，搭建了测试电子节气门特性的实验平台。本文设计的汽车电子节气门特性试验平台包括：电子节气阀门的闭环控制系统、弹簧扭矩试验、电机特性试验三部分内容。文中首先介绍课题来源的背景以及试验平台搭建的意义，叙述了试验平台的基本原理以及特性平台的技术要求。接着着重介绍了电子节气门的闭环控制系统设计，此系统采用32位的ARMCortex-M3处理器STM32...

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