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汽油机电子节气门控制系统设计与控制方法研究

作　者: 陈剑
导　师: 张卫钢
学　校: 长安大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 汽油机电子节气门 SPC563m 前馈线性化控制模糊自适应PID控制
分类号: U464.171
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电子节气门体作为汽油机管理系统中重要执行器之一,其控制效果的好坏直接影响到汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性及稳定性。为了研发具有自主知识产权的汽油机电子节气门控制系统,在查阅大量国内外相关文献及借鉴国外同类产品的基础上,以开发具有快速、精确控制节气门阀片开度为主要目标,对汽油机电子节气门控制系统及汽油机电子节气门控制方法进行了系统深入地研究。以德国Bosch公司DV-E8.3型电子节气门体作为研究对象,在分析该节气门体的物理结构、工作原理及优点的基础上,分别对驱动电机、复位弹簧、减速齿轮组及所受的摩擦力进行了数学建模并给出了电子节气门整体的数学模型,同时确定了相关参数。通过对电子节气门控制系统的组成及其工作原理的分析,并根据其功能及性能的要求,确立了以32位SPC563m主控芯片、L9958H桥电机驱动芯片为硬件核心的系统架构；通过对多种电子节气门控制策略进行研究与设计,综合其优缺点,设计了前馈线性化+模糊自适应PID控制的电子节气门控制策略。采用模块化思想分别设计了电子节气门控制单元中的系统电源、微控制器、电机驱动、节气门阀片位置传感器位置采集、通信等功能模块硬件电路；采用主程序和中断程序相结合的方法,设计了电子节气门控制系统的软件；并以此为依托搭建了电子节气门实验平台,进行了标定及控制性能验证实验。通过对电子节气门在静态环境下的阶跃响应实验及跟随实验,结果表明,设计的电子节气门控制系统响应时间不超过300ms,稳定时间不超过300ms,稳态误差不超过1%,精度达0.1%,有时出现较小超调,达到了预定电子节气门控制系统的各项性能指标,具有较高的实用价值,同时,为今后开展动态环境下的研究及应用于实车打下了良好的基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景  11-12
  1.2 节气门控制系统简介  12-13
    1.2.1 传统节气门控制系统  12
    1.2.2 电子节气门控制系统  12-13
  1.3 电子节气门控制系统的研究现状及发展趋势  13-15
    1.3.1 国内外研究现状  13-14
    1.3.2 发展趋势  14-15
  1.4 课题研究的意义及主要内容  15-17
第二章电子节气门体及其数学建模  17-27
  2.1 电子节气门体简介  17-20
    2.1.1 电子节气门体物理结构  17-19
    2.1.2 电子节气门体工作原理  19-20
    2.1.3 使用电子节气门体的优点  20
  2.2 电子节气门体数学建模  20-25
    2.2.1 驱动电机的数学模型  21-22
    2.2.2 复位弹簧的数学模型  22-23
    2.2.3 减速齿轮组的数学模型  23
    2.2.4 阀片运动中的摩擦扭矩的数学模型  23
    2.2.5 节气门执行器的数学模型  23-25
  2.3 电子节气门体模型参数确定  25
  2.4 本章小结  25-27
第三章电子节气门控制系统总体方案设计  27-39
  3.1 系统组成及其工作原理  27-29
  3.2 系统控制功能及性能要求  29-31
    3.2.1 基本功能要求  29-30
    3.2.2 系统的性能要求  30-31
  3.3 微控制器的选型  31-33
  3.4 节气门电机驱动方案  33-35
    3.4.1 直流电机控制原理  33-34
    3.4.2 电机驱动芯片选型  34-35
  3.5 系统通信方案  35-36
  3.6 系统控制方式选择  36-37
  3.7 本章小结  37-39
第四章电子节气门控制策略研究与设计  39-51
  4.1 控制策略的选择  39-40
  4.2 前馈线性化控制  40-41
  4.3 PID控制  41-43
    4.3.1 PID控制原理  41-42
    4.3.2 电子节气门PID控制器设计  42-43
  4.4 模糊控制  43-46
    4.4.1 模糊控制原理  43-45
    4.4.2 电子节气门模糊控制器设计  45-46
  4.5 模糊自适应PID控制  46-48
    4.5.1 模糊自适应PID控制原理  46-47
    4.5.2 电子节气门模糊自适应PID控制器设计  47-48
  4.6 电子节气门的前馈+反馈控制策略  48-50
  4.7 本章小结  50-51
第五章电子节气门控制系统硬件设计  51-61
  5.1 硬件设计原则  51-52
  5.2 系统电源电路设计  52-54
  5.3 微控制器最小系统电路设计  54-55
  5.4 电机驱动电路设计  55-56
  5.5 模拟信号采集电路设计  56-58
    5.5.1 节气门位置传感器信号采集电路设计  56-57
    5.5.2 蓄电池电压采集电路设计  57
    5.5.3 传感器供电电压采集电路设计  57-58
  5.6 通信电路设计  58-59
    5.6.1 CAN通信接口电路设计  58
    5.6.2 RS-232通信接口电路设计  58-59
  5.7 硬件电路的抗干扰设计  59-60
  5.8 本章小结  60-61
第六章电子节气门控制系统软件设计  61-69
  6.1 系统软件总体设计  61-62
  6.2 控制器主程序设计  62-64
    6.2.1 电子节气门自学习程序的设计  63-64
    6.2.2 TPS故障诊断程序的设计  64
  6.3 控制器定时中断程序设计  64-66
    6.3.1 5ms控制任务函数设计  64-66
    6.3.2 100ms调试输出任务函数设计  66
    6.3.3 500ms测试运行灯闪烁任务函数设计  66
  6.4 系统底层程序设计  66-67
  6.5 软件抗干扰性设计  67-68
  6.6 本章小结  68-69
第七章实验与结果分析  69-79
  7.1 实验样机介绍及原机信号分析  69-70
  7.2 电子节气门控制系统实验平台  70-72
  7.3 传感器标定与前馈控制标定  72-74
    7.3.1 节气门位置传感器标定  72-73
    7.3.2 前馈线性化控制标定  73-74
  7.4 控制实验结果与分析  74-78
    7.4.1 大开度调节实验  74-75
    7.4.2 小开度调节实验  75-77
    7.4.3 方波跟随实验  77-78
  7.5 本章小结  78-79
结论与展望  79-81
  结论  79-80
  展望  80-81
参考文献  81-85
致谢  85

汽油机电子节气门控制系统设计与控制方法研究

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