基于脉宽调制技术的直流电机式EGR控制软件设计杨卫平.docx

1、基于脉宽调制技术的直流电机式EGR控制软件设计杨卫平基于脉宽调制技术的直流电机式EG控制软件设计杨卫平,胡友耀,雷军,李金广,任浩杰,章明(中国一拖集团有限公司技术中心,河南洛阳471039摘要:针对博格华纳公司生产的12V 直流电机式EG阀匹配一拖公司柴油机,基于英飞凌公司推出的新一代32位单片机TC1766平台,开发系统控制软件。本软件采用了闭环控制方式,通过对EG阀开度的检测,计算输出相应的占空比值。由于采用了高性能的单片机与L298芯片结合的驱动方式,满足了直流电机式EG阀的实时性要求。通过柴油机台架试验,进一步验证了该控制软件的功能。关键词:直流电机;EG;闭环控制;占空比中图分类号

2、:TK421+5文献标识码:B文章编号:10060006(201304005103Software Design of Direct Current Electromotor EGValveBased on Pulse Width Modulation TechniqueYANG Wei-ping ,HU You-yao ,LEI Jun ,LI Jin-guang ,EN Hao-jie ,ZHANG Ming(D Center of YTO Group Corporation ,Luoyang 471039,China Abstract :For the diesel produced b

3、y YTO Group Corporation with 12-voltage direct current electromotor EGvalvefrom Borgwarner company ,the control software was developed based on new 32-bit single-chip microcontroller TC1766platformThis software was in closed loop way ,which calculated the duty cycle for the output according to the p

4、osition of the EGvalveDue to the combination of high-performance single-chip microcontroller and L298chip ,the real-time performance of the direct current electromotor EGvalve was fulfilledAnd in the diesel test bench ,the whole functions of the controlling software were testified and verifiedKey wo

5、rds :Direct current electromotor ;EG;Closed loop control ;Duty cycle随着环境问题的日益突出,人们越来越多地关注柴油机的排放性能。国内外排放法规也日趋严格。当今,内燃机净化技术发展大致分为两大类,一类是机内净化技术,即在燃烧室内,通过改善可燃混合气的品质和燃烧状况来优化燃烧,使排放污染物降低;另一类是机外净化技术,即在燃烧室外,通过机外附加装置对已生成的污染气体进行净化处理后,再排入大气。在实际应用中,针对第二类技术,一拖集团公司将样机匹配EG+DPF 技术作为技术储备之一,基于此背景,笔者进行了EG阀控制软件的开发。1脉宽调制

6、技术脉宽调制(即PWM 控制技术就是对开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。因而,此法可逼近一个所需要的电流或电压信号。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变输出电压的大小。除改变脉冲宽度外,其也可改变脉冲的输出频率。PWM 信号的实现可采用软件方式、专用PWM 处理芯片的硬件方式。由于基于高性能的32位单片机,本设计采用软件生成数字PWM 及专用直流电机驱动H 桥芯片相结合的驱动方式。同时,添加对EG阀的开度反馈信号的闭环控制,使得PWM 控制EG阀的方式更精确,更稳定。本PWM 技术实现对直流电机式EG阀的驱动控制电

7、路,如图1所示。从图中看出,本设计由软件控制并输出两路PWM 波信号及一路L298芯片使能信号,经过电机式EG阀专用H 桥驱动芯片L298的处理后,输出两路驱动通道,并将此驱动通道联结至EG阀1。2控制芯片的性能及应用针对直流电机式EG阀,本软件设计基于2个主要的控制芯片,分别为主计算芯片TC1766、L298直流电机H 桥驱动芯片2。TC1766为英飞凌公司收稿日期:2012073115第40卷第4期拖拉机与农用运输车Vol40No42013年8月Tractor Farm Transporter Aug,2013图1直流电机式EG阀驱动电路图Fig1Drive Circuit Diagram

8、 of Direct Current Electromotor EGValve的32位芯片,其功能强大,系统时钟频率可高达80 MHz,本设计使用60MHz。TC1766有2个并行计算单元。Tricore为主计算单元,可以承担主要的计算任务,也可以响应所有的中断;PCP2是一个简化的计算单元,它可以对TC1766所有外设发出的中断作响应处理,以减轻主运算单元Tricore的负担,增强系统的实时性。TC1766具有15MB的Flash存储区、98kB的am区,以及丰富的外围设备,主要外围设备如下:(1GPTA模块(通用定时器阵列模块,带有数字信号滤波及复杂I/O输出功能,本PWM输出设计正是借助

9、此模块功能实现;(2ADC 模块(模数转化模块,具备32通道模拟、数字转换通道,转换精度高达12位;(3FADC模块(快速模数转化模块,具备两路数模转换通道,最快转换时间达到纳秒级。此外,还有DMA模块、ASC模块(异步串行通讯模块、SSC模块(同步串行通讯模块、CAN模块和MSC模块(微秒通讯模块等。L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动芯片,设计用于连接标准TTL逻辑电平,驱动电感负载(诸如继电器、线圈、直流电机和步进电机。L298提供2个使能输入端,可以在不依赖输入信号的情况下,使能或禁用L298器件。其还具有过温保护功能。如图2所示,主芯片通过外围设备A/D采集模块

10、将直流电机EG阀的开度位置电压反馈信号采集,并通过芯片内存传递给主计算单元,主计算单元计算出结果,即控制EG阀的PWM 信号的占空比、频率。此计算结果传递给GPTA(通用计时阵列模块中的两组由3个本地定时器组成的联合控制信号生成模块,且最终输出两路PWM控制信号。12V直流电机驱动专用芯片L298,其将前述两路PWM控制信号及使能信号作为输入,经过内部H桥转换,最后输出能够驱动EG阀的信号 。图2主芯片模块应用示意图Fig2Drawing of Main Chip Module Application3EG阀底层驱动软件开发本直流电机式EG阀驱动软件的开发基于32位单片机TC1766。图3为整

11、个底层驱动软件设计模块的结构示意图。EG阀驱动软件主要涉及其中的三大驱动模块:数据采集与处理模块、操作系统模块、PWM驱动模块。其中A/D(数据采集与处理模块的功能是:根据硬件实际设计通道,每10ms 将EG阀位置开度的电压值以及柴油机上各传感器信号经过特定的计算公式(本公式根据A/D采集通道上的各电阻匹配方式确定转化为实际的电压值或物理量,并作为输入信号提供给主计算单元使用。在EG阀安装到匹配发动机之前,EG阀的位置开度电压值与实际位置开度位移值要进行标定,将两者一一对应后,主计算单元才能使用。操作系统模块的功能是:采用中断优先级及定时的多任务25拖拉机与农用运输车第4期2013年8月 方式

12、,柔性化调用各任务,得到理想的系统实时性,本EG阀控制软件中的阀驱动初始化函数,打开阀函数、关闭阀函数都在本模块中实时调度。PWM 模块的功能是:根据发动机配置不同,本驱动模块的驱动对象也有区别,本文驱动的是12V 直流电机式EG阀,基于对通用定时器阵列的组合使用完成PWM 信号输出。除EG阀之外,本模块还可设计针对共轨系统轨道调压阀的PWM 驱动信号等 。图3底层驱动软件结构示意图Fig3Architecture Drawing of Basic Drive Software将上述软件集成并下载至发动机电控单元ECU 后,在不同工况下对EG阀进行驱动控制。如图4所示,信号3为两组通用定时器阵

13、列输出的控制信号中的一组,信号2为电流钳检测EG阀驱动线上的电流信号,其中每1V 电压值对应的电流大小为1A 。从图中可以明显看出,由PWM 信号控制的EG阀驱动电流响应速度快,达到80s ,即图中光标a 与光标b 之间的时间差为80s 。由于TC1766的系统时钟频率为60MHz ,因此无论是对EG阀的反馈电压的采集、闭环控制算法的计算以及最终PWM 波形的生成,此控制系统的实时性都较高,80s 的响应速度完全满足了实际的匹配需求。博格华纳公司对其生产的12伏EG阀匹配柴油机的时间响应要求为1 5ms 。图4EG阀驱动电流测试图Fig4Test Figure of Drive Current

14、 of EGValve4试验本EG阀控制软件整体应用于一拖公司多款柴油机样机中,如4A3EP 、4M3UA 、6A3E 等。表1为控制软件集成至硬件中并匹配6A3E 柴油机样机后,进行EG阀驱动效果的试验结果记录。由于使用EG阀的主要目标是降低柴油机尾气中NO x 的排放值,本对比试验选择4个工况点,分别为2个标定转速工况点及2个扭矩转速工况点。本试验目标仅为对EG阀控制软件功能的试验,所以本试验结果中的喷油正时、喷油脉宽与EG阀开度值并未考虑到最佳的排放值与经济性。从测试结果看,第2、4、6、8列数据为EG阀打开的测试结果,与相同工况下第1、3、5、7列数据相比,NO x 明显下降了,下降幅

15、度为78106 120106。此结果验证了本文设计的PWM 驱动EG阀的控制软件功能,达到了降低NO x 排放值的要求。表16A3E 试验数据Tab1Test Data of 6A3E Diesel Engine参数数值转速/(r min 122002*001500150015001500扭矩/(N m 525525263263676676507507功率/kW12112160660610631063798798燃油比消耗/g (kW h 12358234247424132118210521012094提前角/(CA 2020202016161414脉宽/(CA 357352432431630

16、92423(NO x /106408330370250600510609500EG阀开度/mm01802030275结论EG阀的控制方式多样,本设计基于PWM 软件与专用H桥驱动芯片硬件相结合的方式,仅是实现EG阀驱动的一种方法,且匹配多款一拖公司产柴油机样机,得到了良好降低NO x 值的效果。试验验证表明,本控制系统具有系统时钟频率高、闭环反馈信号处理、良好的控制响应特性等优点,完全满足直流电机式EG阀匹配柴油机降低排放中NO x 的要求。参考文献1王梦华,董伟,姜斌,等直流电机EG控制策略软件开发及测试J 拖拉机与农用运输车,2012,39(3:51532夏长亮无刷直流电机控制系统M 北京:科学技术出版社,2009(编辑刘红云作者简介:杨卫平(1963,男,河南人,高级工程师,主要从事发动机电控系统开发研究及相关研发管理工作。35杨卫平等:基于脉宽调制技术的直流电机式EG控制软件设计