汽车发动机电子节气门控制系统研究论文.docx

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汽车发动机电子节气门控制系统研究论文

中国地质大学

汽车发动机电子节气门控制系统研究

系别工程技术系

专业机械设计制造及其自动化

学生姓名

学号

指导教师

职称

2012年4月20日

中国地质大学长城学院毕业设计（论文）任务书

学生姓名

学号

班级

指导教师

职称

单位

毕业设计（论文）题目

汽车发动机电子节气门控制系统研究

毕业设计（论文）主要内容和要求：

1、汽车发动机电子节气门控制系统设计

2、利用Protel设计系统电路原理图和印制电路板PCB图

3、论文一份

毕业设计（论文）主要参考资料：

[1]MikeDale,韩建保,杨训敏.电子节气门控制系统结构特点及其优势[J].汽车维修与保养,2005,（04）

[2]杜开明,秦大同,刘振军,姜凤翔,丁锐.电子节气门仿真控制[J].重庆大学学报（自然科学版）,2005,（04）

[3]陈华,王耀南,孙炜,杨辉前.基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J].计算技术与自动化,2005,（02）

[4]王仁义.奔驰S500冷车自动加速[J].汽车维修技师,2005,（04）

[5]张汉斌,张荣兵.奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J].汽车与配件,1999,（45）

[6]陈华,王耀南,夏阳,杨辉前.基于自整定模糊PID的电子节气门控制[J].仪器仪表用户,2005,（01）

[7]李雪飞,凌永成.基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计[J].微计算机应用,2005,（01）

[8]陶国良,郭连.电子节气门技术的发展现状及趋势[J].车用发动机,2003,（04）

[9]陶国良,郭连,刘昊,万里军.电子节气门变结构滑模控制及仿真与试验[J].内燃机工程,2005,（03）

[10]尹叶丹,程昌银,全书海.基于DSP的电子节气门控制器的研制[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版）,2003,（05）

毕业设计（论文）应完成的主要工作：

阅读中英文文献资料，熟练掌握Protel制图软件，绘制控制系统电路原理图及PCB图，用C51编程。

毕业设计（论文）进度安排：

序号

毕业设计（论文）各阶段内容

时间安排

备注

1

资料的查阅、收集、整理，并撰写文献综述、开题报告、外文资料翻译

12月5日—1月20日

确定基本设计方案

2

系统硬件设计

1月21日—2月10日

3

系统软件设计及整体调试

2月11日—3月15日

4

撰写设计说明书，整理相关表格资料

3月16日—4月20日

5

准备答辩

课题信息：

课题性质：

设计□论文■

课题来源：

教学□科研■生产□其它□

发出任务书日期：

2011.12.6

指导教师签名：

2011年12月6日

教研室意见：

教研室主任签名：

年月日

学生签名：

开题报告

系别：

工程技术系

专　业：

机械设计制造及其自动化

姓名：

学号：

　2011年　　12月　　6日

中国地质大学长城学院毕业论文开题报告

学生姓名

学号

专业班级

指导教师

职称

单位

课题性质

设计□论文√

课题来源

科研□教学□生产□其它√

毕业设计（论文）题目

汽车发动机电子节气门控制系统研究

一、课题研究的目的和意义：

研究目的：

了解汽车发动机电子节气门在非线性控制下，调节节气门开度来适应加速踏板移动量和发动机转速等行驶条件，从而在不同行驶条件下实现不同节气门开度的优化控制，获得满意的发动机性能。

并改进电子节气门，来产生最佳的操作以及稳定性，减少冷车时废气排放量。

研究意义：

汽车发动机电子节气门具有更高的可靠性，电子节气门可以更好的控制进气，达到减少排放减少能源消耗等作用，在相同的能源下达到最佳的动力效果，并且电子节气门系统可以分析驾驶者的动作及解析其意图，来产生最佳的操控及稳定性，减少冷车市的废气排放，给你更舒适的驾驶感觉。

二、汽车电子节气门的研究现状：

电子节气门的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，近10年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅速的发展。

发展趋势可总结为：

在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统，电子节气门在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制;驱动由步进电机到直流电机;从单一的控制功能发展到集成多种控制功能，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。

集成了多种控制功能;采用冗余设计（配备功能相同的兀件并相互检测，防止信号及功能失误产生故障）和系统故障检测与失效保护等。

国外多家公司已对电子节气门系统作了深入的研发，并口趋成熟。

比如德国Bosch，Pierburg，美国Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。

与第一代系统不同，第二代ETC的处理器集成十发动机ECU中，并采用一个单独的微处理器监测ETC主要输入信号及主ECU是否正常工作。

第二代电子节气门集成了几项独特的驾驶性能，如改变车辆对加速踏板响应的灵敏度;驾驶模式选择（正常模式，动力模式，雪地模式）;对海拔高度地补偿;发动机最高转速及车速控制等。

虽然国内某些轿车，如POLO，也配备了电子节气门系统，但目前对ETC还没有系统深入的研究，也没有成熟的产品。

三、研究内容：

汽车发动机电子节气门的研究主要内容是：

明确汽车发动机电子节气门的工作原理和工作方式，并剖析电子节气门的优缺点进一步的完善电子节气门。

深入的研究电子节气门的控制系统，利用Protel设计系统电路原理图和印制电路板PCB图。

使之研究进一步完善和理化。

四、研究方案：

1）利用中国知网、维普、万方等数据库完成与毕业论文题目相关内容的论文检索；利用图书馆的图书资源查阅相关的理论内容；充分的利用互联网进行资料的检索收集；

2）查阅中英文资料，了解国内外电子节气门系统的研究与应用概况、技术核心及应用发展情况；

3）查阅资料，掌握电子节气门的机理和在实际使用过程中的利与弊；

4）确定基本方案；

5）可行性分析：

对方案进行可行性分析，并收集资料初步确定论文实施方案的种类；

6）论文初稿：

根据所查询的资料和确定的方案，撰写论文；

7）初稿审定：

在指导老师的帮助下仔细研究初稿，针对其中出现的问题进行探讨研究，完善充实论文内容。

8）论文终稿：

完成终稿的撰写。

五、进度安排：

2011年12月初，进行论文的准备工作，在老师的指导下加深对论文所设计课题内容的了解。

2012年12月5日—2012年1月20日，资料的查阅、收集、整理，并撰写文献综述、开题报告、外文资料翻译。

向指导老师汇报论文进展情况，将开题报告、文献综述交给指导老师审阅。

经审阅合格后着手毕业论文的初稿撰写。

2012年1月21日—3月1日，对电子节气门的研究，在假期内利用电子邮件等方式与指导教师沟通，修改计划和论文方案。

2012年3月2日—3月31日，完成毕业论文雏形，并定期向指导教师汇报进度，听取指导教师的意见和指导。

2012年4月1日—4月20日，根据《中国地质大学长城学院毕业设计（论文）撰写规范》，完成论文终稿撰写，整理相关表格资料。

六、预期结果：

通过对汽车发动机电子节气门的研究与应用的讨论，在全面掌握电子节气门的基本原理、性能特点的同时，深入研究汽车发动机电子节气在环保与节能方面的实际应用。

预计本论文课题在12000字左右，给大家阐述汽车发动机电子节气门系统的介绍和对系统较全面的分析与建模。

达到我们与其想要的结果。

七、参考资料：

[1]MikeDale,韩建保,杨训敏.电子节气门控制系统结构特点及其优势[J].汽车维修与保养,2005,（04）

[2]杜开明,秦大同,刘振军,姜凤翔,丁锐.电子节气门仿真控制[J].重庆大学学报（自然科学版）,2005,（04）

[3]陈华,王耀南,孙炜,杨辉前.基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J].计算技术与自动化,2005,（02）

[4]王仁义.奔驰S500冷车自动加速[J].汽车维修技师,2005,（04）

[5]张汉斌,张荣兵.奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J].汽车与配件,1999,（45）

[6]陈华,王耀南,夏阳,杨辉前.基于自整定模糊PID的电子节气门控制[J].仪器仪表用户,2005,（01）

[7]李雪飞,凌永成.基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计[J].微计算机应用,2005,（01）

[8]陶国良,郭连.电子节气门技术的发展现状及趋势[J].车用发动机,2003,（04）

[9]陶国良,郭连,刘昊,万里军.电子节气门变结构滑模控制及仿真与试验[J].内燃机工程,2005,（03）

[10]尹叶丹,程昌银,全书海.基于DSP的电子节气门控制器的研制[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版）,2003,（05）

指导教师意见：

指导教师签名：

年月日

教研室意见：

审查结果：

同意□不同意□

教研室主任签名：

年月日

文献综述

系别：

工程技术系

专　业：

机械设计制造及其自动化

姓名：

学号：

2012年2月10日

汽车发动机电子节气门控制系统设计研究

前言

节气门是汽车发动机的重要控制部件。

为了提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性并减少排放污染,推出了各种控制良好的电子节气门及其相应电子控制系统,组成电子节气门控制系统（ETCS）。

由于ETCS的优越性,世界上越来越多的大型汽车制造公司开始采用ETCS。

传统机械式节气门面临着被电子节气门所取代的趋势。

与传统的机械式节气门相比,电子节气门取消了与油门踏板的刚性连接。

它能够结合驾驶员意图和发动机当前运行工况,计算出最合适的节气门开度,通过驱动无刷直流电机,带动节气门盘片到达目标开度。

采用电子节气门能有效提高发动机的动力性和经济性。

节气门中存在复位弹簧扭矩,摩擦力矩等非线性因素,并且长期使用后节气门参数会发生变化,所以节气门是一个变参数的非线性系统。

采用传统的PID控制方法,需要加入复杂的变参数算法以及补偿算法,而且带来了大量的参数标定工作。

因此,寻找一种简洁高效的控制算法是开发电子节气门控制系统的一个关键。

1.国外汽车发动机电子节气门的研究现状

电子节气门在国外发展较早，已有20多年的历史，产品已大规模投入市场。

电子节气门作为发动机进气控制系统的下一代产品，国外的研究试验得到大力发展，并口趋成熟。

电子节气门在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制;驱动由步进电机到直流电机;从先前为单一提高驾驶性能到现在为提高发动机的经济性、排放性及乘驾舒适性等多项综合性能，集成了多种控制功能;采用冗余设计（配备功能相同的兀件并相互检测，防止信号及功能失误产生故障）和系统故障检测与失效保护等。

Delphi开发出第二代ETC控制系统，主要用十大排量汽车上。

与第一代系统不同，第二代ETC的处理器集成十发动机ECU中，并采用一个单独的微处理器监测ETC主要输入信号及主ECU是否正常工作。

第二代电子节气门集成了几项独特的驾驶性能，如改变车辆对加速踏板响应的灵敏度;驾驶模式选择（正常模式，动力模式，雪地模式）;对海拔高度地补偿;发动机最高转速及车速控制等。

Bosch推出了新的发动机管理系统，实现了基十转矩控制的控制策略。

该系统集成了电子节气门控制系统，发动机ECU接收各个传感器采集到的信号，同时接收加速踏板模块的输入信号，经过微处理计算后输出控制信号驱动电子节气门。

系统中有专用的检测模块对电子节气门进行检测和I故障诊断，提高了安全性和可靠性。

电子节气门位置传感器电位计随着节气门阀频繁运动，处在高温振动的工作环境中，其精度可能会因为机械磨损下降。

英飞凌（Infineon）开发出了一种电子节气门，采用非接触型节气门位置传感器，并进一步将节气门驱动芯片华成干节气门体内。

2.国内汽车发动机电子节气门的研究现状

国内近年来在捷达、宝来、波罗等轿车上广泛采用了引进的电子节气门。

但对十引进的电子节气门只是处十使用阶段，对其核心技术知之甚少。

国内的电子节气门控制系统的研究远远落后十国外，只有关十电子节气门结构探讨、实现功能等综述性报道。

目前清华大学、北京理工大学等几家单位进行过控制系统设计方面的研究。

清华大学李雅博等人设计出了一种电子节气门控制系统。

控制制器以摩托罗拉的单片机MC68HC912DG128A为核心，用MC33186作H桥驱动芯片。

测试系统向节气门控制器发送目标开度值，控制节气门完成动作，同时记录并分析实际控制效果。

在该控制系统硬件电路中，需要单片机产生两路PWM分别控制MC33186的IN1和IN2，以分别控制电机的正转和反转。

因此，系统需要复杂的控制算法保证两路PWM信号的配合，以避免电机与电源短路，控制的灵活性降低，控制难度加大。

节气门控制单兀没有与发动机管理系统有机结合起来，节气门的目标位置由测试系统给定，只能用于试验研究，与国外控制系统相比显然有明显的差距。

3.总结

电子节气门控制运用电驱理念，一方面它精确控制进气量，可以提高发动机动力性、经济性，减轻排放;另一方面，通过它对汽车动力系统的功率控制来提升驾驶性能，比如安全、平顺性等。

因此，电子节气门己成为汽车发动机完全电控的一个非常重要的功能模块。

并与发动机管理系统有效的结合，发挥电子节气门控制系统在发动机管理系统中的作用，从而实现发动机性能的优化，具有重要意义。

4.参考文献：

[1]MikeDale,韩建保,杨训敏.电子节气门控制系统结构特点及其优势[J].汽车维修与保养,2005,（04）

[2]杜开明,秦大同,刘振军,姜凤翔,丁锐.电子节气门仿真控制[J].重庆大学学报（自然科学版）,2005,（04）

[3]陈华,王耀南,孙炜,杨辉前.基于模糊高斯基函数神经网络的电子节气门控制[J].计算技术与自动化,2005,（02）

[4]王仁义.奔驰S500冷车自动加速[J].汽车维修技师,2005,（04）

[5]张汉斌,张荣兵.奔驰S600电子节气门控制系统故障排除[J].汽车与配件,1999,（45）

[6]陈华,王耀南,夏阳,杨辉前.基于自整定模糊PID的电子节气门控制[J].仪器仪表用户,2005,（01）

[7]李雪飞,凌永成.基于80C196KB单片机汽车智能电子节气门控制系统的设计[J].微计算机应用,2005,（01）

[8]陶国良,郭连.电子节气门技术的发展现状及趋势[J].车用发动机,2003,（04）

[9]陶国良,郭连,刘昊,万里军.电子节气门变结构滑模控制及仿真与试验[J].内燃机工程,2005,（03）

[10]尹叶丹,程昌银,全书海.基于DSP的电子节气门控制器的研制[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版）,2003,（05）

摘要

社会需求、法规推动和电子技术的进步，推动了现代汽车电子技术的飞速发展;电传线驱技术则是其最主要的方向之一。

电子节气门控制是汽车动力控制系统中的一部分，它对于汽车的功率和驾驶控制有着非常重要的作用。

本文首先对电子节气门系统进行了全面的介绍，然后进行了电子节气门系统的建模、控制器设计和基于模型的系统实时控制软件生成，最后进行了实时控制试验。

全文共分五部分:

首先要回顾了汽车电子控制技术的发展历程，然后从发动机电喷系统中引出了电子节气门的由来、发展及目前的产品，最后叙及了本课题的提出及主要内容。

其次在研究节气门体结中得到其图形模型，分析了节气门体中各运动部分的特性，包括进气流量、传感器模型、弹簧扭矩模型、摩擦力分析及其模型、齿隙冲击分析、进气扰动对扭矩的影响，电机电枢电路模型。

并由此建立系统的数学模型,最后进行了系统辨识，得出了系统部分参数。

再次在机电控制系统中，最通用的控制器是PID控制器，在长期应用中积累了丰富的经验，是连续控制系统中技术成熟，应用广泛的一种控制器。

PID控制器分为模拟PID控制器和数字PID控制器，由于系统采用单片机进行控制，本文在进行系统设计时采用数字PID控制算法。

再次对电子节气门控制系统的功能分析，对电子节气门控制系统的硬件电路包括控制芯片模块、输入模块、输出模块和通信模块进行了详细的阐述，并设计了基于磁阻传感器的角位移测量系统。

最后是对课题内容的总结。

关键词电子节气门，电控系统，变结构滑模，控制算法，硬件系统

Abstract

Autoelectroniccontrolhasmaderapidprogressbymorerequirementsofthesociety,pendingtougheremissionstandardsandthedevelopmentsinelectronics,andDrive-by-Wireisoneofthemostimportanttechnologies.ETCS（electronicthrottlecontrolsystem）isonepartofthepowertraincontrolsystem,itplaysaveryimportantroleinpowertxaincontrol.ThisthesisfirstlyintroducedtheETCS,thenmodeledandsimulateditsdynamicsandelectricscharactersinMatlab/simulink/stateflow,andthemodelbasedembeddedsoftwarecodeisgenerated,thentestiscurriedoutinthereal-timeworkshop.

Thewholethesisconsistsofsixsections.

RieflystatestheETCtechniquedeveloping-history,features,thecurrentapplicationsituationandproducts,andthenpointsoutthesignificanceofthethesisandthemaincontentoftheresearchwork.

Analyzesthedynamicsofeachpartofthethrottlebody,includingpneumatics,springtorque,frictionetc,andthendeducesmathematicalmodelofETCS.AndsystemidentificationisalsodoneusingthetoolboxofMatlab.

Inthemechanicalandelectricalcontrolsystem,themostuniversalcontrollerisaPIDcontroller,theparametersofPIDcontrolleriseasytoset,inthelong-termapplicationhasaccumulatedrichexperience,isincontinuouscontrolsystemtechnologyismature,widelyusedasacontroller.PIDcontrollerforanalogPIDcontrolleranddigitalPIDcontroller,thesystemusesasinglechipcontrol,thesystemusedinthedesignofdigitalPIDcontrolalgorithm.

Againontheelectronicthrottlecontrolsystemfunctionanalysis,theelectronicthrottlecontrolsystemhardwarecircuitcomprisesacontrolchipmodule,inputmodule,outputmoduleandacommunicationmoduleindetail,andthedesignofthemagnetoresistivesensorbasedontheangulardisplacementmeasuringsystem.

Finallyonthesubjectcontentsummary.

KeyWords:

electronicthrottlecontrol;ECU;variablestructuresliding-modecontrol;ControlStrategy;HardwareSystem

目录

1绪论1

1.1汽车电子技术1

1.2发动机电子控制1

1.3电子节气门2

1.3.1节气门特性2

1.3.2电子节气门的优点3

1.4课题的提出及主要内容3

2系统建模4

2.1系统组成原理4

2.1.1系统硬件4

2.1.2系统原理4

2.2系统数学建模4

2.2.1节气门体机构4

2.2.2进气流量分析5

2.2.3传感器建模6

2.2.4弹簧扭矩分析7

2.2.5摩擦力分析7

2.2.6齿轮传动及齿隙影响8

2.2.7进气气流的影响8

2.2.8电机电路方程8

2.2.9模型建立9

2.3系统参数9

3ETC系统控制策略的研究与实现11

3.1数字PID控制算法介绍11

3.2数字PID控制参数的确定11

3.3数字PID控制器设计12

3.4模糊PID控制算法仿真与实现方法研究13

3.4.1PID控制与模糊控制的比较13

3.4.2模糊PID控制仿真分析13

3.4.3模糊PID控制实现方法研究13

3.5直流电机控制的实现15

3.5.1直流电机等效电路分析15

3.5.2直流电机PWM驱动原理分析16

3.6本章小结17

4ETC硬件系统设计18

4.1ETC硬件设计与方案设计18

4.1.1硬件单元设计要求18

4.1.2硬件单元总体设计18

4.1.3硬件控制