電子節(jié)氣門控制模塊設計說明書

1、電子節(jié)氣門控制模塊詳細設計說明書版本號 / 修改號： A/02019.03.07電子節(jié)氣門控制模塊詳細設計說明書編制：日期：審核：日期：標審：日期：批準：日期：文件發(fā)行/修改履歷表版本號生效日期修改內容電子節(jié)氣門控制模塊簡介 41. 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)簡介 43.子模塊劃分 7各子模塊介紹和函數(shù)說明 71 .開度計算模塊 72 .PID 控制模塊 93 .PWM 產(chǎn)生模塊 114 .TLE6029 驅動控制模塊 125 . 自學習模塊 135.1 自學習條件 135.2 自學習請求初始化 145.3 自學習過程 156 . 故障診斷模塊 20電子節(jié)氣門控制模塊簡介1 .電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)簡介加

2、速踏板給出一個基本的節(jié)氣門目標開度信號，ECU根據(jù)節(jié)氣門體反饋回的位置傳感器信號和工況信號確定節(jié)氣門目標開度，并計算產(chǎn)生PWM控制信號，再由驅動電路放大功率，來驅動電機精確控制節(jié)氣門，使節(jié)氣門達到目標開度位置，電子節(jié)氣門控制原理如圖1。驅動電路十圖1電子節(jié)氣門控制原理節(jié)氣門體節(jié)氣門體主要由節(jié)氣門、直流電機、減速齒輪組、復位彈簧和節(jié)氣門位置傳感器等組成，如圖2。當節(jié)氣門出現(xiàn)故障或電機驅動信號被切斷時，節(jié)氣門在復位彈簧作用下回到初始開度位置，使發(fā)動機保持一定的轉速，使車輛能夠行使到安全的地方。圖2節(jié)氣門體結構根據(jù)系統(tǒng)需求，控制程序需實現(xiàn)以下功能：1 .系統(tǒng)中需根據(jù)精度需要對采到的位置傳感器的AD值

3、進行一定的換算，使之成為開度值。本設計中,開度值范圍取0800,即節(jié)氣門全關和全開位置分別為0和800。2 .要精確控制節(jié)氣門，需對其進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)中采用 PID對其進行控制。3 .將控制量轉化成 PWM控制信號。4 .驅動電路采用智能集成芯片 6209,需跟芯片進行通信，并對其進行控制。5 .節(jié)氣門的作用是控制發(fā)動機的進氣流量，決定發(fā)動機的運行工況。當節(jié)氣門發(fā)生故障時，極可能產(chǎn)生 嚴重后果。因此需要實時地對節(jié)氣門進行故障診斷，并對故障進行相應的處理，以確保駕駛的安全性。 電子節(jié)氣門的整個控制中分為五個狀態(tài)：初始狀態(tài)，自學習狀態(tài)，正常狀態(tài)，異常狀態(tài)，跛行狀態(tài)。初始狀態(tài)：判斷是否進行自學習，

4、進行何種自學習。自學習狀態(tài)：執(zhí)行自學習程序。正常狀態(tài)：可以正常實現(xiàn)節(jié)氣門的各種功能。異常狀態(tài)：關閉電子節(jié)氣門的一些控制功能（如巡航控制等），只能對踏板信號進行跟蹤控制。跛行狀態(tài)：不對節(jié)氣門進行控制，節(jié)氣門閥片回到跛行位置在每個狀態(tài)下都要進行驅動芯片故障和傳感器故障診斷，在正常轉臺和異常狀態(tài)下還進行節(jié)氣門是否長 時間無法調整到目標位置的診斷，只有在系統(tǒng)有故障時才會進入異常狀態(tài)和跛行狀態(tài)。系統(tǒng)無故障時，各狀 態(tài)之間的轉換關系如圖 5所示。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如果是只有一路位置傳感器故障，另一路正常，系統(tǒng)將進入異常狀態(tài)。而有其他故障發(fā)生時，系統(tǒng)進入跛行狀態(tài)。此時時各狀態(tài)之間的轉換關系如圖6所示。其中調

5、整故障為節(jié)氣門長時間沒有調整到目標開度。驅動芯片無故障且無調整故障圖6系統(tǒng)有故障時的狀態(tài)轉換驅動芯片無故障且一路傳感器有故障驅動芯片有故障或兩路路傳感器有故障驅動芯片無故障 且一路傳感器有故障 且無調整故障驅動芯片有故障或兩路路傳感器有故障或有調整故障驅動芯片無故障 故障且傳感異常狀態(tài)驅動芯片無故障正常狀態(tài)驅動芯片有故障或兩路路傳感器有故障或有調整故障驅動芯片無故障且一路傳感器有故障跛行狀態(tài)且一路傳感器有故障驅動芯片有故障或兩路路傳感器有故障初始狀態(tài)自學習狀態(tài)節(jié)氣門正?？刂茣r的原理如圖7所示，計算目標開度和實際開度， 將它們的差值輸入到 PID控制模塊中,通過PID計算輸出PWM占空比，并將占

6、空比轉化成 PWM信號和電流方向信號， 輸入到TLE6209驅動電機, 調整節(jié)氣門開度。將采集的位置傳感器的信號用于計算實際開度，形成閉環(huán)控制。圖7電子節(jié)氣門正?？刂圃?.子模塊劃分根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，將軟件系統(tǒng)分為以下幾個子模塊：開度計算模塊：限制目標開度值，并計算實際開度值PID控制模塊：根據(jù)目標開度和實際開度之差計算出PWM控制量PWM產(chǎn)生模塊：PWM控制量通過底層程序轉化成控制信號6209驅動控制模塊：控制芯片的使能和SPI通信，并檢測6209芯片是否有故障自學習模塊：學習全關位置值用于計算開度值，并進行彈簧測試故障診斷模塊：檢測位置傳感器，監(jiān)測是否長時間沒有調整到目標開度二、各子模

7、塊介紹和函數(shù)說明1.開度計算模塊（1）開度計算模塊簡介該模塊主要功能是計算實際開度（當前開度）和PM制目標開度。系統(tǒng)采用的開度范圍是0800。位置傳感器的電壓每1ms采樣一次，整個系統(tǒng)中所用 AD值都是5ms的濾波值。傳感器1的AD值AD1從全關到全開逐漸增大，全關時最?。粋鞲衅?2的AD值AD2從全關到全開逐漸減小，全關時最大。根據(jù) AD值計算 開度的方法如下：當前開度=（當前AD1 全關AD） X 100 +計算系數(shù)值或當前開度=（全關AD 一當前AD2） X 100 +計算系數(shù)值標定好計算系數(shù)值，使閥片在全關和全開時對應的開度分別為0和800。為保證開度計算的正確性，避免因位置傳感器故障

8、導致開度計算不準確，在開度計算時，采取如圖（8）所示的流程。當兩路傳感器都正常時，兩路傳感器信號計算得到開度值，相差不會超過10。若超過10,則可以肯定有一路傳感器存在故障。2.函數(shù)說明函數(shù)名稱void ETC_CurrentDegreeCalc(void)功能描述計算節(jié)氣門的當前開度輸入：兩路位置傳感器的 AD5ms濾波值，傳感器故障情況輸出：節(jié)氣門實際開度（當前開度）返回值：無處理邏輯：根據(jù)上述計算方法，處理邏輯如下圖所示:開始獲取位置傳感器AD 值- AD 1 值 < 全關 AD1AD1 值=全關 AD1.L AD 2 值 > 全關 AD2AD2 值=全關 AD2分別用兩路A

9、D計算開度當前開度有YETC_current1ETCcurrent2傳感器 1正常傳感器 1正常當前開度等于上次計算值ETC current = ETC currentlast|ETC currentl-ETC current2|<10AD1 計算兩傳感器都正常ETC current = ETC currentl傳感器 2正常當前開度由AD2計算ETC current = ETCcurrent2Y當前開度由AD1 計算ETC current = ETC currentl傳感器 2正常N當前開度由AD2計算ETC current = ETCcurrent2當前開度等于上次計算值ETC cu

10、rrent = ETC currentlast圖8開度的計算流程函數(shù)名稱void ETC_AimDegreeCalc(void)功能描述計算對目標開度進行限制輸入：初始目標開度輸出：進行限制后的目標開度返回值：無處理邏輯：對目標開度函數(shù)名稱void ETC_DegreeCalc(void)功能描述開度計算主函數(shù)，計算目標開度和當前開度，并計算開度差輸入：無返回值：無處理邏輯：調用 ETC_CurrentDegreeCalc()和ETC_DegreeCalc(),最后計算開度差。2 .PID控制模塊(1) PID控制模塊簡介數(shù)字PID可分為位置式和增量式，系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID控制。如圖所示，

11、將目標開度與實際開度的差值作為PID控制的輸入，輸出為 PWM信號的占空比，以節(jié)氣門位置傳感器信號作為控制反饋量。由于電 子節(jié)氣門的控制的非線性，用一組 PID控制參數(shù)是無法對節(jié)氣門進行精確控制的。本系統(tǒng)中，我們采用了多組PID進行控制。對 PID進行分組的主要依據(jù)主要有以下幾點：1 .在標準的PID算法中，由于積分系數(shù)Ki是常數(shù)，所以在整個控制過程中積分項作用不變，而系統(tǒng)對積分項的要求是，系統(tǒng)偏差大時積分作用應減弱甚至全無，而在偏差小時則應加強。2 .在開度偏差較小時，即當前位置距離目標位置較近時，PID輸出不宜過快地變化，應控制增量的大小，以免導致超調。3 .當節(jié)氣門閥片經(jīng)過初始位置時，由

12、于回位彈簧的彈力方向發(fā)生改變，在換向的時候需要較大的驅動力，若驅動力不高會導致較長的延時。(2)函數(shù)說明函數(shù)名稱功能描述void ETC_PID_ctrl(void)利用增量式 PID算法，進行 PID計算，輸出PWM 占空比的值采用增量式PID控制，應注意防止出現(xiàn) PID輸出量由于長時間沒法調整到目標開度而過度累加，導致PID輸出量過大甚至溢出，使 PID控制失靈。解決這一問題的辦法是，當 PID輸出量大于最大限制值時，只累加負增量；而當PID輸出量小于最小值時，只累加正增量。整個PID控制過程如圖9所示。3 .PWM產(chǎn)生模塊(1) PWM產(chǎn)生模塊簡介PWMF號的頻率主要影響電子節(jié)氣門控制的

13、抗干擾性。由于電樞中的電流為連續(xù)的波浪形，提高PWM信號的頻率可減小電流的脈動。若 PW頻率過高，驅動電路容易受到干擾，會出現(xiàn)尖利的噪聲;若PWM頻率過低， 電機工作時電流波形比較粗糙，噪聲較大。進過反復調試，系統(tǒng)選用的PW闌期為2000mSPWM信號輸出具體是通過設置 M32K片中TIO8實現(xiàn)的。將P96設置為TIO8的PW輸出模式，時間計數(shù)時鐘選擇 為1us。在這個模式中，只需給兩個重載寄存器 (TIO8RL0和TIO8RL1)賦值，TIO8RL0的值為高電平時間計數(shù)(即占空比)，TIO8RL1為低電平時間計數(shù)，兩時間和PWM!期。系統(tǒng)中通過 void ETC_PWM_init(void)

14、函數(shù)實現(xiàn) TIO8的PWM俞出模式的初始化。void PWM_out(shortDuty_Output)函數(shù)實現(xiàn)對兩個重載寄存器的賦值，參數(shù)為占空比值。占空比的正負代表代表電機電流的方向， 在給重載寄存器賦值時取它的絕對值，并根據(jù)正負設置相應的電流方向(通過設置 6209DIR引腳的高低電平實現(xiàn))。為限制電流過大，對占空比的值進行了限制。(2)函數(shù)說明函數(shù)名稱void ETC_PWM_init(void)功能描述實現(xiàn)TIO8的PWM出模式的初始化輸入：無返回值：無函數(shù)名稱void ETC_PWM_out (short Duty_Output)功能描述給相應寄存器賦值，產(chǎn)生規(guī)定占空比的PWM信號

15、輸入：占空比值(高電平時間) 返回值：無4.TLE6029驅動控制模塊(1) TLE6029驅動控制模塊簡介圖10主芯片與驅動芯片連接圖因為TLE6209具有故障診斷功能，所以主芯片除了使能TLE6209、提供PWM信號和電流方向之外，還需進行SPI通信，以確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。TLE6209與主芯片的連接如圖10所示。在正常運行時，只需控制PWM信號和DIR (電流方向)兩路信號。其中 PWM控制電機轉矩，DIR控制電機轉向。芯片使能：DIS置低、INH置高，使芯片進入正常控制狀態(tài)。SPI 通信：unsigned char ETC_chip_operation(unsigned char

16、 data),輸入?yún)?shù)為向 TLE6209 發(fā)送的操作數(shù)， 返回值為TLE6209向M32發(fā)送的數(shù)據(jù)。采用端口模擬方式進行SPI通信。芯片的初始化：通過SPI通信，向芯片發(fā)送操作數(shù) 0x80對芯片進行復位，再發(fā)送操作數(shù)0x43,對TLE6209 進行設置。芯片故障診斷：驅動芯片故障包括，SPI通信故障和驅動芯片自身診斷的故障。先進行SPI故障診斷，在確認無SPI故障的情況下，才根據(jù) TLE6209的返回值和TLE6209的故障碼協(xié)議進行故障判斷。(2)函數(shù)說明函數(shù)名稱void ETC_chip_diag(void)功能描述對驅動芯片進行診斷5.自學習模塊(1)自學習模塊簡介新的自學習策略中，將

17、自學習分為簡短自學習和完全自學習兩種學習過程。簡短自學習主要檢測回位彈 簧是否能使節(jié)氣門閥片向下回位到初始位置，而完全自學習是在簡短自學習的基礎上，還檢測回位彈簧是否 能使節(jié)氣門閥片向上回位到初始位置和學習全關位置的AD值。而且新策略中還加入自學習允許條件的診斷。條件不允許時，不進行自學習。5.1 自學習條件為了不影響駕駛和確保自學習的正確性，進行自學習時必須同時滿足以下條件：A.鑰匙插入B.發(fā)動機停止(發(fā)動機轉速為零)C.車輛靜止(車速為零)D.蓄電池電壓足夠高任何一個條件不滿足就停止自學習。完全自學習要學習全關位置，要考慮到溫度對機械形變的影響，所 以也要考慮進氣溫度和水溫等條件。函數(shù)名稱

18、 void ETC_study_ConditionDiag(void)功能描述 ETC自學習允許條件判斷，查看自學習條件是否滿足函數(shù)設計說明：根據(jù)上述條件判斷自學習條件是否滿足，電池電壓 標定值開始YYu自一學習允許條件診斷?繼續(xù)自學習- 1.發(fā)動機轉速=0- 2.車速=0- 3.最大值水溫最小值（完全自學習）- 4.最大值 進氣溫度 最小值（完全自習）1有自學習請求“V（簡短自學習或完全自學習）電池狀態(tài)診斷中斷自學習圖11自學習條件判斷5.2 自學習請求初始化在自學習前必須先確定要進行簡短自學習還是完全自學習，主要根據(jù)條件判斷是否進行完全自學習，否 則進行簡短自學習。函數(shù)名稱void sel

19、fstudy_req_init(void)功能描述ETC自學習請求判斷，確認進行簡短自學習還是完全自學習函數(shù)設計說明：進行完全自學習白條件如下（ OR）：A.令-次上電B.上電后外部診斷工具或標定時請求自學習C.每次上電時，閥片位置與怠速位置相差很大時D.上電后檢測到上一次自學習沒成功E.初始化時，讀取 EEPROM中的值出錯以上任何一個條件滿足，都請求進行完全自學習。5.3 自學習過程自學習可分為四個步驟：初始位置學習、彈簧測試、全關位置學習和返回初始位置學習，每個步驟都對應一次診斷。在整個自學習過程中都對自學習允許條件和電池狀態(tài)進行診斷，若自學習條件不允許，將中斷自學習。自學習分為：完全自

20、學習和簡短自學習。完全自學習包括：初始位置學習、彈簧測試、全關位置學習、返回初始位置學習。簡短自學習包括：初始位置學習和彈簧測試。具體學習流程如下（見圖 12 ） ：A 初始位置學習：關掉電機（ PWM 占空比為 0 ） ，學習初始位置的 AD 值，看兩個傳感器值是否超出所標定的范圍，若超出范圍學習錯誤，否則學習正確進入下一步驟。B 彈簧測試：通過PID 調節(jié)將節(jié)氣門打開到比初始位置大的某個開度，在節(jié)氣門到達目標開度并穩(wěn)定一段時間后， 若不能調整到目標開度報自學習錯誤， 否則讓其返回初始位置 （通過設置占空比為 0 來完成） 。 延遲一段時間后 （彈簧正常時， 在該時間段后閥片以回到初始位置）

21、 ， 測量兩個傳感器的值是否在標定的范圍內。 若超出范圍學習錯誤。 AD 值沒超出范圍時，若進行的是完全自學習學習正確進入下一步驟；若進行的時簡短自學習，自學習成功完成。C 彈簧向上回位測試： 通過 PID 調節(jié)將節(jié)氣門閥片調整到小于初始位置的某個開度， 在節(jié)氣門達到目標開度并穩(wěn)定一段時間之后，若不能調整到目標開度報自學習錯誤，否則讓其返回初始位置（通過設置占空比為0來完成） 。延遲一段時間后（彈簧正常時，在該時間段后閥片以回到初始位置） ，測量兩個傳感器的值是否在標定的范圍內。若超出范圍學習錯誤。 AD 值沒超出范圍時，若進行的是完全自學習學習正確進入下一步驟；若進行的時簡短自學習，自學習成

22、功完成。D 全關位置學習：通過PID 調節(jié)，將目標開度逐漸遞減，使閥片逐漸接近全關位置直到停止。把閥片維持在全關位置一段時間后，測量兩個傳感器的值是否在標定的范圍內。若超出范圍學習錯誤，否則學習正確進入下一步驟。E 返回初始位置：關閉電機（ PWM 占空比設為 0 ） ，使閥片返回初始位置。延遲一段時間后，測量兩個傳感器的值是否在標定的范圍內。若超出范圍學習錯誤，否則自學習成功完成。在這個步驟中，加了防止閥片卡在全關位置的處理見圖（13）。開始*自學習中斷處理兩路傳感器的AD值是否在標定范圍內 成功，否則不成功1 .規(guī)定時間內調整到目標開度，且 穩(wěn)定后占空比在允許范圍內成 功，否則不成功2 .

23、在規(guī)定時間內向下回位到初始位 置成功，否則不成功，報故障1 .規(guī)定時間內調整到目標開度，且 穩(wěn)定后占空比在允許范圍內成功，否則不成功2 .在規(guī)定時間內向上回位到初始位 置成功，否則不成功，報故障兩路傳感器的AD值是否在標定范圍內 成功，否則不成功全關位置兩路傳感器的 AD值是否在標 定范圍內成功，否則不成功開始圖13初始位置返回自學習堵塞判斷和處理函數(shù)名稱void ETC_studyg(void)功能描述ETC自學習控制函數(shù)輸入：無輸出：無處理流程：以上五個步驟的實現(xiàn)時，分成十二個狀態(tài)，各狀態(tài)的變化情況 如圖14所示。各狀態(tài)執(zhí)行的任務如下：STATE1 : 1.關閉電機2.診斷AD值是否標定初

24、始位置值范圍內STATE2:將節(jié)氣門通過PID控制調整到大于初始位置的某個開度，并診斷檢查是否能在規(guī)定時間內調整好，而且PID輸出是否正常。STATE3:關閉電機，延時一段時間，等待閥片在回位彈簧的作用下，回到初始位置STATE4:診斷AD值是否標定初始位置值范圍內STATE_OPEN_SPRING_CHECK :彈簧向上回位測試STATE5:初始全關自學習的目標開度STATE6:逐漸減小目標開度，當積分飽和時（ PID輸出長時間大于最大值時），此時認為，已到達目標開度。然后輸 出一個可以為維持節(jié)氣門在全關位置的占空比。STATE7:診斷AD值是否在標定范圍內STATE8:記錄全關位置的 AD

25、值，關閉電機STATE9:檢測閥片是否發(fā)生堵塞，并進行相應處理STATE10:診斷閥片是否回到初始位置EEPROM 。程序中設置了自學習中斷計數(shù)，有自學習中斷發(fā)生,EEPROM中。在下次上電時，讀取這個值，以此判斷STATE COMPLETE :進行自學習成功處理在自學習成功后，保存學習的 AD值。在每次掉電時，將其存入以上五個步驟中，任何一個步驟的學習錯誤都將導致自學習中斷。自學習中斷計數(shù)加1 ,并在每次掉電時將自學習中斷計數(shù)的值保存在 上次自學習的情況。自學習中斷處理A.若是在自學習中，回位彈簧的診斷報故障時，使能 SafetyCutOff標志B.在進行完全自學習時，檢測到電池狀態(tài)故障的中

26、斷處理中，使能 SafetyCutOff標志C.在進行完全自學習時，檢測到自學習允許條件不滿足的中斷處理中，全關位置和初始位置的 AD值等于默認標定值。D.所有原因導致的自學習中斷都需進行一下處理所示的處理：關閉電機自學習完成標志使能自學習請求標志清楚（包括完全自學習和簡短自學習）自學習中斷計數(shù)加1關閉電機TIMER3溢出完全自學習需回位測試不需回位測試向上回位彈簧測試TIMER2溢出調整到目標開度TIMER1溢出診斷無故障TIMER4'溢出一診斷無故障TIMER4溢出診斷無故障i 完全自學習TIMER4溢出診斷無故障.簡短自學習初始位置學習STATE1STATE2STATE3STATE4診斷無故障彈 黃 測 試初始位置返回TIMER10 溢出診斷無故障TIMER8溢出關閉電機STATE5STATE8等待TIMER5溢出全關位置學習TIMER7溢出全關診斷無故障STATE6到達全關位置, 并維持在全關位置STATE7圖14自學習中各狀態(tài)的轉換6.故障診斷模塊（