汽車電子節氣門控制系統ECU設計及其在ASR控制中的應用

0 引 言
早期節氣門是為了調節汽油機的充氣量，在化油器腔體上設置的節流裝置，通過杠桿、鋼絲拉線與油門踏板相連。因其常見為蝶形閥門，故稱節氣門。電控噴射系統取代化油器后，油路自成系統，進行壓力噴射；在進氣系統方面，保留了化油器進氣道喉管下方的一個簡單卻非常重要的部件――節氣門，并增設電子控制單元(ECU)、節氣門位置傳感器、空氣流量計等監測工況。電子控制節氣門系統(Electronic Throttle ControlSystem，ETC)是在電噴系統的節氣門機構中，去掉了一些附屬補償裝置，增加了新的電控單元、直流電機、減速齒輪、驅動電路等。與傳統的節氣門控制方法不同，電子節氣門系統中節氣門在任何工況下都直接由電機驅動；而且ECU可綜合車輛管理信息和發動機工況的變化而隨時配制一個最佳的混合氣成分。這種最佳的混合氣成分，同時按發動機的動力性、經濟性，特別是按減少排放有害物的要求來確定，具有良好的怠速、加速、減速等的過渡性能。
電子節氣門相當于用一種柔性連接取代了傳統的機械連接方式(即剛性連接)。在剛性連接中，發動機節氣門開度完全受控于油門踏板開度，發動機工作狀況取決于駕駛員對油門踏板的操作。在柔性連接方式中，油門踏板僅相當于一個反映駕駛員操縱意圖的傳感器，節氣門的實際開度由其控制器根據當時的汽車行駛狀況、其他車載電控系統的需求并考慮發動機特性之后確定。
汽車驅動防滑控制系統(ASR)是重要的主動安全系統，其控制需要調節發動機輸出轉矩。由于目前我國裝車的轎車發動機大都不具備自主知識產權，無法完成對發動機控制系統的干預，所以本文采用了安裝電子節氣門來調節轉矩的ASR系統方案。為了實現驅動防滑控制(ASR)的需要，設計并開發了ETC系統ECU軟硬件，在安裝電子節氣門體的試驗臺架上進行了功能測試，并將之應用于ASR控制中，進行了硬件在環測試。

1 ECU硬件電路設計
ECU硬件主要實現油門踏板信號采集與處理、存儲與運行控制軟件、驅動直流電機以及和其他ECU或者計算機進行通信等功能。硬件設計框架如圖1所示。

ECU的設計還需綜合考慮幾個因素：
(1)控制程序實時性要求，要求控制器能夠快速運行程序并具備較高的計算速度；
(2)控制器可靠性要求，確保在汽車級惡劣電磁環境中具備較強的抗干擾性能，控制程序能夠運行可靠、穩定；
(3)控制器體積及成本考慮，具備一定的市場競爭能力。
1．1 MCU選型及單片機最小系統設計
單片機是電子控制系統ECU的核心，它負責數據采集與處理以及所有的邏輯運算，并直接影響到控制器電路運行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。
綜合考慮各種因素，本文所采用的芯片型號為MC68HC908AZ32A，這是Freescale公司生產的專為汽車設計的功能強大的8位單片機。具有豐富的功能模塊，包括1路SPI接口模塊、1路SCI接口模塊、15路A／D轉換模塊、1路CAN通信接口模塊等。此外，芯片獨立的數字I／O接口數也滿足設計要求，并且還留有功能擴展的余地。
選定單片機后，設計了電源電路、時鐘電路和復位電路等，構成單片機工作的最小系統。
1．2 信號采集電路設計
ETC系統需要將油門踏板位置信號和節氣門位置信號等模擬信號采集輸入單片機中。因為模擬信號可能會出現較多的毛刺或因干擾、突發故障等產生較大的電壓波動，為了更好地采集信號，并保護MCU，設計模擬信號輸入電路，如圖2所示。該電路是一個有源濾波電路，可以大幅減少毛刺和減小波動。

有源低通濾波電路，一方面可以濾除傳輸線上的干擾信號，另一方面可以提高A／D的輸入阻抗。其中LM124是高效的集成運放。電容C701對傳感器輸出的模擬信號進行濾波，去除毛刺。跟隨器起的作用是將輸出阻抗降低到最小水平，因為MCU的A／D模塊在處理快速變化的模擬信號時要求盡可能小的輸出阻抗和較小的采樣周期來滿足快速性和精度的要求。另外，ECU還要輸入開關量形式的制動信號，通過單片機特定端口的中斷功能實現。
1．3 直流電機驅動電路設計
由于控制節氣門開度的直流電機用單片機輸出的PWM信號驅動，中間需要功率驅動芯片。本文選用TLE6209，內部集成了H橋電路。該芯片是英飛凌公司開發的專門控制電子節氣門的智能功率驅動芯片。與其他功率驅動芯片相比，TLE6209具有很高的可靠性和保護功能，通過SPI接口可與控制單元進行通信，發送故障信息和控制命令，可為以后控制單元診斷功能的擴展提供條件；一般的H橋驅動信號需要兩路PWM信號控制電機的轉動，TLE6209只需要一路PWM信號和一個方向信號，因此節省了硬件資源，且控制更靈活、可靠。其主要特點如下：
(1)連續輸出電流最大為6 A；最高工作電壓為40 V；最大輸出頻率為30 kHz。
(2)邏輯電壓與驅動電壓單獨供電；內部集成續流二極管；輸出短路保護。
(3)IHN為低電平時，芯片停止工作；DIS為高電平時，輸出端為高阻狀態。
(4)可與單片機進行雙向通信，通過SPI單片機可向TLE6209寫入可編程控制字，TLE6209可以向單片機發送故障診斷信息。
(5)工作時僅需兩路信號：DIR控制輸出電流方向；PWM控制輸出電流大小。
TLE6209電路設計如圖3所示。

1．4 CAN總線接口電路設計
控制器局域網(Controller Area Network，CAN)為串行通信協議，能有效支持具有很高安全級的分布實時控制。CAN的應用范圍很廣，從高速的網絡到底價位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業里，使用CAN連接發動機控制單元、傳感器、防滑系統等，其傳輸速度可達1 Mb／s。