大型客车发动机油门自适应控制系统的设计与仿真

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随着我国高速公路网的日趋完善，大型客车的保有量不断增加。在对大型长途客车乘坐舒适性要求不断提高的同时，对其的驾驶舒适性也提出了更高的要求。长时间行驶在路况较好的高速路上的大型客车采用自适应巡航控制系统是缓解驾驶员驾驶疲劳，提高驾驶舒适性的-个有效途径。自适应巡航控制系统(adaptive cruise control，ACC)的功能是根据交通状况自动调节汽车运行工况 ，保证汽车安全行驶，系统包括雷达传感器、控制器 、发动机油门调节机构和制动力调节执行机构。当前方车距小于安全车距时，自动减小油门或施加制动以降低车速，使车辆和前车保持安全行驶距离；同时具有和前车速度相同的跟随行驶和定速巡航行驶功能(CSS)Iq。根据交通状况自动调节发动机油门开度是调节车速的-种主要手段。

2发动机油门控制2.1油门巡航的工作原理油门巡航控制闭环系统，如图 1所示。系统主要由执行电机、油门控制器、拉索传动装置和油门拉杆组成。执行电机可以是步进电机或直流电机，本装置选用直流电机。油门控制器由单片机和直流电机驱动器组成。油门控制器根据当前车速或设定车速确定油门的位置，通过软件PID算法计算出PWM的占空比，由单片机(油门MCU)输出PWM信号，经电机驱动芯片(H桥式)驱动直流电机，通过电机自带减速机构带动拉索收紧，使油门拉杆旋转，进而油门拉杆轴转动改变油门大校车速传感器将车速信号返回控制器。

F - 圃 --.- 1发动机l l! ：l· 上 油门控制器 · - t丝H H越H萎耋篁图 1油门巡航控制系统结构简图Fig.1 Instruction Diagram of Throttle Cruise Control System2.2直流电机的选择与驱动原理2.2.1电机选取油门驱动电机选用直流力矩电机，实现对油门控制的关键来稿 日期：2012-08-10基金项目：山东省高等学衅技计划(J11LD69)；聊城大学科研项 目(X071030)作者简介：陈峥峰，(1973-)，男，山东泗水人，硕士，副教授，主要研究方向：现代汽车设计及理论222 陈峥峰等：大型客车发动机油门自适应控制系统的设计与仿真 第6期是通过PWM合理调节直流力矩电机的输出扭矩。力矩电机的主要特点是具有软的机械特性，可以堵转。其具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动装置，从而提高了系统的运行精度。直流力矩电机特别适合本系统的卷绕式拉索传动装置，为使卷绕过程中张力保持不变，必须在产品卷绕到卷盘上的盘径增大时驱动卷筒的电机的输出力矩也增大，同时为保持卷绕产品线速度不变，须使卷盘的转速随之降低，力矩电动机的机械特性敲能满足这- 要求。根据力矩电机的机械特性 ，对其的控制采取分段控制方法，在不同的控制阶段分别采用不同的PWM值121。

2.2.2驱动原理目前，直流电机的驱动方式多采用开关驱动方式131，由四个功率场效应管构成-个H桥驱动电路，如图2所示。该电路由两路隔离的PWM输入信号控制。当输入PWMl为高、PWM2为低时，功率器件 1和 4导通、2和 3关断，电机正向转动；当输人PWM1为低 、PWM2为高时，功率器件 2和 3导通、1和 4关断，电机反向转动。使用H桥驱动电路时要注意，两路PWM信号不能同时为高，否则会发生短路。因此，要在两路PWM控制信号中加入死区单元，保证同-桥臂上下两个功率器件不会同时导通。

GND图 2油门直流电机驱动电路Fig.2 Throttle-DC Motor Drive Circuit2.3控制系统建模控制系统框图，如图3所示。

图3控制系统框图Fig.3 Control System Block Diagram图中： ，-给定车速(km/h)； -实际车速(kndh)；△ -误差转速(km/a)；uI--电枢电压(V)；rr--电机转速(radhnin)； 油门杠杆摆角(rad)。

根据系统控制方案和原理图分别求出直流电机、油门执行器的数学模型，然后根据闭环系统传递函数的求解方法得出油门控制系统的数学模型。

2.3.1直流 电机模型直流电机的微分方程为问：粤dt l山p u式中：乃-电磁时间常数 ； -机电时间；c 电机常数；，广 转速。

由于电枢回路电感较小，因此电磁时间常数可以近似为零，拉式变换后式(1)可化简为：： (2)ud(s) sl2.3.2油门机构模型直流电机转速n换成油门拉杆角度 ，转换环节的传递函数为：： (3)n(s) 60s巡航系统通常是在相对平坦的良好路面上行驶时启用 ，油门杠杆微小调整与发动机转速变化近似看成比例关系。闭环系统传递函数为：(4)系统可近似看成是-个二阶时不变系统，首先达到对油门杠杆摆角的精确控制。为了使系统在最短的时间内达到稳态，又不使系统产生振荡，采用经典控制理论 PID调节对系统进行控制。

2.4油门控制器的设计2.4.1硬件设计控制器硬件主要由 MC9S 1 2DP256单片机和 H桥驱动芯片TLF6209组成。MC9S12DP256是飞思卡尔公司为适应汽车复杂应用推出的 16bit芯片，该微处理器(Mcu)运算能力强，核心运算能力可以达到 50M，总线速度可以达到 25M；存储空间充足，片内集成25KFLASH，12KRAM和4KEEPROM；丰富的I/O接口，包括2个异步串行通讯接口 (SCI)，3个同步串行通讯接口(SPI)，8路输入捕捉腧 出比较 (IC/OC)，16路 10位 AD接口，8路 8位 PWM，5路 CAN总线接口等 。

英飞凌 Infineon的TLF6209是-款H桥驱动芯片，其输入是由MC9S12DP256输出的 PWM信号，并可以根据 MC9SI2DP256的DIR指令实现电机的正反转。该芯片集成了对过流、短路的自诊断和保护，可以通过-个8bit的SPI状态字和主控制芯片通信，非常适合汽车使用 。

图4控制器电路原理图Fig.4 The Controller Circuit Principle Diagram控制器的单片机与电机驱动芯片间通过SPI实现通信和自诊断功能，由单片机输出-路PWM信号，通过占空比实现对电机转速的控制。通过DIR控制PWM信号的传输方向，DIR1”，即高电平时，信号由 端输入B，端输出，直流电机正转；DIRNo.6June.201 3 机械设计与制造 2230，即低电平时，信号由B”端输入A”端输出，直流电机反转。

2.4.2软件设计由于本系统的核心被控对象为直流力矩电机，采用增量式数字PID算法，其表达式为：Au(tk) [e( )-e( -.) e(tk)[e(tk)-2e( - )e(tk )] (5)式中：( )-采样时刻t 时的调节器输出值；e( )-采样时刻时的误差。

以设定车速与实际车速之间的误差作为 PID控制器的输入，控制器输出为控制电机的PWM信号的占空比。为加快控制相应速度，同时避免引起系统振荡，在PID控制过程中加入了积分分离环节；为了消除控制过程中的高频干扰，加入不完全微分环节进行改进。整个控制流程，如图5所示。经过反复调整信号采样时间为 50ms。

图 5控制器软件流程图Fig.5 The Controller Software Flow Chart3 Matlab/Simulink仿真分析在进行实车试验前首先对系统进行Matlab/Simulink仿真17)，仿真分别采用阶梯信号、正弦信号和随机信号进行输入，结果显示跟随效果良好，如图6所示。响应信号没有出现超调，稳态跟踪误差小于±1%，其稳定时间小于 1s。

(a)阶梯输入信号跟随(b)正弦输入信号跟随(c)随机输入信号跟随图6 Matlab/Simulink不同输入信号下的跟随结果Fig.6 Matlab/Simulink Follow Results of Different Input Signals4试验与结果分析4.1实车试验将控制系统按图1所示设计的结构安装与某大型客车上进行实车试验闻，试验结果。如图7所示。

s图7实车随机信号输入跟随Fig.7 The Real Vehicle Random Input Signal to Follow42控制效果分析对车速的精确控制主要就是要求对油门杠杆角度变化的响应速度及摆角控制的精确度要高。车辆运行到-定速度后按下巡航控制开关，如图所示开始油门变化幅度小时跟随误差几乎为零，但随着变化的速率和幅度的增加跟随出现误差，但该油门控制系统能保证阶跃响应稳态跟踪误差不超过±2。。通过实际运行该系统能够满足设计要求，并批量装车应用。 (下转第227页)No.6June.201 3 机械设计与制造 227固有模态函数c，的时域图形放大图，如图5所示。c 的Wigner-Vile时频分布，如图6所示。从图6中可以看出，c，的Wigner-Vile时频分布能明显地表征轴承内圈在频率 150Hz左右，时间在0.028s时产生了故障，在图6中故障特征频率和幅值的变化及故障发生时间十分明显，能有效地避免Wigner-Ville分布中频率混叠和干扰现象，能有效地诊断轴承的故障。

4结论(1)小波分析在处理非稳态信号方面有其优越性，小波去噪后保持了信号的光滑性和相似陛。在此基础上提出了兼顾硬阈值和软阈值去噪的优点的综合量化方法，即阈值的综合量化规则。

利用该规则对非平稳振动信号进行了去噪验证，得到了良好的效果：(2)基于经验模态分解和Wigner-Vile分布的时频分析，可获得被分析信号中的频率组成，以及频率和幅值随时间的动态变化情况，能有效地避免 Wigner-Ville分布中频率混叠现象的发生，因而对非稳态信号特征频率提取效果明显。