驱动汽车电子节气门电机特性的测定

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Determination of Driving Vehicle Electronic Throttle Motor CharacteristicsQIAN Wei-kang，HUANG Xiao-yin，LU Zhan(School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science＆Technology，Shanghai 200093，China)Abstract：Modern automobile has entered into the times of electronic drive.The DC motor iS one of the maincomponents in applications of the automotive electrical drive，and but the pros and cons of the motor character-istics directly related to the response and control of the auto executing agencies.A measurement method of DCmotor characteristics iS described by object of the system model and control strategy to drive vehicle electronicthrotle body.and the relationship between the electrical characteristic curves of the DC motor iS discussed in。

depth.Final experiment shows that the test method of characteristics proposed iS efective and a theoretical andexperimental reference iS provided for determination of the motor characteristics。

Key words：electronic throttle；dynamometer；DC motor；motor characteristic；STM32在电子节气门总成中，节气门阀片的位置由-个永磁直流电动机调节控制，该马达能够让节气门阀片在0～90。的范围内转动，以得到期望的节气门开度。

在典型的电子节气门控制系统(ETC)中，马达根据控制单元(ECU)的指令调节节气门阀片的偏转角度，对于节气门的大部分转动位置，其定位精度-般都在 -40.5。的范围内。当发动机怠速空转时，阀片的角度精度甚至能控制在 ±0.1。的范围内。

永磁直流电动机采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其特点是频率高、功率密度高和可靠性高。ECU通过调节 PWM信号的占空比来控制电机转速和方向，带动配比传动齿轮控制节气门阀片转角的大小，反方向还存在和节气门相连的复位弹簧阻力矩。电机输出转收稿日期：2012-09-25作者简介：钱伟康(1957-)，男，浙江宁波人 ，副教授，硕士，硕士生导师，主要研究方向为电子信息、检测技术、嵌入式系统设计、FPGA可编程技术及应用等。

矩和脉冲宽度调制信号的占空比成正比。当占空比-定、电机输出转矩与复位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；占空比较大时，电机驱动力矩克服复位弹簧阻力矩，节气门开度增大，反之占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减校在整个调整范围内，节气门都是通过电机来驱动的，关键技术在于提供优良的非接触式位置传感器和电机的伺服特性。因此要求电机调整特性好、起动迅速、力矩大、控制方便，且定位精确 。

1 电机特性曲线的绘制原理1.1 电流 -转矩特性永磁直流电机将电气能量转换成机械能量，电气功率等于机械功率加上损耗功率，即VIE1，2 (1)式中，w为输入的电气功率； 为电阻热损耗；，R为机械功率转换的电气功率。电机的各种损耗包括摩擦损耗、碳精与换向器的电压降损耗、风损耗、磁滞损耗、驱动汽车电子节气门电机特性的测定 ·113·涡流损耗等，其中E1：26urT N P (2)式中， Ⅳ-为传动到轴枝上的机械功率，整理式(2)后，得出 ，- ，0 (3)式中，转矩常数K，- 60 E (4)及，0 (5如果损耗不存在，P 0及Io0得出 K，。

当损耗不存在P 0及(轴上)加载转矩 不存在时，理论上电流不产生。当损耗存在，即P >0时，则使电机无负载(1id0)，电流，0需要补偿固有的损耗。

因有功率损耗P ，Tt.为转矩损耗， Kto (6)转矩常数K表示斜率， 为量度堵转转矩，有(7)TldT图 1 电流 -转矩曲线1.2 转速 -转矩特性整理式(4)后得E： (8)由式(8)可知，电动势E(emf)跟电机转速 Ⅳ 成正 比。

假设另-个正比例常数为 ，E (9)如果式(8)中 转换成 ，则数值上 K，将式(1)代人式(9)，消掉E，得出- IR Ⅳ (10)为了获得电枢上的转矩 与转速 ⅣrD 的关系，将式(3)及式(6)代入，消掉，，得出Ⅳ -去( ) V (1)式(11)为转速-转矩特性。用 T 绘制对 曲线，如图2所示。线性斜率统称为Regula-tiono当转速J7、r 0，电机变成堵转状态，即 R (12)对应的堵转电流值 V/R。没有产生机械功率输出，而电流则全部产生热能，这是-个不利于电机的状态。

理论上当损耗不存在时，T 0，转速等同于空载转速Ⅳ0。实际上，固有损耗及转矩损耗 是存在的，空载转速 真正的量度为 No-R (13)Regulation为等等 (14R Tt。

Nr N：Ⅳ0～ 图 2 转速 -转矩 曲线1.3 输出功率特性电机的输出功率完全产生在轴枝上。所以Po (15)将式(11)代人式(15)可消 ，得出二次方程式为P0- -( - ) (16)式中，当P。0， 0或 ，输出功率跟负载形成二次方关系，分解式(16)，最大输出功率P 发生在转矩等于-半的堵转转矩时，即Tu(P )÷ (17)量度转矩为百vK，- - (18)将式(17)代入式(3)，可得出此负载点电流为，(尸 -景 (19)同理，得出此负载点转速为Nr(Po -尝( -I(Pu.)Io) (20)或 ·· 114· 《测控技术)2013年第32卷第1期N(Po )- 1 图3所示为输出功率曲线。

(21) 或 (‰ ) ( )-，0) (28)电机的效率曲线如图4所示；综合电机特性曲线如图5所示。

图 3 输 出功率 曲线1.4 效能特性效能定义为输出功率和输入功率的比值：叼 (22) L将式(11)及式(3)代入式(22)，得出 (23) 而 ，当叼0， 0及 时，分解式(23)，最高效能 ，7 可表示为(叩 )、 瓦 (24)最后得出 [，- 将式(24)代入式(3)，得出最高电流下效能，( -)对应转速 ( ) R，(叼 )vmPmax( max)图4 效率曲线图5 综合电机特性曲线2 2 电机特性测试平台系统构建电机特性测试平台系统框图如图6所示。

(26) 系统工作原理主要分成 3步：(27) ① 将测功机调至通信模式下，在上位机设定测功液 测功 篓 菱 数据 嫠 孥叵 (数据) 机/1 测 W路N-l-Il，'控 磁电流)功 竺 / 制 厂-]/机器上位机 l l 下位机 l l图6 电机特性测试平台系统框图机励磁电流加载量与加载周期，启动加载。

② 下位机接收到指令，根据已设定的参数以及测功机通信协议，发送指令给测功机控制器，测功机开始工作，励磁电流从0开始逐渐增加，直流电机由空载高速运行逐渐减慢转速直至停止。在电机运行期间，下位机先发送20H给测功机控制器读取电流和功率，第1次的电流即为空载电流；随后利用定时器中断，每隔40 ms发送51H给测功机控制器读取转速和转矩，同样，第 1次的转速即为空载转速。每当转矩增加 10mN·m时，再次发送20H给测功机控制器读取电流和功率。当转速小于 10 r/min时，读取电流、功率、转速和转矩，此时电流为堵转电流，转矩为堵转转矩。

③ 上位机读取下位机所保存的空载电流、空载转速、堵转电流、堵转转矩，再根据电机特性的绘制原理和相应公式在屏上绘制光滑曲线。实际上，由于电压不稳定、电机机械结构发生微小变形等情况，实际的曲线不可能非常光滑，而即使是同型号的电机也存在细微区别，因此要给出相应的误差率，再读取下位机其他转矩下的电流、功率及转速，与计算得出的数值进行比较，计算出平均误差率。

驱动汽车电子节气门电机特性的测定 ·115·测功机控制器通信协议如下：① 自动励磁加载周期，设为T。发送以a8H为首的4字节，buf(0)0xa8，buf(1)T/256，buf(2)T%256，buf(3)buf(1)xor bur(2)。

② 自动励磁加载量，设为X。发送以a9H为首的4字节，bur(0)0xa9，buf(1)x/256，buf(2)x%256，buf(3)buf(1)xor buf(2)。

⑤ 读测试数据。发送 51H，则返回8字节数据，前4字节为转速，后4字节为转矩；发送20H，则返回26字节数据，首字节为标志位 20H，其后每 5字节为- 组，前3组分别代表电流、电压和功率。

3 硬件设计3.1 电阻式触摸屏采用八线电阻屏，实际的控制方法与四线电阻屏相同。触摸屏工作原理如图7所示。从图7中可知，当PA2接低电平，PA3接高电平时，Q1与Q3导通，与此同时，PA4接高电平，PA5接低电平，使Q2与Q4关断，这时，测得 XVal值送人 A/D采样拈，得到Y坐标；反之，测得YVal值，得到 坐标。

Q28550Q48550图 7 触摸屏工作原理图3.2 A/D采样拈A/D采样拈主要负责专门采集触摸点的电压信号，由于电压信号过小，所以通过 MCP6001运放进行放大后接单片机的 PAO与 PAl脚进行 A/D转换。

VDDA VDDA图8 A/D采样器原理3.3 串口拈如图9所示，系统采用 RS-232串口通信，J1(串口1)用于和上位机通信，波特率为115200 bit/s；P301(串口2)用于和测功机控制器通信，波特率为9600bifs。

U3lCl VCCICl- VDDI C2I C2-f ITlIN T1OUTlT2IN T2OUTIRIOUT RlINlR2OUT R2INl IGND VEEI........... .........- MAX232ACSE4 软件设计V3-3- C2 8C]7 --]0.1 l 7图9 串口通信拈4.1 上位机系统控制程序设计上位机在画线之前先要在液晶上建立起坐标轴。

具体方法如下：先用截图软件 HyperSnap-6画出坐标的矢量图，如图10所示，然后用软件PCtoLCD2002将该矢量图转换为代码，并将其写成程序建立坐标。

O ∞ .0 ∞ ∞ l∞ I20 l∞ I∞ I∞骨 蜒tI.L. l岫 -恤 f州 ， l.1-峨 洲 s”·d： 聃 ElfJet y t " ：CwrQnt " T Ⅲ r Sptt-t I t， ·1·t.耵 Sp： - C I：T ： -. Cw r t" ICw rt ， OIt州 I trttt图 10 坐标轴矢量图4.2 下位机系统控制程序设计下位机主要负责与上位机，以及测功机控制器通信。当开始启动加载后，直至电机停转，在此过程中，下位机每隔40 ms发送51H给测功机控制器，监测转速情况。当转速降至零时停止，把所测得的数据发送给上位机，等待加载停止指令。图1 1为程序流程。

5 测试结果分析根据电机特性曲线绘制原理计算出每个点的坐眦团 -莲 哪 善l 哪 舶 l暮 m 。 霄砖㈣ ∞· 116· 《测控技术>2013年第32卷第 1期图 11 程序流程图标，例如 、 、P，以及 叼 ，然后开始在液晶屏上打点画线。具体计算方法如下：利用空载转速 、堵转转矩，通过两点式计算方法，建立转速与转矩的-次方程，然后把转矩的值 依次代人，得到每个转矩下所对应的转速Ⅳ ，依次在坐标轴上打点画线。同理，利用空载电流，0和堵转电流 ，可以画出电流与转矩的- 次方程。输出功率 PiUjT/9.55；效率 叼 (P/P )×100%，输入功率由 P U Ii得到，输入电压 12 V，再根据电流与转矩的-次方程计算出每个转矩下所对应的电流， ，再乘以l2 V即可得到每点的输入功率。测试结果如图12所示。

图 l2 测试结果6 结束语永磁直流电动机采用永久磁铁励磁，体积孝重量轻、耗能低，由试验数据可知，具有下垂的机械特性和线性的调节特性，通过改变电枢电压能方便地进行调速，可用在启动转矩较高和转速范围较大的诚，非常适合应用在汽车电子节气门中，以精确控制节气门的开度。