专利名称：电子节气门智能控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车控制领域，特别涉及一种用于准确控制汽车电子节气门开度的智能控制器。
背景技术：
汽车节气门主要是用于控制可燃混合气的流量，从而改变发动机的转速和功率以适应汽车的需要。目前国内绝大部分汽车采用传统的机械式节气门，即节气门操纵机构通过拉索(软钢丝)或者拉杆，一端联接油门踏板(加速踏板)，另一端联接节气门连动板而工作。这种机械式的节气门完全由汽车驾驶员来控制，受个人主观因素的影响较大，节气门控制精确度较低，门阀开度分辨率不高，节气门反相关断时间较长，所以节气门开度不能完全反映汽车当前对能量的需求。
汽车的牵引力控制，巡航控制以及无人驾驶等功能需求的出现，使传统的节气门不可能满足对可燃混合气体精确控制的需要。纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的发展使得传统节气门根本无法实现电能和燃油的优化利用。要满足混合电动汽车能量的优化分配，提高燃油的经济性，减少排放都需要电子节气门。但目前在国内还没有现成的电子节气门控制器，国外的电子节气门控制器也只是集成在电子控制单元(ECU)中，要提高传统汽车性能，增加汽车功能和混合电动汽车的研制，需要单独的电子节气门控制器，所以电子节气门控制器的研制迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可对混合电动汽车动进行动力切换，能量优化分配，从而提高汽车动力性之电子节气门智能控制器。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。其特征在于它是通过在与节气门相联的减速器上设置传感器，由该传感器采集的节气门位置信号通过线性隔离电路和由CAN总线来的控制信号通过CAN总线隔离电路进入中央控制器，中央控制器通过输入的CAN信号或加速踏板信号进行计算输出PWM信号，经高速隔离驱动电路送给H桥式电路，由H桥式电路控制驱动电机转动，从而控制节气门启闭。所述中央控制器内嵌A/D转换模块、PWM产生模块和CAN控制器，其中A/D转换模块与可接收加速踏板模拟信号和节气门位置反馈信号之信号处理电路和线性隔离电路相连，信号处理电路还通过电流传感电路与传感器相联。CAN控制器与可接收CAN总线信号之CAN总线隔离电路相连，PWM产生模块输出通过高速隔离驱动电路和H桥式电路与电机及减速器上传感器相联，该传感器设置于减速器盖板上，由线性电阻和接线端子组成，其线性电阻位置与减速器内固定于节气门阀轴上之扇形齿轮所设的位置传感器触点对应。所述线性隔离电路由一线性光电耦合芯片和两个运算放大器组成，两运算放大器分别接于线性光藕之输入和输出端；所述CAN隔离电路由两对史密特反相器、两片高速光电隔离芯片、一片CAN收发器和一个9针的串行接口组成，两对史密特反相器分别通过两片高速光电隔离与CAN收发器相连，该CAN收发器通过串行接口输出。
本发明通过采用智能模糊PID算法实现节气门的准确控制，通过H桥式电路实现节气门的反相快速关闭，多路硬件冗余和软件冗余算法实现节气门的可靠运行。可以接收来自其他控制器的CAN信号，也可以直接接收来自加速踏板的信号。本发明具有通用性，可用在普通燃油车中，也可用在混合动力汽车中，接口方便。
本发明采集多路节气门位置反馈信号，能根据位置反馈信号判断节气门是否出现故障；能自动进行反馈信号的取舍，选取当前最精确的反馈信号，或者运用所有反馈信号平均值。出现重大故障时关闭节气门，保证车辆安全。
本发明采用的电流反馈用于检测电机电流，通过和给定电流相比较判断电机的工作情况是否正常。
本发明现已用于混合动力汽车试验车。在混合动力汽车能源总成控制器出现故障不能通过CAN向智能节气门控制器发送控制信号时，本发明可以直接从油门踏板接收控制信号，从而保证车辆正常安全运行。
本发明为普通燃油汽车，混合动力汽车等应用领域提供了一种精确、快速和可靠的控制其节气门的手段，为提高汽车控制精度，优化能源分配，提高驾驶舒适性，节省燃油消耗，减少有害物质排放等提供了一种有效途径。
图1为节气门位置传感器电信号与节气门开度关系图；图2本发明总体结构框图；图3为本发明节气门执行机构示意图；图4为本发明中央控制器输出、输入管脚图；图5为本发明线性隔离电路图；图6为本发明CAN隔离模块电路图；图7为本发明隔离驱动电路、H桥式电路和电流传感信号处理电路图。
具体实施例方式
本发明主要是针对混合电动汽车研制的节气门控制器，有两种信号作为控制器的命令信号，其一是模拟信号，其二是CAN信号。CAN命令信号来自混合动力车控制系统，或其他的控制系统，模拟信号则直接来自汽车加速踏板。在混合电动汽车应用中，通常情况下，由混合电动车控制器发送控制信号给节气门控制器。当混合电动车控制器故障时，混合电动车的控制器不能通过CAN给节气门控制器发送命令。因此，此时混合电动车不能正常运行。混合电动车控制系统给节气门控制器发送故障信号，或汽车司机按下汽车仪表盘的切换按钮时，节气门控制器将会智能的CAN总线的信号，而直接采集加速踏板位置信号来控制节气门开度。保证混合动力汽车故障时可以作为纯燃油车正常运行。
节气门控制器总共有13路输入输出信号，分别是12V输入，12V地输入，即外部提供给节气门控制的供电电源；5V输出，5V地输出，即提供给节气门位置传感器的5V电源；两路CAN总线；电机正和电机负分别接在电机的两端，给电机提供电源。两路节气门位置反馈信号输入，用于判断节气门开度；一路电流反馈信号，检测电机电枢电流；一路模拟控制信号输入，用于接收加速踏板来的开度命令信号；一路切换信号输入，用于接收汽车仪表盘的控制信号切换命令。
如图2所示，本发明包括中央控制器11，CAN总线隔离电路，线性隔离电路，高速隔离驱动电路，H桥式电路和电流传感信号处理电路，所述中央控制器11的输入控制信号包括由CAN总线来的数字信号，也可由汽车加速踏板来的模拟信号。中央控制器11要进行一系列硬件软件冗余校验，智能模糊PID算法来执行控制策略，它采用C8051系列芯片，其芯片内嵌A/D转换模块、PWM产生模块和CAN控制器，其中A/D转换模块与可接收加速踏板模拟信号、节气门位置反馈信号和电流反馈信号之信号处理电路和线性隔离电路相连，CAN控制器与可接收CAN总线信号之CAN总线隔离电路相连，PWM产生模块输出通过高速隔离驱动电路和H桥式电路与电机及减速器相联。由CAN总线来的控制信号通过CAN总线隔离电路输入到中央控制器11中，由汽车加速踏板来的模拟控制信号，节气门位置反馈信号和电流反馈信号通过各自的信号处理和线性隔离电路输入到中央控制器11内进行A/D转换。中央控制器11通过输入的CAN信号或者加速踏板信号和各种反馈信号进行计算输出PWM信号，PWM信号经过高速隔离驱动电路送给H桥式电路，H桥式电路输出两个端子M+和M-，分别接到电机正和电机负，给电机提供电源，从而驱动电机转动，带动节气门打开和关闭。
如图3所示，本发明节气门执行机构包括12V的直流伺服电机2，节气门阀6，回位弹簧1和由传动齿轮3、中间齿轮4、扇形齿轮5组成的减速器。节气门阀6转动轴一端套有回位弹簧1，其弹簧力的方向总是朝节气门阀关闭的方向，从而保证在电机或其它故障时，关闭节气门阀，保证汽车安全。扇形齿轮5固定在节气门阀6转动轴的另一端，该扇形齿轮5通过中间齿轮4与传动齿轮3相联，传动齿轮3固于电机2输出轴上，由电机2带动转动，从而带动扇形齿轮5及节气门阀6转动轴转动。在该扇形齿轮5端面，设有位置传感器触点7，传动齿轮3、中间齿轮4及扇形齿轮5侧端设有减速器盖板10，传感器装于该盖板上，由线性电阻8和接线端子9组成，两者为一个整体，其线性电阻8位置与扇形齿轮5上位置传感器触点7对应。位置传感器触点7可与位置传感器线性电阻8接触，扇形齿轮5转动带动位置传感器触点7在位置传感器线性电阻8上滑动，从而线性的改变位置传感器的输出TPS1和TPS2的值。位置传感器TPS1和TPS2两个信号可送到中央控制器11上。接线端子9包含了所有电子节气门的电源和信号线，M-，M+连接到H桥式电路的M-和M+上。5V和5V地连接到外部的5V电源给位置传感器的线性电阻8供电。
如图4所示，本发明中央控制器11之P0和P1口各有8个管脚，其中P0配置成输出模式，输出两路PWM信号，P1配置成输入模式，输入模拟控制信号、电流反馈信号和位置反馈信号进行A/D转换，以及输入模式开关信号。CANTX和CANRX通过CAN隔离电路进行CAN信号的接收和发送。
如图5所示，线性隔离电路采用了HCNR200高性能的线性光耦13(它由一发光二极管和两个光敏二极管组成)和两个运算放大器12A、12B组成，两个运算放大器12A、12B分别接于线性光藕13之输入和输出端。模拟信号经过电阻输入到线性光藕13内，其中运算放大器12A和线性光耦13之一光敏二极管用来稳定发光二极管的光输出并且自动地调整发光二极管的电流来补偿非线性和漂移，运算放大器12A则起到稳定和线性化发光二极管光输出的作用。另一光敏二极管把发光二极管的光输出转换成另一个电流，再通过运算放大器12B把这一电流转换成电压输出，即模拟信号由AIN输入经过隔离电路从AOUT输出。
如图6所示，本发明CAN模块电路由两对史密特反相器14、两片高速光电隔离芯片U1、U2、一片CAN收发器U3和一个9针的串行接口15组成，所述两对史密特反相器14分别通过两片高速光电隔离芯片U1和U2与CAN收发器U3相连，该CAN收发器U3输出端接串行接口15。CAN控制器集成在中央控制器11内部，该控制器管脚输出CANTX和CANRX两个信号，由CAN控制器发出的数据经过史密特反相器14的电平转换，然后再送到高速光电隔离芯片U1中，经过隔离的信号送到CAN收发器U3的发送端，由该收发器将信号转换成总线信号由CAN端子输出。总线上的数据通过CAN收发器U3后，转换成数字信号经过另一片高速光电隔离U2，再由史密特反相器14进行电平转换后送到中央控制器11内。
如图7所示，本发明隔离驱动电路、H桥式电路、电流检测和信号处理电路依序连接，其中隔离驱动电路主要由史密特反相器14和光耦合驱动芯片16连接组成，中央控制器11之P0口输出的PWM信号经过史密特反相器14的电平转换，再输入到光耦合驱动芯片16上，经过隔离驱动后的PWM信号送到H桥控制MOS管的通断。H桥式电路主要由四个带有续流二极管的MOS管17组成。当1、4管导通时，电机两端加上正向电压，电机正转；当2、3管导通时，电机两端加上负向电压，电机反转。电流检测电路采用高精密低阻值电阻，把电机电枢电流转换成电压。信号处理电路主要是根据需要对模拟信号进行放大和缩小。它是由运算放大器14组成的比例器，把由电流检测电路来的低电压信号放大，信号的缩小则是通过高精密度电位器分压。
本发明的功能主要用于混合电动汽车中，配合混合电动汽车能量总成控制系统对混合电动汽车动进行动力切换，能量优化分配，提高汽车动力性，提高燃油经济性，减少有害气体排放。
当混合电动汽车在纯电动驱动时，发动机不工作，完全由电机驱动汽车，汽车油门踏板与节气门开度没有任何关系，油门踏板位置决定了驱动电机出力的大小。纯燃油驱动模式时，加速踏板的位置和节气门开度也并非是一一对应关系。混合电动汽车要求发动机尽可能工作在高效区间，电池SOC保持在某一个范围内，而电子节气门就能实现这些控制要求。当汽车要求行驶在较低速时，发动机工作在低效区，燃油经济性较差且排放较严重，这时混合电动汽车控制器给节气门控制器发送命令增加节气门开度，提高发动机转速，使发动机工作在高效区间，同时对电池充电，把多余的能量以电能的方式储存起来。如果汽车要求行驶较高速时，发动机仍然工作在低效区，这时混合电动汽车控制器给节气门控制器发送命令减少节气门开度，减少由发动机提供的驱动力输出，同时让电机加入驱动，增加汽车的驱动力。
混合动力驱动模式是指发动机和电机同时驱动汽车，这一模式主要用在汽车高速，急加速或爬坡等需要加大驱动力的工况。汽车油门踏板踏下位置很深，汽车对动力需求较大，这时混合电动汽车控制器根据加速踏板踏下的程度来确定驱动电机出力的大小，从而提高混合动力汽车的驱动性能。
本发明用在普通燃油汽车中，可提高汽车油门控制精度，增加汽车功能，提高汽车驾驶的舒适性等。如在巡航控制系统(ACC)中，电子控制单元(ECU)通过获得车速传感器传来的车速信号，根据行驶阻力的变化来自动控制节气门开度，从而保持行车速度的稳定；提高驾驶舒适性；可使燃油消耗与发动机输出功率处于最佳配合状态，既能降低燃油消耗，又可减少排气污染。
本发明的工作过程两路节气门控制信号来自混合电动汽车控制系统电子控制单元，该信号通过CAN总线送到节气门控制器。CAN信号通过CAN隔离电路再输入到中央控制器11。CAN信号范围是0x0000-0x03ff，对应的节气门开度是0-90度。节气门控制信号来自汽车加速踏板，该信号是模拟信号，幅值为0V-3V。经过模拟信号线性隔离后送到中央控制器11中进行10位A/D转换。转换成0x0000-0x03ff，同样对应的节气门开度为0-90度。即0-1024对应0-90，因此节气门开度分辨率理论上为0.087度，但根据实际情况节气门开度精确到0.2度即可满足要求。此时0-1024中每2位数字量对应节气门开度0.2度，比如现在从外部来的模拟信号经A/D转换后或CAN信号在MCU内为600，则要求此时对应节气门开度为53度。
传感器的信号是一组5V电源供电的两个线性电位器，如图3所示，这两个线性电位器的电信号(TPS1，TPS2)是互补的，即在节气门任一开度，两个传感器信号的和为一个定值4.9V。如图1所示，节气门开度为0度和开度为90度时，对应的位置传感器TPS1的电压分别为0.85V和4.05V，线性增加；位置传感器TPS2的电压分别为4.05和0.85，线性减少。
本发明用两路传感器信号作为硬件冗余，传感器信号经过信号处理电路和线性隔离电路后进入中央控制器11，经A/D转换变化成数据量，通过冗余算法则可判断传感器或执行机构故障。如果正常，则采用其中一组如TPS1作为节气门位置反馈信号，0.85对应0度，4.05对应90度，位置反馈信号经过信号处理电路和线性隔离电路后经A/D转换对应到0x0000-0x03ff上。
如果外部控制信号给定开度为53度，在中央控制器11中对应数字量为600。中央控制器11通过智能模糊PID计算得到一个PWM值，该PWM信号经过高速光电隔离驱动后送到H桥式电路中，H桥式电路不同的MOS管导通，给电机2加上不同方向的电压从而使电机2转动。电机2输出轴安装了传动齿轮3，传动齿轮3带动中间齿轮4转动，中间齿轮4是个二级齿轮，中间齿轮4的小齿轮带动扇型齿轮5转动。扇形齿轮5安装在节气门阀6的旋转轴上，从而带动节气门阀6转动，扇形齿轮5的转动同时带动了安装在扇形齿轮5上位置传感器触点7的转动。位置传感器触点6在位置传感器线性电阻8上滑动，从而导致了TPS1和TPS2电压的变化。TPS1和TPS2的电压大小反映了节气门开度大小，且是线性的。节气门打开的同时，节气门开度信号即节气门位置传感器信号经过信号处理电路和线性隔离电路被送入中央控制器11进行A/D转换。经转换后的数字大小和开度给定相比较并经过智能模糊PID算法，对输出的PWM的占空比进行调节。调节后的PWM信号又经过隔离驱动送到H桥式电路，驱动电机2正转(当开度小于给定开度命令)或反转(开度大于给定开度命令)。当节气门位置反馈信号与开度给定信号相等时，PWM输出占空比不再变化，电机2输出转矩与回位弹簧1转矩平衡(因为弹簧力始终朝向节气门关闭方向，而电机2转矩保证节气门一定的开度)，节气门开度保持稳定，从而实现了节气门开度控制。
中央控制器11对电机电流信号的采集用于系统的故障判断。将小阻值电阻串连在电机2主回路中，测量电阻两端的电压，并经过信号处理和线性隔离再送到中央控制器11中。中央控制器11通过某种计算方法来确定电流信号是否正常，如果电流信号不正常，节气门控制器则直接发送控制命令关闭节气门，保证系统安全。
权利要求
1.一种电子节气门智能控制器，其特征在于它是通过在与节气门相联的减速器上设置传感器，由该传感器采集的节气门位置信号通过线性隔离电路和由CAN总线来的控制信号通过CAN总线隔离电路进入中央控制器，中央控制器通过输入的CAN信号或加速踏板信号进行计算输出PWM信号，经高速隔离驱动电路送给H桥式电路，由H桥式电路控制驱动电机转动，从而控制节气门启闭。
2.根据权利要求1所述的电子节气门智能控制器，其特征在于所述中央控制器内嵌A/D转换模块、PWM产生模块和CAN控制器，其中A/D转换模块与可接收加速踏板模拟信号和节气门位置反馈信号之信号处理电路和线性隔离电路相连，CAN控制器与可接收CAN总线信号之CAN总线隔离电路相连，PWM产生模块输出通过高速隔离驱动电路和H桥式电路与电机及减速器上传感器相联。
3.根据权利要求2所述的电子节气门智能控制器，其特征在于信号处理电路还通过电流传感电路与传感器相联。
4.根据权利要求2或3所述的电子节气门控制器，其特征在于线性隔离电路由一线性光电耦合芯片和两个运算放大器组成，所述两个运算放大器分别接于线性光藕之输入和输出端。
5.根据权利要求2或3所述的电子节气门控制器，其特征在于CAN隔离电路由两对史密特反相器、两片高速光电隔离芯片、一片CAN收发器和一个9针的串行接口组成，所述两对史密特反相器分别通过两片高速光电隔离与CAN收发器相连，该CAN收发器通过串行接口输出。
6.根据权利要求1或2或3所述的电子节气门智能控制器，其特征在于传感器设置于减速器盖板上，由线性电阻和接线端子组成，其线性电阻位置与减速器内固定于节气门阀轴上之扇形齿轮所设的位置传感器触点对应。
全文摘要
一种电子节气门智能控制器，其特征在于它是通过在与节气门相联的减速器上设置传感器，由该传感器采集的节气门位置信号通过线性隔离电路和由CAN总线来的控制信号通过CAN总线隔离电路进入中央控制器，中央控制器通过输入的CAN信号或加速踏板信号进行计算输出PWM信号，经高速隔离驱动电路送给H桥式电路，由H桥式电路控制驱动电机转动，从而控制节气门启闭。本发明中央控制器可以接收来自其他控制器的CAN信号也可以直接接收来自加速踏板的信号，实现了节气门的准确控制，提高了运行的可靠性，为提高其控制精度，优化能源分配，节省燃油消耗等提供了一种有效途径。本发明具有通用性，可用在普通燃油车中，也可用在混合动力汽车中，接口方便。
文档编号F02D41/00GK1563690SQ200410022999
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月19日 优先权日2004年3月19日
发明者王耀南, 陈华, 陈洁平, 夏阳, 杨辉前, 张健, 曹松波, 莫晓齐 申请人:湖南大学