基于DSP的电子节气门控制器的研制

文章编号:1007-144X(2003)05-0000 - 00

基于DSP的电子节气门控制器的研制

尹叶丹,程昌银,全书海

(武汉理工大学自动化学院,湖北,武汉430070)

摘要:节气门是车用发动机一个十分重要的装置,是影响发动机性能的关键部件。针对新型电子节气门的特点,设计了一套基于TMS320LF2407 DSP的带CAN总线的电子控制单元,该控制单元可方便地与车辆中其他ECU组成分布式控制系统。运行结果表明该控制器具有设计合理、性能稳定、抗干扰能力强、可靠性高等优点。

关键词:电子节气门;DSP;CAN总线;控制算法

中图法分类号:TP271.5 文献标识码:A

1前言

节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性并减少排放污染,世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气门及其相应的电子控制系统,组成电子节气门控制系统(ETCS)。由于ETCS的优越性,目前,世界上越来越多的大型汽车制造公司开始采用ETCS。传统机械式节气门面临着被电子节气门所取代的趋势。本设计是混合动力电动轿车控制系统的一个ECU单元。该控制系统是基于CAN总线的分布式控制系统。

2 系统组成

由于CAN总线技术在信号传输一系列优点[1],本系统也采用了CAN总线通信技术。节气门的开度给定信号由上位机通过CAN总线传送。电子节气门控制系统是一个典型的位置反馈系统。当系统给定为0V时,电机停在0度的位置,即完全关闭;当为5V的时候,迅速转到90度的位置停下,即完全打开;当输入给定从5V调整为2.5V时,电机能迅速从90度转到45度的位置并停下。本设计的系统总体框图见下图1:

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3 DSP与CAN系统设计

在系统设计中,我们选取德州仪器(TI)公司最近推出的一款面向电机控制领域的高性能定点DSP TMS320LF2407 [2] 作为系统的控制核心。该芯片集成了本系统所需要的A/D转换

收稿日期:2003-02-21

作者简介:尹叶丹(1979-),男,湖北荆门人,武汉理工大学自动化学院硕士研究生

基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(2001AA501213)

模块,PWM脉宽调制通道和CAN总线通讯模块以及多路IO输出。并且它还具有体积小,速度快的优点。

3.1 DSP控制单元

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DSP控制单元结构图见图2。

节气门开度给定信号是通过

CAN总线由上位机传出,被本系

统DSP中的CAN控制器接收。节

气门位置反馈是一个模拟的电压

信号,因为TMS320LF2407 DSP

自带有模数转换模块,所以反馈信

号可以直接接到DSP的一路A/D引脚,当然需给DSP的A/D模块供电,并为转换提供基准参考电压。给定与反馈在DSP中经过一定的算法最终转化为占空比变化的PWM脉宽调制信号输出。为了调试方便,我们需为DSP扩展一个外部程序RAM。另外由于DSP的驱动能力有限,并且其工作电压为3.3V,所以其引脚输出或接收的一些信号包括CAN发送,CAN接收和IO口输出的信号都需经过缓冲和电平转换,才能与TTL的5V信号相接[3]。在本设计中,缓冲和电平转化由74HC245芯片一并完成,该芯片采用3.3V供电。

3.2 CAN总线接口电路

CAN总线采用的双绞线,两根线分别为CAN高和CAN低。图中的PCA82C250芯片就是驱动DSP的CAN控制器与物理总线间的接口,它是专用的CAN驱动芯片,提供对总线的差动发送和接收功能。它完成CANH,CANL和CAN发送,CAN接收之间的信号转换。82C250工作电压为5V。CAN总线终端的匹配电阻选用典型值为120欧。为了增强CAN通信的抗干扰能力,在缓冲器和CAN

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驱动之间,我们设计了光电隔离电

路。采用的是高速光隔芯片6N137,

输入与输出的供电电压也都采用

5V。另外,为了避免电源引起的干

扰,CAN通信部分采用单独的

DC-DC电源模块供电。电路结构如

图3所示:

3.3 软件设计

在本系统的软件程序流程中,存在两个中断。一个是主控ECU(CAN上位机)每隔20ms 发出的数据引起本系统节气门ECU的中断,通过中断,从CAN总线上取出本系统中所需的数据并计算所要求的开度给定电压,更新该给定变量。另一个是本系统定时器周期到而引起的中断,在该中断服务程序中,进行控制算法,包括采样节气门位置反馈电压,智能PI 控制算法,然后更新PWM比较寄存器,通过调节PWM占空比调节节气门开度。在程序中PWM脉宽调制信号的周期设为200μs,即频率5kHz。

CAN控制器的配置:

在一个由CAN组成的分布式系统中,很多节点不断的向CAN总线发送不同的信号。所以我们必须屏蔽掉本系统不需要的信号。在CAN协议中,每一个节点都被分配固定的ID 号。当一组信号过来,CAN接收程序首先判断该信号的ID来源,如果是所需要的,则接收。CAN控制器配置具体指令如下:

LDP #DP_CANMBX

SPLK #0DAFEH, MSGID0H ;设置邮箱0的控制字及ID; IDE=1,AME=1,AAM=0

SPLK #0101H, MSGID0L ;设置邮箱0所接收节点的ID(低位)

SPLK #08H, MSGCTRL0 ;位RTR=0表示数据帧

SPLK #0000H, MBX0A ;接收邮箱0信息初始化

SPLK #0000H, MBX0B

SPLK #0000H, MBX0C

SPLK #0000H, MBX0D

LDP #DP_CANCTL

SPLK #0480H,MCR ;正常模式DBO=1,ABO=1,STM=0

SPLK #0001H,MDER ;ME3=1,MBXA发送,ME2=1接收,邮箱2,3使能

SPLK #0100H,CAN_IMR ;邮箱MBX0中断使能,高中断优先级

SPLK #0FFFFH,CAN_IFR ;清CAN模块的全部中断标志

CLRC INTM ;开总中断

RET ;返回

在上面的程序中设置了本系统的CAN控制器只接收ID标志为DAFE0101的节点发来的信息。

智能PI算法:

为了加快系统的的响应速度,我们采用了经过改进的智能PI控制算法。

If 偏差VE>0.5V ,then PWM比较值=173(最大值90%的占空比)

If 偏差VE>-0.5V ,then PWM比较值=19 (最小值10%的占空比)

Else U=U_last+ x0*(VE-VE_last)1+ x1*VE

If U>5V, then U=5V

If U<-5V,then U=-5V

PWM比较值=U*15.4+96

比例系数x0过大,抖动比较明显;积分系数x1过大,会出现振荡。故对于PI调节器的比例积分系数的选择需要在实验中反复调试,从而找出最佳的比例与积分系数。最后,通过控制算法得出的PWM比较值去改变DSP输出的PWM信号的占空比,由此来调节节气门的开度。

4 驱动控制电路

驱动电路部分包括死区控制,MOS管驱动电路和H桥功率输出三个部分。

4.1 死区控制单元

因为采用的是由4个MOS管组成的H全桥进行功率输出,所以必须考虑防止同一桥臂上下管同时导通。为此,我们设计了硬件死区控制电路,在保证同一桥臂的上(下)管已经完全关闭后,下(上)管才能开通。死区控制电路如下图4所示,由DSP过来的PWM信号在经过U10A后被分成高低电平完全相反的两路。对第一路信号,通过电容C27充电使该PWM脉宽调制信号波形由低电平上升到高电平的时刻被延迟,而由于二极管D4快速放电,保证高电平变低电平的时间不受到影

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响。第二路信号同理。因此使得PWM1

(PWM2)信号在由高电平变低后必须经过

T的死区时间后,PWM2(PWM1)才由低电

平变为高电平。死区时间T可由R,C组成

的一阶电路的零状态响应公式:

-

Ucτ-

=,τ=R C计算求得。在实

)

Us

1(e t

验中,我们选取R=2k,C=0.01μF,最终测得

产生的死区时间为8μs。

4.2 MOS管驱动单元

既然采用4个MOS管组成的H桥功率输出,就必须对各个MOS管提供驱动。我们采用自举式MOS管专用驱动芯片IR2110,通过自举产生所需的多个地端,从而解决MOS管不共地的问题。该芯片的采用,大大简化了驱动电路。

IR2110芯片是一种适于功率MOSFET,IGBT驱动的自举式集成电路。它在电源变换,马达调速等功率驱动领域获得了越来越多的应用。其主要原因是,该电路芯片集成度高(可驱动同一桥臂两路),响应快,偏值电压高(<600V),驱动能力强,内部设欠压封锁。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电,使得所需的驱动电源路数目较其他IC驱动大大减小。但IR2110使用不当,尤其是自举电容选择不好,易于造成芯片损坏或不能正常工作。一般来说,PWM开关频率高,电容应选小;占空比调节范围较大,特别是高占空比时,电容应选小,否则在有限的时间内无法达到自举电压。关于该芯片内部具体的工作原理[4],本文不

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做详细介绍。

图5是本系统中的驱动电路。

PWM1和PWM2是由死区单元过

来的信号,在经过IR2110以后,

被分成四组(对应各自地端)分

别去驱动后面的四个MOS管。这

四组信号分别为(OUT1,GND1)、

(OUT2,GND0)、(OUT3,

GND3)、(OUT4,GND0),其中

OUT1,OUT3由自举产生。图中

的C21,C22为自举电容,在本系

统中,PWM开关频率为5kHZ,

占空比从10%到90%,变化范围

较大,自举电容C21,C22选取

0.1μF,工作良好。

4.3 H桥功率输出

驱动节气门电机的H型电路由4个MOSFET组成。MOSFET器件选用的是IRF530。因为MOS管通常在漏级与源级间存在有极间电容,能够积累一定的电荷,故在其关断后需要对其迅速放电。所以必须在每个MOS管的漏级与源级之间加上续流二极管。通过H桥电路,当PWM信号占空比大于50%时,节气门电机中对应电机正转;小于50%时,流过电

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机的电流方向相反,对应电机反转;当占空比等于50%时,

节气门稳定在某个角度不动。

5 结束语

系统的阶跃响应见图6。测得节气门从0度转到90

度的响应时间为100ms。发动机台架试验表明该控制器具

有性能稳定、抗干扰能力强、可靠性高等优点,取得了十

分满意的控制效果。故该节气门控制器在电动汽车和混合

动力电动汽车中具有很高的应用价值。

参考文献:

[1]钨宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.

[2]刘和平.TMS320C24x DSP结构、原理及应用[M]. 北京航空航天大学出版社,2002.

[3]张雄伟,曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2000.

[4]马瑞卿,刘卫国.自举式IR2110集成电路的特殊应用[J].电力电子技术,2000(1):31-33.

Dev e lop of Electronic Throttle Control Unit based on DSP

YIN Ye-dan,CHENG Chang-yin,QUAN Shu-hai

Abstract:Throttle is one of important devices of the engine in automobile, which is the key part that affects the function of engine. According to the characteristics of new type electronic throttle (ET), ECU(electronic control unit) is put forward. The ECU is based on TMS320LF2407 DSP and CAN BUS. And by CAN BUS interface, it is convenient for building up a distributed control system with other ECUs of the vehicle. By the experiment, the ECU is proved with excellent stability, strong anti-jamming and high reliability. It showed the design is reasonable .

Key words:electronic throttle (ET); DSP; CAN BUS; Control arithmetic

YIN Y e-dan:Postgraduate, School of Automation, WHUT, Wuhan 430070, China .

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