2.4.2　脈寬驅動函數

(1)脈寬驅動的概念

脈寬調制驅動(PWM)其實用的也是開關量輸出口,這種輸出口具有如下特點:

① 有高電平(1)和低電平(0)兩種輸出狀態;

② 有一定的負載能力;

③ 可以在兩種輸出狀態間做較快速的切換。

其中第③項要求有別于普通的開關量輸出口,是PWM輸出口特有的功能要求。PWM輸出口電平可以快速切換,并能通過軟件控制。先確定一個固定的轉換頻率,常采用0.1~10kHz。對于機械部件的驅動,選定轉換頻率主要取決于受驅動對象的運動慣性,較小的慣性應使用較高的頻率。然后根據稱作占空比的參數來對輸出的有效電平做調整。占空比是指在輸出波形中有電流輸出時的電平在所有時間段中所占的比例。在中小型電控柴油機上,一般在PWM驅動控制時選用12V的輸出高電平值。很容易說明,輸出電平頻率不變時,輸出的有效電壓與占空比成正比,當占空比由0%變化到100%時,有效電壓將由OV變為12V。

PWM驅動的功能很大程度地替代了以前使用的數模轉換器輸出驅動。對比數模轉換器,PWM方式既容易實現又有較好的應用效果,因此得到了廣泛應用。

(2)脈寬驅動的實現

PWM驅動的功能在ECU中是最常用的輸出功能之一。在ECU底層也有對應的操作功能函數。

在我們的實例中,底層資源里有四個用于PWM輸出驅動的資源,包括硬件接口和底層函數,輸出高電平都是12V。底層函數的說明為:

　　PWM OUT?函數的功能是對其相關的輸出口的輸出狀態做設置,使其以SPS占空比輸出PWM信號。運行這一函數后,對應輸出口狀態會維持在設定的輸出狀態持續工作,除非用新的占空比再次運行這一函數,輸出狀態不會改變。

目前在中小型電控柴油機上的主要PWM驅動對象如下:

① 電控分配泵的供油量控制。通過對PWM的占空比的調節,可使旋轉電磁鐵旋轉角度改變,實現對滑套位置的調整。上節提到過,由于對分配泵油量調節的控制有較高的精度要求,因此常設置單獨的函數來實現。

② 廢氣再循環(EGR)閥的控制。由于柴油機的排氣溫度較高,因此一般采用真空調節式EGR閥。使用這種EGR閥,ECU的控制對象其實是一個真空閥。通過對真空閥開度的控制,調整EGR閥真空腔的真空度,從而控制了EGR閥的開度。

③ 高壓共軌泵的比例電磁閥控制。這種電磁閥存在于大連新風集團生產的高壓共軌系統中,是一種較新型的控制系統。它被用于自低壓油路向高壓燃油泵供油的油路中,通過對比例電磁鐵的PWM控制,實現對燃油泵供油量的控制,從而實現對軌壓的調整和控制。

④ 電控分配泵供油提前角控制。電控分配泵的供油提前角是依靠一個泄油電磁閥來實現控制的。在穩態運行時,這個電磁閥的開度越大,供油提前角就會越小。對于此電磁閥的開度控制也是通過PWM驅動來實現的。當PWM輸出的占空比增加時,電磁閥的開度增加,電控分配泵的供油提前角隨之變小。

⑤ 可調噴嘴環(VNT)的控制。這種系統目前在國內應用還不多,但被認為是一種很有前途的部件。對這種設備的控制也是通過PWM方式實現的。

通過PWM方式的控制方法,無論是控制旋轉電磁鐵、比例電磁鐵還是真空電磁閥,都會由于一些原因(如磁滯作用、氣流波動等)造成驅動強度與控制效果的關系偏差,也就是說,一定的驅動強度并不嚴格對應著某一驅動效果。實際應用中為了解決這一問題,實現受控對象位置的較精確定位,一般都在受控對象上裝有位移傳感器。

利用傳感器對受控對象的位移值做監測,并通過PID反饋控制,實現對位移量的較準確控制。目前在實際的中小型電控柴油機中,一般只用得到上述的一種或兩種PWM驅動。隨著對電控柴油機性能控制要求的提高,可能會有多種控制要求同時提出。例如:用新風集團電控高壓共軌系統配置柴油機,需同時設置軌壓調整比例電磁閥控制、EGR控制、VNT控制。這就需要有三種PWM驅動功能在工作。較熟練地掌握PWM控制的運用方法,有助于實現對這些新型電控柴油機部件的綜合運用,可以較大地提升柴油機的工作品質。

(3)脈寬驅動的實例——控制EGR閥

為實現對EGR的控制,必須完成以下步驟:

① 連接好控制EGR的導線。如圖2?18所示,從EGR閥上的位置傳感器引出ECU信號傳入ECU的模擬量輸入口;從ECU引出控制線連接EGR真空閥控制端口。

② 設置EGR位置傳感器的輸入任務。對于EGR位置傳感器的輸入采用擴展的第1個模擬信號輸入通道。任務號為51,任務名為 AIT_In1。可以與其他模擬量輸入任務同時啟動本任務,也可以選擇另外的時機啟動本任務。

如果采用前一種方法,則可在以前的程序中增加內容:

　　③ EGR位置采樣值處理。執行采樣函數 AIT_In1()后,得到兩個全局變量A_In1_D和A_Inl_S,其中A_In1_D是EGR位置采樣值的數字量,而 A_In1_S獲得這一數值量對應的輸入電壓值。我們采用輸入電壓值來實現處理。先要定義一個EGR開度與EGR采樣值換算的脈譜 EGRPosi。與其他模擬量采樣換算脈譜一樣,這一脈譜是一維的,對應于輸入量的取值,給出對應的EGR開度。如果有條件,這一脈譜應通過試驗標定,形成穩態下與流量成比例的開度數據。在擴展函數 AIT_In1_Sub中加入語句:

　　通過這一步的程序制作可實現EGR閥開度的動態測量。

④ 實現對EGR閥的控制。設我們利用第1個PWM驅動通道來進行EGR驅動,輸出函數為 PWM_OUT1。這一函數的說明為:

　　函數功能為:對EGR控制輸出口給出占空比為SPS的PWM驅動脈沖。由于前面提到過的磁滯作用等原因,一定占空比的PWM驅動脈沖無法獲得固定的EGR開度,這會使對EGR閥的定量控制難以實現。因此,實際使用EGR閥時都采用PID控制的方式來實現對EGR閥的定量控制。這里要用到函數:

　　這一函數是通過PID位置控制來實現對EGR閥的定位。針對這一函數的使用,需要定義一全局數組變量 EGR_PID_Array[?]。它的定義如下:

int_A_EGR_PID_Array [4]

這一數組四個元素的作用分別為:

A_EGR_PID_Array[0]——PID比例項系數;

A_EGR_PID_Array[1]——PID積分項系數;

A_EGR_PID_Array[2]——上次目標偏差;

A_EGR_PID_Array[3]——上次PWM占空比。

對于PID比例項系數和PID積分項系數,可以作為常數來調整;也可以設置專門的脈譜,在函數中通過調用脈譜來確定。在此采用第一種方式,在函數中將PID比例項系數和PID積分項系數作為常數來對待。第二種方式在以后的實例中也有涉及。EGR閥位置的PID調節函數的定義如下。

　　關于EGR閥位置PID調節函數的使用,要注意以下問題:

a. EGR閥位置采樣。EGR閥位置采樣與其他模擬量采樣的方法基本相同。但其采樣值與EGR閥實際開度值的對應關系,對于不同型號的EGR閥產品可能不同。EGR閥當前開度一般是指其當前流通截面與最大流通截面的比值。在同一工況下,EGR閥流量主要取決于EGR開度(即通道截面積)。由于不同的EGR閥結構不同,其開度值與幾何升程的關系也不同,但大體應是二次曲線的關系。EGR閥位置采樣是根據其升程值采樣,采樣后通過脈譜換算獲得其開度。這不僅是為了避免復雜計算,而且是由于即使得到了精確的開度值,也并不意味著開度值能精確地對應EGR流量。因此,這一脈譜的標定最好是通過專門的試驗來實現。通過實際流量值,來標定對應的“開度值”,即使這一“開度值”與幾何意義上的開度值有所不同,我們仍能通過使用標定后的脈譜實現對EGR閥的較精確控制。

b.函數調用。基于離散化的PID調整原理,EGR閥位置PID調節函數只能采用定時設置的方式。在 RTI_Sub()中設置定時控制機制,考慮到EGR閥的響應速度,PID調整周期不宜過短,一般不應低于50ms。

c.任務設置。在以上EGR閥PID控制中直接調用了EGR閥控制函數 PWM_OUT1,這固然也可以。但這種直接調用任務的方式不易多用,因為會對系統的實時工作造成影響,例如造成更緊急的處理任務滯后。也可以設置一項任務并在此將任務激活,由任務管理系統來統一安排任務的執行,但這對滿足PID任務執行的等間隔要求,會因為本任務在隊列中的等待而有一定影響。我們實際使用的結果證明:采用任務執行的方式,能夠得到滿意的使用效果。