2.4.2　脉宽驱动函数

(1)脉宽驱动的概念

脉宽调制驱动(PWM)其实用的也是开关量输出口,这种输出口具有如下特点:

① 有高电平(1)和低电平(0)两种输出状态;

② 有一定的负载能力;

③ 可以在两种输出状态间做较快速的切换。

其中第③项要求有别于普通的开关量输出口,是PWM输出口特有的功能要求。PWM输出口电平可以快速切换,并能通过软件控制。先确定一个固定的转换频率,常采用0.1~10kHz。对于机械部件的驱动,选定转换频率主要取决于受驱动对象的运动惯性,较小的惯性应使用较高的频率。然后根据称作占空比的参数来对输出的有效电平做调整。占空比是指在输出波形中有电流输出时的电平在所有时间段中所占的比例。在中小型电控柴油机上,一般在PWM驱动控制时选用12V的输出高电平值。很容易说明,输出电平频率不变时,输出的有效电压与占空比成正比,当占空比由0%变化到100%时,有效电压将由OV变为12V。

PWM驱动的功能很大程度地替代了以前使用的数模转换器输出驱动。对比数模转换器,PWM方式既容易实现又有较好的应用效果,因此得到了广泛应用。

(2)脉宽驱动的实现

PWM驱动的功能在ECU中是最常用的输出功能之一。在ECU底层也有对应的操作功能函数。

在我们的实例中,底层资源里有四个用于PWM输出驱动的资源,包括硬件接口和底层函数,输出高电平都是12V。底层函数的说明为:

　　PWM OUT?函数的功能是对其相关的输出口的输出状态做设置,使其以SPS占空比输出PWM信号。运行这一函数后,对应输出口状态会维持在设定的输出状态持续工作,除非用新的占空比再次运行这一函数,输出状态不会改变。

目前在中小型电控柴油机上的主要PWM驱动对象如下:

① 电控分配泵的供油量控制。通过对PWM的占空比的调节,可使旋转电磁铁旋转角度改变,实现对滑套位置的调整。上节提到过,由于对分配泵油量调节的控制有较高的精度要求,因此常设置单独的函数来实现。

② 废气再循环(EGR)阀的控制。由于柴油机的排气温度较高,因此一般采用真空调节式EGR阀。使用这种EGR阀,ECU的控制对象其实是一个真空阀。通过对真空阀开度的控制,调整EGR阀真空腔的真空度,从而控制了EGR阀的开度。

③ 高压共轨泵的比例电磁阀控制。这种电磁阀存在于大连新风集团生产的高压共轨系统中,是一种较新型的控制系统。它被用于自低压油路向高压燃油泵供油的油路中,通过对比例电磁铁的PWM控制,实现对燃油泵供油量的控制,从而实现对轨压的调整和控制。

④ 电控分配泵供油提前角控制。电控分配泵的供油提前角是依靠一个泄油电磁阀来实现控制的。在稳态运行时,这个电磁阀的开度越大,供油提前角就会越小。对于此电磁阀的开度控制也是通过PWM驱动来实现的。当PWM输出的占空比增加时,电磁阀的开度增加,电控分配泵的供油提前角随之变小。

⑤ 可调喷嘴环(VNT)的控制。这种系统目前在国内应用还不多,但被认为是一种很有前途的部件。对这种设备的控制也是通过PWM方式实现的。

通过PWM方式的控制方法,无论是控制旋转电磁铁、比例电磁铁还是真空电磁阀,都会由于一些原因(如磁滞作用、气流波动等)造成驱动强度与控制效果的关系偏差,也就是说,一定的驱动强度并不严格对应着某一驱动效果。实际应用中为了解决这一问题,实现受控对象位置的较精确定位,一般都在受控对象上装有位移传感器。

利用传感器对受控对象的位移值做监测,并通过PID反馈控制,实现对位移量的较准确控制。目前在实际的中小型电控柴油机中,一般只用得到上述的一种或两种PWM驱动。随着对电控柴油机性能控制要求的提高,可能会有多种控制要求同时提出。例如:用新风集团电控高压共轨系统配置柴油机,需同时设置轨压调整比例电磁阀控制、EGR控制、VNT控制。这就需要有三种PWM驱动功能在工作。较熟练地掌握PWM控制的运用方法,有助于实现对这些新型电控柴油机部件的综合运用,可以较大地提升柴油机的工作品质。

(3)脉宽驱动的实例——控制EGR阀

为实现对EGR的控制,必须完成以下步骤:

① 连接好控制EGR的导线。如图2⁃18所示,从EGR阀上的位置传感器引出ECU信号传入ECU的模拟量输入口;从ECU引出控制线连接EGR真空阀控制端口。

② 设置EGR位置传感器的输入任务。对于EGR位置传感器的输入采用扩展的第1个模拟信号输入通道。任务号为51,任务名为 AIT_In1。可以与其他模拟量输入任务同时启动本任务,也可以选择另外的时机启动本任务。

如果采用前一种方法,则可在以前的程序中增加内容:

　　③ EGR位置采样值处理。执行采样函数 AIT_In1()后,得到两个全局变量A_In1_D和A_Inl_S,其中A_In1_D是EGR位置采样值的数字量,而 A_In1_S获得这一数值量对应的输入电压值。我们采用输入电压值来实现处理。先要定义一个EGR开度与EGR采样值换算的脉谱 EGRPosi。与其他模拟量采样换算脉谱一样,这一脉谱是一维的,对应于输入量的取值,给出对应的EGR开度。如果有条件,这一脉谱应通过试验标定,形成稳态下与流量成比例的开度数据。在扩展函数 AIT_In1_Sub中加入语句:

　　通过这一步的程序制作可实现EGR阀开度的动态测量。

④ 实现对EGR阀的控制。设我们利用第1个PWM驱动通道来进行EGR驱动,输出函数为 PWM_OUT1。这一函数的说明为:

　　函数功能为:对EGR控制输出口给出占空比为SPS的PWM驱动脉冲。由于前面提到过的磁滞作用等原因,一定占空比的PWM驱动脉冲无法获得固定的EGR开度,这会使对EGR阀的定量控制难以实现。因此,实际使用EGR阀时都采用PID控制的方式来实现对EGR阀的定量控制。这里要用到函数:

　　这一函数是通过PID位置控制来实现对EGR阀的定位。针对这一函数的使用,需要定义一全局数组变量 EGR_PID_Array[ ]。它的定义如下:

int_A_EGR_PID_Array [4]

这一数组四个元素的作用分别为:

A_EGR_PID_Array[0]——PID比例项系数;

A_EGR_PID_Array[1]——PID积分项系数;

A_EGR_PID_Array[2]——上次目标偏差;

A_EGR_PID_Array[3]——上次PWM占空比。

对于PID比例项系数和PID积分项系数,可以作为常数来调整;也可以设置专门的脉谱,在函数中通过调用脉谱来确定。在此采用第一种方式,在函数中将PID比例项系数和PID积分项系数作为常数来对待。第二种方式在以后的实例中也有涉及。EGR阀位置的PID调节函数的定义如下。

　　关于EGR阀位置PID调节函数的使用,要注意以下问题:

a. EGR阀位置采样。EGR阀位置采样与其他模拟量采样的方法基本相同。但其采样值与EGR阀实际开度值的对应关系,对于不同型号的EGR阀产品可能不同。EGR阀当前开度一般是指其当前流通截面与最大流通截面的比值。在同一工况下,EGR阀流量主要取决于EGR开度(即通道截面积)。由于不同的EGR阀结构不同,其开度值与几何升程的关系也不同,但大体应是二次曲线的关系。EGR阀位置采样是根据其升程值采样,采样后通过脉谱换算获得其开度。这不仅是为了避免复杂计算,而且是由于即使得到了精确的开度值,也并不意味着开度值能精确地对应EGR流量。因此,这一脉谱的标定最好是通过专门的试验来实现。通过实际流量值,来标定对应的“开度值”,即使这一“开度值”与几何意义上的开度值有所不同,我们仍能通过使用标定后的脉谱实现对EGR阀的较精确控制。

b.函数调用。基于离散化的PID调整原理,EGR阀位置PID调节函数只能采用定时设置的方式。在 RTI_Sub()中设置定时控制机制,考虑到EGR阀的响应速度,PID调整周期不宜过短,一般不应低于50ms。

c.任务设置。在以上EGR阀PID控制中直接调用了EGR阀控制函数 PWM_OUT1,这固然也可以。但这种直接调用任务的方式不易多用,因为会对系统的实时工作造成影响,例如造成更紧急的处理任务滞后。也可以设置一项任务并在此将任务激活,由任务管理系统来统一安排任务的执行,但这对满足PID任务执行的等间隔要求,会因为本任务在队列中的等待而有一定影响。我们实际使用的结果证明:采用任务执行的方式,能够得到满意的使用效果。