一種發動機電子油門控制器的制作方法

專利名稱：一種發動機電子油門控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制器，特別涉及一種發動機電子油門控制器，屬動力機械油門控制 技術領域。
(二)
背景技術：
工程機械長期處于惡劣的工作環境并且反復大負荷作業,其工程作業部分一般采用液 壓驅動,即發動機拖動電控液壓泵站,負載由電控的各種閥門或手動閥門來控制,驅動馬達或 液壓缸等執行機構作旋轉或直線運動。驅動馬達或液壓缸的運動速度,受兩個方面的控制，
一是用閥門開口大小來決定運動速度,控制范圍小，主要作為位置控制，控制精度為主要指標; 二是由泵的排量大小決定各個驅動馬達或液壓缸的運動速度,以達到控制整個系統速度的 目的。因此,工程機械行業一般在操作時，操作者往往希望采用操縱一只手柄通過自動控制 系統完全實現，即通過電動油門控制器自動控制實現。由于工程機械設備的工作時間長、 變化頻繁、變化范圍小,因此對電動油門的要求嚴,既要精度高,又要使用壽命長。這種油門 控制器與其它油門控制器相比具有發動機速度反饋、自動調節供油量、運行平穩、效率高、 結構緊讀、操作方便等優點。
目前，國際上一些知名柴油發動機廠家采用ECU電子控制技術來控制發動機的噴油量 和轉速,它的優點是燃油量可根據負載的大小自動調節，發動機的轉速升降加速度得到最佳 匹配控制、轉速的控制取消了傳統的軟軸而使得機械結構簡化。缺點是價格昂貴,特別是對
于工程機械來說,由于他們的電子控制單元(ECU)軟件保密,控制方式和參數無法修改來適
應工程機械的特殊需要，因此在國內僅有少量使用。
因此，研究采用柴油發動機電動控制油門取代ECU電子控制技術來控制發動機，以完
成對發動機噴油量的自動控制變得尤為重要。本發明就是針對柴油發動機而設計的一款油 門控制器，該控制器可以同時滿足位置和排量兩方面的控制要求。同時，控制器還增加了 故障檢測處理等功能，提高了設備的可靠性和安全性。

發明內容
1、目的本發明的目的是提供一種發動機電子油門控制器，它克服了現有技術的不足，
3取代了 ECU電子控制器在工程機械方面的應用，多方面的滿足了工程機械設備的特殊要求。
2、技術方案本發明為一種發動機電子油門控制器，它是由中央處理器，控制局域
網(CAN)總線通信電路，脈沖寬度調制(PWM)信號增強電路，金屬氧化物半導體型場效 應管(M0S)管驅動電路，頻率信號檢測電路，A/D轉換電路，掉電保護電路，油門閥選擇 電路組成。
所述中央處理器，是自帶PWM功能的飛利浦單片機P89V51RD2FN。
所述CAN總線通信電路，包括CAN總線控制器、C認總線隔離電路以及CAN總線收發 器；該CAN總線控制器是AN82527，它通過CAN總線隔離電路與CAN收發器相連，實現CAN 總線通信，提高總線的抗干擾能力；該CAN總線隔離電路是由兩片光耦隔離芯片6N137組 成，其中一片的輸入信號引腳與CAN總線控制器輸出信號引腳相連，輸出信號引腳與CAN 收發器的輸入信號引腳相連，另外一片的輸入信號引腳與CAN收發器輸出信號引腳相連， 輸出信號引腳與CAN總線控制器的輸入信號引腳相連；該C緒總線收發器是PCA82C250， 通過芯片的CANH和CANL兩個引腳，直接與CAN總線連接；本控制器既可以通過CAN總線 在線修改油門怠速值、油門最大值以及控制精度等數值，也可以通過控制器上的油門怠速 和最大位置電阻來設置油門的位置門限。本控制器可以在線修改ID號及波特率，以滿足 不同節點及不同通信波特率的要求，可以實現多個油門閥的同步控制。
所述P麗信號增強電路，是由反相器74HC04和驅動器MC1413組成；反相器74HC04 輸入引腳與中央處理器的PWM波信號輸出引腳相連，其輸出引腳與驅動器MC1413的輸入 引腳相連；驅動器MC1413輸出引腳與M0S管驅動器的輸入引腳相連；該電路用于放大P觀 波信號的電流，以便驅動MOS管驅動器。
所述MOS管驅動電路，主要由M0S管專門驅動芯片MC34152組成；其信號輸入引腳與 驅動器MC1413的輸出引腳相連，信號輸出引腳直接與MOS管相連，用于控制MOS管的通 斷。
所述頻率信號檢測處理電路，包括頻率信號調理電路和頻率信號檢測電路。頻率信號 調理電路由運算放大器LF412和比較器LM311組成；運算放大器LF412的輸入引腳與外部 接線端子的頻率信號輸入引腳相連，其輸出引腳與比較器LM311的輸入引腳相連；比較器 LM311的輸出引腳與檢測電路的輸入引腳相連；該電路用于將頻率信號調整為便于檢測的 信號，并保證前后電路出現故障時不相互影響。頻率信號檢測電路由分頻器CD4040和撥 碼開關組成，分頻器CD4040的輸入引腳與比較器LM311的輸出引腳相連，其輸出引腳與 撥碼開關輸入引腳相連；撥碼開關的輸出引腳與中央處理器P89V51RD2FN的信號檢測引腳相連；該比較電路用于降低頻率信號的頻率以滿足高頻信號檢測的需要。
所述A/D轉換電路，是由MAX197組成；該A/D轉換電路的輸入分別與腳踏板、怠速
油門位置控制電阻、最大油門位置控制電阻及位置傳感器的輸出相連，通過信號調理后輸
入A/D轉換,獲取電壓值。
所述掉電保護電路，采用一個掉電數據不丟失的芯片X5045實現，用于存儲控制器的
ID號、波特率、控制精度、怠速位置、最大位置等。控制器上電時，自動讀取內容，并發
送上電信息，油門閥回復怠速位置。修改控制器基本信息，自動更新并存儲新信息。控制
器掉電時，信息不丟失。同時在程序中含有一個X5045工作是否正常的檢測程序，當數據
不正常或X5045損壞時，系統自動配置成默認狀態。
所述油門閥選擇電路，由二選一的開關和控制方向的繼電器組成；該開關的一路輸出
信號與擺桿式油門閥相連，另一路與繼電器相連，用于選擇油門閥的類型和實現油門閥控
制方式的選擇。
本發明通過設計一個兼容擺桿式和位置式兩種不同用途油門閥控制的控制器，以達到 滿足工程機械中位置控制和流量控制的目的。擺桿式控制時，通過接收腳踏板的信號或CAN 總線上的控制命令，控制P觀波的輸出，即MOS管的導通狀態，然后根據檢測到的發動機 的轉速與目標轉速的差值調整P^1波的占空比，實現油門的精確控制；位置式油門閥控制 時，控制器通過檢測腳踏板的信號或接收CAN總線上的控制命令后，獲取所需油門的大小， 然后，通過檢測當前油門閥所處的位置，并比較兩者的差異，通過繼電器控制油門閥電機 的轉向，P麗波控制油門閥電機的轉速，從而達到油門的精確控制。本發明兩種控制方式 可選，既可以由其他控制器通過CAN總線向油門控制器發送控制命令實現油門大小控制， 也可以將腳踏板直接接在油門控制器上，由控制器根據踏板的位置，控制油門的大小。油 門的控制算法為比例-積分-微控制器(PID)與棒棒控制相結合的控制算法。在位置式油門 閥的控制中，根據接收的命令，控制油門的大小，建立油門目標值與PWM占空比的關系， 通過PID算法和棒棒算法，實現油門的精確控制；在擺桿式油門控制中，根據接收的命令， 控制電機的轉速，建立電機轉速反饋與PWM占空比的指令關系，通過PID算法，調節占空 比的大小，控制電機轉速，從而達到控制油門大小的目的。
本發明具有通信中斷檢測處理，A/D斷線檢測處理，電機堵轉處理等故障處理功能。 通信中斷檢測采用心跳檢測實現，正常情況下，上位控制器每lOnis向油門閥控制器發一 次命令，油門控制器接收命令后，回復一個應答信號。如果超過200ms雙方都沒有收到數 據，則代表通信出現問題，模塊轉為直接采集控制板上的腳踏板信號，對油門閥進行控制，
5并發出通信中斷警報。A/D斷線檢測為檢測位置傳感器的輸入是否正常，由于工程機械所處 環境惡劣，控制器通常都處于振動環境中，因此，對A/D線進行檢測是必要的。實現的方 法是在其輸入端并接一個非常大的電阻，如果AD線出現斷線，則AD轉換值就一直保持零 狀態。油門閥上電，自動回復到怠速狀態，因此，正常情況下，AD在零點的時間很短。如 果AD轉換值超過一定時間仍處于零的狀態，則說明AD斷線，控制器發出警報。在實際應 用中，油門閥由于標定等的問題，在伸出或縮回過程中，會出現堵轉現象，此時，電機的 電流會急速增大，因此在對電機進行保護的基礎上，還要進行堵轉處理。本發明為檢測流 過電機的電流值，當電流超過一定值時，電機反轉，并發出堵轉警報。 本發明的軟件實現如圖2所示。 3、優點及效果
本發明為一種發動機電子油門控制器，它的優點是兼容擺桿式和位置式兩種不同用途 油門閥的控制；具有CAN總線通信功能，可以實現多個油門閥的同步控制；可以實現在線 修改ID、波特率、油門怠速位置和油門最大位置；兩種控制方式可選，既可以由其他控制 器通過CAN總線向油門控制器發送控制命令實現油門大小控制，也可以將腳踏板直接接在 油門控制器上，由控制器根據腳踏板的位置，控制油門的大小，并具有掉電保護、通信檢 測處理、AD斷線檢測處理、堵轉檢測處理等功能。
本發明的一種發動機電子油門控制器，可以滿足大部分工程機械的發動機油門控制需 求。目前，該電子油門控制器已經應用于一些工程機械中，運行穩定，并已取得了良好的 經濟效益。
(四)


圖l發動機電動油門控制器原理示意圖 圖2程序流程示意圖
圖中符號說明如下
1中央處理器；2CAN總線通信電路；3P觀信號增強電路；4M0S管驅動電路；5頻 率信號檢測電路；6 A/D轉換電路；7掉電保護電路；8油門閥選擇電路；
(五)
具體實施例方式
本發明是一種發動機電子油門控制器，它主要用于工程機械車輛上。如圖1所示，本 發明主要由以下幾個部分組成中央處理器l， CAN總線通信電路2， P麗信號增強電路3， M0S管驅動電路4，頻率信號檢測電路5， A/D轉換電路6，掉電保護電路7，油門閥選擇
6電路8。
所述中央處理器1，是自帶PWM功能的飛利浦單片機P89V51RD2FN。
所述CAN總線通信電路2，包括CAN總線控制器，CAN總線隔離電路以及CAN總線收 發器；該CAN總線控制器是AN82527，它通過CAN總線隔離電路與CAN收發器相連，實現 CAN總線通信，提高總線的抗干擾能力；該C緒總線隔離電路是由兩片光耦隔離芯片6N137 組成，其中一片的輸入信號引腳與CAN總線控制器輸出信號引腳相連，輸出信號引腳與CAN 收發器的輸入信號引腳相連，另外一片的輸入信號引腳與CAN收發器輸出信號引腳相連， 輸出信號引腳與C認總線控制器的輸入信號引腳相連；該CAN總線收發器是PCA82C250, 通過芯片的CANH和CANL兩個引腳，直接與C認總線連接；本控制器既可以通過CAN總線 在線修改油門怠速值、油門最大值以及控制精度等數值，也可以通過控制器上的油門怠速 和最大位置電阻來設置油門的位置門限。本控制器可以在線修改ID號及波特率，以滿足 不同節點及不同通信波特率的要求，可以實現多個油門閥的同步控制。
所述PWM信號增強電路3，是由反相器74HC04和驅動器MC1413組成；反相器74HC04 輸入引腳與中央處理器的PWM波信號輸出引腳相連，其輸出引腳與驅動器MC1413的輸入 引腳相連；驅動器MC1413輸出引腳與M0S管驅動器的輸入引腳相連；該電路用于放大PWM 波信號的電流，以便驅動MOS管驅動器。
所述MOS管驅動電路4，主要由MOS管專門驅動芯片MC34152組成；其信號輸入引腳 與驅動器MC1413的輸出引腳相連，信號輸出引腳直接與MOS管相連，用于控制MOS管的 通斷。
所述頻率信號檢測處理電路5，包括頻率信號調理電路和頻率信號檢測電路。頻率信 號調理電路由運算放大器LF412和比較器LM311組成；運算放大器LF412的輸入引腳與外 部接線端子的頻率信號輸入引腳相連，其輸出引腳與比較器LM311的輸入引腳相連；比較 器LM311的輸出引腳與檢測電路的輸入引腳相連；該電路用于將頻率信號調整為便于檢測 的信號，并保證前后電路出現故障時不相互影響。頻率信號檢測電路由分頻器CD4040和 撥碼開關組成，分頻器CD4040的輸入引腳與比較器LM311的輸出引腳相連，其輸出引腳 與撥碼開關輸入引腳相連；撥碼開關的輸出引腳與中央處理器P89V51RD2FN的信號檢測引 腳相連；該比較電路用于降低頻率信號的頻率以滿足高頻信號檢測的需要。
所述A/D轉換電路6，是由MAX197組成；該A/D轉換電路的輸入分別與腳踏板、怠速 油門位置控制電阻、最大油門位置控制電阻及位置傳感器的輸出相連，通過信號調理后輸 入A/D轉換，獲取電壓值。所述掉電保護電路7，采用一個掉電數據不丟失的芯片X5045實現，用于存儲控制器 的ID號、波特率、控制精度、怠速位置、最大位置等。控制器上電時，自動讀取內容， 并發送上電信息，油門閥回復怠速位置。修改控制器基本信息，自動更新并存儲新信息。 控制器掉電時，信息不丟失。同時在程序中含有一個X5045工作是否正常的檢測程序，當 數據不正常或X5045損壞時，系統自動配置成默認狀態。
所述油門閥選擇電路8，由二選一的開關和控制方向的繼電器組成；該開關的一路輸 出信號與擺桿式油門閥相連，另一路與繼電器相連，用于選擇油門閥的類型和實現油門閥 控制方式的選擇。
油門閥控制器有10個輸入輸出信號24V電源輸入，24V地輸入，即整個系統的電源 輸入；AD輸入，即位置式油門位置輸入；頻率輸入，接擺桿式油門閥所控制的電機轉速測 量傳感，用于測量電機的轉速；電機正負端接口，即位置式油門閥的電源線，用于與油門 閥8b相連；CANH和CANL，即CAN總線的高低信號線；5V電源輸出，5V地輸出，該信號 為位置式油門閥傳感器提供電源。
油門閥控制器有5個電源轉換模塊模塊一，24V轉土12V，用于給頻率檢測所用的放 大器供電；模塊二， 24V轉15V，用于給MOS管驅動芯片供電；模塊三，24V轉不隔離5V， 用于給中央處理器、AD芯片、比較器及CAN控制器供電；模塊四，24V轉隔離普通5V，用 于給光耦隔離電路及CAN收發器供電，提高通信的抗干擾能力；模塊五，24V轉隔離精密 5V電源，用于給腳踏板、位置式油門閥傳感器、怠速電阻和最大位置電阻供電，以提高精 度。
本發明的軟件實現如圖2，具體實施過程上電初始化CAN總線ID號，波特率，怠速 位置，高速位置，控制精度等，并將油門打開至怠速位置。然后進入控制方式檢測階段， 如果處于關閉油門狀態，則油門關閉；如果油門處于通信控制狀態，則根據CAN總線上接 收到的數據進行控制；如果自控控制，則進入自動各類數據，并進入自動控制過程狀態。 通信控制狀態下，當采用擺桿式油門閥時，通過CAN總線或腳踏板獲取電機應有的轉速， 脈沖信號傳感器采集電機轉動時產生的脈沖反饋信號，反饋頻率分三擋，可根據電機的齒 輪齒數選擇，信號經過調理、比較、分頻之后送中央處理器。信號頻率檢測出來后，根據 電機齒輪的齒數及分配情況還原實際的電機轉速。建立指令與反饋轉速之間的比例關系， 控制PWM的占空比，從而實現油門的大小控制，即電機的轉速控制；當采用位置式油門閥 時，通過CAN總線或腳踏板獲取油門的位置信號，通過油門閥的位置傳感器獲取油門的位 置，建立指令與位置之間的對應關系，控制電磁繼電器實現電機的正反向轉動控制，控制PWM占空比實現伸縮的快慢控制，從而是油門大小的精確控制。在自動控制狀態下，首先 檢測腳踏板位置，然后獲取油門閥的位置或電機轉速，計算后，獲取命令信號與現有信號 的差值，若腳踏板命令信號比反饋值大，則控制油門閥伸出或增大PWM的占空比；若腳踏 板命令信號小于反饋值，則控制油門閥縮回或減小PWM的站空比；若腳踏板命令信號與反
饋信號在誤差范圍內，則停止位置式油門閥的伸縮或保持擺桿式油門閥PWM占空比不變。
本發明采用PID與BangBang相結合的控制算法。在位置式油門閥的控制中，根據接 收的命令，控制油門的大小，建立油門目標值與PWM占空比的關系，通過PID算法和 BANGBANG算法，實現油門的精確控制；在擺桿式油門控制中，根據接收的命令，控制電機 的轉速，建立電機轉速反饋與Pmi占空比的指令關系，通過PID算法，調節占空比的大小， 控制電機轉速，從而控制油門的大小。
本發明具有通信中斷檢測處理，正常時，每10ms油門閥控制器會收一次命令，并回 復應答信號。如果超過200ms雙方都沒有收到數據，則代表通信出現問題，模塊轉為直接 采集控制板上的腳踏板信號，對油門閥進行控制，并發出通信中斷警報。
本發明包含AD斷線檢測，目的為檢測位置傳感器的輸入是否正常。其輸入端并接一 個非常大的電阻，如果AD線出現斷線，則AD轉換值就一直保持零狀態。油門閥上電，即 回復到怠速狀態，因此，正常情況下，AD在零點的時間很短。如果AD轉換值超過一定時 間仍處于零的狀態，則說明AD斷線，控制器發出警報。
本發明具有堵轉處理功能，由于標定等的問題，位置式油門在伸出或縮回過程中，會 出現堵轉現象，此時，電機的電流會急速增大，因此在對電機進行保護的基礎上，還要進 行堵轉處理。本發明為檢測流過電機的電流值，當電流超過一定值時，電機反轉，并發出 堵轉警報。
9
權利要求
1.一種發動機電子油門控制器，其特征包括該控制器是由中央處理器，控制局域網總線通信電路，脈沖寬度調制信號增強電路，金屬氧化物半導體型場效應管管驅動電路，頻率信號檢測電路，A/D轉換電路，掉電保護電路，油門閥選擇電路組成；所述中央處理器，是自帶PWM功能的飛利浦單片機P89V51RD2FN；所述CAN總線通信電路，包括CAN總線控制器、CAN總線隔離電路以及CAN總線收發器；該CAN總線控制器是AN82527，它通過CAN總線隔離電路與CAN收發器相連，實現CAN總線通信，提高總線的抗干擾能力；該CAN總線隔離電路是由兩片光耦隔離芯片6N137組成，其中一片的輸入信號引腳與CAN總線控制器輸出信號引腳相連，輸出信號引腳與CAN收發器的輸入信號引腳相連，另外一片的輸入信號引腳與CAN收發器輸出信號引腳相連，輸出信號引腳與CAN總線控制器的輸入信號引腳相連；該CAN總線收發器是PCA82C250，通過芯片的CANH和CANL兩個引腳，直接與CAN總線連接；所述PWM信號增強電路，是由反相器74HC04和驅動器MC1413組成；反相器74HC04輸入引腳與中央處理器的PWM波信號輸出引腳相連，其輸出引腳與驅動器MC1413的輸入引腳相連；驅動器MC1413輸出引腳與MOS管驅動器的輸入引腳相連；所述MOS管驅動電路，主要由MOS管專門驅動芯片MC34152組成；其信號輸入引腳與驅動器MC1413的輸出引腳相連，信號輸出引腳直接與MOS管相連；所述頻率信號檢測處理電路，包括頻率信號調理電路和頻率信號檢測電路；頻率信號調理電路由運算放大器LF412和比較器LM311組成；運算放大器LF412的輸入引腳與外部接線端子的頻率信號輸入引腳相連，其輸出引腳與比較器LM311的輸入引腳相連；比較器LM311的輸出引腳與檢測電路的輸入引腳相連；頻率信號檢測電路由分頻器CD4040和撥碼開關組成，分頻器CD4040的輸入引腳與比較器LM311的輸出引腳相連，其輸出引腳與撥碼開關輸入引腳相連；撥碼開關的輸出引腳與中央處理器P89V51RD2FN的信號檢測引腳相連；所述A/D轉換電路，是由MAX197組成；該A/D轉換電路的輸入分別與腳踏板、怠速油門位置控制電阻、最大油門位置控制電阻及位置傳感器的輸出相連，通過信號調理后輸入A/D轉換；所述掉電保護電路，采用一個掉電數據不丟失的芯片X5045實現；所述油門閥選擇電路，由二選一的開關和控制方向的繼電器組成；該開關的一路輸出信號與擺桿式油門閥相連，另一路與繼電器相連。
全文摘要
本發明為一種發動機電子油門控制器，它是由中央處理器，控制局域網(CAN)總線通信電路，脈沖寬度調制(PWM)信號增強電路，金屬氧化物半導體型場效應管(MOS)管驅動電路，頻率信號檢測電路，A/D轉換電路，掉電保護電路，油門閥選擇電路組成。它的特點是兼容擺桿式和位置式兩種不同用途油門閥的控制，可以實現在線修改ID、波特率、油門怠速位置和油門最大位置，同時，它還具有掉電保護、通信檢測處理、AD斷線檢測處理、堵轉檢測處理等功能。它取代了ECU電子控制器在工程機械方面的應用，多方面的滿足了工程機械設備的特殊要求，具有顯著的經濟效益和良好的應用前景。
文檔編號F02D11/10GK101493049SQ20091007904
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月4日 優先權日2009年3月4日
發明者弘 呂, 袁海文, 黃姣英 申請人:北京航空航天大學