硬件双闭环PI的执行器喷油控制电路

硬件双闭环PI的执行器喷油控制电路

仲磊

南京威孚金宁有限公司 江苏南京210000

摘要：

为了解决我们柴油发动系统执行器喷油控制稳定性不足的问题，我们设计了一款基于硬件双闭环PI的执行器喷油控制电路，主要采用MICROCHIP的MCP4921用来实现D/A采集，MICROCHIP的MCP622E用来实现的三角波发生电路的产生以及双闭环PI电路的实现；NXP的74HC1G02GV与INFINEON的（MOS管）IPD50N06S2L配合以实现执行器的动作；同时NXP的MCU(S912XEP100BMAG)用来输出一定频率的方波信号以及输出信号的D/A采集，以FRESCALE的MC7805为其供电，相互配合实现对执行器的控制。

关键词：双闭环，硬件PID，三角波发生电路，执行器控制

正文：

此方案分为如下模块：电源模块、D/A采集模块、三角波发生模块、双闭环PI模块、驱动控制模块等。通过单片机给出执行器目标位置命令码，通过位置反馈进行硬件PID控制驱动执行器动作，硬件PID相对于软件PID而言，响应速度更快，能够快速响应位置变化，提高系统的瞬态响应及抗干扰性能。

设计部分如下：

一、电源模块

1， 电源电路以ON公司的LDO稳压器MC7805为核心。芯片选择TO-263封装形式。输入电压VI范围是5~24V，输出电压为5±0.2V。其最高输出电流可达到2A。

图1，电源模块

输入端加D1保证外端的冲击电流不会对后续电路造成损坏。D2与D3是为了防止电流反向流动，因为电流较大，可能超过2A，所以选用SMC封装。稳压器MC7805正常工作时，输入端电压为12V，输出电压为5V。输出电压给逻辑芯片及运放供电。

二、三角波发生电路

   三角波发生电路，用于与执行器输出信号比较进而控制MOS管通断进而控制执行器的动作。

本电路MICROCHIP的MCP622E芯片，其GAIN BANDWIDTH PRODUCT为20MHz，工作温度范围为-40℃~125℃，工作电压范围为2.5V~5.5V。

图2，三角波控制模块

T12为单片机给定一定频率的方波，通过低通滤波后，通过反向放大

输出三角波。

    通过低通滤波频率表达式可知；

f=1/2ЛRC;

得到使得比方波频率低的频率通过。在实际应用中，可灵活调节R10，R11，R12，C27，C28，C29，C30等值，可灵活设置低通滤波器的参数。

三、双闭环PI电路

     双闭环PI电路，用于当执行器受到外界干扰时，反馈信号能迅速与给定值作比较使得控制驱动模块动作进而达到执行器瞬间稳定的目的。

PI调节器主要分为比例环节和积分环节：

1．比例环节 即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当增加到一定程度，系统会变得不稳定。

2．积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数，越大，积分作用越弱，反之越强。通常在不变的情况下，越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。

具体输入输出表达式如下：

u(t) = Kp*e(t) + Ki∑e(t) +u0

u(t)——输出

Kp——比例放大系数

Ki——积分放大系数

e(t)——误差

u0——控制量基准值（基础偏差）

设计的前级PI传递函数为：

硬件PID和软件PID逻辑一致，只是脱离MCU运算，MCU只需要发出目标指令给到硬件电路，硬件电路需用运放进行搭建双环PID电路，实现执行部件的控制。具体设计如下：

                              图3，双闭环控制模块

其中执行器位置闭环作为外环，给定值为D/A芯片的输出作为执行器的目标。执行器位置反馈作为反馈量，反馈至外环运放的负极。为了保证给定值与反馈值尽量保证1：1的输入电阻。外环运放的正极，给定1/2VCC确保调节范围尽量的宽，不至于调节量e(t)马上到轨，第二级运放正极的给定值为第一级运放的输出。电流反馈采用三级管反馈至第二级运放的负极。通过PID调节后后调制成PWM信号给到驱动电路的控制端。

整个硬件PID调试的难点在于阻容值对应的PI参数的确认。由于被控对象本身存在散差，需要保证一组PID参数，可以满足不同负载，不同偏差的要求。实验室通过调节第二级运放的分压电阻来提高驱动电路的驱动能力，确保硬件闭环的驱动电路可以驱动满足一定散差的负载。

于此同时，为了保证在稳态情况下无散差。需确保给定值与反馈值相对于运放输入的阻抗相当。只有这样才能保证反馈值能够跟随上目标给定值。运放输入正极也可以使用电压参考芯片，来提高系统的精度。

四、D/A采集模块

  D/A采集模块用于将系统所需的目标值通过D/A芯片转换成执行器目标位置电压值。选用microchip的芯片MCP4921，MCP4921是12bit的芯片，轨到轨输出 。MCP4921将单片机SPI命令字转换成模拟量输出。作为执行器输入给定至双闭环电路的输入端口。具体电路如下：

图4，D/A信号采集模块

通过SPI接口发送命令字给MCP4921，MCP0_Vout可以输出给定值的模拟量，控制电路根据给定值实时调节执行器位置，进行闭环控制。

5、执行器驱动电路

执行器驱动电路的作用主要是根据硬件PID输出与三角波调制后的驱动来去驱动执行器。具体电路如下：

图5、驱动电路

其中，YLCTRL为单片机控制管脚（预留），DRV为硬件PI控制电路输出，当PI电路比较输出控制信号给到驱动电路时，执行器按照给定占空比信号进行动作，完成闭环操作。

其中AD8210用于采集执行器驱动电路电流，用于做OBD判断用，当采集到的电流大于等于2倍的正常工作电流，报对电源短路故障。当采集到的电流基本为0（标定小于等于100mA）报开路或者对地短路故障。通过硬件电路搭建，满足系统保护及诊断的功能。

五，PCB设计

在PCB设计时，充分考虑执行器驱动对信号采集的影响，在PCB布局时，将驱动电路与采集电路分开，采用不同的地平面，地平面用磁珠隔开，减少驱动电路对采集电路的影响；

电流采样电路采用差分走线的方式，减少共模干扰 。

在与MCU控制板的连接线分布中，信号线边上必须要有地线相邻，尽量优化EMC性能。

六，系统测试：

硬件闭环，软件闭环对比：

在实验室台架进行一致性测试，20个硬件闭环ECU发动机在怠速点可以做到±7rpm，而20个软件闭环发动机在怠速点±15rpm。从数据上来看，硬件闭环的效果优于软件闭环。可应用于对转速波动严格的场合，例如发电机组或三缸机应用。

表1，硬件闭环与软件闭环控制转速波动对比表

硬件闭环一致性测试：

在实验室进行硬件一致性测试，硬件芯片MCP4921的8块硬件闭环的一致性数据如下：

图6，DA芯片输出散差统计

目标给定值（DA输出）一致性良好，偏差最大10mV；

同步测试执行器位置反馈值，位置反馈返回数据如下：

图7，执行器反馈电压一致性统计

执行器位置反馈，硬件一致性控制在10mV以内。（满足系统对电控精度的要求）。

四、小结

本电路是在电控分配泵控制电路的基础上更改而来，相比较原有电路，主要更改点在于由以往的软件PI控制算法更改为硬件PI电路，这样做有如下好处：

1，可以减少MCU的计算量，降低MCU的负荷；对MCU的响应速度要求可以降低；

2，运放搭建电路比逻辑芯片价格便宜，有一定的成本竞争优势；

3，针对不同系统负载要求，可通过更改PI参数形式，可满足大批量生产要求。

4，纯硬件PI控制执行器效果较好，对瞬态阶跃响应有很好的应答。

5，在一些特定场合，例如需满足GBT2820.5-2009 G2标准或者三缸机的应用，发电机组，挖机等对瞬态响应高的场景，硬件闭环在实时响应及抗干扰方面有着优异的表现。

基于此，可考虑在后续生产中引入此种电路用于控制执行部件，提高执行器部件控制的及时性。也为后续同类型产品控制的选择上多了一个设计方向，未来针对电磁阀的控制，若实时性要求不高，可以优先考虑软件闭环方式实现，若在特定场合，则硬件闭环将会是主流的一种控制方式。

参考文献：

[1]灰色PID控制在木材干燥控制系统中的应用[J]. 周正,梁春英.  东北林业大学学报. 2019(02) 

[2]基于PID算法的塑料挤出机温度控制系统研究[J]. 李月英,齐仁龙.  合成树脂及塑料. 2016(06) 

[3]ZigBee技术在PID控制器参数整定中的应用研究[J]. 刘贤锋,王茗倩,王景胜.  工矿自动化. 2016(12) 

[4]自适应神经模糊推理结合PID控制的并联机器人控制方法[J]. 梁娟,赵开新,陈伟.  计算机应用研究. 2016(12) 

[5]转炉自动化中的PID技术研究[J]. 陈珂,李娟娟.  山东工业技术. 2017(01) 

[6]基于模糊神经网络PID的开关磁阻电机控制系统研究[J]. 陆朱卫,黄其新.  机电工程. 2017(01) 

[7]基于免疫反馈机制的模糊PID永磁直线同步电动机控制研究[J]. 刘红钊,崔明月,刘伟,张今歌.  南阳师范学院学报. 2016(12) 

[8]无刷直流电动机转速模糊PID控制系统仿真[J]. 仉月仙.  电气应用. 2016(24) 

[9]改进粒子群算法优化PID的冶金电气控制研究[J]. 姚伟鹏.  中国锰业. 2016(06) 

[10]基于遗传算法优化PID控制器参数的环境测试舱温湿度控制[J]. 李树江,赵晨,苏锡辉,王向东.  南京理工大学学报. 2017(04)