机电体化在汽车中的应用毕业论文

1、沈阳工业大学继续教育大学 毕业设计论文 专业： 班级： 学生姓名： 指导教师： 论文（设计）题目：机电一体化技术在汽车中的应用于发展摘要 1 关键词 .1正文： 第一章前言 第二章汽车用传感器在汽车中的应用2.1 发动机控制用传感器在汽车中的应用2.2 非发动机用传感器在汽车中的应用2.2.1 车速传感器在汽车中的应用（1）磁电式车速传感器在汽车中的应用（2）霍尔式车速传感器在汽车中的应用2.2.2 车内、车外空气温度传感器识别与检测在汽车中的应用 第三章电子控制防爆死系统在汽车中的应用3.1 轮速传感器在汽车中的应用3.2 压力调节器在汽车中的应用3.3 电子控制装置在汽车中的应用1 / 1

2、8第四章机电一体化技术在汽车中的发展趋势4.1 机电一体化概述4.1.1 机电一体化设计的关键技术4.1.2 精密机械技术4.1.3 信息处理技术4.1.4 检测与传感器技术4.1.5 自动控制技术4.1.6 伺服驱动技术4.1.7 系统总体技术4.2 汽车机电一体化技术的发展状况4.3 机电一体化的应用4.3.1 发动机微机控制系统4.3.2 汽车激光雷达自动防撞微机控制系统4.3.3 电子控制4.3.4 ABS 系统5.1 发展反方向5.1.1 柔性化方向5.1.2 智能化方向5.1.3 仿生物系统化方向5.1.4 微型化方向 第五章结论 摘要： 关键词： 正文： 第一章 前言2 / 18

3、第二章 汽车用传感器在汽车中的应用2.1 发动机控制用传感器在汽车中的应用 传感器技术是汽车的机电一体化最重要的一环。 现代汽车发动机已实现用微 机系统控制，各种传感器的并用使汽车更容易被控制。表 2-l 汽车用传感器及其检测对象项目检测量及检测对象：温度、冷却水、排出气体 （催化剂） 、吸入空 气、发动机油、室外 （内） 空气等压力吸气压（ 计示压力、绝对压力 ） 、大气压、燃烧压、发动机油压、 制动压、种种泵压、轮胎压转数与速度曲轴转角、曲轴转数、车轮速度、发动机速度、车速加速度负加速度流量吸入空气量、燃料流量、排气再循环装置、二次空气量液量燃料、冷却水、电池液、洗窗器液、发动机油、制动油

4、位移方位节流阀开口度、排气再循环阀升降度、车高 （悬置、位移 ）、行驶 距离、行驶方位排出气体2、CO、NOx、碳氢化合物、集油烟其他转矩、爆震、料酒精成分、湿度、玻璃结霜、鉴别饮酒和睡眠状 态、电池、电压、电池储能多寡、灯泡断线、荷重、冲击物、轮 胎失效率发动机控制用传感器的精度多以表示。 这个数值必须在各种不同条件下 满足燃料经济性指标和排气污染指标规定的控制， 活塞式发动机基本上就是控制 曲轴的转角位置。 利用传感器可测出曲轴转角位置， 计算点火提前角， 并用微机 计算出发动机转速， 其信号以时序脉冲形式输出。 燃料供给信号可以用两种方法 获得。一种是直接测量空气的质量流量； 另一种是检

5、测曲轴位置， 再由歧气管绝 对压力 （MAP）和温度计算出每个汽缸的空气量。燃料控制环路多采用第二种方法3 / 18 或采用测量空气质量流量的方法。因此 MAP传感器和空气质量流量传感器都是重 要的汽车传感器。 MAP传感器有膜盘线性差动变换传感器、 电容盒 MAP传感器和硅 膜压力传感器、空气流量传感器等。离子迁移式、热丝式、叶片式传感器是真正 的空气质量流量计。 涡流式、祸轮式是测量空气流速的， 需把它换算成质量流量。 为算出恰当的点火时刻， 需要检测曲轴转角指示脉冲、 发动机转速和发动机负荷 三个参量。其中，发动机负荷可用歧气管负压换算。 在美国的发动机控制系统中， 虽然前两个参量均用曲

6、轴转角位置传感器测量， 但控制环路的组成方法不同。 有 的系统直接测量歧气管负压，有的系统用类似 MAP传感器的传感器测量环境空气 压力(AAP)，用减法算出歧气管负压。后者可用准确的环境空气压力完成海拔高 度修宽的空燃比范围内的工作， 因而并不要求计算化学当量。 由于汽车要便于对 燃料供给和废气再循环 (EGR)环路进行微调，所以在点火环路中，歧气管负排气 标准的确定， 需从根本上改进发动机的工作状况。 为此，很多汽车采用了一种三 元催化系统三元催化剂。 只有废气比例较小时， 才能有效地净化 HC、CO和NOx。 所以，发动机必须正确计算化学当量的 7范围内的工作。带催化剂的发动机可 看作气

7、体发生器。 按要求需在燃料供给环路中加装氧环路， 这一环路的关键传感 器是氧传感器。 它可以检测废气中是否存在过剩的氧气。 氧化锆氧传感器和二氧 化钛氧传感器可以完成此项工作。 为了确定发动机的初始条件或随时进行状态修 正，还需使用一些其他传感器， 如空气温度和冷却水温度传感器等。 最新式的汽 车中，不少还安装了爆震传感器， 是由于涡轮增压发动机在中间或高负荷状态下 振动较大。过去的火花点火发动机是在很从而带来许多问题， 安装爆震传感器后， 当振动超过某一限度时，就自动推迟点火时间，直至振动减弱到要求范围为止。 即发动机在无激烈振动时提前点火，从而找出最佳超前量。2.2 非发动机用汽车传感器在

8、汽车中的应用为了提高汽车的安全、 可靠、 操纵方便及舒适性， 还采用了非发动机用传感 器，如表 2-2 所示。工业自动化领域的各类传感器直接或稍加改进，即可作为汽 车非发动机用传感器使用。表2-2非发动机用汽车传感器项目传感器防打滑的制动器对地速度传感器，车辆转速传感器4 / 18液压转向装量车速传感器，油压传感器速度自动控制系统车速传感器，加速踏板位置传感器轮胎压力传感器自动空调车内温度传感器，吸气温度传感器亮度自动控制光传感器电子式驾驶车速传感器，气流连度传感器自动门锁系统磁传感器2.2.1 车速传感器在汽车中的应用车速传感器检测电控汽车的车速， 控制电脑用这个输入信号来控制发动机怠速，自

9、动变速器的变扭器锁止， 自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。 车速 传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是霍尔式数字信号或者是光电式数字信 号，车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内， 车速传感器信号线通常装在屏蔽的外套 内，这是为了消除有高压电火线及车载电话或其他电子设备产生的电磁及射频干扰， 用于保 证电子通讯不产生中断， 防止造成驾驶性能变差或其他问题， 在汽车上磁电式及光电式传感 器是应用最多的两种车速传感器， 在欧洲、 北美和亚洲的各种汽车上比较广泛采用磁电式传 感器来进行车速 （VSS）、曲轴转角 （CKP）和凸轮轴转角 （CMP） 的控制， 同时还

10、可以用它来感受 其它转动部位的速度和位置信号等，例如压缩机离合器等。（1）磁电式车速成传感器在汽车中的应用 磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器，它们产生交变电流信号， 通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端 子，当由铁质制成的环状翼轮 （有时称为磁组轮 ）转动经过传感器时， 线圈里将产 生交流电压信号。磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。输出 信号的振幅 （峰对峰电压 ）与磁组轮的转速成正比 （车速） ，信号的频率大小表现于 磁组轮的转速大小。 传感器磁芯与磁组轮间的气隙大小对传感器的输入信号的幅 度影响极大，如果在磁组轮上去掉一个或

11、多个齿就可以产生同步脉冲来确定上止5 / 18 点的位置。这会引起输出信号频率的改变， 而在齿减少时输出信号幅度也会改变， 发动机控制电脑或点火模块正是靠这个同步脉冲信号来确定触发电火时间或燃 油喷射时刻的。测试步骤可以将系统驱动轮顶起，来模拟行驶时的条件，也可以将汽车示波器的测 试线加长，在行驶中进行测试。波形结果车轮转动后，波形信号在示波器显示中心处的零伏平线上开始上下跳动， 并随着车速的提高跳动越来越高。 波形显示与例子十分相似， 这个波形是在大约 30 英里/ 小时的速度下记录的，它又不像交流信号波形，车速传感器产生的波形 与曲轴和凸轮轴传感器的波形的形状特征是十分相似的。通常，波形在

12、零伏线上下的跳变是非常对称的，车速传感器的信号的振幅 随车速增加。速度越快波形幅值就越高，而且车速增加，波形频率也将增加，示 波器将显示有较多的波形震荡。确定振幅、频率和形状等关键的尺度是正确的、可重复的、有规则的、可 预测的。 这是指波峰的幅值正常， 两脉冲间的时间不变， 形状是不变的且可预测 的，尖峰高低不平是因传感器的磁芯与磁组轮相碰所引起的， 这可能是有传感器 的轴衬或传动部件不圆造成的，尖峰丢失是损坏缺点的磁组轮造成的。不同型式的传感器，其波形的峰值电压和形状有轻微的差异，另外由于传 感器内部是一个线圈， 所以故障是与温度有关的， 在大多数情况下波形会变得短 很多，变形也很大，同时还

13、可能设定故障码 （DTC），故障在示波器上显示的摇动 线束，这可以更进一步确定磁电式传感器是造成故障的根本原因， 车速传感器信 号输出最常见的故障是根本不产生信号，但如果驾驶汽车时波形是齐直的直线， 那么应该先检查示波器和传感器的连线， 确定电路有没有对地搭铁， 确认零部件 能否转动 （ 塑料齿轮有没有咬死等 ）确认传感器气隙是否正常，然后再断定传感 器。（2）霍尔式车速传感器在汽车中的应用霍尔效应传感器 4 （开关）在汽车应用中是十分特殊的，这主要是由于变 速器周围空间位置冲突， 霍尔效应传感器是固体传感器， 它们主要应用在曲轴转 / 18 角和凸轮轴位置上， 用于开关点火和燃油喷射电路触发

14、， 它还应用在其它需要控 制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。霍尔效应传感器或开关，由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部 分的磁路组成， 一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙， 在叶片转子上的 窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器， 而没有窗口的部分则中断 磁场，因此， 叶片转子窗口的作用是开关磁场， 使霍尔效应象开关一样地打开或 关闭，这就是一些汽车厂商将霍尔效应传感器和其它类似电子设备称为霍尔开关 的原因，该组件实际上是一个开关设备， 而它的关键功能部件是霍尔效应传感器。测试步骤将驱动轮顶起模拟行使状态，也可以将汽车示波测试线加长进行行驶的 测试。波形结果当车轮开始转动

15、时，霍尔效应传感器开始产生一连串的信号，脉冲的个 数将随着车速增加而增加， 与图例相像， 这是大约 30英里/小时记录的， 车速传 感器的脉冲信号频率将随车速的增加而增加， 但位置的占空比在任何速度下保持 恒定不变。车速传感器越高，在示波器上的波形脉冲也就越多。确认从一个脉冲到另一个脉冲的幅度，频率和形状是一致的，这就是说 幅度够大通常等于传感器的供电电压， 两脉冲间隔一致， 形状一致， 且与预期的 相同。确定波形的频率与车速同步， 并且占空比决无变化， 还要观察如下内容： 观察波形的一致性，检查波形顶部和底部尖角。观察幅度的一致性：波形高度应相等，因为给传感器的供电电压是不变 的。有些实例表

16、明波形底部或顶部有缺口或不规则。这里关键是波形的稳定性不变，若波形对地电位过高，则说明电阻过大 或传感器接地不良。观察由行驶性能问题的产生和故障码出现而诱发的波形异常，这样可以 确定与顾客反映的故障或行驶性能故障产生的根本原因直接有关信号问题。7 / 18虽然霍尔效应传感器一般设计能在高至 150温度下运行，但它们的工 作仍然会受到温度的影响，许多霍尔效应传感器在一定的温度下（冷或热 ）会失效。如果示波器显示波形不正常，检查被干扰的线或连接不良的线束，检查 示波器和连线，并确定有关部件转动正常 （ 如：输出轴、传感器转轴等 ） 。当示波器显示故障时， 摇动线束， 这可以提供进一步判断， 以确认

17、霍尔效应 传感器是否是故障的根源。2.2.2 车内、外空气温度传感器识别与检测在汽车中的应用识别车内、外空气温度传感器 4 用于测量车内、车外的空气温度，为汽车空调控 制系统工作温度的控制提供信息。 车内、外空气温度传感器用负温度系数热敏电 阻制成。当车外空气温度发生变化时，传感器的电阻值发生变化，温度升高时， 电阻值减小；温度降低时，电阻值增大。车外空气温度传感器与车内空气温度传感器在空调系统中与电位计串联， 当 车外空气温度变化时， 车外空气温度传感器的电阻值也随之发生变化， 这时，空 调控制系统起动空调压缩机运转， 保持车内温度恒定在设定范围。 车外空气温度 传感器一般安装在汽车前部。检

18、测空调器控制器总成内、 外空气温度信息控制空调器的工作， 室内温度不能保 持恒定时空调系统发生故障， 这时应检查车内、 外空气温度传感器， 判断工作状 况。雷克萨斯 LS400 轿车车内、外空气温度传感器的检查内容如下。（1）车内空气温度传感器的检查：拆下仪表板下连接板，拔下传感器连接 器接头，用万用表测量传感器连接器接头端子 1 和 2 之间的电阻。（2）车外空气温度传感器的检查：拆下汽车散热器护栅，拔下传感器连接 器接头，用万用表测量传感器连接器接头端子 1 和 2 之间的电阻。8 / 18第三章电子控制防抱死制动系统在汽车中的应用电子控制防抱死制动系统 8 (ABS) 是提高汽车行驶安全

19、性的一个重要装置。 它的主要功用是防止汽车制动时车轮打滑和车轮抱死。该系统主要由轮速传感 器、压力调节器 / 18 和电子控制装置 3部分组成。3.1 轮速传感器在汽车中的应用由于磁电式传感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响， 所以，目前在汽车中使用的轮速传感器 10 广泛采用变磁阻式电磁传感器。 变磁阻 式轮速传感器由定子和转子组成。定子包括感应线圈和磁头 ( 为永久磁铁构成的 磁级)两部分。转子可以是齿圈或齿轮两种形式。 齿轮形式的转子如图 4-1 所示。 磁头固定在磁极支架上，支架固定在长轴上，齿圈通过轮毂、制动毂连为一体， 长轴穿过车轮与内部的轴承配合，如图 4-2 所

20、示。4-1 轮速传感器及安装示意图 转子的转速与车轮的角速度成正比。 转鼓带动车轮转动， 传感器转子的齿顶、 齿间的间隙交替地与磁极接近、离开，使定子感应线圈中的磁场周期性的变化， 在线圈中感应出交流正弦波信号。 控制试验台使车轮运转在各种工况， 对传感器 输出信号进行测量。 实验结果表明了变磁阻式轮速传感器产生的信号具有如下特 征：(1) 传感器产生的信号为接近零均值的正弦波信号。(2)正弦波信号的幅值受气隙间隔 (磁头与齿圈间的气隙，一般在 1.0mm左右 为最理想 ) 和车轮转速的影响。气隙间隔越小，车轮速度越高，正弦波信号的幅 值越大。(3) 正弦波信号的频率受齿圈的齿数和车轮转速的影

21、响，为每秒钟经过磁头 线圈的齿数， 即等于齿圈齿数乘以每秒钟的轮速。 变磁阻式轮速传感器所产生的 信号如图 4-2 所示。试验模拟的是 BJ212 车型的前轮，用转鼓转速模拟车速。 当控制转鼓转速为 3km/h 时，88 齿的传感器产生正弦波信号的幅值约为 1V，其频率为 31Hz；当控 制转鼓转速为 100km/h 时，传感器产生的正弦波信号的幅值约为 7V，其频率为 1037Hz。由于齿轮加工产生的毛刺和其它环境因素的影响， 实际信号为在上述信 号中叠加了一定频率成分干扰信号，见图 4-2 。4-2 不同车速时轮速传感器的输出信号将轮速传感器输出的每个正弦波信号调理整形产生一个方波信号，

22、后续电路 对方波信号的处理可有以下几种方法： (1) 直接送单片机的 T0记数，用 T1 作定 时器。在每个 T1定时时间内读出 T0 的记数值，经计算得到轮速； (2) 将方波信 号先进行 F/V转换，再由单片机 A/D转换而得到轮速； (3) 方波信号送单片机的 外部中断 /INT0 引脚，将其设定为边沿触发方式，用 T1 作定时器对方波信号进 行周期测量，经计算得到轮速。 第一种方法在低速时所测得的轮速误差较大。 假10 / 18 定轮速不变，每个 T1定时时间读一次 T0的记数值，在 T1i 和T1i+1 时间内读得 数值由于读数时磁头与齿顶的位置关系有时会相差 1，轮速较低时， T1

23、定时时间 内 T0 的记数值较小，因而相对误差较大，导致轮速识别的门槛值过高。第二种 方法可提高低速时的测量准确度， 但增加了硬件 F/V和 A/D转换芯片的开支。第 三种方法可以在不增加硬件开支的前提下， 有效地提高低速时的测量准确度。 总 之，轮速传感器充分发挥了磁感应式传感器的潜能，具有车速识别的门槛值低 (3km/h) 、测量准确度高、实用性和抗干扰性强、工作可靠等优点，适合在汽车 运动环境中使用， 且易于与其它测控节点组成网络， 实现传感器数据的网络化传 输。3.2 压力调节器在汽车中的应用 压力调节器的主要功用是转换电子控制装置的指令。 当它接到电子控制装置 的指令后，自动调节车轮

24、制动器中的压力。它主要由回油泵、存储器 ( 每个制动 回路一个 ) 和电磁阀等构成。3.3 电子控制装置在汽车中的应用电子控制装置 / 18 的主要功用是接收传感器送来的电信号， 先对信号进行测量 比较、分析放大和判断处理， 然后通过精确计算， 得出制动滑转率和车轮角加速 度，最后将指令信号送至压力调节器执行制动压力调节的任务。 第四章机电一体化技术在汽车中的发展趋势4.1 机电一体化概述机电一体化概述机电一体化是在以机械、 电子技术和计算机科学为主的多门 学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科， 而机电一体化产品是在机械产品的基础上， 采用微电子技术和计算机技术

25、生产出 来的新一代产品。初级的机电一体化产品是指采用微电子技术代替和完善机械产 品中的一部分，以提高产品的性能； 而高级的机电一体化产品是利用机电一体化 技术使机械产品实现自动化、数字化和智能化，并使产品性能实现质的飞跃。因此，机电一体化是在机械产品中的机构主功能、 动力功能、 信息处理功能 和控制功能上引进电子技术和计算机技术， 并将机损装置和电子设备以及计算机 软件等有机结合起来构成的系统总称。 机电一体化技术同时也是工程领域不同种 类技术的综合及集合， 它是建立在机械技术、 微电子技术、 计算机和信息处理技 术、自动控制技术、 电力电子技术、 伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的 一种

26、高新技术。 近年来， 随着微电子技术和计算机应用技术的快速发展， 机电一 体化技术领域在不断地扩大和完善。 目前机电一体化的研究和开发主要包括计算 机数控系统、 机器人、计算机辅助设计辅助制造系统、 柔性制造系统和计算机 集成制造系统等。 机电一体化产品和系统的特点是产品和系统功能的实现是机构中所有部分功能共同作用的结果， 这与传统机电设备中机械与电子系统相对独立， 可以分别 工作具有本质的区别。4.1.1 机电一体化设计的关键技术 机电一体化产品是由多种技术以及相关的组成部分构成的综合体， 而机电一 体化技术是由多种技术相互交叉、 相互渗透形成的一门综合性边缘技术， 它所涉 及的技术领域非常

27、广泛。概括起来，机电一体化设计的关键技术包括下述 6 个 方面。4.1.2 精密机械技术机械技术是机电一体化技术的基础， 因为机电一体化产品的主功能和构造功 能大都以机械技术为主来得以实现。 在机械传动和控制与电子技术相互结合的过 程中，对机械技术提出了更高的要求， 如传动的精密性和精确度的要求与传统机 械技术相比有了很大的提高。在机械系统技术中，新材料、新工艺、新原理以及 新结构等方面在不断地发展和完善， 以满足机电一体化产品对缩小体积、 减轻重 量、提高刚度以及改善工作性能等方面的要求。4.1.3 信息处理技术信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中， 与工作过程中各种参数和 状态以及自

28、动控制有关的信息的交换、存取、运算、判断和决策分析等。在机电 一体化产品中， 实现信息处理技术的主要工具是计算机。 计算机技术包括硬件和 软件技术、 网络与通信技术、 数据处理技术和数据库技术等。 在机电一体化产品 中，计算机信息处理装置是产品的核心， 它控制和指挥整个机电一体化产品的运 行，因此，计算机应用及其信息处理技术是机电一体化技术中最关键的技术， 它 包括目前广泛研究并得到实际应用的人工智能技术、 专家系统技术以及神经网络 技术等。4.1.4 检测与传感器技术在机电一体化产品中， 工作过程的各种参数、 工作状态以及与工作过程有关 的相应信息都要通过传感器进行接收， 并通过相应的信号检

29、测装置进行测量， 然 后送入信息处理装置以及反馈给控制装置， 以实现产品工作过程的自动控制。 机 电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息并且不受外部工作条件和环 境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大和输送及转换。4.1.5 自动控制技术 机电一体化产品中的自动控制技术包括高精度定位控制、 速度控制、 自适应 控制、校正、补偿等。机电一体化产品中自动控制功能的不断扩大，使产品的精 度和效率都在迅速提高。 通过自动控制， 机电一体化产品在工作过程中能及时发 现故障，并自动实施切换，减少了停机时间，使设备的有效利用率提高。由于计 算机的广泛应用， 自动控制技术越来越多地与计算机控

30、制技术结合在一起， 它已 成为机电一体化技术中十分重要的关键技术。 该技术的难点在于现代控制理论的 工程化和实用化， 控制过程中边界条件的确定， 优化控制模型的建立以及抗干扰 等。4.1.6 伺服驱动技术 伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的 技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。 机电一体化产品中的执行元件有电动、 气动和液压等类型， 其中多采用电动式执12 / 18 行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路， 目前多为电力电子器件及 集成化的功能电路构成。 执行元件一方面通过接口电路与计算机相联， 接受控制 系统的指令， 另

31、一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相联， 以实现规定的 动作。因此， 伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作， 对产 品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。4.1.7 系统总体技术系统总体技术是从整体目标出发， 用系统的观点和方法， 将机电一体化产品 的总体功能分解成若干功能单元， 找出能够完成各个功能的可能技术方案， 再把 功能与技术方案组合成方案组进行分析、 评价，综合优选出适宜的功能技术方案。 系统总体技术的主要目的是在机电一体化产品各组成部分的技术成熟、 组件的性 能和可靠性良好的基础上， 通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保 证产品

32、实现经济、 可靠、高效率和操作方便等。 系统总体技术是最能体现机电一 体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技 术。4.2 汽车机电一体化技术的发展状况社会的需求、技术的进步以及法规的推动，使汽车采用了机电一体化技术， 并快速发展。在法规方面，如最早的安全法规，以及随后的噪声、尾气排放和燃 油的经济性等法规的推出， 强制地推动了电子技术在汽车上的广泛应用， 使许多 机械控制系统被电子控制系统所代替，并形成了汽车机电一体化发展的 3 个阶 段。第1 阶段：20 世纪60 年代中期到 20 世纪70 年代末期。从 20 世纪 60 年代中期到 20 世纪 70 年代末期

33、，主要是应用电子装置改善部分机械性能，如电子控制燃油喷射和硅整流发电机等。第2 阶段：20 世纪70 年代末期到 20 世纪90 年代中期。从 20 世纪 70 年代末期到 20 世纪 90 年代中期， 在汽车的设计制造中， 体 现出机电一体化的思想和技术。 大规模集成电路得到广泛应用， 并解决了机械部 件无法解决的复杂自动控制问题，增加了可靠性。第3 阶段：20 世纪90 年代中期到现在。从 20 世纪 90 年代中期到现在，随着微电子技术的快速发展，及与汽车工 业的紧密相连， 汽车机电一体化技术已发展成熟， 强调了整体的机电一体化协调 匹配设计思想，开始广泛应用计算机网络技术和信息技术，使

34、汽车更加自动化、 智能化。随着微电子技术和传感器技术的应用，汽车的机电一体化使汽车焕然一新。 当今对汽车的控制已由发动机扩大到全车，例如实现自动变速换挡、防滑制动、 雷达防碰撞、自动调整车高、全自动空调、自动故障诊断及自动驾驶等。汽车的13 / 18机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制改善汽车的性能、 增加汽车的 功能，实现汽车降低油耗、减少排气污染、提高汽车行驶的安全性、可靠性、操 作方便和舒适性。汽车行驶控制的重点是： 1）汽车发动机的正时点火、燃油喷 射、空燃比和废气再循环的控制，使燃烧充分、减少污染、节省能源；2）汽车行驶中的自动变速和排气净化控制，以使其行驶状态达到最佳化；

35、3）汽车的防 滑制动、防碰撞，以提高行驶的安全性； 4）汽车的自动空调、自动调整车高控 制，以提高其舒适件。4.3 机电一体化的应用汽车的电子化首先从电源系统开始。 原来的发动机都是直流发电机， 后来被交流 发电机和硅二极管的组合所取代， 使充电效率和可靠性大幅度地提高。 此后，电 压的调整也由固体电路的调整器代替了机械式电压调整器， 进而在发动机点火装 置的配电器上也由原来的机械式的凸轮开关变为功率晶体管。4.3.1 发动机微机控制系统 发动机微机控制系统为用于降低燃料费用的发动机微机控制系统的原理简 图。发动机控制单元（ ECU： Engine Control Unit ）的核心是通用微处

36、理器或者 是为汽车发动机专门设计的大规模集成电路（ LSI ）。从各个传感器得到的模拟 电压信号和从发动机输出轴得到的脉冲信号都输入到 ECU。模拟信号通过模拟数 字（ A-D：Analog to Digital ）转换器转换为数字信号。以这些信息为基础，在 ECU 内对最佳空气燃料比、点火时间、排气再循环率（ EGR：Exhaust Gas Recirculating ）等进行计算，将计算结果作为控制燃料喷射阀和点火装置等的 驱动信号输出，用以控制空气质量和燃料质量之比（即空气燃料比）。当空气燃料比增大时，燃料稀薄，点火困难；反之，当空气燃料比减小时， 由于氧气不足，在排放的气体中没有充分燃

37、烧的碳化氢（ HC）和一氧化碳（ CO） 含量增加。 因此，将空气燃料比控制在最佳状态对于发动机的启动、 预热、加速、 减速、制动、空转等各种运动状态及其正常负荷则十分重要。4.3.2 汽车激光雷达自动防撞微机控制系统 汽车激光雷达自动防撞微机控制系统激光单片机组合的汽车防按系统， 能 在正常行驶速度下或慢速倒车时检测和显示前、 后方一定距离内有无障碍物， 并 在必要时报警， 从而有效防止交通事故的发生。 该系统主要由计算机控制的测量14 / 18 车间距离的激光测距雷达、中央处理器、汽车前后环境状况监测雷达及显示器、 发光部、受光部、车速传感器和速度控制器等组成。激光测距雷达安装在汽车前部格

38、栅中心。 光学天线发射的激光束遇到前面的 障碍物后，产生向后散射信号， 同样被光学天线接收， 并调制出距离和方位信息。 不断输出的距离和方位信息经中央处理器分析， 可以判断前面物体运动与否， 计 算出它相对本车的速度及车间距离， 并判断它是否有可能与本车接触， 从而决定 本车最安全的行驶速度。 当可能有危险发生时， 系统触动报警装置， 发出报警信 号。4.3.3 电子控制自动变速器自动变速器是为降低变速器的功率损耗， 提高动力传递系统的有 效功率，增加变速挡数以适应汽车行驶条件的最佳速比， 实现汽车的省能、 省力、 安全、舒适之目的而出现的。发动机的工作状况由各种传感器进行检测， 所获得的信息

39、输入到电子控制装 置进行处理，并根据换挡信息、 程序开关及自动跳合开关的信息， 由电子控制装 置选择满足行驶条件的最佳档次信息， 并被变换为控制电液执行元件的液压变 量来控制换档。自动变起器的监潞电路可对系统电子控制装置进行自检及失效监 测，即在行驶前对所有电路进行检测。若汽车起动后，报警灯处于熄灭状态，说 明其功能正常；反之，系统则存有故障， 自动变速器进入非电控程序状态， 此时， 虽然已失去电子控制的优化功能，但是变速器仍能进行工作。4.3.4 ABS 系统为了使汽车在行驶过程中以适当的减速度降低车速直行停车， 保证行驶的安 全性，汽车上均装有行车制动器。 起初只在后轮上装有制动器， 但随

40、着汽车质量 和车速的提高， 仅靠后轮制动不足以提高充分的制动力， 这样才发展到在前轮上 安装制动器。人们通过对制动时轴荷的动态转移、前轮增重和后轮减重的认识， 且后轮先抱死更易造成汽车的方向失控，而着手研制能限制汽车后轮制动装置 汽车制动防抱死装置( Antilock Braking System ， ABS)。其基本功能是可感知制动轮每一瞬时的运动状态， 并根据其运动状态相应 地调节制动器动力矩的大小，避免出现轮上的抱死现象。ABS 系统是电子控制技术在汽车上最突出的一项应用，可使汽车 5 机电一15 / 18 体化技术发展趋势 5.1 光机电一体化方向一般机电一体化系统是由传感系统、 能源

41、（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。引进光学技术、利 用光学技术的先天优点， 就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、 能源系统 和信息处理系统。5.1 发展反方向5.1.1 柔性化方向未来机电一体化产品， 控制和执行系统有足够的“冗余度”， 有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在这种系统中，各 子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”， 可根据不同环境条件做出不同反应。 其特点是子系统可产生本身的信息并附加所 给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系 统的能力（柔性），又不因某一子系统的故障

42、而影响整个系统。5.1.2 智能化方向今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显， 智能化水平越来越高。 这 主要得益于模糊技术与信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。5.1.3 仿生物系统化方向今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大， 并且往往在结构上是处于“静 态”时不稳定，但在动态（工作）时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控 制系统（大脑）停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统（大脑）工作时， 生物就很有活力。 就目前情况看， 机电一体化产品虽然有向仿生物系统化方向发 展的趋势，但还有一段漫长的道路要走。5.1.4 微型化方向目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术， 在实验室中已制造出亚微