机电一体化技术在汽车中的应用

1、机电一体化技术在 汽车中的应用 机电一体化技术的巅峰之作机器人。其典型产品还 包括无人机、汽车、数控机床、航空航天、家电等。 现代和未来的汽车不仅要具备各项良好的运动和动力性 能，更逐步向满足人类需求的“舒适、安全、操纵简便 以及节油、绿色环保”等方向发展。要满足这些需求主 要依赖于汽车机电一体化水平的提高。 机电一体化的核心技术：机械技术、传感检测技术、伺 服驱动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、 系统总体技术。机械结构好似骨架，传感检测单元是眼 睛、耳朵，伺服驱动单元是肌肉，信息处理单元是大脑， 自动控制单元是神经网络，系统总体则起协调者的作用。 汽车机电一体化水平的提高，最重要的

2、依赖于传感检测 技术和信息处理技术的提高。 引言 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，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

3、。 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

4、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。 汽车机电一体化技术的发展史 汽车的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； 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、导向系统、娱乐设备控制，以提高驾 驶舒适性。 1 发动机微

5、机控制系统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

6、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。 机电一体化技术在汽车中的 一些典型应用 2 汽车汽车激光雷达自动防撞微机控制系统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

7、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。 3 电控自动变速器 自动变速器是为降低变

8、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。自动变起器的监测电路可对系 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

9、能， 但是变速器仍能进行工作。 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。 无人驾驶汽车 中国自主研制的无人车由国防科技大学自