初稿-《机电一体化在汽车中的应用》

PAGE14机电一体化在汽车中的应用摘要本文从汽车空调、汽车用传感器和电子控制防抱死制动系统几个实例入手，阐述了机电一体化在汽车上的应用。以微机为核心的电子控制取代了传统的纯机械控制，明显地提高了汽车的动力性、加速性、经济性和安全性，降低了环境污染。机电一体化技术将使汽车进入一个崭新的时代。关键词：机电一体化，汽车，传感器，空调，防抱死制动系统AbstractInthispaper,autoairconditioning,automotivesensorsandelectroniccontroltostartseveralinstancesofanti-lockbrakingsystem,describedmechatronicsinautomotiveapplications.Tothecoreoftheelectroniccontrolcomputertoreplacethetraditionalpurelymechanicalcontrol,significantlyimprovedthecar'spower,speed,economyandsafety,reduceenvironmentalpollution.Mechatronicswillallowcarsintoanewera.Keywords:mechatronics,automotive,sensors,airconditioning,anti-lockbrakingsystem目录1引言 12汽车用传感器 12.1发动机控制用传感器 12.2非发动机用汽车传感器 32.2.1车速传感器 31、磁电式车速传感器 42、霍尔式车速传感器 52.2.2车内、外空气温度传感器 61、车内、外空气温度传感器的识别 62、车内、外空气温度传感器的检测 63汽车的空调系统 73.1汽车的基本空调系统 73.2基本组成 73.2.1空调系统的核心——压缩机 84电子控制防抱死制动系统 94.1轮速传感器 94.2压力调节器 124.3电子控制装置 125总结 12参考文献 141引言汽车的机电一体化是汽车发展的必然趋势。机电一体化的定义就是运用当今先进的电子技术达到改造各种机械设备的传统电器线路及开发新产品和新的制造方式。机电一体化技术目前越来越广泛被采用于钢铁、电力、石油化工、采矿冶金、汽车、造船、航空工程以及机床、家电等工业上。现在，无论是实现单机的全自动化操作或者是机组群的联动控制直至整个生产过程的全自动化控制，机电一体化技术都为广大工程技术人员所采用。随着微电子技术、新空调技术、防抱死技术和传感器技术的应用，机电一体化使汽车焕然一新。现代和未来的“汽车”逐步向满足人类需求的“舒适、安全、操纵简便以及节油、污染小”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，依赖于汽车用电子产品和传感器产品技术水平的提高。2汽车用传感器2.1发动机控制用传感器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Ｏ2、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

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多个齿就可以产生同步脉冲来确定上止点的位置。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

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角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，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。

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1、车内、外空气温度传感器的识别 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。2、车内、外空气温度传感器的检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。3汽车的空调系统3.1汽车的基本空调系统经过不断发展和元件的改进、功能完善和电子化，最终发展成为自动空调系统。自动空调系统[5]的特点为：空气流动的路线和方向可以自动调节，并迅速达到所需的最佳温度；在天气不很热时使用设置的“经济档”控制，使空压机关掉，但仍有新鲜空气进入车内。既保证一定的舒适性，又节省制冷系统燃料，具有自动诊断功能，迅速查出空调系统存在或“曾经”出现过的故障，给检测维修带来方便。3.2基本组成它一般由操纵显示装置、控制和调节装置、空调电机拉制装置以及各种传感器和自动空调系统、各种开关组成。温度传感器是系统中应用最多的，一般是采用NTC热敏电阻。它是用锰、钴、镍、等金属氧化物，按特定的工艺铡成的热敏元件。有两个相同的外部温度传感器，分别安装在蒸发器壳体和散热器罩背后，计算机感知这两个检测值，一般用低值计算。因为在行驶时和停止时温度会有很大差别。图中高压传感器实际上是一个温度传感器。是一个负温度系数的热敏电阻，起保护作用。它装在冷凝器和膨胀阀之间，以保证压缩机在超压的情况下正常工作。例如散热风扇损坏时，关闭并被保护，各种开关有防霜开关、外部温度开关、高低压保护开关[6]、自动跳合开关等当外部温度小于5度时，可通过外部温度开关关掉压缩机电磁离合器。自动跳合开关的作用是在加速、急踩油门踏扳时，关掉压缩机，使发动机有足够的功率加速，然后再自动接通压缩机。自动空调系统无疑带来很大便利，但也使系统更为复杂。给维修带来很大困难因此必须采用自动诊断系统。Audi车采用的自动诊断系统是采用频道代码进行自动诊断的。即在设定的自检方式下，将空调系统的各需检测的内容分门别类地分到各频道，在各个频道里用不同的代码表示不同的意义。然后检阅有关的专用手册，便可确定系统各部件的状态了。3.2.1空调系统的核心压缩机作为汽车空调装置的核心压缩机[7]技术的发展一直备受世界各国汽车制造商所关注，第一代压缩机——曲柄连杆式结构压缩机已在小排量压缩机中所消失，现在只存在于大客车空调装置中，而且，还有待被大排量十缸斜盘式压缩机（排量超过300厘米/转）取代的趋势。作为第二代的轴向型压缩机（摇盘式和斜盘式压缩机）一直是汽车空调压缩机的主导产品，约占所有压缩机产品的70％，随着技术的不断进步，轴向型压缩机不但可以做到小型轻量化。而且，最高转速可达10000转/分以上。特别是轴向型压缩机率先实现了无级可变排量控制。第三代压缩机——旋转叶片式压缩机由于其体积和重量可以做得最小，易于在狭小的发动机室内进行布置，加之噪声、振动小，容积效率高等优点，也特别受到汽车制造商的青睐。产量有连年上升的趋势。代表着压缩机最高技术水平的第四代压缩机——涡旋式压缩机由于突破了制造技术上的难点正在突飞猛进地发展着。涡旋式压缩机最高转速可达12000转/分以上，容积效率比活塞式压缩机可高达60％，且噪声小，运转平稳。以可变排量压缩机为例说明压缩机的工作原理：工作原理变排量压缩机都是相似的，不同之处在于电控式的控制阀具有一电磁单元操纵和显示单元从蒸发器出风温度传感器获得信号作为输入信息，从而对压缩机的功率进行无级调节。控制阀由机械元件和电磁单元组成。机械元件按着低压侧的压力关系借助于一位于控制阀低压区的压力敏感元件来影响调节。电磁单元由操纵和显示单元通过500Hz的通断频率进行控制。在无电流的状态下，阀门开启，高压腔和压缩机曲轴箱相通，高压腔的压力和曲轴箱的压力达到平衡。全负荷时，阀门关闭，曲轴箱和高压腔之间的通道被隔断，曲轴箱的压力下降，斜盘的倾斜角度加大直至达到100%的排量；关掉空调或所需的制冷量较低时，阀门开启，曲轴箱和高压腔之间的通道被打开，斜盘的倾斜角度减小直至低于2%的排量。当系统的低压较高时，真空膜盒被压缩，阀门挺杆被松开，继续向下移动，使得高压腔和曲轴箱进一步被隔离，从而使压缩机达到100%的排量；当系统的吸气压力特别低时，压力元件被释放，使挺杆的调节行程受到限制，这就意味着高压腔和曲轴箱不再能完全被隔断，从而使压缩机的排量变小。内控可变排量压缩机的变排量机械控制原理与电控式的是完全相同的，不同之处在于，内控式的控制阀是经过设计设定在系统的最佳低压工作压力值下工作，明白了曲轴箱的压力和高压压力和低压压力之间的关系后，维修检测将异常方便和准确。电控调节可变排量汽车空调压缩机离合器详细原理解剖：新结构皮带轮离合器，电控调节变排量压缩机采用了新结构皮带轮。皮带盘由皮带轮和随动轮组成，通过一橡胶元件将皮带轮和随动轮有力地连接起来。当压缩机因损坏而卡死时，随动轮和皮带轮之间的橡胶元件的传递力急剧增大，皮带轮在旋转方向将橡胶元件挤压到卡死的随动轮上，橡胶元件产生变形，对随动轮产生的压力增大，随动轮随之产生变形直至随动轮和皮带轮之间脱离连接，从而避免了皮带传动的损坏。随动轮的变形量取决于橡胶元件温度的高低，橡胶元件的弹性取决于结构件的温度。由于橡胶元件和随动轮的形变，避免了发动机皮带传动的损坏，同时防止了诸如水泵和发电机的损坏，起到了动力的过载保护的作用。4电子控制防抱死制动系统电子控制防抱死制动系统[8](ABS)是提高汽车行驶安全性的一个重要装置。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[9]和电子控制装置3部分组成。4.1轮速传感器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，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。4.2压力调节器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。4.3电子控制装置电子控制装置[11]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。5总结