机电一体化技术在汽车中的应用.doc

机电一体化技术在汽车中的应用学生姓名： 学 号： 学 院： 专业、年级： 二零一四年五月 机电一体化技术在汽车中的应用1、 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【1】。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。 汽车机电一体化自进入本世纪80年代以来得到了极大发展，电子化的汽车辅助系统的种类不断增加，而且批量也急速增长。汽车机电一体化发展的重要原因要归功于电子技术的进步，此外，环境保护、汽车性能和功能的提高都进一步促进了汽车电子化的发展。由于晶体管(半导体)、集成电路和微机的发明和投入应用充分提高了汽车电子元件的可靠性和有利于降低成本。汽车电子化迅猛发展的社会因素与汽车排放限制和节约能源密切相关。迄今汽车技术与电子技术已获得有效的结合，机电一体化已成为汽车技术发展的方向。汽车机电一体化是提高汽车操纵稳定性、安全性、舒适性等汽车技术的动力。电子技术能获得广泛应用的原因主要是电子控制系统的功能自由度大，精度高，工作稳定。利用这些优点并与汽车各个系统相结合便能研究开发出新一代的产品。汽车电子化发展动向是:不断扩大汽车电子部件的控制功能.向车身计算机系统发展，不断完善信息显示装置和汽车安全装置。汽车机电一体化应用。首先为了适应废气排放法规、能源危机等的外部环境变化，开始应用于发动机控制系统.接着为了改善汽车的行驶性能和乘座舒适性，逐渐扩大到底盘控制系统，并进一步在信息显示装置、导航装置获得了应用【2】。60年代晶体管式点火装置、全晶体管收音机的应用揭开了电子化的序幕。用晶体管元件代替了点火系的机械触点方式，开发了高能量点火性能良好、寿命长的点火装置。这是采用了性能不断改进的硅晶体管而付之实现的。随着半导体技术的进步，晶体管式电子电路装车实用，并研制开发各中电子装置。自本世纪60年代后半叶到70年代初，又相继开发了自动稳速行驶装置、电子控制变速器，但是由于价格高，并采用模拟电路，不能够开发更为复杂的控制系统。这一时期称为汽车电子化的引入期。这是续集成电路(IC)、大规模集成电路(LSI)之后微机投入应用的时期。由于电子控制技术在解决废气排放中发挥了卓有成效的作用，迎来了汽车电子化的成长期。在汽车工业发达国家，各大汽车公司都把解决废气排放作为主要的技术课题，对发动机作了改进，并对点火系、燃油系的控制作了进一步开发，特别是催化系统、废气再循环(FGR)都必须依靠电子控制的技术。晶体管点火装置的改进和扩大应用，电子控制燃油喷射装置(EFI)的控制功能扩大，在EFI中应用了吸人空气量直接检测方式提高了控制精度，在三效催化器系统中，开发了应用氧传感器的反馈控制闭环系统。电子技术有效用于废气排放的控制，为汽车电子续汽车废气排放问题出现以后的第一次能源危机，又提出了在解决废气排放问题的前提下，进一步要求降低汽车能耗，提高燃油经济性。汽油价格飞涨要求汽车进一步向节能化方向发展。汽车向小型轻量化发展，采用新型发动机、前驱动方式，成为汽车工业的重大技术变革点。70年代中期出现的微机则担当了重要的控制任务。微机引入的最大特点是，电子控制系统能用软件加以描述和实现控制功能。在大规模复杂系统中。在电子技术与机械技术之间，由于软件技术领域的出现，从而使机械工程人员与电子技术人员互相接近，共同合作。由此，从事于控制系统开发的技术人员的数量显著增加，促进了其发展汽车机电一体化发展。发动机电子控制揭开了汽车电子化的成长期。从驱动系控制扩大到底盘控制，并进一步向汽车安全系统、车身控制、信息显示系统发展。随着各种电子系统的增加.又出现了电子部件在装车实用时遇到的约束条件。为了便于装车使用。电子部分(电子电路、传感器、执行元件)向小型化、集成化发展，汽车线束进一步简化改进和降低成本而采用了多通道通信和局域网(LAN）。2、 国内外研究现状当前机电一体化是高技术产业的一个重要领域，而汽车产品机电一体化是我们汽车行业的一项光荣而艰巨的历史使命。国外汽车机电一体化在过去的十几年中，所以能迅速地得到发展，其原因，一是政府实施了严格的汽车法规(排放、安全法规)；二是市场的积极反应，也就是机电一体化技术为汽车工业所解决的大量实际而且难度很大的间题，满足了人们对汽车安全性、舒适性及便利性等的要求，反之，又促进了汽车机电一体化工业的发展；三是政府的支持和企业的大量资金投入；四是电子工业和传感器行业相当发达。中国汽车电子工业一直比较落后，其原因：一是我国制订的汽车排放及安全法规不健全，执行也不严格；二是生产企业大多数为国有企业，资金不足，企业无力投资于汽车电子产业的科研；三是中国汽车市场比较封闭；四是汽车机电一体化工业和传感器行业的基础比较薄弱。车制造水平可以代表一个国家的经济技术水平。汽车产品机电一体化程度的高低，已成为衡量汽车现代化水平的重要标志。我国汽车产品技术水平远比国外先进国家落后，而汽车产品机电一体化由于起步晚，经验少，与国外相比则尤为落后。汽车产品机电一体化可改善汽车的机械性能，提高车辆可靠性、舒适性，同时，还可节油、减少排放污染。电子装置灵敏度极高，运行精确，可将车速、路况、车况等信息传输、贮存、处理、显示，向驾驶人员反馈，使车辆得以控制操纵。汽车产品机电一体化可大大缩短国产汽车与国外产品的差距，为社会提供具有现代化水平的各类汽车产品，改变我国汽车工业的落后局面3。3、 工作原理1信息系统在利用电子技术控制车辆三大基本功能(行驶、转向、制动)的基础不断加强的同时，通过信息系统向驾驶者提供车辆的周围环境信息和交通信息。以导航装置为先导的信息辅助系统将进入新一代并将不断实用化，其发展顺序包括:车载系统的自律系的完善(如导航装置);通过全球定位系统GPS、信标等公共基础设施的信息交流技术、信息利用技术的发展;车辆与车辆之间的信息交换技术。由于信息传递的电子硬件装置的实用化进展，依赖于信息的应用开发研究，其中应以预测道路交通危险状况和防止事故作为优先研究开发的项目。2人机接口增加控制的自由度，使它起到人一机系统中的神经系统的功能。此外，使乘员获悉车辆运行状态的显示技术，能直接以视听感觉使驾驶者获知信息，这便要求人机接口，以便能在任何环境下具有良好的视认性和优异的外形设计感从而确保驾驶者安心感和对道路交通安全感。汽车电子化无疑将进一步发挥其应有的功能。3要素技术电子技术对控制信息和显示系统起到了重大的作用，并对其期望值甚高。为了实现这些目标，必须开发通用技术，其中包括以下4个方面:(1)为了增加电子机器种类，进一步应用高密度的电路装配技术和小型化技术.在原有容积上将装有几十倍功能的电路;(2)在高密度电路之间，在传感器、执行元件之间利用集成化的多通道通信技术。(3)高性能微机与控制系统技术相结合的ASIC技术(ASIC:实用专门集成电路)。(4)将发展用于提高软件开发效率和方法的软件开发支援系统。随着我国汽车工业的发展，汽车电子产品的市场前景广阔。传感器是机电一体化汽车的感触器官,是感知信号部件,是感测物理或机械参数绝对值或其变化的装置。传感器的技术是汽车机电一体化最重要的一环，现代汽车发动机已经实现用微机系统控制。传感器是现代汽车电子控制系统中非常重要的组成部分。电子控制系统在汽车上的应用使得现代汽车焕然一新。发动机电子控制系统主要由电子控制单元(ECU)、各种传感器及执行器组成。其中ECU由微机和辅助电路组成,是整个控制系统的核心,用以接受传感器的信息,并储存、计算、处理信息,输出执行命令以控制执行器;传感器是一种转换器,用以感知发动机的外部条件和自身性能的变化,并及时将感知的信息传递给ECU;执行器则根据ECU发出的指令来完成对发动机的控制。在整个电控系统中传感器起着至关重要的作用,它是发动机的感觉器官,传感器一旦发生故障将导致整个发动机无法正常工作。因此,现代汽车的使用、维修和检测工作者必须了解并掌握各种车用发动机传感器的功能、原理及其特点。下面介绍几种典型的发动机传感器【5】。曲轴位置与转速传感器的功能是为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号,同时提供发动机转速信号通过压力传感器检测气缸负压即可了解汽车发动机的负荷状态,发动机根据压力传感器获取的信息进行电子点火器控制。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一。空气流量传感器的功能:感知空气流量的大小并转换成电信号传输给ECU。空气流量传感器的种类有测量片式、卡门旋涡式和热线式3种。节气门位置传感器安装在节气门上,它将发动机节气门的开度信号转变成电信号并传递给ECU,用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。为了最大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃,点火提前角应控制在爆燃产生的临界值,这一控制通过爆震传感器来实现。爆震传感器的功能:当发动机产生爆燃时,传感器将爆燃引起的震动转变成电信号并传给ECU。爆震传感器的种类较多,其中应用最多的是加速度型爆震传感器。温度传感器有发动机进气温度传感器和冷却液温度传感器2种。进气温度传感器的功能:随时反映发动机的进气温度参数,ECU根据进气温度的高低对喷油量进行修正,达到最佳燃烧状况。进气温度传感器通常安装在空气流量计或空气滤清器内。冷却液温度传感器的功能:感知冷却液温度并将温度参数传给ECU,ECU根据冷却液温度来调整供油量。当发动机冷机起动或需暖机时,ECU发出增加供油量的指令使混合气加浓,便于发动机冷起动和迅速暖机。冷却液温度传感器一般安装在冷却液出口处。进气温度传感器和冷却液温度传感器有相似的敏感元件、电阻值、电压降及温度特性。四 结构组成 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6。 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）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）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）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。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。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。ABS 系统【7】。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。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 机电一体化技术发展趋势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（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。五、发展方向及建议汽车工业大量采用先进的“机电一体化”技术，一些过去由机械部件完成的功能被电子元件所取代，使汽车在性能、功能、效率、节能等方面都向更高水平发展。“机电一体化”技术的导入，给现代汽车工业带来了长足的进步。首先，汽车的整体性能得到提高，汽车电子产品对提高原来机械式部件的性能发挥了明显的作用，使人们看到采用电子化产品实现了以前用机械部件难以实现的火花能量、耐久性等性能方面的质的提高。其次是节约能源和保护环境，通过精密的控制，净化了排放气体，且实现了降低油耗。再是乘坐的舒适性，即创造一个汽车司乘人员能舒适乘坐的环境，如汽车空调，它能自动调节温度，湿度，气流等。还有就是顺应潮流，追求豪华时髦，例如追求当代流行的计量仪表的数字显示，增添娱乐及通讯装置，其中包括汽车音响系统，车载电话，导航装置等8。从近年来世界汽车展上展出的新车来看，有电子控制悬架装置、电子调节车身高度装置、卫星导航装置、雷达自动控制车距装置、电子控制四轮转向装置、车内数据处理传真系统等。最近更向汽车信息和通讯方面发展6。仿生生物化 仿生物系统化方向,以后的机电一体化装置对信息的依赖性很