第1章汽车电子控制技术基础幻灯片.ppt

第一章汽车电子控制系统基础知识 第一节概述一 汽车电脑控制系统的组成在硬件结构上一般由三部分组成 外部传感器 电控单元和执行机构 如图2 1所示 二 汽车传感器 一 传感器的作用是一种信号转换装置 它将非电信号转换成电信号 有模拟信号和数字信号 二 传感器的分类根据检测功能来分 使用的见表2 1 重庆大学机械学院汽车系张伟 丰田车的电控系统实例 重庆大学机械学院汽车系张伟 三 汽车控制用ECU 一 主要功能 1 接受传感器或其他装置的输入信号 2 给传感器提供参考电压 如2v 5v 9v或2v 3 存储 计算 分析处理信息 存储运行信息和故障信息 分析输入信息并进行相应的计算 4 输出执行命令 把弱信号变为强信号的执行命令 5 输出故障信息 6 完成多种控制功能 重庆大学机械学院汽车系张伟 二 ECU的组成 ECU一般由输入接口 微处理器和输出接口组成 如图2 2所示 1 输入接口电路输入接口电路 主要是完成外部传感器与微处理器之间的信息传递 主要是对传感器输入信号进行预处理 使输入信号变成微处理器可以接受的信号 因为输入信号有两类 模拟信号和数字信号 所以分别有相应的输入电路进行处理 重庆大学机械学院汽车系张伟 1 模拟信号的处理 信号若信号很弱 则需要进行放大 然后进行模数 A D 转换若信号不是很弱 而且在A D所设定的量程范围内 可直接进行A D转换 若超过了A D转换器的量程 则需要进行电压转换 使其不超过A D的量程范围 图2 3显示了A D的工作过程 重庆大学机械学院汽车系张伟 2 数字信号的输入 主要是来自转速传感器的转速信号和活塞上止点参考信号 它们都是脉冲信号 经过处理之后 通过I O接口可直接送入微处理器 一般要设置放大电路和脉冲信号整形电路 2 微处理器目前汽车上用的微处理器主要是8位单片机或16位单片机 现在一些轿车上开始使用32位单片机 重庆大学机械学院汽车系张伟 单片机是指将CPU RAM ROM I O接口 定时 计数器等元件集成在一块芯片上所形成的芯片级计算机 如流行的MCS一51系列单片机外形如图2 4所示 单片机具有小型化 功能强 可靠性高 价格低 性能价格比高和功耗低等一系列优点 因而在汽车的实时控制中得到了广泛的应用 一般采用通用的单片机 如IntelMCS8048 8049 8032 MotorolaMC6802 RCAl802等8位机及IntelMCS809716位机 也用到一些专用单片机 它是为某一领域或特定商品而开发设计的 其内部系统结构或指令系统都是特殊设计的 甚至内部已固化好程序 如Siemens80C166 80C196KB 80535等单片机 重庆大学机械学院汽车系张伟 3 输出接口电路 输出接口电路将ECU与执行元件联系起来 它将ECU作出的决策指令转变为控制信号来驱动执行元件进行工作 它起着控制信号的生成与放大等功能 常见的输出执行元件通常是一些继电器 电磁线圈或显示器等 如图2 9是喷油器的驱动电路 在该电路中设置有功放集成电路模块LM324 它具有两个功能 一是增强输出信号的驱动能量 为大电流功放管提供足够的基极电流 二是在数字电路与模拟电路之间形成器件隔离 以抑制干扰 重庆大学机械学院汽车系张伟 四 执行元件 执行元件的任务是根据ECU输出的控制信号执行某种相应的动作 以实现某种预定的功能 如燃油喷射控制中的喷油器和电动油泵 点火控制中的点火线圈 怠速控制中的步进电机 自动变速器控制中控制换挡的电磁阀 空调控制中的压缩机或电磁离合器等 各种控制系统中执行元件的使用情况如表2 2所示 第二节单片机控制系统的特点 控制性能和可靠性高实时控制功能特别强 其CPU可以对I O端口直接进行操作 位操作能力更是其它计算机无法比拟的 另外 由于CPU 存储器及I O接口集成在同一芯片内 各部件间的连接紧凑 数据在传送时受干扰的影响较小 且不易受环境条件的影响 所以单片机的可靠性非常高 近期推出的单片机产品 内部集成有高速I O口 ADC PWM WDT等部件 并在低电压 低功耗 串行扩展总线 控制网络总线和开发方式 如在系统编程ISP 等方面都有了进一步的增强 重庆大学机械学院汽车系张伟 单片机控制系统的特点 体积小 价格低 易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机 对于批量大的专用场合 一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择 同时还可以专门进行芯片设计 使芯片的功能与应用具有良好的对应关系 在单片机产品的引脚封装方面 有的单片机引脚已减少到8个或更少 从而使应用系统的印制板减小 接插件减少 安装简单方便 重庆大学机械学院汽车系张伟 重庆大学机械学院汽车系张伟 第三节在汽车控制系统中的应用 一 克莱斯勒汽车电脑1987年前 克莱斯勒电喷汽车上有两个电脑 一个逻辑模块 如图2 10所示 和一个动力模块 如图2 11所示 大多数输入信号都接人逻辑模块 在逻辑模块中进行分析 运算和处理 然后将指令送给动力模块 动力模块中主要有执行元件的驱动电路 并驱动相应的执行器进行工作 从1987年度开始 把逻辑模块与动力模块联合成一个单模块发动机控制器 被称为 动力控制模块PCM 如图2 12所示 该模块具有自适应能力 且处理信息和完成输出的速度比逻辑模块和动力模块快 重庆大学机械学院汽车系张伟 从1990年开始 由于电喷系统采用低阻型喷油器 它的工作电流比较大 驱动电路要用较大的散热器进行冷却 并让发动机的进气流过计算机 以更好地冷却喷油器驱动电路 到1992年 克莱斯勒公司采用高电阻喷油器 电流降低了 无需配置大散热器了 计算机体积减小 同时也不需要用进气气流进行冷却了 重庆大学机械学院汽车系张伟 二 通用汽车电脑 1986年以前 动力控制模块称为160b s计算机 从1986年度开始的车型 通用汽车公司采用P4型计算机 其波特串是8192 某些1995年生产的通用公司汽车 用整车控制模块VCM 如图2 13 代替了动力控制模块 整车控制模块执行原有的动力控制模块和制动防抱死模块的功能 GM的动力控制模块包含一个或多个可拆卸的芯片 位于计算机的检修板下 某些波特率160的动力控制模块有两个可拆卸的芯片 一个可编程的只读存储器和一个标定软件包一CAIJAK 如图2 14所示 重庆大学机械学院汽车系张伟 可编程只读存储器含有一些控制该汽车运行的专门信息 如点火提前控制程序等 备用的供油程序装在标定的软件包芯片中 假如控制燃油供给的正规芯片出了故障 标定软件包程序便可取而代之 在此情况下 燃油供给可能不精确 但汽车仍然可以行驶 在P4型计算机中 可编程只读存储器和标定软件包芯片合成一个 存储一标定 MEMCAL 芯片 如图2 15所示 某些通用汽车目前装用新一代P6型计算机 重庆大学机械学院汽车系张伟 三 日产公司汽车电脑 在许多日产公司的汽车中 动力控制模块有三个导线束接线插座 一个15路 一个16路 一个20路 动力控制模块位于仪表板下面 其侧面有两个发光二极管 当电控系统发生故障时 这两个二极管以发光闪烁的方式提醒驾驶员 如图2 16所示 重庆大学机械学院汽车系张伟 第四节汽车控制理论的基本概念 根据不同的分类方法 控制系统有如下几类 一 开环控制系统和闭环控制系统 一 开环控制系统系统的输出量对系统的控制作用没有影响 则称作开环控制系统 在该系统中 给定一个输入量 便产生一个固定的输出量与输入信号相对应 如图2 17所示 由于该系统没有自动修正控制偏差的能力 系统控制的精度便取决于系统校准的精度 当实际系统的参数在控制中发生了变化或系统受到了外界的干扰 系统控制的精度就会变差 重庆大学机械学院汽车系张伟 但由于该系统结构简单 调整方便 成本低 适用于控制精度要求不高 外界扰动较小的情况 电动汽油泵工作的控制 冷却风扇转速的控制等均采用开环控制 二 闭环控制闭环控制又称反馈控制 其控制结构如图2 18所示 该控制系统将输出信号通过反馈环节在输入端与输入信号进行比较 若信号相加 称为 正反馈 若信号相减 称为 负反馈 负反馈的应用较多 修正了系统控制的误差 对内部参数的改变和外界的干扰不敏感 这样提高了系统的控制精度 采用闭环控制的很多 如怠速控制 空燃比控制 自动空调的温度控制等 重庆大学机械学院汽车系张伟 三 复合控制系统 为进一步提高反馈控制系统的性能 有些控制系统在反馈控制的基础上 还附加有前馈控制器 如图2 19所示 这类控制系统称为复合控制系统 其目的是克服系统的动态误差 燃油喷射开环控制 当发动机运行时 电脑根据系统中各个传感器的信号 经过处理 判断发动机实时所处的运行工况 再根据保存在ROM中的喷油脉谐图 计算出最佳的喷油量 重庆大学机械学院汽车系张伟 燃油喷射闭环控制 在排气管上安装一个氧传感器 如图2 20所示 该传感器可根据排气中氧气的含量 判断混合气的浓度 若氧含量大 说明混合气稀 应增大喷油量 反之 应减少喷油量 反馈环节将检测出的反映空燃比的信号反馈到电脑 与设定的目标空燃比进行比较 得出误差信号 并把此误差信号作为输入信号再次输入 从而修正了控制所产生的误差 所以燃油喷射的闭环控制可以达到较高的控制精度 同时可以消除因产品制造差异或磨损 老化等原因引起的性能变化 工作稳定性好 抗于扰能力强 重庆大学机械学院汽车系张伟 三 连续系统与离散系统 若输入量和输出量都是时间连续函数的系统 称为连续系统 在连续系统中 信号在全部时间上都是已知的 若系统中信号有一处或一处以上为离散时间函数 称为离散系统 在离散系统中 信号仅定义在离散时间上 四 确定与不确定系统若系统的结构 参数和输入量都是确定的 已知的系统 称为确定系统 反之 当系统本身的结构或参数以及作用于该系统的信号有不确定性或模糊性时 则系统为不确定系统 现实的工程系统 多为不确定系统 重庆大学机械学院汽车系张伟 第五节控制理论在汽车控制系统中的应用 汽车控制技术是建立在自动控制理论基础上的 目前汽车上采用的主要控制理论如下 一 PID控制PID 比例 积分 微分 控制属于经典控制理论的范畴 是连续系统中技术成熟 应用最广泛的一种控制方式 它最大的优点是不需要了解被控对象的数学模型 只要根据经验在线调节控制参数 即可取得满意的结果 不足之处是对被控对象的参数变化比较敏感 PID可由硬件电路实现 也可由计算机软件编程实现 后者也叫 数字PID调节器 由于参数变化可灵活调整 因此应用十分广泛 重庆大学机械学院汽车系张伟 二 最优控制 最优控制是所选的系统性能指标达到最优的一种控制方法 系统性能指标是根据工作要求选定的 例如 对远距离航行的飞行器 选取燃料消耗量作为系统性能指标 对自动导航系统 则选取定位误差的均方值最小为系统性能指标 控制系统中 最优控制的设计方法主要有极大 小 值原理和动态规划法 目前最优控制在汽车电控悬架的控制中比较常见 重庆大学机械学院汽车系张伟 三 自适应控制 汽车电控系统是随汽车的行驶而不断运行的系统 因此 控制系统应能随时根据这种变化采取相应的措施 自适应控制就是解决这个问题的 目前 自适应控制有两个主要分支 参考模型自适应控制和自校正自适应控制 如在发动空燃比控制中 氧传感器装在排气管内 由于高温和污染的工作环境 使氧传感器很容易老化 从而引起测量误差 采用自适应控制可以将氧传感器的输出信号与储存在控制单元中的参数进行对比 以确定是否老化和老化的程度 若老化 则通过选用适当的修正系数进行校准 重庆大学机械学院汽车系张伟 四 模糊控制 模糊控制是计算机数字控制的一种特殊形式 具有处理模糊信息的能力 要研制智能化的汽车离不开模糊控制技术 现在 已经出现了许多商品化的模糊组件 通过装载推理软件或推理芯片来实现各种不同的功能 在汽车的制动装置系统 变速控制 车身弹性缓冲系统及巡航控制系统等部件中 已经广泛地使用模糊技术 重庆大学机械学院汽车系张伟 五 人工神经网络 所谓人工神经网络 ANN ArtificialNeuralNetworks 是指用工程技术手段模拟人脑神经的结构和功能的技术 用电子计算机模拟人脑神经元对信息进行加工 存储和搜索等的技术 采用神经网络基本原理对控制对象进行控制的方法称为神经