复习新汽车电子控制系

1 汽车电子控制系统 第一章 汽车电子控制技术基础 第一节 概述 二 汽车电子控制系统的分类 按控制对象不同分类 按控制对象不同分类 汽车电子控制系统可分为发动机电子控制系统 底盘电子控制系统和车身电 子控制系统三大类 按控制对象不同分类 按控制对象不同分类 汽车电子控制系统可分为动力性 经济性与排放性 安全性 舒适性 操纵 性和通过性控制系统等 6 种类型 其中 经济性与排放性控制系统具有双重功能 既能降低燃油消耗量 又能降低有害气体的排放量 三 汽车电子控制系统的基本组成 汽车电子控制系统由 传感器 控制器及执行器组成 传感器 是系统中信息输入部分 它用于感测控制系统外部的信息 并将得到的信息转换为电信号 后传输给电子控制器 输入信息是引起控制系统变化的原因 传感器是电子控制系统的 眼睛 和 耳朵 控制器 对各传感器输入的电信号进行综合处理 作出实时的判断 并输出控制信号传输给执行器 处理是控制系统对输入的响应过程 电子控制器是电子控制系统的 大脑 执行器 是控制系统的输出部分 它根据控制器的控制信号作出相应的控制动作 将控制参量迅速 调整到设定的值 使控制对象工作在设定的状态 输出是系统根据输入产生的结果 四 控制环路 根据控制环路不同可以将控制系统分为 闭环控制系统和开环控制系统 开环控制系统 电控单元不对控制系统的输出进行监测 即不对实际输出与期望输出的差异进行监 测 闭环控制系统 电控单元通过反馈传感器和反馈电路对控制系统的输出进行连续监测 并根据实际 输出与期望输出的差异产生相应的修正信号 使随后的实际输出更进一步向期望输 出靠近 闭环控制系统虽然比开环控制系统的结构复杂一些 但可以获得开环控制系统无法获得的控制精度 所以 在汽车电子控制系统中广泛采用闭环控制系统 第二节 传感器 一 发动机转速与曲轴位置传感器 作用 用于向电子控制器提供发动机转速和曲轴转角电信号 电子控制器根据此信号确定点火正时 和喷油正时 产生点火和喷油控制脉冲 控制燃油泵工作等 分类 磁感应式 光电式 霍尔效应式 1 磁感应式传感器 组成 主要由信号转子 传感线圈 永久磁铁和磁轭等组成 原理 当信号转子旋转时 磁路中的气隙就会周期性地发生变化 磁路的磁阻和穿过传感线圈 信 号线圈 磁头的磁通量随之发生周期性的变化 根据电磁感应原理 传感线圈中就会感应产生交变电动 势 优点 不需要外加电源 永久磁铁起着将机械能变换为电能的作用 其磁能不会损失 安装位置 安装于飞轮处 利用飞轮的齿圈和飞轮上的正时记号来触发感应电压信号 工作原理 当发动机转动时 飞轮的齿圈和飞轮上的正时记号使传感器内的磁路空气隙变化 使传感 器的感应线圈产生相应的电压脉冲信号 安装间隙 由于转子凸齿与磁头间的气隙直接影响磁路的磁阻和传感线圈输出电压的高低 因此在 使用中 转子凸齿与磁头间的气隙不能随意变动 气隙如有变化 必须按规定进行调整 传感器信号电压波形 电子控制器根据此信号频率的变化可计算得到发动机转速和曲轴位置参数 2 2 光电式传感器 组成 由发光管 光敏管 遮光转子等组成 信号波形整形电路是将光敏管产生的脉冲信号转变成控制器容易接收的矩形波 3 霍尔效应式传感器 霍尔效应 当电流通过放在磁场中的半导体基片 且电流方向与磁场方向垂直时 在垂直于电流与 磁通的半导体基片的横向截面会产生与电流和磁感应强度成正比的电压 这个电压就是霍尔电压 基本结构 主要由触发叶轮 霍尔集成电路 导磁钢片 磁轭 与永久磁铁等组成 工作原理 当传感器轴转动时 触发叶轮的叶片进入气隙 霍尔集成电路的磁场被叶片旁路 霍尔 电压 UH为零 霍尔集成电路输出级的三极管截止 信号发生器输出的信号电压 U0为高电平 当叶片离 开气隙时 永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路 霍尔元件产生电压 UH 1 9 2 0 V 霍尔集成电路输出级的三极管导通 传感器输出的信号电压 U0为低电平 霍尔集成电路 由霍尔元件 放大电路 稳压电路 温度补偿电路 信号变换电路和输出电路等组 成 二 空气流量传感器 作用 向电子控制器提供反映进气流量的电信号 在电控汽油喷射系统中是控制器计算基本喷油时 间的重要参数 在微机控制点火系统中是作为发动机负荷的间接参数 用于确定最佳的基本点火提前角 根据检测进气量的方式不同分类 D 型 压力型 L 型 空气流量型 L 型有体积流量型和质量流 量型 前者使用量板式空气流量传感器和涡旋式空气流量传感器 后者使用热线式空气流量传感器和热 膜式空气流量传感器 D 型来源于德文 Druck 压力 的第一个字母 是利用压力传感器检测进气歧管内绝对压力 测量方 法属于间接测量法 传感器可安装在汽车上的任何部位 只需用导压管将进气歧管内的进气压力引入传 感器即可 D 型燃油喷射系统 速度 密度型燃油喷射系统 装备 D 型空气流量传感器的系统称为 D 型燃油 喷射系统 电控系统利用该绝对压力和发动机转速来计算吸入气缸的空气量 故又称为速度 密度型燃 油喷射系统 由于空气在进气歧管内流动时会产生压力波动 发动机怠速 节气门关闭 时的进气量与 汽车加速 节气门全开 时的进气量之差可达 40 倍以上 进气气流的最大流速可达 80m s 因此 D 型 燃油喷射系统的测量精度不高 但系统成本较低 L 型来源于德文 Luftmengen 空气流量 的第一个字母 是利用流量传感器直接测量吸入进气管空 气流量 L 型属于直接测量 因为采用直接测量法 所以进气量的测量精度较高 控制效果优于 D 型燃 油喷射系统 1 量板式空气流量传感器 结构 主要由流量计和电位计两部分组成 安装位置 安装在空气滤清器与进气管之间 工作原理 在没有空气进入时 转轴上的回位弹簧使测量板处于关闭位置 流量计的量板与电位计 的滑片都固定在转轴上 当有空气进入时 空气气流推动量板转动一个角度 空气流量大 量板转动的 角度也大 传感器的输出特性 在转轴的带动下 电位计滑片随量板转动相应的角度 并输出相应的电压 电 位计的电压输出变化就反映了进气管的空气流量的变化 空气质量大小与进气温度和大气 进气 压力高低有关 当进气温度低时 空气密度大 相同体积 气体的质量增大 反之 当进气温度升高时 相同体积气体的质量将减小 在采用歧管压力式 量板式 卡门涡旋式空气流量传感器的燃油喷射系统中 由于空气流量传感器测定的空气流量为体积流量 因此 需要配装进气温度传感器和大气压力传感器来修正喷油量 使发动机自动适应外部环境温度 寒冷 高 温 和压力 高原 平原 的变化 当进气温度低 空气密度大 时 ECU 将控制喷油器增加喷油量 反之 当进气温度高 空气密度小 时 ECU 将控制喷油器减少喷油量 如果进气温度传感器信号中断 就会导致热起动困难 废气排放量增大等 3 量板式空气流量传感器检测的是体积流量 为了避免环境温度和大气压力变化给空气流量检测带来 误差 测量体积流量的传感器采用进气温度传感器和大气压力传感器进行修正 进气温度传感器与空气 流量传感器制作成一体 大气压力传感器安装在电控单元内 传感器优点 传感器结构简单 价格便宜 具有良好的工作可靠性 在发动机空气流量的变化范围 内其测量精度稳定 传感器缺点 进气阻力大 信号的反应比较迟缓 由于测量的是体积流量 需要对大气压力及进气 温度进行修正 2 卡门涡旋式空气流量传感器 卡门涡旋 在进气通道中设置一锥形涡旋发生器 当空气通过时 涡旋发生器的后面便会产生两列 并排的旋涡 且左右交替出现 此旋涡被称之为卡门涡旋 根据漩涡出现的频率 可测量出流体的流量 根据卡门涡旋频率检测方法不同 传感器分为 反光镜检测式和超声波检测式 反光镜检测式 利用涡旋发生器产生卡门涡旋时 其两侧的压力会发生变化的这一特点 用导压孔 将涡旋发生器的压力振动引向用薄金属制成的反光镜表面 使反光镜产生振动 反光镜将发光管投射的 光反射给光电管 反光镜振动时 光电管便产生与涡旋频率相对应的电信号 超声波检测式 利用卡门涡旋会引起空气疏密变化的特点 超声波发生器发出超声波 并通过发射 器向涡旋的垂直方向发射超声波 另一侧的超声波接收器接收到随空气的疏密变化而变化的超声波 经 接收信号处理电路滤波和整形后 便成了与涡旋频率相对应的矩形脉冲信号 卡门涡旋是一种物理现象 涡旋的测量精度由空气通道面积与涡旋发生器的尺寸决定 与检测方法 无关 优点 传感器的输出信号是与漩涡频率对应的脉冲数字信号 响应速度快 几乎能同步反映空气流 速的变化 因此 适用于计算机处理 测量精度高 进气阻力小 无磨损 无运动部件 长期使用时 性能不会发生变化 缺点 制造成本较高 因此只有少数中高档轿车采用 检测的流量为体积流量 需要对空气温 度和大气压力进行修正 3 热式空气流量传感器 热式空气流量传感器类型 热线式和热膜式 热膜式根据电热体放置的位置不同有 主流式和旁通 式 作用 检测进入发动机空气的质量流量 发热元件 热线式空气流量传感器的发热元件是铂金属丝 热膜式空气流量传感器的发热元件是铂 金属膜 优点 铂金属发热元件的响应速度很快 能在几毫秒内反映出空气流量的变化 因此 测量精度不 受进气气流脉动的影响 气流脉动在发动机大负荷 低转速运转时最为明显 还具有进气阻力小 无磨 损部件等优点 因此目前大多数中高档轿车都采用了这种传感器 1 热线式空气流量传感器 热线 传感器工作时 铂金属丝将被控制电路提供的电流加热到高于进气温度 120 因此称之为热 线 温度补偿电阻冷丝 由于进气温度变化会使热线的温度发生变化而影响进气量的测量精度 因此 在热线的上游设有一只温度补偿电阻 该电阻丝靠近进气口一侧 称之为冷丝 温度补偿电阻作用 相当于一只进气温度传感器 其电阻值随进气温度的变化而变化 传感器工作 时 控制电路提供的电流使温度补偿电阻的温度始终低于热线的温度 120 这样温度补偿电阻的温度起 到一个参照标准的作用 使进气温度的变化不至于影响热线测量进气量的精度 2 热膜式传感器结构 它是热线式传感器的改进产品 其发热元件采用平面形铂金属薄膜电阻器 故称为热膜电阻 温度补偿电阻 为了防止进气温度变化影响测量精度 在热膜电阻的上游设有铂金属膜式温度补偿 电阻 与热线式相比 热膜电阻的阻值较大 所以消耗电流较小 使用寿命较长 由于发热元件表面有一 4 层绝缘保护膜 存在辐射热传导作用 因此响应特性稍差 3 恒温差控制电路 发热元件电阻 RH和温度补偿电阻 RT分别连接在桥式电路的两个臂上 当发热元件的温度高于进气温度时 电桥电压才能达到平衡 并由具有电流放大作用的控制电路控 制加热电流来保持发热元件温度 TH与温度补偿电阻温度 TT之差保持恒定 即 TH TT 120 温度补偿原理 当进气温度变化时 发热元件的温度就会发生变化 测量进气量的精度就会受到影 响 设置温度补偿电阻后 当进气温度降低使发热元件上的电流增大时 为了保持电桥平衡 温度补偿 电阻上的电流也相应增大 以保证发热元件温度与温度补偿电阻温度之差保持恒定 使传感器测量精度 不受进气温度变化的影响 热线自洁方法 1 由于热线上有任何沉积物都会对传感器的测量精度有很大的影响 因此这种传感器 必须具有自洁功能 即在发动机每次熄火后约 5s 控制电路产生较大的控制电流 将热线迅速加热到 1000 左右的高温约 1s 以烧掉热线上的沉积物 热线自洁方法 2 将保持温度设定在 200 以上 以便烧掉粘附的污物 热膜不需自洁 热膜式传感器的面积比热线的表面积大得多 且覆盖有一层绝缘保护膜 因此 不 会因污物而影响测量精度 三 进气歧管绝对压力传感器 功用 将气体或液体的压力信号转换为电信号 汽车用压力传感器按结构不同 可分为电阻应变计式 半导体压阻效应式和电感式 即波纹管与差 动变压器组合式 3 种类型 在汽车电控系统中 发动机的进气压力 大气压力 燃油压力 润滑油压力 制动油液压力和变速传动油液压力等都需要进行监测 检测压力较低的进气歧管压力和大气压力时 一 般采用半导体压阻效应式或电感式传感器 检测压力较高的制动油液或变速传动油液压力时 一般采用 电阻应变计式传感器 压力传感器大多数都是测定压差 检测原理都是将压力的变化转换为电阻值的变 化 压阻效应 单晶硅材料受到应力作用后 其电阻率发生明显变化的现象 称为压阻效应 压阻式传感器特点 利用半导体硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器 具有灵敏度高 动态响应好 易于微型化和集成化等优点 因此目前广泛应用 进气歧管绝对压力传感器功用 通过检测节气门至进气歧管之间的进气压力来反映发动机的负荷状 况 并将负荷状况 压力信号 转变为电信号输入发动机电控单元 ECU 供 ECU 计算确定喷油时间 即 喷油量 和点火时间 结构 主要由硅膜片 真空室 混合集成电路 真空管接头 线束插头和壳体组成 安装位置 歧管压力传感器的安装位置比较灵活 只要能将进气歧管内的进气压力引入传感器的真 空管内 传感器就可安放在任何位置 测量空气流量的传感器性能比较 类型 性能 量板式涡流式热丝式与热膜式歧管压力式 模拟输出数字输出模拟输出模拟输出 输出方式 信号电压 US与进 气容积 QA成反比 QA 1 US 信号频率 f 与进气 容积 QA成正比 QA f 信号电压 US与进气质 量 QM的 4 次方根成正 比 US 4 M Q 信号电压 US与进气 歧管压力 P 成正比 US p 测量精度 3 3 3 3 响应特性差优优良 通道阻力大小很小很小 5 怠速稳定性好好好好 有无移动部件有无无无 进气温度修正需要需要不需要需要 大气压力修正需要需要不需要需要 系统控制精度中等高高低 成 本中等高中等低 综合评价良优优良 工作原理 硅膜片一面通真空室 另一面导入进气歧管压力 在歧管压力作用下 硅膜片就会产生 应力 在应力作用下 应变电阻的电阻率就会发生变化而引起阻值变化 电桥的平衡就被打破 当电桥 输入一定的电压或电流时 电桥的输出端就可得到变化的电压或电流 根据电压或电流的大小 就可计 算出歧管压力的高低 20 世纪 80 年代相继研制成功了卡门涡旋式 热线式和热膜式等空气流量传感器 量板式空气流量传 感器结构简单 价格便宜 可靠性好 在 20 世纪 70 年代的电控汽油喷射系统中广泛采用 体积大 安 装不便 急加速时响应特性差 进气阻力较大 需要进行大气压力和进气温度修正 热线式和热膜式流 量传感器能够直接测量空气气流的质量流量 避免了海拔高度变化引起测量误差 此外还具有响应速度 快 测量精度高等优点 所以应用广泛 四 热敏电阻式温度传感器 温度传感器功用 将被测对象的温度信号转变为电信号输入 ECU 以便 ECU 修正控制参数或判断被 测对象的热负荷状态 热敏电阻温度传感器优点 热敏电阻式温度传感器的突出优点是灵敏度高 响应特性好 结构简单 成本低廉 半导体的电阻随温度变化而改变 其对温度的灵敏度比金属材料高 可归为三类 电阻随温度的上 升而增大 电阻随温度的上升而减小及在某一临界温度下电阻值跃变 热敏电阻 热敏电阻就是利用半导体的这种温度特性制成 正温度系数热敏电阻 负温度系数热敏 电阻及电阻突变的热敏电阻 汽车采用负温度系数热敏电阻 冷却液温度传感器 进气温度传感器 排气温度传感器 燃油温度 传感器 五 节气门位置传感器 功用 将节气门开度 发动机负荷 大小转变为电信号输入发动机 ECU 以便 ECU 判别发动机工况 怠速 加速 减速 小负荷和大负荷等 并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间 在装备有电子控制自动变速器的汽车上 节气门位置传感器信号除输入发动机 ECU 之外 还要输入变速 器 ECU 作为确定变速器换挡时机和变矩器锁止时机的主要信号之一 分类 开关式节气门位置传感器和线性式节气门位置传感器 1 开关式节气门位置传感器 两对触点 开关式节气门位置传感器内有节气门全开和全闭两对触点 发动处于怠速工况时 全闭 怠速 触点接通 发动机处于高速或大负荷 节气门开度大于 50 时 全开触点接通 开关式节气门位置传感器无节气门中间开度信号输出 其检测性较差 2 线性式节气门位置传感器 相当于一个加设了怠速触点的滑片式电位器 测节气门位置滑片和测节气门全关 怠速 滑片都与 节气门联动 六 氧传感器 三元催化反应器的净化效果 在使用三元催化反应器的汽车发动机上 当混合气的浓度偏离理论空 燃比时 三元催化反应器对发动机排气中 HC CO NOX等有害成分的净化效果会急剧下降 6 功用 氧传感器 通过检测排气管中氧的含量 向电子控制器提供混合气空燃比反馈信号 使电子 控制器及时修正喷油量 将混合气浓度控制在理论空燃比附近 氧传感器类型 氧化锆式和氧化钛式 氧化锆式有非加热型和加热型两种 氧化钛式一般为加热型 传感器 由于实用的氧化钛式氧传感器价格便宜 且不易受到硅离子的腐蚀 因此越来越多的汽车采用 氧化钛式氧传感器 1 氧化锆式氧传感器 组成 主要由钢质护管 钢质壳体 锆管 加热元件 电极引线 防水护套和线束插头等组成 锆管形状 制成试管形状 以便氧离子能均匀扩散与渗透 在锆管的内 外表面都涂覆有一层金属 铂 Pt 作为电极 并用金属线与传感器信号输出端子连接 为了防止发动机排出的废气腐蚀外层铂电极 在外层铂电极表面还涂敷有一陶瓷保护层 锆管内 外表面 锆管内表面通大气 外表面通排气 铂的催化作用 在催化剂铂的作用下 当发动机排气中的 CO 与 O2接触时 就会生成 CO2无害气体 氧化锆陶瓷管的强度很低 并安装在排气管上承受排气压力冲击 为了防止锆管受排气压力冲击而 造成陶瓷管破碎 因此将锆管封装在钢质护管内 测量原理 当这些电解质的表面与内部之间氧气的浓度不同 即存在浓度差 时 氧气浓度高处的 氧离子就会向浓度低的一侧扩散 以求达到平衡状态 空气中的氧离子在某些固体电解质中容易通过 已经发现的具有多孔性的固体电解质材料有二氧化锆 ZrO2 氧化钍 ThO2 氧化铋 Bi2O3 氧化 铈 CeO2 等 当固体电解质表面设置集中用多孔电极之后 在其两个表面之间就可得到电动势 因此 将其称为 氧浓差电池 工作原理 传感器的固体电解质普遍使用二氧化锆 锆管内侧与氧离子浓度高的大气相通 外侧与 氧离子浓度低的排气相通 锆管外侧的氧离子随可燃混合气浓度变化而变化 当氧离子在锆管中扩散时 锆管内外表面之间的电位差将随可燃混合气浓度变化而变化 锆管相当于一个氧浓差电池 传感器的信 号源相当于一个可变电源 输出特性 当供给发动机的可燃混合气较浓时 排气中氧离子含量较少 CO 浓度较大 锆管内表面 与大气相通 氧离子浓度很大 因此锆管内 外表面之间的氧离子浓度差较大 两个铂电极之间的电位 差较高 约 0 9 V 在锆管外表面铂的催化作用下 氧离子几乎全与 CO 发生氧化反应生成 CO2 使外表 面上氧离子浓度为 0 当供给发动机的可燃混合气较稀时 排气中氧离子含量较多 CO 浓度较小 即使 CO 全部都与氧离子产生化学反应 锆管外表面上还是有多余的氧离子存在 锆管内 外表面之间氧离子 的浓度差较小 两个铂电极之间的电位差较低 约 0 1V 当空燃比接近于理论空燃比 14 7 时 排气中的 氧离子和 CO 含量都很少 由于氧离子浓度差急剧变化 因此 铂电极之间的电位差急剧变化 使传感器 输出电压从 0 9V 急剧变化到 0 1 V 在催化剂铂的作用下 氧离子与 CO 的化学反应从缺氧状态 CO 过剩 氧离子浓度为 0 急剧变化 为富氧状态 CO 为 0 氧离子过剩 电动势跃变 当可燃混合气浓时 如果没有铂的催化作用使氧离子浓度急剧减小到 0 那么在混合气 由浓变稀时 固体电解质两侧氧离子的浓度差将连续变化 传感器的电动势连续变化 即电动势不会出 现跃变现象 传感器定期更换 传感器必须定期 目前汽车每行驶 16 万 km 更换 在使用过程中 汽油和润滑 油硫化产生的硅酮等颗粒物质附着在铂电极表面上会导致铂电极逐渐失效 传感器内部端子处用于防水 的硅橡胶会逐渐污染内侧电极 2 氧化钛式氧传感器 结构 主要由二氧化钛传感元件 钢质壳体 加热元件和电极引线等组成 与氧化锆式氧传感器不 同的是 氧化钛式氧传感器不需要与大气压进行比较 因此传感元件的密封与防水十分方便 氧化钛传感元件有 芯片式和厚膜式 加热元件材料 用钨丝或陶瓷材料制成 加热目的 加热的目的是使传感元件二氧化钛温度保持恒定 从而使传感器的输出特性不受温度影 响 二氧化钛是一种多孔性的陶瓷材料 利用热传导方式对氧化钛传感元件直接进行加热 效率高 达 7 到激活温度 规定温度为 600 需要的时间短 对降低发动机刚起动后 HC 的排放量十分有利 测量原理 二氧化钛 Ti02 在室温下具有高电阻性 但其周围气体氧含量少时 Ti02中的氧分子将 逃逸使其晶格出现缺陷 电阻随之下降 利用这一特性可制成氧化钛型氧传感器 二氧化钛 TiO2 属 于 N 型半导体材料 其阻值大小取决于材料温度以及周围环境中氧离子的浓度 因此可以用来检测排气 中的氧离子浓度 工作原理 当可燃混合气浓时 由于燃烧不完全 排气中会剩余少量氧气 传感元件周围的氧离子 很少 二氧化钛呈现高阻状态 在铂的催化作用下 使剩余氧离子与排气中的 CO 产生化学反应 生成 CO2 将排气中的氧离子进一步消耗掉 从而提高了传感器的灵敏度 当混合气稀时 排气中氧离子含量 较多 传感元件周围的氧离子浓度较大 二氧化钛呈现低阻状态 氧化钛式氧传感器的电阻将在混合气 的空燃比约为 14 7 时产生突变 七 爆燃传感器 作用 用于监测发动机是否爆燃 当发动机出现爆燃时 传感器便产生相应的电信号 并输送给电 子控制器 电子控制器通过点火推迟的方法消除发动机爆燃 爆燃 爆燃是由于后期燃烧的混合气自燃所引起 因此在爆燃时 自燃区局部压力突升 并以极高 的速度向周围传播 这种压力波强迫气壁等零件振动 并产生高频的金属敲击声 爆燃不仅会导致发动 机输出功率降低 而且可能导致发动机损坏 爆燃的检测方法 发动机缸体的振动频率 燃烧室压力的变化和混合气燃烧的噪声 发动机缸体的振动频率 测量精度较高 传感器安装方便 一般都安装在缸体侧面 且输出电压较 高 因此 现代汽车广泛采用 燃烧室压力的变化 测量精度较高 但传感器安装困难 且耐久性较差 一般用于测量仪器 实际 应用的压力检测传感器均为间接检测式 混合气燃烧的噪声 非接触式检测 其耐久性较好 但测量精度和灵敏度较低 实际应用很少 按检测方式不同 可分为共振型与非共振型两种 按结构不同 可分为磁致伸缩式和压电式两种 通用和日产汽车采用了磁致伸缩式爆震传感器 共振型爆震传感器的显著特点是传感器的共振频率与发动机爆震的固有频率相匹配 因此 其内部 设有共振体 并且要使共振体的共振频率与爆震频率协调一致 其优点是输出电压高 不需要滤波器 信号处理比较方便 由于机械共振体的频率特性曲线尖且频带窄 因此 无法响应发动机结构变化引起 的爆震频率变化 换句话说 共振型爆震传感器只适用于特定的发动机 不能与其他发动机互换使用 装车自由度很小 美国通用和日本日产汽车采用的磁致伸缩式爆震传感器就属于共振型爆震传感器 非共振型爆震传感器的突出优点是适用于各种型号的发动机 装车自由度很大 但其输出电压较低 频率特性平坦且频带较宽 需要配用带通滤波器 即只允许特定频带的信号通过 对其他频率的信号进 行衰减的滤波器 带通滤波器一般由线圈和电容器组合而成 信号处理比较复杂 中国 日本和欧洲汽 车大都采用非共振型爆震传感器 1 压电式爆燃传感器 1 非共振型压电式爆燃传感器 结构 主要由套筒底座 压电元件 惯性配重 塑料壳体和接线插座等组成 压电元件是爆燃传感器的主要部件 由压电材料制成 制作成垫圈形状 在其两个侧面上安放有金 属垫圈作为电极 并用导线引到接线插座上 惯性配重与压电元件 压电元件与传感器套筒之间安放有绝缘垫圈 套筒中心制作有螺孔 用来传 递发动机振动产生的惯性力 传感器用螺栓安装固定在发动机缸体上 调整螺栓的拧紧力矩便可调整传感器输出的信号电压 注意 传感器的输出特性出厂时已经调好 使用中拧紧力矩不得随意调整 2 共振型爆震传感器 压电式爆燃传感器也可制作成共振型爆震传感器 其结构与非共振型基本相同 有所不同的是在壳 体内设有一个共振体 压电效应 某些晶体 如石英 酒石酸盐 食盐 糖 的薄片受到压力或机械振动之后产生电荷的 8 现象 当晶体受到外力作用时 在晶体的某两个表面上就会产生电荷 输出电压 当外力去掉时 晶体又 恢复到不带电状态 晶体受力产生的电荷量与外力大小成正比 工作原理 当发动机缸体产生振动时 传感器套筒底座及惯性配重随之产生振动 套筒底座和配重 的振动作用在压电元件上 压电元件的信号输出端就会输出与振动频率和振动强度有关的交变电压信号 试验证明 发动机爆燃产生的压力冲击波频率在 6 9kHz 之间时振动强度较大 所以信号电压较高 发 动机转速越高 信号电压幅值越大 输出信号与曲轴转角的关系 发动机爆燃是在活塞运行到压缩上止点前后产生 此时缸体振动强度 最大 所以爆燃传感器在活塞运行到压缩上止点前后产生的输出电压较高 2 磁致伸缩式爆燃传感器 结构 主要由感应线圈 伸缩杆 永久磁铁和壳体组成 传感线圈绕制在伸缩杆的周围 线圈两端 引出电极与控制线路连接 伸缩杆用高镍合金制成 在其一端设置有永久磁铁 另一端安放在弹性元件 上 工作原理 线圈中就会产生交变感应电动势 传感器就有信号电压输出 输出电压高低取决于发动 机的振动强度和振动频率 当发动机缸体产生振动时 传感器的伸缩杆就会随之振动 感应线圈中的磁 通量就会发生变化 传感器信号波形 当发动机缸体振动频率达到 6 9 kHz 时 传感器产生共振 振动强度最大 线圈 中产生的电压最高 3 压力检测式爆燃传感器 直接检测燃烧压力来检测发动机爆燃是测量精度最高的测量方法 但传感器安装困难且耐久性较差 汽车实用的是一种间接检测燃烧压力的方法 检测燃烧压力的传感器安装在火花塞垫圈下面 垫圈式爆燃传感器 传感器安装在火花塞垫圈与发动机气缸盖之间 燃烧压力作用到火花塞上 经 过火花塞垫圈再传递给传感器 作用力变化时 传感器信号电压随之变化 从而间接地测量燃烧压力 垫圈式爆燃传感器是一种非共振型压电效应式传感器 八 车速 车轮转速传感器 1 车速传感器 作用 车速传感器通过检测变速器输出轴转速 向燃油喷射控制 怠速控制 防抱死制动控制 自 动变速控制以及巡航控制等电控单元提供汽车行驶速度电信号 以便实现相应的控制功能 自动变速器中车速传感器作用 产生频率与车速成正比的信号电压 并输入 ECT ECU 作为确定变速 器换挡时机和变矩器锁止时机的主要信号之一 为了实现车速传感器失效保护功能 电控自动变速器上配装有主车速传感器和辅助车速传感器 两 个车速传感器的安装位置依车型而异 两个车速传感器安装位置 两个车速传感器均安装在自动变速器上 主车速传感器 No 2 安装在 变速器上 辅助车速传感器 No 1 安装在组合仪表盘内 两个车速传感器的工作状态 当两个车速传感器工作都正常时 电控单元只采用主车速传感器的脉 冲信号来控制换挡 当主车速传感器发生故障 其输出信号的频率或幅值超出正常值范围时 电控单元 将自动切换运行程序 采用辅助车速传感器信号控制换挡 如果两个车速传感器都发生故障 那么 电 控单元将停止自动换挡 主车速传感器 定子安装在变速器延伸壳体上 信号转子安装在变速器输出轴上 转子上的磁铁随 输出轴一同转动 从而使传感器定子中的舌簧开关产生频率与车速成正比的脉冲信号并输送到电控单元 舌簧开关式车速传感器 一般安装在车速表内 主要由舌簧开关和永磁转子组成 舌簧开关由一对 触点封装在玻璃管内构成 触点臂用磁性材料制成 永磁转子一般制成 N S 极相间排列的 4 个磁极 并 与车速表和变速器输出轴之间的钢缆连接 车速传感器工作原理 当开关触点仅受一个磁极作用时 上下两个触点臂中的磁力线方向相反 在 9 两个触点处将产生与转子磁极极性相反的磁极 因此触点在磁力作用下断开 当车速表钢缆随变速器输 出轴旋转时 永磁转子一同旋转 当开关触点处在两个磁极之间时 在同向磁力线作用下 上下两个触 点臂被磁化为两个极性不同的磁极 因此触点在磁力作用下闭合 舌簧开关式车速传感器工作原理 只要触点臂的固有振动频率大大高于磁极转动时磁极变换的频率 那么永磁转子每转一圈 舌簧开关就会开闭 4 次 即产生 4 个脉冲信号并输送到电控单元 脉冲信号频 率的高低 就反映了汽车行驶速度的快慢 2 车轮转速传感器 功用 车轮转速传感器向电子控制器提供反映车轮转速电信号 在防抱死制动控制 ABS 系统和 驱动防滑转控制 ASR 系统中 电子控制器根据此信号计算车轮角加速度或滑移率 滑转率 并据此 参数实现车轮防抱死 防滑转控制 磁感应车轮转速传感器 传感元件为静止部件 由永久磁铁 感应线圈和线束插头等组成 安装在 车轮附近的静止部件 如转向节 半轴套管 悬架构件等 上 信号转子由铁磁材料制成带齿的圆环 安装在与车轮一同转动的部件 如轮毂 半轴等 上 九 减速度传感器 功用 可称为加速度传感器 它用于检测汽车的减速度大小 并转换为电信号输入 ABS ECU 以便 判别路面状况并采取相应的控制措施 判断路面状况 汽车在高附着系数路面上制动时 减速度很大 在低附着系数路面上制动时 减速 度很小 ABS ECU 根据减速度传感器信号即可判断路面状况 当判定汽车是在附着系数很小的冰雪路面 上行驶时 就会按照低附着系数路面的控制方式进行控制 以提高制动性能 安装位置 依车而异 有的安装在行李舱内 有的安装在发动机舱内 1 光电式减速度传感器 功用 光电式减速度传感器由两只发光二极管 LED 两只光电三极管 一块透光板和信号处理电路 等组成 工作情况 汽车匀速行驶时 透光板静止不动 传感器无信号输出 当汽车减速时 透光板沿汽车 纵向摆动 工作原理 减速度大小不同 透光板摆动角度就不同 两只光电三极管 导通 与 截止 状态也 就不相同 减速度越大 透光板摆动角度越大 根据两只光电三极管的输出信号 就可将汽车减速度区分为 4 个等级 减速度率等级低减速率 1低减速率 2中等减速率高减速率 N0 1 三极管导通截止截止导通 N0 2 三极管导通导通截止截止 ABS ECU 接收到传感器信号后 就可判定出路面状况 从而采取相应的控制措施 2 水银式减速度传感器 结构 由玻璃管和水银组成 工作情况 当汽车在低附着系数路面上制动时 汽车减速度小 水银在玻璃管内基本不动 传感器 电路接通 ABS ECU 便按低附着系数路面上的控制程序控制制动系统工作 当汽车在高附着系数路面上 制动时 汽车减速度大 传感器玻璃管内的水银在惯性力作用下前移 传感器电路断开 ABS ECU 便按 高附着系数路面上的控制程序控制制动系统工作 横向加速度传感器及工作情况 水银式减速度传感器可以检测前 后或左 右两个方向的加 减速 度 因此可以用作横向加速度传感器 当汽车的横向加速度低于设定值时 水银在玻璃管内基本不动 传感器电路接通 向 ABS ECU 输入一个高电平信号 当汽车高速急转弯时 横向加速度超过设定值 水 银在惯性作用下移动 传感器电路断开 向 ABS ECU 输入一个低电平信号 3 差动变压器式减速度传感器 10 工作原理 汽车在正常行驶时 差动变压器铁心处于中心位置 变压器次级绕组产生相位相反的电 压 u1 u2其大小相同 变压器输出电压 u0为 0 当汽车制动时 在惯性力的作用下 差动变压器铁心移 动 使变压器次级绕组产生的 u1 u2一个增大 一个减小 变压器就会有输出电压 u0 与汽车的减速度 成正比的 u0 十 碰撞传感器 功用 碰撞传感器实际上是一种减速度传感器 其功用是将碰撞信号输入安全气囊系统和座椅安全 带收紧系统电控单元 SRS ECU 以便 SRS ECU 确定是否引爆气囊点火器和安全带收紧点火器 1 碰撞传感器分类 按用途不同 碰撞传感器可分为碰撞信号传感器和碰撞防护传感器两种类型 按结构不同 碰撞传 感器可分为机电结合式 水银开关式和电子式 3 种类型 碰撞信号传感器又称为碰撞烈度 激烈程度 传感器 安装在汽车左前与右前翼子板内侧 两侧前 照灯支架下面 发动机散热器 水箱 支架左 右两侧 左右仪表台下面等 碰撞防护传感器又称为安全传感器或保险传感器 简称防护传感器 一般都安装在 SRSECU 内部 防护传感器和碰撞信号传感器的结构原理完全相同 唯一区别在于设定的减速度阈值有所不同 换句话 说 一只碰撞传感器既可用作碰撞信号传感器 也可用作碰撞防护传感器 但是必须重新设定其减速度 阈值 设定减速度阈值的原则是碰撞防护传感器的减速度阈值比碰撞信号传感器的减速度阈值稍小 当 汽车以 35 km h 左右的速度撞到一辆静止或同样大小的汽车上或以 25 km h 左右的速度迎面撞到一个 不可变形的障碍物上时 减速度就会达到碰撞信号传感器设定的阈值 传感器就会动作 机电结合式是一种利用机械机构运动 滚动或转动 来控制电器触点动作 再由触点断开与闭合来 控制气囊点火器电路接通与切断的传感元件 常用的有滚球式 滚轴式和偏心锤式 3 种碰撞传感器 2 滚球式碰撞传感 结构 主要由铁质滚球 永久磁铁 导缸 固定触点和壳体等组成 两个触点分别与传感器引线端 子连接 滚球用来感测减速度大小 在导缸内可移动或滚动 壳体上印制有箭头标记 箭头方向与传感 器结构有关 因此 在安装传感器时 箭头方向必须符合使用说明书规定 工作原理 当传感器处于静止状态时 在永久磁铁磁力作用下 导缸内的滚球被吸向磁铁 两个触 点与滚球分离 传感器电路处于断开状态 当汽车遭受碰撞且减速度达到设定阈值时 滚球产生的惯性 力将大于永久磁铁的电磁吸力 在惯性力的作用下 滚球就会克服磁力沿导缸向两个固定触点运动并将 固定触点接通 当传感器用作碰撞信号传感器时 固定触点接通则将碰撞信号输入 SRS ECU 当传感器 用作碰撞防护传感器时 则将点火器电源电路接通 3 偏心锤式碰撞传感器 结构 主要由偏心锤 锤臂 转动触点臂 转动触点 固定触点 复位弹簧 挡块 壳体等组成 转子总成安装在传感器轴上 由偏心锤 转动触点臂 转动触点组成 偏心锤偏心地安装在偏心锤臂上 转动触点臂两端固定有触点 触点随触点臂一起转动 两个固定触点绝缘固定在传感器壳体上 并用导 线分别与传感器接线端子连接 工作原理 当传感器处于静止状态时 转子总成也处于静止状态 转动触点与固定触点分离 传感 器电路处于断开状态 当汽车遭受碰撞且减速度达到设定阈值时 转子总成在惯性力矩作用下克服弹簧 力矩沿逆时针方向转动一定角度 同时带动转动触点臂转动 使转动触点与固定触点接触 当传感器用作碰撞信号传感器时 转动触点与固定触点接触则将碰撞信号输入 SRS ECU 当传感器 用作碰撞防护传感器时 则将点火器电源电路接通 4 水银开关式碰撞传感器 结构 利用水银具有良好的导电特性而制成 主要由水银 壳体 电极和密封螺塞组成 工作原理 当传感器处于静止状态时 水银在其重力作用下处于静态位置 传感器的两个接线端子 处于断开状态 当汽车发生碰撞且减速度达到设定阈值时 水银产生的惯性力在其运动方向的分力将克 服其重力的分力而将水银抛向传感器电极 使两个电极接通 用作碰撞防护传感器 一般用作碰撞防护传感器 安装在 SRS ECU 内 当传感器的两个电极接通时 则将点火器电源电路接通 11 用作碰撞信号传感器 当传感器用作碰撞信号传感器时 两个电极接通则将碰撞信号输入 SRS ECU 十一 横摆率传感器 安装位置 横摆率传感器又称为偏航率传感器 或者横摆角加速度传感器 单独的横摆率传感器安 装在汽车行李厢内 后轴上部中央位置 并与汽车车身中心垂直轴线平行 侧向加速度传感器与横摆率 传感器集成在一起时 就安装在扶手处 功用 横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转 该偏转的大小代表汽车的稳定程度 如果偏转 角速度达到一个阈值 说明汽车发生测滑或者甩尾的危险工况 则触发 ESP 控制 横摆率传感器是反映后轮是否产生侧滑的关键部件 当横摆率传感器有信号输入 ECU 时 说明后轮 有侧滑现象 如果后轮向右侧滑时的横摆率传感器信号为正 则横摆率传感器信号为负时表示后轮向左 侧滑 十二 车身高度传感器 功用 用于监测车身相对于车桥的位移 电子控制器根据车身位移传感器输入的信号可计算得到车 身的位移和振动参数 结构 光电式车身位移传感器具有结构简单 定位准确等优点 因此在汽车上被广泛使用 主要由 光电耦合元件 遮光盘 壳体和防护盖等组成 安装 传感器轴通过连杆和拉紧螺栓与悬架臂连接 工作原理 当传感器轴转动时 就会带动固定在轴上的遮光盘一同转动 当遮光盘上的透光槽处于 发光二极管与光电三极管之间时 光电三极管导通 耦合元件输出低电平 0 0 0 3V 当遮光盘上 的透光槽不在发光二极管与光电三极管之间时 光电三极管截止 耦合元件输出高电平 1 4 7 5 0V 在汽车行驶过程中 车身高度传感器一般每隔 8ms 测定一次车身高度 当电子调节悬架系统电控单 元判定的结果需要调节车身高度时 立即发出控制指令 操纵高度控制开关和空气压缩机给空气弹簧充 气 使车身升高 或放气 使车身降低 从而将车身高度调节到规定值 高度调节范围一般为 10 30mm 从操纵高度控制开关到起动空气压缩机 或开始排气 约需 2s 时间 从压缩机开始充气 或开始排气 到完成高度调节需要 20 40s 时间 十三 转向盘转角传感器 功用 监测转向盘转动的角度和转动方向 1 光电式转向盘转角传感器 结构 传感器信号圆盘压装在转向轴上 在信号圆盘的圆周上制作有间隔距离相等 均匀排列的透 光孔 窄缝 主要由光电耦合元件 遮光圆盘 传感器壳体等组成 两组光电耦合元件由发光二极管和 光敏三极管组成 套装在信号圆盘两侧与透光孔 窄缝 配合工作 工作原理 电控单元根据两组光电耦合元件输出信号导通与截止变换的频率 即可计算出转向盘的 转动角度和速度 当透光槽转到发光二极管与光电三极管之间时 光电三极管导通 耦合元件输出低电 平 反之 当透光槽离开发光二极管与光电三极管时 光电三极管截止 耦合元件输出高电平 2 磁电式转向盘转角传感器 工作原理 当转向盘转动时 带动齿盘转动 齿盘的齿和齿隙交替通过铁心 使感应线圈产生交变 的感应电动势 电动势经传感器的信号处理电路放大 整流及整形后向电子控制器输出 电子控制器根 据传感器输入的脉冲确定转向盘的转角和方向 第三节 控制器 电子控制器通常被简称为 ECU Electric Control Unit 由硬件 软件 壳体和线束组成 软件主要包括监控程序和应用程序两部分 硬件为各种电子控制系统正常工作提供基础条件 12 一 输入电路 作用 将传感器 开关等各种形式的输入信号进行预处理 转换为计算机可接受的数字信号 1 缓冲器 作用 对单片机不能接受的数字信号进行预处理 以便单片机能够接收和运算处理 某些传感器的 输出信号虽为数字信号 但在输入单片机之前必须进行波形变换或滤波处理之后单片机才能接收 组成 缓冲器电路主要由整形电路 波形变换电路 限幅电路和滤波电路等组成 2 A D 转换器 功用 其功用是将模拟信号转换为数字信号 或将数字信号转换为模拟信号 模拟信号 是一个连续变化的电量 往往用信号电压的幅值来表示信息的量值 模拟信号需模数转 换器 A D 转化为相应的数字信息后才能被微机接受 A D 转换过程包括采样 量化 编码 模数转换 采样过程是 A D 转换器以一固定的时间间隔对连续变化的模拟信号进行扫描 取得一系 列离散的采样幅值 量化过程是通过舍入或去尾的方法将采样幅值变为一个有限有效数字的数 编码就 是将这些代表各采样幅值的有效数字变为二进制数 3 传感器电源 除了磁感应式传感器 氧化锆型氧传感器等传感器外 许多传感器需要有一个电压稳定的电源 各 传感器所需用的电源电压一般为 5V 由电子控制器内的稳压电路提供 对于象热敏电阻式传感器 如发动机温度传感器 进气温度传感器等 电位计式传感器 如节气门 位置传感器 电子控制器提供的电源电压还是信号的基准电压 因此 电源电压的波动将直接影响信号 的准确性 二 单片机 微机 作用 根据传感器经输入电路送来的信号 用存储器中的控制程序和数据进行运算处理后 输出控 制信号 并通过输出电路控制执行器 组成 主要由中央微处理器 CPU 存储器 输入输出接口 I O 总线等组成 1 中央微处理器 功用 中央微处理器简称 CPU 它在控制器控制脉冲的控制下 按其时钟脉冲的节拍自动协调地进 行数据的运算 寄存 传送等操作 CPU 是控制器的核心 包含有运算器 控制器 寄存器等 寄存器 用于暂时存储数据或程序指令 运算器 用于对数据进行算术运算和逻辑运算 汽车上各种电子控制系统 ECU 内部的数据运算与逻 辑判断都在这里进行 控制器 按照监控程序和应用程序使计算机各部分自动协调工作 2 存储器 功用 存储器是用来存储程序指令和数据的部件 组成 由许多具有记忆功能的存储电路构成的 每个记忆存储电路存储 1 个二进位信息 0 或 1 称为存锗器的存储位 Bit 每 8 个记忆存储电路构成存储器的一个基本单元 存储 8 位二进制信息 称 为存储字节 Byte 按读写操作原理可分为 只读存储器 ROM 随机存取存储器 RAM 按功能可分为 程序存储器 数据存储器 只读存储器 只读存储器 ROM 是一种一旦信息写入就不可更改 而只能读出的存储器 实质上 ROM 是一次性写入 可随机读出的存储器 一般说来 写入 ROM 的信息是在脱机状态下进行的 所记 录的信息不会由于断电而被破坏 也不会由于断电而丢失 在汽车电控系统中 ROM 用来存储制造厂家编制的控制程序 运行程序和原始试验数据 如喷射系 统最佳混合气的喷油三维脉谱图数据 最佳点火提前角三维脉谱图数据等 即使点火开关断开切断电源 ROM 中存储的这些信息也不会丢失 随机存储器 用于储存控制器工作过程中的运行数据 工作时随时可存入或读取信息 电源切断后 信息随即消失 自诊断系统的故障信息 故障码 和电子控制系统自适应学习修正参数也用 RAM 储存 13 储存故障和自适应修正信息需要在点火开关断开后仍然保留 因此电子控制器通常有一条不通过点火开 关控制的电源连接线 使得储存这些信息的 RAM 在点火开关断开时仍然保持通电 3 输入 输出接口 功用 输入 输出接口简称 I O 它是 CPU 与外部设备进行数据传送的纽带 在 CPU 与外围设备之间 起着数据的缓冲 电平和时序的匹配等多种作用 传感器经输入电路后通过输入接口与 CPU 连接 将信 息传递给 CPU CPU 通过输出接口经输出电路与执行器连接 实现对执行器的控制 4 总线 总线是微型计算机内部传递信息的连线电路 在单片机内部 CPU ROM RAM 与 I O 接口之间的 信息交换都是通过总线来实现 按传递信息不同总线可分为 数据总线 地址总线及控制总线 数据总线 主要用于传送数据与指令 数据总线的导线数与数据的位数一一对应 例如 16 位微机 数据总线就有 16 根导线 地址总线 用来传递地址数码 在微机内 各器件之间的通信主要是靠地址数码进行联系 例如 当需要存入或读出存储器中某个单元的