汽车电子学的翻译.doc

传感器和执行器上一个章节介绍了在电子控制系统中两个重要的组成部分，分别是传感器和执行器。这章要介绍的是普及在现代汽车中传感器和执行器的使用方法。重点在于传感器和执行器在动力传动机构(即引擎和变速器)方面的应用。因为这些系统通常采用这种设备的数量最多。另外，本章也会讨论在现代汽车中出现在其它子系统中的传感器。在任意的控制系统中，传感器提供重要设备变量的测量值，该数据格式适合于单片机。同样地，执行器是电动操作设备，通过调节设备的输出从而直接控制其输出。举例来说，正如我们所看到的一样，燃料注射器是电驱动执行器，通过调节引擎燃油流量从而控制引擎的控制系统。回顾第二章的内容，从根本上讲，电子控制系统所采用的设备变量的测量值被反馈系统所控制。所测得的变量值与理想的变量值相比较产生了一个误差信号。电子控制器产生输出信号，作为设备的输入端。以这样的方式使误差变为0。通过整本书剩余的部分，汽车电子中有许多的例子可以证明在每一个子系统中都有电子控制。现代汽车电子控制系统凭借微处理控制器（第四章有介绍）使得几乎所有的控制功能都得以实现。这里的每一个子系统都需要一个或多个传感器和执行器以方便操作。传感器和执行器在汽车控制系统中的应用在控制系统的应用中，传感器和执行器在许多情况下都作为确保系统性能的关键部件。这在汽车控制系统的应用中非常适用。适当的传感器和执行器能满足控制系统和功能类型两方面的设计要求。传感器和执行器只能设计成控制系统并不总是设计师想要的，因为理想的装置在商业上的成本很高。由于这个原因，所以经常用专用的信号处理器或接口电路，或者在控制系统硬件方面采用特殊的设计方式以适应现有的传感器和执行器。然而，由于汽车控制系统在生产运行方面存在巨大的潜力，通常是值得为某一特定应用程序研制一种传感器，即使它可能是一个花费很长时间并且昂贵的研究项目。虽然在汽车子系统的操作过程中伴随有传感器和执行器，我们还是开始为我们的讨论进行一次有关动力传动控制方面的调查。这种对引擎控制传感器和执行器的讨论有利于对测量变量（传感器）和控制变量（执行器）的回顾。图6.1是一个典型的代表框图，它说明了在引擎的电控系统中大多数的传感器都是被用在引擎控制上的。油门的位置能被油门位置传感器（TPS）检测到，它能直接调节进入引擎的空气流量，从而控制引擎的输出功率。一套燃料注射器（为每个气缸）为相应汽缸提供足够的燃料以保证在进气行程过程中控制引擎电子控制器。燃油喷嘴，正如所示的那样，是一个重要的制动器，目前被广泛用于汽车电子方面。点火控制系统的每一个火花塞都能在合适的时间里控制引擎电子控制器。汽车排放的尾气循环（EGR）被另一台引擎控制其排放。所有关键引擎的控制功能都是由各种传感器以一个恰当的形式连接到引擎上的。引擎控制器根据这些输入信号为执行器计算出输出信号。我们先考虑输入（传感器）控制系统，然后再讨论输出（执行器）控制系统。图6.1测量变量对于任意给定的引擎所设置的变量都能被相关的引擎控制结构所检测到。由于空间限制，这本书对于所有车型的引擎电控系统与传感器和执行器的选择的调查有一定的局限性。然而，在本章中所提到的这些，它可能是回顾一个超集传感器并呈现一个实际数字控制结构的典型例子，这是为下一章节做铺垫。引擎控制过程中能够检测到的变量的超集如下：1. 空气质量流量比率（MAF）2. 尾气氧浓度（可能是热的）3. 节流板角位置4. 曲轴角位置转/分5. 冷却剂温度6. 进气温度7. 歧管绝对压力（MAP）8. 差动排气压力9. 车速度10. 变速箱齿轮位置选择除了上述变量的测量，引擎控制车辆状况的检测是由一组开关完成的。这些开关包括以下几个：1. 空调离合器2. 刹车开关3. 敞开油门4. 关闭油门空气流量传感器在第五章中，我们得出既要正确运转电子控制引擎，又要按照政府规定的废气排放要求测量进入引擎的空气质量流量（室）。大多数的汽车厂商自90年代初期开始生产比较简单廉价的空气质量流量传感器（MAF）。它通常是安装在尾气净化器中，它的工作原理是让空气流进进气歧管。这是一个简单的包装，仅由一个单传感器组成，其中包括固态电子信号处理。在操作过程中，空气质量流量传感器在空气质量流量室中产生一个近似线性的连续信号。空气质量流量传感器是一种经典的空气流量传感器，被称为热线风速仪并使用。举例来说，它可以为预测天气而测量风速。在空气质量流量过程中，它的热线，传感元件等被一个安装在基片上的热膜结构所取代。在进气口一侧安装的是一个蜂窝流直器，它的作用是平滑气流（造成表面层的空气流量超过薄膜元件），较低部分的结构是信号处理电路。薄膜元件加热到一定温度以上才能进空气，后者的空气温度必须用空气温度传感器才能检测到（稍后解释这一章）。热膜元件被纳入一个惠斯通电桥电路中（图6.2a），桥电路的电源来自一个放大器。图6.2a惠斯通电桥是由三个固定电阻R1，R2，R3和有电阻的热膜元件RHW组成。如果没有空气流过，电阻R1，R2，R3，则电压Va，Vb相等（即是说电桥平衡）。当空气流经热膜，膜上的热量被流动的空气带走。大量的热量带走不同比例的空气质量流量，膜上的热损失在空气中往往会造成薄膜的电阻不同，造成电桥电路的不平衡，从而使放大器产生输入电压。放大器的输出端连接到电桥并为电路提供电源。用放大电压改变电阻的方式保持一个相对于入口温度的热膜温度。放大器输出电压Vc的变化是对空气质量流量的衡量。通常，将空气质量流量转换成电压是略非线性的，就像图6.2b中所描绘的刻度曲线。幸运的是，现代数字引擎控制器可以模拟电桥输出电压直接对空气质量流量进行简单的计算。在第七章中有一个关于数字引擎的讨论，它有利于模拟传感器电压的数字格式和传感器中固态电子之间的转换。这种方便的转换不需要数字模拟转换器，因为数字模拟转换器很贵（见第四章）。图6.2b电压频率(v/f)转换器是一种为了将模拟输出电压转换成数字信号使用的结构。该电路是一个可变频率振荡器，即频率f与输出电压v的比值（这种情况下放大器的输出电压）。变频输出电压vf必须通过一个电子门才能被应用，而电子门就是一个电动开关。控制电路（也有部分固态电子传感器）在一个固定的时间间隔t内反复闭合开关，然后形成另一个时间间隔。在第一次时间间隔内变频信号通过变频电路连接到一个二进制计数器上（见第三章）。二进制计数器记录的是瞬时频率的变频，它与放大器的输出电压vf成正比，这个式子倒过来就是空气质量流量率。在电子门的每个周期内，二进制计数器都包含了一个二进制数的变频频率和时间间隔。例如，如果空气质量流量使得变频频率以1000周期/秒在一秒内被开关关闭，那么，这个二进制计数器包含与二进制数等价的十进制数100（即，1000x1=100）。如果空气质量流量增加，那么变频频率就是是1500周期/秒，然后二进制计数器记录的二进制数将等于150。用数学用语说的话就是二进制计数器的计数是由等效二进制数构成：B=ft。其中，B为二进制计数器计数，f为变频频率，t是关闭电子门的时间。在引擎控制器读取二进制计数时，计数器被重置为零，准备下一次计数。在实际操作过程中，重复测量频率是为了控制数字引擎的