车辆电子控制技术(第一章车辆电子控制系统的基本组成及功能)

1、第一章第一章 车辆电子控制系统的车辆电子控制系统的 基本组成及功能基本组成及功能 本章内容本章内容: 1. 汽车控制系统的基本组成 2. 汽车各组成部分的功能1.1 汽车控制系统的基本组成 一个典型的车辆电子控制系统主要由被控对象、控制器（或调节器、校正器）、执行器、传感器四个部分组成。 传感器主要向控制器提供被控对象的状态信息。 执行器用于接受控制器的指令，对被控对象实施相应的操作。 控制器为汽车控制系统的核心，执行控制策略，发出控制指令。 (a) 外观 (b) 构成 图1.1 ECU的外观和构成 1传感器；2模拟信号；3输入回路；A/D转换器；5输出回路； 6执行元件；7微机； 8数字信号

2、；9ROM-RAM存储器 图1.2 电控汽油机燃油喷射系统图1.3 发动机电子控制系统框图图1.4 多点压力感应式汽油喷射系统总体结构框图 电源 压力调节器 燃油油箱 燃油滤清器 燃油泵 冷启动阀 空气滤清器 空气滤清器 电子控制器(ECU) 水温传感器 压力传感器 触发脉冲 节气门开关 点火线圈 分电器 火花塞 发动机 进气道 喷射阀 温度时间开关 压力信号处理电路上止点及转速信号处理电路单片机8031系统INT1INT0T0P1.0P3.3P3.2光电耦合电路无触点点火电路光纤压力传感器火花塞转速传感器微机控制点火系统原理图图图1.5 用用8031单片机控制的点火闭环控制系统单片机控制的点

3、火闭环控制系统图图1.6 电子节气门闭环控制系统电子节气门闭环控制系统 控制器分为模拟信号控制器和数字信号控制器两大类。 模拟信号控制器是由模拟电路构成的不需要控制软件的控制器，传感器的输出信号（模拟信号）不需要进行A/D转换，可直接输入控制器，控制器输出信号也不需作D/A转换，直接送入执行器； 数字信号控制器实际就是微机控制器，它由硬件电路和控制软件组成，输入信号和输出信号均需要通过A/D或D/A转换后才能完成相应的信息处理和操作控制。1.2 汽车控制器的分类图图1.7 汽车发动机综合控制系统汽车发动机综合控制系统图图1.8 柴油发动机电子控制单元柴油发动机电子控制单元图图1.9 发动机电子

4、控制单元发动机电子控制单元图图1.10 混合动力汽车电子控制单元混合动力汽车电子控制单元1.3 车辆传感器的类型、原理及结构 温度传感器 压力传感器 位置与角度传感器 速度与加速度传感器 空气流量传感器 振动传感器 气体浓度传感器1.4 车辆执行器的类型及基本组成电气式执行器电液式执行器(3) 气压式执行器图1.20 电磁喷油(执行)器顺序喷射的控制电路图1.55 电磁喷油器结构 1滤网； 2电接头； 3磁化线圈； 4回位弹簧； 5衔铁； 6针阀； 7轴针； 8密封圈图1.61 电磁（喷油）执行器电流驱动回路 图1.43 滚柱式电动汽油泵（电机执行器）结构示意图 1安全阀；2滚柱泵；3驱动电动

5、机； 4单向阀； A进油口；B出油口附1：车载电源系统 蓄电池与发电机组成了车载电源系统，其电路如图所示。发电机和蓄电池是该系统中的两个重要电器装置。调节器A+发电机+蓄电池用电设备电流表起动开关起动机附附2 2： 交流发电机及调节器交流发电机及调节器Alternator and Voltage Regulator问题：（一）交流发电机工作原理是怎样的？（二）交流发电机输出电压的恒定是如何实现的？（三）电压调节器的工作原理如何？结构： 转子 （磁极） 三相交流发电机发电机 定子 （电枢） 总成 负二极管（三只）装于发电机后端盖上 硅整流器 正二极管（三只）装于元件板上 转子两块爪极构成六对N、

6、S交错的磁极，上有激磁线圈，通 过滑环、碳刷供电。 定子（电枢）由三组圈数相等的绕组构成，产生三相交流电。交流发电机的工作原理交流发电机的工作原理Operating Principle of Battery一、发电原理： 旋转磁场使固定的电枢绕组切割磁力线（或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生改变）而产生电动势。 交流发电机三个电枢绕组中的感应电动势彼此相差120电角度，即： 其中：Em每相电动势最大值 E每相电动势的有效值 电角速度， =2f )34tSin(E2)240tSin(Ee)32tSin(E2)120tSin(EetSinE2tSinEemCmBmA 而 感应电动势频率 f 为发电

7、机转速的函数，即 f = P n/60 = n/10 （一般P=6（对） P 磁极对数， n 发电机转速 绕组常数 每相绕组匝数 每极磁通 E =4.44 K f N （V） 将 f 代入上式，可得：nCnN60PK4.44EnCnC2E2Em 交流电的幅值也是发电机转速的函数。因此，当转速n变化时，三相电动势的波形为变频率变振幅的交流电波形。三相交流发电机的两种接法：（1） 星形接法；（2） 三角形接法。二、整流原理（三相桥式整流原理）二极管的箝位作用：+2V+8V+5V+3V-3V-7V-9V-1V上列二极管中都有电流流过否？即：2 只以上的二极管，当负极端相联时，正极端电位最高者导通；当

8、正极端相联时，负极端电位最低者导通。+2V+8V+5V+3V-3V-7V-9V-1V整流时二极管导通条件整流时二极管导通条件： （1）对于三个正极管子（D1 D3 D5): 在某瞬时，哪一相电压最高，那一相的正极管便导通。 （2）对于三个负极管子（D2 D4 D6): 在某瞬时，电压最低的那一相的负极管导通。 注：同时导通的管子总是两个，正负管子各一个。 加在负载RL两端的电压总为线电压。 整流过程的分析整流过程的分析： U 三相桥式整流电路如右图所示：D1D4D1D6D3D6D3D2D5D2D5D4D1D4VA-VBVA-VCVB-VCVB-VAVC-VAVC-VBVA-VB 尽管发电机各相

9、电压是交变的，但由于硅二极管的单向导电作用，从而在负载两端获得一个较平稳的直流脉动电压（波形如前所示）。输出电压平均值输出电压平均值： u = uRL= 2.34U = 1.35UL其中： U 相电压有效值 UL 线电压有效值交流发电机的激磁方式交流发电机的激磁方式 自激交流发电机自身发的电供给磁场线 圈生磁。 他激由蓄电池或别的电源供电给磁场线 圈生磁。交流发电机的激磁方式为： 低速下，他激；中、高速下，自激。电压调节器电压调节器Electromagnetic Regulator两个问题：1、为什么需要电压调节器？ E=Cn2、如何来实现调节输出直流电压的恒定呢？电压调节器的种类： 单极振动

10、式电压调节器 电磁振动式电压调节器 电压 双级电磁振动式调节器调节器 分离电子元件式电压调节器 电子式电压调节器 集成电路式电压调节器电子电压调节器电子电压调节器Electronic Regulator一、预备知识 1、稳压管的特性：稳压管的特性符号：VzVz稳定电压值稳压管普通二极管2、晶体三极管的开关特性 三极管的两种结构形式PNP型和NPN型PPNbcebceC结E结bcePNP型PNbcebceC结E结bceNPN型NC结E结C结E结三极管的开关特性放大区饱和区截止区Ib=0Ib=20Ib=40Ib=60Ib=80AVCEIc 若能使三极管在截止区和饱和区交替工作，则它具有开关特性。

11、截止条件： C结反向偏置，结反向偏置，E结也反结也反向偏置。向偏置。 或者，或者，Ib=0 。 饱和条件： C结和结和E结都处于正向结都处于正向偏置。偏置。 注意：注意：如果如果Ib0 ，则则IC存在，三极管工作于放大区。存在，三极管工作于放大区。二、晶体三极管调节器的基本电路由分压公式有： 在回路ACb1e1A中，由回路电压法有： VACVw+Vb1e1=0URRRVRRRVABAC211211VwVb1e1VACb1e1c1b2e2c2U即： VAC=VWVb1e1VW所以有VwVb1e1VACb1e1c1b2e2c2URRRVW211 设计时，恰当选取R1和R2的阻值，使U达到电压调节值

12、时，Vw也正好达到稳压管的反向击穿电压值。工作原理分析工作原理分析：当U调节电压时UIb1=0Ic2IfLIb2eL当U调节电压值时VwVb1e1VACb1e1c1b2e2c2UIb1Ic1IfLeL工作原理分析小结：1、当 U调节电压时, VWDW的击穿电压，DW不导通，Ib1=0，T1管截止，Ic1e10（c1和e1间不导通），而Ib20，T2的E结正向偏置，Ic2增加，在激磁线圈中产生与dIf/dt相反的自感电动势eL，eL加于T2的C2极与R3之间，使c2电位高于b2的电位，导致结处于正向偏置，T管饱和导通。激磁电流If的流向：电源“” T的和电源“”。2、当 U=调节电压时，VW=

13、DW的击穿电压, Ib1由0，T1的E结正向偏置，Ic1亦由0 ，流过 R3的电流，c1点电位T1的c1和e1的电位接近T1饱和导通。同时使 Ib2= 0（或Vb2c2=0），故 T2截止。激磁电流 If0，U。 3、当U且调节电压时，重复1的过程电子电压调节控制原理框图控制对象测量部分执行部分比较器测量参数控制参数比较标准发电机（输出电压）（激磁电流）电子电压调节控制原理框图控制对象测量部分执行部分比较器测量参数控制参数R1和R2及DW构成的分压电路比较标准T1和T2DW的击穿电压发电机（输出电压）（激磁电流）对电子电压调节器基本电路的改进：电子电压调节器的其它实用电路：概述概述一、点火系分

14、类一、点火系分类： 传统点火系 蓄电池点火系 电子点火系 微电脑点火系 磁电机点火系二、对点火系统的基本要求：二、对点火系统的基本要求： 1、足够的点火电压：1800020000伏 实验知：满负荷、低转速时需800010000伏，起动时需17000伏， 考虑到应留有储备量，一般取1800020000伏。点火电压太低，点火可靠性差；太高，则绝缘困难，成本提高，故 V最大30000伏。 2、足够的火花能量： 50mJ（毫焦耳） 火花能量 = 跳火时火花塞电极间的平均电压跳火平均电流跳火持续时间 附附3 3：点火系点火系 ( Ignition System ) 3、点火时刻最佳：即适应发动机的各种工

15、况，自动调节点火时刻，使发动机功率最大，油耗最低。 最佳的点火提前角（即获得Nmax，gemin时的点火提前角）： 最佳是能使燃烧最大压力出现在活塞运动到上止点后的12 15 的点火提前角。A、转速n ，最佳点火提前角。因缸内的混合气燃烧速率不变，而活塞运动同样距离的时间缩短。B、负荷（即油门开度），吸入缸内的混合气量增多，压缩终了压力和温度增高，燃烧速度，故要求最佳。C、汽油辛烷值低，应适当减小点火提前角，否则，易形成爆燃。三、实现点火高压的理论基础三、实现点火高压的理论基础 eL=L di/dt控制di/dt，便可控制eL，di/dt ，eL ，点火电压。 传统点火系传统点火系 (Conv

16、entional Ignition System) 一、组成和各元件的作用组成和各元件的作用：i2ASWKQ153624ci1i1i1i2i2emRL1L2+-+-1、点火线圈(Ignition Coil) ：储能和将低压电变为高压电；2、断电器(Contact Breaker) ：接通和切断点火线圈初级电流i1；3、配电器(Distributor Rotor) ：将点火线圈次级高压按规定的发火 次序分配给各缸火花塞；4、电容器(Condenser) ：减小断电器触点火花，减小低压回路的能 量损失，使次级电压提高；5、火花塞(Spark Plug) ：产生高压放电火花，点燃混合气；6、附加电阻

17、(Ballast Resistor) ：自动调节初级电流；7、附加电阻短接开关：起动时，短接附加电阻R，增大点火能量;8、点火开关(Ignition Switch) ：接通初级电路。点火电路分为低压回路低压回路和高压回路高压回路两个部分。分电器盖分电器盖分火头分火头电容器电容器真空提前角真空提前角调节装置调节装置断电器断电器配电器配电器 构造：构造：分火头分火头( ( 制有铜质导电片制有铜质导电片）分电器盖等分电器盖等( ( 制有旁插孔制有旁插孔) )中心电极及带弹簧的炭精柱中心电极及带弹簧的炭精柱分火头分火头旁电极旁电极分电器盖分电器盖断电器断电器 功用功用 接通和切断初级绕组的电路，使其电

18、流发生变化，以便在次接通和切断初级绕组的电路，使其电流发生变化，以便在次 级绕组中级绕组中 产生高压产生高压 电。电。 构造构造固定底板固定底板壳体壳体活动底板活动底板偏心偏心螺钉螺钉固定固定触点触点接线柱接线柱活动触点活动触点凸轮凸轮弹簧片弹簧片真空提前真空提前调节机构调节机构弹簧弹簧点火线路简图点火线路简图二、工作原理：二、工作原理：ASWKQ153624ci1i1i1i2i2emRL1L2+-+-三、传统点火系工作过程分析三、传统点火系工作过程分析 从传统点火系的工作原理分析知,其工作过程分为三个阶段： （1）触点闭合，初级电流增长阶段； （2）触点打开，次级绕组产生高压； （3）火花塞

19、电极处火花放电。下面对各阶段作深入的研究：1、触点闭合，初级电流增长的过程、触点闭合，初级电流增长的过程磁场储能阶段磁场储能阶段由回路电压法有： UB-eL-i1R = 0 （A）其中：R=R1+Rf eL= L (di1/dt) R1初级绕组的电阻 L初级绕组的电感i1UBeLRfKCN1R1代入（A）式得：解上述i1的微分方程，并注意到零初始条件（t=0，i1=0）得到：可见：触点闭合时，初级电流按指数规律增长，并逐渐趋于极限UB/R 。其初级电流增长曲线见右图所示。0dd11URitiLB)1(1eitLRBRUUB/Rti1tB断开断开闭合IpImax初级电流的增长规律也可用“三要素法

20、”来推导： 三要素：三要素： i1(0+) = 0 ; i1() = UB/(R1+Rf) = UB /R; = L/ (R1+Rf) =L/R将三要素代入下式： i1 (t) = i1() + i1(0+) i1() e t/可得： i1 (t) = （UB /R）+ 0 UB /R e (R/L) t = （UB /R）1 e (R/L) t 此阶段的实质是：电能磁场能（储存）。显然，tb，i1，但i1UB/R，即i1的最大值由初级回路电参数决定。 此期间，由于点火线圈的初级有电流变化，产生自感电势，次级也产生互感电势，但该电动势较小，约152KV，为点火电压的1/10，故不能击穿火花塞间

21、隙。2、触点打开，次级绕组产生高压、触点打开，次级绕组产生高压磁场能转变电场能磁场能转变电场能 经过tb时间后， i1为Ip，Ip也是触点打开瞬间的电流，故称之为初级断电电流，其值为： 磁场能： Wp=1/2（LIp2） （J） 断电器触点打开瞬间， i1迅速0，di1/dt较大，在点火线圈的初级产生约200300伏的自感电动势。通过互感变压作用，在次级中产生1800020000伏的自感电势。)1(etRUIBLRBp 高压点火线圈中的次级电压U2的变化规律如下图所示：i1i2U2ttt断开断开闭合IptbU2max电容放电电感放电电容放电电感放电若考虑热能损失，可用系数表示， =0.750.

22、85故可见：U2maxIp，而随C1、C2而。ccNNLIUp2211max2)(ccNNLIUp2211max2)(3、火花塞电极间火花放电阶段：、火花塞电极间火花放电阶段： 实际由于火花的产生，使U2U2max，当U2达到Uj时便击穿点火。火花放电由“电容放电”和“电感放电”两部分构成。电容放电电容放电指火花间隙被击穿时，储存C2中的能量迅速放出，维持火花的过程。 特点是：放电时间短(1s)，放电电流大（数十安培）。电感放电电感放电火花间隙被击穿后，线圈磁场的剩余能量沿电离的火花间隙缓慢放电，形成火花尾的过程。 特点是：t放长，I放较小（约几十毫安）。 4点火提前角调节装置点火提前角调节装

23、置 自动调节装置：离心式点火提前调节装置自动调节装置：离心式点火提前调节装置 真空式点火提前调节装置真空式点火提前调节装置 电子点火系电子点火系(Electronic Ignition System )一、概述一、概述：1、传统点火系存在的问题传统点火系存在的问题（1）触点容易烧蚀；（2）触点臂顶点凸轮磨损严重，造成触点间隙变化，点火不稳；（3）火花能量较低；（4）高速时次级高压下降；（5）对火花塞积炭和污染敏感。2、电子点火系的分类电子点火系的分类： 有触点式（又称电子辅助点火系统） 磁感应式（磁脉冲式） 电感式 无触点式 光电式按储能方式分 电磁振荡式 霍尔效应式 电容放电式 有触点式 无

24、触点式二、无触点电感式电子点火系统二、无触点电感式电子点火系统 (Breakeless Ignition System ) 前面已述，有触点式辅助点火装置的点火信号仍由断电器触发，因此，磨损仍存在，无触点式点火装置就是针对这种情况进行改进，用非接触式信号发生器代替接触式信号发生器。1、磁感应式（磁脉冲式）磁感应式（磁脉冲式）Magnetic Pulse Ignition System 该装置由以下几部分组成： （1）点火信号发生器 （2）点火器（包括直流放大器、整形及开关电路） （3）分电器 （4）点火线圈 （5）火花塞 其电路如下：R1R2R4R3R5R6RfR7T1T2T3T4T5N1N2

25、Z4Z1Z2C1C2Z3SWABUAB至配电器12V点火信号发生器+-SN （1）点火信号发生器工作原理）点火信号发生器工作原理 e = N (d/dt) （楞次定律）NSABNSAB+(d/dt)0(d/dt)0* 公式公式 e = N (d/dt)与与 eL = L (di/dt)之间的关系之间的关系： 由线圈电感量定义式 L = N /i = sN 2/l有 =( L/N )i 两边微分，得 d=( L/N )di代入 e = N (d/dt)式，便有 eL = L(di/dt)点火信号发生器的信号输出电压：点火信号发生器的信号输出电压： 由e = N (d/dt)可绘出点火信号发生器的

26、信号输出电压波形图：tte(UAB)tte(UAB)转速n上升max不随n变e 随n上升而增大+（2）点火器的工作原理点火器的工作原理 T1管接成二极管使用，起温度补偿作用（具有负的温度系数）；采用三极管作温度补偿二极管用是为了获得与T2管相同的温度系数。R1R2T1T2Z1Z2C1C2Z3AUABecbbcecbT1在回路PABFDP中： 因 UABUBET2 +UBCT1 = 0 故 UP= UBCT1 + UAB =UBET2而T1管导通的条件： P点电位点电位A点电位点电位设T2的导通电压为UBE（即：T2导通时，发射结间正向电压），则有T2导通条件：UBET2UBE ； T2为触发管，T3、T4为开关控制信号放大管，T5为开关管（大功率）。（a）T2断（截止）T3通T4断T5断（点火初级无电流）；（b） T2通T3断T4通T5通（点火初级有电流）；可见：T2断断 T5断断 ， T2 通通 T5通通UABR1R2T1T2Z1Z2C1C2Z3ABPDFUBCT1UBET2+12V点火信号电压与点火信号电压