机电一体化技术在汽车中的应用探究

-1-机电一体化技术在汽车中的应用探究摘要：从机电一体化的含义着手，结合机电一体化的发展状况及其核心技术，从发动机微机控制系统、汽车激光雷达自动防撞微机控制系统、电子控制的自动变速器、ABS系统几个方面分析了机电一体化技术在汽车中的应用，并对机电一体化技术发展前景进行了展望。关键词：机电一体化技术；汽车应用；技术分析；发展趋势1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。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。目前机电一体化的研究和开发主要包括计算机数控系统、机器人、计算机辅助设计／辅助制造系统、柔性制造系统和计算机集成制造系统等。机电一体化产品和系统的特点是产品和系统功能的实现是机构中所有部分功能共同作用的结果，这与传统机电设备中机械与电子系统相对独立，可以分别工作具有本质的区别。2机电一体化设计的关键技术机电一体化产品是由多种技术以及相关的组成部分构成的综合体，而机电一体化技术是由多种技术相互交叉、相互渗透形成的一门综合性边缘技术，它所涉及的技术领域非常广泛。概括起来，机电一体化设计的关键技术包括下述6个方面。2.1精密机械技术机械技术是机电一体化技术的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来得以实现。在机械传动和控制与电子技术相互结合的过程中，对机械技术提出了更高的要求，如传动的精密性和精确度的要求与传统机械技术相比有了很大的提高。在机械系统技术中，新材料、新工艺、新原理以及新结构等方面在不断地发展和完善，以满足机电一体化产品对缩小体积、减轻重量、提高刚度以及改善工作性能等方面的要求。2.2信息处理技术信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程中各种参数和状态以及自动控制有关的信息的交换、存取、运算、判断和决策分析等。在机电一体化产品中，实现信息处理技术的主要工具是计算机。计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电一体化产品的运行，因此，计算机应用及其信息处理技术是机电一体化技术中最关键的技术，它包括目前广泛研究并得到实际应用的人工智能技术、专家系统技术以及神经网络技术等。2.3检测与传感器技术在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。机电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大和输送及转换。2.4自动控制技术机电一体化产品中的自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、校正、补偿等。机电一体化产品中自动控制功能的不断扩大，使产品的精度和-2-效率都在迅速提高。通过自动控制，机电一体化产品在工作过程中能及时发现故障，并自动实施切换，减少了停机时间，使设备的有效利用率提高。由于计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术结合在一起，它已成为机电一体化技术中十分重要的关键技术。该技术的难点在于现代控制理论的工程化和实用化，控制过程中边界条件的确定，优化控制模型的建立以及抗干扰等。2.5伺服驱动技术伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多为电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过接口电路与计算机相联，接受控制系统的指令，另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相联，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。2.6系统总体技术系统总体技术是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的功能技术方案。系统总体技术的主要目的是在机电一体化产品各组成部分的技术成熟、组件的性能和可靠性良好的基础上，通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保证产品实现经济、可靠、高效率和操作方便等。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。3汽车机电一体化技术的发展状况社会的需求、技术的进步以及法规的推动，使汽车采用了机电一体化技术，并快速发展。在法规方面，如最早的安全法规，以及随后的噪声、尾气排放和燃油的经济性等法规的推出，强制地推动了电子技术在汽车上的广泛应用，使许多机械控制系统被电子控制系统所代替，并形成了汽车机电一体化发展的3个阶段。（1）第1阶段：20世纪60年代中期到20世纪70年代末期。从20世纪60年代中期到20世纪70年代末期，主要是应用电子装置改善部分机械性能，如电子控制燃油喷射和硅整流发电机等。（2）第2阶段：20世纪70年代末期到20世纪90年代中期。从20世纪70年代末期到20世纪90年代中期，在汽车的设计制造中，体现出机电一体化的思想和技术。大规模集成电路得到广泛应用，并解决了机械部件无法解决的复杂自动控制问题，增加了可靠性。（3）第3阶段：20世纪90年代中期到现在。从20世纪90年代中期到现在，随着微电子技术的快速发展，及与汽车工业的紧密相连，汽车机电一体化技术已发展成熟，强调了整体的机电一体化协调匹配设计思想，开始广泛应用计算机网络技术和信息技术，使汽车更加自动化、智能化。随着微电子技术和传感器技术的应用，汽车的机电一体化使汽车焕然一新。当今对汽车的控制已由发动机扩大到全车，例如实现自动变速换挡、防滑制动、雷达防碰撞、自动调整车高、全自动空调、自动故障诊断及自动驾驶等。汽车的机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制改善汽车的性能、增加汽车的功能，实现汽车降低油耗、减少排气污染、提高汽车行驶的安全性、可靠性、操作方便和舒适性。汽车行驶控制的重点是：1）汽车发动机的正时点火、燃油喷射、空燃比和废气再循环的控制，使燃烧充分、减少污染、节省能源；2）汽车行驶中的自动变速和排气净化控制，以使其行驶状态达到最佳化；3）汽车的防滑制动、防碰撞，以提高行驶的安全性；4）汽车的自动空调、自动调整车高控制，以提高其舒适件。4机电一体化技术在汽车中的应用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-3-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。4.1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：EngineControlUnit）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：AnalogtoDigital）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：ExhaustGasRecirculating）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。4.2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。4.3电子控制的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。4.4ABS系统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。起初只在后轮上装有制动器，但随着汽车质量和车速的提高，仅靠后轮制动不足以提高充分的制动力，这样才发展到在前轮上安装制动器。人们通过对制动时轴荷的动态转移、前轮增重和后轮减重的认识，且后轮先抱死更易造成汽车的方向失控，而着手研制能限制汽车后轮制动装置———汽车制动防抱死装置（AntilockBrakingSystem，ABS）。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5.1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。5.2柔性化方向未来机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在这种系统中，各子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同环境条-4-件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。5.3智能化方向今后