汽车电器与电子技术第一章

第一章第一节汽车电子技术的发展背景第二节汽车电子控制系统的一般组成第三节汽车电子控制技术基础知识第一节汽车电子技术的发展背景一、安全、环保和节能推动了汽车技术的发展二、电子信息技术的发展，推进了汽车技术向集成与智能迈进三、汽车电子技术应用的优越性一、安全、环保和节能推动了汽车技术的发展汽车的安全性是人类社会的一大祸害，车辆的制动安全性、驱动安全性与行驶安全性是道路交通安全事故的三大主要根源。全世界每年由于交通事故死亡约50万人，排在人类死亡原因的第10位；我国目前每年因交通事故死亡占全国总死亡人数的1.5%，约每年10万人。为此，科技人员从汽车的主动安全性和被动安全性两个方面着手，设计了防滑控制系统、车辆姿态控制系统、智能防撞预警与应急保护系统、碰撞后的保护系统等一系列电子控制装置。二、电子信息技术的发展，推进了汽车技术向集成与智能迈进图1-1四层网络结构二、电子信息技术的发展，推进了汽车技术向集成与智能迈进图1-2网络层次的发展三、汽车电子技术应用的优越性1.减少汽车修复时间汽车电气设备的故障约占汽车总故障的1/3。由于汽车构造比较复杂，零部件比较多，工作环境不可控制(如道路条件，环境的温度、湿度)，加上人为的因素，所以汽车的可靠性差，无故障间隔时间短2.节油汽车发动机采用电子综合优化控制，与传统的化油器式发动机相比，可以节约燃油消耗10%~15％左右。汽车是一个较复杂的多参数控制的机械，而且行驶条件随机变化。对其采用优化控制后，计算机可以对控制对象的有关参数(如温度、气体压力、转速、排气成分)进行适当采样，然后进行数据处理3.减少空气污染用传感器控制的发动机空燃比闭环控制系统，可以保证发动机处于理论空燃比附近工作。若加装废气再循环和三元催化净化等装置，不但可以节约燃油，而且废气中碳氢化合物(HC)的体积分数可降低40％，氮氧化合物(NOx)的体积分数可降低60%左右。4.减少交通事故电子技术在汽车安全方面得到应用后，使整车的安全性能提高。交通事故主要由人的主观因素和客观因素所造成，减少人的主观因素造成事故的电子装置有：防止酒后驾车和驾驶员磕睡的电子装置、检查人的心理状态和反应时间的电子装置等；表1-1现代汽车电子控制系统第二节汽车电子控制系统的一般组成一、电子控制系统的一般组成二、自动控制系统的分类三、汽车电子控制系统简介四、电子控制单元(ECU)的功能与组成一、电子控制系统的一般组成1.检测反馈单元该单元的功用在于通过各种传感器检测受控参数或其他中间变量，经放大、转换后用以显示或作为反馈信号。2.指令及信号处理单元该单元接受人机对话随机指令或定值、程序指令，并接受反馈信号，一般具有信号比较、变换、运算、逻辑等处理功能。传统的指令及信号处理单元多采用模拟电路，随着微电子技术和计算机技术的发展，为工程控制系统提供了采用数字计算机指令和信号处理单元的可能性。汽车上所用的指令及信号处理单元多为微处理机。3.转换放大单元该单元的作用是将指令信号按不同方式进行相互转换和线性放大，使放大后的功率足以控制执行器并驱动受控对象。4.执行器执行器直接驱动受控对象的部件，可以是电磁元件，如电磁铁、电动机等；也可以是液压或气动元件，如液压或气压工作缸及马达。为了使驱动特性与受控对象的负荷特性相互匹配，还可附加变速机构，如液压马达和行星齿轮传动的组合。5.动力源动力源为各单元提供能源，通常包括电气动力源和流体动力源两类。一、电子控制系统的一般组成图1-3电子控制系统的一般组成二、自动控制系统的分类1.按控制系统有无反馈环节分类2.按输入量变化的规律来分类3.按系统传输信号对时间的关系分类4.按系统输出量和输入量的关系分类5.简化的汽车电子控制系统模型1.按控制系统有无反馈环节分类(1)开环控制系统若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响(即无检测反馈单元)，则称为开环控制系统。(2)闭环控制系统系统的输出通过检测反馈单元返回来作用于控制部分，形成闭合回路，这种控制系统就称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。2.按输入量变化的规律来分类(1)恒值控制系统恒值控制系统的特点是，系统的输入量是恒值，并要求系统的输出量相应地保持恒定值。(2)随动控制系统随动控制系统的特点是，输入量是变化的(有时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化，故随动系统又称为伺服系统或跟踪系统。(3)过程控制系统该系统的输出量是按给定的时间函数实现控制的。3.按系统传输信号对时间的关系分类(1)连续控制系统连续控制系统的特点是，控制作用的信号是连续量或模拟量。(2)离散控制系统又称采样控制系统。4.按系统输出量和输入量的关系分类(1)线性系统线性系统的特点是，系统的输出量和输入量的关系是线性的，它的各个环节或系统都可以用线性微分方程来描述，可以应用叠加原理和拉氏变换解决线性系统中的问题。(2)非线性系统非线性系统的特点是，其中的一些环节具有非线性性质(例如出现饱和死区、滞环等)。5.简化的汽车电子控制系统模型图1-4传感器、ECU和执行器之间的工作关系三、汽车电子控制系统简介(一)发动机控制部分(二)底盘控制部分(三)行驶安全系统(四)信息系统(五)附属装置(一)发动机控制部分1.电控点火装置(ESA)该系统可使发动机在不同转速、进气量等因素下，在最佳点火提前角工况下工作，使发动机输出最大的功率和转矩，而将油耗和排放降低到最低限度。该系统分为开环和闭环两种控制。电控点火装置闭环控制系统通过爆燃传感器进行反馈控制，其点火时刻的控制精度比开环高，但排气净化差些。2.电控汽油喷射(EFI)该系统根据各传感器输送来的信号，能有效控制混合气空燃比，使发动机在各种工况下空燃比达到较佳值，从而实现提高功率、降低油耗、减少排气污染等功效。该系统可分为开环和闭环两种控制。闭环控制是在开环控制的基础上，在一定条件下，由计算机根据氧传感器输出的含氧浓度信号修正燃油供给量，使混合气空燃比保持在理想状态下。3.废气再循环控制(EGR)该系统是将一部分排气中的废气引入进气侧的新鲜混合气中再次燃烧，以抑制发动机有害气体氮氧化合物的生成。该系统能根据发动机的工况适时地调节参与废气再循环的废气循环率，以减少排气中的有害气体氮氧化合物。它是一种排气净化的有效手段。4.怠速控制(ISC)该系统能根据发动机冷却液温度及其他有关参数，如空调开关信号、动力转向开关信号等，使发动机的怠速处于最佳状态。除以上控制装置外，发动机部分的控制内容还有：发动机输出、冷却风扇、发动机排量、气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油气蒸发控制及系统自诊断等。(二)底盘控制部分1.电控自动变速器(ECT)该装置有多种形式。它能根据发动机节气门开度和车速等行驶条件，按照换档特性精确地控制变速比，使汽车处于最佳档位。该装置具有提高传动效率、降低油耗、改善换档舒适性、提高汽车行驶平稳性以及延长变速器使用寿命等优点。2.防滑控制系统防滑控制包括防抱死制动(ABS)、牵引控制(TCS)、驱动防滑(ASR)和车辆横向稳定性控制系统(VSC)。该系统可以提高制动效能，防止汽车在制动、起步、驱动和转弯时产生侧滑，是保证行车安全和防止事故发生的重要措施。3.电子控制动力转向电子控制动力转向的形式较多，目前汽车动力转向的发展趋势为四轮转向系统。它们分别显示出不同的优越性，如有的可获得最优化的转向作用力特性、最优化的转向回正特性，起到改善行驶的稳定性以及节能和降低成本的作用；有的主要是为了提高转向能力和转向响应性；有的主要用来改善高速行驶时的稳定性。目前电控前轮动力转向较普及，通过控制转向力，保证汽车原地或低速行驶时转向轻便，而高速行驶时又确保安全。4.电控悬架(TEMS)该系统能根据不同的路面状况，控制车辆高度，调整悬架的阻尼特性及弹性刚度，改善车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐舒适性。5.巡航控制系统(CCS)该系统又称恒速行驶系统。汽车在高速公路上长时间行驶时，打开该系统的自动操纵开关后，恒速行驶装置将根据行驶阻力自动增减节气门开度，使汽车行驶速度保持一定。该系统可以减轻驾驶员长途驾驶之疲劳。(三)行驶安全系统1.安全气囊(SRS)该系统是国外汽车上一种常见的被动安全装置。在车辆相撞时，由电控元件用电流引爆安置在转向盘中央(有的在仪表盘板杂务箱后边也安装)等处气囊中的渗氮物，迅速燃烧产生氮气，瞬间充满气囊。气囊的作用是在驾驶员与转向盘之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫，避免硬性撞击而受伤。此装置一定要与安全带配合使用，否则效果大为降低。2.雷达防撞系统该系统有多种形式。有的在汽车行驶中，当两车的距离小到安全距离时，即自动报警，若继续行驶，则会在即将相撞的瞬间，自动控制汽车制动器将汽车停住；有的是在汽车倒车时，显示车后障碍物的距离，有效地防止倒车事故发生。3.驱动防滑控制系统(ASR)该系统是在防抱死制动系统的基础上开发的，两系统有许多共同组件。该系统装置利用驱动轮上的转速传感器，当感受到驱动轮打滑时，控制元件便通过制动或通过油门降低转速，使之不再打滑。它实质上是一种速度调节器，可以在起步和弯道中速度发生急剧变化时，改善车轮与地面间的附着力，提高其安全性。该系统装置在雪地或湿滑路面上，较能发挥其特性。4.安全带控制系统该系统在汽车发生任何撞击的情况下，可瞬间束紧安全带。有的汽车上只有当计算机确认驾驶员和乘客安全带使用正确无误时，发动机才能被起动。5.前照灯控制系统该系统可在前照灯照明范围内，随着转向盘的转动而转动，并能在会车时自动启闭和防眩。(四)信息系统1.信息显示与报警系统该系统可将发动机的工况和其他信息参数，通过微处理机处理后，输出对驾驶员更有用的信息，并用数字显示、线条显示或声光报警。显示的信息除冷却液温度、油压、车速、发动机转速等常见的内容外，还有瞬时耗油量、平均耗油量、平均车速、行驶里程、车外温度等。根据驾驶员的需要，可随时调出显示这些信息。监视和报警的信息主要有：燃油温度、冷却液温度、油压、充电、尾灯、前照灯、排气温度、制动液量、手制动、车门未关严等。当出现不正常现象或自诊断系统测出有故障时，立即由声光报警。2.语言信息系统过去一般信息显示都是靠驾驶员查看仪表，用视觉感知，这样容易造成遗漏。现在出现了语言信息，包括语音报警和语音控制两类。语音报警是在汽车出现不正常情况，如冷却液温度、水位、油位不正常，制动液不足和蓄电池充电值偏低等情况时，计算机经过逻辑判断，输出信息至扬声器，发出模拟人的声音向驾驶员报警，如“水位不正常”、“请加油”等，多数还同时用灯光报警。语音控制是用驾驶员的声音来指挥和控制汽车的某个部件、设备进行动作。3.车用导航系统与定位系统该系统是近几年研究的新课题。它可在城市或公路网范围内，定向选择最佳行驶路线，并能在屏幕上显示地图，表示汽车行驶中的位置，以及到达目的地的方向和距离。这实质是汽车行驶向智能化发展的方向，再进一步就可成为无人驾驶汽车。4.通信系统这方面真正使用且采用最多的是汽车电话，在美国、日本、欧洲等发达国家较普及。目前的水平在不断地提高，除车与路之间、车与车之间、车与飞机等交通工具之间的通话外，还可通过卫星与国际电话网相联，实现行驶过程中的国际间电话通信，实现网络信息交换、图像传输等。(五)附属装置1.全自动空调(EA/C)该装置突破单一的空气温度调节功能，根据设计在车内的各种温度传感器(车内温度、大气温度、日照强度、蒸发器温度、发动机冷却液温度等)输入的信号，由计算机进行平衡温度演算，对进气转换风门、混合风门、水阀、加热断电器、压缩机、鼓风机等进行控制；根据乘客要求，保持车内的温度等小气候处于最佳值(人体感觉最舒适的状态)。2.自动座椅该装置是人体工程技术与电子控制技术相结合的产物，它能使座椅适应乘客的不同体型，满足乘客的舒适性的要求。3.音响／音像车内装有立体音响、CD等。放音系统可实现立体声补偿、立体声音响自动选台，显示器实现数码选台。四、电子控制单元(ECU)的功能与组成1.ECU的功能2.ECU的组成1.ECU的功能1)接受传感器或其他装置输入的信息，给传感器提供