機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

1、機(jī)電一體化技術(shù)在 汽車中的應(yīng)用 機(jī)電一體化技術(shù)的巔峰之作機(jī)器人。其典型產(chǎn)品還 包括無人機(jī)、汽車、數(shù)控機(jī)床、航空航天、家電等。 現(xiàn)代和未來的汽車不僅要具備各項(xiàng)良好的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性 能，更逐步向滿足人類需求的“舒適、安全、操縱簡(jiǎn)便 以及節(jié)油、綠色環(huán)?！钡确较虬l(fā)展。要滿足這些需求主 要依賴于汽車機(jī)電一體化水平的提高。 機(jī)電一體化的核心技術(shù)：機(jī)械技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺 服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、 系統(tǒng)總體技術(shù)。機(jī)械結(jié)構(gòu)好似骨架，傳感檢測(cè)單元是眼 睛、耳朵，伺服驅(qū)動(dòng)單元是肌肉，信息處理單元是大腦， 自動(dòng)控制單元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體則起協(xié)調(diào)者的作用。 汽車機(jī)電一體化水平的提高，最重要的

2、依賴于傳感檢測(cè) 技術(shù)和信息處理技術(shù)的提高。 引言 社會(huì)的需求、技術(shù)的進(jìn)步以及法規(guī)的推動(dòng)，使汽車采用了機(jī)電 一體化技術(shù)，并快速發(fā)展。在法規(guī)方面，如最早的安全法規(guī)，以 及隨后的噪聲、尾氣排放和燃油的經(jīng)濟(jì)性等法規(guī)的推出，強(qiáng)制地 推動(dòng)了電子技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，使許多機(jī)械控制系統(tǒng)被電 子控制系統(tǒng)所代替，并形成了汽車機(jī)電一體化發(fā)展的3 個(gè)階段。 第1 階段：20 世紀(jì)60 年代中期到20 世紀(jì)70 年代末期。 從20 世 紀(jì)60 年代中期到20 世紀(jì)70 年代末期，主要是應(yīng)用電子裝置改善部 分機(jī)械性能，如電子控制燃油噴射和硅整流發(fā)電機(jī)等。 第2 階段：20 世紀(jì)70 年代末期到20 世紀(jì)90 年代中期

3、。 從20 世紀(jì) 70 年代末期到20 世紀(jì)90 年代中期，在汽車的設(shè)計(jì)制造中，體現(xiàn)出 機(jī)電一體化的思想和技術(shù)。大規(guī)模集成電路得到廣泛應(yīng)用，并解 決了機(jī)械部件無法解決的復(fù)雜自動(dòng)控制問題，增加了可靠性。 第3 階段：20 世紀(jì)90 年代中期到現(xiàn)在。 從20 世紀(jì)90 年代中期到 現(xiàn)在，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，及與汽車工業(yè)的緊密相連， 汽車機(jī)電一體化技術(shù)已發(fā)展成熟，強(qiáng)調(diào)了整體的機(jī)電一體化協(xié)調(diào) 匹配設(shè)計(jì)思想，開始廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，使汽 車更加自動(dòng)化、智能化。 隨著微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的應(yīng)用， 汽車的機(jī)電一體化使汽車煥然一新。當(dāng)今對(duì)汽車的控制已由發(fā)動(dòng) 機(jī)擴(kuò)大到全車，例如實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速

4、換擋、防滑制動(dòng)、雷達(dá)防碰撞、 自動(dòng)調(diào)整車高、全自動(dòng)空調(diào)、自動(dòng)故障診斷及自動(dòng)駕駛等。 汽車機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展史 汽車的機(jī)電一體化的中心內(nèi)容是以微機(jī)為中心的自動(dòng)控制 改善汽車的性能、增加汽車的功能，實(shí)現(xiàn)汽車降低油耗、減 少排氣污染、提高汽車行駛的安全性、可靠性、操作方便和 舒適性。汽車行駛控制的重點(diǎn)是： 1）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)點(diǎn)火、燃油噴射、空燃比和廢氣再循 環(huán)的控制，使燃燒充分、減少污染、節(jié)省能源； 2）汽車行駛中的自動(dòng)變速和排氣凈化控制，以使其行駛狀 態(tài)達(dá)到最佳化； 3）汽車的防滑制動(dòng)、防碰撞，以提高行駛的安全性； 4）汽車的自動(dòng)空調(diào)、導(dǎo)向系統(tǒng)、娛樂設(shè)備控制，以提高駕 駛舒適性。 1 發(fā)動(dòng)機(jī)微

5、機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)為用于降低燃料費(fèi)用的發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系 統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU：Engine Control Unit）的核 心是通用微處理器或者是為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專門設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成電路 （LSI）。從各個(gè)傳感器得到的模擬電壓信號(hào)和從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸得到 的脈沖信號(hào)都輸入到ECU。模擬信號(hào)通過模擬數(shù)字（A-D： Analog to Digital）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。以這些信息為基礎(chǔ)，在 ECU 內(nèi)對(duì)最佳空氣燃料比、點(diǎn)火時(shí)間、排氣再循環(huán)率（EGR： Exhaust Gas Recirculating）等進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為控制燃料噴 射閥和點(diǎn)火裝置等

6、的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，用以控制空氣質(zhì)量和燃料質(zhì)量 之比（即空氣燃料比）。 當(dāng)空氣燃料比增大時(shí)，燃料稀薄，點(diǎn)火困難；反之，當(dāng)空氣燃料 比減小時(shí)，由于氧氣不足，在排放的氣體中沒有充分燃燒的碳化氫 （HC）和一氧化碳（CO）含量增加。因此，將空氣燃料比控制在最 佳狀態(tài)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、預(yù)熱、加速、減速、制動(dòng)、空轉(zhuǎn)等各種 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其正常負(fù)荷則十分重要。 機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的 一些典型應(yīng)用 2 汽車汽車激光雷達(dá)自動(dòng)防撞微機(jī)控制系統(tǒng)激光雷達(dá)自動(dòng)防撞微機(jī)控制系統(tǒng) 汽車激光雷達(dá)自動(dòng)防撞微機(jī)控制系統(tǒng)激光 單片機(jī)組合的汽車防按系統(tǒng)，能在正常行駛速度下 或慢速倒車時(shí)檢測(cè)和顯示前、后方一定距離內(nèi)有無 障礙物，并在必要

7、時(shí)報(bào)警，從而有效防止交通事故 的發(fā)生。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制的測(cè)量車間距離 的激光測(cè)距雷達(dá)、中央處理器、汽車前后環(huán)境狀況 監(jiān)測(cè)雷達(dá)及顯示器、發(fā)光部、受光部、車速傳感器 和速度控制器等組成。 激光測(cè)距雷達(dá)安裝在汽車前部格柵中心。光 學(xué)天線發(fā)射的激光束遇到前面的障礙物后，產(chǎn)生向 后散射信號(hào)，同樣被光學(xué)天線接收，并調(diào)制出距離 和方位信息。不斷輸出的距離和方位信息經(jīng)中央處 理器分析，可以判斷前面物體運(yùn)動(dòng)與否，計(jì)算出它 相對(duì)本車的速度及車間距離，并判斷它是否有可能 與本車接觸，從而決定本車最安全的行駛速度。當(dāng) 可能有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)觸動(dòng)報(bào)警裝置，發(fā)出報(bào)警 信號(hào)。 3 電控自動(dòng)變速器 自動(dòng)變速器是為降低變

8、速器的功率損耗，提高動(dòng)力傳 遞系統(tǒng)的有效功率，增加變速擋數(shù)以適應(yīng)汽車行駛條件的 最佳速比，實(shí)現(xiàn)汽車的省能、省力、安全、舒適之目的而 出現(xiàn)的。 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況由各種傳感器進(jìn)行檢測(cè)，所獲得的 信息輸入到電子控制裝置進(jìn)行處理，并根據(jù)換擋信息、程 序開關(guān)及自動(dòng)跳合開關(guān)的信息，由電子控制裝置選擇滿足 行駛條件的最佳檔次信息，并被變換為控制電液執(zhí)行元 件的液壓變量來控制換檔。自動(dòng)變起器的監(jiān)測(cè)電路可對(duì)系 統(tǒng)電子控制裝置進(jìn)行自檢及失效監(jiān)測(cè)，即在行駛前對(duì)所有 電路進(jìn)行檢測(cè)。若汽車起動(dòng)后，報(bào)警燈處于熄滅狀態(tài)，說 明其功能正常；反之，系統(tǒng)則存有故障，自動(dòng)變速器進(jìn)入 非電控程序狀態(tài)，此時(shí)，雖然已失去電子控制的優(yōu)化功

9、能， 但是變速器仍能進(jìn)行工作。 4 ABS 系統(tǒng) 為了使汽車在行駛過程中以適當(dāng)?shù)臏p速度降低車 速直行停車，保證行駛的安全性，汽車上均裝有行車 制動(dòng)器。起初只在后輪上裝有制動(dòng)器，但隨著汽車質(zhì) 量和車速的提高，僅靠后輪制動(dòng)不足以提高充分的制 動(dòng)力，這樣才發(fā)展到在前輪上安裝制動(dòng)器。人們通過 對(duì)制動(dòng)時(shí)軸荷的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移、前輪增重和后輪減重的認(rèn) 識(shí)，且后輪先抱死更易造成汽車的方向失控，而著手 研制能限制汽車后輪制動(dòng)裝置汽車制動(dòng)防抱死 裝置（Antilock Braking System，ABS）。 其基本功能 是可感知制動(dòng)輪每一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 并根據(jù)其運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)相應(yīng)地調(diào)節(jié)制動(dòng)器動(dòng)力矩的大小，避免出現(xiàn)輪上 的抱死現(xiàn)象。 無人駕駛汽車 中國自主研制的無人車由國防科技大學(xué)自