汽車電子控制技術(shù)基礎(chǔ)

汽車電子控制技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉豐田車的電控系統(tǒng)實例第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、汽車控制用ECU

(一)主要功能

(1)接受傳感器或其他裝置的輸入信號

(2)給傳感器提供參考電壓：如2v、5v、9v或2v。

(3)存儲、計算、分析處理信息，存儲運行信息和故障信息，分析輸入信息并進(jìn)行相應(yīng)的計算。

(4)輸出執(zhí)行命令，把弱信號變?yōu)閺?qiáng)信號的執(zhí)行命令。

(5)輸出故障信息。

(6)完成多種控制功能。第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(二)ECU的組成ECU一般由輸入接口、微處理器和輸出接口組成，如圖2-2所示。

1．輸入接口電路

輸入接口電路，主要是完成外部傳感器與微處理器之間的信息傳遞。主要是對傳感器輸入信號進(jìn)行預(yù)處理，使輸入信號變成微處理器可以接受的信號。因為輸入信號有兩類：模擬信號和數(shù)字信號，所以分別有相應(yīng)的輸入電路進(jìn)行處理。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(1)模擬信號的處理信號若信號很弱，則需要進(jìn)行放大。然后進(jìn)行模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換若信號不是很弱，而且在A／D所設(shè)定的量程范圍內(nèi)，可直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。若超過了A／D轉(zhuǎn)換器的量程，則需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，使其不超過A／D的量程范圍。圖2-3顯示了A／D的工作過程。第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(2)數(shù)字信號的輸入。主要是來自轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號和活塞上止點參考信號，它們都是脈沖信號。經(jīng)過處理之后，通過I／O接口可直接送入微處理器。一般要設(shè)置放大電路和脈沖信號整形電路。

2．微處理器目前汽車上用的微處理器主要是8位單片機(jī)或16位單片機(jī)，現(xiàn)在一些轎車上開始使用32位單片機(jī)。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉單片機(jī)是指將CPU、RAM／ROM、I／O接口、定時／計數(shù)器等元件集成在一塊芯片上所形成的芯片級計算機(jī)。如流行的MCS一51系列單片機(jī)外形如圖2-4所示。單片機(jī)具有小型化、功能強(qiáng)、可靠性高、價格低、性能價格比高和功耗低等一系列優(yōu)點，因而在汽車的實時控制中得到了廣泛的應(yīng)用。一般采用通用的單片機(jī)，如IntelMCS8048，8049，8032，MotorolaMC6802，RCAl802等8位機(jī)及IntelMCS809716位機(jī)。也用到一些專用單片機(jī)，它是為某一領(lǐng)域或特定商品而開發(fā)設(shè)計的，其內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或指令系統(tǒng)都是特殊設(shè)計的(甚至內(nèi)部已固化好程序)，如Siemens80C166，80C196KB，80535等單片機(jī)。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉3．輸出接口電路輸出接口電路將ECU與執(zhí)行元件聯(lián)系起來。它將ECU作出的決策指令轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘杹眚?qū)動執(zhí)行元件進(jìn)行工作，它起著控制信號的生成與放大等功能。常見的輸出執(zhí)行元件通常是一些繼電器、電磁線圈或顯示器等。如圖2-9是噴油器的驅(qū)動電路，在該電路中設(shè)置有功放集成電路模塊LM324。它具有兩個功能：一是增強(qiáng)輸出信號的驅(qū)動能量，為大電流功放管提供足夠的基極電流；二是在數(shù)字電路與模擬電路之間形成器件隔離，以抑制干擾。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉四、執(zhí)行元件執(zhí)行元件的任務(wù)是根據(jù)ECU輸出的控制信號執(zhí)行某種相應(yīng)的動作，以實現(xiàn)某種預(yù)定的功能。如燃油噴射控制中的噴油器和電動油泵、點火控制中的點火線圈、怠速控制中的步進(jìn)電機(jī)、自動變速器控制中控制換擋的電磁閥、空調(diào)控制中的壓縮機(jī)或電磁離合器等。各種控制系統(tǒng)中執(zhí)行元件的使用情況如表2-2所示。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉第二節(jié)在汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一、克萊斯勒汽車電腦

1987年前，克萊斯勒電噴汽車上有兩個電腦：一個邏輯模塊(如圖2-10所示)和一個動力模塊(如圖2-11所示)。大多數(shù)輸入信號都接人邏輯模塊，在邏輯模塊中進(jìn)行分析、運算和處理，然后將指令送給動力模塊。動力模塊中主要有執(zhí)行元件的驅(qū)動電路，并驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器進(jìn)行工作。從1987年度開始，把邏輯模塊與動力模塊聯(lián)合成一個單模塊發(fā)動機(jī)控制器，被稱為“動力控制模塊PCM”(如圖2-12所示)。該模塊具有自適應(yīng)能力，且處理信息和完成輸出的速度比邏輯模塊和動力模塊快。第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉從1990年開始，由于電噴系統(tǒng)采用低阻型噴油器，它的工作電流比較大，驅(qū)動電路要用較大的散熱器進(jìn)行冷卻，并讓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流過計算機(jī)，以更好地冷卻噴油器驅(qū)動電路。到1992年，克萊斯勒公司采用高電阻噴油器，電流降低了，無需配置大散熱器了，計算機(jī)體積減小，同時也不需要用進(jìn)氣氣流進(jìn)行冷卻了。第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉二、通用汽車電腦1986年以前，動力控制模塊稱為160b／s計算機(jī)。從1986年度開始的車型，通用汽車公司采用P4型計算機(jī)，其波特串是8192。某些1995年生產(chǎn)的通用公司汽車，用整車控制模塊VCM(如圖2-13)代替了動力控制模塊。整車控制模塊執(zhí)行原有的動力控制模塊和制動防抱死模塊的功能。

GM的動力控制模塊包含一個或多個可拆卸的芯片，位于計算機(jī)的檢修板下。某些波特率160的動力控制模塊有兩個可拆卸的芯片，一個可編程的只讀存儲器和一個標(biāo)定軟件包一CAIJAK，如圖2-14所示。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉可編程只讀存儲器含有一些控制該汽車運行的專門信息，如點火提前控制程序等。備用的供油程序裝在標(biāo)定的軟件包芯片中。假如控制燃油供給的正規(guī)芯片出了故障，標(biāo)定軟件包程序便可取而代之。在此情況下，燃油供給可能不精確，但汽車仍然可以行駛。在P4型計算機(jī)中，可編程只讀存儲器和標(biāo)定軟件包芯片合成一個“存儲一標(biāo)定”

(MEMCAL)芯片，如圖2-15所示。某些通用汽車目前裝用新一代P6型計算機(jī)。第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、日產(chǎn)公司汽車電腦在許多日產(chǎn)公司的汽車中，動力控制模塊有三個導(dǎo)線束接線插座，一個15路，一個16路，一個20路。動力控制模塊位于儀表板下面。其側(cè)面有兩個發(fā)光二極管，當(dāng)電控系統(tǒng)發(fā)生故障時，這兩個二極管以發(fā)光閃爍的方式提醒駕駛員，如圖2-16所示。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉第三節(jié)汽車控制理論的基本概念根據(jù)不同的分類方法，控制系統(tǒng)有如下幾類：一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

(一)開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則稱作開環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，給定一個輸入量，便產(chǎn)生一個固定的輸出量與輸入信號相對應(yīng)(如圖2-17所示)。由于該系統(tǒng)沒有自動修正控制偏差的能力，系統(tǒng)控制的精度便取決于系統(tǒng)校準(zhǔn)的精度。當(dāng)實際系統(tǒng)的參數(shù)在控制中發(fā)生了變化或系統(tǒng)受到了外界的干擾，系統(tǒng)控制的精度就會變差。第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉但由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，適用于控制精度要求不高、外界擾動較小的情況。電動汽油泵工作的控制、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制等均采用開環(huán)控制。

(二)閉環(huán)控制閉環(huán)控制又稱反饋控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。該控制系統(tǒng)將輸出信號通過反饋環(huán)節(jié)在輸入端與輸入信號進(jìn)行比較。若信號相加，稱為“正反饋”；若信號相減，稱為“負(fù)反饋”，負(fù)反饋的應(yīng)用較多，修正了系統(tǒng)控制的誤差。對內(nèi)部參數(shù)的改變和外界的干擾不敏感，這樣提高了系統(tǒng)的控制精度。采用閉環(huán)控制的很多，如怠速控制、空燃比控制、自動空調(diào)的溫度控制等。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(三)復(fù)合控制系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高反饋控制系統(tǒng)的性能，有些控制系統(tǒng)在反饋控制的基礎(chǔ)上，還附加有前饋控制器，如圖2-19所示。這類控制系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系統(tǒng)，其目的是克服系統(tǒng)的動態(tài)誤差。

燃油噴射開環(huán)控制：當(dāng)發(fā)動機(jī)運行時，電腦根據(jù)系統(tǒng)中各個傳感器的信號，經(jīng)過處理，判斷發(fā)動機(jī)實時所處的運行工況，再根據(jù)保存在ROM中的噴油脈諧圖，計算出最佳的噴油量，

第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉燃油噴射閉環(huán)控制：在排氣管上安裝一個氧傳感器，如圖2—20所示。該傳感器可根據(jù)排氣中氧氣的含量，判斷混合氣的濃度。若氧含量大，說明混合氣稀，應(yīng)增大噴油量；反之，應(yīng)減少噴油量。反饋環(huán)節(jié)將檢測出的反映空燃比的信號反饋到電腦，與設(shè)定的目標(biāo)空燃比進(jìn)行比較，得出誤差信號，并把此誤差信號作為輸入信號再次輸入，從而修正了控制所產(chǎn)生的誤差。所以燃油噴射的閉環(huán)控制可以達(dá)到較高的控制精度，同時可以消除因產(chǎn)品制造差異或磨損、老化等原因引起的性能變化，工作穩(wěn)定性好，抗于擾能力強(qiáng)。

第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)

若輸入量和輸出量都是時間連續(xù)函數(shù)的系統(tǒng)，稱為連續(xù)系統(tǒng)。在連續(xù)系統(tǒng)中，信號在全部時間上都是已知的。若系統(tǒng)中信號有一處或一處以上為離散時間函數(shù)，稱為離散系統(tǒng)。在離散系統(tǒng)中，信號僅定義在離散時間上。四、確定與不確定系統(tǒng)

若系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入量都是確定的、已知的系統(tǒng)，稱為確定系統(tǒng)。反之，當(dāng)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)或參數(shù)以及作用于該系統(tǒng)的信號有不確定性或模糊性時，則系統(tǒng)為不確定系統(tǒng)?，F(xiàn)實的工程系統(tǒng)，多為不確定系統(tǒng)。

第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉第四節(jié)控制理論在汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用汽車控制技術(shù)是建立在自動控制理論基礎(chǔ)上的。目前汽車上采用的主要控制理論如下：一、PID控制

PID(比例、積分、微分)控制屬于經(jīng)典控制理論的范疇，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。它最大的優(yōu)點是不需要了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)，即可取得滿意的結(jié)果。不足之處是對被控對象的參數(shù)變化比較敏感。PID可由硬件電路實現(xiàn)，也可由計算機(jī)軟件編程實現(xiàn)，后者也叫“數(shù)字PID調(diào)節(jié)器”。由于參數(shù)變化可靈活調(diào)整，因此應(yīng)用十分廣泛。第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉二、最優(yōu)控制最優(yōu)控制是所選的系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的一種控制方法。系統(tǒng)性能指標(biāo)是根據(jù)工作要求選定的。例如，對遠(yuǎn)距離航行的飛行器，選取燃料消耗量作為系統(tǒng)性能指標(biāo)；對自動導(dǎo)航系統(tǒng)，則選取定位誤差的均方值最小為系統(tǒng)性能指標(biāo)。控制系統(tǒng)中，最優(yōu)控制的設(shè)計方法主要有極大(小)值原理和動態(tài)規(guī)劃法。目前最優(yōu)控制在汽車電控懸架的控制中比較常見。

第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、自適應(yīng)控制汽車電控系統(tǒng)是隨汽車的行駛而不斷運行的系統(tǒng)，因此，控制系統(tǒng)應(yīng)能隨時根據(jù)這種變化采取相應(yīng)的措施，自適應(yīng)控制就是解決這個問題的。目前，自適應(yīng)控制有兩個主要分支：參考模型自適應(yīng)控制和自校正自適應(yīng)控制。如在發(fā)動空燃比控制中，氧傳感器裝在排氣管內(nèi)，由于高溫和污染的工作環(huán)境，使氧傳感器很容易老化，從而引起測量誤差。采用自適應(yīng)控制可以將氧傳感器的輸出信號與儲存在控制單元中的參數(shù)進(jìn)行對比，以確定是否老化和老化的程度。若老化，則通過選用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉四、模糊控制模糊控制是計算機(jī)數(shù)字控制的一種特殊形式，具有處理模糊信息的能力。要研制智能化的汽車離不開模糊控制技術(shù)?，F(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)了許多商品化的模糊組件，通過裝載推理軟件或推理芯片來實現(xiàn)各種不同的功能。在汽車的制動裝置系統(tǒng)、變速控制、車身彈性緩沖系統(tǒng)及巡航控制系統(tǒng)等部件中，已經(jīng)廣泛地使用模糊技術(shù)。第23頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉五、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所謂人