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干货 汽车电子控制技术全面解析

发布时间:2019-06-24 21:54 来源:未知 编辑:admin

  ,成本不断降低,控制功能越来越强大,为汽车电子控制技术的发展提供良好的条件;二是由于各国政府制定了越来越严格的法规,迫使汽车制造商必须采用,以满足在燃油经济性、安全性和排放性能方面的法规要求;三是用户对汽车安全性、舒适性、动力性、经济性等越来越高的需求,

  汽车电子控制技术的发展过程,大致可分为电子电路控制、微型计算机控制和车载局域网控制三个阶段。

  • 第一阶段(1953~1975年):模拟电子电路控制阶段,即采用分立电子元件或集成电路组成电子控制器进行控制。汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器,从而揭开了汽车电子时代的序幕。

  • 第二阶段(1976~1999年):微型计算机控制阶段,即采用模拟计算机或数字计算机进行控制,控制技术向智能化方向发展。汽车电子设备普遍采用8位、16位或32位字长的微处理器进行控制,主要开发研制专用的独立控制系统和综合控制系统。

  • 第三阶段(2000年至今):车载局域网控制阶段,即采用车载局域网(LAN,Local Area Network)对汽车电器与电子控制系统进行控制。国内外中高档轿车目前都已开始采用车载局域网技术。

  现代汽车越来越多地将单一控制系统集成为集中控制系统,控制系统集成可以使整个系统简化,有利于对复杂系统多变量、多目标的综合协调控制。但控制系统的集成需要运算能力更强、速度更快的微处理器,因此微处理器也从8位、16位、32位发展至64位。

  由于汽车上电子装置数量急剧增多,汽车电路越来越复杂,为了减少连接导线的数量,现代汽车广泛采用车载网络技术,将过去一线一用的专线制改为一线多用制。利用网络技术可以将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪表等连接起来,从而构成汽车内部的控制器局域网,实现各系统间的信息资源共享。这样不仅简化了布线,减少了电气节点的数量和导线的用量,同时也增加了信息传送的可靠性。

  智能汽车是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统,它集中运用了计算机、智能传感器、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术,是典型的高新技术综合体。

  智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)是将先进的信息技术、通信技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系,而建立起的实时、准确、高效的综合运输和管理系统。智能交通技术与智能汽车技术的结合,就可以实现汽车最佳行驶路线的自动选择和汽车的自动驾驶。汽车和交通智能化代表着未来汽车和未来交通的发展方向。

  所谓模块化设计,是指为开发具有多种功能的不同产品,不需要对每种产品实施单独设计,而是精心设计出多种模块,将其经过不同方式的组合来构成不同的产品,以解决产品品种、规格、制造周期和成本之间的矛盾。随着汽车市场竞争的日趋激烈,为了满足用户个性化需求,汽车制造商需要推出更多的新车型,新车型的开发周期越来越短,采用电控系统模块化设计技术,能够缩短开发周期,提高开发产品的质量,降低开发成本,有效提高汽车电子控制系统乃至汽车整车的可靠性。

  汽车上每一个电子控制系统都是由传感器与开关装置、电控单元和执行器(执行元件)三部分组成,这三部分通过导线进行连接,就组成了一个电控系统。

  检测被测气体和液体等流体的流量,例如用于发动机电控燃油喷射系统的空气流量传感器;用于自动空调系统的制冷剂流量传感器等。

  检测被测回转物体的转角或移动物体的位移,例如用于发动机电控燃油喷射和微机控制点火系统的曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器;用于电子稳定程序的转向盘转角传感器;用于电子控制悬架系统的车身高度传感器;用于废气再循环系统的EGR阀位置传感器等。

  检测被测介质压力,例如用于发动机电控燃油喷射系统的进气歧管压力传感器、大气压力传感器、排气压力传感器;用于驱动防滑转系统中的油压传感器等。

  检测被测介质温度,例如用于发动机电控燃油喷射和微机控制点火系统的发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、排气温度传感器、燃油温度传感器;用于自动空调控制系统采用的车内温度传感器等。

  检测被测介质浓度,例如用于发动机电控燃油喷射系统的氧传感器;用于安全控制系统的酒精浓度传感器等。

  检测被测转动物体的转速或移动物体的速度,例如用于发动机电控燃油喷射和微机控制点火系统的发动机转速传感器;用于防抱死制动系统的车轮速度传感器、用于电控自动变速器的车速传感器等。

  检测被测物体的加速度,例如用于电子稳定程序的汽车纵向和横向加速度传感器;用于电控悬架系统的车身垂直加速度传感器等。

  汽车电子控制单元简称电控单元,又称为汽车电子控制器或汽车电子控制组件,俗称“汽车电脑”。

  电控单元是以单片机为核心所组成的电子控制装置,具有强大的数学运算、逻辑判断、数据处理与数据管理等功能。

  电控单元是汽车电子控制系统的控制中心,其主要功用是分析、处理传感器采集的各种信息,并向受控装置(即执行器或执行元件)发出控制指令。

  执行器又称为执行元件,是电子控制系统的执行机构。执行器的功用是接受电控单元(ECU)发出的指令,完成具体的执行动作。汽车电控系统的执行器通常是电动机、电磁阀等。汽车电控系统不同,采用执行器的数量和种类也不相同。

  发动机电控燃油喷射系统的执行器有电动燃油泵和电磁喷油器;发动机怠速控制系统的执行器是怠速控制阀;汽油蒸发污染控制系统蒸气回收系统的执行器是活性炭罐电磁阀;微机控制点火系统的执行器有点火控制器和点火线圈;防抱死制动系统的执行器有两位两通电磁阀或三位三通电磁阀、回油泵电动机;安全气囊系统的执行器是气囊点火器;电控自动变速器的执行器有换挡电磁阀、油压控制电磁阀和锁止电磁阀;汽车电控悬架系统的执行器是空气压缩机、减振器阻尼和弹簧刚度调节电动机以及高度控制电磁阀等。

  按喷油器喷射燃油的部位不同,电子控制燃油喷射系统可分为缸内喷射和进气道喷射两种类型。

  按进气量的测量方式不同,电子控制燃油喷射系统可分为D型(速度-密度控制型)和L型(质量流量控制型)两种类型。

  电子控制燃油喷射系统主要由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统组成。

  空气供给系统功用是为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气,并测量出进入气缸的空气量。空气供给系统主要由空气滤清器、空气流量传感器(L型)或进气歧管压力传感器(D型)、节气门、节气门位置传感器、进气总管、进气歧管等组成。另外,进气温度传感器、怠速控制系统的怠速控制阀也安装在空气供给系统中。

  燃油供给系统的功用是向发动机各个气缸供给混合气燃烧所需的燃油,由燃油箱、电动燃油泵、燃油分配管、燃油滤清器、油压调节器、喷油器和回油管等组成。燃油由燃油泵从油箱中泵出,具有一定压力的燃油经过燃油滤清器流至燃油分配管,由分配管送至各缸喷油器,喷油器根据ECU的喷油指令开启喷油阀,将适量的燃油喷出,与空气混合形成可燃混合气。

  将在发动机各个系统中起作用的电子元器件看作一个系统,就是电子控制系统。电子控制系统的硬件结构一般由传感器、电子控制单元(ECU)和执行器三部分组成,如图。

  空气流量传感器功用检测发动机进气量大小,并将进气量信息转换成电信号输入电控单元(ECU),以供ECU计算确定喷油时间(即喷油量)和点火时间。进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据。

  空气流量传感器类型多样,有叶(翼)片式、卡门涡流式和热丝式或者热膜式。其中,叶(翼)片式、卡门涡流式是体积流量型,热丝式和热膜式流量传感器能够由电子元件直接测量空气气流的质量流量,避免了海拔高度变化引起的测量误差,是质量流量型。

  置于空气通道中的电热体,由于与空气之间的热传递,其温度会有所下降。空气流量大,带走的热量多, 维持电热体温度所需的电流大,反之,空气流量小,所需的电流则小。热丝(膜)式空气流量传感器就是利用这一原理来检测空气流量的。

  1—防护网2—取样管3—铂金属丝(热丝)4—温度补偿电阻(冷丝)5—控制电路板6—电连接器7—壳体

  一种与单臂电桥分开而单独设置具有自洁功能加热电阻的热丝式空气流量传感器电路。

  美国通用公司的热丝式空气流量传感器的工作原理与上述内容基本一致,但通用公司的热丝式空气流量传感器将输出信号转换为频率方波信号,并且频率变化趋势也是随着进气量的增加而变大(怠速时的平均频率为32Hz,节气门全开时的频率为150Hz)

  其发热元件采用的是由铂金属薄膜制成的膜片电阻,故称为热膜电阻。在传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套(相当于取样管),热膜电阻设在护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度,在护套的空气入口一侧设有空气过滤层,用以过滤空气中的污物。

  在D型燃油喷射系统中,进气歧管压力传感器将发动机进气歧管内绝对压力(真空度)转换成电压信号,与发动机转速信号一起输送到电控单元(ECU),ECU根据进气歧管内绝对压力和发动机转速信号计算出空气流量,作为确定喷油器基本喷油量和点火时间的依据。由此可见,与空气流量传感器直接检测发动机进气量不同,进气歧管压力传感器是一种间接测量发动机进气量的传感器。

  压阻效应式进气歧管压力传感器的结构如图所示,主要由硅膜片、真空室、混合集成电路、真空管接头、线束插头和壳体组成。进气歧管压力传感器的安装位置比较灵活,只要将节气门至进气歧管之间的进气压力引入传感器的真空室内,传感器就可安放在任何位置。

  硅膜片的长和宽约为3mm、厚度约为16µm,在硅膜片的中央部位采用腐蚀方法制作有一个直径为2mm、厚度约为5µm的薄膜片。在薄硅膜片表面上,采用集成电路加工技术与台面扩散技术(扩散硼)制作4只梳状阻值相等的应变电阻,又称为固态压阻器件或固态电阻,并利用低阻扩散层(P型扩散层)将四只电阻连接成惠斯顿电桥电路,然后再与传感器内部的信号放大电路和温度补偿电路等混合集成电路连接。

  压阻效应式进气歧管压力传感器的工作原理:硅膜片一面通真空室,另一面导入进气歧管压力。发动机工作时,从进气歧管进入的进气压力作用在硅膜片上,硅膜片就会产生应力变形。在应力作用下,应变电阻的电阻率就会发生变化而引起阻值变化,惠斯顿电桥上电阻值的平衡就被打破。

  当电桥输入端输入一定的电压或电流时,在电桥的输出端就可得到变化的信号电压或信号电流。根据信号电压或信号电流的大小,就可计算出歧管压力的高低。当传感器结构和输入的电源电压Ucc一定时,输出电压U0与作用在圆形硅膜片上的压力成正此,即压力越高,则输出电压越高。

  节气门位置传感器安装在节气门体节气门轴的一端,传统方式是由驾驶员操纵油门踏板上的拉索在控制节气门开度时对其进行控制。节气门位置传感器可以将节气门的开度转换成电信号输送给ECU,ECU以此判定发动机的运转工况,并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间。

  组合式节气门位置传感器的输出特性如图所示,当节气门关闭或开度小于1.2º时,怠速触点闭合,其输出端IDL输出低电平(0V),当节气门开度大于1.2º时,怠速触点断开,输出端IDL输出高电平(5V)。当节气门开度变化时,可变电阻的滑臂便随节气门轴转动,滑臂上的触点便在镀膜电阻上滑动,传感器的输出端子VTA与E2之间的信号电压随之发生变化,节气门开度越大,输出电压越高。传感器输出的线性信号经过A/D转换器转换成数字信号后再输入ECU。

  温度是反映汽车发动机热负荷状态的重要参数,为了保证控制系统能够对发动机进行精确控制,必须随时监测发动机冷却液温度、进气温度和排气温度等。

  温度传感器按结构与物理性能分类,可分为物性型(热敏电阻式、热敏铁氧体式)和结构型(双金属片式、石蜡式)这两种。现代汽车广泛采用物性型温度传感器,特别是热敏电阻式温度传感器,具有灵敏度高、响应特性好、结构简单、成本低廉等优点,故下面主要介绍热敏电阻式温度传感器。

  常用的热敏电阻有正温度系数型热敏电阻(PTC)、负温度系数型热敏电阻(NTC)两种。

  热敏电阻式温度传感器的结构形式如图所示,主要由热敏电阻、金属引线、接线插座和壳体等组成。

  温度传感器的工作电路所示,传感器的两个电极用导线与ECU插座连接。ECU内部串联一只分压电阻,ECU向热敏电阻和分压电阻组成的分压电路提供一个稳定的电压(一般为5V),传感器输入ECU的信号电压等于热敏电阻上的分压值,电压会随热敏电阻阻值的变化而变化。当被测对象的温度升高时,传感器阻值减小,热敏电阻上的分压值降低;反之,当被测对象的温度降低时,传感器阻值增大,热敏电阻上的分压值升高。

  电动燃油泵的功用是从油箱中吸出燃油,加压后输送到管路中,和燃油压力调节器配合建立合适的系统压力(高于进气歧管压力250~300kPa),最终将燃油输送到喷油器。为防止发动机供油不足及由高温而产生的气阻,油泵的最高输出油压需要470kPa左右,其供油量比发动机最大耗油量大得多,多余的燃油从回油管返回油箱。

  油泵的控制如图所示,是一种利用发动机ECU直接控制油泵的转速的控制电路。发动机工作时,发动机ECU原则上根据燃油消耗量、需要的回油量和供油装置的温度等,通过内部的控制回路IC,控制功率三极管VT进行高频率(约20KHz)的导通和截止,控制A点的平均降压值(分压值),使油泵保持在所需的工作电压。油泵工作电压与发动机负荷成正比变化。发动机ECU在进行实际控制时,油泵的工作电压主要随发动机转速和喷油脉宽变化而变化。

  其功用是固定喷油器和油压调节器,并将汽油分配给每只喷油器。燃油分配管在燃油分配管与喷油器连接处制有小孔,以便将燃油分配到每只喷油器。有的车型配备的发动机其燃油分配管上制作有连接油压表的接口(燃油压力塞),以便测量燃油压力。

  燃油压力调节器的主要功用是使系统油压(即供油总管内油压)与进气歧管压力之差保持常数,一般为250~300kPa。这样,从喷油器喷出的燃油量便唯一地取定于喷油器的开启时间。

  (1)结构原理喷油器实质是一个电磁阀,所示为轴针式喷油器的结构组成。它主要由喷油器外壳、喷油嘴、针阀、套在针阀上的衔铁以及根据喷油脉冲信号产生电磁吸力的电磁线圈组成。电磁线圈无电流时,喷油器内的针阀被螺旋弹簧压在喷油器出口处的密封锥形阀座上,喷油器不喷油。当ECU发出喷油脉冲信号将电磁线圈接通而通电时,电磁线圈产生的磁场吸动衔铁上移,衔铁带动针阀从其座面上升约0.1mm,燃油从精密环形间隙中流出。当ECU将电路切断时,吸力消失,回位弹簧使针阀复位关闭喷油器,停止喷射。

  电流驱动是指发动机电子控制单元ECU开始用一个较大的电流(8A)使电磁线圈产生较大的吸力,保证喷油器具有良好的响应性,然后再用较小的电流(2A)使针阀保持在开启状态,以防止喷油器线圈发热,减少功率消耗。在电流驱动回路中无附加电阻,低电阻喷油器直接与蓄电池连接。由于无附加电阻,回路阻抗小,ECU向喷油器发出指令时,流过喷油器线圈的电流增加迅速,大电流使针阀迅速打开,喷油迟滞时间缩短,响应性更好。

  电子控制系统可以简化为传感器、电子控制单元(ECU)和执行器三大组成部分。

  曲轴位置传感器用来检测发动机转速、曲轴位置(转角)信号以及第一缸和各缸压缩冲程上止点信号,是控制喷油和点火时刻的主要信号。

  曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器所采用的结构随车型不同而不同,可分为磁感应式、霍尔式和光电式三大类。

  ①工作原理。磁感应式传感器的基本结构与工作原理如图所示。传感器主要由信号转子、传感线圈、永久磁铁和磁轭等组成。磁力线穿过的路径为:永久磁铁N极→定子与转子间的气隙→转子凸齿→转子凸齿与定子磁头间的气隙→磁头→导磁板→永久磁铁S极。当信号转子旋转时,磁路中的气隙就会周期性地发生变化,磁路的磁阻和穿过传感线圈(信号线圈)磁头的磁通量随之发生周期性的变化。根据电磁感应原理,传感线圈中就会感应产生交变电动势。

  当转子凸齿接近磁头边缘时,磁通量急剧增多,磁通变化率最大,感应电动势E最高,如图曲线b点所示。转子转过b点位置后,虽然磁通量仍在增多,但磁通变化率减小,因此感应电动势E降低。

  通有电流I的白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中时,在白金导体横向侧面上就会产生一个垂直于电流方向和磁场方向的电压UH,UH与通过半导体的电流I和磁感应强度B成正比,当取消磁场时电压立即消失。被称为霍尔效应,UH被称为霍尔电压。

  当传感器轴转动时,触发叶轮的叶片便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过。当叶片离开气隙时,永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路,如图所示,此时霍尔元件产生电压(UH=1.9~2.0V),霍尔集成电路输出级的三极管导通,传感器输出的信号电压U0为0.1~0.3V的低电平,如图所示。

  氧传感器安装在发动机排气管上,其作用是通过监测排气中的氧含量来获得混合气的空燃比信号,并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据氧传感器信号,对喷油时间进行修正,实现空燃比反馈控制(闭环控制),从而将空燃比控制在理论值14.7:1附近,使发动机得到最佳浓度的混合气,从而降低有害气体的排放和节约燃油。

  氧化锆式氧传感器的结构如图所示,主要由钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极引线、防水护套和线束插头等组成。

  锆管的陶瓷体是多孔的,在高温下可使氧分子发生电离变成氧离子,带负电的氧离子在二氧化锆固体电解质中能均匀扩散与渗透。当锆管内侧表面与外侧表面之间氧气的浓度不同(即存在浓度差)时,高浓度侧的氧离子就会向浓度低的一侧扩散,以求达到平衡状态。当固体电解质表面设置多孔电极之后,在其两个电极之间就可得到电动势E。因为锆管内侧与氧浓度高的大气相通,外侧与氧浓度低的排气相通,且锆管外侧的氧含量随可燃混合气浓度变化而变化,所以当氧离子在锆管中扩散时,锆管内外表面之间的电位差将随可燃混合气浓度变化而变化,即锆管相当于一个氧浓度差电池,传感器的信号源相当于一个可变电源,其工作原理如图所示。

  氧化锆式氧传感器的输出特性:当供给发动机的可燃混合气较浓时(空燃比小于14.7),排气中氧含量较少、CO浓度较大。在催化剂铂的催化作用下,氧几乎全部都与CO发生氧化反应生成CO2气体,使外表面上氧浓度为0。由于锆管内表面与大气相通,氧浓度很大,因此锆管内、外表面之间的氧浓度差较大,两个铂电极之间的电位差较高(约0.9V)。

  二氧化钛(TiO2)在常温下是一种高电阻的半导体,但表面一旦缺氧,其晶格便出现缺陷,电阻便随之减小。同时,其电阻也与环境温度有关。氧化钛式氧传感器就是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的,故又称电阻型氧传感器。

  极限电流型氧传感器是以ZrO2氧浓差电池型氧传感器为基础加以改进而产生的。在ZrO2氧浓差电池型氧传感器的ZrO2组件两端加上一定电压时,会造成氧离子的移动而产生电流,其电流与排放气体氧浓度成正比。极限电流型氧传感器就是利用这一特性,连续检测出稀薄燃烧区的空燃比。

  电子控制单元的功能有以下几个方面:给传感器提供参考(基准)电压(2V、5V、9V、12V);接收传感器或其他装置输入的信息,将输入的信息转变为微机所能接受的信号;存储分析计算所用的程序、车型的特点参数、运算中的数据及故障信息;运算分析,即根据信息参数求出执行命令并输出给执行器;将输出的信息与标准值对比,查出故障并输出故障信息;自我修正(自适应功能)。

  软件包括控制程序和数据两部分。控制软件大多数采用模块化结构,将整个控制系统的程序分成若干个功能相对独立的程序模块,每个模块分别进行设计、编程和调试,最后将调试好的程序模块连接起来。这种结构方式可使程序设计和调试容易,修改变动方便和可按需要进行取舍。

  软件中最主要的是主控程序。主控程序可根据使用和控制要求设定内容。主控程序的主要任务是整个系统初始化、实现系统的工作时序、控制模式的设定,常用工况及其他各工况模式下喷油信号和点火信号输出程序。软件中还有转速和负荷的处理程序、中断处理程序、查表及插值程序等。

  为了能对发动机进行最优控制,应在发动机台架、排放转鼓试验台和道路上进行匹配试验,得到基本喷油量和基本点火提前角的三维图,以及其他为匹配各种运行工况而确定的修正系数、修正函数和常数等,都以离散数据的形式存在存储器中,作为控制的依据。

  发动机起动时,ECU进入工作状态,某些程序从ROM中取出进入CPU。这些程序可以用来控制燃油喷射、点火时刻、怠速等。通过CPU的控制,一个个指令逐个地进行循环执行。

  发动机工作时,ECU根据传感器的信号对执行器进行控制,而控制的结果(如燃烧是否完全、怠速是否稳定、有否有爆燃发生等)是否达到预期目标无法做出分析,控制的结果对控制过程没有影响,这种控制方式称为开环控制。开环控制的特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用。

  开环控制系统调整空燃比和点火提前角的准确程度受到发动机技术状况和控制程序及数据的限制。另外,开环控制系统无法将影响空燃比和点火提前角的其他控制参数一一兼顾,因此很难达到精确的控制。

  闭环控制实质上就是反馈控制。在开环控制的基础上,控制系统根据实际检测到的开环控制结果的反馈信号来决定增减输出控制量的大小。闭环控制的特点是在控制器与被控对象之间,不仅存在着正向作用,而且存在着反馈作用,即系统的输出量对控制量有直接影响。

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