第2章-汽车电子控制技术基础

汽车电子控制技术第2章汽车电子控制技术基础2.1汽车电子控制系统的组成与特征2.2汽车传感器2.3汽车电子控制单元（ECU）2.4汽车电子控制系统中的执行元件2.5汽车电子控制系统中的控制理论2.6汽车综合控制2.1.1汽车电子控制系统的基本构成2.1汽车电子控制系统的组成与特征给定值传感器A/D转换器D/A转换器执行机构被控对象控制器被控参数微型计算机图2-1电子控制系统的基本框图汽车电子控制系统基本组成框图汽车计算机系统称为电子控制单元—ECU(ElectronicControlUnit)。控制系统由传感器、ECU和执行机构组成。传感器数字输入存储器A/D转换器输入端口CPU存储器输出端口驱动电路执行机构输入接口图2-2汽车电子控制系统的基本组成计算机输出接口1.硬件软件分为系统软件和应用软件，核心是控制软件。系统软件一般由计算机制造厂提供，应用软件由控制系统研发人员编制。1）系统软件操作系统、语言加工系统、诊断系统等2）应用软件数据采集与传输、被控系统的模型、控制算法、故障自诊断系统等2.软件2.1.2汽车电子控制系统的特征1.目的性提高汽车行驶能力、可操纵性、稳定性和自适应性；改善汽车行驶的姿态控制、乘坐的舒适性；降低汽车的能耗、尾气排放、减少污染。2.相关性汽车上的电子控制系统是相互关联的；单一的控制系统都会出现非预期的结果；各子系统的最佳，不一定能获得整个系统的最佳，甚至降低了子系统预期的性能。汽车综合控制系统悬架控制系统动力传动控制系统操纵控制系统发动机控制系统第三层第二层第一层单个装置控制子系统控制3.层次性汽车控制系统一般可分为三个层次：例：发动机控制系统4.随机性汽车在不同的环境条件下行驶，控制系统的设计必须满足动态的、不确定的或随机的动态工况。电控燃油喷射系统(EFI)点火正时控制点火提前角控制点火能量控制······怠速控制系统(ISC)废气再循环控制系统(EGR)喷油量控制喷油时间控制喷油顺序控制······电控点火系统(ESA)发动机控制系统2.1.3汽车电子控制系统的工作原理1.检测汽车各部位的传感器检测不断变化工作状况信息、环境信息提供给ECU；3.执行通过执行机构对汽车的工作状况进行控制。必要时，可对汽车工作状况信息显示或报警。2.判断、决策和控制汽车电子控制系统根据检测的工作状况信息用预先存放在ECU中的指令程序、控制算法发出控制信号；ECUI/O输入回路CPU存储器A/D空气流量发动机转速节气门位置冷却水温进气温度曲轴位置车速爆震氧传启动信号空调开关输出回路喷油量控制点火正时控制怠速控制故障自诊断废气再循环其它辅助控制传感器控制项目发动机集中电子控制系统微处理器A/DA/D存储器D/A车速传感器油箱传感器D/A车速表燃油液位指示仪表图2-4电子控制的车速表及燃油液位指示仪表系统指示仪表系统2.2汽车传感器汽车传感器也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。目前，一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上多达二百余只传感器。汽车传感器主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。汽车传感器是汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件。传感器技术的发展趋势1.多功能化一个传感器可实现多个不同种类多个参数的检测。3.集成化IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。4.智能化指传感器与大规模集成电路结合，带有CPU，具有智能功能，以减少ECU的复杂程度。2.数字化适应汽车控制计算机的信息输入。汽车传感器种类很多，实际应用一般按传感器输入量，即传感器检测的量分类，如2.2.1汽车传感器的分类力学量热力学量其它检测量单位检测量单位检测量单位位置或位移速度加速度转角或角位移转速力转矩爆震Mm/sm/s2radr/minNN·mPa温度压力流量,真空度KCKPaMPakg/sm3/sPa气体成分气体浓度molmol分类按能量关系主动型：传感器无需外加输入电源。如：磁电、热电、压电、光电等。被动型：传感器需外加输入电源。如：电阻、电容、电感、磁阻、热阻等。按信号转换非电量转换成另一种非电量，如：弹性敏感元件、气动传感器非电量转换成电量如：热电阻、热电偶、压电式按工作原理电阻式、电容式、电感式、应变式、光电式、光敏式、压电式、热电式等按使用功能用于了解汽车工作状况；用于控制汽车运行状态；传感器的其它分类方法传感器检测工况或参数位置传感器排气再循环阀开度、油门踏板位置、燃油箱液面位置、汽车高度、海拔高度等。转角传感器节气门位置、曲轴转角、方向盘转角、前轮转角等。转速传感器检测曲轴转速、车轮转速等。速度加速度传感器检测车速（绝对值）、加速度。力学量传感器在汽车上的应用热力学量传感器在汽车上的应用传感器检测工况或参数温度传感器冷却液温度、进气温度、燃油温度、排气口和排气管的温度、空调蒸发器和冷凝器温度等。压力传感器进气岐管压力、燃油压力、机油压力、增压压力、自动变速器油压等。流量传感器吸入空气流量、燃油流量、废气再循环流量、制冷剂流量等。液量传感器燃油量、冷却液量、机油量、制动液量等。气体浓度传感器氧气、二氧化碳、NOx、HC、柴油烟度。汽车传感器工作环境高温、低温、振动、冲击、潮湿、蒸汽、盐雾腐蚀、油泥污染2.2.2汽车传感器的性能要求1）环境的适应性；2）工作的稳定性和可靠性；关键3）检测的精度和重复性；4）小型化、便于安装、易于检测识别；5）具有批量生产和通用性、符合有关标准。汽车传感器的性能要求2.2.3汽车传感器的选用原则指标传感器指标定义量程被检测量上限和下限的代数差。灵敏度输出变化值与被测量的变化值之比。分辨率检测出被测量的最小变化值。误差检测值与被测量的真实值之差。重复性重复测量时，测量结果的一致性。过载允许检测被测量的最大值。可靠度规定条件下，传感器正常工作的可能性。线性度输入/输出曲线与其拟合直线之间的偏差度。响应时间接受阶跃输入信号，传感器输出值达到稳定值的最小规定百分数(如95％)时所需的时间。低油位报警器油位传感器部分汽车传感器的实物图片水温传感器汽车用压力传感器热膜式汽车空气流量传感器热线式汽车空气流量传感器节气门阀体总成节气门位置传感器凸轮轴传感器曲轴位置传感器汽车氧传感器汽车爆震传感器汽车超声传感器2.3.1汽车电子控制单元的主要功能1)接受传感器或其它装置的输入信号，并将输入信号处理成计算机能够接受的数字信号；2)给传感器或传感器放大电路提供基准电压；3)计算、分析、处理和存储汽车工况和环境信息；4)输出控制执行指令、故障信息；5)自我修正功能（自适应功能）。2.3汽车电子控制单元（ECU）ECU的实物图片ECU的实物图片ECU主要由输入接口、微处理器和输出接口的组成。传感器传感器A/D转换器A/D转换器信号放大器微处理器输出驱动基准电压调节器存储器2.3.2ECU的组成2）微处理器微处理器即单片机，有8位、16位、32位。1通用单片机2专用单片机1）输入接口电路输入接口电路主要是实现传感器与微处理器之间的信息传递。主要功能是对传感器输出信号进行预处理。1模拟信号处理：放大、量程变换、A/D转换。2数字信号处理：放大、整形。3）存储器1随机存取存储器（RAM）2只读存储器（ROM）3可编程只读存储器（PROM）4可保持存储器（PAM）4）输出接口电路D/A转换、输出信号变换、电压放大或电流放大。功能：执行元件根据ECU输出的控制信号执行相应的预定动作。执行元件根据驱动的能量不同可分为三类：2.4汽车电子控制系统中的执行元件执行元件应用场合电动执行元件受汽车电源功率的限制，用于执行功率不大场合；如电磁阀门类液压执行元件用于执行功率较大、且对于执行元件尺寸要求较小的场合；如轿车的制动系统气动执行元件用于执行功率较大、且对于执行元件尺寸要求不严的场合；如卡车的制动系统2.4.1电动执行元件执行元件使用电源执行量特点电动机类直流电动机直流电源转速调速性好、启动转矩大、响应较快。侍服电动机直流电源角位移或位移启动转矩大、响应快。步进电动机脉冲电源角位移或位移直接实现数字控制，控制性能好。电磁力类直接执行直流电源位移结构简单、可靠，功率较小、运动距离小间接执行直流电源位移电磁力驱动油压、气压控制阀直接以电磁能为动力的执行元件，其优点是结构简单、可靠，缺点是功率较小、运动距离小。仅应用于电动门锁、电磁阀门功率较小、运动距离小场合。电-液压、电-气动执行元件是以电磁力驱动油压、气压控制阀，可获得较大的功率。但其结构复杂，广泛应用于汽车的行驶、转向、制动、悬架方面。电-液压、电-气动执行元件2.4.2汽车执行元件的性能要求3）可靠性和安全性使用寿命长、安全、噪声低。1）输入、输出性能能实现细微的控制、响应快、足够的输出功率。2）环境的适应性耐高温、低温、振动、冲击、潮湿、盐雾、腐蚀的恶劣环境。4）经济性体积小、质量轻、成本低、能实现批量生产和通用性、符合有关标准。2.4.3常用的汽车电气执行元件电动执行元件电磁执行元件其它执行元件电动输油泵电动燃油泵电动燃油喷射泵共轨高压泵电动空气泵电动节气门(又称电子油门)电动雨刮器冷却风扇电磁喷油器液压电磁阀气动电磁阀燃油切断阀炭罐控制阀压缩机电磁离合器共轨压力控制阀、排气再循环控制阀点火线圈三效催化器加热执行元件炽热塞电动输油泵电动燃油喷射泵全世界燃油喷射系统(喷油器)几乎被博世、德尔福、西门子威迪欧及日本电装等四家厂商所垄断。电磁喷油器2.5汽车电子控制系统中的控制理论2.5.1汽车电子控制理论控制理论是编制和优化控制软件的理论基础，是汽车电子技术中的难点和重点。1.被控对象的特性分析1)静态特性分析：静态输入/输出特性；2)动态特性分析：动态输入/输出特性；微分方程或差分方程；对象的模型辩识；对象的参数辩识；3)干扰分析：干扰作用于被控制对象的输出。设计控制系统时，首先进行系统辨识，建立数学模型，但是大多数的系统结构比较复杂，理论推导这些系统的数学模型相当困难。因此，一般采用实验方法找出系统的模型特征和参数。实验（经验）模型找出系统各种工况下的最佳状态，然后存人微机内存。实施控制时，微机不断检测系统的工况，用查表的方法，查出该工况下的最佳控制值对系统进行控制。系统辨识2.自动控制理论简介控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。1)开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。控制器执行机构被控对象r(t)d(t)y(t)u(t)开环控制系统的输出y(t)产生偏差时，不能及时予以纠正。闭环控制系统是指系统被控对象的输出会反馈回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统又称为有反馈控制系统。2)闭环控制系统传感器控制器执行机构被控对象y(t)r(t)e(t)u(t)d(t)b(t)闭环控制系统的输出y(t)产生偏差时，控制器能根据偏差对系统的输出予以纠正。参数定义被控制量y(t)被控对象需要控制的参数，也称为控制系统的输出。给定值r(t)希望控制系统的输出能达到的期望值，也称为参考输入量或指令输入量。反馈量b(t)传感器测量被控制量所产生的输出量，一般与被控制量成线性关系。误差/偏差e(t)给定值与反馈量差值，e(t)＝r(t)－b(t)控制量u(t)控制器根据误差e(t)的输入，经过预先设计控制算法得出的控制输出量。执行元件输出量d(t)执行元件根据控制量u(t)的输入，产生的功率输出量。3)闭环控制的参数4)反馈控制的主要过程1测量：测量被控制的变量y(t)，获得反馈量b(t)；2比较：测量值b(t)与给定的期望值r(t)比较，得到误差或偏差e(t);3控制：控制器根据该误差e(t)的大小、变化产生控制输出量u(t)；4执行：执行器根据控制输出量u(t)产生功率输出量d(t)，以纠正系统的偏差。系统的控制精度取决于测量环节；系统的动态控制质量取决于控制器的控制算法。主要包括四个过程：主