第1章 汽車電子控制技術(shù)基礎(chǔ)

1、第一章 汽車電子控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識第一節(jié) 概 述 一、汽車電腦控制系統(tǒng)的組成在硬件結(jié)構(gòu)上一般由三部分組成：外部傳感器、電控單元和執(zhí)行機構(gòu)，如圖2-1所示。 二、汽車傳感器 (一)傳感器的作用是一種信號轉(zhuǎn)換裝置，它將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號，有模擬信號和數(shù)字信號 。 (二)傳感器的分類 根據(jù)檢測功能來分，使用的見表2-1 豐田車的電控系統(tǒng)實例節(jié)氣門開度傳感器輔助節(jié)氣門開度傳感器TRC開關(guān)前右速度傳感器前左速度傳感器后右速度傳感器后左速度傳感器T/M速度傳感器加速度傳感器發(fā)動機控 制計算機TRC控制計算機ABS控制計算機電動節(jié)氣門控制計算機節(jié)氣門電機ABS報警燈TRC OFF 燈滑動噴射器ABS/TRC

2、執(zhí)行元件主缸電磁閥PRV電磁閥回流電磁閥保持電磁閥減壓電磁閥液壓泵電機 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，分析輸入信息并進行相應(yīng)的計算。 (4)輸出執(zhí)行命令，把弱信號變?yōu)閺娦盘柕膱?zhí)行命令。 (5)輸出故障信息。 (6)完成多種控制功能。 (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行預(yù)處理，使輸入信號變成微

3、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)的輸入電路進行處理。 (1)模擬信號的處理信號若信號很弱，則需要進行放大。然后進行模數(shù)( AD )轉(zhuǎn)換 若信號不是很弱，而且在AD所設(shè)定的量程范圍內(nèi)，可直接進行AD轉(zhuǎn)換。若超過了AD轉(zhuǎn)換器的量程，則需要進行電壓轉(zhuǎn)換，使其不超過 AD的量程范圍。圖2-3顯示了AD的工作過程。 (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IO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位單片機或16位單片機，現(xiàn)在

4、一些轎車上開始使用 32位單片機。 單片機是指將CPU、RAMROM、IO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。如流行的MCS一51系列單片機外形如圖2-4所示。單片機具有小型化、功能強、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，如Intel MCS8048，8049，8032，Motorola MC6802， RCAl802等8位機及IntelMCS8097 16位機。也用到一些專用單片機，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Sie

5、mens 80C166，80C196KB，80535等單片機。 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。 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

6、和電動油泵、點火控制中的點火線圈、怠速控制中的步進電機、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)動機控制器，被稱為“動力控制模塊PCM”(如圖

7、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。 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行冷卻，并讓發(fā)動機的進氣流過計算機，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，計算機體積減小，同時也不需要用進氣氣流進行冷卻了。 二、通用汽車電腦1986年以前，動力控制模塊稱為160bs計算機。從1986年度開始的車型，通用汽車公司采用P4型計算機，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

8、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。 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。

9、某些通用汽車目前裝用新一代P6型計算機。 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

10、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。 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行比較。若信號相加，稱為“正反饋”；若信號相減，稱為“負反饋”，負反饋的應(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)

11、的溫度控制等。 (三)復(fù)合控制系統(tǒng) 為進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， 燃油噴射閉環(huán)控制：在排氣管上安裝一個氧傳感器，如圖 220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

12、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。 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

13、統(tǒng)為不確定系統(tǒng)。現(xiàn)實的工程系統(tǒng)，多為不確定系統(tǒng)。 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。 二、最優(yōu)控制最優(yōu)控制是所選的系統(tǒng)性能指標(biāo)達到最優(yōu)的一種控

14、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)?？刂葡到y(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。 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)進行校準(zhǔn)。 四、模糊控制模糊控制是計算機數(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)。 五、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所謂人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN-Art