1、机械工程学院汽车系 张伟13368252827;zhang_ 2011年4月18日,汽车电子控制技术,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,汽车电子控制技术绪论,背景 汽车电子技术的发展历程第一、二、三阶段 现代汽车电子技术应用状况 发动机、底盘部分、行驶安全方面的应用； 乘坐舒适性有关的实用电子技术； 车用信息系统中的新技术。 汽车电子技术的发展趋势 汽车电子技术的发展前景,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,背 景(与汽车有关的课题),(1)问题的提出 汽车在方便人们造福人类的同时，也带来了如下问题： 环境问题 全球性：地球温暖化、臭氧层破坏 区域性：酸雨、大气污染、
2、噪声、灰尘 安全问题 物质和生命财产的损失 道路堵塞和浪费。 能源问题 能源短缺(石油还能开采45年) (2)问题的解决 21世纪汽车发展趋势是：安全、节能、环保、舒适。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,要求提高汽车的各种性能 由于日益增强的安全、节能与净化要求和激烈的市场竞争。 (3)机械结构的局限 汽车经过100多年的发展，汽车产品在机械结构方面已经非常完善，靠改变传统的机械结构和有关结构参数来提高汽车的性能己临近极限。 (4)技术措施及效果 汽车工业还须不断研发新技术，特别是电子技术和计算机控制技术的不断发展，为汽车新技术发展提供了重要的技术手段。通过增加汽车电子设备的数
3、量、促进汽车电子化已成为夺取未来汽车市场的重要的有效手段。汽车已经由单纯的机械产品发展成为高级的机电一体化产品。汽车电子技术的迅猛发展极大地改善了汽车的各项性能。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,汽车电子技术的发展概况,现代汽车“架在四个车轮上的计算机控制系统” (1)汽车电子技术发展简史 在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，涉及到发动机控制技术、底盘控制技术、车身控制技术、车辆行驶控制技术及信息通讯技术等方面。它的发展大致经历了三个大的阶段 ： 第一阶段(20世纪6070年代末)电子化时期 主要开发单独性的电子零部件，从而改善单个机械部件的性能。如整流器、调节器、晶体管无
4、触点点火、闪光器、电子时钟等。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,第二阶段(20世纪7090年代初)独立控制时期由于大规模集成电路、计算机技术和控制技术的发展，开发一些独立的控制系统，如发动机控制系统、ABS控制系统、安全气囊、巡航控制系统等。该阶段是汽车电子化快速发展的时期，各个单独系统的控制技术逐渐成熟。 第三阶段(20世纪90年代至现在)协调控制时期由于32位、64位微机的出现和控制技术的日趋成熟，同时汽车电子技术多学科交叉的特点更加明显，汽车电子系统的设计更加从整体的角度来考虑。开始广泛应用计算机网络与信息技术，使汽车更加自动化、智能化、并向汽车与社会环境的联结方向转移。
5、,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,汽车电子技术的应用现状,控制系统可分成四类：发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统及信息与通讯系统。各个系统采用的电子技术如表1-1所示。 (1)电子技术在发动机部分的应用 电子控制喷油装置电控燃油喷射装置因其性能优越而得到了日益普及。电子喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使其在输出一定功率的条件下最大限度地节油和净化空气。经过实验并修正得到发动机最佳工况时的供油控制规律、事先把这些客观规律编成程序存在微机的存储器中，当发动机工作时，根据各传感器测得的空气流量、排气管中含氧量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编好的
6、运算程序进行运算、然后和内存中的最佳工况的参数进行比较和判断再调整供油量。这样就能够使发动机一直处于最优工作条件下运行，从而使发动机的综合性能得到提高。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,电子点火装置(ESA),它由微机、传感器及其接口、执行机构等几部分构成。该装置可根据传感器送来的发动机各种参数进行运算、判断，然后进行点火时刻的调节、这样可以节约燃料、减少空气污染。此外，新型发动机电子控制装置还有自适应控制、智能控制及自诊断操作等。一般认为，发动机电子控制装置的节能效果在15以上，而效果更明显的则是在环境保护方面。 除此之外，在发动机部分利用电子技术的内容还有：废气再循环(EG
7、R)、怠速控制(ISC)、电动油泵、发电机输出、冷却风扇、发动机排量、节气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油汽蒸发及系统自我诊断功能等，它们在不同的车型上都或多或少地被应用。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(2)电子技术在底盘部分的应用,电控自动变速器(ECAT) ECAT可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数、经过计算机的计算、判断后自动地改变变速杆的位置，从而实现变速器换挡的最佳控制，即可得到最佳挡位和最佳换挡时间。它的优点是加速性能好、灵敏度高、能准确地反映行驶负荷和道路条件等。货车传动系的电子控制装置，能自动适应瞬时工况变化，保持发
8、动机以尽可能低的转速工作。电子气动换挡装置是利用电子装置取代机械换挡杆及其与变速机构间的连接。并通过电磁阀及气动伺服阀汽缸来执行。它不仅能明显地简化汽车操纵，而且能实现最佳的行驶动力性和安全性。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,防抱死制动系统(ABS),该系统是一种开发时间最长、推广应用最为迅速的重要的安全性部件。它通过控制防止汽车制动时车轮的抱死来保证车轮与地面达到最佳滑动率(1520)，从而使汽车在各种路面上制动时，车轮与地面都能达到纵向的峰值附着系数和较大的侧向附着系数，以保证车辆制动时不发生抱死拖滑、失去转向能力等不安全的工况、提高汽车的操纵稳定性和安全性，减小制动距离
9、。驱动防滑系统(ASR)也叫做牵引力控制系统(TCS或TRC)，是ABS的完善和补充，它可以防止起动和加速时的驱动轮打滑，既有助于提高汽车加速时的牵引性能，又能改善其操作稳定性。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,电子转向助力系统,电子转向助力系统是用一部直流电机代替传统的液压助力缸、用蓄电池和电动机提供动力。这种微机控制的转向助力系统和传统的液压助力系统比起来具有部件少、体积小、重量轻的特点，且不会发生漏油等问题。目前应用的有电子控制前轮、后轮及前后四轮转向系统。使用电控转向系可以获得最优化的转向作用力特性，最优化的转向回正特性，提高汽车的转向能力和转向响应特性，可以提高汽车低
10、速时的机动性以及高速行驶时的稳定性。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,适时调节的自适应悬挂系统,当汽车的载荷发生变化时，一般汽车的悬挂装置高度就会改变，当制动时前悬挂的高度会降低。转弯时内侧悬挂的高度会升高。这不仅影响到乘客的舒适性，还会影响操纵稳定性等。装用自适应悬挂系统后，则根据悬挂装置的瞬时负荷，自动地适时调节悬架弹簧的刚度和减震器的阻尼特性，以适应当时的负荷，保持悬挂的既定高度。这样就能够极大地改进车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐的舒适性。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,巡航控制系统(CCS),当汽车以高速长途行驶时，可用事先预定的车速行驶。装用常速巡行
11、自动控制系统后，恒速行驶装置将根据行车阻力自动调整节气门开度，驾驶员不必经常踏油门以调整车速。若遇爬坡，车速有下降趋势，微机控制系统则自动加大节气门开度；在下坡时，又自动关小节气门开度，以调节发动机功率达到一定的转速。当驾驶员换低速挡或制动时，这种控制系统则会自动断开。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(3)电子技术在行驶安全方面的应用,安全气囊系统 如果说ABS是汽车最重要的主动安全性部件，那么安全气囊就是最重要的被动安全性部件。安全气囊系统由触发装置、气体发生器和气囊三部分所组成，触发装置包括传感器、电子控制装置、储备电源和监控装置。电子控制系统接受加速度传感器发来的信号，
12、并进行分析，以制定是否发生碰撞事故，然后，对气体发生器发出指令，由电流点燃气囊中的“药物”并吹胀气囊，整个操作时间约需003秒。触发装置中的监控装置可连续自监控，确保整个气囊系统在任何时候都处于准备工作状态。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,行驶动力学调节系统(FDR或VDC),这是一种新型的主动行驶安全性系统。用以取代现在汽车装用的ABS和ABSASR。行驶动力学调节系统的基本特点在于它不仅保持并改进了ABS和ABSASR的基本作用，即在制动和驱动加速过程中调节纵向力，而且还可以进行横向动力学的调节，从而在汽车的所有行驶工况下(如全部或部分制动、自由滚动、驱动、各向滑移、载荷
13、变化等)，都可避免故障发生，实现汽车的安全操纵。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,防撞系统,在汽车行驶的过程中，当两车间的距离减小到一定程度时，该系统会自动报警，若汽车继续行驶，则会在即将相撞的瞬间，自动控制汽车的制动系统将车辆停止。在某些车辆上，还会自动显示车后障碍物的距离，从而有效地防止倒车时发生碰撞事故。 安全带控制 该装置在汽车发生任何碰撞的情况下，可以瞬间束紧安全带。在现代的智能汽车上，当ECU确认驾驶员和乘客将安全带正确使用时，发动机才能被起动。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,照明控制,该系统可以在汽车前照灯照明的范围内，随着方向盘的转动而转动，并
14、能够在汽车通过隧道时自动开启，在夜间会车时自动转换远近光以达到防眩目；还有的车在前照灯突然失效时能自动启动应急照明等。 除此之外，像自动门窗装置、车门自动闭锁装置、防盗装置、车钥匙忘拔报警装置、语音开门装置、倒车雷达等各种各样的安全装置也在现代汽车上得到了广泛的应用。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(4)与乘坐舒适性有关的实用电子技术,全自动空调系统 利用电子控制自动空气调节装置可对车厢内的温度预选、左右侧的不同温度、局部温度、厢内气流控制等作自动调节，从而大大提高乘员的舒适性。 自动座椅 该装置是人体工程技术与电子技术结合的产物，它能够使座椅适应乘客的不同体型，以满足乘客乘
15、坐的舒适性。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(5)车用信息系统中的电子新技术,随着汽车电子化的发展，车辆行驶所需的信息量越来越大，需要采集的信息已经远远超过了最初的诸如车速、里程、水温、油压、气压等最基本的项目范围，而逐渐向全面反映车辆工况和行驶动态等功能发展，因此车辆的信息系统也日惭成为电子技术应用最密集的领域。它不仅涵盖了车辆基本操纵功能，而且逐渐延伸到车辆安全性、人车智能交流及人车与外界环境信息交流等方面。而现在汽车领域电子技术应用的最新成果和技术也是最多地应用于车辆的各系统的电子控制和信息的处理方面。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,车用导航系统,可以
16、根据驾驶员提供的目标资料，提供距离最短而且能绕开车辆密度较高的最佳行驶路线。它装有电子地图，可以显示出前方道路、并采用卫星导航。现在汽车导航图示仪已逐步演变成一个集安全、娱乐、导航为一体的综合系统，包括车载计算机、GPS接收机和竖立在汽车仪表板上的一个小屏幕显示器。当输入目的地后，就会显示最佳行车路线。行驶过程中，计算机不断发出指令，指导驾驶员正确驾驶，并通过卫星接收机，从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况，并不断地修正路线，直至将汽车导引至距目的地最近的停车场。在日本，汽车导航图仪已逐步成为广受欢迎的热点产品。GPS(全球定位系统)、ATIS(导前交通服务系统)、
17、VICS(道路交通信息系统)的综合运用将促使汽车导航的发展走向更精确化、更方便化。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,汽车信息显示与报警,微处理机的出现给汽车仪表带来了革命性的变化，由从前单一的仪器发展为多用途、智能化仪表，不但可以很精确地把汽车上所有的待测量都检测出来，分别显示和打印需要的结果，而且还有运算、判断、预测和引导等功能。如可监视汽车各大部件的工作情况还可以对蓄电池电压、轮胎气压、车速等检测量的高低限量进行报警。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,通讯系统,电子技术在汽车通讯领域的应用最多的是车载电话，随着目前电子技术应用水平的提高，除了可以实现车与路之
18、间、车与车之间、车与其它交通工具之间的通讯外，还可以通过卫星与国际电话网及国际互联网相连接。微软公司正在研制一种安装在汽车内的微型电脑，它可取代目前汽车内的音响装置，使人在汽车内既可欣赏音乐，还能满足视觉享受及与互联网，利用新的“Windows CE”操作，使正在旅途中的人既能收发电子邮件和传真，也能启动CD-ROM，还能借助工具驾驶汽车，甚至可以将移动电话放在特定位置后，不需用手握住移动电话就可与对方自由地进行交谈。新的电脑系统还具有语音合成的功能，能将在汽车行驶过程中收到的信息用声音告知司机，还能为司机读出电子邮件和电传内容。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,汽车电子技术的
19、发展趋势,第三个阶段，由于计算机技术、控制技术、信息技术、新材料、新工艺的不断进步，对汽车工业的发展最有价值、最有贡献的阶段，也将是优化人汽车环境的整体关系最为重要的阶段。超微型磁体、超高效电机以及集成电路的微型化，为汽车上的集中控制提供了基础(例如制动、转向和悬架的集中控制以及发动机和变速器的集中控制)。同时，智能化集成传感器和智能执行机构将付诸实用，数字式信号处理方式将应用于声音识别、安全碰撞、适时诊断、导航系统等。未来汽车的展望如图1-1所示。在这个阶段，汽车电子技术的发展主要表现在以下方面 ：,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(1)传感器技术,由于汽车电子控制系统的多样
20、化，使其所需要的传感器种类和数量不断增加。为此，研制新型、高精度、高可靠性和低成本的传感器是十分必要的。未来的智能化集成传感器，不仅要能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号作放大和处理。同时，它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。它还具有结构紧凑、安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(2) 微处理机技术,自从1976年美国通用汽车公司成功地把微处理机应用于汽车发动机控制系统后世界汽车工业的微处理机用量激增：1985年为200
21、万只，1989年为6000万只，1993年则达到了2亿只。 微处理机已广泛地应用于安全、环保、发动机、传动系、速度控制和故障诊断中。目前，美国汽车用微处理机8位的占多数，约占总量的65。16位和32位微处理机正在迅速地扩大市场近年来16位的用量增加约50，而8位的只增加11。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(3)执行机构和配用系统,它包括目前使用的微型电动机、电磁阀等。此外，还要求有新的执行机构如电控可变阀定时系统(发动机控制用)。智能动力装置通过对电子控制装置用动力装置的连续改进，使其具有载荷自动转换功能并使其功率消耗降到1w以下。为进一步满足电子控制装置的要求，应使之采用
22、数字式通断控制，并带有超载保护装置。 (4)新的控制理论和方法将大量应用 最优控制理论在汽车悬架系统中的应用；滑移控制在ABS控制中的应用；模糊控制在自动变速器控制中的应用及人工神经网络在四轮转向控制中的应用等。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(5)软件新技术应用,随着汽车电子技术应用的增加，对有关控制软件的需求也将会增加，并可能要求进一步计算机联网。因此，要求使用多种软件，并开发出通用的高水平语言，以满足多种硬件的要求。轿车上多通道传输网络将大大地依赖于软件。软件总数的增加及其功能的提高。将能够使计算机能完成越来越复杂的任务。(6)多通道传输技术 80年代末，美国3大公司联
23、合提出使用多通道技术的实施方案，在汽车工业中多通道传输技术由试验室进入实用阶段。采用这种技术后，使各个数据线成为一个网络，以便分享汽车中心计算机的信息。微处理机可通过网络接收其它单元的信号。传感器和执行机构之间要有一个新式接口，以便与多通道传输系统相联系。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(7)集成化制造技术,汽车电子技术的一个发展趋向是功能集成化，从而实现更经济、更有效以及可诊断的数据中心。如传感器系统的集成化可减少布线，简化控制系统，并可使传感器系统的尺寸减小6080。 (8)数据传输载体方面的电子新技术应用 汽车电子技术的进步，已使各系统控制走向集中，形成整车控制系统。这
24、一系统除了中心电脑外，甚至包括多达23个微处理器以及大量传感器和执行部件，组成一个庞大而复杂的信息交换与控制系统，车用计算机的容量要求已与现代PC机不相上下，计算速度则要求更高。由于汽车用计算机控制系统的数量日益增多，采用高速数据传输网络日益显得必要。光导纤维可为此传输网络提供传输介质，以解决电子控制系统防电磁干扰的问题。随着光导纤维的成本不断降低，它的应用也将降低汽车各有关方面的成本。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(9)汽车车载电子网络CAN总线,随着电控器件在汽车上越来越多的应用，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要。为了进一步提高行驶的经济性、安全性、舒适性及减小污
25、染，各微处理机之间必须密切合作，如发动机转速、温度及车速等信息必须在不同控制单元间交换。由此，以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及价廉是对汽车电子网络系统的要求。在该系统中，各从处理机独立运行，控制改善汽车某一方面阶性能。同时在其它处理机需要时提供数据服务。主处理机收集整理各从处理机的数据，并生成车况显示。通信控制器保证数据的正常流动。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,(10)智能汽车及智能交通系统(ITS)的研究及应用,让汽车在人们的日常生活中不仅仅扮演代步工具的角色而成为像家庭一样休闲、舒适的场所，这一直是人们所渴求的。
26、人们想象着下个世纪的某个早晨，把智能汽车开出车库，驶上高速公路，然后按几下按钮，让“智能驾驶仪”驾驶汽车，自己则靠在座位上听音乐、看书或者读报，尽情享受汽车以200Kmh左右的高速行驶时那种轻快、平稳的感觉。从最初的“自动驾驶仪”的构想到现在的“智能交通系统(ITS)”的发展研究，这一切都依赖于电子技术，尤其是计算机技术的不断完善和进步。作为一个很庞大的系统工程，智能汽车和ITS仍需跨过许多技术性障碍。但可以肯定，这一切的实现一定不会是个遥远的梦想。其实，与这一工程相关的技术已部分融入汽车工业之中，如导航系统、防撞系统等。未来学家们声称，将来的某天，路上行驶的都会是由计算机控制的智能汽车。,汽
27、车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,汽车电子技术的发展前景,纵观近几十年来汽车技术的重大成就，几乎都是应用电子技术的结果，而且自80年代以来，汽车工业的长足进步，都是以电子技术为动力而实现的。因此，一个国家电子产业的水平及其在汽车工业领域的应用情况，就决定了它在未来的世界汽车业竞争中能否掌握主动权。 根据对全球汽车行业情况的研究估算和预测，2002年全球汽车电子系统市场的规模约为1000亿美元，而到2007年全球汽车电子系统市场的规模将达到约1500亿美元。从2002年到2007年，总体汽车电子系统市场的年平均增长率约为7%，而这样高的增长率还有保持下去的趋势。,汽车电子控制技术,重
28、庆大学机械学院汽车系 张伟,电子技术已经广泛应用于汽车的各个领域，极大的改善了汽车的综合性能，使汽车在安全、节能、环保、舒适等各方面都有了长足的进步。随着汽车电子设备对汽车产品重要性的不断增加，预计在未来5年内，汽车上的电子装置成本将可能占汽车整车成本的20%30%之间，这样汽车电子产品将获得巨大的市场容量。汽车电子产业拥有广阔的发展空间和前景。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,教材及主要参考书：,周云山.汽车电子控制技术 机械工业出版社 2004 简晓春、杜仕武. 现代汽车新技术及应用 人民交通出版社 2005 冯渊. 汽车电子控制技术 机械工业出版社 2004潘旭峰 现代汽车电子控制 北京理工大学出版社 1998,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院汽车系 张伟,技术基础,汽车构造 汽车电器及电子设备 汽车理论 内燃机原理 控制理论,电子技术 传感器技术 测试技术 微机原理与应用 微机控制技术,
