機電一體化技術(shù)在汽車中的應用研究

機電一體化技術(shù)在汽車中的應用研究,機電,電機,一體化,技術(shù),汽車,中的,應用,利用,運用,研究,鉆研 摘 要：從機電一體化的含義著手，結(jié)合機電一體化的發(fā)展狀況及其核心技術(shù)，從發(fā)動機微機控制系統(tǒng)、汽車激光雷達自動防撞微機控制系統(tǒng)、電子控制的自動變速器、ABS系統(tǒng)幾個方面分析了機電一體化技術(shù)在汽車中的應用，并對機電一體化技術(shù)發(fā)展前景進行了展望。 關(guān)鍵詞：機電一體化技術(shù)；汽車應用；技術(shù)分析；發(fā)展趨勢 機電一體化技術(shù)在汽車中的應用研究 1.基本概論 1.1機電一體化概述 機電一體化它是以機械為主,電子技術(shù)和計算機科學在不同學科的相互滲透、結(jié)合的過程中逐漸形成和發(fā)展一個新的邊緣學科,微電子技術(shù)和計算機技術(shù)產(chǎn)生的新一代產(chǎn)品。主要指的是微電子技術(shù)的機電一體化產(chǎn)品替代,提高機械產(chǎn)品的一部分, 利用機電一體化技術(shù)使機械產(chǎn)品實現(xiàn)自動化,數(shù)字化和智能化,為了提高產(chǎn)品的性能,使產(chǎn)品性能達到一個質(zhì)的飛躍。 因此,機電一體化是機械產(chǎn)品其中包括主要功能、動態(tài)功能、信息處理和控制功能上引進電子技術(shù)和計算機技術(shù),及機械設(shè)備和電子設(shè)備和計算機軟件組成的組合系統(tǒng)。在工程領(lǐng)域機電一體化技術(shù)也全面收集和各種不同的技術(shù),它是基于機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)基于高新技術(shù)。近年來,隨著微電子技術(shù)和計算機應用技術(shù)的快速發(fā)展,機電一體化技術(shù)在不斷擴大和提高。目前機電一體化的研究和開發(fā)主要包括計算機數(shù)控系統(tǒng),機器人,柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的特點是產(chǎn)品和系統(tǒng)的功能實現(xiàn)的制度功能的所有部分聯(lián)合行動的結(jié)果,傳統(tǒng)的機械和電氣設(shè)備的機電系統(tǒng)相對獨立。 2 機電一體化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 2.1 精密機械技術(shù) 機械技術(shù)是機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ),因為機電一體化產(chǎn)品的主要功能和結(jié)構(gòu)的功能是通過機械技術(shù)為主。在機械傳動和控制與電子技術(shù)相互結(jié)合的過程中,機械技術(shù)提出了更高的要求,如傳動精度和精度要求較傳統(tǒng)機械技術(shù)有了很大的提高。在機械系統(tǒng)中,新材料、新技術(shù)、新原理、新結(jié)構(gòu)在不斷發(fā)展和改進,以滿足機電一體化產(chǎn)品,以減少體積,重量,提高剛度和改善工作性能要求。 2.2 信息處理技術(shù) 信息處理技術(shù)是指在工作過程的機電一體化產(chǎn)品和各種參數(shù)和狀態(tài),并自動控制過程中相關(guān)工作的信息交換、訪問、操作、判斷和決策分析等機電一體化產(chǎn)品,實現(xiàn)的主要工具是計算機信息處理技術(shù)。計算機技術(shù)包括硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)、等機電一體化產(chǎn)品,計算機信息處理設(shè)備是產(chǎn)品的核心,其控制和命令的機電一體化產(chǎn)品運行,因此,計算機應用和信息處理技術(shù)是機電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù),它包含了廣泛的研究和實際應用的人工智能、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。 2.3 檢測與傳感器技術(shù) 在機電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及與工作過程有關(guān)的相應信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應的信號檢測裝置進行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動控制。機電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時檢測裝置能不失真地對信息信號進行放大和輸送及轉(zhuǎn)換。 2.4 自動控制技術(shù) 自動控制技術(shù)的機電一體化產(chǎn)品,包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、校準和補償?shù)葯C電一體化產(chǎn)品的擴張的自動控制功能,使產(chǎn)品的精度和效率快速增加。通過自動控制,機電一體化產(chǎn)品可以及時發(fā)現(xiàn)故障,工作過程和實現(xiàn)自動開關(guān),減少停機時間,提高設(shè)備的有效利用。由于計算機的廣泛應用,自動控制技術(shù)日益結(jié)合計算機控制技術(shù),它已成為機電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是非常重要的。技術(shù)難點在于工程和現(xiàn)代控制理論的實際應用,邊界條件的確定過程中控制、最優(yōu)控制模型和抗干擾等。 2.5 伺服驅(qū)動技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù)主要指的是機電一體化產(chǎn)品技術(shù)問題在致動器的設(shè)計和驅(qū)動,它包括在設(shè)備上執(zhí)行技術(shù),對產(chǎn)品的質(zhì)量有直接影響的處理。致動器的機電一體化產(chǎn)品,如電動、氣動和液壓式,使用電動執(zhí)行機構(gòu),驅(qū)動裝置主要是各種電機驅(qū)動電源電路,當前函數(shù)的電力電子器件和集成電路。致動器一方面,通過接口電路與計算機相結(jié)合,接受指令的控制系統(tǒng),另一方面,通過機械接口結(jié)合機械傳動和執(zhí)行機構(gòu),實現(xiàn)指定的行動。伺服驅(qū)動技術(shù),因此,直接影響機電一體化產(chǎn)品的功能實現(xiàn)和操作,產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、精度和操作的質(zhì)量控制等有決定性的影響。 2.6 系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)從總體目標,用系統(tǒng)的觀點和方法機電一體化產(chǎn)品的總功能分解為幾個功能單元,找出可能的技術(shù)方案可以完成的功能,然后函數(shù)和技術(shù)解決方案組進行分析、評估,全面優(yōu)化功能合適的技術(shù)解決方案。系統(tǒng)的整體技術(shù)的主要目的每個組件的成熟的技術(shù)在機電一體化產(chǎn)品、組件,性能和可靠性的基礎(chǔ)上不錯,通過協(xié)調(diào)組件之間的交互和使用技術(shù)來確保產(chǎn)品的一致性達到經(jīng)濟、可靠、效率高、操作方便等。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機電一體化設(shè)計技術(shù)的特點,并確保產(chǎn)品的性能和技術(shù)指標的實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。 3 汽車機電一體化技術(shù)的發(fā)展狀況 社會的需求、科技的進步和法律、法規(guī),使汽車利用機電一體化技術(shù),并迅速發(fā)展。在法律法規(guī)方面,如最早的安全法律、法規(guī),以及隨后的噪音和廢氣排放和燃料經(jīng)濟的法律、法規(guī),如力量促進電子技術(shù)廣泛應用于汽車、使許多機械控制系統(tǒng)取代了電子控制系統(tǒng),并形成汽車機電一體化發(fā)展的三個階段。 (1)第一階段:在1960年代中期到1970年代末。 從1960年代中期到1960年代末期,電子設(shè)備的主要部分是應用改善機械性能,如電子控制燃油噴射和硅整流發(fā)電機。 (2)第二階段:在1970年代末到1990年代中期。從1970年代末到1970年代中期,在汽車設(shè)計與制造、機電一體化的思想和技術(shù)。大規(guī)模集成電路廣泛應用,解決了機械零件不能解決的問題復雜的自動控制,提高了可靠性。 (3)第三階段:1990年代中期的禮物。自1990年代中期至今,隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,和汽車行業(yè)密切相關(guān),汽車機電一體化技術(shù)已成熟,強調(diào)整體協(xié)調(diào)匹配的機電一體化設(shè)計,計算機網(wǎng)絡(luò)的廣泛應用 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù),使汽車更加自動化和智能化。應用微電子技術(shù)和傳感器技術(shù),機電一體化的汽車使得汽車煥然一新。汽車的控制已經(jīng)擴展到整個車輛的引擎,實現(xiàn)自動變速器等轉(zhuǎn)變,防滑剎車,雷達碰撞,自動調(diào)整汽車高,自動空調(diào),自動故障診斷和自動駕駛,等車集中在機電一體化的中心內(nèi)容的微機自動控制改善汽車的性能,增加汽車的功能,減少燃料消耗和減少汽車廢氣污染,提高汽車的安全性、可靠性、操作方便和舒適。汽車控制重點:1)汽車發(fā)動機點火時間、燃油噴射、空燃比和廢氣再循環(huán)的控制,燃燒充分,減少污染和節(jié)約能源;2)的汽車自動變速器、排氣凈化控制,使其優(yōu)化駕駛狀態(tài);3)汽車防滑剎車,碰撞,為了提高駕駛安全;4)汽車自動空調(diào),自動調(diào)整車高控制,改善其舒適的事情。 4 機電一體化技術(shù)在汽車中的應用 汽車的電子化首先從電源系統(tǒng)開始。原來的發(fā)動機都是直流發(fā)電機，后來被交流發(fā)電機和硅二極管的組合所取代，使充電效率和可靠性大幅度地提高。此后，電壓的調(diào)整也由固體電路的調(diào)整器代替了機械式電壓調(diào)整器，進而在發(fā)動機點火裝置的配電器上也由原來的機械式的凸輪開關(guān)變?yōu)楣β示w管。 4.1 發(fā)動機微機控制系統(tǒng) 發(fā)動機控制單元是通用微處理器的核心或者是專門為汽車發(fā)動機設(shè)計大規(guī)模集成電路(LSI)。從每個傳感器模擬電壓信號和脈沖信號輸入從發(fā)動機ECU輸出軸。通過模擬到數(shù)字模擬信號(A - D:模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。的基礎(chǔ)上的信息,在ECU最佳空氣燃料比、點火正時和廢氣再循環(huán)率(EGR技術(shù):廢氣再循環(huán))計算,計算結(jié)果為控制燃料噴射閥和點火裝置驅(qū)動信號輸出,如空氣質(zhì)量控制和燃料的比率(即質(zhì)量?？諝馊剂媳?。當空氣燃料比增加時,薄燃料,點火困難;反之,當空氣燃料比下降,由缺氧引起的,沒有完全的放電氣體燃燒的碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)內(nèi)容增加。因此,空氣燃料比控制在最佳狀態(tài)的發(fā)動機,預熱、加速、減速、制動、閑置等各種各樣的運動狀態(tài)和正常負載是非常重要的。 4.2 汽車激光雷達自動防撞微機控制系統(tǒng) 激光-單片機自動由系統(tǒng)的組合,可以在正常的行駛速度或緩慢倒車前測試和顯示,在一定距離內(nèi)的存在障礙,,必要時,報警,有效防止交通事故的發(fā)生。系統(tǒng)主要由計算機控制措施的距離激光測距雷達,車間環(huán)境之前和之后的中央處理單元(CPU),汽車監(jiān)視雷達和顯示器,發(fā)光,受光部、速度傳感器和速度控制器,等控制系統(tǒng),如圖2所示。激光測距雷達安裝在汽車前格柵的中心。遇到的障礙在發(fā)射前的激光光學天線,向后散射信號,同樣的光學天線,調(diào)制范圍和方位信息。恒定輸出距離和方位信息由中央處理單元(CPU)的分析,可以確定前面的物體運動,計算其相對距離、速度和車間在本地,并確定是否有可能與當?shù)氐穆?lián)系,和默認的安全的速度?？赡軙形ｋU發(fā)生時,系統(tǒng)報警裝置,報警信號。 光束遇到前面的障礙物后，產(chǎn)生向后散射信號，同樣被光學天線接收，并調(diào)制出距離和方位信息。不斷輸出的距離和方位信息經(jīng)中央處理器分析，可以判斷前面物體運動與否，計算出它相對本車的速度及車間距離，并判斷它是否有可能與本車接觸，從而決定本車最安全的行駛速度。當可能有危險發(fā)生時，系統(tǒng)觸動報警裝置，發(fā)出報警信號。 4.3 電子控制的自動變速器 自動變速器是減少傳輸功率損耗,提高電力傳輸系統(tǒng)的有效功率,增加的速度適應駕駛條件最好的比,可以實現(xiàn)自動保存的目的,節(jié)能、安全、舒適。圖3中使用電子控制實現(xiàn)自動變速器轉(zhuǎn)變過程控制原理圖。檢測引擎通過各種傳感器的工作狀態(tài),信息輸入到電子控制單元進行處理,根據(jù)信息的變化,過程和大腳油門開關(guān)信息,選擇的電子控制單元滿足最好的駕駛環(huán)境類信息,并將液壓變量轉(zhuǎn)換為控制電子-液壓執(zhí)行機構(gòu)控制的轉(zhuǎn)變。可以自動改變品牌公司電路自檢和故障監(jiān)測系統(tǒng)的電子控制裝置,即在開車前所有電路進行測試。如果汽車開始,熄滅燈,它的功能是正常的;另一方面,系統(tǒng)故障時,電子控制自動變速器進入程序狀態(tài),在這一點上,盡管失去了電子控制功能的優(yōu)化,但是傳輸仍然可以工作。 4.4 ABS系統(tǒng) 為了使汽車在行駛過程中以適當?shù)臏p速度降低車速直行停車，保證行駛的安全性，汽車上均裝有行車制動器。起初只在后輪上裝有制動器，但隨著汽車質(zhì)量和車速的提高，僅靠后輪制動不足以提高充分的制動力，這樣才發(fā)展到在前輪上安裝制動器。人們通過對制動時軸荷的動態(tài)轉(zhuǎn)移、前輪增重和后輪減重的認識，且后輪先抱死更易造成汽車的方向失控，而著手研制能限制汽車后輪制動裝置——汽車制動防抱死裝置（Antilock Braking System，ABS）。其基本功能是可感知制動輪每一瞬時的運動狀態(tài)，并根據(jù)其運動狀態(tài)相應地調(diào)節(jié)制動器動力矩的大小，避免出現(xiàn)輪上的抱死現(xiàn)象。ABS系統(tǒng)是電子控制技術(shù)在汽車上最突出的一項應用，可使汽車在制動時維持方向穩(wěn)定性和縮短制動距離，有效地提高了行車的 安全性。ABS系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。 5 機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢 5.1 光機電一體化方向 一般機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源（動力）系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部件組成的。引進光學技術(shù)、利用光學技術(shù)的先天優(yōu)點，就能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。 5.2 柔性化方向 未來的機電一體化產(chǎn)品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余”,有較強的“靈活”,能更好地應對突發(fā)事件,被設(shè)計成“自律分配系統(tǒng)”。在此系統(tǒng)中,每個子系統(tǒng)都是彼此獨立的工作,整個系統(tǒng)服務子系統(tǒng),同時它本身“自律”,根據(jù)對不同的環(huán)境條件作出反應。其特點是給定的子系統(tǒng)可以產(chǎn)生本身信息和其他信息,總具體的“行動”的前提下,可以改變。通過這種方式,不僅大大增加系統(tǒng)的能力(靈活),而不是作為一個子系統(tǒng)的故障,影響整個系統(tǒng)。 5.3 智能化方向 今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要得益于模糊技術(shù)與信息技術(shù)（尤其是軟件及芯片技術(shù)）的發(fā)展。 5.4 仿生物系統(tǒng)化方向 機電一體化設(shè)備在未來信息的依賴性很大,而且經(jīng)常是“靜態(tài)”的結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定,但在動態(tài)(工作)是穩(wěn)定的。這有點類似于生物:當控制系統(tǒng)(大腦)停止工作,生物“死亡”,而當控制系統(tǒng)(大腦),生物是非常精力充沛。就目前的情況看,機電一體化產(chǎn)品盡管仿生物系統(tǒng)化方向發(fā)展的趨勢,但仍有很長的路要走。 5.5 微型化方向 目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒有必要再區(qū)分機械部分和控制器部分了。那時，機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、傳感器、CPH等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型化是機電一體化的重要發(fā)展方向。 參考文獻 [1]王靜.淺析機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.同煤科技，2006（4） [2]石美峰.機電一體化技術(shù)的發(fā)展與思考.山西焦煤科技，2007（3） [3]李建勇.機電一體化技術(shù).北京科學出版社，2004 [4]李運華.機電控制.北京航空航天大學出版社，2003 [5]寇國瑗.汽車發(fā)動機無分電器微機控制點火系.汽車技術(shù)，1996（1） [6]吳基安，徐峰.ABS 及其在我國的發(fā)展現(xiàn)狀.世界汽車，1994（5） 9