機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用探究VIP

1、機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用探究 摘要：從機(jī)電一體化的含義著手，結(jié)合機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r及其核心技術(shù)，從發(fā)動機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)、汽車激光雷達(dá)自動防撞微機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用，并對機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù)；汽車應(yīng)用；技術(shù)分析；發(fā)展趨勢1 機(jī)電一體化概述機(jī)電一體化是在以機(jī)械、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)為主的多門學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)學(xué)科，而機(jī)電一體化產(chǎn)品是在機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，采用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)生產(chǎn)出來的新一代產(chǎn)品。初級的機(jī)電一體化產(chǎn)品是指采用微電子技術(shù)代替和完善

2、機(jī)械產(chǎn)品中的一部分，以提高產(chǎn)品的性能；而高級的機(jī)電一體化產(chǎn)品是利用機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動化、數(shù)字化和智能化，并使產(chǎn)品性能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。因此，機(jī)電一體化是在機(jī)械產(chǎn)品中的機(jī)構(gòu)主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，并將機(jī)損裝置和電子設(shè)備以及計(jì)算機(jī)軟件等有機(jī)結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)總稱。機(jī)電一體化技術(shù)同時也是工程領(lǐng)域不同種類技術(shù)的綜合及集合，它是建立在機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和信息處理技術(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)基礎(chǔ)之上的一種高新技術(shù)。近年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域在不斷地?cái)U(kuò)大和完善。目前機(jī)電

3、一體化的研究和開發(fā)主要包括計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)輔助制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等。機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的特點(diǎn)是產(chǎn)品和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是機(jī)構(gòu)中所有部分功能共同作用的結(jié)果，這與傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備中機(jī)械與電子系統(tǒng)相對獨(dú)立，可以分別工作具有本質(zhì)的區(qū)別。2 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)電一體化產(chǎn)品是由多種技術(shù)以及相關(guān)的組成部分構(gòu)成的綜合體，而機(jī)電一體化技術(shù)是由多種技術(shù)相互交叉、相互滲透形成的一門綜合性邊緣技術(shù)，它所涉及的技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛。概括起來，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括下述6 個方面。2.1 精密機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)，因?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都

4、以機(jī)械技術(shù)為主來得以實(shí)現(xiàn)。在機(jī)械傳動和控制與電子技術(shù)相互結(jié)合的過程中，對機(jī)械技術(shù)提出了更高的要求，如傳動的精密性和精確度的要求與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)相比有了很大的提高。在機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)中，新材料、新工藝、新原理以及新結(jié)構(gòu)等方面在不斷地發(fā)展和完善，以滿足機(jī)電一體化產(chǎn)品對縮小體積、減輕重量、提高剛度以及改善工作性能等方面的要求。2.2 信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程中各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動控制有關(guān)的信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策分析等。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。在機(jī)

5、電一體化產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行，因此，計(jì)算機(jī)應(yīng)用及其信息處理技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)，它包括目前廣泛研究并得到實(shí)際應(yīng)用的人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。2.3 檢測與傳感器技術(shù)在機(jī)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(yīng)信息都要通過傳感器進(jìn)行接收，并通過相應(yīng)的信號檢測裝置進(jìn)行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動控制。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準(zhǔn)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(jìn)行放大和輸送及轉(zhuǎn)換。2.4

6、自動控制技術(shù)機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動控制技術(shù)包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、校正、補(bǔ)償?shù)取C(jī)電一體化產(chǎn)品中自動控制功能的不斷擴(kuò)大，使產(chǎn)品的精度和效率都在迅速提高。通過自動控制，機(jī)電一體化產(chǎn)品在工作過程中能及時發(fā)現(xiàn)故障，并自動實(shí)施切換，減少了停機(jī)時間，使設(shè)備的有效利用率提高。由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)越來越多地與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起，它已成為機(jī)電一體化技術(shù)中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的難點(diǎn)在于現(xiàn)代控制理論的工程化和實(shí)用化，控制過程中邊界條件的確定，優(yōu)化控制模型的建立以及抗干擾等。2.5 伺服驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)主要是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題，它涉

7、及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動、氣動和液壓等類型，其中多采用電動式執(zhí)行元件，驅(qū)動裝置主要是各種電動機(jī)的驅(qū)動電源電路，目前多為電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。執(zhí)行元件一方面通過接口電路與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，接受控制系統(tǒng)的指令，另一方面通過機(jī)械接口與機(jī)械傳動和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作。因此，伺服驅(qū)動技術(shù)直接影響著機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能執(zhí)行和操作，對產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等具有決定性的影響。2.6 系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將機(jī)電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個

8、功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評價，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)的主要目的是在機(jī)電一體化產(chǎn)品各組成部分的技術(shù)成熟、組件的性能和可靠性良好的基礎(chǔ)上，通過協(xié)調(diào)各組件的相互關(guān)系和所用技術(shù)的一致性來保證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠、高效率和操作方便等。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。3 汽車機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r社會的需求、技術(shù)的進(jìn)步以及法規(guī)的推動，使汽車采用了機(jī)電一體化技術(shù)，并快速發(fā)展。在法規(guī)方面，如最早的安全法規(guī)，以及隨后的噪聲、尾氣排放和燃油的經(jīng)濟(jì)性等法規(guī)的推出，強(qiáng)制地推動了電子技術(shù)在汽車上的

9、廣泛應(yīng)用，使許多機(jī)械控制系統(tǒng)被電子控制系統(tǒng)所代替，并形成了汽車機(jī)電一體化發(fā)展的3 個階段。 （1）第1 階段：20 世紀(jì)60 年代中期到20 世紀(jì)70 年代末期。從20 世紀(jì)60 年代中期到20 世紀(jì)70 年代末期，主要是應(yīng)用電子裝置改善部分機(jī)械性能，如電子控制燃油噴射和硅整流發(fā)電機(jī)等。（2）第2 階段：20 世紀(jì)70 年代末期到20 世紀(jì)90 年代中期。從20 世紀(jì)70 年代末期到20 世紀(jì)90 年代中期，在汽車的設(shè)計(jì)制造中，體現(xiàn)出機(jī)電一體化的思想和技術(shù)。大規(guī)模集成電路得到廣泛應(yīng)用，并解決了機(jī)械部件無法解決的復(fù)雜自動控制問題，增加了可靠性。（3）第3 階段：20 世紀(jì)90 年代中期到現(xiàn)在。從

10、20 世紀(jì)90 年代中期到現(xiàn)在，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，及與汽車工業(yè)的緊密相連，汽車機(jī)電一體化技術(shù)已發(fā)展成熟，強(qiáng)調(diào)了整體的機(jī)電一體化協(xié)調(diào)匹配設(shè)計(jì)思想，開始廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，使汽車更加自動化、智能化。隨著微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的應(yīng)用，汽車的機(jī)電一體化使汽車煥然一新。當(dāng)今對汽車的控制已由發(fā)動機(jī)擴(kuò)大到全車，例如實(shí)現(xiàn)自動變速換擋、防滑制動、雷達(dá)防碰撞、自動調(diào)整車高、全自動空調(diào)、自動故障診斷及自動駕駛等。汽車的機(jī)電一體化的中心內(nèi)容是以微機(jī)為中心的自動控制改善汽車的性能、增加汽車的功能，實(shí)現(xiàn)汽車降低油耗、減少排氣污染、提高汽車行駛的安全性、可靠性、操作方便和舒適性。汽車行駛控制的重點(diǎn)是：

11、1）汽車發(fā)動機(jī)的正時點(diǎn)火、燃油噴射、空燃比和廢氣再循環(huán)的控制，使燃燒充分、減少污染、節(jié)省能源；2）汽車行駛中的自動變速和排氣凈化控制，以使其行駛狀態(tài)達(dá)到最佳化；3）汽車的防滑制動、防碰撞，以提高行駛的安全性；4）汽車的自動空調(diào)、自動調(diào)整車高控制，以提高其舒適件。4 機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用汽車的電子化首先從電源系統(tǒng)開始。原來的發(fā)動機(jī)都是直流發(fā)電機(jī)，后來被交流發(fā)電機(jī)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(jī)械式電壓調(diào)整器，進(jìn)而在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置的配電器上也由原來的機(jī)械式的凸輪開關(guān)變?yōu)楣β示w管。4.1 發(fā)動機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)為用于降低燃料費(fèi)

12、用的發(fā)動機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的原理簡圖。發(fā)動機(jī)控制單元（ECU：Engine Control Unit）的核心是通用微處理器或者是為汽車發(fā)動機(jī)專門設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成電路（LSI）。從各個傳感器得到的模擬電壓信號和從發(fā)動機(jī)輸出軸得到的脈沖信號都輸入到ECU。模擬信號通過模擬數(shù)字（A-D：Analog to Digital）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。以這些信息為基礎(chǔ)，在ECU 內(nèi)對最佳空氣燃料比、點(diǎn)火時間、排氣再循環(huán)率（EGR：Exhaust Gas Recirculating）等進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為控制燃料噴射閥和點(diǎn)火裝置等的驅(qū)動信號輸出，用以控制空氣質(zhì)量和燃料質(zhì)量之比（即空氣燃料比）。當(dāng)空氣燃料比增大

13、時，燃料稀薄，點(diǎn)火困難；反之，當(dāng)空氣燃料比減小時，由于氧氣不足，在排放的氣體中沒有充分燃燒的碳化氫（HC）和一氧化碳（CO）含量增加。因此，將空氣燃料比控制在最佳狀態(tài)對于發(fā)動機(jī)的啟動、預(yù)熱、加速、減速、制動、空轉(zhuǎn)等各種運(yùn)動狀態(tài)及其正常負(fù)荷則十分重要。4.2 汽車激光雷達(dá)自動防撞微機(jī)控制系統(tǒng)激光單片機(jī)組合的汽車防按系統(tǒng)，能在正常行駛速度下或慢速倒車時檢測和顯示前、后方一定距離內(nèi)有無障礙物，并在必要時報(bào)警，從而有效防止交通事故的發(fā)生。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制的測量車間距離的激光測距雷達(dá)、中央處理器、汽車前后環(huán)境狀況監(jiān)測雷達(dá)及顯示器、發(fā)光部、受光部、車速傳感器和速度控制器等組成。激光測距雷達(dá)安裝在汽車

14、前部格柵中心。光學(xué)天線發(fā)射的激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(xué)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(yùn)動與否，計(jì)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(dāng)可能有危險發(fā)生時，系統(tǒng)觸動報(bào)警裝置，發(fā)出報(bào)警信號。4.3 電子控制的自動變速器自動變速器是為降低變速器的功率損耗，提高動力傳遞系統(tǒng)的有效功率，增加變速擋數(shù)以適應(yīng)汽車行駛條件的最佳速比，實(shí)現(xiàn)汽車的省能、省力、安全、舒適之目的而出現(xiàn)的。發(fā)動機(jī)的工作狀況由各種傳感器進(jìn)行檢測，所獲得的信息輸入到電子控制裝置進(jìn)行處理，并根據(jù)換擋

15、信息、程序開關(guān)及自動跳合開關(guān)的信息，由電子控制裝置選擇滿足行駛條件的最佳檔次信息，并被變換為控制電液執(zhí)行元件的液壓變量來控制換檔。自動變起器的監(jiān)潞電路可對系統(tǒng)電子控制裝置進(jìn)行自檢及失效監(jiān)測，即在行駛前對所有電路進(jìn)行檢測。若汽車起動后，報(bào)警燈處于熄滅狀態(tài)，說明其功能正常；反之，系統(tǒng)則存有故障，自動變速器進(jìn)入非電控程序狀態(tài)，此時，雖然已失去電子控制的優(yōu)化功能，但是變速器仍能進(jìn)行工作。4.4 ABS 系統(tǒng)為了使汽車在行駛過程中以適當(dāng)?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

16、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(rèn)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(yùn)動狀態(tài)， 并根據(jù)其運(yùn)動狀態(tài)相應(yīng)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(xiàng)應(yīng)用，可使汽車5 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢5.1 光機(jī)電一體化方向一般機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的。引進(jìn)光學(xué)技術(shù)、利用光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點(diǎn)，就能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系

17、統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。5.2 柔性化方向未來機(jī)電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強(qiáng)的“柔性”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計(jì)成“自律分配系統(tǒng)”。在這種系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)是相互獨(dú)立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同環(huán)境條件做出不同反應(yīng)。其特點(diǎn)是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。5.3 智能化方向今后的機(jī)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)化方向今后的機(jī)電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)（工作）時卻是穩(wěn)定的。這有點(diǎn)類似于活的生物：當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）工作時，生物就很有活力。就目前情況看，機(jī)電一體化產(chǎn)品雖然有向仿生物系統(tǒng)化方向發(fā)展的趨勢，但還有一段漫長的道路要走。5.5 微型化方向目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級的機(jī)械元件。當(dāng)這一成果用于實(shí)際產(chǎn)品時，就沒有必要再區(qū)分機(jī)械部分和控制器