機電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應用探究

　　摘要：從機電一體化的含義著(zhù)手，結合機電一體化的發(fā)展狀況及其核心技術(shù)，從發(fā)動(dòng)機微機控制系統、汽車(chē)激光雷達自動(dòng)防撞微機控制系統、電子控制的自動(dòng)變速器、ABS 系統幾個(gè)方面分析了機電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應用，并對機電一體化技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞：機電一體化技術(shù)；汽車(chē)應用；技術(shù)分析；發(fā)展趨勢
　　1 機電一體化概述機電一體化是在以機械、電子技術(shù)和計算機科學(xué)為主的多門(mén)學(xué)科相互滲透、相互結合過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興邊緣技術(shù)學(xué)科，而機電一體化產(chǎn)品是在機械產(chǎn)品的基礎上，采用微電子技術(shù)和計算機技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的新一代產(chǎn)品。初級的機電一體化產(chǎn)品是指采用微電子技術(shù)代替和完善機械產(chǎn)品中的一部分，以提高產(chǎn)品的性能；而高級的機電一體化產(chǎn)品是利用機電一體化技術(shù)使機械產(chǎn)品實(shí)現自動(dòng)化、數字化和智能化，并使產(chǎn)品性能實(shí)現質(zhì)的飛躍。
　　因此，機電一體化是在機械產(chǎn)品中的機構主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)和計算機技術(shù)，并將機損裝置和電子設備以及計算機軟件等有機結合起來(lái)構成的系統總稱(chēng)。機電一體化技術(shù)同時(shí)也是工程領(lǐng)域不同種類(lèi)技術(shù)的綜合及集合，它是建立在機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機和信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、伺服驅動(dòng)技術(shù)以及系統總體技術(shù)基礎之上的一種高新技術(shù)。近年來(lái)，隨著(zhù)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)領(lǐng)域在不斷地擴大和完善。目前機電一體化的研究和開(kāi)發(fā)主要包括計算機數控系統、機器人、計算機輔助設計／輔助制造系統、柔性制造系統和計算機集成制造系統等。
　　機電一體化產(chǎn)品和系統的特點(diǎn)是產(chǎn)品和系統功能的實(shí)現是機構中所有部分功能共同作用的結果，這與傳統機電設備中機械與電子系統相對獨立，可以分別工作具有本質(zhì)的區別。
　　2 機電一體化設計的關(guān)鍵技術(shù)機電一體化產(chǎn)品是由多種技術(shù)以及相關(guān)的組成部分構成的綜合體，而機電一體化技術(shù)是由多種技術(shù)相互交叉、相互滲透形成的一門(mén)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(lái)，機電一體化設計的關(guān)鍵技術(shù)包括下述6 個(gè)方面。
　　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，因為機電一體化產(chǎn)品的主功能和構造功能大都以機械技術(shù)為主來(lái)得以實(shí)現。在機械傳動(dòng)和控制與電子技術(shù)相互結合的過(guò)程中，對機械技術(shù)提出了更高的要求，如傳動(dòng)的精密性和精確度的要求與傳統機械技術(shù)相比有了很大的提高。在機械系統技術(shù)中，新材料、新工藝、新原理以及新結構等方面在不斷地發(fā)展和完善，以滿(mǎn)足機電一體化產(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)是指在機電一體化產(chǎn)品工作過(guò)程中，與工作過(guò)程中各種參數和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息的交換、存取、運算、判斷和決策分析等。在機電一體化產(chǎn)品中，實(shí)現信息處理技術(shù)的主要工具是計算機。計算機技術(shù)包括硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )與通信技術(shù)、數據處理技術(shù)和數據庫技術(shù)等。在機電一體化產(chǎn)品中，計算機信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個(gè)機電一體化產(chǎn)品的運行，因此，計算機應用及其信息處理技術(shù)是機電一體化技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)，它包括目前廣泛研究并得到實(shí)際應用的人工智能技術(shù)、專(zhuān)家系統技術(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)在機電一體化產(chǎn)品中，工作過(guò)程的各種參數、工作狀態(tài)以及與工作過(guò)程有關(guān)的相應信息都要通過(guò)傳感器進(jìn)行接收，并通過(guò)相應的信號檢測裝置進(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)現產(chǎn)品工作過(guò)程的自動(dòng)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(shí)檢測裝置能不失真地對信息信號進(jìn)行放大和輸送及轉換。
　　2.4 自動(dòng)控制技術(shù)機電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)控制技術(shù)包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、校正、補償等。機電一體化產(chǎn)品中自動(dòng)控制功能的不斷擴大，使產(chǎn)品的精度和效率都在迅速提高。通過(guò)自動(dòng)控制，機電一體化產(chǎn)品在工作過(guò)程中能及時(shí)發(fā)現故障，并自動(dòng)實(shí)施切換，減少了停機時(shí)間，使設備的有效利用率提高。由于計算機的廣泛應用，自動(dòng)控制技術(shù)越來(lái)越多地與計算機控制技術(shù)結合在一起，它已成為機電一體化技術(shù)中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的難點(diǎn)在于現代控制理論的工程化和實(shí)用化，控制過(guò)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 伺服驅動(dòng)技術(shù)伺服驅動(dòng)技術(shù)主要是指機電一體化產(chǎn)品中的執行元件和驅動(dòng)裝置設計中的技術(shù)問(wèn)題，它涉及設備執行操作的技術(shù)，對所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機電一體化產(chǎn)品中的執行元件有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等類(lèi)型，其中多采用電動(dòng)式執行元件，驅動(dòng)裝置主要是各種電動(dòng)機的驅動(dòng)電源電路，目前多為電力電子器件及集成化的功能電路構成。執行元件一方面通過(guò)接口電路與計算機相聯(lián)，接受控制系統的指令，另一方面通過(guò)機械接口與機械傳動(dòng)和執行機構相聯(lián)，以實(shí)現規定的動(dòng)作。因此，伺服驅動(dòng)技術(shù)直接影響著(zhù)機電一體化產(chǎn)品的功能執行和操作，對產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能、穩定性能、操作精度和控制質(zhì)量等具有決定性的影響。
　　2.6 系統總體技術(shù)系統總體技術(shù)是從整體目標出發(fā)，用系統的觀(guān)點(diǎn)和方法，將機電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個(gè)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(jià)，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。系統總體技術(shù)的主要目的是在機電一體化產(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上，通過(guò)協(xié)調各組件的相互關(guān)系和所用技術(shù)的一致性來(lái)保證產(chǎn)品實(shí)現經(jīng)濟、可靠、高效率和操作方便等。系統總體技術(shù)是最能體現機電一體化設計特點(diǎn)的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標得以實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)。
　　3 汽車(chē)機電一體化技術(shù)的發(fā)展狀況社會(huì )的需求、技術(shù)的進(jìn)步以及法規的推動(dòng)，使汽車(chē)采用了機電一體化技術(shù)，并快速發(fā)展。在法規方面，如最早的安全法規，以及隨后的噪聲、尾氣排放和燃油的經(jīng)濟性等法規的推出，強制地推動(dòng)了電子技術(shù)在汽車(chē)上的廣泛應用，使許多機械控制系統被電子控制系統所代替，并形成了汽車(chē)機電一體化發(fā)展的3 個(gè)階段。 （1）第1 階段：20 世紀60 年代中期到20 世紀70 年代末期。
　　從20 世紀60 年代中期到20 世紀70 年代末期，主要是應用電子裝置改善部分機械性能，如電子控制燃油噴射和硅整流發(fā)電機等。
　�。�2）第2 階段：20 世紀70 年代末期到20 世紀90 年代中期。
　　從20 世紀70 年代末期到20 世紀90 年代中期，在汽車(chē)的設計制造中，體現出機電一體化的思想和技術(shù)。大規模集成電路得到廣泛應用，并解決了機械部件無(wú)法解決的復雜自動(dòng)控制問(wèn)題，增加了可靠性。
　�。�3）第3 階段：20 世紀90 年代中期到現在。
　　從20 世紀90 年代中期到現在，隨著(zhù)微電子技術(shù)的快速發(fā)展，及與汽車(chē)工業(yè)的緊密相連，汽車(chē)機電一體化技術(shù)已發(fā)展成熟，強調了整體的機電一體化協(xié)調匹配設計思想，開(kāi)始廣泛應用計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和信息技術(shù)，使汽車(chē)更加自動(dòng)化、智能化。
　　隨著(zhù)微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的應用，汽車(chē)的機電一體化使汽車(chē)煥然一新。當今對汽車(chē)的控制已由發(fā)動(dòng)機擴大到全車(chē)，例如實(shí)現自動(dòng)變速換擋、防滑制動(dòng)、雷達防碰撞、自動(dòng)調整車(chē)高、全自動(dòng)空調、自動(dòng)故障診斷及自動(dòng)駕駛等。汽車(chē)的機電一體化的中心內容是以微機為中心的自動(dòng)控制改善汽車(chē)的性能、增加汽車(chē)的功能，實(shí)現汽車(chē)降低油耗、減少排氣污染、提高汽車(chē)行駛的安全性、可靠性、操作方便和舒適性。汽車(chē)行駛控制的重點(diǎn)是：1）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的正時(shí)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、節省能源；2）汽車(chē)行駛中的自動(dòng)變速和排氣凈化控制，以使其行駛狀態(tài)達到最佳化；3）汽車(chē)的防滑制動(dòng)、防碰撞，以提高行駛的安全性；4）汽車(chē)的自動(dòng)空調、自動(dòng)調整車(chē)高控制，以提高其舒適件。
　　4 機電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應用汽車(chē)的電子化首先從電源系統開(kāi)始。原來(lái)的發(fā)動(dòng)機都是直流發(fā)電機，后來(lái)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，電壓的調整也由固體電路的調整器代替了機械式電壓調整器，進(jìn)而在發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火裝置的配電器上也由原來(lái)的機械式的凸輪開(kāi)關(guān)變?yōu)楣β示�體管。
　　4.1 發(fā)動(dòng)機微機控制系統圖1 為用于降低燃料費用的發(fā)動(dòng)機微機控制系統的原理簡(jiǎn)圖。發(fā)動(dòng)機控制單元（ECU：Engine Control Unit）的核心是通用微處理器或者是為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機專(zhuān)門(mén)設計的大規模集成電路（LSI）。從各個(gè)傳感器得到的模擬電壓信號和從發(fā)動(dòng)機輸出軸得到的脈沖信號都輸入到ECU。模擬信號通過(guò)模擬數字（A-D：Analog to Digital）轉換器轉換為數字信號。以這些信息為基礎，在ECU 內對最佳空氣燃料比、點(diǎn)火時(shí)間、排氣再循環(huán)率（EGR：Exhaust Gas Recirculating）等進(jìn)行計算，將計算結果作為控制燃料噴射閥和點(diǎn)火裝置等的驅動(dòng)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）。
　　當空氣燃料比增大時(shí)，燃料稀薄，點(diǎn)火困難；反之，當空氣燃料比減小時(shí)，由于氧氣不足，在排放的氣體中沒(méi)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(dòng)機的啟動(dòng)、預熱、加速、減速、制動(dòng)、空轉等各種運動(dòng)狀態(tài)及其正常負荷則十分重要。
　　4.2 汽車(chē)激光雷達自動(dòng)防撞微機控制系統激光—單片機組合的汽車(chē)防按系統，能在正常行駛速度下或慢速倒車(chē)時(shí)檢測和顯示前、后方一定距離內有無(wú)障礙物，并在必要時(shí)報警，從而有效防止交通事故的發(fā)生。該系統主要由計算機控制的測量車(chē)間距離的激光測距雷達、中央處理器、汽車(chē)前后環(huán)境狀況監測雷達及顯示器、發(fā)光部、受光部、車(chē)速傳感器和速度控制器等組成。其控制系統，如圖2 所示。
　　激光測距雷達安裝在汽車(chē)前部格柵中心。光學(xué)天線(xiàn)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(xiàn)接收，并調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(dòng)與否，計算出它相對本車(chē)的速度及車(chē)間距離，并判斷它是否有可能與本車(chē)接觸，從而決定本車(chē)最安全的行駛速度。當可能有危險發(fā)生時(shí)，系統觸動(dòng)報警裝置，發(fā)出報警信號。
　　4.3 電子控制的自動(dòng)變速器自動(dòng)變速器是為降低變速器的功率損耗，提高動(dòng)力傳遞系統的有效功率，增加變速擋數以適應汽車(chē)行駛條件的最佳速比，實(shí)現汽車(chē)的省能、省力、安全、舒適之目的而出現的。
　　圖3 為用電子控制實(shí)現變速器自動(dòng)換擋的程序控制原理框圖。發(fā)動(dòng)機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，并根據換擋信息、程序開(kāi)關(guān)及自動(dòng)跳合開(kāi)關(guān)的信息，由電子控制裝置選擇滿(mǎn)足行駛條件的最佳檔次信息，并被變換為控制電—液執行元件的液壓變量來(lái)控制換檔。自動(dòng)變起器的監潞電路可對系統電子控制裝置進(jìn)行自檢及失效監測，即在行駛前對所有電路進(jìn)行檢測。若汽車(chē)起動(dòng)后，報警燈處于熄滅狀態(tài)，說(shuō)明其功能正常；反之，系統則存有故障，自動(dòng)變速器進(jìn)入非電控程序狀態(tài)，此時(shí)，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 系統為了使汽車(chē)在行駛過(guò)程中以適當的減速度降低車(chē)速直行停車(chē)，保證行駛的安全性，汽車(chē)上均裝有行車(chē)制動(dòng)器。起初只在后輪上裝有制動(dòng)器，但隨著(zhù)汽車(chē)質(zhì)量和車(chē)速的提高，僅靠后輪制動(dòng)不足以提高充分的制動(dòng)力，這樣才發(fā)展到在前輪上安裝制動(dòng)器。人們通過(guò)對制動(dòng)時(shí)軸荷的動(dòng)態(tài)轉移、前輪增重和后輪減重的認識，且后輪先抱死更易造成汽車(chē)的方向失控，而著(zhù)手研制能限制汽車(chē)后輪制動(dòng)裝置———汽車(chē)制動(dòng)防抱死裝置（Antilock Braking System，ABS）。
　　其基本功能是可感知制動(dòng)輪每一瞬時(shí)的運動(dòng)狀態(tài)， 并根據其運動(dòng)狀態(tài)相應地調節制動(dòng)器動(dòng)力矩的大小，避免出現輪上的抱死現象。
　　ABS 系統是電子控制技術(shù)在汽車(chē)上最突出的一項應用，可使汽車(chē)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是由傳感系統、能源（動(dòng)力）系統、信息處理系統、機械結構等部件組成的。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)機電一體化系統的傳感系統、能源系統和信息處理系統。
　　5.2 柔性化方向未來(lái)機電一體化產(chǎn)品，控制和執行系統有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設計成“自律分配系統”。在這種系統中，各子系統是相互獨立工作的，子系統為總系統服務(wù)，同時(shí)具有本身的“自律性”，可根據不同環(huán)境條件做出不同反應。其特點(diǎn)是子系統可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動(dòng)”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統的能力（柔性），又不因某一子系統的故障而影響整個(gè)系統。
　　5.3 智能化方向今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來(lái)越明顯，智能化水平越來(lái)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 仿生物系統化方向今后的機電一體化裝置對信息的依賴(lài)性很大，并且往往在結構上是處于“靜態(tài)”時(shí)不穩定，但在動(dòng)態(tài)（工作）時(shí)卻是穩定的。這有點(diǎn)類(lèi)似于活的生物：當控制系統（大腦）停止工作時(shí)，生物便“死亡”，而當控制系統（大腦）工作時(shí)，生物就很有活力。就目前情況看，機電一體化產(chǎn)品雖然有向仿生物系統化方向發(fā)展的趨勢，但還有一段漫長(cháng)的道路要走。
　　5.5 微型化方向目前，利用半導體器件制造過(guò)程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當這一成果用于實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，就沒(méi)有必要再區分機械部分和控制器部分了。那時(shí)，機械和電子完全可以“融合”，機體、執行結構、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(xué)出版社，2004;
　　[4] 李運華.機電控制.北京航空航天大學(xué)出版社，2003;
　　[5] 寇?chē)��?汽車(chē)發(fā)動(dòng)機無(wú)分電器微機控制點(diǎn)火系.汽車(chē)技術(shù)，1996（1）;
　　[6] 吳基安，徐峰.ABS 及其在我國的發(fā)展現狀.世界汽車(chē)，1994（5）

【機電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應用探究】相關(guān)文章：

探究煤礦機電一體化技術(shù)應用03-20

機電一體化技術(shù)的應用03-14

淺談機電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中應用05-30

淺談機電一體化技術(shù)的應用12-02

機電一體化技術(shù)在電梯中的應用分析學(xué)術(shù)論文11-19

機電一體化技術(shù)在煤礦機械的應用03-28

淺析機電一體化技術(shù)在煤礦的應用03-28

煤礦機電一體化技術(shù)應用及管理11-15

機電一體化在工程機械中的應用03-12