機電一體化技術在汽車中的應用探究
摘要：從機電一體化的含義著手，結合機電一體化的發展狀況及其核心技術，從發動機微機控制系統、汽車激光雷達自動防撞微機控制系統、電子控制的自動變速器、ABS 系統幾個方面分析了機電一體化技術在汽車中的應用，并對機電一體化技術發展前景進行了展望。
關鍵詞：機電一體化技術；汽車應用；技術分析；發展趨勢
1 機電一體化概述機電一體化是在以機械、電子技術和計算機科學為主的多門學科相互滲透、相互結合過程中逐漸形成和發展起來的一門新興邊緣技術學科，而機電一體化產品是在機械產品的基礎上，采用微電子技術和計算機技術生產出來的新一代產品。初級的機電一體化產品是指采用微電子技術代替和完善機械產品中的一部分，以提高產品的性能；而高級的機電一體化產品是利用機電一體化技術使機械產品實現自動化、數字化和智能化，并使產品性能實現質的飛躍。
因此，機電一體化是在機械產品中的機構主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術和計算機技術，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構成的系統總稱。機電一體化技術同時也是工程領域不同種類技術的綜合及集合，它是建立在機械技術、微電子技術、計算機和信息處理技術、自動控制技術、電力電子技術、伺服驅動技術以及系統總體技術基礎之上的一種高新技術。近年來，隨著微電子技術和計算機應用技術的快速發展，機電一體化技術領域在不斷地擴大和完善。目前機電一體化的研究和開發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。
機電一體化產品和系統的特點是產品和系統功能的實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的區別。
2 機電一體化設計的關鍵技術機電一體化產品是由多種技術以及相關的組成部分構成的綜合體，而機電一體化技術是由多種技術相互交叉、相互滲透形成的一門綜合性邊緣技術，它所涉及的技術領域非常廣泛。概括起來，機電一體化設計的關鍵技術包括下述6 個方面。
2.1 精密機械技術機械技術是機電一體化技術的基礎，因為機電一體化產品的主功能和構造功能大都以機械技術為主來得以實現。在機械傳動和控制與電子技術相互結合的過程中，對機械技術提出了更高的要求，如傳動的精密性和精確度的要求與傳統機械技術相比有了很大的提高。在機械系統技術中，新材料、新工藝、新原理以及新結構等方面在不斷地發展和完善，以滿足機電一體化產品對縮小體積、減輕重量、提高剛度以及改善工作性能等方面的要求。
2.2 信息處理技術信息處理技術是指在機電一體化產品工作過程中，與工作過程中各種參數和狀態以及自動控制有關的信息的交換、存取、運算、判斷和決策分析等。在機電一體化產品中，實現信息處理技術的主要工具是計算機。計算機技術包括硬件和軟件技術、網絡與通信技術、數據處理技術和數據庫技術等。在機電一體化產品中，計算機信息處理裝置是產品的核心，它控制和指揮整個機電一體化產品的運行，因此，計算機應用及其信息處理技術是機電一體化技術中最關鍵的技術，它包括目前廣泛研究并得到實際應用的人工智能技術、專家系統技術以及神經網絡技術等。
2.3 檢測與傳感器技術在機電一體化產品中，工作過程的各種參數、工作狀態以及與工作過程有關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，以實現產品工作過程的自動控制。機電一體化產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換。
2.4 自動控制技術機電一體化產品中的自動控制技術包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、校正、補償等。機電一體化產品中自動控制功能的不斷擴大，使產品的精度和效率都在迅速提高。通過自動控制，機電一體化產品在工作過程中能及時發現故障，并自動實施切換，減少了停機時間，使設備的有效利用率提高。由于計算機的廣泛應用，自動控制技術越來越多地與計算機控制技術結合在一起，它已成為機電一體化技術中十分重要的關鍵技術。該技術的難點在于現代控制理論的工程化和實用化，控制過程中邊界條件的確定，優化控制模型的建立以及抗干擾等。
2.5 伺服驅動技術伺服驅動技術主要是指機電一體化產品中的執行元件和驅動裝置設計中的技術問題，它涉及設備執行操作的技術，對所加工產品的質量具有直接的影響。機電一體化產品中的執行元件有電動、氣動和液壓等類型，其中多采用電動式執行元件，驅動裝置主要是各種電動機的驅動電源電路，目前多為電力電子器件及集成化的功能電路構成。執行元件一方面通過接口電路與計算機相聯，接受控制系統的指令，另一方面通過機械接口與機械傳動和執行機構相聯，以實現規定的動作。因此，伺服驅動技術直接影響著機電一體化產品的功能執行和操作，對產品的動態性能、穩定性能、操作精度和控制質量等具有決定性的影響。
2.6 系統總體技術系統總體技術是從整體目標出發，用系統的觀點和方法，將機電一體化產品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術方案，再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價，綜合優選出適宜的功能技術方案。系統總體技術的主要目的是在機電一體化產品各組成部分的技術成熟、組件的性能和可靠性良好的基礎上，通過協調各組件的相互關系和所用技術的一致性來保證產品實現經濟、可靠、高效率和操作方便等。系統總體技術是最能體現機電一體化設計特點的技術，也是保證其產品工作性能和技術指標得以實現的關鍵技術。
3 汽車機電一體化技術的發展狀況社會的需求、技術的進步以及法規的推動，使汽車采用了機電一體化技術，并快速發展。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濟性等法規的推出，強制地推動了電子技術在汽車上的廣泛應用，使許多機械控制系統被電子控制系統所代替，并形成了汽車機電一體化發展的3 個階段。 （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，在汽車的設計制造中，體現出機電一體化的思想和技術。大規模集成電路得到廣泛應用，并解決了機械部件無法解決的復雜自動控制問題，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，隨著微電子技術的快速發展，及與汽車工業的緊密相連，汽車機電一體化技術已發展成熟，強調了整體的機電一體化協調匹配設計思想，開始廣泛應用計算機網絡技術和信息技術，使汽車更加自動化、智能化。
隨著微電子技術和傳感器技術的應用，汽車的機電一體化使汽車煥然一新。當今對汽車的控制已由發動機擴大到全車，例如實現自動變速換擋、防滑制動、雷達防碰撞、自動調整車高、全自動空調、自動故障診斷及自動駕駛等。汽車的機電一體化的中心內容是以微機為中心的自動控制改善汽車的性能、增加汽車的功能，實現汽車降低油耗、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是：1）汽車發動機的正時點火、燃油噴射、空燃比和廢氣再循環的控制，使燃燒充分、減少污染、節省能源；2）汽車行駛中的自動變速和排氣凈化控制，以使其行駛狀態達到最佳化；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、自動調整車高控制，以提高其舒適件。
4 機電一體化技術在汽車中的應用汽車的電子化首先從電源系統開始。原來的發動機都是直流發電機，后來被交流發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，進而在發動機點火裝置的配電器上也由原來的機械式的凸輪開關變為功率晶體管。
4.1 發動機微機控制系統圖1 為用于降低燃料費用的發動機微機控制系統的原理簡圖。發動機控制單元（ECU：Engine Control Unit）的核心是通用微處理器或者是為汽車發動機專門設計的大規模集成電路（LSI）。從各個傳感器得到的模擬電壓信號和從發動機輸出軸得到的脈沖信號都輸入到ECU。模擬信號通過模擬數字（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、點火時間、排氣再循環率（EGR：Exhaust Gas Recirculating）等進行計算，將計算結果作為控制燃料噴射閥和點火裝置等的驅動信號輸出，用以控制空氣質量和燃料質量之比（即空氣燃料比）。
當空氣燃料比增大時，燃料稀薄，點火困難；反之，當空氣燃料比減小時，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對于發動機的啟動、預熱、加速、減速、制動、空轉等各種運動狀態及其正常負荷則十分重要。
4.2 汽車激光雷達自動防撞微機控制系統激光—單片機組合的汽車防按系統，能在正常行駛速度下或慢速倒車時檢測和顯示前、后方一定距離內有無障礙物，并在必要時報警，從而有效防止交通事故的發生。該系統主要由計算機控制的測量車間距離的激光測距雷達、中央處理器、汽車前后環境狀況監測雷達及顯示器、發光部、受光部、車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前部格柵中心。光學天線發射的激光束遇到前面的障礙物后，產生向后散射信號，同樣被光學天線接收，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。當可能有危險發生時，系統觸動報警裝置，發出報警信號。
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，提高動力傳遞系統的有效功率，增加變速擋數以適應汽車行駛條件的最佳速比，實現汽車的省能、省力、安全、舒適之目的而出現的。
圖3 為用電子控制實現變速器自動換擋的程序控制原理框圖。發動機的工作狀況由各種傳感器進行檢測，所獲得的信息輸入到電子控制裝置進行處理，并根據換擋信息、程序開關及自動跳合開關的信息，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—液執行元件的液壓變量來控制換檔。自動變起器的監潞電路可對系統電子控制裝置進行自檢及失效監測，即在行駛前對所有電路進行檢測。若汽車起動后，報警燈處于熄滅狀態，說明其功能正常；反之，系統則存有故障，自動變速器進入非電控程序狀態，此時，雖然已失去電子控制的優化功能，但是變速器仍能進行工作。
4.4 ABS 系統為了使汽車在行駛過程中以適當的減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，這樣才發展到在前輪上安裝制動器。人們通過對制動時軸荷的動態轉移、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， 并根據其運動狀態相應地調節制動器動力矩的大小，避免出現輪上的抱死現象。
ABS 系統是電子控制技術在汽車上最突出的一項應用，可使汽車5 機電一體化技術發展趨勢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（動力）系統、信息處理系統、機械結構等部件組成的。引進光學技術、利用光學技術的先天優點，就能有效地改進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 柔性化方向未來機電一體化產品，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，同時具有本身的“自律性”，可根據不同環境條件做出不同反應。其特點是子系統可產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的能力（柔性），又不因某一子系統的故障而影響整個系統。
5.3 智能化方向今后的機電一體化產品“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與信息技術（尤其是軟件及芯片技術）的發展。
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性很大，并且往往在結構上是處于“靜態”時不穩定，但在動態（工作）時卻是穩定的。這有點類似于活的生物：當控制系統（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統（大腦）工作時，生物就很有活力。就目前情況看，機電一體化產品雖然有向仿生物系統化方向發展的趨勢，但還有一段漫長的道路要走。
5.5 微型化方向目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，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品時，就沒有必要再區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展方向。
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