汽车电子控制技术电子教案

汽车电子控制技术电子教案内容摘要：

流的 频率。 当进气流中没有涡流时，接收器接收到的超声波的相位、相位差和发射器发射的超声波完全相同。 当进气流中有涡流时，有的超声波由于受到涡流的加速作用而提前到达接收器，有的超声波由于受到涡流的减速作用而迟后到达接收器。 每通过一个涡流，便出现一个超声波提前到达的、迟后到达的变化过程，集成电路根据这一变化输出一个脉冲波。 特点：传感器输出的信号是与涡流频率同步的脉冲数字信号，其响应速度是空气流量传感器中最快的，几乎能同步反映空气流速的变化，因此特别适用于数字式计算机处理。 这种传感器还具有测量精确度高、进气阻力小 、无磨损等优点，但其价格高，因此只有少数高档轿车使用。 另外，卡尔曼涡流式传感器测量的是体积，因此应根据进气温度和大气压力对其进行修正，所以使用卡尔曼涡流式传感器的汽车上，均装配进气温度传感器和大气压力传感器。 （四） 热线式和热膜式空气流量传感器 1．热线式和热膜式空气流量传感器的结构 1）热线式空气流量传感器的结构特点 热线式空气流量传感器主要由热线铂丝电阻 RH、温度补偿电阻 RK（又叫冷线）、控制电路板（包括 RA、 RB 两个固定电阻）、防护网以及空气流量传感器外壳等组成。 传感器工作时控制电路将热线铂丝加热到 高于进气温度 100~120℃，这也是将铂丝称为热线的原因。 2）热膜式空气流量传感器的结构特点 发热元件采用平面形铂金属薄膜电阻器。 采用蒸发工艺沉积。 2．热线式和热膜式空气流量传感器的测量原理 热线式空气流量传感器是利用空气流过热线时的冷却效应制成的。 铂丝热线的电阻值与其本身的温度成正比。 在环境温度一定时，给惠斯通桥形电路供电，电桥会达到平衡。 当有空气流过取样管中的铂丝热线时，进气会带走热线的热量，使其温度降低，热线的电阻值随即也降低，桥形电路的平衡被破坏。 为重新达到平衡，使热线电阻恢复到原来数值，就必 须增大电流，使热线温度提高。 当空气流量大时，带走的热量就越多，热线电阻的变化就越大，为重新达到平衡所需增加的电流值也就越大。 电流的变化又使固定电阻 RA 两端的电压 U0 发生变化，此变化的电压就是热线式空气流量传感器的传感信号。 3．温度补偿原理 温度补偿电阻 RK（也叫冷线），也安装在取样管内，其电阻值也随进气温度的变化而变化，从而抵消了环境温度对桥形电路平衡的影响。 发动机工作时，传感器中的控制电路调节作用在铂丝热线和温度补偿电阻上的加热电流（ 50~120mA），使铂丝热线和温度补偿电阻上的温度之差始终保持在 100~120℃，也只有在此温度差时惠斯通桥形电路才能达到平衡。 （五）空气流量传感器性能比较 见表 22 二、进气歧管绝对压力传感器 （一）功用与类型 作用：把进气管内节气门后方的进气压力转换成电信号。 发动机工作时，节气门后进气歧管内的绝对压力，反映了发动机的负荷状况，间接反映了发动机的进气量。 该信号与转速信号输送到 ECU后用于确定基本喷油量。 分类：压阻效应式、电容式和电感式。 （二）压阻效应式进气歧管绝对压力传感器 1. 压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后其电阻率发生明显变化的现象称为压阻效应。 优点： 灵敏度高、尺寸小、成本低、动态响应和抗振性好 2. 压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的结构 安装位置：直接安装在进气管上，固定在机舱内前围板上，固定在机舱一侧支架上 组成：硅膜片、混合 IC（集成电路）、真空室、壳体和线束插接器 内部结构：硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管接头和引线电极等。 硅膜片为压力转换元件，由单晶硅制成。 硅膜片为边长 3mm 的正方形，其中部采用光刻腐蚀的方法制成一个直径为 2mm、厚度约为 50μ m 的薄膜片。 在薄膜片上，采用集成电路加工技术和台面扩散层（扩散硼）加工出 4 个阻值相等的应变电阻片 ，这 4 个应变电阻片利用低阻扩散层（ P型扩散层）连接成惠斯通桥形电路。 惠斯通桥形电路的输出信号，再由混合集成电路中的温度补偿电路、信号放大电路和 A/D（模拟 /数字转换）电路处理后，输送给 ECU。 硅杯、壳体和底座构成的腔室为真空室，壳体的顶部设有排气孔，利用排气孔将该腔室抽真空后，再用锡焊密封排气孔，从而形成真空室。 真空室为基准压力室，基准压力为 0。 3. 压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的工作原理 当接通点火开关时，惠斯通桥形电路便加上电源电压 UCC。 发动机不工作时，惠斯通桥形电路中 4 个应变电阻片的电阻相 等，电桥平衡，电桥的输出电压 U0 为零。 当发动机工作时，硅膜片在进气歧管内压力的作用下产生机械应变，进而产生应力，应变电阻片的阻值在硅膜片应力的作用下就会发生变化，惠斯通电桥失去平衡，在电桥的输出端即得到输出电压 U0。 通过特殊加工，使 4 个电阻应变片处于特殊的位置，即在受到膜片拉应力的作用下，应变电阻R R4 增加（即产生正向增量Δ R），应变电阻 R R3 减小（即产生负向增量－Δ R）。 如图 219 所示，当惠斯通桥形电路的电源电压为 UCC 时，电桥的输出电压 U0 为： U0=（ R+Δ R） UCC/[（ R+Δ R） +（ R－Δ R） ]－（ R－Δ R） UCC/[（ R+Δ R） +（ R－Δ R） ] = UCC（Δ R/R） 三、曲轴与凸轮轴位置传感器 曲轴与凸轮轴位置传感器是电控汽油喷射系统中必不可少的传感器。 当 ECU 控制喷油器喷油时，首先必须知道哪缸的活塞即将到达排气上止点；当 ECU 控制火花塞跳火时，首先必须知道哪缸的活塞即将到达压缩上止点，然后再根据曲轴转角信号控制喷油和点火。 （一）曲轴与凸轮轴位置传感器的功用与分类 曲轴位置传感器 CPS（ Crankshaft Position Sensor）又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并将信号输入控制单元，进行点火控制和喷油控制。 曲轴转动角度信号用于确定点火时刻和喷油时刻，发动机转速信号用于确定喷油量和点火提前角。 凸轮轴位置传感器 CPS(Camshaft Position Sensor) 又称为汽缸判别传感器 CIS(Cylinder Identification Sensor)和相位传感器，为了区别于曲轴位置传感器 CPS，凸轮轴位置传感器一般都用CIS 表示。 凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并将信号输入 ECU，以便 ECU识别 1 缸压缩上 止点，从而进行顺序喷油控制、点火控制和爆震控制。 根据工作原理分类：电磁感应式、霍尔式和光电式 （二）光电式曲轴与凸轮轴位置传感器 图 237 所示，日产轿车光电式曲轴与凸轮轴位置传感器，该传感器安装在分电器内部，主要由发光二极管、光敏晶体管、信号盘（又称转盘）以及整形电路组成。 发动机工作时，信号盘随着分电器轴同步旋转，信号盘上的缝隙便连续切断从发光二极管照向光敏晶体管的光束。 当发光二极管发出的光线穿过信号盘上的缝隙照射到光敏晶体管上时，光敏晶体管导通；当发光二极管发出的光线被信 号盘遮挡住时，光敏晶体管截止。 发动机每转过两圈，信号盘转过一周，在与细缝隙相对应的光敏晶体管上感应出 360 个脉冲电压信号，这就是曲轴位置传感器输出信号。 信号盘转过一周的同时，也在与粗缝隙相对应的光敏晶体管上感应出 6 个脉冲电压信号，这就是凸轮轴位置传感器输出信号。 设计安装保证每个脉冲信号产生在对应汽缸活塞的压缩行程，而且脉冲信号的下降沿还表示该活塞的瞬时位置是上止点前 70176。 6 条粗缝中较宽的一条粗缝，其输出高电平宽度比其他 5 个脉冲宽，它除了向 ECU 提供活塞行程和位置信息外，还表示这些信息属于基准汽缸 (1 缸 )。 （三）磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器 1．基本结构与工作原理 图 240 所示。 主要结构：转子（即触发齿轮）、永久磁铁、铁心、感应线圈 发动机运转时，带动转子转动，磁路中的气隙便不断发生变化，穿过感应线圈的磁通量也不断变化，从而在感应线圈中感应出电信号。 2．桑塔纳与捷达轿车用磁感应式曲轴位置传感器 如图 243 所示。 曲轴位置传感器安装在曲轴箱内靠近 飞轮 一侧的缸体上，主要由信号发生器和信号转子组成。 信号转子为齿盘式，在其圆周上均匀间隔地制作有 58 个凸齿、 57 个小齿缺和一个大齿缺。 大齿缺输出基准信号，对应 发动机汽缸 1 或汽缸 4 压缩上止点前一定角度。 大齿缺所占的弧度相当于两个凸齿和三个小齿缺所占的弧度。 3．丰田轿车 TCCS 系统磁感应式曲轴与凸轮位置传感器 图 245 所示。 丰田公司 2JZGE 六缸发动机电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器。 传感器装在分电器内部。 传感器分上、下两部分。 上部分 由固定在分电器轴上的 正时转子 和固定在分电器壳体内的 G G2 耦合 线圈 组成， G G2 耦合 线圈 相隔 180176。 安装， 产生 G 信号 ； 下部分 由固定在分电器轴上的 正时转子 和固定在分电器壳体内的 Ne 耦合 线圈 组成， 产生 Ne 信号。 Ne 信号由等间隔 24 个轮齿的转子（ 正时转子） 和 Ne 耦合 线圈产生 分电器轴转过一圈（曲轴转两圈）， G 转子的凸缘便交替经过耦合线圈 G1 和 G2，在两个耦合线圈各产生一个电脉冲信号。 G1 耦合线圈产生正向脉冲信号（下降沿）时表示第六缸处于压缩行程上止点前 10176。 ， G2 耦合线圈产生正向脉冲信号（下降沿）时表示第一缸处于压缩行程上止点前10176。 （四）霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器 1．霍尔式传感器的工作原理 霍尔效应原理：把一个通有电流的霍尔半导体基片（即霍尔元件）放置在与电流方向垂直的磁场中时，在垂直于电流和磁场的 方向上就会产生一个微量电压，我们把该电压称为霍尔电压。 霍尔电压 UH 与通过的电流 I 和外加磁场的强度 B 成正比。 BIU dRH H  霍尔式传感器有两个突出优点：一是输出电压信号近似于方波信号；二是输出电压高低与被测物体的转速无关。 图 249 所示为工作原理。 2．桑塔纳与捷达轿车霍尔式凸轮轴位置传感器 霍尔式凸轮轴位置传感器安装在配气凸轮轴的前端、配气凸轮轴同步带轮腹板的背面。 如图 251 所示。 凸轮轴位置传感器由带有半周（ 180176。 ）叶片的信号轮 2 和霍尔效应式信号发生器 3 组成。 曲轴 转两圈，配气凸轮轴转一圈，信号发生器输出各占 360176。 曲轴转角的高、低电平信号。 当高电平上升沿出现时，表示正在向上止点运动的是第 4 缸活塞，且 1 缸正在进行的是压缩行程，4 缸为排气行程。 由于相对安装位置的关系，判缸信号在时间上先于曲轴位置传感器的上止点信号。 因此， ECU根据凸轮轴位置传感器产生的判缸信号、 曲轴位置传感器 产生上止点信号及曲轴转角时间基准和已经确定的各缸工作顺序，就可对喷油正时及喷油持续时间、点火正时及闭合角等进行控制。 3．切诺基吉普车霍尔式凸轮轴位置传感器 切诺基吉普车发动机控制系统的汽缸 识 别信号由霍尔式凸轮轴位置传感器提供，该传感器又称为同步信号传感器，安装在分电器内，主要由脉冲环 （ 信号转子 ） 、霍尔信号发生器组成。 脉冲环上制有凸起的叶片，占 180176。 分电器轴转角 （ 相当于 360176。 曲轴转角 ）。 没有叶片的部分也占 180176。 分电器轴转角。 （五）差动霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器 1．差动霍尔式传感器的结构特点 差动霍尔式传感器又称双霍尔式传感器，其基本工作原理与霍尔式传感器相同，传感器的输出电压由两个霍尔信号叠加而成。 差动霍尔式传感器主要由带凸齿的信号转子和霍尔信号发生器组成，如图 254 所示。 因为 输出信号为叠加信号，所以在同样的条件下增大了传感器的输出信号。 这样，转子凸齿与信号发生器之间的气隙可以增大（一般增大到 1mm 177。 ，普通霍尔式传感器仅为~），从而便可将信号转子设制成像电磁感应式传感器转子一样的齿盘式结构。 其突出优点是信号转子便于安装。 2． 切诺基吉普车 差动霍尔式曲轴位置传感器 切诺基吉普车 （ 四缸 ） 、 （ 六缸 ） 电子控制燃油喷射式发动机采用了差动霍尔电路的霍尔式曲轴位置传感器。 四缸电子控制发动机的飞轮上制有 8 个齿缺，如图 237a 所示。 8 个齿缺 分成两组，每 4个齿缺为一组，两组之间相隔角度为 180176。 ，同一组中相邻两个齿缺之间间隔角度为 20176。 六缸电子控制发动机的飞轮上制有 12 个齿缺，如图 237b 所示。 12 个齿缺分成三组，每 4 个齿缺为一组，相邻两组之间相隔角度为 120176。 ，同一组中相邻两个齿缺之间间隔角度也为 20176。 四缸发动机每转一圈产生两组共 8 个脉冲信号；六缸发动机每转一圈产生三组共 12 个脉冲信号。 在每组信号输入 ECU 时，可以知道有两个汽缸的活塞即将到达上止点位置。 在四缸发动机控制系统中，利用一组信号， ECU 可知汽缸 4 活塞接近上止点 ；利用另一组信号可知汽缸 3 活塞接近上止点。 四、节气门位置传感器 （一）节气门位置传感器的功用与分类 节气门位置传感器 TPS（ Throttle Position Sensor）的作用是把汽油机运转过程中节气门开度转换成电压信号。 该信号输入 ECU 后用于判别发动机工况（怠速工况、加速工况、减速工况、小负荷工况、大负荷工况等），并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间。 另外，在自动变速器汽车上，节气门位置传感器信。