汽车电子控制系统与传感器

1、主要内容 汽车电子控制系统 汽车用传感器,汽车电子控制系统与传感器,1 汽车电子控制系统,现代汽车上的发动机、自动变速器、安全装置等均采用16位或32位微处理器控制（俗称“电脑控制”），控制系统称为“电子控制系统” 。,电子控制系统是一种按预定程序自动地对各种传感器的输入信号进行分析、比较、计算和处理，然后产生控制信号，控制有关执行器工作的装置。,一、汽车电子控制系统的组成,汽车的电子控制系统，由输入电路（传感器等）、电子控制装置（ECU）和输出电路（执行器）等组成。,汽车电子控制系统的结构框图,1、输入电路,输入电路又称输入接口，它是将传感器、开关等输入信号转换成计算机可接受的数字信号，汽车的输入信号有数字信号和模拟信号二种。, 数字信号输入电路 数字信号只有高电平和低电平两种状态（如脉冲信号和开关信号等），经过数字输入电路（缓冲器）滤波或整形或电平转换后供微机分析计算。, 模拟信号输入电路,模拟信号是一个连续变化的电量（如电压、电流信号等），信号的大小用幅值来表示。 模拟信号必须转换成数字信号后才能供微机分析和计算，模拟信号输入电路实质上是一个模数转换器（A/D转换器）。,A/D转

2、换器采样的一般为电压信号，而汽车上的一些传感器（如发动机水温传感器、进气温度传感器和节气门位置传感器等）不直接产生电压信号，要由电子控制器内的稳压电路提供电源，下图所示为传感器电源的两种形式。,2、电子控制器（ECU）,汽车电子控制装置实质上是一个单片机系统，它是将中央处理器（CPU）、存储器、定时/计数器、输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路上的微型计算机。,晶体管式ECU, 中央处理器（CPU）,中央处理器是具有译码指令和数据处理能力的电子部件，是汽车电子控制的核心。, 存储器,存储器是用来存储程序指令和数据的部件，它分为只读存储器和随机存取存储器二种。 只读存储器（ROM）是用来存储制造厂家编制的控制程序、运行程序和原始试验数据等，它的信息一旦写入就不可更改，只能读出。,只 读 存 储 器,可编程只读存储器（PROM），与ROM相同。,可改写只读存储器（EPROM），信息可擦除（紫外线）和重新写入。,电可擦只读存储器（EEPROM），在通电的情况下可改写部分信息，便于数据的修改和升级，是汽车只读存储器的发展方向。, 输入/输出（I/O）接口电路 输入/输

3、出（I/O）接口电路是CPU与传感器或执行器之间进行数据交换和下达控制指令的通道。由于传感器和执行器的种类繁多，它们的信号速度、频率、幅度、功率和工作时序等都不可能完全与CPU匹配，通过CPU进行协调和控制。,随机存取的存储器（RAM）起到一个寄存器的作用，它随时可以读出或写入数据，主要用来存放故障代码、空燃比的修正数据等，一旦电源中断，其内部存放的数据将全部丢失。, 总线（BUS）,总线是微机内部传递信息的电路连线，CPU、ROM、RAM与I/O接口之间的信息交换都是通过总线来实现的，总线可分为数据总线、地址总线和控制总线三种。,3、输出电路,微机输出的信号电压低（5V）、信号弱，不能直接控制执行器，必须通过输出电路进行功率放大后才能控制执行器按微机的指令动作。,电子控制器的输出电路主要是由大功率三极管组成的驱动电路。,二、汽车电子控制系统的自诊断,汽车采用电子控制系统后带来了新的问题：一是电控系统较复杂，对检修带来了一定的困难；二是电子控制系统的安全容错处理，汽车不能因为电子控制系统的故障而导致汽车失控或不能运行。为此，在电子控制系统中设置了故障自诊断的功能。 故障自诊断系统能自动

4、地、连续地监测传感器、执行装置和微机本身的工作状态，如果发现不正常的情况出现（此现象必须持续一定的时间），就将一系列的警告信号以故障码（DTC）的形式存储到随机存储器。,一旦有故障码存入随机存储器中，在仪表板上的相应警告灯点亮，如发动机系统有故障，则“Check Engine” 警告灯点亮，提醒驾驶员要及时检修。,1、传感器的故障诊断与故障运行 传感器的故障诊断只要监视传感器的输入信号是否在正常范围内？如果超出正常范围，则ECU将此情况以代码形式存储在随机存储器中，并点亮对应的警告灯，同时启用备用数据，使汽车继续行驶到有关的修理厂进行修理。,2、电子控制系统的故障诊断与后备程序,在电子控制系统中设有后备电路（备用电路系统），当控制系统本身出现故障时，程序就不能正常运行。此时启用备用电路，进入后备程序简易控制运行状态，用固定的控制信号，使车辆继续行驶。 由于备用电路系统只维持发动机运转的简单功能，而不能替代微机的全部功能，它只按照起动信号和怠速触点的闭合状态，以恒定的喷油持续时间和点火提前角对喷油器和点火系统进行控制。因此，后备电路的工作又称为 “跛行” 模式。,、执行器的故障诊断与故障

5、保险,当执行器发生故障时，往往会对汽车的行驶和安全造成一定的影响。要对执行器进行故障诊断，一般要设置故障诊断电路，用来反馈执行器的执行情况。 一旦确认执行器发生故障，ECU将根据故障的严重程度采取相应的安全措施，自动停止某些功能的执行，这种功能称为“故障保险”。如当点火器出现故障时，自诊断模块会切断燃油喷射系统的电源，停止喷油，以免混合气进入排气系统引起爆炸。,由上面的分析可知：,当某一传感器或电路产生了故障后，其信号就不能作为汽车的控制参数，为了维持汽车的工作，微机便从程序存储器（ROM）中调出某一固定数值，作为汽车的应急参数，保证汽车可以继续工作。 当微机本身出现故障时，微机便自动启动备用控制回路对汽车进行简单控制，使汽车可以开到附近的修理厂进行修理。 当微机检测到某一执行器出现故障时，为了安全起见，采取故障保险措施（称为“故障保险”）。,三、CAN总线系统与故障诊断,随着汽车上电气元件越来越多，线束也越来越复杂，线束出现故障的概率也随之提高。为了解决这个问题，汽车上采用了CAN总线数据传输系统,以简化电气线路的线束。,Volvo 汽车线束增加统计,1、CAN总线的含义,CAN是C

6、ontroller Area Network（控制单元区域网络）的缩写，含义是控制单元通过网络交换数据。 使用了CAN总线的汽车，无论各控制单元之间传递的信息量有多大，每个控制单元都只需要引出条双向数据线共同接在个节点上，这条双向数据线就称为CAN总线。,2、CAN数据传输系统的优点,将传感器信号线减至最少，使更多的传感器信号进行高速数据传递； 电控单元和电控单元插脚最小化应用，节省电控单元的有限空间； 如果系统需要增加新的功能，只需软件升级即可； 各电控单元对所连接的CAN总线进行实时监测，如出现故障该电控单元会存储故障码； CAN数据总线符合国际标准，便于一辆车上不同厂家生产的电控单元进行数据交换。,3、CAN数据传输系统的组成,CAN数据传输系统中每块电脑的内部增加了一个CAN控制器，一个CAN收发器；每块电脑外部连接了两条CAN数据总线。在系统中作为终端的两块电脑，其内部装有一个数据传递终端，有时数据传递终端也可以安装在电脑外部。 CAN控制器,CAN控制器的作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器。同时CAN控制器也接收收发器收到的数据，处理数据并传

7、给微处理器。, CAN收发器,收发器是发送器和接收器的组合，它将CAN控制器提供的数据转化为电信号并通过数据总线发送出去。同时，它接收总线数据，并将数据传到CAN控制器。 数据传递终端 它是一个电阻器，避免数据传输终了被反射回来并产生反射波，这将使数据遭到破坏。 CAN数据总线（BUS）,CAN数据总线用以传输数据的双向数据线。,双绞数据总线,BMW汽车的CAN总线系统,网关,中央网关模块,E-60的全车网络图，它包括了4套总线结构：K-CAN, PT-CAN， Most和 Byteflight，其中K-CAN总线主要包括车身电子控制单元， PT-CAN总线主要包括动力系统及底盘控制单元， Most总线主要包括娱乐、通讯和显示系统控制单元， Byteflight总线主要用于安全气囊系统。,4、故障诊断,为了便于维修人员诊断和测试汽车电控系统的故障，在电控汽车上设置了故障诊断通讯接口和专用的ECU检测仪（汽车电脑故障诊断仪）。,故障诊断接口,故障诊断接口,2 汽车用传感器,传感器的主要功能是检测汽车的运行参数或状态，它将非电量转换成电量，供ECU分析、处理等。 常用的传感器有温度传感器、

8、压力传感器、位置传感器、速度传感器、流量传感器等。,一、曲轴位置传感器（CPS）,曲轴位置传感器又称为发动机转速与曲轴转角传感器，它的作用是检测曲轴转动角度、发动机转速和气缸上止点（判缸信号）信号，并输入电控单元ECU，以便确定点火时刻、喷油时刻和控制燃油泵工作等。 它有二种安装方式：一种是安装在分电器内（已淘汰），另一种是安装在曲轴箱内、凸轮轴或飞轮处。, 安装在分电器内的曲轴位置传感器(已淘汰),安装在分电器内的曲轴位置传感器有光电式、磁感应式和霍尔效应式三种。 1、光电式曲轴位置传感器,光电式曲轴位置传感器安装于分电器内，它由发光管、光敏管和遮光盘等组成。,2、磁感应式曲轴位置传感器,磁感应式曲轴位置传感器又称磁脉冲式曲轴位置传感器，它由上、下两部分组成。上部为检测曲轴位置基准的G信号，下部为曲轴转速与转角的Ne信号。,3、霍尔式曲轴位置传感器,霍尔式曲轴位置传感器采用霍尔元件作为测量元件，当电流通过放在磁场中的霍尔元件，且电流与磁场垂直时，电荷在磁场的作用下向一侧偏移，在垂直于电流和磁场的横向侧面上产生一个霍尔电压HRNI B / b。,霍尔式曲轴位置传感器原理,霍尔式传感器有

9、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。霍尔式传感器与磁感应式传感器不同的是需要外加电源。,如果磁场消失，则霍尔电压H也消失, 安装在曲轴箱内或飞轮处的曲轴位置传感器,在现代汽车上，曲轴位置传感器安装在曲轴箱内、凸轮轴处或发动机飞轮处。 常用的有磁感应式和霍尔式二种曲轴位置传感器。,安装在曲轴箱内,安装在凸轮轴处,安装在飞轮处,1、磁感应式曲轴位置传感器,磁感应式曲轴位置传感器又称电磁式曲轴位置传感器，它由线圈、永久磁铁和铁芯等组成。,磁感应式曲轴位置传感器的工作原理,当齿尖对准线圈时，磁阻小，磁场最强；反之，当齿根对准线圈时，磁阻大，磁场最弱。,2、霍尔式曲轴位置传感器,霍尔式曲轴位置传感器采用霍尔元件作为测量元件，一般制成一体式结构，外形与磁感应式相同。,信号盘,霍尔传感器,霍尔式曲轴位置传感器的工作原理,当信号盘转动时，通过霍尔元件的磁通会发生变化，在传感器的霍尔元件中就会产生交变电压信号（近似方波信号）。,目前应用较广的为差动式霍尔效应传感器。,差动霍尔式传感器又称为双霍尔式传感器，它由带凸齿的信号转子和霍尔信号发生器组成，其工作原理与普通霍尔式传感器相同。,差动式霍尔传感器的输出信号为叠加信号，幅度大，因此转子凸齿与传感器之间的气隙可以增大到(10.5)mm（普通霍尔式仅为0.20.4mm),因而可将信号转子制成像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。,二、空气流量传感器（AFS）,空气流量传感器又称空气流量计，它用于检测发动机的进气量大小，并转换成电信号，以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间（点火提前角）。,空气流量传感器安装在空气滤清器与节气门之间。,常用的空气流量传感器有翼片式、量芯式、卡门涡旋式、热线式和热膜式空气流量传感器等。, 翼片式空气流量传感器,翼片式空气流量计又称量板式、风门式、叶片式、活门式或动片式空气流量计，它由空气流量计和电位计两部分组成。,电位计安装在传感器壳体的上部，它将空气流量转换成电信号，电位计的轴由测量叶片带动同步转动。,根据发动机吸入空气流量的大小，推动测量叶片旋转，带动电位计转动，达到测量进入发动机空气量的目的。,燃油泵控制触点，当测量叶片转

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