汽车巡航控制系统(1)

汽车巡航控制系统一、概论汽车巡航控制系统英文为CRUSIECONTROLSYSTEM--缩写为CCS。根据其特点巡航控制系统一般又称为巡航行驶装置、速度控制（SpeedControl）系统、自动驾驶（AutoDrive）系统等。汽车巡航控制系统（CCS）就是可使汽车工作在发动机有利转速范围内，减轻驾驶员的驾驶操纵劳动强度，提高行驶舒适性的汽车自动行驶装置。在大陆型的国家，驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，较能以稳定的车速行驶。但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久之脚就容易感到疲劳。而汽车巡航控制系统（CCS）的作用是：按司机所要求的速度闭合开关之后，不用踩油门踏板就可以自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。采用了这种装置，当在高速公路上长时间行车后，司机就不用再去控制油门踏板，减轻了疲劳，同时减少了不必要的车速变化，可以节省燃料。二、系统的功能及优点1.巡航控制系统的功能（1）基本功能。①车速设定：当按下车速调置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保持这一速度行驶。②消除功能：当踩下制动踏板，上述功能立即消失。但是，上述调置速度继续存储。③恢复功能：当按恢复开关，则能恢复原来存储的车速。除了以上三种基本功能，如果需要可增加以下功能。④滑行：继续按下开关进行减速，以离开开关时的速度作巡航行驶。⑤加速：继续按下开关进行加速，以不操纵开关时的车速进入巡航行驶。⑥速度微调升高：在巡航速度行驶中，当操纵开关以ON-OFF（接通-断开）方式变换时，使车速稍稍上升。（2）故障保险功能。①低速自动消除功能：当车速小于40km/h时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。②制动踏板消除的功能：在制动踏板上装有两种开关，一个用于对计算机的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。③各种消除开关：除了利用制动踏板的消除功能外，还有驻车制动、离合器（M/T）、调速杆（A/T）等操作开关的消除功能。2.巡航控制系统的优点综合其功能作用，巡航控制系统主要具有以下的优点：（1）提高汽车行驶时的舒适性：特别是在郊外或高速公路上行驶，这种优越性更为显著。另外，当汽车以一定的速度行驶时，减少了驾驶员的负担，使其可以轻松地驾驶。（2）节省燃料，具有一定的经济性和环保性：在同样的行驶条件下，对一个有经验的驾驶员来说，可节省燃料15%。这是因为在使用了这一速度稳定器以后，可使汽车的燃料供给与发动机功率之间处于最佳的配合状态，并减少了废气的排放。（3）保持汽车车速的稳定：汽车无论是在上坡、下坡、平路上行驶，或是在风速变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，汽车的行驶速度保持不变。三、巡航控制系统的发展动向1.新控制理论的应用车辆的行驶状况受到乘员、发动机输出的变化等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断地得到应用。2.联动控制、复合控制目前，巡航控制装置是独立式的，要求在控制中提高感觉敏感度、响应性和更高的精度。为此，需要发动机控制用计算机、变速控制用计算机进行联动控制，使这些计算机形成一体化的复合控制。3.小型化、智能化计算机、执行元件更趋小型化、一体化，向智能型发展。4.追踪行驶控制现在巡航稳定行驶装置分别利用加速、减速、恢复车速、消除等开关自由控制车速，但是往往在道路交通混杂的情况下，当车辆接近时不便于进行减速、车辆拉开距离时加速。为了解决这一问题，向前方车辆发射毫米波（30GHz-300Hz），利用雷达测定与前方车辆之间的距离，隔开一定距离进行追踪行驶。车载雷达不仅可以利用毫米波雷达，而且还可以利用激光。四、巡航控制系统基本工作原理汽车巡航控制系统是最早开发的汽车电子控制系统之一。这种系统使用另外的车速传感器，将车速信号输入发动机控制微机，由微机控制真空系统工作。这种系统也要使用伺服器、车速控制开关杆和制动踏板上的真空解除开关等，其功能和基本系统相同。在这个系统中，电子控制装置可根据行驶阻力的变化，自动调节发动机油门开度，使行驶车速保持恒定。这样既减少了不必要的车速变化，从而节省了燃料，同时也减轻了驾驶员的负担。电子巡航控制系统的方框图如图1所示。控制器有两个输入信号，一个是驾驶员按要求设定的指令速度信号，另一个是实际车速的反馈信号。电子控制器检测这两个输入信号之间的误差后，产生一个送至油门执行器的油门控制信号。油门执行器根据所接收的控制信号调节发动机油门开度以修正电子控制器所检测到的误差，从而使车速保持恒定。实际车速由车速传感器测得并转换成与车速成正比的电信号反馈至电子控制器。作为巡航控制系统核心部件的控制器采用一种叫做比例积分控制（简称PI控制）的电子控制装置。油门控制信号实际上由两部分迭加而成。线性放大部件KP提供一个与误差信号e成正比的控制信号，而积分放大器K1则设置一条斜率可调整的输出控制线，用来将这一段时间内的车速误差降为零。实际上并不能真正降低到零，而是保持在一定的误差范围内，因为当车速误差为零时，行驶阻力的微小变化都将引起油门开度的变化，容易产生游车。五、电子式巡航控制系统图2所示为现代汽车电子巡航控制系统的构造与零部件布置图。电子巡航控制系统主要是由指令开关、传感器、电子控制器和油门执行器四部分组成。各种开关与计算机被配置在车室内；执行元件、真空泵则配置在发动机室内，执行元件的控制线缆与加速踏板相联接。1、指令开关，包括主控开关、离合器开关、变速器空挡启动开关、刹车开关（包括手刹）和电源开关（点火开关）等。①主控开关，它的作用是：控制巡航系统的启动、关闭、控制调节巡航工作状态。图3是凌志（LEXUS）巡航控制的主控开关的操作手柄的外形图。操作手柄安装在转向盘的下方，操纵手柄朝下扳动是巡航速度的设定开关（SET/COAST），向上推则是巡航速度取消开关（CANCEL），朝转向盘方向扳起是恢复/加速开关（RES/ACC）。②离合器开关（仅对安装手动变速器车辆），它的作用是：当汽车在巡航状态下行驶，出现驾驶员干预，如变换变速器挡位、制动等情况，驾驶员踩踏离合器踏板，离合器开关既由断开变为闭合，离合器开关的闭合，使电控单元立即自动关闭巡航工作状态。离合器开关装在驾驶室离合器踏板的上部，靠驾驶员踩踏离合器踏板的机械动作，使其闭合。③变速器空挡启动开关（仅对安装自动变速器车辆），它的作用与离合器开关类似。空挡启动开关的安装位置紧靠变速器操纵杆，并与变速器操纵杆联动，当变速器操纵杆置于空挡时，空挡启动开关由断开变成闭合。④刹车灯开关，它的作用是，当驾驶员踩踏制动踏板时，在制动（接通）灯亮的同时，将控制节气门动作摇臂的电磁离合器断开，迅速退出巡航控制的工作状态。在刹车灯开关中原来常开触点的基础上，增加了与之联动的常闭触点，当驾驶员踩踏制动踏板、制动灯亮的同时，常闭触点断开，电磁离合器断电，节气门不再受巡航系统控制。⑤手刹车制动开关，它的作用与离合器开关（变速器空当启动开关）类似。安装位置紧靠手刹操纵杆并与手刹操纵杆联动，当拉手制动时，此开关由断开变为闭合。⑥点火开关，它的主要作用是通断取自蓄电池和发电机的巡航控制的工作电源。2、传感器，主要有车速传感器、节气门传感器和节气门控制摇臂位置传感器等。①车速传感器通常和车速里程表驱动装置相连。如果车速表是电子式的，车速表传感器给出的信号可直接用作巡航控制系统的反馈信号，因而不必为巡航控制系统另外设置传感器。专用于巡航控制系统的车速传感器一般安装在汽车变速器输出轴上，因为实际车速与变速器输出轴转速成正比。车速传感器有光电式、霍尔感应式、磁阻式等多种结构形式。最简单且最常用的是磁阻式，其结构如图3所示。带凸齿的钢制圆盘安装在变速器输出轴上并随输出轴一起转动，当凸齿位于磁铁两极之间时，由于钢的导磁性能远高于空气隙，磁回路磁阻突然减小，从而在传感线圈中产生一高的脉冲电压信号。我们注意到变速器输出轴每转一周，四个凸齿各通过传感线圈一次。因此信号处理电路计数一分钟内传感线圈中的电压脉冲数并除以4就可得到r/min表示的变速器输出轴转速。设计或选择车速传感器时有一点非常重要，即传感器的频率响应应大大高于整个系统的频率响应，以免传感器对系统的频率响应产生很大影响。②节气门传感器，它的作用是：对电控单元提供一个与节气门位置成比例变化的电信号。节气门传感器与发动机电控的传感器共用。③节气门控制摇臂传感器，这是巡航控制系统专用的传感器。它的作用是对电控单元提供节气门控制摇臂位置的电信号，目前应用较多的是滑线电位计式。当节气门控制摇臂转动时，电位计与之转动，便输出一个与控制摇臂位置成比例变化的、连续变化的电信号。3、执行器，其作用是，将电控单元输出的电流或电压信号转变为机械运动，进而控制节气门的开度，最终达到控制车速的目的。执行器有电动和气动操纵两种形式。①气动方式大多采用有进气歧管真空度控制的气动活塞式结构。气动操作的油门执行器的组成如图4所示。执行器活塞连杆与油门拉杆相连，而活塞连杆对油门拉杆无力作用时，弹簧力使油门关闭。当执行器输入信号Ve给电磁线圈通电时，压力控制阀芯克服阀弹簧力下移，执行器汽缸与进气歧管连通。由于进气歧管内为真空，于是执行器汽缸压力迅速下降，执行器活塞带动油门拉杆向左运动从而使油门平顺渐进地打开。活塞上的作用力随汽缸中平均压力的变化而变化，而汽缸中的平均压力则通过快速通断压力控制阀来控制。执行器的输入信号Ve是一脉冲电压信号，当Ve电位为高时，电磁铁通电；当Ve电位为低时，电磁铁断电。因此汽缸中的平均压力亦即油门开度与压力控制阀控制信号Ve的占空比成正比。选择油门执行器时，应使油门执行器的频率响应与车速传感器的频率响应基本一致，以保证整个巡航控制系统的协调运行。②电动机式类型，电动机式的节气门执行器的工作，是利用电动机的转动并带动控制摇臂摆动，可使节气门的开度变化，主要有电磁离合器、直流电动机或步进电机等。直流电动机是连续运转，它的运转速度与电控单元供给它的电压平均值有关；它的运转或停止，由电控单元输出的电压“有”或“无”来决定；它的运转方向，由电控单元输出的电压方向决定。步进电机的工作，是对其通电一次，电机轴就转过一定的角度。电磁离合器的作用是，当电磁离合器通电时，电动机的轴与节气门控制摇臂结合在一起，当电磁离合器断电时，电动机轴与节气门控制摇臂分离，使节气门受到电动机贺电次离合器的双重控制，工作更可靠。4、电子控制器电子巡航控制系统的另一个重要部件就是电子控制器，也称巡航电脑。控制器是整个控制系统的中枢。在早期的巡航控制系统中，控制器大多采用模拟电子技术，其原理图如图5所示。整个控制器采用了四个运算放大器，每个放大器都有自己特定的用途。运算放大器1用作误差信号放大器，它的输出与指令车速和实际车速之差成正比。误差信号Ve用作运算放大器2和3的输入。运算放大器2是一个放大倍数为Kp=－R2/R1的线性放大器，由于R1是可变的，因此放大倍数可以调节。运算放大器3是一个积分器，其放大倍数为KI=1/（R3）C。R3是可变电阻，因而KI也可调。运算放大器3产生一流向电容C的电流，其电流与流经R3的电流相等。R3两端的电压即为误差放大器的输出电压Ve，根据欧姆定律，可得R3上的电流为：I=Ve/R3。若误差信号Ve保持不变，则电流I也保持不变。电容C两端的电压将以与电流成正比的速率稳定变化。积分器输出电压根据VI是大于0还是小于0而上下变化，仅当误差恰好为0时才保持不变。这就是为什么积分放大器能将系统的稳态误差降至0的原因。因为只要出现小的误差就会引起VI变化从而予以修正。当然，实际上为了避免游车现象，并不是将车速误差真正降为0，而是保持在一定的误差范围内。误差范围的大小决定于控制线斜率，亦即KI的大小。线性放大器和积分放大器的输出通过运算放大器4迭加在一起。运算放大器4将电压Vp和VI相加并将运算结果反相。这里反相是必要的，因为线性放大器和积分放大器的输出相位与其输入相位是相反的。求和反相后方使控制信号回到正确的极性。运算放大器4产生一模拟电压输出Vs。这个模