自动巡航控制系统

1巡航控制系统的构成

汽车电子自动巡航控制系统主要由巡航控制开关(ON ／OFF开关)、车速传感器、电子控制单元(ECU)、汽车制动开关、执行器等组成。其结构如图8-5所示。

现将其各部分的结构与工作原理分别作以下介绍：

(1)巡航控制开关主控开关一般为杆式开关，安装在转向柱上驾驶员容易接近的地方，或将组合开关设计在方向盘上。大多数开关有三个档位：设置／减速(SET／COAST)、取消(CAN，CEL)和恢复／加速(RES／ACC)档。通常情况下，当车速超过40km／h时，只要按下设定键，车辆就会记住当前的车速并保持定速行驶，当按下取消键时，恒速行驶立即停止。“恢复／加速”档用于制动或换档断开电路后，使车辆

重新按设定速度行驶。汽车在自动巡航控制状态下，可以通过按加速键提高车速，或按减速键来降低车速。

(2)巡航控制ECU 用于接收各种传感器送来的信号，再经计算、加工处理后，向执行器发出指令，控制执行器的动作。

(3)空档启动开关用于向巡航控制ECU传送空档信号(即变速器操纵杆处于空档位置的信号)，以使汽车立即退出巡航控制状态。

(4)制动开关用于向巡航控制ECU传送制动信号(即驾驶员踩下制动踏板的信号)，以使汽车迅速退出巡航控制状态。

(5)车速传感器车速传感器一般安装在变速器的输出轴上，这是因为实际车速与变速器输出轴转速成正比。车速传感器有磁感应式、霍尔式、光电式等多种结构形式，但简单常用的是磁感应式。

(6)节气门位置传感器节气门控制摇臂位置传感器，用于监测节气门控制摇臂的位置，并将信号传送给巡航控制ECu。

(7)执行器执行器又称伺服器，其作用是受巡航控制EC U的控制驱动与节气门拉索并联的拉线盘，用于调整节气门的开度，使车辆作加速、减速及定速行驶。执行器常分为电动式和真空式(气动式)两种，下面分别加以介绍。

1)电动式执行器：电动式执行器结构如图8-6所示。

电动式执行器主要由电动机、安全电磁离合器和位置传感器组成。电动机采用直流永磁式电动机，通过改变电动机中电流方向即可改变节气门转动方向。电动机转动时可带动执

行元件控制臂转动，控制臂通过控制拉索改变节气门开度。为限定控制臂转动角度，电动机电路装有限位开关。在电动机与控制臂间装有安全电磁离合器。当进行巡航控制时，安全电磁离合器接合，此时电动机旋转可使节气门开度改变；若在巡航控制行驶阶段执行器或车速传感器发生故障，安全电磁离合器立即分离。在电动式执行器中还装有位置传感器，它是一个由滑动变阻器构成的电位计，用于检测执行器控制臂的转动位置，并将信号输入巡航控制ECU中。

2)真空式执行器：真空式执行器的结构框图如图8-7所示。密封圆筒内装有膜片、膜片弹簧、两个空气电磁阀和一个真空电磁阀。真空电磁阀和空气电磁阀的搭铁线分别接到巡航控制ECU的端子上，在ECU内部搭铁时，电磁阀起作用。真空电磁阀内部有一个真空管接头，通过一根橡皮管与进气歧管相连。在膜片的中间装有拉动节气门的拉索。真空式执行器是利用发动机进气歧管的真空度吸引膜片，通过节气门拉索，使节气门开度增大，并可保持固定位置不动。如果空气电磁阀打开，则由于膜片弹簧的弹力，使节气门拉索放松，节气门开度减小。

图8-8为真空式巡航控制系统的结构原理。在巡航控制系统未工作时，真空电磁阀保持关闭，空气电磁阀打开，密封圆筒与大气相通。当汽车加速时，真空电磁阀打开，与进气歧管相通，而两个空气电磁阀则关闭，密封圆筒内真空度增大，吸动膜片，克服弹簧力，通过拉索使节气门开度增大，车辆加速行驶。当加速到一定车速时，真空电磁阀与空气电磁阀同时关闭，此时密封圆筒内的真空度不变，汽车保持恒速行驶。当汽车减速时，空气电磁阀又恢复为打开状态，此时空气进入密封圆筒，膜片弹簧把膜片压回原位，节气门开度减小，汽车减速。

目前汽车上使用的巡航控制系统分为机电式巡航控制系统和电子式巡航控制系统。与机电式巡航控制系统不同之处是电子式巡航控制系统用电子控制系统来设定和维持所选

择的速度。电子式巡航控制系统的控制精度高，并具有下列优点：

1)一般在行驶速度达到40km／h以上时系统就可以工作。

2)速度控制模块采用数字方法测量速度，将汽车固定在设定的速度上，并将系统动作时汽车的精确速度储存起来。

3)系统每秒钟能调节节气门多次，使汽车速度维持在2km ／h的波动范围内。

4)在汽车动力允许的情况下，汽车爬坡时，能维持恒定的速度，并做出微小的调整。

5)电子式巡航控制系统能提供精确的控制，通过合上设定开关，能使系统以3～5km／h的稳定增量变化。

6)当预定的减速度发生时，即使没有踩制动踏板，迅速减速停车功能将使系统关闭。

2巡航控制系统的工作原理

图8-9是一种典型的闭环汽车电子巡航控制系统原理框图。由图8-9可知，控制器的输入是以下两个车速信号的差：一个是驾驶员按要求的车速设定的车速信号；另一个是实际车速的反馈信号。ECU将这两种信号进行比较，得出误差信号，经放大、处理后成为节气门控制信号，送至节气门执行器，驱动节气门执行器工作，调节发动机节气门开度，以修正实际车速，从而将实际车速很快调整到驾驶员设定的车速，并保持恒定。

通常将汽车在平坦路面上行驶时车速与节气门开度的关系存储在巡航控制系统ECU的ROM中。汽车在平坦、上坡与下坡路面上行驶时的车速与节气门开度的关系如图8-10所示。巡航控制系统根据目标车速自动维持汽车恒速行驶。汽车在巡航定速状态下，当汽车速度下降时，ECU加大节气门开度，使发动机功率升高，转矩增大，车速达到设定速度。反之，减小节气门的开度。参照图8-10，系统进行巡航控制时，若在平坦路面上车速为v0时，按下设定开关进入巡航控制的自动行驶状态，此时节气门开度在0点，一旦遇到爬坡时，则行驶阻力增加，如不进行调节控制，车速就会降到vc点，但巡航控制器会按照一定的控制规则控制节气门，使节气门开度从O点变为A点，使车速稳定在v0点，重新取得动力平衡。当遇到下坡时，行驶阻力减小，巡航控制系统调节节气门的开度由O点变到B点，使车速保持在v0点取

得平衡。因此，即使行驶阻力发生变化，车速也只在很小范围内变化，达到稳定行驶的目的。当车速在40km／h以下、160km／h以上时，巡航系统不工作。当然这个上下限的限定依车型的不同而略有不同。

若使控制线呈现垂直状态，则车速的波动(控制误差)减小到零，这样一来，行驶阻力的微小变化都会引起节气门开度的变化，由于响应过度灵敏，容易产生游车。因此，应综合考虑控制误差与游车问题，选择合适的控制线斜率。

一旦系统的传感器出现故障，或控制信号电路被切断，因没有车速信号，低速限制电路将认为车速为零，使巡航控制系统停止工作。

3汽车巡航控制系统的功能

汽车巡航控制系统的主要功能如下：

(1)恒速行驶功能汽车自动巡航即指汽车在行驶时，驾驶员即使不踏加速踏板，汽车仍可以按驾驶员所希望的车速自动保持行驶的功能，这是巡航控制系统最基本的功能。

(2)加速、减速功能车辆处于巡航行驶的状态时，若按下加速开关，则设定速度增加，此为加速功能。同样，若按下减速开关，则设定速度减小，此为减速功能。

(3)取消、设定功能如果踏下制动踏板或操纵巡航控制的解除开关，则可自动解除巡航功能。如果重新按下设定开关，汽车进入巡航状态。

(4)自动选、换档功能在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶所可能遇到的阻力，车辆自动变换节气门开度或自动进行档次转换，以按存储在ECU内的最佳燃油经济性规律或动力性规律稳定行驶。

(5)防止误操作及报警功能在不具备巡航条件的情况下，例如车辆在起步阶段或档位在二档以下等，驾驶员启动了巡航开关，巡航控制系统应防止类似的误操作，并具有报警的功能。

4 系统可扩展性、可靠性和抗干扰性

系统必须在国家认定的检测机构完成各种型式试验并有相应的试验报告，系统必须在国家认定的可靠性试验机构完成各种可靠性试验并有相应的试验报告，系统必须符合相关国家标准和汽车行业标准。

电磁兼容性是衡量系统能否推广应用和进入市场的先决条件之一，也是确保系统稳定性和数据安全性的必备条件。电磁兼容性一方面要求系统对周围环境所产生电磁干扰降至最低；另一方面又要求自身在严重电磁干扰的恶劣环境下，仍能保持正常工作。

同其他工业控制现场相比，汽车电子产品的工作环境温度范围大(-40一+125℃)，电磁干扰和其他电子噪声强，环境恶劣，为此在设计电路时，要充分考虑电磁敏感度(EMS)和电磁干扰(EMI)，采取必要的抗干扰措施。

硬件方面采用电磁兼容设计，重点考虑静电场、磁场和传输线路及电路引入的干扰。

稳压电源设计中，考虑到由于蓄电池与汽车交流发电机、起动机、点火线圈相连，不仅电压波动大，而且含有尖峰脉冲，对Ecu干扰很大，因此必须采用宽范围的稳压设计，并加入电源电压监测、“看门狗”(watchdog)等电路。传输介质采用带屏蔽的双绞线，以减少电磁干扰。

软件方面采用避错和容错等技术，对信号进行软件滤波，设计上电复位抗干扰程序，运用失效保险等技术设计抗瞬间干扰程序；并且发生错误时，ECU还可根据出错种类进行处理。