汽车巡航控制系统原理

4.2.1　汽车巡航控制系统的基本原理

汽车巡航控制系统的基本控制原理方框图如图4-1所示。

图4-1　汽车巡航控制系统原理方框图

当巡航系统开始工作时，电子控制器(ECU)接收到两个输入信号:一个是驾驶员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自检的误差后，经放大处理后产生一个送至节气门执行器的节气门控制信号，节气门执行器根据所接收的控制信号调节节气门开度，以修正控制器所检测到的误差，从而使车速保持恒定。

电子控制器作为巡航控制系统的核心部件，一般采用“比例—积分”控制的控制系统，线性放大部件Kp成比例的反应系统的偏差信号，偏差一旦产生，线性放大部件Kp即产生控制作用，以减少偏差，而积分放大器K1则设置为一条斜率可调整的输出控制线，用以在短时间内将车速误差降至趋近于0的很小范围。节气门控制信号则是比例电路和积分电路两部分输出信号的叠加。另一种办法是将车速信号输入微机处理，采用这种控制方法可以使用更先进的程序。车速与节气门开度之间的关系如图4-2所示。

图4-2　车速与节气门开度之间的关系

汽车在平坦路面上行驶时的车速与节气门开度的关系曲线存储在计算机中。因此，当车速达到v0时，按下拟定开关，节气门开度先被定为θ0，同时，计算机还拟定了控制线，当汽车在平坦路面上以速度vθ行驶时，按下拟定开关，便进入自动行驶状态。当遇到爬坡时，行车阻力增加，因此，车速与节气门开度的关系就变成上坡路行驶曲线，此时，若没有车速自动控制装置进行节气门开度调节，车速会下降。但由于装有速度制动控制装置，当汽车阻力增加、车速下降时，传感器就把该信号反馈给计算机，经过处理后发出指令，沿着控制线调节节气门开度，节气门开度便从θ0变为+Δθ，使车速保持稳定，重新取得平衡，汽车便以这一速度行驶。若汽车遇到下坡时，行驶阻力减小，车速与节气门开度的关系就变成下坡路行驶曲线。此时，车速自动控制装置也沿着控制线调节节气门开度，使节气门开度从θ0变为-Δθ，车速重新取得平衡。由此可见，即使行驶阻力发生变化，车速也只能在特定的范围内变化，使车速基本保持稳定。

从图4-2可以看出，计算机中拟定的控制线的斜率越小，车速的波动量(控制误差)也就越小，若控制线呈垂直状态时，车速的波动减小到0，这样，行驶阻力有微小的变化都会引起节气门开度的变化，因此由于反应过度灵敏，会造成游车现象。

4.2.2　巡航系统的结构和工作原理

汽车巡航系统结构组成如图4-3所示，主要由输入装置、巡航控制ECU和执行器等组成。

资源4-1　定速巡航的激活

资源4-2　定速巡航功能的使用

图4-3　汽车巡航系统结构组成

车速传感器产生脉冲信号，ECU利用这一脉冲信号的频率检测车速。巡航控制ECU接收来自车速传感器和开关的信号，ECU根据这些信号计算节气门应有的开度，并给执行器发出信号。执行器根据来自巡航控制ECU的信号，增减节气门的开度。

1.操作开关

操作开关主要用于设置巡航车速或将其重新设置为另一车速，以及取消巡航控制等。主要包括主开关、控制开关和退出巡航开关。

2.主开关

主开关(MAIN)是巡航控制系统的主电源开关，多数采用按键方式，每次将其推入，该系统的电源就接通或关闭。如图4-4所示，在主开关接通时如将点火开关关闭，主开关也关闭，即使点火开关再次接通，主开关仍保持关闭。

(1)控制开关

控制开关结构如图4-5所示，当汽车以巡航模式行驶时，手柄式控制开关有5种控制功能:SET(设置)、COAST(减速)、RES(恢复)、ACC(加速)和CANCEL(取消)。当沿箭头方向操作开关时，开关接通；而松开时，则关断。控制开关是一个自动回位型开关。

图4-4　巡航控制系统的主电源开关

图4-5　控制开关

(2)退出巡航控制开关

退出巡航控制开关包括取消开关、驻车制动开关、空挡起动开关、离合器开关和停车开关，巡航开关与ECU连接电路如图4-6所示。当其中任一开关接通时，巡航控制将被自动取消。但当巡航控制取消瞬间的车速不低于40km/h时，此车速存储于巡航控制ECU中，当接通RES开关时，最后存储的车速就会自动恢复。

图4-6　巡航开关与ECU连接电路图

①驻车制动开关。当拉起驻车制动操纵杆时，驻车制动器开关接通，将取消信号传至巡航控制ECU，同时，驻车制动指示灯亮，巡航控制将被自动取消。

②空挡起动开关(A/T车型)。当变速杆设置在自动变速器的P/N挡位时，空挡起动开关即接通，将取消信号传至巡航控制ECU，巡航控制将被自动取消。

③离合器开关(M/T车型)。当踏下变速器的离合器踏板时，离合器踏板开关即接通，将取消信号传至巡航控制ECU，巡航控制自动取消。

④停车灯开关。停车灯开关实际上由两个开关组成，停车灯开关与ECU连接电路如图4-7所示，当踏下制动踏板时，两个开关同时工作。开关1号、2号触点闭合，电流流经停车灯开关，使停车灯亮，同时，蓄电池电压经过开关1、2号触点施加在巡航控制ECU上，使其知道制动器处于工作状态，于是，巡航控制自动取消。另外，开关3、4号触点断开，控制信号不能到达执行器，从而使巡航系统停止工作。(www.xing528.com)

图4-7　停车灯开关与ECU连接电路图

(3)传感器

①车速传感器。车速传感器用于提供一个与汽车实际车速成比例的交变振荡脉冲信号，并将此信号送入巡航控制单元。巡航控制ECU将此信号进行处理，以便控制汽车恒速行驶功能。车速传感器的主要类型有电磁感应式、片簧开关式、光电式和可变磁阻式等。目前应用广泛的是电磁感应式。

电磁感应式车速传感器主要由感应线圈、永磁铁及信号盘组成。如图4-8所示，在变速器输出轴的驱动下，信号盘间歇地在绕有感应线圈的铁心间隙处经过，是通过感应线圈的磁通量发生变化，从而在感应线圈中产生信号电压。车速越高，感应电压的脉冲频率也越高，此信号电压经放大及A/D转换送入ECU，作为实际车速的反馈信号。车速传感器安装在变速器内，与发动机电控系统共用。

②节气门位置传感器。节气门位置传感器提供一个与节气门位置成比例的电信号，将此信号输入给巡航控制ECU，该传感器与发动机系统共用。

(4)巡航控制ECU

图4-8　电磁感应式车速传感器结构示意图

1—感应线圈；2—磁铁；3—信号盘；4—凸齿；5—变速器输出轴

巡航控制ECU是巡航系统的核心，凌志LS400型轿车巡航控制系统电路如图4-9所示，接受来自车速传感器和各种开关的信号，按存储的程序进行处理，当车速偏离设定巡航速度时，巡航控制ECU通过执行器的动作，使实际车速与设定车速相一致。巡航控制系统有模拟式和数字式电子控制器两种，后一种应用广泛。

图4-9　凌志LS400型轿车巡航控制系统电路

(5)执行器

执行器在巡航控制系统中起重要作用，它们按照来自巡航控制ECU的指令调节节气门的开度。目前使用的执行器有两种类型:一种是真空驱动型，利用真空负压操纵节气门；另一种是电机驱动型，采用步进电机操纵节气门。

电机驱动型执行器装于发动机室的右侧，安装高度与节气门体接近，它与节气门阀之间有钢绳连接，其结构如图4-10所示，主要由电动机、限位开关、电磁离合器和电位计组成。电动机和限位开关电路如图4-11所示，节气门完全打开或关闭，如电机继续运转，就会损坏。为了防止这种情况发生，在电动机上安装了两个限位开关。在节气门完全打开或关闭的时间内，这些开关的触点闭合，当节气门收到来自巡航控制ECU的加速信号后，将节气门完全打开，限位开关断路，将电机切断；当节气门全闭时，限位开关断路，将电机切断。

4.2.3　巡航控制系统的工作过程

欲使巡航控制系统工作，首先应该是车在正常行驶过程中。

1.接通主开关(MAIN)

接通开关后，电流流向为:ECU的“CMS”端子、控制开关端子5、MAIN开关、控制开关端子3、搭铁流回电源负极。使ECU处于预备状态，且CRUISEMAIN指示灯点亮。

2.接通控制开关

控制开关具有设置、恢复、取消功能。当开关转置不同挡位时，电流流向为:ECU的CCS端子、控制开关4、控制开关(SET/COAST或RES/ACC或CANCEL)、控制开关3、搭铁流回电源负极。此时，ECU感知控制开关设置的挡位，开始控制操作。

图4-10　电动机式执行器示意图

图4-11　电动机和限位开关电路

3.车速控制过程

控制开关设定车速后，安全电磁离合器电路接通，电流流向为:ECU端子③经L至停车开关③、停车开关4、执行器端子5、安全电磁离合器、执行器端子4搭铁。同时执行器位置传感器电路接通，电流流向为:ECU端子“VR1”、执行端子1、位置传感器、执行器端子3、ECU端子“VR3”，同时位置传感器会将执行器端控制臂位置以一个电压信号经执行器端子2送到ECU端子VR2。

当实际车速下降到低于设置车速时，执行器电动机接通，电流流向为:ECM端子MO、执行器端子6、电动机、执行器端子7、经ECU端子MC流入。此时电动机转动，使控制臂沿节气门打开方向转动，以提高车速，当控制臂转过某一角度后，ECU从端子VR2接收到信号后，切断从端子MO输出的信号。

当实际车速高于设置车速时，电流由ECU端子MC流出，使电动机沿相反方向转动，以降低车速。

4.人工取消巡航功能

①控制开关置于取消挡位(CANCEL)。

②驻车制动开关。驻车制动开关接通，并向ECU端子15发送一个取消信号。

③空挡起动开关。当换挡杆位于“N”或“P”挡时，空挡起动开关打开并向ECU端子14发送一个取消信号。

④制动灯开关。踩下制动踏板，制动灯开关闭合，安全电磁离合器被释放，经制动灯开关向ECU端子14发送一个取消信号。

当ECU检测到上述任何一信号时，变切断向执行器发出的信号，取下巡航控制功能。