汽车巡航控制系统的结构原理

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巡航控制系统采用的车速传感器、节气门位置传感器、制动灯开关、驻车制动开关、点火开关、空挡安全开关（自动变速器汽车）等一般与发动机燃油喷射系统（EFI）和电子控制自动变速系统（ECT）共用。这里主要介绍巡航控制系统的控制开关、CCS ECU和巡航执行机构的有关内容。

1.控制开关

巡航控制系统的控制开关主要有巡航开关、制动灯开关、驻车制动开关、空挡起动开关（自动变速器汽车）或离合器开关（手动变速器汽车）。

1）巡航开关

巡航开关是巡航控制系统的主要控制开关，其功能是将恒速、加速或减速、恢复巡航车速以及取消巡航行驶等指令信号输入CCSECU，以便CCSECU确定是否进行恒速控制。

巡航开关是一个类似挡风玻璃刮水与洗涤开关的组合手柄开关，一般由“MAIN”（主开关）、“SET／COAST”（设置／巡航）、“RES／ACC”（恢复／加速）和“CANCEL”（取消）4个功能开关组成。

巡航开关一般安装在转向盘右下侧偏上位置，并随转向盘一同转动，以便驾驶人操作。驾驶人在转动转向盘的同时，即可用右手手指拨动组合手柄开关进行巡航控制的有关操作。在每项功能开关的旁边，标注有实现相应功能时开关手柄的操纵方向。

各型汽车用巡航开关的工作原理基本相同。但是这些巡航开关的外形结构各不相同，在设定巡航功能时，操纵组合手柄开关的方向也不尽相同。下面以图7－4所示的丰田雷克萨斯400型轿车用巡航开关的外形与内部电路为例进行说明。

图7-4　巡航开关的外形结构与内部电路

（a）外形；（b）内部电路

（1）MAIN（主开关）。“MAIN”为按钮式开关，设在操纵手柄的端部，是巡航控制系统的总开关。当按下操纵手柄端部的“MAIN”按钮时，“MAIN”触点接通，组合仪表盘上的巡航指示灯将发亮指示，此时巡航控制系统处于待命状态，可以进行恒速控制。再次按下“MAIN”按钮时，按钮将弹起，“MAIN”触点断开，巡航指示灯将熄灭，指示巡航控制系统处于关闭状态，不能进行恒速控制。由图7－4（b）所示电路可见，当“MAIN”触点接通时，CCSECU的巡航主开关端子CMS（CCSECU线束插座上的第4号端子）通过主开关触点搭铁，CCSECU得到一个低电平（0）信号。此时，CCSECU便控制巡航执行机构处于待命状态。与此同时，CCSECU还要控制巡航指示灯电路接通，使巡航指示灯发亮来指示系统所处状态。如果按下“MAIN”按钮时巡航指示灯不亮，则说明巡航控制系统有故障。

（2）SET／COAST（设置／巡航）。“SET／COAST”开关即巡航速度设置开关，将巡航开关操纵手柄向下拨动并保持在向下位置时，“SET／COAST”开关即可接通。当“SET／COAST”开关处于接通位置时，只要按住操纵手柄不动，汽车就会不断加速。当车速达到驾驶人想要巡航行驶的车速（注：车速应在40 km／h以上，低于40 km／h不能进行巡航行驶）时松开操纵手柄，操纵手柄将自动复位，此时巡航控制系统就会使汽车以松开操纵手柄时的车速保持恒速行驶。

（3）RES／ACC（恢复／加速）。“RES／ACC”开关即恢复（resume）巡航速度开关。向上拨动操纵手柄时，“RES／ACC”开关即可接通。在汽车以设定的巡航速度行驶的过程中，当驾驶人踩下加速踏板超车或踩下制动踏板制动，或将自动变速器的变速杆拨至前进挡“D”以外的位置导致车速降低时，若要恢复至原来设定的巡航车速，则只需将巡航开关操纵手柄向上抬起并保持在该位置使“RES／ACC”开关保持接通，汽车即可迅速加速并恢复至原来设定的巡航车速行驶。但是需注意：如果行驶车速已经低于40 km／h，则巡航车速不能恢复。

（4）CANCEL（取消）。“CANCEL”开关即取消巡航控制的操纵开关。将巡航开关操纵手柄向驾驶人方向拨动时，即可接通“CANCEL”开关来解除巡航控制。由图7－4（b）所示电路可见，“SET／COAST”“RES／ACC”和“CANCEL”3个开关的信号均从同一个端子（端子CCS或端子18）输入CCSECU。3个开关中的任意一个接通时，都是接通搭铁回路。但是，由于各开关之间连接有不同阻值的电阻，当接口电路以恒流源供给恒定电流时，不同开关接通时输入CCSECU的信号电压并不相同，CCSECU根据信号电压的高低即可判定是哪一个开关接通。

2）制动灯开关

制动灯开关接通信号为解除巡航控制信号之一。制动灯开关的功能是，在驾驶人踩下制动踏板接通制动灯电路使制动灯发亮的同时，向CCS ECU输入一个表示制动的信号，CCS ECU接收到该信号后将立即解除巡航控制，以便制动器制动而将车速降低。

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在装备巡航控制系统的汽车上，制动灯开关是一个双闸开关，即制动灯开关是在原有常开触点的两端并联一个常闭触点而构成的。常开触点连接在CCS ECU与制动灯之间的电路中，常闭触点连接在CCSECU与巡航执行机构（电磁离合器线圈或电磁阀线圈）之间的电路中。

当驾驶人踩下制动踏板时，双闸开关的常开触点闭合，从而接通制动灯电路，同时向CCSECU输入一个表示制动的信号，CCSECU立即关闭巡航控制程序并控制仪表盘上的巡航指示灯发亮，指示巡航控制状态解除。与此同时，双闸开关的常闭触点断开，切断巡航执行机构电路，使巡航执行机构动力传递路线切断。将双闸开关的常闭触点与控制节气门开度的巡航执行机构（电磁离合器线圈或电磁阀线圈）电路串联连接的目的是保证行车安全。这样连接可以保证当驾驶人踩下制动踏板时，双闸开关的常闭触点断开，能将巡航执行机构的电源可靠地切断，从而使节气门处于完全关闭状态。

3）驻车制动开关

驻车制动开关接通信号为解除巡航控制信号之一。在汽车行驶过程中，当制动系统（防抱死制动系统或常规制动系统）发生故障时，需要通过操作驻车制动器来降低车速。因此，驻车制动开关接通信号必须作为解除巡航控制的信号之一。驻车制动开关又称为手制动或手制动开关，其功能是向CCSECU输送一个电信号，以便CCSECU解除巡航控制。

当拉紧驻车制动器时，驻车制动开关触点闭合，在接通制动警告灯电路的同时，驻车制动开关还向CCSECU输送一个表示驻车制动器处于制动状态的信号（一般为低电平信号），CCSECU接收到该信号后将解除巡航控制。

4）空挡起动开关

空挡起动开关接通信号为解除巡航控制信号之一。在装备自动变速器的汽车上配装有空挡起动开关（又称为空挡安全开关），其安装在自动变速器的一侧，由变速杆通过杠杆机构操纵。当变速杆置于空挡“N”时，空挡起动开关触点闭合，如果此时点火起动开关接通起动（START）挡位，则空挡起动开关将向发动机ECU输入一个低电平信号。

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在汽车巡航行驶过程中接通空挡“N”时，说明驾驶人要减速停车。因此，在装备巡航控制系统的汽车上，空挡起动开关还有一个功能，就是向CCS ECU输入一个低电平信号，以便CCSECU解除巡航控制。

5）离合器开关

离合器开关接通信号为解除巡航控制信号之一。在装备手动变速器而不是自动变速器的汽车上，当驾驶人踩下离合器踏板换挡时，车速就会降低，巡航控制系统就会发出指令，使发动机转速升高，因此可能导致发动机超速运转而损坏。为了确保安全，在离合器踏板下面设置有一个离合器开关，开关触点在驾驶人踩下离合器踏板时就会闭合。

离合器开关的功能是，当汽车处于巡航行驶状态时，如果驾驶人踩下离合器踏板（以便变换变速器挡位等），离合器开关触点就会闭合，并向CCS ECU输入一个低电平信号，CCSECU立即解除巡航控制，以便于驾驶人变换变速器挡位。

2.巡航控制电控单元

巡航控制电控单元（CCS ECU）又称为巡航电子控制器，其功能是接收车速传感器、巡航开关、制动灯开关、驻车制动开关、空挡开关或离合器开关、发动机ECU和ECT ECU的信号，经过信号处理与数学计算（比例－积分运算）等，向巡航执行机构发出控制指令，驱动巡航执行机构动作，实现恒速控制或解除巡航控制。数字式CCS ECU电路如图7－5所示。(www.xing528.com)

图7-5　数字式CCS ECU电路

CCSECU根据驾驶人操作“SET／COAST”开关输入的设定车速信号、车速传感器输入的实际车速信号、各种开关输入信号以及发动机ECU和ECT ECU输入的信号，按照只读存储器（Read－On1y Memory，ROM）中预先编制的程序进行计算处理之后，向巡航执行机构驱动电路发出指令，驱动执行器（步进电动机或直流电动机、电磁阀等）动作，执行器通过节气门联动机构和节气门拉索等改变节气门开度，使实际车速达到设定的巡航车速。

【特别提示】

汽车CCSECU普遍采用大规模或超大规模专用集成电路与单片机组合而成。当汽车上已经装备发动机电子控制系统或自动变速控制系统时，许多传感器（如节气门位置传感器、车速传感器）和控制开关（如制动灯开关、空挡起动开关等）的信号可以共享，只需编制控制程序来调用该信号即可，从而大大降低系统的硬件成本。

3.巡航执行机构

汽车巡航控制系统的巡航执行机构又称为速度伺服装置，其功能是根据CCS ECU的控制指令，通过操纵节气门拉索或供油拉杆（柴油发动机）来改变发动机节气门开度或供油拉杆位置（柴油发动机），使汽车加速、减速或保持恒速行驶。

根据结构形式不同，巡航执行机构可分为电动式巡航执行机构和气动式巡航执行机构两种。电动式巡航执行机构采用永磁式或步进式直流电动机驱动，气动式巡航执行机构采用真空装置驱动。

1）电动式巡航执行机构

电动式巡航执行机构主要由驱动电动机、电磁离合器、减速机构和电位计等组成。电动式巡航执行机构的结构如图7－6所示。

图7-6　电动式巡航执行机构的结构

（1）驱动电动机。驱动电动机是电动式巡航执行机构的动力源，既可采用永磁式直流电动机，也可采用步进式直流电动机。

驱动电动机转动时通过减速机构和电磁离合器带动控制臂转动，控制臂又通过专用节气门拉索（钢索）拉动节气门摇臂转动。改变流过电动机电枢绕组电流的大小，就可以改变电枢轴转动角度的大小，从而调节节气门摇臂转动角度的大小。为了限定控制臂转动角度，防止发动机发生飞车事故，在电动机电路中安装有限位开关。

当电动式巡航执行机构采用步进式直流电动机作为动力源时，由于步进式直流电动机能将CCSECU发出的数字信号指令转变为一定角度的位移量，CCSECU每发出一个控制脉冲，步进式直流电动机就可带动节气门摇臂转过一个微小角度（步进角，其大小可以根据需要在设计电动机时进行选择）。因此，步进式直流电动机能够保证平稳准确地调节节气门开度。节气门摇臂转过的角度与步进式直流电动机转过的角度成正比，步进式直流电动机转过的角度与CCSECU发出的控制脉冲频率成正比。节气门摇臂的转动方向由步进式直流电动机的步进方向决定，步进方向由CCSECU控制脉冲的相序决定。

（2）电磁离合器。电磁离合器安装在驱动电动机与控制臂之间。在巡航行驶过程中，当驾驶人踩下制动踏板，或实际车速超过设定巡航车速一定值（一般为15 km／h左右），或车速传感器发生故障时，CCS ECU将立即发出控制指令使电磁离合器分离，以防止发生事故，故电磁离合器又称为安全电磁离合器。由于只有在电磁离合器接合的情况下驱动电动机转动才能改变节气门开度而进入巡航控制状态，因此，当未进入巡航控制状态时，将电磁离合器线圈电路设计为接通状态，使电磁离合器初始状态为接合状态。如此设计的目的是，提高电动式巡航执行机构的响应速度，防止车速突然变化而发生“游车（车速时快时慢）”现象。

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如果将电磁离合器的初始状态设计为分离状态，则由于电磁离合器接合的机械惯性动作滞后于CCSECU驱动电动机的电驱动动作，待电磁离合器接合时，驱动电动机将突然拉动节气门摇臂转动一个较大的角度，使车速突然升高甚至超过设定巡航车速；当超过设定巡航车速时，CCSECU又会发出指令使车速降低，这就会导致“游车”现象。将电磁离合器的初始状态设计为接合状态时，节气门摇臂将随驱动电动机的转动而转动，不仅能够保证电动式巡航执行机构迅速响应，而且能够防止发生“游车”现象，从而提高巡航行驶稳定性和乘坐舒适性。

（3）减速机构。一般采用齿轮减速机构，利用齿轮传动，实现减速增扭。

（4）电位计。在电动式巡航执行机构中，一般设装有一只由滑片电阻器构成的电位计（转角或位移传感器），其功能是检测电动式巡航执行机构中控制臂转动的角度或拉索的位移量，并将信号输入CCSECU。该信号主要用于CCSECU诊断电动式巡航执行机构是否发生故障。当CCSECU向电动式巡航执行机构发出控制指令后，如果电位计信号没有变化或超过设计值，则CCSECU将判定电动式巡航执行机构有故障。

2）气动式巡航执行机构

气动式巡航执行机构主要由3只电磁阀（真空电磁阀、通风电磁阀和安全电磁阀）、膜片、复位弹簧和密封壳体等组成，其结构如图7－7所示。

图7-7　气动式巡航执行机构的结构

3只电磁阀的初始状态如图7－7所示，真空电磁阀为常闭电磁阀，阀门用橡皮管与发动机进气歧管连接；通风电磁阀和安全电磁阀均为常开电磁阀，其阀门与大气相通。3只电磁阀电磁线圈的一端均与制动灯开关常闭触点连接，真空电磁阀电磁线圈和通风电磁阀电磁线圈的另一端分别与CCSECU的控制端连接；安全电磁阀电磁线圈的另一端直接搭铁。

膜片将壳体内空间分隔为两个腔室，左腔室与大气相通，右腔室与3只电磁阀阀门相通。膜片上连接有一根拉索（传动缆索），拉索与控制臂和节气门摇臂连接。

气动式巡航执行机构的工作原理：利用发动机进气歧管的真空吸力吸引膜片，膜片再通过拉索拉动节气门摇臂，使节气门开度改变来调节车速。

（1）升高车速。当点火开关和“MAIN”开关接通时，3只电磁阀电磁线圈电路便通过制动灯开关常闭触点接通电源。因为安全电磁阀电磁线圈一端直接搭铁，所以安全电磁阀电磁线圈电流接通，产生电磁吸力克服其复位弹簧弹力而将阀门吸闭，使巡航控制系统处于待命状态。

当CCSECU根据车速传感器和巡航开关等信号判定需要提高车速时，CCS ECU将向驱动电路发出接通通风电磁阀电磁线圈电路和真空电磁阀电磁线圈电路的指令，通风电磁阀电磁线圈电流产生的电磁吸力克服其复位弹簧弹力将通风电磁阀阀门吸闭，从而切断右腔室与大气的通路；真空电磁阀电磁线圈电流产生的电磁吸力克服其复位弹簧弹力将真空电磁阀阀门吸开，使右腔室与进气歧管之间的气路接通。由于此时通风电磁阀阀门和安全电磁阀阀门均处于关闭状态，其右腔室与大气隔绝，因此，真空电磁阀阀门打开将使右腔室形成真空状态，膜片在进气歧管真空吸力的作用下，通过控制臂和拉索带动节气门摇臂转动而使节气门开度增大，汽车将加速行驶。

（2）保持车速。当CCSECU根据车速传感器信号判定汽车实际行驶速度与设定巡航车速一致时，为了保持该车速行驶，CCS ECU将向驱动电路发出接通通风电磁阀电磁线圈电流和切断真空电磁阀电磁线圈电流的指令，使通风电磁阀和真空电磁阀阀门关闭。由于此时3只电磁阀阀门均关闭，膜片右腔室的真空度保持不变，节气门摇臂保持在通风电磁阀和真空电磁阀阀门关闭时的位置，从而使车速保持在设定巡航车速并恒速行驶。

（3）降低车速。当CCSECU根据车速传感器信号判定汽车实际行驶速度高于设定巡航车速时，CCSECU将向驱动电路发出切断通风电磁阀电磁线圈电流（使阀门保持常开）和接通真空电磁阀电磁线圈电流（使阀门打开）的指令。通风电磁阀阀门打开时，部分大气进入右腔室，膜片在弹簧张力的作用下向左拱曲复位，使节气门摇臂放松，节气门开度减小，车速降低。真空电磁阀阀门打开时，进气歧管的真空吸力继续作用在膜片上，膜片向左拱曲的位移量取决于弹簧张力与真空吸力的平衡位置。

【特别提示】

由此可见，在恒速控制过程中，安全电磁阀阀门始终处于关闭状态。当升高车速时，通风电磁阀阀门处于关闭状态，真空电磁阀阀门处于打开状态；当保持车速时，通风电磁阀阀门和真空电磁阀阀门均处于关闭状态；当降低车速时，通风电磁阀阀门和真空电磁阀阀门均处于打开状态。

当踩下制动踏板时，制动灯开关的常开触点闭合，常闭触点断开。常开触点闭合将接通制动灯电路，使制动灯发亮；常闭触点断开将3只电磁阀电磁线圈的电源切断，电磁吸力消失，3个阀门复位至初始状态，右腔室无真空吸力作用，节气门拉索处于放松位置。当安全电磁阀电磁线圈电源切断时，其阀门打开并引入大气，从而加速膜片左移复位，防止制动时车速来不及降低而发生危险。