汽车电子巡航控制系统的原理及应用

随着汽车工业的迅速发展，汽车的电子化程度越来越高，性能不断增强。巡航控制系统是一种使驾驶员脚离油门踏板就能保持预先设定车速行驶的系统，其主要目的是减少驾驶疲劳。巡航控制系统在美国应用以来，已经比较普及。在美国，大多数轿车上都装用了巡航控制系统；随着高速公路的发展，巡航控制系统的装车率不断提高。在我国，今后也会
有更多的车辆应用巡航控制系统，系统的性能也会不断地提高。
1、巡航控制系统的功能及优点
汽车巡航控制系统(crusie control system)亦称为恒速行驶系统。它是利用先进的电子技术对汽车的行驶速度进行自动调节，从而实现以事先预定的速度行驶的一种电子控制装置。
汽车巡航控制系统的作用是：可以按照驾驶员所设定的速度，不用踩油门就可以自动地保持车速，使车辆以设定的速度行驶。采用这种装置后，当在高速公路上长时间行车时，驾驶员只要把住方向盘就可以了，不用频繁地踩油门踏板，减轻了疲劳，提高了汽车行驶时的舒适性，同时减少了不必要的车速变化，改善了汽车的燃油经济性和发动机的排放。
2、巡航控制系统的基本工作原理
巡航控制系统通过车速传感器将车速信号输入发动机，对微机进行控制，由微机控制真空系统工作。该系统需要使用伺服器、车速控制开关和制动踏板上的真空解除开关等。
系统中的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，使车速保持恒定。这样既减少了不必要的车速变化、节省了燃料，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。 ．

图1 电子巡航控制系统框图
控制器有两个输人信号，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，采用比例积分(PI)控制的电子控制装置。油门控制信号实际上由两部分叠加而成。线性放大部件提供一个与误差信号e成正比的控制信号，积分放大器则设置一条斜率可调整的输出控制线，用来将这一段时间的车速误差降为0。实际上并不能真正降低到0，而是保持在一定的误差范围内，因为当车速误差为0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。
如图2所示，曲线A为汽车在平坦路面上行驶时的车速V与节气门开度θ的关系曲线，该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θ先被定为θ0。同时，计算机还拟定了控制线。

图2 车速自动控制线图
当汽车在平坦路面上以速度V0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曲线B。
此时，若没有车速自动控制装置进行节气门开度调节，车速会降到V1。但由于装有速度自动控制装置，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，节气门开度便从θ0变为θ1，使车速稳定在X点，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曲线C。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θ1变为θ2，车速在Y点取得平衡。由此可见，即使行驶阻力发生变化，车速也只能在X-Y，范围内变化，使车速基本保持稳定。
从图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，造成游车现象，这是我们不希望的。所以应综合考虑控制误差和游车问题，选择一个合适的控制线斜率。
3、电子巡航控制系统的设计与实现
3．1 系统结构
设计的电子巡航控制系统的电路方框图如图3所示。巡航控制系统由指令开关、车速传感器、电子控制器和执行装置4部分组成。在汽车行驶时，车速传感器把车速转换成脉冲信号，再通过D／A转换电路转换成与车速成正比的直流电压。驾驶员按下拟定开关，自我维持电路便进入工作状态，采样及保持电路便拟定了与该瞬间的车速相对应的节气门开度的基准电压，确定节气门的*开度值。然后，比较放大电路将基准电压与由车速脉冲信号转换的电压进行比较，使增速控制电路或减速控制电路进入工作。接着，通过控制中继器带动执行装置，调节节气门开度，使其达到*值。执行机构为电动马达式，根据电子控制器的指令调节节气门开度。

图3 汽车巡航控制系统方框图
3．2 安全装置
当汽车制动或变速器处于空当位置时，节气门必须回到全闭状态。当车速自动控制装置出现故障、而节气门却处于全开状态时，汽车将失去控制而造成高速奔驰，这是非常危险的。为此，该系统设有安全装置和速度限制电路。
安全装置是一个磁性离合器，装在执行装置的zui后部分，同时，在操作部分装有离合器开关、制动开关、空挡开关和手刹车开关。当踩下离合器或制动器踏板或变速杆处于空挡，或手刹车起作用时，它们的开关就会发出信号给执行装置，执行装置接到信号后便启动安全磁性离合器电路，使安全磁性离合器分离，把车速自动控制装置与节气门分隔开来，起到安全保护的作用，此时节气门开度由驾驶员控制。
限速电路由高速限制电路和低速限制电路组成。高速限制电路的作用是在由于某些故障使车速超过100 km／h时起作用，以防止车速失控飞驰。低速限制电路是在车速低于49 km／h时起作用，防止车速过低。车速在40 km／h以下时，车速自动控制装置不起作用，车速由驾驶员控制。如果没有低速控制电路，在道路付款处临时停车时，当按下自动复位开关、驾驶员专心付款时如无意松开制动踏板，会引起汽车自动行驶的情况。
一旦传感器产生故障或其线路发生断路，由于没有车速信号，低速限制电路视车速为0，使车速自动控制装置停止工作。此外，若执行装置的电位计产生故障或反馈电路短路，由于没有反馈节气门开度电压，不能再沿着控制线调节节气门的开度，车速就会急速降低。为了防止这种现象的产生，还设有车速幅度的限制电路，即使在zui坏的情况下，可以把车速的控制误差限制在±15 km／h以内。