一、巡航控制系統(tǒng)基本工作原理
汽車巡航控制系統(tǒng)是最早開發(fā)的汽車電子控制系統(tǒng)之一。這種系統(tǒng)使用另外的車速傳感器，將車速信號(hào)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)控制微機(jī)，由微機(jī)控制真空系統(tǒng)工作。這種系統(tǒng)也要使用伺服器、車速控制開關(guān)桿和制動(dòng)踏板上的真空解除開關(guān)等，其功能和基本系統(tǒng)相同。
在這個(gè)系統(tǒng)中，電子控制裝置可根據(jù)行駛阻力的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，使行駛車速保持恒定。這樣既減少了不必要的車速變化，從而節(jié)省了燃料，同時(shí)也減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)。
電子巡航控制系統(tǒng)的方框圖如圖 1所示。
控制器有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是駕駛員按要求設(shè)定的指令速度信號(hào)，另一個(gè)是實(shí)際車速的反饋信號(hào)。電子控制器檢測這兩個(gè)輸入信號(hào)之間的誤差后，產(chǎn)生一個(gè)送至油門執(zhí)行器的油門控制信號(hào)。油門執(zhí)行器根據(jù)所接收的控制信號(hào)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度以修正電子控制器所檢測到的誤差，從而使車速保持恒定。實(shí)際車速由車速傳感器測得并轉(zhuǎn)換成與車速成正比的電信號(hào)反饋至電子控制器。作為巡航控制系統(tǒng)核心部件的控制器采用一種叫做比例積分控制（簡稱PI控制）的電子控制裝置。油門控制信號(hào)實(shí)際上由兩部分迭加而成。線性放大部件KP提供一個(gè)與誤差信號(hào)e成正比的控制信號(hào)，而積分放大器K1則設(shè)置一條斜率可調(diào)整的輸出控制線，用來將這一段時(shí)間內(nèi)的車速誤差降為零。實(shí)際上并不能真正降低到零，而是保持在一定的誤差范圍內(nèi)，因?yàn)楫?dāng)車速誤差為零時(shí)，行駛阻力的微小變化都將引起油門開度的變化，容易產(chǎn)生游車。 TOP
二、電子式巡航控制系統(tǒng)
電子巡航控制系統(tǒng)主要是由指令開關(guān)、傳感器、電子控制器和油門執(zhí)行器四部分組成。各種開關(guān)與計(jì)算機(jī)被配置在車室內(nèi)；執(zhí)行元件、真空泵則配置在發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)，執(zhí)行元件的控制線纜與加速踏板相聯(lián)接。
1、指令開關(guān)，包括主控開關(guān)、離合器開關(guān)、變速器空擋啟動(dòng)開關(guān)、剎車開關(guān)（包括手剎）和電源開關(guān)（點(diǎn)火開關(guān)）等。
�、僦骺亻_關(guān)，它的作用是：控制巡航系統(tǒng)的啟動(dòng)、關(guān)閉、控制調(diào)節(jié)巡航工作狀態(tài)。圖 3是凌志（LEXUS）巡航控制的主控開關(guān)的操作手柄的外形圖。操作手柄安裝在轉(zhuǎn)向盤的下方，操縱手柄朝下扳動(dòng)是巡航速度的設(shè)定開關(guān)（SET/COAST）向上推則是巡航速度取消開關(guān)（CANCEL）朝轉(zhuǎn)向盤方向扳起是恢復(fù)/加速開關(guān)（RES/ACC）。
�、陔x合器開關(guān)（僅對(duì)安裝手動(dòng)變速器車輛），它的作用是：當(dāng)汽車在巡航狀態(tài)下行駛，出現(xiàn)駕駛員干預(yù)，如變換變速器擋位、制動(dòng)等情況，駕駛員踩踏離合器踏板，離合器開關(guān)既由斷開變?yōu)殚]合，離合器開關(guān)的閉合，使電控單元立即自動(dòng)關(guān)閉巡航工作狀態(tài)。離合器開關(guān)裝在駕駛室離合器踏板的上部，靠駕駛員踩踏離合器踏板的機(jī)械動(dòng)作，使其閉合。
�、圩兯倨骺論鯁�(dòng)開關(guān)（僅對(duì)安裝自動(dòng)變速器車輛），它的作用與離合器開關(guān)類似。空擋啟動(dòng)開關(guān)的安裝位置緊靠變速器操縱桿，并與變速器操縱桿聯(lián)動(dòng)，當(dāng)變速器操縱桿置于空擋時(shí)，空擋啟動(dòng)開關(guān)由斷開變成閉合。
�、軇x車燈開關(guān)，它的作用是，當(dāng)駕駛員踩踏制動(dòng)踏板時(shí)，在制動(dòng)（接通）燈亮的同時(shí)，將控制節(jié)氣門動(dòng)作搖臂的電磁離合器斷開，迅速退出巡航控制的工作狀態(tài)。在剎車燈開關(guān)中原來常開觸點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了與之聯(lián)動(dòng)的常閉觸點(diǎn)，當(dāng)駕駛員踩踏制動(dòng)踏板、制動(dòng)燈亮的同時(shí)，常閉觸點(diǎn)斷開，電磁離合器斷電，節(jié)氣門不再受巡航系統(tǒng)控制。
�、菔謩x車制動(dòng)開關(guān)，它的作用與離合器開關(guān)（變速器空當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)）類似。安裝位置緊靠手剎操縱桿并與手剎操縱桿聯(lián)動(dòng)，當(dāng)拉手制動(dòng)時(shí)，此開關(guān)由斷開變?yōu)殚]合。
�、撄c(diǎn)火開關(guān)，它的主要作用是通斷取自蓄電池和發(fā)電機(jī)的巡航控制的工作電源。TOP
2、傳感器，主要有車速傳感器、節(jié)氣門傳感器和節(jié)氣門控制搖臂位置傳感器等。
①車速傳感器通常和車速里程表驅(qū)動(dòng)裝置相連。如果車速表是電子式的，車速表傳感器給出的信號(hào)可直接用作巡航控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，因而不必為巡航控制系統(tǒng)另外設(shè)置傳感器。專用于巡航控制系統(tǒng)的車速傳感器一般安裝在汽車變速器輸出軸上，因?yàn)閷?shí)際車速與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速成正比。車速傳感器有光電式、霍爾感應(yīng)式、磁阻式等多種結(jié)構(gòu)形式。最簡單且最常用的是磁阻式，其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。
帶凸齒的鋼制圓盤安裝在變速器輸出軸上并隨輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸齒位于磁鐵兩極之間時(shí)，由于鋼的導(dǎo)磁性能遠(yuǎn)高于空氣隙，磁回路磁阻突然減小，從而在傳感線圈中產(chǎn)生一高的脈沖電壓信號(hào)。我們注意到變速器輸出軸每轉(zhuǎn)一周，四個(gè)凸齒各通過傳感線圈一次。因此信號(hào)處理電路計(jì)數(shù)一分鐘內(nèi)傳感線圈中的電壓脈沖數(shù)并除以4就可得到r/min表示的變速器輸出軸轉(zhuǎn)速。
設(shè)計(jì)或選擇車速傳感器時(shí)有一點(diǎn)非常重要，即傳感器的頻率響應(yīng)應(yīng)大大高于整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，以免傳感器對(duì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)產(chǎn)生很大影響。
�、诠�(jié)氣門傳感器，它的作用是：對(duì)電控單元提供一個(gè)與節(jié)氣門位置成比例變化的電信號(hào)。節(jié)氣門傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)電控的傳感器共用。
�、酃�(jié)氣門控制搖臂傳感器，這是巡航控制系統(tǒng)專用的傳感器。它的作用是對(duì)電控單元提供節(jié)氣門控制搖臂位置的電信號(hào)，目前應(yīng)用較多的是滑線電位計(jì)式。當(dāng)節(jié)氣門控制搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位計(jì)與之轉(zhuǎn)動(dòng)，便輸出一個(gè)與控制搖臂位置成比例變化的、連續(xù)變化的電信號(hào)。
3、執(zhí)行器，其作用是，將電控單元輸出的電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制節(jié)氣門的開度，最終達(dá)到控制車速的目的。執(zhí)行器有電動(dòng)和氣動(dòng)操縱兩種形式。
①氣動(dòng)方式大多采用有進(jìn)氣歧管真空度控制的氣動(dòng)活塞式結(jié)構(gòu)。氣動(dòng)操作的油門執(zhí)行器的組成如圖 4所示。TOP
執(zhí)行器活塞連桿與油門拉桿相連，而活塞連桿對(duì)油門拉桿無力作用時(shí)，彈簧力使油門關(guān)閉。當(dāng)執(zhí)行器輸入信號(hào)Ve給電磁線圈通電時(shí)，壓力控制閥芯克服閥彈簧力下移，執(zhí)行器汽缸與進(jìn)氣歧管連通。由于進(jìn)氣歧管內(nèi)為真空，于是執(zhí)行器汽缸壓力迅速下降，執(zhí)行器活塞帶動(dòng)油門拉桿向左運(yùn)動(dòng)從而使油門平順漸進(jìn)地打開�；钊系淖饔昧﹄S汽缸中平均壓力的變化而變化，而汽缸中的平均壓力則通過快速通斷壓力控制閥來控制。執(zhí)行器的輸入信號(hào)Ve是一脈沖電壓信號(hào)，當(dāng)Ve電位為高時(shí)，電磁鐵通電；當(dāng)Ve電位為低時(shí)，電磁鐵斷電。因此汽缸中的平均壓力亦即油門開度與壓力控制閥控制信號(hào)Ve的占空比成正比。
選擇油門執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)使油門執(zhí)行器的頻率響應(yīng)與車速傳感器的頻率響應(yīng)基本一致，以保證整個(gè)巡航控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。
�、陔妱�(dòng)機(jī)式類型，電動(dòng)機(jī)式的節(jié)氣門執(zhí)行器的工作，是利用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)控制搖臂擺動(dòng)，可使節(jié)氣門的開度變化，主要有電磁離合器、直流電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電機(jī)等。直流電動(dòng)機(jī)是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，它的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與電控單元供給它的電壓平均值有關(guān)；它的運(yùn)轉(zhuǎn)或停止，由電控單元輸出的電壓“有”或“無”來決定；它的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，由電控單元輸出的電壓方向決定。步進(jìn)電機(jī)的工作，是對(duì)其通電一次，電機(jī)軸就轉(zhuǎn)過一定的角度。
電磁離合器的作用是，當(dāng)電磁離合器通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的軸與節(jié)氣門控制搖臂結(jié)合在一起，當(dāng)電磁離合器斷電時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸與節(jié)氣門控制搖臂分離，使節(jié)氣門受到電動(dòng)機(jī)賀電次離合器的雙重控制，工作更可靠。TOP
4、電子控制器
電子巡航控制系統(tǒng)的另一個(gè)重要部件就是電子控制器，也稱巡航電腦�？刂破魇钦麄�(gè)控制系統(tǒng)的中樞。在早期的巡航控制系統(tǒng)中，控制器大多采用模擬電子技術(shù)，其原理圖如圖 5所示。
整個(gè)控制器采用了四個(gè)運(yùn)算放大器，每個(gè)放大器都有自己特定的用途。運(yùn)算放大器1用作誤差信號(hào)放大器，它的輸出與指令車速和實(shí)際車速之差成正比。誤差信號(hào)Ve用作運(yùn)算放大器2和3的輸入。運(yùn)算放大器2是一個(gè)放大倍數(shù)為Kp=－R2/R1的線性放大器，由于R1是可變的，因此放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)。運(yùn)算放大器3是一個(gè)積分器，其放大倍數(shù)為KI=1/（R3）C。R3是可變電阻，因而KI也可調(diào)。運(yùn)算放大器3產(chǎn)生一流向電容C的電流，其電流與流經(jīng)R3的電流相等。R3兩端的電壓即為誤差放大器的輸出電壓Ve，根據(jù)歐姆定律，可得R3上的電流為：I=Ve/R3。
若誤差信號(hào)Ve保持不變，則電流I也保持不變。電容C兩端的電壓將以與電流成正比的速率穩(wěn)定變化。積分器輸出電壓根據(jù)VI是大于O還是小于O而上下變化，僅當(dāng)誤差恰好為0時(shí)才保持不變。這就是為什么積分放大器能將系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差降至0的原因。因?yàn)橹灰霈F(xiàn)小的誤差就會(huì)引起VI變化從而予以修正。當(dāng)然，實(shí)際上為了避免游車現(xiàn)象，并不是將車速誤差真正降為0，而是保持在一定的誤差范圍內(nèi)。誤差范圍的大小決定于控制線斜率，亦即KI的大小。線性放大器和積分放大器的輸出通過運(yùn)算放大器4迭加在一起。運(yùn)算放大器4將電壓Vp和VI相加并將運(yùn)算結(jié)果反相。這里反相是必要的，因?yàn)榫�性放大器和積分放大器的輸出相位與其輸入相位是相反的。求和反相后方使控制信號(hào)回到正確的極性。運(yùn)算放大器4產(chǎn)生一模擬電壓輸出Vs。這個(gè)模擬電壓必需先轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)才能驅(qū)動(dòng)油門執(zhí)行器。為此采用了一個(gè)將模擬電壓轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的輸出Vc直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的電磁線圈。TOP
有兩個(gè)開關(guān)S1和S2。指令開關(guān)Sl由駕駛員置位用來選定指令車速，它向采樣及保持電路發(fā)送信號(hào)讓其對(duì)巳選定的指令車速采樣并記憶下來。采樣及保持電路的原理圖如圖 6所示。
V1表示由駕駛員選定的指令車速信號(hào)，V1采樣后向電容C1充電。電容器電荷由一個(gè)具有高輸入阻抗的放大器進(jìn)行檢測。運(yùn)算放大器向誤差信號(hào)放大器輸出一個(gè)與指令車速成正比的電壓V2。開關(guān)S2通過中斷油門執(zhí)行器的控制信號(hào)來斷開巡航控制執(zhí)行器。當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)斷開，控制器斷開或制動(dòng)踏板踩下時(shí)，開關(guān)S2就會(huì)自動(dòng)將系統(tǒng)斷開。當(dāng)駕駛員接通指令速度開關(guān)S1時(shí)，開關(guān)S2就接通。
考慮到安全原因，可在油門執(zhí)行器氣缸上加接一與大氣連通的氣管，該氣路中連接一個(gè)與制動(dòng)踏板機(jī)械聯(lián)動(dòng)的控制閥。這樣當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)不僅斷開了執(zhí)行器控制信號(hào)，同時(shí)控制閥也打開，外部空氣流入油門執(zhí)行器氣缸，從而使油門馬上關(guān)閉。這樣車輛制動(dòng)時(shí)就能確保電子巡航控制系統(tǒng)快速而徹底地?cái)嚅_。
隨著數(shù)字電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路及微機(jī)技術(shù)的推廣，采用數(shù)字技術(shù)代替模擬技術(shù)已成為一種發(fā)展方向。進(jìn)入80年代后，美國、日本的電子巡航控制系統(tǒng)已全部采用數(shù)字技術(shù)控制器。美國摩托羅拉公司一種采用微處理控制器的巡航控制系統(tǒng)的電路方框圖如圖 7所示。
在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，控制原理與模擬電路完全相同。所不同的是所有輸入指令均為以數(shù)字信號(hào)直接存儲(chǔ)和處理。帶可擦只讀存儲(chǔ)器的八位微處理控制器（MCU）根據(jù)指令車速、實(shí)際車速以及其它輸入信號(hào)，按照給定程序完成所有的數(shù)據(jù)處理之后產(chǎn)生一輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)改變油門開度。每種車型最平順的加速度和減速度由設(shè)計(jì)者編程確定。安全上將制動(dòng)開關(guān)與油門執(zhí)行器直接相連，這樣當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在斷開MCU巡航控制程序的同時(shí)，將油門執(zhí)行器的動(dòng)力源斷開，從而確保油門完全關(guān)閉。TOP
與模擬系統(tǒng)相比較，數(shù)字電路的突出優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)中的信號(hào)以數(shù)字量表示。不會(huì)受工作溫度和濕度的影響。因此在特別條件下數(shù)字控制具有更高的穩(wěn)定性。汽車巡航控制器可以采用先進(jìn)的大規(guī)模集成電路技術(shù)做成專用集成塊，也可在微機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。特別是汽車上當(dāng)別的系統(tǒng)已有控制用微機(jī)時(shí)，只需修改一下程序就可將此功能附加上去，因而可節(jié)省昂貴的控制硬件。
在汽車巡航控制系統(tǒng)中有速度信號(hào)反饋至電阻控制器與指令車速進(jìn)行比較，因此系統(tǒng)工作在閉環(huán)控制方式。一般來說，這樣一個(gè)系統(tǒng)有如下特性要求：
①快速響應(yīng)能力；
②好的系統(tǒng)穩(wěn)定性；
�、坌〉姆�(wěn)態(tài)誤差。
實(shí)踐證明，只要控制器的放大倍數(shù)Kp和KI選擇合適就可以使系統(tǒng)具有快速響應(yīng)和高精度且無不穩(wěn)定和震蕩現(xiàn)象，因此電子巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是確定合適的控制器放大倍數(shù)。
