汽車電子巡航控制系統的原理及應用

隨著汽車工業的迅速發展，汽車的電子化程度越來越高，性能不斷增強。巡航控制系統是一種使駕駛員腳離油門踏板就能保持預先設定車速行駛的系統，其主要目的是減少駕駛疲勞。巡航控制系統在美國應用以來，已經比較普及。在美國，大多數轎車上都裝用了巡航控制系統；隨著高速公路的發展，巡航控制系統的裝車率不斷提高。在我國，今后也會
有更多的車輛應用巡航控制系統，系統的性能也會不斷地提高。
1、巡航控制系統的功能及優點
汽車巡航控制系統(crusie control system)亦稱為恒速行駛系統。它是利用先進的電子技術對汽車的行駛速度進行自動調節，從而實現以事先預定的速度行駛的一種電子控制裝置。
汽車巡航控制系統的作用是：可以按照駕駛員所設定的速度，不用踩油門就可以自動地保持車速，使車輛以設定的速度行駛。采用這種裝置后，當在高速公路上長時間行車時，駕駛員只要把住方向盤就可以了，不用頻繁地踩油門踏板，減輕了疲勞，提高了汽車行駛時的舒適性，同時減少了不必要的車速變化，改善了汽車的燃油經濟性和發動機的排放。
2、巡航控制系統的基本工作原理
巡航控制系統通過車速傳感器將車速信號輸入發動機，對微機進行控制，由微機控制真空系統工作。該系統需要使用伺服器、車速控制開關和制動踏板上的真空解除開關等。
系統中的電子控制裝置可根據行駛阻力的變化，自動調節發動機油門開度，使車速保持恒定。這樣既減少了不必要的車速變化、節省了燃料，也減輕了駕駛員的負擔。
電子巡航控制系統的方框圖如圖1所示。 ．

圖1 電子巡航控制系統框圖
控制器有兩個輸人信號，一個是駕駛員按要求設定的指令速度信號，另一個是實際車速的反饋信號。
電子控制器檢測這兩個輸入信號之間的誤差后，產生一個送至油門執行器的油門控制信號。油門執行器根據所接收的控制信號調節發動機油門開度，以修正電子控制器所檢測到的誤差，從而使車速保持恒定。實際車速由車速傳感器測得并轉換成與車速成正比的電信號，反饋至電子控制器。作為巡航控制系統核心部件的控制器，采用比例積分(PI)控制的電子控制裝置。油門控制信號實際上由兩部分疊加而成。線性放大部件提供一個與誤差信號e成正比的控制信號，積分放大器則設置一條斜率可調整的輸出控制線，用來將這一段時間的車速誤差降為0。實際上并不能真正降低到0，而是保持在一定的誤差范圍內，因為當車速誤差為0時，行駛阻力的微小變化都將引起油門開度的變化，容易產生游車。
如圖2所示，曲線A為汽車在平坦路面上行駛時的車速V與節氣門開度θ的關系曲線，該曲線存儲在計算機中。因此，當車速達到V0時，按下擬定開關，節氣門開度θ先被定為θ0。同時，計算機還擬定了控制線。

圖2 車速自動控制線圖
當汽車在平坦路面上以速度V0行駛時，按下擬定開關，便進入自動行駛狀態。當遇到爬坡時，行車阻力增加，因此，車速與節氣門開度的關系就變成曲線B。
此時，若沒有車速自動控制裝置進行節氣門開度調節，車速會降到V1。但由于裝有速度自動控制裝置，當汽車阻力增加、車速下降時，傳感器就把該信號反饋給計算機，經過處理后發出指令，沿著控制線調節節氣門，節氣門開度便從θ0變為θ1，使車速穩定在X點，重新取得平衡，汽車便以這一速度行駛。若汽車遇到下坡時，行駛阻力減小，車速與節氣門開度的關系就變成曲線C。此時，車速自動控制裝置也沿著控制線調節節氣門開度，使節氣門開度從θ1變為θ2，車速在Y點取得平衡。由此可見，即使行駛阻力發生變化，車速也只能在X-Y，范圍內變化，使車速基本保持穩定。
從圖2可以看出，計算機中擬定的控制線的斜率越小，車速的波動量(控制誤差)也就越小，若控制線呈垂直狀態時，車速的波動減小到0。這樣，行駛阻力有微小的變化都會引起節氣門開度的變化，因此由于反應過度靈敏，造成游車現象，這是我們不希望的。所以應綜合考慮控制誤差和游車問題，選擇一個合適的控制線斜率。
3、電子巡航控制系統的設計與實現
3．1 系統結構
設計的電子巡航控制系統的電路方框圖如圖3所示。巡航控制系統由指令開關、車速傳感器、電子控制器和執行裝置4部分組成。在汽車行駛時，車速傳感器把車速轉換成脈沖信號，再通過D／A轉換電路轉換成與車速成正比的直流電壓。駕駛員按下擬定開關，自我維持電路便進入工作狀態，采樣及保持電路便擬定了與該瞬間的車速相對應的節氣門開度的基準電壓，確定節氣門的*開度值。然后，比較放大電路將基準電壓與由車速脈沖信號轉換的電壓進行比較，使增速控制電路或減速控制電路進入工作。接著，通過控制中繼器帶動執行裝置，調節節氣門開度，使其達到*值。執行機構為電動馬達式，根據電子控制器的指令調節節氣門開度。

圖3 汽車巡航控制系統方框圖
3．2 安全裝置
當汽車制動或變速器處于空當位置時，節氣門必須回到全閉狀態。當車速自動控制裝置出現故障、而節氣門卻處于全開狀態時，汽車將失去控制而造成高速奔馳，這是非常危險的。為此，該系統設有安全裝置和速度限制電路。
安全裝置是一個磁性離合器，裝在執行裝置的zui后部分，同時，在操作部分裝有離合器開關、制動開關、空擋開關和手剎車開關。當踩下離合器或制動器踏板或變速桿處于空擋，或手剎車起作用時，它們的開關就會發出信號給執行裝置，執行裝置接到信號后便啟動安全磁性離合器電路，使安全磁性離合器分離，把車速自動控制裝置與節氣門分隔開來，起到安全保護的作用，此時節氣門開度由駕駛員控制。
限速電路由高速限制電路和低速限制電路組成。高速限制電路的作用是在由于某些故障使車速超過100 km／h時起作用，以防止車速失控飛馳。低速限制電路是在車速低于49 km／h時起作用，防止車速過低。車速在40 km／h以下時，車速自動控制裝置不起作用，車速由駕駛員控制。如果沒有低速控制電路，在道路付款處臨時停車時，當按下自動復位開關、駕駛員專心付款時如無意松開制動踏板，會引起汽車自動行駛的情況。
一旦傳感器產生故障或其線路發生斷路，由于沒有車速信號，低速限制電路視車速為0，使車速自動控制裝置停止工作。此外，若執行裝置的電位計產生故障或反饋電路短路，由于沒有反饋節氣門開度電壓，不能再沿著控制線調節節氣門的開度，車速就會急速降低。為了防止這種現象的產生，還設有車速幅度的限制電路，即使在zui壞的情況下，可以把車速的控制誤差限制在±15 km／h以內。