汽車(chē)電子巡航控制系統的原理及應用

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車(chē)的電子化程度越來(lái)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(mén)踏板就能保持預先設定車(chē)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(lái)，已經(jīng)比較普及。在美國，大多數轎車(chē)上都裝用了巡航控制系統；隨著(zhù)高速公路的發(fā)展，巡航控制系統的裝車(chē)率不斷提高。在我國，今后也會(huì )
有更多的車(chē)輛應用巡航控制系統，系統的性能也會(huì )不斷地提高。
1、巡航控制系統的功能及優(yōu)點(diǎn)
汽車(chē)巡航控制系統(crusie control system)亦稱(chēng)為恒速行駛系統。它是利用先進(jìn)的電子技術(shù)對汽車(chē)的行駛速度進(jìn)行自動(dòng)調節，從而實(shí)現以事先預定的速度行駛的一種電子控制裝置。
汽車(chē)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(mén)就可以自動(dòng)地保持車(chē)速，使車(chē)輛以設定的速度行駛。采用這種裝置后，當在高速公路上長(cháng)時(shí)間行車(chē)時(shí)，駕駛員只要把住方向盤(pán)就可以了，不用頻繁地踩油門(mén)踏板，減輕了疲勞，提高了汽車(chē)行駛時(shí)的舒適性，同時(shí)減少了不必要的車(chē)速變化，改善了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟性和發(fā)動(dòng)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(guò)車(chē)速傳感器將車(chē)速信號輸入發(fā)動(dòng)機，對微機進(jìn)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(chē)速控制開(kāi)關(guān)和制動(dòng)踏板上的真空解除開(kāi)關(guān)等。
系統中的電子控制裝置可根據行駛阻力的變化，自動(dòng)調節發(fā)動(dòng)機油門(mén)開(kāi)度，使車(chē)速保持恒定。這樣既減少了不必要的車(chē)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(gè)輸人信號，一個(gè)是駕駛員按要求設定的指令速度信號，另一個(gè)是實(shí)際車(chē)速的反饋信號。
電子控制器檢測這兩個(gè)輸入信號之間的誤差后，產(chǎn)生一個(gè)送至油門(mén)執行器的油門(mén)控制信號。油門(mén)執行器根據所接收的控制信號調節發(fā)動(dòng)機油門(mén)開(kāi)度，以修正電子控制器所檢測到的誤差，從而使車(chē)速保持恒定。實(shí)際車(chē)速由車(chē)速傳感器測得并轉換成與車(chē)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(mén)控制信號實(shí)際上由兩部分疊加而成。線(xiàn)性放大部件提供一個(gè)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(xiàn)，用來(lái)將這一段時(shí)間的車(chē)速誤差降為0。實(shí)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(chē)速誤差為0時(shí)，行駛阻力的微小變化都將引起油門(mén)開(kāi)度的變化，容易產(chǎn)生游車(chē)。
如圖2所示，曲線(xiàn)A為汽車(chē)在平坦路面上行駛時(shí)的車(chē)速V與節氣門(mén)開(kāi)度θ的關(guān)系曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)存儲在計算機中。因此，當車(chē)速達到V0時(shí)，按下擬定開(kāi)關(guān)，節氣門(mén)開(kāi)度θ先被定為θ0。同時(shí)，計算機還擬定了控制線(xiàn)。

圖2 車(chē)速自動(dòng)控制線(xiàn)圖
當汽車(chē)在平坦路面上以速度V0行駛時(shí)，按下擬定開(kāi)關(guān)，便進(jìn)入自動(dòng)行駛狀態(tài)。當遇到爬坡時(shí)，行車(chē)阻力增加，因此，車(chē)速與節氣門(mén)開(kāi)度的關(guān)系就變成曲線(xiàn)B。
此時(shí)，若沒(méi)有車(chē)速自動(dòng)控制裝置進(jìn)行節氣門(mén)開(kāi)度調節，車(chē)速會(huì )降到V1。但由于裝有速度自動(dòng)控制裝置，當汽車(chē)阻力增加、車(chē)速下降時(shí)，傳感器就把該信號反饋給計算機，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)出指令，沿著(zhù)控制線(xiàn)調節節氣門(mén)，節氣門(mén)開(kāi)度便從θ0變?yōu)?theta;1，使車(chē)速穩定在X點(diǎn)，重新取得平衡，汽車(chē)便以這一速度行駛。若汽車(chē)遇到下坡時(shí)，行駛阻力減小，車(chē)速與節氣門(mén)開(kāi)度的關(guān)系就變成曲線(xiàn)C。此時(shí)，車(chē)速自動(dòng)控制裝置也沿著(zhù)控制線(xiàn)調節節氣門(mén)開(kāi)度，使節氣門(mén)開(kāi)度從θ1變?yōu)?theta;2，車(chē)速在Y點(diǎn)取得平衡。由此可見(jiàn)，即使行駛阻力發(fā)生變化，車(chē)速也只能在X-Y，范圍內變化，使車(chē)速基本保持穩定。
從圖2可以看出，計算機中擬定的控制線(xiàn)的斜率越小，車(chē)速的波動(dòng)量(控制誤差)也就越小，若控制線(xiàn)呈垂直狀態(tài)時(shí)，車(chē)速的波動(dòng)減小到0。這樣，行駛阻力有微小的變化都會(huì )引起節氣門(mén)開(kāi)度的變化，因此由于反應過(guò)度靈敏，造成游車(chē)現象，這是我們不希望的。所以應綜合考慮控制誤差和游車(chē)問(wèn)題，選擇一個(gè)合適的控制線(xiàn)斜率。
3、電子巡航控制系統的設計與實(shí)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(kāi)關(guān)、車(chē)速傳感器、電子控制器和執行裝置4部分組成。在汽車(chē)行駛時(shí)，車(chē)速傳感器把車(chē)速轉換成脈沖信號，再通過(guò)D／A轉換電路轉換成與車(chē)速成正比的直流電壓。駕駛員按下擬定開(kāi)關(guān)，自我維持電路便進(jìn)入工作狀態(tài)，采樣及保持電路便擬定了與該瞬間的車(chē)速相對應的節氣門(mén)開(kāi)度的基準電壓，確定節氣門(mén)的*開(kāi)度值。然后，比較放大電路將基準電壓與由車(chē)速脈沖信號轉換的電壓進(jìn)行比較，使增速控制電路或減速控制電路進(jìn)入工作。接著(zhù)，通過(guò)控制中繼器帶動(dòng)執行裝置，調節節氣門(mén)開(kāi)度，使其達到*值。執行機構為電動(dòng)馬達式，根據電子控制器的指令調節節氣門(mén)開(kāi)度。

圖3 汽車(chē)巡航控制系統方框圖
3．2 安全裝置
當汽車(chē)制動(dòng)或變速器處于空當位置時(shí)，節氣門(mén)必須回到全閉狀態(tài)。當車(chē)速自動(dòng)控制裝置出現故障、而節氣門(mén)卻處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，汽車(chē)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(gè)磁性離合器，裝在執行裝置的zui后部分，同時(shí)，在操作部分裝有離合器開(kāi)關(guān)、制動(dòng)開(kāi)關(guān)、空擋開(kāi)關(guān)和手剎車(chē)開(kāi)關(guān)。當踩下離合器或制動(dòng)器踏板或變速桿處于空擋，或手剎車(chē)起作用時(shí)，它們的開(kāi)關(guān)就會(huì )發(fā)出信號給執行裝置，執行裝置接到信號后便啟動(dòng)安全磁性離合器電路，使安全磁性離合器分離，把車(chē)速自動(dòng)控制裝置與節氣門(mén)分隔開(kāi)來(lái)，起到安全保護的作用，此時(shí)節氣門(mén)開(kāi)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(chē)速超過(guò)100 km／h時(shí)起作用，以防止車(chē)速失控飛馳。低速限制電路是在車(chē)速低于49 km／h時(shí)起作用，防止車(chē)速過(guò)低。車(chē)速在40 km／h以下時(shí)，車(chē)速自動(dòng)控制裝置不起作用，車(chē)速由駕駛員控制。如果沒(méi)有低速控制電路，在道路付款處臨時(shí)停車(chē)時(shí)，當按下自動(dòng)復位開(kāi)關(guān)、駕駛員專(zhuān)心付款時(shí)如無(wú)意松開(kāi)制動(dòng)踏板，會(huì )引起汽車(chē)自動(dòng)行駛的情況。
一旦傳感器產(chǎn)生故障或其線(xiàn)路發(fā)生斷路，由于沒(méi)有車(chē)速信號，低速限制電路視車(chē)速為0，使車(chē)速自動(dòng)控制裝置停止工作。此外，若執行裝置的電位計產(chǎn)生故障或反饋電路短路，由于沒(méi)有反饋節氣門(mén)開(kāi)度電壓，不能再沿著(zhù)控制線(xiàn)調節節氣門(mén)的開(kāi)度，車(chē)速就會(huì )急速降低。為了防止這種現象的產(chǎn)生，還設有車(chē)速幅度的限制電路，即使在zui壞的情況下，可以把車(chē)速的控制誤差限制在±15 km／h以?xún)取?/span>