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，將車速信號輸入發(fā)動機(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。
在這個系統(tǒng)中，電子控制裝置可根據(jù)行駛阻力的變化，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(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。
控制器有兩個輸入信號，一個是駕駛員按要求設(shè)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(chǎn)生一個送至油門執(zhí)行器的油門控制信號。油門執(zhí)行器根據(jù)所接收的控制信號調(diào)節(jié)發(fā)動機(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。油門控制信號實際上由兩部分迭加而成。線性放大部件KP提供一個與誤差信號e成正比的控制信號，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，用來將這一段時間內(nèi)的車速誤差降為零。實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)，因為當(dāng)車速誤差為零時，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)、變速器空擋啟動開關(guān)、剎車開關(guān)（包括手剎）和電源開關(guān)（點火開關(guān)）等。
①主控開關(guān)，它的作用是：控制巡航系統(tǒng)的啟動、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）。
②離合器開關(guān)（僅對安裝手動變速器車輛），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)械動作，使其閉合。
③變速器空擋啟動開關(guān)（僅對安裝自動變速器車輛），它的作用與離合器開關(guān)類似。空擋啟動開關(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，當(dāng)變速器操縱桿置于空擋時，空擋啟動開關(guān)由斷開變成閉合。
④剎車燈開關(guān)，它的作用是，當(dāng)駕駛員踩踏制動踏板時，在制動（接通）燈亮的同時，將控制節(jié)氣門動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)中原來常開觸點的基礎(chǔ)上，增加了與之聯(lián)動的常閉觸點，當(dāng)駕駛員踩踏制動踏板、制動燈亮的同時，常閉觸點斷開，電磁離合器斷電，節(jié)氣門不再受巡航系統(tǒng)控制。
⑤手剎車制動開關(guān)，它的作用與離合器開關(guān)（變速器空當(dāng)啟動開關(guān)）類似。安裝位置緊靠手剎操縱桿并與手剎操縱桿聯(lián)動，當(dāng)拉手制動時，此開關(guān)由斷開變?yōu)殚]合。
⑥點火開關(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可直接用作巡航控制系統(tǒng)的反饋信號，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，因為實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，當(dāng)凸齒位于磁鐵兩極之間時，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。我們注意到變速器輸出軸每轉(zhuǎn)一周，四個凸齒各通過傳感線圈一次。因此信號處理電路計數(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)計或選擇車速傳感器時有一點非常重要，即傳感器的頻率響應(yīng)應(yīng)大大高于整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，以免傳感器對系統(tǒng)的頻率響應(yīng)產(chǎn)生很大影響。
②節(jié)氣門傳感器，它的作用是：對電控單元提供一個與節(jié)氣門位置成比例變化的電信號。節(jié)氣門傳感器與發(fā)動機(jī)電控的傳感器共用。
③節(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。它的作用是對電控單元提供節(jié)氣門控制搖臂位置的電信號，目前應(yīng)用較多的是滑線電位計式。當(dāng)節(jié)氣門控制搖臂轉(zhuǎn)動時，電位計與之轉(zhuǎn)動，便輸出一個與控制搖臂位置成比例變化的、連續(xù)變化的電信號。
3、執(zhí)行器，其作用是，將電控單元輸出的電流或電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動，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)行器有電動和氣動操縱兩種形式。
①氣動方式大多采用有進(jìn)氣歧管真空度控制的氣動活塞式結(jié)構(gòu)。氣動操作的油門執(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，而活塞連桿對油門拉桿無力作用時，彈簧力使油門關(guān)閉。當(dāng)執(zhí)行器輸入信號Ve給電磁線圈通電時，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)行器活塞帶動油門拉桿向左運(yùn)動從而使油門平順漸進(jìn)地打開。活塞上的作用力隨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Ve是一脈沖電壓信號，當(dāng)Ve電位為高時，電磁鐵通電；當(dāng)Ve電位為低時，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Ve的占空比成正比。
選擇油門執(zhí)行器時，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，以保證整個巡航控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。
②電動機(jī)式類型，電動機(jī)式的節(jié)氣門執(zhí)行器的工作，是利用電動機(jī)的轉(zhuǎn)動并帶動控制搖臂擺動，可使節(jié)氣門的開度變化，主要有電磁離合器、直流電動機(jī)或步進(jìn)電機(jī)等。直流電動機(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，電動機(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，電動機(jī)軸與節(jié)氣門控制搖臂分離，使節(jié)氣門受到電動機(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)的另一個重要部件就是電子控制器，也稱巡航電腦。控制器是整個控制系統(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。
整個控制器采用了四個運(yùn)算放大器，每個放大器都有自己特定的用途。運(yùn)算放大器1用作誤差信號放大器，它的輸出與指令車速和實際車速之差成正比。誤差信號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。因為只要出現(xiàn)小的誤差就會引起VI變化從而予以修正。當(dāng)然，實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，因為線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。這個模擬電壓必需先轉(zhuǎn)換成脈沖信號才能驅(qū)動油門執(zhí)行器。為此采用了一個將模擬電壓轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號的轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的輸出Vc直接驅(qū)動執(zhí)行器的電磁線圈。TOP
有兩個開關(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)送信號讓其對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，V1采樣后向電容C1充電。電容器電荷由一個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放大器輸出一個與指令車速成正比的電壓V2。開關(guān)S2通過中斷油門執(zhí)行器的控制信號來斷開巡航控制執(zhí)行器。當(dāng)點火開關(guān)斷開，控制器斷開或制動踏板踩下時，開關(guān)S2就會自動將系統(tǒng)斷開。當(dāng)駕駛員接通指令速度開關(guān)S1時，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，該氣路中連接一個與制動踏板機(jī)械聯(lián)動的控制閥。這樣當(dāng)踩下制動踏板時不僅斷開了執(zhí)行器控制信號，同時控制閥也打開，外部空氣流入油門執(zhí)行器氣缸，從而使油門馬上關(guān)閉。這樣車輛制動時就能確保電子巡航控制系統(tǒng)快速而徹底地斷開。
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)字信號直接存儲和處理。帶可擦只讀存儲器的八位微處理控制器（MCU）根據(jù)指令車速、實際車速以及其它輸入信號，按照給定程序完成所有的數(shù)據(jù)處理之后產(chǎn)生一輸出信號驅(qū)動步進(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)計者編程確定。安全上將制動開關(guān)與油門執(zhí)行器直接相連，這樣當(dāng)踩下制動踏板時，在斷開MCU巡航控制程序的同時，將油門執(zhí)行器的動力源斷開，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)點是系統(tǒng)中的信號以數(shù)字量表示。不會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)上編程實現(xiàn)。特別是汽車上當(dāng)別的系統(tǒng)已有控制用微機(jī)時，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；
③小的穩(wěn)態(tài)誤差。
實踐證明，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)計重點是確定合適的控制器放大倍數(shù)。
