巡航控制系统

汽车电子控制技术第7章巡航控制系统7.1概述7.1.1巡航控制系统的功能巡航控制系统是一种利用电子控制技术保持汽车自动等速行驶的系统。当汽车在高速公路上长时间行驶时，接通巡航控制主开关，设定希望的车速，巡航控制系统将根据汽车行驶阻力的变化，自动增大或减小节气门开度，使汽车按设定的车速等速行驶，驾驶员不必操纵加速踏板。因此，巡航控制系统可以减轻驾驶员的疲劳。由于巡航控制系统能够使汽车自动地以等速行驶，避免了驾驶员操纵加速踏板使汽车行驶车速反复变化的情况。因而，使发动机的运行工况变化平稳，改善了汽车的燃料经济性和发动机的排放性能。另外，由于巡航控制系统工作时汽车等速行驶，当汽车巡航行驶时可以改善汽车的行驶平顺性，提高汽车的舒适性。7.1.2巡航控制系统的发展汽车巡航控制系统的发展始于20世纪60年代，经历了机械巡航控制系统、晶体管巡航控制系统、模拟微型计算机巡航控制系统和数字微型计算机巡航控制系统四个发展阶段。自80年代初开始，数字微型计算机巡航控制系统得到广泛应用。数字微型计算机巡航控制系统的控制过程如图7.1所示。驾驶员操纵巡航控制开关，将车速设定、减速、恢复、加速、取消等命令输入计算机。当驾驶员通过巡航控制开关输入了设定命令时，计算机便记忆此时车速传感器输入计算机的车速，并按该车速对汽车进行等速行驶控制。汽车在巡航行驶过程中，不断通过比较电路将实际车速与设定车速进行比较，计算出实际车速与设定车速的差值；然后通过补偿电路输出对执行部件的命令，执行部件控制发动机节气门开大或关小，使实际车速接近设定车速。7.2巡航控制系统的组成与原理巡航控制系统由巡航控制开关、传感器、巡航控制ECU、执行器等组成。巡航控制开关和传感器将信号送至ECU，ECU根据这些信号计算出节气门的合理开度，并给执行器发出信号，调节节气门的开度，保持汽车按设定的车速等速行驶。7.2.1巡航控制开关巡航控制开关一般采用手柄式开关，安装于转向盘下方，如图7.2所示。也有的采用按键式开关，装在转向盘上。以丰田车系为例，巡航控制开关包括主开关(MAIN)、设定/减速开关(SET/COAST)、恢复/加速开关(RES/ACC)和取消(CANCEL)开关。1.主开关主开关(MAIN)是巡航控制系统的主电源开关，位于巡航控制开关的端部，为按键式开关，如图7.2所示。按下主开关，电源接通；再按一次主开关，电源断开。当主开关接通时，如果将点火开关关闭，主开关也关闭。当再次接通点火开关时，巡航主开关并不接通，而保持关闭。2.控制开关手柄式巡航控制开关一般由设定/减速开关、恢复/加速开关和取消开关组成。该开关为自动回位型。当向下推控制开关时(图7.2中的方向C)，设定/减速开关接通，放松控制开关时，开关自动回到原始位置；当向上推控制开关时(图7.2中的方向B)，恢复/加速开关接通；当向后拉控制开关时，取消开关接通(图7.2中的方向D)。3.退出巡航控制开关退出巡航控制开关是指开关接通后能使巡航系统自动退出工作的开关。退出巡航控制开关除取消开关外，还包括制动灯开关、驻车制动开关、离合器开关(手动变速器)和空挡启动开关(自动变速器)。(1)制动灯开关制动灯开关由常闭和常开两个开关组成，如图7.3所示。开关A为常开开关，踏下制动踏板时开关闭合，将制动灯的电源电路接通，制动灯点亮。同时，电源电压经开关A加在巡航控制ECU上，将制动信号输入巡航控制ECU，巡航控制ECU取消巡航控制系统的控制，巡航系统停止工作。开关B为常闭开关，当踏下制动踏板时，开关B断开，直接切断巡航控制ECU对巡航控制执行器的控制电路，确保巡航系统停止工作。(2)驻车制动开关当使用驻车制动器时，驻车制动器开关接通，将驻车制动信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航系统的工作。同时，驻车制动灯点亮。(3)离合器开关对于装有手动变速器的汽车，当踏下离合器踏板时，离合器开关接通，将取消信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航控制系统的工作。(4)空挡启动开关对于装有自动变速器的汽车，当将变速杆移至N(空挡)位时，空挡启动开关接通，将取消信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航控制系统的工作。7.2.2传感器1.车速传感器车速传感器的类型有电磁式、霍尔式、光电式、舌簧开关式等。车速传感器信号可同时用于发动机控制、自动变速器控制和巡航控制等。对于巡航控制系统而言，车速传感器信号的作用是巡航控制ECU用于巡航车速的设定及将实际车速与设定车速进行比较，以便实现等速控制。2.节气门位置传感器节气门位置传感器一般为线性输出型。节气门位置传感器信号可同时用于发动机控制、自动变速器控制和巡航控制等。对于巡航控制系统而言，节气门位置传感器信号的作用是巡航控制ECU用于计算输出与节气门开度的关系，以确定输出量的大小。3.节气门控制摇臂传感器节气门控制摇臂传感器可对巡航控制ECU提供节气门摇臂位置信号。节气门摇臂位置传感器为电位计式，该信号的作用是巡航控制ECU根据节气门摇臂位置信号对节气门进行控制。7.2.3巡航控制ECU巡航控制ECU接收来自巡航控制开关、车速传感器信号和其他的开关信号，按照存储的程序对巡航系统进行控制。巡航控制ECU有以下控制功能：1.记忆设定车速功能当主开关接通，车辆在巡航控制车速范围内(一般为40km/h到200km/h)行驶时，操作设定/减速(SET/COAST)开关可以设定巡航车速。ECU将设定的车速存储在存储器内，并将按设定车速控制汽车等速行驶。2.等速控制功能ECU将实际车速与设定车速进行比较，确定节气门是否应该开大或关小，并根据实际车速与设定车速的差值，计算出节气门开大或关小的量；然后对执行器进行控制，保证汽车按设定车速等速行驶。3.设定车速调整功能当汽车以巡航控制模式行驶时，如果需要使设定车速提高或降低，则只要操作恢复/加速或设定/减速开关，就可以使设定车速改变，巡航控制ECU将记忆改变后的设定车速，并按新的设定车速进行巡航行驶。4.取消和恢复功能当汽车以巡航控制模式行驶时，如果接通取消开关或接通任何一个其他的退出巡航控制开关，巡航控制ECU将控制执行器使巡航控制取消。取消巡航控制以后，要想重新按巡航控制模式行驶，只要操作恢复/加速开关，巡航控制ECU即可恢复原来的巡航控制行驶。5.车速下限控制功能车速下限是巡航控制所能设定的最低车速。不同的车型稍有不同，一般为40km/h。车速低于40km/h时，巡航车速不能被设定，巡航系统不能工作。当巡航行驶时，如果车速降至40km/h以下，则巡航控制将自动取消，且巡航ECU存储器内存储的设定车速将被清除。6.车速上限控制功能车速上限是巡航控制所能设定的最高车速，一般为200km/h。车速超过该数值，巡航控制车速不能被设定。汽车在巡航控制模式行驶时，如果操作加速开关，车速也不能加速至200km/h以上。7.安全电磁离合器控制功能当汽车以巡航控制模式行驶时，如果因为下坡汽车车速高于设定车速15km/h，则巡航控制ECU将切断巡航控制系统的安全电磁离合器使车速降低。当车速降低至比设定车速高出不足10km/h时，安全电磁离合器再次接通，恢复巡航控制。8.自动取消功能当汽车以巡航控制模式行驶时，若出现执行器驱动电流过大，伺服电动机始终朝节气门打开的方向旋转时，则巡航控制ECU存储器内存储的设定车速将被清除，巡航控制模式将被取消，主开关同时关闭。此外，当巡航控制ECU诊断出系统有故障时，将会使巡航系统自动停止工作。9.自动变速器控制功能当具有自动变速器的汽车以巡航控制模式行驶时，如果上坡时变速器在超速挡，车速降至比设定车速低4km/h以上时，巡航控制ECU将超速挡取消信号送至自动变速器ECU，取消自动变速器超速挡。当车速升至比设定车速低2km/h时，巡航控制ECU将超速挡恢复信号送至自动变速器ECU，恢复自动变速器超速挡。10.诊断功能如果巡航控制系统发生故障，巡航控制ECU的自诊断系统能够诊断出故障，并使仪表板上的巡航指示灯闪烁，以便提醒驾驶员。同时，巡航控制ECU将故障码存储在存储器内。通过巡航控制指示灯的闪烁或使用故障诊断仪可以读取故障码。7.2.4执行器巡航控制系统的执行器由ECU控制，根据ECU的控制信号控制节气门的开度，以保持车速恒定。巡航控制系统执行器有真空驱动型和电动机驱动型两种。1.真空驱动型执行器真空驱动型执行器依靠真空力驱动节气门。真空源有两种取得方式，一种是仅从发动机进气歧管取得；另一种是从发动机进气歧管和真空泵取得，如图7.4所示。当进气歧管真空度较低时，真空泵参与工作，提高真空度。真空驱动型执行器主要由控制阀、释放阀、两个电磁线圈、膜片、回位弹簧和空气滤清器等组成。(1)控制阀控制阀用来控制膜片后方的真空度，以改变膜片的位置，从而控制节气门，如图7.5所示。当ECU给控制阀电磁线圈通电时，与大气相通的空气通道关闭，与进气歧管相通的真空通道打开，执行器内的真空度增加，膜片左移将弹簧压缩，与膜片相连的拉杆将节气门开大。当控制阀电磁线圈断电时，与进气歧管相通的真空通道关闭，与大气相通的空气通道打开，空气进入执行器，膜片右移，节气门关小。ECU通过占空比信号控制电磁线圈的通电与断电，通过改变占空比控制执行器内的真空度，从而控制节气门的开度。(2)释放阀释放阀的作用是取消巡航控制时，使空气迅速进入执行器将巡航控制立即取消。释放阀的工作原理如图7.6(b)所示。巡航系统工作时，释放阀电磁线圈中有电流通过，与大气相通的空气通道关闭，由控制阀控制执行器内的真空度，从而控制节气门的开度，保持汽车等速行驶。取消巡航控制时，巡航控制ECU使控制阀电磁线圈断电，控制阀与大气相通的空气通道打开，释放阀电磁线圈也断电，与大气相通的空气通道也打开，让空气迅速进入执行器，使巡航控制立即取消。(3)真空泵真空泵由电动机、连杆、膜片和3个单向阀等组成，如图7.7(a)所示。真空泵的作用是在进气歧管真空度较低时为巡航系统执行器提供真空源。真空泵的工作原理如图7.7(b)所示，当进气歧管真空度较高时，单向阀A被打开，由发动机进气歧管向执行器提供真空源，真空泵不工作。当进气歧管真空度较低时，真空控制开关检测到真空泵进气室的真空度变化，并将信号送至巡航控制ECU；巡航控制ECU接通真空泵电源，真空泵电动机转动，带动膜片上下往复运动。当膜片向下运动时，膜片上方产生真空，将单向阀B打开，为执行器提供真空源，单向阀A和C关闭；当膜片向上运动时，单向阀B关闭，单向阀C打开，将空气排入大气。2.电动机驱动型执行器电动机驱动型执行器由电动机、传动机构、电磁离合器和电位器等组成，结构如图7.8所示。巡航控制ECU控制电动机的工作，使电动机顺时针或逆时针旋转，从而改变节气门的开度。当ECU控制电动机工作时，电动机轴上的蜗杆16带动电磁离合器17(5)外圆上的蜗轮旋转。蜗轮通过电磁离合器带动小齿轮旋转，小齿轮带动主减速器齿扇21(8)转动。齿扇通过齿扇轴带动控制臂19(9)转动，控制臂上的销轴通过拉索使节气门开大或关小。为了防止节气门完全打开或完全关闭后电动机继续转动，电动机安装了两个限位开关11和12，用于控制电动机的转动。电磁离合器及其控制电路如图7.9所示。电磁离合器用于接通或断开电动机与节气门拉索之间的联系。当巡航控制ECU给执行器发出控制信号时，电磁离合器2和3接合；电动机通过蜗杆蜗轮传动和电磁离合器及齿轮和主减速器齿扇6的啮合带动控制臂5转动，通过销轴拉动拉索使节气门旋转。若取消巡航控制，则ECU使电磁离合器断电分离，节气门不受电动机控制。电位器及其电路如图7.10所示。当电动机带动主减速器齿扇转动改变节气门的开度时，主减速器齿扇轴同时带动电位器主动齿轮旋转；然后电位器主动齿轮通过从动齿轮带动电位器内的滑动臂转动，电位器就可以产生节气门控制臂位置信号。当对巡航控制系统进行巡航车速设定时，电位器将节气门控制臂信号送至巡航控制ECU；ECU将此数据存储于存储器内，行车中ECU以此数据作为参照控制节气门控制臂，使实际车速与设定车速相符。7.3巡航控制系统的使用巡航控制系统