第5章 巡航控制系统(汽车电子控制技术)

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汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺 第5章巡航控制系统（CCS）学习目标·了解巡航控制系统的作用和组成·掌握巡航控制系统的控制原理·掌握巡航控制系统的结构和工作原理·掌握自适应巡航控制系统的工作原理 第5章巡航控制系统（CCS）5.1概述5.1.1巡航控制系统的作用当汽车在良好的行驶条件下长距离行驶时，该系统可根据行驶阻力自动控制节气门开度，使汽车按照设定的车速等速行驶，勿需驾驶员脚踏加速踏板。巡航控制系统具有以下优点：（1）减轻驾驶员的疲劳由于巡航行驶时驾驶员不必操纵加速踏板，减轻了驾驶员的负担，使其可以轻松地驾驶。（2）提高汽车行驶时的舒适性由于巡航控制系统工作时汽车等速行驶，可以改善汽车的行驶平顺性，提高汽车舒适性。（3）有利于降低油耗减少排放由于巡航控制系统工作时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，有利于改善汽车的燃料经济性和发动机的排放性能。 5.1.2巡航控制系统的控制原理当驾驶员通过巡航控制开关输入了车速设定信号时，巡航控制ECU便记忆设定的车速，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车速传感器检测的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器的命令，执行器控制发动机节气门开大或关小，使实际车速达到设定车速。 CCS控制过程驾驶员控制开关记忆车速行驶车速车速传感器比较车速补偿电路变速器执行器发动机节气门巡航控制ECU图5-1巡航控制系统的控制过程 5.2巡航控制系统的组成与工作原理巡航控制系统主要由开关、传感器、巡航控制ECU、执行器等组成。5.2.1开关用于巡航控制系统的开关有两种，一种是巡航控制开关，另一种是退出巡航控制开关。1.巡航控制开关巡航控制开关有的采用手柄式开关，安装于转向盘下方，如图5-2所示，也有的采用按键式开关，装在转向盘或仪表板上。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）和取消开关（CANCEL）。 （1）主开关主开关是巡航控制系统的主电源开关。按下主开关，电源接通；再按一次主开关，电源断开。（2）设定/减速开关当向下推手柄式开关时（图5-2中的方向C），设定/减速开关接通；放松手柄式开关时，开关自动回到原始位置，设定/减速开关断开。（3）恢复/加速开关当向上推手柄式开关时（图5-2中的方向B），恢复/加速开关接通；放松手柄式开关时，开关自动回到原始位置，恢复/加速开关断开。图5-2巡航控制开关a）雷克萨斯LS400b）丰田凯美瑞（4）取消开关当向后拉手柄式开关时，取消开关接通（图5-2中的方向D），放松手柄式开关时，开关自动回到原始位置，取消开关断开。 2．退出巡航控制开关（1）制动灯开关制动灯开关由常闭和常开两个开关组成，开关A为常开开关，踏下制动踏板时开关闭合，制动灯点亮。开关B为常闭开关，当踏下制动踏板时，开关B断开，直接切断了巡航控制ECU对巡航控制执行器的控制电路，确保巡航系统停止工作。a）丰田Cressida真空驱动型执行器 b）丰田陆地巡洋舰电动机驱动型执行器 （2）驻车制动开关当施用驻车制动器时，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，将离合器开关信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航控制系统的工作。（4）空档起动开关对于装有自动变速器的汽车，当将变速杆移至N（空档）位置时，空档起动开关接通，将空档位置信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航控制系统的工作。 5.2.2传感器1．车速传感器车速传感器的类型有舌簧开关式、磁脉冲式、霍尔式、光电式、磁阻式等。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以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．节气门控制臂传感器节气门控制臂传感器安装在巡航控制系统的执行器内，用于检测执行器控制臂位置。节气门控制臂位置传感器为电位计式，该信号的作用是巡航控制ECU根据节气门控制臂位置信号对执行器进行控制。 5.2.3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它的开关信号，按照存储的程序对巡航系统进行控制。巡航控制ECU的主要功能是记忆驾驶员通过巡航控制开关设定的车速，将实际车速与设定车速进行比较，根据比较的结果输出控制指令，控制执行器使节气门开大或者关小，使汽车按设定车速等速行驶。巡航控制ECU具有自诊断功能，如果巡航控制系统发生故障，自诊断系统能够诊断出故障，使巡航控制系统停止工作，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。 5.2.4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a）从进气歧管取得真空源b）从进气歧管和真空泵取得真空源 真空驱动型执行器的组成：控制阀、释放阀、两个电磁线圈、膜片、回位弹簧和空气滤。(1）控制阀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。图5-5控制阀 （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。图5-6释放阀 2．电动机驱动型执行器电动机由巡航控制ECU控制转动，并通过减速机构、电磁离合器、控制臂、传动索缆传至节气门摇臂，实现对节气门的控制。图5-7电动机驱动型执行器的传动原理 电动机驱动型执行器组成：由电动机、传动机构、电磁离合器和电位器等组成。图5-8电动机驱动型执行器 电磁离合器用于接通或断开电动机与节气门索缆之间的联系。图5-9电磁离合器及其控制电路a）结构b）电路1-驱动电动机2-蜗轮及电磁离合器3-小齿轮及离合器片4-节气门索缆轴5-控制臂6-齿扇 电位器及其电路如图5-10所示。当电动机带动齿扇转动改变节气门的开度时，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，电位器就可以产生控制臂位置信号。图5-10电位器及其电路a）电位器b）电位器电路 5.3巡航控制系统的使用1．设定巡航行驶巡航系统工作时的车速范围一般为40～200km/h，设置巡航行驶最低车速是为了防止汽车转弯时，由于巡航行驶而发生危险。设定巡航行驶的方法是：按下巡航控制主开关，踏下加速踏板使汽车加速，当达到希望的车速时（必须在巡航系统工作车速范围内），将巡航控制开关推至设定/减速位置然后放松，开关放松时的车速即被巡航控制ECU记忆为设定车速，此时驾驶员放松加速踏板，巡航系统开始工作。巡航控制ECU不断将实际车速与设定车速进行比较，据此控制节气门的开度，使汽车按设定车速等速行驶。2．加速当汽车巡航行驶时，如果要使巡航设定车速提高，应将巡航控制开关置于恢复/加速位置保持不动，汽车将逐渐加速。当汽车加速至所希望的车速时，放松巡航控制开关，此时巡航控制ECU将记忆新的设定车速，汽车将按新的设定车速等速行驶。 当汽车巡航行驶时，如果需要使汽车临时加速（如超车），则只需踏下加速踏板汽车即可加速，放松加速踏板后，汽车仍按原来设定的车速巡航行驶。3．减速当汽车巡航行驶时，如果要使巡航设定车速降低，应将巡航控制开关置于设定/减速位置保持不动，汽车将逐渐减速。当汽车减速至所希望的车速时，放松巡航控制开关，此时巡航控制ECU将记忆新的设定车速，汽车将按新的较低的设定车速等速行驶。4．点动升速和点动降速当汽车以巡航控制模式行驶时，如果需要对巡航设定车速进行微调时，只要点动一次恢复/加速开关（接通恢复加速开关后立即放松开关，时间不超过0.6s），巡航设定车速就升高约1.6km/h；只要点动一次设定/减速开关，车速就降低约1.6km/h。 5．取消巡航行驶取消巡航控制有几种方式可以选择：一是将巡航控制开关的取消开关接通然后释放；二是踏下制动踏板；三是对于装有手动变速器的汽车踏下离合器踏板，对于装有自动变速器的汽车将变速杆置于空档位置；四是关闭巡航控制主开关；五是施用驻车制动器。在某些情况下巡航控制ECU会自动取消巡航行驶，一是当节气门已经完全打开，实际行驶车速仍然不能达到设定车速时，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。二是当巡航控制ECU诊断出系统有故障时，将会使巡航系统自动停止工作。6．恢复巡航行驶如果因为操作了退出巡航控制开关中的任何一个开关使巡航控制取消，要恢复巡航行驶，只要将恢复/加速开关接通然后放松，汽车将恢复原来巡航行驶。但如果车速已降低至40km/h以下，或实际车速低于设定车速16km/h以上，ECU将不能恢复巡航行驶。 5.4自适应巡航控制系统自适应巡航控制（AdaptiveCruiseControl）系统简称ACC，是将普通巡航控制系统与汽车防撞系统结合起来而形成的一种智能化车速自动控制系统。该系统除了具有普通巡航控制系统的功能以外，还具有自动防撞功能。当汽车与前方的车辆之间的距离小于设定距离时，系统会通过关小发动机节气门、制动等措施使汽车减速，必要时还会通过声、光信号提示驾驶员进行直接干预，从而保证与前车的安全距离，避免交通事故的发生。目前，雷克萨斯、英菲尼迪、奥迪、宝马、奔驰、沃尔沃、大众CC、雪铁龙新一代C4等都配备了自适应巡航系统。 5.4.1自适应巡航控制系统的组成自适应巡航控制系统主要由自适应巡航控制开关、车距传感器（雷达）、轮速传感器、转向传感器、ACC控制单元、节气门执行器、制动执行器等组成。图5-11自适应巡航系统的组成 车距传感器（雷达）有单脉冲雷达、微波雷达、激光雷达以及红外线雷达等。车距传感器一般安装在散热器格栅内或前保险杠的内侧，它可以探测到汽车前方约200m距离内的车辆。有的系统将车距传感器（雷达）与ACC控制单元安装在同一壳体内。轮速传感器（与ABS/ASR系统共用）用于提供车速信号；转向传感器用于检测转向盘转角，可判断车辆行驶的方向；ACC控制单元采集各个开关和传感器的信号并进行计算，以便对执行器进行控制；节气门执行器与普通巡航控制系统的节气门执行器相同，用以控制发动机的输出转矩；制动执行器（与ABS/ASR系统共用）用于对汽车进行制动。 5.4.2自适应巡航控制系统的工作原理自适应巡航控制系统工作时，驾驶员需要通过自适应巡航控制开关（见图5-12）设定巡航车速和车距。设定的车距不能小于设定车速下交通法规规定的安全距离。图5-12位于转向柱左侧的ACC控制开关 当本车前方无其他车辆行驶时，本车将处于普通巡航行驶状态，ACC系统按照设定的车速控制车辆等速行驶。当本车前方有目标车辆，且目标车辆的行驶速度低于本车行驶速度时，车距传感器将探测到目标车辆，并向ACC控制单元提供本车与目标车辆的相对速度、距离、相对方位等信息，当两车的实际距离小于设定距离时，ACC系统将确定减速方式，控制执行器使汽车减速，保持两车之间的安全距离。当车辆减速至理想的目标值之后，ACC采取跟随控制模式，与目标车辆保持设定距离跟随目标车辆行驶。当目标车辆驶出原车道或者本车驶出原车道使本车前方无车辆时，ACC系统将使车辆加速至原设定车速，系统又进入普通巡航行驶模式。ACC系统在控制车辆制动时，通常会将制动减速度限制在不影响舒适性的程度，当需要更大的减速度时，ACC系统会发出声、光信号通知驾驶员主动采取制动操作。当驾驶员在巡航控制状态下进行制动后，ACC控制单元就会终止巡航控制；当驾驶员在巡航控制状态下进行加速，在停止加速后，ACC控制单元会按照原来设定的车速进行巡航控制。 复习思考题1.巡航控制系统有哪些优点？2.巡航控制系统的组成与控制原理是什么？3.巡航控制系统的控制开关主要有哪些，作用各是什么？4.电动机驱动型执行器中电磁离合器的作用是什么？5.如何使用巡航系统？6.自适应巡航控制系统的工作原理。