第二章 汽車巡航控制系統

第一節 汽車巡航控制系統的組成與原理

“巡航”一詞原意是指飛機從一個機場飛行到另一個機場的巡邏航行。巡航控制系統的英文名稱是Cruise Control System，英文縮寫為CCS。一般又稱為巡航行駛裝置、速度控制（Speed Control）系統、自動駕駛（Auto Drive）系統、恒速行駛系統或巡行控制系統等。

汽車巡航控制系統是一種利用電子控制技術保持汽車自動等速行駛的系統。駕駛汽車在高速公路上長時間行駛時，打開自動操縱開關后，巡航控制系統將根據行車阻力變化自動調節節氣門開度，使汽車行駛速度保持一定，并且可以避免駕駛人頻繁踩加速踏板，減輕了駕駛人的疲勞強度。由于巡航控制系統能自動地維持車速，避免了不必要的加速踏板的人為變動，也進而改善了汽車的燃油經濟性和發動機的排放性能。

一、巡航控制系統的分類

1.按巡航控制裝置的組成與控制方式分

按巡航控制裝置的組成與控制方式分，可分為機電式和電子式。

（1）機電式巡航控制系統 汽車上早期使用的是機電式巡航控制系統。它通常由控制開關、電釋放開關、真空調節器、真空度控制的彈簧式伺服機構、真空釋放閥、線束及真空管路等組成。

（2）電子式巡航控制系統 電子式巡航控制系統由電子控制器根據控制開關、各傳感器和開關的信號進行車速的設定、穩定和消除等自動控制。隨著電子技術的迅速發展和對巡航控制功能要求的進一步提高，電子式巡航控制系統已經逐漸取代了機電式巡航控制系統。

2.按巡航控制系統電子控制器的結構原理分

按巡航控制系統電子控制器的結構原理分，可分為模擬式和數字式。

（1）模擬式電子巡航控制系統 模擬式電子巡航控制系統由模擬式電子電路構成電子控制器，控制器內部對輸入信號的處理過程均為模擬電參量。模擬式巡航電子控制器經歷了從晶體管分立元器件到集成電路的發展過程。

（2）數字式電子巡航控制系統 數字式電子巡航控制系統的核心是控制器，現代汽車巡航控制系統基本上都采用這種控制器控制系統。

3.按巡航控制裝置執行機構的結構原理分

按巡航控制裝置執行機構的結構原理可分為真空驅動式和電動驅動式。

（1）真空驅動式巡航控制系統 用于車速穩定、加速和減速控制的執行器為真空式節氣門驅動裝置，其驅動力來自進氣歧管的真空度或由真空泵產生的真空度；控制器通過調節節氣門驅動裝置的真空度來實現對節氣門開度的控制。

（2）電動驅動式巡航控制系統 節氣門驅動裝置的動力來源于電動機；控制器通過控制電動機的轉動來調節節氣門的開度，以實現車速穩定、增速和減速控制。

二、巡航控制系統作用與組成

汽車巡航控制系統的作用是：根據汽車行駛阻力的變化，自動調節發動機節氣門開度的大小，使汽車保持恒定速度行駛。

汽車巡航控制系統主要由車速傳感器、節氣門位置傳感器、控制開關、巡航控制電控單元（CCS ECU）和執行機構等部件組成。圖2-1所示為豐田雷克薩斯LS400型轎車巡航控制系統控制部件的安裝位置。

圖2-1 雷克薩斯LS400型轎車巡航控制部件安裝位置

巡航控制系統的車速傳感器（VSS）和節氣門位置傳感器（TPS）既可與發動機控制系統和電子控制自動變速系統公用，也可專門設置獨立使用。車速傳感器和節氣門位置傳感器的作用分別是向CCS ECU提供汽車行駛速度信號和發動機節氣門開度（轉角）信號。

控制開關主要有巡航開關、制動燈開關、駐車制動開關、點火開關、離合器開關（僅對手動變速器汽車）或空檔起動開關（對于自動變速器汽車）等。巡航開關的作用是將恒速、加速或減速、恢復原速以及取消巡航行駛等指令信號輸入CCS ECU，其他開關的作用是將各種狀態信息輸入CCS ECU，以便CCS ECU確定是否進行恒速控制。

CCS ECU是巡航控制系統的控制核心，一般都由分立電子元器件、專用集成電路IC和8位單片機組成。具有數學計算、邏輯判斷、記憶存儲、故障診斷等功能。執行機構又稱為執行器，分為氣動式和電動式兩種。氣動式主要由速度伺服裝置和電磁閥等組成；電動式主要由電動機（永磁式或步進式電動機）、減速機構和電磁離合器等組成。執行機構的作用是根據CCS ECU指令，通過節氣門拉索（鋼纜）調節發動機節氣門的開度，使車速保持恒定。

三、巡航控制系統的優點

汽車巡航控制系統主要具有以下優點：

1）減輕駕駛人的勞動強度，提高行駛安全性。在汽車行駛過程中，當車速達到一定值（超過40km/h）時，駕駛人只要操作巡航開關并設定一個想要行駛的速度，不用踩加速踏板（油門），巡航控制系統就能自動控制發動機節氣門開度使汽車保持在設定的速度恒速行駛，從而減輕駕駛人的勞動強度。特別是當汽車在高速公路上長時間行駛時，更能充分發揮巡航控制系統的優點。由于利用巡航行駛不用踩踏加速踏板，駕駛人的勞動強度大大減輕，因此，駕駛的安全性也就大大提高。

2）行駛速度穩定，提高乘坐舒適性。在巡航行駛過程中，無論汽車在上坡或下坡路面上行駛，還是在平坦路面上行駛或在風速變化的情況下行駛，只要是在發動機功率允許范圍之內，汽車行駛速度都將保持設定的巡航車速不變。

3）節省燃料消耗，提高燃油經濟性和排放性能。實踐證明，汽車在相同行駛條件下，利用巡航行駛可以節省15%左右的燃油。這是因為巡航控制系統與發動機燃油噴射系統（EFI）以及自動變速控制系統（ECT）是相互配合工作的，巡航車速被控制在經濟車速范圍內，汽車巡航行駛時的燃料供給與發動機功率之間處于最佳配合狀態，與此同時，有害氣體的排放量也將大大減少。

四、巡航控制系統的基本原理

汽車巡航控制系統的發展始于20世紀60年代，經歷了機械控制系統、晶體管控制系統、模擬計算機控制系統和數字微型計算機控制系統4個階段。自20世紀80年代初開始，數字微型計算機巡航控制系統得到廣泛應用。數字微型計算機巡航控制系統的電路框圖如圖2-2所示。

圖2-2 汽車巡航控制系統的電路原理框圖

駕駛人操縱巡航控制開關，將車速設定、減速、恢復、加速、取消等命令輸入計算機。當駕駛人通過巡航控制開關輸入設定命令時，計算機便記憶此時車速傳感器輸入計算機的車速，并按該車速對汽車進行等速行駛控制。汽車在巡航行駛過程中，不斷通過比較電路將實際車速與設定車速進行比較，計算出實際車速與設定車速的差值，然后通過補償電路輸出對執行部件的命令，執行部件控制發動機節氣門開度加大或減小，使實際車速接近設定車速。

圖2-3 巡航控制系統的框圖

汽車巡航控制系統是一個閉環控制系統，而控制器件的主體是單片機及配屬的模塊；控制的基本方法是經典的比例積分（Proportion and Integral calculus）調節控制（又稱PI調節控制）方式。巡航控制系統的框圖如圖2-3所示。這個閉環控制系統，在理論及實踐上均可實現調節控制誤差為零，即實際車速與設定車速之間的誤差為零。但具體運行上并不需要誤差為零，因為誤差為零時，行駛阻力的微小變化都將引起節氣門開度的變化，容易產生游車（瞬時車速不斷地變化，而平均車速不變），即調節控制的振蕩，這是我們不需要的。因而控制系統的誤差應是一個大于零的實數。