汽车巡航电子控制系统毕业论文.doc

专科生毕业设计（论文）摘 要驾驶汽车长途行驶的机会较多，在高速公路上长时间行驶时，打开该系统的自动操纵开关后，巡航控制系统将根据行车阻力自动增减节气门开度，使汽车行驶速度保持一定的。并且可以避免驾驶员频繁踩油门踏板，而保证汽车以预先设定的速度行驶。汽车在一定条件下恒速行驶，大大地减轻了驾驶员的疲劳强度。由于巡航控制系统能自动地维持车速，避免了不必要的油门踏板的人为变动，进而改善了汽车的燃料经济性和发动机的排放性。汽车电子化程度也越来越高，特别是微处理器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来了划时代的变化。汽车自动巡航控制系统（CRUISE CONTROL SYSTEM）就是其中一个改变原始驾驶理念的新技术。汽车巡航控制系统的出现能为驾驶员提供更加舒适的驾驶环境。巡航控制系统不仅在长时间行车时能够减轻驾驶员的疲劳程度，同时减少了不必要的车速变化，提高了乘坐的舒适性，还可以节省燃料和减少废气排放，提高经济性。提高汽车行驶时的舒适性，特别使在郊外或高速公路上行驶，这种优越性更为显著。另外，当汽车以一定速度行驶时，减少了驾驶员的负担，使其可以轻松地驾驶。保持汽车车速的稳定，汽车无论是在上坡、下破、平路上行驶，或是在风速变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，汽车的行驶速度保持不变。总的来说，汽车巡航控制系统主要功能有巡航定速、巡航加速、巡航减速等功能。关键字： 巡航控制系统；保持恒速； 巡航减速； 恢复原速Automobile cruise electronic control systemAbstractAs the auto industy and toad transport sector development ,the automation of vehicles driving cars has become one of the major trends in development .people need to be more comfortable,convenient and safe means of transport to meet the fast pace of life.So the request of intelligent become more urgent.With the development of electronic,our life changing so fast.In order to meet peoles needs,automotive electronics become more and more high-lieve.In particular the microprocessor enter the field of automotive control,the car has bought to the epoch-making change. Automobile cruise electronic control system can provide a comfortable citcumstance for dirvers.In one hand ,it lenlify the job when driving but improve comfort.When the car in the long-distance highway driving,automobile cruise control system can automatically fixed at a specific rate ,from motorists to foot pedal long bitterness.At the same time,it can cruise in the state scheduled for the speed acceleration and deceleration of the regulation.In assition ,the cruise control system also save fuel and resuce disuse.In the 1960s of the USA,the cruise control system has been used in cars widely. Nowday many cars fix the cruise control system. Japanese and European cars are equipped with the production of cruise control system. Because of our the late of development of automible in our country.The cruise control system only applies to the high-level car.Some of the current domesticproduction of luxury cars such as the Passat , Accore and Audi A6 are equipped with cruise control systems.General speaking,the cruise control system can cruise constant speed,cruise deceleration ,renew constant speed and other functions .Keywords：The cruise control system；The cruise accelerates；The cruise decelerate；The constant speed to restor1目 录第一章 汽车巡航控制系统的概述1.1 汽车巡航控制系统的功用1.2 汽车巡航控制系统优点1.3 汽车巡航控制系统的发展现状与趋势第2章 汽车巡航控制系统的工作原理与基本构成2.1 汽车巡航控制系统的工作原理2.2 汽车巡航控制系统的基本构成第3章 巡航控制系统的硬件设计3.1 硬件设计概述3.2 开关量的处理3.3 车速信号处理3.4 电动机的驱动3.5 PWM控制3.6 离合器的驱动3.7 硬件可靠性的设计3.7.1 影响硬件可靠性的因素3.7.2 硬件设计采用的抗干扰措施第4章 巡航控制系统的软件设计4.1 汽车巡航控制系统程序设计的要求4.2 巡航控制下的程序流程4.3 软件可靠性措施4.3.1 合理封锁4.3.2 程序时空防护措施结论参考文献致谢第一章 汽车巡航控制系统的概述汽车巡航控制系统英文为CRUISE CONTROL SYSTEM,缩写为CCS。巡航控制系统是现代高级轿车普遍配备的一种辅助驾驶系统。该系统能够在车速到达一定范围后（如40-200km/h），将车速保持在驾驶员所设定的值，自动执行上坡加油，下坡收油等必要的操作，实现恒速行驶。在大陆型的国家，驾驶汽车长途行驶的机会较大，在高速公路上长时间行驶时，打开该系统的自动操纵开关后，巡航控制系统将根据行车阻力自动增减节气门开度，是汽车行驶速度保持一定。并且可以避免驾驶员频繁踩油门踏板，而保证汽车以预先设定的速度行驶。汽车站一定条件下恒速行驶，大大减轻了驾驶员的疲劳强度。由于巡航控制系统能自动的维持车速，避免了不必要的油门踏板的人为变动，进而改善了汽车的燃料经济性和发动机的排放性能。驱车巡航控制系统自1961年在美国首次应用以来，已经广泛普及。在美国大多睡觉车上均装用了巡航控制系统。日本和欧洲生产的轿车装用汽车巡航控制系统的比例也越来越高。我国一汽大众生产的奥迪A6轿车也装有汽车巡航控制系统。1.1 汽车巡航控制系统的功用汽车巡航控制系统（CCS）就是可使汽车工作在发动机有利转速范围内，减轻驾驶员的驾驶操作劳动强度，提高行驶舒适性的汽车自动行驶装置。巡航系统可以自动调节汽车发动机的动力，适应路面状况以及其他阻力的变化，以恒速方式运行。当一旦出现人为干预的情况（例如踩踏制动踏板、踩踏离合器踏板、变速器挂入空挡、拉近驻车制动等），巡航系统确保驾驶人员的操作优先，截取巡航工作状态；当车辆的速度超出人为设定的范围以及其他情况时，巡航系统也能自动停止工作，以确保车辆的安全。综上所述，汽车巡航控制系统具有以下功能：（一）基本功能（1）车速设定。当按下车速设置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保持这一速度行驶。（2）消除功能。当踩下制动踏板，上述功能立即消失。但是，上述设置速度继续存储。（3）恢复功能。当按恢复开关则能恢复原来存储的车速。除了以上3种基本功能，如果需要可增加以下功能：（1）滑行。持续按下开关进行减速，以离开开关时的速度作巡航行驶。（2）加速。持续按下开关进行加速，以不操纵开关时的车速进入巡航行驶。（3）速度微调升高。在巡航速度行驶中，当操纵开关以ONOFF方式变换时使车速稍稍上升。（4）恒速行驶功能，汽车自动巡航行驶即指汽车在行驶时，驾驶人员即使不踏加速踏板，汽车仍然可以按驾驶员所希望的车速自动保持行驶的功能，这是巡航控制系统最基本的功能。（5）汽车处于巡航行驶的状态时，若按下加速开关，则设定速度增加，此为加速功能。同样，若按下减速开关，则设定速度减少，此为减速功能。（6）如果踏下制动踏板或槽中控制的解除开关，则可以自动解除巡航功能。如果从新按下设定开关，汽车进入巡航状态。（7）自动选、换挡功能，在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶可能遇到的阻力，车辆自动变换节气门开度或自动进行档次转换，以按存储在ECU内的最佳燃油经济性瑰、规律或动力性规律稳定行驶。（8）防止误操作及报警功能，在不具备巡航条件的情况下，例如车辆在起步阶段，驾驶员启动了巡航开关，巡航控制系统会防止类似的误操作，并有报警的功能。（二）故障保险功能1.低速自动消除功能。当车速小于40km/h时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。2.制动踏板消除功能。在制动踏板上装有两种开关，一个用于对ECU的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。3.各种消除开关。除了利用制动踏板消除功能外，还有驻车制动、离合器（M/T）、调速杆 （A/T）等操作开关的消除功能。1.2 汽车巡航控制系统优点（1）提高汽车行驶舒适性特别是在郊外或高速公路上行驶，这种优越性更为显著。另外，当汽车以一定的速度行驶时，减少了驾驶员的负担，使其可以轻松地驾驶。（2）节省燃料，具有一定的经济性和环保性在同样的行驶条件下，对一个有经验的驾驶员来说，使用巡航控制系统可节省燃料15%。这是因为在使用该系统以后，可使汽车的燃料供给与发动机功率之间处于最佳配合状态，并减少了废气的排放。（3）保持汽车车速的稳定汽车无论是在上坡、下坡或平路上行驶，或是在风速变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，汽车的行驶速度就能保持不变。三、巡航控制系统的结构巡航控制系统由传感器、操作开关、执行器和巡航控制ECU等组成。传感器和开关将信号送入巡航控制ECU，ECU根据这些信号计算节气门应有的开度，并给执行器发出信号，自动调节节气门开度。（1） 提高汽车行驶时的舒适性，特别使在郊外或高速公路上行驶，这种优越性更为显著。另外，当汽车以一定速度行驶时，减少了驾驶员的负担，使其可以轻松地驾驶。（2）节省燃料，具有一定的经济性和环保性，在同样的行驶条件下，对一个有经验的驾驶员来说，可节省燃料15%，这是因为在使用率该系统以后，可是汽车的燃料供给与发动机功率之间处于最佳的配合状态，并减少了废气的排放。（3）保持汽车车速的稳定，汽车无论是在上坡、下破、平路上行驶，或是在风速变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，汽车的行驶速度保持不变。1.3 汽车巡航控制系统的发展现状与趋势汽车巡航控制当系统已有30多年的发展历史，主要经历了机械控制系统、晶体控制系统、模拟计算机控制系统和数字微型计算机控制系统4个阶段。数字微型计算机控制自1981年起开始应用到巡航控制系统，目前应用广泛。数字微型计算机巡航控制系统的电路框图如图1.1所示，驾驶员利用控制开关，可将保持恒速、减速、恢复原速、和加速等命令输入计算机；当驾驶员操纵保持恒速开关时，计算机记忆调节后的车速，开始进行恒速行车控制。为了使汽车巡航控制系统达到车速控制的要求，目前用于汽车巡航控制系统的控制方案主要有PID控制、模糊控制迭代学习控制、自适应控制等、它们都有各自的特点。（1）PID控制，即比例-积分-微分控制，根据实际车速与设定车速的偏差，实现汽车不变参数的巡航控制。在汽车行驶过程中，驾驶员设定一个车速给控制器，同时车速传感器测得到实际车速也输入到控制器，产生实际车速和设定车速的偏差，控制器的比例部分根据偏差的大小输出相应的控制量，以控制节气门的开度，使车速迅速趋近设定车速。考虑到偏差一直存在，控制器的积分部分就把偏差积累起来加大控制量，以消除偏差，使车速保持恒定，而微分部分则起预估作用。当v0时，表示偏差加大，应及时增加控制量，使v减小；当驾驶员控制开关记忆车速行车阻力行驶车速比较车速补偿电路执行部件车轮驱动力变速器发动机计算机图1.1数字微型计算机巡航控制系统框图v0时，表示偏差在减小，应减小控制量，以避免v趋近于零时，又向反方向发展而引起震荡。PID控制具有结构简单、参数整定方便的优点，在许多场合下能获得令人满意的控制效果。但是由于被控对象的特性比较复杂，具有非线性或时变的过程，应用常规PID控制，若参数调整不当，会使系统不停地震荡，控制效果不甚理想。（2）模糊控制，它是一种模仿人工控制活动人脑的控制策略，运用模糊数学把人工控制策略用计算实现，它是近几年发展起来的一种新型的汽车巡航技术。驾驶员对汽车的控制，从本质上来讲是一种模糊控制的过程，驾驶员驾驶汽车时，根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变化量，从而使汽车趋近于目标车速。模仿这一过程的模糊控制原理框图如图1.2所示。用于汽车巡航控制的模糊控制器的输入量一般可以选择设定车速与实际车速的偏差以及偏差的变化率。模糊判断模糊控制规则ede/dt模糊化设定车速实际车速反馈被控对象图1.2 巡航控制系统模糊控制原理框图模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数变化不敏感，其不足之处是迷惑控制规则的获取和模糊隶属函数形状的确定是一项费力的工作，而且系统一旦确定，其规则和隶属函数就确定而不能随外界和车辆参数变化进行调整。（3）迭代学习控制，因为汽车巡航行驶中存在着严重的非线性和不确定性，特别是巡航控制参数在不同车速下其值是不确定的，并且运动载体对控制的实时性要求较高，所以有人将迭代学习算法应用到了汽车巡航控制系统中。基于迭代学习技术的汽车巡航控制原理如图1.3所示。利用实际车速与设定车速的偏差，通过多次的迭代计算得出一个修正量，进一步修正控制器输出的控制量，从而使实际车速更趋近于设定车速。迭代学习控制可以对参数是未知的但是变化的或不变的系统实施有效控制。相对于其他控制技术，迭代学习控制的适应性更广，实时性更强，但其算法复杂，计算机编程困难。学习率控制器被控对象实际车速实际车速反馈设定车速控制参数修正量偏差记忆图1.3 迭代学习技术的汽车巡航控制原理图（4）自适应控制，由于汽车自动巡航控制系统是一个本质非线性系统，并且汽车在行驶过程中受到路面坡度。空气阻力等外界干扰，因而时不变系统得到的控制方法就难以在各种工况下取得良好的效果，解决的办法是加入自适应环节，其控制方法能随各种因素的变化而实时地加以调整，以适应复杂多变的行驶工况。自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的，它是一种智能化的自动控制系统，主要有雷达传感器、方向角传感器、轮速传感器、制动控制器、扭矩控制器和发动机控制器等组成。雷达传感器安装在散热器的护栅内，可探测到汽车前方150m的距离；在前后轮廓上均装有轮速传感器，可测出车辆的行驶速度；方向角传感器用以判断车辆行驶的方向；发动机控制器和扭矩控制器用以他侧和调整发动机接通和输出扭矩，以提高发动机的动力性，并适时调整车辆的运行速度。各种控制器和传感器均用车内计算机控制。自适应控制方法可以自动检测系统的参数变化，从而时刻包此系统的性能指标为最佳。该系统的优点是：装有自适应巡航控制系统的智能车，通过雷达和计算机来鉴别靠近车辆的是自行车、汽车还是行人，根据道路情况控制车辆行驶状态，完全或部分地去台里驾驶员的操纵；汽车上的各种传感器不断收集汽车、道路和周围环境等方面的信息，通过计算机来调整汽车的运行状态。它能够准确的判断汽车四周的安全情况，自动采取措施回避危险或者悬着安全的行车路线和工作状态。目前用于汽车巡航控制的自适应控制主要为模型参考自适应控制。基于自适应控制的汽车巡航控制原理如图1.4所示。设定车速同时加到控制器和参考模型上，由于参考模型的理想车速和实际车速不一致，产生偏差，自适应机构检测到参数，从而使实际车速迅速趋近于实际车速，当偏差趋近于零时，自适应调整过程就停止，控制参数也就调整完毕。当汽车在行驶过程中遇到上下坡或是由于风力而使车速发生变化时，系统也如上述过程一样，对控制器参数进行调整。参考模型设定车速控制器被控对象自适应算法理想车速实际车速实际车速反馈图1.4自适应控制的汽车巡航控制原理图鉴于自适应控制的上述特点，自适应控制非常适合像汽车这样一类非线性系统的控制，在控制过程中，系统能够自动调整控制参数，使得控制效果更好。（5） 随着近几年智能公路概念的提出及卫星导航系统的开发与应用，未来汽车的巡航系统将会与GPS（全球卫星定位系统）相结合，通过车轮传感器、地磁传感器和偏航传感器等但中传感器获取数据，确定汽车的速度和位置。车轮传感器几路车轮的速度，产生的脉冲信号用于定时计算行驶距离和方向变化。地磁传感器通过励磁绕组感应出电压脉冲，测量出沿途地磁场遂平分量的大小与起始点磁场的比较，为车载电脑提供补偿数据。车载电脑的地图存储用量存储量汽车现行运行区域的所有数据，车载电脑与存储道路网络数据不断比较判断，更正定位误差从而确定最佳行驶路径。如果车载点老存储资料不足，例如有关交叉路、限行、单行线、桥梁等路段的变更信息，可以通过GPS或网络功能给与补充。驾车者将目的地输入车载电脑后，电脑通过比较车辆实际位置和目的地位置后，能够推荐最佳行驶路径。简单的系统仅能提供限行距离及目的地方向，比较复杂的系统则能根据GPS控制中心提供的路面车流状况推荐行驶路径。显示装置还能够根据汽车运行及方向的变化随时翻转地图，方便驾车者从显示屏获知路径的方向。第2章 汽车巡航控制系统的工作原理与基本构成2.1 汽车巡航控制系统的工作原理图1.5是一种典型的闭环汽车电子巡航控制系统原理框图。有图2.1可知，控制器的输入是以下两个车速信号的差：一个是驾驶员按要求的车速设定的车速信号：另一个是实际车速低反馈信号。当测出的实际车速高于或低于驾驶员调定的车速时，ECU将这两种信号进行比较，得出误差信号，经发达处理后成为节气门控制信号，送至节气门执行器，驱动节气门执行器工作，调节发动机节气门开度，已修正实际车速，从而讲实际车速很快调整到驾驶员设定的车速，并保持恒定。通常将汽车在平坦路面上行驶时车速与节气门开度的关系存储在巡航控制系统ECU 的ROM中。ECU作为巡航控制系统的核心部件，一般采用“比例-积分”控制的控制系统，线性放大部件K的输出正比于误差信号，而积分放大器KI则设置一条斜率可调整的输出控制线，用以在短时间内讲车速误差降至趋近于0的很小范围，节气门控制信号则是比例电路和积分电路两部分输出信号的叠加。另一种方法是将误差信号输入到微机进行处理，采用这种控制方法可以使用更先进的程序。 +_节气门反馈信号K2节气门反馈信号K1实际车速控制信号节气门控制器节气门执行器发动机及变速器车辆节气门传感器车速传感器外界干扰设定车速图2.1 闭环汽车电子巡航控制系统原理框图汽车在平坦、上坡与下坡路面上行驶时的车速与节气门开度的关系如图2.2所示。巡航控制系统根据目标车速自动维持汽车恒速行驶。汽车在巡航定速状态下，当汽车速度下降时，ECU加大节气门开度，是发动机功率升高，转矩增大，车速达到设定速度。反之，减小节气门的开度。参照图2.2，系统进行巡航控制时，若在平坦路面上车速为Vo时，按下设定开工进入巡航控制的自动行驶状态，此时节气门开度在0点，一旦遇到爬坡时，则行驶阻力增加，如不进行调节控制，车速就会降到Vc点，但巡航控制器会按照一定的控制规则控制节气门，是节气门开度从0点变为A点，是车速保持在Vo点取得平衡。因此，即使行驶阻力发生变化，车速也只在很小的范围内变化，达到稳定行驶的目的。当车速在40km/h以下、160km/h以上时，巡航系统不工作。当然这个上下限的限定依车型的不同而略有不同。一旦系统的传感器出现故障，或控制信号电路被切断，因没有车速信号，低速限制电路将认为车速为零，是巡航控制系统停止工作。在所有车辆上，从调整节气门开度到车速改变，这中间都有一段延迟，巡航控制系统的电路设计考虑了这个问题，这样，当系统吧实际车速调整到指令车速时，就可避免严重的车速波动。车速ABO0平路输出控制线VcVaVb上坡下坡节气门开度V0图2.2 车速与节气门开度关系2.2 汽车巡航控制系统的基本构成 汽车巡航控制系统主要由巡航控制开关（ON/OFF开关）、车速传感器、电子控制单元（ECU）、汽车安全开关、执行器、辅助器件等组成。其结构如图2.3所示。（1）巡航控制开关。巡航控制开关即驾驶员指令开关，有时也称主控开关。它一般是杆式开关，安装在转向柱上驾驶员容易接近的地方。通常将其功能包含在组合开关内，大多数指令开关有3个档位：即设置/巡航（SET/COAST）、取消（CANCEL）和复位/加速（RES/ACC）档。当指令开关处于不同档位时，电流由巡航控制ECU流出，经过不同阻值的被操作的开关位置。当开关处于设置/巡航档位时，只要按下按钮开关不动，车辆就不断加速。当达到要求的车速时，松开按钮，巡航控制系统就使车辆按松开按钮时的车速保持定速行驶。当装换到取消档时，恒速行驶即停止。复位/加速档位用于制动或换挡断开电路后，使车辆重新按调定速度行驶。恢复增速减速设定控制开关制动灯开关从熔断器板来在电源车速传感器伺服器执行机构接节气门拉索电子控制单元图2.3 巡航控制系统的构成（2）车速传感器。车速传感器将产生的车速信号输送给巡航控制ECU，作为实际车速反馈信号，以实现定速行驶功能。车速传感器通常与车速表驱动装置相连。如果车速表是电子式的，车速传感器给出的信号可直接用作巡航控制ECU的反馈信号，而不必为巡航控制系统另设速度传感器。专门用于巡航控制系统的车速传感器一般安装在变速器输出轴上，这是因为实际车速与变速器输出轴转速成正比。车速传感器有车速传感器、节气门传感器和节气门控制摇臂位置传感器等。车速传感器，它的作用是：提供一个与汽车实际车速成比例的信号，电控单元将此信号进行处理。车速传感器输给电控单元的电信号，是一个交变的振荡的脉冲信号。车速传感器有磁脉冲式的、霍尔式、光电式、磁阻式等。车速传感器与发动机电控的传感器共用。节气门传感器，它的作用是：对电控单元提供一个与节气门位置成比例的电信号。节气门传感器与发动机电控的传感器共用。节气门控制摇臂传感器，这是巡航控制系统专用的传感器。它的作用是：对电控单元提供节气门控制摇臂位置的电信号，目前应用较多的是滑线电位计式。当节气门控制摇臂转动时，电位计与之随动，变数出一个与控制摇臂位置成比例变化的、连续变化的电信号。（3）电子控制单元ECU，电控单元（Cruise Control ECU）也称为CCECU，由处理器芯片、A/D、D/A、IC及输出隔离驱动和保护电路等模块组成。电控单元又称巡航主控制器或电子调节器。电控单元是一个计算机系统，也有人称之为巡航电脑版。电控单元通常是装在一个金属薄板制成封装闭壳体内，封闭的金属壳起电磁屏蔽和机械保护作用。电控单元是整个控制系统的中枢。数字微型计算机为主体的电控单元的信号用数字化处理，不会受到工作温度和湿度的影响，因此具有很高的稳定性。危机代替了模拟电路，实现巡航控制，不仅是控制精度提高，微机存储量较大、有记忆功能等，有智能化的特征。特别是当汽车上其他系统已有微机时，可实现传感器、数据等资源共享，各系统的微机间互相通讯联络监督，使控制更可靠、精度更高。也有过巡航控制系统是靠汽车上其他系统的微机增加附加功能来实现的，目前以独立的微机实现巡航控制方式为主。一般来说，由于车速变化必须经过一定的时间，这就要求巡航控制系统执行机构的调节具有一定的延时时间。这个延时时间对恒速控制点实现，对防止游车是十分必要的。但是在人为干预的情况下，实现迅速推出巡航控制的状态会有妨碍的。所以，电控单元必须有其他的辅助装置能够使巡航控制按驾驶人员的要求迅速关闭。在汽车巡航控制系统中，有车速信号返回到系统的输入端，电控单元与设定车速进行比较，一般来说，巡航控制系统在如下三个方面具有良好的性能，：快速响应能力、较好的系统的稳定性和较小的稳定误差。实践证明，只要系统的调节控制参数（主要是比例积分的调节控制参数）选择合适，就可以使系统具有快速响应能力和高精度切勿不稳定及振荡现象，因此汽车巡航控制系统的车技重点是确定电控单元合适的调节控制参数。在确定这些参数时要考虑一下几个方面的影响：确定汽车的质量、发动机功率和摩擦系数。摩擦系数的大小可在测量传动部件的机械损耗、空气阻力以及轮胎与路面之间的阻力所造成的发动机功率损耗后根据经验确定。选择系统的频率。系统对信号输入的响应频率范围可参照车辆在山区公路行驶时，驾驶员对车速变化的反应及修正时间来确定、一般来说，汽车巡航控制系统的反应速度至少不能低于人的反应速度，（人的反应时间在数十秒至数百秒之间）。频率提高，调节控制的误差越小。但也不能过于敏感，否则容易发生游车。根据汽车的质量m和系统的频率fn计算系统中的积分器参数k，三者的关系如下：k=Wn2m，其中Wn=2fn。从调节节气门的开度到实际车速发生变化，这中间总有一段时间延迟。因此在系统的设计时，应根据响应速度和相位移的要求选择合适的阻尼系数d。这样在系统把实际车速调整到设定车速时，不会出现车速严重的波动。根据参数d，Wn，m和c（摩擦系数）即可确定系统中的比例放大器参数Kp。Kp=（2dWnM）- C值得注意的是，参数Wn既对系统中的调节控制参数起确定作用，又受系统中的传感器和执行器的影响。因此整个系统设计完后，应对系统中的积分器和比例放大器的调节控制参数进行修正，知道获得满意的系统效果为止。电控单元的主要作用是，将所有的信号（传感器的车速、节气门位置、节气门控制摇臂位置、操作指令、执行机构的反馈信号）进行处理，在车速偏离预定的巡航车速时，给执行器一个电信号，控制执行器的动作，是实际车速与设定的车速相一致。图2.4是美国摩托罗拉公司的以单片机为主体的巡航控制电控单元的方框图。汽车在巡航控制状态时，一般当车速低于40km/h时，电控单元自动将巡航控制取消，这样使汽车在制动、转弯时,巡航控制不起作用；另外，在汽车的加、减速度大于预设的数值（一般为2m/s）时，以及汽车的制动灯开关等动作时，电控单元也会自动取消巡航控制状态，这样就确保了汽车的行驶安全。图2.4 巡航控制系统与电控单元方框图（4）汽车安全开关，安全开关主要起到了人为操作敢于情况下，及时退出巡航控制状态，恢复到完全有驾驶员控制车辆的状态，以保证行车的安全。安全开关就是起到保护作用的开关。安全开关宝货电器开关和真空泄放开关。电器开关类型的安全开关主要有离合器、变速器空挡启动开关、制动开关和驻车制动开关。离合器开关，它的作用是汽车在巡航状态下行驶时，一旦出现驾驶员干预，驾驶员踩踏离合踏板，离合器开关既由断开变为闭合，使电控单元立即关闭巡航工作状态。离合器开关装在驾驶室离合器踏板的上部，与离合器踏板联动，考驾驶员踩踏离合器他版的机械动作使其闭合。变速器空挡启动开关，他的作用与离合器开关类似。空挡的启动开关的安装位置紧靠变速器操纵杆，并与变速器操纵杆联动，档变速器操纵杆置于空挡时，空挡启动开关有断开变成闭合。制动灯开关，它的作用是当驾驶员踩踏制动踏板时，制动灯开关在接通制动灯同时，将控制节气门动作摇臂的电磁离合器断开，迅速推出巡航控制的工作状态。在制动灯开关中原来常开触点的基础上，增加了与之两栋的常闭触点，当驾驶员踩踏制动踏板、制动灯亮的同时，常闭触点断开，使电磁离合器断电，节气门不再受巡航系统控制。手制动开关，它的作用与离合器开关类似，安装位置紧挨着驻车制动操纵杆并与操纵杆联动，当拉动驻车制动操纵杆时，此开关由断开变为闭合。真空泄放开关，通常装在制动踏板支架上。采用手动变速器的汽车，在离合器踏板支架上装有与其联动的真空开关，只要踩下离合器踏板，边界处巡航控制功能。如果在巡航状态下踩下制动踏板。随动的真空泄放阀也能将伺服机构的真空泄放掉。空挡启动开关。当换挡杆设置在自动变速器的P或N挡位时，开关即接通，将取消信号传送至巡航控制ECU。（5）执行器，也有称之为伺服机构的，执行器的作用是，将电控单元输出的电流或电压信号转变为机械运动，进而控制节气门的开度，以便达到控制车速的目的。常见的执行器有电动和气动两种类型。图2.5所示的执行器为电动机式执行器，它主要由电动机、安全电磁离合器和位置传感器组成。电动机采用直流永磁式电动机，通过改变电动机中电流方向即可改变节气门转动方向。电动机式的节气门执行器的工作，为限定控制臂转动角度，电动机电路装有限位开关。图2.5 电动式执行器结构在电动机与控制臂间装有安全电磁离合器。当进行巡航控制时安全电磁离合器接合，此时电动机栓旋转使节气门开度改变；若在巡航控制行驶阶段执行器或车速传感器发生故障，安全电磁离合器立即分离。电磁离合器的作用是，当电磁离合器通电时，电动机的轴与节气门控制摇臂结合在一起，当电磁离合器断电时，电动机与节气门控制摇臂分离，使节气门与电动机动力链接或分离迅速可靠。另外，还能通过断开电磁离合器电源的方法，迅速可靠地退出巡航状态，在特定的情况下实现保护。在电动式执行器中还装有位置传感器，它是一个由滑变电阻器构成的电位计，用于检测执行器控制臂的转动位置，并将信号输入巡航控制ECU中。电动式执行器还可采用步进电动机，因为他能将控制装置输出的数字信号转变为一定量的角位移。每输入一个脉冲，电动机就带动节气门转过一个小角度，这就保证了节气门开闭动作的准确。步进电动机转过的角度即节气门转过的角度，该角度与输入的脉冲数城正比。节气门的转动方向即低昂冬季的转动方向，由分配脉冲的相序确定。直流电动机通电时连续转动，它的运转速度与电控单元供给的电压平均值有关；他的运转或停止，有电控单元输出的电压有或无来决定；它的运转方向，由电控单元输出的电压方向决定。步进电机的工作，是对其通电一次，电动机轴就转过一定的角度。气动式执行器也称真空式执行器，气动式执行器多为发动机进气歧管的真空度为空气的动力源。气动式执行器的结构形式有活塞式核膜片式。气动活塞式执行器的工作示意图如图2.6所示，气动式巡航控制系统的结构原理如图2.7所示。气动式执行器如图2.7所示，密封圆筒内装有膜片、麽片弹簧、两个空气电磁阀和一个真空电磁阀。真空电磁阀和空气电磁阀的搭铁线分别接到巡航控制ECU的端子上，在ECU内部搭铁时，电磁阀即刻起作用。真空电磁阀内有一个真空管接头，通过一根橡皮关于进气歧管相连。在膜片的中间装有拉动节气门的拉索。真空执行器是利用发动机进气歧管的真空度吸引膜片，通过节气门的拉索，是节气门开度增大，并可保持固定不动位置。如果空气电磁阀打开，则由于膜片弹簧的弹力，使节气门拉索放松，节气门开度减小。 图2.6 真空式执行器结构在巡航控制系统未工作使，真空电磁阀保持关闭，空气电磁阀打开，密封圆筒与大气相通。执行器活塞连杆与节气门拉杆相连，当活塞连杆对节气门拉杆无作用时，弹簧力使节气门趋向关闭。当汽车加速时执行器的输入信号对该电池阀线圈通电时，电磁力控制阀芯克服阀弹簧力下移，执行器活塞汽缸与进气歧管连通。这空电磁阀和2隔空气电磁阀的电磁线圈电路均通过ECU内部搭铁而构成回路，真空电磁阀打开，与进气歧管相通，而2个空气电磁阀则关闭，密封圆筒内真空度增大，由于进气管歧管内为真空，于是执行器汽缸压力下降，执行器活塞带动节气门拉杆向左运动从而使节气门瞬间进地打开。当汽车减速时，空气电磁阀电磁线圈电路断电，又恢复为打开状态，此时空气进入密封圆筒，膜片弹簧把膜片压回原位，节气门开度小小，汽车便减速。图2.7 真空式巡航器原理图执行器活塞上的作用力随汽缸中平均压力的变化而变化，而汽缸中的平均压力则通过快速通断压力控制阀来控制。执行器的输入信号是一个脉冲信号，当电位高时，电磁铁通电，当电位低时，电磁铁断电。因此汽缸中的平均压力以及节气门开度与压力控制阀控制信号的占空比成正比。执行器活塞上的作用力随汽缸中平均压力的变化而变化，而汽缸中的平均压力则通过快速通断压力控制阀来控制。执行器的输入信号是一个脉冲信号，当电位高时，电磁铁通电，当电位低时，电磁铁断电。因此汽缸中的平均压力以及节气门开度与压力控制阀控制信号的占空比成正比。选择节气门执行器时，应使节气门执行器的频率响应与车速传感器的频率响应基本一致，以保证整个巡航控制的协调运行。（6）辅助装置，其中主要包括巡航控制状态指示灯、诊断检测连接器、与发动机控制的通讯联络、工作电源和保护电路等。第3章 巡航控制系统的硬件设计3.1 硬件设计概述硬件设计方面，为使设计划尽可能合理，系统的电路设计考虑了一下原则：（1）尽可能选用标准化、模块的典型电路，提高设计的可靠性核结构的合理性。在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。应为采用这种器件可能代替某一部分电路，不仅可以减少器件数量和相互联系，使系统可到性增加，而且在一定的情况下可以降低成本。（2）在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。因为采用这种器件可能代替某一部分电路，不仅可以减少元器件数量和相互连线，使系统可靠性增加，而且在一定的情况下可以降低成本。（3）悬着通用性强、市场货源充足的原器件，尤其对需求批量生产的场合，更应注意。其优点是：一旦某种器件无法获得，也能用其他元件直接替代或对电路稍作改动后，用其他元件代替。（4）在对硬件系统总体结构进行考虑时，同样要注意通用性的问题，尽量将复杂的系统模块化，即对中央控制单元、输入接口、输出接口、人机接口等分块进行设计，然后采用一定得连接方式将其结合成一个完整的系统。（5）系统的扩展几个功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。实际上，电路设计一次成功而不做任何修改的情况是很少的，如果在设计支撑位留有任何余地，后期很可能因为一点小小的改动或扩展而被迫进行全面返工。（6）设计时应尽可能的多做些调研，采用最新的技术，因为电子技术发展迅速，原件跟新换代快，市场上不断推出性能更优，功能更强的芯片，只有时刻注意这方面的发展动态，采用新技术、新工艺，才能使产品更优先的性能。（7）在电路设计中，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力。因为不同的电路有不同的驱动能力，对后及系统的输入阻抗要求也不一样，如果阻抗匹配不当，系统驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无法工作。值得注意的是，这种不可靠很难通过一般的测试手段来确定，而排出这种故障往往需要对系统做较大的调整，因此要注意增进系统的驱动能力并减少系统的功耗。巡航控制系统的电子控制单元现采用PIC16F873单片机。执行器采用直流电动机。PIC16F873根据设定车速、实际车速以及其他输入信号按照一定的程序完成所有的数据处理后，产生一个输出信号来驱动直流电动机而改变节气门的开度。利用实际车速与设定车速的偏差，通过多次的迭代计算得出一个修正量，进一步修正控制器输出的控制量，从而使实际车速更趋近于设定车速。当一旦出现人为干预的情况（例如踩踏制动踏板、踩踏离合器踏板、变速器挂入空挡、拉近驻车制动等），巡航系统确保驾驶人员的操作优先，截取巡航工作状态；当车辆的速度超出人为设定的范围以及其他情况时，巡航系统也能自动停止工作，以确保车辆的安全。当系统要接通或断开大功率负荷时，暂停一切数据采集工作，带干扰过去后再恢复进行，这比单纯在硬件上采取抗干扰措施要好得多。为了安全，在设计上将制动开关u节气门执行器直接相连，这样弹踩下制动踏板时，在停止单片机恒速控制程序的同时，将巡航控制系统与节气门拉索断开。系统的硬件框图如图3.1所示。它主要由微处理器、电源电路、离合器和直流电动机驱动电路、保护电路和输入信号处理电路等部分组成、PIC16F873微处理器使系统的核心，有关驱动电路、输入信号处理电路在后面讲座详细的讨论。车速传感器等也是巡航控制系统的重要组成部分，汽车巡航控制系统所需要的传感器主要包括车速传感器、节气门位置传感器、制动踏板传感器、离合器踏板传感器等。图3.1 巡航控制系统的硬件框图车速传感器速度信号是车辆巡航控制系统最重要的输入信息之一。车速传感器将产生的车速信号输送给巡航控制ECU，作为实际车速反馈信号，以实现定速行驶功能。因此，要求车速传感器通常与车速表驱动装置相连，如果车速表是电子式的，他所用的车速传感器给出的信号可直接用作巡航控制ECU的反馈信号，而不必为巡航控制系统另设定车速传感器，车速传感器有光电式、霍尔感应式、磁阻式等多种结构形式，这里采用霍尔感应式。在汽车新航控制系统中，节气门位置传感器给出的节气门位置信号。节气门位置测量采用电位器式脚位移传感器，其输出电压经过A/D转换器转换为数字量，再送入微处理器进行处理。制动踏板传感器安装在制动踏板下，取制动灯开关信号，用以获取制动踏板动作信号。离合线踏板传感器安装在离合器踏板下，用于获取离合器踏板动作信号，该信号位开关信号。3.2 开关量的处理制动开关有手制动和脚制动两种。其中，脚制动开关信号的电平转换电路如图3.2所示。脚制动开关是当开关接通时为低电平，开关断开时为高电平。图3.2 脚制动开关信号的电平转换电路手制动开关信号的电平转换电路如图3.3所示。手制动开关是在接通时为高电平，断开时为低电平。图3.3 手制动开关信号的电平转换电路硬件电路中，除脚制动开关和手制动开关外，空挡开关、设定键、加速键、减速键、取消键等均为开关量，电路结构如图3.2或3-3所示。3.3 车速信号处理熟读信号是巡航控制系统最重要的信号之一，如果速度信号失常，巡航控制系统就不能正常工作，甚至发生事故。该控制系统利用PIC16F973微处理器的16位定时/计算器TMR2和连接到这个定时器上的扑捉与比较寄存器来测得车速信号。由于单片机能识别的信号电压范围是0 5V,而汽车上的电源是12V，所以需要在测车速之前，将这些速度信号转换电子信号。如果速度传感器输出信号为正弦波，还应对信号进行整型处理。在测量车速时，如果信号齿一周有Z个齿，信号每转一周，则产生Z个脉冲。这里采用频率法来测量车速。在单位时间内，根据脉冲发生器脉冲的个数来计算脉冲的频率。用频率法时车速为：式中，N为每秒钟内传感器产生的脉冲数，Z为信号齿的齿数，Io为主传动比，R为车轮半径，T为脉冲的采样周期。3.4 电动机的驱动汽车自动巡航控制系统的执行器是直流电动机，直流电动机的驱动选用L298驱动芯片驱动，驱动电路如图3.4所示，图1.15中的二极管VD1-VD4应选用快恢复二极管。双串桥的驱动可以接受TTL电平，图中门电路具有驱动能力。图3.4 执行机构的驱动电路表1.1为图1.15的真值表，由真值表1.1可知，只有当EN-ABLE为高电平，IN1和IN2脚电平不同时执行机构才动作。图中的电阻 R1是用来检测电动机的工作电流的。表1.1 真值表3.5 PWM控制PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通-关断把直流电压变成脉冲列，并通过控制电压脉冲欢度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频的目的的一种控制技术。直流电动机的PWM控制技术可用不同的控制手段来实现，如使用专用集成PWM控制器，或者使用微处理器进行控制，也可以使用集成PWM控制器与微处理器相配合的方法等。接口设计中最大的挑战是处理动态问题，最重要的是直通电流、二极管阶跃、地段反冲等。（1）直通电流，该电流包括两种成分，最明显的使续流二极管的反向恢复电流。图1.16中，上桥臂左边管子VF导通，右边管子VF截止，下桥臂右边管子VF是脉宽调制的。当其导通时，电流从正级干线流过，然后通过的续流二极管返回干线。当再一次导通时，反向恢复电流将从的续流二极管拉出。这个电流明显是从电源正级流到地将电动机旁路的直通电流。当4个开关管中任何一个在桥电路中被脉宽调制与其续流二极管相反时，这种现象就会发生，并且这时PWM频率与电动机电感足够大，以至于电动机电流在关断期间不会随减到零。除了反向恢复电流之外，另外还有一个电流称为PWM中断电流，它是通过开关交换时产生的。当桥电路中一个场效应晶体管导通时，其相对的场效应晶体管的漏极被快速拉到地，这样加在漏极上的di/dt会引起一个流过栅极到漏极电容的电流，对栅极来说，看上去是输入电流。这个电流通过栅极驱动的关断阻抗返回原极。通过驱动阻抗乘以du/dt电流而产生的电压可以讲栅极正偏。如果该电压超过了这个关断的场效应晶体管的导通门限，那么这个误导通就会产生直通电流。如果低端的场效应晶体管是脉宽调制的，则du/dt就加到了有释放电阻的高端场效应晶体管上。如果释放电阻是有缘开关便且可以近似为零，那么高端场效应晶体管栅极保持为高端干线电压，这时不存在PWM中断电流。但如果释放电阻有几百欧，那么当此场效应晶体管导通时，其栅极会被下拉到足够低以允许误导痛的出现。当这种情况发生时，PWM中断电流会从电源流到地，使电动机短路。他有可能比二极管方向恢复电流以好几倍，并占总直通电流的较大部分。（2）二极管阶跃，由无导通引起的直通电流也有利的一面，电流值过大是不需要的，但存在大于零的一个最佳点。原因是MOSFET的楼院二极管本质上的阶跃的，即其导通和截止使突变的。没有误导痛的作用，二极管阶跃会在直通电流中产生过大的di/dt。通过允许一小部分误导通电流流动，二极管的柔性度会增加，结果使EMI特征明显改善。如果释放电阻为0欧姆，直通电流完全是反恢复电流。即使导通转换很慢，反向恢复的阶跌仍很厉害，释放电阻增加到470欧姆，电流和时间就会有和大的变化，很明显是由于误导通产生了大量的附加直通电流。同样，尽管误导通直流电流很大，它既具有柔和度并且是过阻尼的。这个柔和度表明了设计策略就是通过有意设计出足够大的误导通电流使反响介于恢复特征柔性化，以取得性能和功能的总体平衡。事实上，这个方法达到了良好的效果。（3）低端反冲，即使有以上所描述的方法，在有20kHz或更高频率的PWM信号时，电动机驱动中di/dt仍会相当大，以致有可能产生寄生电压。任何由FET开关产生的di/dt都会在这此寄生电感上产生电压 。假设电动机电流通过二极管是任意的，那么当EFT导通时，流过寄生电感生的di/dt/是正向的。但当二极管恢复时，改变方向的di/dt会在寄生电感上产生负电压。它通过FET栅源电容可以耦合到集成电路上。由于电容两端的电压不回即可改变，所以负尖脉冲会很快的耦合到集成电路上。由于大多数集成电路采用了结隔离，所以任何值大于二极管压降负向尖脉冲都有可能使结隔离区正偏，这样会产生可知的后果。可行的解决办法是将集成电路输出钳位，限制寄生地电感的值或使di/dt最小。3.6 离合器的驱动离合器的驱动电路如图3.5所示，离合器的一段接下2V电源，另一端接离合器的驱动输出，9014晶体管是NPN的，IRF3205是N沟道MOSFET，高电平导通。因此用了两个晶体管。 图3.5 离合器的驱动电路3.7 硬件可靠性的设计3.7.1 影响硬件可靠性的因素硬件可靠性设计的主要内容是抗干扰设计，巡航控制系统的主要干扰源有：（1）电源和接地干扰，电源干扰主要有过电压、欠电压、尖峰电压等，一般有电源引线、内阻和电感电动势引起，是危害最严重的干扰源之一。过电压、欠电压一般持续时间较长，将影响芯片的正常工作，引起测量精度的下降，甚至造成系统的毁坏，并对微处理器系统的正常运行危害很大，会使逻辑功能紊乱，产生误导动作，使程序不能正常运行。接地干扰是由于导线在不同的接地点接地时，导线电阻使得两接地点的电位不同，存在电位差，这种干扰主要影响监测精度。（2）发动机点火系统的干扰，火花塞有10kV左右高压放电，其中电流持续时间短，幅值大的部分叫做容性放电电流。容性放电电流通过火花塞高压线等传播，发射高频电磁波产生脉冲电压，这是产生干扰的主要来源之一。随着空性放电电流的增加，干扰也增大。（3）I/O通道的干扰，I/O通道中长线传输，尤其是在系统的主振频率不断提高时，将成为通道干扰的主要因素。整个巡航系统控制但由于各传感器和执行机构的连线由机械位置决定，长线传输使用较多。脉冲在长线传输是会出现衰减等通道干扰。（4）外部干扰，车外手法两用机之类的无线电设备、雷达和广播电台发射的强力电磁波，也会改让电子控制系统工作。以上干扰源产生的干扰窜入电控系统主要渠道有：通过电磁辐射窜入系统，产生空间干扰；通过与微处理器项链的前向通道、后向通道和相互通道窜入系统，产生过程通道干扰；由电源窜入系统，产生供电系统干扰。对于一个控制系统来说，抗干扰设计可以从两方面进行，可采取硬件措施抗干扰，也可采取软件措施抗干扰。绝大多数情况下，抗干扰设计应该同时用这两方面的措施来进行。3.7.2 硬件设计采用的抗干扰措施（1）电源和接地系统的抗干扰措施，汽车上采用蓄电池的内阻很小，是较理想的电源。大功率电路可能引起蓄电池的电压波动，抗干扰措施的一种反方是采用DC-DC就换系电源，给微处理器供电，即将12V的直流电逆为交流电，经变压器隔离，再经过整形、滤波和稳压，输出5V直流电压。由于变压器将前、后级电源和地隔离开，使得大功率信号英气的钱级电源电压波动不会影响到后级，从而保证微处理器系统的正常工作，但这种方法成本较高，现在采用高性能的专用三段稳压器设