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)動機控制微機，由微機控制真空系統(tǒng)工作。這種系統(tǒng)也要使用伺服器、車速控制開關桿和制動踏板上的真空解除開關等，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行駛阻力的變化，自動調節(jié)發(fā)動機油門開度，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擔。
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)行器根據所接收的控制信號調節(jié)發(fā)動機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則設置一條斜率可調整的輸出控制線，用來將這一段時間內的車速誤差降為零。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，因為當車速誤差為零時，行駛阻力的微小變化都將引起油門開度的變化，容易產生游車�！OP
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、傳感器、電子控制器和油門執(zhí)行器四部分組成。各種開關與計算機被配置在車室內；執(zhí)行元件、真空泵則配置在發(fā)動機室內，執(zhí)行元件的控制線纜與加速踏板相聯(lián)接。
1、指令開關，包括主控開關、離合器開關、變速器空擋啟動開關、剎車開關（包括手剎）和電源開關（點火開關）等。
�、僦骺亻_關，它的作用是：控制巡航系統(tǒng)的啟動、關閉、控制調節(jié)巡航工作狀態(tài)。圖 3是凌志（LEXUS）巡航控制的主控開關的操作手柄的外形圖。操作手柄安裝在轉向盤的下方，操縱手柄朝下扳動是巡航速度的設定開關（SET/COAST）向上推則是巡航速度取消開關（CANCEL）朝轉向盤方向扳起是恢復/加速開關（RES/ACC）。
�、陔x合器開關（僅對安裝手動變速器車輛），它的作用是：當汽車在巡航狀態(tài)下行駛，出現駕駛員干預，如變換變速器擋位、制動等情況，駕駛員踩踏離合器踏板，離合器開關既由斷開變?yōu)殚]合，離合器開關的閉合，使電控單元立即自動關閉巡航工作狀態(tài)。離合器開關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械動作，使其閉合。
�、圩兯倨骺論鯁娱_關（僅對安裝自動變速器車輛），它的作用與離合器開關類似。空擋啟動開關的安裝位置緊靠變速器操縱桿，并與變速器操縱桿聯(lián)動，當變速器操縱桿置于空擋時，空擋啟動開關由斷開變成閉合。
④剎車燈開關，它的作用是，當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)。在剎車燈開關中原來常開觸點的基礎上，增加了與之聯(lián)動的常閉觸點，當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。
�、菔謩x車制動開關，它的作用與離合器開關（變速器空當啟動開關）類似。安裝位置緊靠手剎操縱桿并與手剎操縱桿聯(lián)動，當拉手制動時，此開關由斷開變?yōu)殚]合。
⑥點火開關，它的主要作用是通斷取自蓄電池和發(fā)電機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速成正比。車速傳感器有光電式、霍爾感應式、磁阻式等多種結構形式。最簡單且最常用的是磁阻式，其結構如圖 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動，當凸齒位于磁鐵兩極之間時，由于鋼的導磁性能遠高于空氣隙，磁回路磁阻突然減小，從而在傳感線圈中產生一高的脈沖電壓信號。我們注意到變速器輸出軸每轉一周，四個凸齒各通過傳感線圈一次。因此信號處理電路計數一分鐘內傳感線圈中的電壓脈沖數并除以4就可得到r/min表示的變速器輸出軸轉速。
設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應大大高于整個系統(tǒng)的頻率響應，以免傳感器對系統(tǒng)的頻率響應產生很大影響。
�、诠�(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)動機電控的傳感器共用。
�、酃�(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，目前應用較多的是滑線電位計式。當節(jié)氣門控制搖臂轉動時，電位計與之轉動，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變?yōu)闄C械運動，進而控制節(jié)氣門的開度，最終達到控制車速的目的。執(zhí)行器有電動和氣動操縱兩種形式。
�、贇鈩臃绞酱蠖嗖捎糜羞M氣歧管真空度控制的氣動活塞式結構。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，彈簧力使油門關閉。當執(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)行器汽缸與進氣歧管連通。由于進氣歧管內為真空，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動從而使油門平順漸進地打開�；钊系淖饔昧﹄S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Ve電位為高時，電磁鐵通電；當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，應使油門執(zhí)行器的頻率響應與車速傳感器的頻率響應基本一致，以保證整個巡航控制系統(tǒng)的協(xié)調運行。
�、陔妱訖C式類型，電動機式的節(jié)氣門執(zhí)行器的工作，是利用電動機的轉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、直流電動機或步進電機等。直流電動機是連續(xù)運轉，它的運轉速度與電控單元供給它的電壓平均值有關；它的運轉或停止，由電控單元輸出的電壓“有”或“無”來決定；它的運轉方向，由電控單元輸出的電壓方向決定。步進電機的工作，是對其通電一次，電機軸就轉過一定的角度。
電磁離合器的作用是，當電磁離合器通電時，電動機的軸與節(jié)氣門控制搖臂結合在一起，當電磁離合器斷電時，電動機軸與節(jié)氣門控制搖臂分離，使節(jié)氣門受到電動機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�？刂破魇钦麄�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，其原理圖如圖 5所示。
整個控制器采用了四個運算放大器，每個放大器都有自己特定的用途。運算放大器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用作運算放大器2和3的輸入。運算放大器2是一個放大倍數為Kp=－R2/R1的線性放大器，由于R1是可變的，因此放大倍數可以調節(jié)。運算放大器3是一個積分器，其放大倍數為KI=1/（R3）C。R3是可變電阻，因而KI也可調。運算放大器3產生一流向電容C的電流，其電流與流經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VI是大于O還是小于O而上下變化，僅當誤差恰好為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。因為只要出現小的誤差就會引起VI變化從而予以修正。當然，實際上為了避免游車現象，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。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算放大器4迭加在一起。運算放大器4將電壓Vp和VI相加并將運算結果反相。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。運算放大器4產生一模擬電壓輸出Vs。這個模擬電壓必需先轉換成脈沖信號才能驅動油門執(zhí)行器。為此采用了一個將模擬電壓轉換為電壓脈沖信號的轉換器。轉換器的輸出Vc直接驅動執(zhí)行器的電磁線圈。TOP
有兩個開關S1和S2。指令開關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行檢測。運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。當點火開關斷開，控制器斷開或制動踏板踩下時，開關S2就會自動將系統(tǒng)斷開。當駕駛員接通指令速度開關S1時，開關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械聯(lián)動的控制閥。這樣當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。
隨著數字電子技術的不斷發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路及微機技術的推廣，采用數字技術代替模擬技術已成為一種發(fā)展方向。進入80年代后，美國、日本的電子巡航控制系統(tǒng)已全部采用數字技術控制器。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據處理之后產生一輸出信號驅動步進電機改變油門開度。每種車型最平順的加速度和減速度由設計者編程確定。安全上將制動開關與油門執(zhí)行器直接相連，這樣當踩下制動踏板時，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閉。TOP
與模擬系統(tǒng)相比較，數字電路的突出優(yōu)點是系統(tǒng)中的信號以數字量表示。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的大規(guī)模集成電路技術做成專用集成塊，也可在微機上編程實現。特別是汽車上當別的系統(tǒng)已有控制用微機時，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：
�、倏焖夙憫芰�；
�、诤玫南到y(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Kp和KI選擇合適就可以使系統(tǒng)具有快速響應和高精度且無不穩(wěn)定和震蕩現象，因此電子巡航控制系統(tǒng)的設計重點是確定合適的控制器放大倍數。
