汽车巡航控制系统的设计

汽车巡航控制系统的 毕 业 设 计(论文) (说 明 书) 题 目: 汽车巡航控制系统的设计 姓 名: 、、、 编 号: 、、、工业职业技术学院 年 月 日 、、、工业职业技术学院 毕 业 设 计 (论文) 任 务 书 姓名 、、、 专业 汽车运用技术 任 务 下 达 日 期 年 月 日 设计(论文)开始日期 年 月 日 设计(论文)完成日期 年 月 日 设计(论文)题目: 汽车巡航控制系统的设计 A?编制设计 B?设计专题() 指 导 教 师 、、、 系(部)主 任 年 月 日 、、、工业职业技术学院 毕业设计(论文)答辩委员会记录 机械工程 系 汽车运用技术 专业，学生、、、 于 年 月 日 进行了毕业设计(论文)答辩。 设计题目: 汽车巡航控制系统的设计 专题(论文)题目: 指导老师: 、、、 答辩委员会根据学生提交的毕业设计(论文)材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 、、、 毕业设计(论文)成绩为 。 答辩委员会 人,出席 人 答辩委员会主任(签字): 答辩委员会副主任(签字): 答辩委员会委 员: ， ， , ， ， ， 、、、工业职业技术学院毕业设计(论文)评语 第 页 共 页 学生姓名: 、、、 专业 汽车运用技术 年级 2009级 毕业设计(论文)题目: 汽车巡航控制系统的设计 评 阅 人: 指导教师: (签字) 年 月 日 成 绩: 系(科)主任: (签字) 年 月 日 毕业设计(论文)及答辩评语: 摘 要 巡航控制系统就是无需驾驶员操纵油门踏板即可将汽车车速自动控制在驾驶员设置的目标速度上，从而减轻驾驶员的疲劳强度，提高行驶舒适性，使汽车工作在发动机有利转速范围内的汽车自动行驶装置。汽车巡航控制系统目前主要运用在中高级轿车上，而普通型轿车几乎都没有安装该系统。随着中国高速公路建设、汽车工业的不断发展和我国家用经济型轿车数量的逐渐增长，从安全、节能、环保等因素考虑，在普通型轿车上安装汽车巡航控制系统有非常重要的意义。 本文根据巡航控制系统的工作原理，从多方面进行了分析、计算。对巡航控制系统的主要零部件进行了设计，完成了电动执行器部件电磁离合器的详细尺寸计算，并进行了校核，画出了电磁离合器的零件图、装配图。 按照离合器的转距、功率大小对电动机进行了选择。然后画出了电磁离合器与电动机的装配图。根据巡航控制系统ECU的设计对车速传感器的进行了选型。在电路图设计过程中，首先选取了合适的单片机，然后绘制了各个功能的电路图，对整个巡航控制系统的电路原理图进行了设计。最后根据所设计的电路原理图和本设计要实现的功能画出了程序流程图，编辑了巡航控制系统的主要程序。本文基本上对汽车巡航控制系统的主要部件做出了比较完整的设计，使巡航控制系统能在普通型轿车得到应用。 关键词:巡航控制，单片机，电磁离合器，电路原理图，主程序 I ABSTRACT Automotive cruise control system is a device which can make the automobile run with the required constant speed without the control of the accelerograph, and let the engine work with a advantageous rotate speed. So it can allay the driving fatigue and improve the ride comfort. Now the cruise control system is common used on middling and advanced cars but not preva lent on the common ones. With the development of freeway and the automobile industry, the increase of private cars, and also considered the safety performance and environment protection, so it is full of momentous significance to use the cruise control system on the common cars. This paper has finished extensive calculation and analysis by the theory of the cruise control system. And designed the system’s main components, finished the calculation of the size of the electromagnetic clutch which belong to the electric controlling element, and also finished the detail drawings and assembly drawing. In the paper, it select a electromotor according to its power and the torque of the electromagnetic clutch, then finished the assembly drawing about the electromotor and clutch. The type of speed is chosen by the design of ECU of automotive cruise control system. In the process of the design of schematic circuit diagram, it selects a proper SCM firstly, and the draw the circuit diagram of each function. This paper designed a schematic circuit diagram for the system of cruise control. At last, this paper designed a flow chart for the program. This paper has basically made an integrated design for the main components of the cruise control system. So the popularization of the cruise control system will be used on the common cars. Key words:cruise control, Single-Chip Microcomputer(SCM), electromagnetic clutch, circuit elements fig, main procedure II 目 录 摘 要 ...................................................... I ABSTRACT .................................................. II 第1章 巡航控制系统的简述 .................................. 1 1.1巡航系统 .................................................................................................................1 1.2巡航控制系统的分类 ..............................................................................................1 1.3巡航系统的基本用途 ..............................................................................................1 1.4电子式多功能定速巡航系统的特点 .......................................................................1 1.5电子式多功能定速巡航系统功能...........................................................................2 1.6多功能定速巡航系统各功能的工作原理 ...............................................................2 1.7故障保险功能 .........................................................................................................2 第2章 巡航系统的结构与工作原理 ............................. 4 2.1汽车巡航控制系统的构成 ......................................................................................4 2.1.1汽车巡航控制系统的结构及作用 ........................................................................4 2.2汽车巡航控制系统的工作原理 ..............................................................................7 2.3汽车巡航控制系统的功能 ......................................................................................8 2.4系统可扩展性、可靠性和抗干扰性 .......................................................................9 2.5巡航控制系统分类及优点 .................................................................................... 10 2. 5.1巡航控制系统的分类 ........................................................................................ 10 2.5.2巡航控制系统的优点 ......................................................................................... 10 第3章 汽车巡航控制系统的数学模型 .......................... 11 3.1汽车受力分析 ....................................................................................................... 11 3.2控制器模型的建立 ................................................................................................ 11 第4章 巡航控制系统硬、软件设计概述 ........................ 16 4.1巡航控制系统硬件设计概述 ................................................................................ 16 4.2巡航控制系统软件设计概述 ................................................................................ 25 第5章 巡航控制系统的优点及使用注意事项 .................... 28 5.1巡航控制系统的优点 ............................................................................................ 28 5.2巡航控制系统使用的注意事项 ............................................................................ 28 第6章 典型巡航控制系统简介之电控真空控制式巡航控制系统 .... 30 6.1基本组成及功能 ................................................................................................... 30 III 6.2真空系统 ............................................................................................................... 30 6.3真空调节器 ........................................................................................................... 31 6.4胶鼓离合器和进气调节装置 ................................................................................ 32 6.5分离开关和真空解除阀 ........................................................................................ 32 6.6控制电路 ............................................................................................................... 33 总结 ...................................................... 34 致 谢 ..................................................... 35 参 考 文 献 ............................................... 36 IV 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第1章 巡航控制系统的简述 1.1巡航系统 定速巡航系统(CRUISE CONTROL SYSTEM) 缩写为CCS，又称为定速巡航行驶装置，速度控制系统,自动驾驶系统等。其作用是:按司机要求的速度合开关之后，不用踩油门踏板就自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。采用了这种装置，当在高速公路上长时间行车后，司机就不用再去控制油门踏板，减轻了疲劳，同时减少了不必要的车速变化，可以节省燃料。 1.2巡航控制系统的分类 随着汽车技术的不断发展，目前定速巡航主要非为三大类: 1(机械拉线式定速巡航器(适用于油门控制方式采用机械拉线式控制的车辆) 2(电子式定速巡航器(适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆) 3(电子式多功能定速巡航系统(适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆) 1.3巡航系统的基本用途 1(车速设定:车速在30—180km/h范围内，当按下车速调置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保 持这速度行驶。 2(消除功能:当踩下制动踏板、离合器踏板或手动暂停后，巡航功能立即解除，但巡航速度值会暂存在控 制模块中。 3(恢复功能:当按恢复开关，刚能恢复原来的车速。 4(手动调速功能:巡航状态下，可通过巡航按键或手柄调整车速。 1.4电子式多功能定速巡航系统的特点 由于汽车技术的发展，越来越多的拉线式节气门控制方式快速的被电子式节气门控制方式多代替。拉线式定速巡航器主要由控制开关、控制组件(巡航电脑)伺服器(机械执行机构)组成。定速巡航系统的工作原理，简单地说就是由巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，从而发出指令由伺服器机械的来调整节气门开度的增大或减小，以使车辆始终保持所设定 1 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 的速度。电子式多功能定速巡航系统摒除了拉线式定速巡航器的机械控制部分，完全采用精准电子控制，使控制更精确，避免了机械故障的风险。 1.5电子式多功能定速巡航系统功能 目前市场上电子式多功能定速巡航器主要有以下几个功能: 1(定速巡航功能 2(电子节油功能 3(油门加速功能 4(限速设定功能 5(刹车故障报警功能 如今一些高端配置的车上，还具有智能控制与前车保持安全距离的功能等等。功能在不断的增加，这也代表着汽车技术的快速猛进的发展～ 1.6多功能定速巡航系统各功能的工作原理 定速巡航功能，主要是通过巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，通过精准的电子计算发出指令，保证车辆在设定速度下的最精准供油量。 电子节油功能，主要是通过智能优化控制节气门的开启角度与开启时间，有效屏蔽电子油门传感器由于颠簸路段及不良驾驶习惯形成的杂乱信号，经过精确计算喷油量，使燃油得到最充分燃烧，来实现节油。 油门加速功能，主要是通过提高节气门响应灵敏度实现的，当系统发现司机有加速意愿时，会驱动节气门尽可能快的打开，这样就使油门响应的敏感度得到了提高。在油门踏板被踩下时，控制器会根据踩下幅度、时间计算油门信号的变化率，变化越快，说明加速要求越强烈，最终实现油门响应速度更快，整车的动力感会明显增加，能够让司机感觉到整车动力大大提升。 限速设定功能，通过控制器，根据限定的速度值，设定输出油门信号最大值，当油门输出信号超不过设定的最大值，来实现限制速度的目的。 刹车故障报警功能，通过采取刹车电路的信号，当刹车电路或刹车保险故障时，会通过告警的方式对司机进行提示。 1.7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 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 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。 3 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第2章 巡航系统的结构与工作原理 2.1汽车巡航控制系统的构成 汽车电子自动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)、汽车制动开关、执行器等组成。其结构如图所示。 图2-1 汽车电子自动巡航控制系统 2.1.1汽车巡航控制系统的结构及作用 1(巡航控制开关主控开关一般为杆式开关，安装在转向柱上驾驶员容易接近的地方，或将组合开关设计在方向盘上。大多数开关有三个档位:设置,减速(SET,COAST)、取消(CAN，CEL)和恢复,加速(RES,ACC)档。通常情况下，当车速超过40km,h时，只要按下设定键，车辆就会记住当前的车速并保持定速行驶，当按下取消键时，恒速行驶立即停止。“恢复,加速”档用于制动或换档断开电路后，使车辆重新按设定速度行驶。汽车在自动巡航控制状态下，可以通过按加速键提高车速，或按减速键来降低车速。 2(巡航控制ECU 用于接收各种传感器送来的信号，再经计算、加工处理后，向执行器发出指令，控制执行器的动作。 3(空档启动开关 用于向巡航控制ECU传送空档信号(即变速器操纵杆处于空档位置的信号)，以使汽车立即退出巡航控制状态。 4(制动开关 用于向巡航控制ECU传送制动信号(即驾驶员踩下制动踏板的信号)，以使汽车迅速退出巡航控制状态。 5(车速传感器 车速传感器一般安装在变速器的输出轴上，这是因为实际车速与变速器输出轴转速成正比。车速传感器有磁感应式、霍尔式、光电式等多 4 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 种结构形式，但简单常用的是磁感应式。 6(节气门位置传感器节气门控制摇臂位置传感器，用于监测节气门控制摇臂的位置，并将信号传送给巡航控制ECu。 7(执行器 执行器又称伺服器，其作用是受巡航控制ECU的控制驱动与节气门拉索并联的拉线盘，用于调整节气门的开度，使车辆作加速、减速及定速行驶。执行器常分为电动式和真空式(气动式)两种，下面分别加以介绍。 (1)电动式执行器:电动式执行器结构如图所示。 图2-2电动式执行器结构 电动式执行器主要由电动机、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。电动机转动时可带动执行元件控制臂转动，控制臂通过控制拉索改变节气门开度。为限定控制臂转动角度，电动机电路装有限位开关。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，此时电动机旋转可使节气门开度改变;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。在电动式执行器中还装有位置传感器，它是一个由滑动变阻器构成的电位计，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。 (2)真空式执行器:真空式执行器的结构框图如图8-7所示。密封圆筒内装有膜片、膜片弹簧、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 5 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 的搭铁线分别接到巡航控制ECU的端子上，在ECU内部搭铁时，电磁阀起作用。真空电磁阀内部有一个真空管接头，通过一根橡皮管与进气歧管相连。在膜片的中间装有拉动节气门的拉索。真空式执行器是利用发动机进气歧管的真空度吸引膜片，通过节气门拉索，使节气门开度增大，并可保持固定位置不动。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2-3真空式执行器的结构框图 真空式巡航控制系统的结构原理,在巡航控制系统未工作时，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。当汽车加速时，真空电磁阀打开，与进气歧管相通，而两个空气电磁阀则关闭，密封圆筒内真空度增大，吸动膜片，克服弹簧力，通过拉索使节气门开度增大，车辆加速行驶。当加速到一定车速时，真空电磁阀与空气电磁阀同时关闭，此时密封圆筒内的真空度不变，汽车保持恒速行驶。当汽车减速时，空气电磁阀又恢复为打开状态，此时空气进入密封圆筒，膜片弹簧把膜片压回原位，节气门开度减小，汽车减速。 6 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 图2-4真空式巡航控制系统的结构 2.2汽车巡航控制系统的工作原理 图2-5是一种典型的才闭环汽车电子巡航控制系统原理框图。由图8-9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;另一个是实际车速的反馈信号。ECU将这两种信号进行比较，得出误差信号，经放大、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，以修正实际车速，从而将实际车速很快调整到驾驶员设定的车速，并保持恒定。 图2-5真空式巡航控制系统的结构 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。汽车在平坦、上坡与下坡路面上行驶时的车速与节气门开 7 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 度的关系如图2-6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，使发动机功率升高，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8-10，系统进行巡航控制时，若在平坦路面上车速为v0时，按下设定开关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，使节气门开度从O点变为A点，使车速稳定在v0点，重新取得动力平衡。当遇到下坡时，行驶阻力减小，巡航控制系统调节节气门的开度由O点变到B点，使车速保持在v0点取得平衡。因此，即使行驶阻力发生变化，车速也只在很小范围内变化，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。 图2-6车速与节气门开度的关系v 若使控制线呈现垂直状态，则车速的波动(控制误差)减小到零，这样一来，行驶阻力的微小变化都会引起节气门开度的变化，由于响应过度灵敏，容易产生游车。因此，应综合考虑控制误差与游车问题，选择合适的控制线斜率。 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，使巡航控制系统停止工作。 2.3汽车巡航控制系统的功能 汽车巡航控制系统的主要功能如下: 8 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) (1)恒速行驶功能 汽车自动巡航即指汽车在行驶时，驾驶员即使不踏加速踏板，汽车仍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。 (2)加速、减速功能 车辆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，则设定速度减小，此为减速功能。 (3)取消、设定功能 如果踏下制动踏板或操纵巡航控制的解除开关，则可自动解除巡航功能。如果重新按下设定开关，汽车进入巡航状态。 (4)自动选、换档功能 在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶所可能遇到的阻力，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规律或动力性规律稳定行驶。 (5)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或档位在二档以下等，驾驶员启动了巡航开关，巡航控制系统应防止类似的误操作，并具有报警的功能。 2.4系统可扩展性、可靠性和抗干扰性 系统必须在国家认定的检测机构完成各种型式试验并有相应的试验报告，系统必须在国家认定的可靠性试验机构完成各种可靠性试验并有相应的试验报告，系统必须符合相关国家和汽车行业标准。 电磁兼容性是衡量系统能否推广应用和进入市场的先决条件之一，也是确保系统稳定性和数据安全性的必备条件。电磁兼容性一方面要求系统对周围环境所产生电磁干扰降至最低;另一方面又要求自身在严重电磁干扰的恶劣环境下，仍能保持正常工作。 同其他工业控制现场相比，汽车电子产品的工作环境温度范围大(-40一+125?)，电磁干扰和其他电子噪声强，环境恶劣，为此在设计电路时，要充分考虑电磁敏感度(EMS)和电磁干扰(EMI)，采取必要的抗干扰措施。 硬件方面采用电磁兼容设计，重点考虑静电场、磁场和传输线路及电路引入的干扰。 稳压电源设计中，考虑到由于蓄电池与汽车交流发电机、起动机、点火线圈相连，不仅电压波动大，而且含有尖峰脉冲，对Ecu干扰很大，因此必须采用宽范围的稳压设计，并加入电源电压监测、“看门狗”(watchdog)等电路。传输介质采用带屏蔽的双绞线，以减少电磁干扰。 软件方面采用避错和容错等技术，对信号进行软件滤波，设计上电复位抗干 9 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 扰程序，运用失效保险等技术设计抗瞬间干扰程序;并且发生错误时，ECU还可根据出错种类进行处理。 2.5巡航控制系统分类及优点 2. 5.1巡航控制系统的分类 目前汽车上使用的巡航控制系统分为机电式巡航控制系统和电子式巡航控制系统。与机电式巡航控制系统不同之处是电子式巡航控制系统用电子控制系统来设定和维持所选择的速度。 2.5.2巡航控制系统的优点 电子式巡航控制系统的控制精度高，并具有下列优点: (1)一般在行驶速度达到40km,h以上时系统就可以工作。 (2)速度控制模块采用数字方法测量速度，将汽车固定在设定的速度上，并将系统动作时汽车的精确速度储存起来。 (3)系统每秒钟能调节节气门多次，使汽车速度维持在2km,h的波动范围内。 (4)在汽车动力允许的情况下，汽车爬坡时，能维持恒定的速度，并做出微小的调整。 (5)电子式巡航控制系统能提供精确的控制，通过合上设定开关，能使系统以3,5km,h的稳定增量变化。 (6)当预定的减速度发生时，即使没有踩制动踏板，迅速减速停车功能将使系统关闭。 10 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第3章 汽车巡航控制系统的数学模型 3.1汽车受力分析 汽车种类很多，不同汽车自身速度传递系统的数学模型不尽相同，但总的来说是相似的。图3-1为坡路上行驶汽车的受力图。图中，Fe是引擎动力;θ是坡路与水平面的夹角;Fh为重力分量;Fd是摩擦力;Fr是空气阻力;m为汽车的质量;x为汽车的位移。 图3-1坡路上行驶汽车的受力图 3.2控制器模型的建立 11 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 为了使汽车巡航控制系统达到车速控制的要求，选择哪种控制原理和采用什么控制算法是非常重要的问题。PID控制是一种最普通的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用。在模拟控制系统中，PID控制系统原理框图如图3-2所示。 图3-2 PID控制系统原理框图 PID控制器各校正环节的作用如下: (1)比例环节 根据控制系统的偏差信号e(t)，并按一定的比例产生控制作用，以减少误差。 (2)积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时问常数T1,T1越大，积分作用越弱，反之，则越强。 (3)微分环节 能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 12 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 在数字计算机控制系统中，使用数字PID控制器，数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(8-6)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(8-6)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以 和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换: 13 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了 14 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) KP,KI、KD，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由式(8-13)或式(8-15)求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量?u(k)对应的是本次执行机构位置(例如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量,控制量增量的积累 比较位置式PID及增量式PID控制框图可以看出，位置式PID数字调节器的输出u(k)为全量输出，每次输出与过去的状态有关，需要对e(k)进行累加，因此造成计算机运算工作量大，而且计算机的任何故障都会引起执行机构大幅度的变化。而对增量式PID控制算法而言，虽然在算法上改动不大，却带来不少优点，当计算机只输出增量时，计算机误动作造成输出变化也小，控制状态的切换冲击也小，算式中不作累加运算，增量只跟最近的几次采样有关，所以非常容易获得很好的控制效果。但增量式算法的理想微分环节容易引进高频干扰，导致调节性能不稳，所以有些控制系统仅采用PI控制环节。 15 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第4章 巡航控制系统硬、软件设计概述 4.1巡航控制系统硬件设计概述 1.为使硬件设计尽可能合理，系统的电路设计考虑了以下原则: (1)尽可能选用标准化、模块化的典型电路，提高设计的可靠性和结构的合理性。 (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)选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其对需大批量生产的场合，更应注意。其优点是:一旦某种元器件无法获得，也能用其他元器件直接替换或对电路稍作改动后，用其他元器件代替。 (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，然后采用一定的连接方式将其结合成一个完整的系统。 (5)系统的扩展及各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作任何修改的情况是很少的，如果在设计之初未留有任何余地，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)设计时应尽可能地多做些调研，采用最新的技术，因为电子技术发展迅速，元器件更新换代快，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，才能使产品具有最先进的性能。 (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，对后级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，而排除这种故障往往需要对系统作较大的调整，因此要注意增加系统的驱动能力并减少系统的功耗。 2.本章介绍的巡航控制系统的电子控制单元采用PICl6F873单片机。执行器采用直流电动机。PICl6F873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开度。为了安全，在设计上将制动开关与节气门执行器直接相连，这样当踩下 16 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 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4-2所示。 图4-1系统的硬件框图 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。PICl6F873微处理器是系统的核心，有关驱动电路、输入信号处理电路在后面将作详细的讨论。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。 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，要求车速传感器必须准确、可靠地提供信号，且易于与微处理器接口，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，它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。 在汽车巡航控制系统中，节气门位置传感器给出的节气门位置信号是对发动机进行闭环控制的一个重要信号。节气门位置测量采用电位器式角位移传感器，其输出电压经过A,D转换器转换为数字量，再送人微处理器进行处理。 制动踏板传感器安装在制动踏板下，取自制动灯开关信号，用于获取制动踏板动作信号。离合器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，该信号为开关信号。 3.信号的采集和处理 (1)车速信号的采集和处理 速度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PIC16F873微处理器的16位定时,计数器TMR2和连接到这个定时器上的捕捉与比较寄存器来测得车 17 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 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成0,5V的电压范围。如果速度传感器输出信号为方波，其转换电路如图8-16所示。如果速度传感器输出信号为正弦波，还应对信号进行整形处理。 在测量车速时，如果信号齿一周有ZG个齿，信号齿每转一周，则产生ZG个脉冲。这里采用频率法测量车速。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 图4-2 频率法时车速 式中N，为每秒钟内传感器产生的脉冲数;ZG为信号齿的齿数;i0为主传动比;R为车轮半径;T为脉冲的采样周期(s)。 (2)开关量的处理 制动开关有手制动和脚制动两种。其中，手制动开关信号的电平转换电路如图4-3所示。手制动开关是当开关接通时为低电平，开关断开时为高电平。 脚制动开关信号的电平转换电路如图4-3所示。脚制动开关是在接通时为高电平，断开时为低电平。 硬件电路中，除手制动开关和脚制动开关外，空档开关、设定键、加速键、减速键、取消键等均为开关量，电路结构类同于图8-17或图8-18所示。 18 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 图4-3电路结构 (3)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8-19所示，图8-19中的二极管VD1,VD4应选用快恢复二极管。双全桥的驱动可以接受TTL电平，图中的门电路具有驱动能力。 表4-1为图4-3的真值表，由真值表8-1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。 19 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 表4-1 真值表 (4)PWM控制 PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成脉冲列，并通过控制电压脉冲宽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、地端反冲等。 ?直通电流 该电流包含两种成分。最明显的是续流二极管的反向恢复电流。图8-20中，上桥臂左边管子VF1导通，右边管子VF2截止，下桥臂右边管子VF4是脉宽调制的。当其导通时，电流从正极干线流过VF1，然后通过VF2的续流二极管返回干线。当VF4再一次导通时，反向恢复电流将从VF2的续流二极管拉出。这个电流明显是从电源正极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 20 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 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衰减到零。 图4-4直通电流 除了反向恢复电流之外，另外还有一个电流被称为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源极。通过驱动阻抗乘以du,dt电流而产生的电压可以将栅极正偏。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。如果释放电阻是有源开关并且可以近似为零，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通出现。当这种情况发生时，:PWM中断电流会从电源干线流到地，使电动机旁路。它有可能比二极管反向恢复电流大好几倍，并占总直通电流的较大部分。 ?二极管阶跃 由误导通引起的直通电流也有有利的一面，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的漏源二极管本质上是阶跃的，即其导通和截止是突变的。没有误导通的作用，二极管阶跃会在直通电流中产生过大的di,dt。通过小心地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。 21 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 如果释放电阻为0Ω，直通电流完全是反向恢复电流。即使导通转换很慢，反向恢复的阶跃仍很厉害，释放电阻增加到470Ω，电流和时间就会有很大的变化，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，它仍具有柔和度并且是过阻尼的。这个柔和度表明了设计策略。这个策略就是通过有意设计出足够大的误导通电流使反向阶跃恢复特征柔性化，以取得性能上的总体平衡。事实上，这个方法达到了良好的效果。 ?地端反冲 即使有以上所描述的方法，在有20kHz或更高频率的PWM信号时，电动机驱动中的db/dt仍会相当大，以致有可能产生讨厌的寄生地电压。任何由FET。开关产生的di,dt都会在这些寄生地电感上产生电压。假设电动机电流通过二极管是任意的，那么当FET导通时，流过寄生电感上的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的栅源电容可以耦合到栅极驱动集成电路上。由于电容两端的电压不会即刻改变，所以负尖脉冲会很快地耦合到集成电路上。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的负向尖脉冲都有可能使结隔离区正偏，这样会产生不可知的后果。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。 (5)离合器的驱动 离合器的驱动电路如图4-5所示。离合器的一端接12V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4-5 离合器的驱动电路 3.硬件可靠性的设计 (1)硬件可靠性设计的主要内容 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: 22 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) ?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，一般由电源引线、内阻和感应电动势引起，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。尖峰电压持续时间短，幅值较低的尖峰干扰一般不会毁坏系统，但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，这种干扰主要影响检测精度。 ?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,。随着容性放电电流的增加，干扰也增大。 ?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。整个巡航系统控制单元与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。脉冲在长线传输时会出现衰减等通道干扰。 ?外部干扰 车外收发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，也会干扰电子控制系统工作。 以上干扰源产生的干扰窜入电控系统主要渠道有:通过电磁波辐射窜人系统，产生空间干扰;通过与微处理器相连的前向通道、后向通道和相互通道窜人系统，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，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。 (2)巡航控制系统硬件设计主要采用的抗干扰措施 ?电源和接地系统的抗干扰措施，汽车上采用的蓄电池的内阻很小，是较理想的电源。大功率电路可能引起蓄电池的电压波动，抗干扰措施的一种方法是采用DC-DC变换器电源，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，使得大功率信号引起的前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端稳压器设计的也很多。由于车用蓄电池还用于汽车点火，而且电动机和电磁阀驱动电路中感性负荷较多，可能引起电源电压的大幅度波动，因此可以在电 23 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 源的输入端跨接较大电容量的无极性电容，在各集成电路芯片的电源和地线之间接人去耦电容。 对于接地来说，各电路接地线应尽可能短而粗，以使地电位不随电流变化而变化，从而提高系统的抗干扰性能;电平低的电路应距地最近，以减少地电位的影响;数字地线和模拟地线分开;有高速逻辑电路，又有线性电路时，应尽量使它们分开，两者的接地不要相混，应分别与电源地线相连接。 ?抑制发动机点火系统干扰，点火系统高压部分干扰源的抑制是采用高压阻尼线，可取得良好的抗干扰效果。把高压导线做成带电阻的，使整条高压导线有数千欧的电阻值，因此高压导线的电感与寄生电容不能引起高压波峰辐射，可以对于扰电平产生抑制作用。在点火线圈正极和接地端间接人一金属壳电容器，以抑制一次点火回路的干扰。 ?I,O通道的抗干扰措施，为了克服长线传输引起的信号失真，主要措施有光隔离、合理布线等。 采用光隔离技术可以将微处理器系统与前向通道和后向通道的电路联系切断，有效地防止干扰从通道进入控制系统。光隔离器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰，从而使通道信噪比大大提高。光隔离器在密封条件下实现输入回路与输出回路的光耦合，不会受到外界光的干扰。输入回路与输出回路之间分布电容极小，而且绝缘电阻很大，因此回路一边的干扰很难通过光隔离器馈送到另一边去。 利用光隔离器实现输出端的通道隔离时，还需注意被隔离的通道两侧必须使用各自独立的电源，即用于驱动发光二极管的电源与驱动光敏晶体管的电源不应是共地的电源。对于隔离后的输出通道必须单独供电。否则，如果使用同一电源就失去了隔离的意义。对巡航系统中的执行器的驱动电路就可以采用光耦合器来防止车上强电磁干扰。 合理布线也是I,O通道的抗干扰措施的一个重要方面。为防止线间窜扰，必须将强、弱信号线分开;高、低压信号线分开;电源线与信号线分开;传输线应尽量短且远离大功率器件;采用双绞线，因双绞线传输的波阻抗高，能使各个小环路的电磁感应互相抵消。 ?外部干扰的抗干扰措施。对外部干扰的抗干扰主要措施有静电屏蔽(如导体接地)和电磁屏蔽(如采用导线包围式对反射进行吸收)。电磁屏蔽的具体措施有功率源远离主机、长地线套金属软管、信号线采用屏蔽传输线、采用金属壳体对外部强大电磁场进行屏蔽等。另外，还需对印制电路板实行板间隔离。 ?地线设计是一个很重要的问题。在微处理器应用系统中，地线结构大致有 24 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地、模拟地等。在设计时，数字地和模拟地要分开，分别与电源端地线相连。 ?对系统中用到的元器件要进行筛选，要选择标准化以及互换性好的元器件或电路。 ?单片机进行扩展时，不能超过其驱动能力，否则将会使整个系统工作不正常。 ?CM0s电路中不使用的输入端不允许浮空，否则会引起逻辑电平不正常，易接受外界干扰产生误动作。在设计时，根据实际情况，将多余的输入端与正电源或地相连接。 4.2巡航控制系统软件设计概述 4.2.1汽车巡航控制系统程序设计的要求 巡航控制系统的信号采集、控制量输出，以及控制决策的确定等各项功能都要通过软件编程来实现。控制系统中的应用软件是根据系统的各项功能要求而设计的。它首先应该可靠地实现控制系统的各项功能。软件设计的主要原则是: 1、软件设计与硬件设计综合进行。在软件设计中，应充分发挥单片机的高性能潜力，进行硬件的软化，以减少控制系统硬件电路元器件的数量，降低系统的造价和提高系统的可靠性。尽量实现硬件的软化， 2、各功能程序实现模块化、子程序化，这样便于程序的调试、移植和修改。同时，大量重复使用的程序设计模块在各处可进行调用，因此可节省大量的程序存储空间。 3、对程序存储区和数据存储区进行合理规划，以提高程序运行速度，有效地利用程序存储空间。 4、在系统程序设计中，同时进行抗干扰设计。软件抗干扰也是提高控制系统可靠性和抗干扰的有效措施。 4.2.2汽车巡航控制系统的程序流程 25 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 图4-6汽车巡航控制系统的程序流程 巡航控制过程如图4-6所示。在汽车电子巡航控制系统中，车速信号反馈至电子控制器，并与指令车速进行比较，因而系统工作在闭环控制方式，采用的控制方法如前所述。通过对单片机编程来实现转速、节气门的双闭环控制，使车速在允许的误差范围内保持稳定。 其中，涉及的模块主要有初始化模块、启动判断模块、执行器驱动模块、中断模块等。初始化模块包括对单片机的初始化和对执行机构进行调整。单片机的初始化主要完成对单片机引脚输入输出的设定、A,D转换工作方式的设定。此 26 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 外，系统软件还包括按键状态检测程序、微调车速程序、恢复巡航程序、解除巡航程序、A,D采样程序、车速采集程序。 车速传感器采集车速信号，单片机首先判断车速信号的大小是否在可巡航的范围内，如车速在可巡航的范围内，驾驶员按下设定键后，车速就设定在这个值上。每隔一段时间就会检测一下实际车速与设定车速的差值是否在允许误差范围内，若不在，单片机发出命令给伺服电动机，让伺服电动机动作，调整节气门开度，使实际车速接近设定车速。系统同时不断地检测是否有按键按下。若有取消键、空档开关、手制动键、脚制动键其中之一被按下，巡航就被解除。 加速键或减速键被按下后，系统会修改目标车速。恢复键被按下后，车辆重新按设定的速度行驶。如果车速在l s之内的变化过大时，巡航系统也将自动退出控制状态。 4.2.3软件可靠性措施 1、合理“封锁” 由于在实际的系统中强干扰主要是来自系统本身，例如被控负荷电动机的通断、状态变化等，这些干扰是可预知的，在软件的设计中，可采取适当措施避开。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，待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。在适当的地方封锁某些中断源、多个通道的相互封锁，都是避免或减弱系统内部相互干扰的有效方法。 2、程序失控防护措施 在控制现场中，大多数情况下干扰都不会造成计算机系统硬件的损坏，主要是对软件运行造成不良影响，其主要特征是，指令码和数据码的个别位受干扰而发生跳变，使得程序的执行出现错误，最典型的错误情况莫过于程序计数器发生跳变，结果可能把数据码当成指令码而把指令码当成数据码来执行。这种盲目执行程序的结果，一方面会破坏RAM中的数据，另一方面可能会使程序错乱或进入死循环，使整个系统失控，严重时有可能造成设备的损坏，甚至危及人身安全，所以采取有效的程序失控防护措施，是非常必要的。目前许多中档的单片机都具有“看门狗”电路，该功能主要是针对以上情况采取的硬件、软件结合的抗干扰措施，该措施是行之有效的。对于没有“看门狗”功能的单片机，常采用定时终端等措施来预防上述干扰情况。 27 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第5章 巡航控制系统的优点及使用注意事项 5.1巡航控制系统的优点 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。 5.2巡航控制系统使用的注意事项 1(为了让汽车获得最佳控制，当遇到交通阻塞或在雨、冰、雪等湿滑路面上行驶，或遇上大风天气时，不要使用巡航控制系统。 2(为了避免巡航控制系统误工作，在不使用巡航控制系统时，务必使巡航控制系统的控制开关处于关闭状态。 3(汽车行驶在陡坡时，使用巡航控制系统，会引起发动机转速过大变化，因此最好不要使用巡航控制系统。下坡驾驶时，应避免加速行驶。若车辆的实际行驶速度比设定车速高出太多，则可省略巡航控制装置，然后将变速器换入低挡，利用发动机制动使车速得到控制。 4(汽车巡航行驶时，对装备手动变速器的汽车不应在未踩下离合器踏板时就将变速杆置空挡，否则会造成发动机转速急剧升高。 5(使用巡航控制系统要注意观察仪表板上的CRUISE批示灯是否闪亮，若闪亮 ，则表明巡航控制系统处于故障状态。发现系统故障时，应停止使用巡航控制系统，待排除故障后再使用巡航控制。 6(ECU是巡航控制系统的中枢，对电磁环境、湿度及机械振动等较敏感。 28 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 使用时应注意防潮、防振、防磁和防污染。 29 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第6章 典型巡航控制系统简介之电控真空控制式巡航控制系统 6.1基本组成及功能 电控真空控制式巡航控制系统一般由控制开关、真空系统和控制电路等组成。整个系统的控制目标是节气门。一旦巡航控制系统开启，节气门就被“固定”，轿车在一定的速度上行驶。当车速降低时(车辆上坡)，巡航控制系统控制节气门的开度增大;反之，当车速增高时，节气门会相应减小，使轿车始终按设定的速度等速行驶。 电控真空控制式巡航系统是根据设置的车速传感器，将车速信号输入电子控制装置，由电子控制装置发出控制信号控制真空系统。真空系统由真空调节器、节气门驱动伺服膜盒、车速控制开关和制动踏板上的真空解除开关等部分组成。根据微机上的输出信号，经电磁滑阀可调节控制进入该系统的新鲜空气量，从而能控制作用于伺服膜盒内的真空度。 当车速低时，真空调节器供给的空气量减少，使伺服膜盒内的真空度增加，通过膜片的移动，使节气门开度增大。反之，当车速高于控制车速时，真空调节器供给的空气量就会增加，减小伺服膜盒内的真空度，使节气门开度减小。在正常行驶时，在发动机进气管负压和真空调节器供给定量空气的共同作用下，使伺服膜盒内保持一定的负压，控制汽车按预定的速度稳定行驶。在真空系统工作时，如果驾驶员踏下制动踏板，首先使真空解除阀起作用，切断系统电源，电磁阀断电，真空调节器内部和大气相通，负压消失。在踏下制动踏板的同时，真空解除阀也使系统和大气相通。示出巡航控制系统框图。 6.2真空系统 1(当车速增加到4Okm/h时: 当车速本身速度达到4Okm/h后，随车速增加而转角增大的胶鼓2顺时针旋转(在胶鼓上的凸舌也顺时针旋转)，使下限速度开关11闭合，为接通真空阀9上的线圈做好了准备。 2(将控制开关推到接合位置时: 当车速大于40km/h时，如果控制开关没有接合，真空阀9的线圈没有通电，电磁阀上的真空阀处于稍下面的位置，从发动机进气歧管管路12来的负压，只能到达通气口B。当控制开关接合，电流通过真空阀9的线圈和下限速度 30 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 开关11，使真空阀上移。这时，真空负压通过管路12、通气口B、真空阀9上的碟状阀和通气口A作用于伺服机构15和制动踏板上的真空解除阀14上。伺服机构15将传来的负压变成位移量，通过球链16使节气门17开启到相应的角度而稳定，从而使进气量恒定，车辆以稳定的速度前进。 3(车速的稳定: 车速自动控制系统工作的时候，由于真空阀9的线圈通电，真空阀上移的同时柱塞凸轮10也上移，U形夹端部回缩，弹簧夹住胶鼓，即胶鼓离合器随车速的变化而转动，带动进气调节装置3，使通过空气滤清器8，进入调节装置3而到达5通气口C的空气量发生相应变化。此时，伺服机构15中的真空负压要发生变化，从而改变节气门的开度，使车速相对稳定。 4(巡航控制系统停止工作: 将控制开关推到解除位置时，真空阀9的线圈断电，真空阀下移切断7通气口B，柱塞凸轮下移使胶鼓离合器1分离。7通气口B被切断，使伺服机构15内的负压消失，失去对节气门的控制作用。胶鼓离合器1的分离，使进气调节装置3失去作用。驾驶员踏下制动时，制动踏板臂13随之转动，从而开启真空解除阀14，也使伺服机构的负压消失。制动的同时真空阀9的线圈也断电，保证车速巡航控制系统停止工作。 6.3真空调节器 真空调节器在真空系统中是一个核心部件。它可以分成真空阀、胶鼓离合器、进气调节装置、下限车速开关和磁感应式车速传感器等几个部分。当驾驶员使系统接合时，真空阀动作而提供负压，胶鼓离合器结合使进气调节装置工作，从而控制调整作用于伺服机构的真空负压值，控制节气门位置，保证车辆恒速行驶。 在真空调节器中装有磁感应式车速传感器。从变速器来的软轴驱动传感器，传感器再以1:1的传动比驱动连接车速表的软轴。 从变速器通过软轴传来的动力直接驱动车速传感器的磁铁盘。在磁铁盘对面有一个从动盘，即车速转盘(在其轴和壳体之间连接一个游丝)，在车速转盘的后面又有一个磁场板，从而形成磁铁盘的磁场回路。当磁铁盘转动时，车速转盘切割磁场而形成内部涡流，涡流在磁场的作用下产生力矩，车速转盘旋转一个角度，这个角度正比于车速。车速转盘的轴上不但有一个游丝，而且还和胶鼓的轴连接。磁感应式车速传感器的工作情况和车速表相似，所不同的是车速表使指针转动一个与车速成比例的角度，而车速传感器是使一个胶鼓随车速转动一个角 31 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 度。 6.4胶鼓离合器和进气调节装置 胶鼓的轴和车速传感器的轴是连接在一起的，胶鼓又和进气调节装置中的滑阀接触，胶鼓上还有一个U形弹簧夹。胶鼓的表面有一个凸舌，能使一对触点在车速较低时保持开启。当车速达到40km/h时，胶鼓被从动盘驱动凸舌已转过一定角度，一个有弹簧加载的触点才能和另一触点接触闭合。这时触点和真空阀线圈串联，故车速在4Okm/h以下时，真空调节器不可能工作。此触点就是下限速度开关。 胶鼓和U形弹簧夹组成的胶鼓离合器的离合，起到控制进气调节装置的作用。在真空阀线圈不通电时，柱塞凸轮(上部为圆柱体，下部为锥形)上部使U形夹下端张开，U形夹和胶鼓脱离，即离合器处于分离状态。在真空阀线圈通电后，柱塞凸轮向上移动，使弹簧夹端部回缩，弹簧夹住胶鼓，即离合器处于结合状态。此时，只要车速变化，胶鼓就会随从动盘转动，又因摩擦力的作用而使弹簧夹移动，就如车速表使指针摆动一样。弹簧夹的顶部和一个滑阀连接，滑阀套在一根气管上，气管上有好几个通气口，气管的末端用胶塞封住。当真空阀在选定车速通电后，如车速发生变化，滑阀就随胶鼓的转动而在气管上滑动，使通气口开度(即通气面积)发生变化。由于胶鼓转动的方向不同，滑阀使通气口开度加大或缩小。当车速超过预定车速时，滑阀使气管通气口开大，更多的空气由电磁阀下端经过滤清器再通过通气口进入气管，使伺服机构内的真空度下降，从而使节气门开度减小，发动机功率下降。反之，在车速低于预定车速时，滑阀使进气量减小，伺服机构真空度提高，通过节气门的调节使发动机功率增加。当真空阀线圈电流中断时，胶鼓离合器处于分离状态，滑阀不再起调节进气的作用，即进气调节装置停止工作。 6.5分离开关和真空解除阀 分离开关和真空解除阀都装在制动踏板支架上。分离开关实质是一个触点开关，当其上的触点被压进去的时候(制动踏板松开状态)，开关处于接通状态;当触点松开时(制动踏板被踩下状态)，开关处于关断状态。显然，当踩下制动踏板时，此开关断开，从而切断真空阀线圈的电流回路，使巡航控制系统停止工作。 32 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 真空解除阀是一个单向的空气阀，当踏下制动踏板时，单向空气阀开启，空气通过此阀进入管路，使伺服机构真空负压消失，停止控制节气门。相反，真空解除阀不能开启，伺服机构真空负压控制着节气门，使巡航控制系统正常工作。 6.6控制电路 1(当车速低于4Okm/h时，胶鼓的转动还不能使下限速度开关10闭合;而车速超过40km/h时，胶鼓上的凸舌使下限速度开关10闭合，为电流进入真空阀线圈做好了准备。 2(当巡航控制系统没有工作，控制开关处于保持位置时，电流从蓄电池正极流过点火开关2、保险丝3、制动分离开关5和控制开关到达D点，然后再经过40Ω电阻7和保持接线柱9达到真空阀线圈。由于电阻的作用，经过真空阀线圈的电流不够大，因此，真空调节器不能工作。 3(驾驶员将控制开关置于接合位置时，电流从蓄电池正极经过1点火开关2、保险丝3、制动分离开关5和控制开关到达B点，然后再经过接合接线柱8和下限速度开关10达到真空阀线圈，此时，真空阀动作。在真空调节器工作的同时，真空阀中的柱塞移动还接通了车速控制指示灯回路的指示灯开关11，电流通过指示灯4、指示灯接线柱6和指示灯开关11到接地。指示灯亮，说明巡航控制系统开始工作。 4(巡航控制系统开始工作后，驾驶员松开控制开关，此时，电流又经过40Ω电阻7进入真空阀线圈。由于柱塞已被吸人，电流的减小并不影响真空阀的正常工作，即较小的电流仍能使柱塞保持在吸人位置。这样设计的电路可以减小能耗。 5(当驾驶员将控制开关置于解除位置时，电流通过点火开关2、保险丝3和制动分离开关5，只能到达A点，而不能到达B点和D点。这时真空阀线圈断电，真空调节器停止工作，整个巡航控制系统退出工作状态。 6(当驾驶员踩下制动踏板，首先制动分离开关5断开，真空阀线圈的电路被切断，真空调节器停止工作;第二真空解除阀开始工作，真空负压消失，伺服机构对节气门失去控制作用，整个巡航控制系统解除工作。 33 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 总结 时间渐渐地流逝，毕业的日子渐渐来临，在我的努力下毕业设计逐渐地完成了，这里有我的汗水也有着老师的指导。在没有做毕业设计之前，觉得做个毕业设计也没什么困难，但当做起来时才发现这是多么困难的事情，很多知识都需要自己去寻找、分析、判断，然后根据自己的结论去总和，但是写出的东西又老觉得漏洞百出，缺少很多的精髓，然而在老师的指导下和周边同学的探讨中，我的毕业设计终于完成了，终于有种如释重负的感觉，终于体会了“万事开头难”这句名言的含义。 通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来子午胎的发展方向，使自己在专业知识方面有了质的飞跃。 毕业设计可以说是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，它包含我所学的专业知识，又包含了我通过查询各种相关资料得到的知识，在我对所学知识理论做出总结的同时，又培养和提高我独立分析和解决问题的能力。 34 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 致 谢 在这段时间的认真复习，悉心思索，终于在规定时间的最后时刻完成了关于汽车巡航控制系统。 在为期一个月的时间里，我翻遍了我的资料书，反复计算，设计。当然，在这期间得到了辅导老师和细心的提点与耐心指导，也得到同学的热心帮助。 一个人在两个月完成这次设计不可谓不艰辛，然而，我从这短短时间内学到了许多在大学期间都没来得及好好学的关键内容，而且在实践中运用，更是令我印象深刻，深切体会到机械这门课程并非以前所想像的那样纸上谈兵。所有理论、都是为实践操作而诞生的。 通过老师的悉心指导和自己的认真学习，刻苦分析，查阅相关资料，最终做完了毕业设计。我还要感谢我的父母和家人，父亲的严格要求是不断鞭笞我前进的动力，母亲的慈爱与支持是我永远的港湾，我只希望我能有足够的时间与精力，给他们带去尽可能多的希望和欣慰。 在此，我再次感谢在这次设计中对我有帮助的老师和同学。 35 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文) 参 考 文 献 【1】党宏社,赵广社,韩崇昭.汽车巡航控制用传感器进展 [J]传感器技术, 2002, (01) . 【2】薛玲,王旭东,李晓艳,李洪波. 基于PIC16F873汽车巡航控制系统的实验与仿真分析[J]哈尔滨理工大学学报, 2005, (01) . 【3】李海军,王旭东,周永勤,朱显辉. 基于PIC单片机汽车巡航控制系统的研究[J]哈尔滨理工大学学报, 2006, (02) . 【4】华文林. 浅谈巡航控制系统在现代轿车中的应用[J]黄石高等专科学校学报, 2001, (04) . 【5】胡包钢,应浩. 模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题[J]自动化学报, 2001, (04) . 【6】高建树,王佳,张雄. 汽车巡航速度控制系统的设计[J]中国民航学院学报, 2000, (03) . 【7】王俊敏,张云龙,袁大宏. 汽车数字式巡航控制系统的研制[J]汽车技术, 2000, (08) . 【8】纪光兰. 汽车电子巡航控制系统[J]公路与汽运, 2005, (05). 36