第二节 汽车巡航控制系统控制部件的结构
巡航控制系统由巡航控制开关、传感器、巡航控制ECU、执行器等组成。巡航控制开关和传感器将信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU根据这些信号计算出节气门的合理开度，并给执行器发出信号，调节节气门的开度，保持汽车按设定的车速等速行驶。
一、巡航控制的控制过程
巡航控制系统是一个典型的闭环控制系统。电子控制式巡航控制系统的控制原理如图2-4所示。输入巡航电控单元（CCS ECU）的信号有两个：驾驶人根据行驶条件，通过巡航开关设定的巡航车速指令信号；车速传感器输入的实际车速反馈信号。
图2-4 巡航控制系统的基本控制原理
当巡航车速指令信号和实际车速反馈信号输入CCS ECU后，CCS ECU的比较器A经过比较运算便可得到两个信号之差，称之为误差信号。误差信号经过比例运算和积分运算后，再经过放大处理就可得到控制节气门开度大小的控制信号，CCS ECU将控制指令发送给执行机构，执行机构就可驱动节气门拉索调节发动机节气门开度的大小，将实际车速迅速调节到驾驶人设定的车速值，从而实现恒速控制，即实现巡航控制。
在控制过程中，当实际车速低于驾驶人设定的巡航车速值时，CCS ECU将向执行机构发出增大节气门开度的指令，使实际车速升高到巡航车速。反之，当实际车速高于驾驶人设定的巡航车速值时，CCS ECU将向执行机构发出减小节气门开度的指令，使实际车速降低到巡航车速，从而使实际车速基本保持在驾驶人设定的巡航车速值不变。
二、巡航控制开关
1.巡航控制开关
巡航控制开关是巡航控制系统的主要控制开关，其功用是将恒速、加速或减速、恢复原速以及取消巡航行驶等指令信号输入CCS ECU，以便CCS ECU确定是否进行恒速控制。
巡航控制开关实际上是一个类似于风窗玻璃刮水与洗涤开关的组合手柄开关，一般都由“MAIN”（主开关）、“SET/COAST”（设置/巡航）、“RES/ACC”（恢复/加速）和“CAN-CEL”（取消）4个功能开关组成。巡航开关一般都安装在转向盘右下侧偏上位置，并随转向盘一同转动，以便于驾驶人操作。在驾驶人转动转向盘的同时，即可用右手（或左手）手指拨动组合手柄开关进行巡航控制的有关操作。在每项功能开关的旁边，标注有完成相应功能时开关手柄的操纵方向。
各型汽车用巡航控制开关的工作原理基本相同。但是，巡航开关的外形结构各不相同，在设定巡航功能时，操纵手柄开关的方向也不尽相同，部分车型的巡航控制开关如图2-5所示。
图2-5 各型车的巡航控制开关
a）大众POLO b）丰田RAV4 c）别克林荫大道 d）福特福克斯 e）标致408 f）宝马X6
下面以图2-6所示的丰田雷克萨斯LS400型轿车用巡航开关的外形结构与内部电路为例说明。
（1）主开关（MAIN） 主开关为按钮式开关，设在开关操纵手柄的端部，是巡航控制系统的总开关。当单击一下操纵手柄端部的“MAIN”按钮时，MAIN触点接通，组合仪表盘上的巡航指示灯将发亮指示，此时巡航控制系统处于待命状态，可以进行恒速控制。再次单击“MAIN”按钮时，按钮将弹起，MAIN触点断开，巡航指示灯将熄灭，指示巡航控制系统处于关闭状态，不能进行恒速控制。
由图2-6b所示电路可见，当MAIN触点接通时，CCS ECU的巡航主开关端子CMS（即CCS ECU线束插座上第4号端子）通过主开关触点搭铁CCS ECU得到一个低电平（0V）信号。此时CCS ECU便控制巡航执行机构处于待命状态。与此同时，CCS ECU还要控制巡航指示灯电路接通，使巡航指示灯发亮指示系统所处状态。如果主开关（MAIN）按钮被按下后巡航指示灯不亮，说明巡航控制系统有故障。
图2-6 巡航开关操纵手柄的外形结构与内部电路
a）操纵手柄外形图 b）巡航开关电路图
（2）设定/巡航（SET/COAST）开关 此开关为巡航速度设定开关。将巡航开关操纵手柄向下拨动并保持在向下位置时，巡航速度设定开关即可接通。当设定/巡航开关处于接通位置时，只要按住操纵手柄不动，汽车就会不断加速。当车速达到驾驶人想要的巡航行驶的车速（注：车速应在40km/h以上，低于40km/h不能进行巡航行驶）时松开操纵手柄，手柄将自动复位，此时巡航控制系统就会使汽车以松开操纵手柄时的车速保持恒速行驶。
（3）恢复/加速（RES/ACC）开关 此开关为恢复（RESUME）巡航速度开关。向上拨动操纵手柄时，巡航速度恢复/加速开关即可接通。在汽车以设定的巡航速度行驶过程中，当驾驶人踩下加速踏板超车或踩下制动踏板制动，或将自动变速器变速杆拨到前进档位D位以外的位置时会导致车速升高或降低，如果此时想要恢复到原来设定的巡航车速，只需将巡航开关操纵手柄向上抬起并保持在该位置，使恢复/加速开关保持接通，汽车即可迅速加速或减速并恢复到原来设定的巡航车速行驶。但是，如果行驶车速已经低于40km/h，则巡航车速不能恢复。
（4）取消（CANCEL）开关 此开关为取消巡航的操纵开关。将巡航开关操纵手柄向驾驶人方向拨动时，即可接通巡航速度取消开关来解除巡航行驶。
由图2-6b所示电路可知，设定/巡航（SET/COAST）、恢复/加速（RES/ACC）和取消巡航（CANCEL）3只开关的信号均从同一个端子（即“CCS”端子或18端子）输入电控单元（CCS ECU）。3只开关中的任意一只接通时，都是接通搭铁回路。但是，由于各开关之间连接有不同阻值的电阻，因此，当接口电路以恒流源供给恒定电流时，不同开关接通时输入CCSECU的信号电压并不相同，CCS ECU根据信号电压高低即可判定是哪一只开关接通。
2.解除巡航控制开关
（1）制动灯开关 制动灯开关接通信号的功用是在驾驶人踩下制动踏板接通制动灯电路使其发亮的同时，向CCS ECU输入一个表示制动的信号，CCS ECU接收到该信号后将立即解除巡航控制状态，以便制动器制动将车速降低。
制动灯开关由常闭和常开两个开关组成，如图2-7所示。开关A为常开开关，踏下制动踏板时开关闭合，将制动灯的电源电路接通，制动灯点亮。同时，电源电压经开关A加在巡航控制ECU上，将制动信号输入巡航控制ECU，巡航控制ECU取消巡航控制系统的控制，巡航控制系统停止工作。开关B为常闭开关，当踏下制动踏板时，开关B断开，直接切断巡航控制ECU对巡航控制执行器的控制电路，确保巡航控制系统停止工作。
图2-7 制动灯开关电路
a）丰田Cressida真空驱动执行器 b）丰田陆地巡洋舰电动机驱动型执行器
（2）驻车制动开关 在汽车行驶过程中，当制动系统（防抱死制动系统或常规制动系统）发生故障时，就需要通过操作驻车制动器来降低车速。因此，驻车制动开关接通时的信号必须作为解除巡航控制的输入信号之一。
驻车制动开关又称为手刹，其功用是向CCS ECU输送一个电信号，以便CCS ECU解除巡航行驶状态。当拉紧驻车制动器操纵杆时，驻车制动开关触点闭合，在接通制动警告灯电路的同时，还向CCS ECU输送一个表示驻车制动器处于制动状态的信号（一般为低电平信号），CCS ECU接收到该信号后将解除巡航行驶状态。
（3）空档起动开关 在装备自动变速器的汽车上配装有空档起动开关，安装在自动变速器侧面，由变速杆通过杠杆机构操纵。当变速杆置于N位时，空档起动开关触点闭合，如果此时点火开关接通“起动（START）”档位，则空档起动开关将向发动机ECU输入一个电信号（高电平或低电平信号）。
在汽车行驶过程中接通“空档N位”时，说明驾驶人想要减速停车。因此，在装备巡航控制系统的汽车上，空档起动开关还有一个功用，就是向CCS ECU输入一个电信号，以便CCS ECU解除巡航行驶状态。
（4）离合器开关 在装备手动变速器而不是自动变速器的汽车上，当驾驶人踩下离合器踏板换档时车速就会降低，CCS ECU就会发出指令使发动机转速升高，因此，可能导致发动机超速运转而损坏。为了确保安全，在离合器踏板下面设置有一个离合器开关，开关触点在驾驶人踩下离合器踏板时就会闭合。
离合器开关的功用是当汽车处于巡航状态行驶时，如果驾驶人踩踏离合器踏板（以便变换变速器档位等），离合器开关触点就会闭合，并向CCS ECU输入一个电信号（低电平或高电平信号），以便CCS ECU解除巡航控制状态，同时也便于驾驶人变换变速器档位。
三、巡航控制系统的使用
巡航控制系统如果使用不当，不仅不能充分发挥巡航控制系统的作用，还可能损坏巡航控制系统，甚至危害汽车行驶安全。因此，使用巡航控制系统时应按正确的使用方法进行操作。巡航控制系统的使用，包括设定巡航车速、增加或降低巡航设定车速、取消巡航控制及取消巡航控制后的恢复巡航行驶。
巡航控制系统的使用方法如下：
（1）设定巡航车速 设定巡航车速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（必须高于巡航控制系统工作时的最低车速），将巡航控制开关推至设定/减速位置后放松开关。开关放松时的车速即被巡航控制ECU记忆为设定车速，巡航控制系统开始工作。此时驾驶人可以放松加速踏板，巡航控制系统控制节气门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，此时汽车将逐渐加速。当汽车加速至所希望的车速时，放松巡航控制开关，汽车将按新的较高的设定车速等速行驶。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，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，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1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1次设定/减速开关，车速就降低约1.6km/h。
（5）取消巡航控制 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可以踏下离合器踏板；四是对于装有自动变速器的汽车可以将变速杆置于空档位置。
（6）恢复巡航行驶 如果通过操作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开关，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，CCS ECU将不能恢复巡航行驶。
四、巡航控制电控单元
汽车在20世纪70年代装备的巡航控制系统电子控制单元大多数都是采用模拟电子技术制成的。随着数字电子技术的发展，特别是大规模集成电路和单片机的广泛应用，20世纪80年代开始采用数字式单片机进行控制，目前已全部采用数字式单片机控制。图2-8所示为美国摩托罗拉（Motorola）公司开发研制的数字式巡航控制电控单元电路框图。
图2-8 摩托罗拉数字式巡航控制电控单元（CCS ECU）电路框图
巡航控制系统电控单元又称为巡航电子控制器，其功用是接受车速传感器、巡航开关、制动灯开关、驻车制动开关、空档起动开关或离合器开关、发动机电控单元ECU以及自动变速系统电控单元（ECT ECU）的信号，经过信号转换与处理、数学计算（比例-积分计算）、逻辑判断、记忆存储、功率放大等处理后，向巡航执行机构输出控制指令信号，驱动执行器动作，从而实现恒速控制或解除巡航行驶状态。
数字电路控制系统与模拟电路控制系统的控制原理基本相同，有所不同的是所有输入指令均以数字信号直接存储和处理，此外，它还带有可擦除只读存储器（ROM）的8位微处理器（MCU）。
CCS ECU根据驾驶人操作设定/巡航（SET/COAST）开关输入的设定车速信号、车速传感器输入的实际车速信号、各种开关输入信号以及发动机ECU和ECT ECU输入的信号，按照只读存储器中预先编制的程序进行计算处理之后，向执行机构驱动电路发出指令，驱动执行器（步进电动机或直流电动机、电磁阀等）动作，执行器通过节气门联动机构和节气门拉索等改变节气门开度，使实际车速达到设定的巡航车速，控制流程如图2-9所示。
图2-9 巡航控制流程图
目前，汽车CCS ECU普遍采用大规模或超大规模专用集成电路与单片机组合而成。当汽车上已经装备发动机电子控制系统或自动变速控制系统时，许多传感器（如节气门位置传感器、车速传感器）和控制开关（如制动灯开关、空档起动开关等）的信号可以共享，只需编制控制程序调用该信号即可，因此，可以大大降低系统的硬件成本。
巡航控制ECU接收来自巡航控制开关、车速传感器信号和其他的开关信号，按照存储的程序对巡航系统进行控制。巡航控制ECU有以下控制功能：
（1）记忆设定车速功能 当主开关接通，车辆在巡航控制车速范围内（一般为40～200km/h）行驶时，操作设定/减速开关可以设定巡航车速。ECU将设定的车速存储在存储器内，并将按设定车速控制汽车等速行驶。
（2）等速控制功能 CCS ECU将实际车速与设定车速进行比较，确定节气门是否应该开大或关小，并根据实际车速与设定车速的差值，计算出节气门开大或关小的量，进而对执行器进行控制，保证汽车按设定车速等速行驶。
（3）设定车速调整功能 当汽车以巡航控制模式行驶时，如果将设定车速提高或降低，则只要操作恢复/加速或设定/减速开关，就可以使设定车速改变，巡航控制ECU将记忆改变后的设定车速，并按新设定车速进行巡航行驶。
（4）取消和恢复功能 当汽车以巡航控制模式行驶时，如果接通取消开关或接通任何一个其他退出巡航控制开关，巡航控制ECU将控制执行器使巡航控制取消。取消巡航控制以后，要想重新按巡航控制模式行驶，只要操作恢复/加速开关，巡航控制ECU将恢复原来的巡航控制行驶。
（5）车速下限控制功能 车速下限是巡航控制所能设定的最低车速，不同的车型稍有不同，一般为40km/h。当车速低于40km/h时，巡航车速不能被设定，巡航系统不能工作。巡航行驶时，如果车速降至40km/h以下，则巡航控制将自动取消，且巡航ECU存储器内存储的设定车速将被清除。
（6）车速上限控制功能 车速上限是巡航控制所能设定的最高车速，一般为200km/h，车速超过该数值，巡航控制车速不能被设定。汽车在巡航控制模式行驶时，如果操作加速开关，车速也不能加速至200km/h以上。
（7）安全电磁离合器控制功能 当汽车以巡航控制模式行驶时，如果因为下坡汽车车速高于设定车速15km/h，则巡航控制ECU将切断巡航控制系统的安全电磁离合器使车速降低。当车速降低至比设定车速高出不足10km/h时，安全电磁离合器再次接通，恢复巡航控制。
（8）自动取消功能 当汽车以巡航控制模式行驶时，若出现执行器驱动电流过大，伺服电动机始终朝节气门打开的方向旋转时，则巡航控制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，主开关同时关闭。
在巡航控制行驶期间，若车速下降到低于40km/h，巡航控制系统的电源中断时间超过5ms，巡航控制也被取消，但存储器中设定的速度没有被取消，巡航控制功能可用SET或RES开关恢复。此外，当巡航控制ECU诊断出系统有故障时，将会使巡航控制系统自动停止工作。
（9）自动变速器控制功能 在车辆以超速档上坡行驶时，车速降至超速档切断速度（设定车速减去2km/h）时，ECU自动取消超速档并增加驱动力，防止车速继续降低。当车速升至超速档恢复速度（设定车速减去2km/h）时，约6s后巡航控制ECU恢复超速档。
（10）诊断功能 如果巡航控制系统发生故障，巡航控制ECU的自诊断系统能够诊断出故障，并使仪表板上的巡航指示灯闪烁，以便提醒驾驶人。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。
五、巡航控制执行机构
执行机构又称为执行器。汽车巡航控制系统的执行机构又称为速度伺服装置，其作用是根据CCS ECU的控制指令，通过操纵节气门拉索来改变发动机节气门开度，使汽车加速、减速或保持恒定的速度行驶。
巡航控制系统执行器有真空驱动型和电动机驱动型两种。电动机驱动型采用直流电动机或步进电动机驱动，如丰田系列轿车巡航系统和摩托罗拉巡航系统；真空驱动型采用真空装置驱动，如切诺基吉普车巡航控制系统。
1.真空驱动型执行器
真空驱动型执行器依靠真空力驱动节气门。真空源有两种取得方式：一种是仅从发动机进气歧管取得；另一种是从发动机进气歧管和真空泵取得，如图2-10所示。
图2-10 真空驱动型执行器的控制方法
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
当进气歧管真空度较低时，真空泵参与工作，提高真空度。真空驱动型执行器主要由控制阀、释放阀、两个电磁线圈、膜片、回位弹簧和空气滤清器等组成。
（1）控制阀 控制阀用来控制膜片后方的真空度，以改变膜片的位置，从而控制节气门，如图2-11所示。当ECU给控制阀电磁线圈通电时，与大气相通的空气通道关闭，与进气歧管相通的真空通道打开，执行器内的真空度增加，膜片左移将弹簧压缩，与膜片相连的拉杆将节气门开大；当控制阀电磁线圈断电时，与进气歧管相通的真空通道关闭，与大气相通的空气通道打开，空气进入执行器，膜片右移，节气门关小。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2-11 控制阀
a）控制线圈通电 b）控制线圈断电
（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。释放阀的工作原理如图2-12b所示。
巡航系统工作时，释放阀电磁线圈中有电流通过，与大气相通的空气通道关闭，由控制阀控制执行器内的真空度，从而控制节气门的开度，保持汽车等速行驶。取消巡航控制时，巡航控制ECU使控制阀电磁线圈断电，控制阀与大气相通的空气通道打开，释放阀电磁线圈也断电，与大气相通的空气通道也打开，让空气迅速进入执行器，使巡航控制立即取消。
图2-12 释放阀的结构和工作原理
a）释放阀的结构 b）释放阀的工作原理
（3）真空泵 真空泵由电动机、连杆、膜片和3个单向阀等组成，如图2-13a所示。真空泵的作用是在进气歧管真空度较低时为巡航系统执行器提供真空源。真空泵的工作原理如图2-13b所示，当进气歧管真空度较高时，单向阀A被打开，由发动机进气歧管向执行器提供真空源，真空泵不工作。当进气歧管真空度较低时，真空控制开关检测到真空泵进气室的真空度变化，并将信号送至巡航控制ECU；巡航控制ECU接通真空泵电源，真空泵电动机转动，带动膜片上下往复运动。当膜片向下运动时，膜片上方产生真空，将单向阀B打开，为执行器提供真空源，单向阀A和C关闭；当膜片向上运动时，单向阀B关闭，单向阀C打开，将空气排入大气。
图2-13 真空泵的结构和工作原理
a）真空泵的结构 b）真空泵的工作原理
2.电动机驱动型执行器
电动机驱动型执行器由电动机、传动机构、电磁离合器和电位器等组成，结构如图2-14所示。巡航控制ECU控制电动机的工作，使电动机顺时针或逆时针旋转，从而改变节气门的开度。当ECU控制电动机工作时，电动机轴上的蜗杆带动电磁离合器外圆上的蜗轮旋转。蜗轮通过电磁离合器带动小齿轮旋转，小齿轮带动末端传动齿轮转动。末端传动齿轮通过齿轮轴带动控制臂转动，控制臂上的销轴通过拉索使节气门开大或关小。为了防止节气门完全打开或完全关闭后电动机继续转动，电动机安装了两个限位开关No.1开关和No.2开关，用于控制电动机的转动。电磁离合器的结构及其控制电路如图2-15所示。
图2-14 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拉索之间的联系。当巡航控制ECU给执行器发出控制信号时，电磁离合器和离合板连接；电动机通过蜗杆蜗轮传动和电磁离合器及齿轮和主减速器齿扇的啮合带动控制臂转动，通过销轴拉动拉索使节气门旋转。若取消巡航控制，则ECU使电磁离合器断电分离，节气门不受电动机控制。电位器及其电路如图2-16所示。
图2-15 电磁离合器及其控制电路
a）电磁离合器结构 b）电磁离合器控制电路
图2-16 电位器及其电路
a）电位器结构 b）电位器工作电路
当电动机带动主减速器齿扇转动改变节气门的开度时，主减速器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，电位器就可以产生节气门控制臂位置信号。当对巡航控制系统进行巡航车速设定时，电位器将节气门控制臂信号送至巡航控制ECU，ECU将此数据存储于存储器内，行车中ECU以此数据作为参照控制节气门控制臂，使实际车速与设定车速相符。