汽车巡航控制系统的设计.doc

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（毕业论文） 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 ABSTRACTAutomotive 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 systems 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目 录摘 要IABSTRACTII第1章 巡航控制系统的简述11.1巡航系统11.2巡航控制系统的分类11.3巡航系统的基本用途11.4电子式多功能定速巡航系统的特点11.5电子式多功能定速巡航系统功能21.6多功能定速巡航系统各功能的工作原理21.7故障保险功能2第2章 巡航系统的结构与工作原理42.1汽车巡航控制系统的构成42.1.1汽车巡航控制系统的结构及作用42.2汽车巡航控制系统的工作原理72.3汽车巡航控制系统的功能82.4系统可扩展性、可靠性和抗干扰性92.5巡航控制系统分类及优点102. 5.1巡航控制系统的分类102.5.2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113.1汽车受力分析113.2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164.1巡航控制系统硬件设计概述164.2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285.1巡航控制系统的优点285.2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306.1基本组成及功能306.2真空系统306.3真空调节器316.4胶鼓离合器和进气调节装置326.5分离开关和真空解除阀326.6控制电路33总结34致 谢35参 考 文 献3635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30180km/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。 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(ONOFF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(SETCOAST)、取消(CAN，CEL)和恢复加速(RESACC)档。通常情况下，当车速超过40kmh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。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40kmh以下、160kmh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：(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标准和汽车行业标准。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40kmh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2kmh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35kmh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。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；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 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。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：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。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AD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速信号。由于单片机能识别的信号电压范围是05V，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05V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。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VD1VD4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。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didt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dudt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dudt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didt。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。如果释放电阻为0，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470，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didt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didt是正向的。但当二极管恢复时，改变方向的didt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didt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：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。IO通道的干扰 IO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