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文檔簡介
1、基于PIC16F873單片機(jī)汽車巡航控制系統(tǒng)的研究摘要隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,汽車的普及面越來越寬,人們對汽車的安全性和舒適性有了更高的要求。汽車巡航控制系統(tǒng)可以減輕駕駛員的壓力,提高駕車的舒適性,具有重要的研究意義。本文綜述了國內(nèi)外汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展方向,介紹了巡航控制系統(tǒng)的構(gòu)成和基本原理,在學(xué)習(xí)已應(yīng)用的各種控制方案如PID控制、模糊控制、迭代學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)上,提出了一種將模糊控制和PID控制有效結(jié)合的模糊PID控制方案,模糊PID控制根據(jù)操作人員的實踐經(jīng)驗,運(yùn)用控制規(guī)則模糊化,對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,克服了PID控制和模糊控制在實際應(yīng)用中的局限性,取得了理想的控
2、制效果。以轎車為對象,分析汽車行駛過程中受到的各種外力,利用軟件MATLAB建立了汽車仿真模型、控制器模型及整個巡航控制系統(tǒng)的模型,仿真并對結(jié)果進(jìn)行分析。設(shè)計了系統(tǒng)硬件電路,介紹了汽車巡航控制系統(tǒng)中所用到的微控制器和電源芯片及驅(qū)動控制芯片。提出了系統(tǒng)主程序的設(shè)計思想,給出了系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)流程圖和子程序如車速采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、電機(jī)控制程序的結(jié)構(gòu)流程圖。完成了軟件的編制并在實驗室所搭建的巡航控制平臺上進(jìn)行了調(diào)試,結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的巡航控制命令,且效果理想。關(guān)鍵詞:巡航控制;傳感器;驅(qū)動電路;一、巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1.1 巡航控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外汽車巡航控制系統(tǒng)起
3、步很早,其發(fā)展過程主要經(jīng)歷了三個階段:第一階段是上世紀(jì)60年代至70年代中期,早期的汽車巡航控制系統(tǒng)主要是機(jī)械式和氣動機(jī)械式巡航控制系統(tǒng)。例如,日本豐田公司從1965年起就開始在車上裝用機(jī)械式巡航控制系統(tǒng)。之后,德國的VDO公司也研制出了氣動機(jī)械式巡航控制系統(tǒng)。而1968年德國奔馳公司開發(fā)了晶體管控制的巡航控制系統(tǒng),并在莫克利汽車上裝用,這期間美國和日本相繼出現(xiàn)了以模擬電路為基礎(chǔ)的汽車巡航控制系統(tǒng)。第二階段是上世紀(jì)70年代中后期至80年代中后期,以數(shù)字信號為主的控制系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展,特別是大規(guī)模集成電路及單片機(jī)的應(yīng)用。出現(xiàn)了以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的巡航控制系統(tǒng)。如1974年美國魯卡斯汽車研
4、究中心研究出了性能完善的運(yùn)用衛(wèi)星雷達(dá)的數(shù)字車速/車距控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)路面狀況的變化。日本日野(Hino)公司于1985年投放市場一種基于燃油經(jīng)濟(jì)性的車速控制系統(tǒng),其控制框圖如圖1-1所示,其控制部分是基于數(shù)字式微處理器。美國摩托羅拉公司也研制了一種采用微處理器控制的巡航控制-2-系統(tǒng),這種系統(tǒng)的所有輸入指令以數(shù)字形式直接存儲和處理,微處理器根據(jù)指令車速、實際車速以及其他輸入信號,按給定程序完成所有數(shù)據(jù)處理,并產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號輸出,改變節(jié)氣門開度,每種車型的最佳加速度和減速度由編程人員決定。從安全上考慮,將制動開關(guān)與節(jié)氣門執(zhí)行器直接相連,這樣,當(dāng)踩下制動踏板時,在斷開巡航控制
5、的同時,將執(zhí)行器的動力源斷開,從而使節(jié)氣門迅速脫離巡航控制系統(tǒng)的控制。與模擬技術(shù)相比,數(shù)字系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是系統(tǒng)的信號量以數(shù)字表示,受工作溫度和濕度的影響較小,因此數(shù)字控制具有更高的穩(wěn)定性。汽車自動巡航控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的大規(guī)?;虺笠?guī)模集成電路技術(shù)做成專用模塊,也可在微處理器上編程實現(xiàn)。當(dāng)汽車上其他系統(tǒng)已有控制微處理器時,只要修改一下程序便可將此功能附加上去,因而可節(jié)省昂貴的硬件開支。第三階段,從上世紀(jì)90年代開始,國外又開始發(fā)展以智能化為核心的汽車自動巡航控制系統(tǒng)和以定距離控制為主的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。1990年美國魯卡斯公司研制出一種自動恒速智能控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了連續(xù)調(diào)頻波雷達(dá),通過雷達(dá)
6、來探測前方車輛與本車的距離,通過處理單元計算出相對車速與距離,并將該信息提供給電控單元,通過執(zhí)行器控制節(jié)氣門來控制車速。之后,該公司又針對暴露的問題加以改進(jìn),在美洲虎牌轎車安裝了新的自動恒速控制系統(tǒng),并對控制節(jié)氣門與制動器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作了改進(jìn),微波雷達(dá)安裝在前保險杠內(nèi),通過塑料車牌照發(fā)射微波探測信號。目前國外很多專家都在研究自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(Self-adaption CruiControl System,簡稱ACCS)。這種巡航控制系統(tǒng)主要由測速裝置、轉(zhuǎn)向角傳感器、車速傳感器、制動ECU(Electronic Control Unit)和發(fā)動機(jī)ECU等組成。當(dāng)?shù)缆非闆r良好時,該系統(tǒng)就是普通的
7、巡航控制系統(tǒng),可以按設(shè)定車速巡航行駛;當(dāng)距另一輛車距離較近并相對車速較高時,通過巡航控制系統(tǒng)控制制動器減速。情況正常后將自動恢復(fù)原先的車速,如果前方車輛減速,AC便操縱制動器來維持一定的車距,從而避免了汽車的追尾。國外開始研究一種半自主式的巡航控制系統(tǒng)。此種巡航控制系統(tǒng)能夠很快地應(yīng)用于公路上,同時能夠保持人工操縱和自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的共存。其研究的理論結(jié)果表明,此種控制具有更高的控制精度。綜合利用仿真、分析和實驗結(jié)果對人工駕駛和具有自適應(yīng)控制系統(tǒng)的汽車進(jìn)行了比較,從得到的數(shù)據(jù)和信息可以知道,具有巡航控制系統(tǒng)的汽車能對駕駛員提供重要的輔助作用,對行駛安全性提供了一種主動安全技術(shù)。目前不少車輛,特
8、別是高級轎車已經(jīng)把巡航控制系統(tǒng)作為配備設(shè)備或備選設(shè)備。例如美國別克(BUICK)、凱迪拉克(CADILAC)、協(xié)和(CONCORD)、紐約人(NEW YORKER)、克萊斯勒(CM等均裝用了巡航控制系統(tǒng)。而日本高速公路的迅速發(fā)展使得巡航控制系統(tǒng)的裝車率也不斷得到提高,如日本皇冠(CROWN)、佳美(CAMRY)、凌志(LEXUS)等。歐洲的奔馳(BENZ)、寶馬(BMW)以及我國的紅旗轎車等均裝有巡航控制系統(tǒng)。由于國內(nèi)汽車起步較晚,并且就目前我國公路狀況和實際應(yīng)用來說,對汽車巡航控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要是以單車定速控制為主。目前,模擬汽車恒速控制器在我國已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用。例如:江蘇省某巡航設(shè)備
9、廠生產(chǎn)的XD型汽車定速系統(tǒng)是一種機(jī)電式汽車巡航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用汽車發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的真空度作動力,通過簡單的機(jī)電結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速,使其產(chǎn)生的真空度保持最小的變化。然而該機(jī)電式巡航控制裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單,卻有控制精度不高,穩(wěn)定性不強(qiáng)等特點(diǎn)。國內(nèi)有多所高校和科研單位從事汽車自動巡航控制系統(tǒng)的研究,控制系統(tǒng)的硬件核心部件采用不同型號的單片機(jī),控制策略多采用PID調(diào)節(jié)方式,也有人將模糊控制算法應(yīng)用于巡航控制系統(tǒng)10,模仿駕駛員駕駛汽車的情況,根據(jù)目標(biāo)車速與實際車速之間的偏差及路面情況,利用自己的經(jīng)驗,決定加速踏板的變動量,從而使汽車車速趨近于目標(biāo)車速。12 汽車巡航控制的發(fā)展方向汽車巡航控制自2
10、0世紀(jì)70年代起各大汽車廠家都爭相研制并裝在較高級-4-的轎車上,到了20世紀(jì)80年代中末期,由于微處理器在汽車上的廣泛應(yīng)用和高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展11,使得它更加完善。到上世紀(jì)末起,以及目前展出的21世紀(jì)汽車,該系統(tǒng)真可謂日臻完善,系統(tǒng)電路集成化水平提高,控制模塊體積精巧,多路傳輸系統(tǒng)日漸成熟,自檢系統(tǒng)更準(zhǔn)確有效。但是若使該系統(tǒng)步入普通家用轎車家族,還存在著一些問題。雖然系統(tǒng)多用模塊控制,但造價昂貴;限速太高,一般系統(tǒng)都必須在40 km/h以上才起作用;檢修雖方便,但需較高的技術(shù)。隨著汽車技術(shù)和現(xiàn)代公路交通的迅速發(fā)展,下一代的智能交通系統(tǒng)即將出現(xiàn),其中汽車巡航控制系統(tǒng)將發(fā)展為自適應(yīng)巡航控制系
11、統(tǒng),進(jìn)一步采用集中微處理器控制,降低系統(tǒng)的成本1213。具體的說,它是將汽車自動巡航控制系統(tǒng)和車輛前向撞擊報警系統(tǒng)FCWS(Forward Collision Warning System)有機(jī)地結(jié)合起來,既有自動巡航功能,又有防止前向撞擊功能,駕駛員可通過設(shè)置在儀表盤上的人機(jī)交互界面啟動或清除ACC系統(tǒng)1415。啟動ACC系統(tǒng)時,要設(shè)定汽車在巡航狀態(tài)下的車速和與前方車輛間的安全距離,否則ACC系統(tǒng)將自動設(shè)置為默認(rèn)值,但所設(shè)定的安全距離不可小于設(shè)定車速下交通法規(guī)所規(guī)定的安全距離。當(dāng)車輛前方無行駛車輛時,汽車將處于普通的巡航行駛狀態(tài),ACC系統(tǒng)按照設(shè)定的行駛車速對車輛進(jìn)行勻速控制。當(dāng)汽車前方有車
12、輛,且前方車輛的行駛速度小于汽車的行駛速度時,ACC系統(tǒng)將控制汽車進(jìn)行減速,確保兩車間的距離為所設(shè)定的安全距離。當(dāng)ACC系統(tǒng)將汽車減速至理想的目標(biāo)值之后采用跟隨控制,與前方車輛以相同的速度行駛。當(dāng)前方車輛發(fā)生移線.或汽車移線行駛使得該車前方又無行駛車輛時,ACC系統(tǒng)將對主車進(jìn)行加速控制,使其恢復(fù)至設(shè)定的行駛速度,在恢復(fù)行駛速度后,ACC系統(tǒng)又轉(zhuǎn)入對該車的勻速控制,當(dāng)駕駛員參與車輛駕駛后ACC系統(tǒng)將自動退出對車輛的控制。ACC系統(tǒng)有以下幾個發(fā)展趨勢:1)集成化它有助于降低成本,增強(qiáng)各系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系,充分利用各種車輛信息,從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,ACC在發(fā)展之初就與CCS系統(tǒng)結(jié)合在一起,按
13、照ACC的發(fā)展方向,它還會同加速防滑系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)控制器等各種電控系統(tǒng)集成起來。2)走??刂片F(xiàn)在對ACC系統(tǒng)的研制和開發(fā)主要針對的是在高速公路上高速行駛的車輛,而不適用于城市中低速、高車流密度情況下使用,走??刂普茿CC系統(tǒng)針對車速低、車距近的行駛情況所做的功能擴(kuò)展,這要求AC系統(tǒng)具有更好的近距離探測能力,更快的信號處理功能,更迅速的系統(tǒng)反映,同時還向ACC系統(tǒng)提出了增加車輛的自動起步功能。這樣即使在堵車情況下也無須駕駛員參與,只需操縱車輛的轉(zhuǎn)向即可。駕駛員可以完全從煩瑣的駕駛操作中解放出來。3)隨著近幾年智能公路概念的提出以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用,未來的ACC系統(tǒng)將同其它的汽車電控系統(tǒng)
14、相互融合,形成智能汽車電子控制系統(tǒng),駕駛這種汽車只需在顯示器中指明所要到達(dá)的目的地,汽車就會在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下,借助公路兩旁的電子標(biāo)志牌無需人為參與就可安全駛達(dá)目的地,實現(xiàn)完全的自動駕駛功能。通過采用CAN總線技術(shù),可實現(xiàn)信號資源的共享,減少硬件開支,提高系統(tǒng)的靈活性。二、巡航控制系統(tǒng)的組成和工作原理2.1巡航控制系統(tǒng)的簡述汽車巡航控制系統(tǒng)(Cruise Control System,簡稱CCS)根據(jù)其特點(diǎn)一般又稱為“巡航行駛裝置”、“速度控制系統(tǒng)”、“自動駕駛系統(tǒng)”等。它是汽車的新裝置之一,它是利用電子技術(shù)對汽車的行駛速度進(jìn)行自動調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)以某一設(shè)定車速行駛的電子控制系統(tǒng)21。CCS
15、是汽車在行駛中為了達(dá)到所希望的速度,通過操縱調(diào)整開關(guān),駕駛員不必踩踏油門調(diào)整車速也能以設(shè)定的車速進(jìn)行定速行駛的裝置。采用汽車巡航控制系統(tǒng)后,汽車在高速公路上長時間行駛時就可使駕駛員踩加速踏板的腳得以休息,不致因長時間駕車控制加速踏板穩(wěn)定車速產(chǎn)生疲勞,同時,由于定速行駛,加速踏板及制動踏板的踩放次數(shù)減少,使耗油量減少,行車較為經(jīng)濟(jì),因而該系統(tǒng)又稱為“經(jīng)濟(jì)車速巡航控制系統(tǒng)”。汽車巡航控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:無論風(fēng)力和道路坡度這些能引起汽車的行駛阻力發(fā)生變化的因素如何變化,只要在發(fā)動機(jī)功率允許范圍內(nèi),汽車的行駛速度便可保持不變,同時汽車在定速行駛時,駕駛員負(fù)擔(dān)明顯減輕,提高了駕車的舒適性,此外,使用該
16、裝置后,可使汽車的燃油供給與發(fā)動機(jī)功率間的配合處于最佳狀態(tài),有效地降低了燃油的消耗,減少了有害氣體的排放,研究顯示,在油耗方面,使用巡航控制將節(jié)油1.1%-10.7%。巡航控制系統(tǒng)的功能主要有基本功能和故障保險功能。211基本功能:1)恒速行駛功能汽車自動巡航即指汽車在行駛時,駕駛員即使不踏加速踏板,汽車仍可以按駕駛員所希望的車速自動保持行駛的功能,這是巡航控制系統(tǒng)最基本的功能。2)加速、減速功能車輛處于巡航行駛的狀態(tài)時,若按下加速開關(guān),則設(shè)定速度增加,此為加速功能。同樣,若按下減速開關(guān),則設(shè)定速度減小,此為減速功能。3)消除功能按下取消開關(guān),設(shè)定功能立即消失,但設(shè)置的速度繼續(xù)存儲。4)恢復(fù)功
17、能按下恢復(fù)開關(guān),即恢復(fù)原來存儲的車速。212保險功能:1)低速自動消除功能 當(dāng)車速小于設(shè)定安全速度時,存儲的車速消失,并不能再恢復(fù)此速度。2)各種消除開關(guān) 消除開關(guān)主要有兩種,一種用于計算機(jī)信號的消除,如消除開關(guān),一種是直接使執(zhí)行原件停止工作。如離合器、手制動等操作開關(guān)的消除作用。2.2巡航控制系統(tǒng)的組成汽車電子巡航控制系統(tǒng)主要由巡航控制ECU、開關(guān)、車速傳感器、電子控制裝置、汽車制動開關(guān)、執(zhí)行器、驅(qū)動電路等組成。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。現(xiàn)將其各部分的結(jié)構(gòu)與工作原理分別作以介紹:1. 巡航控制ECU 用于接收各種傳感器送來的信號,再經(jīng)計算、加工處理后,向執(zhí)行器發(fā)出指令,控制執(zhí)行器的動作。2. 主
18、控開關(guān) 主控開關(guān)一般有桿式開關(guān),安裝在轉(zhuǎn)向柱上駕駛員容易接近的地方,或?qū)⒔M合開關(guān)設(shè)計在方向盤上。大多數(shù)指令開關(guān)有三個檔位:設(shè)置/減速(SET/COAST)、取消(CANCEL)和恢復(fù)/加速(RES/ACC)檔25。通常情況下,當(dāng)車速超過40 km/h時,只要按下設(shè)置按鈕,車輛就會記住當(dāng)前的車速并保持定速行駛,當(dāng)按下“取消”鍵時,恒速行駛立即停止?!盎謴?fù)/加速”檔用于制動或換檔斷開電路后,使車輛重新按設(shè)定速度行駛。汽車在自動巡航控制狀態(tài)下,可以通過按加速按鈕提高車速,或按減速按鈕來降低車速。3.空檔啟動開關(guān) 用于向巡航控制ECU傳送空檔信號(即變速器操縱桿處于空檔位置的信號),以使汽車立即退出巡
19、航控制狀態(tài)。4.制動開關(guān) 用于向巡航控制ECU傳送制動信號(即駕駛員踩下制動踏板的信號)。以使汽車迅速退出巡航控制狀態(tài)。5.車速傳感器 車速傳感器一般安裝在變速器的輸出軸上,這是因為實際車速與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速成正比。車速傳感器有磁感應(yīng)式、霍爾式、光電式等多種結(jié)構(gòu)形式,但簡單常用的是磁感應(yīng)式。受實驗條件的限制,用直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來代替車速,直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝有磁鐵,開關(guān)霍爾元件固定在其上方,霍爾元件三個引腳的引出線,分別是電源、地和輸出。開關(guān)霍爾傳感器選用的是Allegro公司的A3144,此芯片的特點(diǎn)是:1.抗高溫;2.高穩(wěn)定度;3.反相電壓保護(hù);4.需求電壓范圍廣,4.5 V-24 V;5.集成
20、數(shù)字邏輯電路。其輸出電壓根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同,輸出占空比不同,幅值0.7 V的方波信號,輸出波形如圖4-2所示。PIC單片機(jī)識別的高電平為5 V,低電平為0 V。所以傳感器傳出的方波信號在送入單片機(jī)之前要經(jīng)過放大濾波電路,如圖4-3所示。當(dāng)車速信號INT經(jīng)過放大濾波電路后,將向單片機(jī)RC2/CCP1引腳送入幅值5 V的方波信號。此設(shè)計采用頻率法測量車速。即在一定的時間內(nèi),根據(jù)脈沖的個數(shù)來計算脈沖的頻率。這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)速(所模擬的車速)也就計算出來了。6.節(jié)氣門位置傳感器 節(jié)氣門控制搖臂位置傳感器:用于監(jiān)測節(jié)氣門控制搖臂的位置,并將信號傳送給巡航控制ECU。如何采集節(jié)氣門電壓信號系統(tǒng)實驗時使用的節(jié)氣
21、門如圖4-4所示。節(jié)氣門位置傳感器相當(dāng)于一個電位器,如果正負(fù)兩端加上5 V電壓,由于其內(nèi)部的原因,測得滑動端輸出電壓范圍為0.96-4.78 V,當(dāng)節(jié)氣門打開一定的開度,其輸出端將輸出一個和節(jié)氣門開度成正比的電壓量,這個量經(jīng)濾波電路送入單片機(jī)的模擬通道引腳RA0。其濾波電路見圖4-5。啟動A/D轉(zhuǎn)換,可以把這個電壓量轉(zhuǎn)換成十位的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器把0.96-4.78 V電壓A轉(zhuǎn)換成0000H-03FFH的數(shù)字量D,這個數(shù)存放在單片機(jī)的ADRESH和ADRESL寄存器上,節(jié)氣門開度計算公式為:=(D/1023 )100%(4-1)7.執(zhí)行器執(zhí)行器 又稱伺服器,其作用是受巡航控制單元ECU的控制
22、驅(qū)動與油門拉線并聯(lián)的拉線盤,用于調(diào)整節(jié)氣門的開度,使車輛作加速、減速及定速行駛。執(zhí)行器常分為電動式和真空式(氣動式)兩種。下面分別作以介紹:(1)電動式執(zhí)行器電動式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。電動式執(zhí)行器主要由電動機(jī)、安全電磁離合器和位置傳感器組成。電動機(jī)采用直流永磁式電動機(jī),通過改變電動機(jī)中電流方向即可改變節(jié)氣門轉(zhuǎn)動方向。電動機(jī)轉(zhuǎn)動時可帶動執(zhí)行元件控制臂轉(zhuǎn)動,控制臂通過控制拉索改變節(jié)氣開度。為限定控制臂轉(zhuǎn)動角度,電動機(jī)電路裝有限位開關(guān)。在電動機(jī)與控制臂間裝有安全電磁離合器。當(dāng)進(jìn)行巡航控制時安全電磁離合器接合,此時電動機(jī)旋轉(zhuǎn)可使節(jié)氣門開度改變;若在巡航控制行駛階段執(zhí)行器或車速傳感器發(fā)生故障,安全
23、電磁離合器立即分離。在電機(jī)式執(zhí)行器中還裝有位置傳感器,它是一個由滑動變電阻器構(gòu)成的電位計,用于檢測執(zhí)行器控制臂的轉(zhuǎn)動位置,并將信號輸入巡航控制ECU中。(2)真空式執(zhí)行器真空式執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。密封圓筒內(nèi)裝有膜片、膜片彈簧、兩個空氣電磁閥和一個真空電磁閥。真空電磁閥和空氣電磁閥的搭鐵線分別接到巡航控制ECU的端子上,在ECU內(nèi)部搭鐵時,電磁閥起作用。真空電磁閥內(nèi)部有一個真空管接頭,通過一根橡皮管與進(jìn)氣歧管相連。在膜片的中間裝有拉動節(jié)氣門的拉索。真空式執(zhí)行器是利用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的真空度吸引膜片,通過節(jié)氣門拉索,使節(jié)氣門開度增大,并可保持固定位置不動。如果空氣電磁閥打開,則由于膜片彈
24、簧的彈力,使節(jié)氣門拉索放松,節(jié)氣門開度減小。圖2-4為真空式巡航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。在巡航控制系統(tǒng)未工作時,真空電磁閥保持關(guān)閉,空氣電磁閥打開,密封圓筒與大氣相通。當(dāng)汽車加速時,真空電磁閥打開,與進(jìn)氣歧管相通,而兩個空氣電磁閥則關(guān)閉,密封圓筒內(nèi)真空度增大,吸動膜片,克服彈簧力,通過拉索使節(jié)氣門開度增大,車輛加速行駛。當(dāng)加速到一定車速時,真空電磁閥與空氣電磁閥同時關(guān)閉,此時密封圓筒內(nèi)的真空度不變,汽車保持恒速行駛。當(dāng)汽車減速時,空氣電磁閥,又恢復(fù)為打開狀態(tài),此時空氣進(jìn)入密封圓筒,膜片彈簧把膜片壓回原位,節(jié)氣門開度減小,汽車減速。8驅(qū)動電路在巡航控制系統(tǒng)中,主要有兩個驅(qū)動電路:一個是離合器驅(qū)動電路
25、,一個是控制節(jié)氣門的直流電機(jī)驅(qū)動電路。8.1離合器驅(qū)動電路離合器位于發(fā)動機(jī)和變速箱之間的飛輪殼內(nèi),用螺釘將離合器固定在左飛輪的后平面上,離合器的輸出軸就是變速箱的輸入軸,在汽車行駛過程中,駕駛員可根據(jù)需要踩下或松開離合器踏板,使發(fā)動機(jī)與變速箱分離和逐漸接合,以切斷或傳遞發(fā)動機(jī)向變速箱輸入的動力。此系統(tǒng)的離合器集成在控制節(jié)氣門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,如果想要直流電機(jī)正常工作,首先要驅(qū)動離合器。離合器的驅(qū)動電路如圖4-9所示。圖4-9中,離合器的一端接12 V電源,另一端接在的LHQ1端,三極管9014是NPN的,IRF3205是N溝道的MOSFET。當(dāng)單片機(jī)的RC7引腳發(fā)出高電平時,三極管導(dǎo)通,N溝道的M
26、OSFET不導(dǎo)通,LHQ1處于高電平,離合器不啟動,直流電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài);反之,離合器開啟,直流電機(jī)處于工作狀態(tài)。8.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路系統(tǒng)實驗時用于控制節(jié)氣門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖4-10所示。圖4-10中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部有多級減速機(jī)構(gòu),適用作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的電機(jī)是直流電機(jī),驅(qū)動直流電機(jī)的芯片選用的是西門子公司生產(chǎn)的TLE5205,此芯片的特點(diǎn)是:1.峰值驅(qū)動電流可達(dá)到6 A。2.溫度診斷電路。3.二極管續(xù)流保護(hù)電路。4.輸出開路檢測。5.現(xiàn)場診斷故障功能。6.工作溫度環(huán)境:-40150。7.輸出短路保護(hù)。TLE5205靜態(tài)電流只有16A,因此在電源沒有活動時,就可以達(dá)到減少功耗的目的;
27、另一方面,TLE5205還具有輸入電源反向和輸出電源反向保護(hù)功能,即使在輸出端不增加二極管的情況下,該芯片也能防止電流反向倒流??梢妼υ撔酒氖褂眉瓤梢赃_(dá)到為系統(tǒng)提供電源的目的,又能降低功耗。TLE5205具有8個引腳,各引腳的功能說明如表4-1所列。電路圖如圖4-11所示。TLE5205輸入的邏輯真值表如表4-2所列。綜上所述,只要控制單片機(jī)RC6和RB0引腳上的電位就可以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn),至于需要節(jié)氣門打開多大的開度,只要控制電機(jī)正傳或反轉(zhuǎn)的時間即可??刂乒?jié)氣門開度的時間如果太大,節(jié)氣門容易達(dá)到開度滿值,控制節(jié)氣門開度的時間如果太小,節(jié)氣門開度變化隨之也會變地很小,系統(tǒng)誤差會變地很大,
28、不宜于計算,經(jīng)過多次實驗,最終確定控制節(jié)氣門開度的時間以100ms為標(biāo)準(zhǔn)。83模擬車速的電機(jī)控制電路用于模擬車速的電機(jī)是用IRF3205來控制的。控制電路如圖4-12。單片機(jī)RC1引腳輸出幅值為5 V、脈沖寬度隨時可調(diào)的PWM信號,當(dāng)RC1引腳輸出高電平時,IRF3205導(dǎo)通,電機(jī)的負(fù)極和地導(dǎo)通,電機(jī)轉(zhuǎn)動;反之,當(dāng)RC1引腳輸出低電平,IRF3205不導(dǎo)通,電機(jī)不轉(zhuǎn)動,要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,只需改變RC2輸出的占空比,RC2輸出高電平的時間(電機(jī)導(dǎo)通的時間)也就跟著改變,就達(dá)到了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。對所應(yīng)用的芯片認(rèn)真選取后進(jìn)行設(shè)計,巡航控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4-13所示。電路板如圖4-14所示。9
29、輔助芯片9.1電源芯片電源系統(tǒng)是任何汽車系統(tǒng)設(shè)計中最重要的子系統(tǒng)之一。整體功耗、電池反極保護(hù)、汽車跳啟、車輛噪聲和汽車休眠功率都是在設(shè)計電源時必須考慮的因素。如果電源設(shè)計比較糟糕的話再好的系統(tǒng)也不能正常發(fā)揮作用。本設(shè)計采用的是西門子公司生產(chǎn)的電源芯片TLE4264。該產(chǎn)品的主要特點(diǎn)如下:1.允許輸出的偏差2;2.150 mA的輸出電流;3.5 V固定電壓輸出;4.過溫保護(hù);5.短路保護(hù);6.體積??;7.30A的靜態(tài)電流。電機(jī)驅(qū)動芯片的電壓要求12 V,而單片機(jī)電壓需求是5 V。此電壓芯片的作用就是將12 V電壓轉(zhuǎn)變成5 V電壓,在本設(shè)計中TLE4264的應(yīng)用電路如圖4-1所示。2.3巡航控制系
30、統(tǒng)的工作原理圖2-5是一種典型的閉環(huán)汽車電子巡航控制系統(tǒng)原理方框圖。由圖2-5可知,控制器有兩個車速信號,一個是駕駛員按要求的車速設(shè)定的車速信號,另一個是實際車速的反饋信號。ECU將這兩種信號進(jìn)行比較,得出誤差信號,經(jīng)放大、處理后成為節(jié)氣門控制信號,送至節(jié)氣門執(zhí)行器,驅(qū)動節(jié)氣門執(zhí)行器工作,調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度,以修正實際車速,從而將實際車速很快調(diào)整到駕駛員設(shè)定的車速,并保持恒定。通常將汽車在平坦路面上行駛時車速與節(jié)氣門開度的關(guān)系存儲在巡航控制系統(tǒng)ECU的ROM中。汽車在平坦、上坡與下坡路面上行駛時的開度的關(guān)系如圖2-6所示。巡航控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)車速自動維持汽車恒速行駛。汽車在巡航定速狀態(tài)下,當(dāng)
31、汽車速度下降時,ECU加大節(jié)氣門開度,使發(fā)動機(jī)功率升高,轉(zhuǎn)矩增大,使車速達(dá)到設(shè)定速度。反之,減小節(jié)氣門的開度。參照圖2-6,系統(tǒng)進(jìn)行巡航控制時,若在平坦路面上車速為V0時,按下設(shè)定開關(guān)進(jìn)入巡航控制的自動行駛狀態(tài),此時節(jié)氣門開度在O點(diǎn),一旦遇到爬坡時,則行駛阻力增加,如不進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,車速就會降到VC點(diǎn),但巡航控制器會按照一定的控制規(guī)則控制節(jié)氣門,使節(jié)氣門開度從O點(diǎn)變?yōu)锳點(diǎn),使車速穩(wěn)定在VO點(diǎn),重新取得動力平衡。當(dāng)遇到下坡時,行駛阻力減小,巡航控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度由O點(diǎn)變到B點(diǎn),使車速保持在V點(diǎn)取得平衡2728。因此,即使行駛阻力發(fā)生變化,車速也只在很小范圍內(nèi)變化,達(dá)到穩(wěn)定行駛的目的。當(dāng)車速
32、在40 km/h以下、160km/h以上時,巡航系統(tǒng)不工作。當(dāng)然這個上下限的限定依車型的不同而略有不同。若使控制線呈現(xiàn)垂直狀態(tài),則車速的波動(控制誤差)減小到零,這樣一來,行駛阻力的微小變化都會引起油門開度的變化,由于反應(yīng)過度靈敏,容易產(chǎn)生游車。因此,應(yīng)綜合考慮控制誤差與游車問題,選擇合適的控制線斜率。一旦系統(tǒng)的傳感器出現(xiàn)故障,或控制信號電路被切斷,因沒有車速信號,低速限制電路將認(rèn)為車速為零,使巡航控制系統(tǒng)停止工作。三、關(guān)于巡航系統(tǒng)的檢修31一汽馬自達(dá)轎車巡航系統(tǒng)故障診斷與檢修311狀態(tài)檢測模式下故障診斷1)注意事項a當(dāng)狀態(tài)檢測模式打開時,巡航設(shè)置指示燈將點(diǎn)亮并且保持3s。b若巡航控制開關(guān)上的
33、RESUME/ACCEL開關(guān)出現(xiàn)故障,檢查系統(tǒng)時,巡航設(shè)置指示燈將不能正確顯示。2)讀取故障碼a以高于%$01,2的車速駕駛車輛。b操作每一個巡航控制開關(guān)。c停車,并使發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。按下巡航控制主開關(guān),見圖1。d打開RESUME/ACCEL開關(guān)并保持至少3s,巡航指示燈將點(diǎn)亮3s,然后關(guān)閉至少2s,狀態(tài)檢測模式開始。e若顯示故障碼(DTC),則檢測相應(yīng)區(qū)域。若正常,則不顯示DTC。f將點(diǎn)火開關(guān)置LOCK位置或關(guān)閉巡航控制主開關(guān),狀態(tài)檢測模式將被取消。g故障碼見表1。3)故障碼的檢查通過讀取故障碼進(jìn)行故障檢查時,參見巡航控制系統(tǒng)電路圖,見圖2。1故障碼01故障碼$&為巡航執(zhí)行器(驅(qū)動電路)故障
34、。檢查巡航執(zhí)行器(驅(qū)動電路),若發(fā)生故障,應(yīng)將其更換。2故障碼05故障碼05為制動開關(guān)故障。檢查巡航執(zhí)行器插接器端子的電壓,總為0V。說明巡航執(zhí)行器故障。按圖3程序檢查。3故障碼07故障碼07為制動開關(guān)和制動開關(guān)2故障。a檢查巡航執(zhí)行器插接器端子C或K(圖4)的電壓,總為12V;檢查巡航執(zhí)行器插接器端子K(的電壓總為0V??赡艿墓收显蛴校?)METER IG 15A熔斷絲燒斷;20制動開關(guān)和制動開關(guān)2故障;30巡航執(zhí)行器故障;4)STOP 15A熔斷絲和制動開關(guān)之間的線束斷路或短路;5)制動開關(guān)和巡航執(zhí)行器端子C之間的線束斷路或短路;6)制動開關(guān)2和METER IG 15A熔斷絲之間的線束斷
35、路或短路;7)巡航執(zhí)行器端子K和制動開關(guān)2之間的線束斷路或短路。b診斷步驟見表2。4)故障碼11故障碼11為巡航控制開關(guān)(設(shè)定/減速開關(guān))故障。a檢查巡航執(zhí)行器端子6和搭鐵之間的電阻,總為680。說明巡航執(zhí)行器或巡航控制開關(guān)發(fā)生故障。b診斷程序見圖5。5)故障碼12故障碼12為巡航控制開關(guān)(RESUME/ACCEL開關(guān))故障。a檢查巡航執(zhí)行器插接器端子J和搭鐵之間的電阻,總為2.2k。說明巡航執(zhí)行器故障。b診斷程序見圖6。6)故障碼13故障碼13為巡航控制開關(guān)(搭鐵電路)故障。a檢查巡航執(zhí)行器插接器端子J和搭鐵之間的電阻,總為0。說明巡航執(zhí)行器故障。b診斷程序見圖7。7)故障碼15故障碼15為
36、巡航執(zhí)行器(控制電路)故障。檢查巡航執(zhí)行器是否發(fā)生故障,若發(fā)生故障,應(yīng)將其更換。3.1.2主要電氣部件檢修1)巡航執(zhí)行器a拆卸巡航執(zhí)行器插接器。b按表3進(jìn)行測試,若測試結(jié)果不滿足要求,檢查“操作”所列部分。若“操作”所列部分和線束無故障,系統(tǒng)仍不能正常工作,更換巡航執(zhí)行器。2)巡航控制開關(guān)檢查a拆卸蓄電池負(fù)極。b拆卸駕駛員側(cè)安全氣囊組件。c拆卸巡航控制開關(guān)插接器。d電阻是否導(dǎo)通,見表4 、圖8。如果與說明不符,更換巡航控制開關(guān)。其中,R1為677-693,R3為2.16-2.24k。小結(jié)1.介紹國內(nèi)外汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r,對汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向有一定的認(rèn)識,即集成電子化、模塊化,整車智能化、駕駛自動化是今后的主要研究發(fā)展方向。2.認(rèn)真分析了
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