車輛半主動懸架控制器的設(shè)計與研究

么鳴濤，顧 亮，蒙 洋

（1. 北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 北京航空航天大學(xué) 軟件學(xué)院，北京 100083）

0 引言

半主動懸架工作時幾乎不消耗發(fā)動機的功率，不需向懸架系統(tǒng)施加外部能源，只需適時地改變懸架的阻尼元件或彈性元件的參數(shù)即可，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，而減振效果接近于主動懸架，因此半主動懸架的性能價格比高，具有更為現(xiàn)實的應(yīng)用價值，受到國際上各大汽車公司和研究人員的廣泛重視[1,2]，并且根據(jù)路面來適時的調(diào)節(jié)懸架的軟硬程度，將有著重要的意義[3]。

1 半主動懸架控制要求及其控制策略

本系統(tǒng)主要考慮振動加速度、懸架動行程、以及減振器的發(fā)熱功率這些懸架性能的主要評價指標[4]。基于上述幾個性能指標，控制系統(tǒng)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，包括車身振動加速度，油氣懸架氣體壓力，減振器的溫度，來實時地改變懸架阻尼系數(shù)。為了實現(xiàn)實時的控制，系統(tǒng)只設(shè)軟、中、硬三個檔位。執(zhí)行機構(gòu)采用電液比例閥，即通過控制通過電磁閥的電流來控制節(jié)流孔開度，以實現(xiàn)對阻尼力的調(diào)節(jié)。

圖1 半主動懸架控制器

2 半主動懸架控制器的硬件研發(fā)

半主動懸架控制器系統(tǒng)如圖1所示，主要包括電源驅(qū)動板、主控板和溫度變送板。

由于車輛電源為24伏，必須通過電源驅(qū)動板中的電壓變換模塊將24V變換成所需要的電壓。電壓變換模塊采用三塊電源模塊，其中兩塊SF24S5-5W，實現(xiàn)24V轉(zhuǎn)換成5V，但兩塊電源模塊相互不共地。一個采用數(shù)字地，給主控板供電，一個采用模擬地，給輸出模塊供電。另一塊電源模塊為SF24S15-10W，實現(xiàn)24V轉(zhuǎn)換為正負15V，給電源互感器供電。電源驅(qū)動板包括電源變換模塊、PID恒流閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊、驅(qū)動模塊等。

主控板包括如下功能模塊：微處理器（單片機）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采集加速度、油氣懸架氣體壓力、各減振器的溫度）、試驗數(shù)據(jù)存儲模塊、看門狗抗干擾模塊，時鐘模塊、上位機監(jiān)控模塊，ISP系統(tǒng)、MIC總線通訊模塊，系統(tǒng)機構(gòu)如圖2所示。

微處理器采用PHILIPS公司的51單片機系列P89V51RD2，該單片機采用8位處理器，包含64kFLASH和1024字節(jié)的RAM。FLASH程序存儲器支持并行和串行在系統(tǒng)編程系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)三個計數(shù)/定時器和一個看門狗定時器，具有PWM輸出功能[5]。

圖2 半主動懸架控制器系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集振動加速度、懸架氣缸壓力、以及懸架溫度三個信號。模擬量采集進來經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，A/D轉(zhuǎn)換采用PHILIPS公司的A/D芯片PCF8591，該芯片采用I2C數(shù)據(jù)總線協(xié)議。由于有多路壓力和溫度信號，因此用兩片4051實現(xiàn)壓力和溫度信號的選線。

試驗數(shù)據(jù)存儲采用芯片24c256，該芯片采用I2C數(shù)據(jù)總線協(xié)議。存儲空間大小為32K，控制器每隔1分鐘對當前的狀態(tài)信息進行存儲。按每天跑車八小時計算，可以存儲三天的實驗數(shù)據(jù)。該存儲模塊的使用極大的方便了實驗數(shù)據(jù)的采集和記錄。

時鐘模塊紀錄試驗的時間，采用芯片DS1302。該芯片采用涓流充放電技術(shù)，節(jié)省芯片的耗電量，即使在系統(tǒng)斷電的情況下，也能正常的工作。實驗證明該芯片準確度相當高。

看門狗芯片采用X25045，以防止程序“跑飛”。看門狗需要主程序?qū)ζ涠ㄆ诘摹拔构贰保駝t將產(chǎn)生復(fù)位信號是主程序復(fù)位。當程序受外界的干擾或進入非正常的死循環(huán)時，主程序不對看門狗進行“喂狗”操作，這是看門狗復(fù)位主程序，使其正常的運行。

ISP在系統(tǒng)編程系統(tǒng)以及上位機監(jiān)控系統(tǒng)都是通過串口通訊實現(xiàn)。用MAXIN232芯片來實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，完成于上位機的接口。ISP系統(tǒng)為燒寫程序提供了很大的方便，不需要把芯片拔出來插在仿真器上燒寫，直接可以進行在線的修改。上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)在線和離線的讀取，極大的方便了試驗數(shù)據(jù)的紀錄，以及故障現(xiàn)象的分析。

通過MIC總線可以將懸架當前的運行狀況上傳到上一級控制器，并從總線上獲得車速等信號，實現(xiàn)了與車輛其他分系統(tǒng)信息的共享。

溫度變送板中的溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器pt100。此傳感器電阻阻值隨著外界溫度的升高而增大，具有靈敏度高，工作可靠的特點。但其線性度不好，需要變送電路來改善其線性度。電路圖3所示。該電路采用正反饋進行線性補償。PT端接溫度傳感器pt100。通過電橋，把電阻變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，并經(jīng)過運放LM224進行放大處理。VT為輸出，并把一定的正反饋量引入到電源輸入端，經(jīng)過加法器和電壓跟隨器，給電橋供電。經(jīng)過實際的檢驗，此溫度變送器具有較高的線性度。

圖3 溫度變送器電路圖

圖4 PWM模塊原理圖

本控制系統(tǒng)通過PWM輸出來控制通過電磁閥的電流。但是當長時間使用時，電磁閥過熱，其電阻增加，從而導(dǎo)致通過電流閥的電流減小，偏離控制目標，勢必影響懸架的控制性能。通過電流互感器可以測得通過電磁閥的電流，并把測得的數(shù)據(jù)送入單片機，通過PID控制算法調(diào)整PWM的參數(shù)設(shè)定，以實現(xiàn)電磁閥恒流輸出，電路圖如圖4所示。LH1為霍爾傳感器，f1端接負載。當pt1端注入PWM脈沖時，負載電路就能夠適時的接通和斷開。霍爾傳感器可以感應(yīng)負載電路的電流，通過電位器將其轉(zhuǎn)化成電壓信號i/v1，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后送入單片機。此模塊還有故障診斷的功能，電路中接入了熔斷電阻，當電磁閥短路時，輸出電流過大，導(dǎo)致熔斷斷開，時輸出電流為零，流互感器能及時檢測到此信息并送給單片機。

3 半主動懸架控制器的軟件設(shè)計

半主動控制的軟件設(shè)計分為如下幾個模塊構(gòu)成：MIC總線通訊模塊實現(xiàn)MIC的讀寫操作，I2C總線通訊模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)存儲器24C256的讀寫以及A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591的讀寫；PWM輸出模塊，通過設(shè)置寄存器的參數(shù)，來適時的改變PWM輸出；時鐘模塊，完成對時鐘芯片的讀寫操作；串口通訊模塊，主要實現(xiàn)ISP功能以及上位機監(jiān)控功能；PID控制模塊，實現(xiàn)數(shù)字PID算法，以適時的調(diào)節(jié)PWM參數(shù)，以控制通過電磁閥的電流；主程序模塊，將各模塊通過接口連接起來，實現(xiàn)整個控制功能。

4 結(jié)論

所有的軟件均經(jīng)過調(diào)試運行,從臺架試驗和實際的跑車試驗的結(jié)果來看，控制器實現(xiàn)了對減振器阻尼的預(yù)期控制目標，并實現(xiàn)了控制系統(tǒng)與PC機的數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)編程功能和對試驗數(shù)據(jù)的在線和離線采集功能，極大的方便了程序的修改和實驗數(shù)據(jù)的讀取。 實驗結(jié)果表明：控制器的軟、硬件設(shè)計完全符合軍標要求。

[1] T.Yoshimura,K.Nakaminami,M.Kurimoto,J.Hino.Active suspension of passenger cars using linear and fuzzy-logic controls[J].Control Engineering Practice,1999,7:41–47.

[2] TOSHIO YOSHIMURA. Active suspension of vehicle systems using fuzzy logic[J].International Journal of Systems Science,1996,27:215-219.

[3] 丁法乾.履帶式裝甲車輛懸掛系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002 .

[4] 俞德孚.車輛懸架減振器的理論和實踐[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

[5] 何立民.單片機高級教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.