基于CAN總線的商用車電控空氣懸架控制與試驗研究

包丕利

(天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津300222)

0 引言

隨著汽車工業的發展、全球交通運輸業的快速發展，商用載貨汽車在物流運輸上發揮重要作用，其營運工況越來越被人們所重視［1］。電控空氣彈簧懸架在汽車操縱穩定性、行駛平順性及行駛安全性方面有著巨大的優勢，而且還能吸收對汽車和道路的沖擊載荷，延長其使用壽命。因此，伴隨著運輸業和電子計算機技術的迅速發展，汽車控制系統的智能化程度越來越高，電子控制空氣懸架 (ECAS)在我國必將得到廣泛應用，市場前景十分廣闊［2－4］。CAN總線技術在汽車網絡中的優勢也越來越明顯，在汽車的電子控制中有很大的發展前途［5］。

1 系統CAN總線拓撲結構確定

綜合考慮成本、性能、對原車結構的繼承性及國內的使用條件，最終確定了在原前后均為鋼板彈簧懸架的商用卡車上設計匹配前少片簧、后鋼板彈簧導向機構兩氣囊空氣懸架的結構型式［6］。在車輛前橋中部 (少片簧懸架)裝一個高度傳感器，后橋左右各裝一個高度傳感器，經中央電磁閥分別與后橋左右氣囊組成分系統。通過對空氣彈簧進行充放氣調節，控制車輛工作狀態及車輛的行駛平順性、操縱穩定性和行駛的安全性。系統氣路及電路連接如圖1所示。

CAN總線空氣懸架控制系統的網絡拓撲結構如圖2所示。當車輛行駛工況發生變化時，將傳感器測試得到的信息變化，做成報文通過CAN總線發送到電控空氣懸架ECU，ECU通過判斷、推理、分析，調用相應的控制模塊，對空氣彈簧進行充放氣調節。在此系統中，用開關算法及PID算法控制空氣懸架系統電磁閥的關閉。

2 空氣懸架系統控制策略的實現

對于空氣彈簧懸架控制而言，高度調節與車輛行駛安全性能相關，而剛度調節則與車輛行駛平順性能相關［7］。控制系統應在保證系統穩定安全運行前提下提高行駛平順性［8］。

首先設置三個指標高度，每個指標高度可通過選擇開關或者由車輛根據車速自行進行調節控制:正常車速最佳行駛高度H1、經濟工況行駛高度H2、車輛裝卸貨物的駐車高度H0、駕駛員可設定某一特定高度。

在控制過程中，儲氣筒充氣壓力一定，系統控制目標為空氣彈簧高度或空氣彈簧剛度。系統根據調節目標值和實際值之間差值與變化速度計算充放氣脈沖長度。差值愈大，充放氣脈沖愈長;變形速度愈快，充放氣脈沖愈短。系統流程圖如圖3所示。

由上述控制功能要求，對商用車從出車、裝載貨物、起動、運行、停止、卸載及回庫整個過程進行功能分析及整理，根據空氣懸架系統的功能要求，按車輛車速進行初步判斷，對車輛整體控制策略進行模塊化設計。初步把電控空氣懸架控制策略分為三個模塊。

啟動控制模塊:當車輛啟動時ECU根據檢測到的信息自動將車身高度調節到H1。

停車裝載模塊:保證貨物裝卸方便，并保持高度穩定。當停車裝卸貨物時，需要保持車輛按駕駛員預先設定好的高度不變。當車輛載荷變化引起空氣彈簧的高度發生變化達到一定程度時，ECU根據高度傳感器采集到車輛高度變化信息，對氣囊進行充放氣調節，使整車能保持一個穩定的高度不變。當車輛超載時，即空氣彈簧內的空氣壓力超過了限制，系統認為超出了空氣彈簧的承載能力，空氣彈簧不再有充放氣調節，并發出警告，然后依靠輔助的支撐結構來支撐車輛的載荷，限制車輛超載。

穩態行駛模塊:保證控制系統穩定安全工作，提高行駛平順性。穩態行駛模塊分為四種控制狀態:車輛高度的整體調節、車輛高度的穩定性調節、車輛轉向姿態控制、車輛縱傾姿態控制。當車輛高速轉向行駛時，由于離心力作用會出現內升外降的車身高度偏差。為實現車身姿態控制、保持車身穩定，要求側傾滿足車身左右偏差要求。當車身左右偏差超出偏差范圍，對后橋兩側空氣彈簧分別同時進行充放氣操作，使車身兩側高度同時往原指標高度調整，直至車身兩側偏差達到偏差允許值的1/2為止。當車輛加速、制動或上、下長坡時，車身會出現前升后降或相反的縱傾變形。為實現車身姿態控制保持車身穩定，要求車身縱傾滿足前后偏差要求。由于設計車型為前少片簧后空氣懸架形式，當車身前后偏差在一定時間內超出偏差范圍，應該以前橋車身高度為目標值對后橋兩側空氣彈簧進行同步充放氣操作，使車身后橋往前橋車身高度調整，直至車身前后偏差達到偏差允許值的1/2為止，此時不考慮車身指標高度偏差的限制。

3 CAN總線網絡節點及報文設計

在CAN總線空氣懸架控制系統中懸架ECU為主節點，其他節點為子節點。子節點的報文只有主節點接收 (點對點模式)，主節點的報文所有子節點均接收 (廣播模式)。在商用載貨汽車CAN總線空氣懸架控制系統中，設置主節點、空氣懸架高度傳感器節點、空氣彈簧壓力測試節點、電磁閥控制節點、車速采集節點、ABS節點等，實現懸架系統與整車通訊。CAN總線物理總線采用雙絞線。CAN總線空氣懸架控制系統組成及其整車布置如圖4所示。

在控制器中設置一個雙CAN模塊，作為CAN總線控制系統的主節點。基于對網絡通訊的實時性、準確性等車輛整體的控制性能以及成本的考慮，并根據各個節點硬件間的兼容性及性能，該系統子節點選擇Philips公司推出的獨立CAN通信控制器SJA1000作為節點控制器，采用Philips公司生產的驅動芯片SJA1040作為CAN收發器，采用AT89C52單片機作為CAN節點微控制器。

CAN2.0B協議只是對CAN總線的物理層和數據鏈路層進行了定義，而在實際應用過程中，必須根據用戶的實際需要制定出相應的應用層協議。以CAN2.0B為基礎的SAE J1939協議定義了適用于客車和貨車的應用層協議，通過研究SAE J1939協議，在此基礎上設計開發出適用于商用載貨汽車電控空氣懸架的應用層協議。

通過確定各節點優先級、通訊方式和源地址之后，可以制定CAN總線空氣懸架控制系統各節點信息幀編碼。CAN總線空氣懸架控制系統各個節點的優先權 (P)、保留位 (R)、頁數 (DP)、PDU格式 (PF)、PDU特指 (PS)、源地址 (SA)，如表1所示。

表1 CAN總線控制系統各個節點報文編碼

在ECU的硬件設計中，選用高性能CPU和外圍元器件，在接口上盡量保證和國外的產品保持兼容，為提高系統的穩定性，部分電路采用了冗余設計，EDA設計軟件Protel 99sE是一種比較先進的設計軟件，為電路原理圖和PCB板設計提供一體化支持。經設計開發，研制出空氣懸架電控單元 (ECU)并委托某電路板廠制造，空氣懸架電控單元實物如圖5所示。

4 CAN試驗臺架的搭建

根據所研究載貨汽車的結構特點，在汽車前橋的中間位置安裝一個高度傳感器，后橋左右兩側各裝一個高度傳感器，后橋左右兩側的氣囊由中央電磁閥控制。電控空氣懸架試驗臺架布置如圖6所示。

試驗結果表明:所開發的系統能夠實現對各種工況下各控制模式的控制，完成控制策略所設定的目標，系統反應靈敏，效果良好。

【1】姜立標，王登峰.貨車空氣懸架的現狀及發展趨勢［J］.齊齊哈爾大學學報，2005(1):66－69.

【2】喻凡，黃宏成，管西強.汽車空氣懸架的現狀及發展趨勢［J］.汽車技術，2001(8):6－10.

【3】劉艷麗.奧迪A8轎車自適應空氣懸架系統［J］.汽車維修，2005(11):8－10.

【4】ZHANG Jianwen，YANG Xinglong，LIN Yi，et a1.Performancesimulation Research on Bus with Airsuspension［J］.Journal ofsystemsimulation，2006，18(5):1239 －1242.

【5】韓智陽.基于CAN總線的汽車電控空氣懸架仿真分析與控制［D］.吉林:吉林大學，2007.

【6】郎錫澤.空氣懸架商用載貨汽車設計匹配與仿真分析［D］.吉林:吉林大學，2006.

【7】程悅.電控空氣懸架系統的匹配設計［D］.吉林:吉林大學，2005.

【8】姜立標，王登峰，謝東.電控空氣懸架載荷平衡系統仿真［J］.汽車工程，2007，39(3):234 －237.