基于模型的電控空氣懸架系統控制策略與實車試驗

嚴天一 李聰聰 CHO X H 孫富權 陸金更 戴作強

(1.青島大學機電工程學院， 青島 266071; 2.TGM汽車公司， 咸陽郡 50021)

基于模型的電控空氣懸架系統控制策略與實車試驗

嚴天一1李聰聰1CHO X H2孫富權1陸金更1戴作強1

(1.青島大學機電工程學院， 青島 266071; 2.TGM汽車公司， 咸陽郡 50021)

設計了以Freescale XDT512為核心芯片,且由最小系統、電源模塊、驅動電路、速度處理模塊、兩向加速度模塊、模擬量輸入模塊和通信模塊等組成的電控空氣懸架系統(ECAS)電子控制單元；利用基于模型的設計方法開發了電控空氣懸架系統的控制策略模型，其主要由自動模式子模塊、手動模式子模型和維修模式子模型等組成；在自動模式下，根據車速自動調整車身高度；在手動模式下，駕駛員可通過人機操控界面，自主地設定車身高度；通過維修模式，可禁止電控空氣懸架工作，防止出現誤動作。通過合理設計測試用例對所設計的控制模型實施結構性、功能性測試；經控制模型的定點化處理，并利用RTW代碼生成技術將所設計的控制模型轉換為應用層程序，并與底層驅動相互集成后，編譯下載至所開發的ECAS電子控制單元；開展實車驗證試驗，試驗結果表明所設計的控制策略能較好地滿足設計要求。

空氣懸架系統； 電控； 控制策略； 試驗

引言

汽車懸架系統主要由彈性元件、減振器和導向機構組成。它的作用是傳遞作用在車輪與車架之間的力和力矩，緩沖由不平路面傳給車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的振動，提高汽車行駛平順性。電控空氣懸架系統(ECAS)是一種先進的底盤控制系統，其主要由高度傳感器、電子控制單元、壓力傳感器、組合電磁閥、車速傳感器、電動氣泵、空氣彈簧、儲氣筒等部件組成。高度傳感器負責實時檢測車身高度變化，電控單元通過接受車速信號、車身高度信息、加速度信號等，適時激發組合電磁閥工作，實現對各個氣囊的充、放氣自動調節[1-15]。

江洪等[16-17]為提高汽車平順性和操縱穩定性，通過遺傳算法的優化實現彈簧剛度與減振器阻尼的匹配,根據匹配結果最終確定阻尼的控制模式和控制策略，并開展了相關仿真和試驗研究;同時在考慮空氣彈簧非線性的情況下,建立雙質量非線性動力學模型,以提高平順性為目標,以控制動撓度與動載荷為約束條件,采用遺傳算法優化,分析路面狀況、車速、簧上質量對阻尼值優化的影響,設計阻尼的優化策略。徐興等[18]設計了一種基于電感式傳感器的車身高度跟蹤電路,傳感器中的電感與跟蹤電路由單片機共同控制,實現對傳感器電感的充放電,單片機計算不同電感系數下的時間常數,間接獲得實時的客車車身高度.并采用溫度補償電路和低溫漂特性元件,適應客車工作環境溫度的變化。

隨著先進電控空氣懸架系統的功能日益多樣化，并且要求響應速度迅速，其核心控制策略變得日趨復雜，因此要求電子控制單元的核心控制策略開發周期盡量要短，并且代碼品質優異[3]。這使得基于傳統基于手動編程的控制策略開發模式已難以滿足現代車輛電控空氣懸架系統軟件開發要求。本文提出由需求分析、控制模型開發及驗證、定點化處理、自動代碼生成及驗證等構成的基于模型的電控懸架系統控制策略開發方法，并通過相關實車試驗進行驗證。

1 需求分析

某公司需要開發一種乘用車用電控空氣懸架系統(圖 1)，要求所開發的ECAS系統具有3種模式：① 自動模式：此模式要求懸架高度3個速度范圍內與車速信號相互關聯，并根據車速自動調節懸架高度。② 手動模式：駕駛員可自主設定懸架高度。③ 維修模式：在該模式下電控單元不對懸架高度進行控制。為開發控制策略，項目組利用霍爾式高度傳感器、氣泵、組合電磁閥、空氣彈簧、儲氣筒、人機交互系統等對該試驗車輛進行了合理改裝并構建了試驗平臺。

2 電子控制單元及控制策略模型

首先，利用飛思卡爾XDT512核心芯片設計包括單片機最小系統、電源模塊、驅動電路、速度處理模塊、兩向加速度模塊、模擬量輸入模塊和通信模塊的電控空氣懸架系統電子控制單元(圖 2)。

圖1 改裝后試驗車輛的前懸架、后懸架Fig.1 Modified front and rear suspensions of experimental SUV

圖2 電控空氣懸架控制器及其主要原理圖Fig.2 Control unit of an electronically controlled air suspension and its main circuit

為克服傳統手動編程方式開發周期長、效率低、代碼一致性差等技術缺點，本文利用先進的、基于模型的嵌入式軟件開發模式和自動代碼生成技術開發電控空氣懸架系統電子控制系統的軟件系統。利用Matlab/Simulink和Stateflow軟件設計如圖3右半部分所示的電控空氣懸架系統控制策略模型，該控制策略模型主要由自動模式子模塊、手動模式子模型和維修模式子模型等組成。

圖3 電控空氣懸架系統控制模型Fig.3 Control model of ECAS system

2.1 自動模式子模塊

根據需求分析，自動模式子模塊的實質是懸架高度與車速的耦合控制，故電控空氣懸架系統需能夠拾取經過信號調理后的車速信號，并能夠接受駕駛員所設定的模式信息。利用Stateflow中提供的狀態、轉移、節點組件構建可實時監測車速和模式設定參數的新型電控空氣懸架系統控制模型的自動模式子模型，在車速ua≤60 km/h時，懸架處于高位模式；在車速60 km/h90 km/h時，懸架處于低位模式(圖4)。

圖4 電控空氣懸架系統自動模式子模塊Fig.4 Automatic mode sub-model of ECAS system

2.2 手動模式子模型

客戶需求中提出控制策略應具有手動模式功能，即駕駛員在不受車速的影響下，可完全自主設定懸架高度：高位模式、中位模式、低位模式。高位模式可將懸架高度設定為較高狀態；中位模式和低位模式可將懸架高度設定中等和較低的高度(圖5)。

圖5 電控空氣懸架系統手動模式子模型Fig.5 Manual mode sub-model of ECAS system

2.3 維修模式子模型

車輛在維修保養時可能被提升，如果控制策略設計不合理可導致電動氣泵異常工作，導致電池饋電，同時嚴重影響維修保養操作安全，為此在控制策略模型中增設維修保養模式，當電控空氣懸架系統處于此模式時，組合電磁閥中控制各個空氣彈簧和所有通道處于關閉，電動氣泵亦處于禁止工作狀態(圖6)。

3 測試用例及模型驗證

圖6 電控空氣懸架系統維修模式子模型Fig.6 Repair mode sub-model of ECAS system

為驗證上述控制策略模型，分別開展了結構性測試和功能性測試。其中，結構性模型測試借助Simulink Design Verifier 自動生成測試用例，來檢查模型的邏輯設計及分支結構開展結構型測試，并得到如圖7所示的覆蓋度分析報告。然后為進一步驗證控制策略模型，編制相關測試用例，即制定的一組測試輸入、執行條件以及預期結果，開展功能型測試，以便驗證所開發的控制策略是否滿足客戶功能需求，功能性測試測試結果符合預期設計要求。為開展控制模型功能性驗證，開發如表1所示的測試用例集合。

圖7 測試用例的覆蓋度分析Fig.7 Coverage analysis of test cases

3.1 定點化及自動代碼生成

經過定點化處理流程，并配置上述應用層控制策略模型為采用Matlab/Real-time Workshop Embedded Coder所默認的規則以及代碼格式，通過點擊Real-time Workshop中的Generate Code選項生成全部應用層代碼。為生成完整的電控空氣懸架的控制代碼，需將上述自動生成的應用層代碼與底層驅動代碼相互集成。集成后嵌入式代碼通過BDM下載器下載至電控空氣懸架系統電子控制單元。

表1 控制策略模型的測試用例Tab.1 Test case group of control strategy model

3.2 試車功能試驗

在完成主要參數標定工作后，參考GB/T 4970—2009 《汽車平順性試驗方法》，利用丹麥B&K公司生產的四支單向加速度傳感器和1個平順性座墊，對試驗SUV車輛在改裝空氣懸架前后，在40、80、120 km/h 3種典型車速及5 km的B級路面上，進行了往復穩定車速下的隨機輸入平順性試驗，并分別記錄1個平順性座墊和4支加速度傳感器的數據。表2給出了試驗車輛駕駛室底板局部的加速度均方根及座椅處加速度的總加權均方根。通過加權振級Law分析可得，在車速分別為40 km/h、80 km/h時，普通懸架和空氣懸架性能相差不大;在車速為120 km/h時，普通懸架有些測點的Law大于116，但空氣懸架的Law均處在100～116之間。

表2 各測點垂直振動加速度均方根Tab.2 Root mean square (RMS) of vertical acceleration of each measuring position m/s2

4 結束語

利用空氣彈簧、高度傳感器、電動氣泵、儲氣筒、組合氣閥等對某型SUV車輛進行了空氣懸架系統改裝；利用自行設計的電控空氣懸架系統電子控制單元，開發了基于模型的電控空氣懸架控制策略，在上述基礎上開展實車測試試驗，試驗結果表明電控空氣懸架系統電子控制單元及其控制策略在高速行駛時可提升車輛平順性。

1 黃啟科，麻友良，王保華．汽車電控空氣懸架發展與研究現狀綜述[J]. 湖北汽車工業學院學報，2013, 27(2):27-32． HUANG Qike, MA Youliang, WANG Baohua. Review on development and research of electronically controlled air suspension[J]. Journal of Hubei University of Automotive Technology, 2013, 27(2):27-32．(in Chinese)

2 貝紹軼, 陳龍．基于遺傳算法的汽車半主動懸架模糊控制器設計[J]．農業機械學報，2006，37(9)：9-12． BEI Shaoyi，CHEN Long．Design of semi-active automobile suspension fuzzy controller based on genetic algorithms[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2006，37(9)：9-12．(in Chinese)

3 嚴天一，劉欣強，張魯鄒，等．基于代碼生成的電控空氣懸架系統電子控制單元[J/OL]．農業機械學報，2014，45(9)：14-19．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140903&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.09.003. YAN Tianyi，LIU Xinqiang，ZHANG Luzou，et al. Electronic control unit of electronically-controlled air suspensions based on code generation[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(9)：14-19．(in Chinese)

4 彭桂雪．客車用電子控制空氣懸架系統研究[D]. 鎮江：江蘇大學，2010 PENG Guixue. Research on electronically controlled air suspension systems for buses[D]. Zhenjiang：Jiangsu University, 2010．(in Chinese)

5 GIUSEPPE Quaglia, MASSIMO Sorli. Air suspension dimensionless analysis and design procedure[J]. Vehicle System Dynamics, 2001, 35(6): 443-475.

6 姜立標，王登峰，謝東，等．電控空氣懸架載荷平衡系統仿真[J]. 汽車工程, 2007, 29(3): 234-237． JIANG Libiao, WANG Dengfeng, XIE Dong, et al. A simulation on load leveling system for electronically controlled air suspension[J]. Automotive Engineering, 2007, 29(3): 234-237．(in Chinese)

7 汪若塵，陳龍，張孝良，等．車輛半主動空氣懸架系統設計與試驗[J/OL]．農業機械學報，2012, 43(4)：6-9,136．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20120402&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2012.04.002. WANG Ruochen, CHEN Long, ZHANG Xiaoliang, et al. Design and test of semi-active air suspension system of vehicle[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2012, 43(4)：6-9,136．(in Chinese)

8 張建軍，楊偉，張本宏．汽車電控空氣懸架系統的控制策略研究[J]. 機械設計與制造，2012(11):130-132． ZHANG Jianjun， YANG Wei, ZHANG Benhong. Control strategy research of automotive electro-controlled air uspension system[J]. Machinery Design & Manufacture，2012(11):130-132．(in Chinese)

9 潘公宇，陳立付，聶秀偉，等．空氣主動懸架模糊控制仿真與實驗研究[J]．機械設計與制造，2011(1):198-200． PAN Gongyu，CHEN Lifu, NIE Xiuwei, et al. Simulation and experiment study of pneumatic active suspension system with fuzzy controller[J] ．Machinery Design & Manufacture，2011(1):198-200．(in Chinese)

10 黃俊明，周孔亢，徐興，等．電子控制空氣懸架高度調節過程非線性模型[J].機械工程學報，2009，45(6):278-283. HUANG Junming，ZHOU Kongkang，XU Xing，et al. Nonlinear model on leveling procedure of electronically controlled air suspension[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2009，45(6):278-283．(in Chinese)

11 楊啟耀，周孔亢，張文娜，等．半主動空氣懸架Fuzzy-PID控制[J]．農業機械學報，2008, 39(9)：24-29． YANG Qiyao，ZHOU Kongkang，ZHANG Wenna，et al. Fuzzy-PID control on semi-active air suspension[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2008, 39(9)：24-29．(in Chinese)

12 王輝，朱思洪．半主動空氣懸架神經網絡的自適應控制[J]．農業機械學報，2006, 37(1)：28-31． WANG Hui，ZHU Sihong．Neural network adaptive control for semi-active air suspension [J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2006, 37(1)：28-31．(in Chinese)

13 王炳．客車電控空氣懸架控制系統的研究[D]．鎮江：江蘇大學，2009． WANG Bing．Research on bus electronically controlled air suspension systems[D]. Zhenjiang：Jiangsu University, 2009．(in Chinese)

14 汪若塵，施德華，陳兵．半主動空氣懸架建模與神經元自適應控制[J].蘭州理工大學學報，2013,39(4)：51-54． WANG Ruochen，SHI Dehua，CHEN Bing．Modeling of semi-active air suspension and its simulation with neuron adaptive control[J]. Journal of Lanzhou University of Technology，2013,39(4)：51-54．(in Chinese)

15 楊偉．基于CAN總線的汽車主動式空氣懸架系統控制研究[D].合肥：合肥工業大學，2012. YANG Wei．Research on vehicle active air suspension systems based on CAN bus[D].Hefei：Hefei University of Technology, 2012．(in Chinese)

16 江洪，李坤，周文濤，等．ECAS系統控制模式及控制策略[J]．機械工程學報，2009,45(12)：224-231. JIANG Hong, LI Kun, ZHOU Wentao, et al. Control mode and control strategy in ECAS systems[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2009,45(12)：224-231. (in Chinese)

17 江洪，李仲興，周文濤, 等．基于遺傳算法的ECAS系統中三級阻尼匹配優化設計[J]．機械工程學報，2009,45(10)：279-283. JIANG Hong， LI Zhongxing，ZHOU Wentao, et al. Optimum match design of tri-grade adjustable damper in ECAS system based on genetic algorithm[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2009,45(10)：279-283. (in Chinese)

18 徐興，陳照章，全力，等．ECAS客車車身高度的實時跟蹤[J]．機械工程學報，2011,47(2)：136-141. XU Xing， CHEN Zhaozhang，QUAN Li, et al. Real-time tracking of ride height for bus with electronically controlled air suspension[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011,47(2)：136-141.(in Chinese)

19 陳月霞,陳龍,徐興，等．隨機干擾下電控空氣懸架整車車身高度控制研究[J/OL]．農業機械學報，2015,46(12):309-315. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20151242&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.12.042. CHEN Yuexia, CHEN Long, XU Xing, et al. Vehicle height control of electronic-controlled air suspension under random disturbance[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(12):309-315.(in Chinese)

20 汪少華,竇輝,孫曉強，等．電控空氣懸架車高調節與整車姿態控制研究[J/OL].農業機械學報,2015,46(10):335-342,356. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20151045&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.10.045. WANG Shaohua, DOU Hui, SUN Xiaoqiang, et al.Vehicle height adjustment and attitude control of electronically controlled air suspension[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(10):335-342,356.(in Chinese)

Development of ECAS Control Strategy Based on Model-based Design and Its Real Car Experiments

YAN Tianyi1LI Congcong1CHO X H2SUN Fuquan1LU Jingeng1DAI Zuoqiang1
(1.CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China2.TGMMotors,Hamyang50021,Korea)

To improve a SUV’s ride quality and mobility, etc., an electronic control unit of electronically controlled air suspensions (ECAS) was designed by using a Freescale XDT512 micro-controller, which consisted of a minimum system, a power source module, a driving module, a speed signal processing module, a double acceleration module, an analog signal processing module, a communication module and so on. The control strategy model of an ECAS system was designed by using the model-based design method, which included an auto-mode sub_model, a manual-model sub_model and a repair-mode sub_model. The height of the car can be automatically adjusted according to the speed in auto-mode, and a driver can freely set the height of the car by using a human-machine interface in manual-mode. In repair-mode, the functions of the ECAS system were disabled to prevent any unexpected action. The structural test and functional test were conducted after a set of test cases were properly designed. When fixed-point treatment was conducted, the control model was converted into an application program by using RTW technologies, and then it was integrated with low-level driven programs, the final integrated program was downloaded into the electronic control unit of an ECAS. Then vehicle experiments were carried out, the results of experiments showed that the proposed control strategy fulfilled the design requirements.

air suspension systems； electronic control； control strategy； experiments

2016-09-05

2016-11-02

國家自然科學基金項目(50905090)和山東省自然科學基金項目(ZR2016EEM49)

嚴天一(1970—)，男，教授，博士，主要從事車輛系統動力學及其控制策略研究，E-mail: yantianyi@qdu.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.049

U463.33

A

1000-1298(2017)05-0385-05