基于MC9S08GB60單片機的汽車電控空氣懸架系統(tǒng)

摘要：設(shè)計了一種以飛思卡爾MC9S08GB60 單片機為控制核心的汽車電控空氣懸架系統(tǒng)。著重闡述了其硬件電路系統(tǒng)和具體電路設(shè)計，并對軟件設(shè)計要點進行了介紹。通過在實驗室進行臺架測試，驗證了本系統(tǒng)相對于被動懸架系統(tǒng)有效的改善了懸架動行程，車輪動載荷及車身垂直加速度三項重要指標，在實現(xiàn)車身高度調(diào)節(jié)控制的同時改善了車輛乘坐的舒適型。且電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，有實用應(yīng)用的價值。

0 引言

空氣懸架主要有被動懸架和可控電子懸架。被動懸架一定程度上抑制和降低了車體和車輪的動載和振動，保證了車輛行駛安全性和乘坐舒適型。但由于被動懸架的剛度和阻尼系數(shù)一般按經(jīng)驗選取，只在特定環(huán)境下是最優(yōu)，而一旦載荷，路況，速度等因素發(fā)生變化，被動懸架不能隨之而自動調(diào)節(jié)，更不能手動調(diào)節(jié)。為了克服這一缺陷，電子空氣懸架系統(tǒng)(ECAS)由此產(chǎn)生。ECAS 是目前最先進的汽車懸架系統(tǒng)，它可以隨著路況，載荷，速度等變化因子自動調(diào)節(jié)懸架剛度，車身高度，減少了空氣消耗，且具有反應(yīng)迅速，安裝容易，操作簡單等優(yōu)點，因此可控電子懸架已經(jīng)成為汽車電子領(lǐng)域研究的一個熱門課題，其有著廣闊的發(fā)展前景。

1 ECAS 的組成及原理

電控空氣懸架系統(tǒng)由電子控制單元(ECU)，高度傳感器、空氣彈簧、速度傳感器、減震器，車高升降控制鍵盤等組成。ECU 通過高度傳感器實時檢測車身高度，間接獲得車身垂直加速度，同時通過速度傳感器檢測車輛行駛速度。ECU 內(nèi)保存若干指標高度和三級可調(diào)阻尼值，指標高度與彈簧的舒適性、駕駛安全性和與應(yīng)用規(guī)范保持一致。車速在不同的行駛條件下由ECU 自動執(zhí)行相應(yīng)的指標高度，也可由駕駛員手動控制高度和阻尼值。通過比較高度傳感器檢測結(jié)果和指標高度，若高度差超過了一定的公差范圍，電磁閥就會被激發(fā)，通過充放氣將實際高度調(diào)整到指標高度。減震器阻尼力共三檔，根據(jù)車身上升速度、加速度控制減震器，執(zhí)行相應(yīng)的阻尼力，從而滿足汽車行駛平順性和乘坐舒適型的要求。電控空氣懸架組成結(jié)構(gòu)如圖一。

2 ECAS 系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計

ECAS 主要由6 大功能模塊組成，分別是中央處理單元，信號輸入模塊(即傳感器信號)，信號輸出模塊(即控制量的輸出)，操作界面模塊，電源模塊，其他模塊(外接存儲器，RS485通信，系統(tǒng)的升級擴展端口)。

2.1 MC9S08GB60

單片機是ECU 的核心部件, 它要經(jīng)常處理大量的輸入和輸出信號, 而且要實現(xiàn)高精度和實時控制。本設(shè)計采用了美國飛思卡爾公司的加強型8 位車用微控制器——MC9S08GB60單片機。該單片機內(nèi)有64K flash 和4K 的E2PROM，高度集成了四個串行通信端口(SCI1,SCI2,SPI,I2C) ,最多達8 個定時器(PWM),8 通道的10 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊。

2.2 信號傳感輸入模塊

該模塊主要由3 個高度傳感器和1 個速度傳感器構(gòu)成。車身高度傳感器等效電感串聯(lián)電阻。等效電感0°轉(zhuǎn)角時對應(yīng)約20mH，-45°轉(zhuǎn)角時對應(yīng)約8mH，+45°轉(zhuǎn)角時對應(yīng)約35mH。等效電阻120Ω。為此設(shè)計了LC 三點式振蕩電路來檢測車身高度傳感器傳來的信號，即設(shè)計一個正弦波發(fā)生器，由TL082 元件及外圍電路構(gòu)成，正弦波的頻率隨高度傳感器等效電感的變化而不斷變化，而后經(jīng)比較器出來一個頻率隨電感不斷變化的方波，經(jīng)三極管放大和光耦隔離后輸入到MCU 的輸入捕捉端口。MCU 通過檢測這一不斷變化的頻率來實現(xiàn)對高度傳感器傳來信號的檢測。電路如圖二所示，對速度傳感器信號的檢測也是通過檢測其頻率實現(xiàn)的，原理同高度傳感輸入電路類似。

2.3 信號控制輸出模塊

ECU 采用PWM 方式輸出控制電磁閥的開啟，根據(jù)當前實際高度與預(yù)期調(diào)節(jié)高度的偏差來輸出控制信號。ECU 計算電磁閥的調(diào)節(jié)脈沖長度，如果需要調(diào)節(jié)的高度量大、由于沒有過沖危險,ECU 將給出一個長的脈沖，同時，快的上升速度將減小脈沖長度，這樣就能精確控制車輛的高度調(diào)節(jié)速度，極大的避免了高度的過沖及振蕩調(diào)節(jié).對于電磁閥的驅(qū)動，本設(shè)計選用了安森美半導體公司生產(chǎn)的NUD3124 繼電器驅(qū)動芯片。NUD3124(汽車版本)器件的高反向雪崩能量容量(350mJ)可以控制大多數(shù)用于汽車應(yīng)用的繼電器?？刂菩盘柦?jīng)過光耦隔離后輸出給NUD3124 驅(qū)動芯片，由NUD3124 驅(qū)動電磁閥工作，并在NUD3124 的輸出端加了一個二極管保護電路。

2.4 電源模塊，操作界面模塊及其他擴展功能模塊

ECAS 系統(tǒng)主要有兩種電壓源，一是24V 電壓源，二是3V 電壓源。其中3V 電壓源分數(shù)字電壓源和模擬電壓源。24V 電源是由車輛自身電源引出，然后經(jīng)π 型濾波，再經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，在經(jīng)過一個濾波電路最終得到一個穩(wěn)定的24V 電壓源。3V 電壓源與此類似，只是須要在數(shù)字電源和模擬電源之間加上一個隔離電阻，以防串擾。

操作界面主要是鍵盤輸入和發(fā)光二極管顯示。當司機要手動控制阻尼和車高的時候，便可通過鍵盤輸入其操作，然后相應(yīng)的發(fā)光二極管亮，顯示其輸入。鍵盤輸入經(jīng)過了濾波，光耦隔離和IC106 濾波及保護，最終送入ECU，然后ECU 輸出控制驅(qū)動相應(yīng)發(fā)光二極管點亮。其他模塊主要包括便于日后升級的接口，以及RS485 通信，大容量存儲器等。大容量存儲器采用了ATMAL 公司的AT24C1024，其通過PTC2/SDA 和PTC3/SCL 與單片機相連;RS485用典型接法即可，芯片采用max3485;其他未用引腳均通過插槽引出，以便于日后升級之用。

3 汽車ECAS的軟件設(shè)計方案

空氣懸架電子控制單元(ECAS)應(yīng)用軟件由系統(tǒng)初始化模塊、判斷手動自動調(diào)高模塊、信號采集模塊，鍵盤響應(yīng)模塊，輸出控制模塊等構(gòu)成。主程序為一循環(huán)體，它擔負調(diào)節(jié)車身高度和阻尼的任務(wù)，車身高度信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為具有一定占空比的方波信號，然后經(jīng)過與微處理器中預(yù)設(shè)的標定高度進行比較，輸出控制信號，當快達到標定高度時，減小輸出信號的占空比，以防止過充。具體主程序框圖如圖三所示。

4 試驗及結(jié)果分析

本設(shè)計做了兩自由度1/4 車輛空氣懸架試驗，通過在一定頻率特性下，對比分析電控空氣懸架和被動空氣懸架在相同的路面激勵下，得到不同的懸架動行程，車輛動載荷及垂直加速度，來驗證本設(shè)計的可行性[4]，驗證本設(shè)計是否達到了提高車輛行駛平順性和乘坐舒適型的目的。為下一步將科研成果轉(zhuǎn)換成汽車電子產(chǎn)品提供技術(shù)儲備和試驗手段。

本試驗系統(tǒng)用到了美國 INSTRON 公司8800 數(shù)控液壓伺服振動測試系統(tǒng)、空氣彈簧、減振器、本文設(shè)計的控制器、加速度傳感器、車身高度傳感器、速度傳感器，Wavebook 信號采集器、電腦等。試驗原理如圖四所示.試驗系統(tǒng)上多加了兩個傳感器，分別是加速度傳感器和壓力傳感器，加這兩個傳感器是為了測出簧上垂直加速度和輪胎動載荷。本試驗過程中激勵信號采用模擬B 級路面、車速50km/h 的白噪聲隨機輸入信號，試驗時間30s，采樣間隔0.01s，空氣彈簧工作高度275mm，分別采集空氣懸架加控制器前、后的簧上質(zhì)量垂直振動加速度，懸架動行程和輪胎動載荷。實驗結(jié)果如圖五所示，通過本實驗我們可以看出用本文所設(shè)計的電控空氣懸架系統(tǒng)明顯在懸架動行程，車輛動載荷和垂直加速度三項指標上都比被動懸架有明顯的改善，其中簧上質(zhì)量垂直振動加速度的均方根值下降了12.89%說明本文所設(shè)計的控制器有效地改善了車輪的行駛平順性，得到了較好的懸架特性，有實際應(yīng)用的價值!