車輛半主動懸架控制器的設計與研究

么鳴濤，顧 亮，蒙 洋

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

0 引言

半主動懸架工作時幾乎不消耗發動機的功率，不需向懸架系統施加外部能源，只需適時地改變懸架的阻尼元件或彈性元件的參數即可，結構簡單，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，具有更為現實的應用價值，受到國際上各大汽車公司和研究人員的廣泛重視[1,2]，并且根據路面來適時的調節懸架的軟硬程度，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

本系統主要考慮振動加速度、懸架動行程、以及減振器的發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，控制系統根據所采集的數據，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。為了實現實時的控制，系統只設軟、中、硬三個檔位。執行機構采用電液比例閥，即通過控制通過電磁閥的電流來控制節流孔開度，以實現對阻尼力的調節。

圖1 半主動懸架控制器

2 半主動懸架控制器的硬件研發

半主動懸架控制器系統如圖1所示，主要包括電源驅動板、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24V轉換成5V，但兩塊電源模塊相互不共地。一個采用數字地，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24V轉換為正負15V，給電源互感器供電。電源驅動板包括電源變換模塊、PID恒流閉環調節模塊、驅動模塊等。

主控板包括如下功能模塊：微處理器（單片機）、數據采集系統（采集加速度、油氣懸架氣體壓力、各減振器的溫度）、試驗數據存儲模塊、看門狗抗干擾模塊，時鐘模塊、上位機監控模塊，ISP系統、MIC總線通訊模塊，系統機構如圖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字節的RAM。FLASH程序存儲器支持并行和串行在系統編程系統，內設三個計數/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框圖

數據采集系統采集振動加速度、懸架氣缸壓力、以及懸架溫度三個信號。模擬量采集進來經A/D轉換送入單片機，A/D轉換采用PHILIPS公司的A/D芯片PCF8591，該芯片采用I2C數據總線協議。由于有多路壓力和溫度信號，因此用兩片4051實現壓力和溫度信號的選線。

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

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，節省芯片的耗電量，即使在系統斷電的情況下，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”。看門狗需要主程序對其定期的“喂狗”，否則將產生復位信號是主程序復位。當程序受外界的干擾或進入非正常的死循環時，主程序不對看門狗進行“喂狗”操作，這是看門狗復位主程序，使其正常的運行。

ISP在系統編程系統以及上位機監控系統都是通過串口通訊實現。用MAXIN232芯片來實現電平的轉換，完成于上位機的接口。ISP系統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。上位機監控系統可以實現對試驗數據在線和離線的讀取，極大的方便了試驗數據的紀錄，以及故障現象的分析。

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，實現了與車輛其他分系統信息的共享。

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，把電阻變化轉化成電壓的變化，并經過運放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，經過加法器和電壓跟隨器，給電橋供電。經過實際的檢驗，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，并把測得的數據送入單片機，通過PID控制算法調整PWM的參數設定，以實現電磁閥恒流輸出，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負載電路的電流，通過電位器將其轉化成電壓信號i/v1，經A/D轉化后送入單片機。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計

半主動控制的軟件設計分為如下幾個模塊構成：MIC總線通訊模塊實現MIC的讀寫操作，I2C總線通訊模塊，實現對數據存儲器24C256的讀寫以及A/D轉換器PCF8591的讀寫；PWM輸出模塊，通過設置寄存器的參數，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ISP功能以及上位機監控功能；PID控制模塊，實現數字PID算法，以適時的調節PWM參數，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，實現整個控制功能。

4 結論

所有的軟件均經過調試運行,從臺架試驗和實際的跑車試驗的結果來看，控制器實現了對減振器阻尼的預期控制目標，并實現了控制系統與PC機的數據通信。在系統編程功能和對試驗數據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據的讀取。 實驗結果表明：控制器的軟、硬件設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動力學[M].北京:國防工業出版社,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:北京航空航天大學出版社,1999.