汽车磁流变半主动悬架控制系统设计

夏 光, 唐希雯, 汪韶杰, 孙保群

(1.合肥工业大学 汽车工程技术研究院,安徽 合肥 230009;2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009;3.解放军电子工程学院 信息工程系,安徽合肥 230037)

磁流变半主动悬架是通过改变磁流变液流体的黏度来改变悬架减振器阻尼力的一种新型电控悬架,由于其响应快、动态范围宽、功耗低和结构简单的特点,且能取得与主动悬架相近的控制效果而成为近年来智能悬架研究的热点[1-3]。

关于磁流变减振器的控制方法很多,随着研究的深入,控制算法也越来越复杂[4-6],但是这些控制算法的实际可操作性越来越差,同时也带来了复杂算法的响应时滞。

本文针对磁流变半主动悬架进行了控制系统的硬件电路设计,采用工程易于实现的模糊算法,引入嵌入式操作系统μ C/OS-II和多任务的编程方法,并将自主开发的控制系统装车进行了实车道路试验。

1 系统硬件电路设计与实现系统

硬件设计主要是电子控制单元的硬件设计,其结构框图如图1所示,它表明了磁流变半主动悬架控制系统的基本电路结构及工作过程,主要包括单片机和最小系统电路、点火系统供电电路、车身垂直加速度信号调理电路、车速信号调理电路、恒流源驱动电路、CAN通信电路和故障诊断通信电路。

图1 控制系统结构示意图

1.1 LPC2292及其最小系统

磁流变半主动悬架控制系统选用ARM7系列LPC2292作为控制器的核心单元,可提高运算速度。LPC2292是144脚封装,基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。

由于LPC2292具有极低的功耗、多个32位定时器、8通道10位ADC、2/4高级CAN 、6通道32位脉宽调制器(PWM)以及多达9个外部中断管脚,使它们特别适用于汽车、工业控制应用[7]。

最小系统是指该处理器能正常工作所必须的条件,主要包括电源时钟、复位和JTAG接口,如果芯片没有片内程序存储器,则还要加上存储器系统。

1.2 系统硬件电路设计

(1)加速度信号调理电路。该电路主要包括电荷放大器、电压放大、巴特沃思滤波、电平转换和隔离限幅电路,把车身垂直加速度的电荷信号转化为处理器可以识别的较高精度的电压信号,传递给控制系统的电子控制单元,以提供车身垂直方向的运动状态。

(2)车速信号调理电路。该电路主要是检测汽车行驶速度,然后根据不同阶段的车速采用不同的控制策略。

(3)恒流源驱动电路。该电路的主要功能是驱动受控源,改变减振器上的电流大小,从而调节阻尼力大小。采用处理器中自带的PWM功能,通过滤波来实现D/A转换,通过控制PWM 的占空比来实现控制电压大小,并实现控制恒流源输出电流大小,进而通过恒流源输出电流控制减振器的磁流变液的黏度来改变其阻尼力。

(4)CAN通信电路。该电路功能模块包括2个兼容CAN2.0B协议的CAN控制器组成,这些丰富的内部资源和外部接口资源可以满足ECU对各种数据的处理、CAN网络数据的发送和接收要求,能够实现高低速 CAN网络的网关节点功能。

(5)故障诊断电路。该电路功能就是利用ECU监视加速度传感器、ECU和恒流源各组成部分的工作情况,发现故障后自动启动故障运行程序,将故障以代码的形式(此代码为设计时已经约定好的)存入Flash存储器;同时,通过故障指示灯提醒驾驶员和维修人员电控系统中出现的故障。

2 系统软件设计

2.1 嵌入式实时操作系统μ C/OS-II

μ C/OS-II是一种免费公开源代码、结构小巧且具有可剥夺实时内核的实时操作系统,具有可靠性高、移植性强、占用资源少、裁剪方便以及源码公开等诸多优点。一个移植了实时嵌入式操作系统的开发平台可以让开发人员把繁琐的调度交给操作系统,集中精力于模块本身功能的实现,高效率高质量地完成对实时性能具有严格要求的汽车电控单元的开发,大大缩短应用产品的开发周期,增强整个系统在实际应用中的可靠性,提高产品的经济效益[8]。

μ C/OS-II内核包含了任务管理、时间管理、内存管理及进程间通信4个部分。

2.2 移植μ C/OS-II到ARM

要移植一个操作系统到微处理器上需要做到对使用的编译器和将要移植的操作系统有深入的了解,并对具体使用的芯片也要有一定的了解。根据 μ C/OS-II的要求,移植 μ C/OS-II到一个新的体系结构上需要提供与CPU代码相关的3个代码文件[9]：C语言头文件OS_CPU.H、C语言源文件OS_CPU_C.C和汇编源文件程序OS_CPU_ASM.H。

2.3 基于μ C/OS-II的系统软件设计

2.3.1 系统控制方案

磁流变减振器的参数随外加磁场的变化而变化,具有较强的非线性,难以建立精确的数学模型。采用传统的控制方法对磁流变减振器进行控制,控制效果有时难以满足要求。模糊控制器是一种不需要对控制对象精确建模的控制器,而且对过程参数的变化不敏感,具有很强的鲁棒性。它根据人们的经验制定控制规则得出控制决策表,然后求出控制量的大小,特别适合于对磁流变减振器进行控制。

设计模糊控制规则集的准则使减振器活塞杆在垂直方向的加速度最小,并能够确保活塞的垂直位移在允许范围内。根据经验,本文得出了一组由36条模糊条件语句构成的控制规则,将这些模糊条件语句加以归纳,建立了模糊控制状态表。经调整后选一种能够真实反映磁流变减振器运动状态的变量以及合理范围的算法,见表1所列。

表1 模糊控制状态表

2.3.2 系统控制策略

2.3.3 系统软件的总体结构

整个控制系统的软件按照各自所实现的不同功能可以分为3个部分：驱动程序层、任务层和操作系统内核层。根据车辆平顺性控制的要求设计了加速度定时中断采集、车速捕获、控制电流定时输出和数据通信4个任务,各任务的优先级及功能见表2所列。

表2 任务优先级和功能描述

系统软件主程序流程,如图2所示。

图2 系统主程序流程图

2.3.4 任务子程序设计

(1)加速度定时采集。该程序主要是通过定时中断采集车身垂直加速度,再通过计算相邻2个时刻的加速度差,然后再处理2次采集的时间,即可得到加速度的变化率。

(2)车速捕获。该程序主要功能是在定时器TC运行过程中,当有捕获触发信号产生时,捕获电路将会立即把当时的定时器值TC复制到对应触发通道的捕获寄存器。

(3)控制电流定时输出。将车速分3个区间：0 km/h＜v≤40 km/h,40 km/h＜v＜80 km/h,v≥80 km/h。根据捕获的车速v,判断属于哪个区间而进入其相应的处理子程序。在每个对应的处理子程序里,通过对加速度和加速度变化率的符号判断,又分为4个不同的处理子程序。在这4个不同子程序里,又将加速度在最大值和最小值之间划分区间,在每一小段加速度区间,使用控制算法得出输出控制电流参数,再根据电流检测结果,进一步调节输出控制电流,改变减振器的阻尼力,降低车身加速度。控制电流输出程序流程,如图3所示。采用C语言对AT RM7芯片LPC2292进行编程。使用ADS1.2开发环境,程序通过JTAG仿真后,下载到LPC2292的内部Flash里,只要上电后就可以脱离仿真环境运行。

图3 控制电流输出程序流程图

3 实车试验

试验的目的是验证所设计的控制系统对汽车操纵稳定性、行驶平顺性的有效改善。试验方法主要是实车道路试验,试验车辆为安装有磁流变减振器及控制系统的昌河爱迪尔CH711A轿车,如图4所示。

图4 试验车辆

根据文献[10,11]进行实车道路试验,试验方法如下：

(1)分别在空载和满载的条件下,路面的激励分别为过凸块的脉输入和随机输入激励,测量车身各点3向加速度。

(2)在车辆安装磁流变半主动悬架和被动悬架的2种条件下,车速分别为40、60、80 km/h,按照方法(1)的要求进行试验,并对试验结果进行比较。

试验结果如图5所示。

图5 车速80 km/h空载和满载随机路面时域图

通过分析对比可知,采用自行开发的磁流变半主动悬架控制器的汽车,比采用普通被动悬架的汽车车身垂直加速度均方根值减小20%左右。

采用自行开发控制器磁流变半主动悬架的车辆在不同条件下都能够有效地降低整车的垂直加速度,明显优于普通被动悬架。

4 结束语

采用嵌入式操作系统μ C/OS-II以及多任务的编程方法大大提高了系统实时性,进而提高了控制器的响应时间。

通过实车试验,有效地验证了控制策略的正确性。由此说明,所设计的磁流变半主动悬架控制器和采用的控制策略是正确可行的,能有效改善整车行驶平顺性[12,13]。

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[2]廖昌荣.汽车悬架系统磁流变阻尼器研究[D].重庆：重庆大学光电工程学院,2001.

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