基于CAN总线的商用车电控空气悬架控制与试验研究

包丕利

(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222)

0 引言

随着汽车工业的发展、全球交通运输业的快速发展，商用载货汽车在物流运输上发挥重要作用，其营运工况越来越被人们所重视［1］。电控空气弹簧悬架在汽车操纵稳定性、行驶平顺性及行驶安全性方面有着巨大的优势，而且还能吸收对汽车和道路的冲击载荷，延长其使用寿命。因此，伴随着运输业和电子计算机技术的迅速发展，汽车控制系统的智能化程度越来越高，电子控制空气悬架 (ECAS)在我国必将得到广泛应用，市场前景十分广阔［2－4］。CAN总线技术在汽车网络中的优势也越来越明显，在汽车的电子控制中有很大的发展前途［5］。

1 系统CAN总线拓扑结构确定

综合考虑成本、性能、对原车结构的继承性及国内的使用条件，最终确定了在原前后均为钢板弹簧悬架的商用卡车上设计匹配前少片簧、后钢板弹簧导向机构两气囊空气悬架的结构型式［6］。在车辆前桥中部 (少片簧悬架)装一个高度传感器，后桥左右各装一个高度传感器，经中央电磁阀分别与后桥左右气囊组成分系统。通过对空气弹簧进行充放气调节，控制车辆工作状态及车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和行驶的安全性。系统气路及电路连接如图1所示。

CAN总线空气悬架控制系统的网络拓扑结构如图2所示。当车辆行驶工况发生变化时，将传感器测试得到的信息变化，做成报文通过CAN总线发送到电控空气悬架ECU，ECU通过判断、推理、分析，调用相应的控制模块，对空气弹簧进行充放气调节。在此系统中，用开关算法及PID算法控制空气悬架系统电磁阀的关闭。

2 空气悬架系统控制策略的实现

对于空气弹簧悬架控制而言，高度调节与车辆行驶安全性能相关，而刚度调节则与车辆行驶平顺性能相关［7］。控制系统应在保证系统稳定安全运行前提下提高行驶平顺性［8］。

首先设置三个指标高度，每个指标高度可通过选择开关或者由车辆根据车速自行进行调节控制:正常车速最佳行驶高度H1、经济工况行驶高度H2、车辆装卸货物的驻车高度H0、驾驶员可设定某一特定高度。

在控制过程中，储气筒充气压力一定，系统控制目标为空气弹簧高度或空气弹簧刚度。系统根据调节目标值和实际值之间差值与变化速度计算充放气脉冲长度。差值愈大，充放气脉冲愈长;变形速度愈快，充放气脉冲愈短。系统流程图如图3所示。

由上述控制功能要求，对商用车从出车、装载货物、起动、运行、停止、卸载及回库整个过程进行功能分析及整理，根据空气悬架系统的功能要求，按车辆车速进行初步判断，对车辆整体控制策略进行模块化设计。初步把电控空气悬架控制策略分为三个模块。

启动控制模块:当车辆启动时ECU根据检测到的信息自动将车身高度调节到H1。

停车装载模块:保证货物装卸方便，并保持高度稳定。当停车装卸货物时，需要保持车辆按驾驶员预先设定好的高度不变。当车辆载荷变化引起空气弹簧的高度发生变化达到一定程度时，ECU根据高度传感器采集到车辆高度变化信息，对气囊进行充放气调节，使整车能保持一个稳定的高度不变。当车辆超载时，即空气弹簧内的空气压力超过了限制，系统认为超出了空气弹簧的承载能力，空气弹簧不再有充放气调节，并发出警告，然后依靠辅助的支撑结构来支撑车辆的载荷，限制车辆超载。

稳态行驶模块:保证控制系统稳定安全工作，提高行驶平顺性。稳态行驶模块分为四种控制状态:车辆高度的整体调节、车辆高度的稳定性调节、车辆转向姿态控制、车辆纵倾姿态控制。当车辆高速转向行驶时，由于离心力作用会出现内升外降的车身高度偏差。为实现车身姿态控制、保持车身稳定，要求侧倾满足车身左右偏差要求。当车身左右偏差超出偏差范围，对后桥两侧空气弹簧分别同时进行充放气操作，使车身两侧高度同时往原指标高度调整，直至车身两侧偏差达到偏差允许值的1/2为止。当车辆加速、制动或上、下长坡时，车身会出现前升后降或相反的纵倾变形。为实现车身姿态控制保持车身稳定，要求车身纵倾满足前后偏差要求。由于设计车型为前少片簧后空气悬架形式，当车身前后偏差在一定时间内超出偏差范围，应该以前桥车身高度为目标值对后桥两侧空气弹簧进行同步充放气操作，使车身后桥往前桥车身高度调整，直至车身前后偏差达到偏差允许值的1/2为止，此时不考虑车身指标高度偏差的限制。

3 CAN总线网络节点及报文设计

在CAN总线空气悬架控制系统中悬架ECU为主节点，其他节点为子节点。子节点的报文只有主节点接收 (点对点模式)，主节点的报文所有子节点均接收 (广播模式)。在商用载货汽车CAN总线空气悬架控制系统中，设置主节点、空气悬架高度传感器节点、空气弹簧压力测试节点、电磁阀控制节点、车速采集节点、ABS节点等，实现悬架系统与整车通讯。CAN总线物理总线采用双绞线。CAN总线空气悬架控制系统组成及其整车布置如图4所示。

在控制器中设置一个双CAN模块，作为CAN总线控制系统的主节点。基于对网络通讯的实时性、准确性等车辆整体的控制性能以及成本的考虑，并根据各个节点硬件间的兼容性及性能，该系统子节点选择Philips公司推出的独立CAN通信控制器SJA1000作为节点控制器，采用Philips公司生产的驱动芯片SJA1040作为CAN收发器，采用AT89C52单片机作为CAN节点微控制器。

CAN2.0B协议只是对CAN总线的物理层和数据链路层进行了定义，而在实际应用过程中，必须根据用户的实际需要制定出相应的应用层协议。以CAN2.0B为基础的SAE J1939协议定义了适用于客车和货车的应用层协议，通过研究SAE J1939协议，在此基础上设计开发出适用于商用载货汽车电控空气悬架的应用层协议。

通过确定各节点优先级、通讯方式和源地址之后，可以制定CAN总线空气悬架控制系统各节点信息帧编码。CAN总线空气悬架控制系统各个节点的优先权 (P)、保留位 (R)、页数 (DP)、PDU格式 (PF)、PDU特指 (PS)、源地址 (SA)，如表1所示。

表1 CAN总线控制系统各个节点报文编码

在ECU的硬件设计中，选用高性能CPU和外围元器件，在接口上尽量保证和国外的产品保持兼容，为提高系统的稳定性，部分电路采用了冗余设计，EDA设计软件Protel 99sE是一种比较先进的设计软件，为电路原理图和PCB板设计提供一体化支持。经设计开发，研制出空气悬架电控单元 (ECU)并委托某电路板厂制造，空气悬架电控单元实物如图5所示。

4 CAN试验台架的搭建

根据所研究载货汽车的结构特点，在汽车前桥的中间位置安装一个高度传感器，后桥左右两侧各装一个高度传感器，后桥左右两侧的气囊由中央电磁阀控制。电控空气悬架试验台架布置如图6所示。

试验结果表明:所开发的系统能够实现对各种工况下各控制模式的控制，完成控制策略所设定的目标，系统反应灵敏，效果良好。

【1】姜立标，王登峰.货车空气悬架的现状及发展趋势［J］.齐齐哈尔大学学报，2005(1):66－69.

【2】喻凡，黄宏成，管西强.汽车空气悬架的现状及发展趋势［J］.汽车技术，2001(8):6－10.

【3】刘艳丽.奥迪A8轿车自适应空气悬架系统［J］.汽车维修，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】韩智阳.基于CAN总线的汽车电控空气悬架仿真分析与控制［D］.吉林:吉林大学，2007.

【6】郎锡泽.空气悬架商用载货汽车设计匹配与仿真分析［D］.吉林:吉林大学，2006.

【7】程悦.电控空气悬架系统的匹配设计［D］.吉林:吉林大学，2005.

【8】姜立标，王登峰，谢东.电控空气悬架载荷平衡系统仿真［J］.汽车工程，2007，39(3):234 －237.