基于STM32的空气悬架控制半实物仿真与验证

王 涛，马桂芳

(昆明铁道职业技术学院，昆明 650200)

0 引言

随着汽车工业的发展，人们对乘用车提出了更高要求，悬架系统作为汽车底盘的重要系统，是路面与车身的连接缓冲，对悬架系统做必要的研究能有效提升乘用车的稳定性、舒适性和安全性。鞠锐等[1]对单筒充气型轿车磁流变液减震器进行研究，可有效调节减震器的阻尼力以提升乘坐的舒适性。赵雷雷等[2]对半主动悬架系统的最佳阻尼比控制策略进行研究，优化了半主动悬架的控制策略。主动式空气悬架的刚度、阻尼及高度在一定范围内可调，又因其功耗低、易于实现、操作安全和对道路破坏小等优点，得到了广泛应用。根据交通部实施的JT/T325—2002《营运客车类型划分及等级评定》中的要求，空气悬架已成为高级客车的必选配置。

本文研究空气悬架的高度(AHC)控制，空气悬架控制器一般采用原型化方法进行开发，依据性能要求进行硬件设计和代码编写，但手工编写代码开发周期长，可靠性不足，已很难适应当前产品研发。针对空气悬架高度控制系统采用“V字形”开发流程如图1所示，完成功能需求分析后，依据I/O接口配置要求，进行控制器选型；采用simulink/stateflow搭建空气悬架控制策略，自动生成代码，通过STM32单片机实现对空气悬架气囊充气和放气的控制，有效控制地面与车身之间的高度。搭建1/4汽车悬架试验台，通过dSPACE实时仿真系统，结合CarSim仿真的整车状态，实现空气悬架高度控制的半实物仿真与验证，开发周期短，开发过程简便快捷，可靠性强。

图1 空气悬架高度控制“V字形”开发流程

1 空气悬架系统控制需求分析

汽车在行驶过程中的路面激励是非线性的，在高速行驶时，期望汽车能够有较低的质心，以保证车辆的操控稳定性，减小风阻；在低速行驶时，期望汽车底盘较高，可以让坐姿稍高，以保证较好的舒适性，有良好的视野；在非铺装路面行驶时，期望汽车底盘能够更高，以保证良好的通过性，防止底盘被刮擦。

按以上使用角度分析，空气悬架需要以下功能。手动控制功能：能够用选择开关自主控制悬架高度，即越野模式(高位)、普通模式(中位)、高速模式(低位)。自动控制功能：1)随速功能，在汽车的行车过程中，车身高度能随车速自动控制；2)微调功能，在停车状态若簧上质量发生变化，能恢复原有车身高度；3)维修模式，在举升机举升车辆时，空气压缩机不工作。

2 AHC控制策略模型和硬件在环实验平台搭建

为了克服手工编写代码开发周期长，可靠性不足的缺点，采用模型设计(Model based Design，简称MBD)来替代传统手工代码开发模式，利用simulink/stateflow有限状态机的状态、转移、节点等组件来搭建AHC控制策略模型，如图2所示。该模型主要由手动控制模式和自动控制模式组成，自动控制模式又由车高随速控制、维修模式、车高微调控制等构成。

图2 Stateflow搭建的控制策略模型

2.1 AHC手动控制模式

从空气悬架功能需求分析可知AHC控制策略应具有手动控制功能，让驾驶员在汽车停车或低速状态可以手动控制悬架高度，且手动控制模式优先级大于自动控制模式。

2.2 AHC自动控制模式

AHC自动控制模式是根据汽车实际情况适时调整悬架高度。1)随速模式。汽车初始状态为普通模式，当车速vspd≥90 km·h-1且时间超过5 s，进入高速模式，降低悬架高度；当车速vspd<90 km·h-1且时间超过5 s，则进入普通模式，恢复悬架原有高度；当车速vspd<30 km·h-1且位移传感器θ角变化幅度大的次数大于5次，则进入越野模式，升高悬架高度。2)微调模式。在停车状态，悬架承载的簧上质量有变化时会导致悬架高度的变化，当位移传感器θ角变大或变小时，启动微调模式对空气悬架气囊执行充气或放气操作，恢复悬架原有高度。3)维修模式。在停车状态，位移传感器θ角持续变小一直变到最小值时，启动维修模式，切断空气压缩机电源，防止空气压缩机异常工作而引起蓄电池电量不足。

硬件实验台架1/4空气悬架由12 V电源、空气压缩机、分配阀、气管、储气罐、空气悬架、STM32单片机构成，如图3所示。分配阀以气管和空气压缩机、储气罐、气囊相连接，采用STM32单片机控制空气压缩机继电器及各进气阀和泄气阀，以达到AHC控制策略的硬件需求。

图3 1/4空气悬架试验平台

3 半实物仿真与验证

半实物仿真，即对系统的一部分建立数学模型，进行计算机实时运算，实现数学仿真；将系统中另外某些部分或环节，如部分执行机构以实物的形式引入仿真回路，连接成系统进行试验、调试的过程[4-5]。搭建1/4汽车悬架试验台后，载入单片机程序，通过dSPACE实时仿真系统，结合CarSim仿真的整车状态，实现了空气悬架控制系统的半实物仿真。1/4汽车悬架与整车仿真配合，能够实现预设的空气悬架控制逻辑，实现AHC手动控制模式，控制悬架分别在高位、中位和低位，悬架可控总行程200 mm；能够实现模拟车速下的AHC自动控制，车速Vspd<90 km·h-1时悬架自动控制在中位，Vspd≥90 km·h-1时悬架自动控制在低位。

4 结语

采用模型设计(MBD)来替代传统手工代码开发模式，利用simulink/stateflow有限状态机的状态、转移、节点等组件来搭建AHC控制策略模型，并运用STM32单片机控制 1/4汽车悬架试验平台，结合CarSim仿真的整车状态，最终实现对空气悬架试验平台的高度控制是可行的。