摘要：設(shè)計了一種以飛思卡爾MC9S08GB60 單片機(jī)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(diǎn)進(jìn)行了介紹,。通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺架測試，驗(yàn)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(xiàng)重要指標(biāo),，在實(shí)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(shí)用應(yīng)用的價值。
關(guān)鍵詞：MC9S08GB60 電子控制單元空氣懸架
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(yàn)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(jìn)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(diǎn),，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(shí)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(biāo)高度和三級可調(diào)阻尼值,，指標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(shí)際高度調(diào)整到指標(biāo)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。
Fig 1 Electronically controlled air suspension structure
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(kuò)展端口)。
2.1 MC9S08GB60
單片機(jī)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(shí)現(xiàn)高精度
和實(shí)時控制,。本設(shè)計采用了美國飛思卡爾公司的加強(qiáng)型8 位車用微控制器——MC9S08GB60單片機(jī),。該單片機(jī)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(dá)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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)的,，原理同高度傳感輸入電路類似。
圖二 車身高度檢測電路
Fig 2 detection circuit of vehicle’s height
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(dāng)前實(shí)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(dǎo)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(hù)電路,。
2.4 電源模塊，操作界面模塊及其他擴(kuò)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?jǐn)?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?dāng)_,。
操作界面主要是鍵盤輸入和發(fā)光二極管顯示。當(dāng)司機(jī)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(hù)，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(diǎn)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(jī)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?yàn)橐谎h(huán)體,，它擔(dān)負(fù)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(biāo)定高度進(jìn)行比較,，輸出控制信號,，當(dāng)快達(dá)到標(biāo)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。
Fig 3 the structured flowchart of main program
4 試驗(yàn)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(yàn),，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(yàn)證本設(shè)計的可行性[4]，驗(yàn)證本設(shè)計是否達(dá)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(yàn)手段,。
本試驗(yàn)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(yàn)原理如圖四所示.試驗(yàn)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(yàn)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(jī)輸入信號,，試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖五所示,，通過本實(shí)驗(yàn)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(xiàng)指標(biāo)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(shí)際應(yīng)用的價值,！
圖五(b) 垂直加速度 圖五(c) 車輪動載荷