车辆半主动悬架控制器的设计与研究

么鸣涛，顾 亮，蒙 洋

（1. 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2. 北京航空航天大学 软件学院，北京 100083）

0 引言

半主动悬架工作时几乎不消耗发动机的功率，不需向悬架系统施加外部能源，只需适时地改变悬架的阻尼元件或弹性元件的参数即可，结构简单，造价低，而减振效果接近于主动悬架，因此半主动悬架的性能价格比高，具有更为现实的应用价值，受到国际上各大汽车公司和研究人员的广泛重视[1,2]，并且根据路面来适时的调节悬架的软硬程度，将有着重要的意义[3]。

1 半主动悬架控制要求及其控制策略

本系统主要考虑振动加速度、悬架动行程、以及减振器的发热功率这些悬架性能的主要评价指标[4]。基于上述几个性能指标，控制系统根据所采集的数据，包括车身振动加速度，油气悬架气体压力，减振器的温度，来实时地改变悬架阻尼系数。为了实现实时的控制，系统只设软、中、硬三个档位。执行机构采用电液比例阀，即通过控制通过电磁阀的电流来控制节流孔开度，以实现对阻尼力的调节。

图1 半主动悬架控制器

2 半主动悬架控制器的硬件研发

半主动悬架控制器系统如图1所示，主要包括电源驱动板、主控板和温度变送板。

由于车辆电源为24伏，必须通过电源驱动板中的电压变换模块将24V变换成所需要的电压。电压变换模块采用三块电源模块，其中两块SF24S5-5W，实现24V转换成5V，但两块电源模块相互不共地。一个采用数字地，给主控板供电，一个采用模拟地，给输出模块供电。另一块电源模块为SF24S15-10W，实现24V转换为正负15V，给电源互感器供电。电源驱动板包括电源变换模块、PID恒流闭环调节模块、驱动模块等。

主控板包括如下功能模块：微处理器（单片机）、数据采集系统（采集加速度、油气悬架气体压力、各减振器的温度）、试验数据存储模块、看门狗抗干扰模块，时钟模块、上位机监控模块，ISP系统、MIC总线通讯模块，系统机构如图2所示。

微处理器采用PHILIPS公司的51单片机系列P89V51RD2，该单片机采用8位处理器，包含64kFLASH和1024字节的RAM。FLASH程序存储器支持并行和串行在系统编程系统，内设三个计数/定时器和一个看门狗定时器，具有PWM输出功能[5]。

图2 半主动悬架控制器系统框图

数据采集系统采集振动加速度、悬架气缸压力、以及悬架温度三个信号。模拟量采集进来经A/D转换送入单片机，A/D转换采用PHILIPS公司的A/D芯片PCF8591，该芯片采用I2C数据总线协议。由于有多路压力和温度信号，因此用两片4051实现压力和温度信号的选线。

试验数据存储采用芯片24c256，该芯片采用I2C数据总线协议。存储空间大小为32K，控制器每隔1分钟对当前的状态信息进行存储。按每天跑车八小时计算，可以存储三天的实验数据。该存储模块的使用极大的方便了实验数据的采集和记录。

时钟模块纪录试验的时间，采用芯片DS1302。该芯片采用涓流充放电技术，节省芯片的耗电量，即使在系统断电的情况下，也能正常的工作。实验证明该芯片准确度相当高。

看门狗芯片采用X25045，以防止程序“跑飞”。看门狗需要主程序对其定期的“喂狗”，否则将产生复位信号是主程序复位。当程序受外界的干扰或进入非正常的死循环时，主程序不对看门狗进行“喂狗”操作，这是看门狗复位主程序，使其正常的运行。

ISP在系统编程系统以及上位机监控系统都是通过串口通讯实现。用MAXIN232芯片来实现电平的转换，完成于上位机的接口。ISP系统为烧写程序提供了很大的方便，不需要把芯片拔出来插在仿真器上烧写，直接可以进行在线的修改。上位机监控系统可以实现对试验数据在线和离线的读取，极大的方便了试验数据的纪录，以及故障现象的分析。

通过MIC总线可以将悬架当前的运行状况上传到上一级控制器，并从总线上获得车速等信号，实现了与车辆其他分系统信息的共享。

温度变送板中的温度传感器采用铂电阻温度传感器pt100。此传感器电阻阻值随着外界温度的升高而增大，具有灵敏度高，工作可靠的特点。但其线性度不好，需要变送电路来改善其线性度。电路图3所示。该电路采用正反馈进行线性补偿。PT端接温度传感器pt100。通过电桥，把电阻变化转化成电压的变化，并经过运放LM224进行放大处理。VT为输出，并把一定的正反馈量引入到电源输入端，经过加法器和电压跟随器，给电桥供电。经过实际的检验，此温度变送器具有较高的线性度。

图3 温度变送器电路图

图4 PWM模块原理图

本控制系统通过PWM输出来控制通过电磁阀的电流。但是当长时间使用时，电磁阀过热，其电阻增加，从而导致通过电流阀的电流减小，偏离控制目标，势必影响悬架的控制性能。通过电流互感器可以测得通过电磁阀的电流，并把测得的数据送入单片机，通过PID控制算法调整PWM的参数设定，以实现电磁阀恒流输出，电路图如图4所示。LH1为霍尔传感器，f1端接负载。当pt1端注入PWM脉冲时，负载电路就能够适时的接通和断开。霍尔传感器可以感应负载电路的电流，通过电位器将其转化成电压信号i/v1，经A/D转化后送入单片机。此模块还有故障诊断的功能，电路中接入了熔断电阻，当电磁阀短路时，输出电流过大，导致熔断断开，时输出电流为零，流互感器能及时检测到此信息并送给单片机。

3 半主动悬架控制器的软件设计

半主动控制的软件设计分为如下几个模块构成：MIC总线通讯模块实现MIC的读写操作，I2C总线通讯模块，实现对数据存储器24C256的读写以及A/D转换器PCF8591的读写；PWM输出模块，通过设置寄存器的参数，来适时的改变PWM输出；时钟模块，完成对时钟芯片的读写操作；串口通讯模块，主要实现ISP功能以及上位机监控功能；PID控制模块，实现数字PID算法，以适时的调节PWM参数，以控制通过电磁阀的电流；主程序模块，将各模块通过接口连接起来，实现整个控制功能。

4 结论

所有的软件均经过调试运行,从台架试验和实际的跑车试验的结果来看，控制器实现了对减振器阻尼的预期控制目标，并实现了控制系统与PC机的数据通信。在系统编程功能和对试验数据的在线和离线采集功能，极大的方便了程序的修改和实验数据的读取。 实验结果表明：控制器的软、硬件设计完全符合军标要求。

[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.履带式装甲车辆悬挂系统动力学[M].北京:国防工业出版社,2002 .

[4] 俞德孚.车辆悬架减振器的理论和实践[M].北京:兵器工业出版社,2003.

[5] 何立民.单片机高级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.