基于MC9S08GB60單片機的汽車(chē)電控空氣懸架系統設計

摘要：設計了一種以飛思卡爾MC9S08GB60 單片機為控制核心的汽車(chē)電控空氣懸架系統。著(zhù)重闡述了其硬件電路系統和具體電路設計，并對軟件設計要點(diǎn)進(jìn)行了介紹。通過(guò)在實(shí)驗室進(jìn)行臺架測試，驗證了本系統相對于被動(dòng)懸架系統有效的改善了懸架動(dòng)行程，車(chē)輪動(dòng)載荷及車(chē)身垂直加速度三項重要指標，在實(shí)現車(chē)身高度調節控制的同時(shí)改善了車(chē)輛乘坐的舒適型。且電路結構簡(jiǎn)單，穩定性好，有實(shí)用應用的價(jià)值。

0 引言

空氣懸架主要有被動(dòng)懸架和可控電子懸架。被動(dòng)懸架一定程度上抑制和降低了車(chē)體和車(chē)輪的動(dòng)載和振動(dòng)，保證了車(chē)輛行駛安全性和乘坐舒適型。但由于被動(dòng)懸架的剛度和阻尼系數一般按經(jīng)驗選取，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(dòng)懸架不能隨之而自動(dòng)調節，更不能手動(dòng)調節。為了克服這一缺陷，電子空氣懸架系統(ECAS)由此產(chǎn)生。ECAS 是目前最先進(jìn)的汽車(chē)懸架系統，它可以隨著(zhù)路況，載荷，速度等變化因子自動(dòng)調節懸架剛度，車(chē)身高度，減少了空氣消耗，且具有反應迅速，安裝容易，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此可控電子懸架已經(jīng)成為汽車(chē)電子領(lǐng)域研究的一個(gè)熱門(mén)課題，其有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。

1 ECAS 的組成及原理

電控空氣懸架系統由電子控制單元(ECU)，高度傳感器、空氣彈簧、速度傳感器、減震器，車(chē)高升降控制鍵盤(pán)等組成。ECU 通過(guò)高度傳感器實(shí)時(shí)檢測車(chē)身高度，間接獲得車(chē)身垂直加速度，同時(shí)通過(guò)速度傳感器檢測車(chē)輛行駛速度。ECU 內保存若干指標高度和三級可調阻尼值，指標高度與彈簧的舒適性、駕駛安全性和與應用規范保持一致。車(chē)速在不同的行駛條件下由ECU 自動(dòng)執行相應的指標高度，也可由駕駛員手動(dòng)控制高度和阻尼值。通過(guò)比較高度傳感器檢測結果和指標高度，若高度差超過(guò)了一定的公差范圍，電磁閥就會(huì )被激發(fā)，通過(guò)充放氣將實(shí)際高度調整到指標高度。減震器阻尼力共三檔，根據車(chē)身上升速度、加速度控制減震器，執行相應的阻尼力，從而滿(mǎn)足汽車(chē)行駛平順性和乘坐舒適型的要求。電控空氣懸架組成結構如圖一。

2 ECAS 系統各功能模塊的設計

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，系統的升級擴展端口)。

2.1 MC9S08GB60

單片機是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)現高精度和實(shí)時(shí)控制。本設計采用了美國飛思卡爾公司的加強型8 位車(chē)用微控制器——MC9S08GB60單片機。該單片機內有64K flash 和4K 的E2PROM，高度集成了四個(gè)串行通信端口(SCI1,SCI2,SPI,I2C) ,最多達8 個(gè)定時(shí)器(PWM),8 通道的10 位A/D 轉換模塊。

2.2 信號傳感輸入模塊

該模塊主要由3 個(gè)高度傳感器和1 個(gè)速度傳感器構成。車(chē)身高度傳感器等效電感串聯(lián)電阻。等效電感0°轉角時(shí)對應約20mH，-45°轉角時(shí)對應約8mH，+45°轉角時(shí)對應約35mH。等效電阻120Ω。為此設計了LC 三點(diǎn)式振蕩電路來(lái)檢測車(chē)身高度傳感器傳來(lái)的信號，即設計一個(gè)正弦波發(fā)生器，由TL082 元件及外圍電路構成，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(lái)一個(gè)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(guò)檢測這一不斷變化的頻率來(lái)實(shí)現對高度傳感器傳來(lái)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(guò)檢測其頻率實(shí)現的，原理同高度傳感輸入電路類(lèi)似。

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(kāi)啟，根據當前實(shí)際高度與預期調節高度的偏差來(lái)輸出控制信號。ECU 計算電磁閥的調節脈沖長(cháng)度，如果需要調節的高度量大、由于沒(méi)有過(guò)沖危險,ECU 將給出一個(gè)長(cháng)的脈沖，同時(shí)，快的上升速度將減小脈沖長(cháng)度，這樣就能精確控制車(chē)輛的高度調節速度，極大的避免了高度的過(guò)沖及振蕩調節.對于電磁閥的驅動(dòng)，本設計選用了安森美半導體公司生產(chǎn)的NUD3124 繼電器驅動(dòng)芯片。NUD3124(汽車(chē)版本)器件的高反向雪崩能量容量(350mJ)可以控制大多數用于汽車(chē)應用的繼電器?？刂菩盘柦?jīng)過(guò)光耦隔離后輸出給NUD3124 驅動(dòng)芯片，由NUD3124 驅動(dòng)電磁閥工作，并在NUD3124 的輸出端加了一個(gè)二極管保護電路。

2.4 電源模塊，操作界面模塊及其他擴展功能模塊

ECAS 系統主要有兩種電壓源，一是24V 電壓源，二是3V 電壓源。其中3V 電壓源分數字電壓源和模擬電壓源。24V 電源是由車(chē)輛自身電源引出，然后經(jīng)π 型濾波，再經(jīng)穩壓管穩壓，在經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電路最終得到一個(gè)穩定的24V 電壓源。3V 電壓源與此類(lèi)似，只是須要在數字電源和模擬電源之間加上一個(gè)隔離電阻，以防串擾。

操作界面主要是鍵盤(pán)輸入和發(fā)光二極管顯示。當司機要手動(dòng)控制阻尼和車(chē)高的時(shí)候，便可通過(guò)鍵盤(pán)輸入其操作，然后相應的發(fā)光二極管亮，顯示其輸入。鍵盤(pán)輸入經(jīng)過(guò)了濾波，光耦隔離和IC106 濾波及保護，最終送入ECU，然后ECU 輸出控制驅動(dòng)相應發(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(guò)PTC2/SDA 和PTC3/SCL 與單片機相連;RS485用典型接法即可，芯片采用max3485;其他未用引腳均通過(guò)插槽引出，以便于日后升級之用。

3 汽車(chē)ECAS的軟件設計方案

空氣懸架電子控制單元(ECAS)應用軟件由系統初始化模塊、判斷手動(dòng)自動(dòng)調高模塊、信號采集模塊，鍵盤(pán)響應模塊，輸出控制模塊等構成。主程序為一循環(huán)體，它擔負調節車(chē)身高度和阻尼的任務(wù)，車(chē)身高度信號經(jīng)傳感器轉換為具有一定占空比的方波信號，然后經(jīng)過(guò)與微處理器中預設的標定高度進(jìn)行比較，輸出控制信號，當快達到標定高度時(shí)，減小輸出信號的占空比，以防止過(guò)充。具體主程序框圖如圖三所示。

4 試驗及結果分析

本設計做了兩自由度1/4 車(chē)輛空氣懸架試驗，通過(guò)在一定頻率特性下，對比分析電控空氣懸架和被動(dòng)空氣懸架在相同的路面激勵下，得到不同的懸架動(dòng)行程，車(chē)輛動(dòng)載荷及垂直加速度，來(lái)驗證本設計的可行性[4]，驗證本設計是否達到了提高車(chē)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換成汽車(chē)電子產(chǎn)品提供技術(shù)儲備和試驗手段。

本試驗系統用到了美國 INSTRON 公司8800 數控液壓伺服振動(dòng)測試系統、空氣彈簧、減振器、本文設計的控制器、加速度傳感器、車(chē)身高度傳感器、速度傳感器，Wavebook 信號采集器、電腦等。試驗原理如圖四所示.試驗系統上多加了兩個(gè)傳感器，分別是加速度傳感器和壓力傳感器，加這兩個(gè)傳感器是為了測出簧上垂直加速度和輪胎動(dòng)載荷。本試驗過(guò)程中激勵信號采用模擬B 級路面、車(chē)速50km/h 的白噪聲隨機輸入信號，試驗時(shí)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(dòng)加速度，懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)載荷。實(shí)驗結果如圖五所示，通過(guò)本實(shí)驗我們可以看出用本文所設計的電控空氣懸架系統明顯在懸架動(dòng)行程，車(chē)輛動(dòng)載荷和垂直加速度三項指標上都比被動(dòng)懸架有明顯的改善，其中簧上質(zhì)量垂直振動(dòng)加速度的均方根值下降了12.89%說(shuō)明本文所設計的控制器有效地改善了車(chē)輪的行駛平順性，得到了較好的懸架特性，有實(shí)際應用的價(jià)值!