汽車結(jié)構(gòu)論文

關(guān)于汽車電控懸架系統(tǒng)[摘要]隨著汽車電子技術(shù)的日趨完善，時(shí)至今日，汽車電子化已到達(dá)相當(dāng)高的程度。汽車電子技術(shù)已成為一個(gè)國(guó)家汽車工業(yè)開展的標(biāo)志。本文主要對(duì)應(yīng)用廣泛的電子控制懸架系統(tǒng)的原理進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。關(guān)鍵字：懸架傳感器電控懸架一、汽車電控懸架簡(jiǎn)介汽車懸架的作用是緩沖和吸收來(lái)自車輪的振動(dòng)，在汽車行駛過(guò)程程還要傳遞車輪與路面間產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，懸架還要承受來(lái)自車身的側(cè)向力，并在汽車起步和制動(dòng)時(shí)能夠抑制車身的俯仰振動(dòng)，提高汽車的行駛穩(wěn)定性和乘坐的舒適性。傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)主要由彈簧、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三局部組成。其中彈簧、減振器和輪胎的綜合特性，決定了汽車的行駛性、操縱性和乘坐的舒適性。盡管多年來(lái)汽車懸架系統(tǒng)作了許多改良，但由于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)使用的是定剛度彈簧和定阻尼系數(shù)減振器，只能適應(yīng)特定的道路與行駛條件，無(wú)法滿足變化莫測(cè)的路面狀況和汽車行駛狀況，而且這種懸架只能被動(dòng)地承受地面對(duì)車身的各種作用力，無(wú)法對(duì)各種情況進(jìn)行主動(dòng)地調(diào)節(jié)，使操縱性和乘坐舒適性到達(dá)和諧。所以，一般稱傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)為被動(dòng)懸架系統(tǒng)。隨著人們對(duì)汽車操縱性和舒適性要求的不斷提高，以及電子技術(shù)的飛速開展，電子控制技術(shù)被有效應(yīng)用于現(xiàn)代汽車懸架系統(tǒng)。電子控制懸架系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是它能使懸架隨不同的路況和行駛狀態(tài)作出不同的反響。既能使汽車的乘坐舒適性到達(dá)令人滿意的狀態(tài)，又能使汽車的操縱穩(wěn)定性到達(dá)最正確狀態(tài)。二、汽車電控懸架的功用電子控制懸架系統(tǒng)的根本目的是通過(guò)控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼力，突破傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的局限性，使汽車的懸架特性與道路狀態(tài)相適應(yīng)，從而使汽車行駛的平順性和操縱的穩(wěn)定性要求都能得到滿足。其根本功能有：車高調(diào)整無(wú)論車輛的負(fù)載多少，都可以保持汽車高度一定，車身保持水平，從而使前照燈光束方向保持不變；當(dāng)汽車在壞路面上行駛時(shí)，可以使車身升高，防止車橋與路面相碰；當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，又可以使車高降低，以便減少空氣阻力，提高操縱穩(wěn)定性。2.減振器阻尼力控制通過(guò)對(duì)減振器阻尼系數(shù)的調(diào)整，防止汽車急速起步或急加速時(shí)車尾下蹲；防止緊急制動(dòng)時(shí)的車頭下沉；防止汽車急轉(zhuǎn)彎時(shí)車身橫向搖動(dòng)；防止汽車換擋時(shí)車身縱向搖動(dòng)等，提高行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性。3.彈簧剛度控制與減振器一樣在各種工況下，通過(guò)對(duì)彈簧系數(shù)的調(diào)整，來(lái)改善汽車的乘坐舒適性與操縱穩(wěn)定性。有些車型只具有其中的一個(gè)或兩個(gè)功能，而有些車型同時(shí)具有以上三個(gè)功能。三、基于嵌入式的懸架與轉(zhuǎn)向集成控制器的電路分析對(duì)半主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的集成控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用嵌入式系統(tǒng)SAMSUNGS3C44B0X，選用模糊控制算法和PID算法分別控制SASS和EPS，試制出基于嵌入式系統(tǒng)的集成控制器。1.集成控制方案懸架系統(tǒng)是減振器可調(diào)阻尼式半主動(dòng)懸架〔廣義上稱為主動(dòng)懸架，ASS〕，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向。圖1ASS/EPS集成控制示意圖圖2集成系統(tǒng)控制策略

圖1所示為ASS/EPS集成控制示意圖，將主動(dòng)懸架系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向視為一個(gè)整體，考慮了二者局部狀態(tài)變量上的耦合，設(shè)計(jì)集成控制器，對(duì)半主動(dòng)減振器步進(jìn)電機(jī)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的直流電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，改變可調(diào)減振器阻尼和提供轉(zhuǎn)向助力，到達(dá)改善轉(zhuǎn)向車身姿態(tài)變化、協(xié)調(diào)操穩(wěn)性和平穩(wěn)性間矛盾的目的。基于集成模型考慮到軟件編程的難易程度，本文采用模糊+PID控制策略，見圖2所示[5]，對(duì)EPS的的助力電壓U進(jìn)行PID控制，修正助力，改善橫擺角速度的響應(yīng)，提高轉(zhuǎn)向靈敏度；用模糊控制器根據(jù)反響的狀態(tài)變量控制ASS系統(tǒng)，改善質(zhì)心垂直加速度和懸架動(dòng)撓度響應(yīng)，提高車輛的行駛平順性。

2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制器硬件局部設(shè)計(jì)見圖3所示，主要包括輸入信號(hào)的采集調(diào)理模塊、微處理器的接口模塊、和對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制模塊。圖3控制器的硬件模塊

車輛正常行駛時(shí)，傳感器采集控制系統(tǒng)外部的車身垂直振動(dòng)加速度、轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩、車速等狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)調(diào)理傳送到控制器的電控單元ECU，ECU進(jìn)行分析計(jì)算處理，產(chǎn)生控制信號(hào)傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制要求驅(qū)動(dòng)懸架減振器的步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)向系的直流電機(jī)，改變減振器的阻尼，同時(shí)提供轉(zhuǎn)向助力，實(shí)現(xiàn)ASS和EPS的協(xié)調(diào)集成控制。

控制器是集成系統(tǒng)的核心，微處理器MCU是控制器的核心，考慮到MCU的速度、集成的資源、輸入輸出口及其開發(fā)環(huán)境，本文選用SAMSUNG的S3C44B0X作為控制器的微處理芯片。S3C44B0X微處理器片內(nèi)集成ARM7TDMI核[6]，采用0.25umCMOS工藝制造，在ARM7TDMI核根本功能的根底上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低本錢設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)。

在輸入信號(hào)進(jìn)入MCU之前，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、電平匹配等信號(hào)調(diào)理。轉(zhuǎn)向盤信號(hào)由轉(zhuǎn)矩傳感器提供，轉(zhuǎn)矩傳感器由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成，用來(lái)獲得轉(zhuǎn)向盤操作力大小和方向信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓值傳遞到MCU的AIN0和AIN1腳。MCU接收到主、副兩路對(duì)稱信號(hào)，采樣時(shí)只需采用一種電路。輸入信號(hào)幅值為0～5V，S3C44B0X的A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為0～2.5V，故需進(jìn)行濾波和分壓處理，如圖4所示。采樣濾波為二階低通有源電路，阻值相同的R1、R2先將輸入信號(hào)分壓，幅值變?yōu)樵瓉?lái)的一半，然后與C1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成二級(jí)一階低通濾波，運(yùn)放起電壓跟隨作用。

加速度傳感器根據(jù)壓電效應(yīng)原理，加速度導(dǎo)致晶體變形，產(chǎn)生電荷改變，經(jīng)電荷放大器放大濾波后經(jīng)過(guò)通過(guò)二階低通有源濾波電路，同圖4，再進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC端口。MCU根據(jù)車身垂直振動(dòng)加速度和車輪振動(dòng)加速度的差值及其變化率進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。

車速傳感器位于變速箱上，根據(jù)車速大小產(chǎn)生成比例的信號(hào)，從車速里程表引出，為單極性脈沖信號(hào)，電壓在9.5V以上，ARM能處理的信號(hào)電壓為2.5V，所以車速信號(hào)的調(diào)理主要是信號(hào)的電平匹配，設(shè)計(jì)中采用光電耦合，見圖5所示。車速信號(hào)DI經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?V的脈沖信號(hào)，經(jīng)同阻值電阻R2、R3分壓后輸?shù)紸RM的計(jì)數(shù)器，經(jīng)程序計(jì)算得到相應(yīng)車速。

對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制包括對(duì)EPS直流電機(jī)和減振器步進(jìn)電機(jī)的控制。直流電機(jī)控制可分為勵(lì)磁控制和電樞控制兩種方法。這里采用開關(guān)控制方式驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制PWM控制電樞電壓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。圖6所示為直流電機(jī)控制示意圖[7]，定義ARM的端口PE3、PE4、PE5、PE6輸出直流電機(jī)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)四個(gè)驅(qū)動(dòng)光耦分別加到四個(gè)MOS開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。當(dāng)要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Q1受PWM信號(hào)控制，同時(shí)Q4被施加高電平導(dǎo)通，Q2、Q3被施加低電平截止；當(dāng)要求電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，Q3受PWM信號(hào)控制，Q2被導(dǎo)通，Q1、Q4被截止，方便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的方向控制和轉(zhuǎn)速控制。

3.軟件設(shè)計(jì)

硬件功能的實(shí)現(xiàn)需要軟件的支持，這里用的軟件集成開發(fā)環(huán)境是ADS1.2〔ARMDeveloperSuite〕，它是由ARM公司提供的專門用于ARM相關(guān)應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試的綜合性軟件，用戶可用它的CodeWarriorIDE來(lái)開發(fā)、編譯、調(diào)試采用包括C、C++和ARM匯編語(yǔ)言編寫的程序。集成控制軟件流程見圖8所示，程序開始初始化后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷，響應(yīng)后進(jìn)入中斷子程序返回采集信號(hào)，ARM對(duì)其進(jìn)行PID控制和模糊處理，輸出控制信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)返回輸出信號(hào)進(jìn)行反響比照。程序中兩個(gè)關(guān)鍵是PID算法和模糊算法的實(shí)現(xiàn)。

為便于在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID控制，當(dāng)采樣信號(hào)足夠小時(shí)，用求和代替積分，用向后差分代替微分，將PID控制方程：

離散化為差分方程得到數(shù)字PID控制方程：式中，Kp，Ki，Kd分別是比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，由仿真整定出這三個(gè)參數(shù)。圖8軟件流程示意圖

在模糊控制子程序中，首先定義模糊控制規(guī)那么表，再對(duì)車身和車輪加速度差值及其變化率進(jìn)行模糊化，限定論域的飽和值后進(jìn)行模糊推理，最后反模糊化得到步進(jìn)電機(jī)的方向和脈沖數(shù)，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步距角。這里為了易于編程實(shí)現(xiàn)，模糊化采用的是三角隸屬函數(shù)，模糊規(guī)那么使用最常用的if-then規(guī)那么，反模糊化采用重心法。臺(tái)架試驗(yàn)說(shuō)明，表征平順性的車身垂直振動(dòng)加速度，其峰值和標(biāo)準(zhǔn)差都比未集成的懸架單獨(dú)控制的結(jié)果要小；試驗(yàn)中電機(jī)電流響應(yīng)迅速，助力明顯，根本滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)向輕便性得到驗(yàn)證；表征操穩(wěn)性的橫擺角速度在臺(tái)架試驗(yàn)上無(wú)法檢測(cè)。目前，集成控制器的精確性、可靠性檢測(cè)正在實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行中。四、汽車電控懸架的結(jié)構(gòu)和工作原理典型的電控懸架由電子控制元件〔ECU〕、空氣壓縮機(jī)、車高傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、速度傳感器、制動(dòng)傳感器、空氣彈簧元件等組成。

空氣彈簧元件是由電控減振器、閥門、雙氣室所組成。電控減振器頂部有一個(gè)小型電動(dòng)機(jī)，可通過(guò)它轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)調(diào)整量孔大小的控制桿將阻尼分成多級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)控制阻尼的目的。閥門也充當(dāng)了一個(gè)調(diào)節(jié)氣流的作用，通常雙氣室是連通的，合起來(lái)的總?cè)莘e起著空氣彈簧的作用，比擬柔軟；但當(dāng)關(guān)閉雙氣室之間的閥門時(shí)，那么以一個(gè)氣室的容量來(lái)承當(dāng)空氣彈簧的作用，就會(huì)變得硬，因此閥門起到控制“彈簧”變軟變硬的作用。電控懸架工作時(shí)，閥門的相互作用控制通向空氣彈簧元件的氣流量。傳感器檢測(cè)出汽車的行駛狀態(tài)并反響至ECU，ECU綜合這些反響信息計(jì)算并輸出指令控制空氣彈簧元件的電動(dòng)機(jī)和閥門，從而使電控懸架隨行駛及路面狀態(tài)不同而變化：在一般行駛中，空氣彈簧變軟、阻尼變?nèi)?，獲得舒適的乘坐感；在急轉(zhuǎn)彎或者制動(dòng)時(shí)，那么迅速轉(zhuǎn)換成硬的空氣彈簧和較強(qiáng)的阻尼，以提高車身的穩(wěn)定性。同時(shí)，該系統(tǒng)的電控減振器還能調(diào)整汽車高度，可以隨車速的增加而降低車身高度〔減小離地間隙〕，減少風(fēng)阻以節(jié)省能源；在車速比擬慢時(shí)車身高度又可恢復(fù)正常。各種傳感器各種傳感器電控單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖9、電控懸架系統(tǒng)的構(gòu)成電控懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車身高度、車速、轉(zhuǎn)向角度及速率、制動(dòng)等信號(hào)，由電子控制單元〔ECU〕控制懸架執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使懸架系統(tǒng)的剛度、減振器的阻尼力及車身高度等參數(shù)得以改變，從而使汽車具有良好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。而在日常調(diào)節(jié)中，空氣懸掛會(huì)有幾個(gè)狀態(tài)。1、保持狀態(tài)。當(dāng)車輛被舉升器舉起，離開地面時(shí)，空氣懸掛系統(tǒng)將關(guān)閉相關(guān)的電磁閥，同時(shí)電腦記憶車身高度，使車輛落地后保持原來(lái)高度；2、正常狀態(tài)，即發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。行車過(guò)程中，假設(shè)車身高度變化超過(guò)一定范圍，空氣懸掛系統(tǒng)將每隔一段時(shí)間調(diào)整車身高度；3、喚醒狀態(tài)。當(dāng)空氣懸掛系統(tǒng)被遙控鑰匙、車門開關(guān)或行李廂蓋開關(guān)喚醒后，系統(tǒng)將通過(guò)車身水平傳感器檢查車身高度。如果車身高度低于正常高度一定程度，儲(chǔ)氣罐將提供壓力使車身升至正常高度。同時(shí)，空氣懸掛可以調(diào)節(jié)減震器軟硬度，包括軟態(tài)、正常及硬態(tài)3個(gè)狀態(tài)〔也有標(biāo)注成舒適、普通、運(yùn)動(dòng)三個(gè)模式等〕，駕駛者可以通過(guò)車內(nèi)的控制鈕進(jìn)行控。圖10凌志LS400的電控懸架系統(tǒng)元件在車上的位置1－1號(hào)高度控制繼電器2－前車身高度傳感器3－前懸架控制執(zhí)行器4－制動(dòng)燈開關(guān)5－轉(zhuǎn)向傳感器6－高度控制開關(guān)7－LRC開關(guān)8－后車身高度傳感器9－2號(hào)高度控制閥和溢流閥10－高度控制ON/OFF開關(guān)11－高度控制連接器12－后懸架控制執(zhí)行器13－2號(hào)高度控制繼電器14－懸架ECU15－門控?zé)糸_關(guān)16－主節(jié)氣門位置傳感器17－1號(hào)高度控制閥18－高度控制壓縮機(jī)19－枯燥器和排氣閥20－IC調(diào)節(jié)器圖11實(shí)際前懸架總裝配圖五、電控懸架的開展方向在主動(dòng)式懸架還沒(méi)有誕生前，平衡運(yùn)動(dòng)性與舒適性這對(duì)不可調(diào)和的矛盾成為了困擾汽車廠商最大的難題。現(xiàn)在好了，主動(dòng)控制式懸架開展至今，已形成液壓和空氣支撐兩大派系，運(yùn)動(dòng)與舒適性這對(duì)不可調(diào)和的矛盾自然也得到了很好的解決。隨著人們對(duì)汽車乘坐舒適性的不斷追求，近年來(lái)已有不少豪華轎車和豪華SUV紛紛換裝上了性能更優(yōu)越的電子控制式主動(dòng)懸架(簡(jiǎn)稱：電控主動(dòng)懸架)。在豪華轎車上采用電控主動(dòng)懸架無(wú)疑是為追求更平穩(wěn)、更舒適的乘坐感，而在SUV上采用當(dāng)然那么是為了平衡野外越野與公路行駛的雙重需要。六、結(jié)論對(duì)于我國(guó)汽車業(yè)而言，隨著高檔汽車制造技術(shù)的引進(jìn)及人們對(duì)舒適性要求的提高，加上國(guó)家對(duì)汽車等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)要求