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，時至今日，汽車電子化已到達相當(dāng)高的程度。汽車電子技術(shù)已成為一個國家汽車工業(yè)開展的標志。本文主要對應(yīng)用廣泛的電子控制懸架系統(tǒng)的原理進行了系統(tǒng)闡述。關(guān)鍵字：懸架傳感器電控懸架一、汽車電控懸架簡介汽車懸架的作用是緩沖和吸收來自車輪的振動，在汽車行駛過程程還要傳遞車輪與路面間產(chǎn)生的驅(qū)動力和制動力。汽車在轉(zhuǎn)向時，懸架還要承受來自車身的側(cè)向力，并在汽車起步和制動時能夠抑制車身的俯仰振動，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，無法滿足變化莫測的路面狀況和汽車行駛狀況，而且這種懸架只能被動地承受地面對車身的各種作用力，無法對各種情況進行主動地調(diào)節(jié)，使操縱性和乘坐舒適性到達和諧。所以，一般稱傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)為被動懸架系統(tǒng)。隨著人們對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令人滿意的狀態(tài)，又能使汽車的操縱穩(wěn)定性到達最正確狀態(tài)。二、汽車電控懸架的功用電子控制懸架系統(tǒng)的根本目的是通過控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼力，突破傳統(tǒng)被動懸架的局限性，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)整無論車輛的負載多少，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，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，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對減振器阻尼系數(shù)的調(diào)整，防止汽車急速起步或急加速時車尾下蹲；防止緊急制動時的車頭下沉；防止汽車急轉(zhuǎn)彎時車身橫向搖動；防止汽車換擋時車身縱向搖動等，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，通過對彈簧系數(shù)的調(diào)整，來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或兩個功能，而有些車型同時具有以上三個功能。三、基于嵌入式的懸架與轉(zhuǎn)向集成控制器的電路分析對半主動懸架和電動助力轉(zhuǎn)向的集成控制器進行了設(shè)計，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)阻尼式半主動懸架〔廣義上稱為主動懸架，ASS〕，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是電動助力式轉(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，將主動懸架系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向視為一個整體，考慮了二者局部狀態(tài)變量上的耦合，設(shè)計集成控制器，對半主動減振器步進電機和電動助力轉(zhuǎn)向的直流電機進行協(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EPS的的助力電壓U進行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

控制器硬件局部設(shè)計見圖3所示，主要包括輸入信號的采集調(diào)理模塊、微處理器的接口模塊、和對執(zhí)行機構(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，傳感器采集控制系統(tǒng)外部的車身垂直振動加速度、轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩、車速等狀態(tài)信號，經(jīng)調(diào)理傳送到控制器的電控單元ECU，ECU進行分析計算處理，產(chǎn)生控制信號傳輸給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)按控制要求驅(qū)動懸架減振器的步進電機和轉(zhuǎn)向系的直流電機，改變減振器的阻尼，同時提供轉(zhuǎn)向助力，實現(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)計應(yīng)用系統(tǒng)。

在輸入信號進入MCU之前，需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、電平匹配等信號調(diào)理。轉(zhuǎn)向盤信號由轉(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，用來獲得轉(zhuǎn)向盤操作力大小和方向信號，轉(zhuǎn)換為電壓值傳遞到MCU的AIN0和AIN1腳。MCU接收到主、副兩路對稱信號，采樣時只需采用一種電路。輸入信號幅值為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先將輸入信號分壓，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话耄缓笈cC1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成二級一階低通濾波，運放起電壓跟隨作用。

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)過通過二階低通有源濾波電路，同圖4，再進入模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC端口。MCU根據(jù)車身垂直振動加速度和車輪振動加速度的差值及其變化率進行進一步計算。

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，從車速里程表引出，為單極性脈沖信號，電壓在9.5V以上，ARM能處理的信號電壓為2.5V，所以車速信號的調(diào)理主要是信號的電平匹配，設(shè)計中采用光電耦合，見圖5所示。車速信號DI經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?V的脈沖信號，經(jīng)同阻值電阻R2、R3分壓后輸?shù)紸RM的計數(shù)器，經(jīng)程序計算得到相應(yīng)車速。

對執(zhí)行機構(gòu)的輸出控制包括對EPS直流電機和減振器步進電機的控制。直流電機控制可分為勵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)動功率場效應(yīng)晶體管，通過脈沖寬度調(diào)制PWM控制電樞電壓實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。圖6所示為直流電機控制示意圖[7]，定義ARM的端口PE3、PE4、PE5、PE6輸出直流電機控制信號，經(jīng)過四個驅(qū)動光耦分別加到四個MOS開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。當(dāng)要求電機正轉(zhuǎn)時，Q1受PWM信號控制，同時Q4被施加高電平導(dǎo)通，Q2、Q3被施加低電平截止；當(dāng)要求電機反轉(zhuǎn)時，Q3受PWM信號控制，Q2被導(dǎo)通，Q1、Q4被截止，方便實現(xiàn)了電機的方向控制和轉(zhuǎn)速控制。

3.軟件設(shè)計

硬件功能的實現(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來開發(fā)、編譯、調(diào)試采用包括C、C++和ARM匯編語言編寫的程序。集成控制軟件流程見圖8所示，程序開始初始化后進入循環(huán)，等待中斷，響應(yīng)后進入中斷子程序返回采集信號，ARM對其進行PID控制和模糊處理，輸出控制信號到執(zhí)行機構(gòu)，同時返回輸出信號進行反響比照。程序中兩個關(guān)鍵是PID算法和模糊算法的實現(xiàn)。

為便于在計算機中實現(xiàn)PID控制，當(dāng)采樣信號足夠小時，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，再對車身和車輪加速度差值及其變化率進行模糊化，限定論域的飽和值后進行模糊推理，最后反模糊化得到步進電機的方向和脈沖數(shù)，進而控制電機的轉(zhuǎn)向和步距角。這里為了易于編程實現(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。臺架試驗說明，表征平順性的車身垂直振動加速度，其峰值和標準差都比未集成的懸架單獨控制的結(jié)果要?。辉囼炛须姍C電流響應(yīng)迅速，助力明顯，根本滿足設(shè)計要求，轉(zhuǎn)向輕便性得到驗證；表征操穩(wěn)性的橫擺角速度在臺架試驗上無法檢測。目前，集成控制器的精確性、可靠性檢測正在實車試驗進行中。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、車高傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、速度傳感器、制動傳感器、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小型電動機，可通過它轉(zhuǎn)動一個調(diào)整量孔大小的控制桿將阻尼分成多級，從而實現(xiàn)控制阻尼的目的。閥門也充當(dāng)了一個調(diào)節(jié)氣流的作用，通常雙氣室是連通的，合起來的總?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，那么以一個氣室的容量來承當(dāng)空氣彈簧的作用，就會變得硬，因此閥門起到控制“彈簧”變軟變硬的作用。電控懸架工作時，閥門的相互作用控制通向空氣彈簧元件的氣流量。傳感器檢測出汽車的行駛狀態(tài)并反響至ECU，ECU綜合這些反響信息計算并輸出指令控制空氣彈簧元件的電動機和閥門，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)彎或者制動時，那么迅速轉(zhuǎn)換成硬的空氣彈簧和較強的阻尼，以提高車身的穩(wěn)定性。同時，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、制動等信號，由電子控制單元〔ECU〕控制懸架執(zhí)行機構(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，空氣懸掛會有幾個狀態(tài)。1、保持狀態(tài)。當(dāng)車輛被舉升器舉起，離開地面時，空氣懸掛系統(tǒng)將關(guān)閉相關(guān)的電磁閥，同時電腦記憶車身高度，使車輛落地后保持原來高度；2、正常狀態(tài)，即發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)。行車過程中，假設(shè)車身高度變化超過一定范圍，空氣懸掛系統(tǒng)將每隔一段時間調(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，儲氣罐將提供壓力使車身升至正常高度。同時，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個狀態(tài)〔也有標注成舒適、普通、運動三個模式等〕，駕駛者可以通過車內(nèi)的控制鈕進行控。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號高度控制閥18－高度控制壓縮機19－枯燥器和排氣閥20－IC調(diào)節(jié)器圖11實際前懸架總裝配圖五、電控懸架的開展方向在主動式懸架還沒有誕生前，平衡運動性與舒適性這對不可調(diào)和的矛盾成為了困擾汽車廠商最大的難題。現(xiàn)在好了，主動控制式懸架開展至今，已形成液壓和空氣支撐兩大派系，運動與舒適性這對不可調(diào)和的矛盾自然也得到了很好的解決。隨著人們對汽車乘坐舒適性的不斷追求，近年來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懸架(簡稱：電控主動懸架)。在豪華轎車上采用電控主動懸架無疑是為追求更平穩(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)論對于我國汽車業(yè)而言，隨著高檔汽車制造技術(shù)的引進及人們對舒適性要求的提高，加上國家對汽車等級劃分的標準要求