基于嵌入式的懸架與轉(zhuǎn)向集成控制器研究

摘要：為了改善車輛的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，提高汽車底盤控制的集成度，本文對底盤部分的半主動懸架SASS(Semi-Active Suspension System)和電動動力轉(zhuǎn)向EPS(Electric Power Steering)系統(tǒng)進(jìn)行了集成控制研究。設(shè)計(jì)并試制出基于嵌入式系統(tǒng)ARM S3C44B0X的SASS和EPS集成控制器，并進(jìn)行了臺架試驗(yàn)，結(jié)果表明研制的集成控制器效果良好，可用于汽車底盤集成控制系統(tǒng)的開發(fā)研究。
關(guān)鍵詞：車輛；集成控制器；嵌入式系統(tǒng)；半主動懸架；電動助力轉(zhuǎn)向

車輛底盤控制通過電控系統(tǒng)改善底盤的動力學(xué)特性，提高車輛的主動安全性和駕駛舒適性，是當(dāng)前汽車研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，是今后底盤系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前國內(nèi)汽車底盤集成主要集中在對防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)（ASR）和自動巡航系統(tǒng)（ACC）的集成上[1-4]，對車輛懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成控制的報(bào)道尚不多見。本文對半主動懸架和電動助力轉(zhuǎn)向的集成控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用嵌入式系統(tǒng)SAMSUNG S3C44B0X，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，臺架試驗(yàn)表明該集成控制器取得了較好的效果，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
1. 集成控制方案設(shè)計(jì)
研究的懸架系統(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1  ASS/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(gè)整體，考慮了二者部分狀態(tài)變量上的耦合，設(shè)計(jì)集成控制器，對半主動減振器步進(jìn)電機(jī)和電動助力轉(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，達(dá)到改善轉(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?；诩赡Ｐ涂紤]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(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)反饋的狀態(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(jì)
控制器硬件部分設(shè)計(jì)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(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(jìn)行分析計(jì)算處理，產(chǎn)生控制信號傳輸給執(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核基本功能的基礎(chǔ)上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)。
在輸入信號進(jìn)入MCU之前，需要進(jìn)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(shí)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(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先將輸入信號分壓，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话?，然后與C1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(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)過通過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)車身垂直振動加速度和車輪振動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，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(jì)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(jì)數(shù)器，經(jīng)程序計(jì)算得到相應(yīng)車速。
對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制包括對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(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，經(jīng)過四個(gè)驅(qū)動光耦分別加到四個(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（ARM Developer Suite），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CodeWarrior IDE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(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，ARM對其進(jìn)行PID控制和模糊處理，輸出控制信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)返回輸出信號進(jìn)行反饋對比。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： 
                                            （1）
離散化為差分方程得到數(shù)字PID控制方程： 
                                   （2）

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)則表，再對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)則使用最常用的if-then規(guī)則，反模糊化采用重心法。

4. 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
完成了軟硬件的設(shè)計(jì)，啟動ARM開發(fā)板的片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序bootloader，配合超級終端，用USB下載編譯調(diào)試好的集成控制器程序二進(jìn)制文件，覆蓋燒錄到ARM的flash，進(jìn)行控制器的臺架實(shí)驗(yàn)，見圖9所示。測試了某轉(zhuǎn)向狀態(tài)下集成控制器的助力特性和平順性，表1所示。

圖9  集成控制器及其臺架實(shí)驗(yàn)
表1  車身垂直振動加速度的控制結(jié)果對比

臺架試驗(yàn)表明，表征平順性的車身垂直振動加速度，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，基本滿足設(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架試驗(yàn)上無法檢測。目前，集成控制器的精確性、可靠性檢測正在實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行中。
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