基于模型的電控空氣懸架系統(tǒng)控制策略與實車試驗

嚴(yán)天一 李聰聰 CHO X H 孫富權(quán) 陸金更 戴作強

(1.青島大學(xué)機電工程學(xué)院， 青島 266071; 2.TGM汽車公司， 咸陽郡 50021)

基于模型的電控空氣懸架系統(tǒng)控制策略與實車試驗

嚴(yán)天一1李聰聰1CHO X H2孫富權(quán)1陸金更1戴作強1

(1.青島大學(xué)機電工程學(xué)院， 青島 266071; 2.TGM汽車公司， 咸陽郡 50021)

設(shè)計了以Freescale XDT512為核心芯片,且由最小系統(tǒng)、電源模塊、驅(qū)動電路、速度處理模塊、兩向加速度模塊、模擬量輸入模塊和通信模塊等組成的電控空氣懸架系統(tǒng)(ECAS)電子控制單元；利用基于模型的設(shè)計方法開發(fā)了電控空氣懸架系統(tǒng)的控制策略模型，其主要由自動模式子模塊、手動模式子模型和維修模式子模型等組成；在自動模式下，根據(jù)車速自動調(diào)整車身高度；在手動模式下，駕駛員可通過人機操控界面，自主地設(shè)定車身高度；通過維修模式，可禁止電控空氣懸架工作，防止出現(xiàn)誤動作。通過合理設(shè)計測試用例對所設(shè)計的控制模型實施結(jié)構(gòu)性、功能性測試；經(jīng)控制模型的定點化處理，并利用RTW代碼生成技術(shù)將所設(shè)計的控制模型轉(zhuǎn)換為應(yīng)用層程序，并與底層驅(qū)動相互集成后，編譯下載至所開發(fā)的ECAS電子控制單元；開展實車驗證試驗，試驗結(jié)果表明所設(shè)計的控制策略能較好地滿足設(shè)計要求。

空氣懸架系統(tǒng)； 電控； 控制策略； 試驗

引言

汽車懸架系統(tǒng)主要由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機構(gòu)組成。它的作用是傳遞作用在車輪與車架之間的力和力矩，緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的振動，提高汽車行駛平順性。電控空氣懸架系統(tǒng)(ECAS)是一種先進的底盤控制系統(tǒng)，其主要由高度傳感器、電子控制單元、壓力傳感器、組合電磁閥、車速傳感器、電動氣泵、空氣彈簧、儲氣筒等部件組成。高度傳感器負(fù)責(zé)實時檢測車身高度變化，電控單元通過接受車速信號、車身高度信息、加速度信號等，適時激發(fā)組合電磁閥工作，實現(xiàn)對各個氣囊的充、放氣自動調(diào)節(jié)[1-15]。

江洪等[16-17]為提高汽車平順性和操縱穩(wěn)定性，通過遺傳算法的優(yōu)化實現(xiàn)彈簧剛度與減振器阻尼的匹配,根據(jù)匹配結(jié)果最終確定阻尼的控制模式和控制策略，并開展了相關(guān)仿真和試驗研究;同時在考慮空氣彈簧非線性的情況下,建立雙質(zhì)量非線性動力學(xué)模型,以提高平順性為目標(biāo),以控制動撓度與動載荷為約束條件,采用遺傳算法優(yōu)化,分析路面狀況、車速、簧上質(zhì)量對阻尼值優(yōu)化的影響,設(shè)計阻尼的優(yōu)化策略。徐興等[18]設(shè)計了一種基于電感式傳感器的車身高度跟蹤電路,傳感器中的電感與跟蹤電路由單片機共同控制,實現(xiàn)對傳感器電感的充放電,單片機計算不同電感系數(shù)下的時間常數(shù),間接獲得實時的客車車身高度.并采用溫度補償電路和低溫漂特性元件,適應(yīng)客車工作環(huán)境溫度的變化。

隨著先進電控空氣懸架系統(tǒng)的功能日益多樣化，并且要求響應(yīng)速度迅速，其核心控制策略變得日趨復(fù)雜，因此要求電子控制單元的核心控制策略開發(fā)周期盡量要短，并且代碼品質(zhì)優(yōu)異[3]。這使得基于傳統(tǒng)基于手動編程的控制策略開發(fā)模式已難以滿足現(xiàn)代車輛電控空氣懸架系統(tǒng)軟件開發(fā)要求。本文提出由需求分析、控制模型開發(fā)及驗證、定點化處理、自動代碼生成及驗證等構(gòu)成的基于模型的電控懸架系統(tǒng)控制策略開發(fā)方法，并通過相關(guān)實車試驗進行驗證。

1 需求分析

某公司需要開發(fā)一種乘用車用電控空氣懸架系統(tǒng)(圖 1)，要求所開發(fā)的ECAS系統(tǒng)具有3種模式：① 自動模式：此模式要求懸架高度3個速度范圍內(nèi)與車速信號相互關(guān)聯(lián)，并根據(jù)車速自動調(diào)節(jié)懸架高度。② 手動模式：駕駛員可自主設(shè)定懸架高度。③ 維修模式：在該模式下電控單元不對懸架高度進行控制。為開發(fā)控制策略，項目組利用霍爾式高度傳感器、氣泵、組合電磁閥、空氣彈簧、儲氣筒、人機交互系統(tǒng)等對該試驗車輛進行了合理改裝并構(gòu)建了試驗平臺。

2 電子控制單元及控制策略模型

首先，利用飛思卡爾XDT512核心芯片設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、驅(qū)動電路、速度處理模塊、兩向加速度模塊、模擬量輸入模塊和通信模塊的電控空氣懸架系統(tǒng)電子控制單元(圖 2)。

圖1 改裝后試驗車輛的前懸架、后懸架Fig.1 Modified front and rear suspensions of experimental SUV

圖2 電控空氣懸架控制器及其主要原理圖Fig.2 Control unit of an electronically controlled air suspension and its main circuit

為克服傳統(tǒng)手動編程方式開發(fā)周期長、效率低、代碼一致性差等技術(shù)缺點，本文利用先進的、基于模型的嵌入式軟件開發(fā)模式和自動代碼生成技術(shù)開發(fā)電控空氣懸架系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink和Stateflow軟件設(shè)計如圖3右半部分所示的電控空氣懸架系統(tǒng)控制策略模型，該控制策略模型主要由自動模式子模塊、手動模式子模型和維修模式子模型等組成。

圖3 電控空氣懸架系統(tǒng)控制模型Fig.3 Control model of ECAS system

2.1 自動模式子模塊

根據(jù)需求分析，自動模式子模塊的實質(zhì)是懸架高度與車速的耦合控制，故電控空氣懸架系統(tǒng)需能夠拾取經(jīng)過信號調(diào)理后的車速信號，并能夠接受駕駛員所設(shè)定的模式信息。利用Stateflow中提供的狀態(tài)、轉(zhuǎn)移、節(jié)點組件構(gòu)建可實時監(jiān)測車速和模式設(shè)定參數(shù)的新型電控空氣懸架系統(tǒng)控制模型的自動模式子模型，在車速ua≤60 km/h時，懸架處于高位模式；在車速60 km/h90 km/h時，懸架處于低位模式(圖4)。

圖4 電控空氣懸架系統(tǒng)自動模式子模塊Fig.4 Automatic mode sub-model of ECAS system

2.2 手動模式子模型

客戶需求中提出控制策略應(yīng)具有手動模式功能，即駕駛員在不受車速的影響下，可完全自主設(shè)定懸架高度：高位模式、中位模式、低位模式。高位模式可將懸架高度設(shè)定為較高狀態(tài)；中位模式和低位模式可將懸架高度設(shè)定中等和較低的高度(圖5)。

圖5 電控空氣懸架系統(tǒng)手動模式子模型Fig.5 Manual mode sub-model of ECAS system

2.3 維修模式子模型

車輛在維修保養(yǎng)時可能被提升，如果控制策略設(shè)計不合理可導(dǎo)致電動氣泵異常工作，導(dǎo)致電池饋電，同時嚴(yán)重影響維修保養(yǎng)操作安全，為此在控制策略模型中增設(shè)維修保養(yǎng)模式，當(dāng)電控空氣懸架系統(tǒng)處于此模式時，組合電磁閥中控制各個空氣彈簧和所有通道處于關(guān)閉，電動氣泵亦處于禁止工作狀態(tài)(圖6)。

3 測試用例及模型驗證

圖6 電控空氣懸架系統(tǒng)維修模式子模型Fig.6 Repair mode sub-model of ECAS system

為驗證上述控制策略模型，分別開展了結(jié)構(gòu)性測試和功能性測試。其中，結(jié)構(gòu)性模型測試借助Simulink Design Verifier 自動生成測試用例，來檢查模型的邏輯設(shè)計及分支結(jié)構(gòu)開展結(jié)構(gòu)型測試，并得到如圖7所示的覆蓋度分析報告。然后為進一步驗證控制策略模型，編制相關(guān)測試用例，即制定的一組測試輸入、執(zhí)行條件以及預(yù)期結(jié)果，開展功能型測試，以便驗證所開發(fā)的控制策略是否滿足客戶功能需求，功能性測試測試結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計要求。為開展控制模型功能性驗證，開發(fā)如表1所示的測試用例集合。

圖7 測試用例的覆蓋度分析Fig.7 Coverage analysis of test cases

3.1 定點化及自動代碼生成

經(jīng)過定點化處理流程，并配置上述應(yīng)用層控制策略模型為采用Matlab/Real-time Workshop Embedded Coder所默認(rèn)的規(guī)則以及代碼格式，通過點擊Real-time Workshop中的Generate Code選項生成全部應(yīng)用層代碼。為生成完整的電控空氣懸架的控制代碼，需將上述自動生成的應(yīng)用層代碼與底層驅(qū)動代碼相互集成。集成后嵌入式代碼通過BDM下載器下載至電控空氣懸架系統(tǒng)電子控制單元。

表1 控制策略模型的測試用例Tab.1 Test case group of control strategy model

3.2 試車功能試驗

在完成主要參數(shù)標(biāo)定工作后，參考GB/T 4970—2009 《汽車平順性試驗方法》，利用丹麥B&K公司生產(chǎn)的四支單向加速度傳感器和1個平順性座墊，對試驗SUV車輛在改裝空氣懸架前后，在40、80、120 km/h 3種典型車速及5 km的B級路面上，進行了往復(fù)穩(wěn)定車速下的隨機輸入平順性試驗，并分別記錄1個平順性座墊和4支加速度傳感器的數(shù)據(jù)。表2給出了試驗車輛駕駛室底板局部的加速度均方根及座椅處加速度的總加權(quán)均方根。通過加權(quán)振級Law分析可得，在車速分別為40 km/h、80 km/h時，普通懸架和空氣懸架性能相差不大;在車速為120 km/h時，普通懸架有些測點的Law大于116，但空氣懸架的Law均處在100～116之間。

表2 各測點垂直振動加速度均方根Tab.2 Root mean square (RMS) of vertical acceleration of each measuring position m/s2

4 結(jié)束語

利用空氣彈簧、高度傳感器、電動氣泵、儲氣筒、組合氣閥等對某型SUV車輛進行了空氣懸架系統(tǒng)改裝；利用自行設(shè)計的電控空氣懸架系統(tǒng)電子控制單元，開發(fā)了基于模型的電控空氣懸架控制策略，在上述基礎(chǔ)上開展實車測試試驗，試驗結(jié)果表明電控空氣懸架系統(tǒng)電子控制單元及其控制策略在高速行駛時可提升車輛平順性。

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Development of ECAS Control Strategy Based on Model-based Design and Its Real Car Experiments

YAN Tianyi1LI Congcong1CHO X H2SUN Fuquan1LU Jingeng1DAI Zuoqiang1
(1.CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China2.TGMMotors,Hamyang50021,Korea)

To improve a SUV’s ride quality and mobility, etc., an electronic control unit of electronically controlled air suspensions (ECAS) was designed by using a Freescale XDT512 micro-controller, which consisted of a minimum system, a power source module, a driving module, a speed signal processing module, a double acceleration module, an analog signal processing module, a communication module and so on. The control strategy model of an ECAS system was designed by using the model-based design method, which included an auto-mode sub_model, a manual-model sub_model and a repair-mode sub_model. The height of the car can be automatically adjusted according to the speed in auto-mode, and a driver can freely set the height of the car by using a human-machine interface in manual-mode. In repair-mode, the functions of the ECAS system were disabled to prevent any unexpected action. The structural test and functional test were conducted after a set of test cases were properly designed. When fixed-point treatment was conducted, the control model was converted into an application program by using RTW technologies, and then it was integrated with low-level driven programs, the final integrated program was downloaded into the electronic control unit of an ECAS. Then vehicle experiments were carried out, the results of experiments showed that the proposed control strategy fulfilled the design requirements.

air suspension systems； electronic control； control strategy； experiments

2016-09-05

2016-11-02

國家自然科學(xué)基金項目(50905090)和山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2016EEM49)

嚴(yán)天一(1970—)，男，教授，博士，主要從事車輛系統(tǒng)動力學(xué)及其控制策略研究，E-mail: yantianyi@qdu.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.049

U463.33

A

1000-1298(2017)05-0385-05