基于嵌入式的懸架與轉向集成控制器研究

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)和電動動力轉向EPS(Electric Power Steering)系統(tǒng)進行了集成控制研究。設計并試制出基于嵌入式系統(tǒng)ARM S3C44B0X的SASS和EPS集成控制器，并進行了臺架試驗，結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；電動助力轉向

車輛底盤控制通過電控系統(tǒng)改善底盤的動力學特性，提高車輛的主動安全性和駕駛舒適性，是當前汽車研究領域的熱點之一，是今后底盤系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前國內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）、驅動防滑轉系統(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)和轉向系統(tǒng)集成控制的報道尚不多見。本文對半主動懸架和電動助力轉向的集成控制器進行了設計，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，臺架試驗表明該集成控制器取得了較好的效果，可以達到設計要求。
1. 集成控制方案設計
研究的懸架系統(tǒng)是減振器可調阻尼式半主動懸架（廣義上稱為主動懸架，ASS），轉向系統(tǒng)是電動助力式轉向。

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)和電動助力轉向視為一個整體，考慮了二者部分狀態(tài)變量上的耦合，設計集成控制器，對半主動減振器步進電機和電動助力轉向的直流電機進行協(xié)調控制，改變可調減振器阻尼和提供轉向助力，達到改善轉向車身姿態(tài)變化、協(xié)調操穩(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進行PID控制，修正助力，改善橫擺角速度的響應，提高轉向靈敏度；用模糊控制器根據(jù)反饋的狀態(tài)變量控制ASS系統(tǒng)，改善質心垂直加速度和懸架動撓度響應，提高車輛的行駛平順性。
2. 控制系統(tǒng)硬件設計
控制器硬件部分設計見圖3所示，主要包括輸入信號的采集調理模塊、微處理器的接口模塊、和對執(zhí)行機構的輸出控制模塊。

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、轉向軸轉矩、車速等狀態(tài)信號，經(jīng)調理傳送到控制器的電控單元ECU，ECU進行分析計算處理，產生控制信號傳輸給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構按控制要求驅動懸架減振器的步進電機和轉向系的直流電機，改變減振器的阻尼，同時提供轉向助力，實現(xiàn)ASS和EPS的協(xié)調集成控制。
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 微處理器片內集成ARM7TDMI核[6]，采用0.25umCMOS工藝制造，在ARM7TDMI核基本功能的基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設計應用系統(tǒng)。
在輸入信號進入MCU之前，需要進行模數(shù)轉換、電平匹配等信號調理。轉向盤信號由轉矩傳感器提供，轉矩傳感器由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成，用來獲得轉向盤操作力大小和方向信號，轉換為電壓值傳遞到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?，然后與C1構成一階低通濾波電路，R3與C2構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)壓電效應原理，加速度導致晶體變形，產生電荷改變，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，所以車速信號的調理主要是信號的電平匹配，設計中采用光電耦合，見圖5所示。車速信號DI經(jīng)光耦轉變?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)程序計算得到相應車速。
對執(zhí)行機構的輸出控制包括對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。這里采用開關控制方式驅動功率場效應晶體管，通過脈沖寬度調制PWM控制電樞電壓實現(xiàn)轉速控制。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)過四個驅動光耦分別加到四個MOS開關管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。當要求電機正轉時，Q1受PWM 信號控制，同時Q4被施加高電平導通，Q2、Q3被施加低電平截止；當要求電機反轉時，Q3受PWM信號控制，Q2被導通，Q1、Q4被截止，方便實現(xiàn)了電機的方向控制和轉速控制。

3. 軟件設計
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（ARM Developer Suite），它是由ARM 公司提供的專門用于 ARM 相關應用開發(fā)和調試的綜合性軟件，用戶可用它的CodeWarrior IDE來開發(fā)、編譯、調試采用包括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，同時返回輸出信號進行反饋對比。程序中兩個關鍵是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： 
                                            （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)則使用最常用的if-then規(guī)則，反模糊化采用重心法。

4. 實驗與結果分析
完成了軟硬件的設計，啟動ARM開發(fā)板的片內引導裝載程序bootloader，配合超級終端，用USB下載編譯調試好的集成控制器程序二進制文件，覆蓋燒錄到ARM的flash，進行控制器的臺架實驗，見圖9所示。測試了某轉向狀態(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驗
表1  車身垂直振動加速度的控制結果對比

臺架試驗表明，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果要?。辉囼炛须姍C電流響應迅速，助力明顯，基本滿足設計要求，轉向輕便性得到驗證；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。
參考文獻（References）
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