基于Freescale單片機的電子控制空氣懸架模糊PID控制

電子控制空氣懸架（ECAS）以電子控制模塊為控制核心，對空氣懸架參數進行實時控制，能自動控制車輛懸架的剛度、阻尼系數及車身高度等參數；汽車在各種路面、各種工況條件下能實現主動調節(jié)、主動控制，并增加了許多輔助功能（如故障診斷功能等）；可最大限度地提高汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，可滿足現代汽車對乘坐舒適性、行駛安全性的更高要求。目前在歐洲一些國家的大型客車中已經大量應用。我國在20世紀50年代就對空氣彈簧進行了研究，但是許多研究成果的產業(yè)轉化率非常低，導致許多有價值的研究沒能繼續(xù)堅持和深入下去，使我國汽車懸架技術的研究和應用與歐美等發(fā)達國家相比明顯落后。目前在國內還沒有汽車公司能夠獨立設計出并向市場提供比較成熟的空氣懸架電子控制單元[1]。因此，研究空氣懸架電子控制單元，盡快縮小與國外在電控空氣懸架系統(tǒng)應用方面的差距，具有非?，F實的意義。

本文以YBL6891H型客車為控制對象。該客車原本以車身高度為主要控制目標，當載荷改變時，車身高度維持在某一范圍內不變，沒有真正地涉及到對客車行駛平順性的改善。本文以該客車的1/4車輛模型為基礎，采用模糊PID控制算法調節(jié)空氣彈簧的剛度，以降低車身垂直加速度為主要目標，從而實現對客車行駛平順性的改善。采用Freescale公司的MC9S08GB60A單片機為控制芯片，設計了電子控制單元。

1 系統(tǒng)硬件設計方案

系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。圖中的虛線部分是兩自由度1/4車輛模型，控制系統(tǒng)的MCU采用了Freescale半導體公司的MC9S08GB60A，該處理器可靠性高、抗干擾能力強，被廣泛應用于汽車電子產品?？傮w電路結構由ECU、高度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器及其檢測電路、鍵盤（用于模式選擇以及手動模式下的控制）、指示燈等電路組成。加速度傳感器檢測到的垂直加速度信號傳遞給單片機，單片機產生控制信號，通過電磁閥控制空氣彈簧的剛度。剛度的調整通過對主附氣室之間的控制閥的控制來實現。高度傳感器不斷地將客車的高度信號傳遞給單片機，而加速度的大小在一定程度上反映了路況信息，單片機根據當前的路況和車速，調整車身高度。一旦車身高度達到設定的最低或最高位置限值時，ECU將執(zhí)行保護，自動結束調節(jié)。


1.1高度信號采集處理電路

高度檢測電路的工作原理為：車身高度－傳感器轉角－電感－脈沖信號周期。車身高度傳感器等效為一個可變電感與一個電阻串聯(lián)。車身上下振動時，帶動擺桿上下轉動，從而移動鐵心，使電感值不斷變化。當車身上升時，擺桿向上轉動，感應值變大，當車身下降時，擺桿向下轉動，感應值變小。圖2為高度檢測電路，高度傳感器的兩個端子分別接height1i和HCOM端。檢測電路的輸出為一串脈沖信號。用multisim10[2]對傳感器檢測電路進行了仿真，結果如圖3所示，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)為高度傳感器的電感值分別為13mH、20mH、30mH時的高度信號?？梢娷嚿砀叨雀淖儠r，電感值也改變，而電感值的改變導致脈沖寬度的變化，因此單片機可根據脈沖的寬度獲取車身高度信息。


1.2 電磁閥驅動電路

驅動芯片采用安森美半導體提供的集成式繼電器驅動器NUD3124。其集成設計可以明顯地簡化設計并且降低成本，替代傳統(tǒng)的分立元件解決方案(如雙極型晶體管加續(xù)流二極管)。每片NUD3124有兩個驅動器，適合用于驅動繼電器等感性負載，其驅動電路如圖4所示，在信號的輸入端用光電耦合器進行了電氣隔離，增強了電路的可靠性和抗干擾能力。



2控制策略設計

2.1 1/4車輛模型

根據牛頓第二定律，得YBL6891H型客車的1/4車輛模型系統(tǒng)的動力學方程為:

式中，簧載質量m1=1 718kg，非簧載質量m2=300kg，輪胎剛度為k1=9.5×105N·m-1，減振器等效阻尼為c=9 358N·m·s-1,k2為空氣彈簧的剛度，x0為路面激勵，x1為非簧載質量位移，ｘ2為簧載質量位移。

2.2 懸架的模糊自適應PID控制算法

模糊自適應控制器與常規(guī)PID控制器一起組成模糊自適應PID(FAPID)控制器。模糊自適應控制器(FAC)的輸出即為PID控制器的輸入。控制系統(tǒng)結構如圖5所示。為實現對車身加速度的控制，設計了一個模糊PID控制器,其最終參數：KP為比例系數，KI為積分作用系數, KD為微分作用系數。應用模糊集合理論建立參數KP、KI、KD與系統(tǒng)誤差e和誤差變化率de之間的關系，并用模糊控制器根據不同的e和de在線自整定PID參數，這是該控制系統(tǒng)設計的核心。而KP、KI、KD的計算公式分別為：KP=KPS+uKPX；KI=KIS+uKIX;KD=KDS+uKDX。其中，KPS、KIS、KDS為初始整定參數，KPX、KIX、KDX為修正系數，u為調整系數。所以只需建立系數u和誤差e和誤差變化率de之間的關系[3]。

用車身垂直加速度均方根及其變化率為模糊輸入語言變量e和de，系數u為輸出語言變量。三個變量均模糊劃分為7個模糊子集{NB，NM，NS，NULL，PS，PM，PB}，構建一個二維模糊控制器，綜合車身垂直加速度均方根、均方根變化量以及路面擾動輸入的情況，定義兩個輸入變量的基本論域分別是(0，0.6)和(-60，60)，相應的模糊論域均為(-3，3)，模糊輸出論域為(-0.4，0.4)，三個變量的隸屬度函數均采用三角形函數。

下面設計u的模糊控制規(guī)則表。確定控制量變化的原則是：當誤差大或小時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。誤差為正時與誤差為負時相類似，相應的符號都要變化。因此，按模糊控制原理設計出u的模糊調整規(guī)則如表1所示。


2.3 軟件設計和控制算法實現

單片機的軟件采用C語言編寫，軟件的整體結構采用模塊化的方式，總流程如圖6所示。主要的子程序有高度數據綜合、通信信息處理、控制信號生成等。捕捉檢測主要是對車速檢測中斷子程序、高度檢測中斷子程序、加速度檢測中斷子程序和通信中斷子程序進行檢測。輔助開關輸入檢測主要是對車速、制動、點火、車門狀態(tài)信號的檢測，操作開關檢測主要是對手動模式下按鍵信號的檢測。剛度的模糊PID控制的子程序如圖7所示。