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基于Freescale的电子控制空气悬架模糊PID控制解析
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2017-11-30
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电子控制空气悬架（ECAS）以电子控制模块为控制核心，对空气悬架参数进行实时控制，能自动控制车辆悬架的刚度、阻尼系数及车身高度等参数；汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能（如故障诊断功能等）；可最大限度地提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，可满足现代汽车对乘坐舒适性、行驶安全性的更高要求。目前在欧洲一些国家的大型客车中已经大量应用。我国在20世纪50年代就对空气弹簧进行了研究，但是许多研究成果的产业转化率非常低，导致许多有价值的研究没能继续坚持和深入下去，使我国汽车悬架技术的研究和应用与欧美等发达国家相比明显落后。目前在国内还没有汽车公司能够独立设计出并向市场提供比较成熟的空气悬架电子控制单元［1］。因此，研究空气悬架电子控制单元，尽快缩小与国外在电控空气悬架系统应用方面的差距，具有非常现实的意义。
本文以YBL6891H型客车为控制对象。该客车原本以车身高度为主要控制目标，当载荷改变时，车身高度维持在某一范围内不变，没有真正地涉及到对客车行驶平顺性的改善。本文以该客车的1/4车辆模型为基础，采用模糊PID控制算法调节空气弹簧的刚度，以降低车身垂直加速度为主要目标，从而实现对客车行驶平顺性的改善。采用Freescale公司的MC9S08GB60A单片机为控制芯片，设计了电子控制单元。
1 系统硬件设计方案
系统的总体结构如图1所示。图中的虚线部分是两自由度1/4车辆模型，控制系统的MCU采用了Freescale半导体公司的MC9S08GB60A，该处理器可靠性高、抗干扰能力强，被广泛应用于汽车电子产品。总体电路结构由ECU、高度传感器、速度传感器、加速度传感器及其检测电路、键盘（用于模式选择以及手动模式下的控制）、指示灯等电路组成。加速度传感器检测到的垂直加速度信号传递给单片机，单片机产生控制信号，通过电磁阀控制空气弹簧的刚度。刚度的调整通过对主附气室之间的控制阀的控制来实现。高度传感器不断地将客车的高度信号传递给单片机，而加速度的大小在一定程度上反映了路况信息，单片机根据当前的路况和车速，调整车身高度。一旦车身高度达到设定的最低或最高位置限值时，ECU将执行保护，自动结束调节。
1.1高度信号采集处理电路
高度检测电路的工作原理为：车身高度－传感器转角－电感－脉冲信号周期。车身高度传感器等效为一个可变电感与一个电阻串联。车身上下振动时，带动摆杆上下转动，从而移动铁心，使电感值不断变化。当车身上升时，摆杆向上转动，感应值变大，当车身下降时，摆杆向下转动，感应值变小。图2为高度检测电路，高度传感器的两个端子分别接height1i和HCOM端。检测电路的输出为一串脉冲信号。用multisim10［2］对传感器检测电路进行了仿真，结果如图3所示，图3（a）、图3（b）、图3（c）为高度传感器的电感值分别为13mH、20mH、30mH时的高度信号。可见车身高度改变时，电感值也改变，而电感值的改变导致脉冲宽度的变化，因此单片机可根据脉冲的宽度获取车身高度信息。
本文以YBL6891H型客车为控制对象。该客车原本以车身高度为主要控制目标，当载荷改变时，车身高度维持在某一范围内不变，没有真正地涉及到对客车行驶平顺性的改善。本文以该客车的1/4车辆模型为基础，采用模糊PID控制算法调节空气弹簧的刚度，以降低车身垂直加速度为主要目标，从而实现对客车行驶平顺性的改善。采用Freescale公司的MC9S08GB60A单片机为控制芯片，设计了电子控制单元。
1 系统硬件设计方案
系统的总体结构如图1所示。图中的虚线部分是两自由度1/4车辆模型，控制系统的MCU采用了Freescale半导体公司的MC9S08GB60A，该处理器可靠性高、抗干扰能力强，被广泛应用于汽车电子产品。总体电路结构由ECU、高度传感器、速度传感器、加速度传感器及其检测电路、键盘（用于模式选择以及手动模式下的控制）、指示灯等电路组成。加速度传感器检测到的垂直加速度信号传递给单片机，单片机产生控制信号，通过电磁阀控制空气弹簧的刚度。刚度的调整通过对主附气室之间的控制阀的控制来实现。高度传感器不断地将客车的高度信号传递给单片机，而加速度的大小在一定程度上反映了路况信息，单片机根据当前的路况和车速，调整车身高度。一旦车身高度达到设定的最低或最高位置限值时，ECU将执行保护，自动结束调节。
1.1高度信号采集处理电路
高度检测电路的工作原理为：车身高度－传感器转角－电感－脉冲信号周期。车身高度传感器等效为一个可变电感与一个电阻串联。车身上下振动时，带动摆杆上下转动，从而移动铁心，使电感值不断变化。当车身上升时，摆杆向上转动，感应值变大，当车身下降时，摆杆向下转动，感应值变小。图2为高度检测电路，高度传感器的两个端子分别接height1i和HCOM端。检测电路的输出为一串脉冲信号。用multisim10［2］对传感器检测电路进行了仿真，结果如图3所示，图3（a）、图3（b）、图3（c）为高度传感器的电感值分别为13mH、20mH、30mH时的高度信号。可见车身高度改变时，电感值也改变，而电感值的改变导致脉冲宽度的变化，因此单片机可根据脉冲的宽度获取车身高度信息。
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