顧士洲　嚴(yán)天一　 滕利衛(wèi)

文章編號(hào)： 10069798（2022）01003008; DOI： 10.13306/j.10069798.2022.01.005

摘要：? 為使閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)匹配不同車型，本文主要對(duì)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行研究。分析了閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元總體結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了基于飛思卡爾MC9S12XDT512主控芯片的閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元，并利用CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，編寫(xiě)了電控單元各模塊驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)，根據(jù)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元功能需求，并基于CAN通信，開(kāi)發(fā)了其電控單元標(biāo)定系統(tǒng)。為驗(yàn)證本文開(kāi)發(fā)的閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)車應(yīng)用可行性，利用具有閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)的試驗(yàn)改裝車輛，開(kāi)展相關(guān)實(shí)車靜態(tài)和道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)車輛分別處于空載、空載+100 kg和空載+200 kg狀態(tài)時(shí)，高、中、低位手動(dòng)調(diào)節(jié)下的前后懸穩(wěn)態(tài)，實(shí)際高度與標(biāo)定高度誤差絕對(duì)值保持在3 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)需求;當(dāng)車輛車速分別為15，30，45，60，75，90 km/h時(shí)，高、中、低位自動(dòng)調(diào)節(jié)下的前后懸高度平均值與標(biāo)定的前后懸高度誤差絕對(duì)值，始終控制在5 mm以內(nèi)，滿足實(shí)車應(yīng)用需求。該研究對(duì)工程實(shí)際中閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：? 閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng); 電控單元; 標(biāo)定系統(tǒng); 實(shí)車試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： U463.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)的充放氣回路具有封閉性特點(diǎn)，當(dāng)空氣彈簧充氣時(shí)，氣體介質(zhì)由存有壓縮氣體的儲(chǔ)氣筒提供;放氣時(shí)，從空氣彈簧放出的氣體再泵回儲(chǔ)氣筒，實(shí)現(xiàn)了氣體介質(zhì)的循環(huán)利用。而閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)是一種新型電控空氣懸架系統(tǒng)，其基本功能是通過(guò)電控單元適時(shí)地控制空氣彈簧充放氣動(dòng)作，合理調(diào)節(jié)車身高度，改變懸架剛度和阻尼，以適應(yīng)不同車速和路況，使車輛保持良好平順性、燃油經(jīng)濟(jì)性及通過(guò)性等[14]。在與具體車型的匹配過(guò)程中，合理地標(biāo)定關(guān)鍵參數(shù)，可使電控單元具有良好工作性能，以適應(yīng)不同工況。因此，標(biāo)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)已成為電控單元開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一[56]。目前，國(guó)外的電控單元標(biāo)定技術(shù)比較成熟且處于領(lǐng)先地位。F.D.NOLA等人[7]針對(duì)目標(biāo)電控單元功能進(jìn)行參數(shù)分析，提出了一種計(jì)算機(jī)輔助標(biāo)定算法，該算法有助于提高標(biāo)定精度;K.NIKZADFAR等人[8]提出了一種基于模型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器標(biāo)定方法，通過(guò)查表得到基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和相對(duì)負(fù)荷的噴油和進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)，顯著減少了標(biāo)定過(guò)程的時(shí)間、成本和復(fù)雜性;而國(guó)內(nèi)對(duì)電控單元標(biāo)定研究起步較晚，與國(guó)外開(kāi)發(fā)技術(shù)存在較大差距，但也開(kāi)展了許多標(biāo)定系統(tǒng)的研究[9]。孫琦等人[10]設(shè)計(jì)了一種電控空氣懸架系統(tǒng)下線檢測(cè)及標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可完成電控空氣懸架系統(tǒng)全部下線檢測(cè)和標(biāo)定工作，提高了整車下線檢測(cè)效率;李璋靚等人[11]開(kāi)發(fā)了一種空氣懸架標(biāo)定方案，該標(biāo)定方案可準(zhǔn)確檢測(cè)氣囊裝配問(wèn)題，滿足載貨車單線連續(xù)下線生產(chǎn)需求;耿玉軍[12]開(kāi)發(fā)了一種電控單元調(diào)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)大客車空氣懸架電控系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)車應(yīng)用可行性;劉威[13]設(shè)計(jì)了一種基于CAN標(biāo)定協(xié)議（CAN calibration protocol，CCP）的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（electric power steering，EPS），經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)架及實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了該標(biāo)定系統(tǒng)的功能有效性。對(duì)于閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，且相關(guān)研究尚不夠成熟。因此，本文開(kāi)發(fā)了閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，開(kāi)發(fā)了基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）通信的閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)，同時(shí)利用試驗(yàn)改裝車輛，開(kāi)展相關(guān)實(shí)車靜態(tài)和道路試驗(yàn)，驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)車應(yīng)用可行性。該研究為閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)概述

閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、電控單元、組合電磁閥、高度傳感器、電動(dòng)氣泵和儲(chǔ)氣筒等部件構(gòu)成[1415]，其工作原理為：電控單元通過(guò)采集車速和車身高度等傳感器信號(hào)，根據(jù)核心控制策略對(duì)組合電磁閥、電動(dòng)氣泵等執(zhí)行部件合理施加控制，對(duì)各空氣彈簧實(shí)施充放氣，以改變電控空氣懸架剛度、阻尼及車身高度，改善車輛行駛平順性、通過(guò)性及燃油經(jīng)濟(jì)性等[16]。根據(jù)實(shí)際需求，閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)通過(guò)電控單元控制執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。因此，電控單元是閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)的核心部件，而一個(gè)完善、適用的電控單元標(biāo)定系統(tǒng)有助于成功開(kāi)發(fā)電控單元[17]。標(biāo)定系統(tǒng)為標(biāo)定人員提供可視化標(biāo)定平臺(tái)，在標(biāo)定過(guò)程中對(duì)電控單元各關(guān)鍵控制參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定。因此，為充分發(fā)揮閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)與不同車輛的適配性能，電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。

2電控單元開(kāi)發(fā)

2.1電控單元總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)工作原理，開(kāi)發(fā)了基于飛思卡爾MC9S12XDT512主控芯片的閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元，閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由電源模塊、最小系統(tǒng)模塊、通信模塊、組合電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、電動(dòng)氣泵驅(qū)動(dòng)模塊、車速信號(hào)調(diào)理模塊及模擬量輸入保護(hù)模塊等構(gòu)成。

2.2電控單元主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.2.1電動(dòng)氣泵驅(qū)動(dòng)模塊

電動(dòng)氣泵驅(qū)動(dòng)模塊采用英飛凌BTM7811K芯片驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)控制需求驅(qū)動(dòng)電動(dòng)氣泵工作，實(shí)現(xiàn)充放氣操作?？紤]到電動(dòng)氣泵過(guò)熱、高邊開(kāi)關(guān)過(guò)溫和電源欠壓等情況發(fā)生的可能性，本文選用BTM7811K芯片，具有輸出保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)和欠壓中斷的保護(hù)機(jī)制，滿足全方位需求。同時(shí)利用ACS710芯片對(duì)電動(dòng)氣泵的工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高工作的可靠性與穩(wěn)定性。電動(dòng)氣泵驅(qū)動(dòng)模塊如圖2所示。

2.2.2組合電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊

組合電磁閥與空氣彈簧、電動(dòng)氣泵、儲(chǔ)氣筒等部件相連，空氣彈簧充放氣動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)依賴于電控單元對(duì)組合電磁閥的合理控制。本文選用英飛凌TLE8110EE芯片驅(qū)動(dòng)組合電磁閥，該芯片具有過(guò)溫、短路、過(guò)載和過(guò)壓等保護(hù)機(jī)制，其上10路PWM控制通道完全滿足對(duì)相關(guān)部件控制需求。組合電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊如圖3所示。

2.3電控單元驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元總體結(jié)構(gòu)及功能定義，本文基于CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，編寫(xiě)電控單元各模塊驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想編寫(xiě)，運(yùn)用C語(yǔ)言逐個(gè)編寫(xiě)相應(yīng)子函數(shù)，每個(gè)子函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定功能，以提高程序的可讀性與易維護(hù)性。驅(qū)動(dòng)程序主要包括車速傳感器信號(hào)采集子函數(shù)、高度傳感器信號(hào)采集子函數(shù)、模式判別子函數(shù)、車身高度調(diào)節(jié)子函數(shù)、車身高度由中位降至低位子函數(shù)等。

3標(biāo)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1電控單元端軟件開(kāi)發(fā)

為實(shí)現(xiàn)電控單元從上位機(jī)標(biāo)定軟件獲取標(biāo)定數(shù)據(jù)，合理選擇通信方式，正確編寫(xiě)電控單元端通信用模塊驅(qū)動(dòng)程序顯得尤為重要?？紤]數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，本文采用CAN通信方式，因此需在電控單元端完成MSCAN模塊驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。電控單元端標(biāo)定程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1）MSCAN模塊初始化。MSCAN模塊初始化時(shí)，禁止數(shù)據(jù)傳輸，且不再與總線同步。通過(guò)MSCAN模塊中相關(guān)寄存器，對(duì)MSCAN模塊的工作模式、傳輸速率以及中斷等進(jìn)行配置，完成MSCAN模塊初始化。

2）MSCAN模塊數(shù)據(jù)發(fā)送。CAN報(bào)文發(fā)送采用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。首先檢查數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否大于8，且與總線時(shí)鐘是否同步，當(dāng)滿足需求后，通過(guò)MSCAN發(fā)送標(biāo)志寄存器的TXE位，查詢是否存在空閑發(fā)送緩沖區(qū)，若確認(rèn)該緩沖區(qū)存在且可用，則通過(guò)MSCAN發(fā)送緩沖選擇寄存器，將指針指向該可用緩沖區(qū)便可訪問(wèn)，并向該緩沖區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)等信息，清除TXE標(biāo)志位，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）MSCAN模塊數(shù)據(jù)接收。CAN報(bào)文接收包括查詢接收和中斷接收兩種方式，本文采用中斷接收方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與處理。MSCAN接收標(biāo)志寄存器中的RXF位指示了接收緩沖區(qū)的狀態(tài)，當(dāng)接收緩沖區(qū)內(nèi)寫(xiě)入新數(shù)據(jù)時(shí)，RXF位會(huì)被置位。因此，首先檢測(cè)RXF位是否被置位，若RXF位被置位，則讀取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù);待數(shù)據(jù)讀取完畢，清除RXF標(biāo)志位，釋放接收緩沖區(qū)，以接收新數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)接收過(guò)程結(jié)束，便調(diào)用后續(xù)數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

3.2上位機(jī)端軟件開(kāi)發(fā)

3.2.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本文采用Visual Basic可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)上位機(jī)標(biāo)定軟件，該軟件主要有可視化界面設(shè)計(jì)和事件驅(qū)動(dòng)的編程設(shè)計(jì)兩個(gè)特點(diǎn)。可視化界面設(shè)計(jì)是隱藏了界面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，避免大量代碼的編寫(xiě)，極大提高了界面設(shè)計(jì)的效率。事件驅(qū)動(dòng)的編程設(shè)計(jì)是因其每個(gè)對(duì)象都有預(yù)定義的事件集，故僅需對(duì)每個(gè)對(duì)象的每個(gè)事件編寫(xiě)相應(yīng)的代碼塊，當(dāng)某對(duì)象上產(chǎn)生某事件時(shí)，即執(zhí)行相應(yīng)的代碼塊[18]。

3.2.2標(biāo)定系統(tǒng)軟件功能需求分析

根據(jù)上述閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)工作原理及電控單元功能定義，標(biāo)定系統(tǒng)軟件功能模塊架構(gòu)如圖5所示，軟件功能模塊主要包括監(jiān)測(cè)界面、通信管理、標(biāo)定界面和數(shù)據(jù)管理4個(gè)方面。

1）監(jiān)測(cè)界面。實(shí)現(xiàn)對(duì)前、后懸架車身高度、儲(chǔ)氣筒壓力等參數(shù)值的采集、顯示與存儲(chǔ)。

2）通信管理。通過(guò)USBCAN接口卡實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與電控單元通信，同時(shí)查看上位機(jī)是否與電控單元成功連接。

3）標(biāo)定界面。實(shí)現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與下載。

4）數(shù)據(jù)管理。根據(jù)需求添加或刪除指定數(shù)據(jù)模塊。

標(biāo)定系統(tǒng)上位機(jī)端軟件界面如圖6所示。

3.2.3上位機(jī)端通信控制

上位機(jī)標(biāo)定軟件通過(guò)USBCAN接口卡與電控單元進(jìn)行通信。本文采用的雙路智能USBCAN接口卡帶有相關(guān)功能庫(kù)函數(shù)，通過(guò)調(diào)用可實(shí)現(xiàn)CAN通信過(guò)程。標(biāo)定軟件通信控制流程如圖7所示。

3.3標(biāo)定系統(tǒng)硬件組成

為實(shí)現(xiàn)標(biāo)定功能，上位機(jī)與下位機(jī)的有效連接是后續(xù)標(biāo)定工作順利實(shí)施的前提。本文開(kāi)發(fā)的閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)主要由上位機(jī)標(biāo)定軟件、USBCAN接口卡和自主開(kāi)發(fā)的電控單元等組成。標(biāo)定系統(tǒng)硬件接口連接示意圖如圖8所示。

4實(shí)車試驗(yàn)

閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)根據(jù)駕駛員需求或車輛行駛狀態(tài)等信息，改變懸架高度，實(shí)現(xiàn)車身高度在高、中、低位的調(diào)節(jié)，其工作模式可分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員需求調(diào)節(jié)懸架高度;自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)車輛行駛車速等信息，自動(dòng)按需合理地調(diào)節(jié)懸架高度[19]。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的實(shí)車應(yīng)用可行性，基于試驗(yàn)改裝車輛，開(kāi)展實(shí)車試驗(yàn)。

4.1手動(dòng)模式懸架高度標(biāo)定及實(shí)車靜態(tài)試驗(yàn)

利用本文開(kāi)發(fā)的閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)定手動(dòng)模式下，前后懸高、中、低位高度標(biāo)定值，開(kāi)展閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)手動(dòng)模式懸架高度調(diào)節(jié)實(shí)車靜態(tài)試驗(yàn)，前后懸高中低位高度標(biāo)定值如表1所示。

通過(guò)人機(jī)交互子系統(tǒng)，分別對(duì)處于空載及不同承載質(zhì)量狀態(tài)下的靜止車輛進(jìn)行試驗(yàn)，手動(dòng)選擇車身狀態(tài)，即高、中、低位。手動(dòng)模式下實(shí)車靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，當(dāng)車輛分別處于空載、空載+100 kg、空載+200 kg狀態(tài)時(shí)，高、中、低位調(diào)節(jié)下的前后懸穩(wěn)態(tài)實(shí)際高度與標(biāo)定高度誤差絕對(duì)值保持在3 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)需求。

4.2自動(dòng)模式車速標(biāo)定及實(shí)車道路試驗(yàn)

綜合考慮車輛行駛平順性、通過(guò)性及燃油經(jīng)濟(jì)性，在自動(dòng)模式下，前后懸高中低位車速標(biāo)定值分別為v≤35 km/h，35

5結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行研究。首先對(duì)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)概述，并根據(jù)其工作原理及功能需求，開(kāi)發(fā)了閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元及其標(biāo)定系統(tǒng)，然后利用本文開(kāi)發(fā)的標(biāo)定系統(tǒng)，對(duì)高、中、低位懸架高度及自動(dòng)模式下不同車身狀態(tài)對(duì)應(yīng)的車速范圍進(jìn)行標(biāo)定，分別在手動(dòng)模式和自動(dòng)模式下，通過(guò)開(kāi)展相關(guān)實(shí)車靜態(tài)和道路試驗(yàn)，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)車應(yīng)用可行性。本文所開(kāi)發(fā)閉環(huán)式電控空氣懸架系統(tǒng)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)尚不具備故障診斷功能，下一步將在系統(tǒng)故障診斷上展開(kāi)深入研究。

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Research on Electronic Control Unit Calibration System of

ClosedLoop Electronically Controlled Air Suspension

GU Shizhou1， YAN Tianyi TENG Liwei

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Hyundai Automotive Research and Development Center （China） Co.， Ltd.， Yantai 264006， China）

Abstract：? In order to match the closedloop electronically controlled air suspension system with different vehicles， this paper mainly studied the calibration system of electronic control unit of the closedloop electronically controlled air suspension system. Firstly， the overall structure of the closedloop electronically controlled air suspension system was analyzed， and the electronic control unit of the closedloop electronically controlled air suspension system based on Freescale MC9S12XDT512 master control chip was developed， and the driver program of each module of the electronic control unit was written by using CodeWarrior integrated development environment. Meanwhile， according to the functional requirements of the electronic control unit of the closedloop electronically controlled air suspension system， the calibration system of the electronic control unit was developed based on CAN communication. In order to verify the feasibility of the calibration system of electronic control unit of the closedloop electronically controlled air suspension system developed in this paper， static and road tests were carried out on the modified vehicle with a closedloop electronically controlled air suspension system. The test results show that when the vehicle is in noload state， noload state +100 kg and noload state +200 kg respectively， the absolute error value of the actual height and the calibration height of the front and rear suspension steady state under high， medium and low level adjustment is kept within 3 mm， which meets the design requirements. When the vehicle speed is 15， 30， 45， 60， 75 and 90 km/h respectively， the absolute error of the average value of front and rear suspension height under high， midium and low automatic adjustment and the calibration value of front and rear suspension height are always controlled within 5 mm， which meets the requirements of real vehicle application. This research has a certain reference significance for the design of calibration system of electronic control unit of closedloop electronically controlled air suspension system in engineering practice.

Key words： closedloop electronically controlled air suspension system; electronic control unit; calibration system; real vehicle test

收稿日期： 20210722; 修回日期： 20210926

基金項(xiàng)目：? 山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2016EEM49）

作者簡(jiǎn)介：? 顧士洲（1997），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)態(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者：? 嚴(yán)天一（1970），男，工學(xué)博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制技術(shù)。 Email： yan_7012@126.com