包丕利

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津300222)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展、全球交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，商用載貨汽車在物流運輸上發(fā)揮重要作用，其營運工況越來越被人們所重視［1］。電控空氣彈簧懸架在汽車操縱穩(wěn)定性、行駛平順性及行駛安全性方面有著巨大的優(yōu)勢，而且還能吸收對汽車和道路的沖擊載荷，延長其使用壽命。因此，伴隨著運輸業(yè)和電子計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車控制系統(tǒng)的智能化程度越來越高，電子控制空氣懸架 (ECAS)在我國必將得到廣泛應(yīng)用，市場前景十分廣闊［2－4］。CAN總線技術(shù)在汽車網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢也越來越明顯，在汽車的電子控制中有很大的發(fā)展前途［5］。

1 系統(tǒng)CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定

綜合考慮成本、性能、對原車結(jié)構(gòu)的繼承性及國內(nèi)的使用條件，最終確定了在原前后均為鋼板彈簧懸架的商用卡車上設(shè)計匹配前少片簧、后鋼板彈簧導(dǎo)向機構(gòu)兩氣囊空氣懸架的結(jié)構(gòu)型式［6］。在車輛前橋中部 (少片簧懸架)裝一個高度傳感器，后橋左右各裝一個高度傳感器，經(jīng)中央電磁閥分別與后橋左右氣囊組成分系統(tǒng)。通過對空氣彈簧進(jìn)行充放氣調(diào)節(jié)，控制車輛工作狀態(tài)及車輛的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛的安全性。系統(tǒng)氣路及電路連接如圖1所示。

CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)車輛行駛工況發(fā)生變化時，將傳感器測試得到的信息變化，做成報文通過CAN總線發(fā)送到電控空氣懸架ECU，ECU通過判斷、推理、分析，調(diào)用相應(yīng)的控制模塊，對空氣彈簧進(jìn)行充放氣調(diào)節(jié)。在此系統(tǒng)中，用開關(guān)算法及PID算法控制空氣懸架系統(tǒng)電磁閥的關(guān)閉。

2 空氣懸架系統(tǒng)控制策略的實現(xiàn)

對于空氣彈簧懸架控制而言，高度調(diào)節(jié)與車輛行駛安全性能相關(guān)，而剛度調(diào)節(jié)則與車輛行駛平順性能相關(guān)［7］?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行前提下提高行駛平順性［8］。

首先設(shè)置三個指標(biāo)高度，每個指標(biāo)高度可通過選擇開關(guān)或者由車輛根據(jù)車速自行進(jìn)行調(diào)節(jié)控制:正常車速最佳行駛高度H1、經(jīng)濟(jì)工況行駛高度H2、車輛裝卸貨物的駐車高度H0、駕駛員可設(shè)定某一特定高度。

在控制過程中，儲氣筒充氣壓力一定，系統(tǒng)控制目標(biāo)為空氣彈簧高度或空氣彈簧剛度。系統(tǒng)根據(jù)調(diào)節(jié)目標(biāo)值和實際值之間差值與變化速度計算充放氣脈沖長度。差值愈大，充放氣脈沖愈長;變形速度愈快，充放氣脈沖愈短。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

由上述控制功能要求，對商用車從出車、裝載貨物、起動、運行、停止、卸載及回庫整個過程進(jìn)行功能分析及整理，根據(jù)空氣懸架系統(tǒng)的功能要求，按車輛車速進(jìn)行初步判斷，對車輛整體控制策略進(jìn)行模塊化設(shè)計。初步把電控空氣懸架控制策略分為三個模塊。

啟動控制模塊:當(dāng)車輛啟動時ECU根據(jù)檢測到的信息自動將車身高度調(diào)節(jié)到H1。

停車裝載模塊:保證貨物裝卸方便，并保持高度穩(wěn)定。當(dāng)停車裝卸貨物時，需要保持車輛按駕駛員預(yù)先設(shè)定好的高度不變。當(dāng)車輛載荷變化引起空氣彈簧的高度發(fā)生變化達(dá)到一定程度時，ECU根據(jù)高度傳感器采集到車輛高度變化信息，對氣囊進(jìn)行充放氣調(diào)節(jié)，使整車能保持一個穩(wěn)定的高度不變。當(dāng)車輛超載時，即空氣彈簧內(nèi)的空氣壓力超過了限制，系統(tǒng)認(rèn)為超出了空氣彈簧的承載能力，空氣彈簧不再有充放氣調(diào)節(jié)，并發(fā)出警告，然后依靠輔助的支撐結(jié)構(gòu)來支撐車輛的載荷，限制車輛超載。

穩(wěn)態(tài)行駛模塊:保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作，提高行駛平順性。穩(wěn)態(tài)行駛模塊分為四種控制狀態(tài):車輛高度的整體調(diào)節(jié)、車輛高度的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)、車輛轉(zhuǎn)向姿態(tài)控制、車輛縱傾姿態(tài)控制。當(dāng)車輛高速轉(zhuǎn)向行駛時，由于離心力作用會出現(xiàn)內(nèi)升外降的車身高度偏差。為實現(xiàn)車身姿態(tài)控制、保持車身穩(wěn)定，要求側(cè)傾滿足車身左右偏差要求。當(dāng)車身左右偏差超出偏差范圍，對后橋兩側(cè)空氣彈簧分別同時進(jìn)行充放氣操作，使車身兩側(cè)高度同時往原指標(biāo)高度調(diào)整，直至車身兩側(cè)偏差達(dá)到偏差允許值的1/2為止。當(dāng)車輛加速、制動或上、下長坡時，車身會出現(xiàn)前升后降或相反的縱傾變形。為實現(xiàn)車身姿態(tài)控制保持車身穩(wěn)定，要求車身縱傾滿足前后偏差要求。由于設(shè)計車型為前少片簧后空氣懸架形式，當(dāng)車身前后偏差在一定時間內(nèi)超出偏差范圍，應(yīng)該以前橋車身高度為目標(biāo)值對后橋兩側(cè)空氣彈簧進(jìn)行同步充放氣操作，使車身后橋往前橋車身高度調(diào)整，直至車身前后偏差達(dá)到偏差允許值的1/2為止，此時不考慮車身指標(biāo)高度偏差的限制。

3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及報文設(shè)計

在CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)中懸架ECU為主節(jié)點，其他節(jié)點為子節(jié)點。子節(jié)點的報文只有主節(jié)點接收 (點對點模式)，主節(jié)點的報文所有子節(jié)點均接收 (廣播模式)。在商用載貨汽車CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)中，設(shè)置主節(jié)點、空氣懸架高度傳感器節(jié)點、空氣彈簧壓力測試節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點、車速采集節(jié)點、ABS節(jié)點等，實現(xiàn)懸架系統(tǒng)與整車通訊。CAN總線物理總線采用雙絞線。CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)組成及其整車布置如圖4所示。

在控制器中設(shè)置一個雙CAN模塊，作為CAN總線控制系統(tǒng)的主節(jié)點?；趯W(wǎng)絡(luò)通訊的實時性、準(zhǔn)確性等車輛整體的控制性能以及成本的考慮，并根據(jù)各個節(jié)點硬件間的兼容性及性能，該系統(tǒng)子節(jié)點選擇Philips公司推出的獨立CAN通信控制器SJA1000作為節(jié)點控制器，采用Philips公司生產(chǎn)的驅(qū)動芯片SJA1040作為CAN收發(fā)器，采用AT89C52單片機作為CAN節(jié)點微控制器。

CAN2.0B協(xié)議只是對CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了定義，而在實際應(yīng)用過程中，必須根據(jù)用戶的實際需要制定出相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議。以CAN2.0B為基礎(chǔ)的SAE J1939協(xié)議定義了適用于客車和貨車的應(yīng)用層協(xié)議，通過研究SAE J1939協(xié)議，在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)出適用于商用載貨汽車電控空氣懸架的應(yīng)用層協(xié)議。

通過確定各節(jié)點優(yōu)先級、通訊方式和源地址之后，可以制定CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)各節(jié)點信息幀編碼。CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)各個節(jié)點的優(yōu)先權(quán) (P)、保留位 (R)、頁數(shù) (DP)、PDU格式 (PF)、PDU特指 (PS)、源地址 (SA)，如表1所示。

表1 CAN總線控制系統(tǒng)各個節(jié)點報文編碼

在ECU的硬件設(shè)計中，選用高性能CPU和外圍元器件，在接口上盡量保證和國外的產(chǎn)品保持兼容，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，部分電路采用了冗余設(shè)計，EDA設(shè)計軟件Protel 99sE是一種比較先進(jìn)的設(shè)計軟件，為電路原理圖和PCB板設(shè)計提供一體化支持。經(jīng)設(shè)計開發(fā)，研制出空氣懸架電控單元 (ECU)并委托某電路板廠制造，空氣懸架電控單元實物如圖5所示。

4 CAN試驗臺架的搭建

根據(jù)所研究載貨汽車的結(jié)構(gòu)特點，在汽車前橋的中間位置安裝一個高度傳感器，后橋左右兩側(cè)各裝一個高度傳感器，后橋左右兩側(cè)的氣囊由中央電磁閥控制。電控空氣懸架試驗臺架布置如圖6所示。

試驗結(jié)果表明:所開發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對各種工況下各控制模式的控制，完成控制策略所設(shè)定的目標(biāo)，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，效果良好。

【1】姜立標(biāo)，王登峰.貨車空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報，2005(1):66－69.

【2】喻凡，黃宏成，管西強.汽車空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.汽車技術(shù)，2001(8):6－10.

【3】劉艷麗.奧迪A8轎車自適應(yīng)空氣懸架系統(tǒng)［J］.汽車維修，2005(11):8－10.

【4】ZHANG Jianwen，YANG Xinglong，LIN Yi，et a1.Performancesimulation Research on Bus with Airsuspension［J］.Journal ofsystemsimulation，2006，18(5):1239 －1242.

【5】韓智陽.基于CAN總線的汽車電控空氣懸架仿真分析與控制［D］.吉林:吉林大學(xué)，2007.

【6】郎錫澤.空氣懸架商用載貨汽車設(shè)計匹配與仿真分析［D］.吉林:吉林大學(xué)，2006.

【7】程悅.電控空氣懸架系統(tǒng)的匹配設(shè)計［D］.吉林:吉林大學(xué)，2005.

【8】姜立標(biāo)，王登峰，謝東.電控空氣懸架載荷平衡系統(tǒng)仿真［J］.汽車工程，2007，39(3):234 －237.