夏 光, 唐希雯, 汪韶杰, 孫保群

(1.合肥工業(yè)大學 汽車工程技術研究院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009;3.解放軍電子工程學院 信息工程系,安徽合肥 230037)

磁流變半主動懸架是通過改變磁流變液流體的黏度來改變懸架減振器阻尼力的一種新型電控懸架,由于其響應快、動態(tài)范圍寬、功耗低和結(jié)構(gòu)簡單的特點,且能取得與主動懸架相近的控制效果而成為近年來智能懸架研究的熱點[1-3]。

關于磁流變減振器的控制方法很多,隨著研究的深入,控制算法也越來越復雜[4-6],但是這些控制算法的實際可操作性越來越差,同時也帶來了復雜算法的響應時滯。

本文針對磁流變半主動懸架進行了控制系統(tǒng)的硬件電路設計,采用工程易于實現(xiàn)的模糊算法,引入嵌入式操作系統(tǒng)μ C/OS-II和多任務的編程方法,并將自主開發(fā)的控制系統(tǒng)裝車進行了實車道路試驗。

1 系統(tǒng)硬件電路設計與實現(xiàn)系統(tǒng)

硬件設計主要是電子控制單元的硬件設計,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,它表明了磁流變半主動懸架控制系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)及工作過程,主要包括單片機和最小系統(tǒng)電路、點火系統(tǒng)供電電路、車身垂直加速度信號調(diào)理電路、車速信號調(diào)理電路、恒流源驅(qū)動電路、CAN通信電路和故障診斷通信電路。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 LPC2292及其最小系統(tǒng)

磁流變半主動懸架控制系統(tǒng)選用ARM7系列LPC2292作為控制器的核心單元,可提高運算速度。LPC2292是144腳封裝,基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。

由于LPC2292具有極低的功耗、多個32位定時器、8通道10位ADC、2/4高級CAN 、6通道32位脈寬調(diào)制器(PWM)以及多達9個外部中斷管腳,使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應用[7]。

最小系統(tǒng)是指該處理器能正常工作所必須的條件,主要包括電源時鐘、復位和JTAG接口,如果芯片沒有片內(nèi)程序存儲器,則還要加上存儲器系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設計

(1)加速度信號調(diào)理電路。該電路主要包括電荷放大器、電壓放大、巴特沃思濾波、電平轉(zhuǎn)換和隔離限幅電路,把車身垂直加速度的電荷信號轉(zhuǎn)化為處理器可以識別的較高精度的電壓信號,傳遞給控制系統(tǒng)的電子控制單元,以提供車身垂直方向的運動狀態(tài)。

(2)車速信號調(diào)理電路。該電路主要是檢測汽車行駛速度,然后根據(jù)不同階段的車速采用不同的控制策略。

(3)恒流源驅(qū)動電路。該電路的主要功能是驅(qū)動受控源,改變減振器上的電流大小,從而調(diào)節(jié)阻尼力大小。采用處理器中自帶的PWM功能,通過濾波來實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換,通過控制PWM 的占空比來實現(xiàn)控制電壓大小,并實現(xiàn)控制恒流源輸出電流大小,進而通過恒流源輸出電流控制減振器的磁流變液的黏度來改變其阻尼力。

(4)CAN通信電路。該電路功能模塊包括2個兼容CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器組成,這些豐富的內(nèi)部資源和外部接口資源可以滿足ECU對各種數(shù)據(jù)的處理、CAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收要求,能夠?qū)崿F(xiàn)高低速 CAN網(wǎng)絡的網(wǎng)關節(jié)點功能。

(5)故障診斷電路。該電路功能就是利用ECU監(jiān)視加速度傳感器、ECU和恒流源各組成部分的工作情況,發(fā)現(xiàn)故障后自動啟動故障運行程序,將故障以代碼的形式(此代碼為設計時已經(jīng)約定好的)存入Flash存儲器;同時,通過故障指示燈提醒駕駛員和維修人員電控系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)μ C/OS-II

μ C/OS-II是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧且具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng),具有可靠性高、移植性強、占用資源少、裁剪方便以及源碼公開等諸多優(yōu)點。一個移植了實時嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)平臺可以讓開發(fā)人員把繁瑣的調(diào)度交給操作系統(tǒng),集中精力于模塊本身功能的實現(xiàn),高效率高質(zhì)量地完成對實時性能具有嚴格要求的汽車電控單元的開發(fā),大大縮短應用產(chǎn)品的開發(fā)周期,增強整個系統(tǒng)在實際應用中的可靠性,提高產(chǎn)品的經(jīng)濟效益[8]。

μ C/OS-II內(nèi)核包含了任務管理、時間管理、內(nèi)存管理及進程間通信4個部分。

2.2 移植μ C/OS-II到ARM

要移植一個操作系統(tǒng)到微處理器上需要做到對使用的編譯器和將要移植的操作系統(tǒng)有深入的了解,并對具體使用的芯片也要有一定的了解。根據(jù) μ C/OS-II的要求,移植 μ C/OS-II到一個新的體系結(jié)構(gòu)上需要提供與CPU代碼相關的3個代碼文件[9]：C語言頭文件OS_CPU.H、C語言源文件OS_CPU_C.C和匯編源文件程序OS_CPU_ASM.H。

2.3 基于μ C/OS-II的系統(tǒng)軟件設計

2.3.1 系統(tǒng)控制方案

磁流變減振器的參數(shù)隨外加磁場的變化而變化,具有較強的非線性,難以建立精確的數(shù)學模型。采用傳統(tǒng)的控制方法對磁流變減振器進行控制,控制效果有時難以滿足要求。模糊控制器是一種不需要對控制對象精確建模的控制器,而且對過程參數(shù)的變化不敏感,具有很強的魯棒性。它根據(jù)人們的經(jīng)驗制定控制規(guī)則得出控制決策表,然后求出控制量的大小,特別適合于對磁流變減振器進行控制。

設計模糊控制規(guī)則集的準則使減振器活塞桿在垂直方向的加速度最小,并能夠確保活塞的垂直位移在允許范圍內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗,本文得出了一組由36條模糊條件語句構(gòu)成的控制規(guī)則,將這些模糊條件語句加以歸納,建立了模糊控制狀態(tài)表。經(jīng)調(diào)整后選一種能夠真實反映磁流變減振器運動狀態(tài)的變量以及合理范圍的算法,見表1所列。

表1 模糊控制狀態(tài)表

2.3.2 系統(tǒng)控制策略

2.3.3 系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)的軟件按照各自所實現(xiàn)的不同功能可以分為3個部分：驅(qū)動程序?qū)?、任務層和操作系統(tǒng)內(nèi)核層。根據(jù)車輛平順性控制的要求設計了加速度定時中斷采集、車速捕獲、控制電流定時輸出和數(shù)據(jù)通信4個任務,各任務的優(yōu)先級及功能見表2所列。

表2 任務優(yōu)先級和功能描述

系統(tǒng)軟件主程序流程,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

2.3.4 任務子程序設計

(1)加速度定時采集。該程序主要是通過定時中斷采集車身垂直加速度,再通過計算相鄰2個時刻的加速度差,然后再處理2次采集的時間,即可得到加速度的變化率。

(2)車速捕獲。該程序主要功能是在定時器TC運行過程中,當有捕獲觸發(fā)信號產(chǎn)生時,捕獲電路將會立即把當時的定時器值TC復制到對應觸發(fā)通道的捕獲寄存器。

(3)控制電流定時輸出。將車速分3個區(qū)間：0 km/h＜v≤40 km/h,40 km/h＜v＜80 km/h,v≥80 km/h。根據(jù)捕獲的車速v,判斷屬于哪個區(qū)間而進入其相應的處理子程序。在每個對應的處理子程序里,通過對加速度和加速度變化率的符號判斷,又分為4個不同的處理子程序。在這4個不同子程序里,又將加速度在最大值和最小值之間劃分區(qū)間,在每一小段加速度區(qū)間,使用控制算法得出輸出控制電流參數(shù),再根據(jù)電流檢測結(jié)果,進一步調(diào)節(jié)輸出控制電流,改變減振器的阻尼力,降低車身加速度?？刂齐娏鬏敵龀绦蛄鞒?如圖3所示。采用C語言對AT RM7芯片LPC2292進行編程。使用ADS1.2開發(fā)環(huán)境,程序通過JTAG仿真后,下載到LPC2292的內(nèi)部Flash里,只要上電后就可以脫離仿真環(huán)境運行。

圖3 控制電流輸出程序流程圖

3 實車試驗

試驗的目的是驗證所設計的控制系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性、行駛平順性的有效改善。試驗方法主要是實車道路試驗,試驗車輛為安裝有磁流變減振器及控制系統(tǒng)的昌河愛迪爾CH711A轎車,如圖4所示。

圖4 試驗車輛

根據(jù)文獻[10,11]進行實車道路試驗,試驗方法如下：

(1)分別在空載和滿載的條件下,路面的激勵分別為過凸塊的脈輸入和隨機輸入激勵,測量車身各點3向加速度。

(2)在車輛安裝磁流變半主動懸架和被動懸架的2種條件下,車速分別為40、60、80 km/h,按照方法(1)的要求進行試驗,并對試驗結(jié)果進行比較。

試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 車速80 km/h空載和滿載隨機路面時域圖

通過分析對比可知,采用自行開發(fā)的磁流變半主動懸架控制器的汽車,比采用普通被動懸架的汽車車身垂直加速度均方根值減小20%左右。

采用自行開發(fā)控制器磁流變半主動懸架的車輛在不同條件下都能夠有效地降低整車的垂直加速度,明顯優(yōu)于普通被動懸架。

4 結(jié)束語

采用嵌入式操作系統(tǒng)μ C/OS-II以及多任務的編程方法大大提高了系統(tǒng)實時性,進而提高了控制器的響應時間。

通過實車試驗,有效地驗證了控制策略的正確性。由此說明,所設計的磁流變半主動懸架控制器和采用的控制策略是正確可行的,能有效改善整車行駛平順性[12,13]。

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