電控空氣懸架電流閉環(huán)控制系統(tǒng)開發(fā)

董傳平，李軍偉*，周英超，張廣世，李凱，岳涵，單坤山

1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255049；2.天潤(rùn)智能控制系統(tǒng)集成有限公司，山東文登 264413； 3.濰柴雷沃重工股份有限公司，山東濰坊 261206

0 引言

懸架是連接車身與車橋之間的重要部件，能夠很大程度緩解來自路面的振動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的鋼板彈簧，空氣懸架具有振動(dòng)低、剛度和阻尼可調(diào)、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。21世紀(jì)以來，隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電控空氣懸架系統(tǒng)(electrically controlled air suspension,ECAS)能夠?qū)崿F(xiàn)剛度、阻尼等自動(dòng)調(diào)節(jié)，具有良好的自適應(yīng)性和主動(dòng)性[2-5]，滿足人們對(duì)舒適性和行駛平順性的要求，已經(jīng)成為未來新型主動(dòng)懸架的發(fā)展方向[6]。

傳統(tǒng)的空氣懸架使用開環(huán)控制系統(tǒng)，無法根據(jù)外部激勵(lì)實(shí)時(shí)調(diào)整電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流，本文中設(shè)計(jì)一種基于增量式比例積分微分(proportion integral differential，PID)的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)空氣懸架內(nèi)比例電磁閥電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣懸架阻尼的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 MC9S12XEP100單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

空氣懸架工作環(huán)境惡劣，需要在不同溫度、濕度等復(fù)雜的環(huán)境因素下工作，其控制系統(tǒng)應(yīng)采用能夠適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、具有可靠性能的控制器。為了增加可靠性、降低生產(chǎn)成本，主控芯片應(yīng)具有高性能、低成本和低功耗等優(yōu)勢(shì)，還應(yīng)集成脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)模塊、高精度的模數(shù) (analog to digital,A/D) 轉(zhuǎn)換模塊以及串行通信(serial peripheral interface，SPI)端口等功能模塊。因此，選擇16位微控制器MC9S12XEP100作為主控芯片。MC9S12XEP100具有16位微控制器的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又具有堪比32位微控制器的高性能，8通道PWM滿足使用需求，2個(gè)16通道、12位A/D轉(zhuǎn)換器可以保證A/D采集的準(zhǔn)確性。

最小系統(tǒng)是單片機(jī)維持內(nèi)部運(yùn)行所要求的最簡(jiǎn)單電路。采用頻率為4 MHz的晶振輸出穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)提供給主控芯片，寫入器接口電路可以在程序開發(fā)過程中擦除和下載微控制器內(nèi)的程序、在線調(diào)試、觀測(cè)變量的變化等，復(fù)位電路中RESET引腳常接VCC，當(dāng)RESET引腳被拉低時(shí)可以使單片機(jī)強(qiáng)制復(fù)位。

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

由于車載蓄電池的輸出電壓為12 V，應(yīng)通過降壓芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V，供主控芯片及各子模塊使用。電源供電電路原理如圖1所示，其中U1為TPS5430模塊，為降壓穩(wěn)壓器，內(nèi)部包含過流限制、過壓保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)功能[7-10]，該芯片運(yùn)行的外部環(huán)境溫度為-40～125 ℃，能夠?qū)?.5～36.0 V的輸入電壓穩(wěn)定地輸出為5 V；比例電磁閥需要12 V電壓驅(qū)動(dòng)，圖中Q2為P溝道MOS管，Q1為三極管，MOS管的源極VBAT連接車載蓄電池，柵極通過電阻連接到三極管的集電極，BoradPwrON連接到控制器主控芯片的輸入輸出(input output,IO)口，只有當(dāng)BoradPwrON端口接收到來自主控芯片的高電平時(shí)，MOS管的漏極VBAT_PO才輸出12 V電壓。

圖1 電源供電電路原理圖

1.3 A3942四通道高邊柵極驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

A3942四通道高邊柵極驅(qū)動(dòng)器是一款高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器，串行外設(shè)接口SPI的相容性可以使該裝置輕松地集成到現(xiàn)有的硬件電路中。A3942外圍電路原理如圖2所示，圖中U4為A3942模塊， SDO、SDI、CSZ和SCLK為SPI端口，可以進(jìn)行輸出控制以及故障診斷，F(xiàn)AULT引腳用來指示故障，通過電阻R16上拉到VCC，當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)FAULT引腳輸出低電平，將A3942_FAULT引腳拉低，當(dāng)控制器檢測(cè)到A3942_FAULT引腳為低電平時(shí)則表示A3942內(nèi)部發(fā)生故障；ENB引腳控制使能輸出；IN1～I(xiàn)N4為輸入引腳，G1～G4為輸出引腳。以第一路通道為例介紹A3942模塊的連接情況，IN1連接主控芯片PWM輸出，G1連接MOS管的柵極，S1連接MOS管的源極，D1連接MOS管的漏極，U2為AD8211模塊。

圖2 A3942外圍電路原理圖

電控空氣懸架電流閉環(huán)控制系統(tǒng)主要通過電子控制單元(electronic control unit,ECU)為比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電路輸出不同占空比的PWM信號(hào)，不同電流下比例電磁閥開度不同，從而控制油液的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電控空氣懸架的阻尼調(diào)節(jié)。車載速度傳感器與加速度傳感器采集當(dāng)前車身的速度和加速度，ECU根據(jù)當(dāng)前車身速度與加速度計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下空氣懸架的期望阻尼，根據(jù)比例電磁閥的特性，通過阻尼與電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系求解出期望的阻尼所對(duì)應(yīng)的電流。AD8211將連接電磁閥電路檢測(cè)電阻的2個(gè)引腳(#Solenoid_CH1_P、#Solenoid_CH1_N)之間的壓差放大20倍，通過#Solenoid_CH1_CRT引腳輸出電壓信號(hào)給主控芯片，主控芯片通過A/D采集結(jié)果計(jì)算出當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電路中的實(shí)際電流作為反饋值，該反饋值與電流的期望值進(jìn)行比較得出電流偏差，通過PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)比例電磁閥電流的閉環(huán)控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 SPI模塊配置

主控芯片通過SPI與A3942模塊通信來控制輸出以及診斷故障。A3942模塊SPI通信的時(shí)鐘頻率最高為8 MHz，要求時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位相應(yīng)的寄存器值均設(shè)置為0。

對(duì)SPI模塊進(jìn)行初始化配置時(shí)，首先通過讀取狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器將接收標(biāo)志位清0，然后通過配置波特率寄存器的分頻因子設(shè)置SPI波特率，通過SPI控制寄存器設(shè)置時(shí)鐘極性、時(shí)鐘相位、主機(jī)模式和高位先發(fā)等配置。

2.2 A/D模塊配置

主控芯片采集車身速度傳感器和加速度傳感器信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前空氣懸架的期望阻尼；采集AD8211模塊信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前電磁閥電路中電流作為PID的反饋；因此電流采集模塊的精確性直接影響電流閉環(huán)控制系統(tǒng)控制效果。

MC9S12XEP100提供16通道、12位的高精度A/D模塊，初始化A/D模塊時(shí)，通過控制寄存器設(shè)置采用的時(shí)間和頻率，配置采用精度。對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路電流進(jìn)行A/D信號(hào)采集時(shí)，先進(jìn)行中值濾波再進(jìn)行均值濾波，降低干擾信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

2.3 PWM模塊配置

主控芯片產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥，MC9S12XEP100擁有8個(gè)獨(dú)立的可編程周期和占空比的PWM通道。2個(gè)8位的PWM通道可編程實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)為16位分辨率，帶有可編程的中心對(duì)齊輸出模式和左對(duì)齊輸出模式，擁有4個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的時(shí)鐘頻率配置。

初始化PWM模塊時(shí)，首先應(yīng)通過寄存器設(shè)置時(shí)鐘頻率，選擇時(shí)鐘源，設(shè)置輸出對(duì)齊方式以及PWM的脈沖極性。

2.4 增量式PID控制算法

PID及其衍生算法是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的控制算法之一，相對(duì)其他控制算法簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。PID控制器包括3部分：比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)[11]。比例環(huán)節(jié)能夠快速的降低誤差，但是在穩(wěn)態(tài)后容易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分環(huán)節(jié)通過對(duì)誤差進(jìn)行累計(jì)，使穩(wěn)態(tài)誤差逐步縮??；微分環(huán)節(jié)對(duì)誤差的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，避免超調(diào)[12-13]。本系統(tǒng)PID的控制原理如圖3所示，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由A3942模塊及外圍MOS管等電路組成，測(cè)量元件由AD8211模塊及主控芯片的A/D采集模塊組成。

圖3 控制原理圖

PID控制算法的表達(dá)式為：

，

(1)

式中：u(t)為控制器輸出的控制量，為PWM的占空比；e(t)為電流偏差，等于期望電流與實(shí)際電流的差,A；Kp為比例環(huán)節(jié)權(quán)重;Ki為積分時(shí)間常數(shù);Kd為微分時(shí)間常數(shù);t為時(shí)間，s。

電控空氣懸架系統(tǒng)屬于離散系統(tǒng)，所以采用離散化PID控制，其表達(dá)式為：

(2)

根據(jù)式(2)可以得出增量式PID表達(dá)式為：

Δ(u(t))=Kp[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)] 。

(3)

增量式PID沒有誤差累計(jì)，Δ(u(t))只與最近3次的電流偏差有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)工作，容易獲得較好的控制效果。

PID控制程序需要周期執(zhí)行，理論上執(zhí)行周期時(shí)間越短控制效果越好。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，PID控制程序執(zhí)行時(shí)間約為0.25 ms，在實(shí)際應(yīng)用中，控制器還需要對(duì)其他信息進(jìn)行處理，綜合考慮控制器負(fù)載情況，將PID控制程序執(zhí)行周期設(shè)為2 ms，既可以獲得較好的控制效果，又使得控制器的負(fù)載率不至于過高，PID的控制流程如圖4所示。

圖4 PID控制流程圖

3 電流閉環(huán)控制系統(tǒng)功能測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，對(duì)所設(shè)計(jì)的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能完整性測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室搭建功能測(cè)試硬件平臺(tái)，在比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中串聯(lián)高精度的電流表，實(shí)時(shí)觀測(cè)當(dāng)前電路中的電流，方便與設(shè)定電流進(jìn)行比較；并在試驗(yàn)臺(tái)架搭建了功能測(cè)試平臺(tái)， 主要對(duì)所設(shè)計(jì)的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)能否準(zhǔn)確控制產(chǎn)生期望的電流進(jìn)行測(cè)試。

在確保線路正確連接的情況下接通電源，采用試湊法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，3組不同的PID參數(shù)下穩(wěn)態(tài)電流的變化情況如圖5所示。

圖5 不同參數(shù)下電流對(duì)比

由圖5可知：第一組參數(shù)下的實(shí)際電流最為穩(wěn)定，其電流全部落在了允許的誤差范圍之內(nèi)，其余2組參數(shù)的實(shí)際電流均超出誤差允許范圍，選擇第一組參數(shù)作為PID的控制參數(shù)。

PID的動(dòng)態(tài)特性在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要，為了觀測(cè)PID的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)置期望電流為500 mA，記錄電流變化情況如圖6所示。

圖6 電流動(dòng)態(tài)特性

由圖6可知，經(jīng)過40 ms系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，實(shí)際電流維持在497～503 mA，滿足調(diào)節(jié)時(shí)間為60 ms和誤差為±3 mA的要求。

為了驗(yàn)證該組參數(shù)的性能，在同一組PID控制參數(shù)下對(duì)300～1200 mA電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，將測(cè)試電流與設(shè)定的期望電流進(jìn)行比較，部分測(cè)試數(shù)據(jù)和期望電流比較如表1所示。

由表1可知：通過該組PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠?qū)⒈壤姶砰y驅(qū)動(dòng)電路的電流誤差維持在±3 mA以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣懸架阻尼的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

表1 部分測(cè)試數(shù)據(jù)與期望電流 mA

4 故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 故障寄存器

A3942四通道高邊柵極驅(qū)動(dòng)器具有豐富的故障檢測(cè)功能，輸出故障寄存器為8位數(shù)據(jù)寄存器，通過SPI將內(nèi)部故障寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送出來。

故障寄存器的D0是短接至地(short-to-ground，STG)故障位，每路MOS管的漏極到源極的電壓都會(huì)受到監(jiān)控。在測(cè)試STG故障時(shí)，將MOS管的源極接地，讀取A3942模塊SPI端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，若D0為1，表示檢測(cè)到STG故障。

故障寄存器的D1為短接至電源(short-to-battery，STB)故障位，首先配置引腳或者通過SPI將A3942模塊柵極驅(qū)動(dòng)輸出關(guān)閉，如果Sx引腳的電壓超過閾值電壓，則會(huì)鎖存STB故障。當(dāng)某個(gè)通道的STB故障被鎖存時(shí)，該通道的柵極驅(qū)動(dòng)輸出被禁止，直至故障位被清除(通過輸入寄存器D3)或者狀態(tài)故障診斷被屏蔽(通過輸入寄存器D4)。在測(cè)試STB故障時(shí)，將MOS管的源極接12 V電源，讀取A3942模塊SPI端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，若D1為1，表示檢測(cè)到STB故障。

故障寄存器的D2為負(fù)載開路(open load，OL)故障位，一個(gè)小的偏置電流從通道的Sx引腳流出，如果負(fù)載開路，Sx引腳的電壓將上升到 OL 故障檢測(cè)閾值以上，模塊鎖存OL故障。當(dāng)某通道的OL故障被鎖存時(shí)，該通道的柵極驅(qū)動(dòng)輸出被禁止，直至故障位被清除(通過輸入寄存器D3)或者狀態(tài)故障診斷被屏蔽(通過輸入寄存器D4)。測(cè)試OL故障時(shí)，將比例電磁閥電路斷開，讀取A3942模塊SPI端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，若D2為1，表示檢測(cè)到OL故障。

故障寄存器的D3為熱警告故障位，A3942 芯片上集成了一個(gè)管芯溫度監(jiān)視器。如果芯片溫度接近最大允許水平，將觸發(fā)熱警告信號(hào)。在測(cè)試熱警告故障時(shí)，使用熱風(fēng)槍持續(xù)加熱A3942模塊一段時(shí)間，讀取A3942模塊SPI端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，若D3為1，表示檢測(cè)到熱警告故障。

故障寄存器的D4為電荷泵欠壓故障位，電荷泵必須保持一個(gè)高于 VBB 的電壓保護(hù)帶，以便在需要打開MOS管時(shí)為柵極充電。如果在電荷泵上檢測(cè)到欠壓條件，所有輸出將被禁用。測(cè)試時(shí)將A3942的供電電壓降低，讀取A3942模塊SPI端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，若D4為1，表示檢測(cè)到電荷泵欠壓故障，在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)A3942芯片的供電低于4 V時(shí)，則鎖存電荷泵欠壓故障。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，通過Python設(shè)計(jì)了一款故障診斷系統(tǒng)上位機(jī)軟件，通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN)總線與控制器通信，并將故障數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。電流閉環(huán)控制故障診斷軟件連接測(cè)試界面如圖7所示。將控制器通過CAN卡與上位機(jī)連接，選擇合適的波特率之后點(diǎn)擊“打開CAN卡”按鈕即可初始化CAN卡配置，點(diǎn)擊“連接測(cè)試”按鈕即可測(cè)試當(dāng)前通信的連接狀態(tài)。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)通道進(jìn)行診斷時(shí)，下拉菜單選擇想要診斷的通道，點(diǎn)擊“讀取故障”按鈕，“診斷狀態(tài)欄”顯示目前通道的故障狀態(tài)，并附帶維修建議，當(dāng)對(duì)當(dāng)前通道存在的故障做出維修后，點(diǎn)擊“清除故障”按鈕，即可清除當(dāng)前通道的故障，以通道1短接至電源為例,讀取與清除故障運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖7 連接測(cè)試界面 圖8 通道1讀取故障與清除故障

5 結(jié)語

基于增量式PID的電控空氣懸架電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了電控空氣懸架控制器的硬件電路，實(shí)現(xiàn)了增量式PID對(duì)比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電流的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，電流誤差維持在±3 mA之內(nèi)；開發(fā)了故障診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前故障狀態(tài)及維修建議。該系統(tǒng)可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)電控空氣懸架的阻尼。