基于STM32的空氣懸架控制半實物仿真與驗證

王 濤，馬桂芳

(昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650200)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對乘用車提出了更高要求，懸架系統(tǒng)作為汽車底盤的重要系統(tǒng)，是路面與車身的連接緩沖，對懸架系統(tǒng)做必要的研究能有效提升乘用車的穩(wěn)定性、舒適性和安全性。鞠銳等[1]對單筒充氣型轎車磁流變液減震器進(jìn)行研究，可有效調(diào)節(jié)減震器的阻尼力以提升乘坐的舒適性。趙雷雷等[2]對半主動懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比控制策略進(jìn)行研究，優(yōu)化了半主動懸架的控制策略。主動式空氣懸架的剛度、阻尼及高度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，又因其功耗低、易于實現(xiàn)、操作安全和對道路破壞小等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)交通部實施的JT/T325—2002《營運(yùn)客車類型劃分及等級評定》中的要求，空氣懸架已成為高級客車的必選配置。

本文研究空氣懸架的高度(AHC)控制，空氣懸架控制器一般采用原型化方法進(jìn)行開發(fā)，依據(jù)性能要求進(jìn)行硬件設(shè)計和代碼編寫，但手工編寫代碼開發(fā)周期長，可靠性不足，已很難適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品研發(fā)。針對空氣懸架高度控制系統(tǒng)采用“V字形”開發(fā)流程如圖1所示，完成功能需求分析后，依據(jù)I/O接口配置要求，進(jìn)行控制器選型；采用simulink/stateflow搭建空氣懸架控制策略，自動生成代碼，通過STM32單片機(jī)實現(xiàn)對空氣懸架氣囊充氣和放氣的控制，有效控制地面與車身之間的高度。搭建1/4汽車懸架試驗臺，通過dSPACE實時仿真系統(tǒng)，結(jié)合CarSim仿真的整車狀態(tài)，實現(xiàn)空氣懸架高度控制的半實物仿真與驗證，開發(fā)周期短，開發(fā)過程簡便快捷，可靠性強(qiáng)。

圖1 空氣懸架高度控制“V字形”開發(fā)流程

1 空氣懸架系統(tǒng)控制需求分析

汽車在行駛過程中的路面激勵是非線性的，在高速行駛時，期望汽車能夠有較低的質(zhì)心，以保證車輛的操控穩(wěn)定性，減小風(fēng)阻；在低速行駛時，期望汽車底盤較高，可以讓坐姿稍高，以保證較好的舒適性，有良好的視野；在非鋪裝路面行駛時，期望汽車底盤能夠更高，以保證良好的通過性，防止底盤被刮擦。

按以上使用角度分析，空氣懸架需要以下功能。手動控制功能：能夠用選擇開關(guān)自主控制懸架高度，即越野模式(高位)、普通模式(中位)、高速模式(低位)。自動控制功能：1)隨速功能，在汽車的行車過程中，車身高度能隨車速自動控制；2)微調(diào)功能，在停車狀態(tài)若簧上質(zhì)量發(fā)生變化，能恢復(fù)原有車身高度；3)維修模式，在舉升機(jī)舉升車輛時，空氣壓縮機(jī)不工作。

2 AHC控制策略模型和硬件在環(huán)實驗平臺搭建

為了克服手工編寫代碼開發(fā)周期長，可靠性不足的缺點，采用模型設(shè)計(Model based Design，簡稱MBD)來替代傳統(tǒng)手工代碼開發(fā)模式，利用simulink/stateflow有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)、轉(zhuǎn)移、節(jié)點等組件來搭建AHC控制策略模型，如圖2所示。該模型主要由手動控制模式和自動控制模式組成，自動控制模式又由車高隨速控制、維修模式、車高微調(diào)控制等構(gòu)成。

圖2 Stateflow搭建的控制策略模型

2.1 AHC手動控制模式

從空氣懸架功能需求分析可知AHC控制策略應(yīng)具有手動控制功能，讓駕駛員在汽車停車或低速狀態(tài)可以手動控制懸架高度，且手動控制模式優(yōu)先級大于自動控制模式。

2.2 AHC自動控制模式

AHC自動控制模式是根據(jù)汽車實際情況適時調(diào)整懸架高度。1)隨速模式。汽車初始狀態(tài)為普通模式，當(dāng)車速vspd≥90 km·h-1且時間超過5 s，進(jìn)入高速模式，降低懸架高度；當(dāng)車速vspd<90 km·h-1且時間超過5 s，則進(jìn)入普通模式，恢復(fù)懸架原有高度；當(dāng)車速vspd<30 km·h-1且位移傳感器θ角變化幅度大的次數(shù)大于5次，則進(jìn)入越野模式，升高懸架高度。2)微調(diào)模式。在停車狀態(tài)，懸架承載的簧上質(zhì)量有變化時會導(dǎo)致懸架高度的變化，當(dāng)位移傳感器θ角變大或變小時，啟動微調(diào)模式對空氣懸架氣囊執(zhí)行充氣或放氣操作，恢復(fù)懸架原有高度。3)維修模式。在停車狀態(tài)，位移傳感器θ角持續(xù)變小一直變到最小值時，啟動維修模式，切斷空氣壓縮機(jī)電源，防止空氣壓縮機(jī)異常工作而引起蓄電池電量不足。

硬件實驗臺架1/4空氣懸架由12 V電源、空氣壓縮機(jī)、分配閥、氣管、儲氣罐、空氣懸架、STM32單片機(jī)構(gòu)成，如圖3所示。分配閥以氣管和空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、氣囊相連接，采用STM32單片機(jī)控制空氣壓縮機(jī)繼電器及各進(jìn)氣閥和泄氣閥，以達(dá)到AHC控制策略的硬件需求。

圖3 1/4空氣懸架試驗平臺

3 半實物仿真與驗證

半實物仿真，即對系統(tǒng)的一部分建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行計算機(jī)實時運(yùn)算，實現(xiàn)數(shù)學(xué)仿真；將系統(tǒng)中另外某些部分或環(huán)節(jié)，如部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實物的形式引入仿真回路，連接成系統(tǒng)進(jìn)行試驗、調(diào)試的過程[4-5]。搭建1/4汽車懸架試驗臺后，載入單片機(jī)程序，通過dSPACE實時仿真系統(tǒng)，結(jié)合CarSim仿真的整車狀態(tài)，實現(xiàn)了空氣懸架控制系統(tǒng)的半實物仿真。1/4汽車懸架與整車仿真配合，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的空氣懸架控制邏輯，實現(xiàn)AHC手動控制模式，控制懸架分別在高位、中位和低位，懸架可控總行程200 mm；能夠?qū)崿F(xiàn)模擬車速下的AHC自動控制，車速Vspd<90 km·h-1時懸架自動控制在中位，Vspd≥90 km·h-1時懸架自動控制在低位。

4 結(jié)語

采用模型設(shè)計(MBD)來替代傳統(tǒng)手工代碼開發(fā)模式，利用simulink/stateflow有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)、轉(zhuǎn)移、節(jié)點等組件來搭建AHC控制策略模型，并運(yùn)用STM32單片機(jī)控制 1/4汽車懸架試驗平臺，結(jié)合CarSim仿真的整車狀態(tài)，最終實現(xiàn)對空氣懸架試驗平臺的高度控制是可行的。