空氣彈簧系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李 凱，陳 磊

（1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

根據(jù)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》規(guī)定，自2020 年5 月1 日開(kāi)始生產(chǎn)的車輛，總質(zhì)量12 t 以上的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸貨車的后軸應(yīng)裝備空氣懸架。空氣懸架的應(yīng)用使得車輛具有更好的行駛平順性和道路友好性，還可以調(diào)節(jié)車身高度，提高車輛和零部件的使用壽命[1-3]。從結(jié)構(gòu)上看，以空氣彈簧（主要成分為橡膠）為核心的氣動(dòng)減振系統(tǒng)，是車輛承載和衰減振動(dòng)的關(guān)鍵部件。由于磨損、老化、泄露等原因?qū)е驴諝鈶壹芟到y(tǒng)故障[4]，必將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，為實(shí)現(xiàn)車輛的舒適和安全駕駛，對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)與診斷非常有必要。

為了研究空氣彈簧系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)是一種有效的測(cè)試方法[5]?；诖耍疚膶⒃O(shè)計(jì)用于空氣彈簧系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)主要包括4 部分，分別是支撐系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。這4 部分相互聯(lián)系。其中，氣動(dòng)控制系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)支撐系統(tǒng)，完成高度調(diào)節(jié)和減振的功能。單片機(jī)作為主控MCU 將氣動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)顯示系統(tǒng)建立通信聯(lián)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳遞[6-7]。具體設(shè)計(jì)如下文所述。

1 試驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

試驗(yàn)平臺(tái)組成如圖1 所示。空氣彈簧支撐系統(tǒng)主要由上下底板和4 個(gè)空氣彈簧組成（導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)件未畫出）。空氣彈簧系統(tǒng)高度的調(diào)節(jié)是通過(guò)氣動(dòng)回路電磁閥充氣、放氣和保壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。電磁閥的閥位狀態(tài)是由STC32 單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制調(diào)節(jié)?？諝鈴椈筛叨日{(diào)節(jié)或者保持時(shí)，壓力變送器和高度（位移）變送器將其當(dāng)前采集的信號(hào)通過(guò)采集電路傳輸?shù)絊TC32 單片機(jī)的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)PC 端，PC 端利用MATLAB 軟件接收串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，用于顯示和后續(xù)的分析與控制。試驗(yàn)平臺(tái)中各部分的供電電源和氣動(dòng)控制回路的氣源都未畫出，各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)見(jiàn)后文所述。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.2 氣動(dòng)控制回路

試驗(yàn)平臺(tái)氣動(dòng)控制回路如圖2 所示（由于4 個(gè)空氣彈簧的氣動(dòng)控制回路一致，因此圖2 只繪制2 個(gè)空氣彈簧的氣動(dòng)控制回路）。每個(gè)空氣彈簧只有1 個(gè)與氣路連通的接口，可將其等效理解為單作用氣缸。為保證每個(gè)空氣彈簧都能獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)充氣、放氣和保持3個(gè)功能。因此每個(gè)空氣彈簧都分別配置了1 個(gè)二位二通電磁閥和1 個(gè)二位三通電磁閥，2 個(gè)電磁閥配合實(shí)現(xiàn)的功能見(jiàn)表1。壓力變送器布置在空氣彈簧的出口處，高度變送器布置在空氣彈簧附近。為減小排氣時(shí)的噪聲，在二位三通電磁閥的排氣口安裝了消聲器。氣源的干燥空氣由空氣壓縮機(jī)經(jīng)過(guò)干燥器通過(guò)儲(chǔ)氣瓶再經(jīng)過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)件供給電磁閥和空氣彈簧使用。

表1 電磁閥狀態(tài)表

圖2 氣動(dòng)控制回路原理圖

1.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)圖2 試驗(yàn)平臺(tái)氣動(dòng)控制回路，可以看出，有4 個(gè)二位三通電磁閥和4 個(gè)二位二通電磁閥，2 類共計(jì)8 個(gè)電磁閥。根據(jù)表1，不論是二位二通電磁閥，還是二位三通電磁閥都只有2 種狀態(tài)，常通和常斷。因此，2 種不同電磁閥對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的要求是相同的。因此，8 個(gè)電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路僅需要設(shè)計(jì)一種即可，如圖3所示。為了避免繼電器K7 對(duì)單片機(jī)的影響，采用光耦PC817C 進(jìn)行隔離，并采用S8050 三極管提高繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)電流，采用1N5819WS 二極管作為續(xù)流二極管，保護(hù)S8050，將DQ5 接單片機(jī)I/O 引腳。

圖3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖

1.4 變送器信號(hào)采集電路

壓力變送器和高度（位移）變送器（共8 個(gè)）選用集成模塊，輸出均為標(biāo)準(zhǔn)4~20 mA 電流。單片機(jī)的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換接口只能接收電壓信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了專用的采集電路，如圖4 所示。采用精度為0.1%的10 Ω 電阻采集電流，將電流轉(zhuǎn)換為0.04~0.2 V 的電壓信號(hào)。采用KTA2333-MP8 放大器和電阻組成高精度的差分放大電路，放大倍數(shù)為10。這樣，將待測(cè)的電壓信號(hào)的范圍轉(zhuǎn)換為0.4~2 V，滿足單片機(jī)ADC 通道2.5 V 基準(zhǔn)電壓源測(cè)量范圍。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)KTA2333-MP8 構(gòu)成的射級(jí)跟隨器隔離后，再經(jīng)過(guò)RC 濾波器濾波后進(jìn)入單片機(jī)的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。8 個(gè)不同變送器進(jìn)入8 個(gè)不同ADC 通道，分別采集電壓數(shù)值。

圖4 采集電路原理圖

1.5 中控MCU 和基準(zhǔn)電壓源

中控MCU 選用STC32G12K128 單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部集成高精度的R/C 時(shí)鐘電路，因此不需要外部晶振電路，也不需要外部的復(fù)位電路。因此其最小系統(tǒng)（圖5（a）），主要是提供穩(wěn)定可靠的單片機(jī)供電電源，本設(shè)計(jì)提供5 V 電源，并添加電容濾波。為提高ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換的采集精度和滿足采集電路的電壓范圍，本系統(tǒng)采用CJ431 設(shè)計(jì)2.5 V 基準(zhǔn)電源作為ADC 的參考電壓，如圖5（b）所示。

圖5 中控MCU 和基準(zhǔn)電壓原理圖

1.6 單片機(jī)供電電源設(shè)計(jì)

監(jiān)單片機(jī)的供電電源電路如圖6 所示，采用AMS1117-5.0 將12 V 轉(zhuǎn)換5 V 為系統(tǒng)供電。在12 V和輸出5 V 端都增加穩(wěn)壓濾波電容，提供穩(wěn)定和可靠的5 V 電源。

圖6 單片機(jī)供電電源

2 試驗(yàn)平臺(tái)軟件部分設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)的軟件部分設(shè)計(jì)分為2 部分，分別是上位機(jī)應(yīng)用軟件MATLAB 的串口數(shù)據(jù)接收程序及GUI設(shè)計(jì)和下位機(jī)STC32 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中單片機(jī)程序采用Keil 軟件完成。

下位機(jī)STC32 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，模擬量采集通道采集的數(shù)值與被測(cè)量值之間的關(guān)系如式（1）所示。STC32 單片機(jī)12 位ADC 對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值為4 096，根據(jù)圖5（b）設(shè)計(jì)的參考ADC 基準(zhǔn)電壓為2.5 V，電流采集電阻阻值為10 Ω，差分放大電路的放大倍數(shù)為10（圖4），變送器輸出電流單位為mA。則變送器輸出電流的數(shù)值如式（1）所示。

式中：I為變送器輸出電流值，mA；Date_AI0 為ADC0通道中的數(shù)值，為1。變送器輸出電流與壓力和高度之間的關(guān)系參見(jiàn)變送器技術(shù)手冊(cè)。

對(duì)于下位機(jī)STC32，需要依次完成GPIO 初始化、ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換初始化和串口初始化的步驟，然后在串口接收到“1”的開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，開(kāi)始按照“0xFF，0xFF，變送器數(shù)據(jù)，0x0A”的幀格式通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7（a）所示。

圖7 程序流程圖

對(duì)于上位機(jī)使用MATLAB 軟件收集串口發(fā)送的數(shù)據(jù)。在MATLAB 軟件的APP 設(shè)計(jì)功能下，需要依次調(diào)用serialportlist（）連接串行通信端口列表函數(shù)、serialport（）連接串行端口函數(shù)，get（）獲取串行端口有效字節(jié)數(shù)函數(shù)和read（）讀取串行端口指定字節(jié)數(shù)據(jù)等函數(shù)從下位機(jī)獲取壓力和高度變送器數(shù)據(jù)，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7（b）所示。設(shè)計(jì)的GUI 如圖8 所示。

圖8 GUI 界面

3 結(jié)論

綜上，通過(guò)軟硬件的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，得出如下結(jié)論：

1）本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)空氣彈簧系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2）本文設(shè)計(jì)的控制電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的啟動(dòng)停止控制，能夠通過(guò)采集空氣彈簧的壓力和高度這2 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，且能調(diào)節(jié)系統(tǒng)高度和通過(guò)上位機(jī)顯示監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。