单片机在汽车电控空气悬架系统中的应用

引言

　　空气悬架主要有被动悬架和可控电子悬架两种。被动悬架一定程度上抑制和降低了车体和车轮的动载和振动，保证了车辆行驶安全性和乘坐舒适型。但由于被动悬架的刚度和阻尼系数一般按经验选取，只在特定环境下是最优，而一旦载荷，路况，速度等因素发生变化，被动悬架不能随之而自动调节，更不能手动调节。为了克服这一缺陷，电子空气悬架系统（ECAS）由此产生。ECAS是目前最先进的汽车悬架系统，它可以随着路况，载荷，速度等变化因子自动调节悬架刚度，车身高度，减少了空气消耗，且具有反应迅速，安装容易，操作简单等优点，因此可控电子悬架已经成为汽车电子领域研究的一个热门课题，其有着广阔的发展前景。

　　1 ECAS的组成及原理

　　电控空气悬架系统由电子控制单元（ECU），高度传感器、空气弹簧、速度传感器、减震器，车高升降控制键盘等组成。ECU通过高度传感器实时检测车身高度，间接获得车身垂直加速度，同时通过速度传感器检测车辆行驶速度。ECU内保存若干指标高度和三级可调阻尼值，指标高度与弹簧的舒适性、驾驶安全性和与应用规范保持一致。车速在不同的行驶条件下由ECU自动执行相应的指标高度，也可由驾驶员手动控制高度和阻尼值。通过比较高度传感器检测结果和指标高度，若高度差超过了一定的公差范围，电磁阀就会被激发，通过充放气将实际高度调整到指标高度。减震器阻尼力共三档，根据车身上升速度、加速度控制减震器，执行相应的阻尼力，从而满足汽车行驶平顺性和乘坐舒适型的要求。电控空气悬架组成结构如图1。

　　2 ECAS系统各功能模块的设计

　　ECAS主要由6大功能模块组成，分别是中央处理单元，信号输入模块（即传感器信号），信号输出模块（即控制量的输出），操作界面模块，电源模块，其他模块（外接存储器，RS485通信，系统的升级扩展端口）。

　　2.1 MC9S08GB60

　　单片机是ECU的核心部件，它要经常处理大量的输入和输出信号，而且要实现高精度和实时控制。本设计采用了美国飞思卡尔公司的加强型8位车用微控制器——MC9S08GB60单片机。该单片机内有64Kflash和4K的E2PROM，高度集成了四个串行通信端口（SCI1,SCI2,SPI,I2C），最多达8个定时器（PWM），8通道的10位A/D转换模块。

　　2.2 信号传感输入模块

　　该模块主要由3个高度传感器和1个速度传感器构成。车身高度传感器等效电感串联电阻。等效电感0°转角时对应约20mH，-45°转角时对应约8mH，+45°转角时对应约35mH。等效电阻120Ω。为此设计了LC三点式振荡电路来检测车身高度传感器传来的信号，即设计一个正弦波发生器，由TL082元件及外围电路构成，正弦波的频率随高度传感器等效电感的变化而不断变化，而后经比较器出来一个频率随电感不断变化的方波，经三极管放大和光耦隔离后输入到MCU的输入捕捉端口。MCU通过检测这一不断变化的频率来实现对高度传感器传来信号的检测。电路如图2所示，对速度传感器信号的检测也是通过检测其频率实现的，原理同高度传感输入电路类似。

　　2.3 信号控制输出模块

　　ECU采用PWM方式输出控制电磁阀的开启，根据当前实际高度与预期调节高度的偏差来输出控制信号。ECU计算电磁阀的调节脉冲长度，如果需要调节的高度量大、由于没有过冲危险，ECU将给出一个长的脉冲，同时，快的上升速度将减小脉冲长度，这样就能精确控制车辆的高度调节速度，极大的避免了高度的过冲及振荡调节。对于电磁阀的驱动，本设计选用了安森美半导体公司生产的NUD3124继电器驱动芯片。NUD3124（汽车版本）器件的高反向雪崩能量容量（350mJ）可以控制大多数用于汽车应用的继电器。控制信号经过光耦隔离后输出给NUD3124驱动芯片，由NUD3124驱动电磁阀工作，并在NUD3124的输出端加了一个二极管保护电路。

　　2.4 电源模块，操作界面模块及其他扩展功能模块

　　ECAS系统主要有两种电压源，一是24V电压源，二是3V电压源。其中3V电压源分数字电压源和模拟电压源。24V电源是由车辆自身电源引出，然后经π型滤波，再经稳压管稳压，在经过一个滤波电路最终得到一个稳定的24V电压源。3V电压源与此类似，只是须要在数字电源和模拟电源之间加上一个隔离电阻，以防串扰。

　　操作界面主要是键盘输入和发光二极管显示。当司机要手动控制阻尼和车高的时候，便可通过键盘输入其操作，然后相应的发光二极管亮，显示其输入。键盘输入经过了滤波，光耦隔离和IC106滤波及保护，最终送入ECU，然后ECU输出控制驱动相应发光二极管点亮。其他模块主要包括便于日后升级的接口，以及RS485通信，大容量存储器等。大容量存储器采用了ATMAL公司的AT24C1024，其通过PTC2/SDA和PTC3/SCL与单片机相连；RS485用典型接法即可，芯片采用max3485；其他未用引脚均通过插槽引出，以便于日后升级之用。

　　3 汽车ECAS的软件设计方案

　　空气悬架电子控制单元（ECAS）应用软件由系统初始化模块、判断手动自动调高模块、信号采集模块，键盘响应模块，输出控制模块等构成。主程序为一循环体，它担负调节车身高度和阻尼的任务，车身高度信号经传感器转换为具有一定占空比的方波信号，然后经过与微处理器中预设的标定高度进行比较，输出控制信号，当快达到标定高度时，减小输出信号的占空比，以防止过充。具体主程序框图如图3所示。

　　4 试验及结果分析

　　本设计做了两自由度1/4车辆空气悬架试验，通过在一定频率特性下，对比分析电控空气悬架和被动空气悬架在相同的路面激励下，得到不同的悬架动行程，车辆动载荷及垂直加速度，来验证本设计的可行性，验证本设计是否达到了提高车辆行驶平顺性和乘坐舒适型的目的。为下一步将科研成果转换成汽车电子产品提供技术储备和试验手段。