基于CAN總線的商用車(chē)電控空氣懸架控制與試驗(yàn)研究

包丕利

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，天津300222)

0 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展、全球交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，商用載貨汽車(chē)在物流運(yùn)輸上發(fā)揮重要作用，其營(yíng)運(yùn)工況越來(lái)越被人們所重視［1］。電控空氣彈簧懸架在汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、行駛平順性及行駛安全性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，而且還能吸收對(duì)汽車(chē)和道路的沖擊載荷，延長(zhǎng)其使用壽命。因此，伴隨著運(yùn)輸業(yè)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車(chē)控制系統(tǒng)的智能化程度越來(lái)越高，電子控制空氣懸架 (ECAS)在我國(guó)必將得到廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)前景十分廣闊［2－4］。CAN總線技術(shù)在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯，在汽車(chē)的電子控制中有很大的發(fā)展前途［5］。

1 系統(tǒng)CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定

綜合考慮成本、性能、對(duì)原車(chē)結(jié)構(gòu)的繼承性及國(guó)內(nèi)的使用條件，最終確定了在原前后均為鋼板彈簧懸架的商用卡車(chē)上設(shè)計(jì)匹配前少片簧、后鋼板彈簧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)兩氣囊空氣懸架的結(jié)構(gòu)型式［6］。在車(chē)輛前橋中部 (少片簧懸架)裝一個(gè)高度傳感器，后橋左右各裝一個(gè)高度傳感器，經(jīng)中央電磁閥分別與后橋左右氣囊組成分系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行充放氣調(diào)節(jié)，控制車(chē)輛工作狀態(tài)及車(chē)輛的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛的安全性。系統(tǒng)氣路及電路連接如圖1所示。

CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)車(chē)輛行駛工況發(fā)生變化時(shí)，將傳感器測(cè)試得到的信息變化，做成報(bào)文通過(guò)CAN總線發(fā)送到電控空氣懸架ECU，ECU通過(guò)判斷、推理、分析，調(diào)用相應(yīng)的控制模塊，對(duì)空氣彈簧進(jìn)行充放氣調(diào)節(jié)。在此系統(tǒng)中，用開(kāi)關(guān)算法及PID算法控制空氣懸架系統(tǒng)電磁閥的關(guān)閉。

2 空氣懸架系統(tǒng)控制策略的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于空氣彈簧懸架控制而言，高度調(diào)節(jié)與車(chē)輛行駛安全性能相關(guān)，而剛度調(diào)節(jié)則與車(chē)輛行駛平順性能相關(guān)［7］?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行前提下提高行駛平順性［8］。

首先設(shè)置三個(gè)指標(biāo)高度，每個(gè)指標(biāo)高度可通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)或者由車(chē)輛根據(jù)車(chē)速自行進(jìn)行調(diào)節(jié)控制:正常車(chē)速最佳行駛高度H1、經(jīng)濟(jì)工況行駛高度H2、車(chē)輛裝卸貨物的駐車(chē)高度H0、駕駛員可設(shè)定某一特定高度。

在控制過(guò)程中，儲(chǔ)氣筒充氣壓力一定，系統(tǒng)控制目標(biāo)為空氣彈簧高度或空氣彈簧剛度。系統(tǒng)根據(jù)調(diào)節(jié)目標(biāo)值和實(shí)際值之間差值與變化速度計(jì)算充放氣脈沖長(zhǎng)度。差值愈大，充放氣脈沖愈長(zhǎng);變形速度愈快，充放氣脈沖愈短。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

由上述控制功能要求，對(duì)商用車(chē)從出車(chē)、裝載貨物、起動(dòng)、運(yùn)行、停止、卸載及回庫(kù)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行功能分析及整理，根據(jù)空氣懸架系統(tǒng)的功能要求，按車(chē)輛車(chē)速進(jìn)行初步判斷，對(duì)車(chē)輛整體控制策略進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。初步把電控空氣懸架控制策略分為三個(gè)模塊。

啟動(dòng)控制模塊:當(dāng)車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)ECU根據(jù)檢測(cè)到的信息自動(dòng)將車(chē)身高度調(diào)節(jié)到H1。

停車(chē)裝載模塊:保證貨物裝卸方便，并保持高度穩(wěn)定。當(dāng)停車(chē)裝卸貨物時(shí)，需要保持車(chē)輛按駕駛員預(yù)先設(shè)定好的高度不變。當(dāng)車(chē)輛載荷變化引起空氣彈簧的高度發(fā)生變化達(dá)到一定程度時(shí)，ECU根據(jù)高度傳感器采集到車(chē)輛高度變化信息，對(duì)氣囊進(jìn)行充放氣調(diào)節(jié)，使整車(chē)能保持一個(gè)穩(wěn)定的高度不變。當(dāng)車(chē)輛超載時(shí)，即空氣彈簧內(nèi)的空氣壓力超過(guò)了限制，系統(tǒng)認(rèn)為超出了空氣彈簧的承載能力，空氣彈簧不再有充放氣調(diào)節(jié)，并發(fā)出警告，然后依靠輔助的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)支撐車(chē)輛的載荷，限制車(chē)輛超載。

穩(wěn)態(tài)行駛模塊:保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作，提高行駛平順性。穩(wěn)態(tài)行駛模塊分為四種控制狀態(tài):車(chē)輛高度的整體調(diào)節(jié)、車(chē)輛高度的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)、車(chē)輛轉(zhuǎn)向姿態(tài)控制、車(chē)輛縱傾姿態(tài)控制。當(dāng)車(chē)輛高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，由于離心力作用會(huì)出現(xiàn)內(nèi)升外降的車(chē)身高度偏差。為實(shí)現(xiàn)車(chē)身姿態(tài)控制、保持車(chē)身穩(wěn)定，要求側(cè)傾滿足車(chē)身左右偏差要求。當(dāng)車(chē)身左右偏差超出偏差范圍，對(duì)后橋兩側(cè)空氣彈簧分別同時(shí)進(jìn)行充放氣操作，使車(chē)身兩側(cè)高度同時(shí)往原指標(biāo)高度調(diào)整，直至車(chē)身兩側(cè)偏差達(dá)到偏差允許值的1/2為止。當(dāng)車(chē)輛加速、制動(dòng)或上、下長(zhǎng)坡時(shí)，車(chē)身會(huì)出現(xiàn)前升后降或相反的縱傾變形。為實(shí)現(xiàn)車(chē)身姿態(tài)控制保持車(chē)身穩(wěn)定，要求車(chē)身縱傾滿足前后偏差要求。由于設(shè)計(jì)車(chē)型為前少片簧后空氣懸架形式，當(dāng)車(chē)身前后偏差在一定時(shí)間內(nèi)超出偏差范圍，應(yīng)該以前橋車(chē)身高度為目標(biāo)值對(duì)后橋兩側(cè)空氣彈簧進(jìn)行同步充放氣操作，使車(chē)身后橋往前橋車(chē)身高度調(diào)整，直至車(chē)身前后偏差達(dá)到偏差允許值的1/2為止，此時(shí)不考慮車(chē)身指標(biāo)高度偏差的限制。

3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及報(bào)文設(shè)計(jì)

在CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)中懸架ECU為主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)的報(bào)文只有主節(jié)點(diǎn)接收 (點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式)，主節(jié)點(diǎn)的報(bào)文所有子節(jié)點(diǎn)均接收 (廣播模式)。在商用載貨汽車(chē)CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)中，設(shè)置主節(jié)點(diǎn)、空氣懸架高度傳感器節(jié)點(diǎn)、空氣彈簧壓力測(cè)試節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制節(jié)點(diǎn)、車(chē)速采集節(jié)點(diǎn)、ABS節(jié)點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)與整車(chē)通訊。CAN總線物理總線采用雙絞線。CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)組成及其整車(chē)布置如圖4所示。

在控制器中設(shè)置一個(gè)雙CAN模塊，作為CAN總線控制系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)?；趯?duì)網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等車(chē)輛整體的控制性能以及成本的考慮，并根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件間的兼容性及性能，該系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)選擇Philips公司推出的獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000作為節(jié)點(diǎn)控制器，采用Philips公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)芯片SJA1040作為CAN收發(fā)器，采用AT89C52單片機(jī)作為CAN節(jié)點(diǎn)微控制器。

CAN2.0B協(xié)議只是對(duì)CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了定義，而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，必須根據(jù)用戶的實(shí)際需要制定出相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議。以CAN2.0B為基礎(chǔ)的SAE J1939協(xié)議定義了適用于客車(chē)和貨車(chē)的應(yīng)用層協(xié)議，通過(guò)研究SAE J1939協(xié)議，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出適用于商用載貨汽車(chē)電控空氣懸架的應(yīng)用層協(xié)議。

通過(guò)確定各節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)、通訊方式和源地址之后，可以制定CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)信息幀編碼。CAN總線空氣懸架控制系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先權(quán) (P)、保留位 (R)、頁(yè)數(shù) (DP)、PDU格式 (PF)、PDU特指 (PS)、源地址 (SA)，如表1所示。

表1 CAN總線控制系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)報(bào)文編碼

在ECU的硬件設(shè)計(jì)中，選用高性能CPU和外圍元器件，在接口上盡量保證和國(guó)外的產(chǎn)品保持兼容，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，部分電路采用了冗余設(shè)計(jì)，EDA設(shè)計(jì)軟件Protel 99sE是一種比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件，為電路原理圖和PCB板設(shè)計(jì)提供一體化支持。經(jīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，研制出空氣懸架電控單元 (ECU)并委托某電路板廠制造，空氣懸架電控單元實(shí)物如圖5所示。

4 CAN試驗(yàn)臺(tái)架的搭建

根據(jù)所研究載貨汽車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在汽車(chē)前橋的中間位置安裝一個(gè)高度傳感器，后橋左右兩側(cè)各裝一個(gè)高度傳感器，后橋左右兩側(cè)的氣囊由中央電磁閥控制。電控空氣懸架試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明:所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種工況下各控制模式的控制，完成控制策略所設(shè)定的目標(biāo)，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，效果良好。

【1】姜立標(biāo)，王登峰.貨車(chē)空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(1):66－69.

【2】喻凡，黃宏成，管西強(qiáng).汽車(chē)空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.汽車(chē)技術(shù)，2001(8):6－10.

【3】劉艷麗.奧迪A8轎車(chē)自適應(yīng)空氣懸架系統(tǒng)［J］.汽車(chē)維修，2005(11):8－10.

【4】ZHANG Jianwen，YANG Xinglong，LIN Yi，et a1.Performancesimulation Research on Bus with Airsuspension［J］.Journal ofsystemsimulation，2006，18(5):1239 －1242.

【5】韓智陽(yáng).基于CAN總線的汽車(chē)電控空氣懸架仿真分析與控制［D］.吉林:吉林大學(xué)，2007.

【6】郎錫澤.空氣懸架商用載貨汽車(chē)設(shè)計(jì)匹配與仿真分析［D］.吉林:吉林大學(xué)，2006.

【7】程悅.電控空氣懸架系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)［D］.吉林:吉林大學(xué)，2005.

【8】姜立標(biāo)，王登峰，謝東.電控空氣懸架載荷平衡系統(tǒng)仿真［J］.汽車(chē)工程，2007，39(3):234 －237.