基于嵌入式的悬架与转向集成控制器研究

摘要：为了改善车辆的操纵稳定性和行驶平顺性，提高汽车底盘控制的集成度，本文对底盘部分的半主动悬架SASS(Semi-Active Suspension System)和电动动力转向EPS(Electric Power Steering)系统进行了集成控制研究。设计并试制出基于嵌入式系统ARM S3C44B0X的SASS和EPS集成控制器，并进行了台架试验，结果表明研制的集成控制器效果良好，可用于汽车底盘集成控制系统的开发研究。
关键词：车辆；集成控制器；嵌入式系统；半主动悬架；电动助力转向

车辆底盘控制通过电控系统改善底盘的动力学特性，提高车辆的主动安全性和驾驶舒适性，是当前汽车研究领域的热点之一，是今后底盘系统的发展方向。目前国内汽车底盘集成主要集中在对防抱死制动系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）、驱动防滑转系统（ASR）和自动巡航系统（ACC）的集成上[1-4]，对车辆悬架系统和转向系统集成控制的报道尚不多见。本文对半主动悬架和电动助力转向的集成控制器进行了设计，采用嵌入式系统SAMSUNG S3C44B0X，选用模糊控制算法和PID算法分别控制SASS和EPS，试制出基于嵌入式系统的集成控制器，台架试验表明该集成控制器取得了较好的效果，可以达到设计要求。
1. 集成控制方案设计
研究的悬架系统是减振器可调阻尼式半主动悬架（广义上称为主动悬架，ASS），转向系统是电动助力式转向。

图1  ASS/EPS集成控制示意图                      图2  集成系统控制策略

图1所示为ASS/EPS集成控制示意图，将主动悬架系统和电动助力转向视为一个整体，考虑了二者部分状态变量上的耦合，设计集成控制器，对半主动减振器步进电机和电动助力转向的直流电机进行协调控制，改变可调减振器阻尼和提供转向助力，达到改善转向车身姿态变化、协调操稳性和平稳性间矛盾的目的。基于集成模型考虑到软件编程的难易程度，本文采用模糊+PID控制策略，见图2所示[5]，对EPS的的助力电压U进行PID控制，修正助力，改善横摆角速度的响应，提高转向灵敏度；用模糊控制器根据反馈的状态变量控制ASS系统，改善质心垂直加速度和悬架动挠度响应，提高车辆的行驶平顺性。
2. 控制系统硬件设计
控制器硬件部分设计见图3所示，主要包括输入信号的采集调理模块、微处理器的接口模块、和对执行机构的输出控制模块。

图3  控制器的硬件模块

车辆正常行驶时，传感器采集控制系统外部的车身垂直振动加速度、转向轴转矩、车速等状态信号，经调理传送到控制器的电控单元ECU，ECU进行分析计算处理，产生控制信号传输给执行机构，执行机构按控制要求驱动悬架减振器的步进电机和转向系的直流电机，改变减振器的阻尼，同时提供转向助力，实现ASS和EPS的协调集成控制。
控制器是集成系统的核心，微处理器MCU是控制器的核心，考虑到MCU的速度、集成的资源、输入输出口及其开发环境，本文选用SAMSUNG的S3C44B0X作为控制器的微处理芯片。S3C44B0X 微处理器片内集成ARM7TDMI核[6]，采用0.25umCMOS工艺制造，在ARM7TDMI核基本功能的基础上集成了丰富的外围功能模块，便于低成本设计应用系统。
在输入信号进入MCU之前，需要进行模数转换、电平匹配等信号调理。转向盘信号由转矩传感器提供，转矩传感器由滑块、钢球、环和电位器组成，用来获得转向盘操作力大小和方向信号，转换为电压值传递到MCU的AIN0和AIN1脚。MCU接收到主、副两路对称信号，采样时只需采用一种电路。输入信号幅值为0～5V，S3C44B0X的A/D转换器输入电压范围为0～2.5V，故需进行滤波和分压处理，如图4所示。采样滤波为二阶低通有源电路，阻值相同的R1、R2先将输入信号分压，幅值变为原来的一半，然后与C1构成一阶低通滤波电路，R3与C2构成二级一阶低通滤波，运放起电压跟随作用。

加速度传感器根据压电效应原理，加速度导致晶体变形，产生电荷改变，经电荷放大器放大滤波后经过通过二阶低通有源滤波电路，同图4，再进入模数转换ADC端口。MCU根据车身垂直振动加速度和车轮振动加速度的差值及其变化率进行进一步计算。
车速传感器位于变速箱上，根据车速大小产生成比例的信号，从车速里程表引出，为单极性脉冲信号，电压在9.5V以上，ARM能处理的信号电压为2.5V，所以车速信号的调理主要是信号的电平匹配，设计中采用光电耦合，见图5所示。车速信号DI经光耦转变为5V的脉冲信号，经同阻值电阻R2、R3分压后输到ARM的计数器，经程序计算得到相应车速。
对执行机构的输出控制包括对EPS直流电机和减振器步进电机的控制。直流电机控制可分为励磁控制和电枢控制两种方法。这里采用开关控制方式驱动功率场效应晶体管，通过脉冲宽度调制PWM控制电枢电压实现转速控制。图6所示为直流电机控制示意图[7]，定义ARM的端口PE3、PE4、PE5、PE6输出直流电机控制信号，经过四个驱动光耦分别加到四个MOS开关管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。当要求电机正转时，Q1受PWM 信号控制，同时Q4被施加高电平导通，Q2、Q3被施加低电平截止；当要求电机反转时，Q3受PWM信号控制，Q2被导通，Q1、Q4被截止，方便实现了电机的方向控制和转速控制。

3. 软件设计
硬件功能的实现需要软件的支持，这里用的软件集成开发环境是ADS1.2（ARM Developer Suite），它是由ARM 公司提供的专门用于 ARM 相关应用开发和调试的综合性软件，用户可用它的CodeWarrior IDE来开发、编译、调试采用包括C、C++和 ARM 汇编语言编写的程序。集成控制软件流程见图8所示，程序开始初始化后进入循环，等待中断，响应后进入中断子程序返回采集信号，ARM对其进行PID控制和模糊处理，输出控制信号到执行机构，同时返回输出信号进行反馈对比。程序中两个关键是PID算法和模糊算法的实现。
为便于在计算机中实现PID控制，当采样信号足够小时，用求和代替积分，用向后差分代替微分，将PID控制方程： 
                                            （1）
离散化为差分方程得到数字PID控制方程： 
                                   （2）

式中，Kp，Ki，Kd分别是比例系数、积分系数和微分系数，由仿真整定出这三个参数。

图8  软件流程示意图

在模糊控制子程序中，首先定义模糊控制规则表，再对车身和车轮加速度差值及其变化率进行模糊化，限定论域的饱和值后进行模糊推理，最后反模糊化得到步进电机的方向和脉冲数，进而控制电机的转向和步距角。这里为了易于编程实现，模糊化采用的是三角隶属函数，模糊规则使用最常用的if-then规则，反模糊化采用重心法。

4. 实验与结果分析
完成了软硬件的设计，启动ARM开发板的片内引导装载程序bootloader，配合超级终端，用USB下载编译调试好的集成控制器程序二进制文件，覆盖烧录到ARM的flash，进行控制器的台架实验，见图9所示。测试了某转向状态下集成控制器的助力特性和平顺性，表1所示。

图9  集成控制器及其台架实验
表1  车身垂直振动加速度的控制结果对比

台架试验表明，表征平顺性的车身垂直振动加速度，其峰值和标准差都比未集成的悬架单独控制的结果要小；试验中电机电流响应迅速，助力明显，基本满足设计要求，转向轻便性得到验证；表征操稳性的横摆角速度在台架试验上无法检测。目前，集成控制器的精确性、可靠性检测正在实车试验进行中。
参考文献（References）
[1]  崔海峰,刘昭度,吴利军,等.基于ABS/ASR集成控制系统的汽车坡道起步辅助装置[J].农机化研究,2006,8:193－195. 
[2]  张景波,刘昭度,齐志权,等.基于信息融合技术的ABS/ASR/ACC系统仿真[J].计算机仿真,2004,21(6):155-158.
[3]  齐志权,刘昭度,时开斌,等.基于汽车ABS/ASR/ACC集成化系统的ABS参考车速确定方法的研究[J].汽车工程,2003,25(6):617-620. 
[4]  MA Yue-feng,LIU Zhao-du,QI Zhi-quan,et al.Adaptive Noise Cancellation Method Used for Wheel Speed Signal of Integrate ABS/ASR System[J]. Journal of Beijing Institute of Technology,2006,15(2):144-147.
[5]  赵君卿.汽车主动悬架与电动助力转向结构/控制集成优化研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.
[6]  潘继军.基于ARM的嵌入式系统实验分析[J].微计算机信息,2006,2-2:129-132.
[7]  陈奎元,马小平,季学武.电动助力转向系统控制技术的研究[J].江苏大学学报:自然科学版,2004,25(1):21-24.