基于嵌入式的懸架與轉向集成控制器研究

      為了改善車輛的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，提高汽車底盤控制的集成度，本文對底盤部分的半主動懸架SASS(Semi-Active Suspension System)和電動動力轉向EPS(Electric Power Steering)系統(tǒng)進行了集成控制研究。

       設計并試制出基于嵌入式系統(tǒng)ARM S3C44B0X的SASS和EPS集成控制器，并進行了臺架試驗，結果表明研制的集成控制器效果良好，可用于汽車底盤集成控制系統(tǒng)的開發(fā)研究。

        車輛底盤控制通過電控系統(tǒng)改善底盤的動力學特性，提高車輛的主動安全性和駕駛舒適性，是當前汽車研究領域的熱點之一，是今后底盤系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前國內汽車底盤集成主要集中在對防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、驅動防滑轉系統(tǒng)（ASR）和自動巡航系統(tǒng)（ACC）的集成上[1-4]，對車輛懸架系統(tǒng)和轉向系統(tǒng)集成控制的報道尚不多見。本文對半主動懸架和電動助力轉向的集成控制器進行了設計，采用嵌入式系統(tǒng)SAMSUNG S3C44B0X，選用模糊控制算法和PID算法分別控制SASS和EPS，試制出基于嵌入式系統(tǒng)的集成控制器，臺架試驗表明該集成控制器取得了較好的效果，可以達到設計要求。

        1. 集成控制方案設計

      研究的懸架系統(tǒng)是減振器可調阻尼式半主動懸架（廣義上稱為主動懸架，ASS），轉向系統(tǒng)是電動助力式轉向。

圖1  ASS/EPS集成控制示意圖                      圖2  集成系統(tǒng)控制策略

        圖1所示為ASS/EPS集成控制示意圖，將主動懸架系統(tǒng)和電動助力轉向視為一個整體，考慮了二者部分狀態(tài)變量上的耦合，設計集成控制器，對半主動減振器步進電機和電動助力轉向的直流電機進行協(xié)調控制，改變可調減振器阻尼和提供轉向助力，達到改善轉向車身姿態(tài)變化、協(xié)調操穩(wěn)性和平穩(wěn)性間矛盾的目的。基于集成模型考慮到軟件編程的難易程度，本文采用模糊+PID控制策略，見圖2所示[5]，對EPS的的助力電壓U進行PID控制，修正助力，改善橫擺角速度的響應，提高轉向靈敏度；用模糊控制器根據(jù)反饋的狀態(tài)變量控制ASS系統(tǒng)，改善質心垂直加速度和懸架動撓度響應，提高車輛的行駛平順性。

      2. 控制系統(tǒng)硬件設計

       控制器硬件部分設計見圖3所示，主要包括輸入信號的采集調理模塊、微處理器的接口模塊、和對執(zhí)行機構的輸出控制模塊。

圖3  控制器的硬件模塊

       車輛正常行駛時，傳感器采集控制系統(tǒng)外部的車身垂直振動加速度、轉向軸轉矩、車速等狀態(tài)信號，經(jīng)調理傳送到控制器的電控單元ECU，ECU進行分析計算處理，產(chǎn)生控制信號傳輸給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構按控制要求驅動懸架減振器的步進電機和轉向系的直流電機，改變減振器的阻尼，同時提供轉向助力，實現(xiàn)ASS和 EPS的協(xié)調集成控制。

       控制器是集成系統(tǒng)的核心，微處理器MCU是控制器的核心，考慮到MCU的速度、集成的資源、輸入輸出口及其開發(fā)環(huán)境，本文選用SAMSUNG的 S3C44B0X作為控制器的微處理芯片。S3C44B0X 微處理器片內集成ARM7TDMI核[6]，采用0.25umCMOS工藝制造，在ARM7TDMI核基本功能的基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設計應用系統(tǒng)。