CN107891723B - 汽车电控空气悬架的滑模控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是设计了一种汽车电控空气悬架的滑模控制方法，与传统的PID控制方法相比，本发明的滑模控制方法能够有效的克服悬架的非线性、未知外界干扰等控制难点；本发明的另一个目的是设计了一种能够实现上述滑模控制方法的悬架滑模控制装置，该装置以ATMEGA16单片机为主控芯片，由电磁阀驱动电路驱动，调节气缸的充放气进而调节空气弹簧的刚度。完成了控制装置的硬件设计和软件设计，并采用Labview平台开发了悬架控制装置的监控界面。

Description

汽车电控空气悬架的滑模控制方法及控制装置

技术领域

本发明设计了一种汽车电控空气悬架的滑模控制方法及控制装置，属于汽车电子领域。

背景技术

空气悬架是一种利用空气弹簧为弹性元件的汽车悬架系统，通过对空气弹簧的充放气来调节车身高度，增强车辆行驶的平顺性和稳定性。传统空气悬架通过机械式高度调节阀调节囊的充放气，随着电子、计算机、自动化等领域的发展，用车身高度传感器和电磁控制阀代替传统的机械式高度调节阀的电控空气悬架系统(Electronically ControlledAir Suspension简称EACS)已逐步发展起来，是未来汽车悬架系统发展的主要趋势之一。电控空气悬架控制装置能够及时有效的检测车身高度，电控单元根据检测到的车身高度和汽车当前行驶速度，输出电磁阀的控制指令，控制空气弹簧的充气量，从而改变空气悬架的刚度，避免车轿震动过大,影响驾驶的平顺性和稳定性。

发明内容

本发明的目的是设计了一种汽车电控空气悬架的滑模控制方法，与传统的PID控制方法相比，本发明的滑模控制方法能够有效的克服悬架的非线性、未知外界干扰等控制难点；本发明的另一个目的是设计了一种能够实现上述滑模控制方法的悬架滑模控制装置，该装置以ATMEGA16单片机为主控芯片，由电磁阀驱动电路驱动，调节气缸的充放气进而调节空气弹簧的刚度。完成了控制装置的硬件设计和软件设计，并采用Labview平台开发了悬架控制装置的监控界面。

本发明是通过以下技术方案实现的：

汽车电控空气悬架的滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤一、考虑半主动悬架的垂向运动特性，建立2自由度1/4车动力学模型，根据牛顿第二定律，建立非线性悬架系统运动微分方程如下：

其中，m_s、m_u分别为簧载质量和非簧载质量；k_s、k_t分别为悬架弹簧刚度系数和轮胎刚度系数；b_s为悬架的基值阻尼系数；u为可控阻尼力(控制输入)；Z_s、Z_u、Z_r分别为簧载质量位移、非簧载质量位移和随机路面不平度输入；

步骤二、定义状态变量：x₁＝z_s、

x₃＝z_u、/>

输出变量：y＝z_s-z_u＝x₁-x₃，根据式(1)可得悬架系统模型如下：

取理想悬架动挠度为y_d，跟踪误差为e＝y_d-y，忽略干扰输入

则：

滑模函数定义为：

其中，c为滑模参数且c＞0；

令

等价控制项u_eq为：

令切换控制项u_sw为：

其中η≥D；

步骤三、最终得到滑模控制装置算法如下：

利用李雅普诺夫稳定性理论可证明所设计的滑模控制算法能够保证闭合系统的稳定性。

汽车电控空气悬架的滑模控制装置，包括电源电路、高度检测电路、电磁阀驱动电路、通讯接口电路、单片机最小系统、高度传感器、电磁阀和PC机；所述高度传感器用于采集汽车的高度、速度作为输入信号，并将输入信号通过高度检测电路传递给单片机最小系统，单片机最小系统经过滑模算法处理，得出使系统控制性能最佳的控制信号，经由电磁阀驱动电路控制电磁阀通断时间，进而调节气缸对空气弹簧气囊的充气、放气，达到调节空气弹簧刚度的作用；单片机最小系统通过通讯接口电路将信号传递给PC机，实现对电控系统的监控功能；所述电源电路用于给控制装置提供电能。

其中，所述的单片机最小系统采用AVR系列的ATMEGA16。

其中，所述的高度传感器采用WABCO的4410500110型车用高度传感器。

其中，所述的电磁阀的工作电压为24V，额定功率3W；选用HRS4H-S-DC24V继电器来实现对电磁阀的控制；继电器前加一个放大电路以使继电器能够获得足够大的电压正常工作；选用一个NPN型三极管构造电磁阀的驱动电路。

其中，所述的电源电路采用芯片包括7809、7909、7805、IB2405和LM1117-3.3。

其中，所述的通讯接口电路要实现PC机与单片机的双向通讯，电平转换芯片MAX3485能够实现TTL与RS-485的双向转换。

其中，所述的PC机采用Labview平台构建监控系统，监控平台左侧为参数设置部分，监控平台右侧为监视显示部分。

汽车电控空气悬架的滑模控制装置的工作流程，包括以下步骤：

(1)打开装置的开关，系统初始化：包括ATMEGA16内部RAM区、功能寄存器以及I/O口的初始化并且开启中断；

(2)采集数据：包括速度采集模块，采用速度传感器检测汽车当前行驶的速度值；高度检测模块，完成高度传感器对电感充电时间的检测，从而获取电感值，得到车身高度值；

(3)调用控制算法子程序：选择滑模控制算法完成对输入信号的处理，并输出控制信号；

(4)PWM信号产生模块：用于产生PWM信号驱动电磁阀；

(5)当误差e<m时，程序结束；当e>m时，返回到步骤(2)。

本发明的主要特点为：1、设计了汽车电控空气悬架的滑模控制方法；2、设计了可实现上述滑模控制方法的悬架控制装置，该控制装置以单片机为主控芯片，采用C语言和Labview软件联合开发；3、控制装置具有可调整各类参数的监控界面。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的控制方法可以有效的解决空气悬架的外界干扰、非线性强等控制难点问题，能够获得良好的控制效果，包括控制精度较高，调节时间较短等；控制装置能够实现上述滑模控制算法，并通过监控界面可以设置各类控制参数，同时能够观察各种控制变量的运行结果，该控制装置使用方便，功能完善。

附图说明

图1为本发明半主动悬架1/4车模型示意图。

图2为本发明电控系统整体框图。

图3为本发明ATMEGA16单片机最小系统电路图。

图4为本发明高度检测电路图。

图5为本发明电磁阀驱动电路图。

图6为本发明电源电路图。

图7为本发明通讯接口电路图。

图8为本发明控制装置主程序框图。

图9为本发明Labview监控平台前面板示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例

如图1所示，汽车电控空气悬架的滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤一、考虑半主动悬架的垂向运动特性，建立2自由度1/4车动力学模型，根据牛顿第二定律，可建立非线性悬架系统运动微分方程如下：

其中，m_s、m_u分别为簧载质量和非簧载质量；k_s、k_t分别为悬架弹簧刚度系数和轮胎刚度系数；b_s为悬架的基值阻尼系数；u为可控阻尼力(控制输入)；Z_s、Z_u、Z_r分别为簧载质量位移、非簧载质量位移和随机路面不平度输入；

步骤二、定义状态变量：x₁＝z_s、

x₃＝z_u、/>

输出变量：y＝z_s-z_u＝x₁-x₃，根据式(1)可得悬架系统模型如下：

取理想悬架动挠度为y_d，跟踪误差为e＝y_d-y，忽略干扰输入

则：

滑模函数定义为：

其中，c为滑模参数且c＞0；

令

等价控制项u_eq为：

令切换控制项u_sw为：

其中η≥D；

步骤三、最终得到滑模控制装置算法如下：

利用李雅普诺夫稳定性理论可证明所设计的滑模控制算法能够保证闭合系统的稳定性。

如图2所示，电控空气悬架控制装置是一个采集高度、速度等作为输入信号的控制装置，由检测装置经采集电路将采样信号输入到电控单元中，经过滑模算法处理，得出使系统控制性能最佳的控制信号，经由电磁阀驱动电路控制电磁阀通断时间，进而调节气缸对空气弹簧气囊的充气、放气，达到调节空气弹簧刚度的作用。在基于Labview软件的基础上，建立电控空气悬架控制装置的监控平台，通过单片机与PC机的通讯，实现对电控系统的监控功能。

悬架控制装置的硬件设计分为控制装置的设计和外围电路的设计，其中外围电路包括高度检测电路、电磁阀驱动电路、电源电路、通讯电路等。

单片机最小系统设计：电控空气悬架控制装置的主控芯片采用AVR系列的ATMEGA16，ATMEGA16单片机最小系统如图3所示。

高度检测电路设计：高度传感器采用WABCO的4410500110型车用高度传感器，为了获得高度传感器的电感值，设计了一个电感积分检测电路，其电路如图4所示。

电磁阀驱动电路设计：在电控空气悬架控制装置中，电磁阀的工作电压为24V，额定功率3W。选用HRS4H-S-DC24V继电器来实现对电磁阀的控制。HRS4H-S-DC24V继电器的吸合电压为16.8V，要远大于ATMEGA16单片机PWM输出口的电压，单片机的I/O口无法直接驱动继电器。所以为了使单片机能够驱动电磁阀正常工作，必须在控制信号进入继电器前加一个放大电路以使继电器能够获得足够大的电压正常工作。本发明选用一个NPN型三极管构造电磁阀的驱动电路，其具体电路如图5所示。

电源电路设计：在悬架控制装置中，电磁阀和高度传感器可直接采用汽车本身电源系统供电，单片机的工作电压范围为4.5-5.5V，通讯电路需由3.3V电源供电，高度检测电路则需要用到9V、5V和3.3V三种电源。本设计采用芯片包括7809、7909、7805、IB2405和LM1117-3.3等，其中IB2405芯片的功能是将24V的直流电隔离变换为5V直流电，电源电路如图6所示。

通讯接口电路设计：通讯接口电路需要实现PC机与单片机的双向通讯，电平转换芯片MAX3485能够实现TTL与RS-485的双向转换。采用RS-485标准，建立一个相对经济、具有高噪声抑制、高传输速率的通信平台，该平台同时具有传输距离远、宽共模范围、控制方便等优点。其具体电路如图7所示。

悬架控制装置的软件设计：控制装置主程序设计，整个控制单元软件采用结构化和模块化设计方法。电控空气悬架控制装置软件系统包括：初始化模块、速度采集模块、高度检测模块、控制算法子程序、PWM信号产生模块等。控制装置主程序框图如图8所示。

系统初始化：包括ATMEGA16内部RAM区、功能寄存器以及I/O口的初始化并且开启中断。

速度采集模块：采用速度传感器检测汽车当前行驶的速度值。

高度检测模块：完成高度传感器对电感充电时间的检测，从而获取电感值，得到车身高度值。

控制算法子程序：选择滑模控制算法完成对输入信号的处理，并输出控制信号。

PWM信号产生模块：用于产生PWM信号驱动电磁阀。

监控系统软件的设计：本发明采用Labview平台构建监控系统，本监控系统设计需要监控电控空气悬架控制装置的输出跟踪情况，监控平台左侧为参数设置部分，可以设置串口、波特率、数据位、设定车身高度以及各类控制器(例如PID控制、滑模控制等)的参数等。右侧为监视显示部分，可以显示系统在运行时的电磁阀开度和开通时间、汽车的行驶速度、汽车当前的车身高度以及系统高度误差曲线，Labview监控平台前面板设计如图9所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.汽车电控空气悬架的滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、考虑半主动悬架的垂向运动特性，建立2自由度1/4车动力学模型，根据牛顿第二定律，建立非线性悬架系统运动微分方程如下：

其中，m_s、m_u分别为簧载质量和非簧载质量；k_s、k_t分别为悬架弹簧刚度系数和轮胎刚度系数；b_s为悬架的基值阻尼系数；u为可控阻尼力；Z_s、Z_u、Z_r分别为簧载质量位移、非簧载质量位移和随机路面不平度输入；

步骤二、定义状态变量：x₁＝z_s、

x₃＝z_u、/>

输出变量：y＝z_s-z_u＝x₁-x₃，根据式(1)可得悬架系统模型如下：

取理想悬架动挠度为y_d，跟踪误差为e＝y_d-y，忽略干扰输入

则：

滑模函数定义为：

其中，c为滑模参数且c＞0；

令

等价控制项u_eq为：

令切换控制项u_sw为：

其中η≥D；

步骤三、最终得到滑模控制装置算法如下：

利用李雅普诺夫稳定性理论可证明所设计的滑模控制算法能够保证闭合系统的稳定性；

所述滑模控制装置，包括电源电路、高度检测电路、电磁阀驱动电路、通讯接口电路、单片机最小系统、高度传感器、电磁阀和PC机；所述高度传感器用于采集汽车的高度作为输入信号，并将输入信号通过高度检测电路传递给单片机最小系统，单片机最小系统经过滑模算法处理，得出使系统控制性能最佳的控制信号，经由电磁阀驱动电路控制电磁阀通断时间，进而调节气缸对空气弹簧气囊的充气、放气，达到调节空气弹簧刚度的作用；单片机最小系统通过通讯接口电路将信号传递给PC机，实现对电控系统的监控功能；所述电源电路用于给控制装置提供电能；

所述的单片机最小系统采用AVR系列的ATMEGA16；

所述的高度传感器采用WABCO的4410500110型车用高度传感器；

所述的电磁阀的工作电压为24V，额定功率3W；选用HRS4H-S-DC24V继电器来实现对电磁阀的控制；继电器前加一个放大电路以使继电器能够获得电压正常工作；选用一个NPN型三极管构造电磁阀的驱动电路；

所述的电源电路采用芯片包括7809、7909、7805、IB2405和LM1117-3.3；

所述的通讯接口电路要实现PC机与单片机的双向通讯，电平转换芯片MAX3485能够实现TTL与RS-485的双向转换；

所述的PC机采用Labview平台构建监控系统，监控平台左侧为参数设置部分，监控平台右侧为监视显示部分；

所述滑模控制装置的工作流程，包括以下步骤：

(1)打开装置的开关，系统初始化：包括ATMEGA16内部RAM区、功能寄存器以及I/O口的初始化并且开启中断；

(2)采集数据：包括速度采集模块，采用速度传感器检测汽车当前行驶的速度值；高度检测模块，完成高度传感器对电感充电时间的检测，从而获取电感值，得到车身高度值；

(3)调用控制算法子程序：选择滑模控制算法完成对输入信号的处理，并输出控制信号；

(4)PWM信号产生模块：用于产生PWM信号驱动电磁阀；

(5)当误差e<m时，程序结束；当e>m时，返回到步骤(2)。

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