CN110850743A - 汽车电控空气悬架硬件在环实验平台 - Google Patents

Abstract

汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，属于汽车电控实验设备技术领域，所述平台包括油源、悬架硬件试验台架、远程控制系统，所述主台架包括悬架、左后悬架空气弹簧、左后悬架减震器、悬架动载荷、作动器，所述悬架顶部设有两个悬架动载荷，所述悬架动载荷与作动器相连，所述辅助台架包括右前空气悬架、左前空气悬架、右后空气悬架、电磁阀总成、空气泵、储气罐；所述远程控制系统包括油源控制台、作动器加载控制系统、实时测试采集系统、dSPACE实时仿真系统。本发明通过在硬件在环仿真系统中模拟实际运行中的试验环境，完成空气悬架滑模控制方法的各类试验。

Description

汽车电控空气悬架硬件在环实验平台

技术领域

本发明属于汽车电控实验设备技术领域，具体涉及一种汽车电控空气悬架硬件在环实验平台。

背景技术

汽车悬架是车身与车轮之间所有传力连接架构的统称。在汽车行驶过程中，一方面，汽车悬架将由路面不平引起的车轮振动及其作用力传递给车身，从而使车轮与地面之间保持良好的接触，保障汽车行驶的操纵稳定性；另一方面，在作用力的传递过程中衰减由车轮振动所带来的车身冲击振动，维持车身的行驶姿态，从而改善汽车行驶过程中的行驶平顺性，提高汽车行驶过程中的操纵稳定性和乘坐舒适性。

汽车悬架的基本结构为传统的二基元结构，由弹簧（弹性元件）和减振器（阻尼元件）构成。在车辆行驶的过程中，弹性元件将由不平路面引起的轮胎冲击能转变为车体振动能，与此同时弹性元件将以不可控制的速率弹开并释放它所吸收的能量，并按其自身频率继续往复运动，这种往复运动会大大降低汽车的操纵稳定性以及乘坐舒适性，因此需要阻尼元件提供适当的阻尼力抑制空气弹簧产生的自由震荡，将动能转化为热能释放出去，从而达到衰减路面不平导致车身冲击振动的作用。汽车空气悬架是近年来兴起的由空气弹簧代替传统螺旋弹簧的一种汽车悬架，相对于传统的汽车悬架，以空气弹簧作为弹性元件的汽车悬架刚度可以通过调节对空气弹簧充放气时间实现调节，且空气弹簧具低频、等频、等高的刚度特性，载荷与形变量之间的函数图像呈反“s”型，相对于传统的金属弹簧，空气弹簧的非线性特性更为理想，对汽车平顺性具有更加明显的优势。

而传统实验平台无法在硬件在环仿真系统中模拟实际运行中的试验环境，

无法实现控制方法的实时仿真。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，通过采用dSPACE实时仿真系统，设计并开发空气悬架的硬件回路仿真试验平台，该试验平台由油源及作动器系统、悬架硬件试验台架、远程控制柜及操作台四部分组成，基于上述dSPACE实时仿真平台，完成空气悬架滑模控制方法的各类试验。

本发明采用如下技术方案：

汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，所述平台包括油源、悬架硬件试验台架、远程控制系统，所述悬架硬件试验台架包括主台架及辅助台架，所述主台架设有四分之一车辆电控空气悬架，所述主台架包括悬架、左后悬架空气弹簧、左后悬架减震器、悬架动载荷、作动器，所述悬架顶部设有两个悬架动载荷，其中一悬架动载荷与左后悬架减振器相连，另一悬架动载荷与左后悬架空气弹簧相连，所述悬架动载荷与作动器相连，所述辅助台架设有四分之三车辆电控空气悬架，所述辅助台架包括右前空气悬架、左前空气悬架、右后空气悬架、电磁阀总成、空气泵、储气罐，所述右前空气悬架、左前空气悬架、右后空气悬架分别与电磁阀总成相连，所述储气罐与电磁阀总成及空气泵相连，所述空气泵与电磁阀总成相连；所述远程控制系统包括油源控制台、作动器加载控制系统、实时测试采集系统、dSPACE实时仿真系统，所述油源控制台与油源相连，所述作动器加载控制系统与作动器相连，所述实时测试采集系统与实验平台的硬件及传感器相连，所述dSPACE实时仿真系统与电控空气悬架试验台相连。

进一步地，所述辅助台架为矩形格状布置，其一侧两边分别设有右前空气悬架、左前空气悬架，另一边设有右后空气悬架，中部设有储气罐及电磁阀总成，一侧边中部设有空气泵。

进一步地，所述右前空气悬架、左前空气悬架、均为空气弹簧和减振器一体式结构，减振器从空气弹簧内部穿过，右后空气悬架为分体式结构，减振器与空气弹簧相互独立。

进一步地，所述空气泵与储气罐相连的管路上设有T 型阀，所述空气泵内部装有转阀。

进一步地，所述实时测试采集系统包括5V10A开关电源、12V29A开关电源、24V10A开关电源、电磁阀与减振器驱动板、空气泵转阀驱动板、空气泵电源继电器驱动板、电流传感器、电压信号变送器，5V10A开关电源与空气泵转阀驱动板电性相连，空气泵转阀驱动板与空气泵转阀电性相连，12V29A开关电源与空气泵电源继电器驱动板电性相连，空气泵电源继电器驱动板与气路电磁阀总成与减振器内部阻尼调节阀相连，24V10A开关电源与传感器及电压信号变送器电性相连电流传感器与减振器内部阻尼调节阀相连，电压信号变送器与dSPACE系统及作动器相连。

进一步地，所述传感器包括电流传感器、压力传感器及作动器上的载荷传感器。

进一步地，所述空气悬架系统的油源包括蓄能器、油泵、油箱、冷却器、换热器，所述蓄能器、油泵、油箱、换热器与作动器相连，所述冷却器与换热器相连。

本发明的优点与效果为：

本发明通过采用dSPACE实时仿真系统，设计并开发空气悬架的硬件回路仿真试验平台，该试验平台由油源及作动器系统、悬架硬件试验台架、远程控制柜及操作台四部分组成，可实时运行CarSim车辆模型与悬架控制算法。基于上述dSPACE实时仿真平台，完成空气悬架滑模控制方法的各类试验。

附图说明

图1为油源及作动器系统；

图2为试验台主体台架；

图3为试验台辅助台架；

图4为空气泵；

图5为电磁阀总成；

图6为远程控制柜；

图7为油源控制台；

图8为实时测试采集系统；

图9为DS2202 I/O接口板；

图10为DS2202接口板DAC通道接线图；

图11为DS2202接口板PWM通道接线图；

图12为DS2202接口板DIG OUT通道接线图；

图13为DS2202接口板ADC通道接线图；

图14 为空气弹簧压力调节界面；

图15 为电控空气悬架试验界面。

图中部件：1为左后悬架空气弹簧、2为左后悬架减震器、3为悬架动载荷、4为作动器、5为右前空气悬架、6为左前空气悬架、7为右后空气悬架、8为电磁阀总成、9为空气泵、10为储气罐、11为大气进口、12为外接储气罐ST口、13为外接电磁阀SV口、14为12V电源、15为接地、16为第一气路、17为+5V电源、18为第二气路、19为出气口FR、20为出气口RR、21为供气口SP、22为出气口FL、23为出气口RL、24为公共通道口P、25为油源控制台、26为作动器加载控制系统、27为实时测试采集系统、28为dSPACE实时仿真系统、29为ECU连接口、30为负载接口、31为电源接口、32为DS2211接口、33为电源接口、34为SC模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步解释。

本发明以dSPACE实时仿真系统作为试验控制平台，实时运行CarSim车辆模型与悬架控制算法。以CarSim车辆模型中四分之一悬架的动行程控制作动器动作，从而激励四分之一悬架，将悬架顶部支承力反馈至CarSim车辆模型中对应悬架位置的车身处，以此将CarSim模型中的四分之一悬架替换为硬件，达到将实物嵌入于模型的目的。除此之外，控制算法可以对嵌入模型中的空气悬架硬件进行控制，从而提高算法验证的可靠性与实时性。

实验平台的硬件系统：空气悬架硬件在环平台主要由油源及作动器系统、悬架硬件试验台架、远程控制柜及操作台四部分组成。

1、油源及作动器系统

空气悬架系统的油源以及作动器系统主要包括作动器、蓄能器、油泵、油箱、冷却器、换热器等相关部件。所述空气悬架系统的油源包括蓄能器、油泵、油箱、冷却器、换热器，所述蓄能器、油泵、油箱、换热器与作动器相连，所述冷却器与换热器相连。

油源为作动器提供动力，而作动器将路面不平引起的悬架动行程作为激励。试验前将整车四分之一悬架安装于作动器之上，悬架支承的顶部安装有两个载荷传感器，可将悬架系统承受的力（空气弹簧载荷力与减振器载荷力）反馈至车辆模型中，如图1所示。

2、悬架硬件试验台架

空气悬架的硬件试验台架主要由两部分构成，其中一部分为安装在作动器系统上的主体台架，布置车辆1/4电控空气悬架部件，包括空气弹簧和可调阻尼减振器，如2所示：

在悬架顶部设有两个悬架动载荷，其中一个悬架动载荷下方连接左后悬架减振器，另一个悬架动载荷下方连接左后悬架空气弹簧，悬架动载荷与作动器相连。

另一部分为单独放置的辅助台架，布置车辆3/4电控空气格悬架部件，用于对空气弹簧的充放气试验，如图3所示，其主要包括：左前电控空气悬架、右前电控空气悬架、右后空气弹簧、右后减振器、气路、空气泵、储气罐、电磁阀总成、压力传感器、空气泵电源继电器。

所述辅助台架的一侧两边分别设有右前空气悬架、左前空气悬架，另一边设有右后空气悬架，中部设有储气罐及电磁阀总成，一侧边中部设有空气泵。

左前悬架与右前悬架均为空气弹簧和减振器一体式结构，减振器从空气弹簧内部穿过。右后悬架为分体式结构，减振器与空气弹簧相互独立。各个悬架均固定于试验台的支架上。

空气泵上共三个气孔：大气进气口、外接储气罐ST口、外接电磁阀SV口。ST口通过尼龙管与储气罐相连，可以通过空气泵为储气罐补气，在此段气路中安装有一个T型阀，由于空气泵连续工作时间不能过长，为了使储气罐获得较高的压力，可以通过T 型阀上的外充气口为储罐充气。空气泵内部装有转阀，可以实现两种工作状态，一种是空气泵将空气由大气泵入储气罐，另一种由储气罐向空气弹簧充气。而空气泵电源继电器用于对空气泵的启停进行控制。如图4所示。

电磁阀总成上共六个气孔：公共通道口P、供气口SP、出气口FL、出气口 FR、出气口RL、出气口RR，除公共通道口P，其它气孔内部均装有常闭电磁阀，若某气孔电磁阀开启则该气孔与公共通道口P连通。公共通道口P与空气泵上的外接电磁阀SV口通过尼龙管相连，出气口FL、FR、RL、RR 通过尼龙管分别与对应位置悬架的空气弹簧进气口相连，供气口SP与大气相连作排气阀用，如图5所示。

3、远程控制柜

远程控制柜包括试验台的所有控制设备，由上到下依次为油源控制台、作动器加载控制系统、实时测试采集系统、dSPACE实时仿真系统，如图6所示。

油源控制台与油源系统配套，通过24芯屏蔽线与油源系统控制柜相连，可远程操控油源系统的启停、系统压力的调节，同时显示系统温度及压力如图7所示。

作动器加载控制系统为FTS全数字伺服控制器，与作动器（F-JLYF160723）配套，用于对作动器的执行动作进行控制，作动器加载控制系统与上位机通过网线进行通讯。按照控制方法，作动器可以分为内部控制与外部控制，内部控制中作动器按照上位机给出指令动作，外部控制中作动器按照外控端口的电压信号动作。按照控制目标，作动器可以实现位移控制与载荷控制，位移控制下作动器根据目标位移指令动作，载荷控制下作动器根据目标载荷指令动作。本试验中，主要使用外部控制与位移控制结合的控制方式对作动器进行控制。

实时测试采集系统主要用于为试验台的各硬件及传感器供电，同时实现控制信号到驱动信号的转换。其内部主要

包括：5V10A开关电源、12V29A开关电源、24V10A开关电源、电磁阀与减振器驱动板、空气泵转阀驱动板、空气泵电源继电器驱动板、电流传感器、电压信号变送器。系统由220V供电，通过航空插头与外部线路连接，如图8所示。

5V10A开关电源为空气泵转阀驱动板供电，用于驱动空气泵转阀，从而实现由空气泵向储气罐补气以及由储气罐向空气弹簧充气两种工作状态。

12V29A开关电源用于为空气泵供电。除此之外，为电磁阀与减振器驱动板供电从而实现对气路电磁阀总成与减振器内部阻尼调节阀动作的驱动，为空气泵电源继电器驱动板供电用于驱动空气泵电源继电器从而实现空气泵的启停。

24V10A开关电源用于为试验台的所有传感器供电，包括电流传感器、压力传感器及作动器上的载荷传感器，也为控制箱内部的电压信号变送器供电。

5V10A开关电源与空气泵转阀驱动板电性相连，空气泵转阀驱动板与空气泵转阀电性相连，12V29A开关电源与空气泵电源继电器驱动板电性相连，空气泵电源继电器驱动板与气路电磁阀总成与减振器内部阻尼调节阀相连，24V10A开关电源与传感器及电压信号变送器电性相连电流传感器与减振器内部阻尼调节阀相连，电压信号变送器与dSPACE系统及作动器相连。

电流传感器用于检测驱动各个减振器内部阻尼调节阀动作的电流大小。供电电压为 24V，量程为0~10A，输出电压为0~5V。

电压信号变送器用于将dSPACE给出的0~+10V电压信号转化为-10~+10V电压信号，从而控制作动器的正负行程。

dSPACE实时仿真系统由DS1006处理器板DS2202 HILI/O接口板组成，DS1006处理器板安装于DS扩展箱内，如图15所示。DS1006处理器板完成实时模型中的算法运算，DS2202接口板测量和产生需要的信号，二者通过PHS++总线连接，如图9所示。

DS1006处理器板搭载64位的AMD Opteron作为主处理器，其中集成了一个 256MB的本地存储器用于运行实时模型，一个128MB的全局存储器用于与上位机进行数据交换，可以应用于快速控制原型（RCP）与硬件在环（HIL），能够处理诸如动力系统和虚拟车辆等复杂的、大型的、对处理性能要求极高的模型。DS2202 HIL I/O接口板提供了16路差分A/D采集通道、24路PWM测量输入通道、20路D/A输出通道、9路PWM输出通道、16路数字输出通道。

本试验台中应用DS1006处理器板作为整个电控空气悬架试验台的控制器，用于实时运行CarSim车辆模型与控制策略，与之搭配的DS2202接口板用于实现对电控空气悬架系统部件的控制与传感器信号的采集。DS2202接口板各个通道的接线图如图10~13所示。

4、操作台

操作台包括两台PC机，试验台操作上位机作为dSPACE实时仿真系统的上位机，安装应用软件dSPACE ControlDesk 5.6、CarSim 2016.2以及MATLAB R2016a，用于管理 dSPACE实时仿真系统，配置CarSim车辆模型以及对控制策略与硬件驱动模块进行编译；作动器操作上位机作为作动器加载系统的上位机，仅用于对作动器进行管理。

实验平台的上位机界面：空气弹簧压力调节界面如图14所示，主要包括各个阀的开关控制信号和压力观测实时观测曲线。操作界面左半部分用于对空气泵进行控制，对其充放气并实时观测储气罐压力，右半部分对电控空气悬架系统的各个阀的充放气进行控制，并实时显示各个气囊的压力。只有在气路控制开关使能的情况下才能对气路进行控制，否则操作无效。气泵电源开关控制气泵的启停。供气方式选择中的两个开关控制泵上的转阀，决定是由泵向储气罐补气还是由储气罐向气囊充气。供气路径选择中的五个开关对应电磁阀总成中通往四个空气弹簧气路上的电磁阀以及排气阀，其开关决定向哪一个空气弹簧充气或向大气排气。

电控空气悬架控制仿真界面如图15所示，包括路面输入与阻尼控制开关两部分，可以对路面情况及是否开启阻尼控制进行设定。操作界面右半部分与下半部分为观测区，可以对车辆状态的实时曲线进行观测。

路面输入区：可以设置车速，选择路面输入类型。若选择正弦路面进行试验则可以设定正弦路面的幅值和频率，若选择随机路面进行试验则可以设定随机路面的不平度系数。路面输入情况可以在路面输入显示区实时查看，车速可以通过车速表实时查看。

阻尼器开关控制区：可以通过控制减振器阻尼控制的开关切换车辆悬架的运行状态，PWM周期默认为2.5s。车辆减振器的控制电流的数值可以在减振器电流显示区实时查看。

Claims (7)

1.汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，其特征在于：所述平台包括油源、悬架硬件试验台架、远程控制系统，所述悬架硬件试验台架包括主台架及辅助台架，所述主台架设有四分之一车辆电控空气悬架，所述主台架包括悬架、左后悬架空气弹簧（1）、左后悬架减震器（2）、悬架动载荷（3）、作动器（4），所述悬架顶部设有两个悬架动载荷（3），其中一悬架动载荷（3）与左后悬架减振器（2）相连，另一悬架动载荷（3）与左后悬架空气弹簧（1）相连，所述悬架动载荷（3）与作动器（4）相连，所述辅助台架设有四分之三车辆电控空气悬架，所述辅助台架包括右前空气悬架（5）、左前空气悬架（6）、右后空气悬架（7）、电磁阀总成（8）、空气泵（9）、储气罐（10），所述右前空气悬架（5）、左前空气悬架（6）、右后空气悬架（7）分别与电磁阀总成（8）相连，所述储气罐（10）与电磁阀总成（8）及空气泵（9）相连，所述空气泵（9）与电磁阀总成（8）相连；所述远程控制系统包括油源控制台（25）、作动器加载控制系统（26）、实时测试采集系统（27）、dSPACE实时仿真系统（28），所述油源控制台（25）与油源相连，所述作动器加载控制系统（26）与作动器（4）相连，所述实时测试采集系统（27）与实验平台的硬件及传感器相连，所述dSPACE实时仿真系统（28）与电控空气悬架试验台相连。

2.根据权利要求1所述的汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，其特征在于：所述辅助台架为矩形格状布置，其一侧两边分别设有右前空气悬架（5）、左前空气悬架（6），另一边设有右后空气悬架（7），中部设有储气罐（10）及电磁阀总成（8），一侧边中部设有空气泵（9）。

3.根据权利要求1所述的汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，其特征在于：所述右前空气悬架（5）、左前空气悬架（6）、均为空气弹簧和减振器一体式结构，减振器从空气弹簧内部穿过，右后空气悬架（7）为分体式结构，减振器与空气弹簧相互独立。

4.根据权利要求1所述的汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，其特征在于：所述空气泵（9）与储气罐（10）相连的管路上设有T 型阀，所述空气泵（9）内部装有转阀。

5.根据权利要求1所述的汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，其特征在于：所述实时测试采集系统（27）包括5V10A开关电源、12V29A开关电源、24V10A开关电源、电磁阀与减振器驱动板、空气泵转阀驱动板、空气泵电源继电器驱动板、电流传感器、电压信号变送器，5V10A开关电源与空气泵转阀驱动板电性相连，空气泵转阀驱动板与空气泵转阀电性相连，12V29A开关电源与空气泵电源继电器驱动板电性相连，空气泵电源继电器驱动板与气路电磁阀总成与减振器内部阻尼调节阀相连，24V10A开关电源与传感器及电压信号变送器电性相连电流传感器与减振器内部阻尼调节阀相连，电压信号变送器与dSPACE系统及作动器相连。

6.根据权利要求1所述的汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，其特征在于：所述传感器包括电流传感器、压力传感器及作动器上的载荷传感器。

7.根据权利要求1所述的汽车电控空气悬架硬件在环实验平台，其特征在于：所述空气悬架系统的油源包括蓄能器、油泵、油箱、冷却器、换热器，所述蓄能器、油泵、油箱、换热器与作动器相连，所述冷却器与换热器相连。

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