关键字： 悬架 传感器 电控悬架
一、汽车电控悬架简介
汽车悬架的作用是缓冲和吸收来自车轮的振动，在汽车行驶过程程还要传递车轮与路面间产生的驱动力和制动力。汽车在转向时，悬架还要承受来自车身的侧向力，并在汽车起步和制动时能够抑制车身的俯仰振动，提高汽车的行驶稳定性和乘坐的舒适性。
传统的悬架系统主要由弹簧、减振器和导向机构三部分组成。其中弹簧、减振器和轮胎的综合特性，决定了汽车的行驶性、操纵性和乘坐的舒适性。尽管多年来汽车悬架系统作了许多改进，但由于传统悬架系统使用的是定刚度弹簧和定阻尼系数减振器，只能适应特定的道路与行驶条件，无法满足变化莫测的路面状况和汽车行驶状况，而且这种悬架只能被动地承
受地面对车身的各种作用力，无法对各种情况进行主动地调节，使操纵性和乘坐舒适性达到和谐。所以，一般称传统悬架系统为被动悬架系统。
随着人们对汽车操纵性和舒适性要求的不断提高，以及电子技术的飞速发展，电子控制技术被有效应用于现代汽车悬架系统。电子控制悬架系统的最大优点就是它能使悬架随不同的路况和行驶状态作出不同的反应。既能使汽车的乘坐舒适性达到令人满意的状态，又能使汽车的操纵稳定性达到最佳状态。
二、汽车电控悬架的功用
电子控制悬架系统的基本目的是通过控制调节悬架的刚度和阻尼力，突破传统被动悬架的局限性，使汽车的悬架特性与道路状态相适应，从而使汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性要求都能得到满足。其基本功能有：
1.车高调整
无论车辆的负载多少，都可以保持汽车高度一定，车身保持水平，从而使前照灯光束方向保持不变；当汽车在坏路面上行驶时，可以使车身升高，防止车桥与路面相碰；当汽车
高速行驶时，又可以使车高降低，以便减少空气阻力，提高操纵稳定性。
2.减振器阻尼力控制
通过对减振器阻尼系数的调整，防止汽车急速起步或急加速时车尾下蹲；防止紧急制动时的车头下沉；防止汽车急转弯时车身横向摇动；防止汽车换挡时车身纵向摇动等，提高行驶的平顺性和操纵稳定性。
3.弹簧刚度控制
与减振器一样在各种工况下，通过对弹簧系数的调整，来改善汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性。
有些车型只具有其中的一个或两个功能，而有些车型同时具有以上三个功能。
三、基于嵌入式的悬架与转向集成控制器的电路分析
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。
1.集成控制方案
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：
离散化为差分方程得到数字PID控制方程：
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：
离散化为差分方程得到数字PID控制方程：
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
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。
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。
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。
四、汽车电控悬架的结构和工作原理
典型的电控悬架由电子控制元件（ECU）、空气压缩机、车高传感器、转向角度传感器、速度传感器、制动传感器、空气弹簧元件等组成。
空气弹簧元件是由电控减振器、阀门、双气室所组成。电控减振器顶部有一个小型电动机，可通过它转动一个调整量孔大小的控制杆将阻尼分成多级，从而实现控制阻尼的目的。阀门也充当了一个调节气流的作用，通常双气室是连通的，合起来的总容积起着空气弹簧的作用，比较柔软；但当关闭双气室之间的阀门时，则以一个气室的容量来承担空气
空气弹簧元件是由电控减振器、阀门、双气室所组成。电控减振器顶部有一个小型电动机，可通过它转动一个调整量孔大小的控制杆将阻尼分成多级，从而实现控制阻尼的目的。阀门也充当了一个调节气流的作用，通常双气室是连通的，合起来的总容积起着空气弹簧的作用，比较柔软；但当关闭双气室之间的阀门时，则以一个气室的容量来承担空气
弹簧的作用，就会变得硬，因此阀门起到控制“弹簧”变软变硬的作用。电控悬架工作时，阀门的相互作用控制通向空气弹簧元件的气流量。传感器检测出汽车的行驶状态并反馈至ECU，ECU综合这些反馈信息计算并输出指令控制空气弹簧元件的电动机和阀门，从而使电控悬架随行驶及路面状态不同而变化：在一般行驶中，空气弹簧变软、阻尼变弱，获得舒适的乘坐感；在急转弯或者制动时，则迅速转换成硬的空气弹簧和较强的阻尼，以提高车身的稳定性。同时，该系统的电控减振器还能调整汽车高度，可以随车速的增加而降低车身高度（减小离地间隙），减少风阻以节省能源；在车速比较慢时车身高度又可恢复正常。
图9、电控悬架系统的构成
电控悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元（ECU）控制悬架执行机构，使悬架系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数得以改变，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。而在日常调节中，空气悬挂会有
几个状态。1、保持状态。当车辆被举升器举起，离开地面时，空气悬挂系统将关闭相关的电磁阀，同时电脑记忆车身高度，使车辆落地后保持原来高度；2、正常状态，即发动机运转状态。行车过程中，若车身高度变化超过一定范围，空气悬挂系统将每隔一段时间调整车身高度；3、唤醒状态。当空气悬挂系统被遥控钥匙、车门开关或行李厢盖开关唤醒后，系统将通过车身水平传感器检查车身高度。如果车身高度低于正常高度一定程度，储气罐将提供压力使车身升至正常高度。同时，空气悬挂可以调节减震器软硬度，包括软态、正常及硬态3个状态（也有标注成舒适、普通、运动三个模式等），驾驶者可以通过车内的控制钮进行控。
图10 凌志LS400的电控悬架系统元件在车上的位置
1－1号高度控制继电器 2－前车身高度传感器 3－前悬架控制执行器 4－制动灯开关 5－转向传感器 6－高度控制开关 7－LRC开关 8－后车身高度传感器 9－2号高度控制阀和溢流阀 10－高度控制ON/OFF开关 11－高度控制连接器 12－后悬架控制执行器 13－2号高度控制继电器 14－悬架ECU 15－门控灯开关 16－主节气门位置传感器 17－1号高度控制阀 18－高度控制压缩机 19－干燥器和排气阀 20－IC调节器
图11实际前悬架总装配图
五、电控悬架的发展方向
在主动式悬架还没有诞生前，平衡运动性与舒适性这对不可调和的矛盾成为了困扰汽车厂商最大的难题。现在好了，主动控制式悬架发展至今，已形成液压和空气支撑两大派系，运动与舒适性这对不可调和的矛盾自然也得到了很好的解决。
随着人们对汽车乘坐舒适性的不断追求，近年来已有不少豪华轿车和豪华SUV纷纷换装上了性能更优越的电子控制式主动悬架(简称：电控主动悬架)。在豪华轿车上采用电控主动悬架无疑是为追求更平稳、更舒适的乘坐感，而在SUV上采用当然则是为了平衡野外越野与公路行驶的双重需要。
六、结论
对于我国汽车业而言，随着高档汽车制造技术的引进及人们对舒适性要求的提高，加上国家对汽车等级划分的标准要求，汽车电控悬架才开始逐步应用起来。电控悬架技术和功用也越来越丰富，随即产生的汽车电控悬架的检测与诊断技术也日益成熟起来。
参考文献
[1]作者：赵福堂汽车换挡.书名：汽车电子电工技术基础.出版社：北京理工大学出版社， 出版日期：2009年
[2]作者：曹家吉吉.书名：汽车电子控制基础.出版社：机械工业出版社.出版日期：2007-10
[3]作者：孔令来.书名：汽车底盘构造与维修.出版社机械工业出版社. 出版日期2007-4-01
[4] 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.
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