基于飞思卡尔HCS08的汽车ECAS设计

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        设计了一种以飞思卡尔MC9S08GB60 单片机为控制核心的汽车电控空气悬架系统。着重阐述了其硬件电路系统和具体电路设计,并对软件设计要点进行了介绍。通过在实验室进行台架测试,验证了本系统相对于被动悬架系统有效的改善了悬架动行程,车轮动载荷及车身垂直加速度三项重要指标,在实现车身高度调节控制的同时改善了车辆乘坐的舒适型。且电路结构简单,稳定性好,有实用应用的价值。

  0 引言

  空气悬架主要有被动悬架和可控电子悬架。被动悬架一定程度上抑制和降低了车体和车轮的动载和振动,保证了车辆行驶安全性和乘坐舒适型。但由于被动悬架的刚度和阻尼系数一般按经验选取,只在特定环境下是最优,而一旦载荷,路况,速度等因素发生变化,被动悬架不能随之而自动调节,更不能手动调节。为了克服这一缺陷,电子空气悬架系统(ECAS)由此产生。ECAS 是目前最先进的汽车悬架系统,它可以随着路况,载荷,速度等变化因子自动调节悬架刚度,车身高度,减少了空气消耗,且具有反应迅速,安装容易,操作简单等优点,因此可控电子悬架已经成为汽车电子领域研究的一个热门课题,其有着广阔的发展前景。

  1 ECAS 的组成及原理

  电控空气悬架系统由电子控制单元(ECU),高度传感器、空气弹簧、速度传感器、减震器,车高升降控制键盘等组成。ECU 通过高度传感器实时检测车身高度,间接获得车身垂直加速度,同时通过速度传感器检测车辆行驶速度。ECU 内保存若干指标高度和三级可调阻尼值,指标高度与弹簧的舒适性、驾驶安全性和与应用规范保持一致。车速在不同的行驶条件下由ECU 自动执行相应的指标高度,也可由驾驶员手动控制高度和阻尼值。通过比较高度传感器检测结果和指标高度,若高度差超过了一定的公差范围,电磁阀就会被激发,通过充放气将实际高度调整到指标高度。减震器阻尼力共三档,根据车身上升速度、加速度控制减震器,执行相应的阻尼力,从而满足汽车行驶平顺性和乘坐舒适型的要求。电控空气悬架组成结构如图一。

 

  2 ECAS 系统各功能模块的设计

   ECAS 主要由6 大功能模块组成,分别是中央处理单元,信号输入模块(即传感器信号),信号输出模块(即控制量的输出),操作界面模块,电源模块,其他模块(外接存储器,RS485通信,系统的升级扩展端口)。

  2.1 MC9S08GB60

  单片机是ECU 的核心部件, 它要经常处理大量的输入和输出信号, 而且要实现高精度和实时控制。本设计采用了美国飞思卡尔公司的加强型8 位车用微控制器——MC9S08GB60单片机。该单片机内有64K flash 和4K 的E2PROM,高度集成了四个串行通信端口(SCI1,SCI2,SPI,I2C) ,最多达8 个定时器(PWM),8 通道的10 位A/D 转换模块。

  2.2 信号传感输入模块

  该模块主要由3 个高度传感器和1 个速度传感器构成。车身高度传感器等效电感串联电阻。等效电感0°转角时对应约20mH,-45°转角时对应约8mH,+45°转角时对应约35mH。等效电阻120Ω。为此设计了LC 三点式振荡电路来检测车身高度传感器传来的信号,即设计一个正弦波发生器,由TL082 元件及外围电路构成,正弦波的频率随高度传感器等效电感的变化而不断变化,而后经比较器出来一个频率随电感不断变化的方波,经三极管放大和光耦隔离后输入到MCU 的输入捕捉端口。MCU 通过检测这一不断变化的频率来实现对高度传感器传来信号的检测。电路如图二所示,对速度传感器信号的检测也是通过检测其频率实现的,原理同高度传感输入电路类似。

 

  2.3 信号控制输出模块

   ECU 采用PWM 方式输出控制电磁阀的开启,根据当前实际高度与预期调节高度的偏差来输出控制信号。ECU 计算电磁阀的调节脉冲长度,如果需要调节的高度量大、由于没有过冲危险,ECU 将给出一个长的脉冲,同时,快的上升速度将减小脉冲长度,这样就能精确控制车辆的高度调节速度,极大的避免了高度的过冲及振荡调节.对于电磁阀的驱动,本设计选用了安森美半导体公司生产的NUD3124 继电器驱动芯片。NUD3124(汽车版本)器件的高反向雪崩能量容量(350mJ)可以控制大多数用于汽车应用的继电器。控制信号经过光耦隔离后输出给NUD3124 驱动芯片,由NUD3124 驱动电磁阀工作,并在NUD3124 的输出端加了一个二极管保护电路。

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