引言

空氣懸架主要有被動懸架和可控電子懸架兩種。被動懸架一定程度上抑制和降低了車體和車輪的動載和振動，保證了車輛行駛安全性和乘坐舒適型。但由于被動懸架的剛度和阻尼系數一般按經驗選取，只在特定環境下是最優，而一旦載荷，路況，速度等因素發生變化，被動懸架不能隨之而自動調節，更不能手動調節。為了克服這一缺陷，電子空氣懸架系統（ECAS）由此產生。ECAS是目前最先進的汽車懸架系統，它可以隨著路況，載荷，速度等變化因子自動調節懸架剛度，車身高度，減少了空氣消耗，且具有反應迅速，安裝容易，操作簡單等優點，因此可控電子懸架已經成為汽車電子領域研究的一個熱門課題，其有著廣闊的發展前景。

1 ECAS的組成及原理

電控空氣懸架系統由電子控制單元（ECU），高度傳感器、空氣彈簧、速度傳感器、減震器，車高升降控制鍵盤等組成。ECU通過高度傳感器實時檢測車身高度，間接獲得車身垂直加速度，同時通過速度傳感器檢測車輛行駛速度。ECU內保存若干指標高度和三級可調阻尼值，指標高度與彈簧的舒適性、駕駛安全性和與應用規范保持一致。車速在不同的行駛條件下由ECU自動執行相應的指標高度，也可由駕駛員手動控制高度和阻尼值。通過比較高度傳感器檢測結果和指標高度，若高度差超過了一定的公差范圍，電磁閥就會被激發，通過充放氣將實際高度調整到指標高度。減震器阻尼力共三檔，根據車身上升速度、加速度控制減震器，執行相應的阻尼力，從而滿足汽車行駛平順性和乘坐舒適型的要求。電控空氣懸架組成結構如圖1。

2 ECAS系統各功能模塊的設計

ECAS主要由6大功能模塊組成，分別是中央處理單元，信號輸入模塊（即傳感器信號），信號輸出模塊（即控制量的輸出），操作界面模塊，電源模塊，其他模塊（外接存儲器，RS485通信，系統的升級擴展端口）。

2.1 MC9S08GB60

單片機是ECU的核心部件，它要經常處理大量的輸入和輸出信號，而且要實現高精度和實時控制。本設計采用了美國飛思卡爾公司的加強型8位車用微控制器——MC9S08GB60單片機。該單片機內有64Kflash和4K的E2PROM，高度集成了四個串行通信端口（SCI1，SCI2，SPI，I2C），最多達8個定時器（PWM），8通道的10位A/D轉換模塊。

2.2 信號傳感輸入模塊

該模塊主要由3個高度傳感器和1個速度傳感器構成。車身高度傳感器等效電感串聯電阻。等效電感0°轉角時對應約20mH，-45°轉角時對應約8mH，+45°轉角時對應約35mH。等效電阻120Ω。為此設計了LC三點式振蕩電路來檢測車身高度傳感器傳來的信號，即設計一個正弦波發生器，由TL082元件及外圍電路構成，正弦波的頻率隨高度傳感器等效電感的變化而不斷變化，而后經比較器出來一個頻率隨電感不斷變化的方波，經三極管放大和光耦隔離后輸入到MCU的輸入捕捉端口。MCU通過檢測這一不斷變化的頻率來實現對高度傳感器傳來信號的檢測。電路如圖2所示，對速度傳感器信號的檢測也是通過檢測其頻率實現的，原理同高度傳感輸入電路類似。

2.3 信號控制輸出模塊

ECU采用PWM方式輸出控制電磁閥的開啟，根據當前實際高度與預期調節高度的偏差來輸出控制信號。ECU計算電磁閥的調節脈沖長度，如果需要調節的高度量大、由于沒有過沖危險，ECU將給出一個長的脈沖，同時，快的上升速度將減小脈沖長度，這樣就能精確控制車輛的高度調節速度，極大的避免了高度的過沖及振蕩調節。對于電磁閥的驅動，本設計選用了安森美半導體公司生產的NUD3124繼電器驅動芯片。NUD3124（汽車版本）器件的高反向雪崩能量容量（350mJ）可以控制大多數用于汽車應用的繼電器。控制信號經過光耦隔離后輸出給NUD3124驅動芯片，由NUD3124驅動電磁閥工作，并在NUD3124的輸出端加了一個二極管保護電路。

2.4 電源模塊，操作界面模塊及其他擴展功能模塊

ECAS系統主要有兩種電壓源，一是24V電壓源，二是3V電壓源。其中3V電壓源分數字電壓源和模擬電壓源。24V電源是由車輛自身電源引出，然后經π型濾波，再經穩壓管穩壓，在經過一個濾波電路最終得到一個穩定的24V電壓源。3V電壓源與此類似，只是須要在數字電源和模擬電源之間加上一個隔離電阻，以防串擾。

操作界面主要是鍵盤輸入和發光二極管顯示。當司機要手動控制阻尼和車高的時候，便可通過鍵盤輸入其操作，然后相應的發光二極管亮，顯示其輸入。鍵盤輸入經過了濾波，光耦隔離和IC106濾波及保護，最終送入ECU，然后ECU輸出控制驅動相應發光二極管點亮。其他模塊主要包括便于日后升級的接口，以及RS485通信，大容量存儲器等。大容量存儲器采用了ATMAL公司的AT24C1024，其通過PTC2/SDA和PTC3/SCL與單片機相連；RS485用典型接法即可，芯片采用max3485；其他未用引腳均通過插槽引出，以便于日后升級之用。

3 汽車ECAS的軟件設計方案

空氣懸架電子控制單元（ECAS）應用軟件由系統初始化模塊、判斷手動自動調高模塊、信號采集模塊，鍵盤響應模塊，輸出控制模塊等構成。主程序為一循環體，它擔負調節車身高度和阻尼的任務，車身高度信號經傳感器轉換為具有一定占空比的方波信號，然后經過與微處理器中預設的標定高度進行比較，輸出控制信號，當快達到標定高度時，減小輸出信號的占空比，以防止過充。具體主程序框圖如圖3所示。

4 試驗及結果分析

本設計做了兩自由度1/4車輛空氣懸架試驗，通過在一定頻率特性下，對比分析電控空氣懸架和被動空氣懸架在相同的路面激勵下，得到不同的懸架動行程，車輛動載荷及垂直加速度，來驗證本設計的可行性，驗證本設計是否達到了提高車輛行駛平順性和乘坐舒適型的目的。為下一步將科研成果轉換成汽車電子產品提供技術儲備和試驗手段。