配置电控悬架系统室内耐久试验技术研究
张桂明* 万尚国
泛亚汽车技术中心有限公司
摘要：本文以电控悬架为研究对象，对主动式悬架系统室内试验技术进行研究，并进行了道路载荷谱的测试验证。应用eDAQ系统进行某车主动悬架的结构载荷和输入控制模块的传感器信号的采集工作；应用NI板卡和Labview构成的实时系统，对输入ECU模块的传感器和总线信号进行仿真工作，对ECU实时调节减振器的阻尼，并与MTS台架同步运行，实现了电控悬架系统道路模拟耐久试验。
关键字：电控主动悬架；实时系统；信号仿真；道路数据采集
电控悬架系统主要的组成是在弹簧和减振器的基础上有一套电磁阀来控制被压缩的气体或液体介质来调节其阻尼特性， 以满足汽车更好的舒适性要求。汽车的主动悬架系统能够根据车辆行驶的路面、工况和载荷等情况来控制自身工作状态，使车辆的整体行驶性能达到最佳。这一系统已成为中高档乘用车的标配。
汽车中常用的主动减振器通是无级可变阻尼控制减振器，简称CDC(Continuous Damper Control)减振器，无级可变阻尼控制系统的核心部件由中央控制器ECU、CDC减振器、车身加速度传感器、车辆位移传感器等组成一套闭环控制系统。车辆在驾驶过程中，ECU根据各个传感器传回的行车信息，输出指令驱动电子控制阀门，通过电磁阀门的程序调节，从而改变减振器的阻尼特性，保证不同工况下的操控性和驾乘舒适度。主动减振器优化的车轮减振效果，带来了更高的行驶安全性；驾乘更舒适，操控更敏捷；减少车身的侧倾、点头和弹跳；车轮与地面的更好接触缩短了制动距离[1]。对电控悬架系统的试验方法研究，必须同步开发和验证，以保证产品的质量。
一、电控主动悬架总体试验方案
在室内进行主动悬架系统道路载荷谱试验时，由于缺少整车环境的运行信息，前后悬架试验所需要的相关信号通常需要模拟出来，同时，将控制器ECU和悬架系统组合在一起，进行道路谱试验。整车上传感器的信号，如车轮跳动位移，需要通过硬线接入到减振器的ECU；而车身、悬架的加速度信号、车速、发动机启动状态等信号都需要通过CAN总线发送给减振器的ECU， ECU会根据这些输入信号，通过内部的算法，输出PWM信号，经过内部驱动电路放大后输出给减震器的控制阀，从而实时调节减振器阻尼的大小。主动悬架控制系统如图1所示。
图1 电控悬架在整车上的布置
减振器的ECU属于整车CAN网络的一部分，根据控制ECU工作条件，激活减振器ECU，使其处于正常工作状态。CAN总线上的相关信号，如加速度、点火、车速等其他信号可以与结构载荷信号同步采集，再通过NI的CAN板卡发送给ECU模块作为输入。
对于减振器ECU的输入通道信号，通过实时仿真技术来实现。如悬架的位移等信号，通过硬线接入到ECU中。由于位移信号的响应频率很高，这就对仿真系统的实时性提出了很高的要求，根据仿真系统性能要求，采用工控机和NI的板卡，组成一个实时系统，Labview编好的程序在实时系统运行，通过工业以太网与上位机通讯。上位机负责处理中断，接口等信息。NI板卡将道路中采集的位移信号，通过板卡的模拟量输出（AO）通道，输入ECU模块，实现了模块硬线输入信号模拟。
对于结构载荷，如弹簧、减振器的应变、轮心六分力和位移等结构载荷信号，为了与MTS系统台架信号进行同步试验，对MTS控制器的硬件进行I/O数据触发的连接。目的是直接触发实时系统工作，保证了ECU所需要的信号和结构载荷信号同步传递到减振器台架，实现主动悬架道路模拟试验。控制系统的具体原理图如图2所示：
图2 主动悬架试验控制原理图
综述以上原理，采用NI的CAN板卡和PCI板卡，分别模拟ECU的总线信号和悬架位移信号，ECU根据这些输入的路面信息，计算出控制信号，输出给减振器的控制阀，实时调节减振器的阻尼。结构载荷的加载由MTS公司的设备完成，同步加载到主动减振器，从而实现主动悬架道路模拟试验。
二、道路载荷和ECU总线信号同步采集
电控悬架试验需要同时采集悬架系统的结构载荷信号和CAN总线信号。采用eDAQ高电、低电板卡、CAN板卡来采集这些信号。试验时，同时编辑，处理，保证时间的同步性，然后通过NI的板卡模拟出这些信号，在试验室进行主动悬架结构耐久试验。
结构载荷采集的通道通常有应变、位移、加速度、轮心六分力等，如表1所示。
表1结构载荷采集表
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序号
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信号类型
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单位
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1
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活塞杆应变信号
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ue
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2
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减振筒顶端应变信号
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ue
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3
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减振筒底部应变信号
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ue
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4
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减振器两端的相对位移信号
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mm
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5
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弹簧的应变信号
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ue
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6
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稳定杆的扭转应变
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ue
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7
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测量轮的六分力信号
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kN/kNm
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2.1 应变信号采集
对于主动悬架，结构载荷主要采集信号有弹簧和减振器的应变。下面以减振器活塞杆采集为例，介绍应变采集方法。
在采集主动减振器活塞杆所受到的时，为了方便贴片，需要提前对减振器活塞杆进行加工处理，改造活塞杆顶部，加工出两个平面，贴上T型应变片，组建全桥，对称布置，即可采集到活塞杆在受到拉压载荷时的应变。为了将信号引入数采系统中，需要将活塞杆沿中心孔打洞。贴好应变片的减振器活塞杆如图3所示。
图3 减振器活塞杆
为了得到活塞杆的实际载荷，需要在拉压力机上对其进行标定，得到应变信号和力信号之间的关系，从而可以知道减振器与车身连接点的受力情况。
2.2 减振器电流信号采集
为了验证台架上减振器工作的电流是否准确，需要比较台架上ECU输出的电流与道路采集电流信号的相关性，使台架的减震器处于道路中一样的工作状态。减振器的工作电流只有0~2A，为了采集通过减振器的电流，采用串联的方式，串联一个电阻在线路中，采集电阻两端的电压即可得到流入减振器电流的大小。
由于整个系统中的电阻不超过3欧，所以串联的电阻也不能过大，以免分压过多，影响减振器的性能。综合考虑，选择大小为0.03欧的电阻，采集到的电流，误差不超过1%，完全满足试验的要求。
2.3 总线信号数据采集
根据减振器控制模块ECU的定义，在高速CAN总线上采集减震器模块收到的报文。eDAQ的CAN板卡，可以通过车载的OBD接口，根据报文的ID来采集总线信号，同时将减振器所有收到的CAN信号，与结构载荷同步。
在台架上试验时，直接将总线信号回放，模拟整车CAN网络通讯，使减振器控制模块处于道路采集时一样的工作状态。
2.4 道路载荷数据采集
结构件完成贴片和标定以后，将贴片的零件安装到原车位置上，信号线接入数据采集设备（eDAQ）上。考虑到空间限制，位移采集采用拉线位移传感器。安装好测量轮，按通道配置好标定文件，采集轮心的六分力信号。电流传感器也接入到数采仪中，同步采集。最后接入CAN通道，通过车载OBD接口，采集CAN总线通道，在系统里面配置好各个信号，装车的照片如图4所示。
图4 整车信号采集
准备完成后，将车辆运至试车场采集道路载荷谱，按照规范要求，分别完成各个路面信号的采集，用于室内台架试验载荷谱模拟。结构载荷和CAN总线信号要同步采集，同步保存。
三、ECU模块输入信号仿真
ECU工作的信号包括车载高度传感器硬线连接通道和CAN总线信号。进行主动悬架试验时，需要将这些信号实时模拟仿真出来。
3.1 CAN总线信号模拟
对于CAN总线信号，由于台架上进行道路模拟试验，没有整车环境，需要将模块工作所需要的信号实时仿真出来，与结构载荷同步输入到悬架中。这里采用NI的CAN板卡模拟这些信号，如车速、点火信号等，导入数据库文件，从中选择需要仿真的信号，将采集的信号通过CAN板卡输出到ECU模块中。
3.2 位移信号模拟
在进行悬架试验时，前后悬架是两个独立的试验，需要分别模拟悬架上的位移信号，因此，搭建了一个信号模拟仿真系统，采用NI的板卡来仿真这些位移信号。本仿真系统采用 LabVIEW 开发环境进行编程，极大限度的对硬件资源进行配置和使用，使系统的通用型、可重用性以及可拓展性得到极大的提高，设计了丰富的人机交互界面，保证试验操作直观简单，并且能实时显示测试数据、定位故障回路。
悬架系统ECU的输入和输出信号需要较高的实时性，单独的工控机已无法满足实时性的要求。本系统配置了两台工控机，一台安装实时系统软件，另外一台作为上位机，通过TCP/IP接口连接在一起，进行通讯。上位机软件主要完成数据显示、数据存储、参数设定及控制命令的发出。下位机软件主要完成传感器信号的采集、数据的处理及激励信号的生成。实时系统中安装有NI的PC板卡，可以模拟悬架的位移信号、轮心和车身的加速度信号等。
根据上述原理，搭建的实时测试系统的如图5所示：
图5 实时仿真控制柜
道路上采集到的位移信号，导入到上位机中，在LabView的环境中，通过编程，建立输出通道。通过板卡AO端口将信号输出给ECU模块，实现位移传感器信号的仿真输出。位移信号的反证效果如图6所示。
图6 仿真位移信号与道路目标比较
3.3 ECU输出电流信号的对比
ECU激活工作后，将收到总线信号和位移传感器的信号，按照计算逻辑，将输出电流信号给主动减振器的电磁阀，以来实时调节减振器的阻尼， 这是室内模拟试验的关键。对道路上采集的电流信号与台架上模块输出的电流信号对比，其电流波形如图7所示。
图7 仿真电流波形与道路电流信号比较
对比上图，台架上模块输出的电流信号的波形与其在道路上工作时采集的波形保持一致。通过计算台架电流的信号和道路上电流信号的均方根值（RMS），比较两者间的误差，其电流波形信号的RMS偏差在5~6%之间，满足工程试验的要求。
四、台架试验
试验时，将电流信号与结构载荷信号（应变，位移等）同时输入到主动减振器上，迭代结构载荷信号，实现动态输入输出，按照这种方法，进行主动悬架试验。
结构载荷的迭代采用MTS的RPC控制，为了保证MTS系统与信号仿真系统同步运行，在MTS的DO输入端，接入固态继电器，响应时间小于1ms，完全满足两台设备的实时性要求。MTS控制器一开始运行，触发实时系统同步输出仿真信号，实现了两者之间的同步。
在迭代过程中，把整个系统简化成为线性不变系统，由于试验系统的多输入和多输出特性[2]，整个系统如图8所示。
图8 多输入和多输出系统的简化模型
X(ω)，Y(ω)为系统的输入频域信号和输出频域信号，H(ω)为系统的频响函数矩阵。
系统的输入信号、输出信号和频响函数的关系为：
进行迭代时，若驱动通道数与响应通道数不同，则H(ω)不为方阵，为非方阵迭代，一般响应通道数多于驱动通道数，可以通过最小二乘法求解初始驱动频域信号（X0(ω)）为：
式中：Yd(ω)—-期望响应频率信号
通过傅里叶变换逆变换计算初始驱动信号（X0(t)）为：
用X0(t)驱动系统，可以得到第1次台架响应信号(Y1(t))，以此进行迭代，则第i次台架响应信号为Yi(t)，可以计算台架响应信号与期望信号的时域误差(△Yi(t))为：
式中：Yd(t)—-期望响应时域信号。
频域台架响应误差(△Yi(ω))为：
非方阵迭代驱动信号频域修正（△Xi(ω)）计算公式为：
通过快速傅里叶变换逆变换计算驱动修正信号(△Xi(t))
修正后的驱动信号(Xi(t))为：
式中：α—-增益系数。
迭代过程中，需根据台架响应误差调整各通道α值，当响应信号与期望信号误差在要求范围内时，迭代结束[9]。
采用白噪声激励，计算系统的频率响应特性，得到系统的传递函数，对传递函数求逆，根据目标函数，得到台架的驱动。
应变则反应减振器的真实受力情况，以位移信号作为迭代目标，应变信号、 电流信号作为相关通道correlation，评估迭代信号的精度。对于主动悬架系统，减振器的阻尼力、应变、位移是关键通道，经过多次迭代，减振器阻尼力的均方根值误差如图9所示。
图9阻尼力的均方根值误差
减震的阻尼力目标值和实际值信号如图10所示，可以看出结构载荷基本与道路上一致。
图10阻尼力信号
适配电控悬架试验台架如图11所示，从试验结果可以知道，减振器阻尼力的的RMS值偏差平均值可以到8%，准确的复现了道路载荷谱信号，证明整个试验方法的准确性。
图11电控悬架系统适配的试验台
经过多个路面验证，都能准确复现主动悬架道路载荷谱。由此可见，采用NI的PXI系统可以实时模拟出输入减振器控制模块的传感器信号及整车网络，加上结构载荷同步输入，实现了主动悬架道路模拟试验。
五、结论
通过应用eDAQ系统进行结构载荷信号和总线信号采集，采用NI的PXI实时系统，在台架上模拟仿真输入减振器控制模块的高度传感器和总线信号，实时调节系统阻尼，同步MTS台架结构载荷输入，动态地进行主动悬架道路模拟测试与验证，能很好复现各种道路谱，证明了这种试验方法是准确可靠的，可以应用在主动悬架的开发中。
参考文献
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