ARM对车辆半主动悬架的控制研究

ARM 对车辆半主动悬架的控制研究*
冯俊萍贝绍轶
（江苏技术师范学院，常州213001
）Control research on vehicle semi-active suspension based on ARM
FENG Jun-ping ，BEI Shao-yi
（Jiangsu Teachers University of Technology ，Changzhou 213001，China ）
文章编号：1001-3997（2010）06-0134-02
【摘
要】对车辆底盘系统的半主动悬架进行了简单高效的AMESim 建模，基于嵌入式控制器ARM
研制了半主动悬架控制器并进行了台架试验。

结果表明所建的模型正确，ARM 控制器有效实现了对半主动悬架的控制。

关键词：车辆；半主动悬架；嵌入式系统；ARM
【Abstract 】An efficient model on semi-active suspension （SAS ）of vehicle chassis is bring forward based on fluid machinery software AMESim .Embedded system ARM is applied to control SAS .Results of simulation and bench test show the suspension AMESim model is right.And feasibility of ARM controller is being proved.
Key words ：Vehicle ；Semi-active suspension ；Embedded system ；ARM
中图分类号：TH16，U463.33文献标识码：A
＊来稿日期：2009-08-13
＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（50275064）
作为汽车底盘的重要部件，悬架连接着车身和车轮，削减、消
除由地面引起的冲击载荷与振动，直接影响着乘员的乘坐舒适性和车辆的行驶平顺性。

传统的被动悬架由于刚度和阻尼无法调节，不能满足复杂路况的自适应要求，因此无法兼顾行驶平顺性和乘坐舒适性。

半主动悬架（Semi-Active Suspension ，简称SAS ）以其结构简单，造价低廉等优势正得到日益广泛的应用[1][2]。

以此为研究对象，对其控制进行了AMESim 建模，基于嵌入式操作系统ARM 研制了SAS 控制器，进行台架试验验证了控制的可行性。

1可调液压减振器结构原理
半主动悬架是在被动悬架的基础上，通过改变刚度或者阻尼来实现半主动调节的，由于弹簧的刚度不易改变，本文对被动悬架中液压减振器的阻尼进行了可调改进设计[3]。

在被动减振器原有结构上加装了步进电机、空心活塞杆、阀芯杆、阀芯等部件，如图1所示。

将阀芯杆的末端阀芯设计为（a ）图所示的楔形截面，空心活塞杆上开出（b ）图所示的圆槽形缺口，将阀芯装配到活塞杆内（a
）与（b ）便形成一个减振液节流口。

当行驶路况发生改变时，半主动悬架控制器向步进电机发出控制脉冲，由步进电机驱动阀芯杆，阀芯转动后，其楔形椭圆面与活塞杆的圆槽缺口配合导致由此形成的节流口开度发生改变，从而实现液压减振器阻尼的可调，使半主动悬架自适应实时路况。

图1可调液压减振器结构原理
2SAS 的AMESim 建模
仿真研究对半主动悬架的模拟控制很有必要，在AMESim
环境下对SAS 进行了仿真建模。

AMESim 软件是法国IMAGINE 公司开发的工程系统高级建模和仿真平台，擅长于解决液压、机械、气动、电磁以及控制等复杂系统的问题[4]。

利用AMESim 丰富的元件应用库，根据SAS 的动力学微分方程，建立的悬架模型，
如图2所示。

（a ）
（b ）
图2车辆半主动悬架模型
如图2（a ）所示，1/4半主动悬架的动力学模型，由弹簧和可调阻尼减振器并联而成，悬架刚度不变。

m 1表示轮胎质量；m 2表示1/4车身质量；k 1、k 2分别为轮胎和悬架的刚度系数；c 表示减振器阻尼系数；
q 为路面激励；z 1、z 2分别为轮胎和悬架的质量位移。

如图2（b ）所示，相应的1/2车辆左前悬架和右前悬架AMESim 模型，对阻尼的调节是通过建立在MATLAB/Simlink 中的控制器来完成的。

在AMESim 中使用自定义接口功能（Create interface icon ）对模型添加
控制算法模块，为简易起见采用了模糊控制策略，在MATLAB/Simulink 里构建模糊控制器和模糊规则表，通过定义的S 函数将AMESim 和Simulink 连接起来，方便地实现二者联合仿真[5][6]。

（a ）
阀芯
阀芯杆
空心活塞杆步进电机m 2
z 2
z 1
m 1
k 2
k 1q
q
q
cL
cR
A
M
M
V X
V X
M
M
s s
A
m2L
k2L
m1L
k1L
k1R
k2R m1R m2R
accR
daccR daccL accL Controller in Simulink dampR dampL
Machinery Design ＆Manufacture
机械设计与制造
第6期2010年6月
134
3ARM 控制器
为验证控制策略的可行性，基于嵌入式控制系统ARM 试制了半主动悬架控制器，如图3所示，左侧是传感器输入信号，右侧是被控对象执行机构，中间是SAS 控制器。

当车辆正常行驶时，加速度、
速度、位移等传感器采集车身垂直振动加速度、轮胎动位移等信号，经调理传送到ARM 控制器，控制器的电控单元ECU 根据控制策略算法对信号进行分析、计算、处理，最终产生控制信号传输给执行机构步进电机，带动减振器的阀芯杆转动改变阻尼，使半主动悬架对随机路况能够实时自调节。

图3SAS 控制器示意图
4控制结果分析
如图4所示，为SAS 可调阻尼减振器及其ARM 控制系统实物图，图4（a ）为可调阻尼减振器及其驱动器和驱动电源，图4（b ）为ARM 控制器。

（a ）（b ）
图4控制器及可调阻尼减振器实物图
对研制的可调阻尼减振器和ARM 控制器进行了台架试验，路面激励与仿真路况相同，
C 级路面，车速40km/h ，与仿真结果的对比，如图5～图9所示。

如图5所示，车身质心垂直加速度在随机路面下的仿真结果与试验结果的对比，两种结果变化趋势大体一致，表明半主动悬架在乘坐舒适性方面的ARM 控制与仿真控制吻合。

图5车身质心垂直加速度
图6左前悬架动挠度
图7右前悬架动挠度
图8左前轮胎动位移
图9右前轮胎动位移
如图6、图7所示，分别为左、右前悬架动挠度的仿真结果与试验结果的对比，振动的波形表明试验结果与仿真结果趋势相同，但试验结果振动的幅值略高于仿真结果振动的幅值，究其原因可能是试验过程中台架被随机干扰影响，符合实际情况。

如图8、图9所示，左、右前轮胎动位移的仿真结果与试验结果的对比，轮胎跳动的波形显示趋势一致，试验结果的振动幅值也略高于仿
真结果的振动幅值，原因也是台架的受迫激振影响了试验结果。

可见，半主动悬架在ARM 控制下，在轮胎的接地性方面、车身姿态抑制方面，行驶平顺性方面均与联合仿真的结果相似，验证了所建的半主动悬架AMESim 模型的正确性和控制的可行性。

5结论
对半主动悬架可调减振器进行了结构原理分析，基于AMESim 对可调阻尼液压减振器搭建了简易高效的模型，改变了繁琐的悬架传统建模方法；设计出半主动悬架的嵌入式控制器并进行了台架试验。

试验结果与仿真结果吻合，证实了车辆半主动悬架的ARM 控制有效可行，为进一步实车应用提供依据。

参考文献
1陈龙，周立开等.可调减振器阻尼控制与半主动悬架的试验研究［J ］.公路交通科技，2005，22（10）：151～153
2方恩.可调阻尼减振器设计与半主动悬架研究［D ］.江苏大学学报，20043付永领，祁晓野.AMESim 系统建模和仿真—从入门到精通［M ］.北京：北京航空航天大学出版社，20064Lynn Alfred ，Smid Edzko ，et al.Modeling hydraulic regenerative hybrid ve －hicles using AMESim and Matlab/Simulink ［J ］.The International Society for Optical Engineering ，2005（5805）：24～405刘波，陈翀，方敏.车辆半主动悬架的模糊控制与仿真［J ］.机械设计与制造，2008，10（10）：78～796牛礼民，陈龙等.基于嵌入式的悬架与转向集成控制器研究［J ］.微计算机信息，2008，24（4～2）：245～
247
ARM
ADC
DAC
加速度T
速度T
…
SAS 控制器
左前悬架
步进电机
右前悬架
步进电机
可调阻尼
可调阻尼
位移T
M M
仿真结果
试验结果
3.02.01.00.0-1.0-2.0-3.0
质心垂直加速度（m ·s -2）
时间（s ）
2
46
8
10
仿真结果
试验结果
0.030
0.0200.0100.000-0.010-0.020-0.030-0.040-0.050
左前悬架动挠度（m ）
时间（s ）
02
46810
仿真结果
试验结果
0.040
0.0300.0200.0100.000-0.010-0.020-0.030左前悬架动挠度（m ）
时间（s ）
02
46810
仿真结果
试验结果
0.006
0.0040.0020.000-0.002-0.004-0.006-0.008-0.010左前悬架动挠度（m ）
时间（s ）
02
46810
仿真结果
试验结果
0.006
0.0040.0020.000-0.002-0.004-0.006-0.008-0.010
右前轮胎动位移（m ）
时间（s ）
02
46810
第6期冯俊萍等：ARM 对车辆半主动悬架的控制研究
135。