空气弹簧系统状态监测试验平台设计.pdf

设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 29 期空气弹簧系统状态监测试验平台设计李凯1，陈磊2*（1.包头职业技术学院，内蒙古 包头 014030；2.北奔重型汽车集团有限公司，内蒙古 包头 014030）根据国家强制标准 GB 72582017 机动车运行安全技术条件 规定，自 2020 年 5 月 1 日开始生产的车辆，总质量 12 t 以上的危险货物运输货车的后轴应装备空气悬架。空气悬架的应用使得车辆具有更好的行驶平顺性和道路友好性，还可以调节车身高度，提高车辆和零部件的使用寿命1-3。从结构上看，以空气弹簧（主要成分为橡胶）为核心的气动减振系统，是车辆承载和衰减振动的关键部件。由于磨损、老化、泄露等原因导致空气悬架系统故障4，必将导致严重后果。因此，为实现车辆的舒适和安全驾驶，对空气弹簧系统进行状态监测、故障检测与诊断非常有必要。为了研究空气弹簧系统运行过程中，各参数对系统运行状态的影响，设计试验平台是一种有效的测试方法5。基于此，本文将设计用于空气弹簧系统状态监测的试验平台，该试验平台主要包括 4 部分，分别是支撑系统、气动控制系统、数据采集系统和显示系统。这4 部分相互联系。其中，气动控制系统用于驱动支撑系统，完成高度调节和减振的功能。单片机作为主控MCU 将气动控制系统、数据采集系统和上位机显示系统建立通信联系，进行数据和控制信号的传递6-7。具体设计如下文所述。基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY22115）第一作者简介：李凯（1987-），男，硕士，讲师。研究方向为机电一体化技术。*通信作者：陈磊（1983-），男，高级工程师。研究方向为车辆工程。摘要：为了研究空气弹簧的运行压力和高度对空气悬架系统运行状态的影响，该文设计一种用于监测空气弹簧系统运行状态的试验平台。试验平台主要包括支撑系统、气动控制系统、数据采集系统和上位机控制系统。支撑系统主要由 4 个空气弹簧、导向元件和结构件组成；气动系统主要实现对 4 个空气弹簧进行充气、放气和保压，进而实现调节高度和减振的功能;数据采集系统将压力和高度变送器采集的 420 mA 电流信号经采集电路处理后发送到单片机的 ADC 模数转换接口，然后再通过单片机的串口发送到上位机，上位机使用 MATLAB 软件接收数据并显示。经调试测试，上位机可以正确接收试验平台的数据，能够实现对试验平台的监测功能。关键词：空气弹簧；状态监测；试验平台；数据采集；上位机中图分类号院TP277文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤29-0091-04Abstract:In order to study the influence of the running pressure and height of the air spring on the running state of the airsuspension system,a test platform for monitoring the running state of the air spring system is designed in this paper.The testplatform mainly includes support system,pneumatic control system,data acquisition system and host computer control system.Thesupport system is mainly composed of four air springs,guide elements and structural members.The pneumatic system mainlyrealizes the functions of inflating,deflating and keeping pressure on the four air springs,thus realizing the functions of adjustingheight and reducing vibration;the data acquisition system sends the 420 mA current signals collected by the pressure and heighttransmitter to the ADC analog-to-digital conversion interface of the single-chip microcomputer,and then sends them to the uppercomputer through the serial port of the single-chip microcomputer,which uses MATLAB software to receive and display the data.After debugging and testing,the host computer can correctly receive the data of the test platform and realize the monitoringfunction of the test platform.Keywords:air spring;condition monitoring;test platform;data acquisition;host computerDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.29.02291-2023 年 29 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application1试验平台硬件设计1.1总体方案试验平台组成如图 1 所示。空气弹簧支撑系统主要由上下底板和 4 个空气弹簧组成（导向机构和其他结构件未画出）。空气弹簧系统高度的调节是通过气动回路电磁阀充气、放气和保压来实现。电磁阀的阀位状态是由 STC32 单片机通过驱动电路控制调节。空气弹簧高度调节或者保持时，压力变送器和高度（位移）变送器将其当前采集的信号通过采集电路传输到 STC32 单片机的 ADC 模数转换通道，单片机将信号转换处理后通过串口发送到上位机 PC 端，PC 端利用 MATLAB 软件接收串口发送来的数据，用于显示和后续的分析与控制。试验平台中各部分的供电电源和气动控制回路的气源都未画出，各个部分的具体设计见后文所述。1.2气动控制回路试验平台气动控制回路如图 2 所示（由于 4 个空气弹簧的气动控制回路一致，因此图 2 只绘制 2 个空气弹簧的气动控制回路）。每个空气弹簧只有 1 个与气路连通的接口，可将其等效理解为单作用气缸。为保证每个空气弹簧都能独立控制，实现充气、放气和保持 3个功能。因此每个空气弹簧都分别配置了 1 个二位二通电磁阀和 1 个二位三通电磁阀，2 个电磁阀配合实现的功能见表 1。压力变送器布置在空气弹簧的出口处，高度变送器布置在空气弹簧附近。为减小排气时的噪声，在二位三通电磁阀的排气口安装了消声器。气源的干燥空气由空气压缩机经过干燥器通过储气瓶再经过气动三联件供给电磁阀和空气弹簧使用。图 1系统组成示意图表 1电磁阀状态表1.3电磁阀驱动电路根据图 2 试验平台气动控制回路，可以看出，有4 个二位三通电磁阀和 4 个二位二通电磁阀，2 类共计8 个电磁阀。根据表 1，不论是二位二通电磁阀，还是二位三通电磁阀都只有 2 种状态，常通和常断。因此，2 种不同电磁阀对于驱动电路的要求是相同的。因此，8 个电磁阀的驱动电路仅需要设计一种即可，如图 3所示。为了避免继电器 K7 对单片机的影响，采用光耦PC817C 进行隔离，并采用 S8050 三极管提高继电器线圈的驱动电流，采用 1N5819WS 二极管作为续流二极管，保护 S8050，将 DQ5 接单片机 I/O 引脚。1.4变送器信号采集电路压力变送器和高度（位移）变送器（共 8 个）选用集成模块，输出均为标准 420 mA 电流。单片机的 ADC图 2气动控制回路原理图序号 空气弹簧功能 二位三通电磁阀状态 二位二通电磁阀状态 1 充气 常通 常通 2 放气 常断 常通 3 保持 常断 常断 空气弹簧支撑系统气路压力变送器高度变送器空气弹簧压力空气弹簧高度电磁阀驱动电路采集电路ADC上位机串口STC32 单片机右后空气弹簧高度传感器压力传感器气源压力传感器左后空气弹簧高度传感器消声器消声器XI11XI12XI10XI9M5M6M7M8XQ5XQ6XQ7XQ8XI13XI14XI15XI16PPPPAAAARR92-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 29 期模数转换接口只能接收电压信号，因此设计了专用的采集电路，如图 4 所示。采用精度为 0.1%的 10 赘 电阻采集电流，将电流转换为 0.040.2 V 的电压信号。采用KTA2333-MP8 放大器和电阻组成高精度的差分放大电路，放大倍数为 10。这样，将待测的电压信号的范围转换为 0.42 V，满足单片机 ADC 通道 2.5 V 基准电压源测量范围。电压信号经过 KTA2333-MP8 构成的射级跟随器隔离后，再经过 RC 滤波器滤波后进入单片机的 ADC 模数转换通道。8 个不同变送器进入 8 个不同 ADC 通道，分别采集电压数值。图 3电磁阀驱动电路原理图图 4采集电路原理图1.5中控 MCU 和基准电压源中控 MCU 选用 STC32G12K128 单片机，该单片机内部集成高精度的 R/C 时钟电路，因此不需要外部晶振电路，也不需要外部的复位电路。因此其最小系统（图 5（a），主要是提供稳定可靠的单片机供电电源，本设计提供 5 V 电源，并添加电容滤波。为提高 ADC模数转换的采集精度和满足采集电路的电压范围，本系统采用 CJ431 设计 2.5 V 基准电源作为 ADC 的参考电压，如图 5（b）所示。1.6单片机供电电源设计监单片机的供电电源电路如图 6 所示，采用AMS1117-5.0 将 12 V 转换 5 V 为系统供电。在 12 V和输出 5 V 端都增加稳压滤波电容，提供稳定和可靠的 5 V 电源。渊a冤中控 MCU渊b冤2.5 V 基准电压图 5中控 MCU 和基准电压原理图图 6单片机供电电源2试验平台软件部分设计试验平台的软件部分设计分为 2 部分，分别是上位机应用软件 MATLAB 的串口数据接收程序及 GUI设计和下位机 STC32 单片机的程序设计，本设计中单片机程序采用 Keil 软件完成。下位机 STC32 进行模数转换时，模拟量采集通道采集的数值与被测量值之间的关系如式（1）所示。STC32 单片机 12 位 ADC 对应的基准值为 4 096，根据图 5（b）设计的参考 ADC 基准电压为 2.5 V，电流采集电阻阻值为 10 赘，差分放大电路的放大倍数为 10（图4），变送器输出电流单位为 mA。则变送器输出电流的数值如式（1）所示。基准电压 2.5 VVREF+5 VGNDC4100 nFR1510 赘U3CJ4311R1243U30+5 V+5 V+5 V+24 VD8K7Q6S80501N5819WSR9710 k赘GND1 k赘R96PC817CDQ5R951 k赘GNDGNDGNDC3100 nFC2U21234VCCADJ（GND）VOUT（TAB）TABVINAMS1117-5.0100 nFC6C5VCC+12 VR13R14R11R1010 赘R9R610 赘10 k赘R1249.9 k赘4.99 k赘4.99 k赘49.9 k赘AGNDAGNDAGNDAGNDU5.26527ADC0C17220 nFKTA2333-MP8KTA2333-MP83211100 nF+5 VC3U5.11221U6HN1+AGNDP4.5P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P4.4P4.2P4.1P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0P1.1P1.4P1.5P1.6P1.7P1.3ucapP5.4VCCADC_VREF+GNDU4DQ7DQ6DQ5DQ4DQ3DQ2DQ1DQ0P3.5-KEYP3.4-KEYINT1（B）INT0（A）P3.1-TXDP3.0-RXD4039383736353433323130292827262524232221ADC0ADC1ADC4ADC5ADC6ADC7ADC3GNDGNDC13100 nF+5 VC12100 nFVREFP5.4ADC8ADC9ADC10123456789101112131415161718192093-2023 年 29 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application式中：I 为变送器输出电流值，mA；Date_AI0 为 ADC0通道中的数值，为 1。变送器输出电流与压力和高度之间的关系参见变送器技术手册。对于下位机 STC32，需要依次完成 GPIO 初始化、ADC 模数转换初始化和串口初始化的步骤，然后在串口接收到“1”的开始发送数据命令后，开始按照“0 xFF，0 xFF，变送器数据，0 x0A”的帧格式通过串口发送数据。其程序设计流程图如图 7（a）所示。对于上位机使用 MATLAB 软件收集串口发送的数据。在 MATLAB 软件的 APP 设计功能下，需要依次调用 serialportlist（）连接串行通信端口列表函数、serial原port（）连接串行端口函数，get（）获取串行端口有效字节数函数和 read（）读取串行端口指定字节数据等函数从下位机获取压力和高度变送器数据，其程序设计流程图如图 7（b）所示。设计的 GUI 如图 8 所示。渊a冤STC32 单片机程序设计流程图渊b冤MATLAB 程序设计流程图图 7程序流程图图 8GUI 界面3结论综上，通过软硬件的联调联试，得出如下结论：1）本文设计的试验平台可以实现空气弹簧系统运行状态的实时监测。2）本文设计的控制电路可以实现对试验平台的启动停止控制，能够通过采集空气弹簧的压力和高度这2 个关键参数监测试验平台的运行状态，且能调节系统高度和通过上位机显示监测的数据。参考文献院1 邵建忠，王玲，罗楠.空气悬架系统在重型货车的应用J.汽车工艺师，2018，176（3）：59-61.2 曹希存，赵建国，王文庆.空气悬架在中大吨位起重机的应用研究J.建设机械技术与管理，2022，35（6）：77-79.3 吕国栋，陈秀生，张同帅，等.商用车空气悬架轻量化的发展J.工程机械，2022，53（5）：80-85，11-12.4 于菲，闫岩，吴学军.客车空气悬架常见故障及原因分析J.客车技术，2017（6）：46-47，50.5 郑华康，陈韬，伍丽娜，等.半挂车空气悬架试验台的设计及特性试验J.专用汽车，2020，278（7）：72-75.6 王涛，马晨.基于 STM32 的高度可控空气悬架教学试验平台研究J.教育教学论坛，2022，595（44）：32-36.7 王涛，马桂芳.基于 STM32 的空气悬架控制半实物仿真与验证J.农机使用与维修，2022，311（7）：1-3_01000_02.5254 09610 104 096DateAIDateAII，（1）开始初始化1.GPI0 初始化；2.ADC 转换初始化；3.串行通信初始化开始?1NYADC 依次转化串口依次发送延时开始初始化查询串行通信端口列表打开串口?NY连接指定端口1获取字节数帧头和帧尾?接收数据NY94-