CN103303087A

CN103303087A - 一种用于磁流变减振器半主动悬架的控制系统

Info

Publication number: CN103303087A
Application number: CN2013102562831A
Authority: CN
Inventors: 李静; 曹振; 王子涵; 禚帅帅
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了一种用于磁流变减振器半主动悬架的控制系统，其是由加速度传感器、滤波电路、ECU控制器和电流驱动器构成，由加速度传感器采集加速度信号，加速度信号经过滤波积分电路滤波积分后输入至ECU控制器，ECU控制器用于接收由滤波积分电路处理而来的速度信号进行控制算法计算，同时发送电压控制信号至电流驱动器，用于产生控制磁流变减振器的电流控制信号，电流驱动器改变PWM信号占空比以调节磁流变减振器输入电流的大小，并使用反馈电路实时调节电流，使其接近控制器发出的目标值；本发明采用滤噪低通滤波器、积分低通滤波器和高通滤波器的结合，对加速度信号进行积分得到速度信号，同时去除了信号中的噪声、零漂和低频低幅干扰信号，使信号真实准确。

Description

一种用于磁流变减振器半主动悬架的控制系统

技术领域

本发明涉及一种半主动悬架控制系统，特别涉及一种用于磁流变减振器半主动悬架的控制系统。

背景技术

悬架是车架（或车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力，缓冲不平路面产生的冲击，衰减振动以保证汽车平顺行驶。随着汽车工程技术的进步，决定乘坐舒适性和行驶安全性的汽车悬架技术得到了广泛的重视和深入研究，尤其以改变减振器阻尼或悬架刚度的半主动悬架发展最快，而磁流变减振器可调范围广、结构紧凑、响应速度快、功耗低在半主动悬架上得到广泛应用。由于传感器采集的信号零漂和噪声的存在，同时动态响应时间是磁流变减振器的一个重要指标，因此信号处理和磁流变减振器电流驱动器是基于磁流变减振器半主动悬架控制系统的难点。

发明内容

本发明是由加速度传感器、滤波电路、ECU控制器和电流驱动器构成，由加速度传感器采集加速度信号，加速度信号经过滤波积分电路滤波积分后输入至ECU控制器，ECU控制器用于接收由滤波积分电路处理而来的速度信号进行控制算法计算，同时发送电压控制信号至电流驱动器，用于产生控制磁流变减振器的电流控制信号，电流驱动器改变PWM信号占空比以调节磁流变减振器输入电流的大小，并使用反馈电路实时调节电流，使其接近控制器发出的目标值。

本发明的有益效果：

本发明采用滤噪低通滤波器、积分低通滤波器和高通滤波器的结合，对加速度信号进行积分得到速度信号，同时去除了信号中的噪声、零漂和低频低幅干扰信号，使信号真实准确。

本发明采用由BUCK电路、采样放大电路、过流保护电路、PWM发生器组成的电流驱动器，通过控制信号与反馈信号比较产生PWM脉冲信号控制开关管的开关时间以控制驱动电流的大小，反馈信号与控制信号的实时比较使得驱动信号与控制信号尽可能接近，以使信号及时准确，同时过流保护电路为电流驱动器提供安全的保障。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图。

图2为本发明的滤波积分电路工作原理框图。

图3为本发明的滤波积分电路图。

图4为本发明的软件流程图。

图5为本发明的控制器电路图。

图6为本发明的电流驱动器工作原理框图。

图7为本发明的电流驱动器电路图。

实施方式

请参阅图1所示，本发明是由加速度传感器1采集加速度信号2，加速度信号2经过滤波积分电路3滤波积分后输入至ECU控制器4，ECU控制器4用于接收由滤波积分电路3处理而来的速度信号进行控制算法计算，同时发送电压控制信号5至电流驱动器6，用于产生控制磁流变减振器8的电流控制信号7，电流驱动器6改变PWM信号占空比以调节磁流变减振器8输入电流的大小，并使用反馈电路实时调节电流，使其接近控制器发出的目标值。

本发明包括硬件部分和软件算法，硬件部分主要包括：加速度传感器1、滤波电路3、ECU控制器4和电流驱动器6；软件算法采用半主动悬架ECU控制算法。

如图2所示，为本发明中滤波积分电路工作原理框图。滤波积分电路3主要由滤噪低通滤波器、积分低通滤波器以及高通滤波器组成，由于本发明即基于磁流变减振器的半主动悬架控制系统的控制算法需要簧载质量和非簧载质量之间的相对速度，因此通过安装在车轮上的车轮加速度传感器1和车身上的车身加速度传感器1采集到加速度信号，通过滤波积分电路3后得到ECU控制器4所需的相对垂直速度信号。通常，我们感兴趣的垂直速度信号频率范围为0.5~10Hz，但传感器信号由多种信号组成，包括不同频率范围和不同幅值的信号。由加速度信号积分获得的信号大致包括如下四部分：噪声信号、低频高幅信号、低频低幅信号和高频低幅信号，其中前三类信号为需要排除的干扰信号，第四类为目标垂直速度信号。

工作过程：加速度传感器1采集信号，经信号接收器获取，通过低通滤波器H进行初步滤波，该部分为去除噪声信号，在此认为噪声信号类似白噪声信号，其功率谱近似为0。经过信号前期处理，进行第二次低通滤波，如图2中G（s），由低通滤波器性质可知，对于截止频率以下信号不变通过，对于频率高于截止频率的信号，进行积分，进而实现感兴趣频率信号的积分，由加速度信号获得速度信号，且低频干扰信号保持不变，通过高通滤波去进行滤除，最终得到速度信号。

如图3所示，为本发明中滤波积分电路图。根据车轮数，本发明的滤波积分电路3有四路，该四路滤波积分电路3左边为输入端ax1_In、ax2_In、ax3_In和ax4_In，加速度传感器1输出信号由该端输入至滤波积分电路3；右边为输出端ax1_out、ax2_out、ax3_out和ax4_out，处理过的信号由该端输出至控制器ECU 4。插头P1上3、4、5、6脚分别接输入端ax1_In、ax2_In、ax3_In、ax4_In，1、2脚分别接为运算放大器提供电源的5V端和接地的GND端；插头P2上1、2、3、4脚分别接输出端ax1_out、ax2_out、ax3_out、ax4_out。

每路滤波积分电路3分别包含滤噪低通滤波器、积分低通滤波器和高通滤波器，滤噪低通滤波器是由运算放大器，电阻RH、R1H、R2H，电容CH组成；积分低通滤波器是由运算放大器，电阻RG、R1G、R2G，电容CG组成；高通滤波器是由运算放大器，电阻RZ、R1Z、R2Z，电容CZ组成。其中，运算放大器选用LM358芯片；电阻RH取180K，RG取1M，RZ取330K，R1H、R2H、R1G、R2G、R1Z、R2Z取10K，封装均为0805；电容CH取100nF，CG、CZ取1uF，封装均为0805。

低通滤波器的传递函数H为：

G (s) = \frac{G_{H}}{1 + (s / ω_{H})}

其中增益为，截止频率为

，RH、R1H、R2H、CH分别为低通滤波器电阻电容值。

高通滤波器的传递函数Z为：

Z (s) = \frac{G_{Z}}{1 + (ω_{Z} / s)}

其中增益为，截止频率为

，RZ、R1Z、R2Z、CZ分别为高通滤波器电阻电容值。

如图4所示，是本发明中控制器软件流程图。工作流程为：加速度传感器1采集簧载质量和非簧载质量垂直加速度信号2，加速度信号经过滤波积分电路3后得到簧载质量垂直速度信号v_s和非簧载质量垂直速度信号v_u并输入至ECU控制器4。本发明采用天棚控制算法：若v_s×(

)>0，则根据公式F_d=C_min×(v_s-v_u)计算得到最小阻尼力F_d；若v_s×()<0，则根据公式F_d=C_sky×(v_s)计算得到天棚阻尼力F_d。根据计算得到的阻尼力F_d和

查表得到磁流变减振器所需电流I，由于ECU控制器4只能输出电压信号，因此先根据电流驱动器6电流和控制电压的关系查得控制电压。然后ECU控制器4输出控制电压至电流驱动器6，最后电流驱动器6输出控制电流至磁流变减振器8。

如图5所示，为本发明中控制器电路图。其中控制芯片采用飞思卡尔MC9S12D系列单片机MC9S12DP512。该系列采用5V供电，总线速度为25MHz，具有丰富的I/O模块，主要用于工业控制，特别适合用在汽车上。电路分为如下几个部分：

AD模块，采用单片机MC9S12DP512的引脚67（PAD0/AN0）、引脚69（PAD1AN1）、引脚71（PAD2/AN2）、引脚73（PAD3/AN3）、引脚75（PAD4/AN4）、引脚77（PAD5/AN5）、引脚79（PAD6/AN6）、引脚81（PAD7/AN7）作为8个模拟信号输入，分别采集经信号滤波积分电路处理后的四个非簧载质量垂直速度信号和四个簧载质量垂直速度信号，用于控制器内算法的计算，此外，电阻R4至R24、电容C24至C30为模拟信号滤波电路，用于进入芯片的模拟信号再次处理，速度电压信号通过接插件P1的1脚至8脚输入；

PWM发出与模拟电压生成模块，由于电流驱动器接收为模拟电压信号，因而在此通过LC模块，通过PWM信号生成模拟电压信号，发送给电流驱动器，如电路图右上角所示，在此，通过单片机MC9S12DP512引脚4（PWM0）、引脚3（PWM1）、引脚2（PWM2）、引脚1（PWM4）作为PWM发生器，通过LC电路处理，可得到发送到驱动器的模拟电压信号Vout_FL、Vout_FR、Vout_RL、Vout_RR，并通过接插件P2的7脚、8脚、9脚、10脚发出；

CAN预留模块，鉴于当今汽车信息大部分通过总线交互，而CAN应用最为广泛，因此基于82C250，通过单片机MC9S12DP512引脚102、引脚103、引脚104、引脚105用于与其它模块通讯，作为扩展。

如图6所示，为本发明中电流驱动器工作原理框图。电流驱动器6主要由PWM发生器、BUCK电路、过流保护电路和采样放大电路组成。ECU控制器4输出电压信号至PWM发生器，PWM发生器发出PWM信号控制BUCK电路中开关元件的开关时间以控制输出电流的大小。同时，采样放大电路采集通过磁流变减振器8的电流，并反馈到PWM发生器与控制信号进行比较以改变PWM信号占空比，最终调节输出电流与目标控制信号接近。

如图7所示，为本发明中电流驱动器电路图。其中，PWM发生器由脉宽调制控制电路及其外接电路组成。本发明中脉宽调制控制电路选用德州仪器TL494CN芯片，该芯片1脚连接采样放大电路的输出端，接收经过滤波放大后的采样电流信号即反馈信号；2脚通过插头P1连接控制器ECU，接收ECU发出的控制信号；3脚外接相位校正电路，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同；4脚接地；5脚、6脚外接振荡电容和振荡电阻，用于产生锯齿波电压，该电压与1脚反馈信号和2脚控制信号的差值进行比较，生成PWM信号；7脚接地；8脚、11脚连接开关驱动芯片IR2103的2脚、3脚，用于输出PWM信号；9脚、10脚接地；12脚接车载12V电源，用于TL494芯片供电；13脚接地，用于TL494芯片采用并联输出；14脚为内部5V基准电压输出，用于设置基准电压；15脚经调整电阻连接14脚；16脚连接BUCK电路中采样电阻输出端。

PWM发生器外接的相位校正电路由电阻R3、R5、电容C3组成，两端分别连接TL494芯片的2脚和3脚，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同。

过流保护电路由TL494芯片15脚、16脚，以及电阻R8、调整电阻R13组成。其中TL494芯片15脚接收14脚输出的基准电压经调整电阻R13的调整得到的参考电压，用于设定最大电流值；16脚接收采样电流，与15脚输入的最大电流进行比较，若采样电流大于最大电流，则关闭脉冲，保护电路，反之继续输出脉冲。

BUCK电路由MOS场效应开关管Q及其驱动电路、电感L1、电容C5、采样电阻R12、二极管D1组成。其中，MOS场效应开关管Q选用N沟道PSMN005-55P，驱动电路选用IR2103作为驱动芯片。驱动芯片IR2103的1脚、4脚、6脚、8脚采用IR2103的典型外接电路；2脚、3脚连接电流驱动器，用于接收PMW信号；7脚连接BUCK电路中的开关管Q，用于使用PWM信号控制开关管Q的开关时间，以调节磁流变减振器两端的电压，从而调节磁流变减振器的控制电流。BUCK电路中Iout+、Iout-端通过插头P1连接磁流变减振器，Vck端连接采样放大电路，用于将采样电流输入至采样放大电路。

采样放大电路由同相比例放大器、滤波电容C1和运算放大器供电电路组成，其中同相比例放大器由运算放大器和电阻R1、R2、R7组成，运算放大器选用LM358D；运算放大器供电电路由三极管U4、电容C8、C9、电感L2组成，用于将车载12V电压变换为5V电压，为运算放大器供电，三极管选用飞利浦LM2575HVS-5.0。采样放大电路输入端连接BUCK电路中Vck端，输出端连接TL494芯片的1脚，作用是把采样电阻两端电压经滤波放大和电阻R6转变为电流信号后，输入至PWM发生器中的TL494芯片。

插头P2的2脚用于将整个电流驱动器的12V端连接车载12V电源，4脚用于将整个电流驱动器的接地端接地。

Claims

1.一种用于磁流变减振器半主动悬架的控制系统，其特征在于：是由加速度传感器（1）、滤波电路（3）、ECU控制器（4）和电流驱动器（6）构成，由加速度传感器（1）采集加速度信号（2），加速度信号（2）经过滤波积分电路（3）滤波积分后输入至ECU控制器（4），ECU控制器（4）用于接收由滤波积分电路（3）处理而来的速度信号进行控制算法计算，同时发送电压控制信号（5）至电流驱动器（6），用于产生控制磁流变减振器（8）的电流控制信号（7），电流驱动器（6）改变PWM信号占空比以调节磁流变减振器（8）输入电流的大小，并使用反馈电路实时调节电流，使其接近控制器发出的目标值。