CN103853149A

CN103853149A - 磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台

Info

Publication number: CN103853149A
Application number: CN201310727864.9A
Authority: CN
Inventors: 李静; 禚帅帅; 王子涵; 曹振; 周瑜
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明涉及一种磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台，属于汽车领域。包括dSPACE实时仿真工具、信号处理电路和电流驱动器，采用在dSPACE中下载Carsim整车模型、减振器控制模型和磁流变减振器模型组成硬件在环试验台的软件平台。利用上位机与dSPACE实时通信的功能，实现对控制原型控制效果的实时监测与控制算法的实时修改。优点在于：采用dSPACE实时仿真平台，实现对控制效果的实时监控和对减振器控制模型的实时修改，大大减小了磁流变减振器控制系统的开发周期；采用硬件信号处理电路，解决了软件处理电路时滞性问题，使对减振器控制模型的评估更加准确；采用硬件电流驱动器，更加接近的模拟了实车环境，使对减振器控制模型的评估更加准确。

Description

磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台

技术领域

本发明涉及汽车领域，特别涉及一种磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台。

背景技术

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。

传统汽车电控单元（ECU）开发过程需要较长的开发周期以及大量的实车试验。而硬件在环（Hardware-Inthe-Loop，HIL）仿真技术通过数学模型代替实车，并通过模型产生相应的传感器信号发送给ECU控制模型，通过对ECU控制模型发出的控制信号进行测试，来代替对ECU实物的测试。这样不仅可以大大缩短ECU控制算法的开发周期和减小开发成本，还可进行失效测试和故障模拟。

dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接。dSPACE实时系统由两大部分组成，一是硬件系统，二是软件环境。其中硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括处理器和I/O接口等；软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试验调试等工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台，克服了传统汽车电控单元（ECU）开发周期长、实车试验费用高等缺点，并采用硬件设备克服软件仿真过程中时间滞后的问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台，包括上位机1、实时仿真平台dSPACE2、信号处理电路3和电流驱动器4，所述上位机1与实时仿真平台dSPACE2通过网线连接，所述实时仿真平台dSPACE2通过信号屏蔽线分别与信号处理电路3和电流驱动器4连接；所述实时仿真平台dSPACE2软件系统由磁流变减振器模型21、Carsim整车模型22和减振器控制模型23构成。

所述的实时仿真平台dSPACE2中的Carsim整车模型22实时发出车辆运动信号，车辆运动信号经处理后输入到减振器控制模型23，减振器控制模型23根据输入信号产生相应的控制信号，控制信号经电流驱动器4和磁流变减振器模型21计算后得到相应的阻尼力并将其反馈给Carsim整车模型22。通过上位机1实时的监测Carsim整车模型22的运动状态，并实时的对减振器控制模型23进行修改。

本发明的dSPACE实时仿真平台的模拟输出端口DAC实时发出整车模型中带有干扰的信号，该信号经过信号处理电路3处理后经dSPACE的模拟采集端口ADC输入至减振器控制模型23，减振器控制模型23根据输入的信号及内置的控制算法计算出相应的控制信号，经计算得到的控制信号再通过dSPACE其他的模拟输出端口DAC输入至电流驱动器4，产生控制磁流变减振器模型21的电流信号，利用电流传感器采集电流驱动器4发出的电流信号，并将其输入至dSPACE其他的模拟采集端口ADC，dSPACE将采集到的电流信号传递给磁流变减振器模型21，磁流变减振器模型21根据输入的电流信号计算出相应的阻尼力并将其输入至Carsim整车模型22，使Carsim整车模型22的运动状态发生变化，并通过dSPACE模拟输出端口DAC发出新的运动信号，形成控制回路。通过上位机1与dSPACE之间实时监控的功能，实现对减振器控制模型的评价与修改。dSPACE模拟输出端口的负端/DAC全部接地，模拟输入端口的负端/DAC全部接地，保证dSPACE输出和采集的信号准确。

本发明的有益效果在于：采用dSPACE实时仿真平台，实现对控制效果的实时监控和对减振器控制模型的实时修改，大大减小了磁流变减振器控制系统的开发周期；采用硬件信号处理电路，解决了软件处理电路时滞性问题，使对减振器控制模型的评估更加准确；采用硬件电流驱动器，更加接近的模拟了实车环境，使对减振器控制模型的评估更加准确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的工作原理框图；

图2为本发明中上位机内模型流程图；

图3为本发明中信号处理电路工作原理框图；

图4为本发明中信号处理电路图；

图5为本发明中控制器软件流程图；

图6为本发明中电流驱动器工作原理框图；

图7为本发明中电流驱动器电路图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1所示，本发明的磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台，包括上位机1、实时仿真平台dSPACE2、信号处理电路3和电流驱动器4，所述上位机1与实时仿真平台dSPACE2通过网线连接，所述实时仿真平台dSPACE2通过信号屏蔽线分别与信号处理电路3和电流驱动器4连接；所述实时仿真平台dSPACE2软件系统由磁流变减振器模型21、Carsim整车模型22和减振器控制模型23构成。

本发明的上位机可以通过ControlDesk界面控制下载至dSPACE中的代码及响应参数调试，dSPACE机柜中的DS1006板卡用于存储车辆动力学模型和磁流变半主动悬架控制模型，两模型间有虚拟软件信号交流。磁流变半主动悬架控制原型发挥作用时即根据信号处理电路反馈回的速度信号，通过控制算法，向电流驱动器发出控制信号。控制信号经电流驱动器的驱动后，将电流传感器采集的电流信号返回dSPACE板卡中的减振器模型。减振器模型根据驱动电流的大小计算相应的阻尼力，并输入给dSPACE板卡中车辆动力学模型，实现闭环。

本发明包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要包括：上位机、dSPACE机柜、信号处理电路和电流驱动器，软件部分包括：半主动悬架ECU控制算法和上位机中整车模型、磁流变减振器模型。

如图1所示，为本发明中磁流变半主动悬架控制系统的硬件在环试验台工作原理框图。通过将上位机中的整车动力学模型和磁流变减振器控制模型编译、下载到dSPACE实时仿真平台，dSPACE实时仿真平台的输出端口实时发出整车模型中带有干扰的加速度信号，该信号经过信号处理电路滤波和积分后输入至dSPACE中的磁流变半主动悬架控制模型，磁流变半主动悬架控制模型接收由信号处理电路处理后得到的速度信号进行控制算法计算，计算得到的电压控制信号，再通过dSPACE机柜的输出端口输入至电流驱动器，产生控制磁流变减振器的电流信号，电流驱动器输出电流信号至dSPACE信号采集端口，dSPACE将采集到的电流信号传递给上位机中的磁流变减振器模型，磁流变减振器模型输出阻尼力信号至整车模型，整车状态发生变化，并发送新的加速度信号给控制器，从而形成控制回路。

本发明中上位机选择普通桌面计算机，装有Carsim整车模型和Matlab/Simulink模块，使用Simulink，搭建磁流变减振器控制模型、磁流变减振器模型、Carsim整车模型与磁流变减振器控制模型的接口模型以及Carsim整车模型与磁流变减振器模型的接口模型。

如图2所示，为本发明中上位机内模型流程图。本发明中dSPACE处理板卡选择的是DS1006板卡，用于运行整车模型、磁流变减振器控制模型及磁流变减振器模型。选用IO板卡为DS2211，包含16路数字输入输出、6路单独PWM输入与6路PWM输出、12路模拟输入和11路模拟输出以及2路CAN输入输出。本发明通过采用DS2211板卡的模拟输出端口DAC1发出左前轮垂直加速度信号；DAC2端口发出右前轮垂直加速度信号；DAC3端口发出左后轮垂直加速度信号；DAC4端口发出右后轮垂直加速度信号；DAC5端口发出左前侧车身垂直加速度信号；DAC6端口发出右前侧车身垂直加速度信号；DAC7端口发出左后侧车身垂直加速度信号。四个车轮垂直加速度信号与三个车身垂直加速度信号经信号处理电路处理后，转换成四个车轮垂直速度信号和三个车身垂直速度信号，由DS2211板卡的模拟输入端口ADC1～ADC7采集回dSPACE的减振器控制模型，减振器控制模型根据采集的四个车轮垂直速度信号和三个车身垂直速度信号进行四个减振器控制信号的计算，由DS2211板卡的模拟输出端口DAC8发出左前轮减振器控制信号；DAC9端口发出右前轮减振器控制信号；DAC10端口发出左后轮减振器控制信号；DAC11端口发出右后轮减振器控制信号。四个减振器控制信号经相应的电流驱动器驱动后产生四个减振器的电流驱动信号，利用电流传感器分别采集四个减振器的电流驱动信号，由DS2211板卡的模拟输入端口ADC8～ADC11输入dSPACE中的减振器模型。减振器模型根据采集四个减振器电流驱动信号计算相应减振器的阻尼力，并将阻尼力输入到整车模型。模拟输出端口的负端/DAC1～/DAC11全部接地，模拟输入端口的负端/DAC1～/DAC11全部接地。

如图3所示，为本发明中信号处理电路工作原理框图。信号处理电路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和车身上的车身加速度传感器采集到加速度信号，通过信号处理电路后得到控制器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至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，如图中G，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4所示为，本发明中信号处理电路图。根据车轮数，本发明的信号处理电路有4路。该4路滤波电路左边为输入端ax1_In、ax2_In、ax3_In、ax4_In，传感器输出信号由该端输入至滤波电路；右边为输出端ax1_out、ax2_out、ax3_out、ax4_out，处理过的信号由该端输出至控制器ECU。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。

每路滤波电路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5所示，为本发明中控制器软件流程图。工作流程为：加速度传感器采集簧载质量和非簧载质量垂直加速度信号，加速度信号经过信号处理电路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。本发明采用天棚控制算法：若

v_s×(v_s-v_u)>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×(v_s-v_u)<0，则根据公式F_d=C_sky×(v_s)计算得到天棚阻尼力Fd。根据计算得到的阻尼力F_d和(v_s-v_u)查表得到磁流变减振器所需电流I，由于控制器只能输出电压信号，因此先根据驱动器电流和控制电压的关系查得控制电压。然后控制器ECU输出控制电压至电流驱动器，最后电流驱动器输出控制电流至磁流变减振器。

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。控制器输出电压信号至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。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台，其特征在于：包括上位机（1）、实时仿真平台dSPACE（2）、信号处理电路（3）和电流驱动器（4），所述上位机（1）与实时仿真平台dSPACE（2）通过网线连接，所述实时仿真平台dSPACE（2）通过信号屏蔽线分别与信号处理电路（3）和电流驱动器（4）连接；所述实时仿真平台dSPACE（2）软件系统由磁流变减振器模型（21）、Carsim整车模型（22）和减振器控制模型（23）构成。

2.根据权利要求1所述的磁流变半主动悬架控制原型开发的硬件在环试验台，其特征在于：所述的实时仿真平台dSPACE（2）中的Carsim整车模型（22）实时发出车辆运动信号，车辆运动信号经处理后输入到减振器控制模型（23），减振器控制模型（23）根据输入信号产生相应的控制信号，控制信号经电流驱动器（4）和磁流变减振器模型（21）计算后得到相应的阻尼力并将其反馈给Carsim整车模型（22）；通过上位机（1）实时的监测Carsim整车模型（22）的运动状态，并实时的对减振器控制模型（23）进行修改。