CN111674220B - 磁流变减振器用小延迟数控电流源电路及其参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开汽车磁流变半主动悬架的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路及其参数确定方法，小延迟数控电流源电路由相连接的主电路和控制电路组成，主电路由MOS管、可调稳压电源、续流二极管、可调电阻、预置电阻、预置电感、电流传感器以及主电路接地模块组成，可调稳压电源的正极依次连接预置电阻、预置电感、磁流变减振器、电流传感器、MOS管漏极，MOS管源极经主电路接地模块接地且连接可调稳压电源的负极，可调稳压电源正极与MOS管漏极间依次连接可调电阻和续流二极管，续流二极管的阳极连接MOS管漏极、阴极连接可调电阻；通过增加预置电阻和预置电感以降低电气常数，提高电流的响应速度。

Description

磁流变减振器用小延迟数控电流源电路及其参数确定方法

技术领域

本发明属于车辆动力学技术领域，涉及一种汽车的磁流变半主动悬架用的数控电流源电路结构以及其参数的确定方法。

背景技术

车辆的磁流变半主动悬架中，磁流变减振器的响应速度是影响悬架综合性能的主要因素。磁流变减振器的时滞主要是磁流变液响应时滞和电流响应时滞，电流响应时滞指电流从瞬态到达稳态所需的时间，磁流变液响应时滞由磁流变液的物理特性决定，基本无法减小。因此，对磁流变减振器控制，通常是要减小电流响应时滞。在王祥.电动轿车制动能量回收系统制动压力线性控制算法研究[D].吉林大学,2014,29-30中，提出了线性阀的PWM控制电路图，采用低边驱动线性阀，当PWM低电平时，处于“ON”状态，电源给线圈通电，线圈电流增加；当切换到高电平时，处于“OFF”状态，线圈产生感应电动势，续流二极管和线圈形成通路，线圈产生感应电流，延迟线圈电流的下降，这使得在高频PWM控制线圈时，线圈电流比较稳定。虽然此控制电路可以通过PWM对占空比进行调节从而达到控制电流大小的目的，但是并没有有效改善电流时滞的情况。因此，针对电流时滞问题提出有效的解决方案，提升磁流变半主动悬架的性能，对磁流变减振器的研发和推广至关重要。

发明内容

本发明目的在于解决现有采用磁流变半主动悬架的车辆中的磁流变减振器存在的电流时滞问题，提出一种磁流变减振器用小延迟数控电流源电路以及该电路中的主要参数确定方法，提高磁流变减振器的电流响应速度，减小电流的响应时滞，提升磁流变半主动悬架的性能。

本发明所述的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路采用的技术方案是：其由相连接的主电路和控制电路组成，所述的主电路由MOS管、可调稳压电源、续流二极管、可调电阻、预置电阻、预置电感、电流传感器以及主电路接地模块组成，可调稳压电源的正极依次连接预置电阻、预置电感、磁流变减振器、电流传感器、MOS管漏极，MOS管源极经主电路接地模块接地且连接可调稳压电源的负极，可调稳压电源正极与MOS管漏极间依次连接可调电阻和续流二极管，续流二极管的阳极连接MOS管漏极、阴极连接可调电阻。

进一步地，所述的控制电路由电源、运算放大器、D/A转换模块、数字信号输入接口、MOS管驱动电路以及控制电路接地模块组成，数字信号输入接口从外部输入期望电流信号，数字信号输入接口的输出端经D/A转换模块连接运算放大器的正向输入端，所述的电流传感器的输出端连接运算放大器的负向输入端，运算放大器的输出端连接MOS管驱动电路的输入端，MOS管驱动电路的输出端连接所述的MOS管的栅极。

进一步地，所述的控制电路由A/D转换模块、微处理器、PWM发生器和数字信号输入接口组成，数字信号输入接口从外部输入期望电流信号，数字信号输入接口的输出端连接微处理器的第一个输入端，所述的电流传感器的输出端经A/D转换模块连接微处理器的第二个输入端，微处理器的输出端经PWM发生器连接MOS管的栅极。

所述的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路的参数确定方法的技术方案是包括以下步骤：

步骤1)：测出所选用磁流变减振器的电阻值R₁和电感值L₁；

步骤2)：采用R₀＝1Ω的预置电阻和L₀＝0.8×10^-3H的预置电感；

步骤3)：通过公式计算出可调稳压电源的输出电压U以及可调电阻的电阻值R₂：

I_r1是磁流变减振器的最大需求励磁电流，t₁是磁流变减振器最大需求励磁电流允许最大响应延迟时间，I_r2是最大需求励磁电流I_r1下降到0时的允许误差，t₂是最大需求励磁电流I_r1下降到允许误差I_r2时的最大响应延迟时间。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1、本发明保证了基于小延迟下电流源电路的响应时滞能够根据实际电流与期望电流的大小调节维持在5×10^-3s的一定范围以内，实现电流源电路的小延迟。

2、本发明考虑到磁流变减振器自身的电阻值R₁或者电感值L₁的大小会对电气常数产生影响，从而影响电流上升的速率，不利于电流的精确控制，因此通过增加一个预置电阻和预置电感以降低电气常数，同时提高了电流的响应速度，减小了电流的响应时滞。

3、本发明可通过适当增大可调稳压电源输出电压U的值来减小磁流变减振器最大需求励磁电流允许的最大响应延迟时间t₁，可通过适当增大可调电阻R₂的值来减小磁流变减振器最大需求励磁电流下降到允许误差的最大响应延迟时间t₂。

4、本发明提出了结合MOS管驱动电路在开环状态下运行，与测量得出的实际电路信号比较，提高了抗干扰能力。提出了PWM发生器的输入占空比计算方法计算得到的占空比，可保证MOS管对主电路的实际电流精确跟踪期望电流信号控制，从而获得延迟小、高精度，即电流响应时间小于5×10^-3s的控制效果。

5、对于不同的磁流变减振器的励磁电路电阻及电感，可以通过按本发明提供的参数确定方法得到可调稳压电源的输出电压值及可调电阻值，从而获得满足容许电流上升或下降延迟的控制效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

图1为本发明中第一种磁流变减振器用小延迟数控电流源电路的结构图；

图2为本发明中第二种磁流变减振器用小延迟数控电流源电路的结构图；

图3为图1和图2中所述的本发明电流源电路的跟踪控制效果图；

图中：1.主电路接地模块；2.控制电路接地模块；3.MOS管驱动电路；4.MOS管；5.可调稳压电源；6.续流二极管；7.可调电阻；8.预置电阻；9.预置电感；10.电阻；11.电感；12.电流传感器；13.电源；14.运算放大器；15.D/A转换模块；16.数字信号输入接口；17.A/D转换模块；18.数字信号输入接口；19.微处理器(MCU)；20.PWM发生器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明所述的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路由主电路和控制电路组成，控制电路和主电路相连接，用于控制主电路的导通和断开。其中，主电路由MOS管4、可调稳压电源5、续流二极管6、可调电阻7、预置电阻8、预置电感9、电流传感器12以及主电路接地模块1组成，图1和图2所示的两种磁流变减振器用小延迟数控电流源电路的主电路结构完全相同，但控制电路不同。

主电路的可调稳压电源5的正极依次连接预置电阻8、预置电感9、磁流变减振器、电流传感器12、MOS管4漏极(D极)，MOS管4源极(S极)经主电路接地模块1接地，同时连接可调稳压电源5的负极。在可调稳压电源5正极与MOS管4漏极(D极)间依次连接可调电阻7和续流二极管6，续流二极管6的阳极连接于MOS管4漏极、阴极连接可调电阻7。当磁流变减振器由厂商提供，当磁流变减振器确定后，其内部的电阻10和电感11也确定，不同厂商提供的磁流变减振器型号不同，其内部的电阻10和电感11的数值也不同。电阻10的电阻值用R₁表示，电感11的电感值用L₁表示。控制电路与MOS管4相连接，控制MOS管4导通与否。

如图1所示，第一种磁流变减振器用小延迟数控电流源电路的控制电路由电源13、运算放大器14、D/A转换模块15、数字信号输入接口16、MOS管驱动电路3以及控制电路接地模块2组成。其中，数字信号输入接口16从外部输入期望电流信号，该电流为数字信号，数字信号输入接口16的输出端经D/A转换模块15连接运算放大器14的正向输入端，外部输入期望电流信号经D/A转换模块15转换为期望电流模拟信号至运算放大器14。主电路中的电流传感器12的输出端连接运算放大器14的负向输入端，电流传感器12将检测到的实际电流模拟信号传至运算放大器14中。运算放大器14的输出端连接MOS管驱动电路3的输入端，MOS管驱动电路3的输出端连接主电路中的MOS管4的栅极(G极)。电流传感器12检测的实际电流模拟信号与期望电流模拟信号在运算放大器14中进行比较，比较后的信号通过MOS管驱动电路3驱动MOS管4，当实际电流模拟信号小于期望电流模拟信号时，MOS管驱动电路3驱动MOS管4导通，从而导通主电路，当实际电流大于或等于期望电流时，则MOS管4不导通主电路。

如图2所示，第二种磁流变减振器用小延迟数控电流源电路的控制电路由A/D转换模块17、微处理器(MCU)19、PWM发生器20和数字信号输入接口18组成。其中，数字信号输入接口18从外部输入期望电流信号，数字信号输入接口18的输出端连接微处理器19的第一个输入端，期望电流数字信号I_d输入到微处理器19中。主电路中的电流传感器12的输出端经A/D转换模块17连接微处理器19的第二个输入端，微处理器19的输出端经PWM发生器20连接MOS管4的栅极(G极)。电流传感器12测得的实际电流模拟信号经A/D转换模块17转换成实际电流数字信号I_a后输入到微处理器19中，微处理器19对输入的实际电流数字信号I_a和期望电流数字信号I_d进行处理，经过计算得到占空比λ，并将占空比λ输入PWM发生器20中。占空比λ如下：

K是放大倍数，K的取值范围为[1000,5000]。当占空比λ大小等于0.001至小于等于0.999时，PWM发生器20驱动MOS管4导通，从而导通主电路。反之，主电路不能导通。

参见图1和图2所示的主电路的参数，包括可调稳压电源5的输出电压U、可调电阻7的电阻R₂。具体的确定方法是：

用电桥测出所选用磁流变减振器的电阻10和电感11，电阻值为R₁，电感值为L₁。磁流变减振器选用好后，其特性值便确定，特性值包括磁流变减振器的最大需求励磁电流I_r1(即磁流变减振器的期望电流)、磁流变减振器最大需求励磁电流允许最大响应延迟时间t₁(即磁流变减振器电流在上升阶段允许的最大响应时滞)、最大需求励磁电流I_r1下降到0时的允许误差I_r2、最大需求励磁电流I_r1下降到允许误差I_r2时的最大响应延迟时间t₂。最大需求励磁电流I_r1和允许最大响应延迟时间t₁、以及允许误差I_r2、最大响应延迟时间t₂在生产制造磁流变减振器时可根据用户的需求而定。

采用R₀＝1Ω的预置电阻8和L₀＝0.8×10^-3H的预置电感9。

可调稳压电源5的输出电压U由磁流变减振器最大需求励磁电流I_r1、磁流变减振器最大需求励磁电流允许最大响应延迟时间t₁、电阻R₀、电感L₀、电阻R₁、电感L₁确定，输出电压U通过下式计算得到：

输出电压U和允许最大响应延迟t₁为负相关，所以在实际的操作过程中可以通过适当增大输出电压U的值来减小允许最大响应延迟t₁。

可调电阻7的电阻值R₂由电阻值R₀、电感值L₀、电阻值R₁、电感值L₁磁流变减振器最大需求励磁电流I_r1、最大需求励磁电流I_r1下降到0时的允许误差I_r2、最大需求励磁电流I_r1下降到允许误差I_r2时的最大响应延迟时间t₂(即磁流变减振器电流在下降阶段允许的最大响应时滞)确定，电阻值R₂通过下式计算得到：

可调电阻值R₂和最大响应延迟t₂为负相关，所以在实际的操作过程中可以通过适当增大可调电阻值R₂来减小最大响应延迟t₂。

采用本发明提供数控电流源电路后，其跟踪控制效果图如图3所示，电流上升与下降的响应时间均约为1×10-3s，且稳态电流波动明显小，可满足磁流变减振器控制电流的小延迟高精度跟踪控制。

以下提供主电路的参数确定的一个实施例：

选择市面上一型号的磁流变减振器，用电桥测出该磁流变减振器的电阻值R₁和电感值L₁的大小分别为1.2Ω和0.8×10^-3H。根据用户需求，磁流变减振器最大需求励磁电流I_r1(即磁流变减振器的期望电流)为5A、最大需求励磁电流I_r1下降到0时的允许误差I_r2为0.02A、电流在上升阶段允许的最大响应时滞即最大需求励磁电流允许最大响应延迟时间t₁为1×10^-3s、下降到允许误差I_r2时的最大响应延迟时间t₂为1×10^-3s。根据输出电压U的计算公式得到电压值约为20V：

根据电阻值R₂下的计算公式得到电阻值约为13.26Ω：

Claims (5)

1.一种磁流变减振器用小延迟数控电流源电路，由相连接的主电路和控制电路组成，其特征是：所述的主电路由MOS管(4)、可调稳压电源(5)、续流二极管(6)、可调电阻(7)、预置电阻(8)、预置电感(9)、电流传感器(12)以及主电路接地模块(1)组成，可调稳压电源(5)的正极依次连接预置电阻(8)、预置电感(9)、磁流变减振器、电流传感器(12)、MOS管(4)漏极，MOS管(4)源极经主电路接地模块(1)接地且连接可调稳压电源(5)的负极，可调稳压电源(5)正极与MOS管(4)漏极间依次连接可调电阻(7)和续流二极管(6)，续流二极管(6)的阳极连接MOS管(4)漏极、阴极连接可调电阻(7)；

控制电路与MOS管(4)相连接，并通过主电路的电流传感器(12)检测的实际电流模拟信号与期望电流模拟信号在控制电路的运算放大器(14)中进行比较，比较后的信号通过MOS管驱动电路(3)驱动MOS管(4)，当实际电流模拟信号小于期望电流模拟信号时，MOS管驱动电路(3)驱动MOS管(4)导通，当实际电流大于或等于期望电流时，MOS管(4)不导通；

或者主电路的电流传感器(12)测得实际电流模拟信号经控制电路的A/D转换模块(17)转换成实际电流数字信号I_a输入到微处理器(19)中，微处理器(19)计算出占空比λ，当占空比λ大于等于0.001至小于等于0.999时，PWM发生器(20)驱动MOS管(4)导通，反之，主电路不导通，以实现电流源的小延迟。

2.根据权利要求1所述的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路，其特征是：所述的控制电路由电源(13)、运算放大器(14)、D/A转换模块(15)、数字信号输入接口(16)、MOS管驱动电路(3)以及控制电路接地模块(2)组成，数字信号输入接口(16)从外部输入期望电流信号，数字信号输入接口(16)的输出端经D/A转换模块(15)连接运算放大器(14)的正向输入端，所述的电流传感器(12)的输出端连接运算放大器(14)的负向输入端，运算放大器(14)的输出端连接MOS管驱动电路(3)的输入端，MOS管驱动电路(3)的输出端连接所述的MOS管(4)的栅极。

3.根据权利要求1所述的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路，其特征是：所述的控制电路由A/D转换模块(17)、微处理器(19)、PWM发生器(20)和数字信号输入接口(18)组成，数字信号输入接口(18)从外部输入期望电流信号，数字信号输入接口(18)的输出端连接微处理器(19)的第一个输入端，所述的电流传感器(12)的输出端经A/D转换模块(17)连接微处理器(19)的第二个输入端，微处理器(19)的输出端经PWM发生器(20)连接MOS管(4)的栅极。

4.根据权利要求3所述的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路，其特征是：所述的占空比λ为：

K是放大倍数，K的取值范围为[1000,5000]。

5.一种权利要求1所述的磁流变减振器用小延迟数控电流源电路的参数确定方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1)：测出所选用磁流变减振器的电阻值R₁和电感值L₁；

步骤2)：采用R₀＝1Ω的预置电阻(8)和L₀＝0.8×10^-3H的预置电感(9)；

步骤3)：通过公式计算出可调稳压电源(5)的输出电压U以及可调电阻(7)的电阻值R₂：

I_r1是磁流变减振器的最大需求励磁电流，t₁是磁流变减振器最大需求励磁电流允许最大响应延迟时间，I_r2是最大需求励磁电流I_r1下降到0时的允许误差，t₂是最大需求励磁电流I_r1下降到允许误差I_r2时的最大响应延迟时间。

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