CN117584723B - 一种动力总成悬置系统的主动减振控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动力总成悬置系统的主动减振控制装置，包括，包括主动悬置系统和控制系统，其中控制系统包括：微控制器，通信模块、反馈信号处理模块及驱动模块；微控制器分别与通信模块、反馈信号处理模块及驱动模块连接，其中主动悬置系统分别与反馈信号处理模块及驱动模块连接，通信模块与汽车连接；微控制器用于接收通信模块传输的转速信号及反馈信号处理模块采集处理的主动悬置系统的反馈信号，根据转速信号及反馈信号，生成控制信号控制驱动器驱动主动悬置系统运动。通过本发明技术方案，通过对主动悬置的控制，产生与动力总成激励大小相同，方向相反的力，进而去抵消动力总成传递到车身的振动。
Description
技术领域
本发明涉及汽车主动悬置技术领域，特别涉及一种动力总成悬置系统的主动减振控制装置。
背景技术
随着汽车工业的发展和现代生活水平的提高，人们对于车辆乘坐的舒适性有了更高的要求。受制于旋转机械固有的特点，汽车上采用的动力总成系统会不可避免地向车身传递周期变化的振动和噪声，为了减小由动力总成系统传递至车身的振动和噪声，应运而生了安装在动力总成和车身之间的减振装置—悬置系统。早期汽车的动力总成和车身之间通常使用橡胶、草垫等缓冲材料连接，以实现一定的减振功能。随着时间的推移，这一领域逐渐演变为不同类型的悬置系统，包括被动橡胶悬置、被动液阻悬置、半主动液阻悬置和主动液阻悬置。被动液阻悬置通过橡胶的阻尼和液体流动的阻尼来减小动力总成传递至车身的振动。半主动悬置本质上是一种动刚度可调的被动悬置系统，可以应对不同频率的振动。而主动悬置在被动液阻悬置的基础上加入了电磁作动器，通过电磁作动器的反作用力来抵消车身上来自动力总成的振动。
国内对于主动悬置控制器设计技术领域相对空白，国外对于主动悬置控制器设计技术相对保密。如今，主动悬置已应用在部分高端及混合动力车型。而国内还停留在算法的理论研究阶段，少有对主动悬置控制装置的研究实现，现有技术缺少对主动悬置控制器设计方案。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种动力总成悬置系统的主动减振控制装置，在搭载电磁作动器的主动悬置结构基础上，通过对电磁作动器的控制，产生与动力总成激励大小相同，方向相反的力，进而去抵消动力总成传递到车身的振动。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种动力总成悬置系统的主动减振控制装置，包括：
包括主动悬置系统和控制系统，其中控制系统包括：微控制器，通信模块、反馈信号处理模块及驱动模块；
所述微控制器分别与通信模块、反馈信号处理模块及驱动模块连接，其中所述主动悬置系统分别与所述反馈信号处理模块及驱动模块连接，所述通信模块与汽车连接；
所述微控制器用于接收所述通信模块传输的转速信号及反馈信号处理模块采集处理的主动悬置系统的反馈信号，根据转速信号及反馈信号，生成控制信号控制驱动器驱动所述主动悬置系统运动。
可选的，所述主动悬置系统通过传感器与所述反馈信号处理模块连接；其中所述传感器包括力传感器及加速度传感器。
可选的，所述控制系统还包括电源管理模块，其中所述电源管理模块用于对主动悬置系统、微控制器，通信模块、反馈信号处理模块、驱动模块及传感器进行供电。
可选的，所述反馈信号处理模块包括依次连接的恒流电源、传感器、隔直流设备、放大电路、滤波电路。
可选的，所述通信模块采用CAN通信模块，其中所述CAN通信模块采用TJA1057芯片进行CAN总线接收。
可选的，所述驱动模块包括依次连接的差分电路、TDF8599芯片及LC滤波电路，其中所述TDF8599芯片用于对差分电路的输出信号进行功率放大。
可选的，所述电源管理模块用于包括电压源、B1224S芯片、LT3902芯片、LM7805芯片、SGM3204芯片及AMS1117芯片，其中所述电压源用于提供12V电压，所述电压源与所述B1224S芯片、LT3902芯片串联，所述电压源与所述LM7805芯片、SGM3204芯片串联，其中所述AMS1117芯片与所述SGM3204芯片并联，
其中所述B1224S芯片用于将12V电压转换为24V电压，并通过LT3902芯片处理产生4mA恒流源为传感器供电；
所述LM7805芯片用于将12V电压转换为5V电压；
所述SGM3204芯片用于将5V电压转换为-5V电压为反馈信号处理模块供电；
所述AMS1117芯片用于将5V电压转换为3.3V电压为微控制器供电。
可选的，其中所述微控制器采用STM32F446RCT6芯片。
本发明具有如下技术效果：
通过上述技术方案，本发明在搭载电磁作动器的主动悬置结构基础上，通过对电磁作动器的控制，产生与动力总成激励大小相同，方向相反的力，进而去抵消动力总成传递到车身的振动。
本发明在针对混合动力汽车搭载的主动悬置减振的实际测试中取得了较为出色的效果，通过实时监测混合动力车辆的动力总成的运动状态，主动减振控制器能够精确地调整主动悬置系统的相对抗的力，以抵消动力总成传递到车身的振动，衰减率可达95%，显著提高了驾驶员和乘客乘坐的舒适性，同时本发明上述的主动减振控制装置可有效适用于混合动力汽车，同时针对燃油车也可使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的总体设计方案示意图；
图2为本发明实施例提供的反馈信号处理模块示意图；
图3为本发明实施例提供的电源管理模块示意图；
图4为本发明实施例提供的驱动模块示意图；
图5为本发明实施例提供的FxLMS算法用于主动悬置控制时的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于上述技术背景，本发明提出了一种可实车搭载的动力总成悬置系统的主动减振控制装置，该装置的实现可冲破外国主动悬置技术垄断，在主动悬置领域开始工程化，商业化有着重要的实践指导意义，还可为后续主动悬置算法研究提供必要的载体。
总体设计方案
如图1所示，动力总成悬置系统的主动减振控制装置总体由主动悬置和控制系统组成。控制系统以MCU微控制器为核心，还包括电源管理模块、CAN通信模块、反馈信号处理模块、驱动模块；
其中MCU微控制器分别与CAN通信模块、驱动模块、反馈信号处理模块连接，CAN通信模块与汽车连接，驱动模块与主动悬置（电磁作动器）连接，主动悬置通过力传感器与反馈信号处理模块连接，电源管理模块分别与CAN通信模块、微控制器、驱动模块、主动悬置（电磁作动器）、力传感器及反馈信号处理模块连接。
所述MCU微控制器用于收集分析CAN通信模块传来的转速信号和反馈信号处理模块传来的力偏差信号，并通过MCU内部的FxLMS(Filtered-x Least Mean Square)控制算法根据CAN通信模块传来的转速信息和反馈信号处理模块传来的力偏差信号生成控制信号从DAC引脚输出后，通过驱动模块增大控制信号功率去控制电磁作动器完成相应动作。其中FxLMS控制算法用于主动悬置控制时的原理框图如图5所示。
其中d(n)为期望信号（振动信号），对应主动悬置系统中动力总成振动激励经过初级通道（动力总成作为振源，激励通过悬置传递到车身/车架的物理路径）传递至车身的振动；/>是次级通道（电磁作动器作为振源，激励通过悬置传递到车身/车架的物理路径）；/>是次级通道的估计模型，即离散表达形式的次级通道传递函数。y(n)为滤波器即微控制器的输出信号（控制信号），为不断更新的权值w(n)与第一参考信号（CAN通信模块传来的转速信号）x(n)的卷积，y(n)作用于电磁作动器，后经过次级通道/>作用于实际物理结构（车身）上；第一参考信号x(n)经过次级通道的估计模型/>滤波转化为控制算法实际使用的第二参考信号/>。
次级通道的估计模型即传递函数在时域内可以用m阶FIR滤波器来表示，物理路径的次级通道/>在数学原理中等同于/>，具体的，为其脉冲响应序列，其中，m-1为脉冲响应的总数，s i 为第i个脉冲响应，i为脉冲响应编号。原理上，次级通道产生的振动抵消信号等于滤波器的输出信号与次级通道的传递函数的卷积：
（1）
其中x（n-i）为第n-i个参考信号；
误差信号（反馈信号处理模块传来的力偏差信号）为振动信号d(n)与振动抵消信号/>之和：
（2）
自适应控制器权值更新公式变为：
（3）
其中，分别为自适应控制器更新参数，/>表示下一时刻即第时刻的权值；
FxLMS算法的权值w(n)更新过程如下：
（4）
通过上述原理，本发明中的微控制器接收第一参考信号（CAN通信模块传来的转速信号）x(n)和误差信号（反馈信号处理模块传来的力偏差信号），通过微控制器对第一参考信号x(n)通过上述根据上一时刻的误差信号/>和上一时刻的第一参考信号x(n-1)生成的第二参考信号/>实时更新的参数权值w(n)进行运算，生成最终的控制信号y(n)，以实现微控制器的输出。
所述CAN通信模块与所述MCU微控制器连接，负责从汽车的CAN总线上获取混动汽车动力总成中的发动机的转速信息提供给MCU微控制器进行处理，用于为MCU微控制器内部控制算法提供有效的转速信息。
所述反馈信号处理模块与所述MCU微控制器连接，用于实时对采集的力信号进行处理，并将处理后的力信号实时传递到所述MCU微控制器；
所述驱动模块与电磁作动器连接，所述驱动模块用于将所述MCU微控制器输出的小电压控制信号转换为能够驱动电磁作动器的电压信号，同时对电压信号进行功率放大，并驱动电磁作动器按照相应控制信号运动；
所述电源管理模块与所述MCU微控制器、所述CAN通信模块、所述驱动模块和所述反馈信号处理模块连接，用于给各模块供电。
主控芯片MCU微控制器使用STM32F446RCT6芯片，其中，主控芯片包含2个12位的ADC，2个12位DAC，256KB的Flash，128KB SRAM。
如图2所示，反馈信号处理是指对PCB208C02力传感器或PCB333B30加速度传感器的信号进行处理，由于力传感器和加速度传感器均为IEPE（Integrated ElectronicsPiezo-Electric）类型传感器，需要外部恒流源供电才能正常工作，反馈信号处理模块包括依次连接的隔直流设备、放大电路及滤波电路，通过对传感器中的信号分别进行功率放大及滤波处理后，传输到微控制器中。
如图4所示，驱动模块由差分电路，TDF8599芯片，LC滤波电路组成，差分电路单端信号转为差分信号，进而进入TDF8599芯片进行功率放大，随后通过LC滤波得到功率放大后的控制信号来驱动电磁作动器。
CAN通信模块采用TJA1057芯片完成CAN总线接收。
如图3所示，电源管理模块将12V输入，通过B1224S转换为24V给LT3902供电产生4mA恒流源给传感器供电；12V同时通过LM7805转换为5V，5V通过SGM3204转换为-5V，均为反馈信号处理模块供电；5V同时也通过AMS1117转换为3.3V为主控芯片即微控制器供电。
本发明在主动悬置减振的实际测试中取得了较为出色的效果，通过实时监测车辆的动力总成的运动状态，主动减振控制器能够精确地调整悬置系统，以抵消动力总成传递到车身的振动，衰减率可达95%，显著提高了驾驶员和乘客乘坐的舒适性。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种动力总成悬置系统的主动减振控制装置，其特征在于，包括：
包括主动悬置系统和控制系统，其中控制系统包括：微控制器，通信模块、反馈信号处理模块及驱动模块；
所述微控制器分别与通信模块、反馈信号处理模块及驱动模块连接，其中所述主动悬置系统分别与所述反馈信号处理模块及驱动模块连接，所述通信模块与汽车连接；
所述微控制器用于接收所述通信模块传输的转速信号及反馈信号处理模块处理的主动悬置系统的反馈信号，根据转速信号及反馈信号，生成控制信号控制驱动器驱动所述主动悬置系统运动；
所述驱动模块包括依次连接的差分电路、TDF8599芯片及LC滤波电路，其中所述TDF8599芯片用于对差分电路的输出信号进行功率放大；
通过微控制器内部的FxLMS控制算法根据CAN通信模块传来的转速信息和反馈信号处理模块传来的力偏差信号即反馈信号生成控制信号从DAC引脚输出后，通过驱动模块增大控制信号功率去控制电磁作动器完成相应动作；
其中d(n)为期望信号，所述期望信号为振动信号，对应主动悬置系统中动力总成振动激励经过初级通道传递至车身的振动，所述初级通道为动力总成作为振源，激励通过悬置传递到车身/车架的物理路径；/>是次级通道，所述次级通道为电磁作动器作为振源，激励通过悬置传递到车身/车架的物理路径；/>是次级通道的估计模型，即离散表达形式的次级通道传递函数；y(n)为滤波器即微控制器的输出信号，所述输出信号为控制信号，为不断更新的权值w(n)与第一参考信号x(n)的卷积，y(n)作用于电磁作动器，后经过次级通道/>作用于车身上，所述第一参考信号为CAN通信模块传来的转速信号；第一参考信号x(n)经过次级通道的估计模型/>滤波转化为控制算法实际使用的第二参考信号/>；
次级通道的估计模型即传递函数在时域内可以用m阶FIR滤波器来表示，物理路径的次级通道/>在数学原理中等同于/>，具体的，/>，为其脉冲响应序列，其中，m-1为脉冲响应的总数，s i 为第i个脉冲响应，i为脉冲响应编号；原理上，次级通道产生的振动抵消信号/>等于滤波器的输出信号与次级通道的传递函数的卷积：
（1）
其中x（n-i）为第n-i个参考信号；
误差信号为振动信号d(n)与振动抵消信号/>之和，其中，所述误差信号为反馈信号处理模块传来的力偏差信号：
（2）
自适应控制器权值更新公式变为：
（3）
其中，、/>分别为自适应控制器更新参数，/>表示下一时刻即第/>时刻的权值；
FxLMS算法的权值w(n)更新过程如下：
（4）
通过上述原理，微控制器接收第一参考信号x(n)和误差信号，通过微控制器对第一参考信号x(n)通过根据上一时刻的误差信号/>和上一时刻的第一参考信号x(n-1)生成的第二参考信号/>实时更新的参数权值w(n)进行运算，生成最终的控制信号y(n)，以实现微控制器的输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述主动悬置系统通过传感器与所述反馈信号处理模块连接；其中所述传感器包括力传感器及加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述控制系统还包括电源管理模块，其中所述电源管理模块用于对主动悬置系统、微控制器，通信模块、反馈信号处理模块、驱动模块及传感器进行供电。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述反馈信号处理模块包括依次连接的恒流电源、传感器、隔直流设备、放大电路、滤波电路。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述通信模块采用CAN通信模块，其中所述CAN通信模块采用TJA1057芯片进行CAN总线接收。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：
所述电源管理模块用于包括电压源、B1224S芯片、LT3902芯片、LM7805芯片、SGM3204芯片及AMS1117芯片，其中所述电压源用于提供12V电压，所述电压源与所述B1224S芯片、LT3902芯片串联，所述电压源与所述LM7805芯片、SGM3204芯片串联，其中所述AMS1117芯片与所述SGM3204芯片并联，
其中所述B1224S芯片用于将12V电压转换为24V电压，并通过LT3902芯片处理产生4mA恒流源为传感器供电；
所述LM7805芯片用于将12V电压转换为5V电压；
所述SGM3204芯片用于将5V电压转换为-5V电压为反馈信号处理模块供电；
所述AMS1117芯片用于将5V电压转换为3.3V电压为微控制器供电。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
其中所述微控制器采用STM32F446RCT6芯片。
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