CN202703170U

CN202703170U - 基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ecu系统

Info

Publication number: CN202703170U
Application number: CN 201220119524
Authority: CN
Inventors: 资小林; 李霖; 谌文思; 潘杰锋; 邱宝象; 郭增均
Original assignee: Wanxiang Qianchao Co Ltd; Wanxiang Group Corp
Current assignee: Wanxiang Qianchao Co Ltd; Wanxiang Group Corp
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2022-03-27

Abstract

本实用新型涉及一种基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统，ECU电源管理模块、故障诊断与安全处理模块与处理器相连接；信号采集模块包括加速度传感器和信号调理电路，传感器信号进行放大滤波后输入至处理器；磁流变减震器驱动控制模块由执行器电源管理、PWM驱动输出控制和执行器电流反馈电路组成，用于对处理器输出的PWM波形进行放大输出目标电流控制磁流变减震器的电磁线圈，并实时反馈电磁线圈的实际电流至处理器，通过闭环控制补偿输出的电流使得实际工作电流接近目标值。本实用新型有益的效果：提供一种响应速度快、输出精度高、功耗低和具有通信功能并适应汽车级复杂工况环境的基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统。

Description

基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统

技术领域

本实用新型涉及一种电控半主动或主动悬架的ECU控制器，主要是一种基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统。

背景技术

磁流变液(Magnetorheological Fluid，简称MR流体)是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的一种智能材料。在外加磁场作用下，磁流变液的流变特性发生变化，并且随着外加磁场强度的变化而变化。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此被广泛应用在汽车、建筑、桥梁、机械和军工等领域。

汽车悬架是指由车身与轮胎间的弹簧和减震器组成整个支持系统。其作用是传递作用在车轮和车架之间的力，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。因此悬架系统决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。根据悬架弹簧刚度系数和减震器阻尼系数是否可调，汽车悬架被可分为被动、半主动和主动悬架。半主动悬架系统一般由传感器、控制器、驱动器和执行器组成，具有在一定范围内对减震器阻尼系数或者弹簧刚度系统进行调节的功能。

汽车磁流变液减震器是通过改变驱动电流的大小调节减震器阻尼通道的磁场强度，使得阻尼通道中的磁流变液体产生磁流变效应。随着磁场强度的增加，磁流变效应越显著，因此只要调节磁流变减震器的电流就能达到对减震器阻尼力控制的目的，具有可逆性(磁场消除后磁流变液能恢复原始状态)、动态范围广(输出阻尼力大小变化明显)、无级可调、响应频率高(ms毫秒级)、功耗低和结构简单等特点。

如何使得磁流变液减震器随着车辆运行工况的变化持续控制减震器动态响应和调节阻尼力的精确输出以达到汽车平顺性和操纵稳定性的最优效果是基于磁流变液减震器的半主动悬架的核心技术。现有技术中采用8位单片机作为ECU控制器，存在输入信号采样分辨率不高、处理器因吞吐量小，主频低而造成响应速度低、PWM驱动控制精度不高和无法实现软硬件相结合的故障诊断以及系统安全监控措施。

实用新型内容

针对上述磁流变减震器的核心技术问题以及现有技术的不足，本实用新型提供一种响应速度快、输出精度高、功耗低和具有通信功能并适应汽车级复杂工况环境的基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统，包括ECU硬件和软件系统部分；由ECU电源管理模块、信号采集模块、处理器系统模块、故障诊断与安全处理模块、CAN总线通信模块、磁流变减震器驱动控制模块和软件系统模块组成；其中软件系统模块由ECU基础软件(BSW)和应用软件(ASW)组成两大部分组成。ECU电源管理模块与处理器相连接，用于对12V蓄电池(车用电源)电压进行线性稳压并输出ECU控制器的5V工作电压，同时实现对ECU单片处理器的上电复位和硬件看门狗处理功能；信号采集模块包括加速度传感器和信号调理电路，传感器信号进行放大滤波后输入至处理器；故障诊断与安全处理模块与处理器相连接，用于ECU数据监控和故障处理；磁流变减震器驱动控制模块与处理器相连接，磁流变减震器驱动控制模块由执行器电源管理、PWM驱动输出控制和执行器电流反馈电路组成，用于对处理器输出的PWM波形进行放大输出目标电流控制磁流变减震器的电磁线圈，并实时反馈电磁线圈的实际电流至处理器，通过闭环控制补偿输出的电流使得实际工作电流接近目标值，以达到精准调节减震器阻尼力。

信号采集模块将传感器信号进行放大滤波后输入至处理器。本实用新型的ECU控制器针对模拟和数字式不同接口的传感器类型设计了相应采集处理电路，对于模拟式传感器经过放大电路后将信号幅值放大至0～5V的信号并通过低通滤波器滤波后输入至处理器的ADC接口；数字式SPI接口传感器按照SPI接口标准连接至处理器，软件实现SPI接口驱动程序并读取传感器的数据信号。由于本实用新型基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统控制算法需要计算车辆簧载质量的垂向振动绝对速度以及簧载质量与非簧载质量之间的相对振动速度，通过安装在减震器顶端和汽车后座底部的垂直加速度传感器采集振动加速度信号并通过软件计算得到控制算法的输入振动信号。

处理器系统模块主要由硬件和软件组成，其硬件是实现汽车级单片处理器的最小系统，主要提供精准的外部系统时钟信号，可靠的处理器复位信号以及保障处理器正常工作的精确电源和正确的输入输出I/O口配置。软件是本实用新型的ECU控制器系统的核心，输入信号的处理计算，控制算法的实施、控制补偿计算与PWM占空比输出、ECU故障诊断与安全监控、CAN通信应用等都是通过软件实现。

故障诊断与安全处理模块主要实现ECU数据监控和故障处理，保证系统安全可靠工作的功能，由故障诊断和安全处理两个模块组成。故障诊断功能能够对ECU运行情况进行实时监控，当ECU出现故障时能判断故障信息并以故障码存储在ECU内部的存储器中，维护人员通过诊断工具能够读取故障码并通过显示的故障信息判断故障原因。本实用新型的故障检测主要包括输入信号(传感器)功能检测、单片处理器功能检测、执行器电源及高边智能功率开关功能检测、低边驱动智能器件检测、以及ECU各模块电流和温度的监控。安全处理模块通过硬件冗余设计防止电磁干扰、静电防护、浪涌冲击等危害，通过软件加密和陷阱植入技术实现ECU系统安全可靠运行，并防止软件非法拷贝和处理软件工作异常。

CAN总线通信模块由CAN总线接口和CAN2.0标准驱动程序组成，CAN总线接口由处理器的CAN2.0控制器同CAN2.0标准收发器组成，由CAN2.0标准收发器的差分数据线接入CAN网络。通过CAN总线能够实现ECU参数标定、故障诊断、软件升级与维护、ECU之间共享信息等功能。

磁流变减震器驱动控制模块由执行器电源管理、PWM驱动输出控制和执行器电流反馈电路组成。主要功能是对处理器输出的PWM波形进行放大输出目标电流控制磁流变减震器的电磁线圈，并实时反馈电磁线圈的实际电流至处理器，通过闭环控制补偿输出的电流使得实际工作电流接近目标值，以达到精准调节减震器阻尼力的效果。

软件系统模块是在ECU控制器硬件平台的基础上，在集成开发环境下开发设计的，并最终嵌入在ECU控制器硬件平台运行。软件系统分为基础软件和任务应用软件，由硬件接口层、硬件驱动层和任务应用层组成，其中基础软件包括接口和驱动层部分，主要完成对ECU硬件平台的初始化和为应用软件提供引导、驱动、时钟、中断和调度等运行环境准备。应用软件则由彼此独立且相互联系的任务模块组成，通过基础软件提供的实时调度管理机制和配套的API驱动函数实现诸如信号采集处理、控制算法应用、通信应用等任务的实时可靠工作。实时任务调度管理机制的原理是通过定时器中断分别产生500微秒、1毫秒和5毫秒三个任务级中断，并将系统的任务按照优先级先分成3个定时中断级别，同时每个级别内的任务按照动态优先级通过有限状态机进行二次调度，这种两级层层调度的机制确保了高优先级的任务优先占用硬件资源并运行，使得基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU控制器系统能够实时保证在1秒钟内进行1000次的持续控制调节并能实时可靠处理诸如信号采集、处理、运算、诊断和通信等多任务应用。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统，采用汽车级16位高速处理器芯片，最高工作频率可达100Mhz，整个ECU控制器硬件系统工作电流在150mA左右，功率不足1W。1秒钟内能够进行1000次的持续控制调节，不仅简化了ECU的电路设计，降低系统功耗，同时在实现复杂的控制算法和系统应用管理上具有响应速度快、控制精度高、灵活适应性强、无零点漂移和实时性的特点。

本实用新型采用数字/模拟式接口的信号采集，能够兼容模拟或者数字式的传感器接口。模拟传感器经过放大滤波处理后输入至处理器的ADC接口，12位分辨率的ADC接口转换率可达100us，完全能够实现对0～100hz左右的振动加速度信号处理。采用SPI接口可以实现对数字式加速度传感器或者温度传感器信号的采集，SPI接口能够满足波特率达10Mbps的传感器信号采集。

本实用新型采用高低边智能功率器件控制驱动执行器的技术，其中高边智能功率器件实现执行器电源的控制管理以及高边电压过流、过压、短路和温度监控的功能，低边智能功率器件实现PWM控制执行器平均电流和低边器件故障处理功能。具有4路输出控制分别实现对汽车半主动悬架前后4个磁流变液减震器的电磁执行器控制。采用定频调宽的方式输出16位周期为10khz，占空比不断变化的PWM波形，其动态调节时间为100us，精度可达2¹⁶合65536的分辨率。本实用新型驱动控制处理采用低阻值、高精度、高功率的精密电阻串接在执行器电磁线圈上实现对实际电流值采样的闭环控制，采用瞬态逆变二极管(TVS)并联在电磁线圈上拟制驱动器开关瞬间感性负载端形成的反向瞬态能量冲击。

本实用新型采用CAN2.0标准协议的通信接口实现高速CAN总线通信功能，通信速率可达1Mbps，能够实现ECU控制器在汽车CAN总线网络中的集成与兼容。

附图说明

图1为基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统硬件原理框图。

图2为基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统控制器软件结构框图。

图3为基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统控制器软件流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：

如图1所示为本实用新型所述优选实施例提供的一种ECU控制器硬件系统原理框图。由信号调理、电源及系统管理、处理器单元、执行器驱动控制、故障诊断与安全处理、CAN通信接口等模块组成。所述实用新型ECU控制器实施例优选飞思卡尔公司的新一代双核微处理器的MC9S12XET256单片机芯片，此单片处理器具有32位性能与16位MCU的所有优点和功效，同时保留了飞思卡尔现有16位S12和S12X内核低成本、低功耗、EMC和高效的代码率等特点，是专门应用于汽车底盘安全及车身控制的处理器芯片。BDM接口是MC9S12XET256处理器芯片的软件调试仿真硬件接口，在IDE集成开发环境下对基于MC9S12XET256处理器的ECU软件进行调试、仿真和烧写。MC9S12XET256处理器实现ECU控制系统的输入信号采集与处理、控制算法的运算、执行器PWM控制输出、故障诊断与系统安全监控、CAN总线通信等功能。

本实用新型优选实施例的信号输入选用模拟式垂直加速度传感器，能够输出0～5V、幅值为+/-3g、频率响应(0～200hz范围)、非线性误差在+/-50mg左右的垂直振动信号，通过低通滤波器后直接输入至单片处理器的ADC(analog-to-digital converters)采样处理。单片处理器的ADC通道也负责对执行器电源控制单元的电流反馈信号，执行器电流反馈信号以及ECU控制系统温度传感器的温度信号的采样处理。

本实用新型优选实施例的驱动控制输出由执行器电源控制、执行器驱动控制和执行器检流反馈组成，可以控制2到4路减震器电磁线圈的电流控制。处理器I/O口连接智能高边功率开关器件，控制对执行器电磁线圈电源的安全管理，处理器PWM信号输出通道连接智能低边控制开关器件，以实现对执行器电磁线圈供电回路的频繁通断来达到控制电磁线圈工作电流的目的。低阻值、高精度的采样电阻串接在执行器的电磁线圈回路上，采样电阻两端的电压差经过放大滤波后输入至处理器的ADC通过实现对执行器回路实际工作电流的反馈。

如图2所示为本实用新型实施例的ECU软件结构框图。ECU控制器硬件平台是软件运行的基础，软件源代码经过编译-链接-综合后形成的二进制码文件被烧写到单片处理器后在ECU控制器硬件系统正常情况下工作。IDE集成开发环境是软件开发工具，只有在针对MC9S12XET256处理器的集成开发环境下才能完成软件源代码的编译调试、修改优化、map文件配置、仿真监控、测试评估等工作。ECU软件具有嵌入式软件的一般层次结构，由基础软件和应用软件组成。其中基础软件完成硬件抽象层和驱动层的工作，应用软件在基础软件的基础上实现ECU各个应用任务的功能。硬件抽象层主要实现处理器和ECU硬件的初始化配置、寄存器地址和功能定义、外设接口的初始化配置，使软件能够脱离硬件电气特性直接通过逻辑状态来实现对硬件的驱动与控制。驱动层主要是为应用层提供运行环境，使得应用层的任务组件能够彻底脱离硬件系统，实现任务功能。驱动层主要实现系统引导、驱动管理、通信管理、时钟管理、存储管理和任务调度管理的功能。

如图3所示为本实用新型的软件工作流程图，通过两级任务调度控制算法实现了包括信号处理、算法处理、通信处理和诊断处理等多事物的实时性、可靠性的协同工作。软件系统由系统初始化、ECU硬件自检和主程序循环组成。

系统复位完成硬件上电开机后软件初始状态的配置；系统初始化主要包括程序指针引导，处理器内核的时钟频率，电源安全节能控制管理初始化；外设初始化完成处理器I/O口、SPI接口、ADC转换器、CAN接口控制器、PWM控制器等接口的初始化工作；系统变量初始化完成软件的全局变量和数据结构体的初始化配置；配置系统参数通过从EEPROM存储器中读取系统参数并初始化相应配置；任务调度初始化完成对系统应用任务组件的优先级及暂存配置的初始化。ECU硬件自检完成对ECU控制器硬件系统的核心器件的异常监控，主要检查判断信号采集端、执行器电源端、控制输出端的正常工作，如任何部位出现异常将转入报警及异常处理流程，直至异常排除为止。

主程序循环的核心是两级任务调度管理机制，第一级设置500us、1ms、5ms三个定时中断级别。将输入信号采集和反馈信号采集处理等响应快处理时间短的任务归为500us中断任务级；将数据运算、算法处理、误差补偿和PWM输出这些核心任务归为1ms中断任务级，确保系统能在1秒钟实现1000次的动态调节；同时将系统标定、诊断、软件维护和通信应用等处理时间长的任务归为5ms定时中断任务级。而每个定时中断到来时即转入相应中断任务级的流程，同时中断任务级内则通过有限状态机的方式动态调度不同应用任务的执行，如此整个ECU控制器软件系统以无限循环的运行方式工作。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims

1.一种基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统，其特征在于：主要包括处理器，ECU电源管理模块与处理器相连接，用于对12V车用电源电压进行线性稳压并输出ECU控制器的5V工作电压，同时实现对ECU单片处理器的上电复位和硬件看门狗处理功能；信号采集模块包括加速度传感器和信号调理电路，传感器信号进行放大滤波后输入至处理器；故障诊断与安全处理模块与处理器相连接，用于ECU数据监控和故障处理；磁流变减震器驱动控制模块与处理器相连接，磁流变减震器驱动控制模块由执行器电源管理、PWM驱动输出控制和执行器电流反馈电路组成，用于对处理器输出的PWM波形进行放大输出目标电流控制磁流变减震器的电磁线圈，并实时反馈电磁线圈的实际电流至处理器，通过闭环控制补偿输出的电流使得实际工作电流接近目标值，以达到精准调节减震器阻尼力。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统，其特征在于：处理器的ADC接口处输入有通过低通滤波器滤波的信号，该信号是由模拟式传感器经过放大电路后将信号幅值放大至0~5V的信号；处理器按照SPI接口标准连接有数字式SPI接口传感器。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变液减震器的电控半主动悬架ECU系统，其特征在于：在减震器顶端和汽车后座底部安装有垂直加速度传感器采集振动加速度信号并通过计算得到控制算法的输入振动信号。