專(zhuān)利名稱(chēng)：磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減振技術(shù)，特別是涉及一種汽車(chē)半主動(dòng)懸架的磁流變液減振器的電子控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
懸掛系統(tǒng)是現(xiàn)代轎車(chē)的重要組成部分，它除了承受車(chē)身靜載荷外，還承擔(dān)著隔離來(lái)自路面不平激勵(lì)所引起的車(chē)輛振動(dòng)的重要作用。根據(jù)懸架彈性和阻尼參數(shù)是否可調(diào)，汽車(chē)懸架可分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)一般是由彈簧和可控阻尼減振器組成，可控阻尼減振器可以根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行條件適時(shí)地對(duì)減振器阻尼系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與彈性元件的最佳匹配，以改善車(chē)輛乘座舒適性、操縱穩(wěn)定性及安全性。隨著高速轎車(chē)的發(fā)展，人們對(duì)其行使的平順性及操縱的穩(wěn)定性等多種使用性能提出了越來(lái)越高的要求。
隨著新型“智能”材料的發(fā)展，以電流變液體和磁流變液體為減振液的減振器得到了應(yīng)用，該減振器通過(guò)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)改變減振器內(nèi)工作液的屈服應(yīng)力和粘度以獲得阻尼的連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，磁流變液體與電流變液體相比，具有屈服應(yīng)力高、控制電壓及電流低、工作溫度范圍寬以及對(duì)雜質(zhì)不敏感性等優(yōu)點(diǎn)?；诖帕髯円后w所研制的磁流變減振器，通過(guò)改變勵(lì)磁線圈電流的大小來(lái)獲得不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，使其工作缸內(nèi)磁流變液的表現(xiàn)粘度發(fā)生變化，從而改變阻尼力的大小，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、阻尼變化明顯、動(dòng)態(tài)范圍廣、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和對(duì)常規(guī)減振器結(jié)構(gòu)改動(dòng)小等特點(diǎn)。
磁流變液減振器的控制關(guān)系到減振器動(dòng)態(tài)響應(yīng)和阻尼力的精確控制，直接影響磁流變液半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的性能，因而低成本、性能卓越的磁流變液減振器的控制器的研制對(duì)于開(kāi)發(fā)應(yīng)用磁流變液半主動(dòng)懸架具有重要意義。而在控制器的研制中，如何獲得簧載質(zhì)量的絕對(duì)振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的絕對(duì)振動(dòng)速度，是實(shí)施控制器中的天棚阻尼控制的最大難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種低成本、控制精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、能有效實(shí)施天棚阻尼控制的磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提供的一種磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，半主動(dòng)懸架的減振器回路由車(chē)載電源、功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET、減振器線圈和采樣電阻串聯(lián)組成，二極管的正極連接MOSFET的源極，二極管的負(fù)極接地；一8位微控制器芯片及其接口電路，用于產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)；一濾波及偏置電路，其輸出端連接微控制器，用于對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波和電壓偏置的處理；其特征在于，還包括至少一路MOSFET控制通道，分別連接微控制器的輸出端和減振器電路中MOSFET的柵極，用于控制MOSFET的導(dǎo)通電流；每路MOSFET控制通道設(shè)有一PWM減振器線圈電流調(diào)節(jié)電路，微控制器的一脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸出端經(jīng)平滑濾波電路連接電流調(diào)節(jié)電路的輸入端；一MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路，電流調(diào)節(jié)電路的輸出端經(jīng)與門(mén)連接MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接MOSFET的柵極；
一減振器線圈電流檢測(cè)電路，減振器回路的采樣電阻連接減振器線圈的一端，輸入經(jīng)過(guò)濾波放大，其輸出端連接電流調(diào)節(jié)電路的另一輸入端；一過(guò)流保護(hù)電路，由MOSFET的柵極輸入，其輸出端連接微控制器的一中斷保護(hù)輸入端，微控制器的一過(guò)流保護(hù)控制輸出至與門(mén)的另一輸入端；傳感器信號(hào)經(jīng)電壓偏置電路的濾波和電壓偏置的處理后輸出至微控制器，所述微控制器的軟件部分，根據(jù)簧載質(zhì)量的垂向加速度信號(hào)，分別使用偽積分處理算法、高通濾波算法來(lái)估計(jì)出簧載質(zhì)量的垂直振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的絕對(duì)振動(dòng)速度，再利用實(shí)時(shí)性較高、增益可調(diào)的天棚阻尼控制算法和復(fù)雜的插值運(yùn)算計(jì)算出減振器線圈的目標(biāo)電流值；所述目標(biāo)電流值與所述減振器線圈電流檢測(cè)電路輸入的電流反饋值，在所述電流調(diào)節(jié)電路中比較后產(chǎn)生MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)所述與門(mén)、所述MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)所述減振器電路的所述開(kāi)關(guān)器件MOSFET的導(dǎo)通(動(dòng)作)，以實(shí)現(xiàn)減振器線圈電流的可靠調(diào)節(jié)；當(dāng)MOSFET全導(dǎo)通時(shí)，所述過(guò)流保護(hù)電路產(chǎn)生中斷信號(hào)，并通過(guò)所述微控制器的過(guò)流保護(hù)控制輸出端(通用輸出口)經(jīng)所述與門(mén)封鎖MOSFET上的柵極導(dǎo)通電壓，以保護(hù)功率MOSFET不受損壞。
較佳地，所述MOSFET控制通道和對(duì)應(yīng)控制的減振器電路為二路。
較佳地，所述微控制器的目標(biāo)電流值的輸出采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，以提高磁流變液減振器線圈電流的調(diào)節(jié)精度。
較佳地，所述微控制器的軟件部分，主要實(shí)現(xiàn)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采集、簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的相對(duì)速度的濾波估計(jì)、減振器線圈目標(biāo)電流查表插值及PWM信號(hào)的輸出等功能；所述軟件程序流程1)初始化系統(tǒng)，啟動(dòng)中斷輸入輸出口；2)主程序開(kāi)始定時(shí)；3)判斷MOSFET是否全導(dǎo)通？是則轉(zhuǎn)至10)，否則轉(zhuǎn)至4)；
4)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采樣；5)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的相對(duì)速度的濾波估計(jì)；6)增益可調(diào)的天棚阻尼控制算法的實(shí)施；7)復(fù)雜的查表插值減振器線圈電流目標(biāo)值的確定；8)輸出PWM信號(hào)占空比的計(jì)算；9)輸出PWM信號(hào)；轉(zhuǎn)至11)；10)封鎖MOSFET；11)定時(shí)到否？是則轉(zhuǎn)至12)，否則轉(zhuǎn)至3)；12)關(guān)輸出。
利用本發(fā)明提供的磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，由于采用微控制器的軟件部分能根據(jù)簧載質(zhì)量的垂向加速度信號(hào)，分別使用偽積分處理算法、高通濾波算法來(lái)估計(jì)出簧載質(zhì)量的垂直振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的絕對(duì)振動(dòng)速度，再利用實(shí)時(shí)性較高、增益可調(diào)的天棚阻尼控制算法和復(fù)雜的插值運(yùn)算計(jì)算出減振器線圈的目標(biāo)電流值，以控制所述開(kāi)關(guān)器件MOSFET的導(dǎo)通(動(dòng)作)，從而有效實(shí)施減振器的天棚阻尼控制；由于采用電路簡(jiǎn)單的電子控制器，使本發(fā)明具有低成本、控制精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及控制過(guò)程穩(wěn)定等特點(diǎn)；由于所述微控制器的目標(biāo)電流值的輸出采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，從而提高磁流變液減振器線圈電流的調(diào)節(jié)精度；在本發(fā)明實(shí)施例中，該磁流變液半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)能確保減振器線圈電流在0～3A范圍連續(xù)可調(diào)，控制控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于3ms，與某企業(yè)磁流變液減振器匹配并集成安裝于Passat B5轎車(chē)，通過(guò)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)，可使車(chē)輛乘座舒適性改善15％。另外該電子控制器ECU通過(guò)跳線可用作恒流源，在12V車(chē)載電壓下，使減振器線圈輸出0A～3A的可控電流。軟、硬件稍作改進(jìn)，便可與各種磁流變液減振器匹配并運(yùn)用于各種車(chē)型。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器及恒流源電路結(jié)構(gòu)的原理框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器的軟件程序流程框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合

對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，半主動(dòng)懸架的減振器回路由車(chē)載電源、功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET、減振器線圈和采樣電阻串聯(lián)組成，二極管的正極連接MOSFET的源極，二極管的負(fù)極接地；所述電子控制器包括一8位微控制器芯片(Atmel 89C51CC01)及其接口電路，用于產(chǎn)生控制信號(hào)；一濾波及偏置電路，其輸出端連接微控制器，用于對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波和電壓偏置的處理；兩路MOSFET控制通道，分別連接微控制器的輸出端和減振器電路中MOSFET的控制極(柵極)，用于控制(調(diào)節(jié))開(kāi)關(guān)器件MOSFET的導(dǎo)通電流；每路MOSFET控制通道設(shè)有一PWM減振器線圈電流調(diào)節(jié)電路(TL494)，微控制器的一脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸出端經(jīng)平滑濾波電路連接電流調(diào)節(jié)電路的輸入端；一MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路(IR2103)，電流調(diào)節(jié)電路的輸出端經(jīng)與門(mén)連接MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接MOSFET的柵極；
一減振器線圈電流檢測(cè)電路，減振器回路的采樣電阻連接減振器線圈的一端，輸入經(jīng)過(guò)濾波放大，其輸出端連接電流調(diào)節(jié)電路的另一輸入端；一過(guò)流保護(hù)電路，由MOSFET的柵極輸入，其輸出端連接微控制器的一中斷保護(hù)輸入端，微控制器的一過(guò)流保護(hù)控制輸出至與門(mén)的另一輸入端；在本發(fā)明的實(shí)施例中，也可以設(shè)有一(或四)路MOSFET控制通道和對(duì)應(yīng)控制的減振器電路。
由于所述微控制器ATMEL89C51CC01采用+3V的供電電壓，只能對(duì)0～3V的信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，所以傳感器輸入的信號(hào)①和②需經(jīng)所述(濾波及)電壓偏置電路的濾波和電壓偏置后，才能送至所述微處理器；所述微處理器根據(jù)輸入的簧載質(zhì)量的垂向加速度信號(hào)，濾波估計(jì)出車(chē)體垂向速度和懸架相對(duì)變形量，再根據(jù)實(shí)時(shí)性較高、增益可調(diào)的天棚阻尼控制算法和復(fù)雜的插值運(yùn)算計(jì)算出減振器線圈的目標(biāo)電流值I1*和I2*，所述目標(biāo)電流值I1*和I2*與減振器線圈電流檢測(cè)電路輸入的電流反饋值i1f和i2f，在所述電流調(diào)節(jié)電路中比較后產(chǎn)生MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)與門(mén)、MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)集成電路(IR2103)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件MOSFET的導(dǎo)通(動(dòng)作)，以實(shí)現(xiàn)減振器線圈電流的可靠調(diào)節(jié)。當(dāng)MOSFET的全導(dǎo)通時(shí)，所述過(guò)流保護(hù)電路產(chǎn)生中斷信號(hào)，并通過(guò)微控制器的過(guò)流保護(hù)控制輸出端(通用輸出口)經(jīng)與門(mén)封鎖MOSFET上的柵極導(dǎo)通電壓，以保護(hù)功率MOSFET不受損壞。
本發(fā)明的實(shí)施例中，電子控制器ECU采用Atmel公司第一代帶有CAN控制器的高性能8位微控制器芯片89C51CC01，是在滿(mǎn)足使用要求的前題下，綜合考慮性?xún)r(jià)比、控制算法的復(fù)雜速度及實(shí)時(shí)性、輸入輸出通道數(shù)目、存儲(chǔ)器容量、在線編程的方便性及可擴(kuò)展性等因素。本發(fā)明的實(shí)施例中，還采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)以提高磁流變液減振器線圈電流調(diào)節(jié)精度；所述電流調(diào)節(jié)電路，采用TL494單相PWM控制芯片，該芯片通過(guò)調(diào)節(jié)外接電容和電阻，可改變鋸齒波發(fā)生器的振蕩頻率，且其內(nèi)部自帶5V穩(wěn)壓電源，且集成有運(yùn)算放大器，只需很少的RC分立元件就可實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)器的電流調(diào)節(jié)，具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉以及控制過(guò)程穩(wěn)定等特點(diǎn)。
參見(jiàn)圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器的軟件采用C51編程語(yǔ)言，主要實(shí)現(xiàn)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采集、簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的相對(duì)速度的濾波估計(jì)、減振器線圈目標(biāo)電流查表插值及PWM信號(hào)的輸出等功能；所述軟件程序流程1)初始化系統(tǒng)，啟動(dòng)中斷輸入輸出口；2)主程序開(kāi)始定時(shí)；3)判斷MOSFET是否全導(dǎo)通？是則轉(zhuǎn)至10)，否則轉(zhuǎn)至4)；4)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采樣；5)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的相對(duì)速度的濾波估計(jì)；6)增益可調(diào)的天棚阻尼控制算法的實(shí)施；7)復(fù)雜的查表插值減振器線圈電流目標(biāo)值的確定；8)輸出PWM信號(hào)占空比的計(jì)算；9)輸出PWM信號(hào)；轉(zhuǎn)至11)；10)封鎖MOSFET；11)定時(shí)到否？是則轉(zhuǎn)至12)，否則轉(zhuǎn)至3)；12)關(guān)輸出。
權(quán)利要求
1.一種磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，其中減振器回路由車(chē)載電源、功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET、減振器線圈和采樣電阻串聯(lián)組成，二極管的正極連接MOSFET的源極，二極管的負(fù)極接地；所述電子控制器包括一8位微控制器芯片及其接口電路，用于產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)；一濾波及偏置電路，其輸出端連接微控制器，用于對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波和電壓偏置的處理；其特征在于，還包括至少一路MOSFET控制通道，分別連接微控制器的輸出端和減振器電路中MOSFET的柵極，用于控制MOSFET的導(dǎo)通電流；每路MOSFET控制通道設(shè)有一PWM減振器線圈電流調(diào)節(jié)電路，微控制器的一脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸出端經(jīng)平滑濾波電路連接電流調(diào)節(jié)電路的輸入端；一MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路，電流調(diào)節(jié)電路的輸出端經(jīng)與門(mén)連接MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接MOSFET的柵極；一減振器線圈電流檢測(cè)電路，減振器回路的采樣電阻連接減振器線圈的一端，輸入經(jīng)過(guò)濾波放大，其輸出端連接電流調(diào)節(jié)電路的另一輸入端；一過(guò)流保護(hù)電路，由MOSFET的柵極輸入，其輸出端連接微控制器的一中斷保護(hù)輸入端，微控制器的一過(guò)流保護(hù)控制輸出至與門(mén)的另一輸入端；傳感器信號(hào)經(jīng)電壓偏置電路的濾波和電壓偏置的處理后輸出至微控制器，所述微控制器的軟件部分，根據(jù)簧載質(zhì)量的垂向加速度信號(hào)，分別使用偽積分處理算法、高通濾波算法來(lái)估計(jì)出簧載質(zhì)量的垂直振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的絕對(duì)振動(dòng)速度，再利用天棚阻尼控制算法和插值運(yùn)算計(jì)算出減振器線圈的目標(biāo)電流值；所述目標(biāo)電流值與所述減振器線圈電流檢測(cè)電路輸入的電流反饋值，在所述電流調(diào)節(jié)電路中比較后產(chǎn)生MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)所述與門(mén)、所述MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)所述減振器電路的所述開(kāi)關(guān)器件MOSFET的導(dǎo)通；當(dāng)MOSFET全導(dǎo)通時(shí)，所述過(guò)流保護(hù)電路產(chǎn)生中斷信號(hào)，并通過(guò)所述微控制器的過(guò)流保護(hù)控制輸出端經(jīng)所述與門(mén)封鎖MOSFET上的柵極導(dǎo)通電壓，以保護(hù)功率MOSFET不受損壞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，其特征是，所述MOSFET控制通道和對(duì)應(yīng)控制的減振器回路為二路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，其特征是，所述微控制器的目標(biāo)電流值的輸出采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，以提高磁流變液減振器線圈電流的調(diào)節(jié)精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，其特征是，所述微控制器的軟件部分，實(shí)現(xiàn)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采集、簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的相對(duì)速度的濾波估計(jì)、減振器線圈目標(biāo)電流查表插值及PWM信號(hào)的輸出等功能；所述軟件程序流程1)初始化系統(tǒng)，啟動(dòng)中斷輸入輸出口；2)主程序開(kāi)始定時(shí)；3)判斷MOSFET是否全導(dǎo)通？是則轉(zhuǎn)至10)，否則轉(zhuǎn)至4)；4)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采樣；5)簧載質(zhì)量絕對(duì)振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的相對(duì)速度的濾波估計(jì)；6)增益可調(diào)的天棚阻尼控制算法的實(shí)施；7)復(fù)雜的查表插值減振器線圈電流目標(biāo)值的確定；8)輸出PWM信號(hào)占空比的計(jì)算；9)輸出PWM信號(hào)；轉(zhuǎn)至11)10)封鎖MOSFET；11)定時(shí)到否？是則轉(zhuǎn)至12)，否則轉(zhuǎn)至3)；12)關(guān)輸出。
全文摘要
一種磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器，包括濾波偏置電路、微控制器及其接口電路、PWM減振器線圈電流調(diào)節(jié)電路、MOSFET柵極功率驅(qū)動(dòng)電路、減振器線圈電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路；所述微控制器的軟件部分能根據(jù)簧載質(zhì)量的垂向加速度信號(hào)，分別使用偽積分處理算法、高通濾波算法來(lái)估計(jì)出簧載質(zhì)量的垂直振動(dòng)速度和簧載與非簧載質(zhì)量間的絕對(duì)振動(dòng)速度，再利用實(shí)時(shí)性較高、增益可調(diào)的天棚阻尼控制算法和復(fù)雜的插值運(yùn)算計(jì)算出減振器線圈的目標(biāo)電流值；該磁流變液半主動(dòng)懸架電子控制器具有低成本、控制精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、能有效實(shí)施天棚阻尼控制的特點(diǎn)；若修改控制系統(tǒng)軟件部分參數(shù)，便可與各種磁流變液減振器匹配并運(yùn)用于各種車(chē)型。
文檔編號(hào)F16F6/00GK1746803SQ20051003056
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者萬(wàn)鋼, 趙治國(guó), 余卓平, 孫澤昌 申請(qǐng)人:上海燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)有限公司, 萬(wàn)鋼