電磁懸架調(diào)節(jié)控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電磁懸架調(diào)節(jié)控制器，包括ECU電源管理模塊、故障診斷與安全處理模塊與處理器相連接；信號采集模塊包括加速度傳感器和信號調(diào)理電路，傳感器信號進行放大濾波后輸入至處理器；磁流變減震器驅(qū)動控制模塊由執(zhí)行器電源管理、PWM驅(qū)動輸出控制和執(zhí)行器電流反饋電路組成，用于對處理器輸出的PWM波形進行放大輸出目標(biāo)電流控制磁流變減震器的電磁線圈，并實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環(huán)控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標(biāo)值。本發(fā)明有益的效果：提供一種響應(yīng)速度快、輸出精度高、功耗低和具有通信功能并適應(yīng)汽車級復(fù)雜工況環(huán)境的電磁懸架調(diào)節(jié)控制器。
【專利說明】
電磁懸架調(diào)節(jié)控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種電控半主動或主動懸架的ECU控制器，主要是一種電磁懸架調(diào)節(jié)控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]磁流變液(Magnetorheological Fluid，簡稱MR流體)是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的一種智能材料。在外加磁場作用下，磁流變液的流變特性發(fā)生變化，并且隨著外加磁場強度的變化而變化。由于磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強度與磁場強度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，因此被廣泛應(yīng)用在汽車、建筑、橋梁、機械和軍工等領(lǐng)域。
[0003]汽車懸架是指由車身與輪胎間的彈簧和減震器組成整個支持系統(tǒng)。其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力，緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的震動，以保證汽車能平順地行駛。因此懸架系統(tǒng)決定著轎車的穩(wěn)定性、舒適性和安全性，是現(xiàn)代轎車十分關(guān)鍵的部件之一。根據(jù)懸架彈簧剛度系數(shù)和減震器阻尼系數(shù)是否可調(diào)，汽車懸架被可分為被動、半主動和主動懸架。半主動懸架系統(tǒng)一般由傳感器、控制器、驅(qū)動器和執(zhí)行器組成，具有在一定范圍內(nèi)對減震器阻尼系數(shù)或者彈簧剛度系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)的功能。
[0004]汽車磁流變液減震器是通過改變驅(qū)動電流的大小調(diào)節(jié)減震器阻尼通道的磁場強度，使得阻尼通道中的磁流變液體產(chǎn)生磁流變效應(yīng)。隨著磁場強度的增加，磁流變效應(yīng)越顯著，因此只要調(diào)節(jié)磁流變減震器的電流就能達到對減震器阻尼力控制的目的，具有可逆性(磁場消除后磁流變液能恢復(fù)原始狀態(tài))、動態(tài)范圍廣(輸出阻尼力大小變化明顯)、無級可調(diào)、響應(yīng)頻率高(ms毫秒級)、功耗低和結(jié)構(gòu)簡單等特點。
[0005]如何使得磁流變液減震器隨著車輛運行工況的變化持續(xù)控制減震器動態(tài)響應(yīng)和調(diào)節(jié)阻尼力的精確輸出以達到汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的最優(yōu)效果是基于磁流變液減震器的半主動懸架的核心技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中采用8位單片機作為ECU控制器，存在輸入信號采樣分辨率不高、處理器因吞吐量小，主頻低而造成響應(yīng)速度低、PWM驅(qū)動控制精度不高和無法實現(xiàn)軟硬件相結(jié)合的故障診斷以及系統(tǒng)安全監(jiān)控措施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述磁流變減震器的核心技術(shù)問題以及現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種響應(yīng)速度快、輸出精度高、功耗低和具有通信功能并適應(yīng)汽車級復(fù)雜工況環(huán)境的電磁懸架調(diào)節(jié)控制器。
[0007]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的。這種電磁懸架調(diào)節(jié)控制器，包括ECU硬件和軟件系統(tǒng)部分；由ECU電源管理模塊、信號采集模塊、處理器系統(tǒng)模塊、故障診斷與安全處理模塊、CAN總線通信模塊、磁流變減震器驅(qū)動控制模塊和軟件系統(tǒng)模塊組成;其中軟件系統(tǒng)模塊由E⑶基礎(chǔ)軟件(BSW)和應(yīng)用軟件(ASW)組成兩大部分組成。E⑶電源管理模塊與處理器相連接，用于對12V蓄電池(車用電源)電壓進行線性穩(wěn)壓并輸出ECU控制器的5V工作電壓，同時實現(xiàn)對ECU單片處理器的上電復(fù)位和硬件看門狗處理功能;信號采集模塊包括加速度傳感器和信號調(diào)理電路，傳感器信號進行放大濾波后輸入至處理器;故障診斷與安全處理模塊與處理器相連接，用于ECU數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障處理;磁流變減震器驅(qū)動控制模塊與處理器相連接，磁流變減震器驅(qū)動控制模塊由執(zhí)行器電源管理、PWM驅(qū)動輸出控制和執(zhí)行器電流反饋電路組成，用于對處理器輸出的PWM波形進行放大輸出目標(biāo)電流控制磁流變減震器的電磁線圈，并實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環(huán)控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標(biāo)值，以達到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)減震器阻尼力。
[0008]信號采集模塊將傳感器信號進行放大濾波后輸入至處理器。本發(fā)明的ECU控制器針對模擬和數(shù)字式不同接口的傳感器類型設(shè)計了相應(yīng)采集處理電路，對于模擬式傳感器經(jīng)過放大電路后將信號幅值放大至O?5V的信號并通過低通濾波器濾波后輸入至處理器的ADC接口 ；數(shù)字式SPI接口傳感器按照SPI接口標(biāo)準(zhǔn)連接至處理器，軟件實現(xiàn)SPI接口驅(qū)動程序并讀取傳感器的數(shù)據(jù)信號。由于本發(fā)明電磁懸架調(diào)節(jié)控制器控制算法需要計算車輛簧載質(zhì)量的垂向振動絕對速度以及簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之間的相對振動速度，通過安裝在減震器頂端和汽車后座底部的垂直加速度傳感器采集振動加速度信號并通過軟件計算得到控制算法的輸入振動信號。
[0009]處理器系統(tǒng)模塊主要由硬件和軟件組成，其硬件是實現(xiàn)汽車級單片處理器的最小系統(tǒng)，主要提供精準(zhǔn)的外部系統(tǒng)時鐘信號，可靠的處理器復(fù)位信號以及保障處理器正常工作的精確電源和正確的輸入輸出I/o口配置。軟件是本發(fā)明的ECU控制器系統(tǒng)的核心，輸入信號的處理計算，控制算法的實施、控制補償計算與PWM占空比輸出、ECU故障診斷與安全監(jiān)控、CAN通信應(yīng)用等都是通過軟件實現(xiàn)。
[0010]故障診斷與安全處理模塊主要實現(xiàn)ECU數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障處理，保證系統(tǒng)安全可靠工作的功能，由故障診斷和安全處理兩個模塊組成。故障診斷功能能夠?qū)CU運行情況進行實時監(jiān)控，當(dāng)ECU出現(xiàn)故障時能判斷故障信息并以故障碼存儲在ECU內(nèi)部的存儲器中，維護人員通過診斷工具能夠讀取故障碼并通過顯示的故障信息判斷故障原因。本發(fā)明的故障檢測主要包括輸入信號(傳感器)功能檢測、單片處理器功能檢測、執(zhí)行器電源及高邊智能功率開關(guān)功能檢測、低邊驅(qū)動智能器件檢測、以及ECU各模塊電流和溫度的監(jiān)控。安全處理模塊通過硬件冗余設(shè)計防止電磁干擾、靜電防護、浪涌沖擊等危害，通過軟件加密和陷阱植入技術(shù)實現(xiàn)ECU系統(tǒng)安全可靠運行，并防止軟件非法拷貝和處理軟件工作異常。
[0011 ] CAN總線通信模塊由CAN總線接口和CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序組成，CAN總線接口由處理器的CAN2.0控制器同CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器組成，由CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器的差分數(shù)據(jù)線接入CAN網(wǎng)絡(luò)。通過CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)ECU參數(shù)標(biāo)定、故障診斷、軟件升級與維護、ECU之間共享信息等功能。
[0012]磁流變減震器驅(qū)動控制模塊由執(zhí)行器電源管理、PWM驅(qū)動輸出控制和執(zhí)行器電流反饋電路組成。主要功能是對處理器輸出的PWM波形進行放大輸出目標(biāo)電流控制磁流變減震器的電磁線圈，并實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環(huán)控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標(biāo)值，以達到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)減震器阻尼力的效果。
[0013]軟件系統(tǒng)模塊是在ECU控制器硬件平臺的基礎(chǔ)上，在集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)設(shè)計的，并最終嵌入在ECU控制器硬件平臺運行。軟件系統(tǒng)分為基礎(chǔ)軟件和任務(wù)應(yīng)用軟件，由硬件接口層、硬件驅(qū)動層和任務(wù)應(yīng)用層組成，其中基礎(chǔ)軟件包括接口和驅(qū)動層部分，主要完成對ECU硬件平臺的初始化和為應(yīng)用軟件提供引導(dǎo)、驅(qū)動、時鐘、中斷和調(diào)度等運行環(huán)境準(zhǔn)備。應(yīng)用軟件則由彼此獨立且相互聯(lián)系的任務(wù)模塊組成，通過基礎(chǔ)軟件提供的實時調(diào)度管理機制和配套的API驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)諸如信號采集處理、控制算法應(yīng)用、通信應(yīng)用等任務(wù)的實時可靠工作。實時任務(wù)調(diào)度管理機制的原理是通過定時器中斷分別產(chǎn)生500微秒、I毫秒和5毫秒三個任務(wù)級中斷，并將系統(tǒng)的任務(wù)按照優(yōu)先級先分成3個定時中斷級別，同時每個級別內(nèi)的任務(wù)按照動態(tài)優(yōu)先級通過有限狀態(tài)機進行二次調(diào)度，這種兩級層層調(diào)度的機制確保了高優(yōu)先級的任務(wù)優(yōu)先占用硬件資源并運行，使得基于磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU控制器系統(tǒng)能夠?qū)崟r保證在I秒鐘內(nèi)進行1000次的持續(xù)控制調(diào)節(jié)并能實時可靠處理諸如信號采集、處理、運算、診斷和通信等多任務(wù)應(yīng)用。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:
[0015]本發(fā)明提供的電磁懸架調(diào)節(jié)控制器，采用汽車級16位高速處理器芯片，最高工作頻率可達10Mhz，整個ECU控制器硬件系統(tǒng)工作電流在150mA左右，功率不足1W。I秒鐘內(nèi)能夠進行1000次的持續(xù)控制調(diào)節(jié)，不僅簡化了ECU的電路設(shè)計，降低系統(tǒng)功耗，同時在實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和系統(tǒng)應(yīng)用管理上具有響應(yīng)速度快、控制精度高、靈活適應(yīng)性強、無零點漂移和實時性的特點。
[0016]本發(fā)明采用數(shù)字/模擬式接口的信號采集，能夠兼容模擬或者數(shù)字式的傳感器接口。模擬傳感器經(jīng)過放大濾波處理后輸入至處理器的ADC接口，12位分辨率的ADC接口轉(zhuǎn)換率可達10us，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對O?10hz左右的振動加速度信號處理。采用SPI接口可以實現(xiàn)對數(shù)字式加速度傳感器或者溫度傳感器信號的采集，SPI接口能夠滿足波特率達1Mbps的傳感器信號采集。
[0017]本發(fā)明采用高低邊智能功率器件控制驅(qū)動執(zhí)行器的技術(shù)，其中高邊智能功率器件實現(xiàn)執(zhí)行器電源的控制管理以及高邊電壓過流、過壓、短路和溫度監(jiān)控的功能，低邊智能功率器件實現(xiàn)PWM控制執(zhí)行器平均電流和低邊器件故障處理功能。具有4路輸出控制分別實現(xiàn)對汽車半主動懸架前后4個磁流變液減震器的電磁執(zhí)行器控制。采用定頻調(diào)寬的方式輸出16位周期為1khz，占空比不斷變化的P麗波形，其動態(tài)調(diào)節(jié)時間為10us，精度可達216合65536的分辨率。本發(fā)明驅(qū)動控制處理采用低阻值、高精度、高功率的精密電阻串接在執(zhí)行器電磁線圈上實現(xiàn)對實際電流值采樣的閉環(huán)控制，采用瞬態(tài)逆變二極管(TVS)并聯(lián)在電磁線圈上擬制驅(qū)動器開關(guān)瞬間感性負載端形成的反向瞬態(tài)能量沖擊。
[0018]本發(fā)明采用CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信接口實現(xiàn)高速CAN總線通信功能，通信速率可達1Mbps，能夠?qū)崿F(xiàn)E⑶控制器在汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的集成與兼容。
【附圖說明】
[0019]圖1為電磁懸架調(diào)節(jié)控制器硬件原理框圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細的介紹:
[0021 ]如圖1所示為本發(fā)明所述優(yōu)選實施例提供的一種ECU控制器硬件系統(tǒng)原理框圖。由信號調(diào)理、電源及系統(tǒng)管理、處理器單元、執(zhí)行器驅(qū)動控制、故障診斷與安全處理、CAN通信接口等模塊組成。所述發(fā)明ECU控制器實施例優(yōu)選飛思卡爾公司的新一代雙核微處理器的MC9S12XET256單片機芯片，此單片處理器具有32位性能與16位MCU的所有優(yōu)點和功效，同時保留了飛思卡爾現(xiàn)有16位S12和S12X內(nèi)核低成本、低功耗、EMC和高效的代碼率等特點，是專門應(yīng)用于汽車底盤安全及車身控制的處理器芯片。BDM接口是MC9S12XET256處理器芯片的軟件調(diào)試仿真硬件接口，在IDE集成開發(fā)環(huán)境下對基于MC9S12XET256處理器的ECU軟件進行調(diào)試、仿真和燒寫。MC9S12XET256處理器實現(xiàn)ECU控制系統(tǒng)的輸入信號采集與處理、控制算法的運算、執(zhí)行器PWM控制輸出、故障診斷與系統(tǒng)安全監(jiān)控、CAN總線通信等功能。
[0022]本發(fā)明優(yōu)選實施例的信號輸入選用模擬式垂直加速度傳感器，能夠輸出O?5V、幅值為+/_3g、頻率響應(yīng)(O?200hz范圍)、非線性誤差在+/-50mg左右的垂直振動信號，通過低通濾波器后直接輸入至單片處理器的ADC(analog-to_digital converters)采樣處理。單片處理器的ADC通道也負責(zé)對執(zhí)行器電源控制單元的電流反饋信號，執(zhí)行器電流反饋信號以及ECU控制系統(tǒng)溫度傳感器的溫度信號的采樣處理。
[0023]本發(fā)明優(yōu)選實施例的驅(qū)動控制輸出由執(zhí)行器電源控制、執(zhí)行器驅(qū)動控制和執(zhí)行器檢流反饋組成，可以控制2到4路減震器電磁線圈的電流控制。處理器I/O 口連接智能高邊功率開關(guān)器件，控制對執(zhí)行器電磁線圈電源的安全管理，處理器PWM信號輸出通道連接智能低邊控制開關(guān)器件，以實現(xiàn)對執(zhí)行器電磁線圈供電回路的頻繁通斷來達到控制電磁線圈工作電流的目的。低阻值、高精度的采樣電阻串接在執(zhí)行器的電磁線圈回路上，采樣電阻兩端的電壓差經(jīng)過放大濾波后輸入至處理器的ADC通過實現(xiàn)對執(zhí)行器回路實際工作電流的反饋。
[0024]除上述實施例外，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種電磁懸架調(diào)節(jié)控制器，其特征在于:主要包括處理器，E⑶電源管理模塊與處理器相連接，用于對12V車用電源電壓進行線性穩(wěn)壓并輸出ECU控制器的5V工作電壓，同時實現(xiàn)對ECU單片處理器的上電復(fù)位和硬件看門狗處理功能；信號采集模塊包括加速度傳感器和信號調(diào)理電路，傳感器信號進行放大濾波后輸入至處理器;故障診斷與安全處理模塊與處理器相連接，用于ECU數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障處理；磁流變減震器驅(qū)動控制模塊與處理器相連接，磁流變減震器驅(qū)動控制模塊由執(zhí)行器電源管理、PWM驅(qū)動輸出控制和執(zhí)行器電流反饋電路組成，用于對處理器輸出的PWM波形進行放大輸出目標(biāo)電流控制磁流變減震器的電磁線圈，并實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環(huán)控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標(biāo)值，以達到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)減震器阻尼力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁懸架調(diào)節(jié)控制器，其特征在于:對于模擬式傳感器經(jīng)過放大電路后將信號幅值放大至O?5V的信號并通過低通濾波器濾波后輸入至處理器的ADC接口 ；數(shù)字式SPI接口傳感器按照SPI接口標(biāo)準(zhǔn)連接至處理器，實現(xiàn)SPI接口驅(qū)動程序并讀取傳感器的數(shù)據(jù)信號。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁懸架調(diào)節(jié)控制器，其特征在于:在減震器頂端和汽車后座底部安裝有垂直加速度傳感器采集振動加速度信號并通過計算得到控制算法的輸入振動信號。
【文檔編號】G05B23/02GK106094799SQ201610541063
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】張超
【申請人】安慶新景技電子科技有限公司