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CN113110186A - 可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器 - Google Patents

可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器 Download PDF

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CN113110186A
CN113110186A CN202110420209.3A CN202110420209A CN113110186A CN 113110186 A CN113110186 A CN 113110186A CN 202110420209 A CN202110420209 A CN 202110420209A CN 113110186 A CN113110186 A CN 113110186A
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胡国良
王乃斌
喻理梵
朱文才
曾礼平
丁孺琦
李刚
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East China Jiaotong University
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East China Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，包括PCB基板，以及设置在PCB基板上的电源输入及变压单元、微控制器单元、陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元；电源输入及变压单元分别与微控制器单元、陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元电连接；微控制器单元与陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元连接；陀螺仪单元用于检测磁流变阻尼器运行的时刻加速度、速度，并传输给微控制器单元。微控制器单元根据测量的数据判断路面激励种类自动切换控制模式，同时微控制器单元接收反馈回来的电流信号，电流、速度、加速度信号作为控制器的输入，经过运算后得出控制量施加到磁流变阻尼器线圈上控制阻尼力的输出，实现悬架减震。

Description

可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器
技术领域
本发明属于车辆悬架系统及磁流变阻尼器技术领域，特别涉及一种可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器。
背景技术
目前，磁流变液作为一种在外加磁场条件下流变特性发生急剧变化的新型智能可控材料，其基本特征是在强磁场作用下，自由流体在毫秒级内转变为半固体状态，从而磁流变液呈现可控的屈服强度。利用磁流变液瞬时可逆的变化特性制成的磁流变阻尼器，可以通过施加磁场与否来控制阻尼力的输出。
磁流变阻尼器阻尼力的输出大小与其结构、线圈施加电流大小、运动状态等均相关，在不同工况下对阻尼力的输出需求不同。一个良好性能阻尼器的评判标准要求输出阻尼力准确且快速，而且对应不同工况可以切换不同的控制模型和控制参数，传统的磁流变阻尼器控制器一般应用在固定的工况场合，不能根据不同的情况切换控制模型。针对目前磁流变阻尼器控制器在汽车悬架上的应用亦是在多种路面激励的输入下对应单种控制模型，这样在舒适性方面就有所欠缺。为达到汽车悬架的最优舒适性需要发明一种根据实时路况自动变换控制模型的磁流变阻尼器控制器。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种至少部分解决上述技术问题的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，包括PCB基板，以及设置在所述PCB基板上的电源输入及变压单元、微控制器单元、陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元；
其中，所述电源输入及变压单元分别与微控制器单元、陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元电连接；
所述微控制器单元与所述陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元连接；
所述电源输入及变压单元，采用车载电瓶作为电源，并通过降压芯片输出预设电压，为各个模块供电；
所述陀螺仪单元与磁流变阻尼器连接，用于检测磁流变阻尼器运行的时刻加速度、速度，并传输给所述微控制器单元；
所述线圈驱动及电流采集单元，采集所述磁流变阻尼器的线圈上所施加的电流值，并传输给所述微控制器单元；
所述微控制器单元，根据所述加速度、速度和所述电流值，进行运算分析得出控制信号；所述控制信号用于控制所述磁流变阻尼器的阻尼力的输出。
进一步地，所述微控制器单元采用ARM系列微控制器，工作频率达百MHz。
进一步地，所述线圈驱动及电流采集单元，包括：隔离放大器、运算放大器、光电隔离器、MOS管、采样电阻和线圈接口；所述线圈接口连接所述磁流变阻尼器的线圈；
所述微控制器单元连接所述光电隔离器，向所述光电隔离器输入驱动信号；
所述光电隔离器与所述MOS管的栅极控制管脚连接，将驱动信号转换为光信号，输入到所述MOS管的栅极；
所述采样电阻和线圈接口与所述MOS管的源极和漏极串联在电路中构成回路；所述MOS管驱动所述磁流变阻尼器的线圈；
所述电源输入及变压单元与隔离放大器、运算放大器依次连接；所述运算放大器与所述微控制器单元连接；
通过隔离放大器采集串联在线圈电路中精密电阻两端的电压，经过放大后再通过运算放大器将采集到的差分信号转换为单端信号经过相关运算后为所述微控制器单元提供电流反馈。
进一步地，所述陀螺仪单元采用电子陀螺仪，用来采集磁流变阻尼器运行的时刻加速度、速度，采用卡尔曼滤波器和IIR滤波器对采集到的数据进行滤波。
进一步地，还包括：与所述微控制器单元连接的程序下载接口；所述程序下载接口采用SWD接口下载，用于实现程序下载和Debug调试。
进一步地，还包括：与所述微控制器单元连接的串口通讯接口；所述串口通讯接口用于实现所述微控制器单元与上位机的通讯，实现对控制参数的设定。
进一步地，还包括：与所述微控制器单元连接的数据采集单元；所述数据采集单元采用所述微控制器单元的标准SDIO外设接口来驱动SD卡读写磁流变阻尼器输入、测量、反馈及输出的数据。
进一步地，还包括：与所述微控制器单元连接的复位单元；
所述复位单元，用于复位整个控制器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器的原理：陀螺仪单元反馈阻尼器活塞速度、加速度信号，微控制器单元根据测量的数据判断路面激励种类自动切换控制模式，同时微控制器单元接收反馈回来的电流信号，电流、速度、加速度信号作为控制器的输入，经过运算后得出控制量施加到磁流变阻尼器线圈上控制阻尼力的输出，最终达到悬架减震的目的。
(1)本发明的线圈驱动及电流采集单元，采用隔离驱动，将驱动信号转换为光信号，减少了电路中的电磁干扰对驱动输出的影响；采用了隔离信号采集，微控制器单元捕获后利用电路之间的关系计算出线圈电流的大小。相比传统的直接驱动和直接采集，控制更稳定、反馈更准确。
(2)本发明采用陀螺仪单元采集路面激励信号，根据不同路面上汽车悬架的速度、加速度判断路面种类，根据判断微控制器单元可自动切换控制模型，相比传统的控制器在自动控制这方面有了更大的提高。
进一步地，本发明板载数据采集卡，可采集控制器的输出控制量、阻尼力、反馈电流等数据，操作者可根据采集的数据对控制器从结果上评判控制模型的优劣及控制的准确性，即该控制器既可作为商用产品用在汽车悬架上也可用作实验室其他相关电流控制场合，相比传统控制器其应用范围更广。
附图说明
图1为本发明提供的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器的结构框图；
图2a为本发明提供的电源输入及变压单元1的电路原理图；
图2b为本发明提供的程序下载接口2和串口通讯接口3的电路原理图；
图2c为本发明提供的微控制器单元4的电路原理图；
图2d为本发明提供的通用IO接口5的电路原理图；
图2e为本发明提供的陀螺仪单元6的电路原理图；
图2f为本发明提供的数据采集单元7的电路原理图；
图2g为本发明提供的复位单元8的电路原理图；
图2h为本发明提供的模拟信号采集接口9的电路原理图；
图2i为本发明提供的控制按钮单元10的电路原理图；
图3为本发明提供的线圈驱动及电流采集单元的电路原理图；
图4为本发明提供的PCB仿真实物图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明提供的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，包括PCB基板，以及设置在PCB基板上的电源输入及变压单元1、微控制器单元4、陀螺仪单元6和线圈驱动及电流采集单元13；
其中，电源输入及变压单元1分别与微控制器单元4、陀螺仪单元6和线圈驱动及电流采集单元13电连接；微控制器单元4与陀螺仪单元6和线圈驱动及电流采集单元13连接；
参照图2a所示，该电源输入及变压单元1，采用车载电瓶作为电源，并通过降压芯片输出预设电压，为各个模块供电。比如，采用汽车12V电瓶用来驱动阻尼器同时作为控制器电压输入，通过5V降压芯片获得5V电压输出为电流采集单元部分供电，同时再将5V电压通过3.3V降压芯片获得3.3V电压输出为微控制器单元及其他板载单元供电，引出5V和3.3V电源接口可方便为其他车载用电器件供电。
陀螺仪单元6与磁流变阻尼器连接，用于检测磁流变阻尼器运行的时刻加速度、速度，并传输给微控制器单元4；线圈驱动及电流采集单元13，采集磁流变阻尼器的线圈上所施加的电流值，并传输给微控制器单元4；微控制器单元4，根据加速度、速度和电流值，进行运算分析得出控制信号；该控制信号用于控制磁流变阻尼器的阻尼力的输出。
本实施例中，陀螺仪单元反馈阻尼器活塞速度、加速度信号，微控制器单元根据测量的数据判断路面激励种类自动切换控制模式，同时微控制器单元接收反馈回来的电流信号，电流、速度、加速度信号作为控制器的输入，经过运算后得出控制量施加到磁流变阻尼器线圈上控制阻尼力的输出，最终达到悬架减震的目的。
进一步地，参照图1所示，可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器还包括：程序下载接口2、串口通讯接口3、通用IO接口5、数据采集单元7、复位单元8、模拟信号采集接口9、控制按钮单元10、工作指示灯单元11、安装定位孔单元12等。
下面分别对上述各个组件进行详细的描述：
图2a-2i是本发明总电路各个组件的原理图。原理图主要说明了驱动器实现既定功能使用的相关硬件及之间的电气连接，硬件的使用不限于图上的种类，相关元器件只要有同样功能的都可以进行替换。
其中，图2a为电源输入及变压单元1的电路原理图，采用车载电瓶作为电源，并通过降压芯片输出预设电压，为各个模块供电。
参照图2b所示，程序下载接口2采用SWD接口下载，仅需四线就可实现程序下载和Debug调试；串口通讯接口3连接微控制器单元4的标准串口外设，用来实现微控制器单元4与上位机的通讯，不同的控制模型控制参数也不同，上位机通过串口可实现对控制参数的设定，从而优化座椅悬架的舒适性。
参照图2c所示，微控制器单元4是整个控制器的核心部分，该磁流变阻尼器控制器采用32位ARM系列的微控制器，工作主频可达百MHz以上，满足阻尼器的实时控制与监测，微控制器的各电源接口均分布有滤波电容，滤除杂散电磁干扰保证控制器运行稳定，比如可采用STM32F411RCT6的芯片。
参照图2d所示，通用IO接口5为微控制器引出的GPIO，这些GPIO包括现在电路中常用的各种总线，如：IIC总线、SPI总线等，利用这些总线可以来驱动阻尼器位移、温度测量等传感器以及捕获这些模块输入的信号，从而全方位实现微控制器对磁流变阻尼器运作的实时监测。
参照图2e所示，陀螺仪单元6比如可采用电子陀螺仪，用来检测阻尼器运行的时刻加速度、速度，将采集到的加速度、速度值输入到阻尼器控制模型中从而控制阻尼器的输出状态，程序中需采用卡尔曼滤波器和IIR滤波器对采集到的数据进行滤波，保证输入的准确性，同时微控制器根据采集的数据波动状况可判别所处的路面激励种类，自动切换控制模式。
参照图2f所示，数据采集单元7采用微控制器的标准SDIO外设接口来驱动SD卡读写阻尼器输入、测量、反馈及输出的数据，从结果上验证控制的准确性以及可以评判各种控制模型的优劣，因此此控制器不止限于实际汽车上使用，还可以用于实验室各类电流控制的测试实验，数据读写及保存功能利用FATFS文件系统管理采集到的数据。
参照图2g所示，复位单元8可以复位整个控制系统，微控制器内置看门狗功能，当程序由于外部干扰或者其他原因导致系统死机或跑飞可自动复位控制器，可以及时避免错误的产生，保证程序始终运行在正常的状态。参照图2h所示，模拟信号采集接口9采用微控制器的标准ADC外设，可采集相关传感器输入的0～3.3V的模拟电压信号；参照图2i所示，控制按钮单元10分布有若干控制按钮，可控制数据采集功能的启闭，由于磁流变阻尼器的控制模型有多种，不同人群的舒适性需求对应不同的模式，可通过功能按钮切换不同的控制模式.。
工作指示灯单元11分布有若干功能指示灯，分别用来指示系统工作状态、数据采集状态、控制模式状态等；安装定位孔单元12在控制板上开有若干定位安装孔，用来固定控制板。
线圈驱动及电流采集单元13，采用足够功率的MOS管驱动阻尼器线圈，MOS管的栅极控制管脚接收微控制器输出的控制信号，线圈、采样电阻及源极和漏极串联在电路中构成回路，此处的采样电阻用来采集线圈电流大小，在满足经济性要求的前提下该电阻阻值要足够精确以及功率足够大。
采用隔离驱动及隔离信号采集，驱动信号可通过光耦来驱动MOS管进而达到驱动线圈的目的，电流采集通过隔离放大器采集串联在线圈电路中精密电阻两端的电压，经过放大后再通过运放将采集到的差分信号转换为单端信号经过相关运算后为控制器提供准确的电流反馈，采用隔离驱动及隔离信号采集可避免额外的电磁干扰对输入、输出的影响，可保证控制器更稳定地运行，同时在软件中编写过流保护的代码，当检测到电流超过设定的阈值时便触发MOS管控制信号的关断功能，可以保护阻尼器因过流而造成的损坏及能量耗损。
具体地，参照图3所示，线圈驱动及电流采集单元13，包括：隔离放大器、运算放大器、光电隔离器、MOS管、采样电阻和线圈接口；线圈接口连接磁流变阻尼器的线圈；微控制器单元连接光电隔离器，向光电隔离器输入驱动信号；光电隔离器与MOS管的栅极控制管脚连接，将驱动信号转换为光信号，输入到MOS管的栅极；采样电阻和线圈接口与MOS管的源极和漏极串联在电路中构成回路；MOS管驱动磁流变阻尼器的线圈；
电源输入及变压单元与隔离放大器、运算放大器依次连接；运算放大器与微控制器单元连接；通过隔离放大器采集串联在线圈电路中精密电阻两端的电压，经过放大后再通过运算放大器将采集到的差分信号转换为单端信号经过相关运算后为所述微控制器单元提供电流反馈。
总的来说，线圈驱动及电流采集单元13包括线圈驱动和电流采集两部分，线圈驱动部分采用隔离驱动，即增加光耦把控制信号转换为光信号控制线圈电流的通断，隔离信号端通过上拉电阻连接到MOS管的栅极，增加上拉电阻的目的是在没有控制信号时光耦导通把控制端的点位拉到一个固定的电平，防止管脚由于浮空导致的控制不确定性，同时上拉电阻也作为隔离端的限流电阻；电瓶电源、线圈、MOS管及采样电阻串联在一起作为驱动电路的主要部分；电流采集部分采样电阻两端的电压信号作为采样信号，采样电阻要求尽量减小对驱动部分的功率影响，即采样电阻要足够小且阻值足够精确，此处采用隔离放大器采集电压信号，因为采样信号非常微弱，所以在隔离放大器的采集输入端增加RC滤波电路，降低采样波纹；在隔离端输出的是放大一定倍数后的差分信号，差分信号不能够被微控制器直接捕获，需要将差分信号经过运放转换为单端信号，转换后的单端信号被微控制器捕获后根据电路关系计算出线圈电流的大小。
图4所示为本发明PCB仿真实物图。显示了各单元的位置分布及整个PCB轮廓形状，考虑到汽车上的安装空间有限，即把尺寸控制在80mm*80mm范围内，且安装时做好电路防护和电磁干扰屏蔽。
本发明的工作原理如下：
控制器输入若干控制模型后，上位机通过串口对不同模型进行调参，默认是自动控制模式，即控制器可根据陀螺仪返回的数据判断路面激励种类自动切换控制模型，同时也可通过按键手动更换控制模式；控制器在接收陀螺仪反馈回来的速度、加速度数据的同时亦会接收电流采集单元反馈的电流数据，将这三种数据信号同时输入到控制算法中经过运算得出控制量施加到控制信号上控制阻尼力的输出。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：包括PCB基板，以及设置在所述PCB基板上的电源输入及变压单元、微控制器单元、陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元；
其中，所述电源输入及变压单元分别与微控制器单元、陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元电连接；
所述微控制器单元与所述陀螺仪单元和线圈驱动及电流采集单元连接；
所述电源输入及变压单元，采用车载电瓶作为电源，并通过降压芯片输出预设电压，为各个模块供电；
所述陀螺仪单元与磁流变阻尼器连接，用于检测磁流变阻尼器运行的时刻加速度、速度，并传输给所述微控制器单元；
所述线圈驱动及电流采集单元，采集所述磁流变阻尼器的线圈上所施加的电流值，并传输给所述微控制器单元；
所述微控制器单元，根据所述加速度、速度和所述电流值，进行运算分析得出控制信号；所述控制信号用于控制所述磁流变阻尼器的阻尼力的输出。
2.根据权利要求1所述的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：所述微控制器单元采用ARM系列微控制器，工作频率达百MHz。
3.根据权利要求1所述的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：所述线圈驱动及电流采集单元，包括：
隔离放大器、运算放大器、光电隔离器、MOS管、采样电阻和线圈接口；所述线圈接口连接所述磁流变阻尼器的线圈；
所述微控制器单元连接所述光电隔离器，向所述光电隔离器输入驱动信号；
所述光电隔离器与所述MOS管的栅极控制管脚连接，将驱动信号转换为光信号，输入到所述MOS管的栅极；
所述采样电阻和线圈接口与所述MOS管的源极和漏极串联在电路中构成回路；所述MOS管驱动所述磁流变阻尼器的线圈；
所述电源输入及变压单元与隔离放大器、运算放大器依次连接；所述运算放大器与所述微控制器单元连接；
通过隔离放大器采集串联在线圈电路中精密电阻两端的电压，经过放大后再通过运算放大器将采集到的差分信号转换为单端信号经过相关运算后为所述微控制器单元提供电流反馈。
4.根据权利要求1所述的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：所述陀螺仪单元采用电子陀螺仪，用来采集磁流变阻尼器运行的时刻加速度、速度，采用卡尔曼滤波器和IIR滤波器对采集到的数据进行滤波。
5.根据权利要求1所述的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：还包括：与所述微控制器单元连接的程序下载接口；所述程序下载接口采用SWD接口下载，用于实现程序下载和Debug调试。
6.根据权利要求1所述的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：还包括：与所述微控制器单元连接的串口通讯接口；所述串口通讯接口用于实现所述微控制器单元与上位机的通讯，实现对控制参数的设定。
7.根据权利要求1所述的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：还包括：与所述微控制器单元连接的数据采集单元；所述数据采集单元采用所述微控制器单元的标准SDIO外设接口来驱动SD卡读写磁流变阻尼器输入、测量、反馈及输出的数据。
8.根据权利要求1所述的可随路面激励调整的汽车悬架系统用磁流变阻尼器控制器，其特征在于：还包括：与所述微控制器单元连接的复位单元；所述复位单元，用于复位整个控制器。
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