磁流變液阻尼器運(yùn)行狀態(tài)敏感電流源設(shè)計

1、引言

汽車懸架系統(tǒng)阻尼特性的合理匹配對提高乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。目前，國外汽車制造商普遍采用更換不同阻尼特性的一系列阻尼器或者機(jī)械式可調(diào)阻尼器，主觀與客觀評價相結(jié)合的方法進(jìn)行懸架阻尼參數(shù)的實(shí)驗(yàn)匹配[1～2]，國內(nèi)汽車企業(yè)尚需國外技術(shù)支持。但該匹配法只能實(shí)現(xiàn)壓縮阻尼與復(fù)原阻尼聯(lián)動調(diào)節(jié)(或阻尼離散調(diào)節(jié))，很難實(shí)現(xiàn)懸架阻尼參數(shù)的最優(yōu)與自動匹配，因此，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新特色的自動匹配方法，對提高我國汽車懸架的開發(fā)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

阻尼可調(diào)的磁流變阻尼器具有傳統(tǒng)的被動液力阻尼器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)[3]，利用它來代替人工調(diào)節(jié)機(jī)械式可調(diào)阻尼器研究汽車懸架阻尼參數(shù)的最優(yōu)與自動匹配是一種較理想的選擇。汽車懸架阻尼參數(shù)自動匹配的理論方法與關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)涉及一系列問題需要解決，研制成功能辨識汽車阻尼器運(yùn)行狀態(tài)(復(fù)原與壓縮工況)的可控狀態(tài)敏感電流源是關(guān)鍵技術(shù)之一，對于特定的汽車磁流變阻尼器，針對給定的激勵條件，通過調(diào)節(jié)勵磁電流實(shí)現(xiàn)阻尼器壓縮與復(fù)原阻尼參數(shù)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，使汽車的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性達(dá)到最優(yōu)，獲取阻尼器在該激勵下的阻尼特性，為成功開發(fā)出汽車懸架阻尼參數(shù)自動匹配裝置奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2、系統(tǒng)組成及軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作原理及組成

系統(tǒng)的工作原理是：在某一時刻，通過對固定于阻尼器活塞桿和工作腔上的傳感器來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷出阻尼器與上一時刻比較是處于拉伸或是壓縮狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)，動態(tài)改變通過阻尼器勵磁線圈的電流，引起內(nèi)部磁場變化，從而達(dá)到改變其阻尼力的目的。

工作時，阻尼器在豎直方向的主振頻率約幾赫茲，振動幅度最大約幾百毫米，要判斷其在某一時刻與上一時刻比較是處于拉伸或是壓縮，用超聲波來判斷是一種較經(jīng)濟(jì)的方法[4];但由于超聲測距的時延性，要準(zhǔn)確測得其渡越時間較困難，國內(nèi)外學(xué)者在這方面作了大量的努力[5～7];本課題由于并不需要知道減振器精確的振動位移數(shù)據(jù)，因此采用了兩次測得的時間值比較的方式來判斷減振器的拉伸或壓縮狀態(tài)。

系統(tǒng)組成如圖1所示，超聲波部分感知阻尼器的運(yùn)動狀態(tài)，數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A對阻尼器的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行識別，然后輸出控制信號作用于電流驅(qū)動器。

圖1 磁流變液阻尼器運(yùn)行狀態(tài)敏感電流源系統(tǒng)組成框圖

2.2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

2.2.1 超聲波發(fā)射模塊

超聲波發(fā)射電路如圖2所示，由于測量距離小，系統(tǒng)沒有采用變壓器升壓來驅(qū)動超聲波換能器，直接由控制器定時產(chǎn)生40KHz的超聲脈沖信號，驅(qū)動開關(guān)管3904，為了向發(fā)射頭提供較大的驅(qū)動電流，采用了兩個非門并聯(lián)連接形式;為了有效的遏制超聲波發(fā)射頭的余振，用一個非門為驅(qū)動器的一側(cè)提供180度的相移信號，另一側(cè)由相內(nèi)信號驅(qū)動;供電電壓采用5V;電容C2、C3阻斷直流通路，將直流電壓轉(zhuǎn)換為等幅的交變電壓，使發(fā)射頭能夠長時間可靠、穩(wěn)定的工作。

圖2 超聲波發(fā)射電路

2.2.2 超聲波接收模塊

超聲波接收模塊采用CX20106A芯片，該芯片內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、寬頻帶濾波、檢波、波形整形、滯后比較器等電路構(gòu)成;1腳為信號輸入，2腳是前置放大器頻率特性和增益設(shè)定端，3腳接峰值檢波電容，5腳電阻設(shè)定帶通濾波器的中心頻率，6腳接積分電容，7腳輸出，當(dāng)檢測到信號時輸出一低電平，由于要與DSP的電平(高為3.3伏)匹配，采用了R3，R4分壓。

圖3 超聲波接收電路

2.2.3 主控制器及外圍電路

控制器采用了TI公司的TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器，片內(nèi)有高達(dá)32K字的Flash程序存儲器，使本系統(tǒng)無需外擴(kuò)程序存儲器;應(yīng)用T1PWM比較輸出40KHz的方波驅(qū)動超聲波換能器，CAPTURE4對接收到信號引起的中斷進(jìn)行檢測，定時器T3對超聲波的傳播時間進(jìn)行計時;為方便調(diào)試，系統(tǒng)還擴(kuò)展了1個64K字的數(shù)據(jù)存儲器IC61LV6416，調(diào)試完成后，將程序?qū)懭肫瑑?nèi)Flash，系統(tǒng)即可離開開發(fā)環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。

電源電路采用LM2596將12V轉(zhuǎn)換為+5V，其輸出電流最大為3A，平均工作效率可達(dá)80%以上，然后由TPS7333Q轉(zhuǎn)換為3.3V，供主控芯片TMS320LF2407A及其外圍電路使用，能完全滿足系統(tǒng)的供電要求。

JTAG接口，主要用于芯片內(nèi)部測試以及對系統(tǒng)進(jìn)行編程、仿真、調(diào)試等;TMS320LF2407A內(nèi)嵌JTAG模塊，但對器件編程的功能對一般用戶是屏蔽的，因此只有較少的廠家能生產(chǎn)硬件仿真器。本系統(tǒng)采用ICETEK-5100PP硬件仿真器，結(jié)合TI公司的開發(fā)軟件CCS2.20完成程序調(diào)試、燒入等工作。

2.2.4 電流驅(qū)動器

電流驅(qū)動器如圖4所示，采用了DC-DC變換中的BUCK變換形式，其中J1接磁流變阻尼器線圈; U1接開關(guān)光耦，其2、4腳相接，當(dāng)控制器判斷出磁流變阻尼器的運(yùn)動狀態(tài)后，選擇將其與3或者1腳接通，3腳和1腳的控制電壓由可調(diào)電位器R2、R11控制，表示需要控制輸出電流大小的信號，然后通過電壓跟隨器輸入TL494，該信號與反饋信號比較后，控制TL494的輸出脈沖寬度，當(dāng)在一個周期的高電平期間，信號經(jīng)過Q2驅(qū)動后，使MOSFET導(dǎo)通，電源電壓加在減振器線圈上;當(dāng)在一個周期的低電平期間，MOSFET截止，磁流變減振器線圈內(nèi)部儲存的能量通過二極管D1續(xù)流;在一個周期中通過改變高低電平的時間比，使作用于線圈的平均電壓發(fā)生變化，從而改變其導(dǎo)通電流;電流值又通過R16采樣，然后放大、濾波后又輸入TL494，與控制信號進(jìn)行比較，使反饋值及時跟蹤控制信號電壓值的變化，形成閉環(huán)控制回路，自動調(diào)節(jié)脈寬，保證輸出電流的穩(wěn)定。 圖中R7、R8、C2是相位補(bǔ)償，C1、R9決定TL494的內(nèi)部振蕩頻率，R12，R15決定其死區(qū)時間，Q3的作用是為MOSFET的極間電荷提供泄放回路。

圖4 電流驅(qū)動器原理圖

2.3 軟件設(shè)計

圖5是完成一次測控的流程圖：

圖5 超聲波檢測運(yùn)行狀態(tài)流程圖

3、實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

3.1 測量的分辨力

在溫度T=24.875°C時，測試各距離對應(yīng)的計時脈沖數(shù)據(jù)見表1：

表 1

從表中數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際距離每1毫米的變化，計數(shù)脈沖有約30個的變化，每個記數(shù)脈沖為0.1μs。

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時性

系統(tǒng)每測控一個循環(huán)的耗時主要由兩部分構(gòu)成，即超聲波對阻尼器的運(yùn)行狀態(tài)辯識的時間和電流驅(qū)動器接收到控制信號至輸出電流穩(wěn)定的時間，前者由于采用了測量三次通過一定處理后，作為最終的計數(shù)脈沖值，每次測量最大耗時約2.5ms，共7.5ms;圖6是電流驅(qū)動器在階躍上升和下降信號作用下的實(shí)測動態(tài)響應(yīng)圖，圖中上面是階躍輸入信號曲線，縱向每格的幅值為2.00V;下面是在取樣電阻兩端實(shí)測的響應(yīng)曲線，縱向每格的幅值為1.00V;橫向?yàn)闀r間軸，每格的寬度為2.00ms;可以看出，在階躍信號激勵下，實(shí)際的上升時間和下降時間都低于2.5ms，因此系統(tǒng)總的動態(tài)響應(yīng)時間約10 ms，完全滿足實(shí)時性要求。

圖6 電流驅(qū)動器的動態(tài)響應(yīng)圖

3.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性

系統(tǒng)的穩(wěn)定主要由取決于超速波傳感和電流驅(qū)動器部分，前者由于環(huán)境因素的影響可能產(chǎn)生誤觸發(fā)，因此在一個測控循環(huán)中，通過對連續(xù)三次測量數(shù)據(jù)結(jié)合阻尼器的安裝位置和可能運(yùn)行的最大速度等進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性分析，從而確定本次循環(huán)的準(zhǔn)確時間，表2是在同一距離處，靜態(tài)測量9次的測試結(jié)果：

表 2

由于阻尼器的電感約2.45mH,靜態(tài)電阻約1.2,電流驅(qū)動器采用BUCK變換拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)時，后面不接平波電感和濾波電容輸出的電流紋波已經(jīng)很小，因此開關(guān)管后面的線性部分是典型的一階慣性環(huán)節(jié)，通過PI調(diào)節(jié)后，其單位階躍響應(yīng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差，不存在超調(diào)量和峰值時間，只要反饋系數(shù)取得合適系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。

4、結(jié)論

本文采用超聲波傳感器結(jié)合數(shù)字信號處理器對磁流變液阻尼器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行感知，利用脈寬調(diào)制(PWM)原理結(jié)合磁流變液阻尼器的阻抗特性，設(shè)計了其電流源驅(qū)動器;軟、硬件設(shè)計簡單、方便，又能滿足了系統(tǒng)的實(shí)時性和分辨率要求，對類似非接觸式動態(tài)位移測量系統(tǒng)也有一定的參考價值。

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