磁流變液阻尼器運行狀態(tài)敏感電流源設計

1、引言

汽車(chē)懸架系統阻尼特性的合理匹配對提高乘坐舒適性和操縱穩定性起著(zhù)至關(guān)重要的作用。目前，國外汽車(chē)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械式可調阻尼器，主觀(guān)與客觀(guān)評價(jià)相結合的方法進(jìn)行懸架阻尼參數的實(shí)驗匹配[1～2]，國內汽車(chē)企業(yè)尚需國外技術(shù)支持。但該匹配法只能實(shí)現壓縮阻尼與復原阻尼聯(lián)動(dòng)調節(或阻尼離散調節)，很難實(shí)現懸架阻尼參數的最優(yōu)與自動(dòng)匹配，因此，研究具有自主知識產(chǎn)權和創(chuàng )新特色的自動(dòng)匹配方法，對提高我國汽車(chē)懸架的開(kāi)發(fā)能力具有重要的現實(shí)意義。

阻尼可調的磁流變阻尼器具有傳統的被動(dòng)液力阻尼器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)[3]，利用它來(lái)代替人工調節機械式可調阻尼器研究汽車(chē)懸架阻尼參數的最優(yōu)與自動(dòng)匹配是一種較理想的選擇。汽車(chē)懸架阻尼參數自動(dòng)匹配的理論方法與關(guān)鍵實(shí)現技術(shù)涉及一系列問(wèn)題需要解決，研制成功能辨識汽車(chē)阻尼器運行狀態(tài)(復原與壓縮工況)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(chē)磁流變阻尼器，針對給定的激勵條件，通過(guò)調節勵磁電流實(shí)現阻尼器壓縮與復原阻尼參數的獨立調節，使汽車(chē)的操縱穩定性和乘坐舒適性達到最優(yōu)，獲取阻尼器在該激勵下的阻尼特性，為成功開(kāi)發(fā)出汽車(chē)懸架阻尼參數自動(dòng)匹配裝置奠定堅實(shí)的技術(shù)基礎。

2、系統組成及軟硬件設計

2.1 系統工作原理及組成

系統的工作原理是：在某一時(shí)刻，通過(guò)對固定于阻尼器活塞桿和工作腔上的傳感器來(lái)的數據進(jìn)行分析，判斷出阻尼器與上一時(shí)刻比較是處于拉伸或是壓縮狀態(tài)，根據不同的狀態(tài)，動(dòng)態(tài)改變通過(guò)阻尼器勵磁線(xiàn)圈的電流，引起內部磁場(chǎng)變化，從而達到改變其阻尼力的目的。

工作時(shí)，阻尼器在豎直方向的主振頻率約幾赫茲，振動(dòng)幅度最大約幾百毫米，要判斷其在某一時(shí)刻與上一時(shí)刻比較是處于拉伸或是壓縮，用超聲波來(lái)判斷是一種較經(jīng)濟的方法[4];但由于超聲測距的時(shí)延性，要準確測得其渡越時(shí)間較困難，國內外學(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(dòng)位移數據，因此采用了兩次測得的時(shí)間值比較的方式來(lái)判斷減振器的拉伸或壓縮狀態(tài)。

系統組成如圖1所示，超聲波部分感知阻尼器的運動(dòng)狀態(tài)，數字信號處理器TMS320LF2407A對阻尼器的運動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行識別，然后輸出控制信號作用于電流驅動(dòng)器。

圖1 磁流變液阻尼器運行狀態(tài)敏感電流源系統組成框圖

2.2 系統主要硬件設計

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，系統沒(méi)有采用變壓器升壓來(lái)驅動(dòng)超聲波換能器，直接由控制器定時(shí)產(chǎn)生40KHz的超聲脈沖信號，驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管3904，為了向發(fā)射頭提供較大的驅動(dòng)電流，采用了兩個(gè)非門(mén)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(gè)非門(mén)為驅動(dòng)器的一側提供180度的相移信號，另一側由相內信號驅動(dòng);供電電壓采用5V;電容C2、C3阻斷直流通路，將直流電壓轉換為等幅的交變電壓，使發(fā)射頭能夠長(cháng)時(shí)間可靠、穩定的工作。

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成;1腳為信號輸入，2腳是前置放大器頻率特性和增益設定端，3腳接峰值檢波電容，5腳電阻設定帶通濾波器的中心頻率，6腳接積分電容，7腳輸出，當檢測到信號時(shí)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數字信號處理器，片內有高達32K字的Flash程序存儲器，使本系統無(wú)需外擴程序存儲器;應用T1PWM比較輸出40KHz的方波驅動(dòng)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(shí)器T3對超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行計時(shí);為方便調試，系統還擴展了1個(gè)64K字的數據存儲器IC61LV6416，調試完成后，將程序寫(xiě)入片內Flash，系統即可離開(kāi)開(kāi)發(fā)環(huán)境獨立運行。

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

JTAG接口，主要用于芯片內部測試以及對系統進(jìn)行編程、仿真、調試等;TMS320LF2407A內嵌JTAG模塊，但對器件編程的功能對一般用戶(hù)是屏蔽的，因此只有較少的廠(chǎng)家能生產(chǎn)硬件仿真器。本系統采用ICETEK-5100PP硬件仿真器，結合TI公司的開(kāi)發(fā)軟件CCS2.20完成程序調試、燒入等工作。

2.2.4 電流驅動(dòng)器

電流驅動(dòng)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(xiàn)圈; U1接開(kāi)關(guān)光耦，其2、4腳相接，當控制器判斷出磁流變阻尼器的運動(dòng)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(guò)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，當在一個(gè)周期的高電平期間，信號經(jīng)過(guò)Q2驅動(dòng)后，使MOSFET導通，電源電壓加在減振器線(xiàn)圈上;當在一個(gè)周期的低電平期間，MOSFET截止，磁流變減振器線(xiàn)圈內部?jì)Υ娴哪芰客ㄟ^(guò)二極管D1續流;在一個(gè)周期中通過(guò)改變高低電平的時(shí)間比，使作用于線(xiàn)圈的平均電壓發(fā)生變化，從而改變其導通電流;電流值又通過(guò)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(shí)跟蹤控制信號電壓值的變化，形成閉環(huán)控制回路，自動(dòng)調節脈寬，保證輸出電流的穩定。 圖中R7、R8、C2是相位補償，C1、R9決定TL494的內部振蕩頻率，R12，R15決定其死區時(shí)間，Q3的作用是為MOSFET的極間電荷提供泄放回路。

圖4 電流驅動(dòng)器原理圖

2.3 軟件設計

圖5是完成一次測控的流程圖：

圖5 超聲波檢測運行狀態(tài)流程圖

3、實(shí)驗測試結果

3.1 測量的分辨力

在溫度T=24.875°C時(shí)，測試各距離對應的計時(shí)脈沖數據見(jiàn)表1：

表 1

從表中數據可以看出，實(shí)際距離每1毫米的變化，計數脈沖有約30個(gè)的變化，每個(gè)記數脈沖為0.1μs。

3.2 系統響應的實(shí)時(shí)性

系統每測控一個(gè)循環(huán)的耗時(shí)主要由兩部分構成，即超聲波對阻尼器的運行狀態(tài)辯識的時(shí)間和電流驅動(dòng)器接收到控制信號至輸出電流穩定的時(shí)間，前者由于采用了測量三次通過(guò)一定處理后，作為最終的計數脈沖值，每次測量最大耗時(shí)約2.5ms，共7.5ms;圖6是電流驅動(dòng)器在階躍上升和下降信號作用下的實(shí)測動(dòng)態(tài)響應圖，圖中上面是階躍輸入信號曲線(xiàn)，縱向每格的幅值為2.00V;下面是在取樣電阻兩端實(shí)測的響應曲線(xiàn)，縱向每格的幅值為1.00V;橫向為時(shí)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(shí)間和下降時(shí)間都低于2.5ms，因此系統總的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間約10 ms，完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

圖6 電流驅動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應圖

3.3 系統的穩定性

系統的穩定主要由取決于超速波傳感和電流驅動(dòng)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(gè)測控循環(huán)中，通過(guò)對連續三次測量數據結合阻尼器的安裝位置和可能運行的最大速度等進(jìn)行數據有效性分析，從而確定本次循環(huán)的準確時(shí)間，表2是在同一距離處，靜態(tài)測量9次的測試結果：

表 2

由于阻尼器的電感約2.45mH,靜態(tài)電阻約1.2,電流驅動(dòng)器采用BUCK變換拓撲電路結構時(shí)，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(kāi)關(guān)管后面的線(xiàn)性部分是典型的一階慣性環(huán)節，通過(guò)PI調節后，其單位階躍響應沒(méi)有穩態(tài)誤差，不存在超調量和峰值時(shí)間，只要反饋系數取得合適系統都是穩定的。

4、結論

本文采用超聲波傳感器結合數字信號處理器對磁流變液阻尼器運行狀態(tài)進(jìn)行感知，利用脈寬調制(PWM)原理結合磁流變液阻尼器的阻抗特性，設計了其電流源驅動(dòng)器;軟、硬件設計簡(jiǎn)單、方便，又能滿(mǎn)足了系統的實(shí)時(shí)性和分辨率要求，對類(lèi)似非接觸式動(dòng)態(tài)位移測量系統也有一定的參考價(jià)值。

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