一種基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ecu系統的製作方法
2023-05-31 15:33:51
專利名稱：一種基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ecu系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電控半主動或主動懸架的E⑶控制器，主要是ー種基於磁流變液減震器的電控半主動懸架E⑶系統。
背景技術：
磁流變液(Magnetorheological Fluid,簡稱MR流體)是由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的ー種智能材料。在外加磁場作用下，磁流變液的流變特性發生變化，並且隨著外加磁場強度的變化而變化。由於磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變後的剪切屈服強度與磁場強度具有穩定的對應關係，因此被廣泛應用在汽車、建築、橋梁、機械和軍エ等領域。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。其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力，緩衝由不平路面傳給車架或車身的衝擊力，並衰減由此引起的震動，以保證汽車能平順地行駛。因此懸架系統決定著轎車的穩定性、舒適性和安全性，是現代轎車十分關鍵的部件之一。根據懸架彈簧剛度係數和減震器阻尼係數是否可調，汽車懸架被可分為被動、半主動和主動懸架。半主動懸架系統一般由傳感器、控制器、驅動器和執行器組成，具有在一定範圍內對減震器阻尼係數或者彈簧剛度系統進行調節的功能。汽車磁流變液減震器是通過改變驅動電流的大小調節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生磁流變效應。隨著磁場強度的増加，磁流變效應越顯著，因此只要調節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(磁場消除後磁流變液能恢復原始狀態)、動態範圍廣(輸出阻尼力大小變化明顯)、無級可調、響應頻率高(ms毫秒級)、功耗低和結構簡單等特點。如何使得磁流變液減震器隨著車輛運行エ況的變化持續控制減震器動態響應和調節阻尼力的精確輸出以達到汽車平順性和操縱穩定性的最優效果是基於磁流變液減震器的半主動懸架的核心技木。現有技術中採用8位單片機作為ECU控制器，存在輸入信號採樣解析度不高、處理器因呑吐量小，主頻低而造成響應速度低、PWM驅動控制精度不高和無法實現軟硬體相結合的故障診斷以及系統安全監控措施。
發明內容
針對上述磁流變減震器的核心技術問題以及現有技術的不足，本發明提供ー種響應速度快、輸出精度高、功耗低和具有通信功能並適應汽車級複雜エ況環境的基於磁流變液減震器的電控半主動懸架E⑶系統。本發明的目的是通過如下技術方案來完成的。這種基於磁流變液減震器的電控半主動懸架E⑶系統，包括E⑶硬體和軟體系統部分；由E⑶電源管理模塊、信號採集模塊、處理器系統模塊、故障診斷與安全處理模塊、CAN總線通信模塊、磁流變減震器驅動控制模塊和軟體系統模塊組成；其中軟體系統模塊由ECU基礎軟體(BSW)和應用軟體(ASW)組成兩大部分組成。ECU電源管理模塊與處理器相連接，用於對12V蓄電池(車用電源)電壓進行線性穩壓並輸出ECU控制器的5V工作電壓，同時實現對ECU單片處理器的上電復位和硬體看門狗處理功能；信號採集模塊包括加速度傳感器和信號調理電路，傳感器信號進行放大濾波後輸入至處理器；故障診斷與安全處理模塊與處理器相連接，用於E⑶數據監控和故障處理；磁流變減震器驅動控制模塊與處理器相連接，磁流變減震器驅動控制模塊由執行器電源管理、PWM驅動輸出控制和執行器電流反饋電路組成，用於對處理器輸出的PWM波形進行放大輸出目標電流控制磁流變減震器的電磁線圏，並實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標值，以達到精準調節減震器阻尼力。
信號採集模塊將傳感器信號進行放大濾波後輸入至處理器。本發明的ECU控制器針對模擬和數字式不同接ロ的傳感器類型設計了相應採集處理電路，對於模擬式傳感器經過放大電路後將信號幅值放大至0 5V的信號並通過低通濾波器濾波後輸入至處理器的ADC接ロ ；數字式SPI接ロ傳感器按照SPI接ロ標準連接至處理器，軟體實現SPI接ロ驅動程序並讀取傳感器的數據信號。由於本發明基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統控制算法需要計算車輛簧載質量的垂向振動絕對速度以及簧載質量與非簧載質量之間的相對振動速度，通過安裝在減震器頂端和汽車後座底部的垂直加速度傳感器採集振動加速度信號並通過軟體計算得到控制算法的輸入振動信號。處理器系統模塊主要由硬體和軟體組成，其硬體是實現汽車級單片處理器的最小系統，主要提供精準的外部系統時鐘信號，可靠的處理器復位信號以及保障處理器正常エ作的精確電源和正確的輸入輸出I/o ロ配置。軟體是本發明的ECU控制器系統的核心，輸入信號的處理計算，控制算法的實施、控制補償計算與PWM佔空比輸出、ECU故障診斷與安全監控、CAN通信應用等都是通過軟體實現。故障診斷與安全處理模塊主要實現E⑶數據監控和故障處理，保證系統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。故障診斷功能能夠對E⑶運行情況進行實時監控，當ECU出現故障時能判斷故障信息並以故障碼存儲在ECU內部的存儲器中，維護人員通過診斷工具能夠讀取故障碼並通過顯示的故障信息判斷故障原因。本發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、執行器電源及高邊智能功率開關功能檢測、低邊驅動智能器件檢測、以及ECU各模塊電流和溫度的監控。安全處理模塊通過硬體冗餘設計防止電磁幹擾、靜電防護、浪湧衝擊等危害，通過軟體加密和陷阱植入技術實現E⑶系統安全可靠運行，並防止軟體非法拷貝和處理軟體工作異常。CAN總線通信模塊由CAN總線接ロ和CAN2. 0標準驅動程序組成，CAN總線接ロ由處理器的CAN2. 0控制器同CAN2. 0標準收發器組成，由CAN2. 0標準收發器的差分數據線接入CAN網絡。通過CAN總線能夠實現ECU參數標定、故障診斷、軟體升級與維護、ECU之間共孚彳目息等功能。磁流變減震器驅動控制模塊由執行器電源管理、PWM驅動輸出控制和執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電流控制磁流變減震器的電磁線圏，並實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標值，以達到精準調節減震器阻尼力的效果。軟體系統模塊是在ECU控制器硬體平臺的基礎上，在集成開發環境下開發設計的，並最終嵌入在ECU控制器硬體平臺運行。軟體系統分為基礎軟體和任務應用軟體，由硬體接ロ層、硬體驅動層和任務應用層組成，其中基礎軟體包括接口和驅動層部分，主要完成對ECU硬體平臺的初始化和為應用軟體提供引導、驅動、時鐘、中斷和調度等運行環境準備。應用軟體則由彼此獨立且相互聯繫的任務模塊組成，通過基礎軟體提供的實時調度管理機制和配套的API驅動函數實現諸如信號採集處理、控制算法應用、通信應用等任務的實時可靠工作。實時任務調度管理機制的原理是通過定時器中斷分別產生500微秒、I毫秒和5毫秒三個任務級中斷，並將系統的任務按照優先級先分成3個定時中斷級別，同時每個級別內的任務按照動態優先級通過有限狀態機進行二次調度，這種兩級層層調度的機制確保了高優先級的任務優先佔用硬體資源並運行，使得基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU控制器系統能夠實時保證在I秒鐘內進彳了 1000次的持續控制調節並能實時可果處理諸如信號採集、處理、運算、診斷和通信等多任務應用。本發明的有益效果為本發明提供的基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統，採用汽車級16位高速處理器晶片，最高工作頻率可達IOOMhz，整個E⑶控制器硬體系統工作電流在150mA左右，功率不足1W。I秒鐘內能夠進行1000次的持續控制調節，不僅簡化了 ECU的電路設計，降低系統功耗，同時在實現複雜的控制算法和系統應用管理上具有響應速度快、控制精度高、靈活適應性強、無零點漂移和實時性的特點。本發明採用數字/模擬式接ロ的信號採集，能夠兼容模擬或者數字式的傳感器接ロ。模擬傳感器經過放大濾波處理後輸入至處理器的ADC接ロ，12位解析度的ADC接ロ轉換率可達lOOus，完全能夠實現對0 IOOhz左右的振動加速度信號處理。採用SPI接ロ可以實現對數字式加速度傳感器或者溫度傳感器信號的採集，SPI接ロ能夠滿足波特率達IOMbps的傳感器信號米集。本發明採用高低邊智能功率器件控制驅動執行器的技術，其中高邊智能功率器件實現執行器電源的控制管理以及高邊電壓過流、過壓、短路和溫度監控的功能，低邊智能功率器件實現PWM控制執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對汽車半主動懸架前後4個磁流變液減震器的電磁執行器控制。採用定頻調寬的方式輸出16位周期為lOkhz，佔空比不斷變化的PWM波形，其動態調節時間為lOOus，精度可達216合65536的解析度。本發明驅動控制處理採用低阻值、高精度、高功率的精密電阻串接在執行器電磁線圈上實現對實際電流值採樣的閉環控制，採用瞬態逆變ニ極管(TVS)並聯在電磁線圈上擬制驅動器開關瞬間感性負載端形成的反向瞬態能量衝擊。本發明採用CAN2. 0標準協議的通信接ロ實現高速CAN總線通信功能，通信速率可達1Mbps，能夠實現E⑶控制器在汽車CAN總線網絡中的集成與兼容。
圖I為基於磁流變液減震器的電控半主動懸架E⑶系統硬體原理框圖。圖2為基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統控制器軟體結構框圖。圖3為基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統控制器軟體流程圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明做詳細的介紹
如圖I所示為本發明所述優選實施例提供的ー種ECU控制器硬體系統原理框圖。由信號調理、電源及系統管理、處理器単元、執行器驅動控制、故障診斷與安全處理、CAN通信接ロ等模塊組成。所述發明ECU控制器實施例優選飛思卡爾公司的新一代雙核微處理器的MC9S12XET256單片機晶片，此單片處理器具有32位性能與16位MCU的所有優點和功效，同時保留了飛思卡爾現有16位S12和S12X內核低成本、低功耗、EMC和高效的代碼率等特點，是專門應用於汽車底盤安全及車身控制的處理器晶片。BDM接ロ是MC9S12XET256處理器晶片的軟體調試仿真硬體接ロ，在IDE集成開發環境下對基於MC9S12XET256處理器的E⑶軟體進行調試、仿真和燒寫。MC9S12XET256處理器實現E⑶控制系統的輸入信號採集與處理、控制算法的運算、執行器PWM控制輸出、故障診斷與系統安全監控、CAN總線通信等功能。本發明優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0 5V、 幅值為+/_3g、頻率響應(0 200hz範圍)、非線性誤差在+/-50mg左右的垂直振動信號，通過低通濾波器後直接輸入至單片處理器的ADC(analog-to_digital converters)採樣處理。單片處理器的ADC通道也負責對執行器電源控制単元的電流反饋信號，執行器電流反饋信號以及ECU控制系統溫度傳感器的溫度信號的採樣處理。本發明優選實施例的驅動控制輸出由執行器電源控制、執行器驅動控制和執行器檢流反饋組成，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 ロ連接智能高邊功率開關器件，控制對執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器件，以實現對執行器電磁線圈供電迴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、高精度的採樣電阻串接在執行器的電磁線圈迴路上，採樣電阻兩端的電壓差經過放大濾波後輸入至處理器的ADC通過實現對執行器迴路實際工作電流的反饋。如圖2所示為本發明實施例的ECU軟體結構框圖。ECU控制器硬體平臺是軟體運行的基礎，軟體原始碼經過編譯-連結-綜合後形成的ニ進位碼文件被燒寫到單片處理器後在ECU控制器硬體系統正常情況下工作。IDE集成開發環境是軟體開發工具，只有在針對MC9S12XET256處理器的集成開發環境下才能完成軟體原始碼的編譯調試、修改優化、map文件配置、仿真監控、測試評估等工作。ECU軟體具有嵌入式軟體的一般層次結構，由基礎軟體和應用軟體組成。其中基礎軟體完成硬體抽象層和驅動層的工作，應用軟體在基礎軟體的基礎上實現ECU各個應用任務的功能。硬體抽象層主要實現處理器和ECU硬體的初始化配置、寄存器地址和功能定義、外設接ロ的初始化配置，使軟體能夠脫離硬體電氣特性直接通過邏輯狀態來實現對硬體的驅動與控制。驅動層主要是為應用層提供運行環境，使得應用層的任務組件能夠徹底脫離硬體系統，實現任務功能。驅動層主要實現系統引導、驅動管理、通信管理、時鐘管理、存儲管理和任務調度管理的功能。如圖3所示為本發明的軟體工作流程圖，通過兩級任務調度控制算法實現了包括信號處理、算法處理、通信處理和診斷處理等多事物的實時性、可靠性的協同工作。軟體系統由系統初始化、ECU硬體自檢和主程序循環組成。系統復位完成硬體上電開機後軟體初始狀態的配置；系統初始化主要包括程序指針引導，處理器內核的時鐘頻率，電源安全節能控制管理初始化；外設初始化完成處理器I/O ロ、SPI接ロ、ADC轉換器、CAN接ロ控制器、PWM控制器等接ロ的初始化工作；系統變量初始化完成軟體的全局變量和數據結構體的初始化配置；配置系統參數通過從EEPROM存儲器中讀取系統參數並初始化相應配置；任務調度初始化完成對系統應用任務組件的優先級及暫存配置的初始化。ECU硬體自檢完成對ECU控制器硬體系統的核心器件的異常監控，主要檢查判斷信號採集端、執行器電源端、控制輸出端的正常工作，如任何部位出現異常將轉入報警及異常處理流程，直至異常排除為止主程序循環的核心是兩級任務調度管理機制，第一級設置500uS、lmS、5mS三個定時中斷級別。將輸入信號採集和反饋信號採集處理等響應快處理時間短的任務歸為500us中斷任務級；將數據運算、算法處理、誤差補償和PWM輸出這些核心任務歸為Ims中斷任務級，確保系統能在I秒鐘實現1000次的動態調節；同時將系統標定、診斷、軟體維護和通信應用等處理時間長的任務歸為5ms定時中斷任務級。而每個定時中斷到來時即轉入相應中斷任務級的流程，同時中斷任務級內則通過有限狀態機的方式動態調度不同應用任務的執行，如此整個E⑶控制器軟體系統以無限循環的運行方式工作。除上述實施例外，凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。
權利要求
1.一種基於磁流變液減震器的電控半主動懸架E⑶系統，其特徵在於主要包括處理器，ECU電源管理模塊與處理器相連接，用於對12V車用電源電壓進行線性穩壓並輸出ECU控制器的5V工作電壓，同時實現對ECU單片處理器的上電復位和硬體看門狗處理功能；信號採集模塊包括加速度傳感器和信號調理電路，傳感器信號進行放大濾波後輸入至處理器；故障診斷與安全處理模塊與處理器相連接，用於ECU數據監控和故障處理；磁流變減震器驅動控制模塊與處理器相連接，磁流變減震器驅動控制模塊由執行器電源管理、PWM驅動輸出控制和執行器電流反饋電路組成，用於對處理器輸出的PWM波形進行放大輸出目標電流控制磁流變減震器的電磁線圏，並實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標值，以達到精準調節減震器阻尼力。
2.根據權利要求I所述的基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統，其特徵在於對於模擬式傳感器經過放大電路後將信號幅值放大至O 5V的信號並通過低通濾波器濾波後輸入至處理器的ADC接ロ ；數字式SPI接ロ傳感器按照SPI接ロ標準連接至處理器，實現SPI接ロ驅動程序並讀取傳感器的數據信號。
3.根據權利要求I所述的基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統，其特徵在幹在減震器頂端和汽車後座底部安裝有垂直加速度傳感器採集振動加速度信號並通過計算得到控制算法的輸入振動信號。
全文摘要
本發明涉及一種基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統，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；信號採集模塊包括加速度傳感器和信號調理電路，傳感器信號進行放大濾波後輸入至處理器；磁流變減震器驅動控制模塊由執行器電源管理、PWM驅動輸出控制和執行器電流反饋電路組成，用於對處理器輸出的PWM波形進行放大輸出目標電流控制磁流變減震器的電磁線圈，並實時反饋電磁線圈的實際電流至處理器，通過閉環控制補償輸出的電流使得實際工作電流接近目標值。本發明有益的效果提供一種響應速度快、輸出精度高、功耗低和具有通信功能並適應汽車級複雜工況環境的基於磁流變液減震器的電控半主動懸架ECU系統。
文檔編號B60G17/0185GK102616104SQ20121008388
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月27日 優先權日2012年3月27日
發明者李霖, 潘傑鋒, 諶文思, 資小林, 邱寶象, 郭增均 申請人:萬向錢潮股份有限公司, 萬向集團公司