磁流變液阻尼器運(yùn)行狀態(tài)敏感電流源設(shè)計(jì)

1、引言

汽車懸架系統(tǒng)阻尼特性的合理匹配對(duì)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(guó)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(píng)價(jià)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(guó)內(nèi)汽車企業(yè)尚需國(guó)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(dòng)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(dòng)匹配，因此，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新特色的自動(dòng)匹配方法，對(duì)提高我國(guó)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(dòng)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(dòng)匹配是一種較理想的選擇。汽車懸架阻尼參數(shù)自動(dòng)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(shí)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(duì)于特定的汽車磁流變阻尼器，針對(duì)給定的激勵(lì)條件，通過調(diào)節(jié)勵(lì)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(lì)下的阻尼特性，為成功開發(fā)出汽車懸架阻尼參數(shù)自動(dòng)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(jì)

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(shí)刻，通過對(duì)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(shí)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(dòng)態(tài)改變通過阻尼器勵(lì)磁線圈的電流，引起內(nèi)部磁場(chǎng)變化，從而達(dá)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，用超聲波來判斷是一種較經(jīng)濟(jì)的方法[4];但由于超聲測(cè)距的時(shí)延性，要準(zhǔn)確測(cè)得其渡越時(shí)間較困難，國(guó)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(dòng)位移數(shù)據(jù)，因此采用了兩次測(cè)得的時(shí)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(dòng)狀態(tài)，數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A對(duì)阻尼器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，然后輸出控制信號(hào)作用于電流驅(qū)動(dòng)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(jì)

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(cè)量距離小，系統(tǒng)沒有采用變壓器升壓來驅(qū)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(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管3904，為了向發(fā)射頭提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，采用了兩個(gè)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(gè)非門為驅(qū)動(dòng)器的一側(cè)提供180度的相移信號(hào)，另一側(cè)由相內(nèi)信號(hào)驅(qū)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(zhuǎn)換為等幅的交變電壓，使發(fā)射頭能夠長(zhǎng)時(shí)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(hào)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(cè)到信號(hào)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(shù)字信號(hào)處理器，片內(nèi)有高達(dá)32K字的Flash程序存儲(chǔ)器，使本系統(tǒng)無需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器;應(yīng)用T1PWM比較輸出40KHz的方波驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，CAPTURE4對(duì)接收到信號(hào)引起的中斷進(jìn)行檢測(cè)，定時(shí)器T3對(duì)超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí);為方便調(diào)試，系統(tǒng)還擴(kuò)展了1個(gè)64K字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)試以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程、仿真、調(diào)試等;TMS320LF2407A內(nèi)嵌JTAG模塊，但對(duì)器件編程的功能對(duì)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(dòng)器

電流驅(qū)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(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(diào)電位器R2、R11控制，表示需要控制輸出電流大小的信號(hào)，然后通過電壓跟隨器輸入TL494，該信號(hào)與反饋信號(hào)比較后，控制TL494的輸出脈沖寬度，當(dāng)在一個(gè)周期的高電平期間，信號(hào)經(jīng)過Q2驅(qū)動(dòng)后，使MOSFET導(dǎo)通，電源電壓加在減振器線圈上;當(dāng)在一個(gè)周期的低電平期間，MOSFET截止，磁流變減振器線圈內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量通過二極管D1續(xù)流;在一個(gè)周期中通過改變高低電平的時(shí)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(hào)進(jìn)行比較，使反饋值及時(shí)跟蹤控制信號(hào)電壓值的變化，形成閉環(huán)控制回路，自動(dòng)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(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(qū)動(dòng)器原理圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

圖5是完成一次測(cè)控的流程圖：

圖5 超聲波檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)流程圖

3、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)量的分辨力

在溫度T=24.875°C時(shí)，測(cè)試各距離對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)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(jì)數(shù)脈沖有約30個(gè)的變化，每個(gè)記數(shù)脈沖為0.1μs。

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性

系統(tǒng)每測(cè)控一個(gè)循環(huán)的耗時(shí)主要由兩部分構(gòu)成，即超聲波對(duì)阻尼器的運(yùn)行狀態(tài)辯識(shí)的時(shí)間和電流驅(qū)動(dòng)器接收到控制信號(hào)至輸出電流穩(wěn)定的時(shí)間，前者由于采用了測(cè)量三次通過一定處理后，作為最終的計(jì)數(shù)脈沖值，每次測(cè)量最大耗時(shí)約2.5ms，共7.5ms;圖6是電流驅(qū)動(dòng)器在階躍上升和下降信號(hào)作用下的實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖，圖中上面是階躍輸入信號(hào)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(cè)的響應(yīng)曲線，縱向每格的幅值為1.00V;橫向?yàn)闀r(shí)間軸，每格的寬度為2.00ms;可以看出，在階躍信號(hào)激勵(lì)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(tǒng)總的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約10 ms，完全滿足實(shí)時(shí)性要求。

圖6 電流驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)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(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(cè)控循環(huán)中，通過對(duì)連續(xù)三次測(cè)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(shí)間，表2是在同一距離處，靜態(tài)測(cè)量9次的測(cè)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(dòng)器采用BUCK變換拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)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(shí)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(hào)處理器對(duì)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(jì)了其電流源驅(qū)動(dòng)器;軟、硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，又能滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和分辨率要求，對(duì)類似非接觸式動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] K. J. Kitching, D. J. Cole, and D. Cebon. The development of a heavy vehicle semi-active damper[J]. Proc. Intl.Symposium on Advanced Vehicle Control. AVEC’96, Aachen, German, 1996.

[2] Y. He and J. McPhee. A Design Methodology for Mechatronic Vehicles: Application of Multidisciplinary Optimization, Multibody Dynamics, and Genetic Algorithms[J]. submitted to Vehicle System Dynamics, 2004.

[3] Sung-Ryong Hong, Seung-Bok Choi. Vibration Control of a Structural System Using Magneto-Rheological Fluid Mount[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 16(111-12), 2005.

[4] B. Cretin,P. Vairac,N. Jachez, ,et al. Sensitive ultrasonic vibrometer for very low frequency applications[J].REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 78, 085112 _2007.

[5] Hannes EImer, Herbert Schweinzer. High Resolution Ultrasonic Distance Measurement in Air Using Coded Signals[C]. IEEE Instrument and Measurement Technology Conference Anchorage ,AK,USA,21-23 2002.

[6] 趙珂, 向瑛, 王忠.高準(zhǔn)確度超聲波測(cè)距儀的研制[J]. 傳感器技術(shù),2003 年第22 卷第2 期55-57。趙海鳴,卜英勇,王紀(jì)嬋.一種高精度超聲波測(cè)距方法的研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006 年9 月第21卷第3期35-38.