電磁懸架調節控制器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種電磁懸架調節控制器，包括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；信號采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后輸入至處理器；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，用于對處理器輸出的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，并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并適應汽車級復雜工況環境的電磁懸架調節控制器。
【專利說明】
電磁懸架調節控制器
技術領域
[0001]本發明涉及一種電控半主動或主動懸架的ECU控制器，主要是一種電磁懸架調節控制器。
【背景技術】
[0002]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一種智能材料。在外加磁場作用下，磁流變液的流變特性發生變化，并且隨著外加磁場強度的變化而變化。由于磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強度與磁場強度具有穩定的對應關系，因此被廣泛應用在汽車、建筑、橋梁、機械和軍工等領域。
[0003]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，緩沖由不平路面傳給車架或車身的沖擊力，并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。根據懸架彈簧剛度系數和減震器阻尼系數是否可調，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，具有在一定范圍內對減震器阻尼系數或者彈簧剛度系統進行調節的功能。
[0004]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。隨著磁場強度的增加，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(磁場消除后磁流變液能恢復原始狀態)、動態范圍廣(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。
[0005]如何使得磁流變液減震器隨著車輛運行工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于磁流變液減震器的半主動懸架的核心技術。現有技術中采用8位單片機作為ECU控制器，存在輸入信號采樣分辨率不高、處理器因吞吐量小，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件相結合的故障診斷以及系統安全監控措施。

【發明內容】

[0006]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，本發明提供一種響應速度快、輸出精度高、功耗低和具有通信功能并適應汽車級復雜工況環境的電磁懸架調節控制器。
[0007]本發明的目的是通過如下技術方案來完成的。這種電磁懸架調節控制器，包括ECU硬件和軟件系統部分；由ECU電源管理模塊、信號采集模塊、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件系統模塊組成;其中軟件系統模塊由E⑶基礎軟件(BSW)和應用軟件(ASW)組成兩大部分組成。E⑶電源管理模塊與處理器相連接，用于對12V蓄電池(車用電源)電壓進行線性穩壓并輸出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件看門狗處理功能;信號采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后輸入至處理器;故障診斷與安全處理模塊與處理器相連接，用于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，用于對處理器輸出的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，并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。
[0008]信號采集模塊將傳感器信號進行放大濾波后輸入至處理器。本發明的ECU控制器針對模擬和數字式不同接口的傳感器類型設計了相應采集處理電路，對于模擬式傳感器經過放大電路后將信號幅值放大至O?5V的信號并通過低通濾波器濾波后輸入至處理器的ADC接口 ；數字式SPI接口傳感器按照SPI接口標準連接至處理器，軟件實現SPI接口驅動程序并讀取傳感器的數據信號。由于本發明電磁懸架調節控制器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后座底部的垂直加速度傳感器采集振動加速度信號并通過軟件計算得到控制算法的輸入振動信號。
[0009]處理器系統模塊主要由硬件和軟件組成，其硬件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工作的精確電源和正確的輸入輸出I/o口配置。軟件是本發明的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占空比輸出、ECU故障診斷與安全監控、CAN通信應用等都是通過軟件實現。
[0010]故障診斷與安全處理模塊主要實現ECU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ECU運行情況進行實時監控，當ECU出現故障時能判斷故障信息并以故障碼存儲在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并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件冗余設計防止電磁干擾、靜電防護、浪涌沖擊等危害，通過軟件加密和陷阱植入技術實現ECU系統安全可靠運行，并防止軟件非法拷貝和處理軟件工作異常。
[0011 ] CAN總線通信模塊由CAN總線接口和CAN2.0標準驅動程序組成，CAN總線接口由處理器的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、軟件升級與維護、ECU之間共享信息等功能。
[0012]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圈，并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。
[0013]軟件系統模塊是在ECU控制器硬件平臺的基礎上，在集成開發環境下開發設計的，并最終嵌入在ECU控制器硬件平臺運行。軟件系統分為基礎軟件和任務應用軟件，由硬件接口層、硬件驅動層和任務應用層組成，其中基礎軟件包括接口和驅動層部分，主要完成對ECU硬件平臺的初始化和為應用軟件提供引導、驅動、時鐘、中斷和調度等運行環境準備。應用軟件則由彼此獨立且相互聯系的任務模塊組成，通過基礎軟件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采集處理、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，并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占用硬件資源并運行，使得基于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秒鐘內進行1000次的持續控制調節并能實時可靠處理諸如信號采集、處理、運算、診斷和通信等多任務應用。
[0014]本發明的有益效果為:
[0015]本發明提供的電磁懸架調節控制器，采用汽車級16位高速處理器芯片，最高工作頻率可達10Mhz，整個ECU控制器硬件系統工作電流在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，同時在實現復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。
[0016]本發明采用數字/模擬式接口的信號采集，能夠兼容模擬或者數字式的傳感器接口。模擬傳感器經過放大濾波處理后輸入至處理器的ADC接口，12位分辨率的ADC接口轉換率可達10us，完全能夠實現對O?10hz左右的振動加速度信號處理。采用SPI接口可以實現對數字式加速度傳感器或者溫度傳感器信號的采集，SPI接口能夠滿足波特率達1Mbps的傳感器信號采集。
[0017]本發明采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后4個磁流變液減震器的電磁執行器控制。采用定頻調寬的方式輸出16位周期為1khz，占空比不斷變化的P麗波形，其動態調節時間為10us，精度可達216合65536的分辨率。本發明驅動控制處理采用低阻值、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采樣的閉環控制，采用瞬態逆變二極管(TVS)并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沖擊。
[0018]本發明采用CAN2.0標準協議的通信接口實現高速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。
【附圖說明】
[0019]圖1為電磁懸架調節控制器硬件原理框圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合附圖對本發明做詳細的介紹:
[0021 ]如圖1所示為本發明所述優選實施例提供的一種ECU控制器硬件系統原理框圖。由信號調理、電源及系統管理、處理器單元、執行器驅動控制、故障診斷與安全處理、CAN通信接口等模塊組成。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單片機芯片，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，是專門應用于汽車底盤安全及車身控制的處理器芯片。BDM接口是MC9S12XET256處理器芯片的軟件調試仿真硬件接口，在IDE集成開發環境下對基于MC9S12XET256處理器的ECU軟件進行調試、仿真和燒寫。MC9S12XET256處理器實現ECU控制系統的輸入信號采集與處理、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。
[0022]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O?5V、幅值為+/_3g、頻率響應(O?200hz范圍)、非線性誤差在+/-50mg左右的垂直振動信號，通過低通濾波器后直接輸入至單片處理器的ADC(analog-to_digital converters)采樣處理。單片處理器的ADC通道也負責對執行器電源控制單元的電流反饋信號，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采樣處理。
[0023]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 口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回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、高精度的采樣電阻串接在執行器的電磁線圈回路上，采樣電阻兩端的電壓差經過放大濾波后輸入至處理器的ADC通過實現對執行器回路實際工作電流的反饋。
[0024]除上述實施例外，凡采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范圍。
【主權項】
1.一種電磁懸架調節控制器，其特征在于:主要包括處理器，E⑶電源管理模塊與處理器相連接，用于對12V車用電源電壓進行線性穩壓并輸出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件看門狗處理功能；信號采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后輸入至處理器;故障診斷與安全處理模塊與處理器相連接，用于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，用于對處理器輸出的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，并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1所述的電磁懸架調節控制器，其特征在于:對于模擬式傳感器經過放大電路后將信號幅值放大至O?5V的信號并通過低通濾波器濾波后輸入至處理器的ADC接口 ；數字式SPI接口傳感器按照SPI接口標準連接至處理器，實現SPI接口驅動程序并讀取傳感器的數據信號。3.根據權利要求1所述的電磁懸架調節控制器，其特征在于:在減震器頂端和汽車后座底部安裝有垂直加速度傳感器采集振動加速度信號并通過計算得到控制算法的輸入振動信號。
【文檔編號】G05B23/02GK106094799SQ201610541063
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】張超
【申請人】安慶新景技電子科技有限公司