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1、中北大学2012届毕业设计说明书1 引言1.1本课题研究背景随着经济社会的发展，汽车已逐步走入普通家庭，成为人们生活和出行必不可少的工具，人们对汽车的安全舒适性能也提出了更高的要求。汽车行驶时，由于路面不平及发动机、传动系、车轮等旋转部件激发汽车的振动，这些振动直接影响到汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性和可靠性。而传统的被动悬架所采用的减振器由于其自身的局限性无法满足上述要求。磁流变阻尼器是一种在磁场作用下阻尼可控的器件，与传统汽车悬架系统相比，装有磁流变阻尼器的半主动悬架系统可以根据路面状况和车辆运行状态，在计算机的控制下自动调节阻尼力的阻尼器，大大提高汽车的舒适性和行车安全性。磁流变阻尼器的工
2、作原理是改变励磁线圈中的电流从而获得不同强度的磁场，使工作腔中的磁流变液的流动特性发生变化，从而改变阻尼力的大小。因此，控制器只要能实时精确调节磁流变阻尼器的驱动电流，就能达到控制磁流变阻尼器的目的1。随着汽车结构和功能的不断改进和完善，研究汽车振动，设计新型电控系统从而将汽车振动控制到最低水平已经成为提高现代汽车品质的重要措施。研究性能可靠，调节方便的可调阻尼减振器将是半主动悬架走向大众的必经之路。1.2汽车悬架系统简介悬架是连接车身和车轮之间全部零部件的总称，是减少动载荷引起的零部件损坏、提高车辆平顺性(乘座舒适性)和安全性(操纵稳定性)的关键(平顺性和操纵稳定性是汽车的最重要的性能指标之
3、一)。悬架系统主要由弹性元件(如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆等)、减振器和导向机构组成。悬架系统中减振器的主要作用是提供阻尼力，加速车架与车身振动的衰减，从而改善车辆行驶平顺性。按照系统组成有无控制环节，车辆悬架系统可粗略分为被动悬架系统和智能悬架系统，智能悬架根据作用原理又可以粗分为主动悬架和半主动悬架两类。目前汽车上普遍采用的被动悬架其参数足以对车辆乘座舒适性和操纵稳定性要求的折衷设计，采用保守弹性元件(弹簧)和耗能元件(减振器)，弹簧刚度和减振器阻尼系数等参数同定，减振器的阻尼力不可调，其弹簧的弹性特性和减振器的阻尼特性不能随着车辆运行工况的变化而进行调节，优点是结构简单，成本低；缺点是缺乏
4、灵活性，一旦设计定型，悬架参数就无法调解了，所以采用被动悬架的车辆的减振效果只能是在特定路况和车况下才能达到最优，难以满足要求越来越高的平顺行和操纵稳定性的要求2。一旦路况或车况参数发生变化，就会引起车辆平顺性（或)操纵稳定性不同程度的降低。1.2.1汽车悬架系统的分类在由悬架系统的工作原理不同，目前汽车悬架可分为被动悬架(Passive Suspension)、半主动悬架(Semi-Active Suspension)及主动悬架(Active Suspension)等三种3。（1）被动悬架被动悬架无外部能量输入，弹簧刚度和减振器阻尼系数均不可调。只能在特定工况下达到最优，缺少对变载荷、变车速
5、、不可预测路况的适应性，限制了被动悬架系统性能的进一步提高。硬阻尼的悬架能保证良好的操纵稳定性，但将更多的路面输入传递给车身。当汽车低速行驶在凸凹路面或高速直线行驶时，悬架很硬，驾驶员会对这种不舒服生厌或者造成货物损坏。软阻尼的悬架使乘座舒适，但它却降低了转弯稳定性、机动性或斜坡倒车的稳定性。因此设计一个好的被动悬架在某种程度上优化了乘座舒适性和操纵稳定性，但这种折衷不能消除。被动悬架主要有纵臂式、横臂式和车轮沿主销移动式独立悬架等。由于参数不能任意选择和调节，限制了被动悬架系统性能的进一步提高。（2）半主动悬架主要采用调节减振器的阻尼系数法。半主动悬架根据汽车行驶状态的动力学要求，通过改变减
6、振器的节流口面积或调节节流阀开度来调节液力减振器的阻尼，以改善悬架的振动特性。半主动悬架中没有主动力作动器，但可通过测取车辆运动信号，经控制器发出控制信号改变悬架的刚度或阻尼。在半主动悬架系统中，支承车体的重量主要依靠弹性元件。常用的弹性元件有螺旋弹簧，扭杆弹簧，钢板弹簧，橡胶弹簧和空气弹簧等。螺旋弹簧和扭杆弹簧可近似认为是线性弹簧，弹簧刚度是常数。钢板弹簧，橡胶弹簧和空气弹簧是非线性弹簧，其切向刚度随外载荷变化。半主动悬架系统最常用的方法是改变阻尼力的大小。这方面己有大量的专利和试验模型。阻尼种类繁多，机理复杂，常用的是物体在粘性流体中运动产生的粘性阻尼，干摩擦阻尼以及材料内部内摩擦而产生的
7、阻尼等。以上三种阻尼在车辆半主动悬架系统中都有应用。但对于可调节阻尼的半主动悬架最常用的是粘性阻尼。改变粘性阻尼力大小的方法有两种途径。一种是调节节流口的开度大小。另一种是应用功能材料改变流体的粘性系数。例如电流变材料和磁流变材料。通常，悬架减振器由带有活塞的活塞杆和油缸组成，活塞上有节流孔。减振器做伸缩运动，具有粘性的油通过节流孔产生阻力。当减振器缓慢动作，阻尼力小，若快速动作就会发生很大的阻尼力。节流孔越大，阻尼越小；油粘度越大，阻尼力越大。根据阻尼系数是连续可调还是离散可调，半主动悬架可以分为连续可调式，无级可调式两种。它们的区别在于：连续可调式半主动悬架中的减振器阻尼系数在一定的变化范
8、围内可以连续地变化，而可切换阻尼式半主动悬架中的减振器阻尼系数只能在几个离散的阻尼值之间进行切换，无级可调式半主动悬架中的减振器阻尼系数可在最小值到最大值之间进行无级可调。半主动悬架没有专门产生控制力的元件，它是按照传感器传递的数据由控制器算出所需的控制力，然后通过调节减振器的阻尼模拟控制力，以衰减车身的振动。实施半主动控制的减振器主要有液力减振器、电流变液减振器和磁流变液减振器，其特征是联结一个带有阻尼阀的小型蓄能器，再加一套液力控制装置，使液力减振器产生的阻尼力正比于车身的绝对速度。其中磁流变减振器可广泛应用于各种振动系统，具有阻尼大、功率消耗低等特点。在国外已将磁流变减振器应用于汽车悬架
9、的控制系统中。悬架系统理想的阻力特性应该是随着道路条件或运行状态的变化而改变，减振器的阻力应和悬架系统的参数有恰当匹配关系。当悬架系统的某一参数发生变化时，减振器的阻力也应随之变化，从而可保证悬架系统有良好的振动特性。 随着新型智能材料的应用，半主动悬挂越来越受人们的重视，应用也越多。目前，全球著名汽车公司竞相研究和开发半主动悬架系统，如德尔福、丰田的电子控制悬架系统。由于半主动悬架仅需要消耗能量达到调节刚度和阻尼的目的，制造成本低。因此，现代汽车越来越多的采用半主动悬架，也使之成为目前汽车新技术研究的热点4。（3）主动悬架主动悬架由隔振弹簧、控制器和作动器组成，它由外部提供能量使作动器工作，
10、从而使汽车在各种行驶条件下的乘坐舒适性和行驶安全性同时得到改善。目前，大多数主动悬架采用液压控制的作动器。主动悬架不仅能在启动、加减速和制动、转向侧倾等行驶工况实时地调节车身运动；在高速公路、坏路面行驶或车辆载荷变化时还能相应调节车身高度以提高行驶平顺性。20世纪70年代，丰田、沃尔沃等汽车公司就在汽车上作了成功试验，使主动悬架控制系统以优越的减振性能满足了多种车辆的性能要求。近年来，日产和丰田公司在轿车上成功地应用了液力主动悬架控制系统。在丰田、沃尔沃、奔驰等一些高级轿车上，悬架系统的传感器将车速、位移和加速度等信号，经过输入电路进行转换后，以数字形式送入系统的微处理器，微处理器经过计算处理
11、后，按照设定的控制规律向执行机构(空气弹簧、油气弹簧及动力源等)适时地发出控制信号，从而调节悬架的刚度和阻尼系数，达到控制车身振动和车身高度的目的，使轿车适应各种复杂的行驶工况对悬架的不同要求，从而使车辆的行驶平顺性和驾驶性能得到了较大的提高，即使在不良路面高速行驶时，车身也非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平，乘坐非常舒服。 主动悬挂是可以自行产生作用力的悬挂。它需要消耗大量能量。主动悬挂通常主要包括以下几部分:各种传感器和控制单元ECU，动力源(液压泵，空气压缩机等)，产生力及力矩的作动器( 油缸，步进电机，电磁铁等)，有时候也包括普通弹簧和被动阻尼器。 它是最高级别悬挂形式，
12、通用公司在1954年就提出了主动悬架控制系统的概念，它针对实际工况和用户设定，主要是根据检测到的环境与车体状况，通过各种反馈信息来实现悬架系统的弹簧刚度和减振器阻尼值的可调，传感器将采集到的反映悬架振动的信号传给控制器，控制器控制主动悬架的力发生器，产生控制力控制车身的振动。是有源主动悬架。主动悬架系统可以使汽车操作稳定性、乘坐舒适性等性能达到最佳组合但是由于其系统结构复杂、能耗大、成本高、且响应速度受到一定限制，需要额外的控制功率等原因，目前仍停留在试验阶段，主要应用在赛车和中高级轿车上。1.2.2 车用可调阻尼减振器技术的现状汽车减振器是利用小孔节流的流体阻尼技术来实现悬架系统的减振特性，
13、称为液力减振。从阻尼物理现象上区分，阻尼产生的机理有5类，即：工程材料的材料阻尼、流体的粘滞阻尼、结合面阻尼与库仑摩擦阻尼、冲击阻尼和磁电效应产生的阻尼。悬架中的阻尼主要有摩擦阻尼和粘滞阻尼两大类，钢板弹簧叶片之间的相对运动产生摩擦阻尼，这种阻尼不稳定，阻力的大小不便于控制，尤其在好路上行驶，路面不平产生的动载很小，不足以克服叶片之间的摩擦时，会产生“锁止”现象，此时平顺性变差，因此近年来悬架设计中都力求减少钢板弹簧叶片间的摩擦，尽量采用液力减振器的粘滞阻尼，特别是轿车悬架基本全部采用此类减振器。到目前为止，可调阻尼减振器形式有很多种。如涡流式减振器、应变感应式减振器、频率感应式减振器、压电阻
14、TEMS式减振器、磁流变体可调阻尼减振器、电流变体可调阻尼减振器、节流口可调阻尼减振器等。我国学者主要致力于后三种阻尼可调减振器的研究，特别聚焦在减振液粘度的可调性方面。跟据日本Bridgistone公司的研究材料介绍,电流变液体的粘度在几毫秒内即可随高磁场电压变化即迅速改变或恢复。正是电流变流体这样一种在电解液（如硅酮）中高极化微质点的悬浮体，使得可调减振器阻尼特性随工况智能变化成为一种可能。德国巴依尔公司在1995年对采用能改变减振度的电流变流体减振器进行了首次试验，由于采用了相应的传感器，便能直接分析路基情况，并在随后的0.0015s内调节减振器的特性，以满足路况要求。近年来我国学者曾利
15、用磁流体作为减振液通过控制磁场强度也达到调整减振器特性的要求，研究表明，以磁流体为减振液的阻尼调节性能较电流变流体的调节性能为好5。1.3磁流变液的研究现状与发展趋势1.3.1 汽车磁流变液磁流变液是一种阻尼可控的智能材料,它由微米级的磁性颗粒与绝缘载液、稳定剂混合而成。在无磁场作用下其流变特性为牛顿流动，而在外加磁场的作用下, 磁流变液在毫秒级的时间内可以实现从液态到固态的可逆转换。其响应时间仅为几毫秒,易于控制并且连续可控。磁流变减振器通常采用活塞缸结构，磁流变液的通路有位于活塞上的阻尼孔或单独的旁路构成。在磁流变液的通路上施加磁场，按结构可分为单出杆活塞结构和双出杆活塞结构。单出杆活塞缸
16、结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车司机座椅半主动悬架减振系统6。1.3.2 磁流变液的组成和制备磁流变液一般由铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂三种物质构成。铁磁性（软磁性）固体颗粒有球状、棒状和纺锤状三种形态，密度为78g/cm3，其中球形颗粒的直径在0.1500m 范围内。目前可用作磁流变液的铁磁性固体颗粒是具有较高磁化饱和强度的羰基铁粉、纯铁粉或铁合金。由于羰基铁粉饱和磁化强度为2.15特斯拉，且物性较软、具有可压缩性、材料本钱低、购买方便，已成为最常用的材料之一。磁流变液的母液油（分散剂）一般是非导磁且性能良好的油，如矿物油、硅油、合成油等,它们须具有较低的零场粘度、较大范围的温度
17、稳定性、不污染环境等特性 。稳定剂用来减缓或防止磁性颗粒沉降的产生。由于磁性颗粒的比重较大，轻易沉淀或离心分离，加进少量的稳定剂是必须的。磁流变液的稳定性主要受两种因素的影响：一是粒子的聚集结块，即粒子相互聚集形成很大的团；二是粒子本身的沉降，即磁性粒子随时间的沉淀。这两种因素都可以通过添加剂或表面活性剂来减缓。由超精细石英粉形成的硅胶是一种典型的稳定剂，这种粒子具有很大的表面积，每个粒子具有多孔疏松结构可以吸附大量的潮气，磁性颗粒可由这些结构支撑均匀地分布在母液中。另一方面，表面活性剂可以形成网状结构吸附在磁性颗粒的四周以减缓粒子的沉降。稳定剂必须有特殊的分子结构，一端有一个对磁性颗粒界面产
18、生高度亲和力的钉扎功能团，另一端还需一个极易分散于某种基液中往的适当长度的弹性基团。目前国际上关于磁流变液材料制备方法和工艺的报道比较多。中国科技大学磁流变研究组陈祖耀、江万权等人用Y-辐射技术产生直径在nmm 的Co粒子，并将铁颗粒表面复合此纳米尺寸的Co粒子，形成铁复合物为悬浮粒子制备的磁流变液。在中国科技大学的旋转式磁流变液测试系统上测试，结果表明剪切屈服应力明显增大；用直径为.mm羰基铁粉分散于硅油中，并用偶联剂预先处理，改善液态相和固态相的相容性，可有效防止粒子沉淀，该磁流变液效应明显，且具有较大的温度稳定性。2002年，中国科学技术大学磁流变研究组成功地筛选制备了KDC1磁流变液，
19、该样品实验室工艺稳定，有较大的剪切屈服强度和沉降稳定性，其主要力学性能指标与美国Lord公司产品接近。现已完成对3家友邻研究单位KDC1 MRF小批量实验室规模供给，反映良好7。1.3.3 磁流变液的特性良好的磁流变液具有下列性能：(1)具有优良的磁化和退磁特性，以保证磁流变液的磁流变效应是一种可逆变化。因此这种流体的磁滞回线必须狭窄，内聚力较小，而磁导率很大，尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大；(2)应具有较大的磁饱和特性，以便使得尽可能大的“磁流”通过悬浮液的横截面，从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量；(3)应具有较小的能量损耗，在工作期间，全部损耗(如磁滞现象、涡流现象等)都应该是一个
20、很小的量；(4)应具有高度磁化和稳定的性能，这就要求磁流变液中的强磁性粒子的分布必须均匀，而且分布率保持不变；(5)应具备极高的“击穿磁场”，以防止磁流变液被磨损并改变性能；(6)应在相当宽的温度范围内具有极高的稳定性，以保证磁流变液的流变性能不会在正常工作温度范围内发生改变；(7)构成磁流变液的原材料应是价廉的而不是稀有的。1.4 磁流变减振器的发展前景随着相关学科和高新技术的迅猛发展特别是高效处理器的普及，使得研究实用的半主动悬架振动控制系统成为现实。因此，今后的研究和开发方向是基于磁流液体功能材料，开发控制有效、能耗低、造价合理的汽车悬架振动控制系统，并针对车型开发其适用系统，为此，必须
21、解决一些基础性的理论研究问题和实际应用的技术问题。 随着磁流变技术综合性能的不断提高, 磁流变液这一智能流体材料将会在汽车上大量应用, 预计在本世纪初将会出现以智能流体为标志的汽车时代。智能流体将使汽车结构发生重大变化。磁流变液减振器在隔离发动机振动, 衰减路面不平度的冲击和改善驾驶员座椅的振动品质方面大显身手, 使汽车行驶平顺性得到很大的提高, 车内噪声也将大大降低; 基于磁流变技术在车身结构振动主动控制系统既能够有效调控驾驶员和乘员放脚空间底板以及转向盘等局部构件的振动水平, 使乘员倍感舒适, 又可以主动控制车内主要结构板件的振动形态和振动强度, 有效改善车内的声学品质。可见, 日趋成熟的
22、磁流变技术可以在汽车上广泛应用, 并导致汽车结构的重大变化。开发实用的磁流变液可控减振器，研究各种结构参数对性能的影响规律，优化结构并改善其制造工艺性。在现有的磁流变液体中选择或改进并验证最佳配方，为此，需要进行一系列减振器疲劳寿命实验和实车运行实验以验证在实际使用条件下磁流变液体的稳定性、可靠性和实用性。重点研究车轮跳动和悬架行程位置传感器，而汽车惯性传感器、方向盘转角和车速传感器选用目前已有的传感器。车轮跳动和悬架行程位置传感器采用与可调减振器融为一体的结构方式，以实现高度集成和高可靠性。智能控制器集成信号变换、CPU、驱动电路为一体，并同时兼顾汽车其它电子控制系统的功能，为此，必须进行大
23、量的理论和实验研究，要实现最佳的控制目标，控制策略的制定和控制规律、控制软件的实现是关键8。2 磁流变减振器电流控制方案2.1 整车减振系统控制方案介绍由于此系统应用于汽车，所以我们有必要对汽车的整个减振系统工作方式进行讨论。前一章，我们已经简要介绍了汽车悬架系统，针对此方案需求，我们对汽车整车减振控制方案中的磁流变方式进行简要介绍。用二自由度车辆模型设计的控制器直接构成整车控制系统，是在保持被动悬架弹簧的条件下，用磁流变减振器及其控制器代替筒式减振器以实现整车控制。从控制系统信号分析，一个磁流变减振器的控制器有一个输出通道，因此，用“通道”数来对整车控制方式进行分类。选取前桥簧载质量的速度和
24、悬架相对位移作为控制系统的输入信号，在保持悬架被动弹簧条件下，由磁流变减振器及其控制器代替前桥悬架两个筒式减振器，后桥保持被动悬架不变的两前通道整车控制方式简称方式一。选取后桥簧载质量的速度和悬架相对位移作为控制系统的输入信号，在保持悬架被动弹簧条件下，由磁流变减振器及其控制器代替后桥悬架筒式减振器，前桥保持被动悬架不变的两后通道整车振动控制方式简称方式二。在保持悬架被动弹簧的条件下，利用四个磁流变减振器及其控制器代替被动悬架中的四个筒式减振器实现整车控制的方式称为四通道整车振动控制方式9。获取每个磁流变减振器的控制器输入信号的有两种：一是直接利用传感器检测每个簧载质量速度与悬架变形量信号作为
25、该悬架磁流变减振器控制器的输入；另一个是通过传感器检测车身质心位置的位移与速度信号，用车身几何尺寸参数把质心信号转换到车身的四个悬架磁流变减振器的上吊环位置的速度信号。两种方式所采用的传感器不同，本质上都是获取每个磁流变减振器的控制器的输入信号。基于筒式减振器的整车控制系统，如图2.1所示图2.1 筒式减振器的整车控制系统框图它是由路谱仿真模型、整车振动系统状态空间模型、筒式减振器的数值模型三个部分组成。车辆控制系统受到路面的激励，由减振器产生阻尼力调节车辆的振动，改善车辆行驶特性。基于磁流变减振器的整车控制系统与基于筒式减振器的整车振动系统的不同之处是用磁流变减振器及其控制器替换了筒式减振器
26、，其仿真模型，如图2.2所示。图2.2 磁流变减振器的整车控制系统框图控制器作为整个系统的灵魂部件，是连接测量振动大小、反馈输出电流的关键部件。控制器的成败，直接关乎整个汽车减振系统的成败。车辆状态信号的输入最终也是要被转化为电量，磁流变液中磁场大小也是由励磁线圈中励磁电流大小控制的。设计出一个测量准确，反馈精确，实时性好的控制器，并且既要使此控制器能适应车辆运行中遇到的颠簸、雷雨外界干扰，又能适应汽车内在电源供应、功率要求，又能抗电磁干扰成为一个实际中不可回避的问题。本设计就是基于上述要求，利用自己四年所学，结合工程需求，勇敢尝试，大胆创新的过程。2.2 电流控制方案的论证2.2.1利用单片
27、机实现电流控制系统利用单片机系统实现电流的控制，其总体结构图如图2.3所示。系统主要包括现场电流采集、实时电流显示、电流控制输出和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。电流采集电路以数字量形式将实时电流传至单片机。单片机结合实时电流与磁流变所需求电流大小，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控制量控制电流输出，使电流逐步逼近于减振需求的目标值。系统运行过程中的电流均可由数码管实时显示10。单片机电流传感器IGBT通断信号示显Buck电路图2.3 单片机方案的系统总体结构框图2.2.2 利用DSP实现的电流控制系统基于DSP实现的电流控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成
28、，其控制系统的机构框图如下图所示。由控制算法设定某一能使磁流变减振器产生最佳减振效果的电流，DSP对设定电流值进行查表计算后转换为对应的电流数字值，通过16位的数模转换器得到与之精确对应的模拟电流信号，此电流值与设定电流值进行比较产生一个误差信号，经过DSP控制电路后，获得一个控制量实时闭环系统，同时实际测量的电流值显示在液晶屏上11。A/D转换DSP控制器Buck电路信号输入模块减震系统电流传感器图2.4 DSP控制方案的系统结构框图TMS320LF2407A是TI公司推出的TMS320C24xx系列DSP中最新的功能最齐全最强大的16位定点数字信号处理器。与传统的24x处理器相比， TMS
29、320LF2407A性能有很大的提高:40MIPS的运算速度(24x为20MIPS, 240x为30MIPS );软件加密功能，能够有效地防止片内软件的非法拷贝;不仅为码盘接口单元输入引脚提供了输入限定功能，也为其它捕获输入、除Reset以外的外部中断输入和ADCSOC引脚提供了输入限定功能，以防止误动作;在比较控制寄存器(COMCONx)中使用功率驱动保护中断引脚 (PDPINTx )，该位在240x系列中为保留位。 TMS320LF2407A一经推出，便以其优越的性能特点以及同类产品所无法比拟的功能成为高性能传动控制系统设计的首选器件，逐步取代了以前广泛使用的TMS320F240和TMS3
30、20LF2407，是我这次设计的核心部件。其优越的性能可以满足磁流变电流控制的实时性要求，同时其自身内在的几个实事件管理模块也有利于对减振系统的电流控制，这一点将在之后论述12。2.2.3控制模块的选定 控制模块的选择，数字比较器与模拟控制器相比较，数字比较器具有以下几个优点：1、模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。而数字控制器能实现复杂控制规律的控制。2、数字控制器具有灵活性。起控制规律可灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且修改控制参数或控制方式一般只可改变控制程序即可，使用起来简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量。3、采用计算
31、机除实现PID数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。4、DSP易于产生PWM波，而PWM对电流的控制技术已经日趋成熟并且易于控制。对于方案一，采用单片机实现电流控制，虽然该方案成本低，易于制造，结构简洁，但对于系统的动态性能、稳态性能、实时性要求较高的场合是不合适的。相比之下，DSP控制器能快速运算，可以满足汽车减振这种实时性要求极高的工作情况要求。再者，DSP自带的事件管理器中的PWM模块，可以方便、快捷的产生PWM波，从而控制电流。为了使设计的成本低、抗干扰强，系统动态性能与稳态性能好，综合考虑，本设计控制模块采用DSP控制器13。2.3 电流测量方案建立电流测量标准的方
32、法主要有两大类，一类以测量被测电流在标准电阻器上的电压为基础，即分流器法；另一类利用被测电流所产生的磁场为基础，如直流电流互感器法，核磁共振法和霍尔变换器法。现分别作简要介绍。2.3.1 电阻检测法在理想状态下，被检测电流，流过检测电阻时，由欧姆定律可得V=IR，当电阻为固定值时，电压V的变化就反映出电流的变化情况。2.3.2 功率开关导通电阻检测法功率开关管导通电阻检测法又称RON检测法。随着微电子技术的发展，采用MOSFET作为电流检测的手段已得到越来越广泛的应用。MOSFET作为多子器件，在其导通时具有电阻特性。功率开关导通电阻检测法就是通过检测MOSFET导通电阻尺上的电压，达到检测电
33、流的目的。2.3.3电流互感器检测法在大电流应用场合，大多采用磁性器件来进行电流检测，以避免电阻检测带来的损耗。同时，磁性器件检测技术还可以获得电气隔离。最常用的电流磁检测器件是电流互感器，它在开关电源的设计中得到了广泛的应用。除了电流互感器外，还有采用霍尔效应制作的传感器。霍尔传感器与电流互感器相比，检测度高，但却存在价格高、体积大的缺点。霍尔传感器主要应用在有特殊要求的场合。由于霍尔传感器检测度高、功耗低而电阻检测法功耗大，在汽车这种电流需自身产生的大系统中，应尽量节约电的消耗。而功率开关导通电阻检测法低占空比时转换噪声高。故而选用霍尔传感器。本设计采用Allgero公司生产的型号为ASC
34、712-05B。这个传感器可为工业、汽车、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供经济实惠的精密解决方案。该器件封装便于客户轻松实施。典型应用包括电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护。2.4 A/D转换AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。2.4.1 AD转换器的主要技术指标（1）分辨率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 （2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒
35、级属低速AD，逐次比 较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表 示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。（3）量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特 性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是
36、1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。 （4）偏移误差 (Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 （5）满刻度误差 (Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 （6）线性度 (Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。 （7）其他指标绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distortion缩写THD）和积分非
37、线性。AD转换器的雏形最早是伴随着PCM(pulse code modulation)技术在电话中的使用出现在上个世纪30年代的。在AD转换器的发展过程中，出现了许多种体系结构。不同的结构侧重于不同的需求，有的侧重于高精度，有的侧重于高速度，有的侧重于低功耗，有的侧重于低硬件消耗。在当今各种AD转换器中，按基本的转换原理划分，可分为Nyquist AD转换器和过采样AD转换器。对于Nyquist AD转换器，其主要特征是：每一个被采样的模拟信号都被转换为唯一与之相对应的数字信号，即采样速率和转换速率相同。而过采样型是一类通过提高过采样比(采样速率与转换速率的比值)来达到高动态范围的AD转换器。
38、在目前所有的AD转换器中，过采样型是精度最高的，但由这类转换器从本质上是通过牺牲速度来换取高动态范围的，所以它的转换速率较低(一般小于5MSs)，这种转换器广泛用于音频处理、图像处理等低速、高动态范围领域。目前，大多数的AD转换器都属于Nyquist型，其中包括快闪型、两步快闪型、主从型、逐次逼近型、折叠插值型、积分型和流水线型等。2.4.2 AD转换器件的选择TMS320LF2407A 器件内部集成了一个10位的模数转换器ADC。该模块能够对16 个模拟输入信号进行采样/保持和A/D 转换。为了节约空间，简化电路，此次设计就使用DSP自身AD转换模块。40MIPS的执行速度使得指令周期缩短至
39、25 ns。该芯片的内置模数转换模块ADC具有以下特点:1) 内置的10位A /D转换器有多达16路的模拟输入通道,通道可自动排序,由编程确定。2) 两个独立的最多可选择各含8个模拟转换通道的排序器。3) 多个触发源可启动A /D 转换,灵活的中断控制。在选定了AD转换选用DSP自身所有的模块之后，又有一个新的问题需要解决。TI公司生产的型号为ASC712-05B电流传感器最高输出5V，而DSP的AD转换最高接收3.3V电压。这就需要一个电平转换环节。电平转换可以采用双电源电平转换器件，其优点是电流驱动能力强，且具有8、16、32 bit等位宽。还可采用具有开漏输出的器件，其优点是转换输出电压
40、可大于或小于输入电压，且可以用于线与方式。采用了具有开漏输出的器件74LVC07，电路示意图如图2.5所示。 74LVC07A1 Y1A2 Y2 5V器件3.3V器件3.3V器件5V器件 图2.5 电平转换示意图当输入端为低电平时，输出端是低电平；当输入端为高电平时，输出端是高阻态(A端输入，Y 路输出)。这样在输出端通过上拉可以将5 V转电路换为3.3 V，也可以将3.3 V转换为5V输出，较好的解决了TMS320LF2407A与5V逻辑器件传输信号的问题14。2.5 减振器控制方式的选取结合磁流变减振器的工作原理，同时考虑到DSP控制器可以直接进行电流输出的特点，我们在电压型控制方法和电流
41、型控制方法这两种典型的控制方法中选取后者。这样作有以下几方面考虑：1 磁流变减振器是有电流大小控制器磁流变液固化程度，直接令DSP产生算法所产生需要电流去控制磁流变液是切实可行的。 2 对于磁流变减振器，用电压驱动最终还是得转化成电流，这样就会是电路变得复杂，可靠度降低。 3 环节越少，越利于节约汽车上的空间资源，同时，降低成本，增强市场竞争力。4 理论和实验研究表明，用电压源驱动磁流变液阻尼器比用电流源驱动磁流变液阻尼器响应速度慢，并且阻尼力控制技术难度较大。2.6电流控制方式为了获得连续可调的控制电流，可采取如下方式：一是模拟方式，控制器输出的数字信号经D/A转换后得到控制波形，再经模拟放
42、大电路得到控制电流。二是开关方式，控制器输出的是脉宽调制(PWM)信号，经功率放大后加在功率开关管（如双极晶体管）、MOS-FET（场效应管）、IGBT（绝缘栅式双极性晶休管）的控制极上，通过调节主电路的导通时间达到输出不同的电压或电流的目的。相对于模拟方式，开关方式下工作的电流驱动器具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、调整范围宽等优点，因此开关方式成为本次设计所使用的方法。开关方式的主电路有几种形式，如降压斩波（BUCK)式电路、冲击线圈(ACC)式电路、正向式电路、推挽式电路、半桥式电路、全桥式电路等。此次设计中，电流驱动器采用了BUCK式电路，开关管选择IGBT15。绝缘门极双极型晶体管
43、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)由于兼有MOSFET和电力晶体管的优点(高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达1040 kHz，饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区较宽等。)而在电力电子装置中得到了广泛的应用。为了驱动IGBT在DSP输出PWM波以后，需要对3.3V的高电平进行放大，本次设计使用东芝公司生产的TLP250光耦器件。TLP250输入IF电流阀值5mA，电源电压1035V，输出电流0.5A，隔离电压2500V，开通/关断时间0.5us。可直接驱动50A1200V的IGBT模块。光耦合器（optical coup
44、ler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离 、开关电路、远距离信号传输
45、、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。采用TMS320LF2407A全比较单元方式产生PWM。TMS320LF2407A内部拥有两个事件管理器(EVA，EVB)。每个事件管理器包括两个16位的通用定时器和3个全比较单元。PWM的产生分为两个过程。过程一：定时器周期值和比较单元跳变值的设定。当采用内部时钟电路时，设置定时器寄存器TPSi位可以设置定时器时钟频率，设定定时器周期寄存器的值可以设定定时器的周期值。比较单元的数值通过比较单元寄存器CMPERi设定，其值必须
46、小于定时器的周期值。过程二：PWM的输出。PWM的输出由16位比较动作控制寄存器ACTRx决定。ACTRx决定了EVx(X取A或B)事件管理器控制的PWMi(i取1至12)引脚输出的电平特性。例如控制PWMl的CMP1ACT的1，0位，其组合值决定PWM1的电平特性16。00：则PWM1输出强制为低；Ol：比较单元触发后将从高电平转向低电平；10：比较单元触发后将从低电平转向高电平；11：强制输出高电平。2.6.1 PWM简介脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛
47、应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM技术是一种对模拟信号电平的数字编码方法，通过使用高分辨率计数器（调制频率）调制方波的占空比，从而实现对一个模拟信号的电平进行编码。其最大的优点是从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，无需再进行数模转换过程；而且对噪声的抗干扰能力也大大增强（噪声只有在强到足以将逻辑值改变时，也可能对数字信号产生实质的影响），这也是PWM在通讯等信号传输行业得到大量应用的主要原因17。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变
48、为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。2.6.2 Buck电路简介直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。Buck电路又叫做降压式斩波电路，是电力电子直直变换电路中常用的一种电路形式，现已广泛的应用在精确的5V、IOV以及12V数字信号的供应上，在计算机系统和数宁系统中有广泛的应用。直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。其中前两种是最基本的电路。图2.6所示为Buck电路的简化示意图。在实际应用中，一般将开关S和二极管VD分别用功率管代替。在此次设计中就使用IGBT作为开关管，并将其结构进行改进后，与当前的器件进行功耗上的对