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重庆大学硕士学位论文汽车智能悬架系统小型低功耗控制器研究姓名：黄曦申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈伟民20060401重庆大学硕士学位论文中文摘要1摘要汽车悬架系统的结构形式和参数直接影响到乘坐舒适性和操纵稳定性这两个汽车关键性能的优劣。智能悬架与传统悬架相比具有不可比拟的优点，能同时提高乘坐舒适性和操纵稳定性，使悬架系统具有对环境的自适应能力，已成为汽车悬架的重要发展方向。而控制器是智能悬架系统中的一个重要组成部分。由于PC实验能比较方便的研究各种算法，现阶段智能悬架系统控制器基本上都停留在PC研究阶段。而随着智能悬架的发展，要使智能悬架系统产业化，就必须让控制器定型。因此，本文在现有研究的基础上，对汽车智能悬架系统小型低功耗控制器进行了研究，具体工作包括以下几个方面：（1）概括了汽车智能悬架的特性及磁流变液和磁流变阻尼器的工程应用，阐述了智能悬架控制器研究的意义，综述了智能悬架控制器的研究现状并分析了目前研究中存在的问题。（2）根据课题的研究背景以及智能悬架产业化的要求，对控制器小型化、低功耗的需求及实现途径进行了分析。采用TI公司的控制专用芯片TMS320LF2407作为中央处理单元进行了总体系统设计，搭建了控制器的总体结构框架。（3）进行了系统硬件设计。对前端信号处理采用了精密电阻加集成运放搭建比例运算电路进行分压的信号范围匹配处理，以及以八阶巴特沃思低通滤波器MAX291、RC隔直电路为主的硬件滤波方案；采用了MAX4051多路开关对8路传感器信号进行通道选择进入DSP的AD输入的方案，降低了控制器系统的体积、功耗；采用双线路供电，使得控制器系统电量充足且降低了干扰。（4）提出了汽车智能悬架系统小型低功耗控制器的软件设计实现方法，采用模糊控制算法作为主要控制思想，利用汇编语言和C语言混合编程方法设计了基于2407硬件平台上的控制软件系统。（5）开发出了控制器电路板，面积11cm×9cm，功耗1.14w，初步达到了小型化、低功耗的目的。关键词：智能悬架控制器DSP磁流变液★本项目由国家自然科学基金(NO.50135030)，重庆市自然科学基金(NO.8414)和重庆市院士基金(NO.027754)联合资助。重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTThestructurestyleandparametersofautomobilesuspensionsystemhavedirectinfluenceonthetwokeyperformancesofautomobiles:comfortandsecurity.Intelligentsuspensionhastheincomparableadvantageoverthetraditionalsuspensionasitcouldenhancethecomfortandsecurity,bringingthesuspensionsystemself-adaptabilitytoenvironment.Sointelligentsuspensionisthesignificanttendencyofautomobilesuspension.Controllerisanimportantcomponentofintelligentsuspensionsystem.Becauseit’sconvenienttodovariousalgorithmresearcheswithPC,presentresearchesoncontrollersofintelligentsuspensionsystemalmoststayinthestagebasedonPC.However,alongwiththedevelopmentofintelligentsuspension,thecontrollerdesignmustbefinalizedtomeettheneedofindustrialization.Therefore,basedonthepresentresearches,miniaturizedandlow-power-dissipationcontrollerforAutomobileIntelligentsuspensionSystemisresearchedinthisthesis.Themainworksarethefollowing:(1)ThecharacteristicsofautomobileintelligentsuspensionandengineeringapplicationofMRfluidaswellasMRdamperaregeneralized.Thesignificanceofresearchonintelligentsuspensioncontrollerisexpatiated.Thestateoftheartofintelligentsuspensioncontrollerissummarized,andtheproblemsariseninresearchareanalyzed.(2)Theneedandrealizationapproachofminiaturizationandlow-powerdissipationareanalyzedaccordingtotheresearchbackgroundandtherequestofindustrializationofintelligentsuspension.ThemainsystemisdesignedusingcontrollingchipTMS320LF2407fromTIascenterprocessingunit,andthestructureframeisconstructed.(3)Systemhardwareisdesigned:thefrontsignalisprocessedbyusingscaleamplificationcircuitwithprecisionresistoraddedamplifiertomakesignalmatchtheADinputof2407;thefrontsignalisfilteredbyhardwarefilterschemewith8thorderButterworthlow-passfilterchipMAX291andanti-DCcircuit;thesignalfrom8channelisswitchedbyamultiplexswitchMAX4051,sothevolumeandpowerdissipationofthecontrollersystemarereduced;powerissuppliedbyadualpowersupplycircuittogivesystemadequateenergyandreducetheinterference.(4)Thesoftwarerealizationmethodofminiaturizedandlow-power-dissipation重庆大学硕士学位论文英文摘要IIIcontrollerforAutomobileIntelligentsuspensionSystemisbroughtforward.Thecontrollingsoftwaresystembasedon2407hardwareplatformisdesignedinClanguageandassemblylanguagebyusingfuzzycontrolalgorithmasthemaincontrollingmethod.(5)Thecontrollerboardisdevelopedwitharea11cm×9cmandpowerdissipation1.14w,andthepurposeofministrationandlowpowerdissipationiselementarilyachieved.Keyword:Intelligentsuspension;Controller;DSP;MRfluid★TheprojectwasfinanciallysupportedbytheNaturalScienceFoundationofChina(NO.50135030),theNaturalScienceFoundationofChongqing(NO.8414)andAcademicianFoundationofChongqing(No.027754).重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1汽车智能悬架系统简介1.1.1汽车智能悬架系统概况随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，汽车逐渐走进千家万户，在我们的生活中起着越来越重要的作用，人们对操纵稳定性和乘坐舒适性这两个汽车最重要的性能指标也提出了更高的要求。汽车组成十分复杂，悬架是其中非常重要的一个部分，其结构形式和参数直接影响到操纵稳定性和乘坐舒适性这两个性能的优劣[1,2]。汽车悬架是指车架（车身）与车桥之间一切传力装置的总称，如图1.1所示。路面作用于车轮上的垂直反图1.1汽车悬架示意图Fig.1.1SchematicofvehicleSuspension力，纵向反力和侧向反力以及这些力所产生的力矩都要通过悬架传递到车架（或承载式车身）上。悬架在传递这些力和力矩、保证车辆正常行驶的同时，还要缓和不平路面传给车架或车身的冲击载荷，抑制车轮的不规则振动，提高汽车的安全性（操纵稳定性）和乘坐舒适性（平顺性），减少动载荷引起的零部件和货物损坏[3,4]。基于经典隔振理论的传统悬架主要由弹性组件及常规减振器组成，无法兼顾汽车舒适性和安全性这对矛盾的要求，只能针对特定的路面状况和汽车运行状况重庆大学硕士学位论文1绪论2采用优化设计方法在两者之间取得折衷，故传统的汽车悬架系统只能保证在设计规定条件下的减振效果，系统振动特性固定不变，无法根据实际路面状况进行自适应调整以获得更优的行驶性能。而智能悬架（intelligentsuspension）的概念是在80年代中后期由英国研究人员Sharp和Crolla提出的，它是一种能根据汽车的行驶状态和路面状况，按照一定的控制策略对悬架进行实时控制，使汽车的整体行驶性能达到最佳的系统，由可变参数的减振器、弹簧组成，输入少量能量就可以调节悬架阻尼系数或者刚度，具有造价低，耗能少，结构简单可靠，易于实现的特点[3]。智能悬架与传统悬架相比具有不可比拟的优点，能同时达到提高乘坐舒适性和操纵稳定性、保持正常姿态和车身高度控制的目的，是汽车悬架发展的方向。由于阻尼控制相对于刚度控制更容易，因此智能悬架普遍采用可控减振器改变系统阻尼，通常有两种途径：一种是调节节流口的开度大小，通常采用机电或电液伺服系统，存在结构复杂，体积大，频响低等缺点；另一种是应用功能材料（如电流变和磁流变材料）改变流体的粘度系数。我们研究的汽车智能悬架系统就是通过控制由磁流变智能材料制成的磁流变阻尼器来实现的。1.1.2磁流变液简介及其流变特性作为智能悬架系统材料基础的磁流变液（MagnetorheologicalFluid，简称MRF）是近几年在国内外引起广泛重视的一种新型智能材料。它是一种由磁性颗粒为核心的可控流变流体，在外磁场的作用下，其流动屈服应力随外加磁场的改变而同步变化，产生明显的磁流变效应（MagnetorheologicalEffect，简称MRE）：流体的粘度会急剧增大，屈服应力成倍增加，表现为类似固体的性质，而当撤除外加磁场的作用时，流体又恢复原来的流动性质，即在液态和固态之间进行快速可逆的转换，且这种转换是在毫秒量级的时间内完成的。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续，无级变化，整个转换过程极快，且可控，能耗极小，可实现实时主动控制。磁流变效应是磁流变技术的基础，它具有下列特征[2]：（1）在某磁场强度下，流体停止流动达到固化，当去掉外加磁场时，流体又恢复到原来的状态，这种效应实现了磁流