计算机硬件及网络基于DSP的汽车磁流变减振器控制器设计正文参文致谢.doc

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、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，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，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，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7～8g/cm3，其中球形颗粒的直径在0.1～500μm 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。