畢業(yè)設(shè)計--基于dsp的汽車磁流變減振器控制器設(shè)計

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1本課題研究背景</p><p>　　隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，汽車已逐步走入普通家庭，成為人們生活和出行必不可少的工具，人們對汽車的安全舒適性能也提出了更高的要求。汽車行駛時，由于路面不平及發(fā)動機、傳動系、車輪等旋轉(zhuǎn)部件激發(fā)汽車的振動，這些振動直接影響到汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和可靠性。而傳統(tǒng)的

2、被動懸架所采用的減振器由于其自身的局限性無法滿足上述要求。磁流變阻尼器是一種在磁場作用下阻尼可控的器件，與傳統(tǒng)汽車懸架系統(tǒng)相比，裝有磁流變阻尼器的半主動懸架系統(tǒng)可以根據(jù)路面狀況和車輛運行狀態(tài)，在計算機的控制下自動調(diào)節(jié)阻尼力的阻尼器，大大提高汽車的舒適性和行車安全性。磁流變阻尼器的工作原理是改變勵磁線圈中的電流從而獲得不同強度的磁場，使工作腔中的磁流變液的流動特性發(fā)生變化，從而改變阻尼力的大小。因此，控制器只要能實時精確調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的

3、驅(qū)動電流，就能達(dá)到控制磁流變阻尼器的目的[1]。隨著汽車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進和完善，研究汽車振動，設(shè)計新型電控系統(tǒng)從而將汽車振動控制到最低水平已經(jīng)成為提高現(xiàn)代汽車品質(zhì)的重要措施。研究性能可靠，調(diào)節(jié)方便的可調(diào)阻尼減振器將是半主動懸架走向大眾的必經(jīng)之路。</p><p>　　1.2汽車懸架系統(tǒng)簡介</p><p>　　懸架是連接車身和車輪之間全部零部件的總稱，是減少動載荷引起的零部件損壞、提高

4、車輛平順性(乘座舒適性)和安全性(操縱穩(wěn)定性)的關(guān)鍵(平順性和操縱穩(wěn)定性是汽車的最重要的性能指標(biāo)之一)。懸架系統(tǒng)主要由彈性元件(如鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿等)、減振器和導(dǎo)向機構(gòu)組成。懸架系統(tǒng)中減振器的主要作用是提供阻尼力，加速車架與車身振動的衰減，從而改善車輛行駛平順性。按照系統(tǒng)組成有無控制環(huán)節(jié)，車輛懸架系統(tǒng)可粗略分為被動懸架系統(tǒng)和智能懸架系統(tǒng)，智能懸架根據(jù)作用原理又可以粗分為主動懸架和半主動懸架兩類。目前汽車上普遍采用的被動懸架其參數(shù)

5、足以對車輛乘座舒適性和操縱穩(wěn)定性要求的折衷設(shè)計，采用保守彈性元件(彈簧)和耗能元件(減振器)，彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)等參數(shù)同定，減振器的阻尼力不可調(diào)，其彈簧的彈性特性和減振器的阻尼特性不能隨著車輛運行工況的變化而進行調(diào)節(jié)，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低；缺點是缺乏靈活性，一旦設(shè)計定型，懸架參數(shù)就無法調(diào)解了，所以采用被動懸架的車輛的減振效果只能是在特定路況和車況下才能達(dá)到最優(yōu)，難以滿足要求越來越高的平順行和操縱穩(wěn)定性的要求[2]。一旦路況或車況

6、參數(shù)發(fā)生變化，就會引起車輛平順性（或)操縱穩(wěn)</p><p>　　1.2.1汽車懸架系統(tǒng)的分類</p><p>　　在由懸架系統(tǒng)的工作原理不同，目前汽車懸架可分為被動懸架(Passive Suspension)、半主動懸架(Semi-Active Suspension)及主動懸架(Active Suspension)等三種[3]。</p><p><b>

7、　　（1）被動懸架</b></p><p>　　被動懸架無外部能量輸入，彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)均不可調(diào)。只能在特定工況下達(dá)到最優(yōu)，缺少對變載荷、變車速、不可預(yù)測路況的適應(yīng)性，限制了被動懸架系統(tǒng)性能的進一步提高。硬阻尼的懸架能保證良好的操縱穩(wěn)定性，但將更多的路面輸入傳遞給車身。當(dāng)汽車低速行駛在凸凹路面或高速直線行駛時，懸架很硬，駕駛員會對這種不舒服生厭或者造成貨物損壞。軟阻尼的懸架使乘座舒適，但它卻降

8、低了轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性、機動性或斜坡倒車的穩(wěn)定性。因此設(shè)計一個好的被動懸架在某種程度上優(yōu)化了乘座舒適性和操縱穩(wěn)定性，但這種折衷不能消除。被動懸架主要有縱臂式、橫臂式和車輪沿主銷移動式獨立懸架等。由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié)，限制了被動懸架系統(tǒng)性能的進一步提高。</p><p><b>　?。?）半主動懸架</b></p><p>　　主要采用調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)法。半主動懸架根

9、據(jù)汽車行駛狀態(tài)的動力學(xué)要求，通過改變減振器的節(jié)流口面積或調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度來調(diào)節(jié)液力減振器的阻尼，以改善懸架的振動特性。半主動懸架中沒有主動力作動器，但可通過測取車輛運動信號，經(jīng)控制器發(fā)出控制信號改變懸架的剛度或阻尼。在半主動懸架系統(tǒng)中，支承車體的重量主要依靠彈性元件。常用的彈性元件有螺旋彈簧，扭桿彈簧，鋼板彈簧，橡膠彈簧和空氣彈簧等。螺旋彈簧和扭桿彈簧可近似認(rèn)為是線性彈簧，彈簧剛度是常數(shù)。鋼板彈簧，橡膠彈簧和空氣彈簧是非線性彈簧，其切向剛

10、度隨外載荷變化。半主動懸架系統(tǒng)最常用的方法是改變阻尼力的大小。這方面己有大量的專利和試驗?zāi)Ｐ?。阻尼種類繁多，機理復(fù)雜，常用的是物體在粘性流體中運動產(chǎn)生的粘性阻尼，干摩擦阻尼以及材料內(nèi)部內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻尼等。以上三種阻尼在車輛半主動懸架系統(tǒng)中都有應(yīng)用。但對于可調(diào)節(jié)阻尼的半主動懸架最常用的是粘性阻尼。改變粘性阻尼力大小的方法有兩種途徑。一種是調(diào)節(jié)節(jié)流口的開度大小。另一種是應(yīng)用功能材料改變流體的粘性系數(shù)。例如電流變材料和磁流變材料。通常，懸架

11、減振器由帶有活塞的活塞桿和油缸組成，活塞上有節(jié)流孔。減振器做伸縮運動，具有粘</p><p><b>　?。?）主動懸架</b></p><p>　　主動懸架由隔振彈簧、控制器和作動器組成，它由外部提供能量使作動器工作，從而使汽車在各種行駛條件下的乘坐舒適性和行駛安全性同時得到改善。目前，大多數(shù)主動懸架采用液壓控制的作動器。主動懸架不僅能在啟動、加減速和制動、轉(zhuǎn)向側(cè)傾

12、等行駛工況實時地調(diào)節(jié)車身運動；在高速公路、壞路面行駛或車輛載荷變化時還能相應(yīng)調(diào)節(jié)車身高度以提高行駛平順性。</p><p>　　20世紀(jì)70年代，豐田、沃爾沃等汽車公司就在汽車上作了成功試驗，使主動懸架控制系統(tǒng)以優(yōu)越的減振性能滿足了多種車輛的性能要求。近年來，日產(chǎn)和豐田公司在轎車上成功地應(yīng)用了液力主動懸架控制系統(tǒng)。在豐田、沃爾沃、奔馳等一些高級轎車上，懸架系統(tǒng)的傳感器將車速、位移和加速度等信號，經(jīng)過輸入電路進行轉(zhuǎn)

13、換后，以數(shù)字形式送入系統(tǒng)的微處理器，微處理器經(jīng)過計算處理后，按照設(shè)定的控制規(guī)律向執(zhí)行機構(gòu)(空氣彈簧、油氣彈簧及動力源等)適時地發(fā)出控制信號，從而調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼系數(shù)，達(dá)到控制車身振動和車身高度的目的，使轎車適應(yīng)各種復(fù)雜的行駛工況對懸架的不同要求，從而使車輛的行駛平順性和駕駛性能得到了較大的提高，即使在不良路面高速行駛時，車身也非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動時車身保持水平，乘坐非常舒服。 主動懸掛是可以自行產(chǎn)生作用力的懸掛。它需要

14、消耗大量能量。主動懸掛通常主要包括以下幾部分:各種傳感器和控制單元ECU，動力源(液壓泵，空氣壓縮機等)，產(chǎn)生力及力矩的作動器( 油缸，步進電機，電磁鐵等)，有時候也包括普通彈簧和被動阻尼器。 它是最高級別懸掛形式，通用公司在1954年就提出了主動懸架控制系統(tǒng)的概念，它針</p><p>　　主動懸架系統(tǒng)可以使汽車操作穩(wěn)定性、乘坐舒適性等性能達(dá)到最佳組合但是由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗大、成本高、且響應(yīng)速度受到一定限

15、制，需要額外的控制功率等原因，目前仍停留在試驗階段，主要應(yīng)用在賽車和中高級轎車上。</p><p>　　1.2.2 車用可調(diào)阻尼減振器技術(shù)的現(xiàn)狀</p><p>　　汽車減振器是利用小孔節(jié)流的流體阻尼技術(shù)來實現(xiàn)懸架系統(tǒng)的減振特性，稱為液力減振。從阻尼物理現(xiàn)象上區(qū)分，阻尼產(chǎn)生的機理有5類，即：工程材料的材料阻尼、流體的粘滯阻尼、結(jié)合面阻尼與庫侖摩擦阻尼、沖擊阻尼和磁電效應(yīng)產(chǎn)生的阻尼。懸架中的

16、阻尼主要有摩擦阻尼和粘滯阻尼兩大類，鋼板彈簧葉片之間的相對運動產(chǎn)生摩擦阻尼，這種阻尼不穩(wěn)定，阻力的大小不便于控制，尤其在好路上行駛，路面不平產(chǎn)生的動載很小，不足以克服葉片之間的摩擦?xí)r，會產(chǎn)生“鎖止”現(xiàn)象，此時平順性變差，因此近年來懸架設(shè)計中都力求減少鋼板彈簧葉片間的摩擦，盡量采用液力減振器的粘滯阻尼，特別是轎車懸架基本全部采用此類減振器。</p><p>　　到目前為止，可調(diào)阻尼減振器形式有很多種。如渦流式減振器

17、、應(yīng)變感應(yīng)式減振器、頻率感應(yīng)式減振器、壓電阻TEMS式減振器、磁流變體可調(diào)阻尼減振器、電流變體可調(diào)阻尼減振器、節(jié)流口可調(diào)阻尼減振器等。我國學(xué)者主要致力于后三種阻尼可調(diào)減振器的研究，特別聚焦在減振液粘度的可調(diào)性方面。跟據(jù)日本Bridgistone公司的研究材料介紹,電流變液體的粘度在幾毫秒內(nèi)即可隨高磁場電壓變化即迅速改變或恢復(fù)。正是電流變流體這樣一種在電解液（如硅酮）中高極化微質(zhì)點的懸浮體，使得可調(diào)減振器阻尼特性隨工況智能變化成為一種可能

18、。德國巴依爾公司在1995年對采用能改變減振度的電流變流體減振器進行了首次試驗，由于采用了相應(yīng)的傳感器，便能直接分析路基情況，并在隨后的0.0015s內(nèi)調(diào)節(jié)減振器的特性，以滿足路況要求。近年來我國學(xué)者曾利用磁流體作為減振液通過控制磁場強度也達(dá)到調(diào)整減振器特性的要求，研究表明，以磁流體為減振液的阻尼調(diào)節(jié)性能較電流變流體的調(diào)節(jié)性能為好[5]。</p><p>　　1.3磁流變液的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p>

19、<p>　　1.3.1 汽車磁流變液</p><p>　　磁流變液是一種阻尼可控的智能材料,它由微米級的磁性顆粒與絕緣載液、穩(wěn)定劑混合而成。在無磁場作用下其流變特性為牛頓流動，而在外加磁場的作用下, 磁流變液在毫秒級的時間內(nèi)可以實現(xiàn)從液態(tài)到固態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。其響應(yīng)時間僅為幾毫秒,易于控制并且連續(xù)可控。磁流變減振器通常采用活塞缸結(jié)構(gòu)，磁流變液的通路有位于活塞上的阻尼孔或單獨的旁路構(gòu)成。在磁流變液的通路上

20、施加磁場，按結(jié)構(gòu)可分為單出桿活塞結(jié)構(gòu)和雙出桿活塞結(jié)構(gòu)。單出桿活塞缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的磁流變減振器已用于大型載重汽車司機座椅半主動懸架減振系統(tǒng)[6]。</p><p>　　1.3.2 磁流變液的組成和制備</p><p>　　磁流變液一般由鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)構(gòu)成。鐵磁性（軟磁性）固體顆粒有球狀、棒狀和紡錘狀三種形態(tài)，密度為7～8g/cm3，其中球形顆粒的直徑在0.1～500μm

21、 范圍內(nèi)。目前可用作磁流變液的鐵磁性固體顆粒是具有較高磁化飽和強度的羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金。由于羰基鐵粉飽和磁化強度為2.15特斯拉，且物性較軟、具有可壓縮性、材料本錢低、購買方便，已成為最常用的材料之一。磁流變液的母液油（分散劑）一般是非導(dǎo)磁且性能良好的油，如礦物油、硅油、合成油等,它們須具有較低的零場粘度、較大范圍的溫度穩(wěn)定性、不污染環(huán)境等特性 。穩(wěn)定劑用來減緩或防止磁性顆粒沉降的產(chǎn)生。由于磁性顆粒的比重較大，輕易沉淀或離心分離，

22、加進少量的穩(wěn)定劑是必須的。磁流變液的穩(wěn)定性主要受兩種因素的影響：一是粒子的聚集結(jié)塊，即粒子相互聚集形成很大的團；二是粒子本身的沉降，即磁性粒子隨時間的沉淀。這兩種因素都可以通過添加劑或表面活性劑來減緩。由超精細(xì)石英粉形成的硅膠是一種典型的穩(wěn)定劑，這種粒子具有很大的表面積，每個粒子具有多孔疏松結(jié)構(gòu)可以吸附大量的潮氣，磁性顆粒可由這些結(jié)構(gòu)支撐均勻地分布在母液中。另一方面，表面活性劑可以</p><p>　　目前國際上

23、關(guān)于磁流變液材料制備方法和工藝的報道比較多。中國科技大學(xué)磁流變研究組陳祖耀、江萬權(quán)等人用Y-輻射技術(shù)產(chǎn)生直徑在２００nm～５μm 的Co粒子，并將鐵顆粒表面復(fù)合此納米尺寸的Co粒子，形成鐵復(fù)合物為懸浮粒子制備的磁流變液。在中國科技大學(xué)的旋轉(zhuǎn)式磁流變液測試系統(tǒng)上測試，結(jié)果表明剪切屈服應(yīng)力明顯增大；用直徑為２.５μm～８μm羰基鐵粉分散于硅油中，并用偶聯(lián)劑預(yù)先處理，改善液態(tài)相和固態(tài)相的相容性，可有效防止粒子沉淀，該磁流變液效應(yīng)明顯，且具有較

24、大的溫度穩(wěn)定性。2002年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)磁流變研究組成功地篩選制備了KDC—1磁流變液，該樣品實驗室工藝穩(wěn)定，有較大的剪切屈服強度和沉降穩(wěn)定性，其主要力學(xué)性能指標(biāo)與美國Lord公司產(chǎn)品接近?，F(xiàn)已完成對3家友鄰研究單位KDC—1 MRF小批量實驗室規(guī)模供給，反映良好[7]。</p><p>　　1.3.3 磁流變液的特性</p><p>　　良好的磁流變液具有下列性能：(1)具有優(yōu)良的磁

25、化和退磁特性，以保證磁流變液的磁流變效應(yīng)是一種可逆變化。因此這種流體的磁滯回線必須狹窄，內(nèi)聚力較小，而磁導(dǎo)率很大，尤其是磁導(dǎo)率的初始值和極大值必須很大；(2)應(yīng)具有較大的磁飽和特性，以便使得盡可能大的“磁流”通過懸浮液的橫截面，從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量；(3)應(yīng)具有較小的能量損耗，在工作期間，全部損耗(如磁滯現(xiàn)象、渦流現(xiàn)象等)都應(yīng)該是一個很小的量；(4)應(yīng)具有高度磁化和穩(wěn)定的性能，這就要求磁流變液中的強磁性粒子的分布必須均勻，

26、而且分布率保持不變；(5)應(yīng)具備極高的“擊穿磁場”，以防止磁流變液被磨損并改變性能；(6)應(yīng)在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性，以保證磁流變液的流變性能不會在正常工作溫度范圍內(nèi)發(fā)生改變；(7)構(gòu)成磁流變液的原材料應(yīng)是價廉的而不是稀有的。</p><p>　　1.4 磁流變減振器的發(fā)展前景</p><p>　　隨著相關(guān)學(xué)科和高新技術(shù)的迅猛發(fā)展特別是高效處理器的普及，使得研究實用的半主動懸架

27、振動控制系統(tǒng)成為現(xiàn)實。因此，今后的研究和開發(fā)方向是基于磁流液體功能材料，開發(fā)控制有效、能耗低、造價合理的汽車懸架振動控制系統(tǒng)，并針對車型開發(fā)其適用系統(tǒng)，為此，必須解決一些基礎(chǔ)性的理論研究問題和實際應(yīng)用的技術(shù)問題。 隨著磁流變技術(shù)綜合性能的不斷提高, 磁流變液這一智能流體材料將會在汽車上大量應(yīng)用, 預(yù)計在本世紀(jì)初將會出現(xiàn)以智能流體為標(biāo)志的汽車時代。智能流體將使汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。磁流變液減振器在隔離發(fā)動機振動, 衰減路面不平度

28、的沖擊和改善駕駛員座椅的振動品質(zhì)方面大顯身手, 使汽車行駛平順性得到很大的提高, 車內(nèi)噪聲也將大大降低; 基于磁流變技術(shù)在車身結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)既能夠有效調(diào)控駕駛員和乘員放腳空間底板以及轉(zhuǎn)向盤等局部構(gòu)件的振動水平, 使乘員倍感舒適, 又可以主動控制車內(nèi)主要結(jié)構(gòu)板件的振動形態(tài)和振動強度, 有效改善車內(nèi)的聲學(xué)品質(zhì)?？梢? 日趨成熟的磁流變技術(shù)可以在汽車上廣泛應(yīng)用, 并導(dǎo)致汽車結(jié)構(gòu)的重大變化。</p><p>　　開

29、發(fā)實用的磁流變液可控減振器，研究各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響規(guī)律，優(yōu)化結(jié)構(gòu)并改善其制造工藝性。在現(xiàn)有的磁流變液體中選擇或改進并驗證最佳配方，為此，需要進行一系列減振器疲勞壽命實驗和實車運行實驗以驗證在實際使用條件下磁流變液體的穩(wěn)定性、可靠性和實用性。重點研究車輪跳動和懸架行程位置傳感器，而汽車慣性傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角和車速傳感器選用目前已有的傳感器。車輪跳動和懸架行程位置傳感器采用與可調(diào)減振器融為一體的結(jié)構(gòu)方式，以實現(xiàn)高度集成和高可靠性。智能

30、控制器集成信號變換、CPU、驅(qū)動電路為一體，并同時兼顧汽車其它電子控制系統(tǒng)的功能，為此，必須進行大量的理論和實驗研究，要實現(xiàn)最佳的控制目標(biāo)，控制策略的制定和控制規(guī)律、控制軟件的實現(xiàn)是關(guān)鍵[8]。</p><p>　　2 磁流變減振器電流控制方案</p><p>　　2.1 整車減振系統(tǒng)控制方案介紹</p><p>　　由于此系統(tǒng)應(yīng)用于汽車，所以我們有必要對汽車的整個

31、減振系統(tǒng)工作方式進行討論。前一章，我們已經(jīng)簡要介紹了汽車懸架系統(tǒng)，針對此方案需求，我們對汽車整車減振控制方案中的磁流變方式進行簡要介紹。</p><p>　　用二自由度車輛模型設(shè)計的控制器直接構(gòu)成整車控制系統(tǒng)，是在保持被動懸架彈簧的條件下，用磁流變減振器及其控制器代替筒式減振器以實現(xiàn)整車控制。從控制系統(tǒng)信號分析，一個磁流變減振器的控制器有一個輸出通道，因此，用“通道”數(shù)來對整車控制方式進行分類。選取前橋簧載質(zhì)量的

32、速度和懸架相對位移作為控制系統(tǒng)的輸入信號，在保持懸架被動彈簧條件下，由磁流變減振器及其控制器代替前橋懸架兩個筒式減振器，后橋保持被動懸架不變的兩前通道整車控制方式簡稱方式一。</p><p>　　選取后橋簧載質(zhì)量的速度和懸架相對位移作為控制系統(tǒng)的輸入信號，在保持懸架被動彈簧條件下，由磁流變減振器及其控制器代替后橋懸架筒式減振器，前橋保持被動懸架不變的兩后通道整車振動控制方式簡稱方式二。</p>&l

33、t;p>　　在保持懸架被動彈簧的條件下，利用四個磁流變減振器及其控制器代替被動懸架中的四個筒式減振器實現(xiàn)整車控制的方式稱為四通道整車振動控制方式[9]。</p><p>　　獲取每個磁流變減振器的控制器輸入信號的有兩種：一是直接利用傳感器檢測每個簧載質(zhì)量速度與懸架變形量信號作為該懸架磁流變減振器控制器的輸入；另一個是通過傳感器檢測車身質(zhì)心位置的位移與速度信號，用車身幾何尺寸參數(shù)把質(zhì)心信號轉(zhuǎn)換到車身的四個懸架

34、磁流變減振器的上吊環(huán)位置的速度信號。兩種方式所采用的傳感器不同，本質(zhì)上都是獲取每個磁流變減振器的控制器的輸入信號。</p><p>　　基于筒式減振器的整車控制系統(tǒng)，如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1 筒式減振器的整車控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　它是由路譜仿真模型、整車振動系統(tǒng)狀態(tài)空間模型、筒式減振器的數(shù)值模型三個部分組成。車輛控制系統(tǒng)受到路面的激勵

35、，由減振器產(chǎn)生阻尼力調(diào)節(jié)車輛的振動，改善車輛行駛特性?；诖帕髯儨p振器的整車控制系統(tǒng)與基于筒式減振器的整車振動系統(tǒng)的不同之處是用磁流變減振器及其控制器替換了筒式減振器，其仿真模型，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 磁流變減振器的整車控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　控制器作為整個系統(tǒng)的靈魂部件，是連接測量振動大小、反饋輸出電流的關(guān)鍵部件。控制器的成敗，直接關(guān)乎整個汽車減振系統(tǒng)

36、的成敗。車輛狀態(tài)信號的輸入最終也是要被轉(zhuǎn)化為電量，磁流變液中磁場大小也是由勵磁線圈中勵磁電流大小控制的。設(shè)計出一個測量準(zhǔn)確，反饋精確，實時性好的控制器，并且既要使此控制器能適應(yīng)車輛運行中遇到的顛簸、雷雨外界干擾，又能適應(yīng)汽車內(nèi)在電源供應(yīng)、功率要求，又能抗電磁干擾成為一個實際中不可回避的問題。本設(shè)計就是基于上述要求，利用自己四年所學(xué)，結(jié)合工程需求，勇敢嘗試，大膽創(chuàng)新的過程。</p><p>　　2.2 電流控制方案

37、的論證</p><p>　　2.2.1利用單片機實現(xiàn)電流控制系統(tǒng)</p><p>　　利用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)電流的控制，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場電流采集、實時電流顯示、電流控制輸出和系統(tǒng)核心AT89S52單片機作為微處理器。</p><p>　　電流采集電路以數(shù)字量形式將實時電流傳至單片機。單片機結(jié)合實時電流與磁流變所需求電流大小，按照已經(jīng)編程固化的

38、模糊控制算法計算出實時控制量。以此控制量控制電流輸出，使電流逐步逼近于減振需求的目標(biāo)值。系統(tǒng)運行過程中的電流均可由數(shù)碼管實時顯示[10]。</p><p>　　圖2.3 單片機方案的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2.2 利用DSP實現(xiàn)的電流控制系統(tǒng)</p><p>　　基于DSP實現(xiàn)的電流控制系統(tǒng)由數(shù)字電路部分和模擬電路兩部分組成，其控制系統(tǒng)的機構(gòu)框圖

39、如下圖所示。由控制算法設(shè)定某一能使磁流變減振器產(chǎn)生最佳減振效果的電流，DSP對設(shè)定電流值進行查表計算后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流數(shù)字值，通過16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對應(yīng)的模擬電流信號，此電流值與設(shè)定電流值進行比較產(chǎn)生一個誤差信號，經(jīng)過DSP控制電路后，獲得一個控制量實時閉環(huán)系統(tǒng)，同時實際測量的電流值顯示在液晶屏上[11]。</p><p>　　圖2.4 DSP控制方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p&

40、gt;　　TMS320LF2407A是TI公司推出的TMS320C24xx系列DSP中最新的功能最齊全最強大的16位定點數(shù)字信號處理器。與傳統(tǒng)的24x處理器相比， TMS320LF2407A性能有很大的提高:40MIPS的運算速度(24x為20MIPS, 240x為30MIPS );軟件加密功能，能夠有效地防止片內(nèi)軟件的非法拷貝;不僅為碼盤接口單元輸入引腳提供了輸入限定功能，也為其它捕獲輸入、除Reset以外的外部中斷輸入和ADCSOC

41、引腳提供了輸入限定功能，以防止誤動作;在比較控制寄存器(COMCONx)中使用功率驅(qū)動保護中斷引腳 (PDPINTx )，該位在240x系列中為保留位。</p><p>　　TMS320LF2407A一經(jīng)推出，便以其優(yōu)越的性能特點以及同類產(chǎn)品所無法比擬的功能成為高性能傳動控制系統(tǒng)設(shè)計的首選器件，逐步取代了以前廣泛使用的TMS320F240和TMS320LF2407，是我這次設(shè)計的核心部件。其優(yōu)越的性能可以滿足磁流

42、變電流控制的實時性要求，同時其自身內(nèi)在的幾個實事件管理模塊也有利于對減振系統(tǒng)的電流控制，這一點將在之后論述[12]。</p><p>　　2.2.3控制模塊的選定</p><p>　　控制模塊的選擇，數(shù)字比較器與模擬控制器相比較，數(shù)字比較器具有以下幾個優(yōu)點：</p><p>　　1、模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時，就難以甚至無法實現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實現(xiàn)

43、復(fù)雜控制規(guī)律的控制。</p><p>　　2、數(shù)字控制器具有靈活性。起控制規(guī)律可靈活多樣，可用一臺計算機對不同的回路實現(xiàn)不同的控制方式，并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只可改變控制程序即可，使用起來簡單方便，可改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。</p><p>　　3、采用計算機除實現(xiàn)PID數(shù)字控制外，還能實現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。</p><p>　

44、　4、DSP易于產(chǎn)生PWM波，而PWM對電流的控制技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并且易于控制。</p><p>　　對于方案一，采用單片機實現(xiàn)電流控制，雖然該方案成本低，易于制造，結(jié)構(gòu)簡潔，但對于系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能、實時性要求較高的場合是不合適的。相比之下，DSP控制器能快速運算，可以滿足汽車減振這種實時性要求極高的工作情況要求。再者，DSP自帶的事件管理器中的PWM模塊，可以方便、快捷的產(chǎn)生PWM波，從而控制電流。為了

45、使設(shè)計的成本低、抗干擾強，系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好，綜合考慮，本設(shè)計控制模塊采用DSP控制器[13]。</p><p>　　2.3 電流測量方案</p><p>　　建立電流測量標(biāo)準(zhǔn)的方法主要有兩大類，一類以測量被測電流在標(biāo)準(zhǔn)電阻器上的電壓為基礎(chǔ)，即分流器法；另一類利用被測電流所產(chǎn)生的磁場為基礎(chǔ)，如直流電流互感器法，核磁共振法和霍爾變換器法?，F(xiàn)分別作簡要介紹。</p><

46、;p>　　2.3.1 電阻檢測法</p><p>　　在理想狀態(tài)下，被檢測電流，流過檢測電阻時，由歐姆定律可得V=I×R，當(dāng)電阻為固定值時，電壓V的變化就反映出電流的變化情況。</p><p>　　2.3.2 功率開關(guān)導(dǎo)通電阻檢測法</p><p>　　功率開關(guān)管導(dǎo)通電阻檢測法又稱RON檢測法。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，采用MOSFET作為電流檢測的手段

47、已得到越來越廣泛的應(yīng)用。MOSFET作為多子器件，在其導(dǎo)通時具有電阻特性。功率開關(guān)導(dǎo)通電阻檢測法就是通過檢測MOSFET導(dǎo)通電阻尺上的電壓，達(dá)到檢測電流的目的。</p><p>　　2.3.3電流互感器檢測法</p><p>　　在大電流應(yīng)用場合，大多采用磁性器件來進行電流檢測，以避免電阻檢測帶來的損耗。同時，磁性器件檢測技術(shù)還可以獲得電氣隔離。最常用的電流磁檢測器件是電流互感器，它在開關(guān)

48、電源的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。除了電流互感器外，還有采用霍爾效應(yīng)制作的傳感器。霍爾傳感器與電流互感器相比，檢測度高，但卻存在價格高、體積大的缺點?；魻杺鞲衅髦饕獞?yīng)用在有特殊要求的場合。</p><p>　　由于霍爾傳感器檢測度高、功耗低而電阻檢測法功耗大，在汽車這種電流需自身產(chǎn)生的大系統(tǒng)中，應(yīng)盡量節(jié)約電的消耗。而功率開關(guān)導(dǎo)通電阻檢測法低占空比時轉(zhuǎn)換噪聲高。故而選用霍爾傳感器。本設(shè)計采用Allgero公司生產(chǎn)的型號

49、為ASC712-05B。這個傳感器可為工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測提供經(jīng)濟實惠的精密解決方案。該器件封裝便于客戶輕松實施。典型應(yīng)用包括電動機控制、載荷檢測和管理、開關(guān)式電源和過電流故障保護。</p><p>　　2.4 A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。</p><p>　　2.4.1

50、 AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　?。?）分辨率</b></p><p>　　(Resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。 </p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)換速率</b></p><p

51、>　　(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比 較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率 (Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表 示

52、每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。</p><p>　?。?）量化誤差 (Quantizing Error)</p><p>　　由于AD的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特 性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LS

53、B。 </p><p>　?。?）偏移誤差 (Offset Error) </p><p>　　輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。 </p><p>　?。?）滿刻度誤差 (Full Scale Error) </p><p>　　滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。 </p><p>

54、　?。?）線性度 (Linearity) </p><p>　　實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。 </p><p><b>　?。?）其他指標(biāo)</b></p><p>　　絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調(diào)性和無錯碼，總諧波失真（Tot

55、al Harmonic Distortion縮寫THD）和積分非線性。</p><p>　　A／D轉(zhuǎn)換器的雛形最早是伴隨著PCM(pulse code modulation)技術(shù)在電話中的使用出現(xiàn)在上個世紀(jì)30年代的。在A／D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多種體系結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)側(cè)重于不同的需求，有的側(cè)重于高精度，有的側(cè)重于高速度，有的側(cè)重于低功耗，有的側(cè)重于低硬件消耗。在當(dāng)今各種A／D轉(zhuǎn)換器中，按基本的轉(zhuǎn)換原理劃

56、分，可分為Nyquist A／D轉(zhuǎn)換器和過采樣A／D轉(zhuǎn)換器。對于Nyquist A／D轉(zhuǎn)換器，其主要特征是：每一個被采樣的模擬信號都被轉(zhuǎn)換為唯一與之相對應(yīng)的數(shù)字信號，即采樣速率和轉(zhuǎn)換速率相同。而過采樣型是一類通過提高過采樣比(采樣速率與轉(zhuǎn)換速率的比值)來達(dá)到高動態(tài)范圍的A／D轉(zhuǎn)換器。在目前所有的A／D轉(zhuǎn)換器中，過采樣型是精度最高的，但由這類轉(zhuǎn)換器從本質(zhì)上是通過犧牲速度來換取高動態(tài)范圍的，所以它的轉(zhuǎn)換速率較低(一般小于5MS／s)，這種轉(zhuǎn)

57、換器廣泛用于音頻處理、圖像處理等低速、高動態(tài)范圍領(lǐng)域。目前，大多數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器都屬于Nyquist型，其中包括快閃型、兩步快閃型、主從型、逐次逼近型、折疊插值型、積分型和流水線型等。</p><p>　　2.4.2 AD轉(zhuǎn)換器件的選擇</p><p>　　TMS320LF2407A 器件內(nèi)部集成了一個10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。該模塊能夠?qū)?6 個模擬輸入信號進行采樣/保持和A/D 轉(zhuǎn)換。

58、為了節(jié)約空間，簡化電路，此次設(shè)計就使用DSP自身AD轉(zhuǎn)換模塊。40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短至25 ns。該芯片的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC具有以下特點:</p><p>　　1) 內(nèi)置的10位A /D轉(zhuǎn)換器有多達(dá)16路的模擬輸入通道,通道可自動排序,由編程確定。</p><p>　　2) 兩個獨立的最多可選擇各含8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器。</p><p>　　

59、3) 多個觸發(fā)源可啟動A /D 轉(zhuǎn)換,靈活的中斷控制。</p><p>　　在選定了AD轉(zhuǎn)換選用DSP自身所有的模塊之后，又有一個新的問題需要解決。TI公司生產(chǎn)的型號為ASC712-05B電流傳感器最高輸出5V，而DSP的AD轉(zhuǎn)換最高接收3.3V電壓。這就需要一個電平轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。電平轉(zhuǎn)換可以采用雙電源電平轉(zhuǎn)換器件，其優(yōu)點是電流驅(qū)動能力強，且具有8、16、32 bit等位寬。還可采用具有開漏輸出的器件，其優(yōu)點是轉(zhuǎn)換輸

60、出電壓可大于或小于輸入電壓，且可以用于線與方式。采用了具有開漏輸出的器件74LVC07，電路示意圖如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 電平轉(zhuǎn)換示意圖</p><p>　　當(dāng)輸入端為低電平時，輸出端是低電平；當(dāng)輸入端為高電平時，輸出端是高阻態(tài)(A端輸入，Y 路輸出)。這樣在輸出端通過上拉可以將5 V轉(zhuǎn)電路換為3.3 V，也可以將3.3 V轉(zhuǎn)換為5V輸出，較好的解決了TMS320L

61、F2407A與5V邏輯器件傳輸信號的問題[14]。</p><p>　　2.5 減振器控制方式的選取</p><p>　　結(jié)合磁流變減振器的工作原理，同時考慮到DSP控制器可以直接進行電流輸出的特點，我們在電壓型控制方法和電流型控制方法這兩種典型的控制方法中選取后者。這樣作有以下幾方面考慮：</p><p>　　1 磁流變減振器是有電流大小控制器磁流變液固化程度，直

62、接令DSP產(chǎn)生算法所產(chǎn)生需要電流去控制磁流變液是切實可行的。 </p><p>　　2 對于磁流變減振器，用電壓驅(qū)動最終還是得轉(zhuǎn)化成電流，這樣就會是電路變得復(fù)雜，可靠度降低。 </p><p>　　3 環(huán)節(jié)越少，越利于節(jié)約汽車上的空間資源，同時，降低成本，增強市場競爭力。</p><p>　　4 理論和實驗研究表明，用電壓源驅(qū)動磁流變液阻尼器比用電流源驅(qū)動磁流變

63、液阻尼器響應(yīng)速度慢，并且阻尼力控制技術(shù)難度較大。</p><p><b>　　2.6電流控制方式</b></p><p>　　為了獲得連續(xù)可調(diào)的控制電流，可采取如下方式：一是模擬方式，控制器輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到控制波形，再經(jīng)模擬放大電路得到控制電流。二是開關(guān)方式，控制器輸出的是脈寬調(diào)制(PWM)信號，經(jīng)功率放大后加在功率開關(guān)管（如雙極晶體管）、MOS-FE

64、T（場效應(yīng)管）、IGBT（絕緣柵式雙極性晶休管）的控制極上，通過調(diào)節(jié)主電路的導(dǎo)通時間達(dá)到輸出不同的電壓或電流的目的。相對于模擬方式，開關(guān)方式下工作的電流驅(qū)動器具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、調(diào)整范圍寬等優(yōu)點，因此開關(guān)方式成為本次設(shè)計所使用的方法。開關(guān)方式的主電路有幾種形式，如降壓斬波（BUCK)式電路、沖擊線圈(ACC)式電路、正向式電路、推挽式電路、半橋式電路、全橋式電路等。此次設(shè)計中，電流驅(qū)動器采用了BUCK式電路，開關(guān)管選擇I

65、GBT[15]。</p><p>　　絕緣門極雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)由于兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)10～40 kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)較寬等。)而在電力電子裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。為了驅(qū)動IGBT在DSP輸出PWM波以后，需要對3.3V的高電平進行放大，

66、本次設(shè)計使用東芝公司生產(chǎn)的TLP250光耦器件。TLP250輸入IF電流閥值5mA，電源電壓10~35V，輸出電流±0.5A，隔離電壓2500V，開通/關(guān)斷時間0.5us。可直接驅(qū)動50A1200V的IGBT模塊。</p><p>　　光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與

67、受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開關(guān)）信號，不適合傳輸模擬信號。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。</p><p>　　光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸

68、效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離 、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。</p><p>　　采用TMS320LF2407A全比較單元方式產(chǎn)生PWM。TMS320LF2407A內(nèi)部擁有兩個事件管理器(EVA，EVB)。每個事件管理器包括兩個16

69、位的通用定時器和3個全比較單元。PWM的產(chǎn)生分為兩個過程。</p><p>　　過程一：定時器周期值和比較單元跳變值的設(shè)定。當(dāng)采用內(nèi)部時鐘電路時，設(shè)置定時器寄存器TPSi位可以設(shè)置定時器時鐘頻率，設(shè)定定時器周期寄存器的值可以設(shè)定定時器的周期值。比較單元的數(shù)值通過比較單元寄存器CMPERi設(shè)定，其值必須小于定時器的周期值。</p><p>　　過程二：PWM的輸出。PWM的輸出由16位比較動

70、作控制寄存器ACTRx決定。ACTRx決定了EVx(X取A或B)事件管理器控制的PWMi(i取1至12)引腳輸出的電平特性。例如控制PWMl的CMP1ACT的1，0位，其組合值決定PWM1的電平特性[16]。</p><p>　　00：則PWM1輸出強制為低；</p><p>　　Ol：比較單元觸發(fā)后將從高電平轉(zhuǎn)向低電平；</p><p>　　10：比較單元觸發(fā)后將

71、從低電平轉(zhuǎn)向高電平；</p><p>　　11：強制輸出高電平。</p><p>　　2.6.1 PWM簡介</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。</p>

72、<p>　　PWM技術(shù)是一種對模擬信號電平的數(shù)字編碼方法，通過使用高分辨率計數(shù)器（調(diào)制頻率）調(diào)制方波的占空比，從而實現(xiàn)對一個模擬信號的電平進行編碼。其最大的優(yōu)點是從處理器到被控對象之間的所有信號都是數(shù)字形式的，無需再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程；而且對噪聲的抗干擾能力也大大增強（噪聲只有在強到足以將邏輯值改變時，也可能對數(shù)字信號產(chǎn)生實質(zhì)的影響），這也是PWM在通訊等信號傳輸行業(yè)得到大量應(yīng)用的主要原因[17]。</p>&

73、lt;p>　　PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 </p><p>　　對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適

74、當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。</p><p>　　2.6.2 Buck電路簡介</p><p>　　直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。Buck電路又叫做降壓式斬波電路，是電力電子直直變換電路中常用的一種電路形式，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用在精確的5V、IOV

75、以及12V數(shù)字信號的供應(yīng)上，在計算機系統(tǒng)和數(shù)寧系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。直流斬波電路的種類較多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。其中前兩種是最基本的電路。</p><p>　　圖2.6所示為Buck電路的簡化示意圖。在實際應(yīng)用中，一般將開關(guān)S和二極管VD分別用功率管代替。在此次設(shè)計中就使用IGBT作為開關(guān)管，并將其結(jié)構(gòu)進行改進后，與

76、當(dāng)前的器件進行功耗上的對比，以達(dá)到優(yōu)化目的。</p><p>　　圖2.6 降壓型斬波電路基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.7 LCD顯示模塊</p><p>　　為了能直觀顯示DSP對電流的調(diào)節(jié)和控制作用，在此次設(shè)計中加入電流顯示環(huán)節(jié)。這樣一來，也有助于在調(diào)試時檢查電路故障。液晶顯示器由于具有功耗低、尺寸小、價格低、驅(qū)動電壓低等特點以及其優(yōu)越的字符和圖形的顯示功

77、能, 在能使用磁流變減振器的高檔汽車的使用中是首選的輸出設(shè)備。顯示系統(tǒng)由DSP 控制器、LCD 控制器和LCD 顯示屏組成,如圖2.7所示</p><p>　　此次設(shè)計，選用LCDl602。LCD1602是一款最常用也是最便宜的液晶顯示屏，可以顯示兩行標(biāo)準(zhǔn)字符，每行顯示16個字符，廣泛應(yīng)用于智能儀表、通信、辦公自動化設(shè)備中。它的主要作用是顯示ASCII碼字符，因此又被稱作“字符型顯示器件”。</p>

78、<p>　　圖2.7 顯示模塊框圖</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1 電源模塊</b></p><p>　　考慮到此系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境是汽車，而汽車所用電源多是12V或24V直流電。為了能讓整個系統(tǒng)運行，以24V為基礎(chǔ)，進行直流電壓變換是一個前提性問題。在此次設(shè)計

79、中使用LM2576 。此系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路, 它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz) 和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1. 23V) , 并具有完善的保護電路,包括電流限制及熱關(guān)斷電路等,利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2576 系列包括LM2576(輸入電壓7V-40V)及LM2576HV(最高輸入電壓60V) 二個系列。各系列產(chǎn)品均提供有3.3V( -3.3)、5V(-5.0)、12V(

80、-12)、15V(-15)及可調(diào)(-ADJ)等多個電壓檔次產(chǎn)品[18][19][20]。此外,該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳。</p><p>　　LM2576 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下</p><p>　　●3.3V,5V,12V,15V和可調(diào)節(jié)輸出電壓型號</p><p>　　●可調(diào)節(jié)輸出型號輸出電壓范圍在線性和負(fù)載條件下1.23V~37V,最大

81、±4％</p><p><b>　　●保證3A輸出電流</b></p><p>　　●輸入電壓范圍廣40V至HV型號的60V</p><p>　　●只需四個外部器件支持</p><p>　　●高效率效率: 75 %～88 % (不同電壓輸出時的效率不同) ;</p><p>　　●52K

82、Hz固定頻率內(nèi)部振蕩器</p><p>　　●TTL管段能力 低功耗待機模式</p><p>　　●使用現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)電感</p><p>　　●熱關(guān)斷及電流限制保護</p><p>　　考慮汽車應(yīng)用環(huán)境，為防止過壓、過電流等故障，有必要添加熱熔斷開關(guān)、穩(wěn)壓二極管等保護器件。為了能方便調(diào)試，在5V輸出端特意接一個發(fā)光二極管。一方面可以查看DC

83、-DC轉(zhuǎn)換電路是否正常工作，另一方面可以明確是否有電源供給，方便調(diào)試下一級電路。電路連接如下圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 汽車電壓轉(zhuǎn)換電路圖</p><p><b>　　3.2加速度傳感器</b></p><p>　　加速度是評定物體運動的最基本參數(shù)，物體受力后首先產(chǎn)生加速度，當(dāng)知道物體的加速度時，通過積分還可得到物體的速度和位

84、移的大小。加速度傳感器是很重要的一類傳感器，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、交通運輸、建筑及機器人等領(lǐng)域。加速度傳感器動態(tài)數(shù)學(xué)模型定量描述傳感器輸入、輸出以及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系，是研究其工作機理的重要手段，是制定各項標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的依據(jù)，根據(jù)動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以正確評價傳感器的動態(tài)性能?；趧討B(tài)數(shù)學(xué)模型可以設(shè)計和研制模擬電路網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字運算環(huán)節(jié)去提高響應(yīng)的快速性，修正動態(tài)誤差，實現(xiàn)動態(tài)解耦等[21]。</p><p>　　在本

85、次設(shè)計中，加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集的信號來源，同時也是整個模塊的起始部分，傳感器的適當(dāng)選取、正確連接決定了數(shù)據(jù)采集的成敗。</p><p>　　本次設(shè)計使用由江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的硅電容加速度傳感器，型號為CA-DR-1050的加速度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)如圖3.2</p><p>　　圖3.2 CA-DR-1050主要技術(shù)指標(biāo)圖</p><p><b&

86、gt;　　3.3 顯示模塊</b></p><p>　　圖3.3為液晶顯示模塊與DSP的硬件電路圖，系統(tǒng)主要由DSP控制器、隔離緩沖電路和液晶顯示模塊3部分組成。隔離緩沖電路由兩片74LS245組成。調(diào)節(jié)滑動電阻R，可以調(diào)節(jié)顯示對比度。</p><p>　　DSP的數(shù)據(jù)、地址、控制總線通過接口信號線引入液晶顯示模塊。DSP的I／O端口工作電壓是3．3V，由于DSP有時將數(shù)據(jù)寫入

87、控制器，有時又從控制器讀數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)總線是雙向系統(tǒng)，如果直接把兩者連接，數(shù)據(jù)的流向可能會對3．3V系統(tǒng)造成損害，所以本設(shè)計中DSP和液晶模塊采用兩片74LS245進行連接，74LS245起到隔離的作用。上片74LS245連接的是DSP對液晶輸出的控制信號，信號為單向流動，管腳DIR始終置“1”，使得控制信號由74LS245的A口流向B口。而下片74LS245連接的是DSP和液晶的數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)為雙向流動，因此管腳DIR則由DSP的來控制

88、數(shù)據(jù)的流向。由于DSP輸出的信號電壓均為3．3V，而液晶模塊的驅(qū)動電壓為5 V，所以需要在74LS245和液晶模塊之間加入上拉電阻，這樣才能與LCD控制器準(zhǔn)備接收的數(shù)據(jù)相匹配[22][23][24]。</p><p>　　1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中: </p><p>　　第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱

89、，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行

90、命令。 </p><p>　　第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。</p><p>　　圖3.3 液晶顯示模塊與DSP的硬件電路圖</p><p>　　3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　由于選擇了DSP自身的AD轉(zhuǎn)換模塊，所以AD轉(zhuǎn)換的電路就分成兩個部分。一個部分是對DSP自身的AD轉(zhuǎn)換模塊的硬件使能。另一個是對5V電壓轉(zhuǎn)化至

91、3.3V的電平模塊的連接。</p><p>　　硬件采用飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的74LVC07A，該器件有14個引腳。引腳14為電源接口，接5V直流電壓，引腳7接地。可以提供六路輸出、輸入。該器件具有以下特點：</p><p>　　1）供電電壓范圍變化大，從1.65V到5.5V。</p><p>　　2）CMOS模式，功耗低。</p><p>

92、　　3）直接與TTL電平可以連接。</p><p>　　電平轉(zhuǎn)換電路連接入圖3.5所示</p><p>　　圖3.4 DSP內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換連接</p><p>　　圖3.5 電平轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.5 電流驅(qū)動模塊</p><p>　　由于恒流源較難實現(xiàn)，本次設(shè)計最終的電流驅(qū)動由電壓接一個合適的電阻串聯(lián)

93、實現(xiàn)。這個電阻在所加電壓下，基本實現(xiàn)2A電流輸出。通過IGBT控制通斷實現(xiàn)電流的連續(xù)可調(diào)。實際上，IGBT的閾值電壓為12V，所以就直接用車載電源24V供電。電阻經(jīng)過計算應(yīng)在整個電流驅(qū)動電路中串接15.5Ω的電阻。在下圖中，又DSP引腳產(chǎn)生的PWM波信號接TLP250的2引腳，與地相比較作為光耦放大的信號來源，經(jīng)放大后Vo接到IGBT的們極控制Buck電路[25]。</p><p>　　圖3.6 電流驅(qū)動電路&l

94、t;/p><p>　　3.6 DSP最小系統(tǒng)</p><p>　　3.6.1 電源部分</p><p>　　在這里我們采用TI公司專門為其系列DSP產(chǎn)品推出的DC/DC轉(zhuǎn)換芯片TPS7333。TPS7333采用SO-8封裝，單電壓3.3 V輸出，驅(qū)動電流達(dá)500mA,具有上電復(fù)位功能，同時輸出監(jiān)視引腳(SENSE)隨時檢測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓不穩(wěn)定或低于復(fù)位門限電壓時，

95、復(fù)位引腳RESET產(chǎn)生200ms的復(fù)位延遲進行保護。TPS7333價格便宜，使用時外接器件少，是一款性價比很高的電源轉(zhuǎn)換芯片。轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3.6所示。將電路板外接的+5V轉(zhuǎn)換成+3．3V。同時TPS7333提供系統(tǒng)復(fù)位信號，實現(xiàn)電壓監(jiān)控[26]。電源電路如圖所示。</p><p>　　圖3.7 DSP電源電路</p><p>　　3.6.2仿真接口(JTAG)電路</p>

96、<p>　　每個DSP芯片內(nèi)部都集成了邊界掃描仿真接口((JTAG)模塊，通過硬件仿真器XDS510 (Extended Development System)訪問內(nèi)部的寄存器和狀態(tài)機，從而實現(xiàn)對DSP的軟件代碼寫入和狀態(tài)監(jiān)視。</p><p>　　在線調(diào)試時，用戶需通過一根電纜將XDS510和目標(biāo)板連接，為此必須設(shè)計硬件接口電路以實現(xiàn)DSP內(nèi)部JTAG和外部電纜的連接。該接口是一個14引腳的雙列直

97、插件，其封裝如圖3.7所示。</p><p>　　在硬件電路設(shè)計中，保證仿真器XDS510和目標(biāo)板之間高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸是極為重要的。因此必須提供恰當(dāng)?shù)男盘柧彌_、測試時鐘輸入和多個處理器之間的數(shù)據(jù)交互，來確保仿真器和目標(biāo)DSP可靠的工作。 </p><p>　　如果接口和JTAG之間的距離超過6英寸時，必須對輸入信號進行緩沖，如果距離小于6英寸時，就沒有緩沖的必要了，如圖3.8所示，這

98、是最簡單的無緩沖的電路，但它也是最穩(wěn)定可靠的，我們采用的就是這種電路，緩沖電路在這里不再論述。</p><p>　　圖3.7 XDS510封裝圖</p><p>　　圖3.8 仿真接口(JTAG)電路</p><p>　　JTAG模塊的EMO和EM1必須通過上拉電阻接到VCC上，以產(chǎn)生小于l0us的信號上拉時一間，對大部分的應(yīng)用系統(tǒng)TI通常推薦使用4.7K的上拉電阻

99、。</p><p>　　3.6.3 鎖相環(huán)時鐘電路的設(shè)計</p><p>　　TMS320LF2407A使用內(nèi)嵌到CPU內(nèi)核的鎖相環(huán)(PLL)電路，用來對外部輸入的較低時鐘頻率進行倍頻，從而可以得到較高的片內(nèi)時鐘。TMS320LF2407A的倍頻因子同TMS320LF2407，都為0.5~ 4，但TMS320LF2407A的時鐘為40MHz，而TMS320LF2407的時鐘為30 MHz,

100、所以為了使TMS320LF2407A能在全速下工作，同時又不超頻，我們選用10MHz的外部晶振，而TMS320LF2407通常選用的是15 MHz的晶振，這也是兩者系統(tǒng)設(shè)計中的不同之處。 </p><p>　　PLL使用外部濾波器回路來抑制信號的抖動和電磁干擾，使信號抖動和干擾的影響降低到最小。濾波回路的元件R1. C1和C2的大小由所選用的外部晶振決定，當(dāng)選用1 0MHz的晶振時，它們應(yīng)分別為11Ω、0.

101、68uF和0.015uF。 </p><p>　　在電路板設(shè)計中，為了降低噪聲等干擾因素，一定要把R-C回路盡可能的接近PLLF和PLLF2管腳，即走線要盡可能的短，且R-C串并聯(lián)網(wǎng)所占用的面積也要盡可能的小。同時要在PLLVCCA和距離它最近的VSS之間接一個旁路電容(0.01uF ~0.1uF陶瓷)。PLL時鐘電路原理圖如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 鎖相環(huán)時鐘電路&l

102、t;/p><p>　　3.6.4 外擴存儲器電路的設(shè)計</p><p>　　TMS320LF2407A片內(nèi)帶有高達(dá)32K字的閃存(Flash EEPROM)和2.5K字的程序/數(shù)據(jù)RAM，足夠一般程序的存儲。但在軟件開發(fā)時期，為了便于程序調(diào)試，我們外擴了一片64K X 16位的SRAM，用于程序/數(shù)據(jù)的譯碼。這是因為如果把程序燒到Flash中調(diào)試時，在全部程序中，只能設(shè)置一個硬件斷點，而且每次

103、修改程序都得重新燒寫Flash，相反如果把程序Load到片外SRAM中，速度快，簡單方便，且調(diào)試時可加任意多個斷點。 </p><p>　　在外擴存儲器時必須考慮到存儲器的讀寫速度，以使之和DSP的處理速度相匹配，為此我們選用了一款CYPRESS公司的高速SRAM——CY7C1021CV33-12ZC。在我們的設(shè)計中，為了減少編程譯碼的難度，把高八位使能引腳BHE, 低八位使能引腳BLE以及芯片使能引腳//

104、CE全部拉低進行使能，接口電路圖3.10所示。</p><p>　　在DSP2407復(fù)位時，將采集MP/MC引腳的電平。MP/MC引腳為0時，DSP被配置為控制器方式。DSP從片內(nèi)程序存儲器0000h處讀取復(fù)位向量，并接著執(zhí)行片內(nèi)的程序；MP/MC引腳為1時，DSP被配置為微處理器方式，DSP從片外程序存儲器0000h處讀取復(fù)位向量，并接著執(zhí)行片外的程序。</p><p>　　為實現(xiàn)這兩種