悬架电子控制系统模拟电路设计.docx
《悬架电子控制系统模拟电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《悬架电子控制系统模拟电路设计.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
悬架电子控制系统模拟电路设计
学院
毕业设计
悬架电子控制系统模拟电路设计
系 别：
专业名称：
学生姓名：
学 号：
指导教师姓名、职称：
完成日期200年5月7日
学院本科毕业论文（设计）开题报告
选题
悬架电子控制系统模拟电路设计
院系
专业
学生姓名
指导教师
本选题的意义及国内外发展状况：
悬架依据其可控性可以分为不可控的被动悬架和可控的智能悬架两大类。
在多变环境或性能要求高且影响因素复杂的情况下，被动悬架难以满足期望的性能要求；而智能悬架能够对行驶路面、汽车的工况和载荷等状况进行监测，进而控制悬架本身特性及工作状态，使汽车的整体行驶性能达到最佳。
智能悬架中主动、半主动悬架在近年来得到了迅速发展，较好地解决了安全性和舒适性这一对卜矛盾，将其缓和至相对较低。
研究内容：
1．电控悬架系统基本组成电控悬架各组成的功用
2．工作原理：
控制器根据传感器传来的车辆信息，经过计算后给执行器信号来调节悬架的高度、刚度等参数
3．电控悬架（TEMS）的电路图
4．执行器的工作原理：
选择器开关
停车开关
车速传感器
节气门位置传感器
5．减振器
6．控制策略研究:
电控悬架系统用车高和转角传感器
研究方法、手段及步骤：
1.了汽车悬架主动／半主动控制的基本原理，从控制策略、执行机构以及应用情况三方面对汽车悬架控制系统的发展状况作了分析、总结及趋势预测，为今后汽车悬架控制系统的发展方向提出了建议。
2.应用于悬架控制系统的控制理论比较多，主要有天棚控制、最优控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制以及复合控制等等。
3.运用单片机软件进行编写电路设计。
参考文献：
[1]张金柱.自动变速器.化学工业出版社,2005.9
[2]宋晓琳.采用模糊理论的七自由度汽车主动悬架控制系统.湖南大学出版社，2003.6
[3]陈黎卿，郑泉，王启瑞.基于ADAMS的主动悬架控制研究.沈阳工业大学学报,2007.1
[4]韩智阳.基于CAN总线的汽车电控空气悬架仿真分析与控制.吉林大学出版社，2007.7
[5]社刘哲.主动悬架的控制策略与仿真研究.吉林大学出版，2006.12
[6]许昭.车辆主动悬架最优控制及悬架实验台研究.湖南大学出版社，2003.8
[7]王囤.电控悬架系统用车高和转角传感器.西安公路交通大学出版社，2002.4
[8]曹建国.汽车概论.重庆大学出版社,2004.6
[9]肖生发.汽车工程概论.北京理工大学出版社,2005.7
[10]董辉.汽车用传感器.北京理工大学出版社,2005.1
[11]鲁植雄.汽车电子控制悬架图解.江苏科学技术出版社,2003.10
[12]彭标兴.汽车转向系统结构.国防工业出版社,2002.5
[13]张伟.汽车电器及电子设备.重庆大学出版社,2006.1
[14]孙仁云.汽车电器及电子技术.机械工业出版社,2006.1
[15]陈家瑞.汽车构造.机械工业出版社,2007.1
[16]张文春.汽车理论.机械工业出版社,2007.1
[17]（美）GavinD.J.Harper.王哲（译）.图解汽车.科学出版社，2007.4
悬架电子控制系统模拟电路设计
摘要
电子控制悬架系统当汽车的负荷发生变化时，一般汽车的悬架装置高度就会改变，制动时前悬架的高度会降低，转弯时内侧悬架的高度会升高。
这不仅影响到乘客的舒适性，而且会影响操纵稳定性。
电子控制悬架系统最大优点就是它能使悬架随不同道路情况和负荷状况而有不同的反应。
在急转弯、急加速和紧急制动时感到悬架较为坚硬，而在正常行驶时感到比较柔软。
此外，它还能平衡地面反力、使其对车身的影响减少到最低限度。
因而，极大地改进了车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐的舒适性。
随着人们对汽车乘坐舒适性的不断追求，近年来已有不少豪华轿车和豪华SUV纷纷换装上了性能更优越的电子控制式主动悬架（简称：
电控主动悬架）。
在豪华轿车上采用电控主动悬架无疑是为追求更平稳、更舒适的乘坐感，而在SUV上采用当然则是为了平衡野外越野与公路行驶的双重需要。
通常一套控制堪称精密的电控式主动悬架不论制造成本还是维护保养费用都不菲，所以更多时候我们只能在豪华车型上发现它的身影，也难怪这类车型的乘坐感受与众不同。
本文介绍了电控主动悬架系统的发展概述介绍以及应用与光电式车高传感器和转角传感器的工作原理。
这两种传感器分别向电子控制器（ECU）传递了车身高度和汽车转向角度、转向速度及转向方向的信息，由ECU再综合其它传感器的信息，对悬架系统的特性进行调节，以适应各种复杂的工况对悬架特性的不同要求。
关键词：
车辆悬架系统；汽车悬架系统；悬架系统；控制悬架；传感器
SuspensionElectronicControl
SystemDesignofAnalogCircuits
Abstract
Electronicallycontrolledsuspensionsystemwhenthevehicleloadchanges,thegeneralvehiclesuspensionheightwillchangethefrontsuspensionwhenbrakingheightwillbereduced,whentheinsideofturnwillincreasetheheightofthesuspension.Thiswillnotonlyaffectthepassengercomfort,butalsowillaffectthehandlingandstability.Electronicallycontrolledsuspensionsystemisthatitenablesthegreatestadvantagesofthedifferentroadconditionswiththesuspensionandloadconditionshavedifferentreactions.Inturn,emergencybrakingaremorerigidsuspension,andinnormaldrivingarerelativelysoft.Inaddition,itcanbalancethegroundreactionforce,itsimpactonthebodyreducedtoaminimum.Thus,thegreatlyimprovedvehiclestability,handlingandridecomfort.
Withthecomfortofthecontinuouspursuitofmotorvehiclesinrecentyears,quiteanumberofluxurycarsandluxurySUVhavebeeninstalledonthesuperiorperformanceofelectronic-controlledactivesuspension（referredtoas:
ElectronicallyControlledActiveSuspension）.Limousineusedinelectronicallycontrolledactivesuspensionisinpursuitofmorestable,morecomfortablerideflu,butofcourseintheSUVwasusedinordertobalancethefieldandoff-roadneedsthedual.Usuallyasetofcontrolprecisioncanbeelectronicallycontrolledactivesuspension-typeregardlessofmanufacturingcostsormaintenancecostsareexpensive,somoreoftenwecanonlyfoundonluxurymodelsinitsshadow,itishardlysurprisingthattheuseofsuchmodelsdifferentfeelings.
IntroducedtheElectronicControlactivesuspensionsystemoutlinedonthedevelopmentandapplicationofhighcarandphotoelectricsensorsandsensorcorneroftheworkingprinciple.Bothsensorsweretotheelectroniccontroller（ECU）transmittedtothevehiclebodyheightandangletothespeedanddirectiontoinformationfromothersensorsintegratedECUtotheinformation,thecharacteristicsofthesuspensionsystemtoregulateinordertomeetthekindofcomplexconditionsonthesuspensioncharacteristicstothedifferentrequirements.
Keywords:
Vehiclesuspensionsystem;vehiclesuspensionsystem;suspensionsystem;controlsuspension;sensor
前言
现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性等之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。
对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。
舒适性是汽车最重要的使用性能之一。
舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。
悬架是汽车上的重要总成之一，它把车身和车轮弹性地连接在一起。
悬架依据其可控性可以分为不可控的被动悬架和可控的智能悬架两大类。
在多变环境或性能要求高且影响因素复杂的情况下，被动悬架难以满足期望的性能要求；而智能悬架能够对行驶路面、汽车的工况和载荷等状况进行监测，进而控制悬架本身特性及工作状态，使汽车的整体行驶性能达到最佳。
传统的悬架不适应现实需要，半主动悬架和主动悬架这几年来得到了迅速发展，较好地解决了安全性和舒适性这一对矛盾，将其缓和至相对较低。
电控主动悬架系统的发展概述介绍以及应用与光电式车高传感器和转角传感器的工作原理。
这两种传感器分别向电子控制器（ECU）传递了车身高度和汽车转向角度、转向速度及转向方向的信息，由ECU再综合其它传感器的信息，对悬架系统的特性进行调节，以适应各种复杂的工况对悬架特性的不同要求。
悬架控制系统的可以从发展概况，车结构组成及功能，控制过程，控制策略、执行机构以及实际应用几个方面来分析。
1汽车悬架电子控制系统的概述
1.1汽车悬架电子控制系统的发展历史
自从汽车发明以来，工程师们就一直在研究如何将汽车的悬架系统设计得更好。
最初的汽车悬架系统是使用马车的弹性钢板，效果当然不会很好。
1908年螺旋弹簧开始用于轿车，当时就曾经有两种截然不同的意见。
第一种意见主张安装刚性较大的螺旋弹簧，以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。
但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。
另一种意见认为应该采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性。
但是这样的汽车操纵性较差。
到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发展。
减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。
这些改进无疑提高了悬架的性能，但无论怎样改良，此时的悬架仍然属于被动式悬架，仍然在很多方面有很大局限性。
衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求，往往不能同时满足。
怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程师们的研究课题。
平顺性一般通过车体或车身某个部位（如车底板、驾驶员座椅处）的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以通过车轮的动载来度量。
例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加。
由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。
所以，理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。
但是普遍使用的被动悬架不可能达到设计师们的理想要求。
被动悬架因为具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想境界。
在使用上，为了使被动悬架能够对不同的路面具有一定的适应性，通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，比如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器。
由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。
所以尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标，但始终无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。
为此，自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据悬架质量的加速度，利用电控液压部件主动地控制汽车的振动。
在这方面的研究，各大汽车制造公司均不遗余力。
典型的例子，早期有雪铁龙公司在1955年发展的一种液压—空气悬架系统，可以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制造工序太复杂，最终难以普及。
到90年代，日产公司在无限Q45轿车上应用了新式主动悬架，进一步提高了轿车适应崎岖路面的能力。
随着电子技术的发展，出现了可变特性悬架控制系统。
它可根据运行条件与路面状况，以手动控制悬架特性变化。
1.2汽车悬架的概述
悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。
悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，悬架系统必须能满足这些性能的要求:
首先，悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性，对以载人为主要目的的轿车来讲，乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值。
其次，悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。
再次，要能保证汽车有良好的操纵稳定性，一方面悬架要保证车轮跳动时，车轮定位参数不发生很大的变化，另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。
还有就是要保证车身在制动、转弯、加速时稳定，减小车身的俯仰和侧倾。
最后要保证悬架系统的可靠性，有足够的刚度、强度和寿命。
所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。
同时，汽车悬架做为车架（或车身如图1所示）与车轴（或车轮）之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。
因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。
汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。
弹性元件用力传递垂向力，并缓和由路面不平度引起的冲击和振动。
从轿车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧（如图2所示），它只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。
减振器指液力减振器，是为了加速衰减车身的振动，它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。
传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件，用来传递纵向力，侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架（或车身）有确定的相对运动规律。
控制器根据传感器传来的车辆信息，经过计算后给执行器信号来调节悬架的高度、刚度等参数。
图1ECAS系统在4×2客车上的布置示意图
图2空气弹簧的结构
1.3汽车悬架系统的构成
悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。
一般由弹性元件、减震器和导向机构三部分组成。
1.3.1前悬架系统
前悬架目前基本上都采用独立悬架系统，即左右两个车轮各自独立地通过悬挂装置与车体相连，也就意味着可以各自独立地上下跳动。
悬架系统由连杆机构和弹簧、减震器组成三角形、四边形或其它形状的连接方式以固定车轮与车身的相对位置，在弹簧的作用下使车轮可以相对车身上下运动。
最常见的有双横臂式和麦佛逊（又称滑柱摆臂式）。
双横臂式悬架由上短下长两根横臂连接车轮与车身，两根横臂都非真正的杆状，而是大体上类似英文字母Y或C，这样的设计既是为了增加强度，提高定位精度，也为减震器和弹簧的安装留出了空间和安装位置。
同时，下横臂的长度较长，且与车轮中心大致处于同一水平线上，这样做的目的是为了在车轮跳动导致下横臂摆动时，不致产生太大的摆动角，也就保证了车轮的倾角不会产生太大变化。
这种结构比较复杂，但经久耐用，同时减震器的负荷小，寿命长。
滑柱摆臂式悬架结构相对比较简单，只有下横臂和减震器-弹簧组两个机构连接车轮与车身，它的优点是结构简单，重量轻，占用空间小，上下行程长等。
缺点是由于减震器——弹簧组充当了主销的角色，使它同时也承受了地面作用于车轮上的横向力，因此在上下运动时阻力较大，磨损也就增加了。
且当急转弯时，由于车身侧倾，左右两车轮也随之向外侧倾斜，出现不足转向，弹簧越软这种倾向越大。
1.3.2后悬架系统
后悬架系统的种类比前悬架要多，原因之一是驱动方式的不同决定着后车轴的有无，也与车身重量有关。
主要有连杆式和摆臂式两种。
连杆式主要是在FR驱动方式，并且后车轴左右一体化（与中间的差速器刚性连接）的情况下使用的，过去多采用钢板弹簧支撑车身，现在从提高行车平顺性考虑，多使用连杆式和后面要说的摆臂式，并且使用平顺性好的螺旋弹簧。
连杆在左右两侧各有一对，分为上拉杆和下拉杆，作为传递横向力（汽车驱动力）的机构，通常再与一根横向推力杆一起组成五连杆式构成。
横向推力杆一端连接车身，一端连接车轴，其目的是为了防止车轴（或车身）横向窜动。
当车轴因颠簸而上下运动时，横向推力杆会以与车身连接的接点为轴做画圆弧的运动，如果摆动角度过大会使车轴与车身之间产生明显的横向相对运动，与下摆臂的原理类似，横向推力杆也要设计得比较长，以减小摆动角。
连杆式悬架与车轴形成一体，弹簧下方质量大，且左右车轮不能独立运动，所以颠簸路面对车身产生的冲击能量比较大，平顺性差。
因此采用了摆臂方式，这种方式是仅车轴中间的差速器固定，左右半轴在差速器与车轮之间设万向节，并以其为中心摆动，车轮与车架之间用Y型下摆臂连接。
“Y”的单独一端与车轮刚性连接，另外两个端点与车架连接并形成转动轴。
根据这个转动轴是否与车轴平行，摆臂式悬架又分为全拖动式摆臂和半拖动式摆臂，平行的是全拖动式，不平行的叫半拖动式。
2主动悬架和半主动悬架系统概况
2.1主动悬架系统
主动悬架是用一个有自身能源的力发生器来代替被动悬架中的弹簧和减振器。
根据作动器响应带宽的不同，主动悬架又分为宽带主动悬架和有限带宽主动悬架，也被叫做全主动悬架和慢主动悬架。
图3结构示意图
全主动悬架系统所采用的作动器具有较宽的响应频带，以便对车轮的高频共振也加以控制。
作动器多采用电液或液气伺服系统，控制带宽一般应至少覆盖0～15Hz，有的作动器响应带宽甚至高达100Hz。
结构示意图见上（图3）。
从减少能量消耗的角度考虑，也可保留一个与作动器并联的传统弹簧，以用来支持车身静载。
主动悬架的一个重要特点就是，它要求作动器所产生的力能够很好地跟踪任何力控制信号。
因此，它为控制律的选择提供了一个广泛的设计空间，即如何确定控制律以使系统能够让车辆达到最佳的总体性能。
近二十年来，有大量关于主动悬架的研究论文及专题回顾文献发表。
研究结果表明，主动悬架能够在不同路面情况及行驶条件下显著地提高车辆性能。
主动悬架的研制工作起始于八十年代。
Lotus制造了第一辆装有主动悬架的样车。
其系统的响应可达30Hz，它可使乘坐舒适性和转弯及制动时的车身姿态控制提高约35%。
还有一些主动悬架实施的例子，如LotusTurboEsprit、DamlarBenz的试验样机系统、BMW和Ford等。
然而，由于这些主动悬架系统具有的高成本、高能耗、增加的重量及复杂程度，使主动悬架仅限于样车及一些赛车等有限的应用上。
图4
结构上，有限带宽主动悬架通常由作动器与一个普通弹簧串联后，再与一个被动阻尼器并联构成，（见上图4）。
这种系统在低频时（一般小于5或6赫兹）采用主动控制，而高于这个频率时，控制阀不再响应，系统特性相当于传统的被动悬架，而被动悬架在高频时的效果也比较好。
由于有限带宽主动悬架作动器仅需在一窄带频率范围内工作，所以它降低了系统的成本及复杂程度，比全主动悬架便宜得多。
尽管如此，它的主动控制仍然覆盖了主要的车身振动，包括纵向、俯仰、侧倾以及转向控制等要求的频率范围，改善了车身共振频率附近的行驶性能，提高了对车身姿态的控制，性能可达到与全主动系统很接近的程度。
就实用性及商业竞争力而言，有限带宽主动悬架的应用前景较好。
专家普遍认为采用气液控制慢主动系统在商用领域最有发展前途，但若想在今后几年内有重大的发展，还得要求在电液阀技术方面有大的突破来降低成本。
已有一些装有该类悬架的车辆投入市场，如NissanInfinitiQ45和ToyatoCelica等。
两个有限带宽主动悬架系统实施方案见（下图5）。
图5方案图
实际中限制了主动悬架在商用领域发展的因素，按其重要程度可排列为：
造价；能量消耗；增加的重量；安全性和可靠性。
另外，一些功能稍差但造价低得多的可控子系统将继续得到工业界的关注。
这些子系统有连续可变阻尼器、侧倾控制和车高控制系统。
其实，如果这三个子系统能够被运用并且结合得比较好的话，它们能够共同完成一个有限频带宽度系统所能提供的大部分功能，但造价和能量消耗却可能低很多。
力驱动系统，包括测动悬架是一个动量系统、反馈控制中心、能量源和执行器四个主部分。
其原理是测量系统通过传感器获得车辆振动信息，传递给控制中心进行处理，进而由控制中心发出指令给能量源产生控制力，再由执行器进行控制，衰减悬架的振动。
由于主动悬架结构复杂，成本高，需要很大的能量消耗，它的发展受到了一定的制约，只在少数高级轿车中有所应用。
与之相比，半主动悬架具有结构简单、成本较低、基本不需要消耗能量等优点，而对振动的控制效果在一定程度上却可以接近主动悬架，远远优于被动悬架，因而越来越受到业界的重视，得到了飞速发展。
2.2半主动悬架系统
半主动悬架与主动悬架结构相似，只是半主动悬架用可调刚度的弹性元件或是可调阻尼的减振器代替主动悬架的力发生器。
图7的半主动悬架系统中，一个连续可调的阻尼器与一
升级会员 