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1、课程设计说明书课 程 名 称: 汽车电控技术课程设计 课 程 代 码: 题 目: 汽车悬架系统振幅控制器 学院(直属系) : 交通与汽车工程学院 年级/专业/班: 车辆工程汽电班 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 开 题 时 间: 20年 12 月 3 日完 成 时 间: 20 年 12 月 14日 目 录摘要 2 1引言 3 1.1汽车悬架系统的功能作用 31.2汽车悬架系统的组成 31.3 汽车悬架系统的分类 31.4本课程设计的主要内容 32 汽车悬架系统振幅控制器总体方案设计 52.1汽车悬架系统振幅控制器的基本工作原理 52.2汽车悬架系统振幅控制器的结构 52.3汽车悬
2、架系统振幅控制器设计方案论证 524 汽车悬架系统振幅控制器设计总流程图 63 汽车悬架系统振幅控制器的硬件设计过程 73.1控制器主要芯片的选择73.2悬架控制系统整体硬件电路设计 84 汽车悬架系统振幅控制器的系统软件设计过程 1041 ADC0809芯片起始地址的确定 114.2采样周期T的确定114.3车身垂直加速度与振幅位移的变换思想 114.4数字PID控制算法124.5步进电机驱动算法及编码 124.6绘制系统程序流程图 134.7软件程序调试 16结论 17致谢 18参考文献 19附录: 20摘 要随着社会科学的发展进步，人们对汽车的需求量越来越大，并且对汽车各方面的性能要求越
3、来越高，不仅要满足其基本的动力性和经济性，更重要的是汽车的舒适性变得愈来愈重要。本次设计通过控制汽车悬架系统的振幅大小来改善汽车的乘坐舒适性。这次设计的核心采用AT89C51单片机作为控制系统的微处理芯片，以压电式加速度传感器及ADC数据采集为测试手段，通过运用数字PID控制算法，采用三相步进电机为执行机构，用以调节汽车减振器的阻尼大小，从而改善汽车的振动情况以满足舒适性要求。关键词：单片机、ADC0809，压电式传感器、步进电机1 引 言1.1汽车悬架系统的功能作用. 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，对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘
4、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，是汽车上的重要总成之一，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，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。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。1.2汽车悬架系统的组成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
5、递垂向力，并缓和由路面不平度引起的冲击和振动,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*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。1.3 汽车悬架系统的分类因为理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧风度和减振器阻尼，这样既能满足行驶平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。汽车电控半主动悬架根据可控阻尼减振器可以分为两种：（1）机械式可变阻尼减
6、振器：传统的可变阻尼减振器悬架系统是用机械式的可控阀来实现的，它是通过电子控制器控制减振器中的电磁阀来调节阻尼（2）磁流体可控阻尼减振器：这种可控阻尼减振器是通过控制阻尼介质中的磁场达到调节阻尼介质的流体特性，从而达到控制阻尼的目的。14本课程设计的主要内容电子控制悬架系统能根据不同的路面状况、载重量、车速等控制悬架系统的刚度和减振器的阻尼，也可以调节车身高度以提高车辆的通过性。本设计的主要任务就是利用单片机控制汽车悬架系统振幅在一定的范围之内，此悬架系统振幅控制器应该具备以下功能：(1)能根据汽车的运行状态调节汽车的振幅。(2)要求该控制器结构简单，控制方便。(3)当检测到振幅超过15mm时
7、，在控制器面板上给予报警显示。本次课程设计的悬架系统为半主动悬架，以AT89C51单片机为微处理器，压电式加速度传感器用以检测车身的振幅大小，并将其转化为电压值，由于此信号比较微弱，故在其后端增加一运放处理电路，然后通过ADC0809采集运放所输出的信号数据，运用精确控制的数字PID算法驱动步进电机调节减振器的阻尼器以控制汽车的车身刚度大小，以满足乘坐舒适性要求。2 汽车悬架系统振幅控制器总体方案设计 21 汽车悬架系统振幅控制器的基本工作原理电子控制半主动悬架系统由传感器与开关、控制单元、执行元件等电子器件组成。传感器和开关将路面输入的模拟信号转换为数字信号传送给控制单元ECU，控制单元EC
8、U将传感器输入的电信号进行分析处理后输出控制信号给执行元件，执行元件的机械动作改变减振器的阻尼。工作原理如图1。信号的放大处理压电式加速度传感器收集信息将信号送至A/D转换器ECU处理器步进电机驱动电路调整步进电机转速控制悬架系统的阻尼器图1电控半主动悬架系统的结构及基本的工作原理主动悬架系统的基本工作原理是：传感器将采集的反映悬架振动幅度的信号传给控制器，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，从而大大提高了车辆的平顺性等性能。半主动悬架系统基本工作原理是：用可调弹簧或可调阻尼元件组成悬架，并根据悬架的振动响应等反馈信号，按照一定的调节规律调节车辆悬架系统的刚度或阻尼状态，提
9、高车辆的行驶平顺性和安全性。22汽车悬架系统振幅控制器的结构在具体设计过程中通过分析和考虑控制器的性能和要求，因此，在进行硬件电路设计的时候，为了达到控制悬架系统振幅的目的，采取如图2的控制系统结构框图： 汽车在运动过程中由于受到路面的冲击，即给车身一个输入信号，通过车身压电式垂直加速度传感器获取车身振动信号，通过一系列的数据采集和处理，使其离散化，此离散信号最终被送至ECU微处理器，经过数字PID的调节作用，使其输出控制信号以控制步进电机，由此控制步进电机的转速大小，从而控制阻尼孔开口的大小，最终控制车身振幅使其在一定的范围之内。在比例环节中其输出随着偏差的增大而增大，并且比系数Kp越大，系
10、统的动态响应时间就越长，极易引起系统的不稳定。并且比例环节存在静差，无法消除；在积分环节中，积分调节的作用在于偏差存在的情况下，当偏差消失后，积分调节不起作用，从而使系统迅速稳定，即积分环节可以消除静差。另外，积分调节作用的快慢与积分时间常数Ti有关，积分时间常数越大，其调节作用起慢，积分时间常数越小，其调节作用越明显；在微分环节中,其调节作用仅在于偏差出现的那一时刻，其后无论偏差有多大，微分调节便不起任何作用。其最大的特点就是调节速度快，能够快速调节系统，减少系统的调整时间。因此当出现偏差时，只要通过实验确定好比例调节系统Kp，积分时间常数Ti和微分时间常数Td后，当系统由于惯性作用或一些干
11、扰信号的作用使系统出现偏差时，开始通过比例和微分调节，系统便能够迅速的作出响应，即系统的动态响应快，最后通过积分的作用消除静差，使系统趋于稳定。 图2悬架控制系统的结构框图23汽车悬架系统振幅控制器设计方案论证（1）方案一：本方案采用单片机8031为微处理器，压电式加速度传感器，A/D模数转换芯片采用12位的逐次逼近型AD574，执行机构采用电压型输出控制的直流电机，单片机输出的控制信号的处理采用DAC0809处理芯片。（2）方案二：本方案采用ATMEL公司的51系列单片AT89C51，压电式加速度传感器，采用A/D模数转换采用8位的逐次逼近型的ADC0809，执行机构采用脉冲控制的三相步进电
12、机。通过比较分析，本设计采取方案二，从处理器角度看，AT89C51功能更加完善，亦不需要存储器的扩展，使用方便；从控制系统的要求来看，本次设计采用8位的A/D模数转换器即可符合要求，如采用12位的A/D，价格会比较昂贵，会增加控制器的开发成本；从执行机构的角度来看，步进电机控制方便，精确度高，单片机输出的控制信号通过驱动电路便可驱动电机，若采用直流电机还需要增设D/A芯片及其接口电路，减少了不必要的麻烦。24汽车悬架系统振幅控制器设计总流程图 此系统方案的设计过程如图3所示，在充分明确设计的功能和要求下，细化设计的工作任务，其包含硬件部分和软件部分。（1）在系统硬件部分中，通过分析，确定控制器所要求的各类芯片，包括单片机的型号，A/D模数转换器，以及执行机构电机（步进电机和直流电机）的选取等，细化各部件的设计过程，然后绘制电路草图，确认
