1、汽车电控技术课程设计汽车悬架系统振幅控制器课程设计说明书课 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 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
2、系统振幅控制器的结构 52.3汽车悬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
3、越来越大，并且对汽车各方面的性能要求越来越高，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
4、适性，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，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
5、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,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
6、器可以分为两种：（1）机械式可变阻尼减振器：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
7、制方便。(3)当检测到振幅超过15mm时，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
8、字信号传送给控制单元ECU，控制单元ECU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
9、规律调节车辆悬架系统的刚度或阻尼状态，提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
10、偏差的增大而增大，并且比系数Kp越大，系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
11、间常数Td后，当系统由于惯性作用或一些干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ADC0
12、809，执行机构采用脉冲控制的三相步进电机。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
13、）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，确认无误后便可用计算机软件protel绘制电路原理图，最后通过电气规则检查来判断电路设计的正确情况。（2）在系统软件部分中，根据硬件电路部分明确软件的主体设计思想，以程序流程图的形式表达。以流程图为设计思路，用相关编程软件进行 图3悬架系统设计总流程图程序的设计（如Keil），通过反复的调试程序直至其正确。3汽车悬架系统振幅控制器的硬件设计过程31控制器主要芯片的选择311单片机控制芯片的选择：8031：此单片机为
14、MCS-51系列的基本典型产品，其内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个SFR，4个8位I/O口，2个16位定时/计数器。AT89C51：此单片机为ATMEL公司的51系列单片机，除具有MCS-51系列的基本功能外，增加了4K的flash闪存，并且具有6个中断源和一个UART串口。从8031和AT89C51的对比中可以看出，AT89C51具有更高的性能，且不需要扩展程序存储器，使用方便，且具有flash闪存，可以方便的擦除和改写程序，故本次设计采用AT89C51为控制芯片。312电机的选择： 现在市场上的电机型号多种多样，但是总的来说可以分为直流电机和步进电机两种，电机作为一种微机
15、控制系统中常用的执行元件，无论是哪一种在特定的场合，特定的工作环境下，要求不尽相同，各有其特点：直流电机可以分为电压驱动的和电流驱动的电机，只要控制输出的电流或电压的大小便可以方便地控制直流电机的转动速度，亦很容易实现其正反控制。步进电机的惯性相对比较小，因而能够做到快速的启动和停止，定位精度非常高，不会由于是旋转量的变量而产生误差积累，此外，它的输入信号为一个周期的脉冲电流，即微处理器输出的控制信号通过电机驱动电路可以直接驱动步进电机使其按照特定的规律转动。不需要增加D/A信号的转换，使用比较方便。因此为提高控制系统的精确及其稳定性，在这次设计中选用的是三相步进电机。313 A/D模数转换芯
16、片的选择：A/D模数转换芯片的选择主要根据A/D转换器的性能指标以及控制系统的要求，性能指标越高，A/D所采集的数据越精度，但是价格也越高，所以应根据具体情况具体分析。ADC0809芯片是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理器兼容不得的控制逻辑CMOS组件，它是逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。由于对汽车悬架振幅控制系统的要求来看，8位的ADC0809精度、分辨率及转换时间已经符合要求，故本次设计就选择最常用的ADC0809控制芯片。3.2悬架系统控制器整体硬件电路设计3.2.1简单介绍各主要元器件结构及其功能（1）AT89C51单片机：在此单片机上集成了微处理器（CPU），
17、内部数据存储器（RAM），以及输入输出端口。采用40只引脚的双列直插封装方式(见图4)，本次设计用到的各引脚的功能如下:I/O口引脚：共4个，分别是P0、P1、P2、P3，均为8位口。这4个I/O口可分别作为基本的Input、Output端口。其中P0口可作为数据总线 和地址总线（低8位）分时复用的端口，P2口可 图4 AT89C51引脚图作为地址总线的高8位，即P0口和P2口地起构函数成16位地址总线，可供寻址的地址范围是：64KB。P3口具有第二功能，即可以产生中断，定时计数等功能。时钟引脚X1及 X2：用于接晶体振荡器，此次设计用的晶振频率为12MHZ。RESET脚：是复位信号输入端，高
18、电平有效。 ALE脚：地址锁存允许信号，用于锁存单片机输出的低，高电平有效EA脚：其功能为内外程序存储器选择控制端。当EA为高电平时，单片机访问内部程序存储器，当EA为低电平时，单片机直接访问片外程序存储器。 （2）地址锁存器74LS373：如下图5所示。D0D7：8位数据输入线Q0Q7：8位数据输出线C:数据输入锁存选通信号，高电平有效。当该信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存。 OC:数据输出允许信号，低电平有效。 (3)模数转换芯片ADC0809：如下图6所示。 图5 74LS373引脚图1IN7IN0:为8条模拟量输入通道 地址输入和控制线：4条。ALE为地址锁
19、存允许输入线，高电平有效。当ALE=1时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，通过A、B、C的组合以选中IN7IN0上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线：11条当START=1时，开始进行A/D转换，在转换期间START=0。 EOC为转换结束信号，当EOC=1时，表时转换结束。OE=1时 图6 ADC0809引脚图可以输出转换得到的数据。D7D0为数字量输出线。 电源信号及其它:5条 (4)步进电机驱动芯片ULN2003,如下图7所示:IN1IN7为信号输入端，内部为开路开路输出达林顿驱动器，最高可驱动电压50V，GND为接地端，COM可以接电源或悬空。3.2.2各部
20、分硬件电路设计：（1）时钟电路图：本设计采用内部时钟方式，如图8所示: 图7 ULN2003引脚图 （2）复位电路图： 本复位电路如图9所示，采用的是手动按键电平触发方式经电阻与电源+5V接通而实现的。 图8 时钟电路 图9 复位电路 （3）报警电路图： 本报警电路采用PNP三极管作为驱动器件， 电阻R2输出端接到单片机P1.0上，当单片机检测到车身振幅超过15MM时,P1.0输出高电平，三极管导通，便可驱动扬声器发出报警声响。(4)步进电机驱动电路图: 此电路驱动采用集成电路芯片，步进电机驱动芯片ULN2003，ULN2003具有很强的驱动能力，最大可驱动输出电压达50V。其电路图连接如图1
21、0所示： 图10 步进电机驱动电路（5）电路原理图(见附录)（6）硬件电路的仿真：开启PC机，在桌面上双击“DXP.EXE”进入Protel界面，打开电路原理图，然后选中菜单“Project”“Compile Document”进行电气检查编译，然后点击软件右下角的“system”菜单“Messages”即可观察仿真的结果，如果电气连接正确则“Messages”里面的内容为空（仿真结果见附录）4汽车悬架系统振幅控制器的系统软件设计过程任何一个应用系统，它们都有着自己的硬件系统和软件系统， 少了任何一个部分都不可能称之为一个完整的应用系统，它们之间是相互依存的一个整体，硬件系统是软件系统的一个基
22、础和前提，为软件系统提供了一个操作平台；而软件系统是硬件系统的灵魂 ，它对硬件系统起到扩充和完善的作用。可想而知软件系统与硬件系统同等重要，下面为汽车悬架系统振幅控制器的软件方面的具体设计过程：4.1 ADC0809芯片起始地址的确定：AD芯片的通道1地址为：0xf9 (AD地址为：0xf8)P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0通道111110000111110011ADC0809的A、B、C端分别接至单片机引脚的P0.0、P0.1、P0.2，各通道的选择可以通过A、B、C的组合而确定（即由P0.2P0.0确定）,而通道0即为ADC0809芯片的起始地址，所以ADC
23、0809芯片的起始地址为：0xf8,由于本设计将传感器的信号接至通道1，故通道1的芯片地址为：0xf9.4.2采样周期T的确定：设地面对汽车车身的输入频率为f=5HZ,则角频率=2*3.14*5=31.4。根据采样定理可得fs=2f,在此次设计中取fs=4f=20HZ，即可得采样周期为T=0.05S,本设计采用晶振为12HZ，采用定时器0、模式1，则计数的脉冲个数为：(50*1000)*12/foc=50000个，故有：TH0=(65536-50000)/256TL0=(65536-50000)%2564.3车身垂直加速度与振幅位移的变换思想：由于压电式加速度传感器检测的是车身的垂直振动加速度
24、值，在程序的设计过程中必须将其转化为车身振动的大小，即振幅的位移，其转化过程如下：假设路面对车身的输入为x=AsintV=dx/dt=Acosta= dV/dt=-A(2)*sintx/a=-1/( 2);h=x=-a/(2)首先先设定汽车车身振幅范围为0-10mm即，h=10mm为最大值，当汽车振动幅度超过10mm时即（h10mm），必须执行PID调节，如果h15mm时，峰鸣器必须响，发出报警声，以提示使用者。4.4数字PID控制算法：直次PID控制算法采用的增量式PID控制算法，因为增量式PID算法只需要保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比，有以下优点：首先：位置式PI
25、D算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，因此容易产生较大的计算误差，而增量式PID只需要计算增量，计算误差当精度不足时对控制量的计算影响较小。其次：采用增量算法，由于其与原始状态无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。另外，由于执行机构需要的是控制变量的绝对值而不是其增量，这时仍可采用增量式计算，但是输出则采用位置式的输出形式，算法公式如下：y(n)=y(n-1)+ y(n)=y(n-1)+Kp*(e(n)+I*e(n)+D*e(n)2)，把e(n)=e(n)-e(n-1), e(n)2=e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)代入上式，则：y(n)=y(n-1)+Kp
26、*(e(n)-e(n-1)+I*e(n)+D*(e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)式中：e(n)=w-u(n); W-给定值振幅位移量 Kp-比例系数 I=T/Ti-积分系数 D=Td/T-微分系数 T-采样周期由于本次的课程设计时间有限，关于PID控制中的各参数，如比例系数Kp、积分环节Ki、微分环节Kd的确定事先已经假定得出，没有经过Matlab软件的仿真得出。本次设计中各参数的取值如下： Kp=15;Td=5;Ti=0.005;T=0.05 因此,Ki=Kp*T/Ti=150；Td=Kp*Td/T=150045步进电机驱动算法及编码要利用单片机实现对步进电机的控制，必须注意以下问题
27、：45.1电机控制需要的脉冲序形的形成：要实现对步进电机的控制，首先微机能输出具有一定周期的控制脉冲，在微机控制系统中，脉冲序列的产生是通过软件实现的，或者通过定时/计数器定时而产生一定周期的脉冲，本次设计采用的是第二种方法。实现的方法是：先输出一个高电平，延时段时间后，再输出一个低电平，然后再延时，改变延时时间的长短，就可以改变脉冲的周期。4.5.2控制步进电机的旋转方向：对于电机选择：选用三相步进电机，其通电方式采用六拍工作方式，通电顺序为：正向旋转：AABBBCCCAA；反向旋转：ACACBCBABA。本设计仅需要使用正向旋转控制，并且A、B、C组线圈分别接至微处理器的P1.1、P1.2
28、、P1.3，其正转方式的控制模型如下：步序工作状态控制模型二进制十六进制P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.01A000000100x022AB000001100x063B000001000x044BC000011000x0C5C000010000x086CA000010100x0A将此控制编码以数组的形式存入单片机连续内存单元RAM中，根据需要进行调用即可实现按一定的顺序对电机的线圈进行通电。46绘制系统程序流程图4.6.1主程序流程图：如图11所示开始系统程序初始化变量的定义和函数的声明采样子程序的调用数字滤波子程序的调用数字PID控制子程序的调用步进电机子程序的调用者返回图11主程序流程图4.6.2采样子程序的流程图：如图12所示进入T0中断服务程序定时器0初始化启动定时器等待定时器0中断中断?NY开始使INT1产生中断进入INT1中断服务程序选中ADC通道
