固体摆电容倾角传感及车辆半主动悬架控制设计(编辑修改稿)

固体摆电容倾角传感及车辆半主动悬架控制设计(编辑修改稿)内容摘要：

它由悬架刚度和悬架弹贵州大学毕业论文（设计） 第 14 页 簧支承的质量（簧载质量）所决定。 人体所习惯的垂直振动频率约为 1～。 车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频 率范围，才能满足舒适性要求。 固有频率按下式计算： C(=Mg/f) g重力加速度； f悬架垂直变形（挠度） M悬架簧载质量。 悬架刚度是指悬架产生单位垂直压缩变形所需加于悬架上的垂直载荷。 从固有频率公式可以看出，在悬架垂直载荷一定时，悬架刚度越小，固有频率就越低，但悬架刚度越小，载荷一定时悬架垂直变形就越大。 这样若无有足够大的限位行程，就会使撞击限位块的概率增加。 若固有频率选取过低，很可能会出现制动点头角，转弯侧货角，空载和满载车身高度变化过大。 一般货车固有频率是 ～ 2Hz，旅行客车 ～ ，高级轿车 1～。 另外，当悬架刚度一定时，簧载质量越大，悬架垂直变形也愈大，而固有频率越低。 空车时的固有频率要比满载时的高。 簧载质量变化范围大，固有频率变化范围也大。 为了使空载和满载固有频率保持一定或很小变化，需要把悬架刚度做成可变或可调的。 影响汽车平顺性的另一个悬架指标是簧载质量。 簧载质量分为簧上质量与簧下质量两部分，由弹性元件承载的部分质量，如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧上质量。 车轮、非独立悬架的车轴等属于簧载质量，也叫非簧载质量 M。 如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低 ，而车轮振动频率升高，这对减少共振，改善汽车的平顺性是有利的。 非簧载质量对平顺性的影响，常用非簧载质量和簧载质量之比 m/M进行评价，此比值越小越佳。 影响汽车平顺性的另一重要指标是阻尼比Ψ，Ψ值取大，能使振动迅速衰减，但会把路面较大的冲击传递到车身，Ψ值取小，振动衰减慢，受冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒服。 为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比Ψ设计得比伸张小。 悬架的侧倾角刚度及前后匹配是影响汽车操纵稳定性的重要参数。 当汽车受侧向力作用发生车身侧倾，若侧倾角过大，乘客会感到不安全，不舒 适，如侧倾角过小，车身受到横向冲击较大，乘客也会感到不适，司机路感不好。 所以，整车侧倾角刚度应满足：贵州大学毕业论文（设计） 第 15 页 当车身受到 侧向加速度时，其侧倾角在 ～ 4176。 范围内，汽车有一定不足转向特性，前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度。 一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在 ～ 范围内，如前后悬架本身不能满足上述要求，可在前后悬架中加装横向稳定杆，提高汽车操纵稳定性。 现在悬架系统的分类 悬挂系统可以分为两大主要类型 :非独立式和独立式。 独立式悬挂分为双叉臂式和麦佛逊支柱式。 双叉臂悬挂有以下特 性 :设定几何形状时可获得较大的自由度，精确的设定可以提高驾驶舒适性，转向性能以及其它性能。 悬挂可以支承非垂直外力，从面减少减振器的摩擦力，确保减振器达到最佳的工作状态。 悬挂的纵向尺寸可以减小。 转向时，车轮外倾稍微减少，因此，轮胎与地面的接触面更大，确保运动能够得到有效地传递。 麦佛逊支柱式悬挂的特性： 零件少，总成的质量轻，总成安装简单，更加便于保养。 弹簧质量减少。 几何形状的设定自由度较小，并产生相对较大的车轮外倾磨损。 总成的垂直尺寸较大。 减振器总成可以支承非 垂直外力，从面减小减振器摩擦力的传送。 悬架控制系统的分类 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矛盾，将其缓和至相对较低。 一、主动悬架 主动悬架是一个动力驱动系统，包括测量系统、反馈控制中 心、能量源和执行器四个部分。 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。 贵州大学毕业论文（设计） 第 16 页 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。 主动悬架是近十几年发展起来的，由电脑控制的一种新型悬架，具备三个条件：（ 1）具有能够产生作用力的动力源；（ 2）执行元件能够传递这种作用力并能连续工作；（ 3）具有多种将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。 因此，主动悬架汇集了力学 和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。 图 为主动悬架的原理图，其中 F代表力发生器。 图 主动悬架原理图 二、半主动悬架 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。 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 的半主动悬架系统中，一个连续可调的阻尼器与一个传统的普通弹簧并联，需要假定系统中的阻尼器能够完全独立于悬架的相对运动，且能根据力控制信号做出反应。 贵州大学毕业论文（设计） 第 17 页 图 半主动原理图 主要研究的内容 本章主要介绍了本课题国内外的现状和发展趋势，还简述了传感器和悬架 系统的基本知识，这是为了很好的确定传感器种类选择和悬架控制系统。 本设计中，传感器选择了固体摆电容倾角传感器，原因是电容原理的传感器具有结构简单、携带方便、精度高、灵敏度高、动态响应好、抗过载能力大，对温度、辐射和振动等恶劣条件适应性强等一系列优点；主要论述了传感器的工作原理、结构、信号调理电路。 悬架控制系统选择了半主动悬架控制，原因是 半主动悬架与主动悬架相比具有结构简单、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。 总的来说要完成以下几点： （ 1）设计出分辨率为 1度，测量范围正负 15度的固体摆电容倾角传感器，主要研究其结构原理和信号调理。 （ 2）怎样实现传感器的温度补偿、调理电路的参数选择。 （ 3）如何使用单片机对传感器输出数据分析处理及显示。 （ 4）单片机软件程序设计。 贵州大学毕业论文（设计） 第 18 页 第二章 固体摆电容倾角传感器设计 系统总体设计方案： 利用德国 AMG公司生产的 CAV424 集成芯片处理固体摆电容倾角传感器输出的微弱信号，并使 CAV424 输出的电压信号与倾角传感器测出的倾角变化成线性关系，CAV424 输出信号经放大器和 A/D 转换后输 入 AT89C51 再送去显示和控制悬架减震器的软硬度。 图 ：系统框图 为了提高传感器的灵敏度和线性度，其结构设计成变面积差动传感器。 基本工作原理如图 ： CAV424 CAV424 运 算 放 大 器 微处 理 器 显 示 控制悬架调节器 差动电容 电容 /电压信号 转换电路 贵州大学毕业论文（设计） 第 19 页 图 变面积电容传感器工作原理 极板 1 平行极板 3，极板 1 和极板 2 产生的电容为 C1 ，极板 1 和极板 3 产生的电容为 C2 ，当极板 1 向 x 轴右移动时，极板 3 间的相对覆盖面积发生变化，即增加 A,同时极板 1 和极板 2 之间的覆盖面积减小  A，因此极板 1 和极板 3 产生的电容发生了变化，即一个减小，另一个增加，这样就构成了变面积差动电容传感器的工作原理。 假设极板之间只有空气一种介质，则： C1= d0 （ A A） C (1) C2= d0 （ A+ A） C （ 2） 上式中 C1为极板 1 和极板 2 产生的电容量； C2为极板 1 和极板 3 产生的电容量； A为原来极板 1 和极板 3 的正对面积；  A 为极板 1 和极板 3 发生变 化的面积变化量； 0 为空气电介常数； d 为两极板之间的距离。 由上式可以算出极板 1 移动前后的电容发生变化量：  C= C2C1= d0 （ A+ A） — d0 （ A A） =2 d0  A C （ 3） 其灵敏度 K= AC = AAd2 0 =2 d0 (4) 据此，如果忽略极板间有一种以上的介质，而只有空气，则与两平行极板间电容灵敏度相比，可以确定差动式电容变面积传感器比非差动式电容变面积传感器，其灵敏度提高了一倍；另一个 特点是变面积电容传感器有良好的线性度。 传感器结构设计原理 1 2 3 x轴 贵州大学毕业论文（设计） 第 20 页 电容原理的传感器具有结构简单、携带方便、精度高、灵敏度高、动态响应好、抗过载能力大，对温度、辐射和振动等恶劣条件适应性强等一系列优点，而这些特点正适合倾角传感器的使用特性技术特性。 因此把倾角传感器的敏感元件设计成差动电容变面积原理，可以将被测的倾斜角度的变化转换为电容量变化，继而以电信号输出。 图 传感器结构原理图 倾角传感 器结构设计如图 5 所示，其敏感部分设计成圆弧形状，尽管不是平行极板，但是摆锤与两极板之间的间距是均匀一致的，绝缘层把圆弧分成 X 极和 X 极两个独立部分，且极板与摆锤的宽度是一样的。 这样设计主要是利用摆锤受重力影响变化使摆锤与极板之间的覆盖面积改变使倾斜角度的变化和电容量大小变化有很好的线性变化。 在没倾斜时，摆锤在两极板的中间，即与 X极和 X 极产生的电容量 C0 大小相等；当被测物发生倾斜时，即摆锤向左摆， X极和摆锤的正对覆盖面积增加，而 X 极和摆锤的正对覆盖面积减小。 这样电容就发生了变化。 当被测物没倾斜时，两极板和摆锤的电容为： C0 = d0 A0 C （ 5） 当被测物发生  角度倾斜时，电极之间有效覆盖面积的变化量为：  A=180 A0 m2 （ 6） 绝缘层 X 极 X 极 摆线 摆锤 贵州大学毕业论文（设计） 第 21 页 所以变化前后的电容为：  C= d0 180 A0 C（ 7） 式中 0 为空气电介常数； d 为极板之间距离； A0 为没倾斜时有效覆盖面积。 电容传感器的影响因素 电容电场的边缘效应 理想条件下，平行版电容器的电场分布于两级板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。 当考虑电场的边缘效应时，情况就复杂得多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器 的灵敏度下降和非线性增加。 为了克服边缘效应，首先应增大初始电容量，即增大极板面积，减小极板间距；其次，加等位环。 而等位环是消除边缘效应的有效方法。 所以本设计 在 X极和 X 极都接了等位环。 寄生和分布电容的影响 一般电容传感器的电容值很小，如果激励电源频率较低，则电容传感器的容抗很大。 因此，对传感器绝缘电阻要求太高；另一方面传感器除有极板间有电容外，极板与周围也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。 它不仅改变了传 感器的电容量，而且使传感器工作不稳定。 为了减小寄生电容对传感器的影响，本设计采用静电屏蔽措施，将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体与大地相连。 由于分布电容使传感器的灵敏度大大下降，因此在本设计中采用驱动电缆技术。 传感器信号调理 电容传感器的信号调理电路通常有交流不平衡电桥、二极管环形检波电路、差动脉冲宽度等方法 ,无论用上述那一种调理电路所得到的电压值需经 A/D 转换后才能输入计算机 ,其测量精度与 A/D 转换。