汽车舒适性控制系统文稿.doc

第12章 汽车舒适性控制系统12.1 汽车电控悬架系统12.1.1 电控悬架系统的作用和分类悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的所有传力连接装置的总称。它的作用除了缓冲和吸取来自车轮的振动之外，还把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和测相反力，以及这些反力所导致的力矩都传递到车架（或承载式车身）上，从而改变了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，以保证车辆正常行驶。传统的悬架系统重要由弹簧（如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等）、减震器、导向机构及弹性轮胎等组成。弹簧、减振器和轮胎的综合特性拟定了汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。但是，机械装置的基本规律指出：良好的行驶性能和良好的操纵性能在使用定刚度弹簧和定阻尼减振器的传统悬架系统中不能同时满足。例如，为提高汽车的行驶平顺性，规定弹簧的刚度比较小，以满足汽车行驶在不平路面上时车轮有较大的运动空间，其结果必将导致汽车在行驶过程中，由于路面的颠簸而使车身位移增大，使汽车的操纵稳定性变得很差；反之，为提高汽车的操纵稳定性，规定较大的弹簧刚度和较大的减震器阻尼力，以限制车身过大的运动（如汽车转弯行驶时的车身侧倾，汽车紧急制动时的点头和加速行驶时的后蹲现象），但这时即使汽车行驶在最光滑、最平坦的良好道路上，也会使汽车车身产生颠簸，从而影响汽车的行驶平顺性。由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的重要指针，所以抱负的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减震器阻尼，这样既能满足行驶平顺性规定又能满足操纵稳定性规定。实际的设计只能是根据某种路面附着情况和车速，兼顾各方面的规定，优化选定一种刚度和阻尼系数。这种刚度和阻尼系数一定的悬架只能被动地承受地面对车身的冲击，而绝对不能积极地控制这些作用力，所以称为被动悬架。汽车在行驶过程中，路面附着情况和行驶车速是变化不定的。因此，这种刚度和阻尼系数都不可调节的被动悬架不也许在改善汽车的乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性方面有大的作为，进而无法达成悬架控制的抱负目的。但是，随着高速公路网的发展，汽车车速有了很大限度的提高，而传统的被动悬架系统限制了汽车性能的进一步提高，现代汽车对悬架系统的规定除了能保证其基本性能外，还致力于提高汽车的行驶安全性和乘坐舒适性，同时还向高附加值、高性能和高质量的方向发展。随着电子技术、传感器技术飞速发展，以电子计算机为代表的电子设备，因性能的大幅度改善和可靠性的进一步提高，促使汽车电子装置的高可靠性、低成本和空间节省，使电子控制技术被有效的应用于涉及悬架系统在内的汽车的各个部分。现代汽车中采用的电子悬架控制系统，克服了传统的被动悬架系统对其性能改善的限制，该系统可根据不同的路面附着条件、不同的装载质量、不同的行驶车速等来控制悬架系统的刚度，调节减振器阻尼力的大小，甚至可以调整汽车车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下都能达成最佳组合。根据悬架的控制方式，电子控制悬架分为半积极悬架和积极悬架两大类。1. 半积极悬架半积极悬架是指悬架组件中的弹簧刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节。由于调解阻尼仅消耗能量，不需要外加能量源，所认为减少执行组件所需的功率，重要采用调节减振器的阻尼系数法，只需提供调节控制阀、控制器和回馈调节器所消耗的较小功率即可。可以根据路面的激励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调整，使车身的振动被控制在某个范围之内。半积极悬架是无源控制，因此，汽车在转向、起动、制动等工况时不能对悬架刚度和阻尼系数进行有效的控制。2. 积极悬架积极悬架又称全积极悬架，它是一种有源控制，具有做功能力的悬架，它需要外加能量源。通常涉及产生力和转矩的积极作用器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）、测量组件（加速度、位移和力传感器等）和反馈控制器等。当汽车载荷、行驶速度、路面附着状况等行驶条件发生变化时，积极悬架系统能自动调整悬架系统的刚度和阻尼系数（涉及整体调整和单轮调整），从而可以同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等各方面的性能规定。此外，积极悬架还可根据车速的变化控制车身的高度。此外，根据悬架介质的不同，又可分为油气式积极悬架和空气式积极悬架两种。在汽车工程领域里，人们往往把具有自动调节的可控阻尼减振器的半积极悬架也称作积极悬架。因此，根据系统的完全和先进限度，积极悬架系统可以广义地涉及以下一些形式：（1）完全积极悬架系统 传统的悬架弹簧和减振器都被电控的积极悬架驱动器所取代，所以悬架中已不存在传统的弹簧和减振器。概括起来，积极悬架系统具有以下几个重要的功能和特点：1）增强汽车的行驶平顺性和乘坐舒适性 积极悬架可以有效地抵抗地面的不平导致对汽车车身产生的垂直振动，因此它可以极大限度地改善汽车在不平路面上行驶平顺性和舒适性。在汽车拐弯时，积极悬架也能自动提供车身抗侧倾的功能。2）改善轮胎和路面的接触和轮胎的动态载荷 通过对积极悬架控制的优化设计，轮胎和路面的接触(附着)条件可以得到优化，减少作用在轮胎上的动态载荷。3）改善汽车的操纵稳定性 操纵稳定性的改善重要是通过两个方面得到实现：一方面，悬架的设计可以在不牺牲乘坐舒适性的同时，充足满足汽车操纵稳定性的规定。另一方面，在不平路面上，轮胎和路面的附着条件也得到改善，从而使汽车的动态特性得到改善。4）改善汽车的安全性 汽车安全性的改善重要通过三个方面得到实现：汽车操纵稳定性的改善显然大大地增强了汽车的安全性；轮胎和路面附着条件的改善也使汽车不容易失控；通过对积极悬架的控制可以控制各个轮胎的动态载荷分布和侧偏角，直接控制影响汽车操纵稳定性的过度转向和局限性转向。5）有助于解决在悬架设计中操纵稳定性规定和平顺舒适性规定之间存在的矛盾 通过对积极悬架控制，悬架的等效刚度和阻尼系数可以实时连续变化，同时满足在不同工况下操纵稳定性规定和平顺舒适性的不同规定。6）有助于解决在悬架设计中重载和轻载规定之间存在的矛盾 特别是对于载荷变化较大的SUV和轻卡，传统的悬架设计无法同时满足在不同载荷条件下稳定性或舒适性的规定。（2）半积极悬架系统 传统的减振器被电控的可控阻尼减振器所取代，系统还保存传统的悬架弹簧。人们往往把装有可控阻尼减振器的悬架系统称为积极悬架系统，但更确切地，并且是更多人把它叫作半积极悬架，由于该悬架系统中只有减振器的阻尼是可以被控制的。系统根据不同的路面条件和汽车行驶工况，通过实时控制，连续不断地自动调节减震器的阻尼使之始终工作在最佳值附近。在控制系统中，车身和车轮的振动是通过装在四个悬架上的位移传感器测得的。有的系统也在每个车轮位置装有加速度传感器，测量非簧载质量的垂直振动。系统中附加的传感器涉及方向盘转角。系统也可与ABS系统或VSC系统进行一体化。根据工作原理，可控阻尼减振器重要有两大类：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应用机械式的可控阀门来实现的，它是通过电子控制器控制减振器中的电磁阀来调节阻尼。机械式可变阻尼减振器又有二级式可变阻尼减振器悬架系统和连续可变阻尼减振器悬架系统两种。在二级式可变阻尼减振器悬架系统中，减振器的阻尼值只有高低两檔，而不是连续可变的。阻尼的高低是控制器根据路面条件和汽车行驶状况自动实时调节的。这种减振器现在应用于多功能SUV车和高档轿车，例如Delphi的BSRTD。与二级式可变阻尼减振器相相应，连续可变阻尼减振器悬架系统中的减振器的阻尼值是连续可变的。控制器根据路面条件和汽车行驶状况连续自动调节减振器的阻尼值，使之始终工作在最佳状态。因此，这种减振器性能更好，控制更平顺，例如Delphi的CVRTD。2）磁流体可控阻尼减振器 这种减振器应用MR流体(磁流体)作为阻尼器的介质。最近出现的可控减振器技术应用特殊的硅质流体减振液作为阻尼器的介质，称为MR流体(磁流体)。这种可控阻尼减振器是通过控制阻尼介质中的磁场来达成调节阻尼介质的流体特性，从而达成控制阻尼的目的。在这种减振液中掺了一些微小的铁质，因此，在磁场的作用下，减振液的物理特性可以发生变化，会变稀或变厚，从而阻尼系数随之而变。磁场是由减振器中的线圈产生的，通过控制电流实现控制磁场强度，最终达成控制阻尼的目的。这种流体使得阻尼器不再需要机械式阀门无阀式可控减振器，减振器的阻尼可以连续调节，也比较容易控制，这种系统用很少的电能，且反映不久，阻尼调节速度可达每秒1000次，无阀式可控减振器技术使之很容易与其它底盘控制系统进行一体化。Delphi Automotive的MagneRide悬架的减振器控制用的就是这种技术，它是目前世界上最先进的可控阻尼系统，用于GM的Cadillac汽车，如2023的Cadillac Seville STS的减振器-标准配置、2023的Cadillac XLR和SRX。（3）积极抗侧倾控制系统 悬架系统还是以传统的形式存在，但是，在此基础上增长了由电子控制的积极抗车身侧倾控制系统。悬架系统的刚度和阻尼设计可以重新优化，加强汽车的舒适性和其它动态性能。积极抗侧倾系统可以说是积极悬架的一个分支。该系统是通过控制侧倾扭杆(横向稳定杆)上的抗侧倾扭矩来实现的。在传统的侧倾扭杆(横向稳定杆)上装上了抗侧倾驱动装置，而驱动装置又由电子控制器来控制。控制系统根据转弯的强度提供适当的作用在车身上抗侧倾所需要的力矩。驱动装置一般是液压式的，按其工作原理又分旋转式和线性式两种。按其在整车上的布置，抗侧倾功能又可以通过单信道或双信道控制系统来实现。积极抗侧倾控制系统所具有的功能特点可以概括如下：在转弯时减少车身的侧倾，改善汽车的操纵稳定性；减少汽车在拐弯时的车身侧倾和由侧倾引起的翻车事故；减少车身侧倾从而增强乘坐舒适性；即使在正常直线行驶时，使得路面对轮胎的垂直干扰得到隔离，不传到车身和对面的轮子上去，在不平路面上进一步提高了舒适性和路面附着性；有助于汽车动力学工程师解决汽车乘坐舒适性和操纵性之间的矛盾：既可得到较好的舒适性，也可同时保障操纵稳定性。不像设计传统的悬架系统时那样，往往为了保证操纵性而不得不牺牲舒适性；侧向加速度在0.5g以下时，控制系统可以基本消除车身的侧倾角；当侧向加速度超过0.5g时，控制系统允许车身的侧倾角明显增长，以给驾驶员适度的感觉，以提醒驾驶员汽车已接近物理极限。（4）车身高度自动调节系统 车身高度自动调节系统可以看作为积极悬架的一个部分，它对汽车悬架系统的设计和汽车的动态特性具有较好的加强作用。该系统必须与悬架中的液压或空气囊组件一起工作，所以系统通常有液压和气压式两种。它通过悬架中的液压装置或气囊来调节汽车的静态高度，使之不随载荷变化，从而可以使优化悬架系统的设计具有更大的空间，达成保证舒适性、操纵稳定性和其它动态性能。有的汽车前后悬架都装有车身高度调节系统，而有的汽车只在后轴装备。概括起来，车身高度调节系统具有以下重要功能特性：补偿载荷变化，使车身高度在各种载荷下保持恒定；补偿汽车上载荷的变化产生对悬架系统设计规定的变化，使汽车在满载和空载时的动力学特性不致相差太远；在一定限度上帮助缓解各种性能提出的对设计规定的矛盾(车身高度、舒适性和操纵稳定性)；使悬架的设计在最大限度上保证舒适性和操纵稳定性；能补偿前后左右的不均匀载荷分布；使车身和车灯保持水平增强安全性。12.1.2 汽车悬架振动的基本模型汽车是一个非常复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行适当的简化。图12-1是一个把车身品质看作刚体的三维模型。汽车的簧载质量即车身质量为，它由车身、车架及其上的总成所组成。该质量绕通过车身质心的横轴y的转动惯量为，簧载质量通过减振器和悬架与车轴、车轮相连接。车轮和车轴构成的非簧载质量即车轮质量为。车轮再通过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承在不平的路面上。在讨论汽车平顺性时，这一三维模型的车身质量重要考虑垂直、俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量重要考虑4个垂直自由度，一共7个自由度。图12-1 四轮汽车简化的三维模型图图12-2 双轴汽车简化的平面模型当汽车对称于其纵轴线且左、右车轮通过路面的不平度函数，此时车身只有垂直振动和俯仰振动，这两个自由度的振动对舒适性影响最大。图12-2所示汽车简化成4个自由度的平面模型。在这个模型中，又由于轮胎阻尼较小而被忽略，同时把质量为，转动惯量为的车身等效分解为前轴上、后轴上及质心C上的三个集中品质、及。这三个质量有无质量的刚性杆连接，它们的大小可由下面三个条件决定：（1）总质量保持不变 （12-1）（2）质心位置不变 （12-2）（3）转动惯量的值保持不变 （12-3）式中 绕的回转半径；、为车身品质的质心到前、后轴的距离。由式（12-1）、式（12-2）和式（12-3）得出三个集中质量分别为 （12-4）式中 为轴距。通常，令，并称之为簧载质量分派系数。根据式（12-4）我们看出，当时，品质，根据记录，大部分汽车的，接近1。在的情况下，前、后轴上方车身的集中品质、的垂直方向运动是互相独立的。此时，当前轮碰到路面不平度而引起振动时，质量运动，而品质不运动；反之亦然。因此，在这种特殊情况下，可以分别讨论图12-2上和前轴以及和后轴所构成的两个双质量系统的振动，即1/4车体模型。此系统如图12-3所示。图12-3 车身与车轮两个自由度振动系统悬架的平顺性受车身加速度均方根值的影响；除车身振动外，还受到对车身的冲击悬架弹簧的动挠度对道路不平度的影响。悬架对操纵稳定性的影响可用车轮与地面间相对动载来评价。受地面不平度所产生的车身振动加速度均方根值、悬架弹簧的动柔度和车轮与地面间相对动载荷，是评价平顺性的三个重要参数。汽车简化为车身和车轮二自由度振动模型系统，希望这三个数值尽量减小，是控制悬架的重要目的。为便于分析这三个参数与道路不平度函数、车速的关系，可以用车身与车轮双质量振动模型进行分析。1. 汽车悬架的双质量模型汽车悬架的双质量振动模型如图12-3所示，运动方程如下： （12-5）式中 簧载（车身）品质； 非簧载（车轮）品质； 悬架刚度，（包含在之中）； 车轮刚度； 减震器阻尼系数，（包含在之中）； 车轮到平衡位置的距离，表达车轮垂向速度，表达加速度； 车身到平衡位置的速度，表达速度，表达加速度； 路面不平度；无阻尼自由振动时，运动方程简化为 （12-6）从运动方程可以看出，车身与车轮振动是互相耦合的，假定双品质中车轮不动（），则得：这相称于只有车身质量的单自由度无阻尼自由振动。其固有频率为： 同样，若车身不动（），相称于只有车轮质量的单自由度无阻尼自由振动，于是得到车轮无阻尼振动固有频率为： （12-7）与是双质量系统只有单独一个质量振动时的固有频率，称为偏频。在无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率和相角作简谐振动，振幅为、，则其解为： 将上面两个解带入微分方程组（12-6）可得： （12-8） （12-9）将、代入式（12-8）和式（12-9），可得 这个方程组有非零解的条件是和的系数行列式为零，由此可求得系统的特性方程为： 它的两个根就是双质量系统主频率和的平方： （12-10）为了对主频率、和它们所相应的振型有一个具体的概念，下面我们举一个实例。设有一汽车rad/s，品质比，刚度比，将、代入式（12-7），解出： 将上面的及关系式代入式（12-10）得 由此可见，低的主频率与接近，高的主频率与接近，且有的关系。将、代入式（12-8）和式（12-9），即可拟定两个主振型中和的振幅比一阶主振型二阶主振型在逼迫振动情况下，激振频率接近时产生低频共振，系统按一阶主振型振动，车身品质的振幅比车轮品质的振幅大将近10倍，所以重要是车身质量在振动，称为车身型振动。此时，由于车轮基本不动，可将两个自由度系统简化为图12-4所示车身部分的单质量系统，来分析车身部分在低频共振区的振动。激振频率接近时产生高频共振，按二阶主振型振动，此时车轮品质的振幅比车身品质的振幅大将近100倍，称为车轮型振动。此时，由于车身基本不动，所以可将两个自由度系统简化为图12-5所示车轮部分的单质量系统，来分析车轮部分在高频共振区的振动。图12-4 车身部分单质量系统图12-5 车轮部分单质量系统下面求双质量系统的频率响应函数，将有关各复振幅代入式（12-5），得 （12-11） （12-12）令，由式（12-11）得对的频率响应函数 （12-13）幅频响应函数，完全与单质量模型车身与道路不平度频率响应函数完全相等。将式（12-13）代入式（12-12）得对的频率响应函数 （12-14）将式（12-14）分子、分母分别进行复数运算，然后求模，得其幅频响应 式中，其中，汽车质量比，刚度比，阻尼比，频率比。下面分析车身与车轮双质量系统的传递特性。车身位移对路面不平度的频率响应函数，可由式（12-13）和式（12-14）两个环节的频率响应函数相乘得到 则车轮与路面不平度和车身与路面不平度的幅频函数可以表达为： 用车身加速度，悬架的动挠度和相对动载对道路不平度变化率之比、也可以评价悬架性能幅频特性。通过幅频函数、道路不平度的功率普密度和车速，计算路面速度功率谱之后，根据悬架参数可以求出车身加速度均方根值，悬架品质动挠度。动载荷和相对动载也可以计算出。 从而，可进一步求得车身加速度对路面不平度变化率的幅频特性为 相对动载对路面不平度变化率的幅频特性为 悬架的动挠度对路面不平度变化率的幅频特性为 2. 积极与半积极悬架的车身车轮二自由度模型积极悬架一般用液压缸作为积极力发生器，代替悬架的弹簧和减振器，由外部高压液体提供能源，用传感器测量系统运动的状态信号，回馈到电控单元，然后由电控单元发出指令控制力发生器，产生积极控制力作用于振动系统，构成死循环控制。半积极悬架的核心部分是采用可调阻尼减振器，其控制逻辑有的和积极悬架类似的死循环，也有根据车速等参数进行开环控制的，它消耗的所有能量只用来驱动控制阀，故耗能很低。下面对简化的车身与车轮两个自由度振动系统积极悬架的特性和控制效果进行介绍。图12-6为车身与车轮两个自由度积极与半积极悬架模型。其运动方程为 （12-15）式中 积极控制力，它可根据控制策略选择选择系统运动状态变量、，、的各种现行组合。作为一个例子，在此的表达式选择如下 式中 、根据优化得到的回馈系数。将代入运动方程，式（12-14）改写成 （12-16）图12-6 车身与车轮两个自由度积极与半积极悬架模型 由于积极控制力是通过装在质量、之间的液压缸产生的，故积极控制力对、的作用始终大小相等、方向相反。根据上述运动方程，可以得出积极控制力采用各种不同控制策略时系统的传递特性。图12-7为式（12-16）所表达的积极悬架与被动悬架系统各环节传递特性的对比。图中，被动悬架系统的参数为=24kg、=240kg、=9475N/m、=85270 N/m、=754；相应车身、车轮部分系统的参数为=1Hz、=10Hz、0.25。积极悬架采用式（12-16）进行控制，其中回馈系数的选择为=7592N/m、=1916。此时相称振动系统的参数调整为=0.8752Hz、=9.7035Hz、=0.6787、=11.2321、=10、=0.1688。由图12-7积极与被动悬架各环节传递特性可以看出，积极控制重要改善“车身车轮”这一环节在共振和高频区的传递特性，“车轮路面”这一环节积极悬架在附近高频共振区的共振峰比被动悬架反而高了，这与回馈系数的选择有关。图12-8为积极与被动悬架、和对道路不平度变化率的幅频特性，可以看出，三个振动响应量的变化趋势都不同，要根据控制目的来优化选择回馈系数。图12-7 积极悬架与被动悬架各环节传递特性图12-8 积极与被动悬架、和对的幅频特性12.1.3 电控悬架系统结构和工作原理从行驶平顺性和舒适性出发，弹簧刚度及减振器的阻尼系数应能随汽车运营状态而变化，使悬架系统性能总是处在最优状态附近。但是，弹簧刚度选定后，又很难改变，因此从改变减振器阻尼入手，将阻尼分为两级或三级，由驾驶员选择或根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。半积极悬架系统通常以车身振动加速度的均方根值作为控制目的参数，以悬架减振器的阻尼为控制对象。半积极悬架的控制模型如图12-9所示。在悬架控制单元中，事先设定了一个目的控制参数，它是以汽车行驶平顺性最优控制为目的设计的。汽车行驶时，安装在车身上的加速度传感器产生的车身振动加速度信号经整形放大后输入计算机，计算机随即计算出当前车身振动加速度的均方根值i，并与设定的目的参数比较，根据比较结果输出控制信号：（1）假如是，控制器不输出调整悬架阻尼控制信号。（2）假如是，控制器输出增大悬架阻尼控制信号。（3）假如是，控制器输出减小悬架阻尼控制信号。控制器的悬架阻尼控制过程见图12-10。图12-9 半积极悬架控制模型图1控制器 2整形放大电路 3加速度传感器 4悬架品质 5阻尼可调减振器6悬架弹簧 7非悬架品质 8轮胎当量品质图12-10 控制器的悬架阻尼控制过程电控悬架系统由传感器、控制器、阻尼可调减震器、驱动电路、驱动电机等构成。12.1.3.1 电控悬架用传感器1. 车速传感器车速传感器用来测定车速，一般常用的有舌簧开关式车速传感器，磁阻组件式车速传感器等。舌簧开关式传感器通常安装于车速表的下方，其结构如图12-11所示。图12-11 舌簧开关式车速传感器1车速表指针 2弹簧 3转子 4磁铁 5信号线 6舌簧开关该传感器重要由永久磁铁和舌簧开关组成，永久磁铁一般有4个磁极，它与车速表输入软轴固定在一起，随车速表输入软轴一同旋转。舌簧开关是由一小玻璃管装有2个细长的触头构成，触头由铁、镍等易于被磁铁吸引的强磁性制成，位于旋转的永久磁铁侧面。它的工作原理如图12-12所示。图12-12 舌簧式传感器工作原理1永久磁铁 2触点 3舌簧开关汽车行驶时，变速器通过一软轴带动传感器永久磁铁旋转。当永久磁铁的N、S磁极从接近舌簧开关到逐渐离开时（图12-13a），舌簧开关中的上下两个触点变为不同极性的磁极，两个触点互相吸引，舌簧开关闭合；当永久磁铁的N极或S极接近触点时（图12-13b），舌簧开关中的上、下两个触点变为相同极性的磁极，两个触点互相排斥，使舌簧开关打开。舌簧开关的开闭信号通过信号线送入电子控制装置，电子控制装置根据此脉冲信号即可计算出相应的汽车车速。图12-13 舌簧开关状态a）开关闭合 b）开关打开磁阻组件式传感器也是一种常见的车速传感器，这种传感器采用磁阻组件来检测汽车速度，磁阻组件的电阻可以随磁场变化而变化，因此，这种传感器可以直接装在变速器上。磁阻组件式车速传感器的结构及工作原理见图12-14所示。图12-14 磁阻组件式车速传感器的工作原理1多级磁环 2磁阻组件 3输入轴当齿轮驱动传感器输入轴旋转时，与输入轴连接在一起的多级磁环也一同旋转，多级磁环的旋转引起磁场的变化，使集成电路内的磁阻组件的阻值发生变化。阻值的变化引起其上电压的变化，将电压的变化输入到比较器中进行比较，再由比较器输出信号控制晶体管的导通和截止。2. 转角传感器转角传感器用于检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度。在电子控制悬架中，电子控制装置根据车速传感器信号和转角传感器信号，判断汽车转向时侧向力的大小，从而控制车身的侧倾。转向盘转角传感器用于检测汽车转向的偏转角及偏转方向。如图12-15所示为TEMS上应用的一种光电式转角传感器的安装位置和结构。图12-15 转向盘转角传感器的安装位置和结构a）安装位置 b）结构1转角交传感器 2传感器圆盘 3遮光器 4窄缝 5转向轴在压入转向轴的圆盘中间，装有带窄缝的窄缝圆盘，传感器的遮光器（由发光二极管和光敏二极管组成）以二个为一组，从上面套装在窄缝圆盘之上。窄缝圆盘上等距离均匀排列着窄缝，窄缝圆盘随转向轴转动时，2个遮光器的输出端即可进行ON/OFF变换。光电式转角传感器的工作原理是：当转动转向盘时，窄缝圆盘随之转动，使遮光器之间的光束通/断变化，遮光器的这种反复开/关的状态产生与转向轴转角成一定比例的一系列数字信号，系统控制装置可根据此信号的变化来判断转向盘的转角和转速，同时，传感器在结构上采用两组光电耦合器，可实现根据检测到的脉冲信号的相位差来判断转向盘的转动方向。3. 加速度传感器在车轮打滑时，不能以转向角和汽车车速对的判断车身侧向力的大小。为直接测出车身横向加速度和纵向加速度，必须在汽车悬架上装置加速度传感器。图12-16是差动变压器式加速度传感器的结构及原理图。图12-16 差动变压器式加速度传感器工作原理1、22次线圈 3、61次线圈 4电源 5芯杆激磁线圈（1次线圈）通以交流电，当汽车转弯（加、减速）行驶时，使芯杆在汽车横向力（纵向力）的作用下产生位移，随着芯杆位置的变化，检测线圈（2次线圈）的输出电压发生改变，所以，检测线圈（2次线圈）的输出电压与汽车横向力（纵向力）一一相应，反映了汽车横向力（纵向力）的大小，悬架系统电子控制装置根据此输入信号即可对的判断汽车横向力（纵向力）的大小，对汽车车身姿势进行控制。钢球位移式加速度传感器的结构如图12-17所示。图12-17 钢球位移式加速度传感器1轭铁 2信号解决回路 3磁铁 4钢球根据所检测的力（横向力、纵向力或垂直力）不同，加速度传感器的安装方向也不同样。如汽车转弯行驶时，钢球在汽车横向力的作用下产生位移，随着钢球位置的变化，磁场也发生变化，从而导致线圈的输出电压的改变。所以，悬架系统电子控制装置根据线圈的输出信号即可对的判断汽车横向力大小，对汽车车身姿势进行控制。4. 车身高度传感器高度传感器的作用是感测车身高度（汽车悬架装置的位移量），并将它转换成电子信号输入系统控制装置。12.1.3.2 控制器及其实现功能电控悬架的控制器是悬架控制系统的枢纽，由微解决器和传感器电源电路、执行器驱动电路及监控电路等组成。通过从传感器接受汽车行驶状态下的各种信号，如速度、加速度、高度信号等，按照控制器内预先编好的控制语句通过执行机构（步进电机、电磁阀等）对减震器的阻尼力、弹簧刚度等进行控制，从而改善汽车行驶稳定性。控制器方框图参见图12-18。图12-18 悬架系统控制器方框图悬架系统控制装置内部所用电源和供各种传感器的电源均由稳压电源提供，其控制功能重要涉及：（1）传感器信号放大 用接口电路将输入信号（如传感器信号、开关信号）中的干扰信号除去，然后放大、变换极值、比较极值，变换为适合输入控制装置的信号。（2）输入信号的计算 电子控制装置根据预先写入只读存储器ROM中的程序对各输入信号进行计算，并将计算结果与内存的数据进行比较后，向执行机构（电机、电磁阀、继电器等）发出控制信号。输入控制装置的信号除了开/关信号外尚有电压值时，还应进行A/D变换。（3）驱动执行机构 控制装置用输出驱动电路将输出驱动信号放大，然后输送到各执行机构，以实现对汽车悬架参数的控制。（4）故障检测 电子控制装置用故障检测电路来检测传感器、执行器、线路等的故障。当发生故障时，将信号送入控制装置，目的在于即使发生故障，也应使悬架系统安全工作，此外，在修理故障时容易拟定故障所在位置。控制流程图：预先将电子控制装置的控制程序写入制度内存ROM，悬架控制过程中，按控制程序规定的顺序进行计算、分析、比较。系统启动后，一方面对控制装置内部存储器RAM、执行机构进行初始化，然后，读取各种传感器输入信号和各种开关信号，根据驾驶员所选择的系统控制模式，对输入信号进行计算、分析，并发出控制信号进行汽车行驶控制，然后再读取各种输入信号，如此往复循环。电子控制装置对信号的解决速度快于汽车的运动，以微秒级数进行1次运算，所以，按照以上顺序进行解决，在控制上不应存在问题。一些复杂的系统为便于故障检测和修理，控制装置中还具有自诊功能。表12-1为自诊功能实例，使用特殊的开关进行操作，使系统进入自诊模式，依次将传感器信号输入，将结果显示在指示器上，据此即可发现传感器、开关、配线、连接器等是否异常。表12-1控制器自诊显示表达内容（选择开关）“AUTO”*“S”*“M”*“H”*诊断部位车速传感器转角传感器ECCS燃油脉冲制动开关WT（空挡及离合器开关）AT（阻化剂及驻车、制动开关）选择开关路面超声波传感器12.1.3.3 阻尼可调减振器减振器工作的基本原理是运用阻尼消耗振动过程中产生的能量汽车减振器是运用小孔节流的流体阻尼技术来实现悬架系统的减振特性，称为液力减振。阻尼可调减震器一般用于半积极悬架中。图12-19为一阻尼可调减震器结构图。阻尼力的变换通过转子阀转动来实现，转子阀由装在减振器内的电机驱动，转子阀可按三个阶段变换减振器内节流口的面积，从而控制减振器阻尼力为三种不同状态：软、中、硬。图 12-19 阻尼可调减振器结构图阻尼器控制力控制项目如表12-2所示。表12-2 阻尼器控制力项目控制目的检测条件使用传感器阻尼力工况车速转向角加减速度制动路面前减振器/后减振器横摇急转向时减少横摇超过规定转向速度硬/硬纵摇减少制动时的点头和来回摇荡制动时点头超过规定值时硬/硬加减速时减少点头和后蹲发动机扭矩变化超过规定值中/中上下摇动超过突起时减少振动当发生车高剧烈变化时中/中在搓板路上减少振动当发生周期性车高变化时中/中贴地性在恶劣路面上行驶时提高接地性车高变化为恶劣路面行驶特性时中/中其它高速直线行驶性能、提高操纵稳定性高速时（车速超过规定值）中/软停车时来回摇摆、防止上下车时车身摇动停车时（车速低于规定值）硬/硬一般行驶情况下，四个车轮减振器均处在“软”工况，当车轮忽然出现反跳时，系统就会立即将前减振器状态调至“硬”工况，后减振器调至“中”工况，这种自动调节过程不超过半秒钟，所有减振器若恢复到原状态也仅需要5s。图12-20a为凌志LS400半积极悬架减振器阻力可调的原理图。减振器回转阀上有三个油孔，活塞杆上有两个通孔，从而可以在大、中、小三檔之间转换衰减力。当选阻力小档时，回转阀上的A、C油孔关闭，仅靠单项阀起衰减作用。阻尼力调节特性曲线如图12-20b所示。图12-20 凌志LS400悬架系统可调阻尼力减振器12.1.3.4 驱动装置悬架控制执行器安装在弹簧和减振器的上方，用于驱动减振器的阻尼调节杆和气压缸的气阀控制杆，从而改变减振器的阻尼力和悬架弹簧刚度。悬架刚度、阻尼调节杆驱动装置多采用直流电动机或步进电机，图12-21是采用直流电动机的悬架参数调节驱动装置。图12-21 悬架参数调节的驱动装置1限位开关 2托架 3齿圈 4行星齿轮 5蜗轮6直流电机 7蜗杆 8齿轮轴 9太阳轮电动机通过蜗轮、蜗杆、行星齿轮传动驱动调节杆，限位开关可在阻断电动机电路的同时，对电动机实行电气制动，使电动机立即停止回转。有的执行器采用步进电机进行驱动，图12-22为步进电机的结构。步进电机由转子、定子和电磁线圈组成，通过对两个电磁线圈通以脉动电流，在定子上产生电磁力，从而使永久磁铁组成的转子转动，每一次脉动电流使转子旋转7.5，改变脉动电流的施加顺序，电机也可以逆转。步进电机为非接触型电机，根据脉动电流的施加方式，可以自由控制转子的旋转速度和停止位置。图12-22 步进电机的结构1、7转子 2、5线圈A 3、9线圈B 4、6、8定子12.1.4 电控悬架系统的控制方法电控悬架系统最终控制目的是对汽车悬架的弹簧刚度和阻尼系数进行调节，从而提高汽车的乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性。控制方法有多种，如自适应控制、最有控制、模糊控制等。在实际控制策略的选择中，受到多种因素的影响，如汽车结构、造价、实时控制性等。在这里选择三种具有代表性的控制方法加以介绍。1. 自适应控制这种控制算法的原理是当外界激励条件和汽车自身参数状态发生变化时，被动汽车的振动输出仍能跟踪所选定的抱负参考模型，通过跟踪一个预先定义的参考模型，获得任何非线性时变悬架模型的最优