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原文传递多模式混合悬架作动器及其控制方法

专利名称：	多模式混合悬架作动器及其控制方法
摘要：	本发明公开了一种多模式混合悬架作动器及其控制方法，所述多模式混合悬架作动器包括作动器本体和控制单元，作动器本体包括空气弹簧机构、设置在空气弹簧机构内的双出杆式磁流变减振器、设置在双出杆式磁流变减振器上部且位于空气弹簧机构内的上直线电机单元和设置在双出杆式磁流变减振器内下部的下直线电机单元；其方法包括步骤：一、数据采集与同步传输；二、计算车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力；三、计算车辆加权加速度均方根值；四、对多模式混合悬架作动器进行控制。本发明设计新颖合理，实现方便且成本低，工作稳定性和可靠性高，馈能效率高，实时性高，能够使混合悬架处于最佳的减振状态，实用性强，便于推广使用。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安科技大学
发明人：	寇发荣;景强强
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-24T00:00:00+0800
申请号：	CN201910242588.4
公开号：	CN109795279A
代理机构：	西安启诚专利知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	李艳春
分类号：	B60G17/0165(2006.01);B;B60;B60G;B60G17
申请人地址：	710054 陕西省西安市雁塔路中段58号
主权项：	1.一种多模式混合悬架作动器，其特征在于：包括作动器本体和控制单元，所述作动器本体包括空气弹簧机构、设置在空气弹簧机构内的双出杆式磁流变减振器、设置在双出杆式磁流变减振器上部且位于空气弹簧机构内的上直线电机单元和设置在双出杆式磁流变减振器内下部的下直线电机单元；所述空气弹簧机构包括间隔设置的空气弹簧上法兰盘(31)和空气弹簧下法兰盘(36)，以及设置在空气弹簧上法兰盘(31)和空气弹簧下法兰盘(36)之间的空气弹簧气囊(32)，所述空气弹簧上法兰盘(31)的上端连接有空气弹簧上端盖(34)，所述空气弹簧下法兰盘(36)的下端连接有空气弹簧下端盖(1)，所述空气弹簧上端盖(34)上设置有伸入空气弹簧气囊(32)内的气压传感器(43)以及分别位于所述双出杆式磁流变减振器两侧的进气孔和出气孔，所述进气孔内设置有与储气罐(40)连接的进气管(39)，所述进气管(39)上连接有进气电磁阀(30)，所述储气罐(40)与空气压缩机(41)连接，所述出气孔内设置有减压电磁阀(35)，所述空气弹簧气囊(32)的折弯处安装有腰环(33)；所述双出杆式磁流变减振器包括设置在空气弹簧气囊(32)内的工作缸(14)和设置在工作缸(14)内且向上伸出工作缸(14)顶部外的活塞杆(18)，所述活塞杆(18)伸出工作缸(14)顶部外的一段为上直线电机单元的电机轴，所述活塞杆(18)的下部一段为下直线电机单元的电机轴，所述工作缸(14)内上部且位于上直线电机单元的下部设置有用于对活塞杆(18)的上下运动进行导向的导向座(7)，所述工作缸(14)内紧贴导向座(7)的下部设置有上密封件(9-1)，所述工作缸(14)内下部且位于下直线电机单元的上部设置有隔磁板(12)，所述工作缸(14)内紧贴隔磁板(12)的上部设置有下密封件(9-2)，所述工作缸(14)内位于上密封件(9-1)和下密封件(9-2)之间的空间内设置有磁流变液(10)，所述活塞杆(18)的中部连接有活塞(11)，所述活塞(11)与工作缸(14)的内壁之间设置有供磁流变液(10)通过的磁流变液通道(16)，所述活塞(11)上缠绕有线圈(17)；所述上直线电机单元包括上直线电机外壳(28)、上直线电机次级永磁体组件和设置在所述上直线电机次级永磁体组件外部的上直线电机初级绕组组件，所述上直线电机外壳(28)设置在导向座(7)的上部且位于空气弹簧气囊(32)内，所述活塞杆(18)向上伸出上直线电机外壳(28)顶部外且与空气弹簧上端盖(34)连接，所述上直线电机次级永磁体组件包括均匀排列在上直线电机单元的电机轴外部且位于上直线电机外壳(28)内的多个上直线电机次级永磁体(3-1)和设置在多个上直线电机次级永磁体(3-1)外部的上直线电机次级保护层(2-1)，多个上直线电机次级永磁体(3-1)的N极、S极间隔排列；所述上直线电机初级绕组组件包括设置在上直线电机外壳(28)内的上直线电机初级铁心(4-1)和设置在上直线电机初级铁心(4-1)内部且位于上直线电机次级保护层(2-1)外部的上直线电机初级绕组(5-1)，所述上直线电机初级铁心(4-1)固定在导向座(7)的上端；所述下直线电机单元包括下直线电机固定座(15)、下直线电机次级永磁体组件和设置在所述下直线电机次级永磁体组件外部的下直线电机初级绕组组件，所述下直线电机固定座(15)设置在工作缸(14)内底部，所述下直线电机固定座(15)的底部设置有位于工作缸(14)底部且与空气弹簧下端盖(1)连接的下直线电机保护底板(13)，所述下直线电机次级永磁体组件包括均匀排列在下直线电机单元的电机轴外部的多个下直线电机次级永磁体(3-2)和设置在多个下直线电机次级永磁体(3-2)外部的下直线电机次级保护层(2-2)，多个下直线电机次级永磁体(3-2)的N极、S极间隔排列；所述下直线电机初级绕组组件包括下直线电机初级铁心(4-2)和设置在下直线电机初级铁心(4-2)内部且位于下直线电机次级保护层(2-2)外部的下直线电机初级绕组(5-2)，所述下直线电机初级铁心(4-2)固定在下直线电机固定座(15)内；所述控制单元包括作动器控制器(6)和储能电路，所述作动器控制器(6)的输入端接有用于对非簧载质量速度进行检测的非簧载质量速度传感器(19)、用于对簧载质量速度进行检测的簧载质量速度传感器(20)、用于对车辆行驶速度进行检测的车速传感器(44)和用于对路面不平度进行检测的路面不平度位移传感器(45)，所述气压传感器(43)与作动器控制器(6)的输入端连接，所述作动器控制器(6)的输出端接有用于驱动进气电磁阀(30)的第一电磁阀驱动电路(37)、用于驱动减压电磁阀(35)的第二电磁阀驱动电路(38)和用于接通或断开空气压缩机(41)的供电回路的继电器(42)，以及用于为上直线电机初级绕组(5-1)提供可调电流的第一可控恒流源电路(21)、用于为下直线电机初级绕组(5-2)提供可调电流的第二可控恒流源电路(22)和用于为线圈(17)提供可调电流的第三可控恒流源电路(23)，所述上直线电机初级绕组(5-1)与第一可控恒流源电路(21)连接，所述下直线电机初级绕组(5-2)与第二可控恒流源电路(22)连接，所述线圈(17)与第三可控恒流源电路(23)连接，所述进气电磁阀(30)与第一电磁阀驱动电路(37)的输出端连接，所述减压电磁阀(35)与第二电磁阀驱动电路(38)的输出端连接，所述继电器(42)串联在空气压缩机(41)的供电回路中；所述储能电路包括上直线电机储能电路和下直线电机储能电路，所述上直线电机储能电路包括依次连接的上整流电路(24-1)和上蓄电池充电电路(24-2)，所述下直线电机储能电路包括依次连接的下整流电路(25-1)、滑动电阻(25-2)和下蓄电池充电电路(25-3)，所述车载蓄电池(26)与上蓄电池充电电路(24-2)的输出端和下蓄电池充电电路(25-3)的输出端均连接,所述第一可控恒流源电路(21)、第二可控恒流源电路(22)和第三可控恒流源电路(23)均与车载蓄电池(26)的输出端连接，所述上直线电机初级绕组(5-1)与上整流电路(24-1)连接，所述下直线电机初级绕组(5-2)与下整流电路(25-1)连接；所述作动器控制器(6)的输出端还接有滑动电阻调节模块(27)，所述滑动电阻(25-2)与滑动电阻调节模块(27)的输出端连接。 2.按照权利要求1所述的多模式混合悬架作动器，其特征在于：所述上密封件(9-1)与工作缸(14)的内壁之间以及上密封件(9-1)与活塞杆(18)之间均设置有上密封环(8-1)，所述下密封件(9-2)与工作缸(14)的内壁之间以及下密封件(9-2)与活塞杆(18)之间均设置有下密封环(8-2)。 3.按照权利要求1所述的多模式混合悬架作动器，其特征在于：所述导向座(7)为圆筒形结构，所述上直线电机初级铁心(4-1)焊接在导向座(7)的上端。 4.按照权利要求1所述的多模式混合悬架作动器，其特征在于：所述上整流电路(24-1)和下整流电路(25-1)均为三相桥式整流电路。 5.按照权利要求1所述的多模式混合悬架作动器，其特征在于：所述作动器控制器(6)为DSP数字信号处理器。 6.按照权利要求1所述的多模式混合悬架作动器，其特征在于：所述上直线电机次级永磁体(3-1)的数量为12～16，所述下直线电机次级永磁体(3-2)的数量为4～6。 7.一种如权利要求1所述多模式混合悬架作动器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、数据采集与同步传输：簧载质量速度传感器(20)对簧载质量速度进行实时检测，非簧载质量速度传感器(19)对非簧载质量速度进行实时检测；作动器控制器(6)对簧载质量速度传感器(20)检测到的簧载质量速度信号和非簧载质量速度传感器(19)检测到的非簧载质量速度信号进行周期性采样；步骤二、计算车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力：所述作动器控制器(6)根据公式计算得到第i次采样得到的簧载质量速度vs,i和非簧载质量速度vu,i对应的车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力Fa,i，其中，为vs,i的微分，q1为车辆悬架LQG控制的加速度系数且q1的取值为1～1010，q2为车辆悬架LQG控制的速度系数且q2的取值为1～1010，q3为车辆悬架LQG控制的位移系数且q3的取值为1～1010，ti为第i次采样的时间，i的取值为非0自然数；步骤三、计算车辆加权加速度均方根值：所述作动器控制器(6)根据公式计算得到车辆加权加速度均方根值aw，并根据人体主观舒适性定义车辆加权加速度均方根值均方根值两级阈值分别为aw1′和aw2′，将人体主观舒适性根据车辆加权加速度均方根值均方根值两级阈值定义aw＜aw1′为舒适区，aw1′≤aw≤aw2′为稍不舒适区，aw＞aw2′为很不舒适区；其中，aw(t)为加权加速度时间历程，通过对记录的加速度时间历程a(t)采用频率加权函数w(f)的滤波网络得到aw(t)，频率加权函数w(f)的表达式为f为频率,t为时刻，T为振动分析时间；步骤四、对多模式混合悬架作动器进行控制：所述作动器控制器(6)根据判断不等式Fa,i(vs,i-vu,i)＞0是否成立判断是否满足理想控制力与悬架相对速度之积为正方向，当Fa,i(vs,i-vu,i)＞0成立时，判断为理想控制力与悬架相对速度之积为正方向，此时，再对车辆加权加速度均方根值aw处在aw＜aw1′、aw1′≤aw≤aw2′和aw＞aw2′的区域进行判断，当aw处在aw＜aw1′的舒适区时，选择此状态混合悬架处于馈能模式；当aw处在aw1′≤aw≤aw2′的稍不舒适区时，选择此状态混合悬架处于半主动控制模式；当aw处在aw＞aw2′的很不舒适区时，选择此状态混合悬架处于主动控制模式；当Fa,i(vs,i-vu,i)＞0不成立时，选择此状态混合悬架处于馈能模式；混合悬架处于馈能模式时，所述上直线电机单元和下直线电机单元均馈能，所述第三可控恒流源电路(23)不为所述双出杆式磁流变减振器的线圈(17)供电；混合悬架处于半主动控制模式时，所述上直线电机单元和下直线电机单元均馈能，同时，所述上直线电机单元和下直线电机单元产生与理想控制力同向的电磁阻尼力，加入电磁阻尼力进行理想控制力的补偿调节；混合悬架处于主动控制模式时，所述第三可控恒流源电路(23)不为所述双出杆式磁流变减振器的线圈(17)供电，所述作动器控制器(6)控制第一可控恒流源电路(21)为上直线电机初级绕组(5-1)中通入电流，电流产生磁场与上直线电机次级永磁体(3-1)互相感应，产生径向的电磁推力，带动活塞杆(18)运动，从而产生主动力进行减振；同时，所述作动器控制器(6)通过滑动电阻调节模块(27)调节滑动电阻(25-2)的阻值为最大阻值Rmax，所述下直线电机单元产生与理想控制力方向相反的最小反向电磁阻尼力Fg2min，降低主动控制能耗；而且，所述下直线电机单元工作在馈能状态，上吊耳(1)上下运动过程中，带动活塞杆(18)上下运动，下直线电机次级永磁体(3-2)切割下直线电机初级绕组(5-2)，产生感应电动势，产生的感应电动势通过下整流电路(25-1)、滑动电阻(25-2)和下蓄电池充电电路(25-3)向车载蓄电池(26)充电；步骤四中对多模式混合悬架作动器进行控制的过程中，所述作动器控制器(6)还通过所述空气弹簧机构实现对车辆车身高度的调节，具体过程为：步骤A、所述作动器控制器(6)对车速传感器(44)传来的车速信息和路面不平度位移传感器(45)传来的路面不平度信息进行处理，当车速为0～30km/h时，判断为车辆在进行低速行驶，当车速为30km/h～90km/h时，判断为车辆在进行中速行驶，当车速为90km/h以上时，判断为车辆在进行高速行驶；当路面不平度在时间段t′内均小于预设的路面不平度阈值时，判断为车辆行驶在平坦路面，当路面不平度在时间段t′内均大于等于预设的路面不平度阈值时，判断为车辆行驶在粗糙路面；当车辆在进行低速行驶且行驶在平坦路面时，定义为低速平坦路面行驶，当车辆在进行低速行驶且行驶在粗糙路面时，定义为低速粗糙路面行驶，当车辆在进行中速行驶且行驶在平坦路面时，定义为中速平坦路面行驶，当车辆在进行中速行驶且行驶在粗糙路面时，定义为中速粗糙路面行驶，当车辆在进行高速行驶且行驶在平坦路面时，定义为高速平坦路面行驶，当车辆在进行高速行驶且行驶在粗糙路面时，定义为高速粗糙路面行驶；步骤B、所述作动器控制器(6)分低速平坦路面行驶、低速粗糙路面行驶、中速平坦路面行驶、中速粗糙路面行驶、高速平坦路面行驶和高速粗糙路面行驶六种工况对车辆车身高度进行调节，具体方法为：当车辆在低速平坦路面行驶和高速粗糙路面行驶时，所述作动器控制器(6)不对所述空气弹簧机构进行控制，所述空气弹簧机构不进行车辆车身高度的调节；当车辆在中速平坦路面行驶和高速平坦路面行驶时，所述作动器控制器(6)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度，减少风阻，降低油耗；其中，所述作动器控制器(6)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(6)控制第二电磁阀驱动电路(38)驱动减压电磁阀(35)打开，直至气压传感器(43)检测到的空气弹簧气囊(32)的气压达到预设气压下限值时，关闭减压电磁阀(35)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊(32)压缩，降低车辆车身高度；当车辆在低速粗糙路面行驶和中速粗糙路面行驶时，所述作动器控制器(6)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度，提高通过性；其中，所述作动器控制器(6)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(6)控制继电器(42)接通空气压缩机(41)的供电回路，并控制第一电磁阀驱动电路(37)驱动进气电磁阀(30)打开，直至气压传感器(43)检测到的空气弹簧气囊(32)的气压达到预设气压上限值时，断开空气压缩机(41)的供电回路，关闭进气电磁阀(30)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊(32)伸张，升高车辆车身高度。 8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤二中所述q1的取值为1.2×105，所述q2的取值为1.65×108，所述q3的取值为9.5×109；步骤三中所述aw1′的取值为0.315m·s-2，所述aw2′的取值为0.5m·s-2；步骤四中所述混合悬架处于主动控制模式时，所述作动器控制器(6)控制第一可控恒流源电路(21)为上直线电机初级绕组(5-1)中通入电流It1＝Fa,i/Kt1，其中，Kt1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150。 9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤四中所述混合悬架处于半主动控制模式时，所述上直线电机单元和下直线电机单元产生与理想控制力同向的电磁阻尼力，加入电磁阻尼力进行理想控制力的补偿调节的具体过程为：所述作动器控制器(6)根据公式计算得到所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力Fg1，并将Fg1与车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力Fa,i相比较，当所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力Fg1≥Fa,i时，说明所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力能够满足理想控制力的补偿调节，所述作动器控制器(6)通过滑动电阻调节模块(27)调节滑动电阻(25-2)的阻值为最大；其中，Cg1为所述上直线电机单元的电磁阻尼系数，Kt1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，Kε1为所述上直线电机单元的电磁反电动势系数且其取值范围为60V·s/m～70V·s/m，r1为所述上直线电机初级绕组(5-1)的阻值；当所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力Fg1＜Fa,i时，所述作动器控制器(6)根据公式计算得到所述下直线电机单元产生的最大电磁阻尼力Fg2max，并将Fg1+Fg2max与Fa,i相比较，当Fg1+Fg2max≥Fa,i时，说明通过调节所述滑动电阻(25-2)的阻值，能够满足理想控制力的补偿调节，所述作动器控制器(6)通过公式计算得到滑动电阻(25-2)的阻值R，再通过滑动电阻调节模块(27)调节滑动电阻(25-2)的阻值为R，其中，Cg2为所述下直线电机单元的电磁阻尼系数，Kt2为下直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，Kε2为所述下直线电机单元的电磁反电动势系数且其取值范围为60V·s/m～70V·s/m，Kε2的取值小于Kε1，r2为所述下直线电机初级绕组(5-2)的阻值；当Fg1+Fg2max＜Fa,i时，说明通过调节所述滑动电阻(25-2)的阻值，无法满足理想控制力的补偿调节，需要加入磁流变半主动控制，磁流变半主动控制中阻尼力可调部分为库伦阻尼力Fk，该状态下将下直线电机馈能回路中可调电阻R调至0，得到Fg2max，可调库伦阻尼力Fk＝Fa,i-Fg1-Fg2max，根据磁流变减振器库伦阻尼力Fk与库伦电流Ik的关系得到库伦电流Ik，作动器控制器(6)控制第三可控恒流源电路(23)为所述双出杆式磁流变减振器的线圈(17)供库伦电流Ik，加入电磁阻尼力进行理想控制力的补偿调节；式中，a1,a2,a3为多项式系数，sgn为符号函数。 10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：所述a1的取值为89，所述a2的取值为-36，所述a3的取值为125。
所属类别：	发明专利