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原文传递电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器及其控制方法

专利名称：	电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器及其控制方法
摘要：	本发明公开了一种电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器及其控制方法，其悬架作动器包括磁流变减振器、电机单元、馈能单元和作动器监控装置，其控制方法包括步骤：一、数据采集及传输；二、作动器控制器根据其采样数据，分高节能模式、节能模式、稳定模式和动态模式四种模式对悬架作动器进行控制。本发明设计合理，实现方便，能对汽车簧载质量和非簧载质量的高度、以及作动器的控制力进行调节，汽车行驶在不同路面上时，能够根据压电片上馈能电压的大小，对悬架系统进行多模式切换，提高汽车行驶的舒适性和稳定性，同时对悬架系统产生的能量及时回收，减少汽车能量的浪费，提高了电动汽车的续航里程和电池寿命，实用性强。
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;李阳康;陈晨;许家楠;郝帅帅;孙凯
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-04T00:00:00+0800
申请号：	CN201910258879.2
公开号：	CN109835134A
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：	B60G17/019(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：	1.一种电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，其特征在于：包括磁流变减振器、电机单元、馈能单元和作动器监控装置，所述磁流变减振器包括缸体(6)，所述缸体(6)内设置有滚珠丝杠(2)和活塞(23)，以及用于将缸体(6)的内腔分隔为磁流变内腔(27)和磁流变外腔(8)的左旁路调节板(7)和右旁路调节板(26)；所述磁流变内腔(27)和磁流变外腔(8)内均设置有磁流变液，所述磁流变内腔(27)内设置有用于将磁流变内腔(27)分隔为磁流变内腔上腔和磁流变内腔下腔的内腔隔板(9)，所述滚珠丝杠(2)上螺纹连接有丝杠螺母(13)，所述活塞(23)与丝杠螺母(13)固定连接，所述活塞(23)的底部连接有向下穿过内腔隔板(9)并向下伸出缸体(6)底部外的丝杠套筒(33)，所述丝杠套筒(33)套装在滚珠丝杠(2)上，所述内腔隔板(9)上设置有分别位于丝杠套筒(33)两侧的压缩阀(10)和复原阀(28)，所述缸体(6)内上端设置有用于防止磁流变液中的铁磁性颗粒物发生沉降的叶片盘(22)，所述叶片盘(22)与滚珠丝杠(2)固定连接，所述缸体(6)外侧均匀分布有励磁线圈(24)，所述励磁线圈(24)内侧固定有导磁板(12)；所述电机单元包括电机固定座(19)和安装在电机固定座(19)上的无刷直流电机(16)，所述滚珠丝杠(2)的上端穿出缸体(6)外部、穿过电机固定座(19)且与无刷直流电机(16)的轴固定连接，所述电机固定座(19)的顶部连接用于与汽车簧载质量连接的上吊耳(18)；所述馈能单元包括馈能单元外壳(31)、压电弹簧(3)和压电片(29)，所述馈能单元外壳(31)的上部固定连接在缸体(6)底部，所述压电弹簧(3)连接在丝杠套筒(33)上，所述压电片(29)通过支撑架(30)与压电弹簧(3)相隔离，所述丝杠套筒(33)向下伸出馈能单元外壳(31)底部外，所述丝杠套筒(33)的底部连接用于与汽车非簧载质量连接的下吊耳(1)，所述馈能单元外壳(31)上设置有用于对丝杠套筒(33)在下吊耳(1)的带动下上下运动进行导向的导向套筒(32)；所述作动器监控装置包括作动器控制器(38)和馈能电路，所述作动器控制器(38)的输入端接有用于对非簧载质量速度进行实时检测的非簧载质量速度传感器(36)、用于对簧载质量速度进行实时检测的簧载质量速度传感器(35)、用于对丝杠套筒(33)的速度进行实时检测的丝杠套筒速度传感器(37)和用于对压电片馈能电压进行实时检测的压电片馈能电压传感器(34)；所述作动器控制器(38)的输出端接有用于为所述磁流变减振器的励磁线圈(24)提供可调电流的第一可调电流源(40)和用于为无刷直流电机(16)提供可调电流的第二可调电流源(42)，所述励磁线圈(24)与第一可调电流源(40)连接，所述无刷直流电机(16)与第二可调电流源(42)连接，所述馈能电路包括依次连接的整流电路(39-1)和蓄电池充电电路(39-2)，所述无刷直流电机(16)和压电片(29)均与整流电路(39-1)的输入端连接，车载蓄电池(41)与蓄电池充电电路(39-2)的输出端连接。 2.按照权利要求1所述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，其特征在于：所述缸体(6)顶部供滚珠丝杠(2)穿出的部位设置有上密封圈(20)，所述缸体(6)底部供丝杠套筒(33)穿出的部位设置有下密封圈(5)。 3.按照权利要求1所述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，其特征在于：所述电机固定座(19)上设置有用于支撑安装滚珠丝杠(2)的深沟球轴承(15)。 4.按照权利要求1所述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，其特征在于：所述馈能单元外壳(31)的上部焊接在缸体(6)底部，所述压电弹簧(3)焊接在丝杠套筒(33)上。 5.按照权利要求1所述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，其特征在于：所述磁流变外腔(8)的横截面的形状为圆环形。 6.一种对如权利要求1所述电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器进行控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、数据采集及传输：非簧载质量速度传感器(36)对电动汽车非簧载质量速度进行实时检测，簧载质量速度传感器(35)对电动汽车簧载质量速度进行实时检测，丝杠套筒速度传感器(37)对丝杠套筒(33)的速度进行实时检测，压电片馈能电压传感器(34)对所述悬架作动器上下振动时压电片(29)的馈能电压进行实时检测，作动器控制器(38)分别对非簧载质量速度、簧载质量速度、丝杠套筒(33)的速度和压电片(29)的馈能电压进行周期性采样；且在每个采样周期内均采样四次压电片(29)的馈能电压；步骤二、所述作动器控制器(38)根据其采样数据，分高节能模式、节能模式、稳定模式和动态模式四种模式对悬架作动器进行控制；具体过程为：步骤201、作动器控制器(38)对其第i次周期采样得到的四次压电片(29)的馈能电压ui1、ui2、ui3、ui4与预先设定的压电片(29)馈能电压下限阈值ur1、压电片(29)馈能电压中间阈值ur2和压电片(29)馈能电压上限阈值ur3进行比较，当max[ui1、ui2、ui3、ui4]＜ur1时，作动器控制器(38)判断为悬架作动器工作在高节能模式，执行步骤202；当min[ui1、ui2、ui3、ui4]≥ur1且max[ui1、ui2、ui3、ui4]＜ur2时，作动器控制器(38)判断为悬架作动器工作在节能模式，执行步骤203；当min[ui1、ui2、ui3、ui4]≥ur2且max[ui1、ui2、ui3、ui4]＜ur3时，作动器控制器(38)判断为悬架作动器工作在稳定模式，执行步骤204；当min[ui1、ui2、ui3、ui4]≥ur3时，作动器控制器(38)判断为悬架作动器工作在动态模式，执行步骤205；步骤202、在路面不平度的激励下，下吊耳(1)带动丝杠套筒(33)上下运动，丝杠套筒(33)带动压电弹簧(3)上下运动，压电片(29)在压电弹簧(3)的作用下发生形变，产生馈能电流；同时，丝杠套筒(33)上下运动时，通过丝杠螺母(13)带动滚珠丝杠(2)转动，滚珠丝杠(2)带动无刷直流电机(16)转动，产生馈能电流；压电片(29)产生的馈能电流和无刷直流电机(16)产生的馈能电流通过整流电路(39-1)和蓄电池充电电路(39-2)向车载蓄电池(41)充电；步骤203、所述作动器控制器(38)根据磁流变液的屈服强度调节输入所述磁流变减振器中的励磁线圈(24)的电流，调节悬架作动器的阻尼；步骤204、所述作动器控制器(38)控制无刷直流电机(16)的输入电流和磁流变减振器的励磁线圈(24)的输入电流，使悬架作动器产生理想的半主动控制力；步骤205、所述作动器控制器(38)根据天棚最优控制算法公式Fti＝z2i·csky计算得到第i次采样时的理想主动控制力Fti，再根据公式计算得到第i次采样需要向无刷直流电机(16)输入的电流Ii；其中，z2i为第i次采样时的簧载质量速度，csky为天棚控制阻尼系数；L为丝杠套筒(33)的导程，Kt为无刷直流电机(16)的推力系数且其取值范围为50～150；所述作动器控制器(38)控制第二可调电流源(42)，为无刷直流电机(16)提供电流Ii；当作动器控制器(38)控制无刷直流电机(16)逆时针旋转时，直流无刷电机(16)带动滚珠丝杠(2)逆时针旋转，丝杠螺母(13)带动活塞(23)和丝杠套筒(33)向下移动，所述磁流变内腔(27)的下腔容积变小，磁流变内腔(27)的下腔液压增大，导致压缩阀(10)打开，复原阀(28)关闭；由于压缩阀(10)具有一定的预紧力，对流通的磁流变液起到节流作用，并产生作动器压缩阻尼力，此时悬架作动器提供向下的主动控制力并通过下吊耳(1)传递到非簧载质量；当作动器控制器(38)控制无刷直流电机(16)顺时针旋转时，丝杠螺母(13)带动活塞(23)和丝杠套筒(33)向上移动，所述磁流变内腔(27)的上腔容积变小，磁流变内腔(27)的上腔液压增大，复原阀(28)打开；由于复原阀(28)具有一定的预紧力，对流通的磁流变液起到节流作用，并产生作动器伸张阻尼力，此时悬架作动器提供向上的主动控制力并通过上吊耳(18)传递到簧载质量；以上步骤中，滚珠丝杠(2)转动时，带动叶片盘(22)旋转，将磁流变液中的铁磁性颗粒物搅拌均匀，防止发生沉降。 7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤203中所述作动器控制器(38)根据磁流变液的屈服强度调节输入所述磁流变减振器中的励磁线圈(24)的电流，调节悬架作动器的阻尼的具体过程为：步骤2031、所述作动器控制器(38)根据天棚最优控制算法公式Fti＝z2i·csky计算得到第i次采样时的理想主动控制力Fti，其中，z2i为第i次采样时的簧载质量速度，csky为天棚控制阻尼系数；步骤2032、所述作动器控制器(38)根据Bingham模型公式计算磁流变液的屈服强度τy，式中：η为磁流变液的零磁场黏度；l为励磁线圈(24)沿缸体(6)轴向缠绕的长度；D为活塞(23)的内径；d为丝杠套筒(33)的直径；h为磁流变外腔(8)的内径；V'为磁流变外腔(8)的磁流变液的流速且V为丝杠套筒速度传感器(37)检测的丝杠套筒(33)的运动速度；A为活塞(23)的横截面积；Ap为磁流变外腔(8)横截面的内圆面积；sgn(·)为方向函数；步骤2033、令磁流变外腔(8)的液体由下到上为正方向，此时丝杠套筒(33)上的活塞(23)向下运动，所述悬架作动器的具体工作过程为：当电动汽车行驶在不平度路面上时，簧载质量和非簧载质量的上下振动带动作动器丝杠套筒(33)上下运动，再根据公式计算励磁线圈(24)的电流I，通过作动器控制器(38)控制第一可调电流源(40)，为励磁线圈(24)提供电流I，实现作动器控制器(38)对所述磁流变减振器的阻尼调节；其中：N为励磁线圈(24)的线圈匝数，R为励磁线圈(24)的磁阻，Φ为励磁线圈(24)的磁通量且Φ＝Hμ0Ap，H为磁场强度且H2∝τy，μ0为导磁板(12)的相对磁导率；丝杠套筒(33)的上下运动带动压电片(29)和无刷直流电机(16)产生馈能电流，压电片(29)产生的馈能电流和无刷直流电机(16)产生的馈能电流通过整流电路(39-1)和蓄电池充电电路(39-2)向车载蓄电池(41)充电。 8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤204中所述作动器控制器(38)控制无刷直流电机(16)的输入电流和磁流变减振器的励磁线圈(24)的输入电流，使悬架作动器产生理想的半主动控制力的具体过程为：步骤2041、所述作动器控制器(38)根据公式计算得到第i次采样时无刷直流电机(16)产生的半主动控制力Fsi；其中，Kt为无刷直流电机(16)的推力系数且其取值范围为50～150，Izi为第i次采样时输入磁流变减振器的励磁线圈(24)的电流，L为丝杠套筒(33)的导程；步骤2042、所述作动器控制器(38)根据公式Fti＝z2i·csky计算得到第i次采样时的理想主动控制力Fti；其中，z2i为第i次采样时的簧载质量速度，csky为天棚控制阻尼系数；步骤2043、所述作动器控制器(38)将\|Fti\|与\|Fsi\|进行比较，当\|Fti\|<\|Fsi\|时，作动器控制器(38)通过控制第二可调电流源(42)，调节无刷直流电机(16)的输入电流，不向磁流变减振器的励磁线圈(24)供电，使悬架作动器输出理想的半主动控制力；当\|Fti\|＞\|Fsi\|时，悬架作动器产生的半主动控制力需要补偿，作动器控制器(38)根据公式z2icsky-Fsi＝-180(z2i-z1i)+(86I′i2-38I′i+120)sgn(z2i-z1i)计算得到需要向磁流变减振器的励磁线圈(24)提供的电流Ii′，并控制控制第一可调电流源(40)，为励磁线圈(24)提供电流Ii′；其中，csky为天棚控制阻尼系数，z2i为第i次采样时的簧载质量速度，z1i为第i次采样时的非簧载质量速度，sgn(·)为符号函数。 9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述ur1的取值为3V，所述ur2的取值为4V，所述ur3的取值为5V。 10.按照权利要求6～9任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述csky的取值为2000N·s/m。
所属类别：	发明专利