CN102700378B - 电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置及方法，馈能电机下部输入端连接行星齿轮升速机构，行星齿轮升速机构下部输入端连接滚珠丝杠上端；馈能控制电路包括电压表、可控开关和蓄电池；根据馈能阻尼力大小，在1个蓄电池的电压、2个相邻蓄电池串联的电压及3个蓄电池串联的电压中选择最能满足所述馈能阻尼力的充电电压，由控制单元控制相应可控开关的接通与断开，按照对电压最小的蓄电池或对电压之和最小的2个相邻串联蓄电池优先充电的原则对蓄电池进行充电；可使馈能电机选择在效率最高的转速范围内工作，提高能量转化效率，对电磁馈能阻尼力发生器的馈能阻尼进行实时分级控制。

Description

电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置及方法

技术领域

本发明属于车辆悬架结构与控制技术领域，尤其涉及用于车辆的电磁馈能型半主动悬架控制装置及方法。

背景技术

悬架是车辆重要的结构与功能部件，对车辆整体性能影响重大。车用悬架按其工作原理可分为被动悬架、半主动悬架及主动悬架。被动悬架主要由弹簧、减震器等组成，通过减震器消耗和弹簧缓冲车辆车轴与车身质量之间的振动能量来获得减振效果，但固定的刚度和阻尼难以满足各种减振要求。普通的半主动悬架是将被动悬架阻尼值不变的减震器改造成为阻尼值实时可调的阻尼元件以改善车辆的平顺性。主动悬架是在被动悬架的基础上增加一个可以产生主动控制力的控制力发生器，从而具有输出带有负阻尼特性主动控制力的能力，可使车辆平顺性达到最优，因此，从理论上讲主动悬架的性能要优于半主动悬架，而半主动悬架的优势在于控制系统简单且无需外部动力源，成本低廉。

目前，现有的一种电磁馈能型主动悬架使用螺母-滚珠丝杠机构将直线的悬架运动转化为圆周运动，再传递给电机，电机起馈能装置和主动力发生器的作用，一般采用定电压的蓄电池作为电机起馈能的蓄能器和电机发出主动力的动力源。

这种电磁馈能型主动悬架的缺陷是：

1）螺母-滚珠丝杠机构的导程较小，效率较低。

2）相对于悬架运动速度来说，电磁馈能阻尼力发生器馈能阻尼力为0的速度死区范围没被缩小，进而影响了悬架性能的改善。其原因是：电机馈能时，电机输出电压与电机转速成正比，电机的馈能阻尼力矩与馈能电路的电流及电机转速成正比，当电机输出电压大于蓄电池电压时，馈能电路的电流与馈能时电机输出电压与蓄电池电压的差值成正比；当电机输出电压小于蓄电池电压，电机中没有电流流过而不产生馈能阻尼力矩，因此当电机转速小于某一限值时，不产生馈能阻尼力矩，由于电机可正反转，故在大于上述转速限制的负值且小于上述转速限制的正值时电机的馈能阻尼力矩为0，即上述转速区域为电机馈能阻尼力矩为0的死区。

3）由于使用电压固定的蓄电池作为储能器和动力源，无法对电机进行变电压的分级控制以获取可分级调节的馈能阻尼或馈能阻尼力。

发明内容

为克服上述现有电磁馈能型主动悬架的缺陷，本发明提供一种电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制的装置及其控制方法，提高电磁馈能型半主动悬架的能量转化效率，相对于悬架运动速度来说可缩小电磁馈能阻尼力发生器馈能阻尼力为0的速度死区范围，并且能提供实时可调的减振馈能阻尼以改善车辆的平顺性。

为实现上述目的，本发明电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置采用的技术方案是：具有电磁馈能阻尼力发生器和控制单元，电磁馈能阻尼力发生器和悬架弹簧并接于车轮与簧载质量之间，簧载质量上设有簧载质量加速度传感器，电磁馈能阻尼力发生器具有馈能电机和螺母-滚珠丝杠机构，馈能电机上设有转速传感器，控制单元分别连接簧载质量加速度传感器、车轮质量加速度传感器和转速传感器，电磁馈能阻尼力发生器通过馈能控制电路连接控制单元，馈能电机下部输入端连接行星齿轮升速机构，行星齿轮升速机构下部输入端连接滚珠丝杠上端；馈能控制电路包括电压表、可控开关和蓄电池；电磁馈能阻尼力发生器通过CC与DD接线柱并接第一电压表；AA接线柱通过第一、第四二极管分别连接CC、DD接线柱，BB接线柱通过第二、第三二极管分别连接CC与DD接线柱；AA接线柱通过第一、第三、第五可控开关分别连接第一、第二、第三蓄电池的正极，BB接线柱通过第二、第四、第六可控开关分别连接于第一、第二、第三蓄电池的负极；第一、第二、第三蓄电池正负两极分别并联第二、第三、第四电压表；4个所述电压表及6个所述可控开关均与控制单元相连。 

本发明电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置的控制方法采用的技术方案是：1）由控制单元根据簧载质量加速度传感器、转速传感器、车轮质量加速度传感器和第一电压表的输入信号判断悬架减振需要的馈能阻尼力大小；2）当控制单元判断悬架需要的馈能阻尼力为0时，控制单元控制所有的可控开关均断开；当控制单元判断悬架需要的馈能阻尼力为非0时，根据馈能阻尼力大小，在1个蓄电池的电压、2个相邻蓄电池串联的电压及3个蓄电池串联的电压中选择最能满足所述馈能阻尼力的充电电压，由控制单元控制相应可控开关的接通与断开，按照对电压最小的蓄电池或对电压之和最小的2个相邻串联蓄电池优先充电的原则对蓄电池进行充电；3）充电时，与馈能控制电路相接的馈能电机定子中有电流流过产生磁场，该磁场作用于馈能电机转子，使馈能电机转子上作用来自于馈能电机定子的馈能阻尼力矩，该馈能阻尼力矩通过行星齿轮升速机构传递滚珠丝杆，而使滚珠丝杆与滚珠螺母上在铅垂方向上分别作用馈能阻尼力及其反力，滚珠丝杆上的馈能阻尼力传递到簧载质量上，其反力传递到车轮质量上。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1）本发明为馈能电机增设至少一级行星齿轮升速机构，可避免使用低效小导程的螺母滚珠丝杠机构，可采用大导程的螺母-滚珠丝杠机构；在悬架运动速度范围内，增大输入发电机的转速，可使馈能电机选择在效率最高的转速范围内工作，进而提高电磁馈能型半主动悬架的能量转化效率和减小发电机的体积。

2）采用至少一级行星齿轮升速机构后，相对于悬架运动速度来说，可缩小电磁馈能阻尼力发生器馈能阻尼力为0的速度死区范围，并增大特定速度下作用在悬架簧载质量和车轮质量上的馈能阻尼力。

3）本发明将原有电压固定的蓄电池分为2个以上的多个蓄电池来提供多个不同电压的蓄电池（或蓄电池组）充电，这多个蓄电池（或蓄电池组）电压小于等于原有电压固定的蓄电池的电压，因而可进一步缩小电磁馈能阻尼力发生器馈能阻尼力为0的速度死区范围，有利于在悬架运动速度范围内更好地对悬架实施更有效的控制来提高悬架的使用性能。

4）本发明可根据控制单元计算出使悬架性能最优的馈能阻尼力后控制馈能电机对多个蓄电池选择单独充电、串联充电或不充电，即在车辆常用行驶工况下根据减振需要实时地改变馈能电机的充电电压，可实现对电磁馈能阻尼力发生器的馈能阻尼进行实时分级控制。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，：

图1是本发明在电磁馈能型半主动悬架运用的结构及控制原理示意图；

图2是图1中电磁馈能阻尼力发生器4的结构放大示意图；

图3是图1中馈能控制电路6的控制原理图；

图中：1.簧载质量；2. 簧载质量加速度传感器；3.转速传感器；4.电磁馈能阻尼力发生器；5.控制单元；6.馈能控制电路；7.车轮质量；8.车轮质量加速度传感器；9.轮胎等效弹簧；10.悬架弹簧；11.上吊耳；12.齿圈；13.行星架；14.螺母-滚珠丝杠机构保护套；15.滚珠螺母；16.下吊耳；17.下工作缸；18.滚珠丝杠；19.太阳轮；20.馈能电机外壳；21.行星齿轮；22.馈能电机定子；23. 馈能电机转子；24.第一电压表；25.第二二极管；26.第一二极管；27.第一可控开关；28.第二可控开关；29.第三可控开关；30.第四可控开关；31.第五可控开关；32.第六可控开关；33.第四电压表；34.第三蓄电池；35.第三电压表；36.第二蓄电池；37.第一蓄电池；38.第二电压表；39.第四二极管关；40.第三二极管。

具体实施方式

如图1所示，本发明所运用于的电磁馈能型半主动悬架的结构和控制系统为；在铅垂方向上（与悬架运动相关的所有物理量的方向都是在铅垂方向上），车轮质量7与轮胎等效弹簧9组成车轮，车轮位于簧载质量1的下方，车轮与簧载质量1之间并联有悬架弹簧10与电磁馈能阻尼力发生器4，车轮直接与地面相互作用而使悬架产生振动；在簧载质量1上固定设有簧载质量加速度传感器2，在车轮质量7上固定设有车轮质量加速度传感器8，电磁馈能阻尼力发生器4上设有转速传感器3；簧载质量加速度传感器2、车轮质量加速度传感器8、转速传感器3各自通过信号线连接于控制单元5，电磁馈能阻尼力发生器4的两输出导线连接于馈能控制电路6，馈能控制电路6与控制单元5有多根控制线和多根信号线连接。

如图2所示，电磁馈能阻尼力发生器4最上部是上吊耳11，上吊耳11固定连接上部簧载质量1和下部的馈能电机外壳20，使电磁馈能阻尼力发生器4上端通过上吊耳11连接簧载质量1。馈能电机外壳20内设置馈能电机和行星齿轮升速机构，在馈能电机上设置转速传感器3。馈能电机下部的输入端连接行星齿轮升速机构，行星齿轮升速机构下部的输入端连接滚珠丝杠18的上端，滚珠丝杠18与滚珠螺母15相配合，滚珠螺母15固定设置在下工作缸17的上端面上，滚珠丝杠18的下部伸入到下工作缸17内部，组成螺母-滚珠丝杠机构。下工作缸17的下端面连接下吊耳16，下吊耳16固定连接车轮质量7，使电磁馈能阻尼力发生器4下端通过下吊耳16固定连接车轮质量7。

馈能电机包括馈能电机定子22和馈能电机转子23，馈能电机定子22固定于馈能电机外壳20上，馈能电机转子23与馈能电机定子22同轴且位于馈能电机定子22的中间。行星齿轮升速机构包含齿圈12、行星架13、太阳轮19及行星齿轮21，齿圈12、行星架13、太阳轮19三者同轴，在径向上从内到外依次分布太阳轮19、行星架13和齿圈12，在太阳轮19与齿圈12间设有多个行星齿轮21，多个行星齿轮21的轴固结在一起组成行星架13，齿圈12与馈能电机外壳20固定连接。太阳轮19的输出轴与馈能电机转子23的输入轴同轴并且太阳轮19的输出轴上端固定连接馈能电机转子23的输入轴下端，行星架13中心与滚珠丝杠18中心同轴，行星架13的输入端与滚珠丝杠18的上端相连。

在滚珠丝杠18外套一个螺母-滚珠丝杠机构保护套14，螺母-滚珠丝杠机构保护套14的上端与馈能电机外壳20相接，下端与下工作缸17相接。

如图3中所示，馈能控制电路6包括多个电压表、多个可控开关、多个蓄电池及连接导线。电磁馈能阻尼力发生器4通过两输出导线的CC与DD接线柱并联第一电压表24。AA接线柱通过第一可控开关27、第三可控开关29、第五可控开关31分别连接于第一蓄电池37、第二蓄电池36、第三蓄电池34的正极，BB接线柱通过第二可控开关28、第四可控开关30、第六可控开关32分别连接于第一蓄电池37、第二蓄电池35、第三蓄电池34的负极。在第一蓄电池37正负两极间并联第二电压表38，在第二蓄电池36正负两极间并联第三电压表35，在第三蓄电池34正负两极间并联第四电压表33。AA接线柱通过第一二极管26、第四二极管39分别连接电磁馈能阻尼力发生器4的CC与DD接线柱，第一二极管26、第四二极管39只允许电流由CC与DD接线柱单向流向AA接线柱。BB接线柱通过第二二极管25、第三二极管40分别连接电磁馈能阻尼力发生器4的CC与DD接线柱，第二二极管25、第三二极管40只允许电流由BB接线柱流向CC与DD接线柱。

上述四个电压表均通过信号线与控制单元5相连，并向控制单元5输出各自检测到的电压信号，上述六个可控开关均通过控制线与控制单元5相连。

在铅垂方向上滚珠螺母15通过下工作缸17和下吊耳16连接于车轮，且滚珠螺母15相对于车轮在铅垂方向上没有位置变化和旋转运动；滚珠丝杆18与馈能电机转子23固定连接，滚珠丝杆18相对馈能电机定子22与馈能电机外壳20在铅垂方向上无位置变化，但在旋转方向上有位置变化，馈能电机外壳20通过上吊耳11与簧载质量1固定连接，即滚珠丝杆18相对簧载质量1在铅垂方向上无位置变化，但在旋转方向上有位置变化。

在车辆行驶时，路面不平度对由车轮质量7和轮胎等效弹簧8组成的车轮产生冲击，从而引起车轮振动，车轮振动使得车轮与簧载质量1之间的相对位置发生改变，该相对位置的改变一方面使悬架弹簧10发生实时变形而使车轮与簧载质量1存在弹簧作用力，该相对位置的改变另一方面使在铅垂方向上相对于簧载质量1位置固定不变的滚珠丝杆18与在铅垂方向上相对于车轮位置固定不变的滚珠螺母15产生相对直线运动，促使滚珠丝杆18产生转动，滚珠丝杆18的转动带动行星齿轮升速机构动作，对滚珠丝杆18的转速升高，升高的转速传递到馈能电机转子23。馈能电机转子23转动时，使馈能电机定子22产生感生电动势而对馈能控制电路6输出电能，同时产生馈能阻尼力矩，该馈能阻尼力矩通过行星齿轮升速机构传递到滚珠丝杆18，滚珠丝杆18与滚珠螺母15将该馈能阻尼力矩转化成铅垂方向上的作用力分别传递到簧载质量1和车轮，该力即为车轮振动使得车轮与簧载质量1之间的相对位置发生改变通过电磁馈能阻尼力发生器4产生馈能阻尼力。此外，簧载质量加速度传感器2、转速传感器3、车轮质量加速度传感器8在上述振动存在时会检测到实时变化的簧载质量加速度、馈能电机转子23的转速、车轮质量加速度等信号，并将上述信号传递给控制单元5。

由控制单元5根据簧载质量加速度传感器2、转速传感器3、车轮质量加速度传感器8和第一电压表24的输入信号判断悬架减振需要的馈能阻尼力大小。当控制单元5判断悬架需要的馈能阻尼力为0时，控制单元5控制所有的可控开关均断开；当控制单元5判断悬架需要的馈能阻尼力非0时，根据馈能阻尼力大小，据此在1个蓄电池的电压、2个相邻蓄电池串联的电压及3个蓄电池串联的电压中选择最能满足所述馈能阻尼力的充电电压，由控制单元5控制相应可控开关的接通与断开，按照对电压最小的蓄电池或对电压之和最小的2个相邻串联蓄电池优先充电的原则对蓄电池进行充电。控制单元5控制相关可控开关的接通与断开，使馈能电机定子22对具体的蓄电池充电形成完整馈能电路，馈能电机定子22中有电流流过而产生磁场，该磁场对馈能电机转子23的磁场相互作用，使馈能电机转子23被作用来自馈能电机定子22的馈能阻尼力矩，该馈能阻尼力矩通过行星齿轮升速机构传递滚珠丝杆18，滚珠丝杆18与滚珠螺母15在上述馈能阻尼力矩的作用下，在铅垂方向上产生作用在滚珠丝杆18与滚珠螺母15上的一对馈能阻尼力及其反力，滚珠丝杆18上的馈能阻尼力大小不变地传递到簧载质量1上，其反力大小不变地传递到车轮上，上述馈能阻尼力及反力分别作用于簧载质量1和车轮，从而获得更好的悬架使用性能。

例如：当控制单元5判断电磁馈能阻尼力发生器4对1个蓄电池单独充电时，馈能阻尼力可使悬架性能最优，控制单元5控制对电压最小的蓄电池充电，例如：对电压最小的第一蓄电池37充电，控制单元5则控制AA接线柱联接第一蓄电池37正极、BB接线柱联接第一蓄电池37负极的第一可控开关27、第二可控开关28接通，控制第三可控开关29、第四可控开关30、第五可控开关31、第六可控开关32断开，对其他蓄电池单独充电的控制方法与对第一蓄电池37的控制方法雷同。

当控制单元5根据簧载质量加速度传感器2、转速传感器3、车轮质量加速度传感器8、第一电压表24的输入信号判断电磁馈能阻尼力发生器4对2个蓄电池串联充电时，馈能阻尼力可使悬架性能最优，控制单元5则控制对2个相邻电压和最小的2个蓄电池串联充电，如果对第一蓄电池37和第二蓄电池36串联充电，控制单元5则控制AA接线柱联接第一蓄电池37的正极、BB接线柱联接第二蓄电池36的负极的第一可控开关27、第四可控开关30接通，控制第二可控开关28、第三可控开关29、第五可控开关31和第六可控开关32断开，对第二蓄电池36和第三蓄电池34串联充电的方法与对第一蓄电池37和第二蓄电池36串联充电控制方法雷同。

当控制单元5根据簧载质量加速度传感器2、转速传感器3、车轮质量加速度传感器8、第一电压表24的输入信号判断电磁馈能发生器4对3个蓄电池串联充电时，馈能阻尼力可使悬架性能最优，控制单元5则控制对第一蓄电池37、第二蓄电池36、第三蓄电池34串联充电，控制单元5则控制AA接线柱联接第一蓄电池37正极、BB接线柱联接第三蓄电池34负极的第一可控开关27和第六可控开关32接通，控制第二可控开关28、第三可控开关29、第四可控开关30和第五可控开关31断开。

本发明将电压固定不变的蓄电池改造为可提供3种不同电压充电的蓄电池组，为电磁馈能型半主动悬架提供四种不同的馈能阻尼，其中有2种电压小于原蓄电池电压，充电电压减小，馈能电机输出电压与充电电压的差值增大，导致馈能电机馈能阻尼力矩为0的转速死区范围减小。

在某一具体的悬架运动速度或馈能电机输入转速，控制单元5对馈能控制电路实施控制可获取上述4种不同电压的充电状态，此时电机可输出4种不同的馈能阻尼力，即具体转速下电机的馈能阻尼力可实现4级分级控制；对于所有的悬架运动速度，则可实现对电磁馈能型半主动悬架的馈能阻尼实现分四级的实时控制。

本发明仅以一级行星齿轮升速机构和可对3个蓄电池选择充电的实施例说明，当本发明采用一级以上的行星齿轮升速机构时，可参照图2，将各级行星齿轮升速机构相串接。当本发明采用3个以上蓄电池时，可参见图3，在AA和BB接线柱之间再连接多个蓄电池、相应数量的电压表以及相对应的控制开关。其控制方法与采用一级行星齿轮升速机构和3个蓄电池的控制方法雷同。

Claims (3)

1.一种电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置，具有电磁馈能阻尼力发生器（4）和控制单元（5），电磁馈能阻尼力发生器（4）和悬架弹簧（10）并接于车轮与簧载质量（1）之间，簧载质量（1）上设有簧载质量加速度传感器（2），电磁馈能阻尼力发生器（4）具有馈能电机和螺母-滚珠丝杠机构，馈能电机上设有转速传感器（3），控制单元（5）分别连接簧载质量加速度传感器（2）、车轮质量加速度传感器（8）和转速传感器（3），其特征是：电磁馈能阻尼力发生器（4）通过馈能控制电路（6）连接控制单元（5），馈能电机下部输入端连接行星齿轮升速机构，行星齿轮升速机构下部输入端连接滚珠丝杠（18）上端；馈能控制电路（6）包括电压表、可控开关和蓄电池；电磁馈能阻尼力发生器（4）通过CC与DD接线柱并接第一电压表（24）；AA接线柱通过第一、第四二极管（26、39）分别连接CC、DD接线柱，BB接线柱通过第二、第三二极管（25、40）分别连接CC与DD接线柱；AA接线柱通过第一、第三、第五可控开关（27、29、31）分别连接第一、第二、第三蓄电池（37、36、34）的正极，BB接线柱通过第二、第四、第六可控开关（28、30、32）分别连接于第一、第二、第三蓄电池（37、36、34）的负极；第一、第二、第三蓄电池（37、36、34）正负两极分别并联第二、第三、第四电压表（38、35、33）；4个所述电压表及6个所述可控开关均与控制单元（5）相连。

2.根据权利要求1所述的电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置，其特征是：所述行星齿轮升速机构包括在径向上从内到外依次分布且同轴的太阳轮（19）、行星架（13）和齿圈（12），太阳轮（19）与齿圈（12）间设有多个行星齿轮（21）；所述馈能电机包括馈能电机定子（22）和与馈能电机定子（22）同轴且位于馈能电机定子（22）中间的馈能电机转子（23）；所述太阳轮（19）的输出轴与馈能电机转子（23）的输入轴同轴相连接；所述行星架（13）的输入端与滚珠丝杠（18）上端相连接。

3.一种如权利要求1所述电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置的控制方法，其特征是具有如下步骤：

1）由控制单元（5）根据簧载质量加速度传感器（2）、转速传感器（3）、车轮质量加速度传感器（8）和第一电压表（24）的输入信号判断悬架减振需要的馈能阻尼力大小；

2）当控制单元（5）判断悬架需要的馈能阻尼力为0时，控制单元（5）控制所有的可控开关均断开；当控制单元（5）判断悬架需要的馈能阻尼力为非0时，根据馈能阻尼力大小，在1个蓄电池的电压、2个相邻蓄电池串联的电压及3个蓄电池串联的电压中选择最能满足所述馈能阻尼力的充电电压，由控制单元（5）控制相应可控开关的接通与断开，按照对电压最小的蓄电池或对电压之和最小的2个相邻串联蓄电池优先充电的原则对蓄电池进行充电；

3）充电时，与馈能控制电路（6）相接的馈能电机定子（22）中有电流流过产生磁场，该磁场作用于馈能电机转子（23），使馈能电机转子（23）上作用来自于馈能电机定子（22）的馈能阻尼力矩，该馈能阻尼力矩通过行星齿轮升速机构传递滚珠丝杆（18），使滚珠丝杆（18）与滚珠螺母（15）上在铅垂方向上分别作用馈能阻尼力及其反力，滚珠丝杆（18）上的馈能阻尼力传递到簧载质量（1）上，其反力传递到车轮质量（7）上。