CN107599775B - 滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，包括作动器本体和作动器控制系统，作动器本体包括上壳体、下壳体、丝杠轴、第一传动轴、第二传动轴、输出轴、直流无刷电机、滚珠丝杠、丝杠固定螺母、丝杠轴齿轮、第一传动轴第一齿轮、第一传动轴棘轮、第一传动轴第二齿轮、第二传动轴齿轮、输出轴第一齿轮、输出轴第二齿轮、丝杠螺母和十字连接器；作动器控制系统包括作动器控制器、计算机、车辆速度传感器、路面不平度位移传感器、非簧载质量位移传感器、簧载质量位移传感器和作动器速度传感器；本发明还公开了一种滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器的控制方法。本发明避免了大量的惯量损失，提高了馈能效率，工作稳定性和可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于汽车悬架系统技术领域，具体涉及一种滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器及其控制方法。
背景技术
车辆在行驶过程中，由于路面不平度等会造成车辆簧载质量与非簧载质量之间产生相对位移，从而导致车辆产生振动。而悬架系统是决定车辆运行动态性能的关键部件，它决定了车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性。传统的被动悬架由于刚度阻尼等参数是固定不变的，因此汽车减振效果受到极大的限制，不能随路面激励变化而适时改变悬架减振性能，半主动悬架可以改变刚度或者阻尼，所以能使汽车在不同道路状态和行驶速度下达到较好性能，这就使汽车行驶平顺性和乘坐舒适性得到了提高，因此半主动悬架与被动悬架相比有更好的减振效果，越来越受到人们的广泛关注，但传统的半主动悬架需要消耗大量的能量，高能耗一直是限制其在市场上推广的主要因素之一，而馈能型半主动悬架为解决这一问题提供了科学的方法。
滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器是采用机械装置将直线运动转变为旋转运动的能量回收系统，摩擦损失很小，工作可靠。但是，现有技术中的普通滚珠丝杠式结构会使发电机不停正反转，不仅会造成大量的惯性损失，系统馈能效率低，而且会缩短发电机的使用寿命，系统可靠性差。例如，申请号为201410650452.4的中国发明专利公开的“机械可变惯容系数的滚珠丝杠式惯容器”中所涉及的滚珠丝杠式减震器，其主要是通过机械结构来减缓路面的瞬时冲击，但是一经加工制造，其各种参数就一经确定，无法根据不同路况和不同车型调节参数，存在一定局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、设计新颖合理、实现方便且成本低、避免了大量的惯量损失、提高了馈能效率、能够提高该悬架作动器的工作稳定性和可靠性高、实用性强、使用效果好、便于市场推广的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：包括作动器本体和作动器控制系统，所述作动器本体包括上壳体和下壳体，所述上壳体内设置有丝杠轴、第一传动轴、第二传动轴和输出轴，所述上壳体的顶部设置有上壳体盖，所述上壳体盖上嵌入安装有用于支撑安装丝杠轴的丝杠轴轴承、用于支撑安装第一传动轴的第一传动轴上端轴承、用于支撑安装第二传动轴的第二传动轴轴承和用于支撑安装输出轴的输出轴轴承，所述上壳体的底部嵌入安装有位于丝杠轴轴承下方的固定支撑座和位于第一传动轴上端轴承下方的第一传动轴下端轴承，所述上壳体的底部固定连接有直流无刷电机，所述直流无刷电机的电机轴穿入上壳体内，所述下壳体内设置有滚珠丝杠；所述丝杠轴的上端安装在丝杠轴轴承内且穿出上壳体盖顶部连接有上吊耳，所述丝杠轴的下端穿过设置在固定支撑座上的轴孔与滚珠丝杠的上端固定连接，所述丝杠轴上安装有位于固定支撑座顶部且用于限制丝杠轴轴向运动的丝杠固定螺母，所述第一传动轴的上端安装在第一传动轴上端轴承内，所述第一传动轴的下端安装在第一传动轴下端轴承内，所述第二传动轴的上端安装在第二传动轴轴承内，所述输出轴的上端安装在输出轴轴承内，所述输出轴的下端通过联轴器与电机轴连接；所述丝杠轴上连接有丝杠轴齿轮，所述第一传动轴上连接有第一传动轴第一齿轮和第一传动轴棘轮，所述第一传动轴棘轮上套装有与丝杠轴齿轮相啮合的第一传动轴第二齿轮，所述第二传动轴上连接有与第一传动轴第一齿轮相啮合的第二传动轴齿轮，所述输出轴上连接有输出轴棘轮和与第二传动轴齿轮相啮合的输出轴第一齿轮，所述输出轴棘轮上套装有与第一传动轴第二齿轮相啮合的输出轴第二齿轮；所述滚珠丝杠上连接有丝杠螺母，所述丝杠螺母固定连接在下壳体的上部，所述滚珠丝杠上套装有位于丝杠螺母上部的减震橡胶垫，所述下壳体的下部固定连接有十字连接器；所述作动器控制系统包括作动器控制器和与作动器控制器相接的计算机，以及电能存储电路和安装在车辆上且用于对车速进行实时检测的车辆速度传感器；所述作动器控制器的输入端还接有用于对路面不平度进行实时检测的路面不平度位移传感器、用于对非簧载质量位移进行实时检测的非簧载质量位移传感器和用于对簧载质量位移进行实时检测的簧载质量位移传感器，以及用于对悬架作动器的运动速度进行实时检测的作动器速度传感器；所述非簧载质量位移传感器固定连接在十字连接器的下端，所述非簧载质量位移传感器的下端固定连接有下吊耳；所述电能存储电路包括依次连接的整流器、第一DC-DC升压模块、第一MOS开关触发驱动模块、超级电容组、第二MOS开关触发驱动模块、第二DC-DC升压模块和蓄电池，所述整流器的输入端与直流无刷电机的输出端连接，所述超级电容组的输出端接有用于对超级电容组的输出电压进行实时检测的超级电容电压传感器，所述蓄电池的输出端接有用于对蓄电池的输出电压进行实时检测的蓄电池电压传感器，所述超级电容电压传感器的输出端和蓄电池电压传感器的输出端均与作动器控制器的输入端连接，所述第一MOS开关触发驱动模块和第二MOS开关触发驱动模块均与作动器控制器的输出端连接。
上述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述上壳体盖通过上壳体固定螺栓固定连接在上壳体的顶部，所述固定支撑座通过固定支撑座固定螺栓与上壳体固定连接，所述直流无刷电机通过电机固定螺栓与上壳体的底部固定连接，所述丝杠螺母通过丝杠螺母固定螺栓固定连接在下壳体的上部，所述十字连接器通过十字连接器固定螺栓固定连接在下壳体的下部。
上述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述丝杠轴齿轮通过内花键固定连接在丝杠轴上，所述第一传动轴第一齿轮和第一传动轴棘轮均通过内花键固定连接在第一传动轴上，所述输出轴第一齿轮和输出轴棘轮均通过内花键固定连接在输出轴上。
上述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述丝杠轴齿轮的齿数为80，分度圆直径为80mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm，齿轮深度为2.25mm；所述第一传动轴第一齿轮齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述第一传动轴第二齿轮的齿数为50，分度圆直径为50mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述输出轴第二齿轮的齿数为40，分度圆直径为40mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述输出轴第一齿轮的齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述第二传动轴齿轮的齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm。
上述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述超级电容组由四个容值为120F、电压为2.7V的超级电容串联得到。
上述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述非簧载质量位移传感器的上端通过从上到下依次设置的位移传感器上端固定螺母和位移传感器上端紧固螺母与十字连接器的下端固定连接，所述非簧载质量位移传感器的下端通过从上到下依次设置的位移传感器下端固定螺母和位移传感器下端紧固螺母与下吊耳的上端固定连接；所述非簧载质量位移传感器的侧面设置有非簧载质量位移传感器总线接口。
上述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述作动器控制器为ARM微控制器。
本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、能够使悬架作动器处于最佳的减震状态、提高了馈能效率、有助于延长直流无刷电机的使用寿命，提高了悬架作动器工作的可靠性、实用性强、使用效果好的滚珠丝杠式自供能半主动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、检测数据采集：当车轮受到路面冲击产生垂向作用力且悬架作动器处于伸张行程时，所述下壳体与丝杠螺母垂直向下平动，所述滚珠丝杠顺时针旋转，所述丝杠轴与丝杠轴齿轮也顺时针旋转，所述第一传动轴第二齿轮逆时针旋转，第一传动轴第二齿轮与第一传动轴棘轮空转，不传输动力，输出轴棘轮顺时针旋转，带动输出轴和输出轴第二齿轮顺时针旋转，则电机轴顺时针旋转，同时输出轴和输出轴第一齿轮顺时针旋转，第二传动轴齿轮和第二传动轴逆时针旋转，第一传动轴第一齿轮和第一传动轴顺时针旋转，与第一传动轴棘轮转向相反，则第一传动轴棘轮仍然空转；当车轮受到路面冲击产生垂向作用力且悬架作动器处于压缩行程时，所述下壳体与丝杠螺母垂直向上平动，所述滚珠丝杠逆时针旋转，所述丝杠轴与丝杠轴齿轮也逆时针旋转，所述第一传动轴第二齿轮顺时针旋转，输出轴第二齿轮逆时针空转，不传输动力，而第一传动轴第二齿轮会带动第一传动轴棘轮、第一传动轴和第一传动轴第一齿轮顺时针转动，第二传动轴与第二传动轴齿轮逆时针旋转，输出轴第一齿轮顺时针旋转，输出轴顺时针旋转，电机轴顺时针旋转，此时输出轴第二齿轮与输出轴棘轮仍然空转；以上两种情况下，所述车辆速度传感器对车速进行实时检测，安装在车辆左侧前轮的悬架作动器和安装在车辆右侧前轮的悬架作动器中的路面不平度位移传感器对路面不平度进行实时检测，非簧载质量位移传感器对非簧载质量位移进行实时检测，簧载质量位移传感器对簧载质量位移进行实时检测，作动器速度传感器对悬架作动器的运动速度进行实时检测；所述作动器控制器分别对车速、车辆左侧前轮处路面输入位移zrf、车辆右侧后轮处路面输入位移zrr、车辆左侧前轮非簧载质量位移zwf、车辆右侧前轮非簧载质量位移zwr、车辆左侧前轮簧载质量位移zbf、车辆左侧前轮簧载质量位移zbr、安装在车辆左侧前轮的悬架作动器的运动速度uaf和安装在车辆左侧后轮的悬架作动器的运动速度uar进行周期性采样并传输给计算机；
步骤二、建立系统状态方程，具体过程为：
步骤201、所述计算机建立二分之一车辆模型运动方程为：
其中，为车辆左侧前轮簧载质量垂向加速度、mb为簧载质量，Ib为车身转动惯量，a为车辆前轴到质心的距离，b为车辆后轴到质心的距离，Ksf为车辆前悬架的刚度，Ksr为车辆后悬架的刚度；mwf为车辆左侧前轮的非簧载质量，为车辆左侧前轮非簧载质量垂向加速度，Ktf为车辆左侧前轮的刚度；为车辆左侧前轮簧载质量垂向加速度，mwr为车辆左侧后轮的非簧载质量，为车辆左侧后轮非簧载质量垂向加速度，Ktr为车辆左侧后轮的刚度；
步骤202、所述计算机定义二分之一车辆模型的状态变量为将二分之一车辆模型运动方程改写为状态方程形式：
其中，为车辆左侧前轮簧载质量垂向速度，车辆左侧前轮簧载质量垂向速度，为车辆左侧前轮非簧载质量垂向速度，为车辆左侧后轮非簧载质量垂向加速度，u为悬架作动器的运动速度变量且u＝[uaf uar]T，x0为车轮处路面输入位移变量且A为与车辆模型的状态变量有关的常数矩阵且B为与悬架作动器的运动速度变量有关的常数矩阵且F为与车轮处路面输入位移变量有关的常数矩阵且ks为车辆悬架的刚度且ks的取值为Ksf或Ksr，cs为车辆悬架的阻尼，ms为车身质量，ku为轮胎刚度且ku的取值为Ktf或Ktr，mu为车辆的非簧载质量且mu的取值为mwf或mwr；
步骤203、所述计算机定义在任一i时刻车速vi下，预瞄距离Li与车速vi的比值为第i个预瞄点的预瞄时间ti，用公式表示为：
其中，Li的取值范围为0＜Li≤a+b，i的取值为1～n的自然数，n为所述作动器控制器的采样总次数；
步骤204、所述计算机将第i个预瞄点处的路面输入位移zi与车辆右侧后轮处路面输入位移zrr的Laplace函数关系式表示为：
并将e-tis的Pade近似计算表示为：
再取二阶Pade近似计算，并在预瞄时间不为0时，将公式(F8)的分子、分母同时除以得到：
其中，ai0和ai1均为系数且
再将公式(F9)改写为：
[zrr(s)-zi(s)][ai0+ai1s+s2]＝-2ai1szi(s) (F10)
步骤205、所述计算机定义zrr(s)-zi(s)＝yi(s)，b1＝-2ai1，代入公式(F10)后再进行反拉氏变换得到：
再定义状态变量为：
ηi1＝yi-β0zt＝yt
β0＝0
β1＝b1-ai1β0＝b1
并代入公式(F11)，将第i个预瞄点的状态方程(F11)改写为：
其中，
根据公式(F12)得到n个预瞄点的状态方程为:
其中，xp＝[z1z2 … zn]T，η＝[η11 η12 η21 η22 … ηn1 ηn2]T；
步骤206、所述计算机定义车轮处路面输入位移变量为：
其中，Dη和Eη均为常数矩阵且 λi为第i个预瞄点的加权系数且λ1+λ2+...+λn＝1，n为预瞄点的总数量；
步骤207、将公式(F14)代入公式(F5)得到系统状态方程为：
步骤三、对悬架作动器进行控制，具体过程为：
步骤301、所述计算机定义q1为代表乘坐舒适性的簧载质量位移加权系数，定义q2为影响车身姿态且与结构设计和布置有关的悬架动行程加权系数，定义q3为代表操作稳定性的轮胎动位移加权系数，并定义LQR控制器设计的性能指标为：
其中，zw为非簧载质量位移且zw的取值为zwf或zwr，zr为路面输入位移且zr的取值为zrf或zrr，zb为簧载质量位移且zb的取值为zbf或zbr，为簧载质量垂向加速度且的取值为或
302、所述计算机将系统状态方程(F15)带入公式(F16)中得到：
其中，
步骤303、所述计算机调用MATLB中的线性二次最优控制器设计函数[K,S,E]＝lpr(A,B,Q,R,N)进行最优悬架作动器控制器的设计，并采用遗传算法对线性二次最优控制器中的加权系数q1、q2、q3进行多目标优化，获得最优反馈增益矩阵K；
步骤304、所述计算机根据公式Ua＝-Kx求得最优控制力Ua；
步骤305、所述计算机根据公式计算得到直流无刷电机的外接电阻R外的大小，从而通过改变直流无刷电机的外接电阻的大小来提供半主动控制力；其中，r为直流无刷电机的内阻，η′为悬架作动器的传递效率，ke为直流无刷电机的反电动势系数，l为滚珠丝杠的导程，为簧载质量垂向速度且取值为或为非簧载质量垂向速度且取值为或n*为齿轮组的传动速度，当悬架作动器处于压缩行程时当悬架作动器处于伸张行程时z1为丝杠轴齿轮的齿数，z2为第一传动轴第一齿轮的齿数，z3为第一传动轴第二齿轮的齿数，z4为输出轴第二齿轮的齿数，z5为输出轴第一齿轮的齿数，z6为第二传动轴齿轮的齿数；
步骤306、所述悬架作动器在半主动控制力的作用下，实现自供能，具体过程为：当电机轴旋转以后，直流无刷电机会由于感应电动势产生交流电，此时首先经过整流器对电流进行整流、滤波，使其成为稳定的直流电，然后接通第一DC-DC升压模块，将电压升高至9.5V，此时接入第一MOS开关触发驱动模块用于控制电路通断，然后接入超级电容组，对电压进行临时存储，再接入第二MOS开关触发驱动模块用来控制电路通断，再接入第二DC-DC升压模块，进行第二次生升压，此时将电压升高到14.4V，接入蓄电池进行充电；超级电容电压传感器会检测超级电容组的电压并将检测到的信号输出给作动器控制器，当超级电容组处于未充满状态时，作动器控制器控制第一MOS开关触发驱动模块开通，第二MOS开关触发驱动模块阻断，电路只给超级电容组充电，当超级电容充满电时，作动器控制器控制第一MOS开关触发驱动模块阻断，第二MOS开关触发驱动模块导通，此时由超级电容组向蓄电池充电，完成能量回收，回收的能量能够为悬架作动器功能。
上述的方法，其特征在于：步骤303中所述计算机采用遗传算法对线性二次最优控制器中的加权系数q1、q2、q3进行多目标优化，获得最优反馈增益矩阵K的具体过程为：
步骤3031、由公式(F15)得到种群并定义遗传算法的适应度函数为：
min L[BA(X),SWS(X),DTD(X)] (F18)
其中，X＝(q1,q2,q3)，BA(X)为簧载质量垂向加速度的均方根值且SWS(X)为悬架动行程的均方根值且SWS(X)＝zb-zw，DTD(X)为车辆轮胎动位移的均方根值且DTD(X)＝zw-zr；
步骤3032、在取值范围0.1＜qr＜106(r＝1,2,3)内，给q1、q2、q3赋初值，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3033、对q1、q2、q3进行遗传变异保留精英，并且进行交叉变异，重新产生新的子代种群，再次赋值给q1、q2、q3，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3034、判断当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)是否均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)，当当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)时，获得最优反馈增益矩阵K；否则，对q1、q2、q3进行遗传变异保留精英，并且进行交叉变异，重新产生新的子代种群，再次赋值给q1、q2、q3，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3035、重复步骤3034，直至当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)，获得最优反馈增益矩阵K。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器的结构紧凑，设计新颖合理，实现方便且成本低。
2、本发明滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器能够将滚珠丝杠的双向转动转变为电机轴的单向旋转发电，避免了大量的惯量损失，提高了馈能效率，延长了直流无刷电机的使用寿命，能够提高该悬架作动器的工作稳定性和可靠性高，同时能够增大直流无刷电机轴转速，大大提高了能量回收能力。
3、本发明的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，在满足能量平衡条件下能够实现自供能，为解决传统的半主动悬架需要消耗大量的能量的问题提供了科学的方法。
4、本发明滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器的工作稳定性和可靠性高，不易发生故障，无需经常维护维修。
5、本发明的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器使用时，当作动器控制系统发生故障时，滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器工作在被动模式，它与传统的普通悬架实现的功能相同，其阻尼力为滚珠丝杠阻尼力与直流无刷电机的内阻，能够防止作动器控制系统失效造成减振系统瘫痪而恶化车辆行驶平顺性和操作稳定性。
6、本发明的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器的控制方法，提出了一种新型的基于预瞄控制的遗传LQR控制算法，首先进行预瞄控制得到种群再采用遗传算法对线性二次最优控制器中的加权系数q1、q2、q3进行多目标优化，获得最优反馈增益矩阵K，然后得到最优控制力Ua，方法步骤简单，实现方便，能够使悬架作动器处于最佳的减震状态，提高了馈能效率，有助于延长直流无刷电机的使用寿命，提高了悬架作动器工作的可靠性。
7、本发明的实用性强，使用效果好，便于市场推广。
综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便且成本低，避免了大量的惯量损失，提高了馈能效率，能够提高该悬架作动器的工作稳定性和可靠性高，实用性强，使用效果好，便于市场推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器的结构示意图。
图2为本发明作动器控制系统的电路原理框图。
图3为本发明滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器的控制方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—上吊耳； 2—丝杠轴； 3—丝杠轴轴承；
4—上壳体盖； 5—第一传动轴上端轴承； 6—第一传动轴第一齿轮；
7—第一传动轴； 8—第二传动轴轴承； 9—第二传动轴；
10—第二传动轴齿轮； 11—输出轴轴承； 12—输出轴第一齿轮；
13—输出轴； 14—上壳体固定螺栓； 15—第一传动轴棘轮；
16—第一传动轴第二齿轮； 17—输出轴棘轮； 18—输出轴第二齿轮；
19—第一传动轴下端轴承； 20—联轴器； 21—电机轴；
22—电机固定螺栓； 23—直流无刷电机； 24—直流无刷电机总线接口；
25—十字连接器； 26—十字连接器固定螺栓；
27—位移传感器上端固定螺母； 28—位移传感器上端紧固螺母；
29—非簧载质量位移传感器； 30—非簧载质量位移传感器总线接口；
31—位移传感器下端固定螺母； 32—位移传感器下端紧固螺母；
33—下吊耳； 34—滚珠丝杠； 35—下壳体；
36—丝杠螺母； 37—丝杠螺母固定螺栓； 38—减震橡胶垫；
39—固定支撑座； 40—固定支撑座固定螺栓； 41—丝杠固定螺母；
42—丝杠轴齿轮； 43—上壳体； 44—整流器；
45—第一DC-DC升压模块； 46—第一MOS开关触发驱动模块；
47—超级电容组； 48—超级电容电压传感器；
49—第二MOS开关触发驱动模块； 50—第二DC-DC升压模块；
51—蓄电池； 52—蓄电池电压传感器； 53—作动器控制器；
54—车辆速度传感器； 55—路面不平度位移传感器；
56—簧载质量位移传感器； 57—作动器速度传感器；
58—计算机。
具体实施方式
本发明的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，包括作动器本体和作动器控制系统，如图1所示，所述作动器本体包括上壳体43和下壳体35，所述上壳体43内设置有丝杠轴2、第一传动轴7、第二传动轴9和输出轴13，所述上壳体43的顶部设置有上壳体盖4，所述上壳体盖4上嵌入安装有用于支撑安装丝杠轴2的丝杠轴轴承3、用于支撑安装第一传动轴7的第一传动轴上端轴承5、用于支撑安装第二传动轴9的第二传动轴轴承8和用于支撑安装输出轴13的输出轴轴承11，所述上壳体43的底部嵌入安装有位于丝杠轴轴承3下方的固定支撑座39和位于第一传动轴上端轴承5下方的第一传动轴下端轴承19，所述上壳体43的底部固定连接有直流无刷电机23，所述直流无刷电机23的电机轴21穿入上壳体43内，所述下壳体35内设置有滚珠丝杠34；所述丝杠轴2的上端安装在丝杠轴轴承3内且穿出上壳体盖4顶部连接有上吊耳1，所述丝杠轴2的下端穿过设置在固定支撑座39上的轴孔与滚珠丝杠34的上端固定连接，所述丝杠轴2上安装有位于固定支撑座39顶部且用于限制丝杠轴2轴向运动的丝杠固定螺母41，所述第一传动轴7的上端安装在第一传动轴上端轴承5内，所述第一传动轴7的下端安装在第一传动轴下端轴承19内，所述第二传动轴9的上端安装在第二传动轴轴承8内，所述输出轴13的上端安装在输出轴轴承11内，所述输出轴13的下端通过联轴器20与电机轴21连接；所述丝杠轴2上连接有丝杠轴齿轮42，所述第一传动轴7上连接有第一传动轴第一齿轮6和第一传动轴棘轮15，所述第一传动轴棘轮15上套装有与丝杠轴齿轮42相啮合的第一传动轴第二齿轮16，所述第二传动轴9上连接有与第一传动轴第一齿轮6相啮合的第二传动轴齿轮10，所述输出轴13上连接有输出轴棘轮17和与第二传动轴齿轮10相啮合的输出轴第一齿轮12，所述输出轴棘轮17上套装有与第一传动轴第二齿轮16相啮合的输出轴第二齿轮18；所述滚珠丝杠34上连接有丝杠螺母36，所述丝杠螺母36固定连接在下壳体35的上部，所述滚珠丝杠34上套装有位于丝杠螺母36上部的减震橡胶垫38，所述下壳体35的下部固定连接有十字连接器25；如图2所示，所述作动器控制系统包括作动器控制器53和与作动器控制器53相接的计算机58，以及电能存储电路和安装在车辆上且用于对车速进行实时检测的车辆速度传感器54；所述作动器控制器53的输入端还接有用于对路面不平度进行实时检测的路面不平度位移传感器55、用于对非簧载质量位移进行实时检测的非簧载质量位移传感器29和用于对簧载质量位移进行实时检测的簧载质量位移传感器56，以及用于对悬架作动器的运动速度进行实时检测的作动器速度传感器57；所述非簧载质量位移传感器29固定连接在十字连接器25的下端，所述非簧载质量位移传感器29的下端固定连接有下吊耳33；所述电能存储电路包括依次连接的整流器44、第一DC-DC升压模块45、第一MOS开关触发驱动模块46、超级电容组47、第二MOS开关触发驱动模块49、第二DC-DC升压模块50和蓄电池51，所述整流器44的输入端与直流无刷电机23的输出端连接，所述超级电容组47的输出端接有用于对超级电容组47的输出电压进行实时检测的超级电容电压传感器48，所述蓄电池51的输出端接有用于对蓄电池51的输出电压进行实时检测的蓄电池电压传感器52，所述超级电容电压传感器48的输出端和蓄电池电压传感器52的输出端均与作动器控制器53的输入端连接，所述第一MOS开关触发驱动模块46和第二MOS开关触发驱动模块49均与作动器控制器53的输出端连接。
具体实施时，所述丝杠轴2与丝杠轴轴承3过盈配合，所述丝杠轴2与设置在固定支撑座39上的轴孔过盈配合；所述第一传动轴7的上端与第一传动轴上端轴承5过盈配合，所述第一传动轴7的下端与第一传动轴下端轴承19过盈配合。所述直流无刷电机23的侧面设置有直流无刷电机总线接口24。
本实施例中，所述上壳体盖4通过上壳体固定螺栓14固定连接在上壳体43的顶部，所述固定支撑座39通过固定支撑座固定螺栓40与上壳体43固定连接，所述直流无刷电机23通过电机固定螺栓22与上壳体43的底部固定连接，所述丝杠螺母36通过丝杠螺母固定螺栓37固定连接在下壳体35的上部，所述十字连接器25通过十字连接器固定螺栓26固定连接在下壳体35的下部。具体实施时，所述上壳体固定螺栓14的数量、固定支撑座固定螺栓40的数量、电机固定螺栓22的数量和丝杠螺母固定螺栓37的数量均为四个且均均匀分布，这样的螺栓固定方式，也保证了该作动器只能做直线运动，无法进行转动。所述十字连接器固定螺栓26的数量为两个，两个十字连接器固定螺栓26限制了十字连接器25的轴向转动。
本实施例中，所述丝杠轴齿轮42通过内花键固定连接在丝杠轴2上，所述第一传动轴第一齿轮6和第一传动轴棘轮15均通过内花键固定连接在第一传动轴7上，所述输出轴第一齿轮12和输出轴棘轮17均通过内花键固定连接在输出轴13上。具体实施时，所述丝杠轴齿轮42与丝杠轴2同步转动，所述第一传动轴第一齿轮6和第一传动轴棘轮15均与第一传动轴7同步转动，所述输出轴第一齿轮12和输出轴棘轮17均与输出轴13同步转动。由上吊耳方向观察第一传动轴棘轮15顺时针旋转时第一传动轴第二齿轮16也同步旋转，由上吊耳方向观察第一传动轴棘轮15逆时针旋转时第一传动轴第二齿轮16空转；由上吊耳方向观察输出轴棘轮17顺时针旋转时输出轴第二齿轮18也同步旋转，由上吊耳方向观察输出轴棘轮17逆时针旋转时输出轴第二齿轮18空转。
本实施例中，所述丝杠轴齿轮42的齿数为80，分度圆直径为80mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm，齿轮深度为2.25mm；所述第一传动轴第一齿轮6齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述第一传动轴第二齿轮16的齿数为50，分度圆直径为50mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述输出轴第二齿轮18的齿数为40，分度圆直径为40mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述输出轴第一齿轮12的齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述第二传动轴齿轮10的齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm。
本实施例中，所述超级电容组47由四个容值为120F、电压为2.7V的超级电容串联得到。
本实施例中，所述非簧载质量位移传感器29的上端通过从上到下依次设置的位移传感器上端固定螺母27和位移传感器上端紧固螺母28与十字连接器25的下端固定连接，所述非簧载质量位移传感器29的下端通过从上到下依次设置的位移传感器下端固定螺母31和位移传感器下端紧固螺母32与下吊耳33的上端固定连接；所述非簧载质量位移传感器29的侧面设置有非簧载质量位移传感器总线接口30。
本实施例中，所述作动器控制器53为ARM微控制器。
如图3所示，本发明的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、检测数据采集：当车轮受到路面冲击产生垂向作用力且悬架作动器处于伸张行程时，所述下壳体35与丝杠螺母36垂直向下平动，所述滚珠丝杠34顺时针旋转，所述丝杠轴2与丝杠轴齿轮42也顺时针旋转，所述第一传动轴第二齿轮16逆时针旋转，第一传动轴第二齿轮16与第一传动轴棘轮15空转，不传输动力，输出轴棘轮17顺时针旋转，带动输出轴13和输出轴第二齿轮18顺时针旋转，则电机轴21顺时针旋转，同时输出轴13和输出轴第一齿轮12顺时针旋转，第二传动轴齿轮10和第二传动轴9逆时针旋转，第一传动轴第一齿轮6和第一传动轴7顺时针旋转，与第一传动轴棘轮15转向相反，则第一传动轴棘轮15仍然空转；当车轮受到路面冲击产生垂向作用力且悬架作动器处于压缩行程时，所述下壳体35与丝杠螺母36垂直向上平动，所述滚珠丝杠34逆时针旋转，所述丝杠轴2与丝杠轴齿轮42也逆时针旋转，所述第一传动轴第二齿轮16顺时针旋转，输出轴第二齿轮18逆时针空转，不传输动力，而第一传动轴第二齿轮16会带动第一传动轴棘轮15、第一传动轴7和第一传动轴第一齿轮6顺时针转动，第二传动轴9与第二传动轴齿轮10逆时针旋转，输出轴第一齿轮12顺时针旋转，输出轴13顺时针旋转，电机轴21顺时针旋转，此时输出轴第二齿轮18与输出轴棘轮17仍然空转；以上两种情况下，所述车辆速度传感器54对车速进行实时检测，安装在车辆左侧前轮的悬架作动器和安装在车辆右侧前轮的悬架作动器中的路面不平度位移传感器55对路面不平度进行实时检测，非簧载质量位移传感器29对非簧载质量位移进行实时检测，簧载质量位移传感器56对簧载质量位移进行实时检测，作动器速度传感器57对悬架作动器的运动速度进行实时检测；所述作动器控制器53分别对车速、车辆左侧前轮处路面输入位移zrf、车辆右侧后轮处路面输入位移zrr、车辆左侧前轮非簧载质量位移zwf、车辆右侧前轮非簧载质量位移zwr、车辆左侧前轮簧载质量位移zbf、车辆左侧前轮簧载质量位移zbr、安装在车辆左侧前轮的悬架作动器的运动速度uaf和安装在车辆左侧后轮的悬架作动器的运动速度uar进行周期性采样并传输给计算机58；从以上两种情况的描述可以看出，无论悬架作动器处于压缩行程还是伸张行程，最终电机轴21只会顺时针旋转，即能够将滚珠丝杠34的双向转动转变为电机轴21的单向旋转发电，避免了大量的惯量损失，提高了馈能效率，延长了直流无刷电机23的使用寿命；同时由于齿轮组整体具有增大传动比的作用，因此齿轮组会使电机轴21的转速高于滚珠丝杠34的转动，从而大大提高了能量回收能力。
步骤二、建立系统状态方程，具体过程为：
步骤201、所述计算机58建立二分之一车辆模型运动方程为：
其中，为车辆左侧前轮簧载质量垂向加速度、mb为簧载质量，Ib为车身转动惯量，a为车辆前轴到质心的距离，b为车辆后轴到质心的距离，Ksf为车辆前悬架的刚度，Ksr为车辆后悬架的刚度；mwf为车辆左侧前轮的非簧载质量，为车辆左侧前轮非簧载质量垂向加速度，Ktf为车辆左侧前轮的刚度；为车辆左侧前轮簧载质量垂向加速度，mwr为车辆左侧后轮的非簧载质量，为车辆左侧后轮非簧载质量垂向加速度，Ktr为车辆左侧后轮的刚度；建立该二分之一车辆模型运动方程时假设了车辆质心处的俯仰角很小；
步骤202、所述计算机58定义二分之一车辆模型的状态变量为将二分之一车辆模型运动方程改写为状态方程形式：
其中，为车辆左侧前轮簧载质量垂向速度，车辆左侧前轮簧载质量垂向速度，为车辆左侧前轮非簧载质量垂向速度，为车辆左侧后轮非簧载质量垂向加速度，u为悬架作动器的运动速度变量且u＝[uaf uar]T，x0为车轮处路面输入位移变量且A为与车辆模型的状态变量有关的常数矩阵且B为与悬架作动器的运动速度变量有关的常数矩阵且F为与车轮处路面输入位移变量有关的常数矩阵且ks为车辆悬架的刚度且ks的取值为Ksf或Ksr，cs为车辆悬架的阻尼，ms为车身质量，ku为轮胎刚度且ku的取值为Ktf或Ktr，mu为车辆的非簧载质量且mu的取值为mwf或mwr；具体实施时，当ks的取值为Ksf时，cs为车辆前悬架的阻尼，ku的取值为Ktf，mu的取值为mwf；当ks的取值为Ksr时，cs为车辆后悬架的阻尼，ku的取值为Ktr，mu的取值为mwr；
步骤203、所述计算机58定义在任一i时刻车速vi下，预瞄距离Li与车速vi的比值为第i个预瞄点的预瞄时间ti，用公式表示为：
其中，Li的取值范围为0＜Li≤a+b，i的取值为1～n的自然数，n为所述作动器控制器53的采样总次数；
步骤204、所述计算机58将第i个预瞄点处的路面输入位移zi与车辆右侧后轮处路面输入位移zrr的Laplace函数关系式表示为：
并将e-tis的Pade近似计算表示为：
再取二阶Pade近似计算，并在预瞄时间不为0时，将公式(F8)的分子、分母同时除以得到：
其中，ai0和ai1均为系数且
再将公式(F9)改写为：
[zrr(s)-zi(s)][ai0+ai1s+s2]＝-2ai1szi(s) (F10)
步骤205、所述计算机58定义zrr(s)-zi(s)＝yi(s)，b1＝-2ai1，代入公式(F10)后再进行反拉氏变换得到：
再定义状态变量为：
ηi1＝yi-β0zt＝yt
β0＝0
β1＝b1-ai1β0＝b1
并代入公式(F11)，将第i个预瞄点的状态方程(F11)改写为：
其中，
根据公式(F12)得到n个预瞄点的状态方程为:
其中，xp＝[z1z2 ... zn]T，η＝[η11 η12 η21 η22 … ηn1 ηn2]T；
步骤206、所述计算机58定义车轮处路面输入位移变量为：
其中，Dη和Eη均为常数矩阵且 λi为第i个预瞄点的加权系数且λ1+λ2+...+λn＝1，n为预瞄点的总数量；
步骤207、将公式(F14)代入公式(F5)得到系统状态方程为：
步骤三、对悬架作动器进行控制，具体过程为：
步骤301、所述计算机58定义q1为代表乘坐舒适性的簧载质量位移加权系数，定义q2为影响车身姿态且与结构设计和布置有关的悬架动行程加权系数，定义q3为代表操作稳定性的轮胎动位移加权系数，并定义LQR控制器设计的性能指标为：
其中，zw为非簧载质量位移且zw的取值为zwf或zwr，zr为路面输入位移且zr的取值为zrf或zrr，zb为簧载质量位移且zb的取值为zbf或zbr，为簧载质量垂向加速度且的取值为或
302、所述计算机58将系统状态方程(F15)带入公式(F16)中得到：
其中，
步骤303、所述计算机58调用MATLB中的线性二次最优控制器设计函数[K,S,E]＝lpr(A,B,Q,R,N)进行最优悬架作动器控制器的设计，并采用遗传算法对线性二次最优控制器中的加权系数q1、q2、q3进行多目标优化，获得最优反馈增益矩阵K；
步骤304、所述计算机58根据公式Ua＝-Kx求得最优控制力Ua；
步骤305、所述计算机58根据公式计算得到直流无刷电机23的外接电阻R外的大小，从而通过改变直流无刷电机23的外接电阻的大小来提供半主动控制力；其中，r为直流无刷电机23的内阻，η′为悬架作动器的传递效率，ke为直流无刷电机23的反电动势系数，l为滚珠丝杠34的导程，为簧载质量垂向速度且取值为或为非簧载质量垂向速度且取值为或n*为齿轮组的传动速度，当悬架作动器处于压缩行程时当悬架作动器处于伸张行程时z1为丝杠轴齿轮42的齿数，z2为第一传动轴第一齿轮6的齿数，z3为第一传动轴第二齿轮16的齿数，z4为输出轴第二齿轮18的齿数，z5为输出轴第一齿轮12的齿数，z6为第二传动轴齿轮10的齿数；
步骤306、所述悬架作动器在半主动控制力的作用下，实现自供能，具体过程为：当电机轴21旋转以后，直流无刷电机23会由于感应电动势产生交流电，此时首先经过整流器44对电流进行整流、滤波，使其成为稳定的直流电，然后接通第一DC-DC升压模块45，将电压升高至9.5V，此时接入第一MOS开关触发驱动模块46用于控制电路通断，然后接入超级电容组47，对电压进行临时存储，再接入第二MOS开关触发驱动模块49用来控制电路通断，再接入第二DC-DC升压模块50，进行第二次生升压，此时将电压升高到14.4V，接入蓄电池51进行充电；超级电容电压传感器48会检测超级电容组47的电压并将检测到的信号输出给作动器控制器53，当超级电容组47处于未充满状态时，作动器控制器53控制第一MOS开关触发驱动模块46开通，第二MOS开关触发驱动模块49阻断，电路只给超级电容组47充电，当超级电容充满电时，作动器控制器53控制第一MOS开关触发驱动模块46阻断，第二MOS开关触发驱动模块49导通，此时由超级电容组47向蓄电池51充电，完成能量回收，回收的能量能够为悬架作动器功能，即实现了自供能。
本实施例中，步骤303中所述计算机58采用遗传算法对线性二次最优控制器中的加权系数q1、q2、q3进行多目标优化，获得最优反馈增益矩阵K的具体过程为：
步骤3031、由公式(F15)得到种群并定义遗传算法的适应度函数为：
min L[BA(X),SWS(X),DTD(X)] (F18)
其中，X＝(q1,q2,q3)，BA(X)为簧载质量垂向加速度的均方根值且SWS(X)为悬架动行程的均方根值且SWS(X)＝zb-zw，DTD(X)为车辆轮胎动位移的均方根值且DTD(X)＝zw-zr；
步骤3032、在取值范围0.1＜qr＜106(r＝1,2,3)内，给q1、q2、q3赋初值，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3033、对q1、q2、q3进行遗传变异保留精英，并且进行交叉变异，重新产生新的子代种群，再次赋值给q1、q2、q3，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3034、判断当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)是否均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)，当当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)时，获得最优反馈增益矩阵K；否则，对q1、q2、q3进行遗传变异保留精英，并且进行交叉变异，重新产生新的子代种群，再次赋值给q1、q2、q3，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3035、重复步骤3034，直至当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)，获得最优反馈增益矩阵K。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：包括作动器本体和作动器控制系统，所述作动器本体包括上壳体(43)和下壳体(35)，所述上壳体(43)内设置有丝杠轴(2)、第一传动轴(7)、第二传动轴(9)和输出轴(13)，所述上壳体(43)的顶部设置有上壳体盖(4)，所述上壳体盖(4)上嵌入安装有用于支撑安装丝杠轴(2)的丝杠轴轴承(3)、用于支撑安装第一传动轴(7)的第一传动轴上端轴承(5)、用于支撑安装第二传动轴(9)的第二传动轴轴承(8)和用于支撑安装输出轴(13)的输出轴轴承(11)，所述上壳体(43)的底部嵌入安装有位于丝杠轴轴承(3)下方的固定支撑座(39)和位于第一传动轴上端轴承(5)下方的第一传动轴下端轴承(19)，所述上壳体(43)的底部固定连接有直流无刷电机(23)，所述直流无刷电机(23)的电机轴(21)穿入上壳体(43)内，所述下壳体(35)内设置有滚珠丝杠(34)；所述丝杠轴(2)的上端安装在丝杠轴轴承(3)内且穿出上壳体盖(4)顶部连接有上吊耳(1)，所述丝杠轴(2)的下端穿过设置在固定支撑座(39)上的轴孔与滚珠丝杠(34)的上端固定连接，所述丝杠轴(2)上安装有位于固定支撑座(39)顶部且用于限制丝杠轴(2)轴向运动的丝杠固定螺母(41)，所述第一传动轴(7)的上端安装在第一传动轴上端轴承(5)内，所述第一传动轴(7)的下端安装在第一传动轴下端轴承(19)内，所述第二传动轴(9)的上端安装在第二传动轴轴承(8)内，所述输出轴(13)的上端安装在输出轴轴承(11)内，所述输出轴(13)的下端通过联轴器(20)与电机轴(21)连接；所述丝杠轴(2)上连接有丝杠轴齿轮(42)，所述第一传动轴(7)上连接有第一传动轴第一齿轮(6)和第一传动轴棘轮(15)，所述第一传动轴棘轮(15)上套装有与丝杠轴齿轮(42)相啮合的第一传动轴第二齿轮(16)，所述第二传动轴(9)上连接有与第一传动轴第一齿轮(6)相啮合的第二传动轴齿轮(10)，所述输出轴(13)上连接有输出轴棘轮(17)和与第二传动轴齿轮(10)相啮合的输出轴第一齿轮(12)，所述输出轴棘轮(17)上套装有与第一传动轴第二齿轮(16)相啮合的输出轴第二齿轮(18)；所述滚珠丝杠(34)上连接有丝杠螺母(36)，所述丝杠螺母(36)固定连接在下壳体(35)的上部，所述滚珠丝杠(34)上套装有位于丝杠螺母(36)上部的减震橡胶垫(38)，所述下壳体(35)的下部固定连接有十字连接器(25)；所述作动器控制系统包括作动器控制器(53)和与作动器控制器(53)相接的计算机(58)，以及电能存储电路和安装在车辆上且用于对车速进行实时检测的车辆速度传感器(54)；所述作动器控制器(53)的输入端还接有用于对路面不平度进行实时检测的路面不平度位移传感器(55)、用于对非簧载质量位移进行实时检测的非簧载质量位移传感器(29)和用于对簧载质量位移进行实时检测的簧载质量位移传感器(56)，以及用于对悬架作动器的运动速度进行实时检测的作动器速度传感器(57)；所述非簧载质量位移传感器(29)固定连接在十字连接器(25)的下端，所述非簧载质量位移传感器(29)的下端固定连接有下吊耳(33)；所述电能存储电路包括依次连接的整流器(44)、第一DC-DC升压模块(45)、第一MOS开关触发驱动模块(46)、超级电容组(47)、第二MOS开关触发驱动模块(49)、第二DC-DC升压模块(50)和蓄电池(51)，所述整流器(44)的输入端与直流无刷电机(23)的输出端连接，所述超级电容组(47)的输出端接有用于对超级电容组(47)的输出电压进行实时检测的超级电容电压传感器(48)，所述蓄电池(51)的输出端接有用于对蓄电池(51)的输出电压进行实时检测的蓄电池电压传感器(52)，所述超级电容电压传感器(48)的输出端和蓄电池电压传感器(52)的输出端均与作动器控制器(53)的输入端连接，所述第一MOS开关触发驱动模块(46)和第二MOS开关触发驱动模块(49)均与作动器控制器(53)的输出端连接。
2.按照权利要求1所述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述上壳体盖(4)通过上壳体固定螺栓(14)固定连接在上壳体(43)的顶部，所述固定支撑座(39)通过固定支撑座固定螺栓(40)与上壳体(43)固定连接，所述直流无刷电机(23)通过电机固定螺栓(22)与上壳体(43)的底部固定连接，所述丝杠螺母(36)通过丝杠螺母固定螺栓(37)固定连接在下壳体(35)的上部，所述十字连接器(25)通过十字连接器固定螺栓(26)固定连接在下壳体(35)的下部。
3.按照权利要求1所述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述丝杠轴齿轮(42)通过内花键固定连接在丝杠轴(2)上，所述第一传动轴第一齿轮(6)和第一传动轴棘轮(15)均通过内花键固定连接在第一传动轴(7)上，所述输出轴第一齿轮(12)和输出轴棘轮(17)均通过内花键固定连接在输出轴(13)上。
4.按照权利要求1所述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述丝杠轴齿轮(42)的齿数为80，分度圆直径为80mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm，齿轮深度为2.25mm；所述第一传动轴第一齿轮(6)齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述第一传动轴第二齿轮(16)的齿数为50，分度圆直径为50mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述输出轴第二齿轮(18)的齿数为40，分度圆直径为40mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述输出轴第一齿轮(12)的齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm；所述第二传动轴齿轮(10)的齿数为30，分度圆直径为30mm，齿轮厚度为10mm，齿距为3.14mm、齿轮深度为2.25mm。
5.按照权利要求1所述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述超级电容组(47)由四个容值为120F、电压为2.7V的超级电容串联得到。
6.按照权利要求1所述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述非簧载质量位移传感器(29)的上端通过从上到下依次设置的位移传感器上端固定螺母(27)和位移传感器上端紧固螺母(28)与十字连接器(25)的下端固定连接，所述非簧载质量位移传感器(29)的下端通过从上到下依次设置的位移传感器下端固定螺母(31)和位移传感器下端紧固螺母(32)与下吊耳(33)的上端固定连接；所述非簧载质量位移传感器(29)的侧面设置有非簧载质量位移传感器总线接口(30)。
7.按照权利要求1所述的滚珠丝杠式自供能半主动悬架作动器，其特征在于：所述作动器控制器(53)为ARM微控制器。
8.一种对如权利要求1所述滚珠丝杠式自供能半主动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、检测数据采集：当车轮受到路面冲击产生垂向作用力且悬架作动器处于伸张行程时，所述下壳体(35)与丝杠螺母(36)垂直向下平动，所述滚珠丝杠(34)顺时针旋转，所述丝杠轴(2)与丝杠轴齿轮(42)也顺时针旋转，所述第一传动轴第二齿轮(16)逆时针旋转，第一传动轴第二齿轮(16)与第一传动轴棘轮(15)空转，不传输动力，输出轴棘轮(17)顺时针旋转，带动输出轴(13)和输出轴第二齿轮(18)顺时针旋转，则电机轴(21)顺时针旋转，同时输出轴(13)和输出轴第一齿轮(12)顺时针旋转，第二传动轴齿轮(10)和第二传动轴(9)逆时针旋转，第一传动轴第一齿轮(6)和第一传动轴(7)顺时针旋转，与第一传动轴棘轮(15)转向相反，则第一传动轴棘轮(15)仍然空转；当车轮受到路面冲击产生垂向作用力且悬架作动器处于压缩行程时，所述下壳体(35)与丝杠螺母(36)垂直向上平动，所述滚珠丝杠(34)逆时针旋转，所述丝杠轴(2)与丝杠轴齿轮(42)也逆时针旋转，所述第一传动轴第二齿轮(16)顺时针旋转，输出轴第二齿轮(18)逆时针空转，不传输动力，而第一传动轴第二齿轮(16)会带动第一传动轴棘轮(15)、第一传动轴(7)和第一传动轴第一齿轮(6)顺时针转动，第二传动轴(9)与第二传动轴齿轮(10)逆时针旋转，输出轴第一齿轮(12)顺时针旋转，输出轴(13)顺时针旋转，电机轴(21)顺时针旋转，此时输出轴第二齿轮(18)与输出轴棘轮(17)仍然空转；以上两种情况下，所述车辆速度传感器(54)对车速进行实时检测，安装在车辆左侧前轮的悬架作动器和安装在车辆右侧前轮的悬架作动器中的路面不平度位移传感器(55)对路面不平度进行实时检测，非簧载质量位移传感器(29)对非簧载质量位移进行实时检测，簧载质量位移传感器(56)对簧载质量位移进行实时检测，作动器速度传感器(57)对悬架作动器的运动速度进行实时检测；所述作动器控制器(53)分别对车速、车辆左侧前轮处路面输入位移zrf、车辆右侧后轮处路面输入位移zrr、车辆左侧前轮非簧载质量位移zwf、车辆右侧前轮非簧载质量位移zwr、车辆左侧前轮簧载质量位移zbf、车辆左侧前轮簧载质量位移zbr、安装在车辆左侧前轮的悬架作动器的运动速度uaf和安装在车辆左侧后轮的悬架作动器的运动速度uar进行周期性采样并传输给计算机(58)；
步骤二、建立系统状态方程，具体过程为：
步骤201、所述计算机(58)建立二分之一车辆模型运动方程为：
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<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
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</mrow>
其中，为车辆左侧前轮簧载质量垂向加速度、mb为簧载质量，Ib为车身转动惯量，a为车辆前轴到质心的距离，b为车辆后轴到质心的距离，Ksf为车辆前悬架的刚度，Ksr为车辆后悬架的刚度；mwf为车辆左侧前轮的非簧载质量，为车辆左侧前轮非簧载质量垂向加速度，Ktf为车辆左侧前轮的刚度；为车辆左侧前轮簧载质量垂向加速度，mwr为车辆左侧后轮的非簧载质量，为车辆左侧后轮非簧载质量垂向加速度，Ktr为车辆左侧后轮的刚度；
步骤202、所述计算机(58)定义二分之一车辆模型的状态变量为将二分之一车辆模型运动方程改写为状态方程形式：
<mrow>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mo>=</mo>
<mi>A</mi>
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<mo>+</mo>
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<mn>0</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，为车辆左侧前轮簧载质量垂向速度，车辆左侧前轮簧载质量垂向速度，为车辆左侧前轮非簧载质量垂向速度，为车辆左侧后轮非簧载质量垂向加速度，u为悬架作动器的运动速度变量且u＝[uaf uar]T，x0为车轮处路面输入位移变量且A为与车辆模型的状态变量有关的常数矩阵且B为与悬架作动器的运动速度变量有关的常数矩阵且F为与车轮处路面输入位移变量有关的常数矩阵且ks为车辆悬架的刚度且ks的取值为Ksf或Ksr，cs为车辆悬架的阻尼，ms为车身质量，ku为轮胎刚度且ku的取值为Ktf或Ktr，mu为车辆的非簧载质量且mu的取值为mwf或mwr；
步骤203、所述计算机(58)定义在任一i时刻车速vi下，预瞄距离Li与车速vi的比值为第i个预瞄点的预瞄时间ti，用公式表示为：
<mrow>
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<mo>(</mo>
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<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Li的取值范围为0＜Li≤a+b，i的取值为1～n的自然数，n为所述作动器控制器(53)的采样总次数；
步骤204、所述计算机(58)将第i个预瞄点处的路面输入位移zi与车辆右侧后轮处路面输入位移zrr的Laplace函数关系式表示为：
<mrow>
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<mrow>
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</mrow>
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<mn>7</mn>
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并将e-tis的Pade近似计算表示为：
<mrow>
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</mrow>
再取二阶Pade近似计算，并在预瞄时间不为0时，将公式(F8)的分子、分母同时除以得到：
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>9</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，ai0和ai1均为系数且
再将公式(F9)改写为：
[zrr(s)-zi(s)][ai0+ai1s+s2]＝-2ai1szi(s) (F10)
步骤205、所述计算机(58)定义zrr(s)-zi(s)＝yi(s)，b1＝-2ai1，代入公式(F10)后再进行反拉氏变换得到：
<mrow>
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<mover>
<mi>y</mi>
<mo>&CenterDot;&CenterDot;</mo>
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<mi>i</mi>
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<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>11</mn>
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</mrow>
再定义状态变量为：
ηi1＝yi-β0zt＝yt
<mrow>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
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<mo>=</mo>
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<mover>
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<mo>&CenterDot;</mo>
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<mi>&beta;</mi>
<mn>0</mn>
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<mi>z</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mn>1</mn>
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<mi>z</mi>
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<mi>&eta;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mrow>
<mi>i</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
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<mo>-</mo>
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<mi>b</mi>
<mn>1</mn>
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<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
β0＝0
β1＝b1-ai1β0＝b1
<mrow>
<msub>
<mi>&beta;</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
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<mi>&beta;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
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<mi>a</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>&beta;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
<msubsup>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
并代入公式(F11)，将第i个预瞄点的状态方程(F11)改写为：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>&eta;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>A</mi>
<mrow>
<mi>&eta;</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</msub>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>12</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，
根据公式(F12)得到n个预瞄点的状态方程为:
<mrow>
<mover>
<mi>&eta;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>&eta;</mi>
</msub>
<mi>&eta;</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>&eta;</mi>
</msub>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>13</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，xp＝[z1 z2… zn]T，η＝[η11 η12 η21 η22 … ηn1 ηn2]T；
步骤206、所述计算机(58)定义车轮处路面输入位移变量为：
<mrow>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfenced open = '[' close = ']'>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>z</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
</msub>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>z</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>D</mi>
<mi>&eta;</mi>
</msub>
<mi>&eta;</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>&eta;</mi>
</msub>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>14</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Dη和Eη均为常数矩阵且 λi为第i个预瞄点的加权系数且λ1+λ2+...+λn＝1，n为预瞄点的总数量；
步骤207、将公式(F14)代入公式(F5)得到系统状态方程为：
<mrow>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mi>A</mi>
<mi>x</mi>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
<mi>u</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>FD</mi>
<mi>&eta;</mi>
</msub>
<mi>&eta;</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>FE</mi>
<mi>&eta;</mi>
</msub>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>15</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
步骤三、对悬架作动器进行控制，具体过程为：
步骤301、所述计算机(58)定义q1为代表乘坐舒适性的簧载质量位移加权系数，定义q2为影响车身姿态且与结构设计和布置有关的悬架动行程加权系数，定义q3为代表操作稳定性的轮胎动位移加权系数，并定义LQR控制器设计的性能指标为：
<mrow>
<mi>J</mi>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
<mi>&infin;</mi>
</msubsup>
<mo>&lsqb;</mo>
<msub>
<mi>q</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>q</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>q</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<msubsup>
<mover>
<mi>z</mi>
<mo>&CenterDot;&CenterDot;</mo>
</mover>
<mi>b</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>&rsqb;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>16</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，zw为非簧载质量位移且zw的取值为zwf或zwr，zr为路面输入位移且zr的取值为zrf或zrr，zb为簧载质量位移且zb的取值为zbf或zbr，为簧载质量垂向加速度且的取值为或
302、所述计算机(58)将系统状态方程(F15)带入公式(F16)中得到：
<mrow>
<mi>J</mi>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
<mi>&infin;</mi>
</msubsup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msup>
<mi>z</mi>
<mi>T</mi>
</msup>
<mi>Q</mi>
<mi>z</mi>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>u</mi>
<mi>T</mi>
</msup>
<mi>R</mi>
<mi>u</mi>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msup>
<mi>z</mi>
<mi>T</mi>
</msup>
<mi>N</mi>
<mi>u</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
<mn>17</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，
步骤303、所述计算机(58)调用MATLB中的线性二次最优控制器设计函数[K，S，E]＝lpr(A，B，Q，R，N)进行最优悬架作动器控制器的设计，并采用遗传算法对线性二次最优控制器中的加权系数q1、q2、q3进行多目标优化，获得最优反馈增益矩阵K；
步骤304、所述计算机(58)根据公式Ua＝-Kx求得最优控制力Ua；
步骤305、所述计算机(58)根据公式计算得到直流无刷电机(23)的外接电阻R外的大小，从而通过改变直流无刷电机(23)的外接电阻的大小来提供半主动控制力；其中，r为直流无刷电机(23)的内阻，η′为悬架作动器的传递效率，ke为直流无刷电机(23)的反电动势系数，l为滚珠丝杠(34)的导程，为簧载质量垂向速度且取值为或 为非簧载质量垂向速度且取值为或n*为齿轮组的传动速度，当悬架作动器处于压缩行程时当悬架作动器处于伸张行程时z1为丝杠轴齿轮(42)的齿数，z2为第一传动轴第一齿轮(6)的齿数，z3为第一传动轴第二齿轮(16)的齿数，z4为输出轴第二齿轮(18)的齿数，z5为输出轴第一齿轮(12)的齿数，z6为第二传动轴齿轮(10)的齿数；
步骤306、所述悬架作动器在半主动控制力的作用下，实现自供能，具体过程为：当电机轴(21)旋转以后，直流无刷电机(23)会由于感应电动势产生交流电，此时首先经过整流器(44)对电流进行整流、滤波，使其成为稳定的直流电，然后接通第一DC-DC升压模块(45)，将电压升高至9.5V，此时接入第一MOS开关触发驱动模块(46)用于控制电路通断，然后接入超级电容组(47)，对电压进行临时存储，再接入第二MOS开关触发驱动模块(49)用来控制电路通断，再接入第二DC-DC升压模块(50)，进行第二次生升压，此时将电压升高到14.4V，接入蓄电池(51)进行充电；超级电容电压传感器(48)会检测超级电容组(47)的电压并将检测到的信号输出给作动器控制器(53)，当超级电容组(47)处于未充满状态时，作动器控制器(53)控制第一MOS开关触发驱动模块(46)开通，第二MOS开关触发驱动模块(49)阻断，电路只给超级电容组(47)充电，当超级电容充满电时，作动器控制器(53)控制第一MOS开关触发驱动模块(46)阻断，第二MOS开关触发驱动模块(49)导通，此时由超级电容组(47)向蓄电池(51)充电，完成能量回收，回收的能量能够为悬架作动器功能。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤303中所述计算机(58)采用遗传算法对线性二次最优控制器中的加权系数q1、q2、q3进行多目标优化，获得最优反馈增益矩阵K的具体过程为：
步骤3031、由公式(F15)得到种群并定义遗传算法的适应度函数为：
minL[BA(X),SWS(X),DTD(X)] (F18)
其中，X＝(q1,q2,q3)，BA(X)为簧载质量垂向加速度的均方根值且SWS(X)为悬架动行程的均方根值且SWS(X)＝zb-zw，DTD(X)为车辆轮胎动位移的均方根值且DTD(X)＝zw-zr；
步骤3032、在取值范围0.1＜qr＜106(r＝1,2,3)内，给q1、q2、q3赋初值，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3033、对q1、q2、q3进行遗传变异保留精英，并且进行交叉变异，重新产生新的子代种群，再次赋值给q1、q2、q3，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3034、判断当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)是否均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)，当当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)时，获得最优反馈增益矩阵K；否则，对q1、q2、q3进行遗传变异保留精英，并且进行交叉变异，重新产生新的子代种群，再次赋值给q1、q2、q3，并根据公式(F18)计算遗传算法的适应度函数的值；
步骤3035、重复步骤3034，直至当前计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)均分别对应小于上一次计算的适应度函数的值中的BA(X)、SWS(X)、DTD(X)，获得最优反馈增益矩阵K。
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