CN109795278B - 一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，所述车辆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；其多模式协调切换控制方法包括步骤：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、馈能模式、半主动控制模式和主动控制模式的协调切换控制。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。

Description

一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法

技术领域

本发明属于车辆悬架作动器技术领域，具体涉及一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法。

背景技术

车辆在行驶的过程中，由于路面的不平度的激励使得车辆产生振动。目前汽车广泛使用的是通过被动悬架(由减振器、弹性元件等组成)来实现衰减振动和承载车身的功能。但是，被动悬架的性能参数(刚度、阻尼)不能够根据车辆行驶过程中的实际工况进行实时调节，因此，被动悬架并不能够兼顾车辆的操稳性和平顺性，同时，被动悬架通过减振器、弹性元件将由汽车振动的能量转化为热能耗散在空气中，没有将其加以利用。由于被动悬架不能够根据车辆行驶的工况实时的调节悬架的减振效果，提高车辆的平顺性的缺点，近年来，相继提出了主动悬架和半主动悬架。主动悬架能够根据路面的不平度的激励以及车辆行驶工况实时的调节悬架的减振性能，并且主动悬架能够适应全部的路面激励和车辆行驶工况，但是，主动悬架存在高耗能的缺点，使得它的发展前景受到很大的限制。半主动悬架的优点在于其能够给悬架提供一定范围的阻尼力的同时还能够进行能量回收，但是由于半主动悬架只能改变悬架的刚度或阻尼中的一个参数，使得半主动悬架在实时调节时存在弊端，不能够适应全部路面及车辆行驶工况，在一定程度上限制了车辆操稳性和平顺性的进一步提高。

主动悬架需要额外的能量源来提供给作动器供其产生主动力进行减振，因此主动悬架能耗很大，这将严重限制汽车主动悬架的推广。因此主动悬架作动器的馈能必须考虑到主动悬架的设计中去，否则将会因为过高的能耗而严重限制主动悬架的推广应用。主动悬架除了能耗高之外，还有一个因素限制其发展应用，是考虑到主动悬架作动器的失效。如果主动悬架只使用作动器跟弹簧，考虑到作动器失效，则汽车平顺性跟操稳性将会产生很大影响。

主动悬架单一作动器有电磁式作动器，如：直线电机式；电液式作动器，如：电动静液压作动器；气压式，如：空气弹簧作动器；上述单一作动器中电液式与气压式体积过大，不利于实际应用中整车悬架的安装，电磁式作动器体积小，效率高，但是单一作动器如果发生故障失效，将彻底无法保障汽车的乘坐舒适性。

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、便于推广使用的车辆混合悬架作动器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种车辆混合悬架作动器，包括作动器本体和控制单元，所述作动器本体包括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；

所述双出杆式磁流变减振器包括工作缸和设置在工作缸内且向上伸出工作缸顶部外的活塞杆，所述活塞杆伸出工作缸顶部外的一段为上直线电机单元的电机轴，所述活塞杆的下部一段为下直线电机单元的电机轴，所述工作缸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的上下运动进行导向的导向座，所述工作缸内紧贴导向座的下部设置有上密封件，所述工作缸内下部且位于下直线电机单元的上部设置有隔磁板，所述工作缸内紧贴隔磁板的上部设置有下密封件，所述工作缸内位于上密封件和下密封件之间的空间内设置有磁流变液，所述活塞杆的中部连接有活塞，所述活塞与工作缸的内壁之间设置有供磁流变液通过的磁流变液通道，所述活塞上缠绕有线圈；

所述上直线电机单元包括上直线电机外壳、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设置在导向座的上部，所述活塞杆向上伸出上直线电机外壳顶部外，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内的的多个上直线电机次级永磁体和设置在多个上直线电机次级永磁体外部的上直线电机次级保护层，多个上直线电机次级永磁体的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内的上直线电机初级铁心和设置在上直线电机初级铁心内部且位于上直线电机次级保护层外部的上直线电机初级绕组，所述上直线电机初级铁心固定在导向座的上端；

所述下直线电机单元包括下直线电机固定座、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设置在工作缸内底部，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和设置在多个下直线电机次级永磁体外部的下直线电机次级保护层，多个下直线电机次级永磁体的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和设置在下直线电机初级铁心内部且位于下直线电机次级保护层外部的下直线电机初级绕组，所述下直线电机初级铁心固定在下直线电机固定座内；

所述活塞杆的顶部连接用于与汽车簧载质量连接的上吊耳，所述工作缸的底部连接用于与汽车非簧载质量连接的下吊耳；

所述控制单元包括作动器控制器和储能电路，所述作动器控制器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和用于对簧载质量速度进行检测的簧载质量速度传感器，所述作动器控制器的输出端接有用于为上直线电机初级绕组提供可调电流的第一可控恒流源电路、用于为下直线电机初级绕组提供可调电流的第二可控恒流源电路和用于为线圈提供可调电流的第三可控恒流源电路，所述上直线电机初级绕组与第一可控恒流源电路连接，所述下直线电机初级绕组与第二可控恒流源电路连接，所述线圈与第三可控恒流源电路连接；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和上蓄电池充电电路，所述下直线电机储能电路包括依次连接的下整流电路、滑动电阻和下蓄电池充电电路，车载蓄电池与上蓄电池充电电路的输出端和下蓄电池充电电路的输出端均连接,所述第一可控恒流源电路、第二可控恒流源电路和第三可控恒流源电路均与车载蓄电池的输出端连接，所述上直线电机初级绕组与上整流电路连接，所述下直线电机初级绕组与下整流电路连接；所述作动器控制器的输出端还接有滑动电阻调节模块，所述滑动电阻与滑动电阻调节模块的输出端连接。

上述的一种车辆混合悬架作动器，所述上密封件与工作缸的内壁之间以及上密封件与活塞杆之间均设置有上密封环，所述下密封件与工作缸的内壁之间以及下密封件与活塞杆之间均设置有下密封环。

上述的一种车辆混合悬架作动器，所述导向座为圆筒形结构，所述上直线电机初级铁心焊接在导向座的上端。

上述的一种车辆混合悬架作动器，所述上整流电路和下整流电路均为三相桥式整流电路。

上述的一种车辆混合悬架作动器，所述作动器控制器为DSP数字信号处理器。

上述的一种车辆混合悬架作动器，所述上直线电机次级永磁体的数量为12～16，所述下直线电机次级永磁体的数量为4～6。

本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、节约能源的同时、能够使混合悬架处于最佳的减振状态的车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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对簧载质量速度进行实时检测，非簧载质量速度传感器对非簧载质量速度进行实时检测；作动器控制器对簧载质量速度传感器检测到的簧载质量速度信号和非簧载质量速度传感器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：所述作动器控制器根据公式

计算得到第i次采样得到的簧载质量速度v_s,i和非簧载质量速度v_u,i对应的车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力F_a,i，其中，

为v_s,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，t_i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：所述作动器控制器根据公式

计算得到车辆加权加速度均方根值a_w，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a_w1′和a_w2′，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a_w＜a_w1′为舒适区，a_w1′≤a_w≤a_w2′为稍不舒适区，a_w＞a_w2′为很不舒适区；其中，a_w(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a_w(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、馈能模式、半主动控制模式和主动控制模式的协调切换控制：所述作动器控制器根据判断不等式F_a,i(v_s,i-v_u,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F_a,i(v_s,i-v_u,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a_w处在a_w＜a_w1′、a_w1′≤a_w≤a_w2′和a_w＞a_w2′的区域进行判断，当a_w处在a_w＜a_w1′的舒适区时，选择此状态混合悬架处于馈能模式；当a_w处在a_w1′≤a_w≤a_w2′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a_w处在a_w＞a_w2′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F_a,i(v_s,i-v_u,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不为所述双出杆式磁流变减振器的线圈供电；

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不为所述双出杆式磁流变减振器的线圈供电，所述作动器控制器控制第一可控恒流源电路为上直线电机初级绕组中通入电流，电流产生磁场与上直线电机次级永磁体互相感应，产生径向的电磁推力，带动活塞杆运动，从而产生主动力进行减振；同时，所述作动器控制器通过滑动电阻调节模块调节滑动电阻的阻值为最大阻值R_max，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F_g2min，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，上吊耳上下运动过程中，带动活塞杆上下运动，下直线电机次级永磁体切割下直线电机初级绕组，产生感应电动势，产生的感应电动势通过下整流电路、滑动电阻和下蓄电池充电电路向车载蓄电池充电。

上述的方法，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a_w1′的取值为0.315m·s^-2，所述a_w2′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，所述作动器控制器控制第一可控恒流源电路为上直线电机初级绕组中通入电流I_t1＝F_a,i/K_t1，其中，K_t1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150。

上述的方法，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F_g1，并将F_g1与车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力F_a,i相比较，当所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力F_g1≥F_a,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，所述作动器控制器通过滑动电阻调节模块调节滑动电阻的阻值为最大；其中，C_g1为所述上直线电机单元的电磁阻尼系数，K_t1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，K_ε1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的阻值；

当所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力F_g1＜F_a,i时，所述作动器控制器根据公式

计算得到所述下直线电机单元产生的最大电磁阻尼力F_g2max，并将F_g1+F_g2max与F_a,i相比较，当F_g1+F_g2max≥F_a,i时，说明通过调节所述滑动电阻的阻值，能够满足理想控制力的补偿调节，所述作动器控制器通过公式

计算得到滑动电阻的阻值R，再通过滑动电阻调节模块调节滑动电阻的阻值为R，其中，C_g2为所述下直线电机单元的电磁阻尼系数，K_t2为下直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，K_ε2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，K_ε2的取值小于K_ε1，r₂为所述下直线电机初级绕组的阻值；当F_g1+F_g2max＜F_a,i时，说明通过调节所述滑动电阻的阻值，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F_k，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F_g2max，可调库伦阻尼力F_k＝F_a,i-F_g1-F_g2max，根据磁流变减振器库伦阻尼力F_k与库伦电流I_k的关系

得到库伦电流I_k，作动器控制器控制第三可控恒流源电路为所述双出杆式磁流变减振器的线圈供库伦电流I_k，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。

上述的方法，所述a₁的取值为89，所述a₂的取值为-36，所述a₃的取值为125。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明车辆混合悬架作动器的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。

2、本发明的车辆混合悬架作动器，高效、响应速度快，实时性高。

3、本发明的车辆混合悬架作动器，包括上直线电机单元、下直线电机单元和磁流变减振器三部分；汽车运动过程中下直线电机式中处于发电机状态进行能量回收。

4、本发明的车辆混合悬架作动器，充分利用双出杆磁流变减振器的结构特点，在下端运动空腔内部集成了下直线电机，在悬架运动全程中参与能量回收，以此降低混合悬架能耗。

5、本发明的车辆混合悬架作动器，进行模式切换方法简单，以直线电机四象限判断为模式切换第一条件，在第一条件基础上加入人体主观舒适性感受与车辆加权加速度均方根值的关系作为第二判断条件，在传统模式切换的基础上增加了人体主观舒适性与车辆加权加速度均方根值的关系，进一步满足模式切换对舒适性的要求；所述车辆混合悬架在馈能模式、半主动控制模式和主动控制模式之间切换，节约能源的同时，能够使混合悬架处于最佳的减振状态。

6、本发明的车辆混合悬架作动器，不仅能发挥一般电磁作动器的作用，而且满足单一作动器失效故障保护特性；当上直线电机作动器失效时，磁流变减振器可进行半主动控制；当磁流变减振器失效后，上直线电机作动器可以进行主动控制；不失一般性，若磁流变减振器与上直线电机同时故障失效，磁流变减振器中基值阻尼部分仍可以发挥传统减振器作用，起到双故障保护特性。

7、本发明的车辆混合悬架作动器，工作稳定性和可靠性高，不易发生故障，无需经常维护维修。

8、本发明采用车载蓄电池进行储能，储能效果好。

9、本发明的车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法的方法步骤简单，实现方便，节约能源的同时，能够使混合悬架处于最佳的减振状态。

10、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，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。

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为本发明车辆混合悬架作动器的结构示意图。

图2为本发明作动器控制器与其他各单元的连接关系示意图。

图3为本发明车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法。

附图标记说明:

1—上吊耳； 2-1—上直线电机次级保护层；

2-2—下直线电机次级保护层； 3-1—上直线电机次级永磁体；

3-2—下直线电机次级永磁体； 4-1—上直线电机初级铁心；

4-2—下直线电机初级铁心； 5-1—上直线电机初级绕组；

5-2—下直线电机初级绕组； 6—作动器控制器；

7—导向座； 8-1—上密封环； 8-2—下密封环；

9-1—上密封件； 9-2—下密封件； 10—磁流变液；

11—活塞； 12—隔磁板； 13—下吊耳；

14—工作缸； 15—下直线电机固定座； 16—磁流变液通道；

17—线圈； 18—活塞杆； 19—非簧载质量加速度传感器；

20—簧载质量速度传感器； 21—第一可控恒流源电路；

22—第二可控恒流源电路； 23—第三可控恒流源电路；

24-1—上整流电路； 24-2—上蓄电池充电电路；

25-1—下整流电路； 25-2—滑动电阻； 25-3—下蓄电池充电电路；

26—车载蓄电池； 27—滑动电阻调节模块； 28—上直线电机外壳。

具体实施方式

如图1所示，本发明的车辆混合悬架作动器，包括作动器本体和控制单元，所述作动器本体包括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；

所述双出杆式磁流变减振器包括工作缸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，所述活塞杆18向上伸出上直线电机外壳28顶部外，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；

具体实施时，所述上直线电机次级永磁体3-1和下直线电机次级永磁体3-2均采用径向充磁方式；

所述活塞杆18的顶部连接用于与汽车簧载质量连接的上吊耳1，所述工作缸14的底部连接用于与汽车非簧载质量连接的下吊耳13；

结合图2，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和用于对簧载质量速度进行检测的簧载质量速度传感器20，所述作动器控制器6的输出端接有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，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。

本实施例中，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。

本实施例中，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。

本实施例中，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。

本实施例中，所述作动器控制器6为DSP数字信号处理器。

本实施例中，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。优选地，所述上直线电机次级永磁体3-1的数量为12个，所述下直线电机次级永磁体3-2的数量为4个；这样的设置能够保证上直线电机单元满足主动推力特性。

如图3所示，本发明的车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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v_s,i和非簧载质量速度v_u,i对应的车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力F_a,i，其中，

为v_s,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，t_i为第i次采样的时间，i的取值为非0自然数；

本实施例中，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、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a_w，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a_w1′和a_w2′，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a_w＜a_w1′为舒适区，a_w1′≤a_w≤a_w2′为稍不舒适区，a_w＞a_w2′为很不舒适区；其中，a_w(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a_w(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；

本实施例中，步骤三中所述a_w1′的取值为0.315m·s^-2，所述a_w2′的取值为0.5m·s^-2；

步骤四、馈能模式、半主动控制模式和主动控制模式的协调切换控制：所述作动器控制器6根据判断不等式F_a,i(v_s,i-v_u,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F_a,i(v_s,i-v_u,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a_w处在a_w＜a_w1′、a_w1′≤a_w≤a_w2′和a_w＞a_w2′的区域进行判断，当a_w处在a_w＜a_w1′的舒适区时，选择此状态混合悬架处于馈能模式；当a_w处在a_w1′≤a_w≤a_w2′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a_w处在a_w＞a_w2′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F_a,i(v_s,i-v_u,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R_max，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F_g2min，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。

本实施例中，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I_t1＝F_a,i/K_t1，其中，K_t1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150。

本实施例中，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F_g1，并将F_g1与车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力F_a,i相比较，当所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力F_g1≥F_a,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，C_g1为所述上直线电机单元的电磁阻尼系数，K_t1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，K_ε1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F_g1＜F_a,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F_g2max，并将F_g1+F_g2max与F_a,i相比较，当F_g1+F_g2max≥F_a,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，C_g2为所述下直线电机单元的电磁阻尼系数，K_t2为下直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，K_ε2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，K_ε2的取值小于K_ε1，r₂为所述下直线电机初级绕组5-2的阻值；当F_g1+F_g2max＜F_a,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F_k，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F_g2max，可调库伦阻尼力F_k＝F_a,i-F_g1-F_g2max，根据磁流变减振器库伦阻尼力F_k与库伦电流I_k的关系

得到库伦电流I_k，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I_k，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。

本实施例中，所述a₁的取值为89，所述a₂的取值为-36，所述a₃的取值为125。

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)

1.一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，所述车辆混合悬架作动器包括作动器本体和控制单元，所述作动器本体包括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；

所述双出杆式磁流变减振器包括工作缸(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，所述活塞杆(18)向上伸出上直线电机外壳(28)顶部外，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；

所述活塞杆(18)的顶部连接用于与汽车簧载质量连接的上吊耳(1)，所述工作缸(14)的底部连接用于与汽车非簧载质量连接的下吊耳(13)；

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)和用于对簧载质量速度进行检测的簧载质量速度传感器(20)，所述作动器控制器(6)的输出端接有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)，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；其特征在于，所述车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法包括以下步骤：

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v_s,i和非簧载质量速度v_u,i对应的车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力F_a,i，其中，

为v_s,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，t_i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a_w，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a_w1′和a_w2′，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a_w＜a_w1′为舒适区，a_w1′≤a_w≤a_w2′为稍不舒适区，a_w＞a_w2′为很不舒适区；其中，a_w(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a_w(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、馈能模式、半主动控制模式和主动控制模式的协调切换控制：所述作动器控制器(6)根据判断不等式F_a,i(v_s,i-v_u,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F_a,i(v_s,i-v_u,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a_w处在a_w＜a_w1′、a_w1′≤a_w≤a_w2′和a_w＞a_w2′的区域进行判断，当a_w处在a_w＜a_w1′的舒适区时，选择此状态混合悬架处于馈能模式；当a_w处在a_w1′≤a_w≤a_w2′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a_w处在a_w＞a_w2′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F_a,i(v_s,i-v_u,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R_max，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F_g2min，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。

2.按照权利要求1所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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.按照权利要求1所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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a_w1′的取值为0.315m·s^-2，所述a_w2′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I_t1＝F_a,i/K_t1，其中，K_t1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150。

8.按照权利要求1所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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F_g1，并将F_g1与车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力F_a,i相比较，当所述上直线电机单元产生的电磁阻尼力F_g1≥F_a,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，C_g1为所述上直线电机单元的电磁阻尼系数，K_t1为上直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，K_ε1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F_g1＜F_a,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F_g2max，并将F_g1+F_g2max与F_a,i相比较，当F_g1+F_g2max≥F_a,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，C_g2为所述下直线电机单元的电磁阻尼系数，K_t2为下直线电机的推力系数且其取值范围为50～150，K_ε2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，K_ε2的取值小于K_ε1，r₂为所述下直线电机初级绕组(5-2)的阻值；当F_g1+F_g2max＜F_a,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F_k，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F_g2max，可调库伦阻尼力F_k＝F_a,i-F_g1-F_g2max，根据磁流变减振器库伦阻尼力F_k与库伦电流I_k的关系

得到库伦电流I_k，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I_k，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。

9.按照权利要求8所述的一种车辆混合悬架作动器的多模式协调切换控制方法，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。

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