CN109835134A - 电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器及其控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车悬架作动器技术领域，具体涉及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。

背景技术

随着汽车保有量不断增加，导致石油能源储存量不断减少，而且汽车尾气排放加剧了自然环境恶化，尤其是全球温室效应和雾霾天气等不正常现象，严重危害了人类生命健康以及社会的可持续发展，绿色环保的新能源电动汽车已成为当代社会关注的焦点。我国政府在2009年制定了一系列发展新能源汽车的补贴政策后，新能源汽车相关技术得到了快速的发展，但核心装置蓄电池能量密度低、重量大、充电时间长等缺点没有取得突破性的进展，续航里程短的问题制约着电动汽车市场的进一步拓展。目前电动汽车普遍采用传统液压被动悬架系统，液压减振器将汽车上下振动产生的能量以热量形式耗散到空气中，该部分能量占整车能量消耗的10％。如果利用汽车悬架振动能量回收技术，将液压减振器耗散的能量进行回收储存，这对于延续电动汽车续航里程，提高电动汽车的经济性，缓解自然环境恶化，推广电动汽车市场有着积极的意义。

2016年张恩惠等学者针对高耗能且现在数量不断增长的新能源汽车，应用经典压电悬臂梁进行有限元分析，得出当在自由端输入3mm的位移载荷时，压电片最高可产生3V电压，最后得出振动回收的电能足够为汽车小型低功率用电器供电。但该能量回收系统单一，没有深层回收悬架系统振动的能量。2017年赵洪星等学者设计了一种将压电陶瓷球壳和永磁直线电机两种回收方式进行复合，组成振动能量复合回收装置，而这种方式仅仅实现能量回收，没能全面考虑电动汽车行驶路况，进行悬架系统模式切换。

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，提供一种电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，其设计合理，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。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，包括磁流变减振器、电机单元、馈能单元和作动器监控装置，所述磁流变减振器包括缸体，所述缸体内设置有滚珠丝杠和活塞，以及用于将缸体的内腔分隔为磁流变内腔和磁流变外腔的左旁路调节板和右旁路调节板；所述磁流变内腔和磁流变外腔内均设置有磁流变液，所述磁流变内腔内设置有用于将磁流变内腔分隔为磁流变内腔上腔和磁流变内腔下腔的内腔隔板，所述滚珠丝杠上螺纹连接有丝杠螺母，所述活塞与丝杠螺母固定连接，所述活塞的底部连接有向下穿过内腔隔板并向下伸出缸体底部外的丝杠套筒，所述丝杠套筒套装在滚珠丝杠上，所述内腔隔板上设置有分别位于丝杠套筒两侧的压缩阀和复原阀，所述缸体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，所述叶片盘与滚珠丝杠固定连接，所述缸体外侧均匀分布有励磁线圈，所述励磁线圈内侧固定有导磁板；

所述电机单元包括电机固定座和安装在电机固定座上的无刷直流电机，所述滚珠丝杠的上端穿出缸体外部、穿过电机固定座且与无刷直流电机的轴固定连接，所述电机固定座的顶部连接用于与汽车簧载质量连接的上吊耳；

所述馈能单元包括馈能单元外壳、压电弹簧和压电片，所述馈能单元外壳的上部固定连接在缸体底部，所述压电弹簧连接在丝杠套筒上，所述压电片通过支撑架与压电弹簧相隔离，所述丝杠套筒向下伸出馈能单元外壳底部外，所述丝杠套筒的底部连接用于与汽车非簧载质量连接的下吊耳，所述馈能单元外壳上设置有用于对丝杠套筒在下吊耳的带动下上下运动进行导向的导向套筒；

所述作动器监控装置包括作动器控制器和馈能电路，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实时检测的非簧载质量速度传感器、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、用于对丝杠套筒的速度进行实时检测的丝杠套筒速度传感器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；所述作动器控制器的输出端接有用于为所述磁流变减振器的励磁线圈提供可调电流的第一可调电流源和用于为无刷直流电机提供可调电流的第二可调电流源，所述励磁线圈与第一可调电流源连接，所述无刷直流电机与第二可调电流源连接，所述馈能电路包括依次连接的整流电路和蓄电池充电电路，所述无刷直流电机和压电片均与整流电路的输入端连接，车载蓄电池与蓄电池充电电路的输出端连接。

上述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，所述缸体顶部供滚珠丝杠穿出的部位设置有上密封圈，所述缸体底部供丝杠套筒穿出的部位设置有下密封圈。

上述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，所述电机固定座上设置有用于支撑安装滚珠丝杠的深沟球轴承。

上述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，所述馈能单元外壳的上部焊接在缸体底部，所述压电弹簧焊接在丝杠套筒上。

上述的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，所述磁流变外腔的横截面的形状为圆环形。

本发明还提供了一种方法步骤简单，实现方便，能够根据汽车行驶不同路况的需要，在满足汽车行驶舒适性和稳定性的条件下，汽车悬架作动器可切换为高节能模式、节能模式、稳定模式、动态模式四种不同的工作模式，提高了汽车的能量利用率，而且可以不断为电动汽车车载蓄电池充电，提高了电动汽车的续航里程和电池寿命的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器的控制方法，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对丝杠套筒的速度进行实时检测，压电片馈能电压传感器对所述悬架作动器上下振动时压电片的馈能电压进行实时检测，作动器控制器分别对非簧载质量速度、簧载质量速度、丝杠套筒的速度和压电片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的馈能电压；

步骤二、所述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；具体过程为：

步骤201、作动器控制器对其第i次周期采样得到的四次压电片的馈能电压u_i1、u_i2、u_i3、u_i4与预先设定的压电片馈能电压下限阈值u_r1、压电片馈能电压中间阈值u_r2和压电片馈能电压上限阈值u_r3进行比较，当max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r1时，作动器控制器判断为悬架作动器工作在高节能模式，执行步骤202；当min[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r1且max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r2时，作动器控制器判断为悬架作动器工作在节能模式，执行步骤203；当min[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r2且max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r3时，作动器控制器判断为悬架作动器工作在稳定模式，执行步骤204；当min[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r3时，作动器控制器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，下吊耳带动丝杠套筒上下运动，丝杠套筒带动压电弹簧上下运动，压电片在压电弹簧的作用下发生形变，产生馈能电流；同时，丝杠套筒上下运动时，通过丝杠螺母带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动无刷直流电机转动，产生馈能电流；压电片产生的馈能电流和无刷直流电机产生的馈能电流通过整流电路和蓄电池充电电路向车载蓄电池充电；

步骤203、所述作动器控制器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的电流，调节悬架作动器的阻尼；

步骤204、所述作动器控制器控制无刷直流电机的输入电流和磁流变减振器的励磁线圈的输入电流，使悬架作动器产生理想的半主动控制力；

步骤205、所述作动器控制器根据天棚最优控制算法公式F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti，再根据公式计算得到第i次采样需要向无刷直流电机输入的电流I_i；其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky为天棚控制阻尼系数；L为丝杠套筒的导程，K_t为无刷直流电机的推力系数且其取值范围为50～150；所述作动器控制器控制第二可调电流源，为无刷直流电机提供电流I_i；当作动器控制器控制无刷直流电机逆时针旋转时，直流无刷电机带动滚珠丝杠逆时针旋转，丝杠螺母带动活塞和丝杠套筒向下移动，所述磁流变内腔的下腔容积变小，磁流变内腔的下腔液压增大，导致压缩阀打开，复原阀关闭；由于压缩阀具有一定的预紧力，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传递到非簧载质量；当作动器控制器控制无刷直流电机顺时针旋转时，丝杠螺母带动活塞和丝杠套筒向上移动，所述磁流变内腔的上腔容积变小，磁流变内腔的上腔液压增大，复原阀打开；由于复原阀具有一定的预紧力，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传递到簧载质量；

以上步骤中，滚珠丝杠转动时，带动叶片盘旋转，将磁流变液中的铁磁性颗粒物搅拌均匀，防止发生沉降。

上述的方法，步骤203中所述作动器控制器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、所述作动器控制器根据天棚最优控制算法公式F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti，其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky为天棚控制阻尼系数；

步骤2032、所述作动器控制器根据Bingham模型公式计算磁流变液的屈服强度τ_y，式中：η为磁流变液的零磁场黏度；l为励磁线圈沿缸体轴向缠绕的长度；D为活塞的内径；d为丝杠套筒的直径；h为磁流变外腔的内径；V'为磁流变外腔的磁流变液的流速且V为丝杠套筒速度传感器检测的丝杠套筒的运动速度；A为活塞的横截面积；A_p为磁流变外腔横截面的内圆面积；sgn(·)为方向函数；

步骤2033、令磁流变外腔的液体由下到上为正方向，此时丝杠套筒上的活塞向下运动，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上下运动，再根据公式计算励磁线圈的电流I，通过作动器控制器控制第一可调电流源，为励磁线圈提供电流I，实现作动器控制器对所述磁流变减振器的阻尼调节；其中：N为励磁线圈的线圈匝数，R为励磁线圈的磁阻，Φ为励磁线圈的磁通量且Φ＝Hμ₀A_p，H为磁场强度且H²∝τ_y，μ₀为导磁板的相对磁导率；丝杠套筒的上下运动带动压电片和无刷直流电机产生馈能电流，压电片产生的馈能电流和无刷直流电机产生的馈能电流通过整流电路和蓄电池充电电路向车载蓄电池充电。

上述的方法，步骤204中所述作动器控制器控制无刷直流电机的输入电流和磁流变减振器的励磁线圈的输入电流，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、所述作动器控制器根据公式计算得到第i次采样时无刷直流电机产生的半主动控制力F_si；其中，K_t为无刷直流电机的推力系数且其取值范围为50～150，I_zi为第i次采样时输入磁流变减振器的励磁线圈的电流，L为丝杠套筒的导程；

步骤2042、所述作动器控制器根据公式F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti；其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky为天棚控制阻尼系数；

步骤2043、所述作动器控制器将|F_ti|与|F_si|进行比较，当|F_ti|<|F_si|时，作动器控制器通过控制第二可调电流源，调节无刷直流电机的输入电流，不向磁流变减振器的励磁线圈供电，使悬架作动器输出理想的半主动控制力；当|F_ti|＞|F_si|时，悬架作动器产生的半主动控制力需要补偿，作动器控制器根据公式计算得到需要向磁流变减振器的励磁线圈提供的电流I_i′，并控制控制第一可调电流源，为励磁线圈提供电流I_i′；其中，c_sky为天棚控制阻尼系数，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，z_1i为第i次采样时的非簧载质量速度，sgn(·)为符号函数。

上述的方法，所述u_r1的取值为3V，所述u_r2的取值为4V，所述u_r3的取值为5V。

上述的方法，所述c_sky的取值为2000N·s/m。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，设计合理，结构简单，成本低，便于推广使用。

2、本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，利用滚珠丝杠和压电片进行复合馈能，馈能效率高，响应速度快，占用空间小，与带有防沉降功能的磁流变减振器进行集成化，在满足汽车悬架性能评价指标前提下，能够最大限度回收路面激励产生的能量，对于延续新能源电动车续航里程和改善耗能可控悬架的经济性能都是极为有利的。

3、本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，通过控制无刷直流电机的正反转，调节滚珠丝杠上下运动，进而控制簧载质量和非簧载质量的高度差，从而控制车身的姿态，且通过改变悬架作动器的控制力，以提高电动汽车乘坐的舒适性和稳定性，控制方法简单易行，磁流变减振器和滚珠丝杆的往复特性运动也适用于电动汽车悬架。

4、本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，在传统的磁流变机构上集成了滚珠丝杠，在路面不平度的激励下，悬架作动器上下振动，滚珠丝杠的旋转带动无刷直流电机产生交流电，交流电经过整流电路转化为直流电，再经过蓄电池充电电路为车载蓄电池充电，通过车载蓄电池实现能量回收；且在悬架作动器的各种模式，压电片都能产生馈能电流，不需要其他运动形式的转化，其馈能效率高，解决了磁流变悬架作动器的耗能问题，可靠稳定，使用性能好。

5、本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，在稳定模式中，作动器控制器通过控制第二可调电流源，调节无刷直流电机的输入电流，或通过控制第一可调电流源，调节励磁线圈的输入电流，实现了对滚珠丝杠的半主动控制，避免了传统磁流变悬架只改变磁流变颗粒的大小而改变阻尼，增大了悬架作动器阻尼力变化范围，提高了悬架作动器控制的便捷性。

6、本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，当磁流变减振器因故障而失效工作时，滚珠丝杠可正常工作；当滚珠丝杠因故障而失效工作时，磁流变减振器可正常工作；这样保证了悬架作动器具有容错性，进而提高了悬架作动器工作的安全性和可靠性。

7、本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，考虑到悬架作动器的磁流变液在电动汽车悬架系统较长时间不工作时，磁流变液中的铁磁性颗粒物会发生沉淀，颗粒物会堆积在作动器的压缩阀和复原阀的阀口处以及活表面上，影响悬架作动器的正常工作，使磁流变减振器性能大打折扣，因此，通过叶片盘旋转运动，这样就可以通过搅拌的方式，使沉淀的铁磁性颗粒在磁流变液中混合均匀。

8、本发明的电动汽车电磁集成式馈能型悬架作动器，通过将磁流变的励磁线圈设置在缸体外侧，避免了传统磁流变减振器将励磁线圈缠绕在活塞上，减小了工艺加工的难度，而且励磁线圈缠绕在整个缸体的外侧，这样增大了磁流变液体颗粒的励磁面积，使磁流变液体在相等的时间内液体颗粒变化的时间更短，提高了作动器阻尼力的响应速度。

9、本发明的电动汽车电磁集成式馈能型悬架作动器，通过在磁流变缸体设置外腔和内腔，增大了磁流变液体的流通路径，使磁流变液在活塞缸内腔和外腔循环时，磁流变液体阻力变大，在相同路面激励情况下，电动汽车簧载质量不容易上下振动，提高了电动汽车乘坐的稳定性。

10、本发明的电动汽车电磁集成式馈能型悬架作动器的控制方法，方法步骤简单，实现方便，能够根据汽车行驶不同路况的需要，在满足汽车行驶舒适性和稳定性的条件下，汽车悬架作动器可切换为高节能模式、节能模式、稳定模式、动态模式四种不同的工作模式，提高了汽车的能量利用率，而且可以不断为电动汽车车载蓄电池充电，提高了电动汽车的续航里程和电池寿命。

11、本发明的推广使用，将为延续电动汽车的续航里程提供新的解决方案，实用性强，推广应用价值高。

综上所述，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。

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为本发明电动汽车防沉降复合式馈能型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为本发明电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器的控制方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—下吊耳； 2—滚珠丝杠； 3—压电弹簧；

5—下密封圈； 6—缸体； 7—左旁路调节板；

8—磁流变外腔； 9—内腔隔板； 10—压缩阀；

12—导磁板； 13—丝杠螺母； 15—深沟球轴承；

16—无刷直流电机； 18—上吊耳； 19—电机固定座；

20—上密封圈； 22—叶片盘； 23—活塞；

24—励磁线圈； 26—右旁路调节板； 27—磁流变内腔；

28—复原阀； 29—压电片； 30—支撑架；

31—馈能单元外壳； 32—导向套筒； 33—丝杠套筒；

34—压电片馈能电压传感器； 35—簧载质量速度传感器；

36—非簧载质量速度传感器； 37—丝杠套筒速度传感器；

38—作动器控制器； 39-1—整流电路； 39-2—蓄电池充电电路；

40—第一可调电流源； 41—车载蓄电池； 42—第二可调电流源。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的电动汽车防沉降复合式馈能型悬架作动器，包括磁流变减振器、电机单元、馈能单元和作动器监控装置，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。

本实施例中，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。

本实施例中，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。

本实施例中，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。

本实施例中，所述磁流变外腔8的横截面的形状为圆环形。

如图3所示，本发明的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，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；

具体实施时，采样周期为2s；

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u_i1、u_i2、u_i3、u_i4与预先设定的压电片29馈能电压下限阈值u_r1、压电片29馈能电压中间阈值u_r2和压电片29馈能电压上限阈值u_r3进行比较，当max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r1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[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r1且max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r2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[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r2且max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r3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[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r3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；

本实施例中，所述u_r1的取值为3V，所述u_r2的取值为4V，所述u_r3的取值为5V。

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；

本实施例中，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F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti，其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky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τ_y，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；A_p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＝Hμ₀A_p，H为磁场强度且H²∝τ_y，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。

具体实施时，H²＝60τ_y。

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；

本实施例中，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F_si；其中，K_t为无刷直流电机16的推力系数且其取值范围为50～150，I_zi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F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti；其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky为天棚控制阻尼系数；

步骤2043、所述作动器控制器38将|F_ti|与|F_si|进行比较，当|F_ti|<|F_si|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|F_ti|＞|F_si|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根据公式计算得到需要向磁流变减振器的励磁线圈24提供的电流I_i′，并控制控制第一可调电流源40，为励磁线圈24提供电流I_i′；其中，c_sky为天棚控制阻尼系数，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，z_1i为第i次采样时的非簧载质量速度，sgn(·)为符号函数。

步骤205、所述作动器控制器38根据天棚最优控制算法公式F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti，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I_i；其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky为天棚控制阻尼系数；L为丝杠套筒33的导程，K_t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I_i；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。

本实施例中，所述c_sky的取值为2000N·s/m。

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 (10)

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u_i1、u_i2、u_i3、u_i4与预先设定的压电片(29)馈能电压下限阈值u_r1、压电片(29)馈能电压中间阈值u_r2和压电片(29)馈能电压上限阈值u_r3进行比较，当max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r1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[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r1且max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r2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[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r2且max[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]＜u_r3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[u_i1、u_i2、u_i3、u_i4]≥u_r3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F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti，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I_i；其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky为天棚控制阻尼系数；L为丝杠套筒(33)的导程，K_t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I_i；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F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti，其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky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τ_y，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；A_p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＝Hμ₀A_p，H为磁场强度且H²∝τ_y，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F_si；其中，K_t为无刷直流电机(16)的推力系数且其取值范围为50～150，I_zi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F_ti＝z_2i·c_sky计算得到第i次采样时的理想主动控制力F_ti；其中，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，c_sky为天棚控制阻尼系数；

步骤2043、所述作动器控制器(38)将|F_ti|与|F_si|进行比较，当|F_ti|<|F_si|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|F_ti|＞|F_si|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z_2ic_sky-F_si＝-180(z_2i-z_1i)+(86I′_i ²-38I′_i+120)sgn(z_2i-z_1i)计算得到需要向磁流变减振器的励磁线圈(24)提供的电流I_i′，并控制控制第一可调电流源(40)，为励磁线圈(24)提供电流I_i′；其中，c_sky为天棚控制阻尼系数，z_2i为第i次采样时的簧载质量速度，z_1i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u_r1的取值为3V，所述u_r2的取值为4V，所述u_r3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c_sky的取值为2000N·s/m。