CN110744980A - 一种多模式复合式馈能型悬架作动器及其控制方法 - Google Patents

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洪锋
何凌兰
张海亮
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Abstract

本发明属于汽车悬架系统技术领域，尤其是涉及一种多模式复合式馈能型悬架作动器及其控制方法。本发明的多模式复合馈能悬架作动器的控制方法的方法步骤简单，通过理想主动力与悬架速度方向切换所述车辆主动悬架的工作控制模式，所述车辆混合悬架在半主动模式与主动耗能工作模式之间切换，节约能源的同时，能够使混合悬架处于最佳的减振状态，工作稳定性和可靠性高，不易发生故障，无需经常维护维修。

Description

一种多模式复合式馈能型悬架作动器及其控制方法
技术领域
本发明属于汽车悬架系统技术领域，尤其是涉及一种多模式复合式馈能型悬架作动器及其控制方法。
背景技术
近年来空气悬架的发展得到了长足的进步，高档轿车和客车上越来越多的采用空气悬架，这是由于空气悬架刚度的非线性以及其通过调节车身高度的方式来改善车辆的平顺性，相比于其他类型的半主动悬架具有独特的优势，但是由于空气悬架在进行车身高度调节时需要通过空气压缩机进行充气，消耗了大量的能量。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，从而导致的一系列问题是相关领域工作人员的研究重点。
现有技术中由于空气悬架刚度的非线性以及其通过调节车身高度的方式来改善车辆的平顺性，相比于其他类型的半主动悬架具有独特的优势，但是由于空气悬架在进行车身高度调节时需要通过空气压缩机进行充气，消耗了大量的能量，集成空气弹簧跟直线电机，直线电机进行馈能，以此来减少悬架系统的能耗问题。但是没有考虑到直线电机作动器失效的问题，作动器如果失效，将对能量回收没任何作用。同时直线电机在空气弹簧内所占无效体积过大，将会间接导致这种复合半主动悬架体积增大。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种多模式复合式馈能型悬架作动器及其控制方法，目的是提供一种能提高车辆的稳定性和平顺性，且对作动器产生的能量进行回收，减少汽车的耗能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种多模式复合式馈能型悬架作动器及其控制方法，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滚珠丝杠机构和与滚珠丝杠串联在一起的空气弹簧，所述滚珠丝杠机构包括中空式活塞杆(3)，活塞杆内部有滚珠丝杠螺母(5)，滚珠丝杠(4)穿过滚珠丝杠螺母(5)，通过紧固螺母 (6)将中空式活塞杆(3)、密封圈(7)与空气弹簧三者固定在一起，所述滚珠丝杠(4)的顶部通过加长螺母(22)与直流无刷电机(20)的轴相固连；所述空气弹簧机构包括空气弹簧气囊(10)，空气弹簧气囊(10)与空气弹簧上端盖(24)通过紧固螺母(12)与上法兰盘(11)相连，空气弹簧上端盖(24) 与次级上端盖(29)通过螺纹连接，所述空气弹簧上端盖(10)设置有接线孔 (26)，用于安装两个电磁阀，包括第一电磁阀(28)和第二电磁阀(18)，所述空气弹簧气囊(10)均匀设置了多个弯折部，所述弯折部设置有腰环(27)，所述空气弹簧气囊(10)与空气弹簧下端盖(30)通过紧固螺母(8)与下法兰盘(9)相连，空气弹簧下端盖(30)与次级下端盖(31)通过螺纹(23)连接；所述直流无刷电机(20)通过紧固螺母(14)将密封圈(15)与电机安装座(16) 连接在一起，所述电机安装座(16)与电机安装座上端盖(19)通过紧固螺栓 (17)固定连接。
所述作动器控制包括作动器控制器(37)和能量储存电路(48)，所述作动器控制器的输入端接有用于对非簧载质量的速度实时检测的非簧载质量速度传感器(33)，接有用于对簧载质量的速度实时检测的簧载质量速度传感器(32)、接有用于对路面等级实时检测的路面图像传感器(34)、接有用于对车辆行驶速度进行检测的车速传感器(36)、接有用于对空气弹簧内气压进行检测的气压传感器(35)，所述控制器(37)的输出端口接有滑动电阻调节模块(41)、进气电磁阀驱动电路(39)、减压电磁阀驱动电路(38)、控制空气压缩机(46)的继电器(40)，所述进气电磁阀驱动电路(39)与进气电磁阀(45)连接，所述减压电磁阀驱动电路(38)与减压电磁阀(44)连接，所述继电器(40)与空气压缩机(46)连接，所述无刷直流电机总线(47)通过能量储存电路(48) 为蓄电池(49)充电，所述能量储存电路(48)包括整流电路(48-1)、与整流电路(48-1)输出端相连接的滑动电阻(48-2)与滑动电阻(48-2)输出端相连接充电的蓄电池充电电路(48-3)。
所述馈能型多模式混合悬架作动器，其特征在于：所述能量储存电路(48) 包括整流电路(48-1)、与整流电路(48-1)输出端相接的滑动电阻(48-2)和与滑动电阻(48-2)输出端相接且为车载蓄电池(49)充电的蓄电池充电电路 (48-3)，所述直流无刷电机总线(47)的输出端与整流电路(48-1)的输入端相接，所述滑动电阻调节模块(41)和整流电路(48-1)的输出端与滑动电阻(48-2) 连接。
所述多模式复合馈能悬架作动器，其特征在于：所述电机安装座(16)为圆筒形结构，所述直流无刷电机(20)焊接在电机安装座上端盖(19)的下端。所述多模式复合馈能悬架作动器，其特征在于：所述整流电路(48-1)均为三相桥式整流电路。
所述多模式复合馈能悬架作动器，其特征在于：所述作动器控制器(37) 为DSP数字信号处理器。
所述多模式复合馈能悬架作动器，所述空气弹簧(10)的上端套装有上法兰盘(11)，所述空气弹簧气囊(10)的下端套装有下法兰盘(9)，所述空气弹簧上端盖(24)与上法兰盘(11)以及空气弹簧下端盖(30)与下法兰盘(9) 之间均通过紧固螺钉连接；所述接线孔(26)的出口处设置有橡胶密封圈(25)。
一种多模式混合悬架作动器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1:数据采集及同步传输：采用簧载质量传感器(32)对簧载质量速度进行周期性检测，并将传感器采集到的簧载质量速度信号发送至控制器(37)，非簧载质量传感器(33)对非簧载质量速度进行周期性检测，并将传感器采集到的非簧载质量速度信号发送至控制器(37)，路面图像传感器(34)对车辆行驶时的路面进行实时检测，并将传感器采集到的信号发送至控制器(37)，气压传感器(35)对空气弹簧内的气压进行周期性检测，并将传感器采集到的空气弹簧内的气压信号发送至控制器(37)，车速传感器(36)对车辆行驶的车速进行周期性检测，并将传感器采集到的车辆行驶的车速信号发送至控制器(37)。
S2:分析路面类型：路面图像传感器(34)对车辆行驶时的路面进行实时检测，并将传感器采集到图像的信号发送至控制器(37)，控制器通过卷积神经网络算法，对路面进行分析，再通过大量被标记的路面样本数据库，对比分析出车辆行驶的路面类型，根据汽车在某些路面上以中、低速行驶时的滚动阻力系数阀值来将路面进行类型划分，定义滚动阻力系数为良好路面，定义滚动阻力系数为一般路面，定义滚动阻力系数为较差路面；根据滚动阻力系数划分路面类型，沥青或混泥土路面为良好路面，碎石路面、卵石路面、干燥的压紧土路为一般路面，雨后的压紧土路、泥泞土路、干砂路、湿砂路为较差路面，控制器(37)通过路面图像传感器(34)采集图像的信号，对路面进行分析，判断出路面类型。
S3:计算车辆悬架在LQG控制下的理想阻尼力：所述作动器控制器(6)根据公式Fa,i＝-[q1vs,i+q2(vs,i-vu,i)+q 3vu,iti]计算得到第次采样得到的簧载质量速度vs,i和非簧载质量速度vu,i对应的车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力Fa,i，其中，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，ti为第i次采样的时间，i 的取值为非0自然数。
S4:对多模式复合馈能型悬架作动器进行控制：所述作动器控制器(37)根据路面状况进行判断，当步骤二中判断路面属于良好路面时，复合悬架选择为馈能模式；当步骤二中判断路面属于一般路面时，复合悬架选择为半主动模式；当步骤二中判断路面属于较差路面时，复合悬架选择为主动模式；当不成立时，选择此状态复合悬架处于馈能模式；复合悬架处于馈能模式时，所述滚珠丝杠 (4)上下运动，带动直流无刷电机(20)旋转运动，此时直流无刷电机相当于发电机，直流无刷电机总线(21)产生的电能经整流电路(48-1)整流之后，在蓄电池充电电路(48-3)处理后，电能充入蓄电池(49)中，完成馈能；复合悬架处于半主动模式时，所述蓄电池(49)开始放电，由蓄电池(49)给直流无刷电机(20)供电，此时直流无刷电机(20)相当于电动机，直流无刷电机(20) 的旋转，带动滚珠丝杠(4)上下运动，产生步骤三中的理想阻尼力，从而对理想控制力进行补偿调节，增加车辆行驶的舒适性。
复合悬架处于主动模式时，所述蓄电池(49)开始放电，由蓄电池(49) 给直流无刷电机(20)供电，此时直流无刷电机(20)相当于电动机，直流无刷电机(20)的旋转，带动滚珠丝杠(4)上下运动，产生步骤三中的理想阻尼力，从而对理想控制力进行补偿调节，所述作动器控制器(37)分析气压传感器(35)传递的信号，根据公式
Figure BDA0002263198530000061
计算出空气弹簧气囊(10)的刚度，通过控制进气电磁阀(39)和减压电磁阀(38)的开闭，来控制空气弹簧气囊(10)的气压p，从而改变空气弹簧的刚度K，即改变悬架整体刚度，此时是通过改变悬架刚度和阻尼来调节悬架，是复合悬架的主动模式，此模式能很好的改善车辆行驶的平顺性，从而极大提高车内人员的舒适性，但此模式能耗较高，不利于节能减排。
步骤四中对多模式复合馈能型悬架作动器进行控制的过程中，所述作动器控制器(37)还可以通过空气弹簧机构来调节车辆车身高度，能使车辆在高速行驶时增加车辆稳定性，或在烂路行驶时增加车辆的通过性，具体的过程为：所述作动器控制器(37)对车速传感器(36)传来的车速信息进行处理，当车速为0～30km/h时，判断为车辆在进行低速行驶，当车速为30km/h～80km/h时，判断为车辆在进行中速行驶，当车速为80km/h以上时，判断为车辆在进行高速行驶，再结合步骤二中判断出的路面类型，对驾驶情况进行分类；第一类是对当路面判断为良好路面，并且车速判断为高速行驶时，定义该工况为良好路面高速行驶；第二类是当路面判断为较差路面，并且车速判断为低速行驶时，定义该工况为坑洼路面低速行驶；其它工况都属于车辆正常行驶，无需对车身高度进行调节；第一类良好路面高速行驶工况下，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度，减少风阻，降低油耗；其中，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(37)控制减压电磁阀驱动电路(38)驱动减压电磁阀(38)打开，直至气压传感器(35)检测到的空气弹簧气囊(10)的气压达到预设气压下限值时，关闭减压电磁阀(38)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊(10) 压缩，降低车辆车身高度；第二类坑洼路面低速行驶工况下，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度，提高通过性；其中，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(37)控制继电器(40)接通空气压缩机(46)的供电回路，并控制进气电磁阀驱动电路(39)驱动进气电磁阀(45)打开，直至气压传感器(35)检测到的空气弹簧气囊(10)的气压达到预设气压上限值时，断开空气压缩机(46)的供电回路，关闭进气电磁阀(45)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊(10)伸张，升高车辆车身高度。
上述的方法，其特征在于：步骤二中所述q1的取值为，所述的取值为1.25×105，所述q2的取值为1.7×105，所述q3的取值为10×105。
上述的方法，其特征在于：步骤四中所述混合悬架处于主动控制模式时，所述空气弹簧气囊(10)改变刚度调节的具体过程为：空气弹簧气囊(10)刚度按照公式
Figure BDA0002263198530000071
得到空气弹簧气囊(10)内气囊内气体容积V，再根据公式
Figure BDA0002263198530000072
得到空气弹簧内的气压P，最后通过进气电磁阀 (45)和减压电磁阀(44)来调节空气弹簧气囊(10)内气压，以此来改变空气弹簧刚度K，其中K为空气弹簧气囊在任一位置的刚度，p0为静平衡位置气囊内气体的绝对气压，V0为静平衡位置气囊内气体容积，pa为标准大气压，A为气囊有效承压面积，x为气囊变形量，V为任一位置气囊内气体容积，m为多变指数,静态即等温过程m＝1、动态即绝热过程m＝1.4、一般状态m＝1.33。
上述的方法，其特征在于：步骤三和步骤四中所述混合悬架处于半主动和主动控制模式时，所述滚珠丝杠产生与理想控制力同向的阻尼力，加入阻尼力进行理想控制力的补偿调节的具体过程为：作动器控制器(37)根据输出的主动控制力大小按照公式
Figure BDA0002263198530000081
得到对直流无刷电机(20)的控制电流Ii，即作动器控制器(37)实时调节蓄电池(49)输出给直流无刷电机(20)的输入电流Ii，从而使直流无刷电机产生电磁转矩并通过滚珠丝杠副的传递作用对悬架输入控制力，其中L为滚珠丝杠导程，Kt为电机转矩常数。
本发明的有益效果是：本发明多模式复合馈能悬架作动器的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。通过理想主动力与悬架速度方向切换所述车辆主动悬架的工作控制模式，所述车辆混合悬架在半主动模式与主动耗能工作模式之间切换，节约能源的同时，能够使混合悬架处于最佳的减振状态。所采用的多模式复合馈能悬架作动器包括空气弹簧机构、滚珠丝杠单元，通过调节空气弹簧的高度来调节簧载质量和非簧载质量的高度差，从而调节汽车处于高低速在不同路面行驶时的车身高度。本发明的多模式复合馈能悬架作动器的工作稳定性和可靠性高，高效、响应速度快，实时性高，不易发生故障，无需经常维护维修。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明多模式复合馈能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为本发明多模式复合馈能悬架作动器的控制的方法流程框图。
图中：1—下吊耳；2—下吊耳紧固螺母；3—中空式活塞杆；4—滚珠丝杠；5 —滚珠丝杠螺母；6—活塞杆、密封圈和空气弹簧下端盖之间的紧固螺母；7—密封圈；8—下法兰盘与空气弹簧下端盖之间的紧固螺母；9—下法兰盘；10—空气弹簧气囊；11—上法兰盘；12—上法兰盘与空气弹簧上端盖之间的紧固螺母；13—减压电磁阀；14—电机安装座的固定螺栓；15—密封圈；16—电机安装座；17—电机安装座与电机安装座上端盖之间的紧固扩募；18—上吊耳；19 —电机安装座上端盖；20—直流无刷电机；21—直流无刷电机总线；22—直流无刷电机轴与滚珠丝杠上部分紧固的加长螺母；23—螺纹；24—空气弹簧上端盖；25—橡胶密封圈；26—接线孔；27—进气电磁阀；28—腰环；29—次级上端盖；30—空气弹簧下端盖；31—次级下端盖；32—簧载质量速度传感器；33 —非簧载质量速度传感器；34—路面图像传感器；35—气压传感器；36—车速传感器；37—作动器控制器；38—减压电磁阀驱动电路；39—进气电磁阀驱动电路；40—继电器；41—滑动电阻调节模块；42—第一可控恒流源；43—第二可控恒流源；44—减压电磁阀；45—进气电磁阀；46—空气压缩机；47—无刷直流电机总线；48-1—整流电路；48-2—滑动电阻；48-3—充电电路；49—蓄电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
根据图1-3所述的一种多模式复合式馈能型悬架作动器及其控制方法，包括：包括作动器本体和作动器控制系统，所述作动器本体包括滚珠丝杠机构和与滚珠丝杠串联在一起的空气弹簧，所述滚珠丝杠机构包括中空式活塞杆(3)，活塞杆内部有滚珠丝杠螺母(5)，滚珠丝杠(4)穿过滚珠丝杠螺母(5)，通过紧固螺母(6)将中空式活塞杆(3)、密封圈(7)与空气弹簧三者固定在一起，所述滚珠丝杠(4)的顶部通过加长螺母(22)与直流无刷电机(20)的轴相固连；所述空气弹簧机构包括空气弹簧气囊(10)，空气弹簧气囊(10)与空气弹簧上端盖(24)通过紧固螺母(12)与上法兰盘(11)相连，空气弹簧上端盖 (24)与次级上端盖(29)通过螺纹连接，所述空气弹簧上端盖(10)设置有接线孔(26)，用于安装两个电磁阀，包括第一电磁阀(28)和第二电磁阀(18)，所述空气弹簧气囊(10)均匀设置了多个弯折部，所述弯折部设置有腰环(27)，所述空气弹簧气囊(10)与空气弹簧下端盖(30)通过紧固螺母(8)与下法兰盘(9)相连，空气弹簧下端盖(30)与次级下端盖(31)通过螺纹(23)连接；所述直流无刷电机(20)通过紧固螺母(14)将密封圈(15)与电机安装座(16) 连接在一起，所述电机安装座(16)与电机安装座上端盖(19)通过紧固螺栓 (17)固定连接；所述作动器控制包括作动器控制器(37)和能量储存电路(48)，所述作动器控制器的输入端接有用于对非簧载质量的速度实时检测的非簧载质量速度传感器(33)，接有用于对簧载质量的速度实时检测的簧载质量速度传感器(32)、接有用于对路面等级实时检测的路面图像传感器(34)、接有用于对车辆行驶速度进行检测的车速传感器(36)、接有用于对空气弹簧内气压进行检测的气压传感器(35)，所述控制器(37)的输出端口接有滑动电阻调节模块(41)、进气电磁阀驱动电路(39)、减压电磁阀驱动电路(38)、控制空气压缩机(46) 的继电器(40)，所述进气电磁阀驱动电路(39)与进气电磁阀(45)连接，所述减压电磁阀驱动电路(38)与减压电磁阀(44)连接，所述继电器(40)与空气压缩机(46)连接，所述无刷直流电机总线(47)通过能量储存电路(48) 为蓄电池(49)充电，所述能量储存电路(48)包括整流电路(48-1)、与整流电路(48-1)输出端相连接的滑动电阻(48-2)与滑动电阻(48-2)输出端相连接充电的蓄电池充电电路(48-3)。
在实际使用中，本发明多模式复合馈能悬架作动器的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。通过理想主动力与悬架速度方向切换所述车辆主动悬架的工作控制模式，车辆混合悬架在半主动模式与主动耗能工作模式之间切换，节约能源的同时，能够使混合悬架处于最佳的减振状态。所采用的多模式复合馈能悬架作动器包括空气弹簧机构、滚珠丝杠单元，通过调节空气弹簧的高度来调节簧载质量和非簧载质量的高度差，从而调节汽车处于高低速在不同路面行驶时的车身高度。
实施例2：
基于实施例1的基础上，如图1-3所示，所述能量储存电路(48)包括整流电路(48-1)、与整流电路(48-1)输出端相接的滑动电阻(48-2)和与滑动电阻(48-2)输出端相接且为车载蓄电池(49)充电的蓄电池充电电路(48-3)，所述直流无刷电机总线(47)的输出端与整流电路(48-1)的输入端相接，所述滑动电阻调节模块(41)和整流电路(48-1)的输出端与滑动电阻(48-2)连接。
优选的，所述电机安装座(16)为圆筒形结构，所述直流无刷电机(20) 焊接在电机安装座上端盖(19)的下端。
优选的，所述整流电路(48-1)均为三相桥式整流电路。
优选的，所述作动器控制器(37)为DSP数字信号处理器。
优选的，所述空气弹簧(10)的上端套装有上法兰盘(11)，所述空气弹簧气囊(10)的下端套装有下法兰盘(9)，所述空气弹簧上端盖(24)与上法兰盘(11)以及空气弹簧下端盖(30)与下法兰盘(9)之间均通过紧固螺钉连接；所述接线孔(26)的出口处设置有橡胶密封圈(25)。
在实际使用当中，本发明采用车载蓄电池进行储能，电池容量大，储能效率高，储存的能量不仅可用于悬架，还可以用于汽车上的各个电器设备，并且长时间在较差路面行驶时，悬架馈能小于悬架耗能时，汽车发动机还可以给蓄电池充电，以保证汽车各电器设备的正常使用，以及汽车行驶的舒适性。
实施例3：
在实施例1-2的基础上，一种多模式混合悬架作动器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1:数据采集及同步传输：采用簧载质量传感器(32)对簧载质量速度进行周期性检测，并将传感器采集到的簧载质量速度信号发送至控制器(37)，非簧载质量传感器(33)对非簧载质量速度进行周期性检测，并将传感器采集到的非簧载质量速度信号发送至控制器(37)，路面图像传感器(34)对车辆行驶时的路面进行实时检测，并将传感器采集到的信号发送至控制器(37)，气压传感器(35)对空气弹簧内的气压进行周期性检测，并将传感器采集到的空气弹簧内的气压信号发送至控制器(37)，车速传感器(36)对车辆行驶的车速进行周期性检测，并将传感器采集到的车辆行驶的车速信号发送至控制器(37)。
S2:分析路面类型：路面图像传感器(34)对车辆行驶时的路面进行实时检测，并将传感器采集到图像的信号发送至控制器(37)，控制器通过卷积神经网络算法，对路面进行分析，再通过大量被标记的路面样本数据库，对比分析出车辆行驶的路面类型，根据汽车在某些路面上以中、低速行驶时的滚动阻力系数阀值来将路面进行类型划分，定义滚动阻力系数为良好路面，定义滚动阻力系数为一般路面，定义滚动阻力系数为较差路面；根据滚动阻力系数划分路面类型，沥青或混泥土路面为良好路面，碎石路面、卵石路面、干燥的压紧土路为一般路面，雨后的压紧土路、泥泞土路、干砂路、湿砂路为较差路面，控制器(37)通过路面图像传感器(34)采集图像的信号，对路面进行分析，判断出路面类型。
S3:计算车辆悬架在LQG控制下的理想阻尼力：所述作动器控制器(6)根据公式Fa,i＝-[q1vs,i+q 2(vs,i-vu,i)+q 3vu,iti] 计算得到第i次采样得到的簧载质量速度vs,i和非簧载质量速度vu,i对应的车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力Fa,i，其中，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，ti为第i次采样的时间， i的取值为非0自然数。
S4:对多模式复合馈能型悬架作动器进行控制：所述作动器控制器(37)根据路面状况进行判断，当步骤二中判断路面属于良好路面时，复合悬架选择为馈能模式；当步骤二中判断路面属于一般路面时，复合悬架选择为半主动模式；当步骤二中判断路面属于较差路面时，复合悬架选择为主动模式；当不成立时，选择此状态复合悬架处于馈能模式；复合悬架处于馈能模式时，所述滚珠丝杠 (4)上下运动，带动直流无刷电机(20)旋转运动，此时直流无刷电机相当于发电机，直流无刷电机总线(21)产生的电能经整流电路(48-1)整流之后，在蓄电池充电电路(48-3)处理后，电能充入蓄电池(49)中，完成馈能；复合悬架处于半主动模式时，所述蓄电池(49)开始放电，由蓄电池(49)给直流无刷电机(20)供电，此时直流无刷电机(20)相当于电动机，直流无刷电机(20) 的旋转，带动滚珠丝杠(4)上下运动，产生步骤三中的理想阻尼力，从而对理想控制力进行补偿调节，增加车辆行驶的舒适性。
复合悬架处于主动模式时，所述蓄电池(49)开始放电，由蓄电池(49) 给直流无刷电机(20)供电，此时直流无刷电机(20)相当于电动机，直流无刷电机(20)的旋转，带动滚珠丝杠(4)上下运动，产生步骤三中的理想阻尼力，从而对理想控制力进行补偿调节，所述作动器控制器(37)分析气压传感器(35)传递的信号，根据公式计算出空气弹簧气囊(10)的刚度，通过控制进气电磁阀(39)和减压电磁阀(38)的开闭，来控制空气弹簧气囊(10)的气压，从而改变空气弹簧的刚度，即改变悬架整体刚度，此时是通过改变悬架刚度和阻尼来调节悬架，是复合悬架的主动模式，此模式能很好的改善车辆行驶的平顺性，从而极大提高车内人员的舒适性，但此模式能耗较高，不利于节能减排。
步骤四中对多模式复合馈能型悬架作动器进行控制的过程中，所述作动器控制器(37)还可以通过空气弹簧机构来调节车辆车身高度，能使车辆在高速行驶时增加车辆稳定性，或在烂路行驶时增加车辆的通过性，具体的过程为：所述作动器控制器(37)对车速传感器(36)传来的车速信息进行处理，当车速为0～30km/h时，判断为车辆在进行低速行驶，当车速为30km/h～80km/h 时，判断为车辆在进行中速行驶，当车速为80km/h以上时，判断为车辆在进行高速行驶，再结合步骤二中判断出的路面类型，对驾驶情况进行分类；第一类是对当路面判断为良好路面，并且车速判断为高速行驶时，定义该工况为良好路面高速行驶；第二类是当路面判断为较差路面，并且车速判断为低速行驶时，定义该工况为坑洼路面低速行驶；其它工况都属于车辆正常行驶，无需对车身高度进行调节；第一类良好路面高速行驶工况下，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度，减少风阻，降低油耗；其中，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(37)控制减压电磁阀驱动电路(38)驱动减压电磁阀(38) 打开，直至气压传感器(35)检测到的空气弹簧气囊(10)的气压达到预设气压下限值时，关闭减压电磁阀(38)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊 (10)压缩，降低车辆车身高度；第二类坑洼路面低速行驶工况下，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度，提高通过性；其中，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(37)控制继电器(40)接通空气压缩机(46)的供电回路，并控制进气电磁阀驱动电路(39)驱动进气电磁阀(45)打开，直至气压传感器(35)检测到的空气弹簧气囊(10)的气压达到预设气压上限值时，断开空气压缩机(46)的供电回路，关闭进气电磁阀(45)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊(10)伸张，升高车辆车身高度。
上述的方法，其特征在于：步骤二中所述q1的取值为1.25×105，所述q2的取值为1.7×105，所述的取值为，所述q3的取值为10×105。
上述的方法，其特征在于：步骤四中所述混合悬架处于主动控制模式时，所述空气弹簧气囊(10)改变刚度调节的具体过程为：空气弹簧气囊(10)刚度按照公式
Figure BDA0002263198530000161
得到空气弹簧气囊(10)内气囊内气体容积V，再根据公式
Figure BDA0002263198530000162
得到空气弹簧内的气压P，最后通过进气电磁阀(45)和减压电磁阀(44)来调节空气弹簧气囊(10)内气压，以此来改变空气弹簧刚度K，其中K为空气弹簧气囊在任一位置的刚度，p0为静平衡位置气囊内气体的绝对气压，V0为静平衡位置气囊内气体容积，pa为标准大气压，A 为气囊有效承压面积，x为气囊变形量，V为任一位置气囊内气体容积，m为多变指数,静态即等温过程m＝1、动态即绝热过程m＝1.4、一般状态m＝1.33。
上述的方法，其特征在于：步骤三和步骤四中所述混合悬架处于半主动和主动控制模式时，所述滚珠丝杠产生与理想控制力同向的阻尼力，加入阻尼力进行理想控制力的补偿调节的具体过程为：作动器控制器(37)根据输出的主动控制力大小按照公式得到对直流无刷电机(20)的控制电流Ii，即作动器控制器(37)实时调节蓄电池(49)输出给直流无刷电机(20)的输入电流Ii，从而使直流无刷电机产生电磁转矩并通过滚珠丝杠副的传递作用对悬架输入控制力，其中L为滚珠丝杠导程，Kt为电机转矩常数。
综上所述，本发明采用车载蓄电池进行储能，电池容量大，储能效率高，储存的能量不仅可用于悬架，还可以用于汽车上的各个电器设备，并且长时间在较差路面行驶时，悬架馈能小于悬架耗能时，汽车发动机还可以给蓄电池充电，以保证汽车各电器设备的正常使用，以及汽车行驶的舒适性。本发明的多模式复合馈能悬架作动器的控制方法的方法步骤简单，通过理想主动力与悬架速度方向切换所述车辆主动悬架的工作控制模式，所述车辆混合悬架在半主动模式与主动耗能工作模式之间切换，节约能源的同时，能够使混合悬架处于最佳的减振状态，工作稳定性和可靠性高，不易发生故障，无需经常维护维修。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多模式复合馈能悬架作动器，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滚珠丝杠机构和与滚珠丝杠串联在一起的空气弹簧，所述滚珠丝杠机构包括中空式活塞杆(3)，活塞杆内部有滚珠丝杠螺母(5)，滚珠丝杠(4)穿过滚珠丝杠螺母(5)，通过紧固螺母(6)将中空式活塞杆(3)、密封圈(7)与空气弹簧三者固定在一起，所述滚珠丝杠(4)的顶部通过加长螺母(22)与直流无刷电机(20)的轴相固连；所述空气弹簧机构包括空气弹簧气囊(10)，空气弹簧气囊(10)与空气弹簧上端盖(24)通过紧固螺母(12)与上法兰盘(11)相连，空气弹簧上端盖(24)与次级上端盖(29)通过螺纹连接，所述空气弹簧上端盖(10)设置有接线孔(26)，用于安装两个电磁阀，包括第一电磁阀(28)和第二电磁阀(18)，所述空气弹簧气囊(10)均匀设置了多个弯折部，所述弯折部设置有腰环(27)，所述空气弹簧气囊(10)与空气弹簧下端盖(30)通过紧固螺母(8)与下法兰盘(9)相连，空气弹簧下端盖(30)与次级下端盖(31)通过螺纹(23)连接；所述直流无刷电机(20)通过紧固螺母(14)将密封圈(15)与电机安装座(16)连接在一起，所述电机安装座(16)与电机安装座上端盖(19)通过紧固螺栓(17)固定连接；所述作动器控制包括作动器控制器(37)和能量储存电路(48)，所述作动器控制器的输入端接有用于对非簧载质量的速度实时检测的非簧载质量速度传感器(33)，接有用于对簧载质量的速度实时检测的簧载质量速度传感器(32)、接有用于对路面等级实时检测的路面图像传感器(34)、接有用于对车辆行驶速度进行检测的车速传感器(36)、接有用于对空气弹簧内气压进行检测的气压传感器(35)，所述控制器(37)的输出端口接有滑动电阻调节模块(41)、进气电磁阀驱动电路(39)、减压电磁阀驱动电路(38)、控制空气压缩机(46)的继电器(40)，所述进气电磁阀驱动电路(39)与进气电磁阀(45)连接，所述减压电磁阀驱动电路(38)与减压电磁阀(44)连接，所述继电器(40)与空气压缩机(46)连接，所述无刷直流电机总线(47)通过能量储存电路(48)为蓄电池(49)充电，所述能量储存电路(48)包括整流电路(48-1)、与整流电路(48-1)输出端相连接的滑动电阻(48-2)与滑动电阻(48-2)输出端相连接充电的蓄电池充电电路(48-3)。
2.根据权利要求1所述的多模式复合馈能悬架作动器，其特征在于：所述能量储存电路(48)包括整流电路(48-1)、与整流电路(48-1)输出端相接的滑动电阻(48-2)和与滑动电阻(48-2)输出端相接且为车载蓄电池(49)充电的蓄电池充电电路(48-3)，所述直流无刷电机总线(47)的输出端与整流电路(48-1)的输入端相接，所述滑动电阻调节模块(41)和整流电路(48-1)的输出端与滑动电阻(48-2)连接。
3.根据权利要求1所述的多模式复合馈能悬架作动器，其特征在于：所述电机安装座(16)为圆筒形结构，所述直流无刷电机(20)焊接在电机安装座上端盖(19)的下端。
4.根据权利要求1所述的多模式复合馈能悬架作动器，其特征在于：所述整流电路(48-1)均为三相桥式整流电路。
5.根据权利要求1所述的多模式复合馈能悬架作动器，其特征在于：所述作动器控制器(37)为DSP数字信号处理器。
6.根据权利要求1所述的多模式复合馈能悬架作动器，所述空气弹簧(10)的上端套装有上法兰盘(11)，所述空气弹簧气囊(10)的下端套装有下法兰盘(9)，所述空气弹簧上端盖(24)与上法兰盘(11)以及空气弹簧下端盖(30)与下法兰盘(9)之间均通过紧固螺钉连接；所述接线孔(26)的出口处设置有橡胶密封圈(25)。
7.一种如权利要求1所述的馈能型多模式混合悬架作动器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1:数据采集及同步传输：采用簧载质量传感器(32)对簧载质量速度进行周期性检测，并将传感器采集到的簧载质量速度信号发送至控制器(37)，非簧载质量传感器(33)对非簧载质量速度进行周期性检测，并将传感器采集到的非簧载质量速度信号发送至控制器(37)，路面图像传感器(34)对车辆行驶时的路面进行实时检测，并将传感器采集到的信号发送至控制器(37)，气压传感器(35)对空气弹簧内的气压进行周期性检测，并将传感器采集到的空气弹簧内的气压信号发送至控制器(37)，车速传感器(36)对车辆行驶的车速进行周期性检测，并将传感器采集到的车辆行驶的车速信号发送至控制器(37)；
S2:分析路面类型：路面图像传感器(34)对车辆行驶时的路面进行实时检测，并将传感器采集到图像的信号发送至控制器(37)，控制器通过卷积神经网络算法，对路面进行分析，再通过大量被标记的路面样本数据库，对比分析出车辆行驶的路面类型，根据汽车在某些路面上以中、低速行驶时的滚动阻力系数阀值来将路面进行类型划分，定义滚动阻力系数为良好路面，定义滚动阻力系数为一般路面，定义滚动阻力系数为较差路面；根据滚动阻力系数划分路面类型，沥青或混泥土路面为良好路面，碎石路面、卵石路面、干燥的压紧土路为一般路面，雨后的压紧土路、泥泞土路、干砂路、湿砂路为较差路面，控制器(37)通过路面图像传感器(34)采集图像的信号，对路面进行分析，判断出路面类型；
S3: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Fa,i＝-[q1vs,i+q2(vs,i-vu,i)+q3vu,iti]计算得到第次采样得到的簧载质量速度vs,i和非簧载质量速度vu,i对应的车辆悬架LQG控制下的理想阻尼力Fa,i，其中，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，ti为第i次采样的时间，
i的取值为非0自然数。
S4:对多模式复合馈能型悬架作动器进行控制：所述作动器控制器(37)根据路面状况进行判断，当步骤二中判断路面属于良好路面时，复合悬架选择为馈能模式；当步骤二中判断路面属于一般路面时，复合悬架选择为半主动模式；当步骤二中判断路面属于较差路面时，复合悬架选择为主动模式；当不成立时，选择此状态复合悬架处于馈能模式；复合悬架处于馈能模式时，所述滚珠丝杠(4)上下运动，带动直流无刷电机(20)旋转运动，此时直流无刷电机相当于发电机，直流无刷电机总线(21)产生的电能经整流电路(48-1)整流之后，在蓄电池充电电路(48-3)处理后，电能充入蓄电池(49)中，完成馈能；复合悬架处于半主动模式时，所述蓄电池(49)开始放电，由蓄电池(49)给直流无刷电机(20)供电，此时直流无刷电机(20)相当于电动机，直流无刷电机(20)的旋转，带动滚珠丝杠(4)上下运动，产生步骤三中的理想阻尼力，从而对理想控制力进行补偿调节，增加车辆行驶的舒适性。复合悬架处于主动模式时，所述蓄电池(49)开始放电，由蓄电池(49)给直流无刷电机(20)供电，此时直流无刷电机(20)相当于电动机，直流无刷电机(20)的旋转，带动滚珠丝杠(4)上下运动，产生步骤三中的理想阻尼力，从而对理想控制力进行补偿调节，所述作动器控制器(37)分析气压传感器(35)传递的信号，根据公式计
Figure FDA0002263198520000051
算出空气弹簧气囊(10)的刚度，通过控制进气电磁阀(39)和减压电磁阀(38)的开闭，来控制空气弹簧气囊(10)的气压p，从而改变空气弹簧的刚度K，即改变悬架整体刚度，此时是通过改变悬架刚度和阻尼来调节悬架，是复合悬架的主动模式，此模式能很好的改善车辆行驶的平顺性，从而极大提高车内人员的舒适性，但此模式能耗较高，不利于节能减排。
步骤四中对多模式复合馈能型悬架作动器进行控制的过程中，所述作动器控制器(37)还可以通过空气弹簧机构来调节车辆车身高度，能使车辆在高速行驶时增加车辆稳定性，或在烂路行驶时增加车辆的通过性，具体的过程为：所述作动器控制器(37)对车速传感器(36)传来的车速信息进行处理，当车速为0～30km/h时，判断为车辆在进行低速行驶，当车速为30km/h～80km/h时，判断为车辆在进行中速行驶，当车速为80km/h以上时，判断为车辆在进行高速行驶，再结合步骤二中判断出的路面类型，对驾驶情况进行分类；第一类是对当路面判断为良好路面，并且车速判断为高速行驶时，定义该工况为良好路面高速行驶；第二类是当路面判断为较差路面，并且车速判断为低速行驶时，定义该工况为坑洼路面低速行驶；其它工况都属于车辆正常行驶，无需对车身高度进行调节；第一类良好路面高速行驶工况下，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度，减少风阻，降低油耗；其中，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构降低车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(37)控制减压电磁阀驱动电路(38)驱动减压电磁阀(38)打开，直至气压传感器(35)检测到的空气弹簧气囊(10)的气压达到预设气压下限值时，关闭减压电磁阀(38)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊(10)压缩，降低车辆车身高度；第二类坑洼路面低速行驶工况下，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度，提高通过性；其中，所述作动器控制器(37)控制所述空气弹簧机构升高车辆车身高度的具体方法为：所述作动器控制器(37)控制继电器(40)接通空气压缩机(46)的供电回路，并控制进气电磁阀驱动电路(39)驱动进气电磁阀(45)打开，直至气压传感器(35)检测到的空气弹簧气囊(10)的气压达到预设气压上限值时，断开空气压缩机(46)的供电回路，关闭进气电磁阀(45)，使得所述空气弹簧机构中的空气弹簧气囊(10)伸张，升高车辆车身高度。
8.根据权利要求7所述一种馈能型多模式混合悬架作动器的控制方法，其特征在于：步骤二中所述q1的取值为1.25×105，所述q1的取值为1.25×105，所述q2的取值为1.7×105，所述q3的取值为10×105。
9.根据权利要求7所述一种馈能型多模式混合悬架作动器的控制方法，其特征在于：步骤四中所述混合悬架处于主动控制模式时，所述空气弹簧气囊(10)改变刚度调节的具体过程为：空气弹簧气囊(10)刚度按照公式
Figure FDA0002263198520000061
得到空气弹簧气囊(10)内气囊内气体容积V，再根据公式
Figure FDA0002263198520000062
得到空气弹簧内的气压P，最后通过进气电磁阀(45)和减压电磁阀(44)来调节空气弹簧气囊(10)内气压，以此来改变空气弹簧刚度K，其中K为空气弹簧气囊在任一位置的刚度，p0为静平衡位置气囊内气体的绝对气压，V0为静平衡位置气囊内气体容积，pa为标准大气压，A为气囊有效承压面积，x为气囊变形量，V为任一位置气囊内气体容积，m为多变指数,静态即等温过程m＝1、动态即绝热过程m＝1.4、一般状态m＝1.33。
10.根据权利要求7所述一种馈能型多模式混合悬架作动器的控制方法，其特征在于：步骤三和步骤四中所述混合悬架处于半主动和主动控制模式时，所述滚珠丝杠产生与理想控制力同向的阻尼力，加入阻尼力进行理想控制力的补偿调节的具体过程为：作动器控制器(37)根据输出的主动控制力大小按照公式得到对直流无刷电机(20)的控制电流Ii，即作动器控制器(37)实时调节蓄电池(49)输出给直流无刷电机(20)的输入电流Ii，从而使直流无刷电机产生电磁转矩并通过滚珠丝杠副的传递作用对悬架输入控制力，其中L为滚珠丝杠导程，Kt为电机转矩常数。
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