CN113665311A - 一种基于频域分析的减振器控制方法及系统 - Google Patents

一种基于频域分析的减振器控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频域分析的减振器控制方法及系统，采集悬架系统的悬架位移，将悬架位移作为测量信号；对测量信号进行分频滤波，得到各频段量值；根据悬架系统中减振器在每个频段的特性，对每个频段的量值分配对应权重系数；根据各频段量值及对应的权重系数，加权求和，得到合成的阻尼系数；利用合成的阻尼系数，对减振器进行控制。本发明通过分配各频段的权重系数，决定各频段内减振器最优控制时阻尼系数，从而生成最优的阻尼力，利于提高减振性能，同时节省减振功可以配置悬挂最优的阻尼力，解决流体减振时低频时因开阀造成的减振力不足和流体减振在高频小振幅振动下浪费驱动功率、恶化平顺性的问题；采用模拟电路滤波器，以减小时滞。

Description

一种基于频域分析的减振器控制方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆悬架减振技术领域，具体涉及一种基于频域分析的减振器控制方法及系统。
背景技术
传统的流体减振采用油液、磁流变液、电流变液等流体，通过孔壁与流体间的摩擦和流体分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，通过节流，改变液体粘度方式，调节阻尼力的大小，阻尼力由阻尼系数与速度决定。阻尼力产生热能并耗散。其局限性是由于液体与振动结构件的实时接触，不可避免地产生了内耗，且某些工况下成为了增振器，造成了车辆驱动功率的损失。
传统流体减振器阻尼力计算公式如下所示：
Figure BDA0003165665140000011
流体减振器阻尼力Fs仅与悬架相对运动速度vs有关，当速度vs不大于开阀速度vk时，阻尼值较大，为cd；当相对速度较大而开阀时，阻尼值较小为cx。但实际使用中，在低频大振幅振动输入时，由于减振器开阀，而造成对车体减振力不足；在高频小振幅振动输入时，由于阻尼力较大，从而造成内耗，浪费驱动功率，减振器充当增振器，造成平顺性恶化。
传统悬架减振器，比如车辆上应用的液力减振器、油气悬架、乃至代表磁流变、电流变、可调节流孔半主动悬架等都存在一个固有的特性，即当悬架相对运动速度较高时通过开阀实现阻尼力的降低，以满足高频减振特性要求，但会带来两个结果，一是高频能耗仍无法去除；二是低频开阀造成减振力不足；这个缺陷就是由于受到减振原理的限制。
另一方面，减振器的设计是一个综合最优的结果，而不是各个频段均达到最优。基于以上局限性，目前的悬架仅在低频段与共振频率发挥了减振的作用，而在其它频段不仅未能实现减振，反而成为了增振器，加大了车体的振动，空耗了大量的驱动功率。
近些年，电磁减振器得到了研究与应用，电磁减振器通过磁电转换、配置耗散电阻的配置方式产生阻尼力，采用减振最优参数控制方法、实现悬架系统高效减振，回收能量，降低悬架系统功耗，提高平顺性与行驶安全性。磁电减振的形式，阻尼系数的调节在毫秒级即可完成，这利于快速适应车辆载荷转移，实时调节最佳阻尼力；阻尼系数的调节范围大，在高频时可以将阻尼力调至最小，从而利于节省功耗；工作适用温度范围广，减振特性受温度影响小，因此不像流体减振其性能受制于密封的工作温度。
为了适应电磁减振器的技术发展，同时克服流体减振器在功耗、阻尼力控制方面的不足，提高减振器控制的功效，目前亟需一种基于频域分析的减振器控制方法及系统，实现中低频时实时调节最佳阻尼力，从而利于减振，并在高频时可以将阻尼力调至最小，从而利于节省功耗的技术效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于频域分析的减振器控制方法及系统，能够在中低频时实时调节最佳阻尼力，从而利于减振，并在高频时可以将阻尼力调至最小，从而利于节省功耗。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于频域分析的减振器控制方法，具体步骤包括：
采集悬架系统的悬架位移，将悬架位移作为测量信号。
对测量信号进行分频滤波，得到各频段量值。
根据悬架系统中减振器在每个频段的特性，对每个频段的量值分配对应权重系数。
根据各频段量值及对应的权重系数，加权求和，得到合成的阻尼系数。
利用合成的阻尼系数，对减振器进行控制。
进一步的，对测量信号进行分频滤波，具体方法为：
获取悬架系统的两个共振主频点，按照大小分别记为低主频点fs、高主频点fu；取低主频点右侧转折频点fsy，高主频点左侧转折频点fuz，高主频右侧转折频点fuy。
fsy、fuz和fuy三个点将测量信号的频段分为四段，按照频率由低到高分别记为低主频段、中频段、高主频段和高频段。
滤波得到各频段量值。
进一步的，得到各频段量值，具体方法为：
已知各频段总幅值M＝Msy+Muz+Mu+Muy，其中Msy为低主频段幅值，Muz为中频段幅值，Mu为高主频段幅值，Muy为高频段幅值。
低主频段量值
Figure BDA0003165665140000031
中频段量值
Figure BDA0003165665140000032
高主频段量值
Figure BDA0003165665140000033
高频段量值
Figure BDA0003165665140000034
进一步的，分配权重系数，具体方法为：
ssy为低主频段量值权重系数，suz为中频段量值权重系数，su为高主频段量值权重系数，suy为高频段量值权重系数，f为输入振动频率。
以一定的阻尼比ξ或基准阻尼系数C作为基准，当减振器的最大阻尼为3C。
当f≤fsy时，基准阻尼系数C在减振器的能力内取最大值，ssy＝3C。
当fsy≤f≤fuz时，取suz＝0。
当fuz≤f≤fuy时，此时基准阻尼系数C取最大值，su＝1.5C。
当fuy<f时，取suy＝0。
进一步的，计算合成的阻尼系数，具体方法为：
已知cs＝ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy。
代入参数ssy、suz、su、suy、Δfsy、Δfuz、Δfu和Δfuy的值，得到：cs＝3CΔfsy+1.5CΔfu。
当suz＝0，suy＝0时，cs＝ssyΔfsy+suΔfu。
进一步的，减振器的阻尼力包含拉伸阻尼力和压缩阻尼力，则阻尼系数包含拉伸阻尼系数和压缩阻尼系数。
令拉伸阻尼系统csl与压缩阻尼系数csy之比为μc，即
Figure BDA0003165665140000041
csy＝(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)。
csl＝μc(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)。
当suz＝0，suy＝0时：
csy＝(ssyΔfsy+suΔfu)；csl＝μc(ssyΔfsy+suΔfu)。
当fsy≤f≤fuz时，阻尼系数为0，此时阻尼力为0。
一种基于频域分析的减振器控制系统，包括：随机振动信号采集器、滤波器模块、阻尼系数合成模块，用于针对悬架系统减振器进行阻尼力控制。
随机振动信号采集器，用于采集悬架系统的悬架位移，将悬架位移作为测量信号。
滤波器模块，用于对测量信号进行分频滤波，得到各频段量值。
阻尼系数合成模块，用于根据悬架系统中减振器在每个频段的特性，对每个频段的量值分配对应权重系数；根据各频段量值及对应的权重系数，加权求和，得到合成的阻尼系数。
阻尼系数输出至减振器。
进一步的，滤波器模块包括低通滤波器、低频带通滤波器、中频带通滤波器以及高通滤波器。
采用低通滤波器采集所述测量信号中的低主频段幅值Msy，设置低通滤波器对测量信号的截止频率为fsy+△f；其中，fsy为低主频右侧转折频点，△f≥0。
采用低频滤波器采集测量信号中的中频段幅值Muz，下截止频率为fsy-△f，上截止频率为fuz+△f；其中，fuz为高主频左侧转折频点。
采用中频滤波器采集所述测量信号中的高主频段幅值Mu，下截止频率为fuz－△f，上截止频率为fuy+△f；其中，fuy为高主频右侧转折频点。
采用高通滤波器采集测量信号中的高频段幅值Muy，下截止频率为fuy－△f。
进一步的，滤波器为模拟电路滤波器。
有益效果：本发明方法通过根据不同的频段量值，分配各频段的权重系数，决定各频段内减振器最优控制时阻尼系数，实现了对振动信号的频域分析。本发明方法通过频域分析得到阻尼系数，根据不同频段的量值，得到最优的减振器阻尼系数，从而生成最优的阻尼力，利于提高减振性能，同时节省减振功可以配置悬挂最优的阻尼力，解决流体减振时低频时因开阀造成的减振力不足和流体减振在高频小振幅振动下浪费驱动功率、恶化平顺性的问题。并且，本发明系统及方法能够实现中低频时实时调节最佳阻尼力，从而利于减振；在高频时可以将阻尼力调至最小，从而利于节省功耗。同时，本发明系统采用模拟电路滤波器，以减小时滞，避免软件滤波时滞较大，不利于实时控制的缺点。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为悬架簧载质量加速度相对路面位移输入的幅频特性图；
其中，图1中：Ms为车体的质量，亦称为簧载质量，Mu为非簧载质量，亦称为簧下质量，Ks为悬架弹簧的刚度，Cs为减振器的阻尼系数，Ku为轮胎的刚度，Cu为轮胎的阻尼系数，Zr为路面的垂向位移，Zu为轮胎的垂向位移，Zs为车体(或称为簧载质量)的垂向位移。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于频域分析的减振器控制方法，具体步骤包括：
采集悬架系统的悬架位移，将悬架位移作为测量信号；对测量信号进行分频滤波，得到各频段量值；根据悬架系统中减振器在每个频段的特性，对每个频段的量值分配对应权重系数；根据各频段量值及对应的权重系数，加权求和，得到合成的阻尼系数；利用合成的阻尼系数，对减振器进行控制。
本发明实施例中，对测量信号进行分频滤波的具体方法为：
获取悬架系统的两个共振主频点，按照大小分别记为低主频点fs、高主频点fu；取低主频点右侧转折频点fsy，高主频点左侧转折频点fuz，高主频右侧转折频点fuy。其中，fsy、fuz和fuy三个点将测量信号的频段分为四段，按照频率由低到高分别记为低主频段、中频段、高主频段和高频段；滤波得到各频段量值。
本发明实施例中，得到各频段量值的具体方法为：
已知各频段总幅值M＝Msy+Muz+Mu+Muy，其中Msy为低主频段幅值，Muz为中频段幅值，Mu为高主频段幅值，Muy为高频段幅值。
其中，低主频段量值
Figure BDA0003165665140000061
中频段量值
Figure BDA0003165665140000062
高主频段量值
Figure BDA0003165665140000063
高频段量值
Figure BDA0003165665140000064
本发明实施例中，分配权重系数的具体方法为：
已知ssy为低主频段量值权重系数，suz为中频段量值权重系数，su为高主频段量值权重系数，suy为高频段量值权重系数，f为输入振动频率。
以一定的阻尼比ξ或基准阻尼系数C作为基准，如以阻尼比ξ＝0.2作为基准，可求得基准阻尼系数为
Figure BDA0003165665140000071
当减振器的最大阻尼为3C时：
当f≤fsy时，基准阻尼系数C在减振器的能力内取最大值，ssy取减振器的最大阻尼值，即ssy＝3C；
当fsy≤f≤fuz时，阻尼系数应尽可能小，取suz＝0；
当fuz≤f≤fuy时，此时阻尼系数应较大，如果阻尼系数最小，会造成共振点共振，振动幅值大。此时基准阻尼系数C取最大值，取su＝1.5C；
当fuy<f时，取suy＝0。
本发明实施例中，计算合成的阻尼系数的推导原理为：
已知减振器阻尼力控制公式为：Fs(vs)＝csvs。其中，Fs为阻尼力，vs为振动频率，cs为合成的阻尼系数。
当suz＝0，suy＝0时，公式可进一步简化为：Fs(vs)＝csvs。
式中：cs＝ssyΔfsy+suΔfu。
当区分压缩阻尼力与拉伸阻尼力时，令拉伸阻尼系数csl与压缩阻尼系数csy之比为μc，
Figure BDA0003165665140000072
则可得：
Figure BDA0003165665140000073
式中：csy＝(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)；
csl＝μc(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)。
当suz＝0，suy＝0时，公式可进一步简化为：
Figure BDA0003165665140000074
式中：csy＝(ssyΔfsy+suΔfu)；
csl＝μc(ssyΔfsy+suΔfu)。
因此，计算合成的阻尼系数的具体方法为：
阻尼力控制公式中，cs＝ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy。
代入参数ssy、suz、su、suy、Δfsy、Δfuz、Δfu和Δfuy的值，可得：cs＝3CΔfsy+1.5CΔfu。
当suz＝0，suy＝0时，cs＝ssyΔfsy+suΔfu。
本发明实施例中，减振器的阻尼力包含拉伸阻尼力和压缩阻尼力，则阻尼系数包含拉伸阻尼系数和压缩阻尼系数。
拉伸阻尼系统csl与压缩阻尼系数csy之比为μc，
Figure BDA0003165665140000081
计算压缩阻尼系数：csy＝(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)。
计算拉伸阻尼系数：csl＝μc(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)。
当suz＝0，suy＝0时：csy＝(ssyΔfsy+suΔfu)，csl＝μc(ssyΔfsy+suΔfu)；
当fsy≤f≤fuz时，阻尼系数为0，此时阻尼力为0。
本发明提出一种基于频域分析的减振器控制系统，包括随机振动信号采集器、滤波器模块、阻尼系数合成模块，用于针对悬架系统减振器进行阻尼力控制。
其中，随机振动信号采集器，用于采集悬架系统的悬架位移，将所述悬架位移作为测量信号；滤波器模块，用于对测量信号进行分频滤波，得到各频段量值；阻尼系数合成模块，用于根据悬架系统中减振器在每个频段的特性，对每个频段的量值分配对应权重系数；根据各频段量值及对应的权重系数，加权求和，得到合成的阻尼系数；阻尼系数输出至减振器。
本发明实施例中，滤波器模块包括低通滤波器、低频带通滤波器、中频带通滤波器以及高通滤波器。滤波器为模拟电路滤波器。
采用低通滤波器采集所述测量信号中的低主频段幅值Msy，设置所述低通滤波器对所述测量信号的截止频率为fsy+△f；其中，fsy为低主频右侧转折频点，△f≥0；
采用低频滤波器采集所述测量信号中的中频段幅值Muz，下截止频率为fsy-△f，上截止频率为fuz+△f；其中，fuz为高主频左侧转折频点；
采用中频滤波器采集所述测量信号中的高主频段幅值Mu，下截止频率为fuz－△f，上截止频率为fuy+△f；其中，fuy为高主频右侧转折频点；
采用高通滤波器采集所述测量信号中的高频段幅值Muy，下截止频率为fuy－△f。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于频域分析的减振器控制方法，其特征在于，具体步骤包括：
采集悬架系统的悬架位移，将所述悬架位移作为测量信号；
对所述测量信号进行分频滤波，得到各频段量值；
根据所述悬架系统中减振器在每个频段的特性，对每个频段的量值分配对应权重系数；
根据各频段量值及对应的权重系数，加权求和，得到合成的阻尼系数；
利用所述合成的阻尼系数，对减振器进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述测量信号进行分频滤波，具体方法为：
获取悬架系统的两个共振主频点，按照大小分别记为低主频点fs、高主频点fu；取低主频点右侧转折频点fsy，高主频点左侧转折频点fuz，高主频右侧转折频点fuy；
fsy、fuz和fuy三个点将测量信号的频段分为四段，按照频率由低到高分别记为低主频段、中频段、高主频段和高频段；
滤波得到各频段量值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述得到各频段量值，具体方法为：
已知各频段总幅值M＝Msy+Muz+Mu+Muy，其中Msy为低主频段幅值，Muz为中频段幅值，Mu为高主频段幅值，Muy为高频段幅值；
低主频段量值
Figure FDA0003165665130000011
中频段量值
Figure FDA0003165665130000012
高主频段量值
Figure FDA0003165665130000013
高频段量值
Figure FDA0003165665130000014
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分配权重系数，具体方法为：
ssy为低主频段量值权重系数，suz为中频段量值权重系数，su为高主频段量值权重系数，suy为高频段量值权重系数，f为输入振动频率；
以一定的阻尼比ξ或基准阻尼系数C作为基准，当减振器的最大阻尼为3C；
当f≤fsy时，基准阻尼系数C在减振器的能力内取最大值，ssy＝3C；
当fsy≤f≤fuz时，取suz＝0；
当fuz≤f≤fuy时，此时基准阻尼系数C取最大值，su＝1.5C；
当fuy＜f时，取suy＝0。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算合成的阻尼系数，具体方法为：
已知cs＝ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy；
代入参数ssy、suz、su、suy、Δfsy、Δfuz、Δfu和Δfuy的值，得到：cs＝3CΔfsy+1.5CΔfu；
当suz＝0，suy＝0时，cs＝ssyΔfsy+suΔfu。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述减振器的阻尼力包含拉伸阻尼力和压缩阻尼力，则所述阻尼系数包含拉伸阻尼系数和压缩阻尼系数；
令拉伸阻尼系统csl与压缩阻尼系数csy之比为μc，即
Figure FDA0003165665130000021
csy＝(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)；
csl＝μc(ssyΔfsy+suzΔfuz+suΔfu+suyΔfuy)；
当suz＝0，suy＝0时：
csy＝(ssyΔfsy+suΔfu)；csl＝μc(ssyΔfsy+suΔfu)；
当fsy≤f≤fuz时，阻尼系数为0，此时阻尼力为0。
7.一种基于频域分析的减振器控制系统，其特征在于，包括：随机振动信号采集器、滤波器模块、阻尼系数合成模块，用于针对悬架系统减振器进行阻尼力控制；
所述随机振动信号采集器，用于采集悬架系统的悬架位移，将所述悬架位移作为测量信号；
所述滤波器模块，用于对测量信号进行分频滤波，得到各频段量值；
所述阻尼系数合成模块，用于根据所述悬架系统中减振器在每个频段的特性，对每个频段的量值分配对应权重系数；根据各频段量值及对应的权重系数，加权求和，得到合成的阻尼系数；
所述阻尼系数输出至减振器。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述滤波器模块包括低通滤波器、低频带通滤波器、中频带通滤波器以及高通滤波器；
采用低通滤波器采集所述测量信号中的低主频段幅值Msy，设置所述低通滤波器对所述测量信号的截止频率为fsy+Δf；其中，fsy为低主频右侧转折频点，Δf≥0；
采用低频滤波器采集所述测量信号中的中频段幅值Muz，下截止频率为fsy-Δf，上截止频率为fuz+Δf；其中，fuz为高主频左侧转折频点；
采用中频滤波器采集所述测量信号中的高主频段幅值Mu，下截止频率为fuz-Δf，上截止频率为fuy+Δf；其中，fuy为高主频右侧转折频点；
采用高通滤波器采集所述测量信号中的高频段幅值Muy，下截止频率为fuy-Δf。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述滤波器为模拟电路滤波器。
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