DE602004006031T2 - Elektromagnetisches Aufhängungssytem für Fahrzeug - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft Verbesserungen an einem elektromagnetischen Aufhängungssystem für ein Fahrzeug, darin eingeschlossen einen elektromagnetischen Stellglied (genannt elektromagnetischer Dämpfer), der eine Vibrationsdämpfung für eine Aufhängung unter einer elektrischen Energiequelle durchführt und anstelle eines hydraulischen Dämpfers verwendet wird, der die Vibrationsdämpfung bei einem Viskositätswiderstand von hydraulischer Flüssigkeit oder hydraulischem Öl durchführt.
  • Herkömmliche elektromagnetische Aufhängungssysteme für ein Fahrzeug verwenden austauschbar eine aktive Kontrolle und eine passive Kontrolle bei Einwirkung einer Spulenverbindungs-Wechselvorrichtung. Bei der aktiven Kontrolle wird eine Dämpfungskraft durch die Bereitstellung von Energie an ein elektromagnetisches Stellglied von außen kontrolliert. Bei der passiven Kontrolle wird eine Dämpfungskraft bei dynamischem Bremsen eines elektrischen Motors erhalten. Ein derartiges elektromagnetisches Aufhängungssystem wird in der vorläufigen Japanischen Patentveröffentlichung No. 2002-48189 offenbart.
  • In einem derartigen elektromagnetischen Aufhängungssystem erfolgt jedoch ein Wechsel zwischen der aktiven Kontrolle und der passiven Kontrolle. Dementsprechend wird für den Fall, dass eine Vibrationseingabe von den Reifen während der aktiven Kontrolle erfolgt, um eine aktive Kontrolle des Fahrzeuges durchzuführen, diese Vibrationseingabe auch von der aktiven Kontrolle gehandhabt, um eine Vibrationskontrolle durchzuführen. Als Ergebnis müssen sowohl die Lagekontrolle als auch die Vibrationskontrolle gleichzeitig bei einer Motorkontrolle auf eine aktive Weise durchgeführt werden Dies kompliziert nicht nur die aktive Kontrolle, sondern verschlechtert auch die Energieeffizienz.
  • Es wäre daher wünschenswert, ein verbessertes elektromagnetisches Aufhängungssystem für ein Fahrzeug bereitstellen zu können, das effektiv die Nachteile beseitigen kann, die herkömmliche elektromagnetische Aufhängungssysteme für Fahrzeuge aufweisen.
  • Es wäre ebenso wünschenswert, ein verbessertes elektromagnetisches Aufhängungssystem für ein Fahrzeug bereitstellen zu können, das nicht nur eine aktive Kontrolle für ein elektromagnetisches Stellglied vereinfacht, sondern auch die Energieeffizienz verbessert.
  • Es wäre ebenfalls wünschenswert, ein verbessertes elektromagnetisches Aufhängungssystem für ein Fahrzeug bereitzustellen, in dem eine aktive Kontrolle der kontrollobjektiven Eingabekräfte durchgeführt wird, während andere als kontrollobjektive Eingabekräfte auf eine passive Weise gehandhabt werden.
  • Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beruht auf einem elektromagnetischen Aufhängungssystem für ein Fahrzeug, das ein elektromagnetisches Stellglied umfasst, das zwischen eine gefederte Masse und eine ungefederte Masse eingeschoben ist und im Wesentlichen parallel mit einem Federelement angebracht ist. Ein elektrischer Motor ist bereitgestellt, um das elektromagnetische Stellglied anzutreiben. Eine Motorsteuerung wird so konfiguriert, dass sie eine Verschiebungseingabe berechnet, die auf das elektromagnetische Stellglied angewendet wird, und den elektrischen Motor auf eine Weise kontrolliert, dass das elektromagnetische Stellglied eine optimale Dämpfungskraft erzeugt, die der Verschiebungseingabe entspricht. Ein Motorsteuerkreis wird für den elektrischen Motor bereitgestellt, durch den der elektrische Motor mit der Motorsteuerung verbunden wird. Außerdem wird ein elektrisches Dämpfungselement elektrisch mit dem Motorsteuerkreis und parallel mit dem elektrischen Motor verbunden, um eine Dämpfungskraft auf passive Weise bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors in Antwort auf die Verschiebungseingabe an das elektromagnetische Stellglied von der ungefederten Masse zu erzeugen.
  • Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beruht auf einem elektromagnetischen Aufhängungssystem für ein Fahrzeug, ein elektromagnetisches Stellglied, das zwischen eine gefederte Masse und eine ungefederte Masse eingeschoben ist und im Wesentlichen parallel mit einem Federelement angebracht ist. Ein elektrischer Motor ist bereitgestellt, um das elektromagnetische Stellglied anzutreiben. Ein Motorsteuerungsmittel ist bereitgestellt, um eine Verschiebungseingabe zu berechnen, die auf das elektromagnetische Stellglied angewendet wird und den elektrischen Motor auf eine Weise zu kontrollieren, dass das elektromagnetische Stellglied eine optimale Dämpfungskraft erzeugt, die der Verschiebungseingabe entspricht. Ein Motorsteuerkreis wird für den elektrischen Motor bereitgestellt, durch den der elektrische Motor mit dem Motorsteuerungsmittel verbunden wird. Außerdem wird ein elektrisches Dämpfungselement elektrisch mit dem Motorsteuerkreis und parallel mit dem elektrischen Motor verbunden, um eine Dämpfungskraft auf passive Weise bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors in Antwort auf die Verschiebungseingabe an das elektromagnetische Stellglied von der ungefederten Masse zu erzeugen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines magnetischen Aufhängungssystems für ein Fahrzeug gemäß er vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine vertikale Schnittansicht eines elektromagnetischen Stellglieds im magnetischen Aufhängungssystem von 1;
  • 3 ist ein Blockdiagramm eines Viertelmodells eines Fahrzeugkörpers mit vertikal zwei Grad Freiheit des elektromagnetischen Aufhängungssystems von 1, ausgestattet mit einem Motorsteuerungssystem für das elektromagnetische Stellglied von 2;
  • 4 ist ein Schaltplan eines Motorsteuerkreises für den elektrischen Motor, darin eingeschlossen den elektrischen Motor und einen elektrischen Widerstand, im magnetischen Aufhängungssystem von 1;
  • 5 ist ein Flussdiagramm einer Motorsteuerverarbeitung für den elektrischen Motor, durchgeführt in einer Motorsteuerung im magnetischen Aufhängungssystem von 1;
  • 6 ist ein Diagramm eines Merkmals der Leistungsausgabe des elektromagnetischen Stellglieds hinsichtlich der Winkelgeschwindigkeit des elektrischen Motors, verwendet in der Motorsteuerverarbeitung von 5;
  • 7 ist ein Schaltplan ähnlich 4, der aber einen Motorsteuerkreis für den elektrischen Motor zeigt, darin eingeschlossen den elektrischen Motor und einen elektrischen Resonanzkreis, in einer zweiten Ausführungsform des magnetischen Aufhängungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ist ein Flussdiagramm ähnlich 5, das aber die Motorsteuerverarbeitung für den elektrischen Motor zeigt, durchgeführt in der Motorsteuerung im magnetischen Aufhängungssystem von 7; und
  • 9 ist ein Diagramm, das eine Stromverstärkungs-Frequenzeigenschaft eines elektrischen Resonanzkreises im Motorsteuerkreis von 7 zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nun unter Bezugnahme auf 1 wird eine Ausführungsform eines elektromagnetischen Aufhängungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Fahrzeugkörper 1 eines Kraftfahrzeuges veranschaulicht. Das Aufhängungssystem schließt ein oberes Glied 2 und ein unteres Glied 3 ein, die im Allgemeinen parallel angebracht und an ihrem einen Ende mit dem Fahrzeugkörper 1 (gefederte Masse) verbunden sind. Die anderen Enden des oberen Glieds 2 und des unteren Glieds 3 sind durch die Achse oder das Gelenk 5 verbunden, mit dem ein Reifen 6 (ungefederte Masse) drehbar verbunden ist. Ein elektromagnetisches Stellglied 4 ist zwischen dem Fahrzeugkörper 1 und dem unteren Glied 3 angebracht und wird anstelle eines Stoßdämpfers oder hydraulischen Dämpfers in einem mehrgelenkartigen unabhängigen Aufhängungssystems verwendet. Das elektromagnetische Stellglied 4 ist parallel zum Federelement 7, gezeigt in 3, angebracht, und vom elektrischen Motor 8, gezeigt in 2, angetrieben.
  • Wie in 2 gezeigt schließt das elektromagnetische Stellglied 4 den elektrischen Motor 8 ein, der innerhalb eines oberen Endabschnitts des äußeren Rohrs 11 angebracht ist und eine drehbare Motorwelle aufweist, die an einem Rotor des elektrischen Motors 8 befestigt ist. Die drehbare Motorwelle ist mit einem Verzögerer 8a ausgestattet, von dem eine Verzögerungswelle 8b hervorspringt. Die Kugelumlaufspindel 9 ist mit der Verzögerungswelle 8b verbunden und greift mit der Kugelumlaufspindelmutter 10 durch ein Gewinde ein, so dass die Drehbewegung der Kugelumlaufspindelwelle 9 in eine lineare Bewegung der Kugelumlaufspindelmutter 10 verwandelt wird, während die lineare Bewegung der Kugelumlaufspindelmutter 10 in die Drehbewegung der Kugelumlaufspindelwelle 9 umgewandelt wird.
  • Das innere Rohr 12 ist so an der Kugelumlaufspindelmutter 10 befestigt, dass sie die Kugelumlaufspindelwelle 9 abdeckt. Die Verbindungs-Stützöse 14 ist an das untere Ende des inneren Rohres 12 befestigt. Das äußere Rohr 11 erstreckt sich so, dass es den oberen Abschnitt des inneren Rohrs 12 abdeckt. Der Fahrzeugkörper-Stützbolzen 13 ist an das obere Ende des äußeren Rohres 11 befestigt und durch einen Isolator (nicht gezeigt) fest mit dem Fahrzeugkörper 1 verbunden. Die Verbindungs-Stützöse 14 ist durch eine Durchführung (nicht gezeigt) mit dem unteren Glied 3 verbunden.
  • Das elektromagnetische Stellglied wird nachstehend unter Bezugnahme auf 3 und 4 detailliert erörtert. 3 ist ein Blockdiagramm, das ein Viertelmodell eines Fahrzeugkörpers mit vertikal zwei Grad Freiheit der ersten Ausführungsform des elektromagnetischen Aufhängungssystems und ein Motorsteuerungssystem für das elektromagnetische Stellglied 4 veranschaulicht. 4 ist ein Schaltplan eines Motorsteuerkreises für den elektrischen Motor 8 des elektromagnetischen Stellglieds 4.
  • Wenn das elektromagnetische Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform als das Viertelmodell des Fahrzeugkörpers mit vertikal zwei Grad Freiheit dargestellt wird, sind das Federelement 7 und das elektromagnetische Stellglied 4 parallel zueinander angeordnet und zwischen den Fahrzeugkörper 1 als die gefederte Masse und den Reifen 6 als die ungefederte Masse eingeschoben. Außerdem ist eine Reifenfeder zwischen dem Reifen 6 und der Oberfläche der Straße bereitgestellt. Die Motortreiberschaltung 15 ist elektrisch mit dem elektrischen Motor verbunden 8 verbunden, um den elektrischen Motor zu steuern. Die Motortreiberschaltung 15 ist elektrisch mit einer Batterie als Stromquelle verbunden.
  • Die Motorsteuerung 17 ist elektrisch mit der Motortreiberschaltung 15 und auch mit dem Fahrzeughöhensensor 18 und dem Motorrotationswinkelsensor 19 verbunden. Der Fahrzeughöhensensor 18 ist dazu geeignet, eine Höhe des Fahrzeuges zu erkennen und ein Sensorsignal auszugeben, das die Fahrzeughöhe darstellt. Der Motorrotationswinkelsensor 19 ist dazu geeignet, einen Rotationswinkel des elektrischen Motors 8 zu erkennen und ein Sensorsignal auszugeben, das den Motorrotationswinkel darstellt. Die Motorsteuerung 17 ist so angeordnet, dass sie die Sensorsignale empfängt, die vom Fahrzeughöhensensor 18 und vom Motorrotationssensor 19 ausgegeben werden und dem elektrischen Motor 8 einen Stromwert einprägt oder an diesen ausgibt, der gemäß der Sensorsignalausgabe vom Fahrzeughöhensensor 18 und dem Motorrotationswinkelsensor 19 festgelegt ist.
  • Die Motortreiberschaltung 15 ist ebenfalls elektrisch mit dem elektrischen Widerstand (elektrisches Dämpfungselement) 20 verbunden, das elektrisch parallel mit dem elektrischen Motor 8 verbunden ist. Der elektrische Widerstand 20 ist so angeordnet, dass er eine Dämpfungskraft auf eine passive Weise (Steuerung) bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors 8 erzeugt, wenn eine Verschiebungseingabe auf das elektromagnetische Stellglied 4 von der ungefederten Masse erfolgt. Der elektrische Widerstand 20 befindet sich an einer Stelle, die eine höhere Kühlwirkung aufweist als das Innere eines Radkastens, z.B. eine Stelle neben oder unter dem Boden des Fahrzeuges (hohe Lufteinströmgeschwindigkeit), ein vorderer Bereich des Fahrzeuges und eine Position um einen Öffnungsbereich eines hinteren Stoßfängers, oder eine Stelle, die eine Wärmequelle erfordert, wie z.B. eine Heckscheibenheizung.
  • Motorsteuerverarbeitung
  • Nun wird die Motorsteuerverarbeitung für den elektrischen Motor 8 im elektromagnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 5 erörtert. Das Flussdiagramm veranschaulicht den Ablauf der Steuerverarbeitung für den elektrischen Motor 8, durchgeführt in der Motorsteuerung 17, die als Mittel zur Steuerung des elektrischen Motors 8 im elektromagnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform dient. Nachstehend wird jeder Schritt des Flussdiagramms erklärt. Diese Motorsteuerverarbeitung verwendet eine Steuervorschrift zur Durchführung einer Steuerung in Antwort auf eine Drehwinkelgeschwindigkeit (oder Hubgeschwindigkeit) des elektrischen Motors 8 auf eine aktive Weise (Steuerung), wodurch eine interne Trägheit des elektromagnetischen Stellglieds 4 kompensiert wird. Diese Steuervorschrift ist eine der optionalen Steuervorschriften.
  • Bei Schritt S1 erfolgt die Erkennung, um eine Vielzahl Zustandsgrößen zu erhalten, die erforderlich ist, um die Steuervorschrift für den elektrischen Motor 8 oder das elektromagnetische Stellglied 4 durchzuführen, die im elektromagnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform eingestellt sind, oder Zustandsgrößen, durch die die oben genannte Vielzahl von Zustandsgrößen berechnet werden kann. Derartige Zustandsgrößen schließen eine Hubbeschleunigung a des elektromagnetischen Stellglieds 4 und eine Drehwinkelgeschwindigkeit ω des elektrischen Motors 8 ein oder Zustandsgrößen, durch die die Hubbeschleunigung und die Drehwinkelgeschwindigkeit berechnet werden können. Im elektromagnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform wird ein Fahrzeughöhenwert, der vom Sensorsignal (Wert) des Fahrzeughöhensensors 18 erhalten wird, als die Zustandsgröße verwendet, durch die die Hubbeschleunigung a des elektromagnetischen Stellglieds 4 berechnet werden kann. Der Fahrzeughöhenwert wird zeitdifferenziert, um eine Hubgeschwindigkeit zu erhalten, und dann wird die Hubgeschwindigkeit weiter zeitdifferenziert, um die Hubbeschleunigung a zu erhalten. Ein Motorrotationswinkel, der vom Sensorwert des Motorrotationswinkelsensors 19 erhalten wird, wird als die Zustandsgröße verwendet, durch die die Drehwinkelgeschwindigkeit ω des elektrischen Motors 8 berechnet werden kann, und dann wird der Motorrotationswinkel zeitdifferenziert, um dadurch die Drehwinkelgeschwindigkeit ω des elektrischen Motors 8 zu erhalten.
  • Bei Schritt S2 wird eine Stellglied-Leistungsausgabe f (Ausgabe des elektromagnetischen Stellglieds 4) gemäß der Motorrotationswinkelgeschwindigkeit ω auf der Grundlage der Motorrotationsgeschwindigkeit ω berechnet, die bei Schritt S1 erhalten wird, und einer Stellglied-Ausgabeeigenschaft, gezeigt in 6.
  • Bei Schritt S3 wird eine interne Trägheitskraft fi des elektromagnetischen Stellglieds 4 unter Verwendung der unten gezeigten Gleichung 3 berechnet. In Gleichung 3 wird die Hubbeschleunigung a, die bei Schritt S1 erhalten wird, mit einer gleichwertigen Trägheitsmasse Im (einer vom System bestimmten Konstante) multipliziert. Insbesondere wird die Verschiebungseingabe (Geschwindigkeit: v, und Beschleunigung: a) auf das elektromagnetische Stellglied angewendet. Hier wird ein Gesamtträgheitsmoment J durch die Addition eines Trägheitsmoments des Rotors des elektrischen Motors 8 mit Trägheitsmomenten erhalten, die sich aus der Umwandlung der Trägheitsmassen und der Trägheitsmomente aller Abschnitte ergeben, deren Verschiebung und Drehung beim Hub des elektromagnetischen Stellglieds 4 in Positionen des Rotors des elektrischen Motors 8 erfolgt. Die Kugelumlaufspindel 9 weist eine Führung L auf. Der Verzögerer 8a weist ein Untersetzungsverhältnis a auf. Damit wird der elektrische Motor 8 mit einer Winkelbeschleunigung dω/dt bei einer Eingabekraft, die auf das elektrische Stellglied 4 angewendet wird, gedreht, ausgedrückt durch Gleichung 1: dω/dt = a × (2π/L) × α (1)
  • Dementsprechend wird ein Trägheitsdrehmoment, das hier erzeugt wird, durch die Gleichung 2 ausgedrückt: Ti = J·dω/dt = J × a × (2π/L) × α (2)
  • Daher wird die interne Trägheitskraft fi des elektromagnetischen Stellglieds 4 durch Gleichung 3 ausgedrückt: fi = Ti × α(2π/L) = J × {(2π/L) × α}2 × a = Im × a (3)wobei Im = J × {(2π/L) × α}2 (4)
  • Es muss angemerkt werden, dass Im = J × {(2π/L) × α}2 eine gleichwertige Trägheitsmasse ist, die durch die Umwandlung der Trägheitsmassen und der Trägheitsmomente aller Abschnitte, deren Verschiebung und Drehung gemäß dem Hub des elektromagnetischen Stellglieds 4 in eine Richtung des Hubs innerhalb des elektromagnetischen Stellglieds 4 erfolgt, erhalten wird. Diese gleichwertige Trägheitsmasse Im wird als eine Konstante durch die Art des Systems, der Entwurfswerte und dergleichen angegeben und daher im Voraus gemessen.
  • Bei Schritt S4 wird eine Antriebsleistung fm des elektrischen Motors 8 berechnet, indem die Stellglied-Ausgangsleistung f, die bei Schritt S2 berechnet wird, mit der internen Trägheitskraft fi des elektromagnetischen Stellglieds 4, die bei Schritt S3 berechnet wird, addiert wird.
  • Bei Schritt S5 wird ein Stromwert im für den elektrischen Motor 8 berechnet, der erforderlich ist, um die Antriebsleistung fm, berechnet bei Schritt S4, zu erhalten.
  • Bei Schritt S6 wird ein Befehlswert (Kontrollsignal), um Strom, der den erforderlichen Stromwert im aufweist, zum elektrischen Motor 8 fließen zu lassen, berechnet bei Schritt S5, an die Motortreiberschaltung 15 ausgegeben, und ein Fluss erreicht Schritt S1.
  • Dämpfungsvorgang bei aktiver und passiver Kontrolle
  • Nachstehend wird der Dämpfungsvorgang bei aktiver Kontrolle und passiver Kontrolle im elektromagnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform erörtert.
  • Die aktive Kontrolle für den elektrischen Motor 8 durch die Motorsteuerung 17 erfolgt z.B. gemäß dem Flussdiagramm von 5, in dem, wenn der Stromwert, der für den elektrischen Motor 8 des elektromagnetischen Stellglieds 4 erforderlich ist, im ist, ein Kontrollstromwert I des Motorstromkreises von 4 von einem Widertandswert R des elektrischen Widerstandes 20, der elektrisch parallel mit dem elektrischen Motor 8 verbunden ist, der einen internen Widerstandswert r aufweist, durch Gleichung 5 berechnet wird: I = im + ir = im + (r/R)·im = {(R + r)/R}·im (5)
  • Zu diesem Zeitpunkt führt die Motorsteuerung 17 eine Stromkontrolle durch, um einem Strom, der den anfänglichen Kontrollstromwert I aufweist, zu ermöglichen, in den Motorsteuerkreis zu fließen. Wenn eine Eingabekraft, die von den verschiedenen Sensoren wie z.B. dem Fahrzeughöhensensor 18 und dergleichen nicht erkannt werden kann, oder wenn eine Eingabekraft, die absichtlich nicht erkannt wird, angewendet wird, wird eine induzierte elektromotorische Kraft e im elektrischen Motor 8 erzeugt, so dass eine Änderung in der Leiterspannung auftritt.
  • Die induzierte elektromotorische Kraft e, die vom elektrischen Motor 8 erzeugt wird, ist proportional zur Geschwindigkeit (dz/dt) der Eingabekraft, wodurch eine proportionale Konstante ke bereitgestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird, unter der Annahme, dass ein Strom, der durch den elektrischen Widerstand 20 fließt, ir' ist, und ein Strom, der durch den elektrischen Motor 8 fließt, im' ist, die folgende Beziehung, dargestellt durch die Gleichungen (6), (7), (8) und (9), festgesetzt: im' + ir' = I (6) im'·r + e = ir'·R (7) e = ke·(dz/dt) (8) Daher ist im' = im – {ke/(R + r)}·(dz/dt) (9)
  • Somit wird gemäß Gleichung 9 für den Fall, dass nur die Stromkontrolle (aktive Kontrolle) durchgeführt wird, da sie für eine Niederfrequenz-Vibrationskontrolle, darin eingeschlossen die Lagekontrolle für das Fahrzeug, vorgesehen ist, davon ausgegangen, dass, auch wenn eine abrupte Eingabekraft, die in der aktiven Kontrolle für den elektrischen Motor 8 nicht berücksichtigt wird, angewendet wird, eine Stromänderung in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit erfolgt, um eine Dämpfungskraft gegen die abrupte Eingabekraft zu erzeugen. Mit anderen Worten kann durch die Verbindung des Motorsteuerkreises, wie in 4 gezeigt, mit dem elektromagnetischen Aufhängungssystem auch während der Durchführung der aktiven Kontrolle für den elektrischen Motor 8 die von der objektiven Eingabekraft verschiedene Eingabekraft gleichzeitig auf passive Weise (Kontrolle) gehandhabt werden. Hier kann, unter der Annahme, dass eine Ausgabekonstante des elektrischen Motors 8 km ist, der Motorsteuerkreis dieselbe Wirkung bereitstellen als diejenige, die in einem Fall erhalten wird, in dem ein Stoßdämpfer mit einem Dämpfungskoeffizienten von ke·km/(R + r) parallel mit dem elektromagnetischen Stellglied 4 angeordnet ist.
  • Weiterhin ist das Dämpfungselement, das einem Stoßdämpfer oder dergleichen gleichwertig ist, aus dem geschlossenen Stromkreis gebildet, der den elektrischen Widerstand 20 und den elektrischen Motor 8 einschließt, in dem die Frequenz einer Stromverstärkung aufgrund des Widerstandswertes R des elektrischen Widerstands 20 eine Eigenschaft aufgrund einer allgemein konstanten Verstärkung, unabhängig von einer hohen und einer niedrigen Frequenz, zeigt, wobei eine allgemein konstante Dämpfungsfunktion in allen Frequenzbereichen gezeigt wird. Daher kann, auch für den Fall, dass ein aktives (Motor-)Steuersystem aufgrund eines Defektes oder dergleichen nicht funktionieren kann, eine Dämpfungskraft gegen eine Ausgabekraft vom Reifen 6 bei passiver Kontrolle entwickelt werden.
  • Nun werden Wirkungen der elektromagnetischen Aufhängung der ersten Ausführungsform erörtert.
    • (1) Das elektromagnetische Aufhängesystem für ein Fahrzeug umfasst das elektromagnetische Stellglied, das zwischen der gefederten Masse und der ungefederten Masse eingeschoben und im Wesentlichen parallel mit dem Federelement angebracht ist. Der elektrische Motor ist bereitgestellt, um das elektromagnetische Stellglied anzutreiben. Die Motorsteuerung ist so konfiguriert, dass sie die Verschiebungseingabe berechnet, die auf das elektromagnetische Stellglied angewendet wird, und den elektrischen Motor auf eine Weise kontrolliert, dass das elektromagnetische Stellglied eine optimale Dämpfungskraft erzeugt, die der Verschiebungseingabe entspricht. Der Motorsteuerkreis ist für den elektrischen Motor bereitgestellt, durch den der elektrische Motor mit der Motorsteuerung verbunden ist. Außerdem ist das elektrische Dämpfungselement elektrisch mit dem Motorsteuerkreis und parallel mit dem elektrischen Motor verbunden, um eine Dämpfungskraft auf passive Weise bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors in Antwort auf die Verschiebungseingabe in das elektromagnetische Stellglied von der ungefederten Masse zu erzeugen. Dementsprechend können, während die aktive Kontrolle auf den objektiven Eingabekräften durchgeführt wird, von den objektiven Eingabekräften verschiedene Eingabekräfte auf passive Weise gehandhabt werden Dies vereinfacht nicht nur die aktive Kontrolle, sondern verbessert auch die Energieeffizienz.
    • (2) Der elektrische Widerstand 20 wird als das elektrische Dämpfungselement verwendet, und daher können die folgenden Wirkungen zusätzlich zu den oben genannten Wirkungen erzielt werden (1): Auch für den Fall, dass das aktive Steuersystem für den elektrischen Motor 8 aufgrund eines Defektes oder dergleichen nicht funktioniert, kann eine Dämpfungskraft gegen eine Eingabekraft bei passiver Kontrolle erzeugt werden, obwohl die Anordnung des Steuerkreises für den elektrischen Motor 8 einfach ist.
    • (3) Der geschlossene Stromkreis, der aus dem elektrischen Widerstand 20 und dem elektrischen Motor 8 gebildet ist, ist so eingestellt, dass er einem Dämpfer gleichwertig ist, der einen Dämpfungskoeffizienten von ke·km/(R + r) gegen die Verschiebungseingabe von der ungefederten Masse aufweist, in dem ke eine proportionale Konstante für eine Eingabegeschwindigkeit einer induzierten elektromotorischen Kraft e ist, die vom elektrischen Motor 8 erzeugt wird. km ist eine Ausgabekonstante des elektrischen Motors 8; R ist ein Widerstandswert des elektrischen Widerstandes 20, der parallel mit dem elektrischen Motor 8 verbunden ist; und r ist ein interner Widerstandswert des elektrischen Motors 8. Dementsprechend ist es möglich, gegen die Eingabekraft an das elektromagnetische Stellglied 4 die Dämpfungsfunktion zu zeigen, die derjenigen in einem Fall gleichwertig ist, bei dem ein Dämpfungselement mit einem Dämpfungskoeffizienten von ke·km/(R + r) parallel mit dem elektromagnetischen Stellglied 4 angebracht ist. Außerdem ist es einfach, das elektromagnetische Stellglied 4 einzustellen, um eine erforderliche Dämpfungsleistung durch die geeignete Einstellung des Widerstandswertes R des elektrischen Widerstandes 20 zu zeigen. Somit wird für den Fall, dass der elektrische Widerstand als das elektrische Dämpfungselement verwendet wird, der geschlossene Stromkreis, der aus dem elektrischen Widerstand und dem elektrischen Motor gebildet ist, dem Dämpfer, der den Dämpfungskoeffizienten gemäß dem Widerstandswert des elektrischen Widerstandes aufweist, gleichwertig gemacht.
    • (4) Der elektrische Widerstand 20 befindet sich an einer Stelle, die eine höhere Kühlwirkung als das Innere eines Radkastens aufweist, oder an einer Stelle, die eine Wärmequelle erfordert. Dies unterdrückt eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des elektrischen Widerstandes 20 aufgrund von thermischen Einflüssen, wobei eine stabile Dämpfungseigenschaft bereitgestellt wird. Außerdem kann, z.B. für den Fall, dass der elektrische Widerstand 20 an der Stelle angebracht ist, die die Wärmequelle erfordert, wie z.B. für einen Fall, dass der elektrische Widerstand 20 als Teil oder Ganzes der Heckscheibenheizung angewendet wird, der elektrische Widerstand 2 mit zwei Funktionen (einer Dämpfungsfunktion und einer Wärmequellenfunktion) ausgestattet sein, wodurch ermöglicht wird, die Produktionskosten zu senken und die Wärmeenergie effektiv zu nutzen.
  • 8, und 9 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform eines magnetischen Aufhängungssystems, das dem magnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform ähnlich ist, außer dass der elektrische Resonanzkreis 21 als elektrisches Dämpfungselement verwendet wird.
  • Insbesondere, wie in 7 gezeigt, ist der Motorsteuerkreis für den elektrischen Motor 8 mit einem elektrischen Resonanzkreis 21 ausgestattet, der als das elektrische Dämpfungselement dient, um eine Dämpfungskraft auf passive Weise bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors 8 gegen die Verschiebungseingabe von der ungefederten Masse zu erzeugen. Der elektrische Resonanzkreis 21 ist parallel mit dem elektrischen Motor 8 verbunden. Dieser elektrische Resonanzkreis 21 weist eine Resonanzfrequenz auf, die eingestellt ist, um mit der Resonanzfrequenz der ungefederten Masse (z.B. 10 bis 20 Hz) übereinzustimmen, und schließt einen Widerstand R, eine Spule L und einen Kondensator C ein.
  • Der elektrische Resonanzkreis 21 befindet sich an einer Stelle, die eine höhere Kühlwirkung aufweist als das Innere des Radkastens, z.B. der Stelle neben und unter dem Boden des Fahrzeuges (hohe Lufteinströmgeschwindigkeit), dem vorderen Bereich des Fahrzeuges und der Position um einen Öffnungsbereich eines hinteren Stoßfängers, oder der Stelle, die eine Wärmequelle erfordert, wie z.B. eine Heckscheibenheizung, ähnlich dem elektrischen Widerstand 20 des elektromagnetischen Aufhängungssystems der ersten Ausführungsform.
  • Die Motorsteuerung 17 in diesem elektromagnetischen Aufhängungssystem der zweiten Ausführungsform ist so angeordnet, dass sie als Grenzfrequenz eine Frequenz einstellt, die niedriger als eine Resonanzfrequenz der ungefederten Masse (die Resonanzfrequenz der ungefederten Masse) und höher als eine Resonanzfrequenz der gefederten Masse (die Resonanzfrequenz der gefederten Masse) ist, wie in 9 gezeigt, wobei die aktive Kontrolle in einem aktiven Kontrollbereich durchgeführt wird, während die passive Kontrolle in einem passiven Kontrollbereich durchgeführt wird. Die Resonanzfrequenz der ungefederten Masse liegt z.B. innerhalb eines Bereichs von 10 bis 20 Hz, während die Resonanzfrequenz der gefederten Masse z.B. innerhalb eines Bereichs von 1 bis 2 Hz. liegt. Damit werden die Vibrationskomponenten innerhalb eines hohen Frequenzbereichs von nicht weniger als der Grenzfrequenz der Verschiebungseingabe an das elektromagnetische Stellglied 4 entfernt, so dann nur Vibrationskomponenten innerhalb eines niedrigeren Frequenzbereichs, darin eingeschlossen die Resonanzfrequenz der gefederten Masse, der zu kontrollierende Gegenstand werden. Dann wird der elektrische Motor 8 auf aktive Weise kontrolliert, um eine optimale Dämpfungskraft zu erhalten. Es wird davon ausgegangen, dass die andere Anordnung des elektromagnetischen Aufhängungssystems der zweiten Ausführungsform ähnlich derjenigen im elektromagnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform ist, und daher wird von der Veranschaulichung und Erklärung der anderen Anordnung aus Gründen der Vereinfachung abgesehen.
  • Motorsteuerverarbeitung
  • Nun wird die Motorsteuerverarbeitung für den elektrischen Motor 8 in der elektromagnetischen Aufhängung der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 8 erörtert. Das Flussdiagramm veranschaulicht den Ablauf der Steuerverarbeitung für den elektrischen Motor 8, durchgeführt in der Motorsteuerung 17 im elektromagnetischen Aufhängungssystem der zweiten Ausführungsform. Nachstehend wird jeder Schritt des Flussdiagramms erklärt.
  • Bei Schritt 521 erfolgt ein Nachweis, um eine Vielzahl von Zustandsgrößen, die für die Durchführung der Steuervorschrift für den elektrischen Motor 8 oder das elektromagnetische Stellglied 4, festgesetzt im elektromagnetischen Aufhängungssystem der zweiten Ausführungsform, erforderlich sind, oder Zustandsgrößen zu erhalten, durch die die oben genannte Vielzahl von Zustandsgrößen berechnet werden kann.
  • Bei Schritt S22 werden Vibrationskomponenten mit Frequenzen von nicht weniger als der Grenzfrequenz der Vibrationseingabe an das elektromagnetische Stellglied 4 entfent.
  • Bei Schritt 23 wird die Stellglied-Leistungsausgabe f gemäß einer Steuervorschrift berechnet, die für Vibrationen vorgesehen ist, die Frequenzen von weniger als der Grenzfrequenz aufweisen.
  • Bei Schritt S24 wird der Stromwert im für den elektrischen Motor 8 berechnet, der erforderlich ist, um die Stellglied-Leistungsausgabe f zu erhalten.
  • Bei Schritt S25 wird ein Befehlswert (Kontrollsignal), um Strom, der den Stromwert im aufweist, zum elektrischen Motor 8 fließen zu lassen, berechnet bei Schritt S24, fließen zu lassen, an die Motortreiberschaltung 15 ausgegeben, und ein Fluss erreicht Schritt S21.
  • Dämpfungsvorgang bei aktiver und passiver Kontrolle
  • Nachstehend wird der Dämpfungsvorgang bei aktiver Kontrolle und passiver Kontrolle im elektromagnetischen Aufhängungssystem der zweiten Ausführungsform erörtert.
  • Wenn die Motorsteuerung 17 die aktive Kontrolle, z.B. die Lagekontrolle für das Fahrzeug, auf der Grundlage des Flussdiagramms von 8 und in Übereinstimmung mit den Signalen von verschiedenen Sensoren und anderen bordeigenen Einheiten (nicht gezeigt) durchführt, kann die Lagekontrolle als eine Kontrolle innerhalb eines extrem niedrigen Frequenzbereichs betrachtet werden. Dementsprechend erzeugt die Motortreiberschaltung 15, die durch einen Befehl von der Motorsteuerung 17 betrieben wird, den Kontrollstromwert I mit einer extrem niedrigen Frequenz, worauf dieser Kontrollstromwert I kontrolliert wird. Hier, auf der Grundlage von 9, die eine Frequenzeigenschaft des elektrischen Resonanzkreises 21 zeigt, ist die Verstärkung des Stroms im niedrigen Frequenzbereich gering, und daher kann der Kontrollstromwert I, der von der Motortreiberschaltung 15 bereitgestellt wird, im Istzustand dem elektrischen Motor 8 des elektromagnetischen Stellglieds 4 bereitgestellt werden, wodurch eine effektive Lagekontrolle durchgeführt wird.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn eine Mikrovibration mit hoher Frequenz (aufgrund von Straßenunebenheiten), die die Lage des Fahrzeugs nicht stören kann, zum Fahrzeug addiert wird, die induzierte elektromotorische Kraft e im Motorsteuerkreis für den elektrischen Motor 8 erzeugt. Wenn jedoch der Kontrollstromwert I für die aktive Kontrolle als ein Wert beibehalten wird, der angefordert wurde, fließt ein Strom ic, der von dieser Spannungsänderung induziert wurde, nur durch den elektrischen Resonanzkreis 21, wodurch der Strom I, der durch den Motorsteuerkreis fließt, gemäß dem Kirchhoffschen Gesetz verändert wird. Weiter fließt, wenn die Frequenzen der Vibrationseingabe in das elektromagnetische Aufhängungssystem in etwa der Resonanzfrequenz der ungefederten Masse entsprechen, der ausreichend induzierte Strom ic durch den elektrischen Resonanzkreis 21, wodurch auf passive Weise eine Dämpfungskraft für die Dämpfung der Resonanzvibration der ungefederten Masse bereitgestellt wird, wie in 9 gezeigt.
  • Mit anderen Worten kann, während die Motorsteuerung 17 nur die Vibrationskontrolle innerhalb eines niedrigen Frequenzbereiches durchführt, darin eingeschlossen eine Lageänderung des Fahrzeugs, das dynamische Bremsen des elektrischen Motors 8 eine Dämpfungskraft gegen die Eingabe von Vibrationen mit Frequenzen von nicht weniger als der Grenzfrequenz bei dynamischem Bremsen von Elektromotor 8 erzeugen, auch wenn die aktive Kontrolle durchgeführt wird. Außerdem legt während der Vibrationskontrolle innerhalb des niedrigen Frequenzbereichs die Motorsteuerung 17 die Spannung nicht nur an den elektrischen Motor 8 an, sondern auch an den elektrischen Resonanzkreis 21; aufgrund der Frequenzeigenschaften des Motorsteuerkreises in 9 fließt jedoch ein großer Stomanteil für die aktive Kontrolle durch den elektrischen Resonanzkreis, wodurch die aktive Kontrolle effektiv durchgeführt wird.
  • Nun werden die Wirkungen des elektromagnetischen Aufhängungssystems der zweiten Ausführungsform erörtert. Das elektromagnetische Aufhängungssystem der zweiten Ausführungsform zeigt die oben erwähnten Wirkungen (1), (2), (3) und (4) des elektromagnetischen Aufhängungssystems der ersten Ausführungsform und zusätzlich die folgenden Wirkungen (5) und (6):
    • (5) Das elektrische Dämpfungselement ist der elektrische Resonanzkreis 21, darin eingeschlossen der Widerstand R, die Spule L und der Kondensator C, und weist eine Resonanzfrequenz auf, die eingestellt ist, um mit der Resonanzfrequenz der ungefederten Masse übereinzustimmen. Dadurch kann sowohl die effektive aktive Kontrolle gegen die kontrollobjektive Eingebekraft innerhalb des niedrigen Frequenzbereiches, darin eingeschlossen die Resonanzfrequenz der gefederten Masse, als auch die effektive passive Kontrolle gegen die kontrollobjektive Eingabekraft um die Resonanzfrequenz der ungefederten Masse durchgeführt werden.
    • (6) In der Motorsteuerung 17 wird die Frequenz, die niedriger als die Resonanzfrequenz der ungefederten Masse und höher als die Resonanzfrequenz der gefederten Masse ist, als die Grenzfrequenz eingestellt, so dass die Vibrationskomponenten innerhalb eines hohen Frequenzbereichs von nicht weniger als der Grenzfrequenz der Verschiebungseingaben an das elektromagnetische Stellglied entfernt werden, während nur die Vibrationskomponenten innerhalb eines niedrigen Frequenzbereichs, darin eingeschlossen die Resonanzfrequenz der gefederten Masse ein Kontrollobjekt werden, wodurch der elektrische Motor 8 auf aktive Weise kontrolliert wird, um eine optimale Dämpfungskraft zu erhalten. Dementsprechend kann die Motorsteuerung 17 vollständig auf die Vibrationskontrolle für die Vibrationen innerhalb des niedrigen Frequenzbereichs, darin eingeschlossen eine Lageänderung des Fahrzeugs, gerichtet werden. Gegen die Eingabe der Vibrationskomponenten mit Frequenzen von nicht weniger als der Grenzfrequenz kann eine Dämpfungskraft durch die passive Kontrolle bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors 8 erzeugt werden.
  • Wie oben zu erkennen, ist im elektromagnetischen Aufhängungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung das elektrische Dämpfungselement mit dem Motorsteuerkreis für den elektrischen Motor auf eine Weise verbunden, dass es sich parallel zum elektrischen Motor befindet. Dementsprechend kann z.B. auch während einer Motorkontrolle für den elektrischen Motor auf aktive Weise in Antwort auf die Verschiebungseingabe von der gefederten Masse eine Dämpfungskraft auf passive Weise bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors gegen die Verschiebungseingabe von der gefederten Masse entwickelt werden. Dies vereinfacht nicht nur die aktive Kontrolle, sondern verbessert auch die Energieeffizienz im Vergleich zu einem herkömmlichen Fall, bei dem die Lagekontrolle und die Vibrationskontrolle gleichzeitig durchgeführt werden.
  • Während das elektromagnetische Aufhängungssystem für ein Fahrzeug unter Bezugnahme auf die erste und die zweite Ausführungsform erörtert wurde, wird davon ausgegangen, dass die Einzellheiten der Konstruktionen und der Anordnungen der Teile und der Elemente des elektromagnetischen Aufhängungssystems nicht auf diejenigen in der ersten und in der zweiten Ausführungsform beschränkt sind, so dass Änderungen und Variationen gemacht werden können, ohne vom Schutzumfang der im Folgenden angegebenen Ansprüche abzuweichen.
  • Obwohl ein Beispiel, in dem das elektromagnetische Stellglied anstelle eines Stoßdämpfers angewendet wird, der im mehrgelenkartigen unabhängigen Aufhängungssystem verwendet wird, als die erste Ausführungsform des elektromagnetischen Aufhängungssystems gezeigt und beschrieben wurde, ist zu erkennen, dass das elektromagnetische Stellglied zwischen der gefederten und der ungefederten Masse einer Vielzahl von Aufhängungssystemen wie z.B. federbeinartigen Aufhängungssystemen angewendet werden kann.
  • Während gezeigt und beschrieben wurde, dass im elektromagnetischen Aufhängungssystem der ersten Ausführungsform die Stellglied-Leistungsausgabe f gemäß der Motorrotationswinkelgeschwindigkeit ω auf der Grundlage der Motorrotationswinkelgeschwindigkeit ω und der Stellglied-Ausgabeeigenschaft, gezeigt in 6, berechnet wird, wird davon ausgegangen, dass die Stellglied-Leistungsausgabe f durch die Verwendung jeder Steuervorschrift der anwendbaren Stellglied-Steuervorschriften erhalten werden kann, z.B. durch die Verwendung der Hubgeschwindigkeit anstelle der Motorrotationswinkelgeschwindigkeit ω und durch Berechnung der Stellglied-Leistungsausgabe gemäß dieser Hubgeschwindigkeit und einer linearen oder einer nicht linearen Dämpfungseigenschaft.
  • Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt. Modifikationen und Veränderungen der oben beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele sind angesichts der oben angegebenen Lehren für Fachleute ersichtlich. Der Schutzumfang der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Ansprüche definiert.
  • Der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung P2003-027857 (eingereicht im Februar 2003) wird hier durch Bezugnahme eingeschlossen.

Claims (6)

  1. Elektromagnetisches Aufhängungssystem für ein Fahrzeug, umfassend: ein elektromagnetisches Stellglied (4), das zwischen eine gefederte Masse (1) und eine ungefederte Masse (6) eingeschoben ist und im Wesentlichen parallel mit einem Federelement (7) angebracht ist; einen elektrischen Motor (8) zum Antrieb des elektromagnetischen Stellglieds; und eine Motorsteuerung (17), die so konfiguriert ist, dass sie eine Verschiebungseingabe berechnet, die auf das elektromagnetische Stellglied angewendet wird, und den elektrischen Motor auf eine Weise kontrolliert, dass das elektromagnetische Stellglied eine optimale Dämpfungskraft erzeugt, die der Verschiebungseingabe entspricht; einen Motorsteuerkreis für den elektrischen Motor, durch den der elektrische Motor mit der Motorsteuerung verbunden ist; und ein elektrisches Dämpfungselement (20; 21), das elektrisch mit dem Motorsteuerkreis und parallel mit dem elektrischen Motor verbunden ist, um eine Dämpfungskraft auf passive Weise bei dynamischem Bremsen des elektrischen Motors in Antwort auf die Verschiebungseingabe an das elektromagnetische Stellglied von der ungefederten Masse zu erzeugen.
  2. Elektromagnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Dämpfungselement ein elektrischer Widerstand (20) ist.
  3. Elektromagnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 2, wobei der elektrische Widerstand (20) und der elektrische Motor (8) einen geschlossenen Stromkreis bilden, der einem Dämpfer entspricht, der einen Dämpfungskoeffizienten ke·km/(R + r) gegen die Verschiebungseingabe von der ungefederten Masse aufweist, wobei ke eine proportionale Konstante für eine Eingabegeschwindigkeit einer induzierten elektromotorischen Kraft ist, die vom elektrischen Motor erzeugt wird, km eine Ausgabekonstante des elektrischen Motors ist, R der Widerstandswert des elektrischen Widerstands ist, der parallel mit dem elektrischen Motor verbunden ist, und r ein interner Widerstandswert des elektrischen Motors ist.
  4. Elektromagnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Dämpfungselement ein elektrischer Resonanzkreis (21) ist, der eine Resonanzfrequenz aufweist, die eingestellt ist, um mit einer Resonanzfrequenz der ungefederten Masse übereinzustimmen, und einen Widerstand (R), eine Spule (L) und einen Kondensator (C) einschließt, die elektrisch miteinander verbunden sind.
  5. Elektromagnetisches Aufhängungssystem nach Anspruch 4, wobei die Motorsteuerung (17) so konfiguriert ist, dass sie als Grenzfrequenz eine Frequenz einstellt, die niedriger als die Resonanzfrequenz der ungefederten Masse und höher als eine Resonanzfrequenz der gefederten Masse ist, Vibrationskomponenten innerhalb eines Hochfrequenzbereichs, der nicht niedriger als die Grenzfrequenz ist, entfernt, als ein zu kontrollierendes Objekt nur Vibrationskomponenten innerhalb eines Niederfrequenzbereichs auswählt, darin eingeschlossen die Resonanzfrequenz der gefederten Masse, und den elektrischen Motor auf aktive Weise kontrolliert, um eine optimale Dämpfungskraft gegen die ausgewählten Vibrationskomponenten zu erhalten.
  6. Elektromagnetisches Aufhängungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektrische Dämpfungselement (20; 21) an einer Stelle angebracht ist, die eine höhere Kühlwirkung aufweist als das Innere eines Radkastens oder einer Stelle, die eine Wärmequelle erfordert.
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