专利名称：主动悬挂的制作方法
技术领域：
本发明涉及主动悬挂。
背景技术：
在所需方向上移动的车辆不可避免地会受到其他方向移动的影响。这种不希望出现的移动常常来自车辆行驶所处介质中的扰动。例如，不论乘坐汽车、轮船或者飞机，人都可能遇到颠簸、波动和气泡等。最好情况下，这种偶然的加速会导致乘客感觉不舒服和厌烦。对于ー些易受影响的人来说，这些偶然的加速会导致眩晕恶心。不过，在一些情况下，特别猛烈的加速会致使操作人员短暂地对车辆失去控制。即使车辆静止不动吋，也存在一些与车辆发动机有关的残余振动。在移动过程中，即使道路平坦，该残余振动也会使人感到压抑和疲劳。
发明内容
通常在ー个方面，本发明涉及ー种主动悬挂车辆中的实际装置的方法，该方法包括根据实际装置的属性以及名义装置的属性之间的差异对控制信号进行改进，实际装置的属性由实际装置对该控制信号的响应进行表示。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该实际装置包括车辆座位。该实际装置被被动地支撑从而使连接于该实际装置的主动悬挂经受零均值负载。主动悬挂该实际装置包括使用电磁致动器主动悬挂该实际装置。通常在另ー个方面，本发明涉及主动悬挂车辆中实际装置的方法，该方法包括检测该实际装置中特性的变化，该变化表示异常状态；并且响应于所检测到的变化而缓冲该实际装置的移动。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。检测变化包括检测传感器的故障状态。缓冲该实际装置的移动包括夹住连接于该实际装置的电磁马达的马达引线。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及主动悬挂车辆中实际装置的控制系统，该控制系统包括该装置的參考模型；确定该实际装置的属性和该实际装置的參考模型的属性之间的差异的装置估测器；以及装置补偿器，该补偿器响应于该差异而对抑制该实际装置振动的控制信号进行改迸。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。重量传感器測量与该装置相关
的重量。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及用于车辆中装置的主动悬挂系统，该系统包括电磁致动器；放大器，该放大器具有接收控制信号的控制输入，与该致动器电连通的输出，以及接收由该控制信号调制的电源的能量输入；有源电源，该电源与该放大器的能量输入电连通，该有源电源具有向该放大器提供恒定能量的饱和运转状态以及向该放大器提供可变能量的不饱和运转状态；以及无源电源，该电源与该放大器的能量输入电连通，当该有源电源运转于该饱和状态时该无源电源向该放大器提供能量，当该有源电源运转于该非饱和状态时该无源电源存储该有源电源的能量。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该无源电源包括电容。该电容设置成使该放大器基本上在55毫秒内停止工作。—般情况下，在另一方面内容中，本发明的特征包括主动悬挂，该主动悬挂包含连接于车辆中装置的电磁致动器；以及连接于该装置的力偏差消除器，用于使该致动器经受零均值负载。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该电磁致动器包括多相致动器。传感器提供表示该装置的状态的信息。MEM传感器提供表示该装置的状态的信息。冗余传感器提供表示该装置的状态的信息。该カ偏差消除器包括气动系统。该カ偏差消除器 包括液压系统。电源连接于该电磁致动器，该电源包括响应于最高能源需求的能量存储元件。该电源包括向该致动器提供能量的有源电源；以及在最高能量需求期间补充由该有源电源提供的能量的无源电源。该无源电源包括在最高能量需求时间段之间由该有源电源重新充电的电容。该能量存储元件包括电容。该カ偏差消除器设置成能够对该装置的位置进行调节。还存在一种被动悬挂，该主动悬挂和该被动悬挂相互平行地连接于该装置。该设备还包括被动悬挂，并且其中该主动悬挂和该被动悬挂相互串联地连接于该装置。该主动悬挂设置成抑制该装置沿一个轴线的振动，并且该被动中止系统设置成抑制该装置沿多个轴线的振动。该主动悬挂设置成抑制该装置沿多个轴线的振动。该多个轴线包括垂直轴线以及沿前后方向延伸的轴线。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及一种设备，包括主动悬挂，该悬挂包括连接于车辆中装置的电磁致动器；以及连接于该装置的力偏差消除器，用于使该致动器经受零均值负载；该主动悬挂设置成具有多个运转模式，包括主动模式和被动模式。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该设备设置成响应于对事件的检测而在该主动模式和该被动模式之间进行自动转换。该设备设置成响应于用户的选择而在主动模式和被动模式之间进行自动转换。该电磁致动器具有在被动模式中被短路的端子引线。该カ偏差消除器包括连接于该装置的被动组件，该被动组件具有可变的弹性件特性。该被动组件在主动模式中具有第一弾性件特性，在被动模式中具有第二弾性件特性。该电磁致动器设置成在主动模式中调节该装置的位置。该被动组件设置成在被动模式中调节该装置的位置。该第一弾性件特性受到控制，从而使该被动组件在被动模式中调节该装置的位置，并且其中该第二弾性件特性被选择成当与该致动器共同运转以在主动模式中调节该装置的位置时，该被动组件移除控制该致动器的控制信号中的力偏差。—般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及主动悬挂设备，包括座位；用于向该座位施加カ的电磁致动器；以及连接于该座位的力偏差消除器，用于使该电磁致动器经受零均值负载。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及一种悬挂座位的设备，该设备包括悬挂该座位的主动悬挂系统；以及故障-安全系统，用于响应于对触发事件的检测而控制该座位的悬挂。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该悬挂系统包括具有端子引线的电磁致动器，该故障-安全系统响应于对触发事件的检测而使该电磁致动器的端子引线短路。该故障-安全系统响应于触发事件使该主动悬挂处于被动运转模式。该故障-安全系统设置成响应于检测到的传感器故障而对该座位的悬挂进行控制，在运转中，该故障堤供表示该座位的状态的信息。该故障-安全系统设置成响应于检测到该悬挂系统中的故障而对该座位的悬挂进行控制。该故障-安全系统设置成响应于检测到用户的选择而对该座位的悬挂进行控制。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及一种控制车辆中被主动悬挂的装置的设备，该设备包括包含电磁致动器的主动悬挂；振动隔离块，用于响应于该被主动悬挂 的装置的测得特性而产生控制信号；连接于该装置的力偏差消除器，用于使该电磁致动器经受零均值负载。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。补偿系统响应于该被主动悬挂的装置的测得特性与名义装置之间的差异而改进该控制信号。该装置包括座位和乘客，并且该补偿系统设置成响应于由所述装置的质量变化所导致的差异而改进控制信号。该补偿系统包括反馈回路，该回路传送表示装置加速度的反馈信号；该补偿系统设置成保持该反馈回路的常数带宽。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及一种设备，包括包含电磁致动器的被主动悬挂的座位；与该座位相关联的特征，从而使该被主动悬挂的座位的移动与该特征的移动相匹配。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该特征从下述组中选定，该组包括饮料托座、浏览设备、显示器、控制单元、数据输入/取回设备、插座和踏板。连接于该装置的支撑件，该支撑件可响应于由该主动悬挂系统施加的力而进行移动。该支撑件包含剪式支撑件。该支撑件包含四杆连接件。该支撑件包含电磁致动器。该支撑件设置成使响应于沿第一轴线施加的力而进行的移动独立于响应于沿第二轴线施加的力而进行的移动。该支撑件设置成使响应于沿第一轴线施加的力而进行的移动依赖于响应于沿第二轴线施加的力而进行的移动。该车辆从下述组中选出，该组包括拖拉机、载重拖车、娱乐车辆(RV)、飞行器、汽车、武器平台、机床隔离工作台、电梯、船、卡车、轮椅、救护车、婴儿车、滚轮车、建筑设备以及农用机械，该装置包括座位。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及一种设备，包括车辆中的装置，该装置可沿多个方向移动；以及用干支撑该装置的主动悬挂系统，该主动悬挂系统包括多个电磁致动器，用于沿该多个方向中的每ー个方向施加抑制该装置振动的カ；控制系统，用于响应于表示该装置的状态的信息而控制该多个致动器；该控制系统包括多个控制器，每个控制器的带宽设计成适应沿该多个方向中的每ー个方向的振动特性。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该多个方向包括垂直方向和前后方向，其中与该垂直方向相关联的带宽小于与该前后方向相关联的带宽。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及一种设备，连接于座位的主动悬挂；用于控制该主动悬挂系统的控制系统；以及设置于该座位上的坐垫，该坐垫的谐振根据该控制系统的特性进行选择。
本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该特性包括与该控制系统相关联的带宽，其中该坐垫选择为具有带宽外部的谐振频率。该特性包括与该控制系统相关联的带宽，其中该坐垫选择为具有所述带宽之上的谐振频率。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及ー种使用包括电磁致动器的主动悬挂系统悬挂座位的方法，该方法包括在主动模式和被动模式之间选择性地转换主动悬挂的运转。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。选择性地转换包括响应于对事件的检测而自动地进行转换。该事件包括该主动悬挂系统的故障。该事件包括用户选择。一般情况下，在另一方面内容中，本发明涉及ー种主动悬挂车辆中装置的方法，该方法包括使用主动悬挂系统向该装置施加力，该主动悬挂系统包括电磁致动器；并且激发故障-安全系统从而响应于触发事件而悬挂该装置。本发明的实施方法可包括下述特征的ー个或多个。该触发事件还包括传感器中的故障，在运转过程中，该故障提供表示该装置的状态信息。该触发事件还包括该主动悬挂系统中的故障。本发明的其他特征和优点将通过随后的详细说明和权利要求而变得清楚明了。
图I和图4-7示出了被主动悬挂的装置；图2和3示出了与被主动悬挂的装置的平行和串连的连接；图8示出了控制图I以及图4-7所示的被主动悬挂的装置的控制系统；图9示出了图8所示控制系统的实施例；图IO示出了振动隔离模块；图11-12示出了具有不同类型的装置估测器的控制系统；图13是由カ偏差消除器使用的算法的流程图；图14示出了示例性的力偏差消除器；图15是示出了力偏差消除器所进行处理的方框图；图16示出了测量装置重量的控制系统；图17示出了故障-安全系统的算法；图18示出了一般情况下的能量需求；图19示出了电源；图20示出了用于座位的支撑装置，该装置使沿不同轴的移动之间实现耦合；图21示出了改进成适应沿不同轴的移动所进行的耦合的控制系统。
具体实施例方式被主动悬挂的装置包括连接于一个或多个主动悬挂元件的座位,或者其他平台，每个主动悬挂元件沿轴线提供主动悬桂。在许多情况下，沿ー个或多个轴线使用与主动悬挂元件共同运转的被动元件是有用的，但并不是必须的。在这种情况下，主动悬挂元件可与被动悬挂元件串连安装或者平行安装。
在下述说明中，将对装置的位置和移动进行大量的指代。可以理解，为了便于在所公开的实施例中进行讨论，“位置”表示装置相对于车辆的位置，“移动”表示装置相对于惯性參考基准的移动。因此，对位置信号进行的指代表示具有关于装置相对于车辆的位置的信息的信号。对移动信号进行的指代表示具有关于装置相对于惯性參考基准的移动的信息的信号，诸如加速度。下述说明中的实施例表示装置沿笛卡儿坐标系的三个坐标轴中的任何一个或者多个进行的移动。然而，控制系统的运转并不需要任何特定的坐标系。例如，装置可设置成沿两个轴的任何一个或者多个进行移动。此外，装置可设置成沿一个或多个非正交轴和正交轴进行移动。下述控制系统也并不局限于对装置移动的控制。控制系统也可用于控制旋转移动，诸如倾斜(pitch)、转动或者偏转。或者,控制系统可用于控制旋转移动和平移移动的任 何结合。图I示出了被主动悬挂的装置10，该装置具有影响装置16沿垂直轴z的移动的垂直主动悬挂元件12，诸如压缩，还具有影响装置16沿纵向轴y的移动的纵向主动悬挂元件14。装置16沿横向轴X的移动受被动悬挂元件18的影响，诸如弹性件或者基于弹性件/缓冲件的系统。在装置16包括座位的情况下，如图I所示，使用主动悬挂元件14抑制纵向移动而不使用纯被动悬挂装置是尤其有用的，因为在カ施加于外部环境上时主动悬挂元件允许座位仍然保持静止。这ー技术特征在例如防止座位在驾驶员压下脚踏板时向后移动的情况下是有用的。如用于本说明书中那样，主动悬挂是ー种使用致动器作为其整体部分的悬挂。这种致动器能够产生大小和方向都可独立于悬挂的位置和移动进行控制的力。在一些实施例中，致动器是电磁致动器，或者电磁马达，线性的或者旋转的，单相的或者多相的。术语“装置”是用来包括接收控制信号并且其位置和移动都将被控制的系统。该装置可包括座位、乘客、任何与座位相关联的固定物、座位的支撑结构、电源电子设备，以及主动和/或被动悬挂元件的数学模型，只要是影响待控制系统的动态属性的元件都处于该范围内。被主动悬挂的装置可用于各种应用中。例如，被主动悬挂的装置可以是发动机的固定件，船上的平台，座位，床，或者用于任何移动车辆的驾驶室中，诸如轿车、卡车、游船或者其他水运工具、火车、公共汽车、娱乐车辆、救护车、拖拉机、载货汽车挂车、农用车辆、建筑车辆、武器平台、飞机、直升机或者其他飞行器，诸如轮椅或者婴儿床的个人交通设备。被主动悬挂的装置的其他实例包括车床隔离台、干涉仪工作台、光刻法工作台等。装置并不需要包括座位。该装置也可以是例如货车驾驶室中或者火车的卧室舱中睡觉用的床。而且，该装置也不一定是载人装置。例如，需要非常仔细运输的易碎品(例如，陶瓷和水晶)或者易爆品(例如，爆炸物)。被主动悬挂的装置可提供合适的方式运输这种货物。而且，该装置可用于很多地方。例如，在豪华游船上，该装置可用于理发室或者晕船恢复休息室，从而即使在游船倾斜和转动的情况下也可保持固定。这种装置能够使人在海上暴风雨时幸免遇难。姆个悬挂元件,不论是主动悬挂元件还是被动悬挂元件，都可抑制沿至少ー个轴的移动。在一些实施例中，所有的轴线上设置有主动悬挂元件，在这种情况下不需要使用被动悬挂元件。不过，其他的实施例包括下述情况一个轴，最好是垂直轴上，设置有主动悬挂；垂直轴以外的轴上设置有被动悬挂元件。另外ー种方案是将ー个轴，最好是横向轴，设置被动悬挂，并在横向轴以外的轴上设置主动悬桂。在其他实施例中，诸如傾斜、转动以及偏转的旋转移动可被控制。在这种情况下，主动悬挂可设置成促进装置的倾斜、转动、偏转或者它们的组合。没有设置主动悬挂的轴也不需要设置被动悬桂。但是，如果在其他轴上不设置被动悬挂，那么乘客就会感到不舒服。由于这个原因，理想情况是将ー个或多个轴上设置主动和被动悬挂。在这种情况下，主动和被动悬挂可串连于主动悬挂或者位于被动悬挂下方，如图2所示，或者在被动悬挂上方(未示出)。可选择地，主动和被动悬挂可平行设置，如图3所示。在一些实施例中，主动悬挂可被不定时地或者时时地打开和关闭，可以一次作用于所有轴上或者可ー个轴ー个轴地进行。在一些情况下，如果与某轴相关联的主动悬挂元件没有起到作用，那么设置与该主动悬挂元件有关的故障-安全系统以缓冲沿着该轴线的装置的移动将是有用的。可选择地，如果主动和被动悬挂是串联的，那么主动悬挂的电源可被切断。在这种情况下，任何与主动悬挂相关联的移动部件都被夹住。一旦主动悬挂的移动部件被夹住，那么只有被动悬挂会影响装置的移动。在其他情况下，主动悬挂的移动部件仍然可响应于被动悬挂元件的作用而保持自由移动。垂直主动悬挂元件12包括垂直加速度计20 ;垂直位置传感器24 ；以及垂直致动器28，该致动器在所示实施例中与垂直位置传感器24平行并且最好尽可能地接近垂直加速度计20。相似地，纵向主动悬挂元件14包括纵向加速度计22 ;纵向位置传感器26 ;以及纵向致动器30，该致动器与纵向位置传感器26平行并且最好尽可能地接近纵向加速度计22。可用于主动悬挂元件12、14的致动器28、30包括単相或者多相的电磁致动器，诸如三相线性致动器、单相线性致动器、旋转致动器和可变磁阻致动器。一个合适的致动器是一种诸如美国专利No. 4，981,309公开的电磁线性致动器，其内容在这里以參考的方式引用。任何具有足够分辨度和精度的位置传感器24、26都可以使用。合适的位置传感器24,26的实例包括具有电位计的传感器、利用霍尔效应的传感器以及使用磁致伸縮的传感器。具有电位计的位置传感器的实例包括来自于德国Ostfildern的Novotechnik Inc公司的传感器。其他可与主动悬挂元件共同使用的位置传感器24、26包括具有编码器的传感器，并具有限制开关以确定绝对位置。这种类型的各种位置传感器在固定于參考基准上时可用于获得相对于參考基准的加速度。适合的加速度计20的实例包括基于MEM(微电子机械)的加速度计，诸如由纽约Ithaca的Kionix, Inc.制造的KXM60系列中的加速度计。为了帮助抑制垂直移动，被主动悬挂的装置10包括移除致动器命令力信号中的 偏置力的元件，从而使致动器经受零均值负载。在一些实施例中，该元件具有可变低刚度弹性件的动态特性。低刚度弹性件的特性确保致动器在进行主动隔离时不与弾性件“斗争”。这可減少能量损失。这种元件，称之为“カ偏差消除器系統”，可实施为具有相关联贮存器的汽缸，如图14所示。力偏差消除器系统提供偏置力，由此使致动器不提供力。这种偏置可由诸如装置16重量的因素而得到。因为カ偏差消除器系统提供了偏置力，所以垂直致动器28只需要抑制偏离于预定平衡位置的偏移。在优选实施例中，汽缸和相关联的贮存器设置成使致动器保持零均值负载。如下所述，力偏差消除器系统也可在使用或不使用附加缓冲的情况下提供被动悬桂。如图4所示，被主动悬挂的装置16的另ー实施例提供用于抑制装置16沿垂直轴移动的单独主动悬挂元件34。在这种情况下，主动悬挂元件34与多轴被动悬挂元件36串联安装。如图4所示，多轴被动悬挂元件36安装于主动悬挂元件34和装置16之间。但是，被动悬挂元件36也可安装于装置16和车辆地板37之间，如图5所示。如图6所示，装置16可包括除了座位40和其乘坐者以外的其他各种特征或者结构。这些附加特征或者结构属于通过相对于装置16保持固定而极大受益的类型。示例性结构包括水杯托架42，该托架中常放有在车辆随机加速作用下易于洒落的饮料，书写表面、数据输入/取回设备、烟灰缸或者其他容器44、诸如浏览显示的显示器以及控制器47，尤其是不需要与车辆进行直接机械连接的控制器。示例性控制器包括操作重型装置的电子控制 器，诸如踏板或杠杆的用于制动和加速的控制器。虽然所示的特征或结构装接于装置16，但是应该注意，这些特征或结构可位于远离装置16 (未示出)的位置处，但是受装置16移动的“控制”。图I和图4-7所示的被主动悬挂的装置16包括基部46，该基部设置成可通过螺栓固定于各种马达车辆和其模型的标准螺栓孔中。但是，被主动悬挂的装置16可被各种支撑结构中的任何结构支撑，包括图7所示的将在致动器冲程与行程的比率小于I时所使用的剪式机构51、改进的剪式机构、四杆连接件以及改进的四杆连接件。而且，致动器本身可设计为支撑结构的一部分。主动悬挂元件12、14与控制系统48进行数据交換，如图8详细所示。控制系统48接收传感器24、26的数据信号，诸如装置加速度an和装置16相对于车辆的位置pr。然后，控制系统48经由控制器49提供控制信号ur用于使相应的致动器28、30(见图I)施加力，从而使装置16恢复至平衡位置；最大程度地减小装置16所受的加速度。数据信号表示装置16的位置和加速度，以及装置16属性的数据指标。与装置16交换数据的力偏差消除器模块60从致动器カ控制信号u r中移除偏差，从而保持零均值负载作用于致动器。在实际情况中，实际装置16的相应特性可能不会被精确地得知。因此，一般情况下，任何控制器49的设计以及控制器49所输出的控制信号(ur)会以关于这些特性的假设为基础。因此，用于控制实际装置16(real plant)的控制信号可能不会实现预期的效果。因此，控制系统48估测出有关实际装置16的假设中的错误并且对这些错误进行补偿。在这些实施例中，如下文所述，所述估测和假设使用同一參考模型。图9示出了示例性控制系统48，在该系统中參考模型包括名义装置的数学參考模型50，其形式为名义装置对复合频率输入s的响应Pn (S)。为了表述的简洁起见，名义装置的该数学模型50将简单地指代为“名义装置50”。名义装置的响应与实际装置的位置和移动的数据指标由振动隔离模型52使用从而计算出名义控制信号un。因此，名义装置50是用于实际装置16的參考模型。这种模型可定义为包括ー个或多个參数，包括理想的性能特性、频率响应、极点/零点或者这些參数的结合。例如，在实际装置16包括车辆座椅的情况下，表示名义司机重量的參数可定义为大量典型司机的平均体重。可使用各种方法实现振动隔离模块52。例如，图10示出了包括位置和加速度反馈信号的振动隔离模块52。在一些实现方法中，具有位置反馈回路的位置控制器将相对位置信号Pr作为输入并促使实际装置16保持预定的平衡位置r。在一些情况中，平衡位置可对应于致动器冲程的中点。在其他实施方法中，具有加速度反馈回路的加速度控制器将加速度信号ar作为输入并控制实际装置16所受的加速度。为了方便讨论，下述描述以双回路控制结构为基础。不过，一般来讲，控制器使用实际装置16的位置和加速度作为输入并提 供控制信号作为输出。实现方法不需要为双回路控制器结构。例如，控制器可具有单回路。其他实施例包括具有2n个输入和η个输出的控制器，其中η是被主动控制的轴线的数量。位置回路的带宽可根据乘客所感受到的不舒服而进行设计的。所进行的设计随着实际装置16的待控制移动所沿的特定轴线进行变化。例如，大多数乘客可在垂直方向上承受比前后方向上更大的振动。此外，一般情况下，在前后方向上振动的光谱具有比垂直方向上振动的光谱大的高频分量。因此，在一些实施例中，用于抑制垂直方向上振动的位置回路具有比用于抑制水平方向上振动的位置回路更小的带宽。当多于ー个轴线被主动控制吋，每个主动轴的位置回路可具有适应于沿着该轴的振动特性的带宽。在图10所示的实施方法中，所测量的位置信号pr表示实际装置16和车辆框架之间的相对位移，该信号被从装置16的理想平衡位置!·中减去。所得的差值输入振动隔离模块52。测得的加速度信号ar从理想的加速度中减去，该理想加速度在所示实施例中是零加速度。所得的差值输入振动隔离模块52。振动隔离模块52的输出是名义控制信号un。合适的振动隔离模块52包括美国专利3，701，499和6，460，803中记载的模块，其内容在这里以參考的方式加以引用。在一些情况中，理想的是在对装置16进行主动控制的同时改变实际装置16的理想平衡位置r。例如，当实际装置16包括座位时，希望调节座位的高度以适应不同的乘客。这一点可通过改变理想平衡位置r得以实现。对于图9所示的控制系统48来说，理想平衡位置r中的变化将会引起控制信号ur中的偏差力分量。偏差力分量由力偏差消除器模块60移除。如上所述，振动隔离模块52产生名义控制信号，该信号在名义装置50受到由测得位置和加速度信号表示的特定扰动时可用于控制名义装置50的移动。为了使振动隔离模块52产生名义控制信号，将表示这些扰动的信号ar、pr输入振动隔离模块52中。不过，一般来讲，名义装置50具有与实际装置16不同的动态特性。因此，振动隔离模块52的输出一般不会被优化以控制经受那些相同扰动的实际装置16的移动。但是，在大多数情况下，名义装置50和实际装置16具有足够相似的动态特性，从而使控制实际装置16的控制信号，这里称之为“实际控制信号”与名义控制信号相似。不存在任何的正经受任何实际物理移动的实际名义装置50，注意到这一点是很重要的。只存在名义装置的模型。该模型被选择成以与实际装置16相同的响应方式进行响应。实际上，控制系统48使用名义装置50模拟实际装置16对控制信号的响应。控制系统48可自由地使用名义装置50对控制信号的假设响应以及实际装置16对该控制信号的实际测得响应。根据假设响应和实际测得响应之间的不同，控制系统48对控制信号进行调整。为了补偿实际装置16和名义装置50之间的差异，控制系统48使用装置估测器62至少部分根据表示实际装置16移动的信号对该差值进行估測。然后，装置估测器62向装置补偿器64提供表示该差异的误差信号e (s)。然后，装置补偿器64通过在名义控制信号un输入实际装置16之前对其进行改进而对该差异进行补偿。装置估测器62和装置补偿器 64的结合使用即被称为“补偿系统65”。虽然装置估测器62和补偿器64相互分离，但是将其进行分离只是为了示出它们各自的功能。在实际使用中，装置估测器62和补偿器64的功能可通过嵌入在単独硬件元件或者软件中的电路得以实现。实际上，装置补偿器64使用误差信号干扰名义控制信号un。该干扰可得到实际控制信号ur，该控制信号输入实际装置16中。如图11所示，装置补偿器64包括放大器。但是，装置补偿器64也可包括过滤器。注意，如这里所使用的那样，“实际”表示控制信号将输入实际装置16中。而不表示其常用的数学含义，即信号没有虚数分量。在图9中，装置估测器62示出为接收各种输入，其中包括表示实际装置16所受扰动的实际扰动信号，例如位置和加速度信号ar、pr以及表示由名义控制信号un控制的名义装置50所受的相应扰动的名义扰动信号51。可选择地，从控制系统48外部获得的其他信息可用于估测所述差异，如下所述。这些输入表示装置估测器62可用于产生误差信号的信息的可能来源。装置估测器62的实施例并不需要实际接收或者使用如图9所示的所有信息来源，而是可替代地接收或者使用这些信息来源的子集。设计补偿系统65的细节取决于将要实现的控制目标。在一项实施例中，如图11所示，补偿系统65的控制目的是保持开环加速度回路传递函数的常数带宽，该带宽是通过开环加速度回路传递函数的幅值与Odb线相交处的频率确定的，而不取决于由乘客体重所导致的任何装置差异。补偿系统65是通过下述方式实现这一点的，即响应于在相同条件下实际装置16所受的实际加速度和名义装置50将要经受的名义加速度之间的差异而适应性地调整加速度回路传递函数的増益。在这种情况下，合适的补偿系统65是模型參考适应性控制器。在这种情况下，装置估测器62根据实际装置16的实际加速度信号ar以及表示名义装置50将要经受的加速度的名义加速度信号un产生误差信号e (s)。在这种情况下，装置补偿器64是放大器，将名义控制信号un与误差信号e相乘从而获得实际控制信号ur。如图12所示，使用模型參考适应性控制器所实现的补偿系统65包括过滤名义装置50在相同情况下将会经受的名义加速度an的第一过滤器66，以及过滤实际装置16经受的实际加速度ar的第二过滤器68。当使用名义控制信号un作为输入时，可获得名义加速度an作为名义装置50的输出。第一过滤器66的输出是经过滤的名义加速度ajn，第二过滤器68的输出是经过滤的实际加速度afr。第一和第二过滤器66、68主要处理理想的相交频率(即，Odb处的频率)。经过滤的名义加速度在減法器70中从经过滤的实际加速度减去从而产生误差信号。该误差信号可进ー步以多种方式进行处理从而最大限度地减小误差e的某些量化指标。在图12所示的实施例中，将要被最小化的误差的量化指标是误差e的最小均方根(LMS)。这是通过在放大器72中将误差信号乘以经过滤的名义加速度afn而实现的。这ー过程的結果，即补偿信号的导数，随后被输入积分器74。积分器74的输出然后与名义控制信号相乘从而产生实际控制信号。补偿系统65的可选特征使积分器74在特殊情况下提供单位输出。在这些特殊情况下，当积分器74的输出与名义控制信号相乘时，名义控制信号将保持不变。因此，实际控制信号将与名义控制信号相同。示例性特殊情况包括对名义控制信号进行检测，该名义控制信号将使致动器施加非常小的力，大约为摩擦力。其他的特殊情况包括检测低于阈值的加速度，或者任何其他特殊情况的结合。
图12示出补偿系统65的特定实施例，该系统可只补偿许多因素中的ー个因素，在这种情况下，该因素为实际装置16的动态属性的变化。例如，这种变化来自于乘客重量的变化，而乘客重量的变化会导致实际装置16和名义装置50的动态属性之间的差异。不过，补偿系统65可指定为补偿其他的这类因素。这类因素中的ー个包括电源电子设备(powerelectronics)參数中的偏差(drift)。控制系统48是使用连续时间信号的模拟系统。但是，控制系统48也可实现为使用离散时间，在这种情况下，积分器74变为加法块，低通过滤器66、68变为适当定义的数字过滤器。如上所述，抑制垂直方向上移动的垂直主动悬挂元件12包括垂直致动器28，该致动器施加必要的カ以将装置16保持在平衡垂直位置。不过，在垂直方向上，装置16—直受到重力的作用。因此，致动器28消耗大量的能量以支撑装置16的重量。在一项实施方法中，力偏差消除器系统用于在垂直方向上施加偏置力，该力足够抵消实际控制信号ur中的力偏差分量，由此保持垂直致动器28的零均值负载。使用由此得到的力偏差消除器系统，垂直致动器28备用于施加ー个将装置16保持于平衡位置处的力。而垂直致动器28只需要施加カ以补偿离开平衡位置的较小偏移。如上所述的カ偏差消除器系统并不是严格必须的。原则上，仅需使垂直致动器28施加一适当的偏差力。如果室温超导体适用于传送产生这种カ所需的电流，那么这种结构是有实际用处的。不过，对于已知的电磁致动器，对装置16进行支撑所需的电流将会是非常的大，并会产生显著的废热。力偏差消除器系统可以是比较简单的系统，诸如可调节弹性件或者具有低刚度可调节弹性件的机械特性的装置。不论车辆是否行进，适当的力偏差消除器系统最好都进行运转。这将在所有能源都关闭的情况下使车辆的乘客能够舒服地乘坐。这ー特征对于保证安全来说也是重要的。如果在以高速行进的车辆中，失去动カ的车辆上的所有座位的位置都突然下降，那么乘客会不安的。为了对这一力偏差消除器系统进行控制，控制系统48也包括力偏差消除器模块60(见图11)，其功能是使カ偏差消除器系统在各种变化的环境中提供适当的偏置力。如图9所示，力偏差消除器模块60从实际装置16中接收加速度和位置数据，从补偿系统65中接收实际控制信号ur。根据该数据，力偏差消除器模块60向力偏差消除器系统提供偏差控制信号，这将在下文中结合图13进行讨论。如下所述，主动悬挂系统设置成以多种模式进行运转安全(被动/故障安全)模式、主动(力偏差消除)模式和颠簸停止(bump stop)模式。如图13所示，该系统经由カ偏差消除器模块60或者分离的故障-安全系统(见下文详细内容)首先检测是否出现触发事件。触发事件响应于装置16的特性的任何变化而产生，该变化可能表示异常状态。示例性触发事件包括主动悬挂元件出现故障、严重的电缆故障或者传感器故障(步骤76)。通过对触发事件的检测，力偏差消除器模块60使力偏差消除器系统86以下述模式运转，即包括“被动模式”、“安全模式”或者“故障-安全模式”(步骤78)。在这种模式中，装置16的位置经由カ偏差消除器模块60进行调节，如下文结合图14和15所述。在一些实施例中，转换至“被动模式”的操作可实现为可由用户选择的技术特征。主动悬挂元件是否在工作可容易地通过例如检测输入其中的能量而得以确定。如果系统确定主动悬挂元件正在工作，那么就可使用实际装置16的加速度和位置信号确定垂直致动器28是否可能到达其行程的末端，即垂直致动器28是否可能碰到其两个颠簸停止件中的ー个(步骤80)。如果这样，那么カ偏差消除器模块60使力偏差消除器系统以“颠簸停止”模式(步骤82)运转。否则，力偏差消除器模块60使力偏差消除器系统以正常模式或者“主动模式”(步骤84)运转，如 下结合图14和15所述，其中装置16的位置通过控制一个或多个致动器而进行调节。示例性力偏差消除器系统86是气动力偏差消除器(如图14所示)，该消除器包括支撑有装置16的缸88和匹配活塞90。活塞头部下方的缸体，即“下缸腔”(lower cylinderchamber)通过供给气门92连接于压缩气源(未示出)上，或者通过放气气门94连接于周围的空气。可选择地，下缸腔可通过操作三向手动调节气门96连接于压缩气源(未示出)或者周围的空气。压缩气源可容易地使用机载气源，例如通过泵而保持于高压的压缩空气储存器。座位结构的中空部分也可用作空气储存器，由此将空气储存器结合或者集成于座位结构本身。可选择地，力偏差消除器系统可以是液压系统。缸88可包括响应于气压和装置重量而进行移动的活塞90。或者，缸88可响应于压カ和重量而简单地膨胀与收缩，橡胶轮胎也以颇为相同的方式膨胀与收缩。与汽缸88液体连通的膨胀腔98可以是外部空气存储器。可选择地，膨胀腔98可构建于座位结构本身，由此节省车辆内部的空间。在正常模式或者“主动模式”中，力偏差消除器模块60根据例如控制信号ur确定压カ是否需要増加或者减小，如图11所示。如果压カ需要増加，那么カ偏差消除器模块60使供给气门92开启，并使放气气门94关闭，由此使低缸腔充满压缩空气。相反地，如果压力需要减小，那么控制器使供给气门92关闭，放气气门94开启。这可放出下缸腔中的高压空气。图15示出了通过使用实际控制信号ur作为以主动模式运转的力偏差消除器模块60对实际控制信号的偏差分量进行检测和移除的过程。实际控制信号ur首先通过低通过滤器100移除高频偏差，该高频偏差很可能是消除随机加速度时所得的結果。因此，低通过滤器100隔离很可能是装置16中实际重量变化所得结果的低频变化。合适的低通过滤器100具有大约O. 5赫兹的转角频率。然后，力偏差消除器模块60使用实际控制信号的低频分量的符号或者相角确定是否施加偏置力以抵消ur中的偏差信号分量。对于图15中的实施方法，使用实际控制信号ur作为输入的力偏差消除器模块60确定对抗活塞90的压カ是否需要増加或者减小。然后，力偏差消除器模块60向对供给气门92进行控制的供给气门中继器(未示出)以及对放气气门94进行控制的放气气门中继器(未示出)发送适当的气门致动信号V。如果压カ需要増加，那么カ偏差消除器模块60向供给气门92中继器发送信号以开启供给气门井向放气气门中继器发送信号以关闭放气气门94。相反地，如果压カ需要减小，那么カ偏差消除器模块60向放气气门94中继 器发送气门致动信号V以开启放气气门井向供给气门中继器发送信号以关闭供给气门92。在一些实施例中，具有“间隙(backlash)”(磁滞)的中继器可防止围绕中继器定点的开启-关闭气门的振动。力偏差消除器系统86也包括上、下颠簸停止气门102、104，所述气门用干“颠簸停止”模式从而防止下述情况下的移动，即在垂直致动器28不可能防止装置16突然达到其行程末端的情况下。上颠簸停止气门102提供了在活塞头部上方的缸体(“上缸体”)和周围空气之间的通路。在正常运转中，该上颠簸停止气门102是开启的，从而使空气可自由地进出上缸腔。但是，如果カ偏差消除器模块60检测到垂直致动器28不可能使装置16停止达到其行程的顶端，那么该模块关闭上颠簸停止气门102。这就防止空气在活塞90向上移动的同时从上缸体溢出。因此，空气随着活塞90的上升而被压縮，由此施加ー个防止活塞90进ー步向上移动的カ(因此也就作用于装置16上)。下颠簸停止气门104根据放气气门94和供给气门92是否开关提供了下缸腔与周围空气或者压缩气源之间的通路。在正常运转中，下颠簸停止气门104是开启的。这就允许カ偏差消除器模块60通过选择性地开启和关闭放气气门和供给气门92而自由地控制装置高度。但是，如果カ偏差消除器模块60检测到垂直致动器28不可能停止装置16达到其行程的底部，那么该模块即关闭下颠簸停止气门104。这就会防止空气随着活塞90的向下移动而从下缸腔中溢出，由此施加ー个防止活塞90进ー步向下移动的カ(因此也就作用于装置16上)。当力偏差消除器模块60确定主动悬挂元件已经不起作用，该模块发送气门致动信号V以通过同时关闭上和下颠簸停止气门102、104而密封上下腔室。这就使力偏差消除器系统86以“安全模式”运转，该模式中力偏差消除器系统86起到弾性件的功能。当以安全模式运转时，空气进入和离开缸88的唯一通道是通过三向手动调节气门96。该三向手动调节气门96具有闭合位置，在该位置处没有空气可以进入或者离开下腔室；放气位置，在该位置处下腔室连接于周围空气；以及填充位置，在该位置处下腔室连接于压缩气源(未示出)。在安全模式中，装置16的高度通过操作调节气门96进行控制。升高装置16吋，调节气门96使压缩气源与下腔室连接。降低装置16时，调节气门96使周围空气与下缸腔连接。当装置16处于理想位置时，调节气门96密封下缸腔。下表总结了图14所示的各种气门在各种运转模式下的设置
权利要求
1.一种装置，包括 主动悬挂(14)，该主动悬挂(14)包括耦合到车辆中设备(16)的电磁执行器(28，30)；耦合到所述设备(16)的力偏压消除器(86)，用于使得所述执行器(28，30)经历零平均值的负载；其特征在于 隔振模块(52)，用于基于标称设备对被主动悬挂的设备的所测量干扰的响应来生成控制信号；以及 补偿系统(64)，用于响应于所述标称设备对所述控制信号的响应与所述被主动悬挂的设备对所述控制信号的被测量响应之间的差别来修改所述控制信号。
2.根据权利要求I所述的装置，进一步包括传感器(24，26)，用于提供指示所述设备(16)的状态的信息。
3.根据权利要求I所述的装置，进一步包括重量传感器，用于测量与所述设备(16)相关联的重量。
4.根据权利要求I所述的装置，其中所述力偏压消除器(86)包括气压系统。
5.根据权利要求I所述的装置，其中所述主动悬挂(14)配置为具有多个操作模式，包括主动模式和被动模式。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述装置配置为响应于检测到事件而在所述主动模式与被动模式之间自动地切换。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述装置配置为响应于用户选择而在所述主动模式与被动模式之间切换。
8.根据权利要求I所述的装置，其中所述设备(16)包括座椅，并且其中所述电磁执行器(28，30)耦合到所述座椅以对所述座椅施加力。
9.根据权利要求8所述的装置，其中 所述补偿系统￠4)配置为响应于所述座椅的不同乘客的重量的差别来修改所述控制信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其中 所述补偿系统(64)包括反馈环路，其携带指示设备加速的反馈信号；并且 其中所述补偿系统￠4)配置为保持所述反馈环路的恒定带宽。
11.根据权利要求1、3、4、8或9所述的装置，其中所述补偿系统(64)配置为响应于所述设备(16)的重量的快速改变来修改所述控制信号。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述设备(16)的重量的快速改变是由于装载或者卸载所述设备(16)而引起的。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述控制信号被修改，从而在所述力偏压消除器(86)被允许适应于新的设备重量时，所施加的最大执行器力降低。
14.根据权利要求I或8所述的装置，其中所述补偿系统￠4)设置为独立于设备差异而保持恒定的开环加速传递函数。
15.根据权利要求I所述的装置，其中如果所述控制信号将使得所述执行器施加大小处于摩擦力级别上的力，则所述补偿系统(64)不修改所述控制信号。
16.根据权利要求I或15所述的装置，其中如果所述控制信号将使得所述设备的加速小于预定阈值，则所述补偿系统(64)不修改所述控制信号。
全文摘要
本发明涉及主动悬挂。具体地，一种装置，包括主动悬挂(14)，该主动悬挂(14)包括耦合到车辆中设备(16)的电磁执行器(28，30)；耦合到所述设备(16)的力偏压消除器(86)，用于使得所述执行器(28，30)经历零平均值的负载；其特征在于隔振模块(52)，用于基于标称设备对被主动悬挂的设备的所测量干扰的响应来生成控制信号；以及补偿系统(64)，用于响应于所述标称设备对所述控制信号的响应与所述被主动悬挂的设备对所述控制信号的被测量响应之间的差别来修改所述控制信号。
文档编号B60N2/54GK102649406SQ201210155388
公开日2012年8月29日 申请日期2005年10月27日 优先权日2004年10月29日
发明者丹尼尔·F·奥皮拉, 厄潘德拉·V·乌梅萨拉, 托马斯·C·施罗德, 琳达·伊斯图塔, 罗曼·利托夫斯基, 詹姆斯·A·帕里森 申请人:伯斯有限公司