具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置及方法，包括信号处理单元、悬架系统控制器、阻尼力控制模块，以及多个磁流变阻尼器；本发明具有下述优点：1）实时运行车身姿态控制和振动控制两种控制算法，并将两种控制算法的结果进行了综合考虑，具有更好的综合性能；2）侧重于车辆的操纵稳定性，使车辆的驾驶更加的安全。
【专利说明】
具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种车辆悬架系统，更具体的说，它涉及一种具有加和模式的车辆磁 流变悬架系统控制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 悬架系统是汽车的一个重要子系统，它与汽车的操纵性紧密相关，并且承担者隔 离来自路面不平激励所引起的车辆振动的重要作用。汽车的半主动悬架系统一般是由弹簧 和可控阻尼减振器组成，可控阻尼减振器可以根据车辆运行条件对阻尼系数进行实时调 节，实现与弹性元件的最优匹配，以改善车辆乘坐的舒适性和操纵稳定性。
[0003] 磁流变减振器在车辆的悬架系统中引起了广泛的关注，并得到了成功的应用。该 减振器以智能材料一磁流变液为基础，通过施加磁场改变减振器内磁流变液的屈服应力和 粘度，从而获得阻尼的连续无级调节，具有响应速度快、工作温度范围宽、能耗低、动态范围 广的优点。同相似性能的全主动悬架相比，具有性价比高和能耗低的优点。
[0004] -个完整的悬架系统控制包括车身姿态控制和车体振动控制两个方面：其中车 身姿态悬架控制与车辆的操纵稳定性和安全性紧密相关，而车体振动悬架控制与车辆的乘 坐舒适性紧密相关。国内外现有的对磁流变悬架系统的控制主要集成在车辆的振动控制， 包括天棚阻尼控制、PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、模糊控制等。其中，天 棚阻尼控制由于简单易于实施，因而在汽车半主动悬架的实施中得到了广泛应用;对于车 身姿态悬架系统的控制，例如车辆刹车或者急加速导致的车身俯仰现象、车辆转弯时导致 的侧倾现象等，主要是通过"事件"进行驱动控制，比如在转弯过程中进行车身一侧减振器 的强化，减少车体的侧倾。
[0005] 但是，现有的磁流变悬架系统的控制方法要么仅仅考虑车身的振动控制，如天棚 阻尼控制方法，要么在对车身姿态控制的过程中，没有考虑车体的振动控制，即：在运行车 身姿态控制（如急转弯时）的算法时，没有考虑振动控制（如天棚阻尼控制）的信号。这就导 致了悬架控制系统的综合性能较差，没有很好的兼顾车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有加和模式的车辆磁流 变悬架系统控制装置及方法，对车身姿态和车体振动同时进行实时控制，并将两种的控制 输出信号进行相加求和，将叠加信号限压后输出作为磁流变减振器的控制信号。因此本发 明可以在对车身姿态进行控制的同时，同时考虑了车体的振动控制，更好的兼顾车辆的乘 坐舒适性和操纵稳定性。另外，加和模式可以使车辆的驾驶更加的安全。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案:一种具有加和模式的车辆磁流变 悬架系统控制装置及方法，其特征在于:包括信号处理单元、悬架系统控制器、阻尼力控制 模块，以及多个磁流变阻尼器;所述信号处理单元，接收来自于多种车辆传感器、车辆总线、 驾驶员手动输入的原始信息，进行处理后，输出到悬架系统控制器;所述悬架系统控制器， 运行具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制算法，输出多个磁流变阻尼器的控制电压到 阻尼力控制模块;所述阻尼力控制模块，将所接收的控制电压转换为磁流变阻尼器的驱动 电流;所述磁流变阻尼器，通过改变驱动电流，从而改变输出的阻尼力，作用于车体上。
[0008] 优选为，悬架系统控制器包含车身姿态控制器、车身振动控制器、求和模块和限压 模块:所述车身姿态控制器，输出对应于多个磁流变阻尼器的车身姿态控制电压;所述车身 振动控制器，输出对应于多个磁流变阻尼器的车身振动控制电压;所述求和模块，获得所述 两种控制电压之和;所述限压模块，将所述两种控制电压之和限制在最大允许输出电压之 内。
[0009] 优选为，车身姿态控制器包含转向控制器、刹车控制器、加速控制器、以及求和模 块:所述转向控制器运行控制算法，获得多个磁流变阻尼器的转向控制电压;所述刹车控制 器运行控制算法，获得多个磁流变阻尼器的刹车控制电压;所述加速控制器运行控制算法， 获得多个磁流变阻尼器的加速控制电压;所述求和模块，获得所述三种控制电压之和。
[0010] -种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置的控制方法，包括传感器，所 述控制方法包括以下步骤： 第一步:读取来自于车辆总线或车身加速度、车身转角、油门开度、车速、制动压力、减 振器相对高度等传感器的信息； 第二步:对所获得的传感信息进行处理计算，同时运行车身振动控制算法、车辆转向控 制算法、车辆刹车控制算法、车辆加速控制算法： 车身振动控制算法用于改进乘坐的舒适度，可以采用天棚阻尼控制、混合阻尼控制等， 输出用于振动控制的磁流变控制电压； 车辆转向控制算法用于减小车辆倾斜，通过获得车辆转向的程度，输出用于转向控制 的磁流变控制电压。或者通过获得车辆转向所引起的车身倾斜信息，进行反馈控制，输出用 于转向控制的磁流变控制电压； 车辆刹车控制算法用于减小车辆前倾，通过获得车辆刹车的程度，输出用于刹车控制 的磁流变控制电压。或者通过获得车辆刹车所引起的车身前倾角度，进行反馈控制，输出用 于刹车控制的磁流变控制电压； 车辆加速控制算法用于减小车辆后仰，通过获得车辆加速的程度，输出用于加速控制 的磁流变控制电压。或者通过获得车辆急加速所引起的车身后仰角度，进行反馈控制，输出 用于加速控制的磁流变控制电压； 第三步:对上述四种磁流变控制电压进行求和运算； 第四步:将求和所得的总控制电压限制在最大允许输出电压之内，之后进行输出； 第五步:将输出的磁流变控制电压转化为相应的驱动电流，从而改变磁流变阻尼器的 输出阻力。
[0011] 本发明具有下述优点：1)实时运行车身姿态控制和振动控制两种控制算法，并将 两种控制算法的结果进行了综合考虑，具有更好的综合性能;2)侧重于车辆的操纵稳定性， 使车辆的驾驶更加的安全。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的模块示意图。
[0013]图2是本发明悬架系统控制器的模块示意图。
[0014]图3是本发明车身姿态控制器的模块示意图。
[0015] 图4是本发明刹车控制电压与制动压力信号之间关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0016] 参看图1所示，本发明实施例提供的一种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控 制装置包括传感器、信号处理单元、悬架系统控制器、阻尼力控制模块、磁流变阻尼器和悬 架弹簧。其中传感器包括多种车身传感器:减振器相对位移、车身加速度、车辆转角、车身倾 角、油门开度、车速、制动压力传感器等，用来在线实时获取车身及减振器的运动状态。这些 传感器通过直接连接的方式，或者车辆总线，如CAN总线的方式与信号处理单元连接。信号 处理单元还可接收来自驾驶员的手动输入指令，例如驾驶模式的设置："运动模式"、"巡航 模式"等。信号处理单元可以对所接收的原始传感信息进行处理，包括滤波去除输入噪音、 信号偏置达到控制器的输入电压范围、A/D转换输入到数字控制器、积分处理等。
[0017]悬架系统控制器接收来自信号处理单元的传感信息，运行具有加和模式的车辆磁 流变悬架系统控制算法，输出车辆多个磁流变阻尼器的控制电压到阻尼力控制模块。阻尼 力控制模块是磁流变阻尼器的驱动接口模块，将控制器输出的控制电压转换为所对应的磁 流变阻尼器的驱动电流。阻尼力控制模块通常包括MOS管电路、过流保护电路、电流反馈控 制电路等。不同的车型可能会有不同的磁流变阻尼器24布置，图1中的四个磁流变阻尼器布 置在车身四角。磁流变阻尼器可能是单出杆式、双出杆式、多功能磁流变阻尼器、或者具有 外置蓄能器。磁流变阻尼器通过接收驱动电流，改变内部磁流变液的粘度，从而改变输出的 阻尼力。所输出的阻尼力将与悬架弹簧的弹力共同作用于车体上，影响车辆乘坐的舒适性 和稳定性。
[0018] 图2为本发明实施例的悬架系统控制器。悬架系统控制器包括车身姿态控制器、车 身振动控制器、限压模块、加和模块。其中车身姿态控制器包括三种姿态的子控制器，将在 后文中详细介绍。车身振动控制器将接收来自信号处理单元的多种传感信息，根据不同的 振动控制算法，可能使用不同的传感器。车身振动控制算法可是天棚阻尼控制、混合阻尼控 制、PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、模糊控制等。以天棚阻尼控制算法为 例：车身振动控制器将接收阻尼器两端相对位移传感器，并对位移进行求导，获得相对速 度;将接收车体垂直加速度传感器，并进行积分运算，获得车体的绝对速度。通过对绝对速 度和相对速度进行比较计算，实时输出四个磁流变阻尼器的输出电压。而车身姿态控制器 将实时对车辆的转向、刹车、及加速进行车身的姿态控制，输出四个磁流变阻尼器的车身姿 态控制电压。通过运行控制算法，获得两种控制电压后，将阻尼器的姿态控制电压和振动控 制电压进行求和运算，以两者的和作为阻尼器的实时控制电压。因此本发明同时考虑了车 身的姿态控制和振动控制，具有更好的综合性能。求和运算在求和模块进行，物理实现方式 可以是MCU数字控制器计算或者模拟运算电路。
[0019] 另外，磁流变减振器的控制信号越小，悬架系统越软，车辆的乘坐舒适性越好。磁 流变减振器的控制信号越大，悬架系统越硬，车辆的操纵稳定性越好。以和作为总的控制信 号，悬架系统较硬，因此车辆的操纵稳定性更好，驾驶更加的安全。而在车辆稳定行驶时，姿 态控制电压很小，不会影响车辆的乘坐舒适性。
[0020] 总控制电压仍需经过限压模块，因为磁流变阻尼器的控制电压具有物理限制（磁 流变线圈的最大输入电流等），即最大控制电压。总控制电压由于是和的方式，因此可能超 出最大控制电压。限压模块将对求和后的总控制电压进行限制，若超出最大电压值，将输出 所允许的最大控制电压作为控制信号。悬架系统控制器的输出为四个阻尼器的控制电压信 号。
[0021] 图3为本发明实施例的车身姿态控制器。车身姿态控制器包括转向控制器、刹车控 制器、加速控制器和求和模块。三种控制器分别控制车辆转向导致的车身侧倾现象、车辆刹 车导致的车身俯仰现象、车辆急加速导致的车身俯仰现象。三种控制器将接收各自所需的 经过处理后的传感信息，实时运行各自的控制算法，输出四个磁流变阻尼器的转向控制电 压、刹车控制电压和加速控制电压。之后，三种控制电压在求和模块中进行加和运算，三者 之和为车身姿态控制电压。求和模块的物理实现方式可以是MCU数字控制器计算或者模拟 运算电路。
[0022] 转向控制器实时获得车体转向的程度，决定磁流变阻尼器的控制电压。而一种获 得车体转向的程度的方法，就是通过以下公式计算：
其中，η为转向程度，r为常数，V为车速，α为转向角。通过传感器获得车速、转向角等信 息，就可计算出车体转向的程度。而磁流变的控制电压将随着车体转向程度的增大而增大， 两者之间的关系可通过公式计算或者在线查表的方式获得。另一种获得车体转向的程度的 方法，可以通过测量由于转向所引起的车体的横向加速，从而输出磁流变阻尼器的控制电 压。
[0023] 刹车控制器实时获得车辆刹车的程度，决定磁流变阻尼器的控制电压。而一种获 得车辆刹车的程度的方法，可以通过测量制动压力传感器。磁流变的控制电压将随着制动 压力的增大而增大，两者之间的关系可通过公式计算或者在线查表的方式获得。制动压力 与磁流变控制电压的关系如图4所示。另一种获得车辆刹车的程度的方法，可以通过测量由 于刹车所引起的车体的前倾角度，从而输出磁流变阻尼器的控制电压。
[0024] 加速控制器实时获得车辆加速的程度，决定磁流变阻尼器的控制电压。而一种获 得车辆加速的程度的方法，可以通过测量油门位置传感器。磁流变的控制电压将随着油门 位置的增大而增大，两者之间的关系可通过公式计算或者在线查表的方式获得。另一种获 得车辆加速的程度的方法，可以通过测量由于加速所引起的车体的后仰角度，从而输出磁 流变阻尼器的控制电压。
[0025] 图4为本发明实施例的刹车控制电压与获得的制动压力信号之间的关系。刹车控 制器获得制动压力信号后，通过计算可以得到磁流变阻尼器的刹车控制电压:首先设置了 制动压力信号的启动阀值范围，当车辆处于较轻制动的时候，制动信号小于设置阀值，输出 的刹车控制电压为〇;当车辆的刹车比较急的时候，制动信号大于设置阀值，输出的刹车控 制电压将随着制动压力信号的增大而增大。采用此种阀值输出方式，可以避免轻微刹车时 磁流变控制电压的抖动。
[0026]因此，结合图2和图3,总的磁流变阻尼器的控制电压Ui等于振动控制电压Uiv、 转向控制电压Uit、刹车控制电压Uib和加速控制电压Uia四者之和。
[0027] Ui=Uiv+Uit+Uib+Uia,i=l~4 参照图1-4所述，本实施例还提供了一种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装 置的控制方法，包括传感器，所述控制方法包括以下步骤： 第一步:读取来自于车辆总线或车身加速度、车身转角、油门开度、车速、制动压力、减 振器相对高度等传感器的信息； 第二步:对所获得的传感信息进行处理计算，同时运行车身振动控制算法、车辆转向控 制算法、车辆刹车控制算法、车辆加速控制算法： 车身振动控制算法用于改进乘坐的舒适度，可以采用天棚阻尼控制、混合阻尼控制等， 输出用于振动控制的磁流变控制电压； 车辆转向控制算法用于减小车辆倾斜，通过获得车辆转向的程度，输出用于转向控制 的磁流变控制电压。或者通过获得车辆转向所引起的车身倾斜信息，进行反馈控制，输出用 于转向控制的磁流变控制电压； 车辆刹车控制算法用于减小车辆前倾，通过获得车辆刹车的程度，输出用于刹车控制 的磁流变控制电压。或者通过获得车辆刹车所引起的车身前倾角度，进行反馈控制，输出用 于刹车控制的磁流变控制电压； 车辆加速控制算法用于减小车辆后仰，通过获得车辆加速的程度，输出用于加速控制 的磁流变控制电压。或者通过获得车辆急加速所引起的车身后仰角度，进行反馈控制，输出 用于加速控制的磁流变控制电压； 第三步:对上述四种磁流变控制电压进行求和运算； 第四步:将求和所得的总控制电压限制在最大允许输出电压之内，之后进行输出； 第五步:将输出的磁流变控制电压转化为相应的驱动电流，从而改变磁流变阻尼器的 输出阻力。
[0028] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置，其特征在于:包括信号处理单 元、悬架系统控制器、阻尼力控制模块，以及多个磁流变阻尼器； 所述信号处理单元，接收来自于多种车辆传感器、车辆总线、驾驶员手动输入的原始信 息，进行处理后，输出到悬架系统控制器； 所述悬架系统控制器，运行具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制算法，输出多个 磁流变阻尼器的控制电压到阻尼力控制模块； 所述阻尼力控制模块，将所接收的控制电压转换为磁流变阻尼器的驱动电流； 所述磁流变阻尼器，通过改变驱动电流，从而改变输出的阻尼力，作用于车体上。2. 根据权利要求1所述的一种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置，其特征 在于，所述悬架系统控制器包含车身姿态控制器、车身振动控制器、求和模块和限压模块： 所述车身姿态控制器，输出对应于多个磁流变阻尼器的车身姿态控制电压;所述车身 振动控制器，输出对应于多个磁流变阻尼器的车身振动控制电压;所述求和模块，获得所述 两种控制电压之和； 所述限压模块，将所述两种控制电压之和限制在最大允许输出电压之内。3. 根据权利要求2所述的一种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置，其特征 在于，所述车身姿态控制器包含转向控制器、刹车控制器、加速控制器、以及求和模块： 所述转向控制器运行控制算法，获得多个磁流变阻尼器的转向控制电压； 所述刹车控制器运行控制算法，获得多个磁流变阻尼器的刹车控制电压； 所述加速控制器运行控制算法，获得多个磁流变阻尼器的加速控制电压； 所述求和模块，获得所述三种控制电压之和。4. 根据权利要求3所述的种具有加和模式的车辆磁流变悬架系统控制装置的控制方 法，包括传感器，其特征在于:所述控制方法包括以下步骤： 第一步:读取来自于车辆总线或车身加速度、车身转角、油门开度、车速、制动压力、减 振器相对高度等传感器的信息； 第二步:对所获得的传感信息进行处理计算，同时运行车身振动控制算法、车辆转向控 制算法、车辆刹车控制算法、车辆加速控制算法： 车身振动控制算法用于改进乘坐的舒适度，可以采用天棚阻尼控制、混合阻尼控制等， 输出用于振动控制的磁流变控制电压； 车辆转向控制算法用于减小车辆倾斜，通过获得车辆转向的程度，输出用于转向控制 的磁流变控制电压； 或者通过获得车辆转向所引起的车身倾斜信息，进行反馈控制，输出用于转向控制的 磁流变控制电压； 车辆刹车控制算法用于减小车辆前倾，通过获得车辆刹车的程度，输出用于刹车控制 的磁流变控制电压； 或者通过获得车辆刹车所引起的车身前倾角度，进行反馈控制，输出用于刹车控制的 磁流变控制电压； 车辆加速控制算法用于减小车辆后仰，通过获得车辆加速的程度，输出用于加速控制 的磁流变控制电压； 或者通过获得车辆急加速所引起的车身后仰角度，进行反馈控制，输出用于加速控制 的磁流变控制电压； 第三步:对上述四种磁流变控制电压进行求和运算； 第四步:将求和所得的总控制电压限制在最大允许输出电压之内，之后进行输出； 第五步:将输出的磁流变控制电压转化为相应的驱动电流，从而改变磁流变阻尼器的 输出阻力。
【文档编号】B60G17/018GK105922836SQ201610419691
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】陈超, 张笛
【申请人】陈超