一种基于天棚控制算法的悬挂控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于天棚控制算法的悬挂控制系统，包括车辆状态传感器、数据采集器、工控机、磁流变减振器、电机驱动器和伺服电机，所述车辆状态传感器用于检测车辆状态数据；所述数据采集器用于对车辆状态传感器进行采集以获得车辆状态数据；所述工控机根据所述车辆状态数据对电机驱动器和程控电流源进行控制，所述电机驱动器产生一驱动力带动所述伺服电机反馈作用于悬挂系统的主动悬架，所述程控电流源产生一控制电流使得磁流变减振器产生一阻尼力反馈作用于悬挂系统的半主动悬架。本发明能够提高车体行驶平顺性和乘坐舒适性。
【专利说明】
一种基于天棚控制算法的悬挂控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及减振控制技术领域，特别是涉及一种基于天棚控制算法的悬挂控制系 统。
【背景技术】
[0002] 车体与车轮间的动力悬架是车辆的重要构成部分。悬架性能的好坏将会直接影响 到车辆在行驶过程中的行驶安全性、乘坐舒适性和操纵稳定性。传统的被动悬架由阻尼系 数和刚度不可变的阻尼元件和弹性元件构成，被动悬挂系统在构建前需要设定好阻尼系数 和刚度。由于参数设定好后不具可调性，仅仅能够适应一定工况下的振动，对多变的行驶路 况适应能力很差。主动悬架和半主动悬架结合使用可以根据具体的路面情况选择合适的悬 架进行调节，具有适应能力强、控制性能好、容错性好等特点。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于天棚控制算法的悬挂控制系统，提高 车体行驶平顺性和乘坐舒适性。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种基于天棚控制算法的悬挂 控制系统，包括车辆状态传感器、数据采集器、工控机、磁流变减振器、电机驱动器和伺服电 机，所述车辆状态传感器用于检测车辆状态数据;所述数据采集器用于对车辆状态传感器 进行采集以获得车辆状态数据;所述工控机根据所述车辆状态数据对电机驱动器和程控电 流源进行控制，所述电机驱动器产生一驱动力带动所述伺服电机反馈作用于悬挂系统的主 动悬架，所述程控电流源产生一控制电流使得磁流变减振器产生一阻尼力反馈作用于悬挂 系统的半主动悬架。
[0005] 所述工控机通过天棚控制算法控制程控电流源输出一个控制电流使得所述磁流 变减振器产生一阻尼力。
[0006] 所述磁流变减振器产生的阻尼力大小为
中，Fmax为磁流变减振器能产生的最大阻尼力;Fmin为磁流变减振器能产生的最小阻尼力;C s 为天棚阻尼系数;尤2为车体向上速度;尤为车轮向上速度;Fd为理想天棚控制力。
[0007] 所述车辆状态传感器为加速度传感器，用于采集垂直方向上车体质心加速度和驾 驶员座椅处的加速度。
[0008] 有益效果
[0009] 由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果:本发明将磁流变减振器和永磁式伺服电机结合应用于基于天棚控制算法的车辆悬挂装 置中，提高了车体行驶平顺性和乘坐舒适性。本发明采用的磁流变减振器是利用新型材料 磁流变液在变化磁场作用下快速可逆的流变特性而设计的一种新型作动器，具有耗能低、 可产生连续阻尼力、方便控制等优点。
【附图说明】
[0010] 图1是二自由度悬挂系统模型图；
[0011] 图2是理想天棚控制悬架模型图；
[0012]图3是本发明的系统结构图；
[0013]图4是本发明的软件实现图；
[0014]图5是路面激励示意图；
[0015] 图6是车体质心处加速度功率谱密度变化情况示意图；
[0016] 图7是驾驶员座位处加速度功率谱密度变化情况示意图；
[0017] 图8是车体质心处加速度随时间变化情况示意图；
[0018] 图9是驾驶员座位处加速度随时间变化情况示意图；
[0019] 图10是车体质心位移随时间变化情况示意图；
[0020] 图11是驾驶员座位处位移随时间变化情况示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0022] 本发明以提高车辆行驶平顺性和乘坐舒适性为目的，将磁流变减振器和伺服电机 分别应用于基于天棚控制算法的半主动悬架和主动悬架中，搭建硬件设备平台和实现软件 设计，从而提高车体行驶平顺性和乘坐舒适性。
[0023] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于天棚控制算法的悬挂控 制系统，整车一般由四个悬挂系统组成，但理论分析时常采用1/4车二自由度悬挂系统模 型，如图1所示为二自由度悬挂系统模型。假设坐标原点选取在各自平衡位置，则该悬挂动 力学方程可表示为
[0024]
(1)
[0025]式中，M2、1^分别为车体质量和车轮质量;ks、kt分别为悬挂弹簧和车轮刚度;C e为悬 挂阻尼系数;X2、XdPX〇分别为车体、车轮垂直位移和路面不平度激励；；^为车体向上加速 度;名为车轮向上加速度；矣为车体向上速度;名为车轮向上速度;请补充為为车体向上加 速度、尤为车轮向上加速度;F为控制力，当F不作用时上述模型可以等效为被动悬挂模型。 [0026]如图2所示为理想天棚控制悬架。天棚控制算法的基本思想是在车辆车体和假设 的"天棚"之间安装一个阻尼器。该阻尼器的阻尼系数变化时会产生不同的阻尼力作用于该 控制悬架，起到减振的效果。假设坐标原点选取在各自平衡位置，假设车辆悬架的簧载质量 与惯性参考地面之间具有阻尼。
[0027] 理想的天棚阻尼力为：
[0028] .i? = -C^ (2)
[0029] 式中：(^是天棚阻尼系数，根据悬挂系统参数优化确定。根据图2写出运动微分方 程如下：
[0030]
[0031] 根据与天棚阻尼等效的原则，图1所示的悬架模型中的力F由磁流变减振器(半主 动悬架）或伺服电机（主动悬架）来提供，即图1中的F与天棚阻尼力F s存在某种关系。由于 K =-Q矣，所以当矣和fe -名)同向时，F*FS同向，因此可以通过改变励磁电流的大小使 匕与？相等；当；^和:(1；2-尤;)反向时，？和匕反向。为了尽可能缩小两者差异，应该让F最小。 考虑到磁流变减振装置自身存在一定的阻尼，因此F最小值不能取到0值，Fe [Fmin，Fmax]，因 此F的取值可以表述为：
[0032]
[0033] 其中，Fmax为磁流变减振器能产生的最大阻尼力;Fmin为磁流变减振器能产生的最 小阻尼力;Fd为理想天棚控制力;上式中的力F由磁流变阻尼器提供。
[0034]悬挂控制系统包括硬件结构搭建和软件算法部分。硬件部分主要包括车辆状态传 感器、PCI数据采集器、工控机、程控电流源、磁流变减振器、电机驱动器和伺服电机，如图3 系统结构图所示。所述车辆状态传感器为加速度传感器，用于采集垂直方向上车体质心加 速度和驾驶员座椅处的加速度;所述数据采集器用于对车辆状态传感器进行采集以获得车 辆状态数据;所述工控机根据所述车辆状态数据对电机驱动器和程控电流源进行控制。软 件需要实现模拟输入信号的采集、滤波、积分和微分，然后通过上述的天棚算法对程控电流 源进行控制，使得程控电流源输出一个控制电流的指令，最后通过电流信号改变磁流变阻 尼器产生一个阻尼力反馈作用于悬挂系统，达到减缓系统振动的效果，如图4软件实现图。 [0035]下面以一个具体的实施例来进一步说明本发明。
[0036]设某越野车在特定路面上以9m/s匀速直线行驶。本次试验采用某公司的752A13加 速度传感器采集垂直方向上车体质心加速度和驾驶员座椅处的加速度信号，通过对悬挂控 制系统上的磁流变阻尼器输出控制指令和终止对磁流变阻尼器输出电流指令两种情况下 的数据采集，显示车体质心和驾驶员座位处加速度的变化情况。磁流变阻尼器没有工作的 情况下该悬挂系统等效于被动悬架。
[0037]图5为某段时刻路面输入情况。图6-图9所示的是加速度变化情况，由于悬挂系统 中的控制装置产生的力F对整个控制系统起到了一定的调节作用，所以在相同的路面条件 下装有磁流变阻尼器和伺服电机的车辆在行驶过程中垂直方向的加速度变化明显低于半 主动/主动悬架没有起到任何作用时候的情况。从图10和图11中可以看出驾驶员位置和车 体质心处，装有磁流变阻尼器和伺服电机的悬挂系统比被动悬挂控制系统的垂直方向的振 动加速度下降了百分之七十左右垂直方向的位移幅度也有很明显的降低，特别是在低频段 尤为明显，明显会提高车辆行驶平顺性和乘坐舒适性。由此可见磁流变阻尼器应用于半主 动悬挂系统中有利于降低低频共振的幅值，具有推广意义。
[0038]不难发现，本发明将磁流变减振器和永磁式伺服电机结合应用于基于天棚控制算 法的车辆悬挂装置中，提高了车体行驶平顺性和乘坐舒适性。本发明采用的磁流变减振器 是利用新型材料磁流变液在变化磁场作用下快速可逆的流变特性而设计的一种新型作动 器，具有耗能低、可产生连续阻尼力、方便控制等优点。
【主权项】
1. 一种基于天棚控制算法的悬挂控制系统，包括车辆状态传感器、数据采集器、工控 机、程控电流源、磁流变减振器、电机驱动器和伺服电机，其特征在于，所述车辆状态传感器 用于检测车辆状态数据;所述数据采集器用于对车辆状态传感器进行采集以获得车辆状态 数据;所述工控机根据所述车辆状态数据对电机驱动器和程控电流源进行控制，所述电机 驱动器产生一驱动力带动所述伺服电机反馈作用于悬挂系统的主动悬架，所述程控电流源 产生一控制电流使得磁流变减振器产生一阻尼力反馈作用于悬挂系统的半主动悬架。2. 根据权利要求1所述的基于天棚控制算法的悬挂控制系统，其特征在于，所述工控机 通过天棚控制算法控制程控电流源输出一个控制电流使得所述磁流变减振器产生一阻尼 力。3. 根据权利要求1所述的基于天棚控制算法的悬挂控制系统，其特征在于，所述磁流变 减振器产生的阻尼力大小为，其中，Fmax为磁流 变减振器能产生的最大阻尼力;Fmin为磁流变减振器能产生的最小阻尼力;Cs为天棚阻尼系 数;文2为车体向上速度；名为车轮向上速度;Fd为理想天棚控制力。4. 根据权利要求1所述的基于天棚控制算法的悬挂控制系统，其特征在于，所述车辆状 态传感器为加速度传感器，用于采集垂直方向上车体质心加速度和驾驶员座椅处的加速 度。
【文档编号】B60G17/018GK105946496SQ201610269968
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】周武能, 张杨, 潘亮
【申请人】东华大学